JP2011150794A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の発電停止後において、カソード側が負圧になることを抑制する。
【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜と、電解質膜と接して電解質膜に対して酸素を含むカソード側反応ガスを供給するカソード側層と、電解質膜を介してカソード側層と反対側において電解質膜と接し、電解質膜に対してアノード側反応ガスを供給するアノード側層と、を有する燃料電池と、燃料電池の発電停止後において、カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、カソード側層の全圧を調整する圧力調整部と、を備える。
【選択図】図1
【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜と、電解質膜と接して電解質膜に対して酸素を含むカソード側反応ガスを供給するカソード側層と、電解質膜を介してカソード側層と反対側において電解質膜と接し、電解質膜に対してアノード側反応ガスを供給するアノード側層と、を有する燃料電池と、燃料電池の発電停止後において、カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、カソード側層の全圧を調整する圧力調整部と、を備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池に関するものである。
固体高分子型電解質膜を備え、水素ガスと空気とを反応ガスとして用いる燃料電池において、発電停止後に、カソード側触媒層及びカソード側ガス拡散層(以下、「カソード側層」と呼ぶ)の残留空気が電解質膜を透過してアノード側ガス拡散層及びアノード側触媒層(以下、「アノード側層」と呼ぶ)に移動して、残留空気中の酸素とアノード側の残留水素ガスとが反応することが知られている。この場合、アノード側触媒層付近において水素ガスが減少するため、触媒材料である白金に酸素が吸着されてしまう。その結果、次回始動時には、アノード側触媒層において水素イオン化(プロトン化)が生じ難くなる。そこで、燃料電池の発電停止後にアノード側に水素ガスを再供給するシステムが提案されている(特許文献1)。なお、上述した反応により、アノード側層において水素ガスの欠乏箇所が部分的に発生する。この場合、水素ガス欠乏箇所に対応するカソード側触媒層において異常電位が発生し、カソード側触媒層の劣化(カーボン酸化)が起こり得るという問題もあった。
燃料電池の発電停止後には、前述のカソード側残留空気のアノード側への透過に加えて、アノード側の残留水素ガスのカソード側への透過も発生する。カソード側に透過した水素ガスはカソード側の残留空気中の酸素と反応して水が生成される。この場合、カソード側の酸素分圧が低下するために、カソード側の全圧は低下して大気圧よりも低い状態(負圧)となり得る。カソード側が負圧になると、カソード側への反応ガスの供給路及びカソード側のオフガスの排出路は大気圧のままであるので、これらの反応ガスの供給路及び排出路からカソード側への空気の吸い込みが発生する。その結果、カソード側に空気が継続して供給されることとなり、カソード側からアノード側に酸素が継続して透過してしまう。この場合、従来における水素ガスを再供給する技術を適用しても、アノード側触媒層において水素イオン化が生じ難くなり、また、カソード側触媒層の劣化(カーボン酸化)も発生し得る。
本発明は、燃料電池の発電停止後において、カソード側が負圧になることを抑制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、電解質膜と、前記電解質膜と接して前記電解質膜に対して酸素を含むカソード側反応ガスを供給するカソード側層と、前記電解質膜を介して前記カソード側層と反対側において前記電解質膜と接し、前記電解質膜に対してアノード側反応ガスを供給するアノード側層と、を有する燃料電池と、前記燃料電池の発電停止後において、前記カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、前記カソード側層の全圧を調整する圧力調整部と、
を備える、燃料電池システム。
を備える、燃料電池システム。
適用例1の燃料電池システムでは、燃料電池の発電停止後において、カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、カソード側層の全圧を調整するので、電解質膜を介してアノード側層からカソード側層に移動した水素ガスとカソード側層に残存する酸素との反応によって残存酸素が消費され、カソード側層の酸素分圧が低下した場合であっても、カソード側層の全圧が負圧(大気圧よりも低い状態)となることを抑制することができる。
[適用例2]適用例1に記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力調整部は、前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給するためのカソード側反応ガス供給路と、前記カソード側層から前記カソード側反応ガスを排出するためのカソード側反応ガス排出路と、前記カソード側供給路に配置され、前記カソード供給路を封止可能な弁である供給側封止弁と、前記カソード側排出路に配置され、前記カソード側排出路を封止可能な弁である排出側封止弁と、前記供給側封止弁及び前記排出側封止弁を制御する弁制御部と、前記カソード側反応ガス供給路を介して前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給する反応ガス供給部と、を有し、前記圧力調整部は、前記燃料電池の発電停止後に、前記弁制御部を制御して前記排出側封止弁により前記カソード側排出路を封止し、前記カソード側排出路が封止された状態において、前記合計分圧が大気圧以上となるような前記カソード側層の全圧である目標圧力を算出し、前記反応ガス供給部を制御して前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧を調整した後に前記カソード側層の全圧の調整を停止し、前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧が調整された状態において、前記弁制御部を制御して前記供給側封止弁により前記カソード側供給路を封止する、燃料電池システム。
このような構成により、カソード側層の全圧が調整された後にカソード側供給路及びカソード側排出路が封止された状態となるので、カソード側層の全圧の継続的な調整を要しない。したがって、圧力調整部の処理をシンプルに構成することができると共に、圧力調整部の駆動に要するランニングコストを低廉化できる。なお、適用例における「封止」とは、密封されている状態の他、カソード側反応ガスの流通が抑制されている状態も含む広い意味を有する。
[適用例3]適用例1または適用例2に記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力調整部は、前記合計分圧と前記アノード側層の全圧との平均が大気圧以上となるように、前記カソード側層の全圧を調整する、燃料電池システム。
このような構成により、電解質膜を介してカソード側層からアノード側層にカソード側反応ガスが移動してカソード側層の全圧が低下した場合であっても、カソード側層の全圧が負圧になることを抑制することができる。
[適用例4]適用例1ないし適用例3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、前記圧力調整部は、前記燃料電池の発電停止後であって所定期間経過後における前記カソード側層における飽和蒸気圧である放置後飽和蒸気圧を、前記燃料電池に関連する温度に基づき推定する飽和蒸気圧推定部と、前記圧力調整部が前記カソード側層の全圧を調整する際に目標とする圧力である目標全圧を、前記放置後飽和蒸気圧に応じて設定する目標全圧設定部と、を有し、前記圧力調整部は、前記目標全圧となるように前記カソード側層の全圧を調整する、燃料電池システム。
このような構成により、例えば、推定される放置後飽和水蒸気圧がより低い場合には目標圧力をより高く設定し、推定される放置後飽和水蒸気圧がより高い場合には目標圧力をより低く設定すると、燃料電池システムの発電停止後に、燃料電池の温度低下に伴う飽和水蒸気圧の低下によりカソード側層の水蒸気分圧が低下したために、酸素分圧を除く他の気体の合計分圧が低下した場合であっても、合計分圧が大気圧よりも低くなることを抑制できる。
[適用例5]適用例1ないし適用例4のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記圧力調整部が前記カソード側層の全圧を調整する際の、前記カソード側層の全圧の変化速度を取得する圧力変化速度取得部と、前記取得された変化速度に基づき、前記燃料電池の劣化度合いを判定する劣化判定部と、を備える、燃料電池システム。
このような構成により、燃料電池の劣化度合いを簡単に判定することができる。一般に、燃料電池の劣化が進むほど、電解質膜を透過してカソード側層からアノード側層に移動するカソード側反応ガスの量は増えるので、カソード側層全圧の調整時における圧力の変化速度は遅くなる。したがって、カソード側層の全圧の変化速度がより遅いほど、燃料電池の劣化度合いは大きいと判定することができる。
[適用例6]燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、電解質膜と,前記電解質膜と接して前記電解質膜に対して酸素を含むカソード側反応ガスを供給するカソード側層と,を有する燃料電池を有し、(a)前記燃料電池の発電停止後において、前記カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、前記カソード側層の全圧を調整する工程を備える、燃料電池システムの制御方法。
適用例6の燃料電池システムの制御方法では、燃料電池の発電停止後において、カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、カソード側層の全圧を調整するので、電解質膜を介してアノード側層からカソード側層に移動したガスとカソード側層に残存する酸素との反応によって残存酸素が消費され、カソード側層の酸素分圧が低下した場合であっても、カソード側層の全圧が負圧(大気圧よりも低い状態)となることを抑制することができる。
[適用例7]請求項6に記載の燃料電池システムの制御方法において、前記工程(a)は、
(a1)前記燃料電池の発電停止後に、前記カソード側層から前記カソード側反応ガスを排出するためのカソード側排出路を封止する工程と、(a2)前記カソード側排出路が封止された状態において、前記カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるような前記カソード側層の全圧である目標圧力を算出する工程と、(a3)前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給するためのカソード側供給路を介して前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給することにより、前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧を調整する工程と、(a4)前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧が調整された状態において、前記カソード側供給路を封止する工程と、を備える、燃料電池システムの制御方法。
(a1)前記燃料電池の発電停止後に、前記カソード側層から前記カソード側反応ガスを排出するためのカソード側排出路を封止する工程と、(a2)前記カソード側排出路が封止された状態において、前記カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるような前記カソード側層の全圧である目標圧力を算出する工程と、(a3)前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給するためのカソード側供給路を介して前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給することにより、前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧を調整する工程と、(a4)前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧が調整された状態において、前記カソード側供給路を封止する工程と、を備える、燃料電池システムの制御方法。
このような構成により、カソード側層の全圧が調整された後にカソード側供給路及びカソード側排出路が封止された状態となるので、カソード側層の全圧の継続的な調整を要しない。したがって、燃料電池システムの制御に係る処理をシンプルに構成することができると共に、当該処理の実行に要するランニングコストを低廉化できる。なお、適用例における「封止」とは、密封されている状態の他、カソード側反応ガスの流通が抑制されている状態も含む広い意味を有する。
A.第1の実施例:
A1.システム構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム100は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、エアコンプレッサ30と、水素タンク40と、遮断弁63と、アノードガス供給圧力調整弁64と、カソードガス供給流路51と、カソードガス排出流路52と、アノードガス供給流路53と、アノードガス排出流路54と、カソード側背圧調整弁61と、アノード側背圧調整弁62と、第1〜第4圧力センサ71〜74と、制御ユニット90とを備えている。
A1.システム構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム100は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム100は、燃料電池スタック10と、エアコンプレッサ30と、水素タンク40と、遮断弁63と、アノードガス供給圧力調整弁64と、カソードガス供給流路51と、カソードガス排出流路52と、アノードガス供給流路53と、アノードガス排出流路54と、カソード側背圧調整弁61と、アノード側背圧調整弁62と、第1〜第4圧力センサ71〜74と、制御ユニット90とを備えている。
燃料電池スタック10は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池である単セル11が複数積層された構成を有し、アノードガスとしての純水素と、カソードガスとしての空気中の酸素が、各電極において電気化学反応を起こすことによって起電力を得るものである。
エアコンプレッサ30は、カソードガス供給流路51に配置され、外部から取り込んだ空気を加圧して燃料電池スタック10に供給する。なお、エアコンプレッサ30が停止した状態では、カソードガス供給流路51におけるカソードガスの流通は抑制される。エアコンプレッサ30により封止される。水素タンク40は、高圧水素ガスを貯蔵している。水素タンク40としては、例えば、水素吸蔵合金を内部に備え、水素吸蔵合金に吸蔵させることによって水素を貯蔵するタンクを用いても良い。
遮断弁63は、水素タンク40の図示しない水素ガス排出口に配置されており、水素ガスの供給及び停止を行う。アノードガス供給圧力調整弁64は、アノードガス供給流路53に配置されており、水素タンク40から排出された高圧水素ガスを、所定の圧力まで低下させる。
カソードガス供給流路51は、エアコンプレッサ30と燃料電池スタック10とを連通させ、エアコンプレッサ30から供給される圧縮空気を燃料電池スタック10に導くための流路である。カソードガス排出流路52は、燃料電池スタック10から排出される余剰空気(カソードオフガス)及び生成水を外部に排出するための流路である。アノードガス供給流路53は、水素タンク40と燃料電池スタック10とを連通させ、水素タンク40から供給される水素ガスを燃料電池スタック10に導くための流路である。アノードガス排出流路54は、燃料電池スタック10から排出される余剰水素ガス(アノードオフガス)を外部に排出するための流路である。なお、アノードガス排出流路54に、アノードガス供給流路53と接続する流路(循環流路)を設け、かかる循環流路を介して余剰水素ガスを燃料電池スタック10に再び供給する構成を採用することもできる。
カソード側背圧調整弁61は、カソードガス排出流路52に配置され、燃料電池スタック10のカソード側の圧力(背圧)を一定に保つように動作する。アノード側背圧調整弁62は、アノードガス排出流路54に配置され、燃料電池スタック10のアノード側の圧力(背圧)を一定に保つように動作する。上述した各弁61〜64は、いずれも電磁弁である。なお、各弁61〜64は、開度が0となることにより、配置されている各流路を封止することができる。
第1圧力センサ71は、カソードガス供給流路51に配置されており、カソードガス供給流路51の内圧を測定する。第2圧力センサ72は、カソードガス排出流路52に配置されており、燃料電池スタック10のカソード側圧力(背圧)を測定する。第3圧力センサ73は、アノードガス排出流路54に配置されており、燃料電池スタック10のアノード側圧力(背圧)を測定する。第4圧力センサ74は、燃料電池スタック10から離れた位置に配置されており、大気圧を測定する。なお、第4圧力センサ74を燃料電池スタック10や各流路51〜54と接して配置することもできる。
制御ユニット90は、エアコンプレッサ30及び各弁61〜64と電気的に接続されており、これら各要素を制御する。また、制御ユニット90は、各圧力センサ71〜74と接続されており、各圧力センサ71〜74において測定された圧力値を取得する。
制御ユニット90は、CPU(Central Processing Unit)91と、ROM(Read Only Memory)92と、RAM(Random Access Memory)93とを備えている。ROM92には、燃料電池システム100を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、CPU91は、RAM93を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、圧力調整部91a及び弁制御部91bとして機能する。
弁制御部91bは、各弁61〜64の開度を調整することにより、各流路51〜54を流通する反応ガス(空気及び水素ガス)の流量を制御する。圧力調整部91aは、エアコンプレッサ30の回転数を制御すると共に、弁制御部91bを介して各弁61〜64を制御することにより、各単セル11におけるカソード側層(カソード側触媒層及びカソード側ガス拡散層)の圧力を調整する。
図2は、図1に示す単セルの詳細構成を模式的に示す第1の断面図である。図3は、図1に示す単セルの詳細構成を模式的に示す第2の断面図である。図2では発電時の単セル11の状態を示し、図3では発電停止後の単セルの状態を示している。なお、図2では、単セルの詳細構成と共に、発電時におけるカソードガス(空気)の流れを実線の矢印で示している。
図2に示すように、単セル11は、MEGA(Membrane Electrode and Gas Diffusion Layer Assembly)111と、セパレータ121とが互いに重ね合わされた構成を有している。MEGA111は、電解質膜112と、カソード側層114と、アノード側層113とを備えている。
電解質膜112は、スルホン酸基を含むフッ素樹脂系イオン交換膜であり、例えば、デュポン社のナフィオン(登録商標)や、旭化成株式会社のアシプレックス(登録商標)等を用いることができる。また、電解質膜112として、炭化水素系スルホン酸基膜を用いることもできる。
カソード側層114は、電解質膜112の一方の面に接して配置されており、図示しない触媒層及びガス拡散層を備えている。カソード側層114は、ガス透過性を有するとともに導電性の良好な材料で形成される。触媒層としては、例えば、触媒担持粒子(白金担持カーボン等)と高分子電解質と撥水材とを混合したスラリーを電解質膜に塗布して形成することができる。ガス拡散層は、多孔質の部材(例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスやガラス状カーボン)を用いて構成することができる。
アノード側層113は、電解質膜112においてカソード側層114が配置されている面とは反対側の面に接して配置されており、図示しない触媒層及びガス拡散層を備えている。なお、アノード側層113の構成は、カソード側層114と同じであるので説明を省略する。
セパレータ121は、ガス不透過の伝導性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、プレス成型した金属板によって構成することができる。なお、セパレータ121には、MEGA111と接する面に図示しない溝が形成されており、セパレータ121とMEGA111とが接合されると、セパレータ121とMEGA111との境界部分に反応ガス(空気及び水素ガス)の流路が形成される。
MEGA111及びセパレータ121はそれぞれ厚み方向の貫通孔を備えており、MEGA111及びセパレータ121が積層され、それぞれの貫通孔が互いに接することにより、燃料電池スタック10の内部に、カソードガス供給マニホールド511,カソードガス排出マニホールド521,図示しないアノードガス供給マニホールド,および図示しないアノードガス排出マニホールドが形成される。カソードガス供給マニホールド511は、図1に示すカソードガス供給流路51と接続されている。また、カソードガス排出マニホールド521は、図1に示すカソードガス排出流路52と接続されている。
図2に示す発電時において、カソードガス供給マニホールド511を通って供給される空気は、セパレータ121及びカソード側層114の境界部分に形成された図示しない流路を介してカソード側層114に供給される。カソード側層114では、供給された空気は、拡散されて電気化学反応に用いられる。電気化学反応に用いられなかった余剰空気は、セパレータ121及びカソード側層114の境界部分に形成された図示しない流路を介してカソードガス排出マニホールド521へと排出される。
図3に示す燃料電池スタック10の発電停止後には、アノード側層113には残留水素ガスが、カソード側層114には残留空気が、それぞれ存在する。アノード側層113の残留水素ガスの一部115は、電解質膜112を透過してカソード側層114に移動する。カソード側層114に達した残留水素ガスと、カソード側層114に存在する残留空気中の酸素とにより、下記反応式(1)の反応が生じる。
上記反応式(1)の反応が進むと、カソード側層114中の残留空気中の酸素が消費されるため、カソード側層114内の酸素分圧が低下し、カソード側層114内の全圧は低下する。しかしながら、本実施例の燃料電池システム100では、後述の圧力調整処理を実行することにより、カソード側層114が負圧になることを抑制できる。
前述のエアコンプレッサ30,圧力調整部91a,弁制御部91b,カソードガス供給流路51,カソードガス排出流路52,及びカソード側背圧調整弁61は、請求項における圧力調整部に相当する。また、エアコンプレッサ30は請求項における供給側封止弁及び反応ガス供給部に、圧力調整部91aは請求項における飽和蒸気圧推定部および目標圧力設定部に、それぞれ相当する。
A2.圧力調整処理:
図4は、燃料電池スタック10の発電停止後に実行される圧力調整処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム100では、例えば、電気自動車のイグニッションがオフになった等により、燃料電池スタック10の発電が停止すると、圧力調整処理が開始される。なお、燃料電池スタック10の発電停止時には、遮断弁63は閉じられ、エアコンプレッサ30は停止している。
図4は、燃料電池スタック10の発電停止後に実行される圧力調整処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム100では、例えば、電気自動車のイグニッションがオフになった等により、燃料電池スタック10の発電が停止すると、圧力調整処理が開始される。なお、燃料電池スタック10の発電停止時には、遮断弁63は閉じられ、エアコンプレッサ30は停止している。
圧力調整部91aは、第4圧力センサ74から通知される測定値により、大気圧を取得する(ステップS10)。第4圧力センサ74で測定される大気圧の値は、燃料電池システム100が設置される環境により異なる。例えば、標高の高い環境に電気自動車が位置している場合には大気圧の値は比較的低く、標高の低い環境に電気自動車が位置している場合には大気圧の値は比較的高い。
圧力調整部91aは、酸素分圧を除いた他の気体の分圧の合計が大気圧と一致する圧力を求め、目標圧力に設定する(ステップS15)。後述するように、発電停止後において燃料電池スタック10のカソード側には再び空気が供給されてカソード側層114は昇圧される。ステップS15における「目標圧力」とは、かかる昇圧の際に最終的な目標とする圧力を意味する。
図5は、ステップS15において設定される目標圧力を模式的に示す説明図である。図5において、縦軸は、カソード側層114内の圧力(以下、「カソード側圧力」と呼ぶ)を示す。また、図5において、左側は圧力調整処理を実行した直後のカソード側圧力を示し、右側は圧力調整処理を実行してから長期間経過後のカソード側圧力を示す。
空気中には、酸素がおよそ21%含まれ、他の気体である窒素や二酸化炭素や水蒸気等が79%含まれる。したがって、ステップS15では、目標圧力Ptとして、酸素の分圧(Pt×0.21)を除く他の気体の合計分圧(Pt×0.79)が、大気圧(Pa)と一致する圧力として導出される。
目標圧力が決定すると、弁制御部91bは、カソード側背圧調整弁61の開度を0として、カソードガス排出流路52を封止する(ステップS20)。
圧力調整部91aは、エアコンプレッサ30を駆動して、燃料電池スタック10のカソード側に空気を供給する(ステップS25)。ステップS20によってカソードガス排出流路52は封止されているので、ステップS25の実行により、カソード側圧力は次第に上昇する。
圧力調整部91aは、第2圧力センサ72の測定値に基づき、カソード側圧力が目標圧力に達するまで待機する(ステップS30)。本実施例では、カソード側圧力の実測値として、第2圧力センサ72の測定値を用いるものとする。なお、第2圧力センサ72の測定値に代えて、第1圧力センサ71の測定値や、2つの圧力センサ71,72の測定値から算出される値(平均値等)を、カソード側圧力の実測値として用いることもできる。
カソード側圧力が目標圧力に達すると、圧力調整部91aは、エアコンプレッサ30を停止させ、弁制御部91bは、カソードガス供給流路51を封止する(ステップS35)。
ステップS35を実行した直後においては、カソードガス供給流路51においてカソードガスの流通は抑制され、また、カソードガス排出流路52が封止された状態となっているので、カソード側圧力は目標圧力をしばらくの間維持することとなる。しかしながら、圧力調整処理が終了してから長期間経過すると、図3に示すように、アノード側層113からカソード側層114に移動した水素ガスによってカソード側層114内の残留空気中の酸素が消費され、図5に示すようにカソード側圧力(全圧)は低下する。ここで、目標圧力Pt(すなわち、圧力調整処理直後の圧力)は、酸素の分圧を除く他の気体の合計分圧が大気圧と一致する圧力であるので、図5に示すように、酸素分圧が0となった場合でも気体の合計分圧は大気圧と一致する。したがって、カソード側圧力が負圧となることが抑制される。
図6は、比較例としての従来におけるカソード側圧力の変化を示す説明図である。図6の縦軸は図5と同じである。図6において、左側は、発電停止直後のカソード側圧力(全圧)を示し、右側は、発電を停止してから長期間経過後のカソード側圧力を示す。
従来では、発電停止直後において、カソード側圧力は大気圧(Pa)の状態であった。したがって、長期間経過後には、カソード側層において残留空気中の酸素が消費され、酸素分圧は0となる。その結果、カソード側層の全圧Pxが大気圧Paよりも低くなるため、カソード側層への空気の吸い込みが発生し、アノード側触媒層の触媒材料への酸素の吸着およびカソード側触媒層の劣化(カーボン酸化)が促進されていた。これに対して、本実施例では、前述のように、燃料電池スタック10の発電が停止してから長期間経過後においても、カソード側層は負圧にならない。
以上説明したように、第1の実施例の燃料電池システム100では、圧力調整処理を実行し、カソード側層114における酸素分圧を除く他の気体の合計分圧が大気圧以上となるように、カソード側層114の全圧を調整しておくので、燃料電池スタック10の発電が停止してから長期間経過後においてカソード側層114が負圧になることを抑制できる。したがって、カソードガス供給マニホールド511及びカソードガス排出マニホールド521からカソード側層114への空気の吸い込みは抑制される。その結果、アノード側層113への残留空気の流入は抑制され、アノード側触媒層の触媒材料への酸素の吸着およびカソード側触媒層の劣化(カーボン酸化)が抑制される。
加えて、燃料電池システム100では、カソードガス排出流路52を封止してからエアコンプレッサ30を駆動してカソード側圧力を昇圧し、その後、エアコンプレッサ30を停止させることでカソードガス供給流路51のカソードガスの流通を抑制している。したがって、カソード側層114の全圧が大気圧以上を維持するためにエアコンプレッサ30を継続して駆動せずに済み、エアコンプレッサ30の駆動に要するランニングコストを低廉化できる。
B.第2の実施例:
図7は、第2の実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図8は、第2の実施例における圧力調整処理の手順を示すフローチャートである。図7に示す第2の実施例の燃料電池システム100aは、温度センサ75を備える点と、ROM92に予め温度対応マップ92a及び目標圧力マップ92bが格納されている点と、図8に示すように、圧力調整処理において、ステップS12,S13を追加実行すると共に、ステップS15に代えてステップS15aを実行する点とにおいて、第1の実施例の燃料電池システム100と異なり、他の構成は第1の実施例と同じである。第2の実施例では、発電停止後の燃料電池スタック10の温度変化に従いカソード側圧力中の水蒸気分圧が変化することを考慮して、目標圧力を設定する。
図7は、第2の実施例の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図8は、第2の実施例における圧力調整処理の手順を示すフローチャートである。図7に示す第2の実施例の燃料電池システム100aは、温度センサ75を備える点と、ROM92に予め温度対応マップ92a及び目標圧力マップ92bが格納されている点と、図8に示すように、圧力調整処理において、ステップS12,S13を追加実行すると共に、ステップS15に代えてステップS15aを実行する点とにおいて、第1の実施例の燃料電池システム100と異なり、他の構成は第1の実施例と同じである。第2の実施例では、発電停止後の燃料電池スタック10の温度変化に従いカソード側圧力中の水蒸気分圧が変化することを考慮して、目標圧力を設定する。
図7に示す温度センサ75は、外気温を測定して制御ユニット90に通知する。温度対応マップ92aは、外気温と、放置後の燃料電池スタック10の温度とを対応付けたマップである。一般に、発電が停止した後において、燃料電池スタック10の温度は、次第に低下して最終的に変化せずに一定となる温度(以下、「放置後スタック温度」と呼ぶ)に達する。この放置後スタック温度は外気温に依存するため、本実施例では、予め外気温と放置後スタック温度との関係を実験により求めておき、温度対応マップ92aとしてROM92に記憶させておく。
目標圧力マップ92bは、放置後スタック温度と目標圧力値とを対応付けたマップである。図9は、目標圧力マップ92bの設定内容を模式的に示す説明図である。図9において、上段は、放置後スタック温度が比較的高い温度T1の場合における目標圧力を示し、下段は、放置後スタック温度が比較的低い温度T2の場合における目標圧力を示す。また、図9の上段及び下段において、左側は、圧力調整処理を実行した直後のカソード側圧力を示し、右側は、圧力調整処理を実行してから長期間経過後のカソード側圧力を示す。
図9の上段及び下段の左側に示すように、放置後スタック温度が比較的高い温度T1に対して、目標圧力として比較的低い圧力Pt1が設定されている。一方、放置後スタック温度が比較的低い温度T2に対して、目標圧力として比較的高い圧力Pt2が設定されている。このような設定となっているのは、以下の理由による。燃料電池スタック10の温度がより低いほど、カソード側層114における飽和水蒸気圧はより小さくなるので、水蒸気分圧はより低くなる。したがって、カソード側圧力のうち、酸素分圧を除く他の気体の合計分圧は、放置後スタック温度がより低い程より小さくなる。そこで、本実施例では、放置後スタック温度がより低いほど、より高い目標圧力を設定しておくことで、圧力調整処理を実行してから長期間経過後のカソード側圧力(全圧)が、水蒸気分圧の低下に関わらず、大気圧よりも低くなる(負圧となる)ことを抑制するようにしている。
具体的な処理としては、図8に示すように、圧力調整部91aは、大気圧を測定した後に、温度センサ75から通知される測定値により、外気温を取得する(ステップS12)。圧力調整部91aは、取得した外気温に基づき温度対応マップ92aを参照して、放置後スタック温度を推定する(ステップS13)。圧力調整部91aは、取得した大気圧及び放置後スタック温度に基づき目標圧力マップ92bを参照して目標圧力を決定する(ステップS15a)。目標圧力を設定した後の処理については、前述のステップS20〜S35と同じである。
このような処理により、図9の上段に示すように、放置後スタック温度が比較的高い温度T1の場合において、長期間経過後のカソード側圧力は大気圧Paとなっている。また、図9の下段に示すように、放置後スタック温度が比較的低い温度T2の場合には、圧力調整処理実行後における水蒸気分圧の低下量は比較的大きい。しかしながら、圧力調整処理により、カソード側圧力を比較的高い圧力Pt2まで昇圧しているので、空気中における酸素及び水蒸気を除く他の気体の合計分圧を比較的高くすることができる。したがって、長期間経過後のカソード側圧力は、放置後スタック温度が温度T1の場合と同様に、大気圧Paとなっている。
以上の構成を有する第2の実施例の燃料電池システム100aは、第1の実施例の燃料電池システム100と同じ効果を有する。加えて、燃料電池システム100aでは、放置後スタック温度を推定し、推定される放置後スタック温度が比較的低い場合には目標圧力を比較的高く設定するように構成されている。したがって、空気中における酸素及び水蒸気を除く他の気体の合計分圧を比較的高くすることができるため、圧力調整処理実行後における水蒸気分圧の低下量が比較的大きい場合であっても、長期間経過後のカソード側圧力を大気圧とすることができる。その結果、放置後スタック温度の高低に関わらず、カソード側圧力が大気圧よりも低くなる(負圧となる)ことを抑制できる。
C.第3の実施例:
図10は、第3の実施例における目標圧力の決定方法を模式的に示す説明図である。第3の実施例の燃料電池システム(図示省略)は、目標圧力の決定方法において、第1の実施例の燃料電池システム100と異なり、他の構成は、第1の実施例と同じである。
図10は、第3の実施例における目標圧力の決定方法を模式的に示す説明図である。第3の実施例の燃料電池システム(図示省略)は、目標圧力の決定方法において、第1の実施例の燃料電池システム100と異なり、他の構成は、第1の実施例と同じである。
図10に示すように、燃料電池スタック10の発電停止後には、アノード側層113からカソード側層114への余剰水素ガスの透過115と共に、カソード側層114からアノード側層113への余剰空気(酸素消費後の空気)の透過116が発生し得る。したがって、圧力調整処理においてエアコンプレッサ30を用いて空気を供給しても、一部の空気は、電解質膜112を透過してアノード側層113に移動してしまい、カソード側層114が大気圧を下回るおそれがある。そこで、本実施例では、エアコンプレッサ30を用いてカソード側層114と共にアノード側層113も昇圧するものとして、カソード側圧力の目標圧力を決定する。
具体的には、カソード側層114の体積を体積Vcとし、アノード側層113の体積を体積Vaとした場合に、下記式(2)により、目標圧力を決定する。
上記式(2)において、Ptは、目標圧力を示す。また、Paは大気圧を示す。上記式(2)では、(Vc+Va)÷(空気中の窒素割合)により、アノード側層113及びカソード側層114を、いずれも窒素等で満たすために必要な空気量を求め、これをカソード側層114の体積Vcで割ることで、体積Vcに対する必要空気量の割合(倍数)を求め、求めた割合(倍数)を大気圧Paに掛け合わせることで、目標圧力を得ている。第3の実施例では、圧力調整処理において、上記のようにして得られた目標圧力となるようにカソード側圧力を調整するので、カソード側層114からアノード側層113への空気の移動が発生しても、カソード側層114及びアノード側層113の平均圧力は大気圧以上になる。したがって、カソード側圧力が大気圧よりも低下する(負圧となる)ことを抑制できる。
なお、本実施例では、エアコンプレッサ30の駆動により、カソード側層114に加えてアノード側層113も昇圧させるため、アノードガス供給流路53及びアノードガス排出流路54を封止させることが好ましい。アノードガス供給流路53については、発電停止時に遮断弁63の開度が0となることによって封止されている。アノードガス排出流路54の封止については、例えば、図4に示すステップS20においてカソードガス排出流路52を封止するのと共に実行することもできる。
以上の構成を有する第3の実施例の燃料電池システムは、第1の実施例の燃料電池システム100と同じ効果を有する。加えて、第3の実施例の燃料電池システムでは、エアコンプレッサ30によりカソード側層114に加えてアノード側層113にも空気が供給されることを前提として目標圧力を決定するので、カソード側層114からアノード側層113への空気の移動が発生した場合であっても、カソード側圧力が負圧になることを抑制できる。
D.変形例:
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態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において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態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において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
D1.変形例1:
各実施例では、圧力調整処理により、カソードガス供給流路51及びカソードガス排出流路52を封止していたが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、カソードガス排出流路52を封止せずにエアコンプレッサ30を駆動し続けて、カソード側圧力が目標圧力を維持(酸素消費による全圧の低下分を除く)するようにしてもよい。かかる構成においても、カソード側圧力が負圧となることを抑制できる。かかる構成においては、エアコンプレッサ30及び圧力調整部91aが、請求項における圧力調整部に相当する。
各実施例では、圧力調整処理により、カソードガス供給流路51及びカソードガス排出流路52を封止していたが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、カソードガス排出流路52を封止せずにエアコンプレッサ30を駆動し続けて、カソード側圧力が目標圧力を維持(酸素消費による全圧の低下分を除く)するようにしてもよい。かかる構成においても、カソード側圧力が負圧となることを抑制できる。かかる構成においては、エアコンプレッサ30及び圧力調整部91aが、請求項における圧力調整部に相当する。
D2.変形例2:
各実施例では、目標圧力として、酸素の分圧を除く他の気体の合計分圧が大気圧と一致する圧力を設定していたが、これに代えて、酸素の分圧を除く他の気体の合計分圧が大気圧と一致する圧力よりも高い圧力に設定することもできる。この構成においても、圧力調整処理が終了してから長期間経過後において、カソード側圧力が負圧になることを抑制できる。すなわち、一般には、燃料電池の発電停止後において、カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、カソード側層の全圧を調整する任意の圧力調整部を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
各実施例では、目標圧力として、酸素の分圧を除く他の気体の合計分圧が大気圧と一致する圧力を設定していたが、これに代えて、酸素の分圧を除く他の気体の合計分圧が大気圧と一致する圧力よりも高い圧力に設定することもできる。この構成においても、圧力調整処理が終了してから長期間経過後において、カソード側圧力が負圧になることを抑制できる。すなわち、一般には、燃料電池の発電停止後において、カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、カソード側層の全圧を調整する任意の圧力調整部を、本発明の燃料電池システムに採用することができる。
なお、カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の合計分圧が大気圧以上に設定する構成では、カソード側層114の圧力が非常に高くなり、カソード側層114の圧力とアノード側層113の圧力との差圧が非常に大きくなるおそれがある。この場合、かかる差圧により、電解質膜112が破壊するおそれがある。そこで、予め実験により、電解質膜112が破壊するカソード側層114の圧力のしきい値を求めておき、かかるしきい値よりも低い値に目標圧力を設定する構成とすることもできる。このような構成により、カソード側層114の圧力とアノード側層113の圧力との差圧による電解質膜112の破壊を抑制できる。
また、目標圧力を電解質膜112の劣化度合いに応じて変化させることもできる。電解質膜112は、経時劣化が進むと、カソード側層114の圧力とアノード側層113の圧力との差圧が比較的小さい場合でも破壊するおそれがある。そこで、圧力調整処理の開始前に(或いは、圧力調整処理において、S15よりも前に)、電解質膜112の劣化度合いを推定し、劣化度合いが大きい場合には差圧が小さくなるように、目標圧力を低く設定することもできる。電解質膜112の劣化度合いは、例えば、過去の発電量の積算値に基づき推定することができる。
D3.変形例3:
各実施例では、カソードガス排出流路52を封止するためにカソード側背圧調整弁61を用いていたが、カソード側背圧調整弁61に代えて、または、カソード側背圧調整弁61と共に遮断弁をカソードガス排出流路52に設ける構成とし、この遮断弁によりカソードガス排出流路52を封止することもできる。同様に、カソードガス供給流路51におけるカソードガスの流通を抑制するためにエアコンプレッサ30を用いていたが、これに代えて、カソードガス供給流路51に遮断弁を設け、この遮断弁によりカソードガス供給流路51を封止することもできる。このような構成により、カソード側圧力を昇圧した後に、カソード側層114からカソードガス供給流路51へのカソードガスの流れに起因するカソード側圧力の低下を抑制できる。
各実施例では、カソードガス排出流路52を封止するためにカソード側背圧調整弁61を用いていたが、カソード側背圧調整弁61に代えて、または、カソード側背圧調整弁61と共に遮断弁をカソードガス排出流路52に設ける構成とし、この遮断弁によりカソードガス排出流路52を封止することもできる。同様に、カソードガス供給流路51におけるカソードガスの流通を抑制するためにエアコンプレッサ30を用いていたが、これに代えて、カソードガス供給流路51に遮断弁を設け、この遮断弁によりカソードガス供給流路51を封止することもできる。このような構成により、カソード側圧力を昇圧した後に、カソード側層114からカソードガス供給流路51へのカソードガスの流れに起因するカソード側圧力の低下を抑制できる。
また、各実施例では、カソードガス供給流路51及びカソードガス排出流路52を、それぞれ封止して、カソードガス供給流路51とカソードガス排出流路52との間での空気の流通はなかったが、本発明はこれに限定されるものではない。
図11は、変形例3における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。変形例3における燃料電池システム100bは、バイパス流路81と、エアポンプ83と、流量調整弁82とを備えている点において、第1の実施例の燃料電池システム100と異なり、他の構成は、第1の実施例と同じである。
バイパス流路81は、カソードガス排出流路52とカソードガス供給流路51とを接続する空気の流路である。バイパス流路81とカソードガス排出流路52との接続点は、カソードガス排出流路52において、カソード側背圧調整弁61よりも燃料電池スタック10寄りに位置している。バイパス流路81とカソードガス供給流路51との接続点は、カソードガス供給流路51において、エアコンプレッサ30よりも燃料電池スタック10寄りに位置している。
流量調整弁82は、バイパス流路81に配置されており、バイパス流路81を流れる空気の流量を調整する。エアポンプ83は、バイパス流路81に配置されており、カソードガス排出流路52から排出された余剰空気を、バイパス流路81を介してカソードガス供給流路51に流す。
燃料電池システム100bでは、圧力調整部91aは、図4に示す圧力調整処理において、ステップS35を実行した後に、エアポンプ83を駆動する。このような構成により、燃料電池スタック10内(各単セル11におけるカソード側層114内)の余剰空気は、カソードガス排出流路52から排出され、バイパス流路81を介してカソードガス供給流路51に流入し、再び燃料電池スタック10に供給される。
各単セル11では、カソード側層114内の残留空気中の酸素は、カソード側層114に移動した水素ガスとの反応により消費されるが、各単セル間、或いは、各単セル内において反応のバラツキが生じ得る。この場合、圧力調整処理が終了してから長期間経過後において、カソード側圧力が大気圧よりも高い単セルや、カソード側圧力が大気圧よりも低い単セルが生じ得る。そこで、燃料電池システム100bでは、余剰空気を循環させることにより、余剰空気中の酸素と透過水素ガスとの反応の機会を増やし、残留酸素と移動した水素ガスとの反応(酸素消費)の発生のバラツキを抑制するように構成されている。
D4.変形例4:
第2の実施例では、外気温と放置後スタック温度とが対応付けられ、また、放置後スタック温度(及び大気圧)と目標圧力とが対応付けられていたが、放置後スタック温度に代えて、飽和水蒸気圧を、外気温及び目標圧力に、それぞれ対応付けることもできる。具体的には、予め実験により、外気温と、圧力調整処理が終了してから長期間経過後における飽和水蒸気圧(水蒸気分圧)との対応関係を求めてマップ化しておく。また、予め実験により、飽和水蒸気圧(水蒸気分圧)と目標圧力との対応関係を求めてマップ化しておく。そして、これら2つのマップを用いて、測定した外気温に基づき飽和水蒸気圧を推定し、推定した飽和水蒸気圧に基づき目標圧力を決定することもできる。なお、2つのマップに代えて、外気温(及び大気圧)と目標圧力とを対応付ける1つのマップを用いる構成とすることもできる。また、第2の実施例では、放置後スタック温度と対応付ける温度は、外気温であったが、外気温に代えて、他の場所の温度を採用することもできる。例えば、燃料電池システム100の設置されている場所であって、燃料電池スタック10から所定の距離だけ離れ、外気と直接接しない場所の温度を採用することもできる。燃料電池システム100が保温され易い環境に設置されている場合には、放置後スタック温度は外気温よりも、高い温度となり得る。したがって、上述のような場所の温度を採用することにより、放置後スタック温度を精度よく推定することができる。
第2の実施例では、外気温と放置後スタック温度とが対応付けられ、また、放置後スタック温度(及び大気圧)と目標圧力とが対応付けられていたが、放置後スタック温度に代えて、飽和水蒸気圧を、外気温及び目標圧力に、それぞれ対応付けることもできる。具体的には、予め実験により、外気温と、圧力調整処理が終了してから長期間経過後における飽和水蒸気圧(水蒸気分圧)との対応関係を求めてマップ化しておく。また、予め実験により、飽和水蒸気圧(水蒸気分圧)と目標圧力との対応関係を求めてマップ化しておく。そして、これら2つのマップを用いて、測定した外気温に基づき飽和水蒸気圧を推定し、推定した飽和水蒸気圧に基づき目標圧力を決定することもできる。なお、2つのマップに代えて、外気温(及び大気圧)と目標圧力とを対応付ける1つのマップを用いる構成とすることもできる。また、第2の実施例では、放置後スタック温度と対応付ける温度は、外気温であったが、外気温に代えて、他の場所の温度を採用することもできる。例えば、燃料電池システム100の設置されている場所であって、燃料電池スタック10から所定の距離だけ離れ、外気と直接接しない場所の温度を採用することもできる。燃料電池システム100が保温され易い環境に設置されている場合には、放置後スタック温度は外気温よりも、高い温度となり得る。したがって、上述のような場所の温度を採用することにより、放置後スタック温度を精度よく推定することができる。
D5.変形例5:
各実施例では、圧力調整処理において、カソード側層114及びアノード側層113のうち、カソード側層114のみを昇圧していたが、これに代えて、カソード側と共にアノード側も昇圧することもできる。具体的には、圧力調整処理において、アノードガス排出流路54を封止し、水素タンク40から所定量の水素ガスを燃料電池スタック10に供給して、アノード側層113を昇圧することもできる。このとき、カソード側層114の昇圧により増加した酸素量を消費し得る分の水素ガス量を、水素タンク40から供給することもできる。このような構成により、カソード側層114内に酸素が残存することを抑制できるため、カソード側層114に残存する酸素が電解質膜112を透過してアノード側層113に移動することにより、アノード側触媒層の触媒材料に酸素が吸着されてしまうことを抑制できる。
各実施例では、圧力調整処理において、カソード側層114及びアノード側層113のうち、カソード側層114のみを昇圧していたが、これに代えて、カソード側と共にアノード側も昇圧することもできる。具体的には、圧力調整処理において、アノードガス排出流路54を封止し、水素タンク40から所定量の水素ガスを燃料電池スタック10に供給して、アノード側層113を昇圧することもできる。このとき、カソード側層114の昇圧により増加した酸素量を消費し得る分の水素ガス量を、水素タンク40から供給することもできる。このような構成により、カソード側層114内に酸素が残存することを抑制できるため、カソード側層114に残存する酸素が電解質膜112を透過してアノード側層113に移動することにより、アノード側触媒層の触媒材料に酸素が吸着されてしまうことを抑制できる。
D6.変形例6:
各実施例では、燃料電池スタック10における発電停止後に、圧力調整処理を実行していたが、圧力調整処理に加えて、乾燥処理を実行することもできる。具体的には、例えば、発電停止後に、カソードガス排出流路52を封止しない状態でエアコンプレッサ30を駆動して、燃料電池スタック10に空気を供給して各単セル11のカソード側層114を掃気して乾燥させる。そして、カソード側層114の乾燥後に、前述の圧力調整処理を実行する。なお、空気に代えて、窒素ガス等の不活性ガスにより掃気することもできる。上述したように、アノード側層113から電解質膜112を透過してカソード側層114に移動した水素ガスと、カソード側層114内の余剰空気中の酸素とが反応して水が生成する。かかる水がカソード側層114に残存していると、低温環境下において凍結し、次回起動時において発電性能が劣化する等の問題が生じ得る。そこで、上記構成を採用することにより、カソード側層114内の生成水を排出できるので、残留水の凍結等を抑制できる。
各実施例では、燃料電池スタック10における発電停止後に、圧力調整処理を実行していたが、圧力調整処理に加えて、乾燥処理を実行することもできる。具体的には、例えば、発電停止後に、カソードガス排出流路52を封止しない状態でエアコンプレッサ30を駆動して、燃料電池スタック10に空気を供給して各単セル11のカソード側層114を掃気して乾燥させる。そして、カソード側層114の乾燥後に、前述の圧力調整処理を実行する。なお、空気に代えて、窒素ガス等の不活性ガスにより掃気することもできる。上述したように、アノード側層113から電解質膜112を透過してカソード側層114に移動した水素ガスと、カソード側層114内の余剰空気中の酸素とが反応して水が生成する。かかる水がカソード側層114に残存していると、低温環境下において凍結し、次回起動時において発電性能が劣化する等の問題が生じ得る。そこで、上記構成を採用することにより、カソード側層114内の生成水を排出できるので、残留水の凍結等を抑制できる。
また、例えば、上記乾燥処理を、燃料電池スタック10の温度が外気温程度まで低下した後に実行することもできる。このような構成により、透過水素ガスと余剰空気中の酸素との反応により生成された水に加えて、温度低下に伴い凝縮した水も排除できるので、残留水の凍結等をより抑制することができる。
D7.変形例7:
各実施例では、燃料電池スタック10における発電停止後に、圧力調整処理を実行していたが、圧力調整処理に加えて、燃料電池スタック10(電解質膜112)の劣化を判定することもできる。一般に、電解質膜112の劣化が進んだ場合(例えば、継続的に加わる積層方向の圧力により、膜の厚みが薄くなった場合など)、電解質膜112を介した気体の移動が発生し易くなる。したがって、電解質膜112の劣化が進むと、エアコンプレッサ30から空気を供給した場合に、電解質膜112を介してカソード側層114からアノード側層113に移動する空気量が増加するため、カソード側圧力の昇圧スピードは低下する。そこで、圧力調整処理におけるカソード側圧力の昇圧スピードを測定し、かかる昇圧スピードに基づき電解質膜112の劣化度合いを判定することができる。具体的には、予め実験により、電解質膜112の劣化度合いと、カソード側圧力の昇圧スピードとの対応関係を求めてマップ化しておき、測定した昇圧スピードに基づき、マップを参照して劣化度合いを判定することもできる。なお、昇圧スピードは、例えば、所定期間ごと(例えば、5秒ごと)に第2圧力センサ72の測定値を順次記録し、時間的に隣り合う測定値同士の差分を求めることによって測定することができる。
各実施例では、燃料電池スタック10における発電停止後に、圧力調整処理を実行していたが、圧力調整処理に加えて、燃料電池スタック10(電解質膜112)の劣化を判定することもできる。一般に、電解質膜112の劣化が進んだ場合(例えば、継続的に加わる積層方向の圧力により、膜の厚みが薄くなった場合など)、電解質膜112を介した気体の移動が発生し易くなる。したがって、電解質膜112の劣化が進むと、エアコンプレッサ30から空気を供給した場合に、電解質膜112を介してカソード側層114からアノード側層113に移動する空気量が増加するため、カソード側圧力の昇圧スピードは低下する。そこで、圧力調整処理におけるカソード側圧力の昇圧スピードを測定し、かかる昇圧スピードに基づき電解質膜112の劣化度合いを判定することができる。具体的には、予め実験により、電解質膜112の劣化度合いと、カソード側圧力の昇圧スピードとの対応関係を求めてマップ化しておき、測定した昇圧スピードに基づき、マップを参照して劣化度合いを判定することもできる。なお、昇圧スピードは、例えば、所定期間ごと(例えば、5秒ごと)に第2圧力センサ72の測定値を順次記録し、時間的に隣り合う測定値同士の差分を求めることによって測定することができる。
D8.変形例8:
各実施例では、燃料電池スタック10の発電停止後に、必ず圧力調整処理を実行していたが、圧力調整処理を実行する前に、圧力調整処理の実行可否を判定する処理を行うこともできる。具体的には、例えば、燃料電池スタック10の温度を測定し、燃料電池スタック10の温度が所定温度よりも低い場合には、圧力調整処理を実行しないこともできる。燃料電池スタック10の温度が比較的低い場合には、カソード側層114における触媒層の活性化の度合いは低い。この場合、アノード側層113からカソード側層114に水素ガスが移動しても、水素ガスと残留空気中の酸素との反応は起こらない可能性が高い。したがって、カソード側層114が負圧となる可能性は低く、圧力調整処理を行わないで済む可能性が高い。
各実施例では、燃料電池スタック10の発電停止後に、必ず圧力調整処理を実行していたが、圧力調整処理を実行する前に、圧力調整処理の実行可否を判定する処理を行うこともできる。具体的には、例えば、燃料電池スタック10の温度を測定し、燃料電池スタック10の温度が所定温度よりも低い場合には、圧力調整処理を実行しないこともできる。燃料電池スタック10の温度が比較的低い場合には、カソード側層114における触媒層の活性化の度合いは低い。この場合、アノード側層113からカソード側層114に水素ガスが移動しても、水素ガスと残留空気中の酸素との反応は起こらない可能性が高い。したがって、カソード側層114が負圧となる可能性は低く、圧力調整処理を行わないで済む可能性が高い。
また、例えば、燃料電池スタック10の発電停止から再起動までの期間を推定し、かかる期間が所定の期間よりも短い場合には、圧力調整処理を実行しないこともできる。燃料電池スタック10の発電が停止してから、残留空気中の酸素が消費されてカソード側層114が負圧となるまでには、或る程度の期間を要する。したがって、この期間が満了するよりも前に燃料電池スタック10が再起動した場合には、カソード側層114は負圧とならない。なお、燃料電池スタック10の発電停止から再起動までの期間は、例えば、過去の燃料電池スタック10の運転履歴から、燃料電池スタック10の発電停止時の時間帯や曜日等に基づき推定することができる。
また、例えば、電解質膜112の劣化の度合いを推定し、かかる劣化度合いが所定の値よりも大きい場合には、圧力調整処理を実行しないこともできる。このような構成により、圧力調整処理の結果、カソード側層114の圧力とアノード側層113の圧力との差圧により電解質膜112が破壊されてしまうことを抑制できる。なお、電解質膜112の劣化度合いは、例えば、過去の発電量の積算値に基づき推定することができる。
D9.変形例9:
各実施例では、圧力調整処理において大気圧を測定していたが(ステップS10)、大気圧の測定を省略することもできる。この場合、予め大気圧として所定の圧力値をROM92に格納しておくことが好ましい。燃料電池システム100,100aが、大気圧が変化しない環境において用いられる場合には、このような構成も採用し得る。また、このような構成により、大気圧の測定処理を省略できるので、圧力調整処理に要する期間を短くすることができると共に、第4圧力センサ74を省略できるので、燃料電池システム100,100aの製造コストを低廉化できる。
各実施例では、圧力調整処理において大気圧を測定していたが(ステップS10)、大気圧の測定を省略することもできる。この場合、予め大気圧として所定の圧力値をROM92に格納しておくことが好ましい。燃料電池システム100,100aが、大気圧が変化しない環境において用いられる場合には、このような構成も採用し得る。また、このような構成により、大気圧の測定処理を省略できるので、圧力調整処理に要する期間を短くすることができると共に、第4圧力センサ74を省略できるので、燃料電池システム100,100aの製造コストを低廉化できる。
D10.変形例10:
第3の実施例では、目標圧力を決定する際に、カソード側層114の体積Vc及びアノード側層の体積Vaに基づき決定(算出)していたが、これに代えて、カソード側層114のうちのガス拡散層の体積と、アノード側層113のうちのガス拡散層の体積とに基づき決定(算出)することもできる。この場合、カソード側層114のうちのガス拡散層は、請求項におけるカソード側層に相当する。また、アノード側層113のうちのガス拡散層は、請求項におけるアノード側層に相当する。なお、カソード側層114の体積Vc及びアノード側層の体積Vaに加えて、カソードガス供給マニホールド511,カソードガス排出マニホールド521,図示しないアノードガス供給マニホールド,および図示しないアノードガス排出マニホールドの体積に基づき決定することもできる。
第3の実施例では、目標圧力を決定する際に、カソード側層114の体積Vc及びアノード側層の体積Vaに基づき決定(算出)していたが、これに代えて、カソード側層114のうちのガス拡散層の体積と、アノード側層113のうちのガス拡散層の体積とに基づき決定(算出)することもできる。この場合、カソード側層114のうちのガス拡散層は、請求項におけるカソード側層に相当する。また、アノード側層113のうちのガス拡散層は、請求項におけるアノード側層に相当する。なお、カソード側層114の体積Vc及びアノード側層の体積Vaに加えて、カソードガス供給マニホールド511,カソードガス排出マニホールド521,図示しないアノードガス供給マニホールド,および図示しないアノードガス排出マニホールドの体積に基づき決定することもできる。
D11.変形例11:
各実施例では、燃料電池システム100,100aは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車,船舶,ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック10を定置型電源として用い、燃料電池システム100,100aをビルや一般住宅等の建物に適用することもできる。
各実施例では、燃料電池システム100,100aは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車,船舶,ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、燃料電池スタック10を定置型電源として用い、燃料電池システム100,100aをビルや一般住宅等の建物に適用することもできる。
D12.変形例12:
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、これとは逆に、ハードウェアによって実現されていた構成の一部をソフトウェアに置き換えるようにしてもよい。
10…燃料電池スタック、11…単セル、30…エアコンプレッサ、40…水素タンク、51…カソードガス供給流路、52…カソードガス排出流路、53…アノードガス供給流路、54…アノードガス排出流路、61…カソード側背圧調整弁、62…アノード側背圧調整弁、63…遮断弁、64…アノードガス供給圧力調整弁、71〜74…第1〜第4圧力センサ、75…温度センサ、81…バイパス流路、82…流量調整弁、83…エアポンプ、90…制御ユニット、91…CPU、92…ROM、93…RAM、91a…圧力調整部、91b…弁制御部、92a…温度対応マップ、92b…目標圧力マップ、100,100a,100b…燃料電池システム、112…電解質膜、113…アノード側層、114…カソード側層、121…セパレータ、511…カソードガス供給マニホールド、521…カソードガス排出マニホールド
Claims (7)
- 燃料電池システムであって、
電解質膜と、前記電解質膜と接して前記電解質膜に対して酸素を含むカソード側反応ガスを供給するカソード側層と、前記電解質膜を介して前記カソード側層と反対側において前記電解質膜と接し、前記電解質膜に対してアノード側反応ガスを供給するアノード側層と、を有する燃料電池と、
前記燃料電池の発電停止後において、前記カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、前記カソード側層の全圧を調整する圧力調整部と、
を備える、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力調整部は、
前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給するためのカソード側反応ガス供給路と、
前記カソード側層から前記カソード側反応ガスを排出するためのカソード側反応ガス排出路と、
前記カソード側供給路に配置され、前記カソード供給路を封止可能な弁である供給側封止弁と、
前記カソード側排出路に配置され、前記カソード側排出路を封止可能な弁である排出側封止弁と、
前記供給側封止弁及び前記排出側封止弁を制御する弁制御部と、
前記カソード側反応ガス供給路を介して前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給する反応ガス供給部と、
を有し、
前記圧力調整部は、前記燃料電池の発電停止後に、前記弁制御部を制御して前記排出側封止弁により前記カソード側排出路を封止し、前記カソード側排出路が封止された状態において、前記合計分圧が大気圧以上となるような前記カソード側層の全圧である目標圧力を算出し、前記反応ガス供給部を制御して前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧を調整した後に前記カソード側層の全圧の調整を停止し、前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧が調整された状態において、前記弁制御部を制御して前記供給側封止弁により前記カソード側供給路を封止する、燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力調整部は、前記合計分圧と前記アノード側層の全圧との平均が大気圧以上となるように、前記カソード側層の全圧を調整する、燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記圧力調整部は、
前記燃料電池の発電停止後であって所定期間経過後における前記カソード側層における飽和蒸気圧である放置後飽和蒸気圧を、前記燃料電池に関連する温度に基づき推定する飽和蒸気圧推定部と、
前記圧力調整部が前記カソード側層の全圧を調整する際に目標とする圧力である目標全圧を、前記放置後飽和蒸気圧に応じて設定する目標全圧設定部と、
を有し、
前記圧力調整部は、前記目標全圧となるように前記カソード側層の全圧を調整する、燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項4のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記圧力調整部が前記カソード側層の全圧を調整する際の、前記カソード側層の全圧の変化速度を取得する圧力変化速度取得部と、
前記取得された変化速度に基づき、前記燃料電池の劣化度合いを判定する劣化判定部と、
を備える、燃料電池システム。 - 燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池システムは、電解質膜と,前記電解質膜と接して前記電解質膜に対して酸素を含むカソード側反応ガスを供給するカソード側層と,を有する燃料電池を有し、
(a)前記燃料電池の発電停止後において、前記カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるように、前記カソード側層の全圧を調整する工程を備える、燃料電池システムの制御方法。 - 請求項6に記載の燃料電池システムの制御方法において、
前記工程(a)は、
(a1)前記燃料電池の発電停止後に、前記カソード側層から前記カソード側反応ガスを排出するためのカソード側排出路を封止する工程と、
(a2)前記カソード側排出路が封止された状態において、前記カソード側層における酸素分圧を除く他の気体の分圧の合計である合計分圧が大気圧以上となるような前記カソード側層の全圧である目標圧力を算出する工程と、
(a3)前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給するためのカソード側供給路を介して前記燃料電池に前記カソード側反応ガスを供給することにより、前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧を調整する工程と、
(a4)前記目標圧力となるように前記カソード側層の全圧が調整された状態において、前記カソード側供給路を封止する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
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---|---|---|---|
A761 | Written withdrawal of application |
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