JP2008135331A - 燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整する。
【解決手段】燃料電池システム１０００は、複数のセル４０を積層させるとともに、各セル４０の積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタック１００を備える。制御ユニット９０は、テンションプレート５０に設置された歪みセンサ５４によって、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重を検出し、この検出された締結荷重に基づいて、燃料電池スタック１００内における水素圧、および、空気圧を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム、および、燃料電池システムの制御方法に関するものである。

燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを、複数積層させたスタック構造を有するものがある（以下、燃料電池スタックと呼ぶ）。このような燃料電池スタックでは、一般に、複数のセルは、各セル内、および、各セル間の接触抵抗を低減したり、燃料電池スタック内に流れる流体（燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水）の漏洩を防止したりするために、燃料電池スタックの外部からセルの積層方向に締結荷重が加えられ、締結部材によって締結される。

そして、このような燃料電池スタックにおける複数のセルの締結方法に関し、従来、種々の技術が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックを構成するセパレータの内部に面圧発生板を設け、この面圧発生板によって形成された空間に、流体冷媒を流入させたり、反応ガスを流入させたり、高圧流体を流入させたりすることによって、燃料電池スタックの内部から上記締結荷重を得る技術が記載されている。

特開平６−６８８９８号公報

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、各セパレータの内部に面圧発生板を備えるため、セパレータの構成の複雑化、ひいては燃料電池スタックの構成の複雑化を招いていた。さらに、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池スタックに上記締結圧力を加えるための具体的な制御方法や、燃料電池スタックを構成する部材の熱膨張や、クリープ等による締結荷重の経時的な変化については、考慮されていなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。本発明の第１の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、前記締結荷重を検出する締結荷重検出部と、前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタック内における前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の圧力を制御する圧力制御部と、を備えることを要旨とする。

本発明において、圧力制御部は、例えば、燃料電池スタックに供給される燃料ガスの供給圧力、酸化剤ガスの供給圧力、燃料電池スタックから排出される未消費の燃料ガスであるアノードオフガスの背圧、燃料電池スタックから排出される未消費の酸化剤ガスであるカソードオフガスの背圧のうちの少なくとも一部を制御することによって、燃料電池スタック内における燃料ガス、および、酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の圧力を制御する。こうすることによって、燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池スタック内の圧力を調整し、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記圧力制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の圧力を増加させるようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタックを構成する部材のクリープ等によって、上記締結荷重が経時的に低下した場合に、燃料電池スタック内の圧力を増加させ、上記締結荷重を増加させることができる。したがって、燃料電池スタックに加わる締結荷重の経時的な低下に伴う電池性能の低下を抑制することができる。

なお、上記燃料電池システムにおいて、前記圧力制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスの双方の圧力を増加させるようにすることが好ましい。

燃料電池スタックを構成する複数のセルは、それぞれ膜電極接合体を備える。そして、燃料電池スタック内において、燃料ガスの圧力、および、酸化剤ガスの圧力のいずれか一方のみを増加させた場合、膜電極接合体の一方の面に過剰な圧力が加わり、膜電極接合体が破損するおそれがある。本発明では、燃料電池スタック内における燃料ガス、および、酸化剤ガスの双方の圧力を増加させるので、膜電極接合体の両面における圧力差を小さくし、膜電極接合体の破損を抑制することができる。

本発明の第２の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに冷却媒体を流すことによって、前記燃料電池スタックを冷却する冷却システムと、前記締結荷重を検出する締結荷重検出部と、前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタック内における前記冷却媒体の圧力を制御する冷却媒体圧力制御部と、を備えることを要旨とする。

本発明において、冷却システムは、冷却媒体を冷却するためのラジエータや、冷却媒体を、燃料電池スタックとラジエータとの間で循環させるための循環ポンプ等を備えている。そして、冷却媒体圧力制御部は、例えば、上記冷却システムが備える循環ポンプの出力を制御し、燃料電池スタックに供給される冷却媒体の流量を調整することによって、燃料電池スタック内における冷却媒体の圧力を制御する。こうすることによって、燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池スタック内の圧力を調整し、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記冷却媒体圧力制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記冷却媒体の圧力を増加させるようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池スタックを構成する部材のクリープ等によって、上記締結荷重が経時的に低下した場合に、燃料電池スタック内の圧力を増加させ、上記締結荷重を増加させることができる。したがって、燃料電池スタックに加わる締結荷重の経時的な低下に伴う電池性能の低下を抑制することができる。

本発明の第３の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに冷却媒体を流すことによって、前記燃料電池スタックを冷却する冷却システムと、前記締結荷重を検出する締結荷重検出部と、前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタックに流す前記冷却媒体の温度を制御する冷却媒体温度制御部と、を備えることを要旨とする。

本発明において、冷却システムは、冷却媒体を冷却するためのラジエータや、冷却媒体を、燃料電池スタックとラジエータとの間で循環させるための循環ポンプ等を備えている。そして、冷却媒体温度制御部は、例えば、上記冷却システムが備える循環ポンプの出力を制御したり、冷却媒体の冷却能力を制御したりすることによって、燃料電池スタック内における冷却媒体の温度を制御する。そして、冷却媒体の温度変化に応じて、冷却媒体の体積や、燃料電池スタックを構成する部材の体積が変動する。こうすることによって、燃料電池システムにおいて、比較的簡易な構成で、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記冷却媒体温度制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記冷却媒体の温度を上昇させるようにしてもよい。こうすることによって、冷却媒体や、燃料電池スタックを構成する部材が熱膨張するため、燃料電池スタックを構成する部材のクリープ等によって、上記締結荷重が経時的に低下した場合に、上記締結荷重を増加させることができる。したがって、燃料電池スタックに加わる締結荷重の経時的な低下に伴う電池性能の低下を抑制することができる。

本発明は、適宜、組み合わせて構成することもできる。また、本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよい。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＩＣカード、ＲＯＭカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（ＲＡＭやＲＯＭなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取り可能な種々の媒体を利用できる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ１．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０００は、電気自動車に車載されているものとする。燃料電池スタック１００は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との電気化学反応によって発電するセル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各セル４０は、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質として、固体酸化物等、他の電解質を用いるものとしてもよい。なお、セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、一端から、エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、集電板３０ａ、複数のセル４０、集電板３０ｂ、絶縁板２０ｂ、エンドプレート１０ｂの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却水を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却水を、それぞれ各セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却水供給マニホールド）や、各セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却水を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却水排出マニホールド）が形成されている。

エンドプレート１０ａ，１０ｂは、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。絶縁板２０ａ，２０ｂは、ゴムや、樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂは、緻密質カーボンや、銅板などのガス不透過な導電性部材によって形成されている。集電板３０ａ，３０ｂには、それぞれ図示しない出力端子が設けられており、燃料電池スタック１００で発電した電力を出力可能となっている。

燃料電池スタック１００には、スタック構造のいずれかの箇所における接触抵抗の増加等による電池性能の低下を抑制したり、ガスの漏洩を抑制したりするために、スタック構造の積層方向に、外部から所定の押圧力（締結荷重）が加えられる。そして、この締結荷重が加えられた状態で、テンションプレート５０の両端を、ボルト５２によって、エンドプレート１０ａ，１０ｂにそれぞれ固定することによって、締結荷重が維持されている。

テンションプレート５０には、テンションプレート５０の歪み量を検出する歪みセンサ５４が設置されている。そして、歪みセンサ５４によって検出されたテンションプレート５０の歪み量に基づいて、後述する制御ユニット９０は、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重を算出し、後述する運転制御処理を実行する。歪みセンサ５４は、本発明における締結荷重検出部に相当する。また、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００の温度を検出する温度センサ４２が設置されている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管６３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク６０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク６０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク６０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク６０の出口に設けられたシャットバルブ６１や、レギュレータ６２によって、圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各セル４０のアノードに供給される。各セル４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６４を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。

なお、排出配管６４には、レギュレータ６５、および、圧力センサ６６が配設されており、レギュレータ６５を調整することによって、アノードオフガスの背圧を調整することができる。レギュレータ６２、および、レギュレータ６５は、本発明における圧力制御部に相当する。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管７１を介して、エアコンプレッサ７０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管７１に接続された空気供給マニホールドを介して、各セル４０のカソードに供給される。各セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管７２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。

なお、排出配管７２には、レギュレータ７３、および、圧力センサ７４が配設されており、レギュレータ７３を調整することによって、アノードオフガスの背圧を調整することができる。また、エアコンプレッサ７０、および、レギュレータ７３は、本発明における圧力制御部に相当する。

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却水も供給される。この冷却水は、循環ポンプ８１によって、冷却水用の配管８２を流れ、ラジエータ８０によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。また、配管８２には、図示するように、ラジエータ８０を通さずに、冷却水を循環させるためのバイパス配管８３が接続されており、さらに、配管８２とバイパス配管８３との一方の接続部には、三方弁８４が配設されている。したがって、三方弁８４を切り換えることによって、ラジエータ８０を通さずに、配管８２、および、バイパス配管８３を介して、冷却水を循環させることも可能である。そして、ラジエータ８０を通さずに冷却水の循環を行った場合には、冷却水の温度は上昇する。

なお、配管８２には、冷却水の供給圧力を検出する圧力センサ８５や、燃料電池スタック１００から排出された冷却水の温度を検出する温度センサ８６が配設されている。循環ポンプ８１は、本発明における冷却媒体圧力制御部に相当する。また、循環ポンプ８１、および、三方弁８４は、本発明における冷却媒体温度制御部に相当する。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット９０によって制御される。制御ユニット９０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、各種センサの出力に基づいて、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動等、燃料電池システム１０００の全体の運転を制御する。制御ユニット９０は、本発明における圧力制御部、冷却媒体圧力制御部、冷却媒体温度制御部に相当する。

Ａ２．運転制御：
先に説明したように、燃料電池スタック１００は、外部からの締結荷重が加えられた状態で、テンションプレート５０や、ボルト５２によって締結されている。そして、燃料電池スタック１００の製造初期に設定された締結荷重は、長期間に亘って維持することは困難であり、経時的に変化する。すなわち、上述した締結荷重は、燃料電池スタック１００を構成する部材の熱膨張によって増加したり、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープ等によって低下したりする。そして、上述した締結荷重が過剰に増加した場合には、燃料電池スタック１００を構成する部材の早期劣化を招く。また、上述した締結荷重が過剰に低下した場合には、接触抵抗の低下を招き、燃料電池スタック１００の電池性能の低下を招く。このため、本実施例の燃料電池システム１０００では、以下に説明する運転制御処理を実行することによって、燃料電池スタック１００に加わる締結荷重を調整する。

図２は、第１実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１００による発電中に、制御ユニット９０のＣＰＵが実行する処理である。

まず、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重Ｌを検出する。また、圧力センサ６６、および、圧力センサ７４によって、燃料電池スタック１００内における水素の圧力（水素圧）、および、空気の圧力（空気圧）を検出する（ステップＳ１００）。

次に、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。本実施例では、所定範囲の上限値、および、下限値として、下限値Ｌｔｈ１、および、上限値Ｌｔｈ２が予め設定されているものとした。これらの値は、例えば、燃料電池スタック１００を構成する部材の材質等に応じて、任意に設定可能である。

そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にある場合には（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、下限値Ｌｔｈ１以下である場合には（Ｓ１１０：Ｌ≦Ｌｔｈ１）、ＣＰＵは、レギュレータ６２，６５を制御して、燃料電池スタック１００内の水素圧を増加させ、また、エアコンプレッサ７０の出力、レギュレータ７３を制御して、燃料電池スタック１００内の空気圧を増加させる（ステップＳ１２０）。なお、水素圧、および、空気圧の増加量は、任意に設定可能である。こうすることによって、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープ等によって、上述した締結荷重が経時的に低下した場合に、燃料電池スタック１００内の圧力を増加させ、締結荷重を増加させることができる。

また、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、上限値Ｌｔｈ２よりも大きい場合には（ステップＳ１１０：Ｌ＞Ｌｔｈ２）、ＣＰＵは、レギュレータ６２，６５を調整して、燃料電池スタック１００内の水素圧を減少させ、また、エアコンプレッサ７０の出力、レギュレータ７３を調整して、燃料電池スタック１００内の空気圧を減少させる（ステップＳ１３０）。なお、水素圧、および、空気圧の減少量は、任意に設定可能である。こうすることによって、燃料電池スタック１００に過剰な締結荷重が加わることによる燃料電池スタック１００を構成する部材の早期劣化を抑制することができる。

そして、ＣＰＵは、再度、歪みセンサ５４によって、締結荷重Ｌを検出し（ステップＳ１４０）、締結荷重Ｌが上述した所定範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ１５０）。そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが所定範囲内にある場合には（ステップＳ１５０：ＹＥＳ）、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にない場合には（ステップＳ１５０：ＮＯ）、警告処理を行い（ステップＳ１６０）、運転者に燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重の異常を警告する。警告処理としては、例えば、警告ランプの点灯や、警告音の発生等が挙げられる。

図３は、本実施例の燃料電池システム１０００における効果を概念的に示す説明図である。横軸に燃料電池システム１０００が搭載された電気自動車の走行距離、すなわち、燃料電池システム１０００の使用時間を示し、縦軸に燃料電池スタック１００に加わる締結荷重を示した。先に説明したように、燃料電池システム１０００では、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープ等が生じるため、図示するように、燃料電池スタック１００に加わる締結荷重は、走行距離に伴って、経時的に低下する。なお、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープは、一般に、初期段階で大きくなるため、上記締結荷重の低下は、初段階で大きくなる。そして、上述した運転制御処理を行わない場合には、ある時点を超えると、一点鎖線Ｌ２で示したように、締結荷重が下限値Ｌｔｈ１を下回って、燃料電池スタック１００内における接触抵抗が高くなり、電池性能の低下を招く。一方、上述した運転制御を行う場合には、実線Ｌ１で示したように、発電中に燃料電池スタック１００に加わる締結荷重が下限値Ｌｔｈ１を下回るまでの時間を延ばし、電池性能の低下を抑制することができる。

以上説明した第１実施例の燃料電池システム１０００によれば、比較的簡易な構成で、燃料電池スタック１００内の圧力を調整し、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することができる。

Ｂ．第２実施例：
第２実施例の燃料電池システム１０００の構成は、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。以下、第２実施例の運転制御処理について説明する。

図４は、第２実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１００による発電中に、制御ユニット９０のＣＰＵが実行する処理である。

まず、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重Ｌを検出する。また、圧力センサ８５によって、燃料電池スタック１００内における冷却水の圧力を検出する（ステップＳ２００）。

次に、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ２１０）。本実施例においても、第１実施例と同様に、所定範囲の上限値、および、下限値として、下限値Ｌｔｈ１、および、上限値Ｌｔｈ２が予め設定されているものとした。

そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にある場合には（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、下限値Ｌｔｈ１以下である場合には（Ｓ２１０：Ｌ≦Ｌｔｈ１）、ＣＰＵは、循環ポンプ８１の出力を増加させて、燃料電池スタック１００内の冷却水の圧力を増加させる（ステップＳ２２０）。なお、冷却水の圧力の増加量、すなわち、循環ポンプ８１の出力の増加量は、任意に設定可能である。こうすることによって、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープ等によって、上述した締結荷重が経時的に低下した場合に、燃料電池スタック１００内の圧力を増加させ、締結荷重を増加させることができる。

また、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、上限値Ｌｔｈ２よりも大きい場合には（ステップＳ２１０：Ｌ＞Ｌｔｈ２）、ＣＰＵは、循環ポンプ８１の出力を減少させて、燃料電池スタック１００内の冷却水の圧力を減少させる（ステップＳ２３０）。なお、冷却水の圧力の減少量、すなわち、循環ポンプ８１の出力の減少量は、任意に設定可能である。こうすることによって、燃料電池スタック１００に過剰な締結荷重が加わることによる燃料電池スタック１００を構成する部材の早期劣化を抑制することができる。

そして、ＣＰＵは、再度、歪みセンサ５４によって、締結荷重Ｌを検出し（ステップＳ２４０）、締結荷重Ｌが上述した所定範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ２５０）。そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが所定範囲内にある場合には（ステップＳ２５０：ＹＥＳ）、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にない場合には（ステップＳ２５０：ＮＯ）、警告処理を行い（ステップＳ２６０）、運転者に燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重の異常を警告する。

以上説明した第２実施例の燃料電池システム１０００によっても、第１実施例と同様に、比較的簡易な構成で、燃料電池スタック１００内の圧力を調整し、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することができる。

Ｃ．第３実施例：
第３実施例の燃料電池システム１０００の構成は、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。以下、第３実施例の運転制御処理について説明する。

図５は、第３実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１００による発電中に、制御ユニット９０のＣＰＵが実行する処理である。

まず、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重Ｌを検出する。また、温度センサ８６によって、燃料電池スタック１００内における冷却水の温度を検出する（ステップＳ３００）。

次に、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ３１０）。本実施例においても、第１実施例と同様に、所定範囲の上限値、および、下限値として、下限値Ｌｔｈ１、および、上限値Ｌｔｈ２が予め設定されているものとした。

そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にある場合には（Ｓ３１０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、下限値Ｌｔｈ１以下である場合には（Ｓ３１０：Ｌ≦Ｌｔｈ１）、ＣＰＵは、循環ポンプ８１の出力を減少させるとともに、冷却水が、ラジエータ８０を通らずに、バイパス配管８３を流れるように、三方弁８４を切り換え、燃料電池スタック１００内の冷却水の温度を上昇させる（ステップＳ３２０）。そして、適宜、三方弁８４の切り換え等を行い、冷却水の温度を維持する。なお、冷却水の温度の上昇量は、燃料電池スタック１００による発電に適した温度範囲内で任意に設定可能である。こうすることによって、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープ等によって、上述した締結荷重が経時的に低下した場合に、燃料電池スタック１００を構成する部材を熱膨張させ、締結荷重を増加させることができる。

また、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、上限値Ｌｔｈ２よりも大きい場合には（ステップＳ３１０：Ｌ＞Ｌｔｈ２）、ＣＰＵは、ラジエータ８０が備えるファンの出力を増加させて、燃料電池スタック１００内の冷却水の温度を低下させる（ステップＳ２３０）。そして、適宜、ファンの出力を制御して、冷却水の温度を維持する。なお、冷却水の温度の低下量は、燃料電池スタック１００における発電に適した温度範囲内で任意に設定可能である。こうすることによって、燃料電池スタック１００に過剰な締結荷重が加わることによる燃料電池スタック１００を構成する部材の早期劣化を抑制することができる。

そして、ＣＰＵは、再度、歪みセンサ５４によって、締結荷重Ｌを検出し（ステップＳ３４０）、締結荷重Ｌが上述した所定範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ３５０）。そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが所定範囲内にある場合には（ステップＳ３５０：ＹＥＳ）、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定範囲内にない場合には（ステップＳ３５０：ＮＯ）、警告処理を行い（ステップＳ３６０）、運転者に燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重の異常を警告する。

以上説明した第３実施例の燃料電池システム１０００によっても、第１実施例と同様に、比較的簡易な構成で、燃料電池スタック１００内の圧力を調整し、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することができる。

Ｄ．第４実施例：
第４実施例の燃料電池システム１０００の構成は、図１に示した第１実施例の燃料電池システム１０００と同じである。以下、第４実施例の運転制御処理について説明する。

図６は、第４実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、燃料電池スタック１００による発電中に、制御ユニット９０のＣＰＵが実行する処理である。

まず、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重Ｌを検出する。また、温度センサ４２によって、燃料電池スタック１００の温度Ｔを検出する。また、圧力センサ６６、および、圧力センサ７４によって、燃料電池スタック１００内における水素圧、および、空気圧を検出する（ステップＳ４００）。

次に、ＣＰＵは、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、所定の下限値Ｌｔｈ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ４１０）。そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、下限値Ｌｔｈ１よりも大きい場合には（Ｓ４１０：ＮＯ）、ＣＰＵは、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、下限値Ｌｔｈ１以下である場合には（Ｓ４１０：Ｌ≦Ｌｔｈ１）、ＣＰＵは、温度センサ４２によって検出された燃料電池スタック１００の温度が所定の上限値Ｔｔｈ以上であるか否かを判断する（ステップＳ４２０）。

そして、温度センサ４２によって検出された温度Ｔが、上限値Ｔｔｈ未満である場合には（ステップＳ４２０：ＮＯ）、ＣＰＵは、循環ポンプ８１の出力を減少させるとともに、冷却水が、ラジエータ８０を通らずに、バイパス配管８３を流れるように、三方弁８４を切り換え、燃料電池スタック１００内の冷却水の温度を上昇させる（ステップＳ４３０）。そして、適宜、三方弁８４の切り換え等を行い、冷却水の温度を維持する。なお、冷却水の温度の上昇量は、燃料電池スタック１００による発電に適した温度範囲内で任意に設定可能である。こうすることによって、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープ等によって、上述した締結荷重が経時的に低下した場合に、燃料電池スタック１００を構成する部材を熱膨張させ、締結荷重を増加させることができる。

一方、温度センサ４２によって検出された温度Ｔが、上限値Ｔｔｈ以上である場合には（ステップＳ４２０：ＹＥＳ）、ＣＰＵは、循環ポンプ８１の出力を増加させて、燃料電池スタック１００内の冷却水の圧力を増加させるとともに、レギュレータ６２，６５を制御して、燃料電池スタック１００内の水素圧を増加させ、また、エアコンプレッサ７０の出力、レギュレータ７３を制御して、燃料電池スタック１００内の空気圧を増加させる（ステップＳ４４０）。こうすることによって、燃料電池スタック１００を構成する部材のクリープ等によって、上述した締結荷重が経時的に低下した場合に、燃料電池スタック１００内の圧力を増加させ、締結荷重を増加させることができる。

そして、ＣＰＵは、再度、歪みセンサ５４によって、締結荷重Ｌを検出し（ステップＳ４５０）、締結荷重Ｌが下限値Ｌｔｈ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ４６０）。そして、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが下限値Ｌｔｈ１よりも大きい場合には（ステップＳ４６０：ＮＯ）、ＣＰＵは、この運転制御処理を終了する。一方、歪みセンサ５４によって検出された締結荷重Ｌが、下限値Ｌｔｈ１以下である場合には（ステップＳ４６０：ＹＥＳ）、警告処理を行い（ステップＳ４７０）、運転者に燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重の異常を警告する。

以上説明した第４実施例の燃料電池システム１０００によっても、第１実施例と同様に、比較的簡易な構成で、燃料電池スタック１００内の圧力を調整し、燃料電池スタックに加わる締結荷重を調整することができる。

Ｅ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｅ１．変形例１：
上記各実施例では、テンションプレート５０に設置された歪みセンサ５４によって、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重を、間接的に検出するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、燃料電池スタック１００において積層されるいずれかの部材間に圧力センサを挟み、この圧力センサによって、燃料電池スタック１００に加わっている締結荷重を、直接的に検出するようにしてもよい。

Ｅ２．変形例２：
上記実施例では、温度センサ４２によって、燃料電池スタック１００の温度を、直接的に検出するものとしたが、本発明は、これに限られない。例えば、配管８２に、燃料電池スタック１００に供給される冷却水の温度を検出する温度センサを設け、この温度センサによって検出された温度と、温度センサ８６によって検出された、燃料電池スタック１００から排出された冷却水の温度との差に基づいて、燃料電池スタック１００の温度を推定するようにしてもよい。

Ｅ３．変形例３：
上記第１実施例の運転制御では、ステップＳ１２０、および、ステップＳ１３０において、水素圧、および、空気圧の双方を増減させるものとしたが、本発明は、これに限られず、水素圧、および、空気圧のいずれかを増減させるものとしてもよい。ただし、水素圧、および、空気圧の双方を増減させることによって、セル４０が備える膜電極接合体の両面における圧力差を小さくし、膜電極接合体の破損を抑制することができる。

なお、ステップＳ１２０において、水素圧、および、空気圧のいずれかを増加させる場合には、水素圧を増加させるよりも、空気圧を増加させる方が好ましい。こうすることによって、カソードからの水（生成水）の排出が抑制されるため、電解質膜が膨潤し、締結荷重が増加する。これらは、第４実施例の運転制御のステップＳ４４０についても同様である。

Ｅ４．変形例４：
上記第１ないし第４実施例における運転制御処理を、適宜、組み合わせたり、一部を省略したりしてもよい。

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 第１実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。 本実施例の燃料電池システム１０００における効果を概念的に示す説明図である。 第２実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。 第３実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。 第４実施例の運転制御処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ，１０ｂ…エンドプレート
２０ａ，２０ｂ…絶縁板
３０ａ，３０ｂ…集電板
４０…セル
４２…温度センサ
５０…テンションプレート
５２…ボルト
５４…歪みセンサ
６０…水素タンク
６１…シャットバルブ
６２…レギュレータ
６３…配管
６４…排出配管
６５…レギュレータ
６６…圧力センサ
７０…エアコンプレッサ
７１…配管
７２…排出配管
７３…レギュレータ
７４…圧力センサ
８０…ラジエータ
８１…循環ポンプ
８２…配管
８３…バイパス配管
８４…三方弁
８５…圧力センサ
８６…温度センサ
９０…制御ユニット

Claims (10)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、
   前記締結荷重を検出する締結荷重検出部と、
   前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタック内における前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の圧力を制御する圧力制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記圧力制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の圧力を増加させる、
   燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、
   前記圧力制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスの双方の圧力を増加させる、
   燃料電池システム。
4. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに冷却媒体を流すことによって、前記燃料電池スタックを冷却する冷却システムと、
   前記締結荷重を検出する締結荷重検出部と、
   前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタック内における前記冷却媒体の圧力を制御する冷却媒体圧力制御部と、
   を備える燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却媒体圧力制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記冷却媒体の圧力を増加させる、
   燃料電池システム。
6. 燃料電池システムであって、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに冷却媒体を流すことによって、前記燃料電池スタックを冷却する冷却システムと、
   前記締結荷重を検出する締結荷重検出部と、
   前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタックに流す前記冷却媒体の温度を制御する冷却媒体温度制御部と、
   を備える燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムであって、
   前記冷却媒体温度制御部は、前記検出された締結荷重が所定値以下であるときに、前記燃料電池スタック内における前記冷却媒体の温度を上昇させる、
   燃料電池システム。
8. 燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックを備えており、
   前記制御方法は、
   前記締結荷重を検出する締結荷重検出工程と、
   前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタック内における前記燃料ガス、および、前記酸化剤ガスのうちの少なくとも一方の圧力を制御する圧力制御工程と、
   を備える制御方法。
9. 燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池システムは、
   燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに冷却媒体を流すことによって、前記燃料電池スタックを冷却する冷却システムと、を備えており、
   前記制御方法は、
   前記締結荷重を検出する締結荷重検出工程と、
   前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタック内における前記冷却媒体の圧力を制御する冷却媒体圧力制御工程と、
   を備える制御方法。
10. 燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池システムは、
    燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセルを複数積層させるとともに、前記セルの積層方向に所定の締結荷重が加えられた燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに冷却媒体を流すことによって、前記燃料電池スタックを冷却する冷却システムと、を備えており、
    前記制御方法は、
    前記締結荷重を検出する締結荷重検出工程と、
    前記検出された締結荷重に基づいて、前記燃料電池スタックに流す前記冷却媒体の温度を制御する冷却媒体温度制御工程と、
    を備える制御方法。

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