JP2009181794A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池システムに関し、燃料電池の内部の乾燥状態を詳細に診断できるようにする。
【解決手段】燃料電池の発電面における電流密度の分布を計測し、発電面上での電流密度のピーク位置の変化に基づいて燃料電池の内部の乾燥状態を診断する。発電面を挟んでアノード側の反応ガス（水素）とカソード側の反応ガス（空気）とが対向して流れる燃料電池であれば、電流密度のピーク位置がアノードとカソードの何れの出口側に変化したかを判定する。その判定結果により、アノード側とカソード側の何れの側でドライアップが発生しているのか特定することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池の内部の乾燥状態を診断してその診断結果をシステムの制御に反映させる燃料電池システムに関する。
従来、下記の各特許文献に開示されるように、燃料電池の発電面に平行な面内に複数個の電流センサを設置し、それら電流センサによる部分電流の計測結果をシステムの制御に反映させる技術が提案されている。これら特許文献に開示されている技術では、各計測ポイントでの部分電流の計測値を所定の基準値と個別に比較したり、或いは、各計測値を集約して得られる電流分布のパターンを所定の基準パターンと比較したりすることが行われている。そして、それらの比較結果からドライアップ、フラッディング、燃料ガスの欠乏、酸化剤ガスの欠乏等の異常を検知している。
上記列挙した異常のうちのドライアップは、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまう現象である。燃料電池の電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高いイオン伝導性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、イオン伝導率の低下に伴い燃料電池の発電性能は大きく低下してしまう。したがって、燃料電池にとっては、高い発電性能を維持する上で、燃料電池内を適度な湿潤状態に保つことが重要となる。
特開２００６−３１８７８４号公報には、ドライアップ（ドライアウトともいう）の検知に関する技術（以下、従来技術という）が開示されている。この従来技術では、カソードガス（酸化剤ガス）の入口側流路における電流密度の分布と出口側流路における電流密度の分布とが比較され、入口側流路の電流密度が低下した場合にドライアップが発生していると判定されるようになっている。
特開２００６−３１８７８４号公報 特開２００５−１００９５２号公報 特開平９−２５９９１３号公報
上記の従来技術によれば、カソードの入口側におけるドライアップの発生を検知することができる。しかしながら、従来技術では、ドライアップが発電面のどの範囲まで広がっているかまでは診断することはできない。また、従来技術はカソード入口側で発生するドライアップのみを検知対象としているが、ドライアップはアノード側においても発生する現象である。ドライアップは燃料電池の運転条件を変化させることで解消可能であるが、そのためにはドライアップの発生状況を詳細に把握し、ドライアップの発生状況に応じた適切な制御方法を選択することが大切である。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の内部の乾燥状態を詳細に診断できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムにおいて、
アノードとカソードの夫々に反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電面における電流密度の分布を計測する計測手段と、
発電面上での電流密度のピーク位置の変化に基づいて前記燃料電池の内部の乾燥状態を診断する診断手段と、
を備えることを特徴としている。
ここで、前記計測手段が計測する電流密度の分布は、発電面の複数個所における部分電流値を計測したものでもよいし、発電面を複数のエリアに分割して各エリアの電流密度（代表電流値をそのエリアの面積で割ったもの）を計測したものでもよい。
また、電流密度のピーク位置としては、面内の電流密度分布の内で最も高い値を示す部分を求めればよい。例えば、複数のセンサのうちで最高の電流密度（或いは部分電流値）を計測しているものの位置、或いは、各センサの値をフィッティングして得られる曲線（電流密度曲線）の頂点の位置をピーク位置とすることができる。
ピーク位置の変化に関しては、検出すべきドライアップの範囲に対応した変化量であれば、ピーク位置に変化があったものとしてよい。その基準の変化量は当該範囲に基づいて予め実験等によって定めればよい。例えば、最高の部分電流値を計測しているセンサが他のセンサに移った場合や、曲線のピーク位置が予め実験等によって定めた所定値以上移動した場合に、ピーク位置に変化があったものとしてよい。前者の例では、最高部分電流値を計測しているセルが隣接するセンサに移動すればピーク位置に変化があったものとしてもよいし、一定以上離れたセンサに移動した場合のみピーク位置に変化があったものとしてもよい。
ピーク位置の変化に基づいた診断とは、ピーク位置の変化量、変化速度、或いは変化の方向、若しくはそれらの組み合わせによる診断である。例えば、ピーク位置の変化の方向からは、乾燥がどの場所で発生しているかを診断することができ、ピーク位置の変化量や変化速度からは、乾燥の進み具合を診断することができる。ただし、ピーク位置の変化の方向と乾燥の発生場所との関係は、アノード側の反応ガスの流れ方向とカソード側の反応ガスの流れ方向との関係に依存する。
第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池は、発電面を挟んでアノード側の反応ガスとカソード側の反応ガスとが対向して流れる燃料電池であって、
前記診断手段は、電流密度のピーク位置がアノードとカソードの何れの出口側に変化したかを判定し、その判定結果に応じて乾燥場所を特定することを特徴としている。
ここで、ピーク位置がどちらの側に変化したかは、最高の部分電流値を計測しているセンサがアノードとカソードの何れの出口側に近いセンサに移ったかで判定することができる。或いは、各センサの値をフィッティングして得られる曲線のピーク位置がアノードとカソードの何れの出口側に向けて移動したかによって判定することもできる。各方向についてピーク位置の変化量に閾値を設けておき、ある方向へのピーク位置の変化量がその方向の閾値を超える場合にのみ、その方向へのピーク位置の変化があったものと判定するのでもよい。
ピーク位置の変化の方向と乾燥場所との対応関係は予め実験等によって定めればよい。その対応関係を用いれば、電流密度のピーク位置がカソード出口側に変化したときには、カソード入口側にて乾燥が生じていると診断することができる。逆に、電流密度のピーク位置がアノード出口側に変化したときには、アノード入口側にて乾燥が生じていると診断することができる。
第３の発明は、第１の発明において、
前記燃料電池は、発電面を挟んでアノード側の反応ガスとカソード側の反応ガスとが並行して流れる燃料電池であって、
前記診断手段は、電流密度のピーク位置に変化があった場合には、アノード側の反応ガスの供給条件の変化に応じて電流密度のピーク位置が変化するか否かを検証し、その検証結果に応じて乾燥場所を特定することを特徴としている。
ここで、ピーク位置に変化があった場合とは、例えば、最高の部分電流値を計測しているセンサが他のセンサに移ったこと、或いは、各センサの値をフィッティングして得られる曲線のピーク位置が移動したことを指す。ピーク位置の変化量に閾値を設けておき、ピーク位置の変化量が閾値を超える場合にのみピーク位置に変化があったものと判定するのでもよい。
また、アノード側の反応ガスの供給条件とは、例えば、アノードガスの供給圧或いは供給流量、若しくはその両方でもよい。そして、ピーク位置の変化が供給条件の変化に応じたものであることは、例えば、供給条件を変化させたらピーク位置が変化するが、供給条件を変化させなければピーク位置は変化しない、或いは、供給条件を変化させた場合に比較してほとんど変化しないことで確認することができる。供給条件の変化に応じて電流密度のピーク位置が変化したか否かの検証は、例えば、供給条件を変化させたときのピーク位置の変化量が閾値を超えたかどうかを確認することでもよい。
供給条件を変化させたときのピーク位置の変化の有無と乾燥場所との対応関係は予め実験等によって定めればよい。その対応関係を用いれば、供給条件を変化させたとき、それに応じて電流密度のピーク位置が変化したときにはアノード入口側にて乾燥が生じていると診断することができる。逆に、電流密度のピーク位置に変化が生じなかったときにはカソード入口側にて乾燥が生じていると診断することができる
第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記診断手段により前記燃料電池の内部が乾燥していると診断されたときには、診断結果に基づいて電流密度のピーク位置を変化前の位置に戻すように前記燃料電池の運転条件を制御する制御手段、
をさらに備えることを特徴としている。
ここで、燃料電池の内部とは、燃料電池の発電面及び発電面に沿った反応ガスの流路を指す。そして、燃料電池の内部が乾燥しているとは、その少なくとも一部が乾燥していることを意味する。
制御対象となる燃料電池の運転条件としては、カソードストイキ比、カソード背圧、空気の加湿量、冷媒温度、アノードストイキ比、アノード背圧等がある。それらのうちの何れか若しくは複数の制御対象を乾燥場所に応じて制御すればよい。燃料電池の運転条件を制御したときにピーク位置がどう変化するかは予め実験等によって定めることができる。
燃料電池の内部に乾燥した部分が生じた場合、その部分での発電性能が低下することから発電面における電流密度の分布には変化が生じ、電流密度のピーク位置は乾燥が生じていない側に向けて変化する。乾燥が生じている領域が広ければ、それに応じてピーク位置の変化も大きくなる。このように、燃料電池内部の乾燥状態は電流密度のピーク位置の変化として顕在化されることから、第１の発明によれば、燃料電池の内部の乾燥状態を詳細に診断することができる。
第２の発明によれば、対向流型の燃料電池において、乾燥場所がカソードの入口側なのかアノードの入口側なのかを特定することができる。
第３の発明によれば、並行流型の燃料電池において、乾燥場所がカソードの入口側なのかアノードの入口側なのかを特定することができる。
第４の発明によれば、燃料電池の運転条件を制御して電流密度のピーク位置を変化前の位置に戻すことによって、燃料電池の内部に生じている乾燥を解消し、乾燥によって低下した発電性能を回復することができる。
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について図を用いて説明する。
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池の構成を模式的に示す図である。図１に示すように、燃料電池は複数の単位電池３０を積層してなる燃料電池スタック２として使用される。単位電池３０は膜電極接合体（ＭＥＡ）４０を一対の集電板４６，４８で挟んだ構成になっている。集電板４６，４８は隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能している。カソード側集電板４６の内側には膜電極接合体４０に空気を供給するためのカソードガス流路４２が形成されている。アノード側集電板４８の内側には膜電極接合体４０に水素を供給するためのアノードガス流路４４が形成されている。
燃料電池スタック２内には電流計測セル３２が単位電池３０とともに積層されている。電流計測セル３２には複数の電流センサ３４が埋め込まれていて、電流計測セル３２に隣接する単位電池３０から流れ出る、若しくは、単位電池３０に流れ込む電流（部分電流）を複数の計測ポイントにて計測できるようになっている。各電流センサ３４の発電面上での座標とその計測電流値とから、電流計測セル３２が隣接する単位電池（以下、検査対象電池）３０の発電面における電流密度の分布を計測することができる。
図２は、本実施の形態の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、図１に示す燃料電池スタック２によって発電し、その電力をモータ等の電気的負荷１８に供給する電力供給システムである。燃料電池スタック２による発電には、反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスの連続した供給が必要となる。本実施の形態の燃料電池システムでは、酸化剤ガスとして空気が使用され、燃料ガスとして水素が使用されている。
燃料電池スタック２には空気を供給するための空気供給路２２が接続されている。空気供給路２２にはエアコンプレッサ２０が配置されている。エアコンプレッサ２０によって空気供給路２２に取り込まれた空気は、加湿器２８によって適度に加湿された後、燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２に供給された空気は、燃料電池スタック２内に形成された供給マニホールドによって各単位電池３０のカソードに分配される。各単位電池３０のカソードを通過したガス（カソードオフガス）は、燃料電池スタック２内に形成された排出マニホールドに集められてカソードガス排出路２４に排出される。加湿器２８はカソードガス排出路２４においてカソードオフガス中の水分を回収し、空気供給路２２を流れる空気に供給する。また、カソードガス排出路２４には背圧調整弁２６が配置されている。
燃料電池スタック２には高圧水素タンク４から燃料電池スタック２に水素を供給するための水素供給路６が接続されている。水素供給路６の途中には可変調圧弁８が配置されている。水素は可変調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池スタック２に供給される。燃料電池スタック２に供給された水素は、燃料電池スタック２内に形成された供給マニホールドによって各単位電池３０のアノードに分配される。各単位電池３０のアノードを通過したガス（アノードオフガス）は、燃料電池スタック２内に形成された排出マニホールドに集められてアノードガス循環路１２に排出される。アノードガス循環路１２は、その先端を水素供給路６における可変調圧弁８の下流に接続されている。そして、その途中にはアノードオフガスを水素供給路６に送り込むための循環ポンプ１４が設けられている。なお、アノードガスを循環させる手段としては、循環ポンプ１４ではなくエジェクタを用いることもできる。
本実施の形態の燃料電池システムには制御装置１０が備えられている。制御装置１０の入力部には電流計測セル３２が接続されている。また、制御装置１０の出力部には可変調圧弁８、循環ポンプ１４、負荷１８、エアコンプレッサ２０、加湿器２８等の機器が接続されている。これらの機器を操作することで燃料電池スタック２の運転条件を制御することができる。制御装置１０は、電流計測セル３２から入力される計測信号に基づいて燃料電池スタック２の異常診断を行ない、その診断結果に基づいて燃料電池スタック２の運転条件を制御している。
以下、電流計測セル３２の計測信号に基づく異常診断の方法と、その診断結果に応じた運転条件の制御方法とについて詳細に説明する。
電流計測セル３２に含まれる各電流センサ３４の信号を反応ガスの流れ方向に並べたものが図３及び図４であり、これらの図は反応ガスの流れ方向における電流密度の分布を示している。なお、本実施の形態の燃料電池スタック２は、カソードガス流路４２内での空気の流れの方向とアノードガス流路４４内での水素の流れの方向とが逆方向になるように、つまり、空気と水素とが対向して流れるように構成されている。図３及び図４では、カソードガス流路４２の入口、及びアノードガス流路４４の出口を横軸の左端にとり、カソードガス流路４２の出口、及びアノードガス流路４４の入口を横軸の右端にとっている。
図３及び図４において実線で示す電流分布は、電池内部の乾燥状態或いは湿潤状態が正常なとき、つまり、通常時の電流分布である。この通常時の電流分布を基準にして、電流分布がどのような変化を示したかによって、燃料電池スタック２の内部にて生じている異常、具体的には、ドライアップとフラッディングとを診断することができる。
先ず、電流分布の変化に基づくドライアップの診断方法について説明する。図３において破線で示す電流分布は、発電面のカソード側にてドライアップ（以下、ＣＡドライアップ）が発生したときの電流分布である。発電面のカソード側ではカソードガス流路４２の入口に近いほど乾燥が生じやすい。発電面の乾燥が進んだ部分では電解質膜のイオン伝導度が下がるため、電流密度は低下する。しかし、触媒層では発電反応が生じているため、発電反応で生じた電流は乾燥が生じていない部分に集中することになる。その結果、図３に破線で示すように、電流密度のピーク位置は乾燥が進んでいないカソードガス流路４２の出口側に変位することになる。したがって、ＣＡドライアップの発生は、電流密度のピーク位置がカソードガス流路４２の出口側に変位することによって判断することができる。また、電流密度のピーク位置の変化量が大きいほど、カソード側の広い範囲でドライアップが発生していると判断することができる。
図４において破線で示す電流分布は、発電面のアノード側にてドライアップ（以下、ＡＮドライアップ）が発生したときの電流分布である。カソード側と同様の理由により、ＡＮドライアップの発生は、電流密度のピーク位置がアノードガス流路４４の出口側に変位することによって判断することができる。また、電流密度のピーク位置の変化量が大きいほど、アノード側の広い範囲でドライアップが発生していると判断することができる。
次に、電流分布の変化に基づくフラッディングの診断方法について説明する。図３において点線で示す電流分布は、発電面のカソード側にてフラッディング（以下、ＣＡフラッディング）が発生したときの電流分布である。発電面のカソード側ではカソードガス流路４２の出口に近いほど水分が過多になりやすい。発電面の水分が過多な部分ではカソード触媒層内へのガス拡散が阻害されるため、その部分では発電反応が低下し、図３に点線で示すように電流密度は大きく低下することになる。
しかし、本実施の形態の単位電池３０は内部を空気と水素とが対向して流れる構成のため、図４に破線で示すように、ＡＮドライアップの発生時にもカソードガス流路４２の出口付近の電流密度は低下することになる。したがって、出口付近の電流密度の変化からだけではＣＡフラッディングとＡＮドライアップとを区別することが難しい。ところが、ＡＮドライアップの場合には乾燥部分での電流密度の低下に伴って正常部分では電流密度が上昇するのに対し、ＣＡフラッディングの場合には水分過多部分での電流密度の低下のみが生じる。したがって、ＣＡフラッディングの発生は、電流密度のピーク位置が変わらずにカソードガス流路４２の出口付近における電流密度が低下することによって判断することができる。また、電流密度の低下した領域が広いほど、カソード側の広い範囲でフラッディングが発生していると判断することができる。
図４において点線で示す電流分布は、発電面のアノード側にてフラッディング（以下、ＡＮフラッディング）が発生したときの電流分布である。アノード側と同様の理由により、ＡＮフラッディングの発生は、電流密度のピーク位置が変わらずにアノードガス流路４４の出口付近における電流密度が低下することによって判断することができる。また、電流密度の低下した領域が広いほど、アノード側の広い範囲でフラッディングが発生していると判断することができる。
以上説明したように、電流分布の変化に基づいて異常診断を行うことで、電池内部の乾燥状態や湿潤状態を詳細に診断することができる。特に、電流分布のピーク位置の変化に着目することで、ドライアップの発生状況を詳細に診断することができる。
次に、異常診断の結果に応じた運転条件の制御方法について説明する。先ず、ＣＡドライアップが発生していると診断された場合には、燃料電池スタックの運転条件を次の（ａ１）〜（ａ３）のように制御することで、ＣＡドライアップ状態から正常状態への復帰を図る（以下、この制御をＣＡドライアップ復帰制御という）。制御する運転条件はどれか１つでもよく、複数を組み合わせてもよい。ＣＡドライアップ復帰制御は電流分布が正常範囲に戻るまで継続する。
（ａ１）コンプレッサ２０の回転速度を低下させてカソードストイキ比を低下させる。
（ａ２）背圧調整弁２６の開度を小さくしてカソード背圧を上昇させる。
（ａ３）加湿器２８による空気の加湿量を上昇させる。
ＡＮドライアップが発生していると診断された場合には、燃料電池スタックの運転条件を次の（ｂ１）〜（ｂ３）のように制御することで、ＡＮドライアップ状態から正常状態への復帰を図る（以下、この制御をＡＮドライアップ復帰制御という）。制御する運転条件はどれか１つでもよく、複数を組み合わせてもよい。ＡＮドライアップ復帰制御は電流分布が正常範囲に戻るまで継続する。
（ｂ１）コンプレッサ２０の回転速度を低下させてカソードストイキ比を低下させる。
（ｂ２）背圧調整弁２６の開度を小さくしてカソード背圧を上昇させる。
（ｂ３）加湿器２８による空気の加湿量を上昇させる。
ＣＡフラッディングが発生していると診断された場合には、燃料電池スタックの運転条件を次の（ｃ１）〜（ｃ３）のように制御することで、ＣＡフラッディング状態から正常状態への復帰を図る（以下、この制御をＣＡフラッディング復帰制御という）。制御する運転条件はどれか１つでもよく、複数を組み合わせてもよい。ＣＡフラッディング復帰制御は電流分布が正常範囲に戻るまで継続する。
（ｃ１）コンプレッサ２０の回転速度を高めてカソードストイキ比を上昇させる。
（ｃ２）背圧調整弁２６の開度を大きくしてカソード背圧を低下させる。
（ｃ３）電池内部の冷媒の流れが空気の流れと同方向である場合には、冷媒の出口温度を上昇させる。
ＡＮフラッディングが発生していると診断された場合には、燃料電池スタックの運転条件を次の（ｄ１）〜（ｄ４）のように制御することで、ＡＮフラッディング状態から正常状態への復帰を図る（以下、この制御をＡＮフラッディング復帰制御という）。制御する運転条件はどれか１つでもよく、複数を組み合わせてもよい。ＡＮフラッディング復帰制御は電流分布が正常範囲に戻るまで継続する。
（ｄ１）循環ポンプ１４の回転速度を高めるか、若しくは可変調圧弁８の開度を大きくしてアノードストイキ比を上昇させる。
（ｄ２）循環ポンプ１４の回転速度を高めてアノード背圧を低下させる。
（ｄ３）コンプレッサ２０の回転速度を高めてカソードストイキ比を上昇させる。
（ｄ４）加湿器２８による空気の加湿量を低下させる。
制御装置１０は、電流計測セル３２の計測信号に基づく異常診断とその診断結果に基づく復帰制御とを図５にフローチャートで示すルーチンに従って実施する。このルーチンによれば、先ず、電流密度のピーク位置がカソードの出口側に変化したか否か判定される（ステップＳ１００）。その判定結果がＹｅｓであれば、ＣＡドライアップが発生したものと判断され、ＣＡドライアップ復帰制御が実施される（ステップＳ１０２）。
ステップＳ１００の判定結果がＮｏであれば、次に、電流密度のピーク位置がアノードの出口側に変化したか否か判定される（ステップＳ１０４）。その判定結果がＹｅｓであれば、ＡＮドライアップが発生したものと判断され、ＡＮドライアップ復帰制御が実施される（ステップＳ１０６）。
ステップＳ１０４の判定結果がＮｏであれば、次に、カソード出口付近の電流密度が低下したか否か判定される（ステップＳ１０８）。その判定結果がＹｅｓであれば、ＣＡフラッディングが発生したものと判断され、ＣＡフラッディング復帰制御が実施される（ステップＳ１１０）。
そして、ステップＳ１０８の判定結果がＮｏであれば、次に、アノード出口付近の電流密度が低下したか否か判定される（ステップＳ１１２）。その判定結果がＹｅｓであれば、ＡＮフラッディングが発生したものと判断され、ＡＮフラッディング復帰制御が実施される（ステップＳ１１４）。一方、ステップＳ１１２の判定結果がＮｏであるならば、燃料電池スタック２の発電面にドライアップやフラッディングは生じていない、すなわち、燃料電池スタック２は正常状態にあると判断される。
本実施の形態では、制御装置１０によって図５に示すルーチンが実行されることで、第１及び第２の発明にかかる「診断手段」と、第４の発明にかかる「制御手段」とが実現される。
次に、本実施の形態において燃料電池システムの運転停止時に実施される処理について説明する。燃料電池システムの起動時、燃料電池スタック２の内部は発電反応によって生じた水分が残留した状態になっている。この残留水分は電解質膜のイオン伝導のためには必須である。しかし、発電面内での含水率の分布に偏りがある場合には、氷点下からの起動時に問題が生じてしまう。氷点下起動時には内部抵抗による発熱を利用して電池内部を暖機する暖機運転が実施されるが、含水率分布に偏りがあると最も含水率が高い部分が律速になって暖機運転の時間が延びてしまう。
そこで、本実施の形態では、燃料電池システムの運転を停止する際、発電面内の含水率分布が略一定になるように掃気処理を実施することにした。掃気は電圧一定の状態で僅かに電流を掃引しながら実施する。また、カソード側、アノード側ともに掃気する。掃気しながら発電する場合、ストイキ過剰な状態での発電になるために電流密度の分布は発電面内の含水率分布によって決まる。したがって、電流密度の分布を監視することによって、間接的に含水率分布を監視することができる。本実施の形態では、図６に示すように、全体の電流密度が目標含水率時の電流密度（基準値）を下回るまで掃気を行い、基準値を下回ったら掃気と電流の掃引とを停止する。
次に、本実施の形態において燃料電池システムの起動時に実施される処理について説明する。前記の掃気処理を運転停止時に実施することによって、燃料電池システムの起動時における発電面内の含水率分布は略一定の低い状態になっている。起動後は速やかに負荷を引けるようにしたいが、そのためには発電面内の含水率を増やす必要がある。しかし、含水率が局所的に増大すると、その部分においてフラッディングが発生してしまったり、氷点下では生成水が氷結してしまったりする可能性がある。
そこで、本実施の形態では、図７に示すように、フラッディングが発生する上限電流密度（或いは、生成水が氷結する上限電流密度）を設定し、この上限電流密度を超えないように負荷１８を制御する。発電量と生成水量とは略比例関係にあるので、電流密度の分布を監視することによって、間接的に含水率分布を監視することができる。なお、発電量は電圧と電流値とにより決まるので、前記の上限電流密度は電圧ごとに設定される。また、ガス流量、特にカソード側のガス流量によって発電面内の含水量は変化することから、前記の上限電流密度はガス流量にも応じて変更されるようになっている。
実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図を用いて説明する。
本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１のものとは、燃料電池スタック２内の反応ガスの流れ方向に違いがある。本実施の形態の燃料電池スタック２は、カソードガス流路４２内での空気の流れの方向とアノードガス流路４４内での水素の流れの方向とが同方向になるように、つまり、空気と水素とが並行して流れるように構成されている。反応ガスの流れ方向の違いにより、本実施の形態と燃料電池システムと実施の形態１のものとでは、電流計測セル３２の計測信号に基づく異常診断の方法にも違いがある。
図８及び図９は電流計測セル３２に含まれる各電流センサ３４の信号を反応ガスの流れ方向に並べたものであり、これらの図は反応ガスの流れ方向における電流密度の分布を示している。図８及び図９では、カソードガス流路４２の入口、及びアノードガス流路４４の入口を横軸の左端にとり、カソードガス流路４２の出口、及びアノードガス流路４４の出口を横軸の右端にとっている。
図８及び図９において実線で示す電流分布は、電池内部の乾燥状態或いは湿潤状態が正常なとき、つまり、通常時の電流分布である。この通常時の電流分布を基準にして、電流分布がどのような変化を示したかによって、燃料電池スタック２の内部にて生じている異常、すなわち、ドライアップとフラッディングとを診断することができる。
先ず、電流分布の変化に基づくドライアップの診断方法について説明する。図８において破線で示す電流分布は、発電面のカソード側とアノード側の何れかにてドライアップが発生したときの電流分布である。実施の形態１でも説明したように、ドライアップの発生は、電流密度のピーク位置がガス流路４２，４４の出口側に変位することによって判断することができる。また、電流密度のピーク位置の変化量が大きいほど、発電面の広い範囲でドライアップが発生していると判断することができる。
しかし、電流密度のピーク位置が出口側に変化したことだけでは、ドライアップがアノード側で発生しているのかカソード側で発生しているのかは、区別することができない。これを区別するためには、循環ポンプ１４の回転速度を制御してアノードストイキを変化させる必要がある。アノードストイキを変えればそれに応じてアノード側での水分の持ち去り量が変化する。このため、ドライアップがアノード側で発生している場合には、アノードストイキを低下させることで電流密度のピーク位置は入口側に変化し、アノードストイキを上昇させることで電流密度のピーク位置はさらに出口側に変化する。一方、カソード側の水分量はアノード側のガス流量の影響を殆ど受けないため、ドライアップがカソード側で発生している場合には、アノードストイキを変化させても電流密度のピーク位置に変化は生じない。
なお、アノードストイキではなくカソードストイキを変化させた場合には、それに応じてカソード側での水分の持ち去り量が変化する。しかし、カソード側のガス流量はアノード側のガス流量よりも極めて多いことから、電解質膜を介した水分の移動によってアノード側の水分量も変化してしまう。つまり、カソードストイキを変化させたのでは、ドライアップの発生箇所が発電面のアノード側とカソード側の何れなのか区別することはできない。
次に、電流分布の変化に基づくフラッディングの診断方法について説明する。図９において点線で示す電流分布は、発電面のカソード側とアノード側の何れかにてフラッディングが発生したときの電流分布である。実施の形態１でも説明したように、フラッディングの発生は、電流密度のピーク位置が変わらずにガス流路４２，４４の出口付近における電流密度が低下することによって判断することができる。また、電流密度の低下した領域が広いほど、発電面の広い範囲でフラッディングが発生していると判断することができる。
しかし、ガス流路４２，４４の出口付近における電流密度が低下したことだけでは、フラッディングがアノード側で発生しているのかカソード側で発生しているのかは、区別することができない。これを区別するためには、ドライアップを区別する場合と同様、循環ポンプ１４の回転速度を制御してアノードストイキを変化させる必要がある。フラッディングがアノード側で発生している場合には、アノードストイキを低下させることで出口付近の電流密度はさらに低下し、アノードストイキを上昇させることで出口付近の電流密度は回復する。一方、ドライアップの場合と同様の理由により、フラッディングがカソード側で発生している場合には、アノードストイキを変化させても電流密度のピーク位置に変化は生じない。
本実施の形態の燃料電池システムでは、制御装置１０は、電流計測セル３２の計測信号に基づく異常診断とその診断結果に基づく復帰制御とを図１０にフローチャートで示すルーチンに従って実施する。このルーチンによれば、先ず、電流密度のピーク位置が出口側に変化したか否か判定される（ステップＳ２００）。その判定結果がＹｅｓであれば、アノードストイキを低下させる処理が行われる（ステップＳ２０２）。
次に、アノードストイキが低下したことによって電流密度のピーク位置が入口側に変化したか否か判定される（ステップＳ２０４）。その判定結果がＹｅｓであれば、ＡＮドライアップが発生したものと判断され、ＡＮドライアップ復帰制御が実施される（ステップＳ２０６）。一方、判定結果がＮｏであれば、ＣＡドライアップが発生したものと判断され、ＣＡドライアップ復帰制御が実施される（ステップＳ２０８）。各復帰制御の内容は実施の形態１にて説明した通りである。
一方、ステップＳ２００の判定結果がＮｏであれば、次に、出口付近の電流密度が低下したか否か判定される（ステップＳ２１０）。その判定結果がＹｅｓであれば、アノードストイキを上昇させる処理が行われる（ステップＳ２１２）。
次に、アノードストイキが上昇したことによって出口付近の電流密度が回復したか否か判定される（ステップＳ２１４）。その判定結果がＹｅｓであれば、ＡＮフラッディングが発生したものと判断され、ＡＮフラッディング復帰制御が実施される（ステップＳ２１６）。一方、判定結果がＮｏであれば、ＣＡフラッディングが発生したものと判断され、ＣＡフラッディング復帰制御が実施される（ステップＳ２１８）。ステップＳ２１０の判定結果がＮｏであるならば、燃料電池スタック２の発電面にドライアップやフラッディングは生じていない、すなわち、燃料電池スタック２は正常状態にあると判断される。
本実施の形態では、制御装置１０によって図１０に示すルーチンが実行されることで、第１及び第３の発明にかかる「診断手段」と、第４の発明にかかる「制御手段」とが実現される。
その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
上記実施の形態では、電流密度のピーク位置が出口側に変化することをもってドライアップが発生していると判断しているが、その変化量が小さい場合にはフラッディングとの区別が難しい。そこで、そのような場合には、電流密度の分布と併せて電流密度の時間変化率の分布も計測し、電流密度の変化率に基づいてドライアップとフラッディングとを区別する。図１１はドライアップが発生したときの電流密度変化率の分布を示す図であり、図１２はフラッディングが発生したときの電流密度変化率の分布を示す図である。これらの図から分かるように、発電面の乾燥が徐々に進んでいく現象であるドライアップでは、電流密度の低下率は小さい。これに対し、水分が触媒層の表面を覆ってしまう現象であるフラッディングでは、電流密度の低下率は大きい。したがって、電流密度変化率に閾値αを設定しておけば、電流密度の低下率の分布に閾値αを超える部分が有るか無いかによってフラッディングかドライアップかを区別することができる。
また、上記実施の形態ではアノードガスを循環させながら発電する運転方法が採られているが、アノードガスを燃料電池スタックの内部に止めた状態で発電する運転方法を採ってもよい。この場合、アノードガスを循環させるための装置（循環ポンプやエジェクタ）は不要となる。その一方で、アノードガス流路内には窒素等の不純物が溜まるので、それら不純物を外部にパージするための排気弁を設置する。燃料電池スタックの発電時には排気弁を完全に閉じた状態とするか、若しくは、排気弁を僅かに開いて連続少量排気を行う。連続少量排気では、系外へ排気されるアノードガスの流量が燃料電池スタック内での水素の消費量に比較して極微小な値になるように排気弁の開度を調整する。
上記のような運転方法を採る場合でも、異常診断結果に基づく復帰制御のうち、ＣＡドライアップ復帰制御、ＣＡフラッディング復帰制御、そして、ＡＮドライアップ復帰制御に関しては、上記実施の形態で説明した通りの制御方法を用いることができる。ＡＮフラッディング復帰制御に関しては、（ｄ３），（ｄ４）の方法の他、排気弁を開いてアノード背圧を低下させる方法を採ることができる。
さらに、本発明は、排気弁を備えないか、若しくは、緊急時以外には排気弁を作動させない燃料電池システムにも適用可能である。排気弁によるパージを実行しない場合には、運転に伴ってアノードガス流路内の不純物の分圧は上昇していくが、ある程度まで上昇したらカソード流路内の不純物の分圧に等しくなり、それ以上にアノードガス流路内の不純物の分圧が上がることはない。このような燃料電池システムにおけるＡＮフラッディング復帰制御としては、（ｄ３）或いは（ｄ４）の方法を採ることができる。
本発明の実施の形態１の燃料電池（燃料電池スタック）の構成を模式的に示す図である。 図１に示す燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 反応ガスの流れが対向流となる燃料電池において、ＣＡドライアップが発生した場合の電流密度分布と、ＣＡフラッディングが発生した場合の電流密度分布と、通常の電流密度分布とを比較して示す図である。 反応ガスの流れが対向流となる燃料電池において、ＡＮドライアップが発生した場合の電流密度分布と、ＡＮフラッディングが発生した場合の電流密度分布と、通常の電流密度分布とを比較して示す図である。 本発明の実施の形態１で実行される電流計測セルの計測信号に基づく異常診断とその診断結果に基づく復帰制御のルーチンを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１で実行される燃料電池システムの運転停止制御の方法について説明するための図である。 本発明の実施の形態１で実行される燃料電池システムの起動制御の方法について説明するための図である。 反応ガスの流れが並行流となる燃料電池において、ドライアップが発生した場合の電流密度分布と、通常の電流密度分布とを比較して示す図である。 反応ガスの流れが並行流となる燃料電池において、フラッディングが発生した場合の電流密度分布と、通常の電流密度分布とを比較して示す図である。 本発明の実施の形態２で実行される電流計測セルの計測信号に基づく異常診断とその診断結果に基づく復帰制御のルーチンを示すフローチャートである。 ドライアップが発生したときの電流密度変化率の分布を示す図である。 フラッディングが発生したときの電流密度変化率の分布を示す図である。
符号の説明
２ 燃料電池スタック
４ 高圧水素タンク
６ 水素供給路
８ 可変調圧弁
１０ 制御装置
１２ アノードガス循環路
１４ 循環ポンプ
１８ 負荷
２０ エアコンプレッサ
２２ 空気供給路
２４ カソードガス排出路
２６ 背圧調整弁
２８ 加湿器
３０ 単位電池
３２ 電流計測セル
３４ 電流センサ
４０ 膜電極接合体
４２ カソードガス流路
４４ アノードガス流路
４６，４８ 集電板

Claims (4)

  1. アノードとカソードの夫々に反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池の発電面における電流密度の分布を計測する計測手段と、
    発電面上での電流密度のピーク位置の変化に基づいて前記燃料電池の内部の乾燥状態を診断する診断手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記燃料電池は、発電面を挟んでアノード側の反応ガスとカソード側の反応ガスとが対向して流れる燃料電池であって、
    前記診断手段は、電流密度のピーク位置がアノードとカソードの何れの出口側に変化したかを判定し、その判定結果に応じて乾燥場所を特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. 前記燃料電池は、発電面を挟んでアノード側の反応ガスとカソード側の反応ガスとが並行して流れる燃料電池であって、
    前記診断手段は、電流密度のピーク位置に変化があった場合には、アノード側の反応ガスの供給条件の変化に応じて電流密度のピーク位置が変化するか否かを検証し、その検証結果に応じて乾燥場所を特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。
  4. 前記診断手段により前記燃料電池の内部が乾燥していると診断されたときには、診断結果に基づいて電流密度のピーク位置を変化前の位置に戻すように前記燃料電池の運転条件を制御する制御手段、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
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