JP2005251483A

JP2005251483A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005251483A
Application number: JP2004058204A
Authority: JP
Inventors: Hideyo Omori; 英世大森
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】無負荷運転時でのクロスリークの発生及びその増大を効果的に防止し、発電電力及び再始動性が良好で、無負荷運転時の電圧降下がなく、燃費性能及び耐久性能に優れた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１０の無負荷での運転時において、エア供給圧が水素供給圧に達したときにエア供給管３２の保圧バルブＶ３を閉じてエア供給圧及び水素供給圧を略同圧にする。また、エア供給圧を増加させると共に、エアを排出する排出管３３の弁開度を調節して略同圧にすることもできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に電気自動車等の車両や船舶、航空機等に搭載可能な燃料電池システムに関する。

近年、水素と酸素の電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギー供給源として注目されている。この燃料電池は、例えば、燃料としての水素ガス（燃料ガス）とこれと反応する酸素ガス（酸化剤ガス）とが各々燃料極、酸化剤極に充分に供給されることで安定的に発電することができる。

しかし、両極間において、燃料ガスが酸化剤極側に、あるいは酸化剤ガスが燃料極側に漏洩する、いわゆるクロスリークが生じた場合には、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが直接反応することがある。特に、無負荷での運転時、例えばアクセルオフの状態のようにモータ等の負荷を外して両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ；Open Circuit）の状態のときには、一般に燃費向上の点から燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止するため、燃料電池内部（例えば固体高分子形（PEFC）の場合は高分子電解質膜近傍）では燃料ガス圧＞酸化剤ガス圧となり、クロスリークの量が増大する。クロスリーク量の増大は、電池内部の電解質膜、触媒等の劣化や炭素部材の腐食と共に、燃費の低下や燃料電池の電圧降下の発生を促進させる。

このようなクロスリークに関連する技術として、燃料電池のカソードオフガスを再循環して発電を継続し、発電電圧が所定値以下になったときに発電を停止する方法がある（例えば、特許文献１参照）。しかし、一旦排出されたカソードオフガスを再びカソードに戻して更に発電を継続するため、カソード側のガス雰囲気が不活性となるために始動性が悪化し、頻繁に燃料ガス及び酸化剤ガスの停止を行なえないという課題がある。

また、負荷運転停止時に、停止に起因する電池特性の劣化を抑制する目的でカソード極に不活性ガスを導入する技術に関する開示もある（例えば、特許文献２参照）。しかし、上記同様にカソード側のガス雰囲気が不活性となるために始動性の悪化を来たし、頻繁に燃料ガス及び酸化剤ガスの停止を行なうことはできず、しかも不活性ガス供給用のボンベ等が必要となる。

さらに、空気の流通経路を閉鎖する技術として、電解質膜の乾燥防止の目的で空気の流通の閉止手段を備えた燃料電池に関する文献がある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００３−１１５３１７号公報特開平９−４５３５１号公報特開２００２−２１６８２３号公報

以上のように、クロスリークに関わる技術の提案はなされているものの、ＯＣ時における両極間のガス圧差の拡大を回避し、クロスリークの増加及びそれに伴なう燃費の低下や高分子電解質膜の劣化を防止することが可能で、酸化剤極側の水素分圧が上昇し起電力及び再始動性が低下するのを効果的に解消できる技術は、未だ確立されるまでに至っていない。また、特に無負荷での運転を行なうような場合には短時間での負荷運転停止が可能であることが要求されるがこれまでの技術では時間がかかりすぎる課題があり、また、始動性の低下から頻繁に無負荷運転への切替えも困難であった。

本発明は、上記に鑑みなされたものであり、負荷運転から無負荷運転へ任意に切替えることが可能であると共に、無負荷での運転時におけるクロスリークの発生及びその増大を効果的に防止して、良好な発電電力及び再始動性を有し、無負荷運転（ＯＣ）時の電圧降下が抑制され、燃費性能及び耐久性能に優れた燃料電池システムを提供することを目的とし、該目的を達成することを課題とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池の無負荷での運転時に、燃料極に供給する燃料ガスのガス供給圧（ｐ¹）と酸化剤極に供給する酸化剤ガスのガス供給圧（ｐ²）とを略同圧にする同圧化手段を設けて構成したものである。

本発明の燃料電池システムにおいては、負荷に電力供給を行なう燃料電池の通常の発電運転から無負荷での運転、すなわち両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ；Open Circuit）の状態に切り替える際に、燃料極及び酸化剤極へのガスの供給を停止すると共に、燃料極側のガス供給圧と酸化剤極側のガス供給圧とを略同圧に調節する。無負荷運転時は、従来より図１−(ｂ)に示すように燃料極側のガス供給圧がシステム構成上高くなるため酸化剤極側との差圧が拡大し、クロスリークが増大するため、結果的に燃費の悪化と酸化剤極側での水素分圧の上昇に伴なう起電力の低下を招くが、本発明においては上記構成を採用することにより、図１−(ａ)に示すように無負荷運転（ＯＣ）時における燃料極及び酸化剤極間のガス圧差が解消されるので、クロスリークを効果的に抑止でき、クロスリーク量の低減を図ることができる。その結果、燃費が向上し、無負荷運転時の電圧降下（起電力の低下）を防止することができる。したがって、負荷運転から無負荷運転への切替えも任意にかつ短時間に行なえる。また、両極間のガス圧差及びクロスリーク量の低減により、高分子電解質膜を備えた燃料電池における該膜の劣化が解消され、燃料電池の耐久性が向上する。

ここで、無負荷での運転時とは、起動（運転）状態であって水素ガスおよび空気（酸素）の供給を止め発電停止の状態にあるとき、すなわち発電を担う電気化学反応（電池反応）の停止状態時であり、例えば、一時的にアクセルオフにして発電を停止した時〔自動車が信号待ち状態にある等の出力に寄与していないが、いつでも出力可能な出力待機の状態時〕などが含まれる。

また、「略同圧」は、二つの圧力差の絶対値が１０ｋＰａ未満の範囲にあることをさす。ガス圧がｐ¹≧ｐ²であれば燃料極側（循環系を含む。）への空気のクロスリークを抑制できる。

本発明の燃料電池システムにおいては、酸化剤ガスを供給する供給配管に弁を設け、酸化剤ガスのガス供給圧が所定値に達したときに前記弁を閉じるようにして両極間のガス圧を略同圧の状態とすることができる。無負荷での運転とされた際に、酸化剤極側のガス供給圧を増加させ所定値（例えば、燃料極側のガス供給圧）に達したところで酸化剤ガスの供給配管を弁で閉じることで、酸化極側のガス圧を燃料極側のガス圧と同圧に保持できるので、燃料ガスの酸化剤極側へのクロスリークを効果的に防止することができる。この場合には、酸化剤極側のコンプレッサ等を無駄に駆動させる必要がなく、燃費の点でより効果的である。

燃料極側において燃料ガスを供給する供給配管を循環系に構成し、循環系の圧力を下げることで同圧を形成することも可能であるが、燃料ガスの放出が不可欠なため、本発明のようにクロスリークを抑制すると同時に、燃費及び始動性の低下まで回避することは困難であり、上記のように酸化剤極側において同圧形成を行なうのが効果的である。

また、酸化剤ガスのガス供給圧を増加させると共に、さらに酸化剤極から酸化剤ガスを排出する排出配管に設けられた弁の開度を調節するようにして両極間のガス圧を略同圧の状態とすることができる。無負荷での運転とされた際に、例えばコンプレッサ等の補器類を作動させた状態とし酸化剤極側のガス供給圧を増加させると同時に排出配管側において弁の開閉度合を調節することで、酸化極側のガス圧を燃料極側のガス圧と同圧に保持できるので、燃料ガスの酸化剤極側へのクロスリークを効果的に防止することができ、この場合には負荷運転への切替えが迅速に行なえる利点がある。

また、本発明の燃料電池システムは、例えば固体高分子形燃料電池（PEFC）や直接メタノール形燃料電池（DMFC）など高分子電解質膜を備えた形態で構成することができる。このように構成された場合には、高分子電解質膜における燃料ガスの膜透過量を測定する膜透過量測定手段を更に設け、膜透過量測定手段によって測定された膜透過量が、所定値以下であるときには膜透過量の増加と共に酸化剤ガスのガス供給圧を漸増し、膜透過量が所定値を超えたときには燃料ガスのガス供給圧と酸化剤ガスのガス供給圧とを略同圧にするようにし、両極間のガス圧を略同圧の状態とすることができる。この場合も、上記のように酸化剤極側の供給配管の弁を閉じる、又は排出配管の弁の開閉を調節することで効果的に略同圧の状態を形成することができる。

無負荷での運転とする際に膜透過量測定手段により逐次あるいは任意間隔で膜透過量を測定することで、無負荷運転にしたときの膜のガス透過状態に応じた酸化剤極側のガス圧の調節が可能であるので、例えば発電初期のクロスリークの比較的少ない場合など膜透過量が所定値以下であるような場合は、コンプレッサの駆動等を控えて膜透過量の増加にしたがって必要な分だけ徐々に圧力を高めるようにでき、消費電力の低減が可能となる。そして、膜透過量が所定値を超えるに至った場合に、上記と同様に燃料ガスのガス供給圧と酸化剤ガスのガス供給圧とを略同圧にするようにすると、すなわち膜透過量に応じて略同圧状態が形成されるようにすると、燃費の点でより効果的である。

本発明に係る燃料電池には、例えば、固体高分子形燃料電池（PEFC）、直接メタノール形燃料電池（DMFC）などが含まれる。高分子電解質膜を有してＰＥＦＣに構成する場合には例えば、アノード極、カソード極、および前記アノード極と前記カソード極との間に狭持された高分子電解質膜を有する膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を狭持すると共に、前記アノード極との間に燃料が通過する燃料流路と前記カソード極との間に酸化ガスが通過する酸化ガス流路とを形成する一対のセパレータを備えた単セルを含み、所望によりこの単セルを複数積層したスタック構造に構成することができる。スタック構造は単一であるほか、スタック構造に構成された複数のサブスタックが接続されたものでもよい。前記アノード極と前記カソード極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成できる。

本発明によれば、負荷運転から無負荷運転へ任意に切替えることが可能であると共に、無負荷での運転時におけるクロスリークの発生及びその増大を効果的に防止して、良好な発電電力及び再始動性を有し、無負荷運転（ＯＣ）時の電圧降下が抑制され、燃費性能及び耐久性能に優れた燃料電池システムを提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明の燃料電池システムの実施形態を説明する。なお、下記の実施形態において、固体高分子形に構成された燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスとして水素ガス及び空気（エア）を用いた場合を中心に説明する。但し、本発明においてはこれら実施形態に制限されるものではない。

（第１実施形態）
本発明の燃料電池システムの第１実施形態を図２〜図４を参照して説明する。本実施形態は、電気自動車に本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを搭載し、エアを供給するエア供給管に保圧バルブを設け、燃料電池システムの無負荷での運転時にエア供給圧が所定値に達すると保圧バルブを閉じて空気極（カソード）側のエア供給圧を水素極（アノード）側の水素供給圧と略同圧にするようにしたものである。

図２に示すように、本実施形態における燃料電池システムは、スタック構造を有する燃料電池１０を備え、燃料電池１０には種々の配管が接続されて水素ガスの給排並びに空気（エア）の給排及び生成水の排出が可能なようになっている。スタックは、１００個の単セルが積層されて構成されている。

燃料電池１０は、図３に示すように、フッ素系イオン交換樹脂膜（高分子電解質膜）１１がアノード拡散電極１６とカソード拡散電極１７との間に狭持されてなる膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０を更に狭持すると共に、アノード拡散電極１６との間に水素ガスが通過する、即ち供給排出される水素ガス流路（燃料流路）２３と、カソード拡散電極１７との間に空気（エア）が通過する、即ち供給排出されるエア流路（酸化ガス流路）２４とを形成する一対のセパレータ２１、２２とで構成されている。

高分子電解質膜は、イオン導電性を有する電解質で構成することができ、一般にパーフルオロスルホン酸膜などが用いられる。この膜は、通常イオン導電性を高める点から湿潤状態とされ、水素ガスが供給されて得たアノード側の水素イオンは該膜を良好にイオン伝導してカソード側に移動することができる。この湿潤状態は、燃料である水素ガス及び／又はカソード側の酸素を含む空気に加水（加湿）することによって形成できる。

アノード拡散電極及びカソード拡散電極は、電気化学反応を担う触媒層と集電体として機能する拡散層とで構成される。アノード拡散電極１６は、高分子電解質膜１１側から順にアノード触媒層１２と拡散層１４とが積層され、カソード拡散電極１７は、高分子電解質膜１１側から順にカソード触媒層１３と拡散層１５とが積層されて構成されている。アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、高分子電解質膜の表面に、触媒としての白金又は白金と他の金属とからなる合金を塗布してなるものである。塗布は、白金又は白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、これに電解質溶液を適量添加してペースト化し、高分子電解質膜上にスクリーン印刷する方法などによって行なえる。また、前記カーボン粉を含有するペーストを膜成形したシートを高分子電解質膜上にプレスしたり、白金等を高分子電解質膜と対向する側の拡散層の表面に塗布するようにしてもよい。

各拡散層は、ともに炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、拡散層は、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパーやカーボンフェルトなどで構成した形態も好適である。

セパレータ２１，２２は、膜電極接合体２０を更に狭持するように設けられると共に、膜電極接合体を構成するアノード拡散電極１６との間に水素ガス流路２３が形成され、カソード拡散電極１７との間にエア流路２４が形成される。セパレータは、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンによって構成することができる。このセパレータは、単セルを複数積層してスタック構造をなすときには一つのセパレータが二つの膜電極接合体の間で共有され、セパレータの両側の面において流路が形成されるようになっている。

燃料電池１０は、スタック構造における水素ガス流路２３に水素（Ｈ₂）密度の高い水素ガスが供給され、エア流路２４に酸素（Ｏ₂）を含む空気が供給され、下記式(1)〜(3)で表される電気化学反応（電池反応）によって外部に電力を供給することができる。なお、式(1) 、式(2)は各々アノード側、カソード側での反応を示し、式(3)は燃料電池の全反応である。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …(1)
(1/2)Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …(2)
Ｈ₂＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …(3)

燃料電池１０のアノード側には、単セルが積層されたスタック構造の水素ガス流路２３の供給口と連通するように、圧力計Ｐ１、水素調圧バルブＶ１、加湿器２５、及びマスフローコントローラ２７を備えた水素供給管３０の一端が接続され、更に水素ガス流路２３の排出口と連通するように、バルブＶ２を備えた排出管３１の一端が接続されており、発電運転時に水素ガス流路２３への水素ガスの供給と、電池反応に寄与しなかった排出水素ガス及び不活性ガスの排出が可能なようになっている。

なお、水素供給管３０の他端には、図示しない水素貯蔵タンク、レギュレータが接続可能に設けられており、発電運転時に水素ガスを供給できるようになっている。このとき、供給される水素ガスの供給圧は水素調圧バルブＶ１の開閉状態を制御して調整することができる。

また、排出管３１の他端は、排出水素ガス中の水分を除去する気水分離器４２と接続されており、この気水分離器４２は循環用水素ポンプ４３及び逆止弁を備えた配管３５によって水素供給管３０と連通され、発電運転時に電池反応に寄与しなかった排出水素ガスを循環させて再供給されるようになっている。気水分離器４２では、これを通過する排出水素ガスを再び燃料ガスとして利用するために、排出水素ガスに含まれる余分な水分が除去される。更に、配管３５の循環用水素ポンプ４３と逆止弁との配管途中にはバルブＶ５を備えた排出管３６の一端が接続されており、バルブＶ５を開けたときに他端からの排出が可能なようになっている。

燃料電池１０のカソード側には、スタック構造中のエア流路２４の供給口と連通するように保圧バルブＶ３を備えたエア供給管３２の一端が接続され、更にエア流路２４の排出口と連通するように圧力計Ｐ２及びエア調圧バルブＶ４を備えた排出管３３の一端が接続されており、スタックのエア流路２４へのエア（空気）の供給と、電池反応によって酸素密度が低くなった排出空気及び生成水の排出が可能なようになっている。エア供給管３２及び排出管３３の各他端は加湿器４１と接続されており、燃料電池１０に加湿エアを供給すると共に、排出管３３を通じて排出された生成水を再びエア供給管３２に戻し再利用可能なように構成されている。また、加湿器４１には更に、コンプレッサ２９を備えた供給配管４４及び排出配管４５の各々の一端が接続されており、供給配管４４の他端に配された図示しないフィルタを介して外気よりエア（空気）を吸引すると共に、排出配管４５の他端から外部に排出空気及び不要な生成水を排出できるようになっている。

また、燃料電池１０、圧力計Ｐ１〜Ｐ２、水素循環用ポンプ４３、水素調圧バルブＶ１、バルブＶ２及びＶ５、保圧バルブＶ３、エア調圧バルブＶ４、加湿器２５，４１、マスフローコントローラ２７及びコンプレッサ２９等は、制御部（ＥＣＵ）１００と電気的に接続されており、制御部１００によって動作タイミングが制御されるようになっている。この制御部１００は、負荷の大きさに応じて水素ガス及びエアの量を調節することにより出力を制御する燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、ＯＣ状態の時にはカソード側をアノード側と略同圧にコントロールする同圧制御を担うものである。

次に、本実施形態に係る燃料電池システムの制御部１００による制御ルーチンについて、特に燃料電池の無負荷での運転時に行なう同圧制御ルーチンを中心に図４を参照して説明する。
上記したように燃料電池１０に水素ガスおよび空気を供給し、不図示のモータ等の負荷に電力供給する通常の発電運転を行なった後、負荷を外して無負荷としたとき（ＯＣ状態時）に、カソード側のエア供給圧ｐ²をアノード側の水素供給圧ｐ¹と略同圧にする同圧制御を行なう。

図４は、同圧制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ１００において燃料電池１０が通常の発電運転制御において両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ；Open Circuit）の状態であるか否かが判断され、ＯＣ状態であると判断されたときには、ステップ１２０でコンプレッサ２９を駆動させてカソード側のエア供給圧を増加させ、次のステップ１４０においてエア供給圧ｐ²が所定値Ｐ（ここでは水素供給圧ｐ¹）と略同圧であるか否かが判断される。ステップ１００において、ＯＣ状態にないと判断されたときにはそのまま本ルーチンを終了する。

ステップ１４０において、エア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹と略同圧に達したと判断されたときは、水素ガスのクロスリークの生じない状態にあるため、ステップ１６０に移行して保圧バルブＶ３を閉じ、更にステップ１８０においてコンプレッサ２９を停止する。そしてその後、本ルーチンを終了する。また、エア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹より低く略同圧に達していないと判断されたときは、未だ水素ガスのクロスリークが生じやすい状態にあるため、ステップ１２０に戻って継続してエア供給圧を増加させ、その後再びステップ１４０においてエア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹と略同圧に達したか否かが判断される。そして、エア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹と略同圧であると判断されたときにはステップ１６０に移行し、上記と同様に保圧バルブＶ３を閉じ、コンプレッサ２９を停止して本ルーチンを終了する。

以上のようにして、無負荷での運転とされた際にカソード側及びアノード側のガス圧を図１−(ａ)に示すように略同圧に保持できるので、両極間のガス圧差が解消され、水素ガスのカソード側へのクロスリークを効果的に防止することができる。その結果、燃費が向上し、ＯＣ時での電圧降下が抑えられ、また、燃料電池を構成する高分子電解質膜の劣化も解消され、燃料電池の耐久性を向上させることができる。しかも、本実施形態ではコンプレッサの無駄な駆動が不要であり、燃費の点でより効果的である。

（第２実施形態）
本発明の燃料電池システムの第２実施形態を図５を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態における保圧バルブＶ３を設けず、エア供給圧を増加させながらエアを排出する排出配管に設けたエア調圧バルブの開度を調節して両極間のガス圧（エア供給圧及び水素供給圧）を略同圧にするようにしたものである。なお、発電のための燃料ガス及び酸化剤ガスは第１実施形態で使用したものを用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態における燃料電池１０及びこれを構成する単セルの各々は第１実施形態（図２〜３参照）と同様に構成されると共に、燃料電池１０をはじめ、その他ポンプ等の補器類は制御部（ＥＣＵ）１００と電気的に接続され、制御部１００によって動作タイミングが制御されるようになっており、外部のモータ等の負荷に電力を供給することができる。また、制御部１００は、第１実施形態における場合と同様に燃料電池の通常の発電運転制御と同圧にコントロールする同圧制御を担うものである。

以下、本実施形態に係る燃料電池システムの制御部１００による制御ルーチンについて、特に燃料電池の無負荷での運転時に行なう同圧制御ルーチンを中心に図５を参照して説明する。
本実施形態では既述のように、燃料電池１０に水素ガスおよび空気を供給し、不図示のモータ等の負荷に電力供給する通常の発電運転を行なった後、負荷を外して無負荷のＯＣ状態としたときに、カソード側のエアコンプレッサ２９を駆動させた状態にしてエア供給圧ｐ²をアノード側の水素供給圧ｐ¹と略同圧にする同圧制御を行なう。

図５は、同圧制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ２００において燃料電池１０が通常の発電運転制御において両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ）の状態であるか否かが判断され、ＯＣ状態であると判断されたときには、ステップ２２０でコンプレッサ２９を駆動させてカソード側のエア供給圧を増加させ、次のステップ２４０においてエア供給圧ｐ²が所定値Ｐ（ここでは水素供給圧ｐ¹）と略同圧であるか否かが判断される。ステップ２００において、ＯＣ状態にないと判断されたときにはそのまま本ルーチンを終了する。

ステップ２４０において、エア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹と略同圧の状態にあると判断された場合は、水素ガスのクロスリークの生じない状態にあるため、ステップ２６０に移行して通常の負荷運転要求があるか否か、即ち未だＯＣ状態のままであるか否かが判断され、負荷運転要求があると判断されたときはそのまま本ルーチンを終了し、負荷運転要求がないと判断されたときにはＯＣ状態が継続中であるため、ステップ２４０に戻って同様のステップが繰り返される。

また、ステップ２４０においてエア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹と略同圧の状態にないと判断された場合は、ステップ２７０に移行し、エア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹を超えているか否かが判断される。ステップ２７０において、エア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹を超えていると判断されたときは、水素ガスのクロスリークの発生は抑制されるが、逆にエアがアノード側にクロスリークするおそれが生ずるため、ステップ２８０においてエア調圧バルブＶ４が開方向に調節され、エア供給圧ｐ²が水素供給圧ｐ¹より低いと判断されたときは、水素ガスのクロスリークが生じやすい状態にあるため、ステップ２９０においてエア調圧バルブＶ４が閉方向に調節される。

その後、ステップ２６０において負荷運転要求があるか否か、即ち未だＯＣ状態のままであるか否かが判断され、負荷運転要求があると判断されたときはそのまま本ルーチンを終了し、負荷運転要求がなくＯＣ状態のままであると判断されたときにはステップ２４０に戻って同様のステップが繰り返される。

本実施形態のように、別途他のバルブを設けずにエア圧調整用の調圧バルブを利用することによっても、無負荷での運転とされた際のカソード側及びアノード側のガス圧を図１−(ａ)に示すように同圧に保持できるので、両極間のガス圧差が解消され、水素ガスのカソード側へのクロスリークを効果的に防止することができる。その結果、燃費が向上し、ＯＣ時での電圧降下が抑えられ、また、燃料電池を構成する高分子電解質膜の劣化も解消され、燃料電池の耐久性を向上させることができる。しかも、本実施形態では負荷運転への切替えを迅速に行なうことができる。

（第３実施形態）
本発明の燃料電池システムの第３実施形態を図６〜図１６を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態において所定値（ｐ¹）との関係で行なったエア供給圧の調整を、燃料電池内部における水素ガスの膜透過量との関係で行ない、膜透過量（クロスリーク）の多い場合に選択的に両極間のガス圧（エア供給圧及び水素供給圧）を同圧にするようにしたものである。なお、発電のための燃料ガス及び酸化剤ガスは第１実施形態で使用したものを用いることができ、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。

本実施形態における燃料電池１０及びこれを構成する単セル（構成セルともいう）の各々は第１実施形態（図３参照）と同様に構成されており、外部のモータ等の負荷に電力を供給することが可能なようになっている。また、図６に示すように、燃料電池１０には個々の単セルと電気的に接続されるようにして電圧測定器３４が設けられ、発電運転時の複数の単セルの個々の電圧をモニタ可能なようになっており、他の各種ポンプやバルブ等の補器類は第１実施形態と同様に構成されている。

なお、電圧測定器は、個々の単セルと接続せず、複数個（例えば２つの単セル）ごと、又はスタックが分割構造になっているときはサブスタック毎に接続するようにしてもよく、あるいはスタック中央部では個々の単セル毎に接続し端部付近では２つ毎に接続するような形態であってもよい。

また、カソード及びアノード両極のガス供給圧間に差圧を生じさせるときには、予め圧力計Ｐ１並びに圧力計Ｐ２及びコンプレッサ２９によりガス供給量を略一定に保った状態でアノード側の水素調圧バルブＶ１とカソード側のエア調圧バルブＶ４を調節、例えばエア調圧バルブＶ４の開度を大きくしてカソード側ガス供給圧を低下させる等することによって両ガス供給圧の間に圧力差を形成することができる。このとき、バルブＶ５は閉状態となっている。

燃料電池１０及び電圧測定器３４をはじめ、その他ポンプ及びバルブ等の補器類は、第１実施形態と同様に制御部（ＥＣＵ）１００と電気的に接続され、制御部１００によって動作タイミングが制御されるようになっており、また、制御部１００は、第１実施形態における場合と同様に燃料電池の通常の発電運転制御を担うと共に、測定した電圧を取り込み、取込まれた各電圧間の電圧差からクロスリーク量の計測・対比を行なう膜透過量計測制御、及びガス供給圧をコントロールするガス圧制御（第１実施形態で既述の同圧制御を含む）を担うものである。

以下、本実施形態に係る燃料電池システムの制御部１００による制御ルーチンについて、特に燃料電池の無負荷での運転時に行なうガス圧制御ルーチン、及びガス圧制御にあたり行なう膜透過量計測制御を中心に図７〜図１６を参照して説明する。

本実施形態では、既述のように燃料電池１０に水素ガスおよび空気を供給し、不図示のモータ等の負荷に電力供給する通常の発電運転途中で、あるいは発電運転後の無負荷運転時に、燃料電池の電圧を単セル毎に取り込むと共に取込まれた各電圧間の電圧差からクロスリーク量を予め計測し、そして負荷を外して無負荷運転状態としたときに、計測されたクロスリーク量と所定値との対比をもとにカソード側のエア供給圧ｐ²を漸増するか、アノード側の水素供給圧ｐ¹と略同圧にする同圧制御を行なう。具体的には以下のとおりである。

図７は、ガス圧制御ルーチンを示すものである。本ルーチンが実行されると、ステップ３００において燃料電池１０が通常の発電運転制御において両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ）の状態であるか否かが判断され、ＯＣ状態であると判断されたときには、ステップ３２０において図８及び図１０に示す第１及び第２計測ルーチンを実行し、燃料電池内部での水素ガスの膜透過量（水素透過量）を測定する。水素ガスの膜透過量の測定については後述する。なお、ステップ３００において、ＯＣ状態にないと判断されたときにはそのまま本ルーチンを終了する。

次に、ステップ３４０において、ステップ３２０で測定された水素透過量の最大値ｔ^maxが所定値Ｔ以下であるか否かが判断され、最大値ｔ^maxが所定値Ｔ以下であると判断されたときには、水素透過量の発生がそれほど多くないため、ステップ３６０においてコンプレッサの駆動を抑えつつ図１１に示すように、透過量の増加に応じて水素供給圧との間のガス圧差が小さくなるようにエア供給圧が漸増され、最大値ｔ^maxが所定値Ｔを超えていると判断されたときには、ステップ３８０においてエア供給圧及び水素供給圧を略同圧となるように制御される。ステップ３８０では、上記した第１実施形態及び第２実施形態における場合と同様にして、無負荷での運転とされた際のカソード側及びアノード側のガス圧が同圧に保持される。そして、その後に本ルーチンは終了する。

以下、第１及び第２計測ルーチンについて説明する。図８は、単セルの電圧降下を計測する第１計測ルーチンを示すものであり、図１０は、燃料電池における電圧降下を単セル毎に計測する第２計測ルーチンを示すものである。

まず、燃料電池（スタック）１０を構成する複数の単セルから任意に選択した個々の単セル（セルNo.1〜No.m）について、図６に示す燃料電池システムの配管等の構成を一時的に図９に示す構成とした状態で、以下のように図８に示す第１計測ルーチンを実行し性能解析を行なった。なお、カソード側のエア供給管３２にはマスフローコントローラ２８が設けられており、水素供給管３０及びエア供給管３２は、特に図示しないがいずれも、透過量測定（性能解析）時において外部より窒素等の不活性ガスの供給が行なえるように構成されている。

本ルーチンが実行されると、単セル１が有するガス成分の透過量の程度を測定するために、ステップ４００において、単セル１のアノード側に繋がる水素供給管３０に設けられた水素調圧バルブＶ１を開けて未加湿の窒素（不活性ガス）又は水素ガス（水素供給側のガス供給圧ｐ¹）を供給すると共に、カソード側に繋がるエア供給管３２に設けられた保圧バルブＶ３を開けて未加湿の窒素ガス（不活性ガス；エア供給側のガス供給圧ｐ²）を供給する。このとき、ｐ¹＝ｐ²に調圧されており、単セル１は非発電状態である。そして、エア調圧バルブＶ４により排出管３３を挿通して窒素ガスを排出してｐ¹＞ｐ²の状態を形成し、この状態からのアノード側のｐ¹の単位時間当りの降下量を測定する。測定されたｐ¹の降下量から圧力変化量を求め、この変化量をもとに単セル１のガス透過量を算出する。

次に、ステップ４２０において、上記と同様にして水素供給管３０に加湿水素ガス（ガス供給圧ｐ¹）を供給すると共に、カソード側に繋がるエア供給管３２に加湿エア（空気；ガス供給圧ｐ²）を供給し、モータ等の負荷に電力供給しながら通常の発電運転を行ない、その後負荷を外して両極間における電荷の移動が遮断された開回路（ＯＣ；Open Circuit）の状態とした後、ステップ４４０においてアノード及びカソードへのガス供給量を圧力計Ｐ１，Ｐ２及びマスフローコントローラ２７，２８により各々略一定にし、次のステップ４６０でアノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²とが同圧であるときの電圧（同圧時電圧）を取り込む。

次に、ステップ４８０において、アノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²との間にｐ¹＞ｐ²となるように上記同様に差圧を生じさせ、次のステップ５００でｐ¹＞ｐ²時の電圧（差圧時電圧）を取り込む。

一つの構成セルについて同圧時電圧及び差圧時電圧の取り込みが終了した後、ステップ５２０において測定済セルの数がカウントされ、セル数の和〔Σ(セル数)〕が所望とするセル数ｍ以下であるか否かが判断される。このとき、ガス透過量の異なるセルを選択して行なうようにする。ステップ５２０において、セル数の和がｍ以下であると判断されたときは未測定の他のセルについてステップ４００〜ステップ５００を繰り返し、セル数の和がｍを超えていると判断されたときにはステップ５４０に移行する。

次のステップ５４０において、ステップ４００で得た各単セルのガス透過量の値と、ステップ４６０及びステップ５００で取り込まれた複数セルの全電圧（差圧時電圧及び同圧時電圧）とから、横軸を単セルのガス透過量とし、縦軸を電圧としたガス透過量及びセル電圧の関係を示す図１２のグラフを作成する。

図１２に示されるように、差圧をかけたときには電圧降下が大きく、同圧としたときには差圧時に比し電圧降下の程度が緩和されている。すなわち、差圧時電圧と同圧時電圧との電圧差ΔＶ¹の絶対値に相当する量がクロスリークに由来する電圧降下を意味し、同圧時における電圧降下ΔＶ²はクロスリーク以外の例えば短絡や触媒劣化等に由来するものである。このように、差圧時及び同圧時における電圧差から単セルの電圧降下要因を分析（計測）することができる。

上記において、ＯＣ状態での電圧から図１２を得る場合を説明したが、発電中の電圧からガス透過量とセル電圧との関係を示すグラフを作成するようにすることもできる。この場合には、同圧時から差圧時の電圧降下は小さく、ＯＣ状態又は濃度分極抵抗の小さい（低電流密度）領域において効果的である。

次のステップ５６０において、上記より得られたグラフ（図１２）から得られる電圧差ΔＶ¹の変化から上記のガス透過率に対応する電圧変化率を求め、横軸を電圧変化率、縦軸をガス透過量とした図１３の関係線を作成し、電圧変化率とガス透過量との関係を示す近似式を得る。この関係線におけるガス透過量は、クロスリーク量を表すものである。

続いて、ステップ６００（図１０参照）に移行し、図６に示す燃料電池システムにおいて第２計測ルーチンが実行される。本ルーチンが実行されると、まずステップ６００において燃料電池１０が通常の発電運転制御において開回路（ＯＣ）の状態であるか否かが判断され、ＯＣ状態であると判断したときには、ステップ６２０に移行する。また、ＯＣ状態でないと判断したときには、ＯＣ状態となるまで待機する。

ステップ６２０において、アノード及びカソードへのガス供給量を圧力計Ｐ１及びマスフローコントローラ２７、並びに圧力計Ｐ２及びエアコンプレッサ２９により各々略一定にし、次のステップ６４０でセル（例えばセルNo.1）におけるアノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²とが同圧であるときの電圧（同圧時電圧）を取り込む。

一つの単セル（セルNo.1）について同圧時電圧の取り込みが終了した後、ステップ６５０において測定済セルの数がカウントされ、セル数の和〔Σ(セル数)〕が燃料電池１０の構成セル数ｎ以下であるか否かが判断される。ステップ６５０において、セル数の和がｎ以下、即ち構成セルの全ての測定が完了していないと判断されたときは、未測定の他のセルについて取り込みを繰り返し、セル数の和がｎを超えている、即ち構成セルの全ての測定が完了したと判断されたときには、ステップ６６０に移行する。

次に、ステップ６６０において、アノード側ガス供給圧ｐ¹とカソード側ガス供給圧ｐ²との間にｐ¹＞ｐ²となるように差圧を生じさせ、次のステップ６８０でセル（例えばセルNo.1）におけるｐ¹＞ｐ²時の電圧（差圧時電圧）を取り込む。

一つの単セル（セルNo.1）について差圧時電圧の取り込みが終了した後、ステップ７００において測定済セルの数がカウントされ、セル数の和〔Σ(セル数)〕が燃料電池１０の構成セル数ｎ以下であるか否かが判断される。ステップ７００において、セル数の和がｎ以下、即ち構成セルの全ての測定が完了していないと判断されたときは、未測定の他のセルについて取り込みを繰り返し、セル数の和がｎを超えている、即ち構成セルの全ての測定が完了したと判断されたときには、ステップ７２０に移行する。

ステップ７２０において、燃料電池の構成セルの取り込まれた全電圧（差圧時電圧及び同圧時電圧）を、横軸をセル番号（No.1…No.n）、縦軸をセル電圧として各セルとセル電圧との関係を示す図１４のグラフを作成し、作成したグラフから各単セルの電圧変化率を算出する。

ここで、差圧時電圧と同圧時電圧との電圧差ΔＶ¹の絶対値に相当する量がクロスリークに由来する電圧降下を意味し、同圧時における電圧降下はクロスリーク以外の例えば短絡や触媒劣化等に由来するものである。

次に、ステップ７４０において、算出された電圧変化率から、既に得られている電圧変化率とガス透過量との関係線における近似式を用いてガス透過量を求め、横軸をセル番号、縦軸をガス透過率として各セルとガス透過率との関係を示す図１５のヒストグラムを作成する。ここでのガス透過量は、クロスリーク量を表すものである。以上のようにして、燃料電池を構成する単セル全てについての水素ガスの膜透過量（水素透過量）を測定することができる。

上記のように水素ガスの膜透過量を計測するようにした場合には、単セル毎のクロスリーク量を計測できると共に、クロスリークの程度が大きいセルを特定することができる。これにより、特定されたセルの電圧降下がクロスリークに大きく由来するものである場合には、特定されたセルに注視してステップ３４０における判断を行なったり、そのセルのみを交換する等の処置が可能となる。したがって、複数の単セルで構成されてたスタックの場合でも、従来のように電圧降下の大きいセルの特定や、その要因がクロスリークに由来するものであるか否かの判断が困難であるために実用上問題のない場合でも定期的にスタック全体を交換する、あるいはスタックを分解して対処する等を行なうのを回避でき、特定された単セルについてのみ交換や適切な処置を講ずることが可能となる。

本実施形態では、ｔ^maxを参照するようにしたが、ｔ^max付近の複数値の平均値を参照して判断する等、場合に応じた事項を参照することによっても行なえる。

また、上記のようにクロスリーク量から判断するのではなく、複数の単セルの所定単位毎の出力低下（電圧降下）やその変化データから、ステップ３４０での所定値を満足するか否かを判断するようにしてもよい。

上記では、スタックを構成する個々の単セルのクロスリーク量の結果からエア供給圧を制御するようにしたが、所望数の単セルを１単位とし各クロスリーク量の平均値から予測を行なうようにすることもできる。この場合、１単位ごとの平均電圧の差ΔＶからガス透過率に対応する電圧変化率（平均セル電圧変化率）を求め、横軸を平均セル電圧変化率、縦軸をガス透過量とした図１６の関係線を作成し、平均セル電圧変化率とガス透過量との関係を示す近似式を得、これに基づいてクロスリーク量を測定するようにすることもできる。ここでの関係線におけるガス透過量もクロスリーク量を表すものである。また同様に、スタックが複数のサブスタックからなる分割構造をなす場合はサブスタック単位で各サブスタックのクロスリーク量の結果をもとにステップ３４０での判断を行なうことも可能である。

上述した実施形態では、燃料に水素ガスを用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）を中心に説明したが、メタノール溶液を用いた直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）の場合においても同様である。

また、燃料電池システムを電気自動車に搭載した例を中心に説明したが、電気自動車以外の車両や船舶、航空機等の他の移動装置や、移動装置以外の電気エネルギーで作動する装置への電力供給源として適用することもできる。

（ａ）は本発明の燃料電池システムにおいてＯＣ時に両極間のガス圧を略同圧にする制御を説明するための図であり、（ｂ）は従来より生じていた水素供給圧とエア供給圧との間のガス圧差を説明するための図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。単セルの構成例を示す概略断面図である。本発明の第１実施形態に係る同圧制御ルーチンを示す流れ図である。本発明の第２実施形態に係る同圧制御ルーチンを示す流れ図である。本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムを示す概略構成図である。本発明の第３実施形態に係るガス圧制御ルーチンを示す流れ図である。単セルの電圧降下を計測する第１計測ルーチンを示す流れ図である。図２の燃料電池システムの一部構成を単セルの性能解析が可能なように変更したときの概略図である。燃料電池における電圧降下を単セル毎に計測する第２計測ルーチンを示す流れ図である。膜透過量の増加にしたがって両極間のガス圧力差をなくす制御例を説明するための関係図である。ＯＣ時におけるガス透過量とセル電圧との関係を示す関係図である。電圧変化率とガス透過量との近似関係を示す関係図である。ｎ個のセルと各セルのセル電圧との関係を示す関係図である。ｎ個のセルと各セルのクロスリーク量との関係を示す関係図である。平均セル電圧変化率とガス透過量との近似関係を示す関係図である。

符号の説明

１…単セル
１０…燃料電池
１１…高分子電解質膜
１６…アノード拡散電極（燃料極）
１７…カソード拡散電極（酸化剤極）
３２…エア供給管（供給配管）
３３…排出管（排出配管）
３４…電圧測定器
１００…制御部
Ｖ３…保圧バルブ
Ｖ４…エア調圧バルブ

Claims

燃料電池の無負荷での運転時に、燃料極に供給する燃料ガスのガス供給圧と酸化剤極に供給する酸化剤ガスのガス供給圧とを略同圧にする同圧化手段を備えた燃料電池システム。
前記同圧化手段は、酸化剤ガスを供給する供給配管に弁を有し、前記酸化剤ガスのガス供給圧が所定値に達したときに前記弁を閉じるようにした請求項１に記載の燃料電池システム。
前記同圧化手段は、前記酸化剤ガスのガス供給圧を増加させると共に、酸化剤極から酸化剤ガスを排出する排出配管に設けられた弁の開度を調節するようにした請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池は高分子電解質膜を含み、前記高分子電解質膜における燃料ガスの膜透過量を測定する膜透過量測定手段を更に備え、
前記同圧化手段は、測定された前記膜透過量が所定値以下であるときには膜透過量の増加と共に酸化剤ガスのガス供給圧を漸増し、前記膜透過量が所定値を超えるときには燃料ガスのガス供給圧と酸化剤ガスのガス供給圧とを略同圧にするようにした請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。