JP2023129803A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】電解質膜のクロスリーク発生の前兆を捉え、クロスリーク発生を抑制する。【解決手段】燃料電池システム１０は、カソード装置１４、アノード装置１６、フッ化物イオン検出器７４および制御装置２０を備える。制御装置２０は、フッ化物イオン検出器７４が検出したフッ化物イオンの濃度が所定の濃度閾値を超えた場合、カソード装置１４およびアノード装置１６の少なくとも一方を制御して、燃料電池スタック１２を構成する発電セル２２の膜電極構造体に加わる負荷（流量、圧力）を調整する。【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料電池スタックにアノードガス（水素ガス）とカソードガス（酸素ガス）とを供給することで、燃料電池スタック内に積層された各発電セルに発電を行わせる。発電セルは、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応によって発電する。
発電セルは、膜電極構造体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有する。この膜電極構造体にクロスリークが生じる場合がある。クロスリークは、アノードガス流路を流通するアノードガスが電解質膜を通過してカソードガス流路に流れ込む現象である。この現象は、膜電極構造体の電解質膜の厚さが薄くなる、あるいは、電解質膜に微小の孔が形成される等の要因によって生じる。
下記の特許文献１には、クロスリークが生じる前に、燃料電池の劣化の進行状態を診断することが可能な劣化判定装置が開示されている。この劣化判定装置は、膜電極構造体を構成する材料から溶出する特定成分によって腐食する物質を含み、当該物質の腐食の進行度合いに基づいて、燃料電池の劣化を判定する。
しかし、腐食は比較的長い期間をかけて進行するため、劣化判定装置が物質の腐食を特定したときには、既にクロスリークが生じていることが懸念される。クロスリークが生じている状態で燃料電池スタックを運転すると、膜電極構造体の劣化の進行が加速し、膜電極構造体の寿命が短くなる課題がある。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の一態様は、膜電極構造体を有する発電セルが収容される燃料電池スタックを運転する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソード装置と、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノード装置と、前記カソードガスまたは前記アノードガスが流れる流路上に設けられ、前記膜電極構造体から溶出するフッ化物イオンを検出するイオン検出器と、前記カソード装置および前記アノード装置を制御する制御装置と、を備え、前記フッ化物イオンの濃度が所定の濃度閾値を超えた場合、前記制御装置は、前記カソード装置および前記アノード装置の少なくとも一方を制御して、前記膜電極構造体に加わる負荷を調整する。
本発明の一態様によれば、クロスリークが発生する前に膜電極構造体の劣化の進行を遅らせることができ、この結果、膜電極構造体の寿命を延ばすことができる。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、移動体に搭載される。移動体として、例えば、車両、潜水艦、宇宙船、船舶、航空機、ロボット等が挙げられる。車両は、四輪車（自動車）であってもよいし、二輪車または三輪車であってもよい。
図１は、第１実施形態による燃料電池システム１０の構成を示す概略図である。燃料電池システム１０は、移動体に搭載される。移動体として、例えば、車両、潜水艦、宇宙船、船舶、航空機、ロボット等が挙げられる。車両は、四輪車（自動車）であってもよいし、二輪車または三輪車であってもよい。
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２、カソード装置１４、アノード装置１６、冷却装置１８および制御装置２０を備える。
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２２を収容する。複数の発電セル２２は積層され、積層体を形成する。各発電セル２２は、カソードガスとアノードガスとの電気化学反応によって発電を行う。カソードガスは、エア等の酸素を含む酸化剤ガスであり、アノードガスは、水素等を含む燃料ガスである。
燃料電池スタック１２は、カソードガスを入力するためのカソードガス入力部１２－１と、カソードガスを出力するためのカソードガス出力部１２－２とを有する。また、燃料電池スタック１２は、アノードガスを入力するためのアノードガス入力部１２－３と、アノードガスを出力するためのアノードガス出力部１２－４とを有する。さらに、燃料電池スタック１２は、冷媒を入力するための冷媒入力部１２－５と、冷媒を出力するための冷媒出力部１２－６とを有する。冷媒は、燃料電池スタック１２が発する熱を冷却することができる媒体であれば、液体であってもよいし、気体であってもよい。
カソード装置１４は、カソードガスを燃料電池スタック１２に供給する。カソード装置１４は、カソード供給路２４、カソード排出路２６、流量調整弁２７、カソードポンプ２８および加湿器３０を有する。
カソード供給路２４の一端はカソードポンプ２８に接続され、カソード供給路２４の他端は燃料電池スタック１２のカソードガス入力部１２－１に接続される。カソード供給路２４を流れるカソードガスは、カソードガス入力部１２－１を介して、各発電セル２２に供給される。
カソード排出路２６の一端はカソードガス出力部１２－２に接続され、カソード排出路２６の他端は大気に開放される。各発電セル２２から流出するカソードガスは、カソードガス出力部１２－２を介して、カソード排出路２６に排出される。
流量調整弁２７は、カソードポンプ２８と加湿器３０との間のカソード供給路２４上に設けられる。流量調整弁２７は、制御装置２０によって開度を調整可能に構成される。流量調整弁２７の開度に応じて、加湿器３０に供給するカソードガス量が調整され得る。
カソードポンプ２８は、カソード供給路２４にカソードガスを出力する。カソードポンプ２８は、カソードガスのガス圧を調整可能に構成される。カソードポンプ２８によるカソードガスのガス圧は、制御装置２０によって制御される。
加湿器３０は、カソード供給路２４を流れるカソードガスを、カソード排出路２６から回収した水分により加湿する。加湿器３０は、カソードガスの加湿量を調整可能に構成される。カソードガスの加湿量は、制御装置２０によって制御される。
例えば、加湿器３０は、回収部３０－１、加湿部３０－２、迂回経路３０－３および流量調整弁３０－４を含む。回収部３０－１は、カソード排出路２６上に配置される。回収部３０－１は、カソード排出路２６を流れるカソードガスの水分を回収し、加湿部３０－２に供給する。加湿部３０－２は、回収部３０－１によって回収された水分から水蒸気を生成し、生成した水蒸気をカソード供給路２４に供給する。迂回経路３０－３は、カソード供給路２４のうち、加湿部３０－２の上流の部分から分岐する。迂回経路３０－３は、カソード供給路２４のうち、加湿部３０－２の下流の部分に接続される。つまり、迂回経路３０－３は、加湿部３０－２を経由しない回路である。流量調整弁３０－４は、迂回経路３０－３上に設けられており、制御装置２０によって開度を調整可能に構成される。流量調整弁３０－４の開度に応じて、加湿部３０－２に供給されるカソードガス量が増減され、カソードガスの加湿量が調整され得る。
アノード装置１６は、アノードガスを燃料電池スタック１２に供給し、燃料電池スタック１２から排出されるアノードガスを循環させる。アノード装置１６は、アノードガス供給路３１、循環路３２、パージ路３４、アノードガス供給部３６、循環ポンプ３８、エジェクタ４０および排出弁４２を有する。
アノードガス供給路３１の一端は燃料電池スタック１２のアノードガス入力部１２－３に接続され、アノードガス供給路３１の他端はアノードガス供給部３６に接続される。アノードガス供給路３１を流れるアノードガスは、アノードガス入力部１２－３を介して、各発電セル２２に供給される。
循環路３２の一端は燃料電池スタック１２のアノードガス出力部１２－４に接続され、循環路３２の他端はエジェクタ４０に接続される。各発電セル２２から流出するアノードガスは、アノードガス出力部１２－４を介して、循環路３２に排出される。循環路３２には循環ポンプ３８が設けられる。
パージ路３４は、循環路３２のうち、アノードガス出力部１２－４と循環ポンプ３８との間の部分から分岐する。パージ路３４には排出弁４２が設けられる。
アノードガス供給部３６は、アノードガスをアノードガス供給路３１に供給可能であり、アノードガスの供給量を調整可能に構成される。アノードガスの供給量は、制御装置２０によって制御される。
例えば、アノードガス供給部３６は、アノードガスタンク３６－１および減圧弁３６－２を含む。アノードガスタンク３６－１は、アノードガスを貯留する。減圧弁３６－２は、アノードガス供給路３１上に設けられており、アノードガスタンク３６－１に貯留されたアノードガスのガス圧を減圧する。減圧弁３６－２は、アノードガスのガス圧の減圧量を制御装置２０によって調整可能に構成される。減圧弁３６－２の減圧量に応じて、減圧弁３６－２の下流に流れるアノードガス量が調整され得る。
循環ポンプ３８は、燃料電池スタック１２から循環路３２を介して排出されるアノードガスをエジェクタ４０に供給する。循環ポンプ３８は、アノードガスの供給量を調整可能である。循環ポンプ３８によるアノードガスの供給量は、制御装置２０によって制御される。
エジェクタ４０は、アノードガス供給部３６から供給されるアノードガスを燃料電池スタック１２に供給する。また、エジェクタ４０は、アノードガスが内部を流通することにより発生する負圧によって循環路３２からアノードガスを吸引し、燃料電池スタック１２に供給する。
排出弁４２は、開閉可能に構成される。排出弁４２が開いた状態では、燃料電池スタック１２から循環路３２に排出されるアノードガスおよび水分は、パージ路３４に流れる。逆に、排出弁４２が閉じた状態では、燃料電池スタック１２から循環路３２に排出されるアノードガスは、循環ポンプ３８に流れる。排出弁４２の開閉は、制御装置２０によって制御される。
冷却装置１８は、燃料電池スタック１２から排出される冷媒を冷却し、冷却された冷媒を燃料電池スタック１２に供給する。冷却装置１８は、冷媒の温度を調整可能に構成される。
例えば、冷却装置１８は、冷媒供給路４４、冷媒排出路４５、冷媒迂回路４６、流量調整弁４７およびラジエータ４８を含む。冷媒供給路４４の一端はラジエータ４８に接続され、冷媒供給路４４の他端は冷媒入力部１２－５に接続される。冷媒供給路４４を流れる冷媒は、各発電セル２２の間に供給される。冷媒排出路４５の一端は冷媒出力部１２－６に接続され、冷媒排出路４５の他端はラジエータ４８に接続される。各発電セル２２の間を流れる冷媒は、冷媒出力部１２－６から冷媒排出路４５に流出する。
冷媒迂回路４６は、冷媒排出路４５と冷媒供給路４４とに接続されており、ラジエータ４８を経由しない。流量調整弁４７は、冷媒迂回路４６上に設けられており、制御装置２０によって開度を調整可能に構成される。流量調整弁４７の開度に応じて、ラジエータ４８に供給される冷媒量が増減され、冷媒の温度が調整され得る。
制御装置２０は、燃料電池システム１０全体を包括的に制御する。制御装置２０は、燃料電池スタック１２で発電を行うための発電動作を実行可能である。例えば入力装置（図示せず）から発電実行命令が与えられた場合、制御装置２０は、発電動作を実行する。この場合、制御装置２０は、カソード装置１４を制御して燃料電池スタック１２にカソードガスを供給するとともに、アノード装置１６を制御して燃料電池スタック１２にアノードガスを供給する。
図２は、発電セル２２を示す断面図である。発電セル２２は、固体高分子型燃料電池である。発電セル２２は、膜電極構造体５０と、セパレータ５２とを有する。膜電極構造体５０は、以下、ＭＥＡ５０と称する。セパレータ５２は、第１セパレータ片５４と第２セパレータ片５６とを有する。第１セパレータ片５４と第２セパレータ片５６とが押圧されることによってセパレータ５２が形成される。セパレータ５２は、ＭＥＡ５０を挟持する。
ＭＥＡ５０は、電解質膜５８、アノード触媒層６０、アノード拡散層６２、カソード触媒層６４およびカソード拡散層６６を有する。アノード触媒層６０とアノード拡散層６２とが積層されることによりアノード電極が形成され、カソード触媒層６４とカソード拡散層６６とが積層されることによりカソード電極が形成される。
電解質膜５８は、固体高分子電解質膜等で構成される。具体的には、フッ素樹脂系イオン交換膜が挙げられる。アノード触媒層６０は、電解質膜５８の一方の面に設けられる。アノード拡散層６２は、アノード触媒層６０のうち、電解質膜５８に向く面とは反対側の面に設けられる。カソード触媒層６４は、電解質膜５８の他方の面に設けられる。カソード拡散層６６は、カソード触媒層６４のうち、電解質膜５８に向く面とは反対側の面に設けられる。
カソード拡散層６６に向く第１セパレータ片５４の内面には溝が形成される。この溝によって、カソード拡散層６６と第１セパレータ片５４との間にカソード流路６８が形成される。アノード拡散層６２に向く第２セパレータ片５６の内面には溝が形成される。この溝によって、アノード拡散層６２と第２セパレータ片５６との間にアノード流路７０が形成される。
第１セパレータ片５４の外面および第２セパレータ片５６の外面には溝が形成される。第１セパレータ片５４の外面は第１セパレータの内面と反対側の面であり、第２セパレータ片５６の外面は第２セパレータ片５６の内面と反対側の面である。
第１セパレータ片５４に他の発電セル２２が隣接する場合、第１セパレータ片５４の外面に形成される溝と、他の発電セル２２の第２セパレータ片５６の外面に形成される溝とは、冷媒流路７２を構成する。同様に、第２セパレータ片５６に他の発電セル２２が隣接する場合、第２セパレータ片５６の外面に形成される溝と、他の発電セル２２の第１セパレータ片５４の外面に形成される溝とは、冷媒流路７２を構成する。
本実施形態の燃料電池システム１０は、イオン検出器７４（図１）をさらに備える。イオン検出器７４は、ＭＥＡ５０から溶出するフッ化物イオンを検出し、検出信号を制御装置２０に出力する。
ＭＥＡ５０から溶出するフッ化物イオンは、カソード流路６８またはアノード流路７０に移動し、アノードガスまたはカソードガスに含まれる水分に溶解する。イオン検出器７４は、アノードガスまたはカソードガスが流れる流路上に設けられる。図１では、燃料電池スタック１２のカソードガス出力部１２－２にイオン検出器７４が設けられる場合の例が示されている。
制御装置２０は、燃料電池スタック１２の発電動作時に、イオン検出器７４から検出される検出信号に基づいてフッ化物イオンの濃度を測定する。フッ化物イオンは、クロスリークが発生する前にＭＥＡ５０から溶出する。したがって、制御装置２０は、クロスリークが発生する前からのＭＥＡ５０の劣化の進行を鋭敏に補足することができる。
制御装置２０は、フッ化物イオンの濃度を所定の濃度閾値と比較する。フッ化物イオンの濃度が所定の濃度閾値を超えた場合、制御装置２０は、カソード装置１４およびアノード装置１６の少なくとも一方を制御して、発電セル２２の膜電極構造体に加わる負荷を調整する。これにより、クロスリークが発生する前にＭＥＡ５０の劣化の進行を遅らせることができる。
制御装置２０は、フッ化物イオンの濃度が大きいほどＭＥＡ５０に加わる負荷を小さくしてもよい。これにより、フッ化物イオンの濃度に応じて、ＭＥＡ５０の劣化の進行を遅らせる程度を調整することができる。
制御装置２０は、ＭＥＡ５０に加わる負荷を小さくするために、複数の制御処理の少なくとも１つを選択し得る。
すなわち、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスの流量を下げ得る。本実施形態では、制御装置２０は、カソード装置１４の流量調整弁２７を制御して、フッ化物イオンの濃度が大きいほど流量調整弁２７の開度を小さくする。これにより、ＭＥＡ５０のカソード側からアノード側への酸素の透過性が抑制される。この結果、ＭＥＡ５０の劣化を抑制することができる。
また、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスのガス圧を下げ得る。本実施形態では、制御装置２０は、カソードポンプ２８を制御して、フッ化物イオンの濃度が大きいほどポンプ圧を小さくする。その結果、カソードガスのガス圧が下がる。これにより、ＭＥＡ５０のカソード側からアノード側への酸素の透過性が抑制される。この結果、ＭＥＡ５０の劣化を抑制することができる。
制御装置２０は、カソードガスのガス圧を下げる場合、アノード装置１６を制御してアノードガスのガス圧を下げてもよい。本実施形態では、制御装置２０は、例えば、カソードガスのガス圧との差が一定となるように、減圧弁３６－２を制御する。これにより、ＭＥＡ５０のアノード側とカソード側との差圧が過大になることを抑制することができる。
また、制御装置２０は、加湿器３０を制御してカソードガスの加湿量を上昇させ得る。本実施形態では、制御装置２０は、フッ化物イオンの濃度が大きいほど流量調整弁３０－４の開度を小さくし、加湿部３０－２に供給するカソードガス量を増やす。これにより、ＭＥＡ５０におけるラジカル耐性を高めることができる。この結果、ＭＥＡ５０の劣化を抑制することができる。
また、制御装置２０は、冷却装置１８を制御して冷媒の温度を下降させ得る。本実施形態では、制御装置２０は、フッ化物イオンの濃度が大きいほど流量調整弁４７の開度を小さくし、ラジエータ４８で冷やす冷媒量を増やす。この結果、冷媒の温度が下降し、燃料電池スタック１２を冷却する能力が高まる。これにより、発電セル２２での電気化学反応の反応速度を抑制することができる。この結果、ＭＥＡ５０の劣化を抑制することができる。
〔第２実施形態〕
図３は、第２実施形態による燃料電池システム１０を示す図である。図３では、第１実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。本実施形態では、第１実施形態と重複する説明は割愛する。
図３は、第２実施形態による燃料電池システム１０を示す図である。図３では、第１実施形態において説明した構成と同等の構成には同一の符号が付されている。本実施形態では、第１実施形態と重複する説明は割愛する。
本実施形態の燃料電池システム１０は、温度センサ７６、第１湿度センサ７８および第２湿度センサ８０をさらに備える。
温度センサ７６は、燃料電池スタック１２の温度を検出し、検出信号を制御装置２０に出力する。温度センサ７６は、燃料電池スタック１２の外部に設けられてもよいし、燃料電池スタック１２の内部に設けられてもよい。
第１湿度センサ７８は、カソードガスの湿度（相対湿度）を検出し、検出信号を制御装置２０に出力する。第１湿度センサ７８は、カソードガスの流路上に設けられる。図１では、燃料電池スタック１２のカソードガス出力部１２－２に第１湿度センサ７８が設けられる場合の例が示されている。
第２湿度センサ８０は、アノードガスの湿度（相対湿度）を検出し、検出信号を制御装置２０に出力する。第２湿度センサ８０は、アノードガスの流路上に設けられる。図１では、燃料電池スタック１２のアノードガス出力部１２－４に第２湿度センサ８０が設けられる場合の例が示されている。
図４は、第２実施形態による制御装置２０の制御処理の流れを示すフローチャートである。制御装置２０の制御処理は、所定の周期毎に実行される。制御装置２０は、イオン検出器７４から出力される検出信号に基づいてフッ化物イオンの濃度を測定し、フッ化物イオンの濃度を所定の濃度閾値と比較する（ステップＳ１）。
フッ化物イオンの濃度が所定の濃度閾値を超える場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、制御装置２０は、温度センサ７６、第１湿度センサ７８および第２湿度センサ８０から出力される検出信号に基づいて、第１制御動作、第２制御動作、第３制御動作および第４制御動作のいずれかを実行する。
すなわち、温度センサ７６によって検出される燃料電池スタック１２の温度が所定の温度閾値以上であり（ステップＳ２：ＹＥＳ）、かつ、第１湿度センサ７８によって検出されるカソードガスの湿度が所定の第１湿度以上である場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御装置２０は、第１制御動作を実行する（ステップＳ５）。この場合、制御装置２０は、冷却装置１８を制御して冷媒の温度を下降させるとともに、カソード装置１４を制御してカソードガスのガス圧を上げる。これにより、アノードガスおよびカソードガスに含有する水量を増加させることができ、増加する水量によりフッ化物イオン濃度を下げることができる。なお、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスのガス圧を上げる場合に、アノード装置１６を制御して、カソードガスのガス圧との差が一定となるようにアノードガスのガス圧を上げてもよい。
また、温度センサ７６によって検出される燃料電池スタック１２の温度が所定の温度閾値以上であり（ステップＳ２：ＹＥＳ）、かつ、第１湿度センサ７８によって検出されるカソードガスの湿度が所定の第１湿度未満である場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御装置２０は、第２制御動作を実行する（ステップＳ６）。この場合、制御装置２０は、冷却装置１８を制御して冷媒の温度を下降させ、カソード装置１４を制御してカソードガスの加湿量を上げる。これに加えて、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスの流量を下げるとともにカソードガスのガス圧を下げる。これにより、アノードガスおよびカソードガスの含水量を増加させることができ、当該含水量の増加によりフッ化物イオン濃度を下げることができる。なお、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスのガス圧を下げる場合に、アノード装置１６を制御して、カソードガスのガス圧との差が一定となるようにアノードガスのガス圧を下げてもよい。
温度センサ７６によって検出される燃料電池スタック１２の温度が所定の温度閾値未満であり（ステップＳ２：ＮＯ）、かつ、第２湿度センサ８０によって検出されるアノードガスの湿度が所定の第２湿度以上である場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、制御装置２０は、第３制御動作を実行する（ステップＳ７）。この場合、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスのガス圧を下げる。これにより、アノードガスおよびカソードガスの含水量を増加させることができ、当該含水量の増加によりフッ化物イオン濃度を下げることができる。なお、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスのガス圧を下げる場合に、アノード装置１６を制御して、カソードガスのガス圧との差が一定となるようにアノードガスのガス圧を下げてもよい。
温度センサ７６によって検出される燃料電池スタック１２の温度が所定の温度閾値未満であり（ステップＳ２：ＮＯ）、かつ、第２湿度センサ８０によって検出されるアノードガスの湿度が所定の第２湿度未満である場合（ステップＳ４：ＮＯ）、制御装置２０は、第４制御動作を実行する（ステップＳ８）。この場合、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスの加湿量を上げる。これに加えて、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスの流量を下げるとともにカソードガスのガス圧を下げる。これにより、アノードガスおよびカソードガスに含有する水の蒸発を抑制し、その結果、ＭＥＡ５０内におけるアノードガスおよびカソードガスの含水量を増加させてフッ化物イオン濃度を下げることができる。なお、制御装置２０は、カソード装置１４を制御してカソードガスのガス圧を下げる場合に、アノード装置１６を制御して、カソードガスのガス圧との差が一定となるようにアノードガスのガス圧を下げてもよい。
このように、フッ化物イオンの濃度が所定の濃度閾値を超える場合、制御装置２０は、燃料電池スタック１２の温度と、アノードガスの湿度と、カソードガスの湿度とに基づいて、カソード装置１４およびアノード装置１６の少なくとも一方を制御する。これにより、スタック温度およびガス湿度を考慮しない場合に比べて、発電セル２２での発電の安定性を向上させることができる。
以上の記載から把握し得る技術的思想および効果について以下に記載する。
本発明の一態様は、膜電極構造体（５０）を有する発電セル（２２）が収容される燃料電池スタック（１２）を運転する燃料電池システム（１０）であって、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソード装置（１４）と、前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノード装置（１６）と、前記カソードガスまたは前記アノードガスが流れる流路上に設けられ、前記膜電極構造体から溶出するフッ化物イオンを検出するイオン検出器（７４）と、前記カソード装置および前記アノード装置を制御する制御装置（２０）と、を備え、前記フッ化物イオンの濃度が所定の濃度閾値を超えた場合、前記制御装置は、前記カソード装置および前記アノード装置の少なくとも一方を制御して、前記膜電極構造体に加わる負荷を調整する。
これにより、クロスリークが発生する前に膜電極構造体の劣化の進行を遅らせることができ、この結果、膜電極構造体の寿命を延ばすことができる。
前記制御装置は、前記フッ化物イオンの濃度が大きいほど前記膜電極構造体に加わる負荷を小さくしてもよい。これにより、フッ化物イオンの濃度に応じて、膜電極構造体の劣化の進行を遅らせる程度を調整することができる。
前記制御装置は、前記カソード装置を制御して、前記カソードガスの流量を下げてもよい。これにより、膜電極構造体のカソード側からアノード側への酸素の透過性が抑制される。この結果、膜電極構造体の劣化を抑制することができる。
前記制御装置は、前記カソード装置を制御して、前記カソードガスのガス圧を下げてもよい。これにより、膜電極構造体のカソード側からアノード側への酸素の透過性が抑制される。この結果、膜電極構造体の劣化を抑制することができる。
前記制御装置は、前記アノード装置を制御して、前記アノードガスのガス圧を下げてもよい。これにより、膜電極構造体のアノード側とカソード側との差圧が過大になることを抑制することができる。
前記カソード装置は、前記カソードガスを加湿する加湿器（３０）を有し、前記制御装置は、前記加湿器を制御して前記カソードガスの加湿量を上昇させてもよい。これにより、膜電極構造体におけるラジカル耐性を高めることができる。この結果、膜電極構造体の劣化を抑制することができる。
燃料電池システムは、前記燃料電池スタックから供給される冷媒を冷却し、冷却された前記冷媒を前記燃料電池スタックに供給する冷却装置（１８）を備え、前記制御装置は、前記冷却装置を制御して前記冷媒の温度を下降させてもよい。これにより、発電セルでの電気化学反応の反応速度を抑制することができる。この結果、膜電極構造体の劣化を抑制することができる。
燃料電池システムは、前記燃料電池スタックに設けられ、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度センサ（７６）と、前記カソードガスが流れる流路上に設けられ、前記カソードガスの湿度を検出する第１湿度センサ（７８）と、前記アノードガスが流れる流路上に設けられ、前記アノードガスの湿度を検出する第２湿度センサ（８０）と、を備え、前記フッ化物イオンの濃度が前記濃度閾値を超えた場合、前記制御装置は、前記温度センサ、前記第１湿度センサおよび前記第２湿度センサに基づいて、前記カソード装置および前記アノード装置の少なくとも一方を制御してもよい。これにより、スタック温度およびガス湿度を考慮しない場合に比べて、発電セルでの発電の安定性を向上させることができる。
１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…カソード装置 １６…アノード装置
１８…冷却装置 ２０…制御装置
２２…発電セル ５０…膜電極構造体
５８…電解質膜 ７４…イオン検出器
７６…温度センサ ７８…第１湿度センサ
８０…第２湿度センサ
１４…カソード装置 １６…アノード装置
１８…冷却装置 ２０…制御装置
２２…発電セル ５０…膜電極構造体
５８…電解質膜 ７４…イオン検出器
７６…温度センサ ７８…第１湿度センサ
８０…第２湿度センサ
Claims (8)
- 膜電極構造体を有する発電セルが収容される燃料電池スタックを運転する燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するカソード装置と、
前記燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノード装置と、
前記カソードガスまたは前記アノードガスが流れる流路上に設けられ、前記膜電極構造体から溶出するフッ化物イオンを検出するイオン検出器と、
前記カソード装置および前記アノード装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記フッ化物イオンの濃度が所定の濃度閾値を超えた場合、前記制御装置は、前記カソード装置および前記アノード装置の少なくとも一方を制御して、前記膜電極構造体に加わる負荷を調整する、燃料電池システム。 - 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記フッ化物イオンの濃度が大きいほど前記膜電極構造体に加わる負荷を小さくする、燃料電池システム。 - 請求項１または２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記カソード装置を制御して、前記カソードガスの流量を下げる、燃料電池システム。 - 請求項１～３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記カソード装置を制御して、前記カソードガスのガス圧を下げる、燃料電池システム。 - 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記制御装置は、前記アノード装置を制御して、前記アノードガスのガス圧を下げる、燃料電池システム。 - 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記カソード装置は、前記カソードガスを加湿する加湿器を有し、
前記制御装置は、前記加湿器を制御して前記カソードガスの加湿量を上昇させる、燃料電池システム。 - 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックから供給される冷媒を冷却し、冷却された前記冷媒を前記燃料電池スタックに供給する冷却装置を備え、
前記制御装置は、前記冷却装置を制御して前記冷媒の温度を下降させる、燃料電池システム。 - 請求項１～７のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックに設けられ、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度センサと、
前記カソードガスが流れる流路上に設けられ、前記カソードガスの湿度を検出する第１湿度センサと、
前記アノードガスが流れる流路上に設けられ、前記アノードガスの湿度を検出する第２湿度センサと、
を備え、
前記フッ化物イオンの濃度が前記濃度閾値を超えた場合、前記制御装置は、前記温度センサ、前記第１湿度センサおよび前記第２湿度センサに基づいて、前記カソード装置および前記アノード装置の少なくとも一方を制御する、燃料電池システム。
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