JP2016126932A

JP2016126932A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2016126932A
Application number: JP2015000557A
Authority: JP
Inventors: 智暁内山; Tomoaki Uchiyama; 真明松末; Masaaki Matsusue
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-01-05
Filing date: 2015-01-05
Publication date: 2016-07-11

Abstract

【課題】発電性能を低下させることなく、ＭＥＡの破損を防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、膜電極接合体を有する燃料電池と、燃料電池に導入される燃料ガスの圧力を計測する第１計測部と、燃料電池から排出される酸化ガスの圧力を計測する第２計測部と、燃料電池に導入される燃料ガスの圧力を調整する第１調整部と燃料電池から排出される酸化ガスの圧力を調整する第２調整部と、膜電極接合体における湿度を検出する湿度検出部と、第１計測部の計測値と第２計測部の計測値との差分が所定値以上となる場合、湿度が第１閾値以上であるときに、第１調整部により燃料ガスの圧力を低下させ、湿度検出部によって検出された湿度が第１閾値よりも小さい第２閾値以下であるときに、第２調整部により酸化ガスの圧力を増加させる制御部とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

昨今、燃料電池自動車（FCV : Fuel Cell Vehicle）が登場するなど、燃料電池の開発が進んでいる。ＦＣＶに搭載された燃料電池は、燃料の水素と、空気中の酸素とを化学反応させることにより発電してモータを駆動する。

燃料電池は、水素極であるアノード電極、酸素極であるカソード電極、及び両電極に挟まれた電解質膜などから構成される膜電極接合体（MEA : Membrane Electrode Assembly）を備える。ＭＥＡの湿度管理は、燃料電池の発電性能を維持する上で重要である。

ＭＥＡは、アノード電極側の水素流路内の圧力とカソード電極側の酸素流路内の圧力の差が大きい場合、この圧力差により変形することがある。とりわけ、高圧の水素ガスの入口では、上記の圧力差が顕著となるため、ＭＥＡが変形して亀裂などの破損が生じやすい。この場合、アノード電極側からカソード電極側に漏れる水素のクロスリーク量が増加するため、燃料電池の発電性能が低下する。

この問題に関し、例えば特許文献１には、高圧ガスを用いたり、高地環境下で使用する場合でもアノードとカソードの極間差圧を低減したガス供給システムが記載されている。また、特許文献２には、燃料電池の停止時に、アノードガス流路及びカソードガス流路の差圧が所定値を超える場合、該差圧を所定値以下にする点が記載されている。

特開２００８−２７７２１５号公報特開２００５−２６７９３７号公報

しかし、特許文献１及び２の開示内容では膜の湿潤状態までは考慮されておらず、単に極間差圧を低減するだけでは発電性能の低下を引き起こす虞がある。例えば、膜が乾燥状態にあるときに極間差圧を低下させようとガス圧力を上昇させてしまうとドライアップに至る虞があり、膜が湿潤状態にあるときにガス圧を低下させてしまうとフラッディングに至る虞がある。したがって、上記の問題の対策として、単に極間差圧を低減させるだけでは不十分で、ＭＥＡの劣化抑制だけでなく、発電性能の低下の抑制も求められる。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、発電性能を低下させることなく、ＭＥＡの破損を防止する燃料電池システムを提供することを目的とする。

本明細書に記載の燃料電池システムは、膜電極接合体を有する燃料電池と、前記燃料電池に導入される燃料ガスの圧力を計測する第１計測部と、前記燃料電池から排出される酸化ガスの圧力を計測する第２計測部と、前記燃料電池に導入される燃料ガスの圧力を調整する第１調整部と前記燃料電池から排出される酸化ガスの圧力を調整する第２調整部と、前記膜電極接合体における湿度を検出する湿度検出部と、前記第１計測部の計測値と前記第２計測部の計測値との差分が所定値以上となる場合において、前記湿度検出部によって検出された湿度が第１閾値以上であるときに、前記第１調整部により前記燃料ガスの圧力を低下させ、前記湿度検出部によって検出された湿度が前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下であるときに、前記第２調整部により前記酸化ガスの圧力を増加させる制御部とを備える。

本発明によれば、発電性能を低下させることなく、ＭＥＡの破損を防止できる。

燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池セルの平面図である。燃料電池セルの断面図である。圧力制御処理の一例を示すフローチャートである。燃料電池の温度と電流密度の関係の一例を示すグラフである。湿度に応じた圧力制御の動作を示す図である。

図１は、燃料電池システムの一例を示す構成図である。燃料電池システム１は、燃料電池自動車などの車両に搭載され、車両を駆動するモータＭに電力を供給する。

燃料電池システム１は、ＥＣＵ（Engine Control Unit）１０と、エアコンプレッサ１１と、空気圧センサ１３と、空気調圧弁１４と、水素タンク１６と、燃料ガス調圧弁１７と、燃料ガス圧センサ１９と、パージ弁２２と、燃料電池２３とを備える。燃料電池システム１は、さらに、電流センサＡと、温度センサＴと、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５と、ＤＣ−ＡＣインバータ２６と、再循環ポンプ２９とを備える。

ＥＣＵ１０は、制御部の一例であり、燃料電池システム１の動作を制御する。ＥＣＵ１０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサを有し、ＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶手段から読み出したプログラムに従って動作する。もっとも、ＥＣＵ１０は、これに限定されず、ハードウェアのみで動作してもよい。

ＥＣＵ１０は、各種の指令や制御処理に従って制御信号Ｓ１〜Ｓ４をエアコンプレッサ１１、空気調圧弁１４、燃料ガス調圧弁１７、及びパージ弁２２にそれぞれ出力する。また、ＥＣＵ１０には、空気圧センサ１３が計測した圧力Ｐａ、燃料ガス圧センサ１９が計測した圧力Ｐｂ、温度センサＴが計測した温度Ｔｗ、電流センサＡが検出した電流値Ｉｓ、及び走行距離計測部４が計測した車両の走行距離ＤＩＳが入力される。走行距離計測部４は、例えばモータＭやギアの回転数を検出することにより車両の走行距離ＤＩＳを計測する。

燃料電池２３には、水素ガスを供給するための燃料ガス供給路１８と、発電に使用した水素ガスを排出するための燃料ガス排出路２１とが接続されている。燃料ガス供給路１８には、水素タンク１６、燃料ガス調圧弁１７、及び燃料ガス圧センサ１９が、この順に接続されている。

水素タンク１６は、燃料ガスの一例である水素ガス（Ｈ_２）の供給装置であり、内部に水素ガスを高圧の状態で貯留している。水素ガスは、水素タンク１６から燃料ガス調圧弁１７及び燃料ガス圧センサ１９を経由して燃料電池２３のアノード側に供給される。水素ガスは、燃料ガス調圧弁１７を通過することで圧力が調整される。

燃料ガス調圧弁１７は、第１調整部の一例であり、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ３に基づいて弁の開度を調整することで、燃料電池２３に導入される水素ガスの圧力を調整する。

燃料ガス圧センサ１９は、第１計測部の一例であり、燃料電池２３に導入される水素ガスの圧力Ｐｂを計測する。燃料ガス圧センサ１９は、計測した圧力ＰｂをＥＣＵ１０に通知する。

燃料電池２３から排出された水素ガス（つまりオフガス）は、燃料ガス排出路２１に導かれる。燃料ガス排出路２１の途中には、パージ弁２２が設けられている。

パージ弁２２は、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ４に従って開閉される。パージ弁２２は、燃料電池２３内から水素ガスを掃気する場合に開放される。

燃料ガス排出路２１からは、再循環経路２０が分岐している。分岐した再循環経路２０は、燃料ガス供給路１８に接続されている。再循環経路２０には再循環ポンプ２９が設けられており、再循環ポンプ２９は、燃料ガス排出路２１に排出された水素ガスを、再循環経路２０を経由して燃料ガス供給路１８に導く。再循環経路２０から燃料ガス供給路１８に導かれた水素ガスは、燃料ガス圧センサ１９を経由して再び燃料電池２３に供給される。

燃料電池２３には、空気を供給するための空気供給路１２と、発電に使用した空気を排出するための空気排出路１５とが接続されている。

エアコンプレッサ１１は、空気供給路１２により燃料電池２３に接続されている。エアコンプレッサ１１は、例えば車両の外部から、酸素（Ｏ_２）を含む空気を取り込んで燃料電池２３に圧送する。なお、本実施例では、酸化ガスの一例として空気を挙げるが、これに限定されない。

エアコンプレッサ１１は、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ１に従って空気を燃料電池２３に供給する。このため、空気の供給量は、制御信号Ｓ１に基づいて制御される。

燃料電池２３から排出された空気は、空気排出路１５に導かれる。空気排出路１５には、空気圧センサ１３及び空気調圧弁１４が、この順に接続されている。

空気圧センサ１３は、第２計測部の一例であり、燃料電池２３から排出される空気の圧力Ｐａを計測する。空気圧センサ１３は、計測した圧力ＰａをＥＣＵ１０に通知する。

空気調圧弁１４は、第２調整部の一例であり、ＥＣＵ１０からの制御信号Ｓ２に基づいて弁の開度を調整することで、燃料電池２３から排出される空気の圧力Ｐａを調整する。

燃料電池２３は、複数の燃料電池セルの積層体（スタック）として構成される。燃料電池２３は、燃料ガスである水素ガスが供給されるアノード電極（燃料極）と、空気が供給されるカソード電極（空気極）とを備える。水素及び酸素は、化学反応することにより水と電気を生成する。このように、燃料電池２３は、水素及び酸素が供給されることにより発電し、車両を駆動するモータＭに電流を出力する。

また、燃料電池２３には、燃料電池２３を冷却する冷却水（冷媒）を、図示しない冷却装置から供給するための冷却水供給路３０と、燃料電池２３内で冷却に使用された冷却水を排出するための冷却水排出路３１とが接続されている。冷却水供給路３０及び冷却水排出路３１は、冷却水を循環させる循環経路を構成する。

冷却水排出路３１には、燃料電池２３から排出された冷却水の温度Ｔｗを検出する温度センサＴが設けられている。温度センサＴは、温度の検出値ＴｗをＥＣＵ１０に通知する。このため、ＥＣＵ１０は、温度の検出値Ｔｗから燃料電池２３の温度を検出することができる。

電流センサＡは、燃料電池２３から出力される電流値Ｉｓを計測する。電流センサＡは、計測した電流値ＩｓをＥＣＵ１０に通知する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２５は、例えば昇降圧チョッパ回路を含み、燃料電池２３の出力電圧を変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２５は、昇降圧チョッパ回路内に設けられたＦＥＴ（Field Effect Transistor）などの複数のスイッチング素子をオンオフ制御することにより電圧を変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２５の出力電流は、ＤＣ−ＡＣインバータ２６に入力される。

ＤＣ−ＡＣインバータ２６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２５の出力電流を直流から三相交流に変換する。ＤＣ−ＡＣインバータ２６は、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方式に基づいてスイッチング素子がオンオフ制御することで電流を変換する。ＤＣ−ＡＣインバータ２６の出力電流はモータＭに出力される。

図２は、燃料電池セルの平面図である。上述したように、燃料電池２３は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を有する複数の燃料電池セル２３ａが積層されて構成される。

燃料電池セル２３ａは、水素ガスが流入する入口である燃料供給口２３０、冷却水が導入される冷却水供給口２３１、及び、空気が排出される出口である空気排出口２３２を備える。燃料供給口２３０は、燃料ガス供給路１８に接続されており、空気排出口２３２は、空気排出路１５に接続されている。また、冷却水供給口２３１は、冷却水供給路３０に接続されている。

燃料電池セル２３ａは、さらに、空気が流入する入口である空気供給口２３３、冷却水が排出される冷却水排出口２３４、及び、水素ガスが排出される出口である燃料排出口２３５を備える。空気供給口２３３は、空気供給路１２に接続され、燃料排出口２３５は、燃料ガス排出路２１に接続されている。また、冷却水排出口２３４は、冷却水排出路３１に接続されている。

燃料供給口２３０、冷却水供給口２３１、及び空気排出口２３２は、燃料電池セル２３ａの一方の端部Ｅ１に並列に設けられている。この端部Ｅ１では、燃料供給口２３０に流入する水素ガスの圧力が高く、空気排出口２３２から排出される空気の圧力との圧力差が大きい。一例として、燃料供給口２３０の水素の圧力が約２２０（ｋＰａ）であるのに対して、空気排出口２３２の空気の圧力は約１８０（ｋＰａ）である。

これに対し、他方の端部Ｅ２では、空気供給口２３３に流入する空気の圧力、及び燃料排出口２３５から排出される水素ガスの圧力は、ほぼ同じである。一例として、空気供給口２３３の空気の圧力及び燃料排出口２３５の水素の圧力は、ともに、約２２０（ｋＰＡ）である。

したがって、端部Ｅ１では、燃料電池セル２３ａ内のＭＥＡに加わるアノード側の圧力及びカソード側の圧力の圧力差が、他部分と比較すると大きくなる。これにより、端部Ｅ１の近傍では、燃料電池セル２３ａ内のＭＥＡが劣化しやすくなる。

図３は、燃料電池セル２３ａの断面図である。より具体的には、図３には、図２の端部Ｅ１の近傍のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面を示す。

燃料電池セル２３ａは、カソード側セパレータ３０ａ、アノード側セパレータ３０ｂ、フレーム３８、カソード側ガス拡散層（GDL: Gas Diffusion Layer）３１ａ、アノード側ガス拡散層（GDL）３１ｂ、カソード側撥水層（MPL: Micro Porous Layer）３２ａ、アノード側撥水層（MPL）３２ｂ、及びＭＥＡ３５を備える。ＭＥＡ３５は、アノード電極３３ｂ、カソード電極３３ａ、及びアノード電極３３ｂとカソード電極３３ａに挟まれた電解質膜３４を有する。

カソード側ＧＤＬ３１ａ、カソード側ＭＰＬ３２ａ、ＭＥＡ３５、アノード側ＭＰＬ３２ｂ、及びアノード側ＧＤＬ３１ｂは、この順に積層され、カソード側及びアノード側セパレータ３０ａ，３０ｂに挟まれている。カソード側セパレータ３０ａには、空気が流れる流路Ｒａが平行に形成されており、アノード側セパレータ３０ｂには、水素ガスが流れる流路Ｒｂが平行に形成されている。空気の流路Ｒａは、空気供給口２３３及び空気排出口２３２に連通し、水素ガスの流路Ｒｂは、燃料供給口２３０及び燃料排出口２３５に連通する。

ＧＤＬ３１ａ，３１ｂは、例えば炭素繊維などで形成され、流路Ｒａ，Ｒｂから空気及び水素ガスをそれぞれ取り込んで、ＭＥＡ３５に対して均一に拡散させる。ＭＰＬ３２ａ，３２ｂは、カーボンブラックなどで形成され、ＭＥＡ３５内に含まれる水分を凝縮しないようにＧＤＬ３１ａ，３１ｂへと排出する。

ＭＥＡ３５では、カソード電極３３ａに空気中の酸素が供給され、及びアノード電極３３ｂに水素が供給されることにより、水素及び酸素の化学反応が行われる。このとき、水素イオンは、電解質膜３４を通過してアノード電極３３ｂ側からカソード電極３３ａ側に移動する。

また、フレーム３８は、例えば樹脂などの絶縁物により平板状に形成されている。フレーム３８は、積層方向においてカソード側ＧＤＬ３１ａ及びカソード側ＭＰＬ３２ａと同じ高さ位置に設けられている。

図３を参照すると、カソード側ＧＤＬ３１ａ及びカソード側ＭＰＬ３２ａの端部の位置と、アノード側ＧＤＬ３２ｂ及びアノード側ＭＰＬ３２ｂの端部の位置が異なっている。すなわち、アノード側ＧＤＬ３１ｂ及びアノード側ＭＰＬ３２ｂの端部の方が、カソード側ＧＤＬ３１ａ及びカソード側ＭＰＬ３２ａの端部よりも突出した状態とされている。このような突出構造（つまり段付き構造）を採用することで、燃料電池セル２３ａの厚みを増すことなく、ガスのシール性能（気密性）を向上することが可能となる。これにより、カソード側において、アノード側ＧＤＬ３１ｂ及びアノード側ＭＰＬ３２ｂの端部が突出した部分に対応する部分にスペースが形成されている。そして、段付き構造によって、カソード側において、アノード側ＧＤＬ３１ｂ及びアノード側ＭＰＬ３２ｂの端部が突出した部分に対応する部分にスペースが形成され、そのスペースにフレーム３８の端部３８ａが位置している。フレーム３８の端部３８ａには、ＭＥＡ３５が接着されている。また、図３中、符号３００で示す領域では、セパレータ３０ａ及びセパレータ３０ｂによって挟持された状態となっている。

このとき、フレーム３８の端部３８ａと、カソード側ＧＤＬ３１ａ及びカソード側ＭＰＬ３２ａの端部との間には隙間３７が形成されている。隙間３７の底部に相当するカソード電極３３ａの表面には接着剤３６が塗布されている。これにより、ＭＥＡ３５がフレーム３８に対して固定されている。

上述したように、燃料電池セル２３ａの燃料供給口２３０側では、経路Ｒｂ内の水素ガスの圧力が経路Ｒａ内の空気の圧力より高い。このため、この圧力差が大きい場合、仮に圧力を制御しなければ、ＭＥＡ３５は、カソード側に向かって膨らむように変形する。しかも、燃料電池セル２３ａの燃料供給口２３０側では湿度が高くなりやすいため、ＭＥＡ３５は変形しやすい。さらに、ＭＥＡ３５は、経年劣化によりアノード側ＭＰＬ３２ｂから剥離した場合も変形しやすい。

ＭＥＡ３５が変形することにより亀裂などが生じて破損した場合、アノード電極３３ｂ側からカソード電極３３ａ側に漏れる水素ガスのクロスリーク量が増加するため、燃料電池２３の発電性能が低下する。これに対し、経路Ｒａ内や経路Ｒｂ内の圧力を制御することでＭＥＡ３５の破損を防止することは可能である。

しかし、カソード電極３３ａ側の流路Ｒａ内の圧力を増加させると、空気の飽和水蒸気量が低下するため、空気とともに燃料電池２３外に排出される水蒸気量も低下する。この場合、燃料電池２３は、ＭＥＡ３５の湿度が増加することでフラッディングが起こりやすい状態となる。

一方、アノード電極３３ｂ側の流路Ｒｂ内の圧力を低下させると、水素ガスの飽和水蒸気量が増加するため、水素ガスとともに燃料電池２３外に排出される水蒸気量も増加する。この場合、燃料電池２３は、ＭＥＡ３５の湿度が低下することでドライアップが起こりやすい状態となる。フラッディングやドライアップが起こると、燃料電池２３の発電性能は低下する。

そこで、実施例に係る燃料電池システム１は、以下に述べる制御方法のように、ＭＥＡ３５の湿度に応じて、空気及び水素ガスの圧力を制御して、この圧力差を低減することで、発電性能を低下させることなく、ＭＥＡ３５の破損を防止する。

図４は、圧力制御処理の一例を示すフローチャートである。本処理は、ＥＣＵ１０により例えば周期的に実行される。

ＥＣＵ１０は、走行距離計測部４により計測された車両の走行距離ＤＩＳと、所定値Ｄ＿ｌｉｍとを比較する（ステップＳｔ１）。ＭＥＡ３５は、走行距離ＤＩＳが増加するほど、劣化が進んで厚みが減少する。これにより、燃料電池２３のクロスリーク量が増加するため、燃料電池２３の発電効率が低下する。

そこで、ＥＣＵ１０は、ステップＳｔ１において、走行距離ＤＩＳをＭＥＡ３５の劣化の指標として用いることにより圧力制御の実行可否を判定する。すなわち、ＥＣＵ１０は、走行距離ＤＩＳが所定値Ｄ＿ｌｉｍより大きい場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、ステップＳｔ２以降の処理を実行し、走行距離ＤＩＳが所定値Ｄ＿ｌｉｍ以下である場合（ステップＳｔ１のＮｏ）、燃料電池２３の現在の発電状態を維持する（ステップＳｔ１０）。これにより、燃料電池２３の発電効率の低下が抑制される。

なお、ＥＣＵ１０は、ステップＳｔ１において、ＭＥＡ３５の劣化の指標として、走行距離ＤＩＳに代えて、燃料電池２３のクロスリーク量または開回路電圧（OCV: Open Circuit Voltage）や燃料電池２３の運転時間を用いて判定処理を行ってもよい。また、ＥＣＵ１０は、ステップＳｔ１の判定処理を省略し、ＭＥＡ３５の劣化の程度に関わらずに圧力制御を行ってもよい。

ＥＣＵ１０は、走行距離ＤＩＳが所定値Ｄ＿ｌｉｍより大きい場合（ステップＳｔ１のＹｅｓ）、燃料ガス圧センサ１９が計測した圧力Ｐｂから空気圧センサ１３が計測した圧力Ｐａを減算して得た値が、所定値α（＞０）以上であるか否かを判定する（ステップＳｔ２）。ＭＥＡ３５は、上述したように、水素ガス及び酸素ガスの圧力差が大きい場合に変形するため、ＥＣＵ１０は、圧力差が微小である場合は圧力制御を行わない。すなわち、ＥＣＵ１０は、Ｐｂ−Ｐａ≦αが成立する場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、燃料電池２３の現在の発電状態を維持する（ステップＳｔ１０）。

また、ＥＣＵ１０は、Ｐｂ−Ｐａ＞αが成立する場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、ＭＥＡ３５の湿度を検出する（ステップＳｔ３）。ＥＣＵ１０は、湿度センサによりＭＥＡ３５の湿度を検出してもよいが、以下に述べるように、湿度センサを用いることなく、燃料電池２３の電流密度及び温度に基づき湿度を検出できる。

図５は、燃料電池２３の温度と電流密度の関係の一例を示すグラフである。図５において、横軸は、温度センサＴの検出値Ｔｗから算出された燃料電池２３の温度（℃）を示し、縦軸は、電流センサＡにより検出された電流値Ｉｓから算出された電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示す。また、ゾーンＺ１は、直線Ｌ１より上方の領域を表し、ゾーンＺ２は、直線Ｌ２より下方の領域を示す。

ＥＣＵ１０は、メモリなどの記憶手段に、ゾーンＺ１，Ｚ２を示すマップ情報を予め記憶しておき、算出した温度及び電流密度が何れのゾーンＺ１，Ｚ２に属するのかを判定する。このため、温度センサＴ及び電流センサＡは、ＭＥＡ３５における湿度を検出する湿度検出部として機能する。本実施例では、一例として、ゾーンＺ１を、Ｈ１％（例えば８０％）以上の湿度に対応する領域と定義し、ゾーンＺ２を、Ｈ１％より低いＨ２％（例えば３０％）以下の湿度に対応する領域と定義する。

次に、ＥＣＵ１０は、湿度≧Ｈ１の成否を判定する（ステップＳｔ４）。ＥＣＵ１０は、湿度≧Ｈ１が成立する場合（ステップＳｔ４のＹｅｓ）、燃料ガス調圧弁１７により水素ガスの入口の圧力を低下させて（ステップＳｔ５）、処理を終了する。

したがって、ＭＥＡ３５の湿度がＨ１以上である場合、空気排出口２３２における空気の圧力は維持されたまま、燃料供給口２３０における水素ガスの圧力が低下することにより、空気の経路Ｒａ内と水素ガスの経路Ｒｂ内の圧力差が低減される。このため、ＭＥＡ３５の破損が防止されるとともに、水素ガスの圧力低下で水素ガスの飽和水蒸気量が増加することによりＭＥＡ３５の湿度が低下する。つまり、水素ガスとともに燃料電池２３の外に排出されるＭＥＡ３５の水分の量が増加する。これにより、ＭＥＡ３５におけるフラッディングの発生が防止される。

また、ＥＣＵ１０は、湿度≧Ｈ１が成立しない場合（ステップＳｔ４のＮｏ）、つまり湿度＜Ｈ１の場合、湿度≦Ｈ２の成否を判定する（ステップＳｔ６）。ＥＣＵ１０は、湿度≦Ｈ２が成立する場合（ステップＳｔ６のＹｅｓ）、空気調圧弁１４により空気の出口の圧力を増加させて（ステップＳｔ７）、処理を終了する。

したがって、ＭＥＡ３５の湿度がＨ２以下である場合、燃料供給口２３０における水素ガスの圧力は維持されたまま、空気排出口２３２における空気の圧力が増加することにより、空気の経路Ｒａ内と水素ガスの経路Ｒｂ内の圧力差が低減される。このため、ＭＥＡ３５の破損が防止されるとともに、空気の圧力増加で空気の飽和水蒸気量が低下することによりＭＥＡ３５の湿度が増加する。つまり、空気とともに燃料電池２３の外に排出されるＭＥＡ３５の水分の量が減少する。これにより、ＭＥＡ３５におけるドライアップの発生が防止される。

また、ＥＣＵ１０は、湿度≦Ｈ２が成立しない場合（ステップＳｔ６のＮｏ）、つまりＨ２＜湿度＜Ｈ１の場合、燃料ガス調圧弁１７により水素ガスの入口の圧力を低下させる（ステップＳｔ８）。次に、ＥＣＵ１０は、空気調圧弁１４により空気の出口の圧力を増加させて（ステップＳｔ９）、処理を終了する。なお、ステップＳｔ８，Ｓｔ９の実行順序は、上記とは逆であってもよい。

このため、空気排出口２３２における空気の圧力と燃料供給口２３０における水素ガスの圧力との圧力差が低減されるので、ＭＥＡ３５の破損が防止される。なお、ＥＣＵ１０は、ステップＳｔ９の制御処理において、空気の出口の圧力を、ステップＳｔ８の制御処理後の水素ガスの入口の圧力より低い値に留まるように制御する。このようにして、圧力制御処理は行われる。

上述したように、ＥＣＵ１０は、燃料ガス圧センサ１９の計測値である圧力Ｐｂと、空気圧センサ１３の計測値である圧力Ｐａとの差分が所定値α以上となる場合において、温度センサＴ及び電流センサＡによって検出されたＭＥＡ３５の湿度が所定値Ｈ１（第１閾値）以上であるときに、燃料ガス調圧弁１７により水素ガスの圧力を低下させる。また、ＥＣＵ１０は、ＭＥＡ３５の湿度が、所定値Ｈ１より小さい所定値Ｈ２（第２閾値）以下であるときに、空気調圧弁１４により空気の圧力を増加させる。

図６には、湿度に応じた圧力制御の動作が示されている。図６において、横軸は、湿度に関する状態を示し、縦軸は、空気排出口２３２における空気の圧力Ｐａと燃料供給口２３０における水素ガスの圧力Ｐｂを示す。なお、本例では、初期状態において、空気の圧力Ｐａは１８０（ｋＰａ）であり、水素ガスの圧力Ｐｂは２２０（ｋＰａ）であると仮定する。

湿度≧Ｈ１の場合、上記のステップＳｔ５の圧力制御処理により、水素ガスの圧力Ｐｂは、空気の圧力Ｐａに近づくように低下する。これにより、圧力差ΔＰ（＝Ｐｂ−Ｐａ）が所定値α以下に低減されるとともに、ＭＥＡ３５の湿度が低下する。

湿度≦Ｈ２の場合、上記のステップＳｔ７の圧力制御処理により、空気の圧力Ｐａは、水素ガスの圧力Ｐｂに近づくように増加する。これにより、圧力差ΔＰが所定値α以下に低減されるとともに、ＭＥＡ３５の湿度が増加する。

Ｈ２＜湿度＜Ｈ１の場合、上記のステップＳｔ８，Ｓｔ９の圧力制御処理により、水素ガスの圧力Ｐｂは、空気の圧力Ｐａに近づくように低下し、空気の圧力Ｐａは、水素ガスの圧力Ｐｂに近づくように増加する。これにより、圧力差ΔＰ（＝Ｐｂ−Ｐａ）が所定値α以下に低減される。

このように、ＥＣＵ１０は、ＭＥＡ３５の湿度に応じて空気排出口２３２における空気の圧力Ｐａと燃料供給口２３０における水素ガスの圧力Ｐｂとを制御するため、発電性能を低下させることなく、ＭＥＡ３５の破損を防止できる。

これまで述べたように、本発明に係る燃料電池システム１は、ＭＥＡ３５を有する燃料電池２３と、空気圧センサ１３と、燃料ガス圧センサ１９と、燃料ガス調圧弁１７と、空気調圧弁１４と、温度センサＴ及び電流センサＡと、ＥＣＵ１０とを備える。

空気圧センサ１３は、燃料電池２３から排出される空気の圧力Ｐａを計測する。燃料ガス圧センサ１９は、燃料電池２３に導入される水素ガスの圧力Ｐｂを計測する。燃料ガス調圧弁１７は、燃料電池２３に導入される水素ガスの圧力Ｐｂを調整する。空気調圧弁１４は、燃料電池２３から排出される空気の圧力Ｐａを調整する。温度センサＴ及び電流センサＡは、ＭＥＡ３５における湿度を検出する。

ＥＣＵ１０は、燃料ガス圧センサ１９の計測値と、空気圧センサ１３の計測値との差分が所定値α以上となる場合において、温度センサＴ及び電流センサＡによって検出されたＭＥＡ３５の湿度が所定値Ｈ１（第１閾値）以上であるときに、燃料ガス調圧弁１７により水素ガスの圧力を低下させる。また、ＥＣＵ１０は、温度センサＴ及び電流センサＡによって検出されたＭＥＡ３５の湿度が、所定値Ｈ１より小さい所定値Ｈ２（第２閾値）以下であるときに、空気調圧弁１４により空気の圧力を増加させる。

上記の構成によると、ＭＥＡ３５の湿度が所定値Ｈ１以上である場合、空気の圧力Ｐａは維持されたまま、水素ガスの圧力Ｐｂが低下することにより、空気と水素ガスの圧力差が低減される。このため、ＭＥＡ３５の破損が防止されるとともに、水素ガスの圧力低下で水素ガスの飽和水蒸気量が増加することによりＭＥＡ３５の湿度が低下する。つまり、水素ガスとともに燃料電池２３の外に排出されるＭＥＡ３５の水分の量が増加する。これにより、ＭＥＡ３５におけるフラッディングの発生が防止される。

また、ＭＥＡ３５の湿度が所定値Ｈ２以下である場合、水素ガスの圧力Ｐｂは維持されたまま、おける空気の圧力Ｐａが増加することにより、空気と水素ガスの圧力差が低減される。このため、ＭＥＡ３５の破損が防止されるとともに、空気の圧力増加で空気の飽和水蒸気量が減少することによりＭＥＡ３５の湿度が増加する。つまり、空気とともに燃料電池２３の外に排出されるＭＥＡ３５の水分の量が減少する。これにより、ＭＥＡ３５におけるドライアップの発生が防止される。

よって、本発明に係る燃料電池システム１によると、発電性能を低下させることなく、ＭＥＡ３５の破損を防止できる。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

１燃料電池システム
１０ＥＣＵ
１１エアコンプレッサ
１３空気圧センサ
１４空気調圧弁
１６水素タンク
１７燃料ガス調圧弁
１９燃料ガス圧センサ
２３燃料電池
２３０燃料供給口
２３２空気排出口
Ｔ温度センサ
Ａ電流センサ

Claims

膜電極接合体を有する燃料電池と、
前記燃料電池に導入される燃料ガスの圧力を計測する第１計測部と、
前記燃料電池から排出される酸化ガスの圧力を計測する第２計測部と、
前記燃料電池に導入される燃料ガスの圧力を調整する第１調整部と
前記燃料電池から排出される酸化ガスの圧力を調整する第２調整部と、
前記膜電極接合体における湿度を検出する湿度検出部と、
前記第１計測部の計測値と前記第２計測部の計測値との差分が所定値以上となる場合において、前記湿度検出部によって検出された湿度が第１閾値以上であるときに、前記第１調整部により前記燃料ガスの圧力を低下させ、前記湿度検出部によって検出された湿度が前記第１閾値よりも小さい第２閾値以下であるときに、前記第２調整部により前記酸化ガスの圧力を増加させる制御部とを備える燃料電池システム。