JP5327557B2 - 燃料電池のセル水分量の状態を判定する方法、その装置、燃料電池のセル水分量の状態を制御する方法、その装置及び燃料電池システム - Google Patents

燃料電池のセル水分量の状態を判定する方法、その装置、燃料電池のセル水分量の状態を制御する方法、その装置及び燃料電池システム Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池のセル水分量の状態を判定する方法とその装置、燃料電池のセル水分量の状態を制御する方法とその装置、及び燃料電池システムに関する。
例えば固体高分子型の燃料電池で効率良く発電を行うには、積層された複数のセルの水分量が過不足なく良好な状態であることが重要である。このため、従来、セル電圧などから、乾燥状態や水分過剰状態を検出し、それに基づいてセルの水分量を制御して、良好な水分量に回復させていた（特許文献１、２）。その他関連する技術として、特許文献３〜６が挙げられる。
特開２００８−０４１６２５号公報 特開２００７−１９４１７７号公報 特開２００８−２８８０６６号公報 特開２００７−１２４２９号公報 特開２００４−３１１１４９号公報 特開２００５−６３８０１号公報
しかしながら、実際、積層された多数のセルには、ガスの供給圧のばらつき等の影響を受けて、乾燥状態のセルと水過剰状態のセルが混在していることがある。このとき、上述のように乾燥状態であるとして、複数のセル全体の水分量を増加させる制御を行ったり、水分過剰状態であるとして、複数のセル全体の水分量を減少させる制御を行ったりすると、一部のセルでは、水分量の状態が逆に悪化することになる。この結果、燃料電池のセルが良好な水分量の状態に回復しないことがある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、良好な水分量の状態に回復するための燃料電池のセル水分量の状態を判定する方法、その装置、燃料電池のセル水分量の状態を制御する方法、その装置、及び燃料電池システムを提供することをその目的とする。
上記目的を達成するための本発明は、燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を判別する方法であって、次の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するものである。条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
本発明によれば、上記条件１〜３のいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するので、当該混在状態であることを把握し、それに適切に対応できる。したがって、燃料電池のセル水分量の状態が混在状態になった場合でも、当該セル水分量を良好な状態に回復させることができる。
上記燃料電池のセル水分量の状態の判別方法において、燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わないようにしてもよい。
また、燃料電池のセル水分量の状態の判別方法において、上記前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するようにしてもよい。
別の観点による本発明は、燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を制御する方法であって、下記の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別し、前記混在状態と判別された場合には、水分増加制御を行ってすべてのセルを水分過剰状態にし、その後乾燥化制御を行ってすべてのセルを乾燥して、前記複数のセルを所定の水分量の状態に回復させるものである。条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
本発明によれば、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態を判別し、水分増加制御、乾燥化制御を順に行って、複数のセルの水分量を回復させることができるので、当該複数のセルの水分量の良好な状態への回復を適切かつ確実に行うことができる。
上記燃料電池のセル水分量の状態の制御方法において、燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わないようにしてもよい。
上記燃料電池のセル水分量の状態の制御方法において、前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、積層方向の中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するようにしてもよい。
また、上記燃料電池のセル水分量の状態の制御方法において、前記水分増加制御において、セル電圧の低下を許容するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、セルのカソード側のエアストイキ比、エア背圧、燃料電池の冷却水の温度、燃料電池の発電出力の少なくともいずれかを制御するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、前記エアストイキ比を調整しセル内の水分を排出して、セルの空気流路の水詰まりによる空気供給不足を回避するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、セルのカソード側からアノード側への水分の移動を抑制して、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避するようにしてもよい。また、セルのアノード側の水素ガス圧を上げることにより、前記水分の移動を抑制するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、セルのアノード側の水の排出を促進させて、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避するようにしてもよい。
セルのアノード側の水素ガスストイキ比を上げる、水温を上げる、パージ頻度を増加する、の少なくともいずれかを行うことにより、前記水の排出を促進させるようにしてもよい。
前記乾燥化制御は、エアパージ制御により行い、前記エアパージ制御のパージ量は、セル内の水を排出可能なエア流速と、セル電圧が低下しているセルに含まれる水をすべて排出できるエア量が確保されるように設定されるようにしてもよい。
別の観点による本発明は、燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を判別する装置であって、次の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するものである。条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
上記燃料電池のセル水分量の状態の判別装置において、燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わないようにしてもよい。
また、前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、積層方向の中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するようにしてもよい。
別の観点による本発明は、燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を制御する装置であって、下記の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別し、前記混在状態と判別された場合には、水分増加制御を行ってすべてのセルを水分過剰状態にし、その後乾燥化制御を行ってすべてのセルを乾燥して、前記複数のセルを所定の水分量の状態に回復させるものである。条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
上記燃料電池のセル水分量の状態の制御装置において、燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わないようにしてもよい。
また、前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、積層方向の中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するようにしてもよい。
前記水分増加制御において、セル電圧の低下を許容するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、セルのカソード側のエアストイキ比、エア背圧、燃料電池の冷却水の温度、燃料電池の発電出力の少なくともいずれかを制御するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、前記エアストイキ比を調整しセル内の水分を排出して、セルの空気流路の水詰まりによる空気供給不足を回避するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、セルのカソード側からアノード側への水分の移動を抑制して、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避するようにしてもよい。
セルのアノード側の水素ガス圧を上げることにより、前記水分の移動を抑制するようにしてもよい。
前記水分増加制御では、セルのアノード側の水の排出を促進させて、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避するようにしてもよい。
セルのアノード側の水素ガスストイキ比を上げる、水温を上げる、パージ頻度を増加する、の少なくともいずれかを行うことにより、前記水の排出を促進させるようにしてもよい。
前記乾燥化制御は、エアパージ制御により行い、前記エアパージ制御のパージ量は、セル内の水を排出可能なエア流速と、セル電圧が低下しているセルに含まれる水をすべて排出できるエア量が確保されるように設定されるようにしてもよい。
別の観点による本発明は、燃料電池と、上記燃料電池のセル水分量の状態の判別装置を有する、燃料電池システムである。
また、別の観点による本発明は、燃料電池と、上記燃料電池のセル水分量の状態の制御装置を有する、燃料電池システムである。
燃料電池の斜視図である。 燃料電池の内部の一部を示す側面図である。 単セルの断面図である。 セパレータの平面図である。 燃料電池システムの構成図である。 セル積層体の各セルのセル電圧の変化を示すグラフである。 制御装置の機能ブロック図である。 燃料電池のセル積層体の水分量の状態の制御方法を示すフローチャートである。 セル積層体の水分量の状態の変化を示すグラフである。 パージのエア流速とエア量を求める式である。
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、スタック構造の燃料電池１は、固体高分子電解質型の単セル２を複数積層してなるセル積層体３を有している。セル積層体３の両端にある単セル２（端部セル２ａ）の外側には、それぞれ、集電板５ａ、５ｂ、絶縁板６ａ、６ｂ及びエンドプレート７ａ、７ｂが配置されている。テンションプレート８，８はエンドプレート７ａ、７ｂの間に架け渡されてボルト９で固定され、エンドプレート７ｂと絶縁板６ｂとの間に弾性モジュール１０が設けられている。
エンドプレート７ａの供給口１１ａ，１２ａ及び１３ａには、供給管１４が接続されており、燃料ガスとしての水素ガス、酸化ガスとしての空気、及び冷媒を、供給管１４からセル積層体３内のマニホールド１５ａに供給できる。マニホールド１５ａは、各単セル２を通じてセル積層体３内のマニホールド１５ｂに通じており、マニホールド１５ａに供給された水素ガス、空気及び冷媒は、各単セル２の後述する流路内を平面方向に流れて、マニホールド１５ｂに至る。マニホールド１５ｂは、エンドプレート７ａの排出口１１ｂ，１２ｂ及び１３ｂに接続した排出管１６に通じており、水素ガス、空気及び冷媒は、排出管１６から燃料電池１の外に排出される。なお、供給管１４、マニホールド１５ａ，１５ｂ及び排出管１６は、水素ガス、空気及び冷媒の各流体毎に対応して設けられているが、図２では同一符号を付して説明を省略している。
図３に示すように、単セル２は、ＭＥＡ２０及び一対のセパレータ２２Ａ，２２Ｂを備えている。ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）は、イオン交換膜からなる電解質膜２３と、電解質膜２３を挟んだアノード電極２４Ａ及びカソード電極２４Ｂと、で構成されている。アノード電極２４Ａには、セパレータ２２Ａの水素ガス流路２５Ａが面し、カソード電極２４Ｂには、セパレータ２２Ｂの空気流路２５Ｂが面している。また、セパレータ２２Ａ，２２Ｂの冷媒流路２６Ａ，２６Ｂが、隣接する単セル２，２間で連通している。
図４は、セパレータ２２Ａの平面図である。セパレータ２２Ａは、水素ガス流路２５Ａの外側にそれぞれ厚み方向に貫通形成された水素ガス入口２７ａ、空気入口２８ａ、冷媒入口２９ａ、水素ガス出口２７ｂ、空気出口２８ｂ及び冷媒出口２９ｂを有している。入口２７ａ、２８ａ、２９ａは、それぞれの流体に対応するマニホールド１５ａの一部を構成し、同様に、出口２７ｂ、２８ｂ、２９ｂは、それぞれの流体に対応するマニホールド１５ｂの一部を構成している。
セパレータ２２Ａでは、水素ガスが水素ガス入口２７ａから水素ガス流路２５Ａに導入され、水素ガス出口２７ｂへと排出される。この点、冷媒の流れも同様である。また、詳述しないが、セパレータ２２Ａと同様に構成されたセパレータ２２Ｂでも、その平面方向に空気が流れる。このように、セパレータ２２Ａの水素ガス流路２５Ａに面したアノード電極２４Ａに水素ガスが供給され、空気流路２５Ｂに面したカソード電極２４Ｂに空気が供給され、それによりＭＥＡ２０内で電気化学反応が生じて、起電力が得られる。また、この電気化学反応により、カソード電極２４Ｂ側で水が生成され、セル２内に水分が滞留する。
図５に示すように燃料電池１には、例えば各セル２の電圧を検出するセンサＳ１、各セル２の空気入口２８ａの電流を検出するセンサＳ２、セル積層体３の発電出力を検出するセンサＳ３が設けられている。
次に、上記燃料電池１が搭載された燃料電池システムについて説明する。図５に示すように、燃料電池システム１００は、例えば空気配管系３００、水素配管系４００、冷媒配管系５００及び制御装置６００を備えている。燃料電池システム１００は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム１００を例に説明する。
空気配管系３００は、燃料電池１に空気を給排するものであり、例えば供給流路３０、排出流路３１、コンプレッサ３２、希釈器３３などを有している。コンプレッサ３２により、大気中の空気が供給流路３０を通って燃料電池１に圧送され、燃料電池１から排出されたエアオフガスは、排出流路３１を通って希釈器３３で希釈されてから排出される。供給流路３０には、燃料電池１に対する空気の供給と停止を行う開閉弁３４が設けられている。コンプレッサ３２と開閉弁３４との間には、圧力センサＰが設けられている。排出流路３１には、燃料電池１に対するエアオフガスの排出と停止を行う開閉弁３５と、燃料電池１のエア背圧を調整するエア背圧調整弁３６が設けられている。また、エア背圧調整弁３６の近傍には、エア背圧を検出する圧力センサＰ１が設けられる。コンプレッサ３３には、燃料電池１へのエア供給流量を検出する流量センサＦ１が設けられる。
水素配管系４００は、燃料電池１に水素ガスを給排するものであり、水素供給源４０、供給流路４１、循環流路４２、シャットバルブ４３、調圧弁４４、インジェクタ４５などを有している。水素供給源４０からの水素ガスは、調圧弁４４によって減圧された後、インジェクタ４５によって流量及び圧力を高精度に調整される。その後、水素ガスは、循環流路４２上のガス循環装置としての水素ポンプ４６によって圧送された水素オフガスと合流点Ａで合流して、燃料電池１に供給される。循環流路４２には、排気弁４７が設けられ、当該排気弁４７には、循環流路４２から分岐する排出流路４８が接続されている。排出流路４８は、希釈器３３に接続されており、水素オフガスは、排気弁４７から排出流路４８を通じて希釈器３３に送られ、希釈された後排出される。合流点Ａの下流側には、燃料電池１への水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられる。また、水素ポンプ４６には、流量センサＦ２が設けられる。なお、別の実施態様では、燃料オフガスを水素希釈器などに導入してもよいし、循環流路４２に気液分離器を設けてもよい。
冷媒配管系５００は、燃料電池１に冷媒（例えば冷却水）を循環供給して燃料電池１を温度調整するものであり、例えば冷却ポンプ５０、冷媒流路５１、ラジエータ５２、バイパス流路５３及び切替え弁５４を有している。冷却ポンプ５０は、冷媒流路５１内の冷媒を燃料電池１内へと圧送する。冷媒流路５１は、燃料電池１の冷媒入口側にある温度センサＴ１と、燃料電池１の冷媒出口側にある温度センサＴ２と、を有する。ラジエータ５２は、燃料電池１から排出される冷媒を冷却する。切替え弁５４は、例えばロータリーバルブにより構成され、必要に応じて、ラジエータ５２とバイパス流路５３との間で冷媒の通流を切り替える。
制御装置６００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御装置６００には、各配管系３００，４００，５００を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報が入力される。また、制御装置６００には、燃料電池１が発電した電流値を検出する電流センサ６１の検出情報のほか、外気温センサ６２、車速センサ６３、アクセル開度センサなどの検出情報が入力される。制御装置６００は、これらの検出情報等に応じて、システム１００内の各種機器（コンプレッサ３２、シャットバルブ４３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６、排気弁４７、冷却ポンプ５０、切替え弁５４など）を制御し、燃料電池システム１００の運転を統括制御する。
また、制御装置６００は、例えば上記センサＳ１〜Ｓ３等の検出情報に基づいて、燃料電池１の積層された複数のセル２（セル積層体３）の水分量の状態を判別し、当該判別に基づいて水分量を調整する。具体的には、制御装置６００は、下記の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別し、この場合には、水分増加制御を行ってすべてのセル２を水分過剰状態にし、その後乾燥化制御を行ってすべてのセル２を乾燥して、セル積層体３を所定の水分量の状態に回復させる。
条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。
条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。
条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつセルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
ここで、条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、セル積層体３が乾燥状態と水分過剰状態の混在状態であると判別する理由について説明する。
図６は、セル積層体３に混在状態が生じた場合の各セル２のセル電圧の変位を示すグラフである。このグラフから、セル積層体３のセル電圧がばらつき、一部のセルのセル電圧が極端に低下することが分かる。したがって、セルの電圧偏差が所定の閾値Ａ１以上になり、かつ最低セル電圧が所定の閾値Ａ２以下になる場合に、混在状態となる（条件１）。
グラフのセル積層体３のセル電圧のばらつきは、セル２の乾燥によるものであり、セル積層体３のセル電圧がばらつくと、セル抵抗が大きくなり、燃料電池１の発電出力が低下する。また、グラフの一部のセル２のセル電圧の低下は、水分過剰によるものである。したがって、最低セル電圧が所定の閾値Ａ２以下になり、かつ燃料電池１の発電出力が所定の閾値以下になる場合に、混在状態となる（条件２）。
乾燥状態では、空気入口２８ａの空気の湿度が最も低く、乾燥しやすいため、空気入口２８ａの電流値が低下する。よって、水分過剰状態で起こる最低セル電圧が所定の閾値Ａ２以下になり、かつセル２のカソード側の空気入口２８ａの電流が所定の閾値以下になる場合に、混在状態となる（条件３）。なお、乾燥状態だけや水分過剰状態だけでは、条件１〜３のいずれも満たされない。
制御装置６００は、通常制御において、セル積層体３の水分量の状態が乾燥状態の場合には、水分増加制御を行い、水分過剰状態の場合には、乾燥化制御を行う。
図７に示すように、制御装置６００は、セル積層体３を所定の水分量の状態に回復させる機能ブロックとして、例えば記憶部６５、検出部６６、算出部６７及び運転制御部６８を備えている。記憶部６５は、セル積層体３の水分量の状態を判別したり、当該判別に基づいて、各種機器を制御するための各種プログラムや、各種情報を記憶している。検出部６６は、セル２内の水分量を判別するためのセンサＳ１〜Ｓ３等による検出情報を読み込む。算出部６７は、検出部６６で取得された情報等に基づいて、記憶部６５にあるプログラムを実行して、セル積層体３の水分量の状態の判別や、その判別に基づく各種機器等の制御に必要な演算を行う。運転制御部６８は、算出部６７による結果に基づいて、各種機器に制御指令を送信し、燃料電池１のセル積層体３が所望の水分量の状態になるように運転を制御する。なお、例えば本実施の形態では、例えば記憶部６５、検出部６６及び算出部７６により、燃料電池１のセル水分量を判別する判別装置７００が構成されている。
次に、以上のように構成された燃料電池システム１００において燃料電池１のセル水分量（セル積層体３の水分量）の状態を制御する制御方法の一例について説明する。図８は、本制御例のフローチャートである。
先ず、センサＳ１〜Ｓ３等を用いて、各セル２のセル電圧、各セル２の空気入口２８ａの電流、及び燃料電池１の発電出力が検出される（工程Ｓ１）。
次に、次の条件１〜３を満たしているか否かが判定される（工程Ｓ２）。
条件１．複数のセル２の電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。
条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池１の発電出力が所定の閾値以下である。
条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セル２のカソード側の空気入口２８ａの電流が所定の閾値以下である。
なお、条件１〜３の各種閾値については、予め実験等を行い求められたものが設定される。
また、燃料電池１の始動時、燃料電池１の高負荷運転時及び燃料電池１の停止処理時には、上述の乾燥状態と水分過剰状態の混在状態の判別は行わないようにする。燃料電池１の始動時には、定常運転時の所定の温度範囲よりも水温が低く、ガスがセル積層体３全体に適切に行きわたらず、水分量の状態に起因しない理由で、例えば各セル２のセル電圧がばらつくことがある。燃料電池１の高負荷運転時には、通常負荷運転時よりも各セル２のセル電圧等がばらつくことがある。また、燃料電池１の停止処理時には、燃料電池１内の水を排出するためのパージが行われ、各セル２のセル電圧がばらつくことがある。このように、上記各場合において、混在状態の判別を行わないことにより、混在状態の誤判別を防止できる。なお、燃料電池の始動時は、例えば起動シーケンスから燃料電池１の通常発電までの期間であり、高負荷運転時は、例えば燃料電池１の最高出力の５０〜７０％以上の出力で運転している期間である。また、燃料電池の停止処理時は、例えば運転終了指示による運転終了処理の開始から終了までの期間である。
続いて、上記条件１〜３の少なくともいずれかを満たしている場合には、セル積層体３が乾燥状態と水分過剰状態の混在状態であると判別される。当該判別が行われた場合には、先ず、図９に示すように水分増加制御を行ってすべてのセル２を水分過剰状態にする（工程Ｓ３）。この水分増加制御は、例えばセル２のカソード電極２４Ｂ側のエアストイキ比、エア背圧、セル２の水温、燃料電池１の発電出力の少なくともいずれかを制御して行う。具体的には、エアストイキ比については、例えばコンプレッサ３２の制御によりエアの供給量を減らし、エアによる水の持ち去り量を減らす。また、エア背圧については、エア背圧調整弁３５によりエア背圧を上昇させ、エアによる水の持ち去り量を減らす。また、セル積層体３内の水温については、例えば冷媒配管系５００を用いて、冷媒の温度を下げて水温を下げ、水の揮発量を減らす。発電出力については、例えば水素ガスやエアの全体のガス供給量を増加し発電出力を上げて、水の生成量を増加させる。
水分増加制御において、特定のセル２のセル電圧が低下した場合に、通常制御では、直ちにこれを回復する制御が行われるが、この水分増加制御では、このセル電圧の低下を許容する。このセル電圧の低下は、水分過剰によるエア不足によるものなので、セル２にダメージを与えることはない。
また、水分増加制御では、エアストイキ比を調整しセル２内から水分を排出して、セル２の空気流路２５Ｂの水詰まりによるエア供給不足を回避する。さらに、水分増加制御では、セル２のカソード側からアノード側への水分の移動を抑制して、セル２の水素ガス流路２５Ａの水詰まりによる水素ガス供給不足を回避する。具体的には、例えばアノード側の水素ガス圧を上げることにより、水分の移動を抑制する。
水分増加制御では、セル２のアノード側の水の排出を促進させて、セル２の水素ガス流路２５Ａの水詰まりによる水素ガス供給不足を回避する。この水の排出の促進は、例えばセル２のアノード側の水素ガスストイキ比を上げる、セル２のアノード側の水温を上げる、セル２のアノード側のパージ頻度を増加する、の少なくともいずれかを行うことにより行う。セル２のアノード側の水温は、例えば冷却配管系５００において冷却水をラジエータ５２を通さないように循環させることにより上げる。
次に、すべてのセル２が水分過剰状態になったか否かが判断される（工程Ｓ４）。すべてのセル２が水過剰状態になった場合には、図６に示すように一部のセル２のセル電圧が極端に低下し、残りのセルのセル電圧のばらつきが小さくなる。よって、すべてのセル２が水分過剰状態になったか否かの判断は、電圧が閾値Ａ２以下に低下したセルを除いた残りのセル２のセル電圧の偏差が閾値Ａ３以下になっている場合には、すべてのセル２が水分過剰状態になっていると判断し、それ以外の場合には、すべてのセル２が水分過剰状態になっていないと判断する。すべてのセル２が水分過剰状態になっていない場合には、再度水分増加制御が行われる。
すべてのセル２が水分過剰状態になったら、次に乾燥化制御が行われる（工程Ｓ５）。乾燥化制御は、例えばセル２内にエアを流すエアパージ制御により行われる。エアパージ制御のパージ量は、セル２内の水を排出可能なエア流速と、セル電圧が低下しているセル２に含まれる水をすべて排出できるエア量が確保されるように設定される。具体的には、エア流速ｖ１は、実験等により求められる。また、エア量Ｑは、図１０に示す式（１）、（２）を満たすように算出される。式中のｖ２は、乾燥状態なセルを流れる流速であり、Ｐ１は、水分過剰状態時のセル２の圧力損失、Ｐ２は、乾燥状態時のセル２の圧力損失、ｎは、セル電圧が低下しているセル数、ｎallは、総セル数、Ｓは、セル流路断面積、ｔは、パージ時間である。エア流速ｖ１が予め定められている値なので、式（１）、（２）からエア量が求められる。
この乾燥化制御により、すべてのセル２が乾燥され、セル積層体３を所定の水分量の状態に回復させる。セル積層体３が所定の水分量になったか否かが判断される（工程Ｓ６）。なお、このセル積層体３が所定の水分量の状態に回復したことの判断は、例えばセル電圧の偏差が所定の閾値以下になったことで行われる。
セル積層体３が所定の水分量の状態に回復していない場合には、再度水分増加制御からやり直す。このとき、やり直し回数がカウントされ、やり直し回数が所定の回数以下の場合に、やり直しが行われる。やり直し回数が所定の回数を超えている場合には、水分量の状態の制御が終了し、例えば燃料電池１の発電出力が制限される。また、セル積層体３が所定の水分量の状態に回復した場合には、通常制御に戻される。通常制御において、定期的或いは随時、条件１〜３が確認され、条件１〜３の少なくともいずれかを満たしている場合には、上述の工程３〜６が繰り返される。
以上の実施の形態によれば、上記条件１〜３のいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するので、当該混在状態であることを把握し、それに適切に対応できる。また、混在状態であることが判別されると、水分増加制御を行ってすべてのセルを水分過剰状態にし、その後乾燥化制御を行ってすべてのセル２を乾燥して、セル積層体３を所定の水分量の状態に回復させるので、水分量の状態の回復を適切かつ確実に行うことができる。
また、水分量の状態に起因しない理由でセル電圧がばらつくことがある燃料電池１の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、上記混在状態の判別を行わないようにしたので、混在状態の誤判別を防止できる。
水分増加制御において、セル電圧の低下を許容するようにしたので、混在状態において低くなっていた特定のセル２のセル電圧がさらに低くなっても、それに対処する別の制御が行われず、引き続き水分増加制御を継続することができる。
水分増加制御では、セル２のカソード側のエアストイキ比、エア背圧、冷却水の温度、燃料電池１の発電出力の少なくともいずれかを制御するので、水分増加制御を効果的に行うことができる。また、水分増加制御では、エアストイキ比を調整しセル２内の水分を排出して、セル２の空気流路２５Ｂの水詰まりによる空気供給不足を回避しているので、水分増加を適切に促進することができる。なお、エアストイキ比は、理論上反応に必要なエア量に対する供給エア量の割合である。
また、水分増加制御では、セル２のカソード側からアノード側への水分の移動を抑制して、セル２の水素ガス流路２５Ａの水詰まりによる水素ガス供給不足を回避しているので、水分増加を適切に促進することができる。また、このときの水分の移動を、セル２のアノード側の水素ガス圧を上げることにより行ったので、水分の移動が効果的に行われる。
水分増加制御では、セル２のアノード側の水の排出を促進させて、セル２の水素ガス流路２５Ａの水詰まりによる水素ガス供給不足を回避しているので、水分増加を適切に促進することができる。水の排出の促進は、セル２のアノード側の水素ガスストイキ比を上げる、水温を上げる、パージ頻度を増加する、の少なくともいずれかを行うことにより行ったので、水の排出の促進が適正に行われる。
乾燥化制御は、エアパージ制御により行い、エアパージ制御のパージ量は、セル２内の水を排出可能なエア流速と、セル電圧が低下しているセル２に含まれる水をすべて排出できるエア量が確保されるように設定されるので、水分量の状態の回復が効果的に行われる。
以上の実施の形態において、条件１〜３の少なくともいずれかに加え、セル積層体３の中央のセル２のインピーダンス値と端のセル２のインピーダンス値の差が所定の閾値以上になる場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別するようにしてもよい。セル２のインピーダンス値は、含有する水分量に依存する。したがって、かかる場合のようにセル積層体３の中央のセル２のインピーダンス値と端のセル２のインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、混在状態と判別することによって、当該判別の精度を向上できる。なお、インピーダンス値の検出は、例えば挿引する電流負荷に交流信号を付加し、交流インピーダンスを計測することで検出される。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
例えば以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システム１００について説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。
１ 燃料電池
２ 単セル
３ セル積層体
２５Ａ 水素ガス流路
２５Ｂ 空気流路
１００ 燃料電池システム
６００ 制御装置

Claims (30)

  1. 燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を判別する方法であって、
    次の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別する。
    条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。
    条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。
    条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
  2. 燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わない、請求項１に記載の燃料電池のセル水分量の状態の判別方法。
  3. 前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、積層方向の中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別する、請求項１又は２に記載の燃料電池のセル水分量の状態の判別方法。
  4. 燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を制御する方法であって、
    下記の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別し、
    前記混在状態と判別された場合には、水分増加制御を行ってすべてのセルを水分過剰状態にし、その後乾燥化制御を行ってすべてのセルを乾燥して、前記複数のセルを所定の水分量の状態に回復させる。
    条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。
    条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。
    条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
  5. 燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わない、請求項４に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  6. 前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、積層方向の中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別する、請求項４又は５に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  7. 前記水分増加制御において、セル電圧の低下を許容する、請求項４〜６のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  8. 前記水分増加制御では、セルのカソード側のエアストイキ比、エア背圧、燃料電池の冷却水の温度、燃料電池の発電出力の少なくともいずれかを制御する、請求項４〜７のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  9. 前記水分増加制御では、前記エアストイキ比を調整しセル内の水分を排出して、セルの空気流路の水詰まりによる空気供給不足を回避する、請求項８に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  10. 前記水分増加制御では、セルのカソード側からアノード側への水分の移動を抑制して、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避する、請求項４〜９のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  11. セルのアノード側の水素ガス圧を上げることにより、前記水分の移動を抑制する、請求項１０に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  12. 前記水分増加制御では、セルのアノード側の水の排出を促進させて、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避する、請求項４〜１１のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  13. セルのアノード側の水素ガスストイキ比を上げる、水温を上げる、パージ頻度を増加する、の少なくともいずれかを行うことにより、前記水の排出を促進させる、請求項１２に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  14. 前記乾燥化制御は、エアパージ制御により行い、
    前記エアパージ制御のパージ量は、セル内の水を排出可能なエア流速と、セル電圧が低下しているセルに含まれる水をすべて排出できるエア量が確保されるように設定される、請求項４〜１３のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御方法。
  15. 燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を判別する装置であって、
    次の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別する。
    条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。
    条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。
    条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
  16. 燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わない、請求項１５に記載の燃料電池のセル水分量の状態の判別装置。
  17. 前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、積層方向の中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別する、請求項１５又は１６に記載の燃料電池のセル水分量の状態の判別装置。
  18. 燃料電池内の積層された複数のセルの水分量の状態を制御する装置であって、
    下記の条件１〜３の少なくともいずれかを満たした場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別し、
    前記混在状態と判別された場合には、水分増加制御を行ってすべてのセルを水分過剰状態にし、その後乾燥化制御を行ってすべてのセルを乾燥して、前記複数のセルを所定の水分量の状態に回復させる。
    条件１．複数のセルの電圧偏差が所定の閾値以上であり、かつ最低セル電圧が所定の閾値以下である。
    条件２．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、かつ燃料電池の発電出力が所定の閾値以下である。
    条件３．最低セル電圧が所定の閾値以下であり、セルのカソード側の空気入口の電流が所定の閾値以下である。
  19. 燃料電池の始動時、燃料電池の高負荷運転時及び燃料電池の停止処理時には、前記判別を行わない、請求項１８に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  20. 前記条件１〜３の少なくともいずれかに加え、積層方向の中央のセルのインピーダンス値と端のセルのインピーダンス値の差が所定の閾値以上の場合に、乾燥状態と水分過剰状態の混在状態と判別する、請求項１８又は１９に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  21. 前記水分増加制御において、セル電圧の低下を許容する、請求項１８〜２０のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  22. 前記水分増加制御では、セルのカソード側のエアストイキ比、エア背圧、燃料電池の冷却水の温度、燃料電池の発電出力の少なくともいずれかを制御する、請求項１８〜２１のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  23. 前記水分増加制御では、前記エアストイキ比を調整しセル内の水分を排出して、セルの空気流路の水詰まりによる空気供給不足を回避する、請求項２２に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  24. 前記水分増加制御では、セルのカソード側からアノード側への水分の移動を抑制して、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避する、請求項１８〜２３のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  25. セルのアノード側の水素ガス圧を上げることにより、前記水分の移動を抑制する、請求項２４に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  26. 前記水分増加制御では、セルのアノード側の水の排出を促進させて、セルの水素ガス流路の水詰まりによる水素ガス供給不足を回避する、請求項１８〜２５のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  27. セルのアノード側の水素ガスストイキ比を上げる、水温を上げる、パージ頻度を増加する、の少なくともいずれかを行うことにより、前記水の排出を促進させる、請求項２６に記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  28. 前記乾燥化制御は、エアパージ制御により行い、
    前記エアパージ制御のパージ量は、セル内の水を排出可能なエア流速と、セル電圧が低下しているセルに含まれる水をすべて排出できるエア量が確保されるように設定される、請求項１８〜２７のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置。
  29. 燃料電池と、請求項１５〜１７のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の判別装置を有する、燃料電池システム。
  30. 燃料電池と、請求項１８〜２８のいずれかに記載の燃料電池のセル水分量の状態の制御装置を有する、燃料電池システム。
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