JP2008305686A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の運転状態に関わらず、膜電極接合体の面内における荷重分布を均一とする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を定寸に締結する。燃料電池スタック１０の運転中に、要求電流、温度，燃料ガスの供給圧力，酸化剤ガスの供給圧力を検出し、それら検出値から運転状態に対応した荷重分布を推定する。そうして、その荷重分布に基づいて、荷重管理層２４に供給する加湿ガスを面内で制御することにより、ＭＥＡ１２の面内の荷重分布を均一化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システムに関する。

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膜電極接合体を、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、複数の膜電極接合体は、各膜電極接合体内、および、各膜電極接合体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両側から膜電極接合体の積層方向に締結部材によって締結される。

このような燃料電池スタックの締結構造の一つとして、締結部材による積層体への締結力を可変する制御装置を備える技術が提案されている（例えば、下記特許文献１）。さらに、下記特許文献２には、各膜電極接合体の間をつなぐセパレータの内部に面圧発生板を設けることによって、燃料電池スタックの内部から上記締結の圧力を得る技術が提案されている。

特開２００４−２５３２６９号公報 特開平６−６８８９８号公報

しかしながら、前記従来の技術のいずれであっても、前記膜電極接合体の表面積が大きくなると、燃料電池スタックの運転中に、膜電極接合体の面内における電流密度や温度や湿度の分布にバラツキが生じる。このために、燃料電池スタックの運転中に、膜電極接合体の面内における荷重分布が大きくばらつくという問題が発生した。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックの運転中において、膜電極接合体の面内における荷重分布を均一化することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例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膜電極接合体を導電性のセパレータを介して複数積層し、該積層体を両側から定寸に締結した燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することによって前記燃料電池スタックを運転する運転手段と、前記運転手段による前記運転中に、前記膜電極接合体における面内の荷重分布を推定する荷重分布推定手段と、前記膜電極接合体の表面を複数の領域に分けて、各領域に対して個別に荷重を掛ける荷重付与手段と、前記荷重分布演推定手段により得られた荷重分布に基づいて前記荷重付与手段を制御して、前記膜電極接合体における面内の荷重分布の偏りを低減する分布偏り低減手段とを備える燃料電池システム。

以上のように構成された適用例１は、燃料電池スタックの運転中に、膜電極接合体の面内の荷重分布を推定し、その推定して得られた荷重分布に基づいて、膜電極接合体の表面に定められた複数の領域のそれぞれに対して個別に荷重を掛けることにより、前記面内の荷重分布の偏りを低減する。したがって、適用例１の燃料電池システムでは、燃料電池スタックの運転中において、その運転状態に応じて面内の荷重分布を均一化の方向に制御することができる。

［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記荷重分布推定手段は、前記運転手段による前記運転中に、前記膜電極接合体における面内の荷重分布に偏りを与え得る運転パラメータを検出するパラメータ検出手段と、前記検出された運転パラメータに基づいて、前記膜電極接合体についての面内の荷重分布を求める荷重分布演算手段とを備える燃料電池システム。

適用例２の構成によれば、燃料電池スタックにもともと設けられたセンサを用いて荷重分布を求めることができることから、構成が簡単にすむ。

［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池システムであって、前記運転パラメータは、前記燃料電池スタックの要求電流、前記燃料電池スタックの温度、前記燃料ガスの供給圧力および前記酸化剤ガスの供給圧力のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。

適用例３の構成によれば、燃料電池スタックの要求電流が変化したとき、あるいは、燃料電池スタックの温度が変化したとき、あるいは、燃料ガスの供給圧力が変化したとき、あるいは酸化剤ガスの供給圧力が変化したときにも、膜電極接合体の面内の荷重分布を均一化の方向に制御することができる。

［適用例４］
適用例２または３に記載の燃料電池システムであって、前記荷重分布演算手段は、前記運転パラメータの各値から定まる運転状態毎に対応する荷重分布を定めたテーブルデータを予め記憶するメモリと、前記パラメータ検出手段により検出された前記運転パラメータを前記テーブルデータに照らし合わせることにより前記荷重分布を求める手段とを備える、燃料電池システム。

適用例４の構成によれば、パラメータ検出手段により検出された運転パラメータをテーブルデータに照合するといった簡単な構成により、面内の荷重分布を得ることができる。

［適用例５］
適用例１に記載の燃料電池システムであって、前記荷重分布推定手段は、前記運転手段による前記運転中に、前記膜電極接合体の面内における複数地点の荷重を検出する複数の荷重検出手段と、前記検出された各荷重に基づいて、前記膜電極接合体についての面内の荷重分布を求める荷重分布演算手段とを備える燃料電池システム。

適用例５の構成によれば、複数の荷重検出手段により検出された実測値から荷重分布を求めることができることから、荷重分布を高精度に求めることができることから、荷重分布の均一化の精度を高めることができる。

［適用例６］
適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記荷重付与手段は、前記膜電極接合体と膜電極接合体の間に設けられ、水を含むと膨張する樹脂と導電性材料とを混合してなる水膨張層と、前記水膨張層の面に複数の領域を定めて、各領域に対して個別に加湿ガスを供給する加湿ガス供給手段とを備える、燃料電池システム。

適用例６の構成によれば、加湿ガス供給手段により、水膨張層の表面に定めた複数の領域のそれぞれに個別に加湿ガスの供給を行うことができることから、その供給量を領域毎に制御することで、水膨張層の表面に定めた複数の領域のそれぞれを個別に加湿することができる。加湿ガスを受けた水膨張層の各領域は膨張しようとするが、燃料電池スタックは定寸に締結された構造となっていることから、各領域個別に膜電極接合体の表面を積層方向に押圧する。したがって、この構成によれば、膜電極接合体に対する荷重を、積層方向に垂直な面の面内位置によって変化させることが可能となり、膜電極接合体の面内の荷重分布を変えることができる。

［適用例７］
適用例６に記載の燃料電池システムであって、前記加湿ガスは、前記酸化剤ガスの供給を受けるカソードから排出されるカソードオフガスである、燃料電池システム。

適用例７の構成によれば、カソードオフガスを加湿ガスとして有効利用することができる。このために新たに加湿ガスを作り出す必要もなく、エネルギ効率に優れている。

［適用例８］
適用例６または７に記載の燃料電池システムであって、前記水膨張層は、前記樹脂として電解質が用いられ、前記導電性材料としてカーボンが用いられ、前記カーボンの全体に占める濃度は４０vol％である、燃料電池システム。

適用例８の構成によれば、水膨張層は、充分な導電性と、水を含んだときの充分な寸法変化とを併せ持つことができる。したがって、水膨張層として最適である。

［適用例９］
適用例１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記荷重付与手段は、前記膜電極接合体と膜電極接合体の間に設けられ、前記各領域に対応して流通する複数の水流路と、各水流路の水圧を個別に制御する水圧制御手段とを備える、燃料電池システム。

適用例９の構成によれば、水圧制御手段により、複数の水流路の水圧を個別に制御することができることから、各水流路に対応した各領域に掛かる水圧を個別に制御することができる。したがって、膜電極接合体の面内の荷重分布を変えることが可能となる。

［適用例１０］
適用例９に記載の燃料電池システムであって、前記水流路に流通させる水は、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水である、燃料電池システム。

適用例９の構成によれば、既存の冷却水系を有効利用することができ、新たな水流路系を設置する必要がない。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
Ａ−２．ソフトウェアの構成：
Ａ−３．作用・効果：
Ｂ．第２実施例：
Ｃ．第３実施例：
Ｄ．他の実施形態：

Ａ．第１実施例：
Ａ−１．燃料電池システムの全体構成：
図１は、本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１の全体構成図である。図示するように、この燃料電池システム１は、燃料ガスとしての水素ガスと酸素を含む酸化剤ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池スタック１０と、水素ガス源（図示せず）からの水素ガスをシステム内で流通させるための水素ガス流路系３０と、酸化剤ガスとしてのエア（空気）を流通させるためのエア流路系４０と、燃料電池スタック１０の冷却用の冷却水を流通させるための冷却水系６０と、燃料電池システム１の運転をコントロールする電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」と呼ぶ）７０とを備えている。この燃料電池システム１は、車両の駆動モータ（図示せず）の供給電源として使用され、燃料電池スタック１０で発生された電力を負荷である駆動モータ等に与えている。

図２は、燃料電池スタック１０を構成する単セル１０ｃの概略構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、多数の単セル１０ｃが積層されたスタック構造を有するもので、図２では２つ分の単セル１０ｃの縦断面が示されている。燃料電池スタック１０の単セル１０ｃは、主として、固体高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」と呼ぶ）１３の両面に電極１４，１５が配置された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly、以下ＭＥＡという)１２と、ＭＥＡ１２を両面から挟み込むセパレータ１６，１６とを備えている。

図３は、燃料電池スタック１０の概略側面を示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１０は、単セル１０ｃを複数積層し、その両端に集電板９０，９０を配置し、さらにその外側に電気絶縁性を有する絶縁板９２，９２を配置している。さらに、両側からエンドプレート９４，９４で挟み、締め付けボルト９６、皿バネ９７および締め付けナット９８を用いて、エンドプレート９４に挟まれた積層体を締め付け、加圧しながら保持している。この結果、燃料電池スタック１０は、多数の単セル１０ｃを緊密に積層することで数百Ｖの直流電源となるとともに、単セル１０ｃの積層体を両側から定寸に締結した構造となっている。

図２に戻って、各単セル１０ｃに備えられるＭＥＡ１２は、電解質膜１３を二つの電極、つまり燃料極であるアノード１４と酸素極であるカソード１５とで挟みこんだものである。ここで、電解質膜１３は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有する固体高分子材料で作製された膜であり、具体的にはフッ素系樹脂により形成された膜（デュポン社製のナフィオン膜等）などが挙げられる。アノード１４及びカソード１５は、それぞれ触媒電極１４ａ，１５ａとガス拡散電極１４ｂ，１５ｂとによって構成されている。触媒電極１４ａ，１５ａは、電解質膜１３に接触する側に位置し、白金微粒子を担持させた導電性カーボンブラックにより形成されている。一方、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、触媒電極１４ａ，１５ａに積層され、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、触媒電極１４ａ，１５ａに含まれる白金は、水素をプロトンと電子に分けるのを促進したり酸素とプロトンと電子から水を生成する反応を促進する作用を有するものであるが、同様の作用を有するものであれば白金以外のものを用いてもよい。また、ガス拡散電極１４ｂ，１５ｂは、カーボンクロスのほか、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフェルトによって形成してもよく、十分なガス拡散性および導電性を有していればよい。

セパレータ１６は、冷却水路形成部層２０と荷重管理層２４と燃料流路形成層２６とを備える。冷却水路形成部層２０は、平板を山型に加工した第１の板部２０ａと平板を谷型に加工した第２の板部２０ｂとを一体的に接合したもので、上記山型の部分と谷型の部分とにより、アノード１４及びカソード１５の各面に平行な方向に延びる断面六角形の単セル内冷却水流路２１を形成する。なお、第１の板部２０ａの山型の部分はカソード１５と接しており、この第１の板部２０ａとカソード１５の表面との間の空間が、エアが通過する単セル内酸化剤ガス流路２２となる。第２の板部２０ｂの谷型の部分は、荷重管理層２４と接しており、この第２の板部２０ｂと荷重管理層２４の表面との間の空間が、後述する加湿ガスが通過する単セル内加湿ガス流路２５となる。各流路２１，２２，２５は、図中において図面の厚さ方向にストレートに延びる流路である。

荷重管理層２４は、水を含むと膨張する樹脂と導電性材料とを混合した材料により成型されたもので、平板形状をしている。荷重管理層２４は、本発明の「水膨張層」に対応する。上記樹脂は、例えば電解質であり、フッ素系樹脂や炭化水素系イオン交換樹脂等が該当する。導電性材料は、カーボンやＴｉ等の金属等が該当する。この実施例では、電解質としてフッ素系樹脂が用いられ、導電性材料としてカーボンが用いられている。浸透理論（パーコレーション理論）によると、カーボンの全体に占める濃度が１５vol％を下回ると必要なだけの導電性が発揮されないことが知られている。一方、カーボン量が多すぎると、水を含んでも充分な寸法変化が得られない。この実施例では、カーボンの全体に占める濃度を、１５〜６０vol％、好ましくは４０vol％とした。なお、水を含むと膨張する樹脂は電解質に限る必要もなく、ＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の吸湿性樹脂等に換えることもできる。

荷重管理層２４の表面には、前述したように、複数本の単セル内加湿ガス流路２５が沿わして設けられている。単セル内加湿ガス流路２５は、後述する加湿ガス流路系から加湿ガスの供給を受ける。加湿ガスは単セル内加湿ガス流路２５を通過して、荷重管理層２４の表面に送られる。加湿ガスを受けた荷重管理層２４は膨張しようとするが、前述したように燃料電池スタック１０は定寸に締結された構造となっていることから、単セル内を積層方向に押圧する。この実施例では、複数本の単セル内加湿ガス流路２５は、ＭＥＡ１２の表面全体に対応しており、後述する構成によって、所定の本数毎のグループに区分けされ、グループ毎に流量を制御できる構成となっている。この構成により、荷重管理層２４は、単セル内の積層方向のＰＲ、換言すればＭＥＡ１２に対する荷重を、単セル１０ｃの積層方向に垂直な面の面内位置によって変化させることが可能となる。すなわち、ＭＥＡ１２についての面内の荷重分布を変えることができる。

燃料流路形成層２６は、荷重管理層２４における冷却水路形成部層２０と反対側の面に接して設けられている。燃料流路形成層２６は、カーボンや金属などの導電性材料で形成されたガス不透過な部材である。燃料流路形成層２６の表面には、所定の凹凸形状が形成されており、アノード１４との間で、水素ガスが通過する単セル内燃料ガス流路２７が形成されている。

図１に戻って、水素ガス流路系３０は、水素ガス源の放出口から燃料電池スタック１０の水素ガス供給口に至る水素ガス供給管３２と、燃料電池スタック１０の水素ガス排出口に接続される水素ガス排出管３４とを備える。前記燃料電池スタック１０の水素ガス供給口および水素ガス排出口は、図示しないマニホルドホールを介して前述した単セル内燃料ガス流路２７（図２）に接続されている。水素ガス供給管３２は、水素調圧バルブＶ１と圧力センサＰ１を備える。水素ガス排出管３４は、水素ポンプ３６等を備える。

エア流路系４０は、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口に至るエア供給管４２と、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス排出口に接続されるエア排出管４４とを備える。前記酸化剤ガス供給口および酸化剤ガス排出口は、図示しないマニホルドホールを介して前述した単セル内酸化剤ガス流路２２（図２）に接続されている。エア供給管４２は、エアコンプレッサ４６と圧力センサＰ２を備える。エア排出管４４は、三方バルブＶ２を備える。

三方バルブＶ２の分岐口には、加湿ガス供給系５０が接続されている。加湿ガス供給系５０は、三方バルブＶ２の分岐口から燃料電池スタック１０の加湿ガス供給口に至る加湿ガス供給管５２と、燃料電池スタック１０の加湿ガス排出口に接続される加湿ガス排出管５４とを備える。加湿ガス供給管５２は、途中３本の流路に分岐して燃料電池スタック１０に接続される。なお、分岐された各流路５２ａ，５２ｂ，５２ｃ（図４）はバルブＶ３〜Ｖ５を備える。また、加湿ガス排出管５４は、燃料電池スタック１０に接続される３本の流路５４ａ，５４ｂ，５４ｃ（図４）を１本に集合したもので、上記３本の流路のそれぞれはバルブＶ６〜Ｖ８を備える。加湿ガス供給系５０を流れる加湿ガスは、三方バルブＶ２により分配されたエア排出管４４を流れるガス、すなわちカソード１５から排出されるカソードオフガスである。

図４は、燃料電池スタック１０に対する加湿ガス供給系５０の接続の様子を示す説明図である。この図は、燃料電池スタック１０の内部を積層方向に見た図である。なお、この図のＡ−Ａ断面の一部が図２に該当する。

図示するように、燃料電池スタック１０は、ＭＥＡ１２と一体的に形成されるガスケット１０２を備える。ガスケット１０２は、枠形状であり、その内側にＭＥＡ１２が設けられている。ＭＥＡ１２の表面には、長手方向にほぼ等しく３つの領域が定められており、各領域の積層方向の上方には、複数本（図示の例では５本）の単セル内加湿ガス流路２５の集合がそれぞれ設けられている。図中、右側の５本の集合を第１の単セル内加湿ガス流路群２５Ａ、中央の５本の集合を第２の単セル内加湿ガス流路群２５Ｂ、左側の５本の集合を第３の単セル内加湿ガス流路群２５Ｃとそれぞれ呼ぶものとする。なお、前述したように実際には、ＭＥＡ１２と単セル内加湿ガス流路２５との間には、荷重管理層２４と燃料流路形成層２６とが存在するが、図４においては、ＭＥＡ１２に対する単セル内加湿ガス流路２５の位置関係を示しているだけで、荷重管理層２４と燃料流路形成層２６は図示を省略した。

第１の単セル内加湿ガス流路群２５Ａの各流路の一方側の端部は加湿ガス供給管５２の第１の分岐流路５２ａに接続され、前記各流路の他方側の端部は加湿ガス排出管５４の第１の流路５４ａに接続されている。第２の単セル内加湿ガス流路群２５Ｂの各流路の一方側の端部は加湿ガス供給管５２の第２の分岐流路５２ｂに接続され、前記各流路の他方側の端部は加湿ガス排出管５４の第２の流路５４ｂに接続されている。第３の単セル内加湿ガス流路群２５Ｃの各流路の一方側の端部は加湿ガス供給管５２の第３の分岐流路５２ｃに接続され、前記各流路の他方側の端部は加湿ガス排出管５４の第３の流路５４ｃに接続されている。各分岐流路５２ａ，５２ｂ，５２ｃには前述したバルブＶ３〜Ｖ５が設けられ、各流路５４ａ，５４ｂ，５４ｃには前述したバルブＶ６〜Ｖ８が設けられていることから、バルブＶ３とＶ６の組、バルブＶ４とＶ７の組、バルブＶ５とＶ８の組を個別に調整することで、第１ないし第３の単セル内加湿ガス流路群２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃのそれぞれの単位で、単セル内加湿ガス流路２５に流れる加湿ガスの流量を制御することができる。

なお、ガスケット１０２には、セル間酸化剤ガス通路を構成する第１および第２の長孔１０４，１０５と、セル間燃料ガス通路を構成する第３および第４の孔１０６，１０７と、セル間冷却水通路を構成する第５および第６の長孔１０８，１０９とが形成されている。第１および第２の長孔１０４，１０５のうちの図中右上にある第１の長孔１０４が流入口で、図中左下にある第２の長孔１０５が流出口であることから、酸化剤ガスは図中矢印Ｒ１に示すように右上から左下に向かう方向に流れる。一方、第３および第４の長孔１０６，１０７のうちの図中左上にある第３の長孔１０６が流入口で、図中右下にある第４の長孔１０７が流出口であることから、燃料ガスは図中矢印Ｒ２に示すように左上から右下に向かう方向に流れる。したがって、本実施例の燃料電池スタック１０では、燃料ガスと酸化剤ガスとの流れ方向が互いに対向する、いわゆる対向流型の流入方式となっている。

以上詳述してきた水素ガス流路系３０およびエア流路系４０の構成、セル間燃料ガス通路およびセル間酸化剤ガス通路の構成、単セル内燃料ガス流路２７および単セル内酸化剤ガス流路２２の構成によって、燃料電池スタック１０の各ＭＥＡ１２に対して水素ガスの給排とエアの給排が行われる。各ＭＥＡ１２は、水素ガスとエアの供給を受けると、電気化学反応（電池反応）によって発電を行う。

図１に戻って、冷却水系６０は、燃料電池スタック１０に形成された単セル内冷却水流路２１を通過するように形成された冷却水循環用配管６２と、ラジエータ６４と、冷却水ポンプ６６とを備えている。冷却水ポンプ６６を駆動することで、単セル内冷却水流路２１内で冷却水を循環させることができる。燃料電池スタック１０では、電気化学反応の進行と共に熱が生じるため、発電中は、燃料電池スタック１０内に冷却水を循環させ、この冷却水をラジエータ６４で冷却することによって、燃料電池スタック１０の内部温度を所定の範囲内に保つ。なお、冷却水循環用配管６２における燃料電池スタック１０よりも下流側には、冷却水の温度を検出する温度センサＴ１が設けられている。

前述した水素ポンプ３６、水素調圧バルブＶ１、エアコンプレッサ４６、三方バルブＶ２、バルブＶ３〜Ｖ８、冷却水ポンプ６６、圧力センサＰ１，Ｐ２および温度センサＴ１等は、ＥＣＵ７０と電気的に接続されている。ＥＣＵ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ（図示せず）等を備えた周知のマイクロコンピュータによって構成される。ＲＯＭには、各種のコンピュータプログラムや後述するマップデータが予め格納されている。ＣＰＵは、ＲＡＭをワークエリアとして用いて前記コンピュータプログラムを実行することにより、前記電気的に接続された各パーツの動作タイミングを制御する。

Ａ−２．ソフトウェアの構成：
詳細には、ＥＣＵ７０は、ＣＰＵによって、前記コンピュータプログラムを実行することにより、（ｉ）負荷要求に応じて（すなわち、要求電流に応じて）水素ガスおよびエアの量を調節して燃料電池スタック１０の運転を制御する運転制御と、（ii）燃料電池スタック１０の運転中に、加湿ガスの量を調整してＭＥＡ１２の面内の荷重分布を均一化する荷重分布制御、等を行なう。上記運転制御については、周知の構成であることから、詳細な説明はここでは省略する。上記荷重分布制御について、以下に詳述する。

図５は、ＥＣＵ７０により実行される荷重分布制御処理を示すフローチャートである。この処理は、上記運転制御の実行時に所定時間毎（例えば、１００［ｍｓ］毎）の割り込みにて実行される。

図５に示すように、処理が開始されると、ＥＣＵ７０のＣＰＵは、まず、燃料電池スタック１０に対する負荷要求を示す要求電流Ｌを演算する処理を行う（ステップＳ１００）。この演算処理は例えば次のようにして行なう。図示しないアクセル開度センサからセンサ信号を読み込むことで現在のアクセル開度を検出し、そのアクセル開度から駆動モータにて目標とする駆動トルクを算出し、この目標駆動トルクを駆動モータにて発生するために必要となる消費電流を要求電流Ｌとして求める。なお、駆動モータ以外に負荷となりうる補機があるような場合にはその補機の動作に必要な消費電流も足し併せて要求電流として演算する。

次いで、ＣＰＵは、温度センサＴ１、圧力センサＰ１，Ｐ２の各検出値（温度Ｓｔ，ガス圧力Ｓｐ１，Ｓｐ２）を取り込む（ステップＳ１１０）。続いて、ＣＰＵは、ステップＳ１００で求めた要求電流Ｌと、ステップＳ１１０で取り込んだ温度Ｓｔ，ガス圧力Ｓｐ１，Ｓｐ２とをＲＯＭに記憶した後述するテーブルデータに照合して、荷重分布を推定する処理を行う（ステップＳ１２０）。

図６は、前述した対向流型の単セルにおける電流分布の一例を示す説明図である。前述した単セル１０ｃを車両に乗せない状態で、１．０［Ａ／ｃｍ²］の要求電流でもって運転させたときの面内の電流分布（電流密度分布）を実験的に測定したものが、図示のものである。ここで「面内」とは、ＭＥＡ１２についての面内であり、以下同様に、単に面内という場合はＭＥＡ１２についての面内である。図中の矩形Ｇは、図４におけるガスケット１０２の内側部分（以下、発電領域と呼ぶ）に相当し、ハッチングの濃度が濃い部分ほど電流密度が大きい。図示するように、前述した対向流型の単セル１０ｃにおいて、面内の電流分布が、図中左右方向の外側付近（すなわち、セル間酸化剤ガス通路やセル間燃料ガス通路付近で）では１．０［Ａ／ｃｍ²］と小さく、図中左右方向の中央付近では１．５［Ａ／ｃｍ²］と大きい。このように、対向流型の単セルにおいては電流分布にバラツキが生じることはよく知られている。

上記単セルの面内の電流分布は、要求電流の値だけではなく、単セルの温度や、単セルに供給される燃料ガスと酸化剤ガスの各圧力によっても変化することが知られている。すなわち、面内の荷重分布に偏りを与え得る運転パラメータとして、要求電流、単セルの温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力がある。このため、詳細には、前述した単セル１０ｃを車両に乗せない状態で、上記運転パラメータの少なくとも１つを順に変化させて、それぞれのときの電流分布を予め測定しておく。そして、それら測定された各電流分布から各荷重分布を推定して、その推定した各荷重分布を、対応する運転状態、すなわち要求電流、単セルの温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力の各値ととともに記憶するテーブルデータを作成する。

図７は、上記推定した荷重分布の一例を示すグラフである。このグラフは、上記運転パラメータのそれぞれの値から定まる一の運転状態のときのもので、図６の電流分布に対応したものである。図７におけるグラフの横軸は発電領域Ｇの長手方向Ｘの位置を示し、セル間酸化剤ガス通路の流入口１０４側が横軸の左側に、セル間酸化剤ガス通路の流出口１０５側が横軸の右側に対応している（つまり、図６と図７とは左右方向が反転している）。作業者は、図６に示した電流分布の測定結果から、発電領域Ｇの長手方向Ｘの各位置における短手方向Ｙの各位置の荷重値を順に積算し、その積算値を図７の縦軸の荷重値として順にプロットしていく。その結果が図７に例示したグラフである。

作業者は、上記グラフを、要求電流、単セルの温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力の各値を順に変化させて測定した電流分布毎に作成する。そうして、作業者は、各グラフを、対応する要求電流、単セルの温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力の各値に対応させてＥＣＵ７０のＲＯＭに格納する。なお、上記説明では、電流分布を測定して電流分布から荷重分布を求めていたが、これに換えて、温度分布または抵抗（膜含水）分布を測定してその分布から荷重分布を求める構成としてもよい。

図８は、ＲＯＭに格納されるテーブルデータＴＢＬ等を示す説明図である。図示するように、ＲＯＭには、テーブルデータＴＢＬと複数のグラフデータＧＤが格納されている。テーブルデータＴＢＬは、要求電流、単セルの温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力の各項目Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４と、グラフデータＧＤの格納位置を示す（リンクされた）項目Ｆ５とにより構成される１レコードを複数備える。グラフデータＧＤは、図７に例示した荷重分布のグラフを示すデータであり、リンク元のレコードが示す運転条件によって得られた電流分布に基づいて作成されたものである。

図５におけるステップＳ１２０では、詳細には、ＥＣＵ７０のＣＰＵは、ステップＳ１００で求めた要求電流ＬとステップＳ１１０で取り込んだ温度Ｓｔ，ガス圧力Ｓｐ１，Ｓｐ２とを上記テーブルデータＴＢＬに照合して、各値Ｌ，Ｓｔ，Ｓｐ１，Ｓｐ２から定まる運転状態に対応したグラフデータＧＤをリンクをたどって読み出すことにより、荷重分布のデータを得る。

その後、ＣＰＵは、ステップＳ１２０で得られた荷重分布に基づいてバルブＶ３〜Ｖ８を制御することにより、面内における荷重分布の偏りを低減する処理を行う（ステップＳ１３０）。図４を用いて前述したように、本実施例では、第１ないし第３の単セル内加湿ガス流路群２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃのそれぞれの単位で、単セル内加湿ガス流路２５に流れる加湿ガスの流量を制御することができる。そこで、ステップＳ１３０では、詳細には次の工程によって処理を行っている。

まず、ステップＳ１２０で得られた荷重分布を、図９に示すように、長手方向Ｘにおいて３等分した３つの区間ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３に分けて、区間ＡＲ１，ＡＲ２，ＡＲ３毎に平均値ＡＶ１，ＡＶ２，ＡＶ３を求める。次いで、各平均値ＡＶ１，ＡＶ２，ＡＶ３の和を値３で割ることにより総平均値ＡＶ０を求める。続いて、第１の区間ＡＲ１の平均値ＡＶ１と総平均値ＡＶ０との偏差に基づいて、第１の単セル内加湿ガス流路群２５Ａに対応するバルブＶ３とＶ６の開度を調整し、第２の区間ＡＲ２の平均値ＡＶ２と総平均値Ａ０との偏差に基づいて、第２の単セル内加湿ガス流路群２５Ｂに対応するバルブＶ４とＶ７の開度を調整し、第３の区間ＡＲ３の平均値ＡＶ３と総平均値Ａ０との偏差に基づいて、第３の単セル内加湿ガス流路群２５Ｃに対応するバルブＶ５とＶ８の開度を調整することにより、第１ないし第３の区間ＡＲ１〜ＡＲ３のそれぞれに掛かる荷重分布の平均値を総平均値ＡＶ０に調整する。なお、このバルブＶ３〜Ｖ８の制御時には、エア排出管４４に設けた三方バルブＶ２は、加湿ガス供給管５２側に連通するモードに予め切り替えられているものとする。

ステップＳ１３０の実行後、「リターン」に抜けて、この荷重分布制御処理を一旦終了する。この荷重分布制御処理における上記ステップＳ１２０の処理が本発明の「荷重分布推定手段」に対応し、上記ステップＳ１３０の処理が本発明の「分布偏り低減手段」に対応する。

Ａ−３．作用・効果：
以上詳述したように、本実施例の燃料電池システム１によれば、燃料電池スタック１０の運転中に、要求電流Ｌ、燃料電池スタック１０の温度Ｓｔ，燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給圧力Ｓｐ１，酸化剤ガスの供給圧力Ｓｐ２を検出し、それら値Ｌ，Ｓｔ，Ｓｐ１，Ｓｐ２をテーブルデータＴＢＬに照合することにより、各値Ｌ，Ｓｔ，Ｓｐ１，Ｓｐ２から定まる運転状態に対応した荷重分布を求める。そうして、その求めた荷重分布に基づいて、第１ないし第３の単セル内加湿ガス流路群２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃのそれぞれに供給する加湿ガスの流量を制御することにより、ＭＥＡ１２の面内の荷重分布の偏りを低減する。

したがって、燃料電池システム１では、燃料電池スタック１０の運転状態がどのように変化したとしても、その運転状態に応じて常に面内の荷重分布を均一化の方向に制御することができるという効果を奏する。面内の荷重分布が均一化されると、面内分布のバラツキに起因する耐久性の悪化、発電性能の低下といった問題を解消することができる。

また、本実施例の燃料電池システム１によれば、ＭＥＡ１２とＭＥＡ１２との間に荷重管理層２４を設け、荷重管理層２４を水膨張させるためのガスとしてカソードオフガスを利用するよう構成していることから、カソードオフガスを有効利用して荷重管理を行うことができる。このために新たに加湿ガスを作り出す必要もなく、エネルギ効率に優れている。

Ｂ．第２実施例：
本発明の第２実施例について次に説明する。この第２実施例は、第１実施例と比較して、面内の荷重分布を変化させる構成が相違するだけであり、その他の構成については同一である。

図１０は、本発明の第２実施例における燃料電池スタック２１０の単セル２１０ｃの概略構成を示す説明図である。単セル２１０ｃは、第１実施例の単セルと比較して、ＭＥＡ２１２とＭＥＡ２１２との間に設けられるセパレータ２１６の構成が相違し、ＭＥＡ２１２については同一である。

セパレータ２１６は、平板を山型に加工した第１の板部２１６ａと平板を谷型に加工した第２の板部２１６ｂとを一体的に接合したもので、上記山型の部分と谷型の部分とにより、アノード２１４及びカソード２１５の各面に平行な方向にストレートに延びる断面六角形の単セル内冷却水流路２２１を形成する。第１の板部２１６ａの山型の部分はカソード２１５と接しており、この第１の板部２１６ａとカソード２１５の表面との間の空間が、エアが通過する単セル内酸化剤ガス流路２２２となる。第２の板部２１６ｂの山型の部分はアノード２１４と接しており、この第２の板部２１６ｂとアノード２１４の表面との間の空間が、水素ガスが通過する単セル内燃料ガス流路２２７となる。

本実施例では、単セル内冷却水流路２２１の水圧を制御することにより、ＭＥＡ２１２に対する積層方向の押圧力ＰＲ２が調整される。詳細には、複数本の単セル内冷却水流路２２１は、ＭＥＡ２１２の表面全体に対応しており、第１実施例の単セル内加湿ガス流路２５と同様に、所定の本数毎のグループに区分けされ、グループ毎に圧力（流量）を制御できる構成となっている。この構成により、単セル内冷却水流路２２１は、ＭＥＡ２１２に対する荷重を、単セルの積層方向に垂直な面の面内位置によって変化させることが可能となる。すなわち、ＭＥＡ２１２についての面内の荷重分布を変えることができる。

図１１は、第２実施例の燃料電池システム２０１の全体構成図である。図示において、第１実施例の図１と比較して、エア排出管４４には三方バルブＶ２がなく、三方バルブＶ２に接続される加湿ガス供給系５０も備えられていない点が相違する。冷却水系１６０は、第１実施例の冷却水系６０と同様に、冷却水循環用配管１６２、ラジエータ１６４、冷却水ポンプ１６６および温度センサＴ１１とを備えている。冷却水循環用配管１６２における燃料電池スタック２１０の上流側、下流側はともに３本の流路に分岐しており、単セル内冷却水流路１２１のそれぞれの上記グループと個別に接続されている。燃料電池スタック２１０よりも上流側の３本の流路のそれぞれにはバルブＶ２１〜Ｖ２３が設けられている。バルブＶ２１〜Ｖ２３の開度をＥＣＵ２７０により調整することにより、上記単セル内冷却水流路１２１の各グループへ供給する冷却水の流量、すなわち、単セル内冷却水流路１２１の水圧を上記グループ単位で制御することができる。

この第２実施例のＥＣＵ２７０は、第１実施例のＥＣＵ７０と同様に、運転制御と荷重分布制御を行う。運転制御は第１実施例と同一である。荷重分布制御については、図５のステップＳ１３０で、荷重分布の偏りの低減をバルブＶ２１〜Ｖ２３の制御により行っている点が相違するだけで、その他のステップについては同一である。

以上のように構成された第２実施例によれば、第１実施例と同様に、燃料電池スタック２１０の運転状態がどのように変化したとしても、その運転状態に応じて常に面内の荷重分布を均一化の方向に制御することができるという効果を奏する。

Ｃ．第３実施例：
本発明の第３実施例について次に説明する。この第３実施例は、第１実施例と比較して、ハードウェアにおいては、燃料電池スタック３１０が荷重センサを備える点だけが相違し、その他の構成については同一である。

図１２は、第３実施例における燃料電池スタック３１０の概略側面を示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック３１０は、第１実施例と同様のものであり、一方側の絶縁板９２とエンドプレート９４の間に複数（例えば２つであってもよいし、３つであってもよいし、３以上であってもよい）の荷重センサ３２０が設けられている。荷重センサ３２０は、単セル１０ｃの積層方向の押圧力を測定するものであり、図中、上下方向に一列に複数設けられている。なお、荷重センサ３２０は、絶縁板９２の表面の凹凸を検出する歪センサに換えることができる。荷重センサ３２０は、ＥＣＵと電気的に接続されている。

図１３は、ＥＣＵにより実行される荷重分布制御処理を示すフローチャートである。この処理は、運転制御の実行時に所定時間毎（例えば、１００［ｍｓ］毎）の割り込みにて実行される。

図１３に示すように、処理が開始されると、ＥＣＵのＣＰＵは、まず、複数の荷重センサ３２０の各検出値（荷重Ｓｗ１〜Ｓｗｉ（ここで、ｉは荷重センサ３２０の個数である））を取り込む（ステップＳ４１０）。続いて、ＣＰＵは、ステップＳ３１０で取り込んだ荷重Ｓｗ１〜Ｓｗｉに基づいて荷重分布を推定する処理を行う（ステップＳ４２０）。ここでは、第１実施例の図７で例示したものと同様な荷重分布を表すデータを得る。その後、ＣＰＵは、第１実施例のステップＳ１３０と同様にして、ステップＳ４２０で得られた荷重分布に基づいてバルブＶ３〜Ｖ８を制御することにより、面内における荷重分布の偏りを低減する処理を行う（ステップＳ４３０）。

以上のように構成された第３実施例によれば、第１実施例と同様に、燃料電池スタック３１０の運転状態がどのように変化したとしても、その運転状態に応じて常に面内の荷重分布を均一化の方向に制御することができるという効果を奏する。特にこの実施例では、荷重センサ３２０により燃料電池スタック３１０の面内に掛かる荷重を実測して、その実測した荷重から荷重分布を推定していることから、その推定結果は高精度となる。したがって、第１実施例と比較して面内の荷重分布をより高精度に均一化することができる。なお、第１実施例や第２実施例は、荷重センサが不要であることから、この第３実施例に比べて構成が容易である。

この第３実施例は、第１実施例において荷重センサを使用する構成を適用したものであるが、これに換えて、第２実施例において荷重センサを使用する構成を適用したものとしてもよい。

Ｄ．他の実施形態：
なお、この発明は上記の第１ないし第３実施例やその変形例に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施することが可能であり、例えば次のような他の実施形態も可能である。

（１）前記第１および第２実施例では、面内の荷重分布に偏りを与え得る運転パラメータとして、要求電流、単セルの温度、燃料ガス圧力、酸化剤ガス圧力を用いていたが、これに換えて、これら４つのパラメータから選択された１または複数のパラメータを用いた構成としてもよい。また、これら４つのパラメータに限る必要もなく、面内の荷重分布に偏りを与え得る運転パラメータであればどのようなものであってもよい。

（２）前記第１ないし第３実施例では、ＭＥＡの表面を３つの領域に分けて、３つの領域のそれぞれに対して個別に荷重を制御していたが、これに換えて、２つあるいは４つ以上に分けて個別に制御してもよい。また、領域の分け方は長手方向である１次元の方向に分けていたが、これに換えて、長手方向に例えば２つ、短手方向に例えば２つというように２次元の方向に領域をわかる構成としてもよい。

（３）前記第１実施例では、荷重管理層２４を水膨張させるためのガスとしてカソードオフガスを利用するよう構成していたが、必ずしもカソードオフガスを利用する必要もなく、別途、加湿ガスの供給系を用意する構成としてもよい。前記第２実施例では、セパレータ２１６に設けた単セル内冷却水流路２２１を荷重分布変更のための水流路としていたが、これに換えて、ＭＥＡ２１２とＭＥＡ２１２との間に別途、水流路を設ける構成としてもよい。

（４）前記第１実施例ないし第３実施例では、燃料電池スタックは燃料ガスと酸化剤ガスとの流れ方向が互いに対向する対向流型の流入方式となっていたが、これに換えて、燃料ガスと酸化剤ガスとの流れ方向が平行となる平行流型の流入方式としてもよく、どのような流入方式であってもよい。

（５）前記各実施例では、燃料電池スタックは固体高分子型燃料電池としたが、固体酸化物型燃料電池やリン酸型燃料電池等、異なる種類の燃料電池に適用することも可能である。また、前記各実施例では、燃料電池システムを車両に搭載する場合について説明したが、これに替えて、船舶、航空機などの他の交通手段や、その他各種産業機械などに搭載することも可能である。

本発明の第１実施例を適用した燃料電池システム１の全体構成図である。 燃料電池スタック１０を構成する単セル１０ｃの概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１０の概略側面を示す説明図である。 燃料電池スタック１０に対する加湿ガス供給系５０の接続の様子を示す説明図である。 ＥＣＵ７０により実行される荷重分布制御処理を示すフローチャートである。 対向流型の単セルにおける電流分布の一例を示す説明図である。 ステップＳ１２０で推定した荷重分布の一例を示すグラフである。 ＲＯＭに格納されるテーブルデータＴＢＬ等を示す説明図である。 荷重分布を均一化する処理を説明するためのグラフである。 本発明の第２実施例における燃料電池スタック２１０の単セル２１０ｃの概略構成を示す説明図である。 第２実施例の燃料電池システム２０１の全体構成図である。 第３実施例における燃料電池スタック１０を荷重センサ３２０とともに示す説明図である。 ＥＣＵにより実行される荷重分布制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
１０ｃ…単セル
１３…電解質膜
１４…アノード
１５…カソード
１４ａ，１５ａ…触媒電極
１４ｂ，１５ｂ…ガス拡散電極
１６…セパレータ
２０…冷却水路形成部層
２０ａ…第１の板部
２０ｂ…第２の板部
２１…単セル内冷却水流路
２２…単セル内酸化剤ガス流路
２４…荷重管理層
２５…単セル内加湿ガス流路
２５Ａ…第１の単セル内加湿ガス流路群
２５Ｂ…第２の単セル内加湿ガス流路群
２５Ｃ…第３の単セル内加湿ガス流路群
２６…燃料流路形成層
２７…単セル内燃料ガス流路
３０…水素ガス流路系
３２…水素ガス供給管
３４…水素ガス排出管
３６…水素ポンプ
４０…エア流路系
４２…エア供給管
４４…エア排出管
４６…エアコンプレッサ
５０…加湿ガス供給系
５２…加湿ガス供給管
５２ａ…第１の分岐流路
５２ｂ…第２の分岐流路
５２ｃ…第３の分岐流路
５４…加湿ガス排出管
６０…冷却水系
６２…冷却水循環用配管
６４…ラジエータ
６６…冷却水ポンプ
７０…ＥＣＵ
９０…集電板
９２…絶縁板
９４…エンドプレート
９６…ボルト
９７…皿バネ
９８…ナット
１０２…ガスケット
１０４…第１の長孔
１０５…第２の長孔
１０６…第３の長孔
１０７…第４の長孔
１０８…第６の長孔
１２１…単セル内冷却水流路
１６０…冷却水系
１６２…冷却水循環用配管
１６４…ラジエータ
１６６…冷却水ポンプ
２０１…燃料電池システム
２１０…燃料電池スタック
２１０ｃ…単セル
２１４…アノード
２１５…カソード
２１６…セパレータ
２１６ａ…第１の板部
２１６ｂ…第２の板部
２２１…単セル内冷却水流路
２２２…単セル内酸化剤ガス流路
２２７…単セル内燃料ガス流路
２７０…ＥＣＵ
３１０…燃料電池スタック
３２０…荷重センサ
Ｖ１…水素調圧バルブ
Ｖ２…三方バルブ
Ｖ３〜Ｖ８…バルブ
Ｐ１，Ｐ２…圧力センサ
Ｔ１…温度センサ
Ｖ２…三方バルブ
Ｖ２１〜Ｖ２３…バルブ
Ｌ…要求電流
Ｓｔ…温度
Ｓｐ１、Ｓｐ２…ガス圧力
ＴＢＬ…テーブルデータ

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膜電極接合体を導電性のセパレータを介して複数積層し、該積層体を両側から定寸に締結した燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに前記燃料ガスと酸化剤ガスとを供給することによって前記燃料電池スタックを運転する運転手段と、
   前記運転手段による前記運転中に、前記膜電極接合体における面内の荷重分布を推定する荷重分布推定手段と、
   前記膜電極接合体の表面を複数の領域に分けて、各領域に対して個別に荷重を掛ける荷重付与手段と、
   前記荷重分布演推定手段により得られた荷重分布に基づいて前記荷重付与手段を制御して、前記膜電極接合体における面内の荷重分布の偏りを低減する分布偏り低減手段と
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記荷重分布推定手段は、
   前記運転手段による前記運転中に、前記膜電極接合体における面内の荷重分布に偏りを与え得る運転パラメータを検出するパラメータ検出手段と、
   前記検出された運転パラメータに基づいて、前記膜電極接合体についての面内の荷重分布を求める荷重分布演算手段と
   を備える燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記運転パラメータは、前記燃料電池スタックの要求電流、前記燃料電池スタックの温度、前記燃料ガスの供給圧力および前記酸化剤ガスの供給圧力のうちの少なくとも１つである、燃料電池システム。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池システムであって、
   前記荷重分布演算手段は、
   前記運転パラメータの各値から定まる運転状態毎に対応する荷重分布を定めたテーブルデータを予め記憶するメモリと、
   前記パラメータ検出手段により検出された前記運転パラメータを前記テーブルデータに照らし合わせることにより前記荷重分布を求める手段と
   を備える、燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記荷重分布推定手段は、
   前記運転手段による前記運転中に、前記膜電極接合体の面内における複数地点の荷重を検出する複数の荷重検出手段と、
   前記検出された各荷重に基づいて、前記膜電極接合体についての面内の荷重分布を求める荷重分布演算手段と
   を備える燃料電池システム。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記荷重付与手段は、
   前記膜電極接合体と膜電極接合体の間に設けられ、水を含むと膨張する樹脂と導電性材料とを混合してなる水膨張層と、
   前記水膨張層の面に複数の領域を定めて、各領域に対して個別に加湿ガスを供給する加湿ガス制御手段と
   を備える、燃料電池システム。
7. 請求項６に記載の燃料電池システムであって、
   前記加湿ガスは、前記酸化剤ガスの供給を受けるカソードから排出されるカソードオフガスである、燃料電池システム。
8. 請求項６または７に記載の燃料電池システムであって、
   前記水膨張層は、前記樹脂として電解質が用いられ、前記導電性材料としてカーボンが用いられ、
   前記カーボンの全体に占める濃度は４０vol％である、燃料電池システム。
9. 請求項１ないし５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
   前記荷重付与手段は、
   前記膜電極接合体と膜電極接合体の間に設けられ、前記各領域に対応して流通する複数の水流路と、
   各水流路の水圧を個別に制御する水圧制御手段と
   を備える、燃料電池システム。
10. 請求項９に記載の燃料電池システムであって、
    前記水流路に流通させる水は、前記燃料電池スタックを冷却する冷却水である、燃料電池システム。

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