JP2007123145A - 燃料電池スタック及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムを複雑にすることなく、燃料電池スタックの酸化ガス流路内にたまった水滴を除去することができるようにする。
【解決手段】本発明の燃料電池スタックは、複数のセル１０が積層されてなる積層体２と、積層体２を収容し、積層体２に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口３ａが形成されたハウジング３とを備えている。酸化ガス供給口３ａには、積層体２に対して開口する開口部３２ｂを形成可能であり、開口部３２ｂの開口面積を変更可能であるとともに積層体２に対する開口部３２ｂの位置を変更可能なシャッタ３０が設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池スタック及びその制御方法に関する。

図１５に示すように、燃料電池スタック１は、積層体２と、積層体２を収容するハウジング３とを備えている。ハウジング３には、積層体２に空気等の酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口３ａと、積層体２に水素等の燃料を供給するための燃料供給口３ｂとが形成されている。

積層体２は、図１６に示すように、複数のセル１０が積層されてなる。各セル１０は、セパレータ１２、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１及びセパレータ１２によって構成されており、隣り合うセル１０はセパレータ１２を共通にしている。各膜電極接合体１１は、ナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜１１ａと、この電解質膜１１ａの一面に接合されて酸化ガスが供給されるカソード極１１ｂと、電解質膜１１ａの他面に接合されて燃料が供給されるアノード極１１ｃとを有している。各セパレータ１２は、各膜電極接合体１１を間に挟んで積層され、個々が各カソード極１１ｂ側に酸化ガス流路１２ｂを形成するとともに、各アノード極１１ｃ側に燃料流路１２ｃを形成するようになっている。酸化ガス供給口３ａは各セル１０の全ての酸化ガス流路１２ｂに連通しており、燃料供給口３ｂは各セル１０の全ての燃料流路１２ｃに連通している。

積層体２は、図１５に示すように、複数のセル１０からなる複数のモジュール２０を積層したものである場合もある。この場合、燃料供給口３ｂから供給される燃料は各モジュール２０単位で順次流れるようになっている。

この燃料電池スタック１においては、積層体２における酸化ガス流路１２ｂに化学反応により生成した水分が水滴として残留する。この水滴は、通常、酸化ガスの流れにより移動し、排出されるか、また酸化ガスによって水蒸気として持ち去られる等により、除去される。

しかし、酸化ガスの流量又は流速が少ない場合、水滴が酸化ガス流路１２ｂ中に残留し続け、これが酸化ガスの流れを妨げることになり、発電効率を低下させる。具体的には、酸化ガス流路１２ｂに水滴が残留することによって、その酸化ガス流路１２ｂが閉鎖され、そこに酸化ガスが流れなくなることにより発電できなくなったり、水滴が付着した部分が閉鎖され、部分的に酸化ガスが届かなくなって実効の発電面積が減少したりする。

一方、酸化ガスは、ブロアーやポンプ等で積層体２の酸化ガス供給口３ａに導入される。上記水滴を除去するためには、酸化ガス流路１２ｂ内における酸化ガスの流速を増加させなければならない。ブロアーやポンプ等の吐出量を上記水滴が除去できるほど増加させるものもあるが、その場合には、発電した電力を消費してしまい、効率的ではない。

この点、特許文献１には、積層体２の出口側の酸化ガス流路１２ｂにスリットを設け、このスリットの幅を調整可能とした燃料電池スタックが開示されている。特許文献１では、これにより酸化ガス流路１２ｂの出口の開口面積を変化させる制御方法を採用している。この場合、酸化ガス流路１２ｂに流速の大きな酸化ガスが導入され、水滴を吹き飛ばして発電効率を回復させることができると考えられる。

特開２００５−５２４７号公報

しかしながら、上記特許文献開示の燃料電池スタック及びその制御方法では、細い酸化ガス流路毎にスリットを設けなければならず、スリットを精密に位置合わせすることが必要である。また、スリットによって的確に酸化ガス流路の開閉を行なわなければならないため、酸化ガス流路の位置に対するスリットの工作精度も高くしなければならない。

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システムを複雑にすることなく、燃料電池スタックの酸化ガス流路内にたまった水滴を除去することができるようにすることを解決すべき課題としている。

第１発明の燃料電池スタックは、複数のセルが積層されてなる積層体と、該積層体を収容し、該積層体に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口が形成されたハウジングとを備えた燃料電池スタックにおいて、

前記酸化ガス供給口には、前記積層体に対して開口する開口部を形成可能であり、該開口部の開口面積を変更可能であるとともに該積層体に対する該開口部の位置を変更可能なシャッタが設けられていることを特徴とする。

第１発明の燃料電池スタックでは、酸化ガス供給口にシャッタが設けられている。このシャッタは、積層体に対して開口する開口部を形成可能であり、この開口部の開口面積を変更可能であるとともに積層体に対する開口部の位置を変更可能である。このため、積層体の一部で水滴を除去したい場合、開口面積を小さくした開口部をその一部に対して開口させ、そこに流速の大きな酸化ガスが導入されることとなる。こうして、水滴を吹き飛ばして発電効率を回復させることができる。

この際、この燃料電池スタックでは、細い酸化ガス流路毎に開口部を設けるわけではないため、開口部の位置合わせにさほどの精密さを要しない。また、酸化ガス流路より大きな幅を許容して酸化ガス流を導入することができることから、開口部の形成のための精度もさほど必要ない。

したがって、第１発明の燃料電池スタックは、燃料電池システムを複雑にすることなく、酸化ガス流路内にたまった水滴を除去することができる。このため、この燃料電池スタックによれば、燃料電池システムは、低コストとなり、また高い耐久性を発揮することができる。

具体的には、前記シャッタは、各前記セルの積層方向に延びる帯状をなす非通気性の第１スクリーンと、該積層方向に延びる帯状をなして該第１スクリーンの一端と接続され、前記開口部を形成する第２スクリーンと、該第２スクリーンをその一端から駆動によって巻き上げ可能な第１巻き上げ機構と、該積層方向に延びる帯状をなして該第１巻き上げ機構と接続された非通気性の第３スクリーンと、該積層方向の一方である前記積層体の一方側に設けられ、該第３スクリーンをその一端から駆動によって巻き上げ可能な第２巻き上げ機構と、該積層体の他方側に設けられ、該第１スクリーンをその他端から付勢力によって巻き取り可能な巻き取り機構とからなり得る。

第１スクリーン及び第３スクリーンは、非通気性であれば足り、例えばビニール等からなり得る。

第２スクリーンは、酸化ガスを通過させる開口部を形成するものであれば足りる。例えば、第１スクリーンと第１巻き上げ機構とを連結する連結部が幅方向の両端に形成され、両連結部間が開口している第２スクリーンを採用することができる。また、通気性のある網材を第２スクリーンとして採用することもできる。

第１巻き上げ機構及び第２巻き上げ機構には、クラッチ付きステッピングモータ等が駆動源として用いられ得る。

巻き取り機構には、クラッチ付きステッピングモータ等も用いられ得るが、ばね、ゴム等の弾性による復帰力を付勢力とするものを採用することが好ましい。これによってシャッタの構造が簡易になり、コスト低廉化等の効果が大きくなる。

第２発明の燃料電池スタックの制御方法は、複数のセルが積層されてなる積層体と、該積層体を収容し、該積層体に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口が形成されたハウジングと、該酸化ガス供給口に設けられ、該積層体に対して開口する開口部を形成可能なシャッタとを備えた燃料電池スタックの制御方法であって、

前記積層体が性能低下状態である時、前記開口部の開口面積を小さくして該開口部を該積層体に対して万遍なく移動させる水滴除去動作ステップを備えていることを特徴とする。

積層体の酸化ガス流路に水滴が残留すれば、そこに酸化ガスが流れなくなることにより発電できなくなったり、実効の発電面積が減少したりするため、積層体が性能低下状態になる。この時、第２発明の制御方法では、水滴除去動作ステップにおいて、開口部の開口面積を小さくして開口部を積層体に対して万遍なく移動させる。これにより、積層体は全ての酸化ガス流路に流速の大きな酸化ガス流が順次導入されることとなる。こうして、積層体の全ての酸化ガス流路において、水滴を吹き飛ばして発電効率を回復させることができる。また、セル毎の性能低下状態を判断しているのではないため、燃料電池システムは複雑ではない。

第２発明の制御方法は、前記積層体の電圧及び電流値を検出し、検出値を取得する検出ステップと、該検出値を基準ＩＶと比較することにより、該積層体が前記性能低下状態であるか否かを判断する比較判断ステップとを備えていることが好ましい。この場合、積層体が性能低下状態であるか否かを確実に判断できる。

また、第２発明の制御方法は、前記積層体が前記性能低下状態であると連続して判断された回数が基準回数を超えた場合、記録手段への記録を行う記録ステップを備えていることが好ましい。

水滴除去動作ステップ中、積層体は開口部が位置している以外の部分では酸化ガスが酸化ガス流路に供給されず、発電能力が低下する。このため、こうして水詰まりによる性能低下状態の判定基準を設定することにより、必要以上に水滴除去動作ステップを行なわず、発電能力を維持することも重要である。また、水滴除去動作ステップでは回復しない積層体の劣化を記録し、整備作業の効率を向上させることができる。

第２発明の制御方法は、前記燃料電池スタックが車両に搭載されたものである場合、該車両が中期的に停止された時に前記水滴除去動作ステップを実行することが好ましい。

車両が中期的に停止された場合とは、ドライブポジションがＮ（ニュートラル）やＰ（パーキング）となった場合、パーキングブレーキを引いて車両が停止している場合等をいい、フットブレーキで車両が停止しているような場合は含まない意である。なお、燃料電池システムの発電を停止させて車両が停止しているような場合も含まない。第２発明の制御方法は、水滴除去動作ステップにおいて、開口部を積層体に対して万遍なく移動させることから、ある程度の時間を要するからである。

また、第２発明の制御方法は、前記燃料電池スタックが車両に搭載されたものである場合、該車両が長期的に停止される前に前記水滴除去動作ステップを実行することが好ましい。

車両が長期的に停止された場合とは、燃料電池システムの発電を停止させて車両が停止しているような場合をいう。これにより、積層体は全ての酸化ガス流路から水滴を除去して停止されるため、次回の起動環境温度が氷点下であった場合の凍結を防ぎ、始動を容易にすることができる。

第３発明の燃料電池スタックの制御方法は、複数のセルが積層されてなる積層体と、該積層体を収容し、該積層体に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口が形成されたハウジングと、該酸化ガス供給口に設けられ、該積層体に対して開口する開口部を形成可能なシャッタとを備えた燃料電池スタックの制御方法であって、

前記積層体は複数の前記セルからなる複数のモジュールを積層したものであり、特定の該セル又は特定の該モジュールが性能低下状態である時、前記開口部の開口面積を小さくして該開口部を特定の該セルをもつ特定の該モジュール又は特定の該モジュールに対して位置させる水滴除去動作ステップを備えていることを特徴とする。

積層体が複数のモジュールを積層したものである場合、性能低下状態はセル単位又はモジュール単位でも生じる。このため、第３発明の制御方法では、特定のセル又は特定のモジュールが性能低下状態であれば、水滴除去動作ステップにおいて、開口部の開口面積を小さくして開口部をその特定のセルをもつ特定のモジュール又はその特定のモジュールに対して位置させる。これにより、その特定のモジュールは酸化ガス流路に流速の大きな酸化ガス流が導入されることとなる。こうして、その特定のモジュールの酸化ガス流路において、水滴を吹き飛ばし、短時間で発電効率を回復させることができる。また、セル毎の性能低下状態を判断し、セル毎に水滴除去動作ステップを実行するものではないため、燃料電池システムは複雑ではない。

第３発明の制御方法は、各前記セルの電圧及び前記積層体の電流値を検出し、前記セル毎又は前記モジュール毎の検出値を取得する検出ステップと、各該検出値を基準ＩＶと比較し、いずれの該モジュールが性能低下状態であるか否かを判断する比較判断ステップとを備えていることが好ましい。この場合、どのモジュールが性能低下状態であるか否かを確実に判断できる。

前記比較判断ステップでは、前記モジュール単位で性能低下が著しいものから順位をつけることが好ましい。早急に回復させるべきモジュールを特定し、効果的に発電能力を回復させることができるからである。

また、第３発明の制御方法は、前記特定のセル又は前記特定のモジュールが前記性能低下状態であると連続して判断された回数が基準回数を超えた場合、記録手段への記録を行う記録ステップを備えていることが好ましい。

この場合、水詰まりによる性能低下状態の判定基準を設定することにより、必要以上に水滴除去動作ステップを行なわず、発電能力を維持することができる。また、水滴除去動作ステップでは回復しない劣化したセル又はモジュールを特定しやすくして、整備作業の効率を向上させることができる。

第３発明の制御方法は、前記燃料電池スタックが車両に搭載されたものである場合、該車両が短期的に停止された時に前記水滴除去動作ステップを実行することが好ましい。

車両が短期的に停止された場合とは、フットブレーキで車両が停止しているような場合をいう。なお、ドライブポジションがＮ（ニュートラル）やＰ（パーキング）となった場合、パーキングブレーキを引いて車両が停止しているような場合や燃料電池システムの発電を停止させて車両が停止しているような場合は含まない。第３発明の制御方法は、水滴除去動作ステップにおいて、特定のモジュールに対してのみ開口部を移動させることから、短時間で済むからである。

以下、第１〜３発明を具体化した実施例１、２を図面を参照しつつ説明する。実施例１は第１、２発明を具体化したものであり、実施例２は第１、３発明を具体化したものである。

実施例１の車両用燃料電池システムの概略構成図を図１に示す。この燃料電池システムにおいて、図１６に示す複数のセル１０は積層され、モジュール２０という構成単位となっている。また、複数のモジュール２０はさらに積層され、図１５に示す積層体２を形成している。

燃料電池スタック１は、この積層体２と、積層体２を収容するハウジング３とを備えている。ハウジング３には、積層体２に上面から空気を供給するための酸化ガス供給口３ａと、積層体２に側面の一方から燃料ガスを供給するための燃料供給口３ｂとが形成されている。図１に示すように、実施例１の特徴的な構成として、燃料電池スタック１は酸化ガス供給口３ａにシャッタ３０が設けられている。

シャッタ３０の上流側にはブロワ５１が設けられている。ブロワ５１によってシャッタ３０を経て酸化ガス供給口３ａから供給された空気は、図１６に示す各セル１０の酸化ガス流路１２ｂを経た後、積層体２の下面へと流れるようになっている。

また、図１に示すように、燃料電池スタック１は燃料供給口３ｂの上流側に燃料供給装置５２が設けられている。燃料供給装置５２によって燃料供給口３ｂから供給された燃料ガスは、各モジュール１０毎に各セル１０の燃料流路１２ｃを経た後、積層体２の側面の他方へと流れるようになっている。

シャッタ３０は、図２に示すように、第１スクリーン３１、第２スクリーン３２、第１巻き上げ機構３３、第３スクリーン３４、第２巻き上げ機構３５及び巻き取り機構３６からなる。第２巻き上げ機構３５及び巻き取り機構３６はハウジング３に固定されている。

第１スクリーン３１及び第３スクリーン３４は各セル１０及びモジュール２０の積層方向に延びる帯状をなす非通気性のものである。

第２スクリーン３２は、積層方向に延びる帯状をなして第１スクリーン３１の一端と接続されており、第１スクリーン３１と第１巻き上げ機構３３とを連結する連結部３２ａが幅方向の両端に形成され、両連結部３２ａ間が開口した開口部３２ｂとなっている。連結部３２ａは可撓性のある材質からなる。

第１巻き上げ機構３３は、図示しない本体にクラッチ付きステッピングモータを内蔵したものである。ステッピングモータによって駆動される図示しないロールには第２スクリーン３２の一端が固定されており、第２スクリーン３２はその一端からステッピングモータの駆動によって巻き上げ可能になっている。第１巻き上げ機構３３の本体には第３スクリーン３４が固定されている。

第２巻き上げ機構３５は、積層方向の一方である積層体２の一方側に図示しない本体が設けられており、本体内に図示しないクラッチ付きステッピングモータが内蔵されている。ステッピングモータによって駆動される図示しないロールには第３スクリーン３４の一端が固定されており、第３スクリーン３４はその一端からステッピングモータの駆動によって巻き上げ可能になっている。

巻き取り機構３６は、積層体２の他方側に本体が設けられており、本体内には図示しないばねによって付勢力を有するロールが内蔵されている。ばねの付勢力は、第１、２巻き上げ機構３３、３５のステッピングモータの正転方向と逆である。このロールに第１スクリーン３１の他端が固定されており、第１スクリーン３１は他端から付勢力によって巻き取り可能になっている。

図１に示すように、シャッタ３０はコントローラ５３に接続されている。コントローラ５３は、またブロア５１、燃料供給装置５２、記録手段としてのダイヤグラム５４、表示装置５５及び状態センサ５６にも接続されている。コントローラ５３にはこれらの制御プログラムが格納されている。

初期状態では、図４に示すように、シャッタ３０の開口部３２ｂが積層体２に対して開放されている。

コントローラ５３は、図３に示すフローチャートに従って処理を行う。このフローチャートは、通常運転時に比較的長い停車が見込まれる場合に実行される。

まず、車両のスタートの後、プログラムがスタートすると、ステップＳ１０において、水滴除去動作回数カウンタ「ＣＡ」を０に初期化する。

ステップＳ１１では、燃料電池スタック１の通常運転処理を行う。この間、ステップＳ１２（検出ステップ）では、運転中のさまざまな負荷の時におけるスタック電圧及び電流値を記録している。

ステップＳ１３において、状態センサ５６からの入力に基づき、車速が０となり、かつドライブポジションがＮ（ニュートラル）又はＰ（パーキング）となったか否か判断が行われる。この状態であれば、比較的長い停車が見込まれるからである。

ステップＳ１３でＹＥＳであれば、ステップＳ１４（比較判断ステップ）において、ステップＳ１２で記録した出力電流−電圧関係と、予め記憶している基準となる出力電流−電圧関係とを比較する。

ステップＳ１５（比較判断ステップ）では、ステップＳ１４で比較した結果、一定以上の性能低下が認められた場合、ＹＥＳに進む。そうでなければ、ステップＳ１６に進み、水滴除去動作回数カウンタ「ＣＡ」を０にクリアし、ステップＳ１１に復帰する。

ステップＳ１５でＹＥＳであれば、ステップＳ１７において、水滴除去動作回数カウンタ「ＣＡ」が例えば５未満であることを確認する。これは、水滴除去動作ステップを一定回数以上行なっても効果が見られない場合に異常を記録するためである。

このため、ステップＳ１７でＮＯであれば、ステップＳ１８（記録ステップ）に進み、ダイアグラム５４に異常を記録する。また、性能劣化が起こっていると思われるので、ステップＳ１９に進み、インジケータランプ等の表示装置５５を点灯してドライバーに通知する。そして、ステップＳ２０に進み、性能低下の判定は行なわず、後述のステップ２１と同じ水滴除去動作ステップを一定の時間間隔で行う。性能低下を根拠に水滴除去を行なうことができないが、発電を行なっているので水滴が残留していると考えられるからである。

ステップＳ１７でＹＥＳであれば、ステップＳ２１（水滴除去動作ステップ）に進む。水滴が酸化ガス流路１２ｂ内に残留して、出力が低下しているからである。

この際、初期状態では、図４に示すように、シャッタ３０の開口部３２ｂが積層体２に対して開放されていたことから、まず、第１巻き上げ機構３３はクラッチオンにて回転し、図５に示すように、第２スクリーン３２を所定の幅だけ引き出した状態とする。このときの開口部３２ｂの幅は、予め実験を行い、最適な値を決定しておく。

第２巻き上げ機構３５は、図６に示すように、巻き取り機構３６の引き込み力に応じて第３スクリーン３４を送り出し、開口部３２ｂを一定の速度で移動させる。こうして、小さな開口面積の開口部３２ｂを積層体２に対して万遍なく移動させる。このときの移動速度は、予め実験を行い、最適な値を決定しておく。これにより、積層体２は全ての酸化ガス流路１２ｂに流速の大きな空気流が順次導入されることとなる。

図７に示すように、第１スクリーン３１がほぼ巻き取り機構３６に巻き込まれたら、第１巻き上げ機構３３のクラッチをオフにし、図８に示すように、第２巻き上げ機構３５により第３スクリーン３４を巻き上げる。

上記ステップＳ２１の実行中に、コントローラ５３から発電開始の指令があった場合は、即座にステップＳ２１の実行を中止し、速やかに第１巻き上げ機構３３のクラッチをオフにして、第２巻き上げ機構３５により第３スクリーン３４を巻き上げ、初期状態に復帰する。

第２巻き上げ機構３５による第３スクリーン３４の巻き上げが完了すると、図４に示す初期状態に戻る。そして、図３に示すステップ２２で水滴除去動作回数カウンタ「ＣＡ」をインクリメントして水滴除去動作作動履歴を記録し、ステップＳ１１に復帰する。但し、一連のステップＳ２１の実行中にコントローラ５３から発電開始の指令があった場合は、速やかに第３スクリーン３４を巻き上げ、通常運転を開始するため、上記ステップＳ２１が完了していない場合は、この記録を行なわない。

上記ステップＳ２１の実行により、積層体２は、結果的に酸化ガス流路１２ｂが絞られ、酸化ガス流路１２ｂ中の流速が順次増加することにより、積層体２全体で水滴が排出され、水詰まりによる性能低下が回復する。なお、水滴除去動作中のブロワ５１の回転速度は、予め実験を行い、必要以上に動力を消費しないよう、最適な値を決定しておく。

また、コントローラ５３は、例えば、図９に示すフローチャートに従って処理も行う。このフローチャートは、燃料電池システムが発電を行なっていない場合に実行される。また、燃料電池システムが完全に停止する前にもこのフローチャートは実行され、次回起動が氷点下の環境であった場合の始動を容易にする。

まず、プログラムがスタートすると、燃料電池スタック１が発電を行なっているステップＳ１１に続き、ステップＳ３０において、コントローラ５３が燃料電池スタック１の運転を停止する信号を送出したか否か判断を行う。燃料電池スタック１の停止動作が開始されていない場合は通常運転を継続する。

ステップＳ３０でＹＥＳの場合、ステップＳ２１を起動する。そして、ステップＳ３１において、燃料電池スタック１が運転を停止する一連の停止動作を行なう。

これにより、積層体２は全ての酸化ガス流路１２ｂから水滴を除去して停止されるため、次回の起動環境温度が氷点下であった場合の凍結を防ぎ、始動を容易にすることができる。

これらの間、この燃料電池スタック１では、細い酸化ガス流路１２ｂ毎に開口部３２ｂを設けるわけではないため、開口部３２ｂの位置合わせにさほどの精密さを要しない。また、酸化ガス流路１２ｂより大きな幅を許容して空気を導入することができることから、開口部３２ｂの形成のための精度もさほど必要ない。

したがって、この燃料電池スタック１は、燃料電池システムを複雑にすることなく、酸化ガス流路１２ｂ内にたまった水滴を除去することができる。このため、この燃料電池スタック１によれば、燃料電池システムは、電池性能を高性能に維持でき、低コストとなり、また高い耐久性を発揮することができる。

実施例２の燃料電池システムは、特定のモジュール２０で水詰まりによる性能低下が起こった場合、そのモジュール２０近傍にのみ空気流を集中することで、短時間に処理を終了し、性能を回復して運転を再開するものである。この燃料電池システムは、例えば、走行中の信号待ち等の短い時間中にこれを行なうことで、早期に性能を回復することができる。

燃料電池システムの基本的構成は実施例１と同様である。但し、各セル１０は、個別に出力電圧がモニターされている。これにより、特定のセル１０あるいはモジュール２０に水詰まりによる性能低下が発生したことが検知できる。

コントローラ５３は、例えば、図１０に示すフローチャートに従って処理を行う。このフローチャートは、通常運転時、信号待ち等、比較的短い停車が見込まれる場合に実行される。

まず、車両のスタートの後、プログラムがスタートすると、ステップＳ４０において、水滴除去動作回数カウンタ「ＣＢ（ｎ）」を０に初期化する。水滴除去動作回数カウンタ「ＣＢ（ｎ）」は燃料電池スタック１毎（セル１０毎でもよい。）に別々の記録領域をもっており、全領域が０に初期化される。

ステップＳ４１では、水滴除去動作ステップを複数回行なっても発電性能が回復しないモジュール２０については、水滴除去動作ステップの実施対象から外すこととする。このため、開始時に全領域について、ＦＢ（ｎ）＝falseの識別フラグを立て、初期化される。

ステップＳ４２では、燃料電池スタック１の通常運転処理を行う。この間、ステップＳ４３（検出ステップ）では、運転中のさまざまな負荷の時におけるセル電圧及びスタックの電流値を記録している。

ステップＳ４４において、状態センサ５６からの入力に基づき、車速が０となったか否か判断が行われる。この状態であれば、フットブレーキで車両が停止し、比較的短い停車が見込まれるからである。

ステップＳ４４でＹＥＳであれば、ステップＳ４５（比較判断ステップ）において、ステップＳ４３で記録したモジュール２０毎の出力電流−電圧関係と、予め記憶している基準となる出力電流−電圧関係とを比較する。なお、セル１０毎に比較してもよい。

ステップＳ４６（比較判断ステップ）では、ステップＳ４５で比較した結果、モジュール２０単位で性能低下が著しいものから順位をつける。

ステップＳ４７（比較判断ステップ）では、処理を早めるため、最も性能低下しているモジュール２０（ｍ）を水滴除去動作の対象とする。

ステップＳ４８（比較判断ステップ）では、特定したモジュール２０（ｍ）について、ＦＢ（ｍ）＝falseの識別フラグの有無を確認し、このモジュール２０（ｍ）が過去に水滴除去動作が効果を発揮しないとして対象から外されているものかどうかを判断する。

ステップＳ４９（比較判断ステップ）では、対象から外されているモジュール２０（ｍ）を順位から外し、ステップＳ４７に戻って再算出する。

ステップＳ５０（比較判断ステップ）では、そのモジュール２０（ｍ）について、ステップＳ４５で比較した結果、一定以上の性能低下が認められた場合、ＹＥＳに進む。そうでなければ、ステップＳ５１に進み、水滴除去動作回数カウンタ「ＣＢ（ｎ）」を０にクリアし、ステップＳ４２に復帰する。

ステップＳ５０でＹＥＳであれば、ステップＳ５２において、水滴除去動作回数カウンタ「ＣＢ（ｎ）」が例えば５未満であることを確認する。これは、水滴除去動作ステップを一定回数以上行なっても効果が見られない場合に異常を記録するためである。

このため、ステップＳ５２でＮＯであれば、ステップＳ５３に進み、ＦＢ（ｍ）＝trueの識別フラグを立てる。そして、ステップＳ５４（記録ステップ）に進み、ダイアグラム５４に異常を記録する。そして、ステップＳ４２に進む。

ステップＳ５２でＹＥＳであれば、ステップＳ５３（水滴除去動作ステップ）に進む。水滴が酸化ガス流路１２ｂ内に残留して、出力が低下しているからである。

この際、初期状態では、図４に示すように、シャッタ３０の開口部３２ｂが積層体２に対して開放されていたことから、まず、第１巻き上げ機構３３はクラッチオンにて回転し、図１１に示すように、第２スクリーン３２を所定の幅だけ引き出した状態とし、同時に第２巻上げ機構３５は巻き取り機構３６の引き込み力に応じて第３スクリーン３４を送り出し、開口部３２ｂを高速で特定のモジュール２０にまで移動させる。このときの開口部３２ｂの幅は、予め実験を行い、最適な値を決定しておく。

開口部３２ｂが特定のモジュール２０に到達すると、図１２に示すように、所定の時間あるいは燃料電池スタック１の発電開始まで、その状態を維持し、水滴を除去する。これにより、その特定のモジュール２０は酸化ガス流路１２ｂに流速の大きな空気流が導入されることとなる。

水滴除去後、第１巻き上げ機構３３のクラッチをオフにして、図１３に示すように、第２巻き上げ機構３５により第３スクリーン３４を巻き上げる。第１スクリーン３１は、巻き取り機構３６により巻き上げられる。

上記ステップＳ５３の実行中に、コントローラ５３から発電開始の指令があった場合は、即座にステップＳ５３の実行を中止し、速やかに第１巻き上げ機構３３のクラッチをオフにして、第１巻き上げ機構３５及び巻き取り機構３６により第１、３スクリーン３１、３４を巻き上げ、初期状態に復帰する。

第１巻き上げ機構３５及び巻き取り機構３６による第１、３スクリーン３１、３４の巻き上げが完了すると、図４に示す初期状態に戻る。そして、図１０に示すステップＳ５４でモジュール２０毎に水滴除去動作回数カウンタ「ＣＢ（ｍ）」をインクリメントして水滴除去動作作動履歴を記録し、ステップＳ４２に復帰する。但し、一連のステップ５３の実行中にコントローラ５３から発電開始の指令があった場合は、速やかに第１、３スクリーン３１、３４を巻き上げ、通常運転を開始するため、上記ステップＳ５３が完了していない場合は、この記録を行なわない。

こうして、その特定のモジュール２０の酸化ガス流路１２ｂにおいて、水滴を吹き飛ばし、短時間で発電効率を回復させることができる。また、セル１０毎の性能低下状態を判断し、セル１０毎に水滴除去動作ステップを実行するものではないため、燃料電池システムは複雑ではない。なお、水滴除去動作中のブロワ５１の回転速度は、予め実験を行い、必要以上に動力を消費しないよう、最適な値を決定しておく。

以下、上記実施例１、２に共通する性能低下の判定ロジックを述べる。例えば、図１４に示すように、予め基準となる出力電流−電圧関係が記録されている。これは、各電流密度領域において、電圧が実線以下に下がった場合を水詰まりとみなす領域である。これは実験的に求めた値である。

Ｙ軸の電圧（Ｖ）は、積層体２を評価する場合と、モジュール２０を評価する場合とでは異なる。実際は、積層体２の評価用又はモジュール２０の評価用に別々の出力電流−電圧関係が記録されているが、いずれも同様の形状をしているため、図１４にはモジュール２０の評価用の線図を記している。ハッチングの部分が性能低下領域である。

車両においては、燃料電池スタック１は様々な負荷で運転されるが、一定のタイミングで電圧と電流値とが測定される。１秒毎にこれらを測定すると、１００秒で１００点の測定点が収集される。測定点の総数が５０点以上で、なおかつこれらの点の８０％が性能低下領域に入った場合に「性能低下が一定以上」と判定することが好ましい。測定点のデータは、１００点を越えると、最新のデータが採択され、最も古いデータが消去される。

測定するデータについては、ＯＣＶ（開放電位）近傍のものは使用しないことが好ましい。電流密度が０．１Ａ／ｃｍ²以上の場合のみのデータを使用することが好ましい。ＯＣＶは水滴による酸素供給阻害の影響を受けづらいからである。水滴除去動作が完了すると、上記測定点は消去され、新たに測定が開始される。なお、上記数値は一例であり、これに限ったものではない。

以上において、本発明を実施例１、２に即して説明したが、本発明は上記実施例１、２に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。

本発明は、燃料電池システム、特に車両用燃料電池システムに利用可能である。

実施例１、２に係る車両用燃料電池システムの概略構成図である。 実施例１、２に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例１に係るコントローラのフローチャートである。 実施例１、２に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例１に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例１に係るコントローラのフローチャートである。 実施例２に係るコントローラのフローチャートである。 実施例２に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例２に係る燃料電池スタックの平面図である。 実施例１、２に係り、性能低下領域を示す出力電流−電圧関係のグラフである。 従来の燃料電池スタックの模式斜視図である。 セル、モジュール及び積層体の模式断面図である。

符号の説明

１０…セル
２…積層体
３…ハウジング
３ａ…酸化ガス供給口
１…燃料電池スタック
３２ｂ…開口部
３０…シャッタ
３１…第１スクリーン
３２…第２スクリーン
３３…第１巻き上げ機構
３４…第３スクリーン
３５…第２巻き上げ機構
３６…巻き取り機構
Ｓ２１、Ｓ５３…水滴除去動作ステップ
Ｓ１２、Ｓ４３…検出ステップ
Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ４５〜Ｓ５０…比較判断ステップ
Ｓ１８、Ｓ５４…記録ステップ

Claims (12)

1. 複数のセルが積層されてなる積層体と、該積層体を収容し、該積層体に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口が形成されたハウジングとを備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記酸化ガス供給口には、前記積層体に対して開口する開口部を形成可能であり、該開口部の開口面積を変更可能であるとともに該積層体に対する該開口部の位置を変更可能なシャッタが設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記シャッタは、各前記セルの積層方向に延びる帯状をなす非通気性の第１スクリーンと、該積層方向に延びる帯状をなして該第１スクリーンの一端と接続され、前記開口部を形成する第２スクリーンと、該第２スクリーンをその一端から駆動によって巻き上げ可能な第１巻き上げ機構と、該積層方向に延びる帯状をなして該第１巻き上げ機構と接続された非通気性の第３スクリーンと、該積層方向の一方である前記積層体の一方側に設けられ、該第３スクリーンをその一端から駆動によって巻き上げ可能な第２巻き上げ機構と、該積層体の他方側に設けられ、該第１スクリーンをその他端から付勢力によって巻き取り可能な巻き取り機構とからなる請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 複数のセルが積層されてなる積層体と、該積層体を収容し、該積層体に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口が形成されたハウジングと、該酸化ガス供給口に設けられ、該積層体に対して開口する開口部を形成可能なシャッタとを備えた燃料電池スタックの制御方法であって、
   前記積層体が性能低下状態である時、前記開口部の開口面積を小さくして該開口部を該積層体に対して万遍なく移動させる水滴除去動作ステップを備えていることを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
4. 前記積層体の電圧及び電流値を検出し、検出値を取得する検出ステップと、
   該検出値を基準ＩＶと比較することにより、該積層体が前記性能低下状態であるか否かを判断する比較判断ステップとを備えている請求項３記載の燃料電池スタックの制御方法。
5. 前記積層体が前記性能低下状態であると連続して判断された回数が基準回数を超えた場合、記録手段への記録を行う記録ステップを備えている請求項４記載の燃料電池スタックの制御方法。
6. 前記燃料電池スタックが車両に搭載されたものである場合、該車両が中期的に停止された時に前記水滴除去動作ステップを実行する請求項３乃至５のいずれか１項記載の燃料電池スタックの制御方法。
7. 前記燃料電池スタックが車両に搭載されたものである場合、該車両が長期的に停止される前に前記水滴除去動作ステップを実行する請求項３乃至５のいずれか１項記載の燃料電池スタックの制御方法。
8. 複数のセルが積層されてなる積層体と、該積層体を収容し、該積層体に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給口が形成されたハウジングと、該酸化ガス供給口に設けられ、該積層体に対して開口する開口部を形成可能なシャッタとを備えた燃料電池スタックの制御方法であって、
   前記積層体は複数の前記セルからなる複数のモジュールを積層したものであり、特定の該セル又は特定の該モジュールが性能低下状態である時、前記開口部の開口面積を小さくして該開口部を特定の該セルをもつ特定の該モジュール又は特定の該モジュールに対して位置させる水滴除去動作ステップを備えていることを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
9. 各前記セルの電圧及び前記積層体の電流値を検出し、前記セル毎又は前記モジュール毎の検出値を取得する検出ステップと、
   各該検出値を基準ＩＶと比較し、いずれの該モジュールが性能低下状態であるか否かを判断する比較判断ステップとを備えている請求項８記載の燃料電池スタックの制御方法。
10. 前記比較判断ステップでは、前記モジュール単位で性能低下が著しいものから順位をつける請求項９記載の燃料電池スタックの制御方法。
11. 前記特定のセル又は前記特定のモジュールが前記性能低下状態であると連続して判断された回数が基準回数を超えた場合、記録手段への記録を行う記録ステップを備えている請求項９又は１０記載の燃料電池スタックの制御方法。
12. 前記燃料電池スタックが車両に搭載されたものである場合、該車両が短期的に停止された時に前記水滴除去動作ステップを実行する請求項８乃至１１のいずれか１項記載の燃料電池スタックの制御方法。

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