JP2010080287A - 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

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料電池の起動時、生成水の排出処理を適切なタイミングで終了する燃料電池システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】第１の流量にて反応ガスの供給を開始する。そして、予め設定された判定セル数以上の単位セル１ａにおいて反応極によって保持される生成水が内部ガス流路側に流出したと判定した場合に、反応ガスの流量を、第１の流量よりも小さな流量である第２の流量に変更する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
従来より、酸化剤極に供給される酸化剤ガスおよび燃料極に供給される燃料ガスを電気化学的に反応させることにより発電を行う燃料電池を有する燃料電池システムが知られている。通常、燃料電池は、反応極（酸化剤極または燃料極）と、この反応極に反応ガス（酸化剤ガスまたは燃料ガス）を供給する内部ガス流路とを有する単位セルを、複数積層して構成されている。
この類の燃料電池システムでは、個々の単位セルにおいて、反応極において生成水が生成される。この生成水によって内部ガス流路が塞がれた単位セルでは反応ガスが供給され難くなる。そのため、電圧が不安定に推移し、燃料電池の発電を安定して行うことができない可能性がある。
例えば、特許文献１には、燃料電池に供給される反応ガスの流量を増加させることにより、内部ガス流路に滞留する生成水を排出し、燃料電池の安定化を図る手法が開示されている。
特開２００６−１１１２６６号公報
特許文献１に開示された手法によれば、反応ガスの流量を増加させることにより、内部ガス流路に滞留する生成水を排出することは可能である。もっとも、この生成水の排出処理は、その処理を終了する終了タイミングによっては、反応ガスを余剰に供給する可能性がある。
かかる課題を解決するために、本発明は、燃料電池へ第１の流量にて反応ガスの供給を開始する。予め設定された判定セル数以上の単位セルにおいて反応極によって保持される生成水が内部ガス流路側に流出したと判定された場合に反応ガスの流量を第１の流量から、この第１の流量よりも小さな流量である第２の流量に変更する。
本発明によれば、燃料電池へ反応ガスの供給を開始した後、判定セル数以上の単位セルにおいて生成水の内部ガス流路側への流出を検知することで、個々の単位セルに対する反応ガスの分配量のばらつきが改善したことを判断することができる。このばらつきの改善により、反応ガスの流量を増加させる必要がなくなるので、流量を小さくすることができる。これにより、生成水の排出処理において、反応ガスを余剰に供給する可能性を低減することができる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
燃料電池システムは、一対のセパレータによって燃料電池構造体が挟持された単位セルを複数積層することにより構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。ここで、燃料電池構造体は、固体高分子電解質膜を、一対の電極（反応極）である燃料極と酸化剤極とで挟持することにより構成される。固体高分子電解質は、例えば、フッ素樹脂系イオン交換膜といったイオン伝導性の高分子膜で構成されており、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。燃料極は、プラチナ等の触媒を担持した白金系の触媒層と、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層とで構成されている。酸化剤極は、プラチナ等の触媒を担持した白金系の触媒層と、カーボン繊維等の多孔質体から構成したガス拡散層とで構成されている。また、燃料電池構造体を両側より挟持するセパレータには、個々の反応極に反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給するための内部ガス流路が形成されている。
燃料電池スタック１は、個々の単位セルにおいて、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系とが備えられている。
水素系は、燃料ガスである水素を燃料電池スタック１へ供給する燃料ガス供給手段を備えている。具体的には、例えば、水素は、高圧水素ボンベといった燃料タンク１０に貯蔵されており、燃料タンク１０から水素供給流路を介して燃料電池スタック１に供給される。水素供給流路には、燃料タンク１０の下流側にタンク元バルブ（図示せず）が設けられているとともに、このバルブの下流に減圧バルブ（図示せず）が設けられている。タンク元バルブが開状態とされることにより、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、減圧バルブによって所定の圧力まで機械的に減圧される。また、水素供給流路には、減圧バルブの下流側に水素調圧バルブ１１が設けられている。この水素調圧バルブ１１は、燃料電池スタック１の燃料極における水素圧力が所望の圧力となるように、減圧バルブによって減圧された水素の圧力を調整する。
燃料電池スタック１における個々の燃料極からの排出ガス（未使用の水素を含むガス）は、水素循環流路に排出される。水素循環流路の他方の端部は、水素供給流路における水素調圧バルブ１１よりも下流側に接続されている。この水素循環流路には、例えば、水素循環ポンプ１２といった水素循環手段が設けられている。燃料電池スタック１の燃料極からの排出ガスは、水素循環手段により、燃料電池スタック１の燃料極に循環させられる。
ところで、酸化剤ガスとして空気を用いるケースでは、酸化剤極に供給された酸化剤ガスに含まれる不純物（例えば、窒素）が燃料極側に透過することがある。そのため、燃料極および水素循環流路を含む循環系内の不純物濃度が増加し、水素分圧が減少する傾向となる。不純物濃度が高い場合、燃料電池スタック１の出力が低下する等の不都合が生じるため、循環系内の不純物濃度を管理する必要がある。
そこで、水素循環流路には、循環系内から不純物をパージするためのパージ流路が設けられている。パージ流路には、パージバルブ１３が設けられており、このパージバルブ１３を閉状態から開状態に必要に応じて切り替えることにより、水素循環流路を流れる循環ガスを外部に排出することができる。これにより、不純物のパージを行うことができ、循環系内における不純物濃度を調整することができる。
空気系は、酸化剤ガスである空気を燃料電池スタック１へ供給する酸化剤ガス供給手段を有する。具体的には、空気は、空気供給流路を介して燃料電池スタック１に供給される。この空気供給流路には、コンプレッサ２０が設けられている。コンプレッサ２０は、大気（空気）を取り込むと、空気を加圧して吐出する。加圧された空気は、燃料電池スタック１に供給される。
燃料電池スタック１における個々の酸化剤極からの排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路を介して外部（大気）に排出される。空気排出流路には、空気調圧バルブ２１が設けられている。この空気調圧バルブ２１は、燃料電池スタック１の酸化剤極における圧力が所望の圧力となるように、空気の圧力を調整する。
燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から取り出す出力（例えば、電流）を制御する出力取出装置２が接続されている。燃料電池スタック１において発電された電力は、出力取出装置２を介して、車両を駆動する電動モータ、バッテリ、または、燃料電池スタック１による発電を行うための種々の補機（例えば、コンプレッサ２０、水素循環ポンプ１２など）および車両用の種々の補機（空調装置など）に供給される。
制御部（制御手段）３０は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部３０としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部３０は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力する。これにより、水素調圧バルブ１１の開度、水素循環ポンプ１２の回転数、コンプレッサ２０の回転数、空気調圧バルブ２１の開度、出力取出装置２による電流の取出量が制御される。
制御部３０には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。電流センサ３１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「スタック電流」という）を検出する。
本実施形態との関係において、制御部（制御手段および判定手段）３０は、予め設定された判定セル数以上の単位セルにおいて燃料極によって保持される生成水が内部ガス流路側に流出したことを判定する（生成水流出判定）。また、制御部３０は、システムの起動時に実行する起動処理において、後述する起動時流量（第１の流量）にて水素の供給を開始し、生成水流出判定が行われた場合、水素の流量を起動時流量から、この起動時流量よりも小さな流量である後述する通常運転流量に変更する。
制御部３０は、燃料極側を制御対象として処理を行うのみならず、酸化剤側を制御対象として処理を行うこともできる。具体的には、制御部３０は、システムの起動時に実行する起動処理において、起動時流量（第１の流量）にて空気を供給する。また、制御部３０は、予め設定された判定セル数以上の単位セルにおいて酸化剤極によって保持される生成水が内部ガス流路側に流出したと判断した場合に生成水流出判定を行う。そして、制御部３０は、生成水流出判定が行われた場合、空気の流量を起動時流量から、後述する通常運転流量に変更する。
かかる制御は、燃料電池スタック１に関する生成水の発生状況に応じて、燃料極および酸化剤極のいずれか一方のみ制御対象として処理を実行してもよいし、双方を制御対象として並列的に処理を実行してもよい。また、燃料極および酸化剤極の双方を制御対象として、総合的に処理を実行してもよい。このケースでは、燃料極および酸化剤極の双方において生成水流出判定が行われた場合に、水素および空気の流量を起動時流量から通常運転流量に減少させるといった如くである。
なお、本実施形態では、このような制御形態のバリエーションを考慮して、説明の便宜上、燃料極または酸化剤極を反応極と総称し、水素または空気を反応ガスと総称して説明を行う。
図２は、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示す一連の手順は、システムの起動時に実行される起動処理の流れを示しており、例えば、イグニッションスイッチのオン信号をトリガーとして、制御部３０によって実行される。
まず、ステップ１（Ｓ１）において、生成水排出フラグＦｗが「１」であるか否かが判断される。この生成水排出フラグＦｗは、後述する排出処理が実行されているか否かを判別するフラグであり、初期的には「０」にセットされている。そのため、生成水排出フラグＦｗが「１」にセットされるまでは、このステップ１において否定判定されるため、ステップ２（Ｓ２）に進む。一方、生成水排出フラグＦｗが「１」にセットされると、ステップ１において肯定判定されるため、ステップ２およびステップ３（Ｓ３）の処理をスキップして、ステップ４（Ｓ４）の処理に進む。
ステップ２において、カウントフラグＦcntが「１」にセットされる。このカウントフラグＦcntは、反応ガスの供給が開始されてからの経過時間、すなわち、燃料電池スタック１による発電が開始されてからの経過時間のカウントを行うタイマが動作中か否かを判別するためのフラグである。カウントフラグＦcntは、初期的には「０」にセットされている。制御部３０は、ステップ２においてカウントフラグＦcntを「０」から「１」にセットしたことを条件として、タイマによる経過時間のカウントを開始する。
ステップ３において、反応ガスの供給が開始される。具体的には、制御部３０は、水素調圧バルブ１１およびコンプレッサ２０を制御して、反応ガスの供給を開始する。この場合、制御部３０は、通常運転時に設定される通常運転流量（すなわち、燃料電池スタック１を動作させるための設計流量）よりも大きな値に設定された起動時流量にて、反応ガスの供給を行う（排出処理の開始）。
ステップ４において、センサ値が読み込まれる。具体的には、第１の実施形態では、電流センサ３１において検出されるスタック電流が読み込まれる。
ステップ５（Ｓ５）において、生成水積算量Ｗadが判定値Ｗth以上であるか否かが判断される。生成水積算量Ｗadは、燃料電池スタック１による発電開始のタイミングを始点とする、燃料電池スタック１において生成される生成水量の積算値である。燃料電池スタック１による単位時間当たりの生成水量は、燃料電池スタック１からの取出電流に比例する。そのため、スタック電流を定期的に読み込み、スタック電流の経時的な推移をモニタリングすることにより、生成水積算量Ｗadを演算することができる。
一方、判定値Ｗthは、単位セルの液水保持可能量に、予め設定された判定セル数（例えば、燃料電池スタック１を構成する全セルに相当する数）を積算することにより算出される。ここで、単位セルの液水保持可能量は、単位セル、具体的には、ガス拡散層が保持することができる生成水の量であり、単位セルの開発段階、あるいは実験やシミュレーションを通じて知得することができる。換言すれば、判定値Ｗthは、判定セル数に相当する単位セルが保持することができる生成水の総量を示す。
このステップ５の判断により、燃料電池スタック１において、判定セル数（例えば、全セル）以上の単位セルにおいて、反応極（ガス拡散層）によって保持される生成水が内部ガス流路側に流出したか否かを判定することできる。ステップ５において肯定判定された場合、すなわち、生成水積算量Ｗadが判定値Ｗth以上である場合には、生成水流出判定が行われ、ステップ６（Ｓ６）に進む。ステップ５において否定判定された場合、すなわち、生成水積算量Ｗadが判定値Ｗthよりも小さい場合には、ステップ７（Ｓ７）に進む。
ステップ６において、カウントフラグＦcntが「０」にセットされるとともに、生成水排出フラグＦｗが「０」にセットされる。制御部３０は、カウントフラグＦcntを「１」から「０」にセットしたことを条件として、タイマのカウントをストップするとともに、経過時間をゼロにリセットする。また、制御部３０は、生成水排出フラグＦｗを「１」から「０」にセットしたことを条件として、起動時流量から通常運転流量に変更して、反応ガスの供給を行う。
ステップ７において、生成水排出フラグＦｗが「１」にセットされ、その後、本ルーチンを抜ける。
図３は、本実施形態の起動処理におけるタイミングチャートを示す。同図において、Ｌｑは燃料電池スタック１へ供給される反応ガスの流量の推移を示し、Ｌｗは生成水積算量Ｗadの推移を示し、Ｌwthは判定値Ｗthを示す。
このように本実施形態において、制御部３０は、システムの起動時に実行する起動処理において、起動時流量にて反応ガスを供給する。また、制御部３０は、予め設定された判定セル数以上の単位セルにおいて反応極によって保持される生成水が内部ガス流路側に流出したと判断した場合に生成水流出判定を行う（タイミングｔ１）。そして、制御部３０は、生成水流出判定が行われた場合、反応ガスの流量を起動時流量から、通常運転流量に変更する。
図４は、燃料電池スタック１の内部構造を模式的に示す断面図である。燃料電池スタック１において発電が開始されると、各単位セル１ａでは発電反応にともない水が生成される。燃料電池システムの起動時など、燃料電池スタック１の動作温度が低いシーンでは、動作温度が高いシーンと比較して、生成水や供給ガスが持ち込む水分がガス拡散層１ｂや内部ガス流路１ｃで凝縮し易い。そのため、凝縮した水分によって反応ガスの供給が妨げられ、発電不能になる恐れがある（いわゆる、フラッディング）。
また、燃料電池スタック１の温度が高い場合でも、ガス拡散層が乾燥している状態から発電を開始した場合、あるいは、十分運転して温度が上昇した後の再起動時などの場合、生成水は、ガス拡散層１ｂを濡らす、すなわち、ガス拡散層１ｂによって保持される。生成水は、ガス拡散層１ｂの液水可能保持量に達するまではガス拡散層１ｂによって保持され、内部ガス流路１ｃ側に流出しない（図４（ａ）参照）。同図において、実線で示す矢印は、反応ガスの流れを示す。ガス拡散層１ｂによって保持される生成水量が液水可能保持量に到達すると、ガス拡散層１ｂから溢れた生成水が内部ガス流路１ｃ側へ流出する。ガス拡散層１ｂの液水可能保持量は、単位セルの温度に依存する傾向がある。具体的には、ガス拡散層１ｂの液水可能保持量は、温度が高い程大きな値となる傾向を有する。単位セルの個体差、または、温度差に応じて、個々の単位セル１ａにおける液水可能保持量が異なることがある。これにより、生成水がガス拡散層１ｂから内部ガス流路１ｃに流出するタイミングが、個々の単位セル１ａにおいて異なる場合がある。
生成水が内部ガス流路１ｃに流出した単位セル１ａでは、内部ガス流路１ｃに生成水が溢れる、いわゆる、フラッディングが発生する。フラッディングにより生成水が内部流路に滞留した単位セル１ａにおける内部ガス流路１ｃの圧力損失は、生成水が流出していない単位セル１ａのそれと比較して上昇する。そのため、単位セル１ａ間において内部ガス流路１ｃの圧力損失にばらつきが発生し、単位セル１ａに対する反応ガスの分配性能が悪くなる単位セル１ａが生じる（図４（ｂ）参照）。同図において、ハッチングで示すガス拡散層１ｂは、内部ガス流路１ｃ側へ生成水が流出した状態を示す。そのため、反応ガスが分配され難い単位セル１ａにおいて、反応ガスが不足する可能性がある。
そこで、本実施形態では、発電を開始した場合、通常運転流量よりも大きな流量である起動時流量にて反応ガスの供給を行う。このため、反応ガスの流量が大きくなることにより、圧力損失が大きく通常運転流量では反応ガスが不足するような単位セル１ａであっても、反応ガスを供給することができる。
また、判定セル数以上の単位セル１ａにおいて、生成水が内部ガス流路１ｃ側に流出された場合には、個々の単位セル１ａの圧力損失のばらつきが解消される（図４（ｃ）参照）。これにより、単位セル１ａに対する反応ガスの分配性能の回復を図ることができる。そのため、反応ガスの流量を通常運転流量に戻すことが可能となる。
このように本実施形態によれば、判定セル数以上の単位セルにおいて生成水が内部ガス流路側へと流出したタイミングを検知することができる。これにより、反応ガスの分配性能が悪く、電圧が不安定となる期間の終了タイミングを精度よく判定することができる。そのため、反応ガスの流量を増加させている期間、すなわち、内部ガス流路に滞留する生成水の排出処理を適切なタイミングで終了することができる。
また、本実施形態において、判定セル数は、内部ガス流路側に生成水が流出した単位セルの数と、個々の単位セルへの反応ガスの分配ばらつきの程度とに基づいて、燃料電池スタック１を構成する全単位セルを上限数として設定される。
ここで、判定値Ｗthの設定基準について説明する。例えば、判定セル数は、燃料電池スタック１を構成する全単位セル１ａの数とする。この場合、判定値Ｗthは、全単位セル１ａに相当するガス拡散層１ｂの液水保持可能量の総計となる。そして、全単位セル１ａにおいて生成水が内部ガス流路１ｃ側に排出された場合には、単位セル１ａ間で圧力損失のばらつきを抑制することができる。このため、反応ガスの流量を通常運転流量に戻すことが可能となる。
なお、判定セル数は、燃料電池スタック１を構成する全ての単位セルの数に限定されない。例えば、ガス拡散層から内部ガス流路側に生成水が排出された単位セルの数をカウントし、反応ガスの分配性能が改善したと判断することができる単位セルの数を、判定セル数の下限値として設定することができる。
図５は、判定値Ｗthの設定基準を示す説明図である。具体的には、まず、燃料電池スタック１に対して取出電流を一定とした定常発電状態を設定する。この場合、内部ガス流路への生成水の排出が単位セル間でばらつき始めるタイミングにおいて、反応ガスの分配が最も悪くなる単位セルではフラッディングが生じるような反応ガスの流量で発電を継続する。そして、所定数の単位セルにおいて内部ガス流路側に生成水が排出されることにより、反応ガスの分配性能が改善され、フラッディングが解消するまでの生成水積算量を判定値Ｗthとして算出する。
ここで、図５において、Ａは、燃料電池スタック１を構成する全単位セルのガス拡散層に相当する容積を示し、Ｌｗは、生成水積算量Ｗadを示す。また、Ｖaveは、個々の単位セルに関する平均電圧を示し、Ｖminは、個々の単位セルのうち最低電圧を示す。フラッディングが生じた単位セルでは、発電効率が低下するため電圧が低下する傾向を示す。また、フラッディングが解消したタイミングにおいて、電圧の低下が解消される。そのため、フラッディングが解消したタイミングに対応する点Ｂにおける生成水積算量から、判定値Ｗthを設定することができる。
また、本実施形態において、制御部３０は、発電開始のタイミングを始点とするスタック電流の時系列的な推移に基づいて、燃料電池スタック１の生成水積算量Ｗadを算出する。そして、制御部３０は、生成水積算量Ｗadが、判定値Ｗth、すなわち、判定セル数以上の単位セルにおいて内部ガス流路側に生成水が流出した場合における生成水の総量に到達したことを条件として、生成水流出判定を行う。
発電開始後、判定セル数以上でガス拡散層の液水可能保持量を超える生成水が内部ガス流路側に流出すれば、電圧が不安定な領域（圧力損失にバラツキがある領域）を脱したこととなる。スタック電流から生成水積算量を求めることで、精度よく値を検出することができる。
（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す構成図である。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、生成水積算量Ｗadを直接的に計測する点にある。なお、第１の実施形態と重複する構成については説明を省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
具体的には、水素循環流路には、気液分離装置１４が設けられている。この気液分離装置１４は、水素循環流路を流れるガス、すなわち、生成水が含まれるガスを、気体成分と生成水とに分離する。分離された生成水は、気液分離装置１４内に貯留され、図示しない流路を介して必要に応じて外部に排出される。この気液分離装置１４には、貯蔵される生成水の水位を検出するレベルセンサ３２が設けられている。換言すれば、このレベルセンサ３２は、燃料電池スタック１に対する反応ガスの出口側に設けられており、燃料電池スタック１から排出される生成水量を検出する。レベルセンサ３２からのセンサ信号は、制御部３０に入力される。
制御部３０は、レベルセンサ３２からのセンサ信号、すなわち、生成水の水位に基づいて、生成水積算量Ｗadを演算する。そして、この生成水積算量Ｗadと判定値Ｗthとを比較することにより、第１の実施形態と同様に、判定セル数以上の単位セルから生成水が排出されたか否かを判断する。
発電開始後、判定セル数以上でガス拡散層の液水可能保持量を超える生成水が内部ガス流路側に流出すれば、電圧が不安定な領域（圧力損失にバラツキがある領域）を脱したこととなる。燃料電池スタック１から排出される生成水の量を直接的に検出することにより、生成水積算量を精度よく検出することができる。
なお、本実施形態では、主として燃料極側に生成水が保持されることを前提に、水素系側のみに、燃料電池スタック１から排出される生成水量を検出する検出手段を設けているが、本発明はこれに限定されない。酸化剤極側に生成水が保持されるようなケースでは、酸素系のみに検出手段を設けてもよい。また、水素系および空気系の両方に検出手段を設けてもよい。
また、検出手段としては、燃料電池スタック１に対する反応ガスの出口側に設けられて、燃料電池スタック１から排出される生成水の排出速度を検出してもよい。この場合、制御部３０は、検出され排出速度が、判定セル数以上の単位セルにおいて内部ガス流路側に生成水が流出した場合における生成水の排出速度に到達したことを条件として、生成水流出判定を行う。
（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す構成図である。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、生成水積算量Ｗadを直接的に計測する点にある。なお、第１の実施形態と重複する構成については説明を省略することとし、相違点を中心に説明を行う。
具体的には、水素系において、燃料電池スタック１の上流側および下流側には圧力を検出する圧力センサ３３，３４が設けられている。また、空気系において、燃料電池スタック１の上流側および下流側には圧力を検出する圧力センサ３５，３６が設けられている。これらの圧力センサ３３〜３６からのセンサ信号は、制御部３０に入力されている。
制御部３０は、水素系の圧力センサ３３，３４に基づいて、燃料極側における燃料電池スタック１の入出口の圧力損失（以下「燃料極側のスタック圧力損失」という）を特定することができる。また、制御部３０は、空気系の圧力センサ３５，３６に基づいて、酸化剤極側における燃料電池スタック１の圧力損失（以下「酸化剤極側のスタック圧力損失」という）を特定することができる。換言すれば、圧力センサ３３〜３６は、燃料電池スタック１に対する反応ガスの入口側の圧力と、燃料電池スタック１に対する反応ガスの出口側の圧力との差圧を検出するセンサとして機能する。
そして、制御部３０は、スタック圧力損失と、判定値とを比較することにより、判定セル数（例えば、全セル）以上の単位セルにおいて、反応極（ガス拡散層）が保持する生成水が内部ガス流路側に排出されたか否かを判定する。
図８は、判定値の設定方法について説明する説明図である。ここで、判定値の設定方法について説明する。同図において、Ｌｖは、スタック圧力損失の推移を示し、Ｌｗは、生成水積算量Ｗadの推移を示す。燃料電池スタック１の発電が開始された場合、生成水が発生しても各単位セルのガス拡散層の液水保持量以内であれば、内部ガス流路側に生成水は排水されない。そのため、各単位セルの内部ガス流路の圧力損失は小さく、スタック圧力損失も小さい。
つぎに、生成水が内部ガス流路に排出され始めると、スタック圧力損失は次第に大きくなる（タイミングｔ１）。そして、全ての単位セルについて、ガス拡散層から生成水が排出された場合には、スタック圧力損失が最大値となる（タイミングｔ２）。スタック圧力損失が最大値に到達している場合には、全ての単位セルで内部ガス流路側に生成水が排出されている。単位セル間における圧力損失のばらつきを回避することができるので、このスタック圧力損失の最大値を判定値として用いることができる。
具体的には、まず、燃料電池スタック１に対して取出電流を一定とした定常発電状態を設定する。この場合、内部ガス流路への生成水の排出が単位セル間でばらつき始めるタイミングにおいて、反応ガスの分配が最も悪くなる単位セルではフラッディングが生じるような反応ガスの流量で発電を継続する。そして、内部ガス流路側に生成水が排出されることにより、反応ガスの分配性能が改善され、フラッディングが解消した際のスタック圧力損失を算出する。そして、この算出されたスタック圧力損失が判定値として設定する。 このように本実施形態によれば、制御部３０は、スタック圧力損失が、判定セル数以上の単位セルにおいて内部ガス流路側に生成水が流出した場合における燃料電池スタック１の出入口の差圧に到達したことを条件として、生成水流出判定を行う。
かかる構成によれば、内部ガス流路に生成水が流出する前後では、同一の条件下でもスタック圧力損失が変わってくる。これにより、スタック圧力損失から、分配流量にバラツキがあるようなシーンの終了タイミングを精度よく検出することができる。
第１の実施形態にかかる燃料電池システムを概略的に示す構成図 燃料電池システムの制御方法の手順を示すフローチャート 起動処理におけるタイミングチャート 燃料電池スタック１の内部構造を模式的に示す断面図 判定値Ｗthの設定基準を示す説明図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す構成図 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの構成を示す構成図 判定値の設定方法について説明する説明図
符号の説明
１…燃料電池スタック
１ａ…全単位セル
１ａ…単位セル
１ｂ…ガス拡散層
１ｃ…ガス拡散層
１ｃ…内部ガス流路
２…出力取出装置
１０…燃料タンク
１１…水素調圧バルブ
１２…水素循環ポンプ
１３…パージバルブ
１４…気液分離装置
２０…コンプレッサ
２１…空気調圧バルブ
３０…制御部
３１…電流センサ
３２…レベルセンサ
３３…圧力センサ
３４…圧力センサ
３５…圧力センサ
３６…圧力センサ

Claims (9)

  1. それぞれが反応極と当該反応極に反応ガスを供給する内部ガス流路とを備えた複数の単位セルから構成されており、単位セル毎に、内部ガス流路を介して反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、前記燃料電池へ反応ガスを供給するガス供給手段とを備える燃料電池システムにおいて、
    予め設定された判定セル数以上の単位セルにおいて前記反応極によって保持される生成水が前記内部ガス流路側に流出したことを判する判定手段と、
    前記ガス供給手段から第１の流量にて反応ガスの供給を開始し、前記判定手段によって生成水が流出した判定が行われた場合、前記ガス供給手段から供給される反応ガスの流量を前記第１の流量から、当該第１の流量よりも小さな流量である第２の流量に変更する制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記判定セル数は、前記内部ガス流路側に生成水が流出した単位セルの数と、個々の単位セルへの反応ガスの分配ばらつきの程度とに基づいて、前記燃料電池を構成する全単位セルを上限数として設定されることを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
  3. 前記第２の流量は、システム起動後の通常運転時において前記燃料電池による発電動作を行うための設計流量であることを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池から取り出される電流を検出する電流検出手段をさらに有し、
    前記判定手段は、前記燃料電池による発電開始のタイミングを始点とする、前記電流検出手段によって検出される電流の時系列的な推移に基づいて、前記燃料電池において生成される生成水の積算量を算出し、当該生成水の積算量が、前記判定セル数以上の単位セルにおいて前記内部ガス流路側に生成水が流出した場合における生成水の総量に到達したことを条件として、前記判定を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池に対する反応ガスの出口側に設けられて、前記燃料電池から排出される生成水量を検出する液水検出手段をさらに有し、
    前記判定手段は、前記液水検出手段によって検出される液水量が、前記判定セル数以上の単位セルにおいて前記内部ガス流路側に生成水が流出した場合における生成水の量に到達したことを条件として、前記判定を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  6. 前記燃料電池に対する反応ガスの出口側に設けられて、前記燃料電池から排出される生成水の排出速度を検出する液水検出手段をさらに有し、
    前記判定手段は、前記液水検出手段によって検出され排出速度が、前記判定セル数以上の単位セルにおいて前記内部ガス流路側に生成水が流出した場合における生成水の排出速度に到達したことを条件として、前記判定を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池に対する反応ガスの入口側の圧力と、前記燃料電池に対する反応ガスの出口側の圧力との差圧を検出する差圧検出手段をさらに有し、
    前記判定手段は、前記差圧検出手段によって検出される差圧が、前記判定セル数以上の単位セルにおいて前記内部ガス流路側に生成水が流出した場合における前記燃料電池の出入口の差圧に到達したことを条件として、前記判定を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  8. 燃料電池システムにおいて、
    それぞれが反応極と、当該反応極に反応ガスを供給する内部ガス流路とを備えた複数の単位セルから構成されており、それぞれの内部ガス流路を介して各反応極に反応ガスが供給されることにより発電を行う燃料電池と、
    前記反応極へ反応ガスを供給するガス供給手段と、
    システムの起動時に前記ガス供給手段から反応ガスを第１の流量で供給するとともに、前記判定セル数以上の単位セルにおいて前記反応極によって保持される生成水が前記内部ガス流路側に流出することにより、個々の内部ガス流路に対する反応ガスの分配ばらつきが抑制されたことを条件として、前記ガス供給手段から供給される反応ガスの流量を第１の流量から減少させることを特徴とする燃料電池システム。
  9. それぞれが反応極と当該反応極に反応ガスを供給する内部ガス流路とを備えた複数の単位セルから構成される燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料電池に第１の流量にて反応ガスの供給を開始し、予め設定された判定セル数以上の単位セルにおいて前記反応極によって保持される生成水が前記内部ガス流路側に流出したと判定した場合に、反応ガスの流量を前記第１の流量から、当該第１の流量よりも小さな流量である第２の流量に変更することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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