JP6363935B2

JP6363935B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6363935B2
Application number: JP2014218998A
Authority: JP
Inventors: 和彦間所
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: JP2016085903A

Description

本発明は、車両などに搭載される燃料電池システムに関する。

従来、車両などに搭載される燃料電池システムとして、アニオン交換膜からなる電解質層、電解質層の一方面に形成されるアノード電極、および、電解質層の他方面に形成されるカソード電極を有する膜電極接合体と、アノード電極に液体燃料を供給するための燃料供給路と、カソード電極に空気を供給するための空気供給路とを備える燃料電池を備える燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

このような燃料電池システムでは、カソード電極において、アノード電極からの電子と、水と、酸素とが反応することにより、水酸化物イオンが生成する。生成した水酸化物イオンは、電解質膜を通過してアノード電極に供給され、液体燃料と反応して、電子を発生させる。すなわち、このような燃料電池システムでは、カソード電極に水を供給する必要がある。

特開２０１０−１２９３０５号公報

上記の特許文献１に記載されるような燃料電池システムでは、アノード電極に供給された液体燃料が電解質膜を透過してカソード電極側に漏れる、いわゆるクロスリークが発生する場合がある。

ここで、このような燃料電池システムにおいて、液体燃料を燃料成分と水とから調製し、液体燃料のクロスリークを利用して、カソード電極に水を供給する場合がある。

しかし、この場合、水とともに燃料成分もカソード電極に供給される。燃料成分がカソード電極で分解されると、酸素と反応してラジカルが発生し、発生したラジカルにより、膜電極接合体の劣化が促進されるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、カソードへの水の供給量を確保して、必要な電圧を確保しながら、膜電極接合体の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、電解質膜とアノードとカソードとを有する膜電極接合体、および、前記アノードに供給される液体燃料が流れる燃料流路を備える燃料電池と、前記燃料流路内の圧力を調整する圧力調整手段と、前記圧力調整手段の動作を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流が、所定の電流値未満であるか否かを判断する電流確認ステップと、前記アノードと前記カソードとの間の電圧が、所定のＩ−Ｖ曲線に前記電流を代入することにより算出される電圧値未満であるか否かを判断する電圧確認ステップと、前記電流が前記電流値未満であり、かつ、前記電圧が前記電圧値未満である場合に、前記燃料流路内の圧力を低下させるように前記圧力調整手段を制御し、前記電流が前記電流値以上であり、かつ、前記電圧が前記電圧値未満である場合に、前記燃料流路内の圧力を上昇させるように前記圧力調整手段を制御する圧力調整ステップとを実行することを特徴としている。

このような構成によれば、アノードには、必要とされる電力に応じて、液体燃料が供給される。

まず、必要とされる電力が小さく、電流が所定の電流値未満である場合、アノードに対する液体燃料の供給量が少ないため、クロスリーク量が相対的に多くなる。そうすると、アノードでの反応に寄与する液体燃料が不足することにより、電圧が、所定のＩ−Ｖ曲線に基づいて予測される電圧値よりも低くなる場合がある。

そこで、電流が電流値未満であり、かつ、電圧が電圧値未満である場合に、圧力調整手段を制御して、燃料流路内の圧力を低下させる。

これにより、クロスリーク量を減少させて、電圧を上昇させることができる。

また、必要とされる電力が大きく、電流が所定の電流値以上である場合、アノードに対する液体燃料の供給量が多いため、クロスリーク量が相対的に少なくなる。そうすると、カソードに対する水の供給量が不足することにより、電圧が、所定のＩ−Ｖ曲線に基づいて予測される電圧値よりも低くなる場合がある。

そこで、電流が電流値以上であり、かつ、電圧が電圧値未満である場合に、圧力調整手段を制御して、燃料流路内の圧力を上昇させる。

これにより、クロスリーク量を増加させて、電圧を上昇させることができる。

このように、電流が所定の電流値未満である場合には、クロスリークを抑制して、クロスリークに起因する膜電極接合体の劣化を抑制できながら、電圧を確保することができる。

また、電流が所定の電流値以上である場合には、クロスリークを増加させて、カソードへの水の供給量を確保することにより、電圧を確保することができる。

その結果、必要な電圧を確保しながら、膜電極接合体の劣化を抑制できる。

本発明の燃料電池システムによれば、必要な電圧を確保しながら、膜電極接合体の劣化を抑制できる。

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。図２は、図１に示す燃料電池の燃料電池セルを説明する説明図である。図３は、図１に示す燃料電池の基準Ｉ−Ｖ曲線を示すグラフである。図４は、図１に示す燃料電池システムの燃料流路内の圧力制御を説明するフロー図である。

１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、燃料電池３（後述）およびバッテリ３４（後述）を電源として、動力源であるモータ３２（後述）を駆動させる電動車両である。電動車両１は、燃料電池システム２を搭載している。

燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、燃料成分と水とを含む液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、アニオン交換型燃料電池として構成されている。

燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、燃料タンク１１と、燃料供給ライン１２と、燃料還流ライン１３と、排気ライン１４とを備えている。

燃料タンク１１は、略ボックス形状を有し、液体燃料を貯蔵するように構成されている。

燃料タンク１１内の液体燃料の燃料成分濃度は、例えば、燃料成分の種類によっても異なるが、燃料成分がヒドラジンである場合には、例えば、１質量％以上、好ましくは、５質量％以上であり、例えば、６０質量％以下、好ましくは、４０質量％以下である。

燃料供給ライン１２は、燃料タンク１１内の液体燃料を燃料電池３の燃料流路５２（後述、図２参照）に供給するための配管である。燃料供給ライン１２の供給方向上流端は、燃料タンク１１の下端部に接続されている。燃料供給ライン１２の供給方向下流端は、燃料流路５２の下端部に連通するように、燃料電池３の下端部に接続されている。燃料供給ライン１２は、第１ポンプ１５を備えている。

第１ポンプ１５は、燃料供給ライン１２の途中に介在されている。第１ポンプ１５としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。

燃料還流ライン１３は、燃料流路５２から排出された液体燃料を燃料タンク１１に還流するための配管である。燃料還流ライン１３の還流方向上流端は、燃料流路５２の上端部に連通するように、燃料供給部材４７の上端部に接続されている。燃料還流ライン１３の還流方向下流端は、燃料タンク１１に接続されている。これにより、燃料タンク１１から、燃料供給ライン１２、燃料流路５２および燃料還流ライン１３を順次介して燃料タンク１１に戻る循環ラインが形成される。燃料還流ライン１３は、気液分離器１６と、圧力調整手段の一例としての背圧弁１７とを備えている。

気液分離器１６は、燃料還流ライン１３の途中に介在されている。気液分離器１６は、燃料電池３の燃料流路５２から排出された液体燃料と、ガス（気体）とを分離する。

背圧弁１７は、燃料還流ライン１３の還流方向上流端において、燃料電池３と気液分離器１６との間に介在されている。背圧弁１７は、第１ポンプ１５よりも供給方向下流側の燃料供給ライン１２、燃料流路５２、および、背圧弁１７よりも還流方向上流側の燃料還流ライン１３内の圧力を所定の圧力に調整する。

排気ライン１４は、気液分離器１６で分離されたガスを排気するための配管である。排気ライン１４の排気方向上流端は、気液分離器１６に接続されている。排気ライン１４の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン１４の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、空気供給ライン２１と、空気排出ライン２２とを備えている。

空気供給ライン２１は、電動車両１の外から燃料電池３の空気流路５３（後述、図２参照）へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン２１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン２１の供給方向下流端は、空気流路５３の上端部に連通されるように、燃料電池３の上端部に接続されている。空気供給ライン２１は、第２ポンプ２３を備えている。

第２ポンプ２３は、空気供給ライン２１の途中に介在されている。第２ポンプ２３としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。第２ポンプ２３は、駆動することにより、電動車両１外からの空気を燃料電池３に供給する。

空気排出ライン２２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン２２の排出方向上流端は、空気流路５３の下端部に連通されるように、燃料電池３の下端部に接続されている。空気排出ライン２２の排出方向下流端は、大気開放されている。
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ３１を備えている。

ＥＣＵ３１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。

ＥＣＵ３１は、第１ポンプ１５、背圧弁１７および第２ポンプ２３のそれぞれと電気的に接続されている。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ３２と、インバータ３３と、バッテリ３４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５とを備えている。

モータ３２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ３２は、燃料電池３またはバッテリ３４から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ３２としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。

インバータ３３は、配線により、燃料電池３とモータ３２との間に電気的に接続されている。インバータ３３は、燃料電池３で発電された直流電力を交流電力に変換する。インバータ３３としては、例えば、公知のインバータ回路が組み込まれた電力変換装置などが挙げられる。

バッテリ３４は、燃料電池３とモータ３２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリ３４としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。バッテリ３４は、燃料電池３からの電力を蓄電可能、かつ、モータ３２に電力を供給可能である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は、配線により、燃料電池３とインバータ３３との間に電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３５は、ＥＣＵ３１にも電気的に接続されており、ＥＣＵ４１の制御により、燃料電池３の出力電圧を昇圧または降圧し、燃料電池３の電力およびバッテリ３４の入出力電力を調整する。
２．燃料電池
燃料電池３は、図１および図２に示すように、燃料電池セル４１と、電流計４２と、電圧計４３とを備えている。なお、図１において、燃料電池３は、複数の燃料電池セル４１が積層されたスタック構造として構成されているが、図２においては、図解しやすいように１つの燃料電池セル４１のみを示している。

燃料電池セル４１は、膜電極接合体４４、拡散層の一例としての燃料拡散シート４５、空気拡散シート４６、燃料供給部材４７、および、空気供給部材４８を有している。

膜電極接合体４４は、電解質膜４９、アノードの一例としてのアノード電極５０、および、カソードの一例としてのカソード電極５１を備えている。

電解質膜４９は、アニオン交換型の固体高分子電解質膜から形成されている。

アノード電極５０は、電解質膜４９の厚み方向一方側の表面に、薄層として積層されている。アノード電極５０は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、アノード電極５０は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

カソード電極５１は、電解質膜４９に対してアノード電極５０の反対側、すなわち、電解質膜４９の厚み方向他方側の表面に、薄層として積層されている。カソード電極５１は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。なお、カソード電極５１は、触媒担体を用いずに、触媒から、直接形成することもできる。

燃料拡散シート４５は、アノード電極５０の厚み方向一方面に接触するように、膜電極接合体４４の厚み方向一方側に積層されている。燃料拡散シート４５は、液体燃料を通過させるための細孔を有している。

燃料拡散シート４５の材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維不織布などのが挙げられ、好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。また、燃料拡散シート４５は、必要によりフッ素処理されていてもよい。

燃料拡散シート４５の厚みは、例えば、５０μｍ以上、好ましくは、１００μｍ以上であり、例えば、６００μｍ以下、好ましくは、５００μｍ以下である。

燃料拡散シート４５の細孔の最小孔径は、例えば、１μｍ以上、好ましくは、５μｍ以上であり、例えば、５０μｍ以下、好ましくは、３０μｍ以下である。

また、燃料拡散シート４５の細孔の最大孔径は、例えば、５０μｍ以上、好ましくは、７５μｍ以上であり、例えば、５００μｍ以下、好ましくは、２００μｍ以下である。

燃料拡散シート４５の厚み、および、細孔の孔径が上記範囲内であれば、燃料流路５２内の圧力を安定させることができる。

空気拡散シート４６は、カソード電極５１の厚み方向他方面に接触するように、膜電極接合体４４の厚み方向他方側に積層されている。空気拡散シート４６は、空気を通過させるための細孔を有している。

空気拡散シート４６の材料としては、上記した燃料拡散シート４５と同様の材料が挙げられ、好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。

燃料供給部材４７は、燃料拡散シート４５の厚み方向一方面に接触するように、膜電極接合体４４の厚み方向一方側に積層されている。燃料供給部材４７は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。燃料供給部材４７は、燃料流路５２を有している。

燃料流路５２は、燃料供給部材４７の厚み方向他方面に形成されている。燃料流路５２は、燃料供給部材４７の厚み方向他方面から厚み方向一方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。燃料流路５２は、燃料拡散シート４５に向かい合っている。すなわち、燃料流路５２とアノード電極５０との間には、燃料拡散シート４５が介在されている。

空気供給部材４８は、空気拡散シート４６の厚み方向他方面に接触するように、膜電極接合体４４の厚み方向他方側に配置されている。空気供給部材４８は、ガス不透過性の導電性材料から形成されている。空気供給部材４８は、空気流路５３を有している。

空気流路５３は、空気供給部材４８の厚み方向一方面に形成されている。空気流路５３は、空気供給部材４８の厚み方向一方面から厚み方向他方へ凹む凹溝であり、幅方向に折り返されながら、上下方向に延びる葛折り形状に形成されている。空気流路５３は、空気拡散シート４６に向かい合っている。

電流計４２は、配線により、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５と燃料電池セル４１との間に介在されている。電流計４２は、燃料電池セル４１のアノード電極５０とＤＣ／ＤＣコンバータ３５との間を流れる電流を測定する。電流計４２は、測定した電流の値をＥＣＵ４１に送信するように、ＥＣＵ４１に電気的に接続されている。

電圧計４３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５と燃料電池セル４１との間の配線に対して並列に接続されている。電圧計４３は、燃料電池セル４１のアノード電極５０とＤＣ／ＤＣコンバータ３５との間の電圧を測定する。電圧計４３は、測定した電圧の値をＥＣＵ４１に送信するように、ＥＣＵ４１に電気的に接続されている。
３．発電動作
次いで、燃料電池システム２における発電動作について説明する。

燃料電池システム２が作動されると、ＥＣＵ３１の制御により、燃料供給ライン１２の第１ポンプ１５、および、空気供給ライン２１の第２ポンプ２３が駆動される。

すると、燃料タンク１１内の液体燃料は、燃料供給ライン１２を介して燃料電池３の燃料流路５２に供給される。

燃料流路５２に供給された液体燃料は、燃料拡散シート４５と接触しながら燃料流路５２内を下側から上側へ流れて、燃料還流ライン１３へ排出される。このとき、燃料流路５２内を流れる液体燃料は、燃料拡散シート４５の細孔を通過して、アノード電極５０に供給される。

なお、アノード電極５０に供給された液体燃料の一部は、電解質膜４９を透過し、カソード電極５１に漏出する（クロスリーク）。これにより、液体燃料に含まれる水がカソード電極５１に供給される。

また、電動車両１の外部からの空気が、空気供給ライン２１を介して燃料電池３の空気流路５３に供給される。

空気流路５３に供給された空気は、空気拡散シート４６の厚み方向他方面と接触しながら空気流路５３内を上側から下側へ流れて空気排出ライン２２へ排出される。このとき、空気流路５３内を流れる液体燃料は、空気拡散シート４６の細孔を通過して、カソード電極５１に供給される。

これにより、燃料電池３では、燃料成分がヒドラジンである場合には、下記反応式（１）〜（３）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（１）Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻ （アノード電極５０での反応）
（２）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極５１での反応）
（３）Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
なお、燃料成分がメタノールである場合には、下記反応式（４）〜（６）で表される電気化学反応が生じ、発電が行なわれる。
（４）ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻ （アノード電極５０での反応）
（５）Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻ （カソード電極５１での反応）
（６）ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ（燃料電池３全体での反応）
これらの反応により、燃料成分（Ｎ_２Ｈ_４またはＣＨ_３ＯＨ）が消費されるとともに、水（Ｈ_２Ｏ）およびガス（Ｎ_２またはＣＯ_２）が生成され、起電力（ｅ⁻）が発生される。発生した起電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３５によって変圧され、インバータ３３により三相交流電力に変換された後、モータ３２に供給されて、電動車両１の車輪を駆動させる機械エネルギーに変換される。なお、機械エネルギーに変換されなかった余剰の電力は、バッテリ３４に蓄電される。

そして、燃料電池３から燃料還流ライン１３に排出された液体燃料は、上記の電気化学反応において残存した燃料成分と、上記の電気化学反応により生成する水とが含まれており、気液分離器１６において、ガス成分（上記電気化学反応により生じるガス（Ｎ_２またはＣＯ_２）など）と分離されて、燃料供給ライン１２に供給される。
４．クロスリークの制御
上記した発電では、必要とされる電力に応じて、第１ポンプ１５および第２ポンプ２３の動作が制御される。すなわち、必要とされる電力の増加に応じて、第１ポンプ１５および第２ポンプ２３の動作が増大され、燃料流路５２への燃料供給量、および、空気流路５３への空気供給量が増加する。また、必要とされる電力の減少に応じて、第１ポンプ１５および第２ポンプ２３の動作が低減され、燃料流路５２への燃料供給量、および、空気流路５３への空気供給量が減少する。

ここで、図３に示すように、燃料電池３は、必要とされる電力の増加にともなって、電流が増加するにつれて、電圧が低下する傾向にある。なお、以下の説明において、燃料流路５２に供給される液体燃料の燃料成分濃度が一定（例えば、１０重量％）であり、空気流路５３に供給される空気の酸素濃度が一定（例えば、２０重量％）である場合の電流と電圧との関数（Ｖ＝ｆ（Ｉ）、所定のＩ−Ｖ曲線の一例）を、基準Ｉ−Ｖ曲線と記載する。

そして、上記した発電において、図４に示すように、電圧Ｖが基準Ｉ−Ｖ曲線を下回る場合（Ｓ２：ＹＥＳ、Ｓ６：ＹＥＳ）、背圧弁１７を制御することにより（Ｓ３、Ｓ７）、燃料流路５２内の圧力を調整し、クロスリーク量を調整して、電圧Ｖを基準Ｉ−Ｖ曲線以上にする。

詳しくは、まず、ＥＣＵ３１において、電流確認ステップ（Ｓ１）が実行され、電流Ｉが所定の電流値Ｉ_０（２００ｍＡ／ｃｍ^２）未満であるか否か、判断される。次いで、電圧確認ステップ（Ｓ２、Ｓ６）が実行され、電圧Ｖが、電流Ｉを基準Ｉ−Ｖ曲線に代入することにより算出される電圧値（ｆ（Ｉ））よりも低いか否か、判断される。

必要とされる電力が小さく、電流Ｉが所定の電流値Ｉ_０未満である場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、すなわち低電流域（図３参照）では、燃料流路５２への燃料供給量が少ないため、燃料供給量に対するクロスリーク量の割合が相対的に多くなり、アノード電極５０での反応（上記反応式（１））に寄与する燃料成分が不足して、電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））よりも低くなる場合がある。

そこで、電流Ｉが電流値Ｉ_０未満であり（Ｓ１：ＹＥＳ）、かつ、電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））未満である場合（Ｓ２：ＹＥＳ）には、圧力調整ステップ（Ｓ３）が実行され、ＥＣＵ３１の制御により、背圧弁１７がゆるめられる。すると、燃料流路５２内の圧力が低下する。

これにより、クロスリーク量が減少し、電圧Ｖが上昇する。

なお、燃料流路５２内の圧力を低下させても電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））以上にならない場合（Ｓ４：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ３１の制御により、第１ポンプ１５の動作が低減されて、燃料流路５２への燃料供給量が減少する（Ｓ５）。

これにより、さらにクロスリーク量が減少し、電圧Ｖがより上昇する。

また、必要とされる電力が大きく、電流Ｉが所定の電流値Ｉ_０以上である場合（Ｓ１：ＮＯ）、すなわち、高電流域（図３参照）では、燃料流路５２への燃料供給量が多いため、燃料供給量に対するクロスリーク量の割合が相対的に少なくなり、カソード電極５１に対する水の供給量が不足して、電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））よりも低くなる場合がある。

そこで、電流Ｉが電流値Ｉ_０以上であり（Ｓ１：ＮＯ）、かつ、電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））未満である場合（Ｓ６：ＹＥＳ）には、圧力調整ステップ（Ｓ７）が実行され、ＥＣＵ３１の制御により、背圧弁１７がしぼられる。すると、燃料流路５２内の圧力を上昇する。

これにより、クロスリーク量が増加し、電圧Ｖが上昇する。

なお、燃料流路５２内の圧力を上昇させても電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））以上にならない場合（Ｓ８：ＹＥＳ）には、ＥＣＵ３１の制御により、第１ポンプ１５の動作が増大される（Ｓ９）。すると、燃料流路５２への燃料供給量が増加する。

これにより、さらにクロスリーク量が増加し、電圧Ｖがより上昇する。

このようにして、低電流域においては、クロスリークを抑制して、クロスリークに起因する膜電極接合体４４の劣化を抑制できながら、電圧Ｖを確保することができる。

また、高電流域においては、クロスリークを増加させて、カソード電極５１への水の供給量を確保することにより、電圧Ｖを確保することができる。
５．作用効果
この燃料電池システム２によれば、図４に示すように、必要とされる電力が小さく、電流Ｉが所定の電流値Ｉ_０未満である場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、すなわち低電流域において、燃料流路５２への燃料供給量に対するクロスリーク量の割合が相対的に多くなり、アノード電極５０での反応（上記反応式（１））に寄与する燃料成分が不足して、電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））未満となった場合（Ｓ２：ＹＥＳ）に、背圧弁１７をゆるめて、燃料流路５２内の圧力を低下させる（Ｓ３）。

これにより、クロスリーク量を減少させて、電圧Ｖを上昇させることができる。

また、必要とされる電力が大きく、電流Ｉが所定の電流値Ｉ_０以上である場合（Ｓ１：ＮＯ）、すなわち、高電流域において、燃料流路５２への燃料供給量に対するクロスリーク量の割合が相対的に少なくなり、カソード電極５１に対する水の供給量が不足して、電圧Ｖが電圧値（ｆ（Ｉ））未満となった場合（Ｓ６：ＹＥＳ）に、背圧弁１７をしぼって、燃料流路５２内の圧力を上昇させる（Ｓ７）。

これにより、クロスリーク量を増加させて、電圧Ｖを上昇させることができる。

このように、低電流域においては、クロスリークを抑制して、クロスリークに起因する膜電極接合体４４の劣化を抑制できながら、電圧Ｖを確保することができる。

また、高電流域においては、クロスリークを増加させて、カソード電極５１への水の供給量を確保することにより、電圧Ｖを確保することができる。

その結果、必要な電圧Ｖを確保しながら、膜電極接合体４４の劣化を抑制できる。

２燃料電池システム
３燃料電池
６制御部
１７背圧弁
４４膜電極接合体
４５燃料拡散シート
４９電解質膜
５０アノード電極
５１カソード電極
５２燃料流路
Ｓ１電流確認ステップ
Ｓ２電圧確認ステップ
Ｓ３圧力調整ステップ
Ｓ６電圧確認ステップ
Ｓ７圧力調整ステップ

Claims

電解質膜とアノードとカソードとを有する膜電極接合体、および、前記アノードに供給される燃料が流れる燃料流路を備える燃料電池と、
前記燃料流路内の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記圧力調整手段の動作を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記アノードと前記カソードとの間を流れる電流が、所定の電流値未満であるか否かを判断する電流確認ステップと、
前記アノードと前記カソードとの間の電圧が、所定のＩ−Ｖ曲線に前記電流を代入することにより算出される電圧値未満であるか否かを判断する電圧確認ステップと、
前記電流が前記電流値未満であり、かつ、前記電圧が前記電圧値未満である場合に、前記燃料流路内の圧力を低下させるように前記圧力調整手段を制御し、前記電流が前記電流値以上であり、かつ、前記電圧が前記電圧値未満である場合に、前記燃料流路内の圧力を上昇させるように前記圧力調整手段を制御する圧力調整ステップと
を実行する
ことを特徴とする、燃料電池システム。