JP2009259418A - 燃料電池の制御方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池において、比較的簡単な構成及び制御で、迅速に電圧低下に対応する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池の制御方法において、セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を検出する工程と、その検出されたカソードとアノードの温度に基づいて、セル積層体の陰極側の端部の単セルにおけるカソード側からアノード側への水移動量を算出し、さらに当該水移動量に基づいて、前記アノード側に溜まる水滞留量を算出し、当該水滞留量に基づいて、前記アノードの圧力損失を算出する工程と、前記圧力損失に基づいて、セル積層体の単セルのアノード側の排水を制御する工程と、を有する。
【選択図】図７

Description

本発明は、燃料電池の制御方法と、燃料電池システムに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池を有している。この燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスの反応が行われる単セルが一方向に積層されて構成されたセル積層体（スタック）を有し、このセル積層体全体で所望の電圧の発電が行われている。

ところで、燃料電池のセル積層体は、外側の端部側の温度が中央側の温度より低くなる。セル積層体の端部付近の温度が低くなると、例えばその端部付近の単セル内の飽和水蒸気分圧が低下して水分量が増加し、単セル内のガス流路の抵抗が増大して、例えばアノードに燃料ガスが十分に供給されなくなることがある。この場合、セル積層体の端部付近の単セルにおいて、発電が十分に行われず、セル積層体全体の発電電圧の低下を招くことがある（フラッティング現象）。

燃料電池内の水分量を制御する方法としては、例えば燃料電池の温度やカソードの入口圧力から、カソード側の水収支量を算出し、そのカソード側の水収支量によりカソードの圧力を調整して水収支量を制御することが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００７−２２０４６２号公報

しかしながら、上述の方法は、一つのセルの燃料電池において水収支量を制御するものであり、多数の単セルを有するセル積層体に適用すると、例えば温度センサや圧力センサが多数必要になって、構造が複雑になり、またその制御も複雑になる。また、各単セルにおいて水分量が増大するタイミングや程度が異なるので、水分量の制御が遅れて電圧低下に対して十分に迅速な対応が採れないことが考えられる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、複数の単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池において、比較的簡単な構成及び制御で、迅速に電圧低下に対応することをその目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池の制御方法であって、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を検出する工程と、検出された前記カソードと前記アノードの温度に基づいて、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける前記カソード側からアノード側への水移動量を算出し、さらに当該水移動量に基づいて、前記アノード側に溜まる水滞留量を算出し、当該水滞留量に基づいて、前記アノードの圧力損失を算出する工程と、前記圧力損失に基づいて、セル積層体の単セルのアノード側の排水を制御する工程と、を有することを特徴とする。

セル積層体の電圧低下の原因となる温度低下は、セル積層体の陰極側の端部の単セルで最も顕著に、また早く現れる。また、各単セルにおける電圧低下の原因となるカソードとアノードとの温度差も、セル積層体の陰極側の端部の単セルで最も顕著に現れる。本発明によれば、セル積層体の陰極側の端部の単セルにおけるカソードとアノードの温度に基づいて、そのアノードの圧力損失を算出し、当該圧力損失に基づいてセル積層体の単セルのアノード側の排水を制御するので、例えばセル積層体の端部付近の単セルにおいて電圧低下が起こる前に、アノードの排水を行って電圧低下を事前に防止できる。また、セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度のみを検出すればよいので、比較的簡単な構成及び制御で、電圧低下に対応できる。

前記排水は、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける前記アノードの圧力損失とセル積層体の中央部の単セルにおけるアノードの圧力損失との比が、予め設定されている閾値を超えた場合に行われるようにしてもよい。セル積層体の端部の単セルにおける圧力損失がセル積層体の中央部の単セルにおける圧力損失に対してある値以上大きくなった場合に、セル積層体の端部の単セルに対する燃料ガスの供給量が不足して、電圧低下が生じるので、本発明のようにセル積層体の陰極側の端部の単セルにおける圧力損失とセル積層体の中央部の単セルの圧力損失との比に基づいて、アノードの排水を行うことにより、電圧低下を確実に防止できる。

前記閾値は、単セルに供給される燃料ガスと酸化ガスの混合比であるストイキに基づいて設定されていてもよい。かかる場合、セル積層体の端部の単セルへの燃料ガスの供給量が不足することを適正に防止できるので、電圧低下を適正に防止できる。

前記排水の制御は、前記セル積層体の陰極側の端部に設けられた加熱部の温度を上下することにより行われるようにしてもよい。

また、前記排水の制御は、前記セル積層体の単セルのアノード側の給排気ガスの流量を増減することにより行われるようにしてもよい。

前記給排気ガスの流量の増減は、燃料ガスに空気を混入することにより行われるようにしてもよい。かかる場合、アノード側の給排気ガスの流量を増やす際に、燃料ガスの供給量を増やす必要がないので、燃費の悪化を防止できる。

発電時には、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度をモニタリングし、当該温度から算出される前記圧力損失をモニタリングして、当該圧力損失に基づいて前記排水をＯＮ、ＯＦＦするようにしてもよい。

発電停止時には、発電停止後の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を、その温度が安定するまでモニタリングし、当該温度に基づいて、次の発電開始時の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルの圧力損失を算出し、当該圧力損失に基づいて、次の発電開始時の前記排水を制御するようにしてもよい。かかる場合、発電停止後にカソードとアノードの温度が低下する際の水移動やアノードの圧力損失の増大等を考慮して、次の発電開始時の排水を制御できるので、次の発電開始時の電圧低下を防止できる。

前記燃料電池の制御方法は、前記算出された圧力損失に基づいて、次の発電開始時の発電電流の上限値を設定する工程と、次の発電開始時に、前記上限値より低い発電電流で発電を行いながら、前記排水を行う工程と、その後、セル積層体の陰極側の端部の単セルの圧力損失に関する値が予め設定されている閾値よりも低下したときに、前記発電電流の上限値の設定を解除する工程と、を有するようにしてもよい。仮に圧力損失が大きいにも関わらず、次の発電時に高い電流値の発電を行うと、例えば燃料ガスの供給が不足して発電が適正に行われなくなる。本発明では、算出された圧力損失に基づいて、次の発電開始時の発電電流の上限値を設定し、発電開始時には、発電電流を低く抑えながら、排水を行うことができる。そして、圧力損失が十分に低下してから高電流の発電を行うことができるので、次の発電を適正に行うことができる。

別の観点による本発明は、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池と、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を検出する温度センサと、検出された前記カソードと前記アノードの温度に基づいて、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける前記カソード側からアノード側への水移動量を算出し、さらに当該水移動量に基づいて、前記アノード側に溜まる水滞留量を算出し、当該水滞留量に基づいて、前記アノードの圧力損失を算出する演算部と、前記圧力損失に基づいて、セル積層体の単セルのアノード側の排水を制御する制御部と、を有することを特徴とする。

前記燃料電池システムにおいて、前記排水は、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける圧力損失と、前記セル積層体の中央部の単セルにおける圧力損失との比が、予め設定されている閾値を超えた場合に行われるようにしてもよい。

前記閾値は、単セルに供給される燃料ガスと酸化ガスの混合比であるストイキに基づいて設定されていてもよい。

前記排水の制御は、前記セル積層体の陰極側の端部に設けられた加熱部の温度を上下することにより行われるようにしてもよい。

また、前記排水の制御は、前記セル積層体の単セルのアノード側の給排気ガスの流量を増減することにより行われるようにしてもよい。

前記給排気ガスの流量の増減は、燃料ガスに空気を混入することにより行われるようにしてもよい。

以上の燃料電池システムにおいて、発電時には、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度をモニタリングし、当該温度から算出される前記圧力損失をモニタリングして、当該圧力損失に基づいて前記排水をＯＮ、ＯＦＦするようにしてもよい。

発電停止時には、発電停止後の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を、その温度が安定するまでモニタリングし、当該温度に基づいて、次の発電開始時の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルの圧力損失を算出し、当該圧力損失に基づいて、次の発電開始時の前記排水を制御するようにしてもよい。

前記制御部は、前記算出された圧力損失に基づいて、次の発電開始時の発電電流の上限値を設定し、次の発電開始時に、前記上限値より低い発電電流で発電を行いながら、前記排水を行い、その後、セル積層体の陰極側の端部の単セルの圧力損失に関する値が予め設定されている閾値よりも低下したときに、前記発電電流の上限値の設定を解除するようにしてもよい。

本発明によれば、複数の単セルが積層されたセル積層体を有する燃料電池において、比較的簡単な構成及び制御で、迅速に電圧低下に対応できる。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。

燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、システム全体を統合制御する制御装置（演算部、制御部）１３等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池（単セル）を所要数積層して構成したスタック構造を有している。この燃料電池１０の構成の詳細は後述する。燃料電池１０には、発電中の電流を検出する電流センサ１０ａが取り付けられている。燃料電池１０は、発電された電力が供給されるトランクションモータなどの負荷部１４に接続されている。

酸化ガス配管系１１は、加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給する供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送る排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出する排気流路２３を備えている。供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。

水素ガス配管系１２は、高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

なお、水素タンク３０に代えて、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、を燃料供給源として採用することもできる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用してもよい。

供給流路３１には、水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。

循環流路３２には、水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。

制御装置１３は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、調圧装置３５の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置１３は、車両に設けられた加速操作装置等の操作量を検出し、例えばトランクションモータなどの負荷部１４からの要求発電量等の制御情報を受けて、システム１内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷部１４は、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等を含む。負荷部１４は、後述する燃料電池１０の加熱部１２０の電源にもなっている。

制御装置１３には、燃料電池１０の発電量を検出する電流センサ１０ａの検出情報が入力される。また、各配管系を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサの検出情報や、外気温を検出するセンサの検出情報等が入力される。制御装置１３は、要求発電量及び各センサの検出情報に基づき、コンプレッサ２４、遮断弁３３、及び調圧装置３５等を駆動制御して、燃料電池１０に要求発電量に応じた流量及び圧力の反応ガスを供給する。

ここで、上記燃料電池１０の構成について説明する。図２は、燃料電池１０の構成の概略を示す説明図である。

燃料電池１０は、例えば図２に示すように全体が直方体状のセル積層体５０を有する。セル積層体５０は、一方向に複数積層された方形板状の単セル５１と、それらの単セル５１の両端に取り付けられた集電板５２、５３を有する。例えば集電板５２は、セル積層体５０の陽極の出力端子になっており、集電板５３は、陰極の出力端子になっている。

セル積層体５０の各単セル５１は、例えば図３に示すように陰極側から陽極側に向けて、陰極セパレータ６０、アノード６１ 電解質膜６２、カソード６３及び陽極セパレータ６４がこの順で積層されている。

陰極セパレータ６０には、アノード６１に露出する水素ガス流路７０が形成されている。水素ガス流路７０は、例えば図４に示すように陰極セパレータ６０の面内に一筆書き状に形成され、一端から水素ガスが供給され、他端から水素オフガスが排出される。この水素ガス流路７０により、図３に示すように水素ガスがアノード６１に供給され、またアノード６１の水素オフガスが排出される。なお、水素オフガスには、アノード６１に供給された余剰の水素ガスやアノード６１に溜まった水分が含まれる。また、陰極セパレータ６０には、例えば単セル５１の温度調整のための冷媒流路７１が形成されている。

陽極セパレータ６４には、図３に示すようにカソード６３に露出する酸化ガス流路８０が形成されている。酸化ガス流路８０は、例えば図５に示すように陽極セパレータ６４の面内に一筆書き状に形成され、一端から酸化ガスが供給され、他端から酸化オフガスが排出される。この酸化ガス流路８０により、図３に示すように酸化ガスがカソード６３に供給され、またカソード６３から酸化オフガスが排出される。なお、酸化オフガスには、カソード６３で生成された水やカソード６３に供給された余剰の酸化ガスが含まれる。

例えば図４及び図５に示したように陰極セパレータ６０と陽極セパレータ６４の一端側には、水素ガス供給孔９０、冷媒供給孔９１及び酸化ガス供給孔９２が並べて形成され、他端側には、水素オフガス排出孔９３、冷媒排出孔９４及び酸化オフガス排出孔９５が並べて形成されている。陰極セパレータ６０では、図４に示すように水素ガス供給孔９０と水素オフガス排出孔９３が水素ガス流路７０に連通している。また、冷媒供給孔９１と冷媒排出孔９４は、冷媒流路７１に連通している。また、陽極セパレータ６４では、図５に示すように酸化ガス供給孔９２と酸化オフガス排出孔９５が酸化ガス流路８０に連通している。

各単セル５１の陰極セパレータ６０と陽極セパレータ６４の水素ガス供給孔９０、冷媒供給孔９１、酸化ガス供給孔９２、水素オフガス排出孔９３、冷媒排出孔９４及び酸化オフガス排出孔９５は、互いに連結されており、さらに図２に示すようにそれらの各単セル５１が積層されることにより、セル積層体５０内の積層方向に、水素ガス供給孔９０からなる水素ガス供給流路１００、冷媒供給孔９１からなる冷媒供給流路１０１、酸化ガス供給孔９２からなる酸化ガス供給流路１０２、水素オフガス排出孔９３からなる水素オフガス排出流路１０３、冷媒排出孔９４からなる冷媒排出流路１０４、及び酸化オフガス排出孔９５からなる酸化オフガス排出流路１０５が形成されている。水素ガス供給流路１００は、図１に示す燃料電池１０の外部の供給流路３１に接続されている。水素オフガス排出流路１０３は、循環流路３２に接続されている。酸化ガス供給流路１０２は、供給流路２１に接続されている。酸化オフガス排出流路１０５は、排出流路２２に接続されている。

かかる構成により、セル積層体５０の各単セル５１には、アノード６１側に水素ガスが供給され、カソード６３側に酸化ガスが供給されて、それらの電気化学反応により発電が行われる。

図２に示すセル積層体５０の陰極側の端部の単セル（以下、「陰極端部セル」とする）５１ａには、例えば図６に示すようにカソード６３の温度を検出するカソード温度センサ１１０と、アノード６１の温度を検出するアノード温度センサ１１１が設けられている。これらの温度センサ１１０、１１１の検出結果は、制御装置１３に出力される。制御装置１３は、このカソード６３とアノード６１の温度に基づいて、陰極端部セル５１ａのアノード６１の圧力損失を算出する機能を有する。つまり、制御装置１３は、陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の温度に基づいて、陰極端部セル５１ａのカソード６３側からアノード６１側への水移動量を算出し、さらに当該水移動量に基づいて、アノード６１側に溜まる水滞留量を算出し、当該水滞留量に基づいて、アノード６１の圧力損失を算出できる。また、制御装置１３は、当該陰極端部セル５１ａのアノード６１の圧力損失に基づいて、セル積層体５０の単セル５１のアノード６１側の排水を制御する機能を有する。なお、この制御装置１３による排水制御の詳細については後述する。

図２に示すように燃料電池１０は、セル積層体５０の両端部に加熱部１２０を有する。加熱部１２０は、例えば負荷部１４の電源Ａからの給電により発熱する。燃料電池１０は、各加熱部１２０の外側にエンドプレート１２１を有し、セル積層体５０と加熱部１２０が両側のエンドプレート１２１により挟み込まれている。両側のエンドプレート１２１同士は、締結棒１２２によって締結されている。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１の燃料電池１０の制御方法について説明する。

例えば燃料電池システム１が作動し、燃料電池１０において発電が行われる際には、燃料電池１０に水素ガスと酸化ガス（空気）が供給される。これにより、セル積層体５０の各単セル５１のアノード６１に水素ガスが供給され、カソード６３に酸化ガスが供給される。各単セル５１では、アノード６１に供給された水素ガスがイオン化し、電解質膜６２を通ってカソード６３側に移動する。そして、水素イオンがカソード６３側において酸化ガスと反応して、発電が行われる。この水素ガスと酸化ガスの反応により生成された水は、カソード６３側から排出される。この際、セル積層体５０の端部側の温度が中央部側に比べて低くなると、単セル５１内のアノード６１側の温度がカソード６３側に対して低くなり、カソード６３の水分がアノード６１側に移動する。この水がアノード６１側に多量に滞留すると、アノード６１内の流路が閉鎖され、アノード６１への水素ガスの供給やカソード６３側への水素イオンの移動が妨げられる。

図７は、発電時の燃料電池１０の制御方法の主な工程を示すフローチャートである。発電時の燃料電池１０の制御では、先ず、セル積層体５０の陰極端部セル５１ａのカソード６３の温度Ｔｃａとアノード６１の温度Ｔａｎが、温度センサ１１０、１１１により継続的に検出される（モニタリング）（図７の工程Ｓ１）。陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の温度結果は、随時制御装置１３に出力される。制御装置１３では、陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の温度Ｔｃａ、Ｔａｎに基づいて、陰極端部セル５１ａにおいてカソード６３側からアノード６１側へ移動する水移動量Ｈが算出される（図７の工程Ｓ２）。このときの水移動量Ｈは、例えば次式（１）により単位時間の水移動量Ｈｔが求められ、その水移動量Ｈｔが時間積分されて求められる。
（数１）

ここで、式（１）のΔＰは、陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の水蒸気の圧力差であり、例えば温度Ｔｃａ、Ｔａｎをそのときの飽和水蒸気分圧に変換し、その差を求めることにより算出される。

その後、制御装置１３では、水移動量Ｈに基づいて、陰極端部セル５１ａのアノード６１側に溜まる水滞留量Ｑが算出される（図７の工程Ｓ２）。この水滞留量Ｑは、アノード６１における水収支を計算することにより求められる。すなわち、水素ガス流路７０を通じてアノード６１に供給される水素ガスに含まれる水分量と、カソード６３側からアノード６１側への水移動量Ｈが導入分であり、水素ガス流路７０を通じてアノード６１側から排気される水素オフガスに含まれる水分量が排出分となり、導入分から排出分を引くことにより、水滞留量Ｑが求められる。

次に、制御装置１３では、水滞留量Ｑに基づいて、陰極端部セル５１ａにおけるアノード６１の圧力損失ΔＰｔが算出される（図７の工程Ｓ３）。この圧力損失ΔＰｔは、予め実験などにより求められている図８に示すような圧力損失ΔＰｔと水滞留量Ｑとの相関により求められる。

次に、制御装置１３では、陰極端部セル５１ａの圧力損失ΔＰｔに基づいて、セル積層体５０の単セル５１のアノード６１の排水が制御される。例えば陰極端部セル５１ａのアノード６１の圧力損失ΔＰｔと、予め求められているセル積層体５０の中央部の単セル５１におけるアノード６１の圧力損失ΔＰｃとの圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）が、閾値を超えた場合に、排水が行われる。閾値として、例えば単セル５１に供給される水素ガスと酸化ガスの混合比であるストイキＳｔの８０％が設定される（図７の工程Ｓ４）。

圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）がストイキＳｔの８０％を超えていない場合には、再度カソード６３とアノード６１の温度検出工程Ｓ１に戻り、上記工程Ｓ１〜Ｓ４が繰り返される。

アノード６１の排水制御は、例えばセル積層体５０の陰極側の加熱部１２０の温度を上下することにより行われる。例えば制御装置１３の信号により、電源Ａが加熱部１２０に給電し、加熱部１２０を発熱させることにより、セル積層体５０の陰極側の端部付近の単セル５１の温度が上昇し、アノード６１の滞留水が揮発して、水素ガス流路７０から排気される（図７の工程Ｓ５）。これにより、アノード６１の水が排水される。

その後、制御装置１３では、再度、圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）がストイキＳｔの８０％を超えているか否か確認され（図７の工程Ｓ６）、圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）がストイキＳｔの８０％を超えなくなった場合には、排水が停止される（図７の工程Ｓ７）。圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）がストイキＳｔの８０％を超えている場合には、排水が継続される。

図９は、発電停止時の燃料電池１０の制御方法の主な工程を示すフローチャートである。発電停止時には、燃料電池１０に給熱されないため、セル積層体５０の温度が低下する。発電停止時の燃料電池１０の制御では、先ず、発電停止後のセル積層体５０の陰極端部セル５１ａのカソード６３の温度Ｔｃａとアノード６１の温度Ｔａｎが、温度センサ１１０、１１１により継続的に検出される（モニタリング）（図９の工程Ｋ１）。陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の温度結果は、随時制御装置１３に出力される。制御装置１３では、陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の温度Ｔｃａ、Ｔａｎが安定したか否か確認される（図９の工程Ｋ２）。カソード６３とアノード６１の温度検出は、温度が安定するまで行われる。

カソード６３とアノード６１の温度Ｔｃａ、Ｔａｎが安定した後、検出したカソード６３とアノード６１の温度Ｔｃａ、Ｔａｎに基づいて、陰極端部セル５１ａのカソード６３側からアノード６１側へ移動する水移動量Ｈが算出され、その水移動量Ｈから、陰極端部セル５１ａのアノード６１側の水滞留量Ｑが算出される（図９の工程Ｋ３）。その後、水滞留量Ｑから、陰極端部セル５１ａにおけるアノード６１の圧力損失ΔＰｔが算出される（図９の工程Ｋ４）。これらの水移動量Ｈ、水滞留量Ｑ及び圧力損失ΔＰの算出は、例えば上記発電時と同様に行われる。

次に、制御装置１３では、陰極端部セル５１ａのアノード６１の圧力損失ΔＰｔに基づいて、次の発電開始時の燃料電池１０の発電電流の上限値Ａｔが設定される（図９の工程Ｋ５）。これは、圧力損失ΔＰｔが高い場合に、次の発電時に高い電流値で発電されると、例えば水素ガスが供給不足になり発電が適正に行われなくなるためである。このため、発電電流の上限値Ａｔは、圧力損失ΔＰｔが高い場合でも発電が適正に行われる範囲の電流値が設定される。この上限値Ａｔは、例えば発電電流値と相関のあるストイキＳｔと、圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）（陰極端部セル５１ａにおけるアノード６１の圧力損失ΔＰｔとセル積層体５０の中央部の単セル５１におけるアノード６１の圧力損失ΔＰｃとの比）との関係から設定される。

そして、次の発電開始時には、上限値Ａｔを超えない電流値での発電が行われる。この発電開始時には、図１０に示すように先ずアノード６１側の排水が行われる（図１０の工程Ｋ６）。その後、圧力損失ΔＰｔに関する圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）がストイキＳｔの所定の閾値よりも低下したか否かが確認され（図１０の工程Ｋ７）、低下した場合には、排水が停止され（図１０の工程Ｋ８）、発電電流の上限値Ａｔが解除される（図１０の工程Ｋ９）。

以上の実施の形態によれば、セル積層体５０の陰極端部セル５１におけるカソード６３とアノード６１の温度Ｔｃａ、Ｔａｎに基づいて、セル積層体５０の単セル５１のアノード６１側の排水を制御するので、例えばセル積層体５０の端部付近の単セル５１で電圧低下が起こる前に、アノード６１の排水を行って電圧低下を事前に防止できる。また、セル積層体５０の陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の温度のみを検出すればよいので、比較的簡単な構成及び制御で、電圧低下に対応できる。また、陰極端部セル５１ａのアノード６１の圧力損失ΔＰｔに基づいて、アノード６１側の排水を制御できるので、的確に電圧低下を防止できる。

また、以上の実施の形態では、単セル５１のアノード６１側の排水は、セル積層体５０の陰極端部セル５１ａにおけるアノード６１の圧力損失ΔＰｔとセル積層体５０の中央部の単セル５１におけるアノード６１の圧力損失ΔＰｃとの圧損比（ΔＰｔ／ΔＰｃ）が、予め設定されている閾値（ストイキＡｔの８０％）を超えた場合に行われるようにした。このため、セル積層体５０の端部の単セル５１への水素ガスの供給量が不足することを適正に防止できるので、電圧低下を適正に防止できる。

排水の制御は、セル積層体５０の陰極側の端部に設けられた加熱部１２０の温度を上下することにより行われるので、排水の制御を比較的簡単な構成で行うことができる。

発電時には、カソード６３とアノード６１の温度Ｔｃａ、Ｔａｎをモニタリングし、当該温度から算出される圧力損失ΔＰｔをモニタリングして、当該圧力損失ΔＰｔに基づいて排水をＯＮ、ＯＦＦするようにしたので、発電時の電圧低下を適正に防止できる。

発電停止時には、発電停止後の陰極端部セル５１ａのカソード６３とアノード６１の温度Ｔｃａ、Ｔａｎを、その温度が安定するまでモニタリングし、その温度Ｔｃａ、Ｔａｎに基づいて、次の発電開始時の圧力損失ΔＰｔを算出し、当該圧力損失ΔＰｔに基づいて、次の発電開始時の排水を制御するようした。これにより、発電停止後にセル積層体５０の温度が低下する際に生じるアノード６１の圧力損失の増大等を考慮して、次の発電開始時の排水を制御できるので、次の発電開始時においても適正に電圧低下を防止できる。

また、次の発電開始時の圧力損失ΔＰｔに基づいて、次の発電開始時の発電電流の上限値Ａｔを設定し、次の発電開始時に、上限値Ａｔより低い発電電流で発電を行いながら、排水を行い、その後、陰極端部セル５１ａのアノード６１の圧力損失ΔＰｔに関する値が予め設定されている閾値よりも低下したときに、発電電流の上限値Ａｔの設定を解除するようにした。かかる場合、次の発電開始時に発電電流を低く抑えながら、青ノード６１の排水を行うことができるので、圧力損失ΔＰｔが十分に低下してから高電流の発電を行うことができ、次の発電も適正に行うことができる。

以上の実施の形態では、排水の制御を加熱部１２０の温度の上下により行っていたが、セル積層体５０の単セル５１のアノード６１側の給排気ガスの流量を増減することにより行うようにしてもよい。かかる場合、例えば制御装置１３により、水素ガス配管系１２の供給流路３１と循環流路３２に対し信号を出力し、水素ガス流路７０における水素ガスの供給量や水素オフガスの排気量を増減することにより、単セル５１のアノード６１の排水を制御する。

また、かかる例において、給排気ガスの流量の増減は、水素ガスに空気を混入することにより行うようにしてもよい。かかる場合、例えば図１１に示すように酸化ガスの供給流路２１が水素ガスの供給流路３１に、開閉バルブ１３０を有するバイパス流路１３１により接続され、カソード６３に供給する空気の一部をアノード６１側に供給する。この場合、アノード６１側の給排気ガスの流量を増やす際に、水素ガスの供給量を増やす必要がないので、燃費の悪化を防止できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば以上の実施の形態では、水素ガスと空気により発電する燃料電池１０であったが、水を生成する他のガスにより発電する燃料電池にも本発明は適用できる。また、以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システム１について説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。

燃料電池システムの構成の概略を示す説明図である。 燃料電池の構成の概略を示す説明図である。 単セルの構成の概略を示す縦断面図である。 単セルの陰極セパレータの平面図である。 単セルの陽極セパレータの平面図である。 温度センサを有する単セルの構成の概略を示す縦断面図である。 発電時の燃料電池の制御の主な工程を示すフローチャートである。 圧力損失と水滞留量の相関を示すグラフである。 発電停止時の燃料電池の制御の主な工程を示すフローチャートである。 次の発電開始時の燃料電池の制御の主な工程を示すフローチャートである。 水素ガスの供給流路に酸化ガスの供給流路を接続した場合の燃料電池システムの構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
１３ 制御装置
５０ セル積層体
５１ 単セル
５１ａ 陰極端部セル

Claims (18)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池の制御方法であって、
   前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を検出する工程と、
   検出された前記カソードと前記アノードの温度に基づいて、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける前記カソード側からアノード側への水移動量を算出し、さらに当該水移動量に基づいて、前記アノード側に溜まる水滞留量を算出し、当該水滞留量に基づいて、前記アノードの圧力損失を算出する工程と、
   前記圧力損失に基づいて、セル積層体の単セルのアノード側の排水を制御する工程と、を有することを特徴とする、燃料電池の制御方法。
2. 前記排水は、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける前記アノードの圧力損失と、前記セル積層体の中央部の単セルにおけるアノードの圧力損失との比が、予め設定されている閾値を超えた場合に行われることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池の制御方法。
3. 前記閾値は、単セルに供給される燃料ガスと酸化ガスの混合比であるストイキに基づいて設定されていることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池の制御方法。
4. 前記排水の制御は、前記セル積層体の陰極側の端部に設けられた加熱部の温度を上下することにより行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
5. 前記排水の制御は、前記セル積層体の単セルのアノード側の給排気ガスの流量を増減することにより行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
6. 前記給排気ガスの流量の増減は、燃料ガスに空気を混入することにより行われることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池の制御方法。
7. 発電時には、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度をモニタリングし、当該温度から算出される前記圧力損失をモニタリングして、当該圧力損失に基づいて前記排水をＯＮ、ＯＦＦすることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
8. 発電停止時には、発電停止後の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を、その温度が安定するまでモニタリングし、当該温度に基づいて、次の発電開始時の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおけるアノードの圧力損失を算出し、当該圧力損失に基づいて、次の発電開始時の前記排水を制御することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池の制御方法。
9. 前記算出された圧力損失に基づいて、次の発電開始時の発電電流の上限値を設定する工程と、
   次の発電開始時に、前記上限値より低い発電電流で発電を行いながら、前記排水を行う工程と、
   その後、セル積層体の陰極側の端部の単セルにおけるアノードの圧力損失に関する値が予め設定されている閾値よりも低下したときに、前記発電電流の上限値の設定を解除する工程と、を有することを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池の制御方法。
10. 燃料電池システムであって、
    燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が行われる単セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池と、
    前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を検出する温度センサと、
    検出された前記カソードと前記アノードの温度に基づいて、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける前記カソード側からアノード側への水移動量を算出し、さらに当該水移動量に基づいて、前記アノード側に溜まる水滞留量を算出し、当該水滞留量に基づいて、前記アノードの圧力損失を算出する演算部と、
    前記圧力損失に基づいて、セル積層体の単セルのアノード側の排水を制御する制御部と、を有することを特徴とする、燃料電池システム。
11. 前記排水は、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおける前記アノードの圧力損失と、前記セル積層体の中央部の単セルにおけるアノードの圧力損失との比が、予め設定されている閾値を超えた場合に行われることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池システム。
12. 前記閾値は、単セルに供給される燃料ガスと酸化ガスの混合比であるストイキに基づいて設定されていることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記排水の制御は、前記セル積層体の陰極側の端部に設けられた加熱部の温度を上下することにより行われることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
14. 前記排水の制御は、前記セル積層体の単セルのアノード側の給排気ガスの流量を増減することにより行われることを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
15. 前記給排気ガスの流量の増減は、燃料ガスに空気を混入することにより行われることを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 発電時には、前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度をモニタリングし、当該温度から算出される前記圧力損失をモニタリングして、当該圧力損失に基づいて前記排水をＯＮ、ＯＦＦすることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
17. 発電停止時には、発電停止後の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルのカソードとアノードの温度を、その温度が安定するまでモニタリングし、当該温度に基づいて、次の発電開始時の前記セル積層体の陰極側の端部の単セルにおけるアノードの圧力損失を算出し、当該圧力損失に基づいて、次の発電開始時の前記排水を制御することを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれかに記載の燃料電池システム。
18. 前記制御部は、前記算出された圧力損失に基づいて、次の発電開始時の発電電流の上限値を設定し、次の発電開始時に、前記上限値より低い発電電流で発電を行いながら、前記排水を行い、その後、セル積層体の陰極側の端部の単セルにおけるアノードの圧力損失に関する値が予め設定されている閾値よりも低下したときに、前記発電電流の上限値の設定を解除することを特徴とする、請求項１７に記載の燃料電池システム。

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