JP2008041625A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池内の水分を変化させる運転条件変更を行うことなく、またシステムの信頼性を損ねることなく、燃料電池の湿潤状態を正確に判定する。
【解決手段】電流密度演算部２０は、スタック電流センサ１４及びアノード出口局所電流センサ１３の計測値からスタック電流密度及びアノード出口局所電流密度を演算する。平均セル電圧演算部２１は、スタック電圧から平均セル電圧を演算し、最低セル電圧演算部２２は、セル電圧センサ１７が検出した電圧から最低セル電圧を演算する。湿潤状態判定部２３は、スタック電流密度、アノード出口局所電流密度、平均セル電圧、及び最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタック２の湿潤状態が、乾燥、カソード水詰まり、アノード水詰まり、適正湿潤状態のいずれであるかを判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池システムに係り、特に、燃料電池の湿潤状態を正確に判定して、適切な湿潤状態に維持することができる燃料電池システムに関する。
燃料電池を自動車用動力源として利用する場合、燃料電池システムの容積低減のため、加湿系の簡略化がおこなわれており、燃料電池システムの加湿能力は、設計運転点においては加湿不足にならないが、設計運転点を超える運転条件、例えば、設計運転温度よりも高い温度に達すると、固体高分子電解質膜の乾燥（湿潤不足）が起こり、乾燥が過度に進行する場合は膜の穴明きに繋がるという問題点がある。
一方、自動車を運転開始した直後など、燃料電池スタック運転温度が低い場合は、セル面内のカソードまたはアノードガス流路から持ち出せる水分量が少ないため、カソード、アノード両流路では水詰まり（湿潤過剰）の発生の確率が高くなる。また、十分に運転温度が高い状態になっても、取り出し負荷が高い場合は、その分、生成水量が増加するため、水詰まりが起こりやすくなり発電性能が低下する。
過度の乾燥による膜穴あき、または、水詰まりによる発電性能の低下を防止するため、例えば、燃料電池スタックの運転温度があらかじめ定められた温度に達すると、出力制限をかけたり、燃料電池スタック運転中のスタック全体のセル電圧値もしくは直列接続された数セルからなるブロック毎の電圧値、または、発電面内局所電流計測値を元に湿潤度合いを判定し、常に適正湿潤状態を保つように制御を行っている。
燃料電池スタックを適正湿潤状態に保持する方法は、多数開示されており、例えば下記に示される従来例がある。
特許文献１によると、固体高分子型燃料電池の湿潤状態を判定するため、燃料電池内の水分量が減少する方向に燃料電池の負荷に影響する運転条件（例えば空気量）を変化させ、最小セル電圧が第１の判定値を超えたら水詰まりと判定する方法が開示されている。
特許文献２によると、燃料電池発電面内の乾燥しやすい部位または、水詰まりが発生しやすい部位における電極を他の領域から分割して、当該部位における局所電流を測定可能とし、計測された局所電流値と、所定の電流値との比較結果に基づいて湿潤度を判断する方法が示されている。
特開２００５−２２８６８８号公報（第８頁、図２） 特開２００５−１００９５２号公報（第１０頁、図１２）
特許文献１に記載の発明では、燃料電池スタックのセル電圧を計測し、最小セル電圧を認識し、燃料電池の水分が減少する方向に運転条件を変化させたときの最小セル電圧の変化から乾燥湿潤判定することが示されている。例えば、カソードガス流量を増量させたときに電圧が所定の値を超えれば水詰まりであったと判定する。この発明では、燃料電池内の水分量を減少させるようにカソードガス流量を増量させているが、実際の車載用燃料電池システムにおいて、乾燥か水詰まりかを認識しないままカソードガス流量を増量するのはシステムの信頼性を著しく低下させるという問題点があった。なぜなら、燃料電池が乾燥気味で電圧低下しているときに、カソードガス流量を増量すれば、一気に乾燥が進み、ドライアウトしてしまう可能性があるためである。
特許文献２に記載の発明では、乾燥する位置の電流、水詰まりする位置の電流を個別に計測し、乾燥する位置の局所電流が低下すれば乾燥、水詰まりする位置の局所電流が低下すれば水詰まり、と判定する方法であり、水詰まりと、乾燥の発生する位置が異なっていなければ乾燥湿潤判定することができない。例えば、反応面形状が横長で、ガスの出入り口が横長セルの両端に位置し、カソードとアノードが対向流になるセルの場合、水詰まりはそれぞれのガス流路のセル出口部位で発生し、乾燥は、相対湿度が１００％未満となっているカソード入口でもっとも発生しやすい。したがって、カソード入口部位ではアノード流路の水詰まりと、乾燥が発生しうる。乾燥も、水詰まりも局所電流が低下する現象を伴うため、電流が所定の許容値以下に低下しても乾燥なのか、水詰まりなのか判断することができないという問題点があった。
以上の問題点に鑑み、本発明の目的は、燃料電池内の水分を変化させる運転条件変更を行うことなく、またシステムの信頼性を損ねることなく、燃料電池の湿潤状態を正確に判定することができる燃料電池システムを提供することである。
上記問題点を解決するために、本発明は、酸化剤ガス及び冷却液が並行流、これらに対して燃料ガスが対向流となる流路構造を持ち、燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードで固体高分子電解質膜を挟持した単セルを複数積層した燃料電池スタックと、前記単セル毎の電圧または複数の単セルが直列接続されたセル群毎の電圧をカソード出口側で検出するセル電圧検出手段と、燃料電池スタックの総電圧を検出する総電圧検出手段と、前記総電圧から演算した平均セル電圧と前記セル電圧検出手段が検出した電圧から演算した最低セル電圧とに基づいて、平均セル電圧と最低セル電圧との差を演算するセル電圧差演算手段と、燃料電池スタックのアノード出口側の局所電流を検出するアノード出口局所電流検出手段と、燃料電池スタックの電流であるスタック電流を検出するスタック電流検出手段と、前記アノード出口側の局所電流からアノード出口局所電流密度、前記スタック電流からスタック電流密度をそれぞれ演算する電流密度演算手段と、前記平均セル電圧と前記最低セル電圧との差、及び前記スタック電流密度と前記アノード出口局所電流密度との比較結果に基づいて、燃料電池スタックの湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
燃料電池スタック内の或るセルの乾燥（湿潤不足）が発生した時は、当該セルのセル電圧が低下しスタック中の最低セル電圧となる。
ここで燃料電池セル内の流体の流れについて、酸化剤ガス及び冷却液が並行流、これらに対して燃料ガスが対向流となる構造とする。セル中のカソード側が水詰まりとなると、生成水の影響がカソードガスの下流であるカソード出口側に最も大きく影響するので、セル面内のカソード出口部位（アノード入口部位）におけるカソードガスが不足し当該部位の電流密度が適正湿潤状態より低下する。さらに、セル中のアノード側が水詰まりとなると、生成水の影響がアノードガスの下流であるアノード出口側に最も大きく影響するので、セル面内のアノード出口部位（カソード入口部位）におけるアノードガスが不足し当該部位の電流密度が適正湿潤状態より低下する。
従って、カソード出口側にセル電圧を検出するセル電圧センサを設け、平均セル電圧と最低セル電圧との差が第１の所定値以上となるか否かという第１の判定条件を判断する。第１の判定条件が成立する場合に、乾燥またはカソード側の水詰まりが生じたと判断することができ、第１の判定条件が成立しない場合に、アノード側の水詰まりまたは適正湿潤状態と判断することができる。
さらに、スタック電流を検出するスタック電流検出手段と、アノード出口側の局所電流を検出する局所電流検出手段とを備え、検出したスタック電流とアノード出口局所電流から、それぞれスタック電流密度と、アノード出口電流密度とを演算し、スタック電流密度とアノード出口電流密度との差または比がスタック電流密度毎に決められた第２の所定値以上となるか否かという第２の判定条件を判断する。
第１の判定条件が成立し、かつ第２の判定条件が成立しない場合には、カソード側の水詰まりと判断することができる。第１の判定条件が成立し、かつ第２の判定条件が成立する場合には、セルの乾燥と判断することができる。
第１の判定条件が成立せず、かつ第２の判定条件が成立する場合には、アノード側の水詰まりと判断することができる。第１の判定条件が成立せず、かつ第２の判定条件が成立しない場合には、適正湿潤状態と判断することができる。
本発明によれば、燃料電池スタック内部の水分量を変化させる制御因子を変化させることなく、燃料電池の湿潤状態に関して、湿潤不足、カソード側の水詰まり、アノード側の水詰まり、適正湿潤状態、の何れであるかを正確に判断することができる。
図１を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を説明する。尚、特に限定されないが、本実施形態は、燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。
図１において、本実施形態の燃料電池システム１は、水素を含有する燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードで固体高分子電解質を挟んで構成される単セルが複数積層されることによって構成される燃料電池スタック２を備えている。そして、単セルの内部の流体流路構造としては、カソードに供給する空気と冷却液とが並行流、これらに対してアノードに供給する水素が対向流の構造を有する。
また燃料電池システム１は、アノードに燃料ガスとして水素を供給する燃料ガス供給系と、カソードに酸化剤ガスとして空気を供給する酸化剤ガス供給系と、燃料電池スタック１に冷却液を供給する冷却系とを備えている。
この燃料電池システム１において、アノード、カソードの電気化学反応式は以下の通りである。
アノード（燃料極） ： Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- …（化１）
カソード（酸化剤極）： ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- ＋ 1/2Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（化２）
アノードでは、供給された水素が水素イオンと電子に電離し、水素イオンが電解質膜を介してカソードへ移動する。電子はアノードから外部回路（負荷）を流れてカソードへ達する。カソードでは、供給された酸素と水素イオンと電子とが反応して水が生成される。
燃料ガス供給系は、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク３と、高圧水素ガスの圧力を燃料電池の運転圧力まで低下させる水素圧力調整弁４と、水素を加湿して燃料電池スタック２のアノード入口に供給する水素加湿器５と、燃料電池スタック２のアノード出口から排出された未反応水素を含むアノードオフガスを水素加湿器５の上流へ循環させる水素循環ポンプ６と、アノードオフガスを系外へ排出するパージ弁７とを備えている。尚、燃料ガス供給系の水素源としては、水素タンク以外に、プロパンガス、都市ガス、ガソリン、アルコール等の炭化水素系原燃料から燃料改質反応により水素を生成するものや、太陽電池からの電力で水を電気分解した水素等を用いることができる。
酸化剤ガス供給系は、空気を取り込んで圧縮するコンプレッサ８と、圧縮した空気を加湿して燃料電池スタック２のカソード入口へ供給する空気加湿器９と、燃料電池スタック２のカソード出口における空気圧力を調整する空気圧力調整弁１０とを備えている。
冷却液供給系は、例えば、エチレングリコール等の凝固点降下剤と水とを混合した不凍液を燃料電池スタック２に供給するものであり、燃料電池スタック２の冷却液入口へ冷却液を圧送する冷却液ポンプ１１と、冷却液の熱を系外へ放出するラジエータ１２と、図示しない冷却ファンとを備えている。
燃料電池スタック２のカソード集電板２ａは、燃料電池スタックから電力を取り出すＤＣ／ＤＣコンバータ１５に接続されている。燃料電池スタックのアノード側集電板は、アノード出口部位以外の部位の集電板であるアノード集電板２ｂと、セル面内のアノード出口部位の局所電流を測定するためのアノード出口集電板２ｃとに分割されている。このようにアノード側集電板を分割することで、集電板面方向に流れる電流の影響を除外することができ、アノード出口の局所電流を精度良く計測することができる。アノード出口集電板２ｃは、アノード出口局所電流センサ１３を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１５へ接続され、アノード集電板２ｂは、スタック電流センサ１４を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１５へ接続されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、運転条件や負荷電流の大きさにより変動する燃料電池スタック２の発電電圧を一定の電圧に変換して、負荷装置１６へ供給する。
セル電圧センサ１７は、燃料電池スタック２の単セル毎の電圧または複数の単セルが直列接続されたセル群毎の電圧をカソード出口側で検出するセル電圧検出手段である。
図２は、単セルの発電面３１における水素と空気と冷却液の流れ方向の模式図であり、セル電圧センサ１７によるセル電圧計測位置と、アノード側集電板をアノード出口集電板２ｃとアノード集電板２ｂとに分割した様子を併せて表示している。
図１に戻って、総電圧センサ１８は、燃料電池スタック２のスタック電圧（総電圧）を検出する総電圧検出手段である。
燃料電池システム１の全体を制御する制御装置１９は、スタック電流密度及びアノード出口局所電流密度とを演算する電流密度演算手段と、燃料電池スタック２の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段とを兼ねている。
制御装置１９は、スタック電流センサ１４の計測値及びアノード出口局所電流センサ１３の計測値に基づいて、スタック電流密度及びアノード出口局所電流密度を演算する電流密度演算部２０と、総電圧センサ１８が検出したスタック電圧から平均セル電圧を演算する平均セル電圧演算部２１と、セル電圧センサ１７が検出したセル毎またはセル群毎の電圧から最低セル電圧を演算する最低セル電圧演算部２２と、スタック電流密度、アノード出口局所電流密度、平均セル電圧、及び最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタック２の湿潤状態を判定する湿潤状態判定部２３と、湿潤状態判定部２３の判定に基づいてカソードへ供給する空気流量を調整する空気流量調整部２４と、湿潤状態判定部２３の判定に基づいてアノードへ供給する水素流量を調整する水素流量調整部２５と、を備えている。
電流密度演算部２０は、アノード集電板２ｂ、アノード出口集電板２ｃがそれぞれ電流を集める有効面積であるスタック有効面積Ｓｓ、アノード出口有効面積Ｓａを予め記憶している。そして、電流密度演算部２０は、スタック電流センサ１４の計測値をスタック有効面積Ｓｓで除算してスタック電流密度Ｄｉｓ、アノード出口局所電流センサ１３の計測値をアノード出口有効面積Ｓａで除算してアノード出口局所電流密度Ｄｉｓをそれぞれ演算する。
平均セル電圧演算部２１は、総電圧センサ１８が検出したスタック総電圧をスタックを構成するセル数ｎで除算して平均セル電圧を演算する。
最低セル電圧演算部２２は、セル電圧センサ１７が検出した単セル毎の電圧、または複数の単セルが直列接続されたセル群毎の電圧からスタック内の最低セル電圧を演算する。セル電圧センサ１７が単セル毎の電圧を検出する場合、検出された単セル毎の電圧の最低値を演算する。セル電圧センサ１７がセル群毎の電圧を検出する場合、検出したセル群毎の電圧を当該セル群を構成するセル数で除算することにより当該セル群に属するセルのセル電圧を算出し、スタック中の全てのセル電圧の中から最小値を求めることにより、最低セル電圧を演算する。セル電圧センサ１７がセル群電圧を検出する場合には、セル電圧分解能がセル群単位となり、本当の最低セル電圧は検出できないが、便宜的に上記の電圧を最低セル電圧とする。
湿潤状態判定部２３は、平均セル電圧と最低セル電圧との差、及びスタック電流密度とアノード出口局所電流密度との比較結果に基づいて、燃料電池スタック２の湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段である。湿潤状態判定部２３が判定する燃料電池スタック２の湿潤状態の詳細は、図３乃至図５を参照して後述される。
空気流量調整部２４は、湿潤状態判定部２３がカソード水詰まりと判定したときに、カソードへ供給する空気流量を増量するように、コンプレッサ８及びパージ弁７を制御する空気流量調整手段である。また、空気流量調整部２４は、湿潤状態判定部２３が乾燥と判定したときに、カソードへ供給する空気流量を減量するように、コンプレッサ８及びパージ弁７を制御する空気流量調整手段である。
水素流量調整部２５は、湿潤状態判定部２３がアノード水詰まりと判定したときに、アノードへ供給する水素流量を増量するように、水素循環ポンプ６を制御する水素流量調整手段である。
尚、本実施形態では、制御装置１９は、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
次に、図３乃至図５を参照して、本実施形態の燃料電池システムにおける、空気と冷却液が並行流、空気及び冷却液に対して水素が対向流のセル流路流れ構造を持つ場合の乾燥、アノード水詰まり、カソード水詰まり時のセル面内の電流密度分布の変化を説明する。
図３を用いて燃料電池スタックの湿潤状態が乾燥の場合のセル面内電流密度分布を説明する。カソード入口部では、相対湿度１００％未満でカソードガスが進入してくるため、最も乾燥している。この状態から、カソードガス流量を増量すると、さらにカソード入り口は乾燥するため、発電性能が低下し局所的な電流密度が低下する。その低下分を補うため、相対的に湿潤度が高いカソード出口側（すなわち、アノード入口側）での電流密度が増加する。
図４を用いて燃料電池スタックの湿潤状態がアノード水詰まりの場合のセル面内電流密度分布を説明する。アノード流路にて水詰まりが発生すると、アノード出口側で水素欠乏が発生するのでアノード出口側の発電性能、即ち電流密度が低下する。その低下分は、アノード入口側の発電性能の向上で補われるため、アノード入口側（すなわち、カソード出口側）の電流密度が増加する。
図５を用いて燃料電池スタックの湿潤状態がカソード水詰まりの場合のセル面内電流密度分布を説明する。カソード流路にて水詰まりが発生すると、カソード出口側で酸素欠乏が発生するのでカソード出口側の発電性能、即ち電流密度が低下する。その低下分は、カソード入口側の発電性能の向上で補われるため、カソード入口側の電流密度が増加する。
従って、セル面内の電流密度の変化（アノード出口側での電流密度低下）を検出するだけでは、燃料電池スタックの湿潤状態が「乾燥」か「アノード水詰まり」かの区別はつかない。そこで、本発明では、セル電圧センサをカソード出口側に設け、スタック総電圧から演算される平均セル電圧と、セル電圧センサが検出したセル毎の電圧またはセル群毎の電圧から演算される最低セル電圧との差が所定値以上となったか否かの判定を加えている。即ち、アノード出口側の電流密度が低下した場合、平均セル電圧と最低セル電圧との差が所定値以上となったときに、乾燥と判断し、平均セル電圧と最低セル電圧との差が所定値以上となっていなければ、アノード水詰まりと判断することができる。
次に、図６の制御フローチャート、及び図７乃至図１５のタイムチャートを参照して、本実施形態の燃料電池システムにおける制御装置１９による湿潤状態判定を詳細に説明する。図６の制御フローチャートでは、湿潤状態の第１の判定条件、第２の判定条件の判定をこの順序で行っている。
まず、図７を参照してカソード水詰まり状態を説明する。図７において発電電流を一定に保持してカソードストイキ（化２の電気化学反応式に基づいて発電電流から換算される酸素流量に対するカソードに供給する酸素流量の比）ＳＲｃを時間経過と共に段階的に減少させることにより、カソードに供給する空気流量を減量していくと、ある流量に達すると、カソード出口側のセル電圧が変動し、セル電圧が大きく落ち込むセルが現れる。この現象がカソード水詰まりであり、カソード空気流量が低下したためにカソードからの水分排出が困難となりカソードに液水が溜まり、カソード触媒への空気中の酸素供給が不足して発電電圧が低下する。そしてカソードに溜まった液水が排出されると、セル電圧が部分的に回復する。
次に、図８を参照して、湿潤状態の判定１を説明する。図８において、カソードストイキＳＲｃを減少させて、カソードに供給する空気流量を減量すると、前記カソード水詰まりが生じて、平均セル電圧及び最低セル電圧が次第に低下するが、平均セル電圧の低下幅よりも最低セル電圧の低下幅の方が大きい。このため、平均セル電圧と最低セル電圧との差が次第に大きくなる。そして、カソードに供給する空気流量をある値まで減量すると、平均セル電圧と最低セル電圧との差が第１の所定値であるセル電圧差判定値（Ｖ１）を超えるため、湿潤状態の第１の判定条件において肯定判定される。
ここで、第１の所定値であるセル電圧差判定値（Ｖ１）は、燃料電池スタック２のカソード水詰まりまたは燃料電池スタック２の乾燥が生じて、燃料電池スタック２の運転に支障が生じ始める平均セル電圧と最低セル電圧の差の値を予め実験的に求めて、この値より安全度を考慮して小さな値を制御装置１９に記憶せておくものとする。
続いて、図５、図９を用いて湿潤状態の判定２を説明する。図９に示すように、カソードストイキＳＲｃを減少させてカソードに供給する空気流量を減量すると、前記カソード水詰まりが生じ、これは、カソード出口で発生しやすいので、図５に示したようにカソード出口の電流密度が次第に低下し、この結果として、逆にアノード出口付近を含むセル面内の他の部位の電流密度は上昇してくる。このため、図９に示すように、燃料電池スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差は次第に小さくなり、第２の所定値である電流密度差判定値（Ｄ２）を超えることは無い。このとき、湿潤状態の判定２では否定判定され、結果的にカソード水詰まりと判定される。
ここで、第２の所定値である電流密度差判定値（Ｄ２）は、燃料電池スタック２のアノード水詰まりが生じて、燃料電池スタック２の運転に支障が生じ始める燃料電池スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差の値を予め実験的に求めて、この値より安全度を考慮して小さな値を制御装置１９に記憶せておくものとする。
次に、図３、図１０〜１２を参照して乾燥判定する場合を説明する。図１０に示すように、カソードストイキＳＲｃを増加させて、カソードに供給する空気流量を増量すると、燃料電池スタックから持ち出される水分量が増加するため、電解質膜が乾燥して水素イオン導電率が低下し抵抗分極が増大するので、カソード出口のセル電圧が低下する。また、図１１に示すように、カソードストイキＳＲｃを増加させて、カソードに供給する空気流量を増量すると、平均セル電圧と最低セル電圧は共に低下するが、平均セル電圧の低下幅より最低セル電圧の低下幅が大きいため、平均セル電圧と最低セル電圧の差が次第に大きくなる。カソードガス流量をある値まで増量すると、平均セル電圧と最低セル電圧の差が第１の所定値であるセル電圧差判定値（Ｖ１）を超えるので、湿潤状態の第１の判定条件において肯定判定される。
そのとき、図３で説明したようにカソード入口（アノード出口）は最も乾燥するため、図１２に示すように、カソード入口（アノード出口）局所電流密度は次第に低下し、燃料電池スタック電流密度とアノード出口局所電流密度の差は次第に大きくなる。そして、あるカソード空気流量に達すると、燃料電池スタック電流密度とアノード出口局所電流密度との差が第２の所定値である電流密度判定値（Ｄ２）を超えるので、湿潤状態の第２の判定条件において肯定判定されて、乾燥と判定することができる。
次に、図４、図１３〜１５を参照して、アノード水詰まりを判定する場合を説明する。図１３において発電電流を一定に保持してアノードストイキ（化１の電気化学反応式に基づいて発電電流から換算される水素流量に対するアノードに供給する水素流量の比）ＳＲａを時間経過と共に段階的に減少させることにより、アノードに供給する水素流量を減量していくと、セル出口のアノードガス流速が低下するので、カソードで発生してアノード流路に逆拡散してきた水をセル外部に押し出すことができなくなり、アノード水詰まりが発生してアノード出口のセル電圧が低下する。
しかしながら、アノード水詰まりは、アノード入口すなわちカソード出口の電圧にはあまり影響しないため、カソード出口のセル電圧を検出するセル電圧センサ１７の検出値には殆ど現れず、図１４に示すように、平均セル電圧とカソード出口での最低セル電圧との差も殆ど変化がない。したがって、平均セル電圧と最低セル電圧との差は、第１の所定値であるセル電圧差判定値（Ｖ１）を超えることも無く、湿潤状態の第１の判定条件において否定判定される。
次に、アノード水詰まり時のカソード入口（アノード出口）の電流密度の変化を図１５によって説明する。アノード流路出口で水詰まりが発生すると、アノード流路出口では発電性能が低下し、アノード出口の局所的な電流密度が低下する。スタック電流密度とアノード出口電流密度との差は、アノードガス流量が低い程大きくなり、ある流量に達すると、第２の所定値である電流密度差判定値（Ｄ２）を超えて、湿潤状態の第２の判定条件において肯定判定されてアノード水詰まりと判定される。
適正湿潤状態と判定される場合は、カソード出口での電圧低下はなく、湿潤状態の第１の判定条件で否定判定される。また。アノード出口の電流密度も適正状態にあるため、湿潤状態の第２の判定条件において否定判定され、最終的に適正湿潤状態と判定される。
以上説明した湿潤状態の第１の判定条件、第２の判定条件を踏まえて、図６の制御フローチャートを説明する。この制御フローチャートは、図１の制御装置１９の内蔵プログラムにより実行され、メインルーチンから一定時間毎に呼び出されるサブルーチンとして構成されている。尚、図６では、第１の判定条件を先に判定し、第２の判定条件を後で判定しているが、この順序を入れ替えても結果は同じである。
図６において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、アノード出口局所電流センサ１３が検出したアノード出口局所電流値Ｉａ、スタック電流センサ１４が検出したスタック電流値Ｉｓを制御装置１９へ読み込む。次いで、Ｓ１２で、燃料電池スタック２の総電圧を検出する総電圧センサ１８，セル毎またはセル群毎の電圧を検出するセル電圧センサ１７の検出値を制御装置１９へ読み込む。尚、総電圧センサ１８の検出値に代えて、セル電圧センサ１７が検出したセル毎またはセル群毎の電圧の総和をスタック総電圧としてもよい。
次いで、Ｓ１４で、予め制御装置１９に記憶したスタック面積Ｓｓ、アノード出口局所面積Ｓａを使用して、スタック電流密度Ｄｉｓ＝Ｉｓ／Ｓｓ、アノード出口電流密度Ｄｉａ＝Ｉａ／Ｓａを演算する。
次いで、Ｓ１６で、スタック総電圧を燃料電池スタック２の総セル数ｎで除算して、平均セル電圧Ｖａｖを算出し、Ｓ１８で、セル電圧に基づいて最低セル電圧Ｖｍｉｎを算出する。
次いで、Ｓ２０で湿潤状態の第１の判定条件の判定を行う。この第１の判定条件は、平均セル電圧Ｖａｖと最低セル電圧Ｖｍｉｎの差が第１の所定値であるセル電圧差判定値（Ｖ１）以上であるか否かを判定する。Ｓ２０の第１の判定条件の判定で、Ｖａｖ−ＶｍｉｎがＶ１以上であれば、カソード水詰まりまたは乾燥が発生しているとして、Ｓ２２へ進む。Ｓ２０の第１の判定条件の判定で、Ｖａｖ−ＶｍｉｎがＶ１以上でなければ、アノード水詰まりが発生、または適正湿潤状態として、Ｓ２４へ進む。
Ｓ２２では、湿潤状態の第２の判定条件の判定として、スタック電流密度Ｄｉｓとアノード出口電流密度Ｄｉａの差が第２の所定値である電流密度差判定値（Ｄ２）以上であるか否かを判定する。Ｓ２２の第２の判定条件の判定で、Ｄｉｓ−ＤｉａがＤ２以上でなければ、Ｓ２６へ進む。Ｓ２２の第２の判定条件の判定で、Ｄｉｓ−ＤｉａがＤ２以上であれば、Ｓ３０へ進む。
Ｓ２６では、カソード水詰まりと判断して、Ｓ２８へ進み、コンプレッサ８の回転速度を上昇させたり、空気圧力調整弁１０の開度を増加させることにより、カソード空気流量を増加させて、メインルーチンへリターンする。
Ｓ３０では、燃料電池スタック２の乾燥と判断して、Ｓ３２へ進み、コンプレッサ８の回転速度を低下させたり、空気圧力調整弁１０の開度を減少させることにより、カソード空気流量を減少させて、メインルーチンへリターンする。
Ｓ２４では、湿潤状態の第２の判定条件の判定として、スタック電流密度Ｄｉｓとアノード出口電流密度Ｄｉａの差が第２の所定値である電流密度差判定値（ｄ２）以上であるか否かを判定する。Ｓ２４の第２の判定条件の判定で、Ｄｉｓ−ＤｉａがＤ２以上であれば、Ｓ３４へ進む。Ｓ２４の第２の判定条件の判定で、Ｄｉｓ−ＤｉａがＤ２以上でなければ、Ｓ３８へ進む。
Ｓ３４では、アノード水詰まりと判定して、Ｓ３６へ進み、アノード水素流量を増加するように、水素循環ポンプ６の回転速度を上昇させたり、パージ弁７を開いたり、パージ弁７が既に開いていれば開度を増加させたりして、メインルーチンへリターンする。Ｓ３８では、適正湿潤状態と判断して、何もせずにメインルーチンへリターンする。
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池内の水分を変化させる運転条件変更を行うことなく、電流密度の下限値、セル電圧の下限値ではなく、燃料電池スタックの電流密度とアノード出口の局所電流密度との差、また、燃料電池スタック平均セル電圧と最低セル電圧との差を用いて湿潤状態を判断するので、負荷変動が激しい車載用燃料電池システムにおいても正確な湿潤状態を判定することが可能となり、システムの信頼性が向上するという効果がある。
本発明に係る燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。 セル面内の流体流れ方向、セル電圧計測位置、アノード側の集電板の分割の様子を説明する図である。 乾燥時のセル面内電流密度分布を示す図である。 アノード水詰まり時のセル面内電流密度分布を示す図である。 カソード水詰まり時のセル面内電流密度分布を示す図である。 実施形態における湿潤状態判定の制御フローチャートである。 カソード水詰まり時のカソード出口セル電圧低下を説明するタイムチャートである。 カソード水詰まり時の平均セル電圧と最低セル電圧の差を説明するタイムチャートである。 カソード水詰まり時の燃料電池スタック平均電流密度とアノード出口局所電流密度の差を説明するタイムチャートである。 乾燥時のカソード出口セル電圧低下を説明するタイムチャートである。 乾燥時の平均セル電圧と最低セル電圧の差を説明するタイムチャートである。 乾燥時の燃料電池スタック平均電流密度とアノード出口電流密度の差を説明するタイムチャートである。 アノード水詰まり時のカソード出口セル電圧低下を説明するタイムチャートである。 アノード水詰まり時の平均セル電圧と最低セル電圧の差を説明するタイムチャートである。 アノード水詰まり時の燃料電池スタック平均電流密度とアノード出口電流密度の差を説明するタイムチャートである。
符号の説明
１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３：水素タンク
４：水素圧力調整弁
５：水素加湿器
６：水素循環ポンプ
７：パージ弁
８：コンプレッサ
９：空気加湿器
１０：空気圧力調整弁
１１：冷却液ポンプ
１２：ラジエータ
１３：アノード局所電流センサ
１４：スタック電流センサ
１５：ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６：負荷装置
１７：セル電圧センサ
１８：総電圧センサ
１９：制御装置
２０：電流密度演算部
２１：平均セル電圧演算部
２２：最低セル電圧演算部
２３：湿潤状態判定部
２４：空気流量調整部
２５：水素流量調整部

Claims (7)

  1. 酸化剤ガス及び冷却液が並行流、これらに対して燃料ガスが対向流となる流路構造を持ち、燃料ガスが供給されるアノードと酸化剤ガスが供給されるカソードで固体高分子電解質膜を挟持した単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
    前記単セル毎の電圧または複数の単セルが直列接続されたセル群毎の電圧をカソード出口側で検出するセル電圧検出手段と、
    燃料電池スタックの総電圧を検出する総電圧検出手段と、
    前記総電圧から演算した平均セル電圧と前記セル電圧検出手段が検出した電圧から演算した最低セル電圧とに基づいて、平均セル電圧と最低セル電圧との差を演算するセル電圧差演算手段と、
    燃料電池スタックのアノード出口側の局所電流を検出するアノード出口局所電流検出手段と、
    燃料電池スタックの電流であるスタック電流を検出するスタック電流検出手段と、
    前記アノード出口側の局所電流からアノード出口局所電流密度、前記スタック電流からスタック電流密度をそれぞれ演算する電流密度演算手段と、
    前記平均セル電圧と前記最低セル電圧との差、及び前記スタック電流密度と前記アノード出口局所電流密度との比較結果に基づいて、燃料電池スタックの湿潤状態を判定する湿潤状態判定手段と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記湿潤状態判定手段は、前記平均セル電圧と前記最低セル電圧との差が第１の所定値以上、かつ前記スタック電流密度と前記アノード出口電流密度の差または比が第２の所定値未満であれば、カソード水詰まりと判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. カソードに供給する空気流量を調整する空気流量調整手段を備え、前記湿潤状態判定手段がカソード水詰まりと判定した場合、カソードに供給する流量を増量することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記湿潤状態判定手段は、前記平均セル電圧と前記最低セル電圧との差が第１の所定値以上、かつ前記スタック電流密度と前記アノード出口電流密度の差または比が第２の所定値以上であれば、乾燥と判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  5. カソードに供給する空気流量を調整する空気流量調整手段を備え、前記湿潤状態判定手段が乾燥と判定した場合、カソードに供給する流量を減量することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
  6. 前記湿潤状態判定手段は、前記平均セル電圧と前記最低セル電圧との差が第１の所定値未満、かつ前記スタック電流密度と前記アノード出口電流密度との差または比が第２の所定値以上であれば、アノード水詰まりと判定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  7. アノードに供給する水素流量を調整する水素流量調整手段を備え、前記湿潤状態判定手段がアノード水詰まりと判定した場合、アノードに供給する流量を増量することを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
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