JP2010257882A

JP2010257882A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2010257882A
Application number: JP2009109349A
Authority: JP
Inventors: Shuya Kawahara; 周也川原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-04-28
Also published as: JP5375310B2

Abstract

【課題】電解質膜の湿潤状態を解析し、加湿制御によって乾燥状態を緩和することができない状態か、否かを従来よりも精度よく判定する。
【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜を含む燃料電池本体と、電解質膜の湿度測定手段と、電解質膜の湿度変化速度測定手段と、電解質膜の湿度変化加速度測定手段と、電解質膜の加湿手段と、制御手段と、を備える。制御手段は、湿度変化速度測定手段によって測定された電解質膜の湿度変化速度が正の値である場合に加湿手段による加湿量を増加し、電解質膜の湿度変化速度と湿度変化加速度測定手段によって測定された電解質膜の湿度変化加速度とがともに正の値である場合に燃料電池本体の発電を停止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、電解質膜を挟んで水素極と空気極が配置された方式のもの、例えば、固体高分子型燃料電池が知られている。この方式の燃料電池では、発電による発熱あるいはガスの流れによる持ち去りによって電解質膜がある限度を超えて乾燥した場合に、電解質膜にピンホールが生じることがある。電解質膜にピンホールが生じると、水素極側の水素と空気極側の酸素とが燃料電池反応せずに混合するクロスリーク、あるいは、短絡等の問題が発生する場合がある。

ところで、電解質膜の湿潤状態は、水素極から空気極に移動するプロトンの導電性に影響する。従来、電解質膜の湿潤状態を判断するため、例えば、燃料電池の抵抗を測定し、抵抗の変化率を求める技術が提案されていた。この技術では、抵抗値の時間変化速度が所定範囲を上回るときに電解質膜が加湿不足であると判定し、抵抗値の時間変化速度が所定範囲を下回るときに電解質膜が加湿過剰であると判定していた。

特開２０００−２４３４１８号公報特開２００５−１５００２０号公報特開２００６−７７６１６号公報特開２００８−４７３６８号公報

しかしながら、抵抗値あるいは抵抗値の時間変化速度に対する許容限度を設定し、許容限度を上回るか否かで電解質膜の湿潤状態を判定する技術では、以下のような問題がある。例えば、抵抗値あるいは抵抗値の時間変化速度に対する許容限度を超えたか否かの判定と、電解質膜にピンホールが発生するほど乾燥が進行しつつあって、もはや、加湿制御によって乾燥状態を緩和することができない状態か、否かの判定とが必ずしも合致するとは限らない。すなわち、従来の技術は、加湿制御を行うことによって電解質膜の乾燥が緩和できるのか、否かの判定には、十分なものではなかった。

本発明は、電解質膜の湿潤状態を解析し、加湿制御によって乾燥状態を緩和することができない状態か、否かを従来よりも精度よく判定できる技術を提供することを目的とする。

本発明は前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。すなわち、本発明は、電解質膜を含む燃料電池本体と、電解質膜の湿度測定手段と、電解質膜の湿度変化速度測定手段と、電解質膜の湿度変化加速度測定手段と、電解質膜の加湿手段と、制御手段と、を備える燃料電池システムとして例示できる。制御手段は、湿度変化速度測定手段によって測定された電解質膜の湿度変化速度が正の値である場合に加湿手段による加湿量を増加し、電解質膜の湿度変化速度と湿度変化加速度測定手段によって測定された電解質膜の湿度変化加速度とがともに正の値である場合に燃料電池本体の発電を停止する。本燃料電池システムでは、電解質膜の湿度変化速度に加えて、湿度変化加速度測定手段によって測定さ
れた電解質膜の湿度変化加速度によって、燃料電池本体の発電を停止するか否かを判定するので、発電停止の要否の判定の精度が向上する。

なお、本発明は、電解質膜を含む燃料電池本体と、電解質膜の抵抗値測定手段と、電解質膜の抵抗値変化速度測定手段と、
電解質膜の抵抗値変化加速度測定手段と、電解質膜の加湿手段と、制御手段とを備える構成と考えることもできる。

本発明によれば、電解質膜の湿潤状態を解析し、加湿制御によって乾燥状態を緩和することができない状態か、否かを従来よりも精度よく判定できる。

燃料電池システムの構成図である。単セルの概略構成を例示する図である。ＥＣＵ６０の機能ブロックである。抵抗値、抵抗値の変化速度および抵抗値の変化加速度の測定値を例示する図である。実施例１の燃料電池システムの制御処理を例示するフローチャートである。空気極側のセパレータから見た単セルの部分拡大図である。実施例２の制御処理を例示するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態（以下、実施形態という）に係る燃料電池システムを説明する。以下の実施形態の構成は例示であり、本発明は実施形態の構成には限定されない。

図１に、実施例１に係る燃料電池システムの構成図を例示する。図１のように、本燃料電池システムは、燃料電池本体３０と、燃料電池本体３０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２２と、燃料ガス加湿器２３と、燃料電池本体３０に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置２４と、酸化ガス加湿器２５と、燃料ガス加湿器２３および酸化ガス加湿器２５に水を供給する水タンク２６と、燃料電池システムを制御するＥＣＵ（電子制御装置）６０とを含む。

燃料電池本体３０は、単セルを複数積層した固体高分子型の燃料電池である。図２に、単セル３１の概略構成を例示する。単セル３１は、電解質膜３２と、電解質膜３２を挟んで配置される燃料極３３および空気極３４と、燃料極３３、電解質膜３２および空気極３４を含む構造を両側から挟んで配置される一対のセパレータ３５Ａ，３５Ｂを有する。

電解質膜３２は、プロトンを伝導可能な高分子材料の膜体である。電解質膜３２の材料としては、例えば、フッ素系樹脂を例示できる。燃料極３３および空気極３４は、いずれも白金あるいは白金と他の金属を含む合金触媒が練り込まれたカーボンクロスによって形成される。燃料極３３および空気極３４は、電解質膜３２との接触面近傍に、白金あるいは合金触媒を保持している。

燃料極３３に隣接するセパレータ３５Ａは、燃料極３３との間に、燃料ガス流路３６を有する。燃料ガス流路３６には、例えば、水素を含む燃料ガスが供給される。燃料ガス流路３６に供給された燃料ガスは、燃料極３３中を電解質膜３２の方向に拡散する。そして、燃料ガス中の水素は、白金あるいは合金触媒によって、電子とプロトンに分離される。
プロトンは、電解質膜３２中を空気極３４の方向に移動する。一方、白金あるいは合金触媒によって、水素から分離された電子は、図示しない外部回路を通じて空気極３４に伝導する。

空気極３４に隣接するセパレータ３５Ｂは、空気極３４との間に、酸化ガス流路３７を有する。酸化ガス流路３７には、酸素を含む酸化ガス、例えば、空気が供給される。酸化ガス流路３７に供給された酸化ガスは、空気極３４中を電解質膜３２の方向に拡散する。そして、電解質膜３２を移動したプロトンと外部回路を通じて伝導した電子と空気極３４を拡散した酸化剤、例えば、酸素とが、白金あるいは合金触媒によって、結合され、水が生成される。そして、燃料極３３への燃料ガスの供給と、空気極３４への酸化ガスの供給によって反応が継続し、燃料極３３と空気極３４の間で起電力が生じ、外部回路に継続して電流が流れる。

図１に戻って、燃料電池本体３０の燃料ガス流路３６および酸化ガス流路３７の下流側には、調圧弁２７、２８を介して、燃料オフガスおよび酸化剤オフガスの排出経路が設けられている。なお、図１では、オフガスの排出経路は、循環型となっていないが、例えば、燃料オフガスの排出経路については、燃料ガスを供給する上流側に燃料オフガスを循環させる循環経路および水素ポンプ等を設けてもよい。

燃料ガス供給装置２２は、水素を含有する燃料ガスを供給する。燃料ガス供給装置２２は、例えば、水素タンクおよび調圧弁を含む水素ガス供給装置である。ただし、燃料ガス供給装置２２は、メタノール、メタンなどの炭化水素系の燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器を含む方式のものでもよい。

酸化ガス供給装置２４は、例えば、エアコンプレッサである。ただし、酸化ガス供給装置２４は、空気以外の酸化ガスを貯蔵したタンクと調圧弁とを含むものでもよい。

燃料ガス加湿器２３は、水タンク２６から汲み上げた水を気化し、燃料ガスと混合する。また、酸化ガス加湿器２５は、水タンク２６から汲み上げた水を気化し、酸化ガスと混合する。なお、燃料ガス加湿器２３と酸化ガス加湿器２５の一方、例えば、酸化ガス加湿器２５を省略して燃料電池システムを構成してもよい。

図１のように、燃料電池本体３０には、燃料電池温度センサ４４と抵抗検出器４８とが搭載されている。燃料電池温度センサ４４は、例えば、熱電対であり、図示しない冷却水の温度を測定する。ただし、燃料電池温度センサ４４は、いずれかの単セル３１の温度を測定してもよい。また、抵抗検出器４８は、燃料電池本体３０の出力端子に交流電圧を作用させたときに流れる電流値によって抵抗値を検出する。ここで出力端子は、図２に示した単セル３１を積層したときの両端の燃料極３３（セパレータ３５Ａ）と空気極３４（セパレータ３５Ｂ）にそれぞれ接続される一対の出力端子である。したがって、抵抗検出器４８は、直列に接続された単セル３１の抵抗を測定する。

抵抗検出器４８によって測定される燃料電池の抵抗値には、燃料極３３、空気極３４等の電極の抵抗、セパレータ３５Ａ，３５Ｂの抵抗、および電解質膜３２の抵抗が包含される。このうち、電極およびセパレータ３５Ａ，３５Ｂの抵抗値は、燃料電池本体３０の湿潤状態への依存が少ない。一方、電解質膜３２の湿潤状態に応じて、プロトンの伝導性が大きく異なる。したがって、抵抗検出器４８によって測定される燃料電池の抵抗値の変化は、電解質膜３２の湿潤状態を反映する。電解質膜３２の抵抗Ｒｆｉｌｍは、抵抗検出器４８によって測定されるＲと、電解質膜３２以外の部分である電極およびセパレータ３５Ａ，３５Ｂ等の抵抗Ｒ０とから以下の式で求めることができる。

Ｒｆｉｌｍ＝Ｒ−Ｒ０；
ここで、電解質膜３２以外の部分の抵抗は、例えば、実験値、経験値を予めＥＣＵ６０のメモリ６６に格納しておけばよい。

ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６２とメモリ６６を有する。メモ
リ６６は、ＣＰＵ６２で実行されるプログラム、あるいは、ＣＰＵ６２が処理するデータを格納する。ＣＰＵ６２は、メモリ６６に実行可能に展開されて制御プログラムを実行し、ＥＣＵ６０としての各種機能を提供する。すなわち、ＥＣＵ６０は、例えば、燃料ガス供給装置２２、酸化ガス供給装置２４、燃料ガス加湿器２３、酸化ガス加湿器２５に制御信号を送り、燃料電池本体３０への燃料ガスおよび酸化ガスの供給開始、供給量の制御、および、供給停止等の処理を実行する。また、ＥＣＵ６０は、燃料オフガス排出経路および酸化剤オフガス排出経路の調圧弁２７、２８を制御する。

さらに、ＥＣＵ６０は、燃料電池温度センサ４４および抵抗検出器４８から、それぞれの検出値を受け取る。そして、燃料電池温度センサ４４および抵抗検出器４８の検出値に応じた制御を実行する。

図３に、ＥＣＵ６０の機能ブロック図を例示する。図３のように、ＥＣＵ６０のＣＰＵ６２は、メモリ６６上の制御プログラムを実行し、抵抗値測定制御手段７１、抵抗値の変化速度測定手段７２、抵抗値の変化加速度測定手段７３および制御手段７４として機能する。

抵抗値測定制御手段７１は、抵抗検出器４８を通じて、燃料電池本体３０の抵抗値を測定する。抵抗値測定制御手段７１は、図示しないＥＣＵ６０の入出力インターフェースから抵抗検出器４８にアクセスし、抵抗検出器４８の検出結果を取得する。抵抗検出器４８は、抵抗値測定制御手段７１からの指示を受けたときに、燃料電池本体３０の抵抗値を検出するようにしてもよい。また、タイマ起動等による所定のタイミングで抵抗検出器４８が燃料電池本体３０の抵抗値を検出し、ＥＣＵ６０に報告するようにしてもよい。抵抗値測定制御手段７１が、本発明の抵抗値測定手段に相当する。なお、ＥＣＵ６０が制御プログラムを実行することによって実現する抵抗値測定制御手段７１と、ハードウェアである抵抗検出器４８とを含めて、本発明の抵抗値測定手段と考えることもできる。検出された燃料電池本体３０の抵抗値は、例えば、メモリ６６に格納される。

また、抵抗の測定によって、電解質膜３２の湿度が特定できるので、抵抗値測定制御手段７１は、本発明の電解質膜の湿度測定手段でもある。例えば、ＥＣＵ６０内のメモリ６６に、電解質膜３２の抵抗値と、電解質膜３２の湿度との換算テーブルを格納しておけばよい。また、また、ＥＣＵ６０内のメモリ６６に電解質膜３２の抵抗値を電解質膜３２の湿度に変換する関数を定義しておいてもよい。そこで、抵抗値測定制御手段７１と、電解質膜３２の抵抗値を電解質膜３２の湿度に変換するＥＣＵ６０上の演算部とが本発明の電解質膜の湿度測定手段に相当する。

抵抗値の変化速度測定手段７２は、抵抗値測定制御手段７１によって測定された抵抗値（Ｒ）から、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）を算出する。例えば、時間ｔ１における抵抗値Ｒ１と、時間ｔ２における抵抗値Ｒ２から、抵抗値の変化速度測定手段７２は、（Ｒ２−Ｒ１）／（ｔ２−ｔ１）を算出し、時刻ｔ１における抵抗値の変化速度Ｖ１＝（ｄＲ／ｄｔ）とすればよい。また、抵抗値の変化速度は、電解質膜３２の湿度変化速度にほぼ比例すると考えることができるので、抵抗値の変化速度測定手段７２は、本発明の電解質膜の湿度変化速度測定手段に相当する。例えば、抵抗値の変化速度から電解質膜３２の湿度変化速度に換算する換算係数を実験的に求めておき、ＥＣＵ６０のメモリ６６に格納しておけばよい。その場合には、抵抗値の変化速度測定手段７２と、抵抗値の変化速度から
電解質膜３２の湿度変化速度に換算するＥＣＵ６０の演算部が、本発明の電解質膜の湿度変化速度測定手段に相当する。

抵抗値の変化加速度測定手段７３は、抵抗値の変化速度測定手段７２によって測定された抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）から、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）を算出する。例えば、時間ｔ１における変化速度Ｖ１と、時間ｔ２における変化速度Ｖ２から、抵抗値の変化加速度測定手段７３は、（Ｖ２−Ｖ１）／（ｔ２−ｔ１）を算出し、時刻ｔ１における抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）とすればよい。また、抵抗値の変化加速度は、電解質膜３２の湿度変化加速度にほぼ比例すると考えることができるので、抵抗値の変化加速度測定手段７３は、本発明の電解質膜の湿度変化加速度測定手段に相当する。例えば、抵抗値の変化加速度から電解質膜３２の湿度変化加速度に換算する換算係数を実験的に求めておき、ＥＣＵ６０のメモリ６６に格納しておけばよい。その場合には、抵抗値の変化加速度測定手段７３と、抵抗値の変化加速度から電解質膜３２の湿度変化加速度に換算するＥＣＵ６０の演算部が、本発明の電解質膜の湿度変化加速度測定手段に相当する。

制御手段７４は、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正かつ、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）が正のとき、電解質膜３２の乾燥が許容できない状態に進行すると判断し、発電を停止する。また、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正であっても、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）が０以下のとき、制御手段７４は、電解質膜３２は乾燥状態になりつつあるが、緩和可能な状態であると判断する。電解質膜３２の乾燥状態が緩和可能であると判断された場合、制御部７４は、燃料ガス加湿器２３あるいは酸化ガス加湿器２５によって、燃料ガスあるいは酸化ガスの加湿を実行するとともに、発電を続行する。発電続行の場合には、制御部７４は、例えば、燃料電池システムのユーザが操作する操作部からの要求発電量に応じて、燃料ガス供給装置２２、酸化ガス供給装置２４、図示しない流量制御弁、あるいは、燃料電池本体３０の出力端子の端子電圧等を制御し、要求発電量を得る。燃料電池本体３０の出力端子の端子電圧は、例えば、ＤＣＤＣ（直流直流）変換器と、蓄電装置を用いればよい。

図４に、本燃料電池システムにおける抵抗値（Ｒ）、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）および抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）の測定値を例示する。例えば、楕円Ｃ１で示した時間の範囲では、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正かつ、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）が０である。この場合には、制御部７４は、電解質膜３２が緩和可能な乾燥状態にあると判定する。

一方、楕円Ｃ２で示した時間の範囲では、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正かつ、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）が正である。この場合には、制御部７４は、電解質膜３２が燃料ガス加湿器２３、あるいは、酸化ガス加湿器２５によっては緩和できない乾燥状態に進行しつつあると判定する。この状態では、制御部７４は、加湿しても間に合わないと判断し、発電を停止する。このような処理によって、電解質膜３２にピンホールが発生するような深刻な乾燥状態が発生する可能性を低減できる。一方、加湿することで乾燥状態を緩和できる場合に、不必要に発電を停止する事態を極力回避できる。

図５は、本燃料電池システムの制御処理を例示するフローチャートである。ＥＣＵ６０は、制御部７４として、図５に示す制御処理を実行する。この処理では、ＥＣＵ６０は、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）＞０かつ抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）≧０であるか否かを判定する（Ｓ１）。Ｓ１の処理で、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）＞０かつ抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）≧０が成立しない場合、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の湿潤は正常であると判断する（Ｓ２）。この場合には、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の状態に依存した特別な処理を実行しない。なお、Ｓ１の判定は、所定のタイミング、例
えば、タイマによって定期的に実行されるようにしてもよい。また、例えば、発電量が所定値に達したときに、Ｓ１の処理が起動されるようにしてもよい。さらに、燃料電池本体３０の温度が所定値に達したときに、Ｓ１の処理が起動されるようにしてもよい。

一方、Ｓ１の処理で、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）＞０かつ抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）≧０が成立する場合、ＥＣＵ６０は、燃料ガス加湿器２３あるいは酸化ガス加湿器２５によって、燃料ガスあるいは酸化ガスの加湿量を増加する（Ｓ３）。なお、加湿量の増加には０からの増加も含まれる。したがって、燃料ガス加湿器２３あるいは酸化ガス加湿器２５が起動前の状態であった場合、Ｓ３の処理は、燃料ガス加湿器２３あるいは酸化ガス加湿器２５の起動をも含む。

また、ＥＣＵ６０は、燃料ガス供給装置２２、酸化ガス供給装置２４、図示しない燃料ガス経路の流量制御弁、図示しない酸化ガス経路の流量制御弁を制御し、ガス供給量を下げる（Ｓ３）。そして、ＥＣＵ６０は、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）＞０かつ抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）≦０か否かを判定する（Ｓ４）。すなわち、ＥＣＵ６０は、Ｓ１での判定後の状態に対して、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）が０以下になったか否かを判定する。

Ｓ４の判定で、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）が０以下にならなかった場合、ＥＣＵ６０は、発電を停止する（Ｓ５）。すなわち、Ｓ１の判定結果から、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）＞０の状態が継続しており、かつ、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）＞０であるので、加湿が間に合わないと推定できるからである。この場合、ＥＣＵ６０は、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を停止する。

一方、Ｓ４の判定で、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）＞０かつ抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）≦０になった場合、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の状態が緩和可能な乾燥状態であると判定する。そこで、所定時間Ｓ３の制御を継続する。すなわち、ＥＣＵ６０は、燃料ガスあるいは酸化ガスの加湿量を増加した状態を維持する。また、ＥＣＵ６０は、燃料ガス、あるいは、酸化ガスのガス供給量を下げた状態を維持する。

そして、ＥＣＵ６０は、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正か否かを判定する。抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が０以下になった場合、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の湿潤は正常であると判定する。電解質膜３２の湿潤は正常であるので、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２に依存した特別な処理を実行しない。すなわち、Ｓ２と同様に、通常の処理継続し、所定のタイミングでＳ１の処理が起動されるようにする。

一方、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正である場合、ＥＣＵ６０は、加湿量をさらに増加し、あるいは、ガス流量をさらに低下させる（Ｓ９）。ＥＣＵ６０は、その後、制御をＳ７に戻す（Ｓ１０）。

以上述べたように、本実施例の燃料電池システムによれば、抵抗値の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）＞０かつ抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）＞０が成立する場合、加湿制御によっては、電解質膜３２の乾燥を緩和できないと判断し、燃料電池本体３０による発電を停止する。一方、（ｄＲ／ｄｔ）＞０であっても、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）が０以下の場合には、ＥＣＵ６０は、発電を停止せずに、加湿制御によって加湿量を増加し、あるいは、ガス供給量を低下させる。このような制御によって、ＥＣＵ６０は、不必要な出力制限あるいは発電停止になることを極力回避しつつ、加湿制御では間に合わない場合に、発電を停止する。したがって、出力制限あるいは発電停止によるユーザビリティの低下を極力回避し、一方、電解質膜３２の状態が、電解質膜３２にピンホールが発生するような乾燥状態に進行することを抑制できる。

また、従来のように、抵抗値あるいは抵抗値の変化速度に対する許容限度を設定し、許容限度を上回るか否かで電解質膜の湿潤状態を判定する技術では、正確な判断が困難な場合があった。電解質膜の抵抗値は、電解質膜内の電流分布、あるいは、湿潤分布で大きく変化する場合があるからである。そのため、抵抗値の変化速度自体の許容限度を定めることが困難な場合がある。したがって、変化速度が大きな値であっても、加湿制御によって乾燥の進行を抑制し、乾燥状態を緩和できる場合もある。従来の技術では、加湿制御を行うことによって電解質膜の乾燥を緩和できる場合でも、燃料電池の発電を停止してしまう場合が生じえる。また、逆に、加湿制御を行うことによって電解質膜の乾燥を緩和できない場合に発電を停止せず、加湿制御を継続する結果、電解質膜にピンホールを発生させてしまう場合が生じえる。

本実施形態の燃料電池システムによれば、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の抵抗値あるいは抵抗値の変化速度に加えて、抵抗値の変化加速度を算出する。あるいは、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の湿度あるいは湿度の変化速度に加えて、湿度の変化加速度を算出する。このため、電解質膜３２内の電流分布、あるいは、湿潤分布への依存を低減して、加湿制御によって電解質膜３２の乾燥状態を緩和することができない状態か、否かを従来よりも精度よく判定できる。

図６および図７によって、本発明の実施例２を説明する。実施例１では、ＥＣＵ６０は、抵抗値の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）を求めることによって、電解質膜３２の乾燥を緩和できるか否かを判定し、発電を停止すべきか否かを決定した。あるいは、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の湿度の変化加速度（ｄ²Ｒ／ｄｔ²）を求めることによって、電解質膜３２の乾燥を緩和できるか否かを判定し、発電を停止すべきか否かを決定した。

実施例２では、セパレータ３５Ｂと、空気極３４で挟まれた酸化ガス流路の入り口付近に燃料電池温度センサ４４の検出部、例えば、熱電対を設置する。そして、酸化ガス流路の入り口付近の温度が、電解質膜３２の分解温度になった場合には、ＥＣＵ６０は、発電を停止する。実施例２の他の構成および作用は、実施例１と同様である。そこで、システム構成等については、重複するので、その説明を省略する。また、実施例２で追加する図面において、実施例１の構成と同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図６に、空気極３４側のセパレータ３５Ｂから見た単セル３１の部分拡大図を示す。セパレータ３５Ｂと空気極３４との間には、酸化ガス流路３７が形成されている。実施例２の燃料電池システムでは、酸化ガス流路３７は、酸化ガス入り口から酸化ガス出口に向かって直線状に形成されている。酸化ガス流路３７は、図６の空気極側のセパレータ３５Ｂの裏面側に形成されているが、図６では、直線で区切った酸化ガス流路３７が仮想的に示されている。

酸化ガス流路３７のうち、酸化ガス入り口側に近い部分は、酸化ガス出口側に近い部分と比較して、乾燥しやすい。酸化ガス入り口側に近い部分の方が、酸化ガス出口側に近い部分よりも、酸化ガスの流速が大きく、酸化ガスによる水分の持ち去り量が大きいからである。一方、酸化ガス出口側に近い部分では、ガスが滞留し、水分が残りやすい。

そのため、酸化ガス入り口側に近い部分は、乾燥しやすく、温度の挙動変化をとらえやすい。そこで、実施例２では、酸化ガス入り口側に近い部分に燃料電池温度センサ４４の検出部４４Ａを設置する。検出部４４Ａは、例えば、熱電対である。検出部４４Ａで検出された温度は、実施例１と同様、ＥＣＵ６０によって取得される。

図７は、実施例２でのＥＣＵ６０の制御処理を例示するフローチャートである。この処理では、ＥＣＵ６０は、抵抗の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正か否かを判定する（Ｓ１１）。そして、抵抗の変化速度が０以下の場合、ＥＣＵ６０は、電解質膜３２の湿潤は正常であると判断する（Ｓ１２）。そこで、ＥＣＵ６０は、発電状態を継続する。

一方、抵抗の変化速度が正の場合、ＥＣＵ６０は、加湿量を増加する。また、燃料ガスあるいは酸化ガスのガス流量を低下させる（Ｓ１３）。ここでは、ＥＣＵ６０は、とりあえず、加湿制御によって、電解質膜３２の乾燥状態の緩和が可能であると判断する。

そして、ＥＣＵ６０は、抵抗の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正、かつ、燃料電池温度センサ４４からの測定温度が、電解質膜３２の分解温度以上か否かを判定する。電解質膜３２の分解温度は、電解質膜３２の材質に依存するので、材料ごとの分解温度をメモリ６６に保持しておけばよい。

そして、抵抗の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正、かつ、燃料電池温度センサ４４からの測定温度が、電解質膜３２の分解温度以上の場合には、ＥＣＵ６０は、発電を停止する（Ｓ１６）。一方、抵抗の変化速度（ｄＲ／ｄｔ）が正、かつ、燃料電池温度センサ４４からの測定温度が、電解質膜３２の分解温度以上という条件が満たされない場合には、ＥＣＵ６０は、Ｓ１１に制御を戻し、発電を継続する。

以上述べたように、実施例２の燃料電池システムでは、燃料電池本体３０の測定温度が電解質膜３２の分解温度以上か否かを判定することにより、電解質膜３２にピンホールが発生するような状態を回避できる。一方、不必要に、発電を停止し、ユーザビリティを低下させることを極力低減できる。また、実施例２では、燃料電池温度センサ４４の検出部４４Ａを酸化ガス流路３７の酸化ガス入り口付近に設置するので、燃料電池本体３０の変化の挙動、特に、電解質膜３２および空気極付近の挙動をとらえやすい。

また、燃料電池本体３０の測定温度が電解質膜３２の分解温度以上か否かを判定すること、すなわち、燃料電池本体３０の測定温度を判断の指標とすることで、電解質膜が相転移する温度と直接相関づけて、電解質膜３２の状態を判断することが可能となる。

なお、実施例２では、燃料電池温度センサ４４の検出部４４Ａを酸化ガス流路３７の酸化ガス入り口付近に設置したが、検出部４４Ａを燃料ガス流路３６の燃料ガス入り口付近に設置してもよい。

また、実施例１の構成と実施例２の構成を組み合わせてもよい。すなわち、電解質膜３２の抵抗値あるいは抵抗値の変化速度とともに、抵抗値の変化加速度および燃料電池本体３０の温度によって、電解質膜３２の乾燥状態を判定してもよい。例えば、（１）抵抗値の変化速度が正の条件と、（２）抵抗値の変化加速度が正、または、料電池温度センサ４４からの測定温度が電解質膜３２の分解温度以上の条件とが、成立した場合に、ＥＣＵ６０は、発電を停止するようにすればよい。

２２燃料ガス供給装置
２３燃料ガス加湿器
２４酸化ガス供給装置
２５酸化ガス加湿器
２６水タンク
２７，２８調圧弁
３０燃料電池本体
３２電解質膜
３３燃料極
３４空気極
３５Ａ、３５Ｂセパレータ
３６燃料ガス流路
３７酸化ガス流路
４４温度センサ
４８抵抗検出器
６０ＥＣＵ

Claims

電解質膜を含む燃料電池本体と、
前記電解質膜の湿度測定手段と、
前記電解質膜の湿度変化速度測定手段と、
前記電解質膜の湿度変化加速度測定手段と、
前記電解質膜の加湿手段と、
前記湿度変化速度測定手段によって測定された電解質膜の湿度変化速度が正の値である場合に前記加湿手段による加湿量を増加し、前記電解質膜の湿度変化速度と前記湿度変化加速度測定手段によって測定された電解質膜の湿度変化加速度とがともに正の値である場合に前記燃料電池本体の発電を停止する制御手段と、を備える燃料電池システム。
電解質膜を含む燃料電池本体と、
前記電解質膜の抵抗値測定手段と、
前記電解質膜の抵抗値変化速度測定手段と、
前記電解質膜の抵抗値変化加速度測定手段と、
前記電解質膜の加湿手段と、
前記抵抗値変化速度測定手段によって測定された電解質膜の抵抗値変化速度が正の値である場合に前記加湿手段による加湿量を増加し、前記電解質膜の抵抗値変化速度と前記抵抗値変化加速度測定手段によって測定された電解質膜の抵抗値変化加速度とがともに正の値である場合に前記燃料電池本体の発電を停止する制御手段と、を備える燃料電池システム。
電解質膜を含む燃料電池本体と、前記電解質膜の加湿手段とを有する燃料電池の制御方法であり、
前記電解質膜の湿度測定ステップと、
前記電解質膜の湿度変化速度測定ステップと、
前記電解質膜の湿度変化加速度測定ステップと、
前記湿度変化速度測定ステップで測定された電解質膜の湿度変化速度が正の値である場合に前記加湿量を増加し、前記電解質膜の湿度変化速度と前記湿度変化加速度測定ステップで測定された電解質膜の湿度変化加速度とがともに正の値である場合に前記燃料電池本体の発電を停止する制御ステップと、を実行する燃料電池の制御方法。