JP2007220462A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１は、水収支量から目標値を減じて得られた値が正であるときに酸化剤極側の圧力を低下させ、該値が負であるときに酸化剤極側の圧力を増加させる。このように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、酸化剤ガスの供給量でなく圧力を制御することとしている。このため、酸化剤ガスの供給量については発電に必要となる量を維持したまま、排出量を増減させることが可能となり、酸化剤ガスの供給量が発電に必要となる量を下回ることを防止することができる。従って、発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、燃料電池内の水分状態を良好とするように制御を行う燃料電池システムが知られている。このシステムでは、燃料電池に供給される流入水量と、燃料電池の発電によって生成される生成水量とを加え、この加えた値から、燃料電池の外部に排出される流出水量を減じることで、水の収支量を求める。そして、水収支量に基づいて燃料電池の酸化剤極側に供給するガス供給量を制御し、燃料電池内の水分状態を良好とするようにしている（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−１１９０５２号公報

ここで、燃料電池システムでは、発電を行うために最低限供給することが必要な酸化剤ガス量が存在する。しかし、従来の燃料電池システムでは、水収支量に基づいてガス供給量を制御しているため、最低限の酸化剤ガス量を維持することができなくなり、発電に支障をきたす可能性がある。一方、発電に支障をきたさないようにすると、燃料電池内の水分状態を良好にできなくなってしまうことがある。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることが可能な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、燃料電池と、水収支量算出手段と、目標値設定手段と、制御手段とを備えている。燃料電池は、燃料ガスの供給を受ける燃料極と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極と両極に挟まれる電解質膜とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。水収支量算出手段は、酸化剤極側の水分量の増減を示す水収支量を求めるものである。目標値設定手段は、酸化剤極側の水収支量の目標値を設定する。制御手段は、水収支量算出手段により算出された水収支量から目標値設定手段により設定された目標値を減じて得られた値が正であると燃料電池の酸化剤極側の圧力を低下させ、該値が負であると酸化剤極側の圧力を増加させる。

本発明によれば、算出された水収支量から目標値を減じて得られた値が正であるときに酸化剤極側の圧力を低下させ、該値が負であるときに酸化剤極側の圧力を増加させる。ここで、酸化剤極側の圧力を増加させるには、燃料電池への酸化剤ガスの供給量を排出量よりも多くすればよい。そして、この場合には、酸化剤ガスに含まれて供給される水分量を酸化剤ガスに含まれて排出される水分量よりも多くでき、酸化剤極側の水収支量を増加させることができる。逆に、酸化剤極側の圧力を減少させるには、燃料電池への酸化剤ガスの供給量を排出量よりも少なくすればよい。そして、この場合には、酸化剤ガスに含まれて供給される水分量を酸化剤ガスに含まれて排出される水分量よりも少なくでき、酸化剤極側の水収支量を減少させることができる。以上より、本実施形態では圧力の増減によって水収支量を目標値に近づけ、燃料電池の水分状態を好適とすることができる。しかも、本実施形態では酸化剤ガスの供給量でなく圧力を制御することとしている。このため、酸化剤ガスの供給量については発電に必要となる量を維持したまま、排出量を増減させることが可能となり、酸化剤ガスの供給量が発電に必要となる量を下回ることを防止することができる。従って、発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることができる。

このように、本発明は、水収支量の調整のために圧力制御を行っており（すなわちガス供給量のみでなくガス排出量も制御対象となっており）、この点で従来技術と比較した特別な技術的特徴を有している。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１０と、燃料ガス供給系２０と、酸化剤ガス供給系３０とを備えている。

燃料電池１０は、燃料ガス（水素）の供給を受ける燃料極１１と、酸化剤ガス（酸素）の供給を受ける酸化剤極１２とを有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電するものである。また、燃料極１１と酸化剤極１２とは固体高分子電解質膜を挟んで重ね合わされて発電セルを構成しており、燃料電池１０は、これら発電セルが複数層積層されたスタック構造となっている。

燃料ガス供給系２０は、燃料ガス供給装置２１と、燃料極側供給配管２２と、第１圧力調整弁２３と、燃料極側排出配管２４とからなっている。燃料ガス供給装置２１は、燃料電池１０の燃料極１１に燃料ガスを供給するものである。燃料極側供給配管２２は燃料ガス供給装置２１と燃料電池１０の燃料極側入口とを接続し、燃料ガス供給装置２１からの燃料ガスを燃料電池１０の燃料極１１まで導くものである。第１圧力調整弁２３は、燃料極側供給配管２２に設けられ、燃料ガス供給装置２１から燃料電池１０の燃料極１１に供給される燃料ガスの供給量を制御できるようになっている。また、第１圧力調整弁２３は、燃料ガスの供給量を制御することにより燃料電池１０の燃料極側の圧力を調整可能となっている。燃料極側排出配管２４は、一端が燃料電池１０の燃料極側出口に接続され、他端が外部につながっており、燃料極側のガスを外部に排出するものである。なお、燃料極側排出配管２４にはパージ弁（不図示）が備え付けられ、燃料極側のガスを外部に排出する際にはパージ弁が開くこととなる。

酸化剤ガス供給系３０は、酸化剤ガス供給装置３１と、酸化剤極側供給配管３２と、コンプレッサ３３と、酸化剤極側排出配管３４と、第２圧力調整弁３５とからなっている。酸化剤ガス供給装置３１は、燃料電池１０の酸化剤極１２に酸化剤ガスを供給するものである。酸化剤極側供給配管３２は酸化剤ガス供給装置３１と燃料電池１０の酸化剤極側入口とを接続し、酸化剤ガス供給装置３１からの燃料ガスを燃料電池１０の酸化剤極１２まで導くものである。コンプレッサ３３は、酸化剤極側供給配管３２に設けられ、酸化剤ガス供給装置３１から送られる酸化剤ガスを昇圧させて酸化剤極１２に送り込むものである。酸化剤極側排出配管３４は、燃料電池１０の酸化剤極側と外部とを接続し、燃料電池１０の酸化剤極側から排出されたガスを外部に導くものである。第２圧力調整弁３５は、酸化剤極側排出配管３４上に設けられ、外部に排出するガス量を制御するものである。なお、酸化剤ガス供給系３０では、酸化剤ガス供給装置３１からコンプレッサ３３を通じて酸化剤極１２に送られる酸化剤ガスの供給量と、第２圧力調整弁３５を通って外部に排出される酸化剤ガスの排出量とから圧力を調整可能となっている。

さらに、本実施形態に係る燃料電池システム１は、圧力センサ（入口圧力検出手段）４１と、温度センサ（温度検出手段）４２と、制御装置５０とを有している。

圧力センサ４１は、燃料電池１０の酸化剤極側入口のガス圧力を検出するものであり、酸化剤極側供給配管３２のうちコンプレッサ３３から燃料電池１０に至るまでの箇所に設けられている。温度センサ４２は、燃料電池１０の温度を検出するものであり、燃料電池１０を冷却するために燃料電池１０に流入する冷却水が燃料電池１０から排出されたときの温度を測定することで、燃料電池１０の温度を測定するようになっている。

制御装置５０は、燃料電池システム１の全体を制御するものであり、上記センサ４１，４２からの信号を入力し、燃料電池システム１の各部２１，２３，３１、３３，３５を制御する構成となっている。この制御装置５０は、水収支量算出部（水収支量算出手段）５１と、目標値設定部（目標値設定手段）５２と、制御部（制御手段）５３と、発電電流情報取得部（発電電流情報取得手段）５４とを備えている。

水収支量算出部５１は、酸化剤極側の水分量の増減を示す水収支量を求めるものである。例えば水収支量が正の値である場合、酸化剤極側において水分量が増加していることとなり、水収支量が負である場合、酸化剤極側において水分量が減少していることとなる。

目標値設定部５２は、水収支量の目標値を設定するものである。例えば酸化剤極側の水分量を増加させたい場合、目標値設定部５２は、目標値を正の値に設定することとなる。また、酸化剤極側の水分量を維持したい場合、目標値設定部５２は、目標値を「０」とすることとなる。

制御部５３は、水収支量算出部５１により算出された水収支量から目標値設定部５２により設定された目標値を減じて得られた値が正であるか負であるかを判断するものである。また、制御部５３は、上記値が正である場合、燃料電池１０の酸化剤極側の圧力を低下させ、該値が負である場合、酸化剤極側の圧力を増加させる構成となっている。ここで、酸化剤極側の圧力を増加させるには、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量を排出量よりも多くすればよい。そして、この場合には、酸化剤ガスに含まれて供給される水分量を酸化剤ガスに含まれて排出される水分量よりも多くでき、酸化剤極側の水収支量を増加させることができる。すなわち、水収支量と目標値との差を少なくすることができる。

逆に、酸化剤極側の圧力を減少させるには、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量を排出量よりも少なくすればよい。そして、この場合には、酸化剤ガスに含まれて供給される水分量を酸化剤ガスに含まれて排出される水分量よりも少なくでき、酸化剤極側の水収支量を減少させることができる。これによっても、水収支量と目標値との差を少なくすることができる。以上より、制御部５３は、水収支量を目標値に近づけて、所望の水分状態を実現するようにしている。

発電電流情報取得部５４は、燃料電池１０の発電電流値の情報を取得するものである。この発電電流情報取得部５４は、燃料電池システム１の発電目標となる電流値を発電電流値として取得する。なお、これに限らず、発電電流情報取得部５４は、電流センサを備え、実際に発電されて得られた電流の値を電流センサにより検出とにかい取得する構成であってもよい。

また、上記目標値設定部５２により設定される目標値は、予め定められた値であってもよいし、燃料電池システム１の運転状況に応じて変化する値であってもよい。さらに、目標値が一定の値である場合、目標値が記憶部（不図示）に記憶されていてもよく、この場合には記憶部が目標値設定部５２を構成することとなる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の動作の概略を説明する。なお、以下の説明において目標値は一定の値「０」とされ、燃料電池システム１は燃料電池の酸化剤極側の水分量を維持する動作を行うものとする。

まず、燃料電池１０の酸化剤極側では発電によって水が生成される。また、酸化剤ガスは水分を含んだ状態で燃料電池１０の酸化剤極側に供給され、水分を含んだ状態で燃料電池１０の酸化剤極側から排出される。よって、燃料電池システム１の運転状態によっては、固体高分子電解質膜を乾燥させてしまったり、酸化剤極側で水詰まりを生じてしまう可能性がある。

そこで、制御装置５０の水収支量算出部５１は、燃料電池１０の酸化剤極側の水収支量を求める。この水収支量は、燃料電池１０の運転状態の情報に基づいて算出される。運転状態の情報としては、運転時の燃料電池１０の温度および酸化剤極側の入口圧力、並びに発電電流値などが該当する。従って、水収支量算出部５１は、温度センサ４２により検出された温度の情報、圧力センサ４１により検出された圧力の情報、および発電電流情報取得部５４により取得された発電電流値の情報などから水収支量を算出する。

ここで、燃料電池１０の温度と水収支量とには図２のような相関がある。図２は、燃料電池１０の温度と水収支量との相関を示す図である。なお、図２において縦軸は水収支量を示し、横軸は燃料電池１０の温度を示している。例えば、燃料電池１０の運転温度が高い場合、酸化剤ガスは燃料電池流入時よりも排出時の方が暖められ、流入時よりも排出時の飽和水蒸気量の方が高くなる。これにより、燃料電池１０の温度が高い場合、多くの水分が酸化剤ガスに含まれて排出され易くなり、水収支量は減少する傾向がある。一方、燃料電池１０の温度が低いと、上記と逆となり、酸化剤ガスに含まれて排出される水分量が少なくなり、水収支量は増加する傾向がある。

また、酸化剤極側入口の圧力と水収支量には以下のような相関がある。すなわち、酸化剤極側入口の圧力が大きい場合、酸化剤ガスの流入量が排出量よりも多いと言え、水収支量は増加する傾向にある。一方、酸化剤極側入口の圧力が小さい場合、酸化剤ガスの流入量が排出量よりも少ないと言え、水収支量は減少する傾向にある。

さらに、発電電流値と水収支量には以下のような相関がある。すなわち、発電電流値が高い場合、発電によって生成される生成水量が多くなり水収支量は増加する傾向にある。逆に、発電電流値が小さい場合、発電によって生成される生成水量が少なくなり水収支量は減少する傾向にある。また、発電電流値が高いと、発電に必要となる酸化剤ガスも増加するため、多くの酸化剤ガス流量が酸化剤極側に流入することとなる。このため、酸化剤ガスに含まれて酸化剤極側に流入する水分も多いと予測され、水収支量は増加する傾向にある。発電電流値が低いと、逆に酸化剤ガスがあまり酸化剤極側に流入せず、水収支量は減少する傾向にある。

このように、水収支量算出部５１は、上記のような相関を利用して水収支量を算出することとなる。なお、制御装置５０は、図２に示すような相関データを、発電電流値ごと、且つ、酸化剤極側の入口圧力ごとに記憶しており、本実施形態では必要となる相関データを読み出して、水収支量を求める。

次いで、制御部５３は、水収支量算出部５１により算出された水収支量から目標値設定部５２により設定された目標値を減じる。ここで、本実施形態では目標値は「０」である。そして、制御部５３は、上記減算により得られた値が正であるか負であるかを判断し、正である場合には酸化剤極側の圧力を低下させ、負である場合には酸化剤極側の圧力を上昇させる。

具体的に制御部５３は、図３の相関を利用して燃料電池１０の酸化剤極側入口圧力を調整する。図３は、水収支量から目標値を減じた値と酸化剤極側入口圧力との相関を示す図であり、或る発電電流値且つ或る燃料電池１０の温度での相関を示している。なお、図３において縦軸は酸化剤極側入口圧力を示し、横軸は水収支量から目標値を減じた値を示している（本実施形態では目標値が「０」であるため、横軸は水収支量を示す）。

図３に示すように、酸化剤極側入口圧力が増加すると、水収支量が正方向に大きくなる傾向がある。このため、例えば水収支量が正の値Ｗａである場合、水収支量を目標値に近づけるためには（図３の「０」に近づけるためには）、酸化剤極側入口圧力を低下させればよいこととなる。このため、制御部５３は水収支量が正である場合、酸化剤極側の入口圧力を低下させる。逆に、水収支量が負の値Ｗｂである場合、水収支量を目標値に近づけるためには（図３の「０」に近づけるためには）、酸化剤極側入口圧力を増加させればよいこととなる。このため、制御部５３は水収支量が負である場合、酸化剤極側の入口圧力を増加させる。

また、図３からも明らかなように、制御部５３は、水収支量（目標値が「０」でない場合は水収支量から目標値を減じた値）が正に大きくなるほど圧力を大きく低下させ、水収支量が負に大きくなるほど圧力を大きく増加させる。これにより、すみやかに水収支量を目標値に近づけるようにしている。

なお、制御部５３は、圧力を増加させて燃料電池１０の許容圧力まで上昇させたにも関わらず、水収支量（目標値が「０」でない場合は水収支量から目標値を減じた値）が負である場合、燃料電池１０の発電電流値を減少させる。燃料電池１０の発電電流値を減少させると、発電に要する酸化剤ガス量も少なくなり、燃料電池１０の酸化剤極側に供給するガス量を減少させることができる。そして、酸化剤極側に供給するガス量が減少すると、酸化剤極側の圧力は低下することとなる。従って、発電電流値を減少させることで、圧力を低下させることができ、許容圧力を超えないようにすることができる。

次に、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作の一例を説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池システム１の詳細動作の一例を示すフローチャートである。なお、図４に示す処理は、例えば１０ｍｓｅｃごとに繰り返し実行されるものとする。

図４に示すように、まず、制御装置５０は、燃料電池１０から排出される冷却水の温度を、温度センサ４２のセンサ値Ｔｃから検出する（ＳＴ１）。その後、発電電流情報取得部５４は、発電電流値Ｉｅの情報を取得する（ＳＴ２）。

次いで、制御装置５０は、圧力センサ４１から入口圧力センサ値Ｐｉｎを読み込む（ＳＴ３）。そして、水収支量算出部５１は、ステップＳＴ１〜ＳＴ３において取得した情報に基づいて、図２等の相関を利用して水収支量Ｗ１を算出する（ＳＴ４）。次に、制御部５３は、水収支量Ｗ１が「０」未満であるか否かを判断する（ＳＴ５）。

水収支量Ｗ１が「０」未満であると判断した場合（ＳＴ５：ＹＥＳ）、すなわち水収支量Ｗ１が負である場合、制御部５３は、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを増加させる（ＳＴ６）。そして、処理はステップＳＴ８に移行する。一方、水収支量Ｗ１が「０」未満でないと判断した場合（ＳＴ５：ＮＯ）、制御部５３は、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを減少させる（ＳＴ７）。そして、処理はステップＳＴ８に移行する。なお、望ましくはステップＳＴ５において水収支量Ｗ１が「０」であると判断された場合には、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを変化させず、処理はステップＳＴ８に移行する。

ここで、制御部５３は、入口圧力Ｐｉｎを変化させる際に、発電に必要となる酸化剤ガスの供給量を維持したまま、第２圧力調整弁３５の開度を調整する。これにより、酸化剤ガスの供給量が発電に必要となる量を下回ることを防止することができる。さらに、制御部５３は、酸化剤極側の圧力のみを変化させず、燃料極側の圧力を変化させることが望ましい。これにより、圧力差が生じて固体高分子電解質膜に負荷を与えてしまうことを防止することができる。

ステップＳＴ８において、制御装置５０は、圧力センサ４１から入口圧力センサ値Ｐｉｎを再び読み込む（ＳＴ８）。そして、制御部５３は、この圧力Ｐｉｎが所定値未満であるか否かを判断する（ＳＴ９）。ここで、所定値は、燃料電池１０の許容圧力である。圧力Ｐｉｎが所定値未満であると判断した場合（ＳＴ９：ＹＥＳ）、処理は終了する。一方、圧力Ｐｉｎが所定値未満でないと判断した場合（ＳＴ９：ＮＯ）、制御部５３は、発電電流値Ｉｅを減少させる（ＳＴ１０）。その後、処理は終了する。そして、以上の処理が燃料電池システム１が停止するまで繰り返されることとなる。

このようにして、第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、算出された水収支量から目標値を減じて得られた値が正であるときに酸化剤極側の圧力を低下させ、該値が負であるときに酸化剤極側の圧力を増加させる。ここで、酸化剤極側の圧力を増加させるには、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量を排出量よりも多くすればよい。そして、この場合には、酸化剤ガスに含まれて供給される水分量を酸化剤ガスに含まれて排出される水分量よりも多くでき、酸化剤極側の水収支量を増加させることができる。逆に、酸化剤極側の圧力を減少させるには、燃料電池１０への酸化剤ガスの供給量を排出量よりも少なくすればよい。そして、この場合には、酸化剤ガスに含まれて供給される水分量を酸化剤ガスに含まれて排出される水分量よりも少なくでき、酸化剤極側の水収支量を減少させることができる。以上より、本実施形態では圧力の増減によって水収支量を目標値に近づけ、燃料電池の水分状態を好適とすることができる。しかも、本実施形態では酸化剤ガスの供給量でなく圧力を制御することとしている。このため、酸化剤ガスの供給量については発電に必要となる量を維持したまま、排出量を増減させることが可能となり、酸化剤ガスの供給量が発電に必要となる量を下回ることを防止することができる。従って、発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることができる。

また、水収支量算出部５１は、燃料電池１０の運転状態の情報から酸化剤極側の水収支量を求める構成となっており、この運転状態には燃料電池１０の温度の情報が含まれている。ここで、燃料電池１０の温度が高いと、酸化剤ガスは燃料電池流入時よりも排出時の方が暖められ、流入時よりも排出時の飽和水蒸気量の方が高くなる。これにより、燃料電池１０の温度が高い場合、多くの水分が酸化剤ガスに含まれて排出され易くなり、水収支量は負に大きくなる傾向がある。一方、燃料電池１０の温度が低いと、上記と逆となり、酸化剤ガスに含まれて排出される水分量が少なくなり、水収支量は正に大きくなる傾向がある。本実施形態では温度情報をもとに水収支量を求めることで、上記のような傾向を加味して水収支量を求めることとなり、水収支量の正確性を向上させることができる。

また、水収支量算出部５１は、さらに酸化剤極側入口のガス圧力の情報と発電電流値の情報とから水収支量を求める。ここで、酸化剤極側入口の圧力が大きいと、酸化剤ガスの流入量が排出量よりも多く水収支量は増加する傾向にある。また、発電電流値が高いと、発電によって生成される生成水量が多くなり水収支量は増加する傾向にある。さらに、発電電流値が高いと、酸化剤極側に流入する酸化剤ガス流量が大きいと予測され、酸化剤ガスに含まれて酸化剤極側に流入する水分も多いと予測され、水収支量は増加する傾向にある。本実施形態では酸化剤極側入口のガス圧力の情報と発電電流値の情報とをもとに水収支量を求めることで、上記のような傾向を加味して水収支量を求めることとなり、水収支量の正確性を向上させることができる。

また、燃料電池１０を冷却する冷却水が燃料電池１０から排出されたときの温度を、燃料電池１０の温度として検出するため、簡易に測定できる冷却水出口温度から燃料電池温度の情報を取得することができる。

また、酸化剤極側の圧力を増加させて許容圧力まで上昇させたにも関わらず、該値が負である場合、燃料電池１０の発電電流値を減少させる。ここで、燃料電池１０の発電電流値を減少させると、発電に要する酸化剤ガス量も少なくなり、燃料電池１０の酸化剤極側に供給するガス量を減少させることができる。そして、酸化剤極側に供給するガス量が減少すると、酸化剤極側の圧力は低下することとなる。従って、発電電流値を減少させることで、目標となる圧力を低下させることができ、許容圧力を超えないようにすることができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。第２実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図５は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム２は、新たに流量センサ（酸化剤ガス流量検出手段）４３を備えている。流量センサ４３は、酸化剤ガス供給装置３１とコンプレッサ３３との間の酸化剤極側供給配管３２に設置され、燃料電池１０の酸化剤極側に流入する酸化剤ガスの流量を計測するようになっている。また、本実施形態において温度センサ４２は燃料電池１０から排出される冷却水温度でなく、燃料電池１０の温度を直接検出するようになっている。

さらに、本実施形態において水収支量算出部５１は、温度センサ４２からの温度情報、圧力センサ４１からの圧力情報、および発電電流値の情報に加えて、流量センサ４３により検出された酸化剤ガス流量に基づいて水収支量を求めるようになっている。より詳しく説明すると、本実施形態において水収支量算出部５１は、第１実施形態と同様にして、温度センサ４２からの温度情報、圧力センサ４１からの圧力情報、および発電電流値の情報から水収支量を求める。次に、水収支量算出部５１は、発電電流値の情報と流量センサ４３により検出された流量とから、水収支量の補正値を求める。次いで、水収支量算出部５１は、温度情報、圧力情報、および発電電流値の情報から求めた水収支量を補正値により補正する。これにより、たとえば実際に燃料電池１０に流入する酸化剤ガス流量が、発電に必要となる流量よりも多い場合であっても、正確な水収支量を求めることができる。

図６は、水収支量の補正値を示す図であり、縦軸は補正値を示し、横軸は流量センサ４３により検出された酸化剤ガス流量から、発電電流値により求められる目標酸化剤ガス流量を減じた流量差分を示している。同図に示すように、検出酸化剤ガス流量が目標酸化剤ガス流量より大きくなり流量差分が大きくなるほど、補正値は大きくなってり、水収支量が大きく補正されることがわかる。

次に、第２実施形態に係る燃料電池システム２の詳細動作を説明する。図７は、第２実施形態に係る燃料電池システム２の一例を示すフローチャートである。なお、図７に示す処理は、例えば１０ｍｓｅｃごとに繰り返し実行されるものとする。

図７に示すように、まず、制御装置５０は、燃料電池１０の温度を、温度センサ４２のセンサ値Ｔｓから検出する（ＳＴ１１）。その後、発電電流情報取得部５４は、発電電流値Ｉｅの情報を取得する（ＳＴ１２）。次いで、制御装置５０は、圧力センサ４１から入口圧力センサ値Ｐｉｎを読み込み（ＳＴ１３）、図２等の相関を利用して水収支量Ｗ１を算出する（ＳＴ１４）。

その後、水収支量算出部５１は、流量センサ４３により検出された酸化剤ガス流量Ｑｃの情報を読み込む（ＳＴ１５）。次に、水収支量算出部５１は、ステップＳＴ１２において取得した発電電流値Ｉｅの情報から、目標となる酸化剤ガス流量Ｑｔを算出する（ＳＴ１６）。そして、水収支量算出部５１は、ステップＳＴ１５にて読み込まれた酸化剤ガス流量Ｑｃから、ステップＳＴ１６において算出された酸化剤ガス流量Ｑｔを減じて流量差分を求め、この流量差分と図６に示した相関データとに基づいて、水収支量補正値Ｃを推定する（ＳＴ１７）。

次に、水収支量算出部５１は、補正後の水収支量Ｗ２を求める。このとき、水収支量算出部５１は、Ｗ２＝Ｗ１×Ｃなる演算式から補正後の水収支量Ｗ２を求める。そして、制御部５３は、補正後の水収支量Ｗ２が「０」未満であるか否かを判断する（ＳＴ１８）。補正後の水収支量Ｗ２が「０」未満であると判断した場合（ＳＴ１８：ＹＥＳ）、すなわち補正後の水収支量Ｗ２が負である場合、制御部５３は、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを増加させる（ＳＴ１９）。そして、処理は終了する。一方、補正後の水収支量Ｗ２が「０」未満でないと判断した場合（ＳＴ１８：ＮＯ）、制御部５３は、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを減少させる（ＳＴ２０）。そして、処理は終了する。なお、望ましくはステップＳＴ１８において水収支量Ｗ２が「０」であると判断された場合には、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを変化させず、処理は終了する。

このようにして、第２実施形態に係る燃料電池システム２は、第１実施形態と同様に、発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることができる。また、水収支量の正確性を向上させることができる。

さらに、第２実施形態によれば、温度情報に加えて、酸化剤極側入口のガス圧力の情報と発電電流値の情報と酸化剤極側へ流入する酸化剤ガスの流量とから水収支量を求める。ここで、上記したように酸化剤極側入口の圧力が大きいと、酸化剤ガスの流入量が排出量よりも多く水収支量は増加する傾向にある。また、発電電流値が高いと、発電によって生成される生成水量が多くなり水収支量は増加する傾向にある。

また、酸化剤極側へ流入する酸化剤ガスの流量が大きいと、酸化剤ガスに含まれて酸化剤極側に流入する水分も多くなり、水収支量は増加する傾向にある。特に、第２実施形態では、発電電流値から酸化剤極側へのガス流量を予測せず、酸化剤極側へ流入する酸化剤ガスの流量を測定しているため、発電に必要となる酸化剤ガス量以上の酸化剤ガスを酸化剤極側に供給している場合であっても、水収支量を正確に求めることができる。従って、水収支量の正確性を向上させることができる。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。第３実施形態に係る燃料電池システムは、第２実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第２実施形態との相違点を説明する。

図８は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム３は、新たに湿度センサ４４を備えている。湿度センサ４４は、コンプレッサ３３と燃料電池１０の間の酸化剤極側供給配管３２に設置され、燃料電池１０の酸化剤極側に流入する酸化剤ガスの湿度を計測するようになっている。

また、本実施形態において圧力センサ４１は２つ設けられている。１つは、燃料電池１０の酸化剤極側入口のガス圧力を検出する入口圧力センサ（入口圧力検出手段）４１ａであり、もう１つは、燃料電池１０の酸化剤極側出口のガス圧力を検出する出口圧力センサ（出口圧力検出手段）４１ｂである。また、本実施形態において温度センサ４２も同様に２つ設けられており、１つは、燃料電池１０の酸化剤極側の入口温度を検出する入口温度センサ（入口温度検出手段）４２ａであり、もう１つは、燃料電池１０の酸化剤極側の出口温度を検出する出口温度センサ（出口温度検出手段）４２ｂである。

さらに、本実施形態に係る水収支量算出部５１は、上記実施形態と水収支量の算出方法が異なっており、燃料電池１０の酸化剤極側に持ち込まれる供給水量と、発電により酸化剤極側で生成される生成水量と、燃料電池１０の酸化剤極側から排出される排出水量とを求め、供給水量と生成水量との和から排出水量を減じることで、酸化剤極側の水収支量を求めるようになっている。

ここで、水収支量算出部５１は、流量センサ４３により検出された酸化剤ガスの流量Ｑｃと、湿度センサ４４により検出された酸化剤極側入口の湿度Ｈｃと、入口圧力センサ４１ａにより検出された酸化剤極側入口のガス圧力Ｐｉｎと、入口温度センサ４２ａにより検出された酸化剤極側の入口温度Ｔｉｎとの情報から、燃料電池１０の酸化剤極側に持ち込まれる供給水量Ｗｉｎを求める。具体的には、水収支量算出部５１は、Ｗｉｎ＝Ｑｃ×ｆ（Ｔｉｎ）×Ｈｃ／（Ｐｉｎ−ｆ（Ｔｉｎ）×Ｈｃ）なる関係式から、供給水量Ｗｉｎを求める。ここで、ｆ（Ｔｉｎ）は、酸化剤極側の入口温度がＴｉｎであるときの酸化剤ガスの飽和水蒸気量を示す演算式である。

また、水収支量算出部５１は、発電電流情報取得部５４により取得された発電電流値Ｉｅの情報から、発電により酸化剤極側で生成される生成水量Ｗｅを求める。さらに、水収支量算出部５１は、流量センサ４３により検出された酸化剤ガスの流量Ｑｃと、出口圧力センサ４１ｂにより検出された酸化剤極側出口のガス圧力Ｐｏｕｔと、出口温度センサ４２ｂにより検出された酸化剤極側の出口温度Ｔｏｕｔとから、燃料電池１０の酸化剤極側から排出される排出水量Ｗｏｕｔを求める。具体的に、水収支量算出部５１は、Ｗｏｕｔ＝Ｑｃ×ｆ（Ｔｏｕｔ）／（Ｐｏｕｔ−ｆ（Ｔｏｕｔ））なる関係式から、排出水量Ｗｏｕｔを求める。ここで、ｆ（Ｔｏｕｔ）は、酸化剤極側の出口温度がＴｏｕｔであるときの酸化剤ガスの飽和水蒸気量を示す演算式である。

次に、第３実施形態に係る燃料電池システム３の詳細動作を説明する。図９は、第３実施形態に係る燃料電池システム３の一例を示すフローチャートである。なお、図９に示す処理は、例えば１０ｍｓｅｃごとに繰り返し実行されるものとする。

図９に示すように、まず、水収支量算出部５１は、供給水量Ｗｉｎを算出する（ＳＴ２１）。次いで、水収支量算出部５１は、生成水量Ｗｅを算出し（ＳＴ２２）、排出水量Ｗｏｕｔを算出する（ＳＴ２３）。そして、水収支量算出部５１は、水収支量Ｗを、Ｗ＝Ｗｉｎ＋Ｗｅ−Ｗｏｕｔなる演算式から求める（ＳＴ２４）。その後、制御部５３は、水収支量Ｗが「０」未満であるか否かを判断する（ＳＴ２５）。水収支量Ｗが「０」未満であると判断した場合（ＳＴ２５：ＹＥＳ）、すなわち水収支量Ｗが負である場合、制御部５３は、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを増加させる（ＳＴ２６）。そして、処理は終了する。一方、水収支量Ｗが「０」未満でないと判断した場合（ＳＴ２５：ＮＯ）、制御部５３は、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを減少させる（ＳＴ２７）。そして、処理は終了する。なお、望ましくはステップＳＴ２５において水収支量Ｗが「０」であると判断された場合には、燃料電池１０の入口圧力Ｐｉｎを変化させず、処理は終了する。

図１０は、図９に示したステップＳＴ２１の詳細を示すフローチャートである。図１０に示すように、供給水量Ｗｉｎの算出にあたり、水収支量算出部５１は、酸化剤極側の入口湿度を、湿度センサ４４のセンサ値Ｈｃから検出する（ＳＴ３１）。次に、水収支量算出部５１は、燃料電池１０の酸化剤極側入口温度を、入口温度センサ４２ａのセンサ値Ｔｉｎから検出する（ＳＴ３２）。そして、水収支量算出部５１は、入口圧力センサ４１ａから入口圧力センサ値Ｐｉｎを読み込み（ＳＴ３３）、その後流量センサ４３により検出された酸化剤ガス流量Ｑｃの情報を読み込む（ＳＴ３４）。

次に、水収支量算出部５１は、ステップＳＴ３１〜ＳＴ３４にて得られた情報をもとに、Ｗｉｎ＝Ｑｃ×ｆ（Ｔｉｎ）×Ｈｃ／（Ｐｉｎ−ｆ（Ｔｉｎ）×Ｈｃ）なる関係式から、供給水量Ｗｉｎを求める（ＳＴ３５）。その後、処理は図９に示すステップＳＴ２２に移行する。

図１１は、図９に示したステップＳＴ２２の詳細を示すフローチャートである。図１１に示すように、生成水量Ｗｅの算出にあたり、まず、発電電流情報取得部５４により取得された発電電流値Ｉｅの情報を読み込む（ＳＴ４１）。次いで、水収支量算出部５１は、生成水量Ｗｅを算出する（ＳＴ４２）。その後、処理は図９に示すステップＳＴ２３に移行する。

図１２は、図９に示したステップＳＴ２３の詳細を示すフローチャートである。図１２に示すように、排出水量Ｗｏｕｔの算出にあたり、水収支量算出部５１は、燃料電池１０の酸化剤極側出口温度を、出口温度センサ４２ｂのセンサ値Ｔｏｕｔから検出する（ＳＴ５１）。その後、水収支量算出部５１は、流量センサ４３により検出された酸化剤ガス流量Ｑｃの情報を読み込み（ＳＴ５２）。次いで、水収支量算出部５１は、出口圧力センサ４１ｂから出口圧力センサ値Ｐｏｕｔを読み込む（ＳＴ５３）。そして、水収支量算出部５１は、ステップＳＴ５１〜ＳＴ５３にて得られた情報をもとに、Ｗｏｕｔ＝Ｑｃ×ｆ（Ｔｏｕｔ）／（Ｐｏｕｔ−ｆ（Ｔｏｕｔ））なる関係式から、排出水量Ｗｏｕｔを求める（ＳＴ５４）。その後、処理は図９に示すステップＳＴ２４に移行する。

このようにして、第３実施形態に係る燃料電池システム３によれば、第２実施形態と同様に、発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることができる。また、水収支量の正確性を向上させることができる。

さらに、第３実施形態によれば、燃料電池１０の酸化剤極側に持ち込まれる供給水量Ｗｉｎと、発電により酸化剤極側で生成される生成水量Ｗｅと、燃料電池１０の酸化剤極側から排出される排出水量Ｗｏｕｔとを求め、供給水量Ｗｉｎと生成水量Ｗｅとの和から排出水量Ｗｏｕｔを減じることで、酸化剤極側の水収支量Ｗを求める。このため、演算により一層正確な水収支量を求めることができる。

なお、第３実施形態では、入口圧力センサ４１ａと出口圧力センサ４１ｂとの２つの圧力センサを備えているが、これに限らず、入口圧力センサ４１ａのみを備え、出口圧力Ｐｏｕｔについては、入口圧力Ｐｉｎ、酸化剤ガス流量Ｑｔおよび酸化剤極側の出口温度Ｔｏｕｔから推定するようにしてもよい。さらに、第３実施形態では、入口温度センサ４２ａと出口温度センサ４２ｂとの２つの圧力センサを備えているが、これに限らず、燃料電池温度を検出する温度センサ４２のみを備え、酸化剤極側の入口温度および出口温度については、温度センサ４２により検出された燃料電池１０の温度から推定するようにしてもよい。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。第４実施形態に係る燃料電池システムは、第１実施形態のものと同様であるが、構成及び処理内容が異なっている。以下、第１実施形態との相違点を説明する。

図１３は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、第４実施形態に係る燃料電池システム４は圧力センサ４１を備えていない。また、制御装置５０は、水収支量算出部５１に代えて記憶部（記憶手段）５５を有している。この記憶部５５は、燃料電池１０の温度と、発電電流値と、水収支量を目標値に保つために必要な圧力（以下必要圧力という）との相関を示す相関データを記憶している。

図１４は、図１３に示す記憶部５５に記憶される相関データを示す図である。なお、図１４において、縦軸は水収支量を目標値に保つために必要な圧力を示しており、横軸は発電電流値を示している。図１４に示すように、相関データは、発電電流値が大きくなるほど必要圧力が高くなり、発電電流値が小さくなるほど必要圧力が低くなるようになっている。また、相関データは、燃料電池１０の温度が高くなるほど必要圧力が高くなり、燃料電池１０の温度が低くなるほど必要圧力が低くなるようになっている。なお、記憶部５５は、目標値設定部５２によって設定される目標値ごとに相関データを記憶している。

次に、第４実施形態に係る燃料電池システム４の詳細動作を説明する。図１５は、第４実施形態に係る燃料電池システム４の一例を示すフローチャートである。なお、図１５に示す処理は、例えば１０ｍｓｅｃごとに繰り返し実行されるものとする。

図１５に示すように、まず、制御装置５０は、燃料電池１０の温度を、温度センサ４２のセンサ値Ｔｓから検出する（ＳＴ６１）。その後、発電電流情報取得部５４は、発電電流値Ｉｅの情報を取得する（ＳＴ６２）。次いで、制御部５３は、記憶部５５から相関データを読み出す。ここで、制御部５３は、目標値設定部５２により設定される目標値に応じた相関データを読み出す（ＳＴ６３）。そして、制御部５３は、読み出した相関データと、ステップＳＴ６１において得られた燃料電池１０の温度の情報と、ステップＳＴ６２において得られた発電電流値Ｉｅの情報とから、必要圧力Ｐｉｎｔを求める（ＳＴ６４）。次いで、制御部５３は、必要圧力Ｐｉｎｔとなるように酸化剤ガス供給装置３１、コンプレッサ３３および第２圧力調整弁３５を制御することとなる。そして、図１５に示す処理は終了する。

このようにして、第４実施形態に係る燃料電池システム４によれば、温度と発電電流値と必要圧力Ｐｉｎｔとの相関を示す相関データを記憶し、温度センサ４２により検出した燃料電池の温度Ｔｓと発電電流情報取得部５４により取得した発電電流値Ｉｅと記憶部５５に記憶した相関データとから、必要圧力を求めて制御する。これにより、水収支量を演算することなく、相関データに基づいて水分状態を好適にすることができる。さらに、圧力制御を行っているため、酸化剤ガスの供給量が発電に必要となる量を下回ることを防止することができる。従って、発電への影響を軽減しつつ、水分状態を好適にすることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、各実施形態を組み合わせるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の温度と水収支量との相関を示す図である。 水収支量から目標値を減じた値と酸化剤極側入口圧力との相関を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの詳細動作の一例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 水収支量の補正値を示す図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの一例を示すフローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの一例を示すフローチャートである。 図９に示したステップＳＴ２１の詳細を示すフローチャートである。 図９に示したステップＳＴ２２の詳細を示すフローチャートである。 図９に示したステップＳＴ２３の詳細を示すフローチャートである。 本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１３に示す記憶部に記憶される相関データを示す図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１〜４…燃料電池システム
１０…燃料電池
１１…燃料極
１２…酸化剤極
２０…燃料ガス供給系
２１…燃料ガス供給装置
２２…燃料極側供給配管
２３…第１圧力調整弁
２４…燃料極側排出配管
３０…酸化剤ガス供給系
３１…酸化剤ガス供給装置
３２…酸化剤極側供給配管
３３…コンプレッサ
３４…酸化剤極側排出配管
３５…第２圧力調整弁
４１…圧力センサ（入口圧力検出手段）
４１ａ…入口圧力センサ（入口圧力検出手段）
４１ｂ…出口圧力センサ（出口圧力検出手段）
４２…温度センサ（温度検出手段）
４２ａ…入口温度センサ（入口温度検出手段）
４２ｂ…出口温度センサ（出口温度検出手段）
４３…流量センサ（酸化剤ガス流量検出手段）
４４…湿度センサ（湿度検出手段）
５０…制御装置
５１…水収支量算出部（水収支量算出手段）
５２…目標値設定部（目標値設定手段）
５３…制御部（制御手段）
５４…発電電流情報取得部（発電電流情報取得手段）
５５…記憶部（記憶手段）

Claims (10)

1. 燃料ガスの供給を受ける燃料極、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極、および両極に挟まれる電解質膜を有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記酸化剤極側の水分量の増減を示す水収支量を求める水収支量算出手段と、
   前記酸化剤極側の水収支量の目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記水収支量算出手段により算出された水収支量から前記目標値設定手段により設定された目標値を減じて得られた値が正であると前記燃料電池の酸化剤極側の圧力を低下させ、該値が負であると前記酸化剤極側の圧力を増加させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記水収支量算出手段は、少なくとも前記温度検出手段により検出された温度の情報を含む前記燃料電池の運転状態の情報から、前記酸化剤極側の水収支量を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の酸化剤極側入口のガス圧力を検出する入口圧力検出手段と、
   前記燃料電池の発電電流値の情報を取得する発電電流情報取得手段と、をさらに備え、
   前記水収支量算出手段は、さらに前記入口圧力検出手段により検出された圧力の情報と前記発電電流情報取得手段により取得された発電電流値の情報とを含む前記燃料電池の運転状態から、前記酸化剤極側の水収支量を求める
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記温度検出手段は、前記燃料電池を冷却する冷却水が前記燃料電池から排出されたときの温度を、前記燃料電池の温度として検出する
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池の酸化剤極側に流入する酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量検出手段と、
   前記燃料電池の酸化剤極側入口のガス圧力を検出する入口圧力検出手段と、
   前記燃料電池の発電電流値の情報を取得する発電電流情報取得手段と、をさらに備え、
   前記水収支量算出手段は、さらに前記酸化剤ガス流量検出手段により検出された酸化剤ガスの流量と、前記入口圧力検出手段により検出された圧力と、前記発電電流情報取得手段により取得された発電電流値の情報とを含む前記運転状態から、前記酸化剤極側の水収支量を求める
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記水収支量算出手段は、前記燃料電池の酸化剤極側に持ち込まれる供給水量と、発電により前記酸化剤極側で生成される生成水量と、前記燃料電池の酸化剤極側から排出される排出水量とを求め、前記供給水量と前記生成水量との和から前記排出水量を減じることで、前記酸化剤極側の水収支量を求める
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池の酸化剤極側に流入する酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量検出手段と、
   前記燃料電池の酸化剤極側の入口の湿度を検出する湿度検出手段と、
   前記燃料電池の酸化剤極側入口のガス圧力を検出する入口圧力検出手段と、
   前記燃料電池の酸化剤極側出口のガス圧力を検出する出口圧力検出手段と、
   前記燃料電池の酸化剤極側の入口温度を検出する入口温度検出手段と、
   前記燃料電池の酸化剤極側の出口温度を検出する出口温度検出手段と、
   前記燃料電池の発電電流値の情報を取得する発電電流情報取得手段と、をさらに備え、
   前記水収支量算出手段は、
   前記酸化剤ガス流量検出手段により検出された酸化剤ガスの流量と、前記湿度検出手段により検出された酸化剤極側入口の湿度と、前記入口圧力検出手段により検出された酸化剤極側入口のガス圧力と、前記入口温度検出手段により検出された酸化剤極側の入口温度との情報から、前記燃料電池の酸化剤極側に持ち込まれる供給水量を求め、
   前記発電電流情報取得手段により取得された発電電流値の情報から、発電により前記酸化剤極側で生成される生成水量を求め、
   前記酸化剤ガス流量検出手段により検出された酸化剤ガスの流量と、前記出口圧力検出手段により検出された酸化剤極側出口のガス圧力と、前記出口温度検出手段により検出された酸化剤極側の出口温度とから、前記燃料電池の酸化剤極側から排出される排出水量を求める
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記制御手段は、前記酸化剤極側の圧力を増加させて前記燃料電池の許容圧力まで上昇させた時点で、前記水収支量算出手段により算出された水収支量から前記目標値設定手段により設定された目標値を減じて得られた値が負である場合、前記燃料電池の発電電流値を減少させる
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 燃料ガスの供給を受ける燃料極、酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極、および両極に挟まれる電解質膜を有し、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
   前記酸化剤極側の水分量の増減を示す水収支量の目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   燃料電池の温度と前記水収支量を前記目標値とするのに必要となる圧力との相関を示す相関データを記憶した記憶手段と、
   前記温度検出手段により検出された温度の情報と前記記憶手段により記憶された相関データとから、前記酸化剤極側の圧力を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
10. 前記相関データは、前記燃料電池の温度が高くなるほど圧力が高くなり、前記燃料電池の温度が低くなるほど圧力が低くなるようにされている
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。

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