JP2021103617A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排出マニホールド内の液水を適切に排出すること。【解決手段】積層された複数の単セルと、前記複数の単セルを貫通し、前記複数の単セルに反応ガスを供給する供給マニホールド及び前記供給マニホールドよりも重力方向下側に位置し前記複数の単セルから前記反応ガスが排出される排出マニホールドと、を有する燃料電池スタックと、前記供給マニホールドを介して前記複数の単セルに前記反応ガスを供給するガス供給部と、前記排出マニホールドに設けられ、前記複数の単セルの積層方向における前記複数の単セルの中央よりも前記排出マニホールドの出口とは反対側に位置し、前記排出マニホールド内の液水量を検知するための液水センサと、前記燃料電池スタックの発電時において前記液水センサによって検知した液水量が所定値以上である場合、前記ガス供給部を制御して前記燃料電池スタックに供給される前記反応ガスの流量を前記燃料電池スタックの通常運転時に比べて多くする制御部と、を備える燃料電池システム。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

積層された複数の単セルと、複数の単セルを貫通して設けられ、反応ガスが流れるマニホールドと、を有する燃料電池スタックが知られている。燃料電池スタックでは、発電反応により生じた水等が単セル内に溜まり、単セル内における反応ガスの流れが阻害されてセル電圧の低下が生じることがある。そこで、一定時間毎に通常運転時よりも反応ガスを多く燃料電池スタックに供給することで、単セル内に液水が溜まることを抑制することが知られている。

しかしながら、一定時間毎に反応ガスの流量を多くした場合でも、単セル内から反応ガス排出用の排出マニホールドに押し出された液水が排出マニホールド内に留まることがある。排出マニホールドは複数の単セルそれぞれから排出された反応ガスが合流することから、排出マニホールドの出口とは反対側になるほど反応ガスの流量が少なくなり、排出マニホールド内に液水が溜まり易くなる。また、排出マニホールドの出口が上方を向くように燃料電池スタックが傾斜している場合では、更に排出マニホールドの出口とは反対側に液水が溜まり易くなる。

排出マニホールド内に液水が溜まると、液水が溜まった箇所での反応ガスの圧力損失が高くなり、この箇所近傍に位置する単セルへの反応ガスの分配量が少なくなる。このため、セル電圧の低下等が生じてしまう。排出マニホールド内に液水が溜まり易い運転状態にあるか否かを判断し、液水が溜まり易い運転状態にあると判断した場合に、燃料電池スタックに供給する反応ガスの流量を通常運転時に比べて多くすることが知られている（例えば特許文献１）。

特開２０１６−１３６４６６号公報

特許文献１に記載の方法は、燃料電池スタックの姿勢等から排出マニホールド内に液水が溜まり易い運転状態にあると判断した場合に通常運転時よりも多い量の反応ガスを供給して排水処理を行っている。この場合、運転状態に基づいて排水処理を行うことから、排出マニホールド内の液水を適切なタイミングで排出することが難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、排出マニホールド内の液水を適切に排出することを目的とする。

本発明は、積層された複数の単セルと、前記複数の単セルを貫通し、前記複数の単セルに反応ガスを供給する供給マニホールド及び前記供給マニホールドよりも重力方向下側に位置し前記複数の単セルから前記反応ガスが排出される排出マニホールドと、を有する燃料電池スタックと、前記供給マニホールドを介して前記複数の単セルに前記反応ガスを供給するガス供給部と、前記排出マニホールドに設けられ、前記複数の単セルの積層方向における前記複数の単セルの中央よりも前記排出マニホールドの出口とは反対側に位置し、前記排出マニホールド内の液水量を検知するための液水センサと、前記燃料電池スタックの発電時において前記液水センサによって検知した液水量が所定値以上である場合、前記ガス供給部を制御して前記燃料電池スタックに供給される前記反応ガスの流量を前記燃料電池スタックの通常運転時に比べて多くする制御部と、を備える燃料電池システムである。

本発明によれば、排出マニホールド内の液水を適切に排出することができる。

図１は、車両に搭載された実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。 図２は、実施例１における燃料電池スタックを示す図である。 図３（ａ）は、液水センサの断面図、図３（ｂ）は、液水センサの特性を示す図である。 図４は、比較例における燃料電池スタックを示す図である。 図５は、実施例１におけるＥＣＵの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。 図６（ａ）は、液水量に応じて空気流量を変化させる場合を示す図、図６（ｂ）は、液水量に応じて空気の供給時間を変化させる場合を示す図、図６（ｃ）は、ＦＣスタックの発電負荷に応じて第１所定値を変化させる場合を示す図である。 図７（ａ）は、従来の方法による排水処理の一例を示すタイミングチャート、図７（ｂ）は、実施例１における排水処理の一例を示すタイミングチャートである。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施例２における燃料電池スタックを示す図である。 図９は、実施例２におけるＥＣＵの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。 図１０は、ＦＣスタックの傾斜角度に応じて空気流量を変化させる場合を示す図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、燃料電池スタックの傾斜と排水性との関係を示す図である。 図１２（ａ）は、実施例１における排水処理の一例を示すタイミングチャート、図１２（ｂ）は、実施例２における排水処理の一例を示すタイミングチャートである。 図１３は、実施例３における燃料電池スタックを示す図である。 図１４は、実施例３におけるＥＣＵの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。 図１５は、実施例３の変形例１における燃料電池スタックを示す図である。 図１６は、車両に搭載された実施例４に係る燃料電池システムの構成図である。 図１７は、実施例４における燃料電池スタックを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

［燃料電池システムの概略構成］
図１は、車両に搭載された実施例１に係る燃料電池システムの構成図である。図１を参照して、燃料電池システム１００は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０、燃料電池スタック（以下、ＦＣスタックと称す）２０、二次電池（以下、ＢＡＴと称す）９４、酸化剤ガス系３０、燃料ガス系５０、電力系７０、及び冷却系８０を含む。また、車両は、走行用のモータ９０、変速機９１、車輪９２、及びアクセル開度センサ９３を備えている。ＦＣスタック２０は、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する。車両は、ＦＣスタック２０及びＢＡＴ９４を電力源としてモータ９０を駆動させて走行する。

酸化剤ガス系３０は、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をＦＣスタック２０に供給し、ＦＣスタック２０から排出された空気を外部に排気する。酸化剤ガス系３０は、ガス供給管３１、ガス排出管３２、エアクリーナー３４、エアコンプレッサ３５、インタークーラ３６、及び調圧弁３７を含む。ガス供給管３１はＦＣスタック２０の酸化剤ガス供給マニホールド（以下、空気供給マニホールドと称す）に接続されている。ガス排出管３２はＦＣスタック２０の酸化剤ガス排出マニホールド（以下、空気排出マニホールドと称す）に接続されている。空気排出マニホールドには液水センサ１が設けられている。液水センサ１の詳細については後述する。エアクリーナー３４、エアコンプレッサ３５、及びインタークーラ３６は、ガス供給管３１に空気の流れにおいて上流側から順に配置されている。調圧弁３７はガス排出管３２に設けられている。

エアコンプレッサ３５及び調圧弁３７の駆動はＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０は、エアコンプレッサ３５の回転速度を制御することにより、ＦＣスタック２０に供給される空気の流量を調整する。エアコンプレッサ３５はガス供給部の一例である。

燃料ガス系５０は、燃料ガスとしての水素ガスをＦＣスタック２０に供給し、ＦＣスタック２０から排出された水素ガスをＦＣスタック２０に循環させる。燃料ガス系５０は、タンク６０、ガス供給管５１、ガス排出管５２、ガス循環管５３、タンク弁５４、調圧弁５５、インジェクタ５６、気液分離器５７、排水弁５８、及び循環ポンプ５９を含む。

タンク６０とＦＣスタック２０の燃料ガス供給マニホールド（以下、水素供給マニホールドと称す）は、ガス供給管５１により接続されている。タンク６０には、燃料ガスである水素ガスが貯留されている。ガス排出管５２は、ＦＣスタック２０の燃料ガス排出マニホールド（以下、水素排出マニホールドと称す）に接続されている。ガス循環管５３は、気液分離器５７とガス供給管５１とを連通している。タンク弁５４、調圧弁５５、及びインジェクタ５６は、ガス供給管５１に水素ガスの流れにおいて上流側から順に配置されている。タンク弁５４が開いた状態で、調圧弁５５の開度が調整され、インジェクタ５６は水素ガスを噴射する。これにより、ＦＣスタック２０に水素ガスが供給される。

ガス排出管５２には、気液分離器５７及び排水弁５８が水素ガスの流れに対して上流側から順に配置されている。気液分離器５７は、ＦＣスタック２０から排出された水素ガスから水分を分離して貯留する。気液分離器５７に貯留された水は、排水弁５８が開くことにより、ガス排出管５２を介して外部へと排出される。ガス循環管５３は、水素ガスをＦＣスタック２０へ還流させるための管であり、一端が気液分離器５７に接続され、他端がガス供給管５１に接続されている。ガス循環管５３には循環ポンプ５９が配置されている。ＦＣスタック２０から排出された水素ガスは、循環ポンプ５９によって適度に加圧されてガス供給管５１へ導かれる。タンク弁５４、調圧弁５５、インジェクタ５６、排水弁５８、及び循環ポンプ５９の駆動は、ＥＣＵ１０により制御される。ＥＣＵ１０は、インジェクタ５６の噴射時間、噴射回数及び／又は循環ポンプ５９の回転速度を制御することにより、ＦＣスタック２０に供給される水素ガスの流量を調整する。インジェクタ５６及び／又は循環ポンプ５９はガス供給部の一例である。

電力系７０は、燃料電池ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＦＤＣと称す）７１、バッテリＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、ＢＤＣと称す）７２、モータインバータ（以下、ＭＩＮＶと称す）７３、補機インバータ（以下、ＡＩＮＶと称す）７４を含む。ＦＤＣ７１は、ＦＣスタック２０からの直流電力を調整してＭＩＮＶ７３及び／又はＡＩＮＶ７４に出力する。ＢＤＣ７２は、ＢＡＴ９４からの直流電流を調整してＭＩＮＶ７３及び／又はＡＩＮＶ７４に出力する。ＦＣスタック２０の発電電力は、ＢＡＴ９４に充電可能である。ＭＩＮＶ７３は、入力された直流電流を三相交流電力に変換してモータ９０に供給する。モータ９０は、変速機９１を介して車輪９２を回転させることで車両を走行させる。ＦＣスタック２０及びＢＡＴ９４の電力は、ＡＩＮＶ７４を介して負荷装置に供給可能である。負荷装置は、ＦＣスタック２０用の補機と車両用の補機とを含む。ＦＣスタック２０用の補機とは、上述したエアコンプレッサ３５、調圧弁３７、タンク弁５４、調圧弁５５、インジェクタ５６、排水弁５８、及び循環ポンプ５９を含む。車両用の補機は、例えば空調整備、照明装置、及びハザードランプ等を含む。

冷却系８０は、冷却水を所定の経路を経て循環させることによりＦＣスタック２０を冷却する。冷却系８０は、供給管８１、排出管８２、ラジエータ８３、及びウォータポンプ８４を含む。供給管８１は、ＦＣスタック２０の冷却水供給マニホールドに接続されている。排出管８２は、ＦＣスタック２０の冷却水排出マニホールドに接続されている。ラジエータ８３は、供給管８１と排出管８２に接続されている。ウォータポンプ８４は供給管８１に配置されている。ウォータポンプ８４は、冷媒としての冷却水を、供給管８１及び排出管８２を介してＦＣスタック２０とラジエータ８３との間で循環させる。ラジエータ８３は、ＦＣスタック２０から排出された冷却水を外気と熱交換することにより冷却する。ウォータポンプ８４の駆動は、ＥＣＵ１０により制御される。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）を含む。ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ９３、エアコンプレッサ３５、調圧弁３７、タンク弁５４、調圧弁５５、インジェクタ５６、排水弁５８、循環ポンプ５９、ＦＤＣ７１、及びＢＤＣ７２に電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ９３の検出値、上述した車両用の補機並びにＦＣスタック２０用の補機の駆動状態、及びＢＡＴ９４の蓄電電力等に基づいて、ＦＣスタック２０への要求電力Ｐを算出する。ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック１０への要求電力Ｐに応じて、エアコンプレッサ３５を制御して空気の流量を調整し、インジェクタ５６及び／又は循環ポンプ５９を制御して水素ガスの流量を調整する。要求電力Ｐは、ＦＣスタック２０に要求される電力であり、ＢＡＴ９４等のＦＣスタック２０以外に要求される電力は含まない。

［燃料電池スタック］
図２は、実施例１におけるＦＣスタックを示す図である。図２を参照して、ＦＣスタック２０は、固体高分子電解質型の単セル２１が複数積層されている。積層された複数の単セル２１を挟んで集電板２２ａ及び２２ｂ、絶縁板２３ａ及び２３ｂ、エンドプレート２４ａ及び２４ｂが配置されている。

ＦＣスタック２０の内部には、空気供給マニホールド２５及び空気排出マニホールド２６が形成されている。空気供給マニホールド２５及び空気排出マニホールド２６は共に、複数の単セル２１、集電板２２ｂ、絶縁板２３ｂ、及びエンドプレート２４ｂを複数の単セル２１が積層されたＺ方向に貫通して形成されている。空気排出マニホールド２６は空気供給マニホールド２５よりも重力方向Ｇにおいて下側に位置している。

単セル２１は、電解質膜の両面に電極を配置した発電体である膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂材料又は炭化水素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。電極は、カーボン担体と、スルホン酸基を有する固体高分子であって湿潤状態で良好なプロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含んで構成されている。カーボン担体には、発電反応を促進させるための触媒（例えば白金又は白金−コバルト合金等）が担持されている。各単セル２１には空気供給マニホールド２５及び空気排出マニホールド２６を用いて空気が供給される。また、図２では図示していないが、各単セル２１には水素供給マニホールド及び水素排出マニホールドを用いて水素ガスが供給される。

空気排出マニホールド２６に液水センサ１が設けられている。液水センサ１は、複数の単セル２１が積層されたＺ方向における複数の単セル２１の中央２９よりもエンドプレート２４ａ側に位置して空気排出マニホールド２６に設けられている。すなわち、液水センサ１は複数の単セル２１の中央２９よりも空気排出マニホールド２６の出口２６ａとは反対側に位置して空気排出マニホールド２６に設けられている。液水センサ１は、例えば単セル２１と単セル２１の間から空気排出マニホールド２６に挿入されている。液水センサ１は空気排出マニホールド２６内の液水の検知に用いられ、ＥＣＵ１０は液水センサ１の計測結果から液水量を取得する。ＥＣＵ１０は、液水センサ１を用いて取得した液水量に応じて、エアコンプレッサ３５を制御してＦＣスタック２０に供給される空気の流量を調整する。液水センサ１は、空気排出マニホールド２６内の液水を適切に検知できるように、重力方向Ｇにおいて下側に位置して空気排出マニホールド２６に設けられることが好ましい。

［液水センサ］
図３（ａ）は、液水センサの断面図、図３（ｂ）は、液水センサの特性を示す図である。図３（ａ）を参照して、液水センサ１は、静電容量式の液水センサであり、基板３上に２本の電極４ａ、４ｂが設けられている。基板３は、例えば樹脂基板（ポリイミド基板等）であり、その厚さは１０μｍ〜７０μｍ程度である。電極４ａ、４ｂは、例えば銅膜であり、その厚さは１０μｍ〜７０μｍ程度である。基板３と電極４ａ、４ｂとの合計厚さは、例えば１００μｍ以下であり、８０μｍ以下が好ましい。基板３は樹脂基板以外の絶縁基板であってもよい。電極４ａ、４ｂは銅膜以外であってもよく、例えば金膜又は白金膜等でもよく、導電率が高い金属膜が好ましい。

電極４ａと４ｂに液水５が付着した場合、図３（ｂ）に示すように、液水５の付着量に応じて静電容量が変化する。したがって、液水センサ１で計測された静電容量から液水量を取得することができる。詳しくは図４で説明するが、空気排出マニホールド２６には出口２６ａと反対側に液水５が溜まり易いことから、液水センサ１を複数の単セル２１の中央２９よりも空気排出マニホールド２６の出口２６ａとは反対側に設けることで、液水５が溜まり易い箇所で液水５を検知できる。液水５の検知が良好に行われるよう、基板３及び電極４ａ、４ｂの表面に撥水処理が施されていてもよい。静電容量式の液水センサ１を用いることで、ソーク中の液水５の検知が可能となり、ＦＣスタック２０の発電直後に後述する排水処理の制御が可能となる。

［比較例］
図４は、比較例における燃料電池スタックを示す図である。図４を参照して、比較例においては、空気排出マニホールド２６に液水センサが設けられていない。その他の構成は図２と同じであるため説明を省略する。

図４のように、例えば空気排出マニホールド２６の出口２６ａ側が出口２６ａとは反対側よりも重力方向Ｇにおいて上側に位置するようにＦＣスタック２０が傾斜した場合、重力により空気排出マニホールド２６のエンドプレート２４ａ側に液水５が溜まり易くなる。また、空気排出マニホールド２６は複数の単セル２１から排出されたガスが合流することから、空気排出マニホールド２６の出口２６ａとは反対側になるほどガス流量が少なくなって液水５が押し出され難くなり、空気排出マニホールド２６のエンドプレート２４ａ側に液水５が溜まり易くなる。液水５は、例えば単セル２１での発電反応により生じた水及び／又は単セル２１に供給された空気に含まれる水等である。液水５の量が多くなると空気の圧力損失が大きくなり、エンドプレート２４ａ側に位置する単セル２１への空気の分配量が少なくなる。このため、単セル２１のセル電圧の低下及び／又はポンピング水素の発生等が起こることがある。

特許文献１に記載の従来方法のように、ＦＣスタック２０の姿勢から空気排出マニホールド２６に液水５が溜まり易い状態かどうかを判断する方法は、空気排出マニホールド２６内の液水５を直接的に検知している訳ではない。このため、空気排出マニホールド２６に液水５が多く溜まっているのに排水処理が始まらずに、セル電圧の低下等が生じてしまうことがある。そこで、実施例１では、液水センサ１を用いて取得した液水５の量に基づき排水処理を行い、空気排出マニホールド２６内の液水５を適切に排出することとしている。

［実施例１におけるＥＣＵの排水処理の制御］
図５は、実施例１におけるＥＣＵの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。図５の制御は、例えば燃料電池システム１００が搭載された車両のイグニッションキーがオンされてＦＣスタック２０が発電すると実行される。図５を参照して、ＥＣＵ１０は、液水センサ１で計測された静電容量から空気排出マニホールド２６内の液水５の量を取得する（ステップＳ１０）。次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１０で取得した液水５の量が第１所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ１２）。ここで、第１所定値は、空気排出マニホールド２６内の液水５によってセル電圧の低下が起こる液水量（言い換えると、単セル２１への空気の分配不良が発生する液水量）を予め実験で求めておき、この液水量の１／３〜２／３の値とする。

液水５の量が第１所定値よりも少ない場合（ステップＳ１２：Ｎｏ）、ステップＳ２０に進む。一方、液水５の量が第１所定値以上である場合（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０はエアコンプレッサ３５を制御して空気流量を通常運転時よりも多い量に調整してＦＣスタック２０に供給する（ステップＳ１４）。ここで、通常運転とはＦＣスタック２０への要求電力Ｐに応じた運転であり、通常運転時よりも多い空気流量とは要求電力Ｐに応じた運転で取り得る空気流量よりも多い空気流量のことである。すなわち、通常運転時においては、ＥＣＵ１０は、通常運転として予め定められたエアストイキ比（例えば１．５）となるように要求電力Ｐに基づきエアコンプレッサ３５を制御して空気流量を調整する。ステップＳ１４においては、ＥＣＵ１０が有するメモリにはステップＳ１４で参照するエアストイキ比として通常運転時のエアストイキ比よりも大きい値が記憶されており、ＥＣＵ１０は要求電力Ｐに基づきエアストイキ比がかかる値となるようにエアコンプレッサ３５を制御して空気流量を調整する。

ステップＳ１４において調整する空気流量は、液水５の量に関わらずに一定であってもよいし、液水５の量に応じて変化させてもよい。図６（ａ）は、液水量に応じて空気流量を変化させる場合を示す図である。図６（ａ）のように、液水５の量が多い場合には液水５の量が少ない場合に比べてＦＣスタック２０に供給する空気流量を多くしてもよい。

また、ステップＳ１４で調整した流量の空気をＦＣスタック２０に供給する時間を液水５の量に関わらず一定にしてもよいし、液水５の量に応じて変化させてもよい。図６（ｂ）は、液水量に応じて空気の供給時間を変化させる場合を示す図である。図６（ｂ）のように、液水５の量が多い場合には液水５の量が少ない場合に比べてステップＳ１４で調整した空気を供給する時間を長くしてもよい。

このように、液水５の量に応じて空気流量及び／又は空気供給時間を変化させることで、ＮＶ（Noise Vibration）等を低減させつつ、効率的に排水処理を行うことができる。

また、ステップＳ１２の第１所定値は、ＦＣスタック２０の発電負荷に応じて変化させてもよい。図６（ｃ）は、ＦＣスタックの発電負荷に応じて第１所定値を変化させる場合を示す図である。ＦＣスタック２０の負荷が低い場合ではＦＣスタック２０に供給する空気流量を増やすとＮＶの影響が大きくなることから、図６（ｃ）のように、ＦＣスタック２０が低負荷の場合では中負荷及び高負荷の場合に比べて第１所定値を高くし、負荷が高くなるほど排水処理が行われ易くなるようにしてもよい。ＦＣスタック２０の負荷が低い場合は高い場合に比べて空気排出マニホールド２６内に液水５が溜まり難いことから、第１所定値をＦＣスタック２０の負荷が低い場合は高い場合に比べて高くすることができる。

次いで、ＥＣＵ１０は、液水センサ１で計測された静電容量から空気排出マニホールド２６内の液水５の量を取得する（ステップＳ１６）。次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１６で取得した液水５の量が第２所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ１８）。液水５の量が第２所定値よりも多い場合（ステップＳ１８：Ｎｏ）は、ステップＳ１４に戻る。液水５の量が第２所定値以下の場合（ステップＳ１８：Ｙｅｓ）は、ステップＳ２０に進む。ここで、第２所定値は、第１所定値よりも小さい値であり、第１所定値の１／３〜２／３の値であり、例えば１／２の値である。第２所定値をゼロとしないのは、空気排出マニホールド２６では結露等が生じて液水５がゼロとなることはほとんどないため、第２所定値をゼロとするとステップＳ１４からＳ１８を永遠と繰り返すことになるためである。また、第２所定値は、空気排出マニホールド２６から液水５が排出されなくなったときに残存している液水５の量を予め実験で求めておき、この液水量としてもよい。

ステップＳ２０では、ＥＣＵ１０はイグニッションキーがオフされたか否か判断する（ステップＳ２０）。イグニッションキーがオフされていない場合（ステップＳ２０：Ｎｏ）、ステップＳ１０に戻る。一方、イグニッションキーがオフされた場合（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０は排水処理を終了する。

［タイミングチャート］
図７（ａ）は、従来の方法による排水処理の一例を示すタイミングチャート、図７（ｂ）は、実施例１における排水処理の一例を示すタイミングチャートである。図７（ａ）を参照して、ＦＣスタック２０の姿勢から液水５が溜まり易い状態かどうかを判断して排水処理を行う従来の方法では、空気排出マニホールド２６内の液水５の量がセル電圧の低下が起こる限界量Ｗ_αを超えてしまうことが起こり得る。限界量Ｗ_αを超えた後に、ＦＣスタック２０に供給する空気流量を通常発電時の流量Ａ_αよりも多い流量Ａ_βに上げて排水処理を行ったとしても、液水５の量が限界量Ｗ_αを超えている間はセル電圧の低下が生じてしまう。

図７（ｂ）を参照して、液水センサ１を用いて排水処理を行う場合は、液水センサ１により取得した液水５の量が第１所定値Ｗ_１以上になるとＦＣスタック２０に供給する空気流量を通常運転時の流量Ａ_αよりも多い流量に上げる。図７（ｂ）では、図６（ａ）で説明したような液水量に応じて空気流量を変化させる場合を示している。液水センサ１を用いて取得した液水５の量が第２所定値Ｗ_２以下になるとＦＣスタック２０に供給する空気流量を通常運転時の流量Ａ_αに戻す。このように、液水センサ１により液水５の量を取得し、その量が限界量Ｗ_αよりも小さい第１所定値Ｗ_１以上になるとＦＣスタック２０に供給する空気流量を上げている。このため、液水５の量が限界量Ｗ_αを超えることを抑制でき、セル電圧の低下を抑制できる。また、過剰に排水処理を行うことも抑制される。

例えば、ＦＣスタック２０を発電させた発電時間に対するエンドプレート２４ａに最も近い単セル２１のセル電圧が低下した時間は、排水処理を行わない場合は１０％程度であり、従来方法の排水処理を行った場合は３％程度であったのに対し、実施例１の排水処理を行った場合は１％以下になった。

実施例１によれば、図２のように、液水センサ１が、Ｚ方向における複数の単セル２１の中央２９よりも空気排出マニホールド２６の出口２６ａとは反対側に位置して空気排出マニホールド２６に設けられている。上述したように、空気排出マニホールド２６は出口２６ａとは反対側であるエンドプレート２４ａ側で液水５が溜まり易い。このため、中央２９よりもエンドプレート２４ａ側に液水センサ１を設けることで、液水５が溜まり易い箇所で液水５を検知することができる。図５及び図７（ｂ）のように、ＥＣＵ１０は、ＦＣスタック２０の発電時において液水センサ１により取得した液水５の量が第１所定値以上である場合、エアコンプレッサ３５を制御してＦＣスタック２０に供給される空気の流量をＦＣスタック２０の通常運転時に比べて多くする。液水センサ１により取得した液水５の量に基づき排水処理を行うことから、液水５の排水を適切に行うことができ、セル電圧の低下等を抑制できる。

上述したように、液水５はエンドプレート２４ａ側に位置して空気排出マニホールド２６内に溜まり易い。したがって、液水センサ１は、例えば、Ｚ方向において複数の単セル２１を４等分したときに最もエンドプレート２４ａ側に位置する範囲内に配置されることが好ましく、８等分したときに最もエンドプレート２４ａ側に位置する範囲内に配置されることがより好ましく、１６等分したときに最もエンドプレート２４ａ側に位置する範囲内に配置されることが更に好ましい。また、複数の単セル２１をエンドプレート２４ａ側から順に数えた場合（すなわちエンドプレート２４ａに最も近い単セル２１が１番目の単セル２１）、液水センサ１は、例えば、１番目の単セル２１と４０番目の単セル２１の間に配置されることが好ましく、１番目の単セル２１と２０番目の単セル２１の間に配置されることがより好ましく、１番目の単セル２１と１０番目の単セル２１の間に配置されることが更に好ましく、１番目の単セル２１と２番目の単セル２１の間に配置されることが最も好ましい。

空気排出マニホールド２６内の液水５を排出するために、排水処理においてＦＣスタック２０に供給する空気流量はＦＣスタック２０の通常運転時に比べて２倍以上である場合が好ましく、３倍以上である場合がより好ましく、４倍以上である場合が更に好ましい。

図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施例２におけるＦＣスタックを示す図である。図８（ａ）を参照して、実施例２では、ＦＣスタック２０に傾斜角センサ６が設けられている。傾斜角センサ６は、例えばエンドプレート２４ｂに取り付けられているが、ＦＣスタック２０のその他の箇所に取り付けられていてもよい。傾斜角センサ６はＦＣスタック２０が傾いたときの傾斜角度を計測し、ＥＣＵ１０はその計測結果からＦＣスタック２０の傾斜角度を取得する。ＥＣＵ１０は、液水センサ１により取得した液水量と傾斜角センサ６により取得した傾斜角度とに基づいて、エアコンプレッサ３５を制御してＦＣスタック２０に供給される空気の流量を調整する。

図８（ｂ）を参照して、ＦＣスタック２０の傾斜角度は、例えば複数の単セル２１の積層方向であるＺ方向が重力方向Ｇに垂直なＨ方向から傾いたときの角度である。実施例２では、空気排出マニホールド２６の出口２６ａが出口２６ａとは反対側よりも重力方向Ｇにおいて上側に位置するようにＦＣスタック２０が傾いたときの傾斜角度を正とする。傾斜角センサ６は一般的に知られている傾斜角センサを用いることができる。実施例２の燃料電池システムのその他の構成は、実施例１の燃料電池システム１００と同じであるため説明を省略する。

［実施例２におけるＥＣＵの排水処理の制御］
図９は、実施例２におけるＥＣＵの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。図９の制御は、実施例１の図５と同じく、例えば燃料電池システムが搭載された車両のイグニッションキーがオンされてＦＣスタック２０が発電すると実行される。図９を参照して、ＥＣＵ１０は、液水センサ１で計測された静電容量から空気排出マニホールド２６内の液水５の量を取得する（ステップＳ３０）。次いで、ＥＣＵ１０は、傾斜角センサ６の計測結果からＦＣスタック２０の傾斜角度を取得する（ステップＳ３２）。

次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ３０で取得した液水５の量が第１所定値以上であるか否かを判断する（ステップＳ３４）。液水５の量が第１所定値よりも少ない場合（ステップＳ３４：Ｎｏ）、ステップＳ４２に進む。一方、液水５の量が第１所定値以上である場合（ステップＳ３４：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０はエアコンプレッサ３５を制御して空気流量を通常運転時よりも多い量に調整してＦＣスタック２０に供給する（ステップＳ３６）。ここで、ＦＣスタック２０に供給する空気流量をＦＣスタック２０の傾斜角度に応じて変化させる。

図１０は、ＦＣスタックの傾斜角度に応じて空気流量を変化させる場合を示す図である。図１０のように、ＦＣスタック２０の正の傾斜角度が大きいほど正の傾斜角度が小さい場合に比べてＦＣスタック２０に供給する空気流量を多くする。

次いで、ＥＣＵ１０は、液水センサ１で計測された静電容量から空気排出マニホールド２６内の液水５の量を取得する（ステップＳ３８）。次いで、ＥＣＵ１０は、ステップＳ３８で取得した液水５の量が第２所定値以下であるか否かを判断する（ステップＳ４０）。液水５の量が第２所定値よりも多い場合（ステップＳ４０：Ｎｏ）は、ステップＳ３６に戻る。液水５の量が第２所定値以下の場合（ステップＳ４０：Ｙｅｓ）は、ステップＳ４２に進む。ステップＳ４２では、ＥＣＵ１０はイグニッションキーがオフされたか否か判断する（ステップＳ４２）。イグニッションキーがオフされていない場合（ステップＳ４２：Ｎｏ）、ステップＳ３０に戻る。一方、イグニッションキーがオフされた場合（ステップＳ４２：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１０は排水処理を終了する。

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、ＦＣスタックの傾斜と排水性との関係を示す図である。図１１（ａ）は、ＦＣスタック２０の正の傾斜角度が小さい場合を図示し、図１１（ｂ）は、ＦＣスタック２０の正の傾斜角が大きい場合を図示している。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）を参照して、ＦＣスタック２０に供給する空気流量を通常運転時よりも多くして排水処理を行う場合において、ＦＣスタック２０の正の傾斜角度が大きい場合は小さい場合に比べて空気排出マニホールド２６内に溜まった液水５が排水され難くなる。

［タイミングチャート］
図１２（ａ）は、実施例１における排水処理の一例を示すタイミングチャート、図１２（ｂ）は、実施例２における排水処理の一例を示すタイミングチャートである。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）では、図１１（ｂ）のように、ＦＣスタック２０の正の傾斜角度が大きい場合での排水処理のタイミングチャートの一例を示している。

図１２（ａ）を参照して、傾斜角センサが設けられていない実施例１の場合では、ＦＣスタック２０に供給する空気流量を通常運転時の流量Ａ_αよりも多くしたとしても、空気排出マニホールド２６内の液水５がなかなか減らないことが起こり得る。液水５の排水性を考慮して空気流量を多くした場合、ＦＣスタック２０の傾斜角度が小さいにも関わらず過剰の流量の空気が供給されることが生じ、ＮＶに悪影響を及ぼしてしまう。図１２（ｂ）を参照して、傾斜角センサ６が設けられた実施例２の場合では、図１０のように傾斜角センサ６で計測されたＦＣスタック２０の正の傾斜角度が大きくなるほどＦＣスタック２０に供給する空気流量を多くすることで、空気排出マニホールド２６内の液水５をＮＶの影響を抑えつつ短時間で減らすことができる。

実施例２によれば、ＦＣスタック２０の傾斜角度を計測する傾斜角センサ６が設けられている。ＥＣＵ１０は、傾斜角センサ６により取得したＦＣスタック２０の正の傾斜角度が大きい場合は小さい場合に比べて空気供給マニホールド２５に供給する空気流量を多くする。これにより、空気排出マニホールド２６内の液水５の量を短時間で減らすことができる。

図１３は、実施例３におけるＦＣスタックを示す図である。図１３を参照して、実施例３では、空気排出マニホールド２６に２つの液水センサ１ａ、１ｂが設けられている。液水センサ１ａ、１ｂは共に、複数の単セル２１が積層されたＺ方向における複数の単セル２１の中央２９よりも空気排出マニホールド２６の出口２６ａとは反対側であるエンドプレート２４ａ側に位置して空気排出マニホールド２６に設けられている。実施例３の燃料電池システムのその他の構成は、実施例１の燃料電池システム１００と同じであるため説明を省略する。

［実施例３におけるＥＣＵの排水処理の制御］
図１４は、実施例３におけるＥＣＵの排水処理の制御の一例を示すフローチャートである。図１４の制御は、実施例１の図５と同じく、例えば燃料電池システムが搭載された車両のイグニッションキーがオンされてＦＣスタック２０が発電すると実行される。図１４を参照して、ＥＣＵ１０は、液水センサ１ａで計測された静電容量から空気排出マニホールド２６内の液水５の量を取得する（ステップＳ５０）。液水５の量の取得は、液水センサ１ｂを用いて行ってもよいが、エンドプレート２４ａに近いほど液水５が溜まり易いことから、エンドプレート２４ａの近くに配置された液水センサ１ａを用いることが好ましい。

次いで、ＥＣＵ１０は、液水センサ１ｂにより取得した液水５の量Ａ１と液水センサ１ａにより取得した液水５の量Ａ２との差（Ａ１−Ａ２）から、ＦＣスタック２０の傾斜角度を算出する（ステップＳ５２）。その後、ＥＣＵ１０は、実施例２の図９のステップＳ３４からステップＳ４２と同じ処理であるステップＳ５４からステップＳ６２を実行する。

ステップＳ５６においては、（Ａ１−Ａ２）の値が大きい場合はＦＣスタック２０の正の傾斜角度が大きく、（Ａ１−Ａ２）の値が小さい場合はＦＣスタック２０の正の傾斜角度が小さいことから、（Ａ１−Ａ２）の値が大きい場合は小さい場合に比べてＦＣスタック２０に供給される空気流量が多くなるように調整する。

実施例２では、ＦＣスタック２０に設けた傾斜角センサ６の計測結果からＦＣスタック２０の傾斜角度を取得する場合を例に示したが、実施例３のように、複数の液水センサ１ａ、１ｂにより取得した液水５の量の差からＦＣスタック２０の傾斜角度を算出してもよい。

図１５は、実施例３の変形例１におけるＦＣスタックを示す図である。図１５を参照して、実施例３の変形例１では、液水センサ１ｂがガス排出管３２に設けられている。その他の構成は、実施例３と同じであるため説明を省略する。

液水センサ１ｂは、複数の単セル２１の中央２９よりもエンドプレート２４ａ側に位置して空気排出マニホールド２６に設けられていてもよいし、ガス排出管３２等のような中央２９よりもガス排出管３２側に位置して設けられていてもよい。実施例３のように、液水センサ１ａ、１ｂが近づいて配置されていることで、配線の取り回しが容易となり、液水センサ１ａ、１ｂを簡易に設置することができる。実施例３の変形例１のように、液水センサ１ｂが液水センサ１ａから離れて配置されていることで、空気排出マニホールド２６から液水５が排出されたかを良好に検知できる。液水センサ１ｂを空気排出マニホールド２６の出口２６ａ付近に設けることで結露検知等にも用いることができる。

図１６は、車両に搭載された実施例４に係る燃料電池システムの構成図である。図１６を参照して、実施例４の燃料電池システム４００では、液水センサ１は水素排出マニホールドに設けられている。その他の構成は、実施例１の図１と同じであるため説明を省略する。図１７は、実施例４におけるＦＣスタックを示す図である。図１７を参照して、ＦＣスタック２０の内部には、水素供給マニホールド２７及び水素排出マニホールド２８が形成されている。水素供給マニホールド２７及び水素排出マニホールド２８は共に、複数の単セル２１、集電板２２ｂ、絶縁板２３ｂ、及びエンドプレート２４ｂを複数の単セル２１が積層されたＺ方向に貫通して形成されている。水素排出マニホールド２８は水素供給マニホールド２７よりも重力方向Ｇにおいて下側に位置している。

液水センサ１は水素排出マニホールド２８に設けられている。液水センサ１は、複数の単セル２１が積層されたＺ方向における複数の単セル２１の中央２９よりも水素排出マニホールド２８の出口２８ａとは反対側であるエンドプレート２４ａ側に位置して水素排出マニホールド２８に設けられている。ＥＣＵ１０は、液水センサ１により取得した液水５の量に応じて、インジェクタ５６及び／又は循環ポンプ５９を制御してＦＣスタック２０に供給される水素の流量を調整する。

実施例４におけるＥＣＵ１０の排水処理の制御は、実施例１の図５のステップ１４においてエアコンプレッサ３５を制御して空気流量を調整する代わりにインジェクタ５６及び／又は循環ポンプ５９を制御して水素流量を調整すること以外は、図５と同じ方法によって実行される。

実施例４のように、液水センサ１が水素排出マニホールド２８に設けられ、ＥＣＵ１０は液水センサ１により取得した液水５の量が第１所定値以上である場合、インジェクタ５６及び／又は循環ポンプ５９を制御してＦＣスタック２０に供給される水素の流量を通常運転時に比べて多くしてもよい。これにより、水素排出マニホールド２８内の液水５の排水を適切に行うことができ、水素欠による触媒の劣化を抑制することができる。

実施例５においても、実施例２と同様にＦＣスタック２０に傾斜角センサ６を設けてもよいし、実施例３及び実施例３の変形例１と同様に複数の液水センサ１ａ、１ｂによりＦＣスタック２０の傾斜角度を算出してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１、１ａ、１ｂ 液水センサ
３ 基板
４ａ、４ｂ 電極
５ 液水
６ 傾斜角センサ
１０ ＥＣＵ
２０ 燃料電池スタック
２１ 単セル
２２ａ、２２ｂ 集電板
２３ａ、２３ｂ 絶縁板
２４ａ、２４ｂ エンドプレート
２５ 空気供給マニホールド
２６ 空気排出マニホールド
２６ａ 空気排出マニホールドの出口
２７ 水素供給マニホールド
２８ 水素排出マニホールド
２８ａ 水素排出マニホールドの出口
２９ 中央
３０ 酸化剤ガス系
３１ ガス供給管
３２ ガス排出管
３４ エアクリーナー
３５ エアコンプレッサ
３６ インタークーラ
３７ 調圧弁
５０ 燃料ガス系
５１ ガス供給管
５２ ガス排出管
５３ ガス循環管
５４ タンク弁
５５ 調圧弁
５６ インジェクタ
５７ 気液分離器
５８ 排水弁
５９ 循環ポンプ
６０ タンク
７０ 電力系
８０ 冷却系
１００、４００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 積層された複数の単セルと、前記複数の単セルを貫通し、前記複数の単セルに反応ガスを供給する供給マニホールド及び前記供給マニホールドよりも重力方向下側に位置し前記複数の単セルから前記反応ガスが排出される排出マニホールドと、を有する燃料電池スタックと、
   前記供給マニホールドを介して前記複数の単セルに前記反応ガスを供給するガス供給部と、
   前記排出マニホールドに設けられ、前記複数の単セルの積層方向における前記複数の単セルの中央よりも前記排出マニホールドの出口とは反対側に位置し、前記排出マニホールド内の液水量を検知するための液水センサと、
   前記燃料電池スタックの発電時において前記液水センサによって検知した液水量が所定値以上である場合、前記ガス供給部を制御して前記燃料電池スタックに供給される前記反応ガスの流量を前記燃料電池スタックの通常運転時に比べて多くする制御部と、を備える燃料電池システム。

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