JP2007299597A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】フラッディングの要因がアノードかカソードかを推測できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アノード２およびカソード３でイオン伝導膜１１を挟持した複数のセル１０と、セル１０を冷却する冷却通路４とを備えるスタック１を備える。スタック１のセル１０は、カソード３が冷却通路４に対面すると共にアノード２が冷却通路４に対面しないカソード冷却型セル１３と、アノード２が冷却通路４に対面すると共にカソード３が冷却通路４に対面しないアノード冷却型セル１５とを含む。カソード冷却型セル１３の発電出力の低下に関する物理量とアノード冷却型セル１５の発電出力の低下に関する物理量とを直截または間接的に比較する。比較結果に応じて、発電電圧の低下要因がカソード３であるかアノード２であるかを判定する。
【選択図】図２

Description

本発明はセルにおいてフラッディングが発生するおそれがある燃料電池システムに関する。

スタックは、アノードおよびカソードでイオン伝導膜を挟持した複数のセルと、セルを冷却する冷却通路とを備えている（特許文献１）。スタックを構成するセルにおいては、発電反応に伴い水が生成される。このためセルのカソードまたはアノードにおいてフラッディングが発生するおそれがある。フラッディングとは、反応ガスが流れる流路断面積を水が狭めることをいう。フラッディングが発生していると、反応ガスの円滑な流れが損なわれ、反応ガスの分配性が低下し、スタックの目標とする発電性能が得られないおそれがある。
特開２００２−２５２０１１号公報

ところで、フラッディングがアノードで発生しているか、カソードで発生しているかが必ずしも明らかではない。フラッディングがアノードで発生しているか、カソードで発生しているかを確定することは、フラッディングに対する対策を適切化し、スタックの発電性能を高めるためには重要である。

本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、フラッディングがアノードで発生しているか、カソードで発生しているかを推測でき、フラッディングに対する対策を適切化し、スタックの発電性能を高めるのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。

（１）スタックの内部には、冷却水等の冷却媒体が流れる冷却通路が内蔵されている。近年、スタックの小型化等を図るため、冷却通路の数が減少する方向に移行しつつある。そこで、本発明者は、図２に示すように、カソード冷却型セル１３およびアノード冷却型セル１５がスタック１の内部に併用されていることに着目した。

図２に示すように、カソード冷却型セル１３は、カソード３が冷却通路４に対面しており冷却通路４で直接的に冷却されると共に、アノード２は冷却通路４に対面しておらず冷却通路４で直接的に冷却されないという冷却特性を有する。

図２に示すように、アノード冷却型セル１５は、アノード２が冷却通路４に対面して冷却通路４で直接的に冷却されると共に、カソード３が冷却通路４に対面しておらず冷却通路４で直接的に冷却されないという冷却特性を有する。このようにカソード冷却型セル１３およびアノード冷却型セル１５は、冷却特性が相違することに本発明者は着目した。

上記した冷却特性の相違により、図２に示す特性線Ｔが得られる。特性線Ｔは、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）における温度分布を模式的に示す。かかる冷却特性の相違により、本発明者は、図２の特性線Ｔから理解できるように、（ｉ）カソード冷却型セル１３のカソード３の温度Ｔｃ１とアノード冷却型セル１５のカソード３の温度Ｔｃ２とを比較するとき、温度Ｔｃ１は温度Ｔｃ２よりも相対的に低いことに着目し、また、（ｉｉ）アノード冷却型セル１５のアノード２の温度Ｔａ１と、カソード冷却型セル１３のアノード２の温度Ｔａ２とを比較すると、温度Ｔａ１は温度Ｔａ２よりも相対的に低いことに着目した。

ここで、温度の高低は、反応ガスの飽和蒸気圧に影響を与え、ひいては反応ガスがセルから持ち去る水分量に影響を与える。即ち、反応ガスがセルからセル外に持ち去る水分量を考えると、通常の発電運転条件であれば、温度が低いと、飽和蒸気圧が低いため、反応ガスがセル外に持ち去る水分量が相対的に少なくなる。ひいてはセルが濡れ易くなり、フラッディングが発生し易くなるといえる。これに対して、温度が高いと、飽和蒸気圧が高いため、反応ガスがセルから持ち去る水分量が相対的に多くなる。ひいては乾燥し易くなるといえる。

換言すると、カソ−ド同士を比較するとき、温度が低い方が、飽和蒸気圧が低いため、反応ガスにより持ち去られる水分量が少なく、フラッディングが発生し易いといえる。これに対して温度が高いと、飽和蒸気圧が高いため、反応ガスにより持ち去られる水分量が多く、乾燥が発生し易いといえる。アノード同士を比較するときにおいても同様である。

図２に示すように、カソード冷却型セル１３においては、カソード３は冷却通路４で冷却されているため、カソード３の温度Ｔｃ１は、アノード冷却型セル１５のカソード３の温度Ｔｃ２よりも相対的に低いといえる。故にカソード冷却型セル１３においては、反応ガスがカソード３から持ち去る水分量が相対的に少なくなり、ひいてはカソード３が濡れ易くなり、カソード３においてフラッディングが発生し易くなるといえる。

ここで、フラッディングが発生して発電出力が低下しているとき、フラッディングがカソ−ドで発生しているかアノードで発生しているかを判定する必要がある。この場合、カソード冷却型セル１３の発電出力（またはその平均値）と、アノード冷却型セル１５の発電出力（またはその平均値）とを比較する。

カソード冷却型セル１３の発電出力の低下量が、アノード冷却型セル１５の発電出力の低下量よりも大きいときには、カソード冷却型セル１３の発電が制約されているため、カソード冷却型セル１３の温度が低いカソード３においてフラッディングが発生していると推測される。あるいは、カソード冷却型セル１３の発電出力の低下時期が、アノード冷却型セル１５の発電出力の低下時期よりも早いときには、カソード冷却型セル１３の発電が制約されているため、カソード冷却型セル１３の温度が低いカソード３においてフラッディングが発生していると推測される。

これに対して、フラッディングが発生して発電出力が低下しているとき、アノード冷却型セル１５の発電出力の低下量が、カソード冷却型セル１３の発電出力の低下量よりも大きいときには、次のように考えられる。即ち、カソード冷却型セル１３の発電出力がアノード冷却型セル１５の発電出力よりも高めに維持されている。このため、カソード冷却型セル１３のカソ−ド３では、温度が低いにも拘わらずフラッディングが発生していないと推測される。従って、アノード冷却型セル１５のうち冷却されて温度が低くなっているアノード２において、フラッディングが発生していると推測される。あるいは、アノード冷却型セル１５の発電出力の低下時期がカソード冷却型セル１３の発電出力の低下時期よりも早いときには、同様に、温度が低いアノード２においてフラッディングが発生していると推測される。上記した知見に基づいて、本発明に係る燃料電池システムは開発されたものである。

（２）即ち、様相１に係る燃料電池システムは、アノードおよびカソードでイオン伝導膜を挟持した複数のセルと、セルを冷却する冷却通路とを備えるスタックを具備しており、
スタックのセルは、カソードが冷却通路に対面すると共にアノードが冷却通路に対面しないカソード冷却型セルと、アノードが冷却通路に対面すると共にカソーが冷却通路に対面しないアノード冷却型セルとを含む燃料電池システムにおいて、
カソード冷却型セルの発電出力とアノード冷却型セルの発電出力とを直接的に又は間接的に検知するセル発電出力検知手段と、
カソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と、アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較するセル発電出力比較手段と、
セル発電出力比較手段の結果に応じて、発電出力の低下要因がカソードであるかアノードであるかを判定する判定手段とを具備することを特徴とする。

様相１によれば、セル発電出力検知手段は、カソード冷却型セルの発電出力とアノード冷却型セルの発電出力とを直接的に又は間接的に検知する。直接的に検知するとは、発電出力を直接検知することを意味する。間接的に検知するとは、他のパラメータを介して発電出力を検知することを意味する。

セル発電出力比較手段は、カソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と、アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較する。物理量としては、発電出力の低下量および／または発電出力の低下時期が例示される。

ここで、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力と、アノード冷却型セルの発電出力とを直接的に比較することにより、カソード冷却型セルの発電出力の低下と、アノード冷却型セルの発電出力の低下とを検知することにしても良い。あるいは、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力の低下量と、アノード冷却型セルの発電出力の低下量とを直接的に比較しても良い。

あるいは、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力と基準電圧とを比較して、カソード冷却型セルの発電出力の低下量を求め、且つ、アノード冷却型セルの発電出力と基準電圧とを比較して、アノード冷却型セルの発電出力の低下量を求め、両者の低下量同士を比較しても良い。あるいは、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力の低下時期と、アノード冷却型セルの発電出力の低下時期とを直接的に比較しても良い。

ここで、カソード冷却型セルの発電出力の低下がアノード冷却型セルの発電出力の低下よりも顕著であるとき、判定手段は、セルのカソードおよびアノードのうち、カソードにおいてフラッディングが発生していると推測することができる。

また、アノード冷却型セルの発電出力の低下がカソード冷却型セルの発電出力の低下よりも顕著であるとき、判定手段は、セルのカソードおよびアノードのうち、アノードにおいてフラッディングが発生していると推測することができる。ここで、『顕著である』とは、発電出力の低下が大きいこと、および／または、発電出力の低下が早いことを意味する。

（３）様相２に係る燃料電池システムによれば、スタックは、スタックのセル積層方向において、乾燥よりもフラッディングが発生し易いフラッディング発生領域と、フラッディングよりも乾燥が発生し易い乾燥発生領域とを備えており、
セル発電出力比較手段は、フラッディング発生領域におけるカソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と、アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較し、
判定手段は、セル発電出力比較手段の結果に応じて、フラッディング発生領域におけるフラッディングの要因がアノードであるかカソードであるかを判定することを特徴とする。物理量としては、発電出力の低下量および／または発電出力の低下時期が例示される。

フラッディング発生領域は、通常の発電運転において、スタックのうち乾燥よりもフラッディングが発生し易い領域を意味する。フラッディング発生領域は、一般的には、スタックのセル積層方向における中央領域を除いた端領域となる。ここで、スタックを構成するセル積層数を１００と相対表示するとき、フラッディング発生領域としては、スタックのセル積層方向における最も一端側のセルからそのセルを含めてセル積層数が５〜２０と相対表示される領域と、スタックのセル積層方向における最も他端側のセルからそのセルを含めてセル積層数が５〜２０と相対表示される領域を例示することができる。

また、乾燥発生領域は、通常の発電運転において、スタックのうちフラッディングよりも乾燥が発生し易い領域を意味する。乾燥発生領域は、一般的には、スタックのセル積層方向における端領域（フラッディング発生領域）を除いた中央領域となる。

様相２によれば、セル発電出力比較手段は、フラッディング発生領域におけるカソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と、アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較する。

この場合、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力と、アノード冷却型セルの発電出力とを直接的に比較することにより、フラッディング発生領域におけるカソード冷却型セルの発電出力の低下と、アノード冷却型セルの発電出力の低下とを検知することにしても良い。

あるいは、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力の低下量と、アノード冷却型セルの発電出力の低下量とを直接的に比較しても良い。あるいは、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力と基準電圧とを比較して、カソード冷却型セルの発電出力の低下量を求め、且つ、アノード冷却型セルの発電出力と基準電圧とを比較して、アノード冷却型セルの発電出力の低下量を求め、両者の低下量同士を比較しても良い。あるいは、セル発電出力比較手段としては、カソード冷却型セルの発電出力の低下時期と、アノード冷却型セルの発電出力の低下時期とを直接的に比較しても良い。

スタックのフラッディング発生領域において、カソード冷却型セルの発電出力の低下がアノード冷却型セルの発電出力の低下よりも顕著であるとき、判定手段は、セルのカソードおよびアノードのうちカソードにおいてフラッディングが発生していると推測する。『顕著である』とは、発電出力の低下が大きいこと、および／または、発電出力の低下が早いことを意味する。

このように推測できる理由としては次のようである。即ち、スタックのフラッディング発生領域においてカソード冷却型セルの発電出力が低下する要因としては、乾燥よりもフラッディングが考えられる。フラッディングが発生するとしたら、アノードまたはカソ−ドであるが、カソード冷却型セルでは、カソ−ドが冷却通路で直接冷却されており、カソ−ドの温度がアノードよりも低い。温度が低いカソ−ドでは、反応ガスが持ち去る水分量が少ない。従ってカソード冷却型セルでは、温度が低いカソ−ドは、温度が高いアノードよりもフラッディングし易いといえる。

またフラッディング発生領域において、アノード冷却型セルの発電出力の低下がカソ−ド冷却型セルの発電出力の低下よりも顕著であるとき、判定手段は、セルのカソードおよびアノードのうちアノードにおいてフラッディングが発生していると推測する。

このように推測できる理由としては次のようである。即ち、フラッディング発生領域においてアノード冷却型セルの発電出力が低下する要因としては、乾燥よりもフラッディングが考えられる。フラッディングが発生するとしたら、アノードまたはカソ−ドであるが、アノード冷却型セルでは、アノードが冷却通路で直接冷却されており、アノードの温度が低い。温度が低いアノードでは、持ち去られる水分量が少ない。従ってアノード冷却型セルでは、温度が低いアノードは、温度が高いカソ−ドよりもフラッディングし易いためである。

（４）様相３に係る燃料電池システムによれば、カソードのフラッディングであると判定されるとき、カソードに供給する酸化剤ガスの加湿量を減少させる操作、カソードに供給する酸化剤ガスの流量を増加させる操作のうちの少なくとも一つを実行し、
アノードのフラッディングであると判定されるとき、アノードに供給する燃料ガスの流量を増加させる操作、アノードに供給する燃料ガスを加湿する加湿量を減少させる操作のうちの少なくとも一つを実行することを特徴とする。これによりカソ−ドおよびアノードのフラッディングが抑制される。

（５）様相４に係る燃料電池システムによれば、スタックは、スタックのセル積層方向において、乾燥よりもフラッディングが発生し易いフラッディング発生領域と、フラッディングよりも乾燥が発生し易い乾燥発生領域とを備えており、
セル発電出力比較手段は、乾燥発生領域におけるカソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と、アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較し、
判定手段は、セル発電出力比較手段の結果に応じて、乾燥発生領域における乾燥の要因がアノードであるかカソードであるかを判定することを特徴とする。

ここで、セルの温度が高いと飽和蒸気圧が高いため、前述したように、反応ガスがセルから持ち去る水分量が相対的に多くなり、セルが乾燥し易くなる。

この前提に立つと、スタックの乾燥発生領域によれば、アノード冷却型セルのカソードの温度は、カソード冷却型セルのカソードの温度よりも相対的に高いため、反応ガスがカソードから持ち去る水分量が相対的に多くなり、アノード冷却型セルのカソードは乾燥し易くなる。

このためスタックの乾燥発生領域によれば、アノード冷却型セルの発電出力の低下と、カソード冷却型セルの発電出力の低下とを比較するとき、アノード冷却型セルの発電出力の低下がカソード冷却型セルの発電出力の低下よりも顕著である場合には、カソードの乾燥が発生し、カソードの乾燥が原因して発電出力が低下していると推測される。

このように推測できる理由としては次のようである。即ち、スタックの乾燥発生領域においてアノード冷却型セルの発電出力が低下する要因としては、フラッディングよりも乾燥が考えられる。乾燥が発生するとしたら、アノードまたはカソ−ドであるが、アノード冷却型セルでは、アノードが冷却通路で直接冷却されており温度が低いものの、カソ−ドが冷却通路で直接冷却されておらず、温度が高い。このため温度が高いカソ−ドでは、反応ガスが持ち去る水分量が多い。従って、温度が高いカソ−ドは、温度が低いアノードよりも乾燥し易いためである。

またスタックの乾燥発生領域においては、カソード冷却型セルの発電出力の低下がアノード冷却型セルの発電出力の低下よりも顕著であるときには、アノードの乾燥が原因でスタックの発電出力が低下しているものと推測される。

このように推測できる理由としては次のようである。即ち、乾燥発生領域においてカソ−ド冷却型セルの発電出力が低下する要因としては、フラッディングよりも乾燥が考えられる。乾燥が発生するとしたら、アノードまたはカソ−ドであるが、カソ−ド冷却型セルでは、カソ−ドが冷却通路で直接冷却されており温度が低いものの、アノードが冷却通路で直接冷却されておらず、温度が高い。このため温度が高いアノードでは、反応ガスが持ち去る水分量が多い。従って、温度が高いアノードは、温度が低いカソ−ドよりも乾燥し易いためである。

（６）様相５に係る燃料電池システムによれば、カソードの乾燥であると判定されるとき、カソードに供給する酸化剤ガスの加湿量を増加させる操作、カソードに供給する酸化剤ガスの流量を減少させる操作のうちの少なくとも一つを実行し、
アノードの乾燥であると判定されるとき、アノードに供給する燃料ガスの流量を減少させる操作、アノードに供給する燃料ガスを加湿する加湿量を増加させる操作のうちの少なくとも一つを実行することを特徴とする。これによりカソ−ドおよびアノードの乾燥が抑制される。

本発明に係る燃料電池システムによれば、フラッディングにより発電出力が低下するとき、フラッディングがアノードで発生しているかカソードで発生しているかを推測することができる。従って、フラッディングに対する対策を適切化するのに有利となる。故にスタックの発電性能を高めるのに有利となる。

図１〜図５は本発明の実施形態を示す。図１はエンドプレート１９ｅ，１９ｆと共にセル１０をこれの厚み方向に積層したスタック１を模式的に示す。図２はスタック１の内部を模式的に示す。図２に示すように、スタック１は、アノード２およびカソード３で固体高分子型のイオン伝導膜１１（プロトン伝導膜）を挟持した複数のセル１０と、冷却水などの冷却媒体Ｗによりセル１０を冷却する冷却通路４とを備えている。複数のセル１０について、サイズ、構造、材料等は基本的には同一であり、同一の条件であれば、基本的には同様の発電電圧を示す。

図３はアノード２およびカソ−ド３を拡大して示す。図３に示すように、アノード２は、イオン伝導膜１１に対面するアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａに対面する多孔質でガス透過性をもつアノードガス拡散層２ｃと、アノードガス拡散層２ｃに対面するセパレータ２ｄに形成された燃料ガス用のセパレータ通路２ｅとを備える。図３に示すように、カソード３は、イオン伝導膜１１に対面するカソード触媒層３ａと、触媒層３ａに対面する多孔質でガス透過性をもつカソードガス拡散層３ｃと、カソードガス拡散層３ｃに対面するセパレータ３ｄに形成された酸化剤ガス用のセパレータ通路３ｅとを備える。

本実施形態によれば、図１に示すように、カソード３に酸化剤ガス（一般的には空気）を供給する酸化剤ガス供給通路５が設けられている。酸化剤ガス供給通路５には、酸化剤ガスを搬送する流量を調整できる酸化剤流量調整手段として機能するポンプ５０と、酸化剤ガスを加湿する酸化剤加湿要素として機能する酸化剤加湿器５２とが設けられている。

また、図１に示すように、アノード２に燃料ガス（一般的には水素ガス、水素含有ガス）を供給する燃料ガス供給通路６が設けられている。燃料ガス供給通路６には、開度の調整により燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整手段として機能する燃料バルブ６０と、燃料ガスを加湿する燃料加湿要素として機能する燃料加湿器６２とが設けられている。制御部８は、ポンプ５０および酸化剤加湿器５２、燃料バルブ６０および燃料加湿器６２を制御する。

図１において特性線Ｔ２は、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）におけるマクロ的な温度分布を示す。特性線Ｔ２に示すように、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）における最も一端側のセル１０e付近、最も他端側のセル１０ｆ付近では、放熱性が高いため、セル１０の温度は相対的に低いといえる。また、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）における中央付近では、放熱性が少なく、セル１０の温度は相対的に高いといえる。

図１に示すように、スタック１は、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）において、乾燥よりもフラッディングが発生し易いフラッディング発生領域１１と、フラッディングよりも乾燥が発生し易い乾燥発生領域１２とを備えている。フラッディング発生領域１１は、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）における端側の領域を示す。乾燥発生領域１２は、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）における中央の領域を示す。

フラッディング発生領域１１においては、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）における端のセル１０e，セル１０ｆに近いため、内部温度が低めとなり、ひいては飽和蒸気圧が低めとなり、反応ガスがセル１０から持ち出す水分量が少なくなり、通常の発電運転条件であれば、乾燥よりもフラッディングが発生し易いといえる。

これに対して乾燥発生領域１２においては、スタック１のセル１０e、１０ｆから離れて位置しており、スタック１のセル積層方向（矢印Ｘ方向）の中央付近であるため、セル１０e付近、セル１０ｆ付近よりも内部温度が高めとなり、ひいては飽和蒸気圧が高めとなり、反応ガスがセル１０から持ち出す水分量が多くなり、通常の発電運転条件であれば、フラッディングよりも乾燥が発生し易いといえる。

上記したように、フラッディング発生領域１１は、通常の発電運転では、乾燥よりもフラッディングが発生し易い領域を意味し、スタック１のセル積層方向における中央領域を除いた端領域に相当する。ここで、スタック１を構成するセル積層数を１００であると相対表示するとき、フラッディング発生領域１１は、一般的には、スタック１の最も一端側のセル１０eから、そのセル１０eを含めてセル積層数が５〜２０である領域と相対表示され、また、スタック１の最も他端側のセル１０ｆから、そのセル１０ｆを含めてセル積層数が５〜２０である領域と相対表示される。

また乾燥発生領域１２は、スタック１のうち、フラッディングよりも乾燥が発生し易い領域を意味する。従って乾燥発生領域１２は、スタック１のセル積層方向における端領域（フラッディング発生領域１１）を除いた中央領域に相当する。通常の発電運転条件によれば、乾燥発生領域１２では、フラッディングよりも乾燥が発生し易い。

図２に示すように、発電電圧検知手段として機能するセル電圧検知手段７（セル電圧計）がスタック１には設けられている。セル電圧検知手段７の信号は制御部８に入力される。セル電圧検知手段７は、フラッディング発生領域１１におけるカソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃと、アノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａとを検知する。また、セル電圧検知手段７は、乾燥発生領域１２におけるカソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃと、アノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａとを検知する。

図２に示すように、スタック１は、カソード冷却型セル１３と、アノード冷却型セル１５とを含む。図２に示すように、カソード冷却型セル１３では、カソード３が冷却通路４に対面すると共に、アノード２が冷却通路４に対面しない。この結果、カソード冷却型セル１３では、カソード３は冷却通路４により直接冷却されると共に、アノード２は冷却通路４により直接冷却されない。また、アノード冷却型セル１５では、アノード２は冷却通路４により直接冷却されると共に、カソード３は冷却通路４により直接冷却されない。

本実施形態によれば、図２に示すように、２つの冷却通路４の間に２個のセル１０が配置されている冷却構造、即ち、２個並設させたセル１０の両端にそれぞれ冷却通路４が存在する冷却構造とされている。

前記した図２の特性線Ｔから理解できるように、カソード冷却型セル１３のカソード３の温度Ｔｃ１は、アノード冷却型セル１５のカソード３の温度Ｔｃ２よりも相対的に低いこと、また、アノード冷却型セル１５のアノード２の温度Ｔａ１は、カソード冷却型セル１３のアノード２の温度Ｔａ２よりも相対的に低い。

ここで前述したように、反応ガスがセル外に持ち去る水分量を考えると、セルの温度が低いと、温度が低い方が飽和蒸気圧が低いため、反応ガスが電極から電極外に持ち去る水分量が相対的に少なくなり、セルが濡れ易くなり、セルにおいてフラッディングが発生し易くなるといえる。これに対して、セルの温度が高いと、温度が高いほど飽和蒸気圧が高いため、反応ガスがセルの電極から持ち去る水分量が相対的に多くなり、セルの電極が乾燥し易くなるといえる。

ここで、図２の特性線Ｔから理解できるように、カソード冷却型セル１３のカソード３では、カソード３が冷却通路４で直接冷却されているため、カソード３の温度Ｔｃ１は、アノード冷却型セル１５のカソード３の温度Ｔｃ２よりも相対的に低く、反応ガスがカソード３から持ち去る水分量が相対的に少なくなり、濡れ易くなり、カソード３においてフラッディングが発生し易くなる。

このため、制御部８は、フラッディング発生領域１１においては、カソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃとアノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａとを定期的または不定期的に比較する。ここで、カソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃの低下が大きいとき、すなわち、発電電圧Ｖｃが発電電圧Ｖａよりも所定のしきい値以上小さいとき（Ｖｃ＜Ｖａ）、カソード３においてフラッディングが発生していると推測される。あるいは、発電電圧Ｖｃの低下時期が発電電圧Ｖａの低下時期よりも早いとき、カソード３においてフラッディングが発生していると推測される。

また、フラッディング発生領域１１において、アノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａの低下量が大きいとき、すなわち、発電電圧Ｖａが発電電圧Ｖｃよりも所定のしきい値以上小さいとき（Ｖａ＜Ｖｃ）、アノード２においてフラッディングが発生していると推測される。あるいは、発電電圧Ｖａの低下時期が発電電圧Ｖｃの低下時期よりも早いとき、アノード２においてフラッディングが発生していると推測される。

図４および図５は、通常の発電運転において制御部８が実行する判定処理のフローチャートの一例を示す。判定処理のフローチャートは、これに限定されるものではない。通常の発電運転において、制御部８は、フラッディング発生領域１１における複数のカソード冷却型セル１３のそれぞれの発電電圧Ｖｃと、複数のアノード冷却型セル１５のそれぞれの発電電圧Ｖａとを求める（ステップＳ１０４）。更に、制御部８は、フラッディング発生領域１１における複数の発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveと、複数の発電電圧Ｖａの平均値Ｖａaveとを求める（ステップＳ１０６）。同様に、制御部８は、乾燥発生領域１２における複数のカソード冷却型セル１３のそれぞれの発電電圧Ｖｃと、複数のアノード冷却型セル１５のそれぞれの発電電圧Ｖａとを求める（ステップＳ１０８）。更に、制御部８は、乾燥発生領域１１における複数の発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveと、複数の発電電圧Ｖａの平均値Ｖａaveとを求める（ステップＳ１１０）。

また制御部８は、発電電圧が低下しているセルがあるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。

発電電圧が低下しているセルが存在する場合（ステップＳ１１２のＹＥＳ）には、制御部８は、発電電圧が低下しているセルがフラッディング発生領域１１に存在するか、乾燥発生領域１２に存在するかについて判定する（ステップＳ１１４）。発電電圧が低下しているセルがフラッディング発生領域１１に存在する場合には、制御部８は、ステップＳ１１６に進み、フラッディング発生領域１１における発電電圧Ｖｃと発電電圧Ｖａとを比較する。あるいは、発電電圧Ｖｃの低下時期と発電電圧Ｖａの低下時期とを比較する（セル発電出力比較手段、セル電圧比較手段、ステップＳ１１６）。

ここで、スタック１のフラッディング発生領域１１において、カソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃがアノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａよりも小さく（Ｖｃ＜Ｖａ）、且つ、発電電圧Ｖｃの低下量が所定のしきい値よりも大きいときには、即ち、（Ｖａ−Ｖｃ）が所定のしきい値よりも大きいときには、即ち、制御部８は、フラッディング発生領域１１のカソード３においてフラッディングが発生していると推測する。あるいは、発電電圧Ｖｃの低下時期が発電電圧Ｖａよりも早いときには、制御部８は、フラッディング発生領域１１のカソード３においてフラッディングが発生していると推測する（判定手段、ステップＳ１１８）。

このように推測できる理由としては次のようである。即ち、カソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃが低下する要因としては、乾燥またはフラッディングが考えられるが、フラッディング発生領域１１では乾燥よりもフラッディングが発生する頻度が高い。更に、フラッディングが発生するとしたら、アノード２またはカソ−ド３であるが、カソード冷却型セル１３では、カソ−ド３が冷却通路４で直接冷却されており、カソ−ド３の温度が低い。このため、温度が低いカソ−ド３の方が温度が高いアノード２よりもフラッディングし易いためである。なお、所定のしきい値はスタック１の種類、運転条件などに応じて適宜設定される。

そして、制御部８は、カソード３におけるフラッディングを抑制する指令を出力する（ステップＳ１２０）。即ち、制御部８は、カソード３に供給する酸化剤ガスを酸化剤加湿器５２が加湿する加湿量を減少させる操作と、ポンプ５０の駆動量を増加させて、カソード３に供給する酸化剤ガスの流量を増加させる操作との双方を実行する指令を出力する。これによりカソ−ド３におけるフラッディングが抑制される。

ただし、制御部８は、カソード３に供給する酸化剤ガスを酸化剤加湿器５２が加湿する加湿量を減少させる操作と、ポンプ５０の駆動量を増加させて、カソード３に供給する酸化剤ガスの流量を増加させる操作とのうちの少なくともいずれか一方を実行する指令を出力することにしても良い。

また、ステップＳ１１６における判定の結果、フラッディング発生領域１１において、アノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａがカソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃよりも小さく（Ｖａ＜Ｖｃ）、且つ、発電電圧Ｖａの低下量が所定のしきい値よりも大きいときには、即ち、（Ｖｃ−Ｖａ）が所定のしきい値よりも大きいときには、制御部８は、フラッディング発生領域１１のアノード２においてフラッディングが発生していると推測する。あるいは、発電電圧Ｖａの低下時期が発電電圧Ｖｃよりも早いときには、フラッディング発生領域１１のアノード２においてフラッディングが発生していると推測する（判定手段、ステップＳ１３８）。

このように推測できる理由としては次のようである。即ち、アノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａが低下する要因としては乾燥またはフラッディングが考えられるが、フラッディング発生領域１１では、乾燥よりもフラッディングが発生する頻度が高い。更に、フラッディングが発生するとしたら、アノード２またはカソ−ド３であるが、アノード冷却型セル１５では、アノード２が冷却通路４で直接冷却されているため温度が低い。従って、温度が低いアノード２の方が温度か高いカソ−ド３よりも、フラッディングし易いためである。なお、所定のしきい値はスタック１の種類、運転条件などに応じて適宜設定される。

そして、制御部８は、アノード２におけるフラッディングを抑制する指令を出力する（ステップＳ１４０）。即ち、制御部８は、アノード２に燃料ガスを供給する燃料バルブ６０の開度を増加させて、アノード２に供給する燃料ガスの流量を増加させる操作と、燃料加湿器６２による加湿量を減少させる操作との双方を実行する。これによりアノード２におけるフラッディングが抑制される。

ただし、制御部８は、アノード２に供給する燃料ガスの流量を増加させる操作と、燃料加湿器６２による加湿量を減少させる操作とのうちのいずれか一方を実行することにしても良い。

また、ステップＳ１１４における判定の結果、発電電圧が最も低下しているセルが乾燥発生領域１２に存在する場合には、制御部８は、ステップＳ１６０に進み、乾燥発生領域１２における発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveと、発電電圧Ｖａの平均値Ｖｃaveとを比較する（発電出力比較手段、セル電圧比較手段、ステップＳ１６０）。

ここで、発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveが、発電電圧Ｖａの平均値Ｖａaveよりも小さく、平均値Ｖｃaveの低下に関する物理量が所定のしきい値よりも大きいときには、制御部８は、乾燥発生領域１２のアノード２において乾燥が発生していると推測する（ステップＳ１６２）。あるいは、平均値Ｖｃaveの低下時期が、発電電圧Ｖａの平均値Ｖａaveの低下時期よりも早いときには、制御部８は、乾燥発生領域１２のアノード２において乾燥が発生していると推測する（ステップＳ１６２）。

このように推測できる理由として次のようである。即ち、カソード冷却型セル１３の発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveが低下する要因としては、カソード冷却型セル１３のアノード２またはカソ−ド３における乾燥およびフラッディングが考えられる。しかし通常の発電運転においては、乾燥発生領域１２ではフラッディングの発生頻度よりも乾燥の発生頻度が高い。更に、カソード冷却型セル１３においてはカソ−ド３は冷却通路４で直接冷却されているため、カソード冷却型セル１３におけるカソード３の温度よりもアノード２の温度が高い。このため温度が高いアノード２が、温度が低いカソード３よりも乾燥し易いと推定されるためである。なお、所定のしきい値はスタック１の種類、運転条件などに応じて適宜設定される。

上記したようにアノード２における乾燥が発生していると推測したら、制御部８は、アノード２における乾燥を抑制する指令を出力する（ステップＳ１６４）。即ち、制御部８は、アノード２に供給する燃料ガスを燃料加湿器６２が加湿する加湿量を増加させる操作と、燃料バルブ６０の開放量を減少させて、アノード２に供給する燃料ガスの流量を減少させる操作との双方を実行する指令を出力する。これによりアノード２の乾燥が抑制される。

ただし、制御部８は、アノード２に供給する燃料ガスを燃料加湿器６２が加湿する加湿量を増加させる操作と、燃料バルブ６０の開放量を減少させて、アノード２に供給する燃料ガスの流量を減少させる操作とのうちのいずれか一方を実行する指令を出力することにしても良い。

また、ステップＳ１６０における判定の結果、乾燥発生領域１２において、発電電圧Ｖａの平均値Ｖａaveが発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveよりも小さく（Ｖａave＜Ｖｃave）、且つ、発電電圧Ｖａの平均値Ｖａaveの低下に関する物理量が所定のしきい値よりも大きいときには、即ち、（Ｖｃave−Ｖａave）が所定のしきい値よりも大きいときには、制御部８は、乾燥発生領域１２のカソ−ド３において乾燥が発生していると推測する（判定手段、ステップＳ１８２）。

このように推測できる理由として次のようである。即ち、アノード冷却型セル１５の発電電圧Ｖａの平均値Ｖａaveが低下する要因としては、アノード冷却型セル１５のアノード２またはカソ−ドにおける乾燥またはフラッディングが考えられる。しかし通常の発電運転においては、乾燥発生領域１２ではフラッディングの発生頻度よりも乾燥の発生頻度が高い。更に、アノード冷却型セル１５においてはアノード２は冷却通路４で直接冷却されているため、アノード冷却型セル１５におけるアノード２の温度よりもカソ−ド３の温度が高い。このため温度が高いカソ−ド３が、温度が低いアノード２よりも乾燥し易いと推定されるためである。なお、所定のしきい値はスタック１の種類、運転条件などに応じて適宜設定される。

そして、カソ−ド３において乾燥が発生していると推測したら、制御部８は、カソ−ド３における乾燥を抑制する指令を出力する（ステップＳ１８４）。即ち、制御部８は、カソ−ド３に酸化剤ガスを供給するポンプ５０の駆動量を減少させて、カソ−ド３に供給する酸化剤ガスの流量を減少させる操作と、酸化剤加湿器５２による加湿量を増加させる操作との双方を実行する。これによりカソ−ド３の乾燥が抑制される。

但し、制御部８は、カソ−ド３に供給する酸化剤ガスの流量を減少させる操作と、酸化剤加湿器５２による加湿量を増加させる操作とのうちのいずれか一方を実行することにしても良い。

以上説明したように本実施形態によれば、スタック１のフラッディング発生領域１１においてセル１０の発電電圧が低下するとき、フラッディング発生領域１１においてフラッディングがアノード２で発生しているか、カソード３で発生しているかを推測できる。従って、フラッディングに対する対策を適切化し、スタック１の発電性能を高めるのに有利となる。

更に本実施形態によれば、スタック１の乾燥発生領域１２におけるセル１０の発電電圧が低下するとき、乾燥発生領域１２において乾燥がアノード２で発生しているか、カソード３で発生しているかを推測できる。従って、乾燥に対する対策を適切化し、スタック１の発電性能を高めるのに有利となる。

上記したように本実施形態によれば、フラッディング発生領域１１においてフラッディングを抑制する場合には、発電電圧Ｖａの平均値Ｖａave、発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveではなく、発電電圧Ｖａ、発電電圧Ｖｃを基準として判定している。フラッディングが原因で発電電圧が低下する場合には、複数のセル１０のうちフラッディングが発生した特定のセルにおいて、発電電圧が急激に低下するため、平均値を採用すると、発電電圧の低下に関する物理量の絶対値が小さくなり、判定精度が低下するおそれがあるためである。

これに対して、乾燥発生領域１２における乾燥を抑制する場合には、発電電圧Ｖａの平均値Ｖａave、発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveを基準として判定する。乾燥が原因で発電電圧が低下する場合には、特定のセルの発電電圧が急激に低下するよりも、複数のセルにおいて発電電圧が緩やかに平均的に低下するためである。

上記した実施形態によれば、燃料ガスを加湿する燃料加湿器６２が設けられているが、燃料加湿器６２を廃止し、燃料ガスを加湿しない方式としても良い。この場合には、燃料ガスの流量の調整によりフラッディング、乾燥を抑制する。

なお、フラッディング発生領域１１においてフラッディングを抑制する場合には、必要に応じて、発電電圧Ｖａの平均値Ｖａave、発電電圧Ｖｃの平均値Ｖｃaveを基準として判定しても良い。また、乾燥発生領域１２における乾燥を抑制する場合には、発電電圧の平均値ではなく、必要に応じて、単セルの発電電圧Ｖａ、単セルの発電電圧Ｖｃを基準として判定しても良い。

上記した実施形態によれば、図２に示すように、２個並設させたセル１０の両端に冷却通路４が存在する冷却構造とされているが、これに限らず、３個並設させたセル１０の両端に冷却通路４が存在する冷却構造とされていても良い。要するに、カソード冷却型セル１３とアノード冷却型セル１５とを併有するスタック１に適用することができる。本発明は上記し且つ図面に示した実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。

本発明は例えば定置用、車両用、電気機器用、電子機器、携帯用の燃料電池システムに適用できる。

スタックの積層構造と、セル積層方向に温度分布を示す構成図である。 スタックの積層構造と、セル積層方向におけるマクロ的な温度分布を示す構成図である。 セルのアノードおよびカソ−ドの積層構造を示す構成図である。 制御部が実行するフローチャートである。 制御部が実行するフローチャートである。

符号の説明

１はスタック、１０はセル。１１はイオン伝導膜、１３はカソード冷却型セル、１５はアノード冷却型セル、２はアノード、３はカソード、４は冷却通路、８は制御部を示す。

Claims (5)

1. アノードおよびカソードでイオン伝導膜を挟持した複数のセルと、前記セルを冷却する冷却通路とを備えるスタックを具備しており、
   前記スタックの前記セルは、前記カソードが前記冷却通路に対面すると共に前記アノードが前記冷却通路に対面しないカソード冷却型セルと、前記アノードが前記冷却通路に対面すると共に前記カソードが前記冷却通路に対面しないアノード冷却型セルとを含む燃料電池システムにおいて、
   前記カソード冷却型セルの発電出力と前記アノード冷却型セルの発電出力とを直接又は間接的に検知するセル発電出力検知手段と、
   前記カソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と、前記アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較するセル発電出力比較手段と、
   前記セル発電出力比較手段の結果に応じて、発電出力の低下要因が前記カソードであるか前記アノードであるかを判定する判定手段とを具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記スタックは、前記スタックのセル積層方向において、乾燥よりもフラッディングが発生し易いフラッディング発生領域と、フラッディングよりも乾燥が発生し易い乾燥発生領域とを備えており、
   前記セル発電出力比較手段は、前記フラッディング発生領域における前記カソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と前記アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較し、
   前記判定手段は、前記セル発電出力比較手段の結果に応じて、前記フラッディング発生領域におけるフラッディングの要因が前記アノードであるか前記カソードであるかを判定することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２において、前記カソードのフラッディングであると判定されるとき、前記カソードに供給する酸化剤ガスの加湿量を減少させる操作、前記カソードに供給する酸化剤ガスの流量を増加させる操作のうちの少なくとも一つを実行し、
   前記アノードのフラッディングであると判定されるとき、前記アノードに供給する燃料ガスの流量を増加させる操作、前記アノードに供給する燃料ガスを加湿する加湿量を減少させる操作のうちの少なくとも一つを実行することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１において、前記スタックは、前記スタックのセル積層方向において、乾燥よりもフラッディングが発生し易いフラッディング発生領域と、フラッディングよりも乾燥が発生し易い乾燥発生領域とを備えており、
   前記セル発電出力比較手段は、前記乾燥発生領域における前記カソード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量と、前記アノード冷却型セルの発電出力の低下に関する物理量とを比較し、
   前記判定手段は、前記セル発電出力比較手段の結果に応じて、前記乾燥発生領域における乾燥の要因が前記アノードであるか前記カソードであるかを判定することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記カソードの乾燥であると判定されるとき、前記カソードに供給する酸化剤ガスの加湿量を増加させる操作、前記カソードに供給する酸化剤ガスの流量を減少させる操作のうちの少なくとも一つを実行し、
   前記アノードの乾燥であると判定されるとき、前記アノードに供給する燃料ガスの流量を減少させる操作、前記アノードに供給する燃料ガスを加湿する加湿量を増加させる操作のうちの少なくとも一つを実行することを特徴とする燃料電池システム。

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