JP2021044168A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】積層体の端部発電部に滞留水が生じることを抑制でき、良好な発電安定性を維持でき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】燃料電池システム１０のインピーダンス測定部２０は、発電セル２６が複数積層された積層体２８のインピーダンス測定値を得る。温度測定部２２は、積層体２８の温度測定値を得る。端部インピーダンス推定部１４４は、インピーダンス測定値と温度測定値とを用いて、積層体２８の積層方向の端部に配設された少なくとも１個の電解質膜・電極構造体３８を有する端部発電部７６のインピーダンスの推定値を求める。含水制御部１４６は、推定値に基づいて、積層体２８の含水量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、発電セルを複数積層した積層体を備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が配設され、他方の面にカソード電極が配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体をセパレータで挟持することにより発電セルが構成され、複数個の発電セルを積層することにより積層体が構成される。この積層体の積層方向両端に、各発電セルによって発電された電流を集める電力取り出し用のターミナルプレートや、発電セルを積層状態で保持するためのエンドプレート等が設けられて燃料電池スタックが構成される。

この種の燃料電池スタックを備える燃料電池システムでは、各発電セルのアノード電極側に水素含有ガス等の燃料ガスを供給するとともに、カソード電極側に酸素含有ガス等の酸化剤ガスを供給することで、燃料ガス及び酸化剤ガスを電気化学反応させて発電（運転）を行う。この際、アノード電極では、水素が電離してプロトンが生成し、該プロトンが電解質膜内を伝導してカソード電極に移動する。

プロトン伝導を良好に生じさせるには、電解質膜を湿潤状態とする必要がある。しかしながら、積層体の含水量が過剰となり、カソード電極やアノード電極に滞留水が生じると、該滞留水が燃料ガスや酸化剤ガスの流れを阻害して、発電安定性が低下する懸念がある。このため、積層体の含水量を適切に制御することが求められる。

例えば、特許文献１には、積層体の全体のインピーダンス測定値等に基づいて、カソード電極が濡れすぎているか否かを判断する燃料電池システムが提案されている。積層体の全体のインピーダンスは、積層体（電解質膜）の含水量が低下して乾燥傾向となると上昇し、積層体の含水量が上昇して湿潤傾向となると低下する。このため、積層体の全体のインピーダンス測定値に基づいて、例えば、カソード電極に供給する酸化剤ガスの湿度を調整すること等によって、積層体の含水制御が行われる。

特開平７−２３５３２４号公報

ところで、積層体の積層方向の端部側は、ターミナルプレート等を介した放熱が促されること等から、該積層体の積層方向の中央側に比べ、外気温の影響等を受けて低温となり易い。つまり、積層体の端部側に配設される少なくとも１個の電解質膜・電極構造体を有する端部発電部では、積層体の中央側よりも結露が生じ易く含水量が多くなり易い。このため、上記のように、積層体の全体のインピーダンス測定値に基づいた含水制御を行うと、端部発電部の含水量が過剰となって滞留水が生じる懸念がある。この場合、結局、発電安定性の低下を抑制することが困難となる。

そこで本発明は、積層体の端部発電部に滞留水が生じることを抑制でき、良好な発電安定性を維持できる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムであって、前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定部と、前記積層体の温度測定値を得る温度測定部と、前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも１個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定部と、前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御部と、を備える。

本発明の別の一態様は、電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムの制御方法であって、前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定工程と、前記積層体の温度測定値を得る温度測定工程と、前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも１個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定工程と、前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御工程と、を有する。

この燃料電池システム及びその制御方法では、積層体のインピーダンス測定値及び温度測定値を用いて、端部発電部のインピーダンスの推定値を求め、該推定値に基づいて積層体の含水量を制御する。このため、端部発電部が、例えば、積層体の中央側よりも低温となっているような場合であっても、端部発電部の含水量が過剰となることを抑制できる。これによって、積層体の端部発電部に滞留水が生じること等を抑制でき、ひいては、燃料電池システムの発電安定性を良好に維持することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 燃料電池スタックの分解斜視図である。 積層体の温度に応じた、積層体のインピーダンス及び端部発電部のインピーダンスの差分を、積層体のインピーダンスごとに示したマップである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。

本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の図において、同一又は同様の機能及び効果を奏する構成要素に対しては同一の参照符号を付し、繰り返しの説明を省略する場合がある。

図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（不図示）に搭載することができる。また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、燃料ガス給排部１４と、酸化剤ガス給排部１６と、冷却媒体給排部１８と、インピーダンス測定部２０と、温度測定部２２と、制御部２４（ＥＣＵ）とを備える。なお、燃料電池システム１０は、エネルギ貯蔵装置であるバッテリ（不図示）をさらに備えてもよい。

図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２６が水平方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）又は重力方向（矢印Ｃ１、Ｃ２方向）に積層された積層体２８を備える。積層体２８の積層方向の一端側（矢印Ａ１側）には、ターミナルプレート３０ａ、インシュレータ３２ａ及びエンドプレート３４ａがこの順に積層される。積層体２８の積層方向の他端側（矢印Ａ２側）には、ターミナルプレート３０ｂ、インシュレータ３２ｂ及びエンドプレート３４ｂがこの順に積層される。

矩形状からなるエンドプレート３４ａ、３４ｂの各辺間には、連結バー（不図示）が配置される。各連結バーは、両端をエンドプレート３４ａ、３４ｂの内面にボルト（不図示）等を介して固定され、複数の積層された発電セル２６に積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）の締め付け荷重を付与する。なお、不図示ではあるが、燃料電池スタック１２では、エンドプレート３４ａ、３４ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体２８等を収容するように構成してもよい。

図１に示すように、本実施形態では、発電セル２６は、第１セパレータ３６と、電解質膜・電極構造体３８と、第２セパレータ４０と、電解質膜・電極構造体３８と、第３セパレータ４２とがこの順に積層されて構成される。第１セパレータ３６、第２セパレータ４０及び第３セパレータ４２（これらを総称して「セパレータ」ともいう）のそれぞれは、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板等により構成され、平面が矩形状であるとともに、プレス加工等により、断面凹凸形状に成形される。

図１のセパレータ３６、４０、４２には、図２に示すように、その長辺方向の一端側（矢印Ｂ１側）の縁部に、それぞれ矢印Ａ１、Ａ２方向（積層方向）に個別に連通して、酸化剤ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４６ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４４ａには、例えば、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。燃料ガス出口連通孔４６ｂには、例えば、水素含有ガス等の燃料ガスが排出される。これらの酸化剤ガス及び燃料ガスを総称して「反応ガス」ともいう。

図１のセパレータ３６、４０、４２には、図２に示すように、その長辺方向の他端側（矢印Ｂ２側）の縁部に、それぞれ矢印Ａ１、Ａ２方向に個別に連通して、燃料ガスが供給される燃料ガス入口連通孔４６ａ及び酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス出口連通孔４４ｂが設けられる。なお、これらの酸化剤ガス入口連通孔４４ａ、燃料ガス出口連通孔４６ｂ、燃料ガス入口連通孔４６ａ、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂを総称して「反応ガス連通孔」ともいう。

図１のセパレータ３６、４０、４２には、図２に示すように、その短辺方向（矢印Ｃ１、Ｃ２方向）両端縁部の矢印Ｂ１側に、矢印Ａ１、Ａ２方向に個別に連通して、冷却媒体が供給される一対の冷却媒体入口連通孔４８ａがそれぞれ設けられる。冷却媒体としては、純水やエチレングリコール、オイル等を用いることができる。図１のセパレータ３６、４０、４２には、図２に示すように、その短辺方向の両端縁部の矢印Ｂ２側に、矢印Ａ１、Ａ２方向に個別に連通して、冷却媒体が排出される一対の冷却媒体出口連通孔４８ｂがそれぞれ設けられる。

図１の第１セパレータ３６の矢印Ａ１側の面及び第３セパレータ４２の矢印Ａ２側の面には、図２の冷却媒体入口連通孔４８ａと冷却媒体出口連通孔４８ｂとを連通する図１の冷却媒体流路５０が形成される。図１の第１セパレータ３６の矢印Ａ２側の面及び第２セパレータ４０の矢印Ａ２側の面には、図２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａと酸化剤ガス出口連通孔４４ｂとに連通する酸化剤ガス流路５２が形成される。酸化剤ガス流路５２は、互いに並列する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）からなる。

図１の第２セパレータ４０の矢印Ａ１側の面及び第３セパレータ４２の矢印Ａ１側の面には、図２の燃料ガス入口連通孔４６ａと燃料ガス出口連通孔４６ｂとに連通する図１の燃料ガス流路５４が形成される。燃料ガス流路５４は、互いに並列する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）からなる。

積層体２８で互いに隣接する発電セル２６において、第３セパレータ４２の矢印Ａ２側の面の冷却媒体流路５０と、第１セパレータ３６の矢印Ａ１側の面の冷却媒体流路５０とが対向して、その内部を冷却媒体が流通可能となっている。すなわち、積層体２８では隣接する発電セル２６同士の間に冷却媒体が流通する冷却媒体流路５０が設けられる。なお、各発電セル２６を構成するセパレータ３６、４０、４２及び電解質膜・電極構造体３８の個数は特に上記に限定されるものではなく、例えば、不図示の２枚のセパレータと１個の電解質膜・電極構造体３８から発電セル２６が構成されてもよい。

図１に示すように、電解質膜・電極構造体３８は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）５６を備える。なお、電解質膜５６は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用してもよい。電解質膜５６は、カソード電極５８及びアノード電極６０により挟持される。なお、電解質膜・電極構造体３８の外周には、不図示の樹脂枠部材が接合されてもよい。

カソード電極５８は、不図示ではあるが、電解質膜５６の一端側（矢印Ａ１側）の面に接合されるカソード電極触媒層と、該カソード電極触媒層に積層されるカソードガス拡散層とを有する。アノード電極６０は、不図示ではあるが、電解質膜５６の他端側（矢印Ａ２側）の面に接合されるアノード電極触媒層と、該アノード電極触媒層に積層されるアノードガス拡散層とを有する。

カソード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにカソードガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される。アノード電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダとともにアノードガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される。カソードガス拡散層及びアノードガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等の導電性多孔質体から形成される。

図２に示すように、ターミナルプレート３０ａ、３０ｂは、導電性を有する材料から構成され、例えば、銅、アルミニウム又はステンレススチール等の金属で構成される。ターミナルプレート３０ａ、３０ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部６２ａ、６２ｂがそれぞれ設けられる。

端子部６２ａは、絶縁性筒体６４ａに挿入されてインシュレータ３２ａの孔部６６ａ及びエンドプレート３４ａの孔部６７ａを貫通し、該エンドプレート３４ａの外部に突出する。端子部６２ｂは、絶縁性筒体６４ｂに挿入されてインシュレータ３２ｂの孔部６６ｂ及びエンドプレート３４ｂの孔部６７ｂを貫通し、該エンドプレート３４ｂの外部に突出する。

インシュレータ３２ａ、３２ｂは、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等の絶縁性材料から形成される。インシュレータ３２ａ、３２ｂの中央部には、積層体２８に向かって開口される凹部６８ａ、６８ｂが形成され、該凹部６８ａ、６８ｂは、孔部６６ａ、６６ｂに連通する。インシュレータ３２ａ及びエンドプレート３４ａには、反応ガス連通孔が設けられる。一方、インシュレータ３２ｂ及びエンドプレート３４ｂには、冷却媒体入口連通孔４８ａ及び冷却媒体出口連通孔４８ｂが設けられる。

凹部６８ａには、ターミナルプレート３０ａ及び断熱体７０が収容され、凹部６８ｂには、ターミナルプレート３０ｂ及び断熱体７０が収容される。断熱体７０は、一対の導電性を有する断熱プレート７２間に導電性を有する断熱部材７４が挟持されて構成される。断熱プレート７２は、例えば、平坦な形状を有する多孔性カーボンプレートで構成されるとともに、断熱部材７４は、断面波板状の金属製のプレートで構成される。

図２に示すように、積層体２８の積層方向の端部側に配設される発電セル２６の電解質膜・電極構造体３８（図１）は、その近傍に配設されるターミナルプレート３０ａ、３０ｂ、エンドプレート３４ａ、３４ｂ等を介して放熱が促され易い。このため、積層体２８の積層方向の端部に配設された少なくとも１個の電解質膜・電極構造体３８（図１）は、積層体２８の積層方向の中央側の電解質膜・電極構造体３８（図１）に比して、外気温の影響等を受けて低温となり易い。このように積層体２８の積層方向の端部に配設されることで、該積層方向の中央側に比して低温となり易い少なくとも１個の電解質膜・電極構造体３８（図１）を端部発電部７６とする。

本実施形態では、図２に示すように、積層体２８の積層方向の一端側に配設される２個の電解質膜・電極構造体３８（図１）と、積層体２８の積層方向の他端側に配設される２個の電解質膜・電極構造体３８（図１）との合計４個から端部発電部７６が構成されることとする。しかしながら、端部発電部７６は、上記の４個の電解質膜・電極構造体３８から構成されることに限定されるものではない。すなわち、端部発電部７６は１個の電解質膜・電極構造体３８を有してもよいし、４個以外の複数個の電解質膜・電極構造体３８を有してもよい。なお、端部発電部７６が有する電解質膜・電極構造体３８の個数の上限は、積層体２８を構成する電解質膜・電極構造体３８の全個数の１〜５％程度、又は、積層体２８を構成する発電セル２６の全枚数の１〜５％程度であることが好ましい。

図１に示すように、燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給口７８ａと、燃料排ガス排出口７８ｂと、酸化剤ガス供給口８０ａと、酸化剤排ガス排出口８０ｂと、冷却媒体供給口８２ａと、冷却媒体排出口８２ｂとが設けられる。燃料ガス供給口７８ａを介して燃料ガス入口連通孔４６ａ（図２）に燃料ガスが供給される。燃料ガス入口連通孔４６ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス流路５４に沿って移動することにより積層体２８の各発電セル２６のアノード電極６０（図１）に供給される。

また、図１の酸化剤ガス供給口８０ａを介して図２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに酸化剤ガスが供給される。図２の酸化剤ガス入口連通孔４４ａに供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５２に沿って移動することにより積層体２８の各発電セル２６のカソード電極５８（図１）に供給される。燃料電池スタック１２では、上記のようにして供給された燃料ガス及び酸化剤ガスが、アノード電極６０及びカソード電極５８での電気化学反応（発電反応）に消費されることで発電が行われる。

図１に示すように、燃料電池スタック１２に供給された燃料ガスのうち、上記の発電反応で消費されなかった残余の燃料ガスは、燃料排ガスとして、燃料ガス出口連通孔４６ｂ（図２）から燃料排ガス排出口７８ｂに排出される。また、燃料電池スタック１２に供給された酸化剤ガスのうち、上記の発電反応で消費されなかった残余の酸化剤ガスは、酸化剤排ガスとして、酸化剤ガス出口連通孔４４ｂ（図２）から酸化剤排ガス排出口８０ｂに排出される。

図１の冷却媒体供給口８２ａを介して図２の冷却媒体入口連通孔４８ａに冷却媒体が供給される。図２の冷却媒体入口連通孔４８ａに供給された冷却媒体は、積層体２８の各発電セル２６の冷却媒体流路５０に沿って流通する。このようにして、冷却媒体流路５０を流通することで各発電セル２６と熱交換した後の冷却媒体は、冷却媒体出口連通孔４８ｂから図１の冷却媒体排出口８２ｂに排出される。

燃料ガス給排部１４は、水素タンク８４と、燃料ガス供給路８６と、インジェクタ８８と、エゼクタ９０と、燃料排ガス排出路９２と、気液分離器９４と、ドレイン路９６と、ドレイン弁９８と、気体側排出路１００と、燃料ガス循環路１０２と、水素ポンプ１０４と、パージ路１０６と、パージ弁１０８とを有する。

水素タンク８４は、燃料ガスを貯蔵し、該燃料ガスを燃料ガス供給路８６に供給可能に設けられる。燃料ガス供給路８６は、水素タンク８４から供給された燃料ガスを燃料電池スタック１２の燃料ガス供給口７８ａ（積層体２８）に導く燃料ガスの流路である。燃料ガス供給路８６には、その上流側から、インジェクタ８８と、エゼクタ９０とがこの順に設けられ、インジェクタ８８を介してエゼクタ９０に燃料ガスが供給される。エゼクタ９０から排出された燃料ガスは、燃料ガス供給口７８ａに供給される。

燃料排ガス排出路９２は、燃料排ガス排出口７８ｂから排出された燃料排ガスを気液分離器９４に導く。燃料排ガスには、燃料電池スタック１２で消費されなかった燃料ガスの未消費分や、カソード電極５８から電解質膜５６を介してアノード電極６０に移動してきた水分等が含まれる。気液分離器９４では、燃料排ガスを、燃料ガスの未消費分を主に含む排出ガスと、水分（液水）等を主に含む排出流体とに分離する。

排出ガスを排出する気液分離器９４の気体側排出口９４ａには、気体側排出路１００が接続されている。このため、排出ガスは、気体側排出口９４ａから気体側排出路１００に排出される。気体側排出路１００の下流側は、燃料ガス循環路１０２とパージ路１０６とに分岐する。燃料ガス循環路１０２の下流側はエゼクタ９０に接続され、燃料ガス循環路１０２の途上には水素ポンプ１０４が設けられている。水素ポンプ１０４は、燃料ガス循環路１０２の排出ガスをエゼクタ９０に送る。エゼクタ９０には、上記の通りインジェクタ８８を介して燃料ガスが供給されるため、排出ガスは燃料ガスとともに、燃料ガス供給口７８ａを介して燃料電池スタック１２に供給される。

パージ路１０６の下流は、酸化剤ガス給排部１６の後述する酸化剤排ガス排出路１２２に連通する。また、パージ路１０６の途上には、パージ弁１０８が設けられる。排出ガスは、必要に応じて、パージ弁１０８の開放作用下にパージ路１０６及び酸化剤排ガス排出路１２２を介して燃料電池システム１０の外部に排出される。

排出流体を排出する気液分離器９４の液体側排出口９４ｂには、ドレイン路９６が接続されている。このため、排出流体は、液体側排出口９４ｂからドレイン路９６に排出される。ドレイン路９６の下流は、酸化剤排ガス排出路１２２に連通する。また、ドレイン路９６の途上にはドレイン弁９８が設けられる。排出流体は、必要に応じて、ドレイン弁９８の開放作用下にドレイン路９６及び酸化剤排ガス排出路１２２を介して燃料電池システム１０の外部に排出される。

酸化剤ガス給排部１６は、エアポンプ１１０と、酸化剤ガス供給路１１２と、供給側開閉弁（入口封止弁）１１４と、加湿器１１６と、加湿バイパス路１１８と、加湿バイパス弁１２０と、酸化剤排ガス排出路１２２と、排出側開閉弁（出口封止弁）１２４と、背圧弁１２６と、排出側バイパス路１２８と、排出側バイパス弁１３０と、酸化剤ガス循環路１３２と、循環ポンプ１３４とを有する。

エアポンプ１１０は、大気から酸化剤ガス供給路１１２に酸化剤ガスとして空気を取り込み圧縮した状態でその下流側に供給する。酸化剤ガス供給路１１２は、エアポンプ１１０を介して取り込まれた酸化剤ガスを燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給口８０ａ（積層体２８）に導く酸化剤ガスの流路である。酸化剤ガス供給路１１２には、その上流側から供給側開閉弁１１４と、加湿器１１６とがこの順に設けられている。

また、酸化剤ガス供給路１１２の供給側開閉弁１１４と加湿器１１６との間には、加湿バイパス路１１８の上流側の端部が接続されている。加湿バイパス路１１８の下流側の端部は、加湿バイパス路１１８の加湿器１１６の下流側と酸化剤ガス供給口８０ａとの間に接続されている。加湿バイパス路１１８には、該加湿バイパス路１１８を流通する空気の流量を調整する加湿バイパス弁１２０が配設される。なお、加湿バイパス弁１２０は、加湿バイパス路１１８を開閉する開閉弁であってもよい。

酸化剤排ガス排出路１２２は、酸化剤排ガス排出口８０ｂから排出された酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガスの流路である。酸化剤排ガス排出路１２２には、加湿器１１６と、排出側開閉弁１２４と、背圧弁１２６とが下流側に向かってこの順に配設される。酸化剤排ガスは、燃料電池スタック１２で消費されなかった酸化剤ガスの未消費分や、発電反応によって生じる生成水等が含まれる。また、酸化剤排ガスは、発電反応によって生じる熱等によって、燃料電池スタック１２に供給される前の酸化剤ガスよりも昇温している。加湿器１１６は、酸化剤ガス供給路１１２の酸化剤ガス（燃料電池スタック１２に供給される前の酸化剤ガス）と、酸化剤排ガス排出路１２２の酸化剤排ガス（燃料電池スタック１２から排出された後の酸化剤排ガス）との間で水分及び熱を交換させる。

このため、加湿器１１６を通過した酸化剤ガスは、酸化剤排ガスによって加湿されるとともに昇温された後に、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給口８０ａに供給される。従って、加湿バイパス弁１２０の開度を大きくすると（弁開度を１００％とすることを含む）、加湿バイパス路１１８を流通することで、加湿器１１６を介さずに酸化剤ガス供給口８０ａに供給される酸化剤ガスの量が増大する。すなわち、加湿器１１６による加湿が行われない分、乾燥した酸化剤ガスが酸化剤ガス供給口８０ａに供給される割合が増大する。

一方、加湿バイパス弁１２０の開度を小さくすると（弁開度を０％とすることを含む）、加湿器１１６を介して酸化剤ガス供給口８０ａに供給される酸化剤ガスの量が増大する。すなわち、加湿器１１６による加湿が行われる分、湿度が高い酸化剤ガスが酸化剤ガス供給口８０ａに供給される割合が増大する。

排出側バイパス路１２８は、酸化剤ガス供給路１１２のエアポンプ１１０及び供給側開閉弁１１４の間を、酸化剤排ガス排出路１２２の背圧弁１２６の下流側に連通させる。排出側バイパス路１２８には、該排出側バイパス路１２８を流通する酸化剤ガスの流量を調整する排出側バイパス弁１３０が配設される。エアポンプ１１０により酸化剤ガス供給路１１２に取り込まれた酸化剤ガスは、必要に応じて、排出側バイパス弁１３０が開放することで、排出側バイパス路１２８及び酸化剤排ガス排出路１２２を介して燃料電池システム１０の外部に排出される。

酸化剤ガス循環路１３２は、酸化剤排ガス排出路１２２の加湿器１１６及び排出側開閉弁１２４の間を、酸化剤ガス供給路１１２の供給側開閉弁１１４と加湿器１１６との間に連通させる。酸化剤ガス循環路１３２には、循環ポンプ１３４が設けられる。加湿器１１６を通過した酸化剤排ガスを、循環ポンプ１３４が必要に応じて酸化剤ガス供給路１１２に送ることで、酸化剤排ガスは、酸化剤ガスとともに、加湿器１１６を介して酸化剤ガス供給口８０ａに供給される。

排出側開閉弁１２４の開放作用下に、排出側開閉弁１２４を通過した酸化剤排ガスは、背圧弁１２６の設定圧力に調整された状態で、酸化剤排ガス排出路１２２の下流側に向かう。酸化剤排ガス排出路１２２の下流側（酸化剤排ガス排出路１２２の排出側バイパス路１２８との接続部よりも下流側）には、燃料ガス給排部１４のパージ路１０６及びドレイン路９６が接続されている。このため、パージ弁１０８が開状態であるとき、パージ路１０６内の排出ガスは酸化剤排ガス排出路１２２に流入する。また、ドレイン弁９８が開状態であるとき、ドレイン路９６内の排出流体は酸化剤排ガス排出路１２２に流入する。これらの排出ガス及び排出流体は、酸化剤排ガス排出路１２２を流れる酸化剤排ガスによって希釈されてから燃料電池システム１０の外部に排出される。

冷却媒体給排部１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体供給口８２ａに接続される冷却媒体供給路１３６と、冷却媒体排出口８２ｂに接続される冷却媒体排出路１３８とを備える。冷却媒体供給路１３６の上流側の端部及び冷却媒体排出路１３８の下流側の端部には、ラジエータ１４０が接続される。冷却媒体供給路１３６の途上には水ポンプ１４２が設けられる。水ポンプ１４２を駆動することにより、燃料電池スタック１２と、冷却媒体排出路１３８と、ラジエータ１４０と、冷却媒体供給路１３６との間で冷却媒体が循環する。

インピーダンス測定部２０は、燃料電池スタック１２の積層体２８の全体のインピーダンスを測定して得られたインピーダンス測定値を制御部２４に出力する。温度測定部２２は、例えば、冷却媒体排出口８２ｂ近傍の冷却媒体排出路１３８（冷却媒体）の温度を測定して得られる温度測定値を、積層体２８の温度測定値として制御部２４に出力する。

なお、温度測定部２２は、積層体２８の温度測定値を検出可能に設けられればよいため、例えば、積層体２８自体の温度を直接検出してもよい。また、温度測定部２２は、冷却媒体排出路１３８に代えて、燃料排ガス排出路９２や、酸化剤排ガス排出路１２２に設けられてもよい。つまり、温度測定部２２は、燃料排ガス排出口７８ｂ近傍の燃料排ガスの温度測定値や、酸化剤排ガス排出口８０ｂ近傍の酸化剤排ガスの温度測定値を、積層体２８の温度測定値として検出してもよい。

制御部２４は、不図示のＣＰＵやメモリ等を備えたコンピュータとして構成され、該ＣＰＵは、制御プログラムに従って所定の演算を実行し、燃料電池システム１０の運転等に関する種々の処理や制御を行う。具体的には、制御部２４は、端部インピーダンス推定部１４４と、含水制御部１４６とを有する。端部インピーダンス推定部１４４は、インピーダンス測定部２０で検出された積層体２８の全体のインピーダンス測定値と、温度測定部２２で検出された積層体２８の温度測定値とを用いて、積層体２８の端部発電部７６のインピーダンスの推定値（以下、単に推定値ともいう）を求める。

推定値を求める方法の一例として、端部インピーダンス推定部１４４は、実験やシミュレーション等によって予め求められた、積層体２８の全体のインピーダンスと、積層体２８の温度と、積層体２８の全体のインピーダンス及び端部発電部７６のインピーダンスの差分（以下、単に「差分」ともいう）と、の関係を用いる。この関係に基づき、先ず、インピーダンス測定部２０で得られたインピーダンス測定値及び温度測定部２２で得られた温度測定値に対応する差分を求める。

本実施形態では、上記の関係を、図３に示すように、積層体２８の温度に応じた差分を、例えば、Ａ〜Ｃの積層体２８の全体のインピーダンスごとに示したマップＭの形式で、制御部２４が備える不図示の記憶部に記憶することとする。Ａ、Ｂ、Ｃは、例えば、所定の間隔でこの順に大きくなり、燃料電池システム１０の運転時に、積層体２８の全体のインピーダンスが取り得る範囲内で設定される。なお、図３では、Ａ〜Ｃの３個の積層体２８の全体のインピーダンスごとに、積層体２８の温度に応じた差分を示すこととしたが、３個以上又は３個未満の積層体２８の全体のインピーダンスごとに、積層体２８の温度に応じた差分を示すこととしてもよい。

なお、記憶部は、上記の関係を図３に示すマップＭの形式で記憶することに代えて、例えば、上記の関係を関数の形式で記憶してもよい。また、端部インピーダンス推定部１４４は、上記の関係を記憶部に記憶することに代えて、例えば、燃料電池システム１０の外部から取得するようにしてもよい。

次に、端部インピーダンス推定部１４４は、インピーダンス測定部２０で得られたインピーダンス測定値から、上記のようにして求めた差分を引いた値を端部発電部７６が有する電解質膜・電極構造体３８の個数（本実施形態では４個）で除す。これによって、端部発電部７６のインピーダンスの推定値を求めることができる。すなわち、ここでの推定値は、端部発電部７６が有する電解質膜・電極構造体３８の平均のインピーダンスに相当するが、特にこれには限定されない。

含水制御部１４６は、端部インピーダンス推定部１４４で得られた推定値に基づいて、積層体２８の含水量を制御する。積層体２８の全体のインピーダンスは、積層体２８（電解質膜５６）の含水量が低下して乾燥傾向となると上昇し、積層体２８の含水量が上昇して湿潤傾向となると低下する。このため、含水制御部１４６は、推定値に基づき、例えば、燃料電池システム１０が置かれた環境の温度や、燃料電池システム１０の運転状況や、積層体２８の温度等に応じた適切な大きさとなるように積層体２８の含水量を制御する。これによって、電解質膜５６を、プロトン伝導を良好に生じさせることが可能な湿潤状態に維持したり、カソード電極５８やアノード電極６０における滞留水の発生を抑制したり、外気温が氷点下である場合等における積層体２８内の水分の凍結を抑制したりすることが可能になる。

本実施形態では、含水制御部１４６は、積層体２８の含水量を低下させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁１２０を開く方向に動作させ（加湿バイパス弁１２０の開度を大きくし）、積層体２８の含水量を増大させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁１２０を閉じる方向に動作させる（加湿バイパス弁１２０の開度を小さくする）。

基本的には、上記のように構成される燃料電池システム１０の制御方法について、図４も併せて参照しつつ説明する。

例えば、不図示ではあるが、燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両のイグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされると、燃料電池システム１０を所定の動作温度まで暖機するための暖機運転が開始される。これとともに、インピーダンス測定部２０により、積層体２８の全体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定工程と、温度測定部２２により、積層体２８の温度測定値を得る温度測定工程とを行う（図４のステップＳ１）。

次に、図４のステップＳ２に示すように、インピーダンス測定値と温度測定値とを用いて、端部インピーダンス推定部１４４により、端部発電部７６のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定工程を行う。

例えば、端部インピーダンス推定工程では、端部インピーダンス推定部１４４は、図３のマップＭのＡ〜Ｃから、インピーダンス測定部２０で得られたインピーダンス測定値に対応する１個を選択する。そして、選択した積層体２８の全体のインピーダンスに応じた、積層体２８の温度と差分との関係から、温度測定部２２で得られた温度測定値に対応する差分を検出する。次に、インピーダンス測定部２０で得られた積層体２８の全体のインピーダンス測定値から、上記のようにして求めた差分を減じた値を、端部発電部７６が有する電解質膜・電極構造体３８の個数である４で除す。これによって、端部発電部７６のインピーダンスの推定値が求められる。

次に、図４のステップＳ３に示すように、端部インピーダンス推定工程で求めた端部発電部７６のインピーダンスの推定値に基づいて、含水制御部１４６により積層体２８の含水量を制御する含水制御工程を行う。

例えば、この含水制御工程では、含水制御部１４６は、推定値と、予め定められた所定の閾値とを比較し、推定値が閾値よりも大きいときには、積層体２８が乾燥傾向にあると判断し、加湿バイパス弁１２０の開度を小さくする。これによって、加湿器１１６で加湿された後に酸化剤ガス供給口８０ａに供給される酸化剤ガスの量が増大するため、積層体２８の含水量を増大させる加湿制御が行われる。

一方、推定値が閾値以下であるときには、積層体２８が過加湿傾向にあると判断し、加湿バイパス弁１２０の開度を大きくする。これによって、加湿器１１６で加湿されずに酸化剤ガス供給口８０ａに供給される酸化剤ガスの量が増大するため、積層体２８の含水量を低減させる乾燥制御が行われる。

上記のステップＳ１〜ステップＳ３までの各工程を、例えば、燃料電池スタック１２での電気化学反応等により、燃料電池システム１０が所定の動作温度に昇温するまで繰り返した後、図４のフローチャートを終了する。なお、上記のステップＳ１〜ステップＳ３までの各工程を、燃料電池車両のＩＧをオフするまで繰り返し行った後に図４のフローチャートを終了してもよい。

以上から、本実施形態に係る燃料電池システム１０及びその制御方法では、積層体２８の全体のインピーダンス測定値及び温度測定値を用いて、端部発電部７６のインピーダンスの推定値を求め、該推定値に基づいて積層体２８の含水量を制御する。このため、端部発電部７６が、例えば、積層体２８の中央側よりも低温となっているような場合であっても、端部発電部７６の含水量が過剰となることを抑制できる。

すなわち、例えば、積層体２８の端部発電部７６のインピーダンスが所定の閾値以下であるにも関わらず、積層体２８の中央部又は積層体２８の全体のインピーダンスが所定の閾値よりも大きいことで、含水制御部１４６による乾燥制御を終了する事態が生じることを回避できる。その結果、積層体２８の端部発電部７６に滞留水が生じること等を効果的に抑制できるため、端部発電部７６の電解質膜５６の劣化を抑制したり、端部発電部７６における反応ガスの拡散性が阻害されることを抑制したりできる。つまり、積層体２８の含水量を適切に制御して、燃料電池システム１０の発電安定性を良好に維持することが可能となる。

上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、端部インピーダンス推定部１４４は、積層体２８のインピーダンスと、積層体２８の温度と、積層体２８のインピーダンス及び端部発電部７６のインピーダンスの差分との関係に基づき、インピーダンス測定値及び温度測定値に対応する差分を求め、インピーダンス測定値から差分を引いた値を端部発電部７６が有する電解質膜・電極構造体３８の個数で除すことで推定値を求めることとした。

また、上記の実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法では、端部インピーダンス推定工程では、積層体２８のインピーダンスと、積層体２８の温度と、積層体２８のインピーダンス及び端部発電部７６のインピーダンスの差分との関係に基づき、インピーダンス測定値及び温度測定値に対応する差分を求め、インピーダンス測定値から差分を引いた値を端部発電部７６が有する電解質膜・電極構造体３８の個数で除すことで推定値を求めることとした。

これらの場合、上記の関係を、実験やシミュレーション等によって予め求めておくことで、インピーダンス推定値を容易に求めることができ、該インピーダンス推定値に基づき積層体２８の含水量を精度良く制御することができる。その結果、燃料電池システム１０の発電安定性を簡単な構成で良好に維持することが可能となる。なお、推定値を得る方法は特に限定されるものではない。

上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、積層体２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路１１２と、酸化剤ガス供給路１１２に設けられ、酸化剤ガスを加湿する加湿器１１６と、酸化剤ガス供給路１１２に設けられ、加湿器１１６をバイパスすることで、加湿前の酸化剤ガスを加湿器１１６の下流側に供給する加湿バイパス路１１８と、加湿バイパス路１１８を開閉する加湿バイパス弁１２０と、を備え、含水制御部１４６は、含水量を低下させる場合には、加湿バイパス弁１２０を開く方向に動作させ、含水量を増大させる場合には、加湿バイパス弁１２０を閉じる方向に動作させることとした。

また、上記の実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法では、燃料電池システム１０は、積層体２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路１１２と、酸化剤ガス供給路１１２に設けられ、酸化剤ガスを加湿する加湿器１１６と、酸化剤ガス供給路１１２に設けられ、加湿器１１６をバイパスすることで、加湿前の酸化剤ガスを加湿器１１６の下流側に供給する加湿バイパス路１１８と、加湿バイパス路１１８を開閉する加湿バイパス弁１２０と、を備え、含水制御工程では、含水量を低下させる場合には、加湿バイパス弁１２０を開く方向に動作させ、含水量を増大させる場合には、加湿バイパス弁１２０を閉じる方向に動作させることとした。

これらの場合、含水制御部１４６によって、加湿バイパス弁１２０を開閉する簡単な構成によって、積層体２８の含水量を容易に調整することが可能となる。

上記の実施形態に係る燃料電池システム１０では、含水制御部１４６は、少なくとも、積層体２８（燃料電池システム１０）の起動開始から、積層体２８が所定の動作温度に達するまでの間、推定値に基づいて、積層体２８の含水量を制御することとした。

また、上記の実施形態に係る燃料電池システム１０の制御方法では、含水制御工程は、少なくとも、積層体２８（燃料電池システム１０）の起動開始から、積層体２８が所定の動作温度に達するまでの間に行われることとした。

特に、積層体２８の起動を開始してから、積層体２８が所定の動作温度に達するまでの期間は、端部発電部７６と積層体２８の中央部との間で、インピーダンスの差が大きくなり易い傾向にある。このため、上記の期間に、含水制御部１４６による含水制御工程を行うことで、端部発電部７６に滞留水が生じることを効果的に抑制することができる。ひいては、燃料電池システム１０の発電安定性を良好に維持することが可能となる。

また、例えば、氷点下等の低温環境下で燃料電池システム１０を起動する場合、外気温の影響を受けて、端部発電部７６の温度は、積層体２８の中央部の電解質膜・電極構造体３８の温度よりも低くなり易い。このため、端部発電部７６では、結露が生じて含水量が過剰になり易い。端部発電部７６の含水量が過剰となると、端部発電部７６内の水分が凍結する懸念がある。このような場合であっても、上記の通り、端部発電部７６のインピーダンスの推定値に基づいて積層体２８の含水量を制御することで、端部発電部７６の含水量を適切に維持することができる。これによって、水分の凍結等を抑制できるため、燃料電池システム１０の発電安定性や耐久性を良好に維持することができる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

上記の実施形態では、含水制御部１４６は、積層体２８の含水量を低下させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁１２０を開く方向に動作させ、積層体２８の含水量を増大させる制御を行う場合には、加湿バイパス弁１２０を閉じる方向に動作させることとした。しかしながら、含水制御部１４６によって積層体２８の含水量を制御する方法は、特にこれに限定されるものではない。

例えば、図１に示すように、エアポンプ１１０の回転数や、背圧弁１２６の開度を調整し、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガスの圧力を制御することによって、積層体２８の含水量を制御してもよい。この場合、例えば、エアポンプ１１０の回転数を上げたり、背圧弁１２６の開度を小さくしたりすること等によって、燃料電池スタック１２内の酸化剤ガスの圧力を増大させると、酸化剤ガスに含まれる水蒸気が凝縮し易くなり、これによって生成された凝縮水によって積層体２８の含水量を増大させることができる。これとは逆に、エアポンプ１１０の回転数を下げたり、背圧弁１２６の開度を大きくしたりすることで、積層体２８の含水量を低減させることができる。

また、例えば、水ポンプ１４２の回転数を調整して、燃料電池スタック１２の冷却媒体流路５０を流通する冷却媒体の流量を制御することによって、積層体２８の含水量を制御してもよい。例えば、積層体２８の温度が冷却媒体より低い場合には、冷却媒体流路５０を流通する冷却媒体の流量を増大させることで、積層体２８の温度上昇を促すことができる。ひいては、結露の発生を抑制して、積層体２８の含水量を低減させることができる。

１０…燃料電池システム ２０…インピーダンス測定部
２２…温度測定部 ２６…発電セル
２８…積層体 ３６…第１セパレータ
３８…電解質膜・電極構造体 ４０…第２セパレータ
４２…第３セパレータ ５６…電解質膜
５８…カソード電極 ６０…アノード電極
７６…端部発電部 １１２…酸化剤ガス供給路
１１６…加湿器 １１８…加湿バイパス路
１２０…加湿バイパス弁 １４４…端部インピーダンス推定部
１４６…含水制御部

Claims (8)

1. 電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムであって、
   前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定部と、
   前記積層体の温度測定値を得る温度測定部と、
   前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも１個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定部と、
   前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記端部インピーダンス推定部は、前記積層体のインピーダンスと、前記積層体の温度と、前記積層体のインピーダンス及び前記端部発電部のインピーダンスの差分との関係に基づき、前記インピーダンス測定値及び前記温度測定値に対応する前記差分を求め、前記インピーダンス測定値から前記差分を引いた値を前記端部発電部が有する前記電解質膜・電極構造体の個数で除すことで前記推定値を求める、燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記積層体に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
   前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
   前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記加湿器をバイパスすることで、加湿前の前記酸化剤ガスを前記加湿器の下流側に供給する加湿バイパス路と、
   前記加湿バイパス路を開閉する加湿バイパス弁と、
   を備え、
   前記含水制御部は、前記含水量を低下させる場合には、前記加湿バイパス弁を開く方向に動作させ、前記含水量を増大させる場合には、前記加湿バイパス弁を閉じる方向に動作させる、燃料電池システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記含水制御部は、少なくとも、前記積層体の起動開始から、前記積層体が所定の動作温度に達するまでの間、前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する、燃料電池システム。
5. 電解質膜がアノード電極及びカソード電極で挟まれた電解質膜・電極構造体と、前記電解質膜・電極構造体の両側に配設されたセパレータとを有する発電セルを複数積層した積層体を備え、前記アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに前記カソード電極に酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池システムの制御方法であって、
   前記積層体のインピーダンス測定値を得るインピーダンス測定工程と、
   前記積層体の温度測定値を得る温度測定工程と、
   前記インピーダンス測定値と前記温度測定値とを用いて、前記積層体の積層方向の端部に配設された少なくとも１個の前記電解質膜・電極構造体を有する端部発電部のインピーダンスの推定値を求める端部インピーダンス推定工程と、
   前記推定値に基づいて、前記積層体の含水量を制御する含水制御工程と、
   を有する燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項５記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記端部インピーダンス推定工程では、前記積層体のインピーダンスと、前記積層体の温度と、前記積層体のインピーダンス及び前記端部発電部のインピーダンスの差分との関係に基づき、前記インピーダンス測定値及び前記温度測定値に対応する前記差分を求め、前記インピーダンス測定値から前記差分を引いた値を前記端部発電部が有する前記電解質膜・電極構造体の個数で除すことで前記推定値を求める、燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項５又は６記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記燃料電池システムは、
   前記積層体に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
   前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
   前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記加湿器をバイパスすることで、加湿前の前記酸化剤ガスを前記加湿器の下流側に供給する加湿バイパス路と、
   前記加湿バイパス路を開閉する加湿バイパス弁と、
   を備え、
   前記含水制御工程では、前記含水量を低下させる場合には、前記加湿バイパス弁を開く方向に動作させ、前記含水量を増大させる場合には、前記加湿バイパス弁を閉じる方向に動作させる、燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記含水制御工程は、少なくとも、前記積層体の起動開始から、前記積層体が所定の動作温度に達するまでの間に行われる、燃料電池システムの制御方法。

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