JP4868095B1 - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

燃料電池内の含水状態を、高出力の達成及びドライアップ発生の回避を実現可能とする最適な状態に管理することが可能な燃料電池システムを提供する無加湿条件下で運転される燃料電池システムであって、燃料ガス流路における燃料ガスと酸化剤ガスにおける流路における酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路の出口における水蒸気量との関係から予め設定された前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記水蒸気量を制御する水蒸気量制御手段を備えることを特徴とする、第一の燃料電池システム、並びに、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスと前記酸化剤ガスにおける流路における前記酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量との関係から予め設定された前記平均流量の目標値に基づいて、前記平均流量を制御する平均流量制御手段を備えることを特徴とする、第二の燃料電池システム。
【選択図】図７

Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池を備えた燃料電池システム、特に、無加湿条件下、燃料電池を運転させる燃料電池システムであって、高温運転時にも燃料電池内部の乾燥状態を回避し、安定した発電を可能とする燃料電池システムに関する。
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。火力発電とは異なり、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないため、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で狭持した膜・電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。中でも、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、小型化が容易であること、低い温度で作動すること、などの利点があることから、特に携帯用、移動体用電源として注目されている。
固体高分子電解質型燃料電池では、水素を燃料とした場合、アノード電極（燃料極）では式（Ａ）の反応が進行する。
Ｈ２ → ２Ｈ＋ ＋ ２ｅ− ・・・（Ａ）
前記式（Ａ）で生じる電子は、外部回路を経由し、外部の負荷で仕事をした後、カソード電極（酸化剤極）に到達する。そして、前記式（Ａ）で生じたプロトンは、水和した状態で、固体高分子電解質内をアノード電極側からカソード電極側に、電気浸透により移動する。
また、酸素を酸化剤とした場合、カソード電極では式（Ｂ）の反応が進行する。
２Ｈ＋ ＋ （１／２）Ｏ２ ＋ ２ｅ− → Ｈ２Ｏ ・・・（Ｂ）
カソード電極で生成した水は、ガス流路等を経て外部へと排出される。このように、燃料電池は、水以外の排出物がなく、クリーンな発電装置である。
固体高分子電解質型燃料電池では、電解質膜や電極内の水分量によって、その発電性能が大きく左右される。すなわち、排出物である水分が過剰である場合には、燃料電池内部において凝縮した水が、電極内の空隙、さらにはガス流路を塞いで反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）の供給を阻害し、発電のための反応ガスが電極に充分に行き渡らずに、濃度過電圧が増大し、燃料電池の出力や発電効率が低下するという問題が生じる。一方、燃料電池内の水分が不足し、電解質膜や電極が乾燥した場合には、電解質膜や電極内におけるプロトン（Ｈ＋）の伝導性が低下し、その結果、抵抗過電圧が増大し、燃料電池の出力及び発電効率が低下するという問題が生じる。
また、固体高分子電解質型燃料電池では、電解質膜の面方向（すなわち、電極の面方向）において、不均一な水分布、すなわち、水の偏在が生じる。その結果、電解質膜の面方向において、不均一な発電量分布が生じ、さらなる水の偏在化、ひいては、燃料電池の出力及び発電効率が低下する。
以上のように、固体高分子電解質型燃料電池において、高出力及び高発電効率を実現するためには、適切な水分管理が非常に重要である。水分の不足、特にいわゆるドライアップを回避すべく、加湿した反応ガスを供給することも提案されているが、この場合、上記のような水分過剰による問題がさらに生じやすくなる。また、加湿器搭載による燃料電池の大型化やシステムの煩雑化等が生じる。
そこで、反応ガスを加湿しない無加湿条件で、燃料電池の含水状態を適切に管理し、安定した発電性能を得る試みがなされている。
例えば、特許文献１には、無加湿条件及び／又は高温条件下、運転する燃料電池システムであって、燃料電池の抵抗値、電圧、酸化剤ガスの圧力損失のいずれかに基づいて酸化剤ガス流路入口近傍の乾燥状態を判定し、該判定に基づいて、燃料ガスの流量又は燃料ガスの圧力を制御することによって、燃料電池の面内水分量分布の発生を防止するシステムが開示されている。
また、燃料電池内の含水状態を管理する技術として、例えば、特許文献２には、燃料電池の出力電流値を測定する電流センサと、燃料電池の出力電圧値を測定する電圧センサと、燃料電池の運転状態が最適な運転状態であるときの基準となる前記出力電圧値と前記出力電流値との関係を記憶する記憶部とを備え、前記電流センサにより測定された測定電流値に対応する最適電圧値を前記記憶部から読み出し、読みだした前記最適電圧値と前記電圧センサにより測定された測定電圧値の差が予め定められた閾値よりも大きい場合に、燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定する燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献３には、燃料電池の複数の計測箇所で電圧計測する計測手段と、計測された電圧のうち異なる計測箇所において計測された電圧の差から推定される前記複数の計測箇所間の含水量の差に基づいて、燃料電池の水分の偏在状況を推定する燃料電池システムが開示されている。
また、特許文献４には、燃料電池の電圧の時系列的な推移から、過渡的な負荷増加に対応した電圧の低下幅に基づいて、燃料電池の含水状態判定を行うための実行条件を具備するか判定し、該実行条件を具備すると判定された場合に、前記電圧の低下幅と、抵抗の時系列的な推移とに基づいて、燃料電池の含水状態を判定する、燃料電池システムが開示されている。
特開２００９−２５９７５８号公報 特開２０１０−１１４０３９号公報 特開２００９−１９３８１７号公報 特開２００９−１１７０６６号公報
しかしながら、従来の燃料電池における水分管理技術では、燃料電池内における乾燥状態の発生を充分に回避することができない。例えば、特許文献１に記載の技術は、無加湿条件や高温条件の際に発生しやすい、酸化剤ガス流路の入口近傍におけるドライアップを抑制できるが、検出された燃料電池の電圧、抵抗や圧力損失に基づいて燃料ガスの流量や圧力を制御するフィードバック制御であるため、一時的に燃料電池内が乾燥状態になるおそれがある。一旦、乾燥状態（ドライアップ）になった電解質膜や電極は、最適な含水状態になる、すなわち、発電性能が回復するまでに時間がかかり、また、乾燥状態になった電解質膜や電極の材料劣化が加速するという問題がある。従って、一時的であっても、燃料電池内のドライアップの発生は回避すべきである。
さらに、燃料電池の抵抗と電圧は、必ずしも対応していない。つまり、抵抗値が最も低い時にピーク電圧が得られるわけではない。従って、特許文献１のように、燃料電池の抵抗値に基づいて燃料ガスの流量や圧力を制御したとしてもピーク電圧が得られない可能性が充分にある。
その上、特許文献１等では、電圧や抵抗を測定するためのセルモニタが必要不可欠であり、燃料電池システムの高コスト化、煩雑化を招く。
本発明は、上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、燃料電池内の含水状態を、高出力の達成及びドライアップ発生の回避を実現可能とする最適な状態に管理することが可能な燃料電池システムを提供することである。
本発明の第一の燃料電池システムは、
アノード電極及びカソード電極に挟持された高分子電解質膜と、
前記アノード電極に対して、燃料成分を少なくとも含む燃料ガスを供給するために該アノード電極に対面して配置された燃料ガス流路と、
前記カソード電極に対して、酸化剤成分を少なくとも含む酸化剤ガスを供給するために前記カソード電極に対面して配置された酸化剤ガス流路と、
を有する燃料電池を備え、無加湿条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料ガス流路における前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、
前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路の出口における水蒸気量との関係から予め設定された前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記水蒸気量を制御する水蒸気量制御手段を備えることを特徴とする。
第一の燃料電池システムによれば、燃料電池の電解質膜の面方向において、均一な発電が進行するように、該面方向における水分量を適切に制御することが可能であり、しかも、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記水蒸気量が制御されるフィードフォワード制御であるため、燃料電池内の乾燥状態の発生を未然に防止することができる。
第一の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気量制御手段は、例えば、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び温度の少なくとも１つを制御することができる。
第一の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気量制御手段は、例えば、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量及び／又は前記燃料ガスの圧力を制御することができる。
第一の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気量制御手段は、例えば、前記水蒸気量の目標値と、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力及び温度の少なくとも一つとの相関関係に基づいて取得されたマップに基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び前記温度の少なくとも１つを制御することができる。
このように、マップに基づく前記水蒸気量の制御を行う場合、水蒸気制御のための測定手段等の付加的な手段を必要としないため、システムの簡素化やコスト削減が可能である。
或いは、第一の燃料電池システムが、前記水蒸気量を測定する水蒸気量測定手段を備える場合、前記水蒸気量制御手段は、前記水蒸気量測定手段により測定される前記水蒸気量が前記水蒸気量の目標値に近づくように、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び温度の少なくとも１つを制御することができる。
第一の燃料電池システムが、
燃料供給手段から前記燃料ガス流路へ前記燃料成分ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池からの排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に配置され、前記排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる再循環ポンプと、
を備える場合、
前記水蒸気量制御手段は、前記再循環ポンプにより再循環させる前記排出燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における前記燃料ガスの流量を制御することができる。
第一の燃料電池システムにおいて、前記水蒸気量制御手段は、例えば、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力及び／又は前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力を制御することができる。
本発明の第二の燃料電池システムは、
アノード電極及びカソード電極に挟持された高分子電解質膜と、
前記アノード電極に対して燃料ガスを供給するために該アノード電極に対面して配置された燃料ガス流路と、
前記カソード電極に対して酸化剤ガスを供給するために前記カソード電極に対面して配置された酸化剤ガス流路と、
を有する燃料電池を備え、無加湿条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料ガス流路における前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、
前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量との関係から予め設定された前記平均流量の目標値に基づいて、前記平均流量を制御する平均流量制御手段を備えることを特徴とする。
本発明者らは、前記平均流量が、前記水蒸気量と相関関係を有し、前記平均流量を制御することで、前記水蒸気量を制御する場合と同様に、燃料電池内の水分量を適切に制御することができることを見出した。すなわち、第二の燃料電池システムによれば、燃料電池の電解質膜の面方向において、均一な発電が進行するように、該面方向における水分量を適切に制御することが可能であり、しかも、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記水蒸気量が制御されるフィードフォワード制御であるため、燃料電池内の乾燥状態の発生を未然に防止することができる。
第二の燃料電池システムにおいて、前記平均流量制御手段は、例えば、前記平均流量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び温度の少なくとも１つを制御することができる。
第二の燃料電池システムにおいて、前記平均流量制御手段は、例えば、前記平均流量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量及び／又は前記燃料ガスの圧力を制御することができる。
第二の燃料電池システムにおいて、前記平均流量制御手段は、前記平均流量の目標値と、前記燃料電池における、前記燃料ガス流量、前記燃料ガス圧力及び温度の少なくとも一つとの相関関係に基づいて取得されたマップに基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び前記温度の少なくとも１つを制御することができる。
第二の燃料電池システムが、
燃料供給手段から前記燃料ガス流路へ前記燃料成分ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池からの排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に配置され、前記排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる再循環ポンプと、
を備える場合、
前記平均流量制御手段は、前記再循環ポンプにより再循環させる前記排出燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における前記燃料ガスの流量を制御することができる。
このとき、前記平均流量は、例えば、下記式（１）により算出することができる。
Ｑave＝Ｑa＋Ｑb／２・・・式（１）
Ｑave：前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量
Ｑa：前記再循環ポンプにより再循環させる前記排出燃料ガスの流量
Ｑb：前記燃料供給手段から供給される前記燃料成分ガスの流量
或いは、第二の燃料電池システムにおいて、前記平均流量は、例えば、下記式（２）により算出することができる。
Ｑave＝ｎＲＴ／Ｐ・・・（２）
Ｑave：前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量
ｎ：前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスのモル数
Ｒ：気体定数
Ｔ：燃料電池温度
Ｐ：前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスの圧力
このとき、前記式（２）において、
前記ｎを、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスに含まれる燃料成分のうち、前記燃料電池の発電量に対して最低限必要な燃料成分量の１／２が消費されたと仮定して算出し、
前記Ｐを、下記式（３）により算出することもできる。
Ｐ＝（Ｐin＋Ｐout）／２・・・（３）
Ｐin：前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力
Ｐout：前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力
或いは、第二の燃料電池システムが、
燃料供給手段から前記燃料ガス流路へ前記燃料成分ガスを供給する燃料ガス供給路と、
前記燃料電池からの排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる燃料ガス循環路と、
前記燃料ガス循環路に配置され、前記排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる再循環ポンプと、
を備える場合、
前記平均流量を、下記式（４）により算出することもできる。
Ｑave＝ｎ’ＲＴ／Ｐ・・・（４）
Ｑave：前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量
ｎ’：前記燃料ガス流路に供給された前記燃料ガスのうち、前記燃料供給手段から前記燃料ガス流路に供給された前記燃料成分の１／２が消費されたと仮定して算出される前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスのモル数
Ｒ：気体定数
Ｔ：燃料電池温度
Ｐ：下記式（３）により算出される前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスの圧力
Ｐ＝（Ｐin＋Ｐout）／２・・・（３）
Ｐin：前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力
Ｐout：前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力
第二の燃料電池システムにおいて、前記平均流量制御手段は、前記平均流量の目標値に基づいて、前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力及び／又は前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力を制御することができる。
本発明の第一及び第二の燃料電池システムにおいては、前記燃料電池の温度が８０℃以上であっても、乾燥状態の発生を防止し、安定した発電量を提供することができる。
本発明により提供される燃料電池システムは、高電圧を実現すると共に、ドライアップの発生を未然に防止して、高温条件下の運転でも安定した発電性能を示す。また、本発明においては、電圧や抵抗を測定するためのセルモニタを必要としないシステム構成を採用することも可能であり、燃料電池システムの簡略化、低コスト化を達成することも可能である。
燃料電池の温度と、ピーク電圧が得られる燃料ガス出口水蒸気量との関係を示すグラフである。 燃料ガス平均流量と、燃料電池電圧及び燃料電池抵抗との関係を示すグラフである。 燃料ガス出口水蒸気量と燃料ガス平均流量との関係を示すグラフである。 第一の燃料電池システムの実施形態例１００を示す図である。 第一の燃料電池システムにおける単セルの構造例を示す断面図である。 第一の燃料電池システムの実施形態例１０１を示す図である。 第二の燃料電池システムの実施形態例２００を示す図である。 第二の燃料電池システムにおいて用いられるマップの例を示すイメージ図である。
本発明の第一の燃料電池システムは、
アノード電極及びカソード電極に挟持された高分子電解質膜と、
前記アノード電極に対して、燃料成分を少なくとも含む燃料ガスを供給するために該アノード電極に対面して配置された燃料ガス流路と、
前記カソード電極に対して、酸化剤成分を少なくとも含む酸化剤ガスを供給するために前記カソード電極に対面して配置された酸化剤ガス流路と、
を有する燃料電池を備え、無加湿条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料ガス流路における前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、
前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路の出口における水蒸気量との関係から予め設定された前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記水蒸気量を制御する水蒸気量制御手段を備えることを特徴とする。
また、本発明の第二の燃料電池システムは、
アノード電極及びカソード電極に挟持された高分子電解質膜と、
前記アノード電極に対して燃料ガスを供給するために該アノード電極に対面して配置された燃料ガス流路と、
前記カソード電極に対して酸化剤ガスを供給するために前記カソード電極に対面して配置された酸化剤ガス流路と、
を有する燃料電池を備え、無加湿条件下で運転される燃料電池システムであって、
前記燃料ガス流路における前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、
前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量との関係から予め設定された前記平均流量の目標値に基づいて、前記平均流量を制御する平均流量制御手段を備えることを特徴とする。
本発明者らは、鋭意検討の結果、燃料ガス流路における燃料ガスと酸化剤ガス流路における酸化剤ガス流路の流れ方向が互いに対向する、いわゆるカウンターフローの燃料電池において、無加湿条件運転する場合、燃料ガス流路出口における水蒸気量（燃料ガス出口水蒸気量）によって燃料電池内の含水状態が推定でき、ピーク電圧を示す際の燃料ガス出口水蒸気量を把握することによって、燃料電池内の適切な水分管理が実現され、高電圧が得られるという知見を得た。
また、ピーク電圧を示す際の燃料ガス水蒸気量と燃料電池の温度との関係を調べたところ、燃料ガス水蒸気量が図１に示すような若干量の場合にピーク電圧が得られることが見出された。図１により、燃料電池温度が、７０℃以上、特に８０℃以上の条件下において、燃料ガス出口から排出される水蒸気量が約０．０２〜約０．０６７モル／ｍｉｎという若干量であるとき、ピーク電圧が得られることがわかる。
さらには、図２に示すように燃料ガス平均流量を変化させた際の燃料電池の電圧と抵抗値とを測定しつつ、燃料ガス出口水蒸気量を測定したところ、図２における状態１〜３においては、以下のような燃料ガス出口水蒸気量と燃料電池電圧及び抵抗値との関係が観察された。
すなわち、燃料ガス流路出口から排出される水蒸気量（以下、燃料ガス出口水蒸気量ということがある）が非常に少ない場合、燃料電池の電圧は低くなる（状態１）。
このように燃料ガス出口水蒸気量が非常に少ない状態というのは、燃料電池の電解質膜の面方向（すなわち電極の面方向であって、電解質膜と電極との積層方向に対して直交する方向）において、酸化剤ガス流路入口近傍の領域（つまり、燃料ガス流路出口近傍の領域）が乾燥している状態であり、該領域での発電が行われず、酸化剤ガス流路出口近傍の領域（つまり、燃料ガス流路入口近傍の領域）で集中的に発電が行われる。このとき、アノード電極側の水蒸気は、カソード電極側の乾燥を補うべく、乾燥状態のカソード電極側へと移動するために、燃料ガス出口水蒸気量は少なくなると考えられる。また、酸化剤ガス流路入口近傍の領域では、乾燥により抵抗過電圧が大きくなり、一方、酸化剤ガス流路出口近傍の領域では、酸化剤成分の濃度低下により濃度過電圧が大きくなるために、燃料電池の電圧は低くなると考えられる。
一方、燃料ガス流路出口から若干の水蒸気が排出される場合、燃料電池の電圧は高くなる（状態２）。
このように若干の水蒸気が排出される状態というのは、燃料電池の上記面方向において、含水状態が均一且つ良好な状態であり、面内で均一な発電が行われるため、濃度過電圧が低下し、さらには酸化剤ガス流路出口近傍の領域における抵抗過電圧も低くなるため、高い電圧が得られると考えられる。
また、燃料ガス流路出口から排出される水蒸気量が多い場合、燃料電池の電圧は低くなる（状態３）。
このように燃料ガス出口水蒸気量が多い状態では、燃料電池の上記面方向の酸化剤ガス流路入口近傍領域では、充分な湿潤状態であると共に酸化剤成分の濃度が充分に確保されているため発電が集中的に進行すると考えられる。一方、燃料ガス流路入口近傍の領域（つまり、酸化剤ガス流路出口近傍の領域）では、燃料ガスによって燃料ガス流路出口側へと水分が持ち去られて乾燥し且つ酸化剤成分濃度も低いため、抵抗過電圧の増加と濃度過電圧との両方が生じるため、面内において均一な発電分布が得られず、燃料電池の電圧が低くなると考えられる。
また、燃料電池の面方向において、濃度過電圧の増減と抵抗過電圧の増減は、一対一で対応しないため、図２に示すように、抵抗のボトム値を示す運転条件とピーク電圧を示す運転条件とは一致しない。すなわち、抵抗のボトムの検知により燃料電池の運転条件を制御しても、ピーク電圧が得られる運転条件には必ずしもならないため、発電効率が低くなるおそれがある。また、検知された電圧や抵抗に基づいて、燃料電池の運転条件を制御した場合には、制御の遅れにより、燃料電池内に一時的にでもドライアップ状態となる領域が発生するおそれが充分にある。一時的にでもドライアップ状態となった領域は、その発電性能が回復するのに時間を要するか、或いは、発電性能を回復しない場合もある。
本発明者らは、上記知見に基づき、燃料電池の電圧と燃料ガス出口水蒸気量との関係から、高い電圧が得られる燃料ガス出口水蒸気量を予め取得しておき、この水蒸気量を目標値として、燃料ガス流路の出口における水蒸気量を制御することによって、燃料電池の電解質膜の面方向において、均一な発電が進行するように、該面方向における水分量を適切に制御することが可能であることを見出した。さらに、本発明者らは、このような水分量の適切な管理の結果、安定且つ高い出力が得られると共に、ドライアップの発生を未然に防止することが可能であり、さらには、発電効率の低下を抑制できることを見出し、本発明の第１の燃料電池システムを完成するに至った。
また、本発明者らは、燃料ガス出口水蒸気量と、燃料ガス流路における燃料ガスの平均流量（以下、燃料ガス平均流量ということがある）との間に高い相関関係があることを見出した。すなわち、図２に示すように、燃料ガス流路における燃料ガスの平均流量が低い場合、燃料ガス出口水蒸気量が少なく、燃料電池の電圧が低い状態（上記状態１）となり、該状態１よりも燃料ガス平均流量を高くした場合、燃料ガス出口水蒸気量が若干量となり、高い燃料電池の電圧が得られる状態（上記状態２）となり、該状態２よりもさらに燃料ガス平均流量を高くした場合、燃料ガス出口水蒸気量が多くなり、燃料電池の電圧が低い状態（上記状態３）になるという知見を得た。
さらに、本発明者らは、図３に示すように、燃料ガス出口水蒸気量と燃料ガス平均流量とが、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力に関わらず、一定の相関関係を示すことから、燃料ガス平均流量を制御することで、燃料ガス出口水蒸気量を間接的に制御できることを見出した。
上記知見に基づき、本発明者らは、燃料電池の電圧と燃料ガス平均流量との関係から、高い電圧が得られる燃料ガス平均流量を予め取得しておき、この平均流量を目標値として、燃料ガス流路における燃料ガス平均流量を制御することによって、燃料電池の電解質膜の面方向において、均一な発電が進行するように、該面方向における水分量を適切に制御することが可能となり、安定且つ高い出力が得られると共に、ドライアップの発生を未然に防止することが可能であり、さらには、発電効率の低下を抑制できることを見出し、本発明の第２の燃料電池システムを完成するに至った。
以下、本発明の燃料電池システムについて、図を参照しながら説明する。
尚、本発明の燃料電池システムの用途は、特に限定されず、例えば、移動体である車両、船舶等の駆動装置に対して電力を供給する電力供給源として、また、その他さまざまな装置の電力供給源として、利用可能である。
また、本発明において、燃料ガスとは燃料成分を含むガスであって、燃料電池内の燃料ガス流路を流れるガスを意味し、燃料成分以外の成分（例えば、水蒸気や窒素ガス等）も含み得る。また、酸化剤ガスとは酸化剤成分を含むガスであって、燃料電池内の酸化剤ガス流路を流れるガスを意味し、酸化剤成分以外の成分（例えば、水蒸気や窒素ガス等）も含み得る。燃料ガスと酸化剤ガスをまとめて反応ガスということがある。
図４は、本発明の第１の燃料電池システムの実施形態例である燃料電池システム１００を示している。
燃料電池システム１００は、少なくとも、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池１と、燃料ガス配管系２と、酸化剤ガス配管系（図示せず）と、システムを統合制御する制御部３とを有する。尚、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に酸化剤ガスを供給し、燃料電池から未反応の酸化剤成分や水蒸気等を含むガス（排出酸化剤ガス）を排出する、酸化剤ガス配管系を有するが、本発明において、酸化剤ガスは、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの方向と酸化剤ガス流路を流れる酸化剤ガスの方向とが、互いに対向するいわゆるカウンターフローであれば、酸化剤ガスの供給、排出の具体的な形態は特に限定されないため、酸化剤ガス配管系については、図中の説明を省略する。
燃料電池１は、固体高分子電解質型燃料電池により構成されており、通常、多数の単セルを積層したスタック構造を有し、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給を受けて電力を発生させる。燃料電池１への酸化剤ガス及び燃料ガスの供給及び燃料電池１からの酸化剤ガス及び燃料ガスの排出は、それぞれ、酸化剤ガス配管系及び燃料ガス配管系２によりなされる。以下では、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を例に、また、燃料ガスとして水素ガスを含むガスを例に説明する。
図５は、燃料電池１を構成する単セル１２の概略断面図である。
各単セル１２は、固体高分子電解質膜１３を、カソード電極（空気極）１４及びアノード電極（燃料極）１５で狭持した膜・電極接合体１６を基本構造としている。カソード電極１４は、電解質膜１３側から順にカソード触媒層２１とガス拡散層２２とが積層した構造を有しており、アノード電極１５は、電解質膜１３側から順にアノード触媒層２３とガス拡散層２４とが積層した構造を有している。
膜・電極接合体１６は、一対のセパレータ１７、１８で、カソード電極１４及びアノード電極１５を両側から挟みこまれている。カソード側のセパレータ１７には、カソード電極１４に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路を形成する溝が設けられており、該溝とカソード電極１４とによって酸化剤ガス流路１９が画成されている。アノード側のセパレータ１８には、アノード電極１５に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路を形成する溝が設けられており、該溝とアノードとによって燃料ガス流路２０が画成されている。
酸化剤ガス流路１９と燃料ガス流路２０は、酸化剤ガス流路１９を流れる酸化剤ガスの流通方向と燃料ガス流路２０を流れる燃料ガスの流通方向が互い対向するように配置されている（いわゆるカウンターフロー構造）。図５においては、酸化剤ガス流路１９及び燃料ガス流路２０中の「丸に点」の記号は、ガスの流れ方向が、紙面の向こう側からこちら側の向かう方向であることを意味し、「丸にバツ印」の記号は、ガスの流れ方向が、紙面のこちら側から向こう側に向かう方向であることを意味している。さらに、図に具体的に示されてはいないが、酸化剤ガス流路１９の入口近傍領域と燃料ガス流路２０の出口近傍領域とが電解質膜１を挟んで配置され、且つ、酸化剤ガス流路１９の出口近傍領域と燃料ガス流路２０の入口近傍領域とが電解質膜１を挟んで配置されている。尚、図５では、ガス流路が蛇行型流路（サーペンタイン型流路）であるものとして描かれているが、ガス流路の形態は特に限定されず、カウンターフロー構造を有していれば、どのような形態もとることができる。
燃料電池を構成する各部材は、特に限定されず、一般的な材料で形成された、一般的な構造を有するものであってよい。
燃料電池１には、燃料電池１の温度Ｔを計測する温度センサ（温度測定手段）９が設置されている。温度センサ９は、燃料電池内の温度を直接測定するものであってもよいし、燃料電池内を流通する熱交換媒体の温度を測定するものであってもよい。
また、燃料電池１には、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの圧力を計測する圧力センサ１０が配置されている。尚、圧力センサは、所望の位置における燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を把握することができれば、具体的な設置位置は限定されない。例えば、燃料ガス流路の入口に設けられ、該入口における燃料ガスの圧力を測定する入口圧力センサと、燃料ガス流路の出口に設けられ、該出口における燃料ガスの圧力を測定する出口圧力センサとを用い、これら圧力センサで検出された燃料ガス入口圧力Ｐinと燃料ガス出口圧力Ｐoutの平均値を燃料ガス圧力として検出、制御することができる。また、燃料ガス流路の入口及び出口に限らず、燃料ガス流路の複数個所に圧力センサを備え、それぞれの位置における燃料ガスの圧力を検出、制御してもよいし、平均値を算出し、平均値として制御してもよい。また、燃料電池内の圧力センサは一つであってもよい。さらに、燃料ガス流路外に設けられた圧力センサにより燃料ガスの圧力を推定してもよい。
また、燃料電池１には、燃料ガス流路の出口における燃料ガス中の水蒸気量Ｓを計測する露点計（水蒸気量測定手段）２５が設置される。尚、露点計は、燃料ガス出口水蒸気量Ｓを検出することができれば、燃料ガス配管系２に設けられてもよい。
燃料ガス配管系２は、水素タンク４、燃料ガス供給路５、燃料ガス循環路６を有する。水素タンク４は、高圧の水素ガス（燃料成分）を貯留した水素ガス供給源であり、燃料供給手段である。尚、燃料供給手段としては、水素タンク４に代えて、例えば、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして畜圧する水素貯蔵合金を有するタンクを採用することもできる。
燃料ガス供給路５は、燃料供給手段である水素タンク４から燃料成分である水素ガスを燃料電池１に供給するための流路であり、主流路５Ａと、混合路５Ｂで構成される。主流路５Ａは、燃料ガス供給路５と燃料ガス循環路６とが連結する連結部７の上流に位置している。主流路５Ａには、水素タンク４の元弁として機能するシャットバルブ（図示せず）や水素ガスを減圧するレギュレータ等が設けられてもよい。水素タンク４から供給される水素ガスの流量（燃料成分ガスの流量）Ｑbは、燃料電池に対する要求出力に基づいて、制御され、要求出力が担保される。混合路５Ｂは、連結部７の下流側に位置しており、水素タンク４からの水素ガスと燃料ガス循環路６からの排出燃料ガスとの混合ガスを燃料電池１の燃料ガス流路入口に導く。
燃料ガス循環路６は、燃料電池１の燃料ガス流路出口から排出された排出燃料ガスを燃料ガス供給路５に再循環させる。燃料ガス循環路６には、排出燃料ガスを燃料ガス供給路５に再循環させるための再循環ポンプ８が設けられている。排出燃料ガスは、燃料電池の発電によって水素が消費された結果、燃料電池に供給される燃料ガスよりも流量及び圧力が低下しているため、再循環ポンプにより流量や圧力が適宜制御され、連結部７へ圧送される。燃料ガス循環路６、燃料ガス供給路５及び燃料電池１内の燃料ガス流路を連ねた系統によって、燃料ガスを燃料電池に循環供給する循環系が構成される。
燃料電池１から排出される排出燃料ガスには、燃料電池の発電反応により生じた生成水や、燃料電池のカソード電極から電解質膜を介してアノード電極側に透過、すなわち、クロスリークした窒素ガス、未消費の水素ガス等が含まれる。燃料ガス循環路６上には、再循環ポンプ８の上流側に、気液分離器（図示せず）が設けられてもよい。気液分離器は、排出燃料ガスに含まれる水と、未消費の水素ガス等のガスとを分離する。また、燃料ガス循環路６上には、再循環ポンプ８の上流側に、排出燃料ガスの一部を燃料電池の外部に排出し、再循環させる排出燃料ガスの圧力を調整する排出燃料ガス圧力調整弁（図示せず）等が設けられてもよい。
尚、燃料ガス配管系は、水素ガス（燃料成分）の有効利用の観点から、燃料ガス循環路、再循環ポンプ等による循環系を有するものが好ましいといえるが、循環系を有していなくてもよいし、或いは、デッドエンド構造を有していてもよい。
酸化剤ガス配管系は、燃料電池１へ酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路、燃料電池１からの排出酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出路、及びコンプレッサを有する。コンプレッサは、酸化剤ガス供給路上に設けられ、コンプレッサにより取り込まれた大気中の空気が酸化剤ガス供給路を流れて圧送され、燃料電池１に供給される。燃料電池１から排出される排出酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出路を流れて、外部に排出される。
燃料電池システムの運転は、制御部３によって制御される。制御部３は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えるマイクロコンピューターとして構成されており、ＲＯＭやＲＡＭ等に記憶された各種のプログラムやマップ等に従って、燃料電池に対する要求出力（出力電流密度、すなわち、燃料電池に接続される負荷の大きさ）や、燃料電池に接続された温度センサ、ガス圧力センサ、ガス流量センサ、露点計等、各種センサの測定結果等に基づいて、ＣＰＵが、各種バルブ、各種ポンプ、燃料ガス配管系、酸化剤ガス配管系、熱交換媒体循環系等、種々の処理や制御を実行する。
本発明の燃料電池システム１００は、制御部３が、燃料電池１の電圧と燃料ガス出口水蒸気量との関係から予め設定された燃料ガス出口水蒸気量の目標値に基づいて、燃料ガス出口水蒸気量を制御する水蒸気量制御手段を備えている点に特徴を大きな有している。
尚、本発明において、燃料ガス流路の出口における水蒸気量（燃料ガス出口水蒸気量）とは、燃料ガス流路の出口を流れる燃料ガス中に含まれる水蒸気量である。
具体的には、燃料電池１の作動時、制御部３の水蒸気量制御手段は、温度センサ９によって燃料電池１の温度Ｔを検出する。
また、制御部３は、圧力センサ１０により、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力Ｐを検出する。
また、制御部３は、露点計１１によって燃料ガス流路出口における燃料ガスの水蒸気量Ｓを検出する。
そして、制御部３は、検出された温度Ｔ及び圧力Ｐに基づき、検出された燃料ガス出口水蒸気量Ｓが目標値Ｓtに近づくように、燃料ガスの流量Ｑを制御する。目標値Ｓtは、燃料ガス出口水蒸気量Ｓと燃料電池の電圧との相関関係に基づいて予め取得されている。尚、燃料ガスの流量Ｑとは、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量である。
具体的には、燃料電池における燃料ガス流量Ｑは、例えば、再循環ポンプ８により再循環させる燃料排出ガスの流量Ｑaの制御によって制御することができる。燃料電池システム１００のように、燃料排出ガスを循環させる循環系の場合、燃料供給源である水素ポンプ４から供給される燃料成分ガスの流量Ｑbは水蒸気量制御手段による制御を行わずに、再循環ポンプ８により再循環させる燃料排出ガスの流量Ｑaを制御することによって、要求出力を充分に担保した上で、燃料成分である水素の利用効率を高め、燃料電池の水分布を効果的に制御することができる。
尚、水蒸気量制御手段による燃料ガス流量Ｑの制御は、上記Ｑaによる制御に限定されず、燃料電池に対する要求出力を担保できれば特に限定されず、例えば、要求出力を担保した上で、Ｑbのみによる制御、或いは、Ｑa及びＱbの両方による制御を行ってもよい。さらには、燃料ガス流量を制御するその他の手段を用いてもよい。
本実施形態では、予め取得しておいた燃料ガス出口水蒸気量と燃料電池の電圧との関係に基づいて、該燃料ガス水蒸気量の目標値を算出し、該水蒸気量を実現させるように、燃料ガスの流量、圧力や燃料電池温度を制御することができる。すなわち、燃料電池内の含水状態、ひいては燃料電池の電圧を、フィードフォワード制御を行うことができる。このようなフィードフォワード制御を行うことによって、燃料電池の電圧を実際に検出して燃料電池内の含水状態を判定し、フィードバック制御を行う場合と比較して、ドライアップの発生を未然に防ぎつつ、高電圧を実現する燃料電池運転制御を実現させることができる。さらには、本発明においては、電圧センサや抵抗センサを省くこともできるため、燃料電池システムにおける制御をより簡素化することが可能となるとともに、燃料電池の費用削減も可能となる。
尚、水蒸気量制御手段による水蒸気量制御処理は、燃料電池運転中、定期的に実行されてもよいし、燃料電池温度が所定以上の条件下においてのみ、実行されてもよい。例えば、特にドライアップが発生しやすい高温条件下、例えば、８０℃以上の温度条件下においてのみ、水蒸気制御手段による水蒸気制御処理が実行されてもよい。特にドライアップが発生しやすいことから、少なくとも、７０℃以上、さらに８０℃以上においては、水蒸気制御処理が実行されることが好ましい。
また、予め取得された燃料ガス水蒸気量の目標値は、電圧ピークが得られる水蒸気量の１点で規定してもよいし、電圧ピークが得られる水蒸気量を含む、所定の幅を有する水蒸気量の範囲で規定してもよい。
燃料電池システム１００の具体的な水蒸気量制御処理においては、燃料ガスの流量Ｑ（具体的には排出燃料ガス流量Ｑa）を制御することによって、燃料ガス出口水蒸気量を制御しているが、燃料ガス出口水蒸気量Ｓを水蒸気量の目標値Ｓtに近づけるための制御パラメータは燃料ガスの流量Ｑに限られない。例えば、燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力、及び燃料電池温度の少なくとも１つを選択することができる。これら燃料ガス流量、燃料ガス圧力及び燃料電池温度のうち、制御が容易であり、また、水蒸気量や平均流量の制御応答が速いことから、特に燃料ガス流量及び燃料ガス圧力の少なくとも１つを制御することが好ましい。具体的には、燃料ガスの流量Ｑのみ、燃料ガスの圧力Ｐのみ、或いは、燃料ガスの流量Ｑと燃料ガスの圧力Ｐの両方を制御することができる。燃料ガス流量の制御に伴い、燃料ガスの圧力も変動することから、これら燃料ガスの流量及び圧力の両方を制御することにより、より効率良く水蒸気量の目標値に近づけることが期待できる。
燃料ガスの圧力の制御は、例えば、燃料ガス流路の入口における燃料ガスの圧力及び／又は燃料ガス流路の出口における燃料ガスの圧力を制御することでできる。具体的には、燃料ガス流路出口の下流側に設けられた背圧弁、水素タンクから燃料電池に水素を供給するためのレギュレータ、燃料ガス配管系が循環系の場合には、水素タンクから配管系に水素を供給するためのインジェクタ、配管系に設けた循環用ポンプ等によって、燃料ガスの圧力を制御することができる。
次に、図６を用いて、本発明の第１の燃料電池システムの実施形態例である燃料電池システム１０１を説明する。
図６に示す燃料電池システム１０１は、露点計１１を備えておらず、また、制御部３の水蒸気量制御手段による具体的な水蒸気量制御処理が異なる点以外は、上記燃料電池システム１００と同じ構成である。
以下、燃料電池システム１０１について、燃料電池システム１００と異なる点を中心に説明する。
燃料電池システム１０１において、水蒸気量制御手段は、燃料電池１の電圧と燃料ガス流路の出口における水蒸気量との関係から予め設定された燃料ガス出口水蒸気量の目標値と、燃料電池１における燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力及び温度の少なくとも１つとの相関関係に基づいて取得されたマップに基づいて、燃料電池における燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力、及び燃料電池の温度の少なくとも１つを制御する。
上記にて説明した燃料電池システム１００は、燃料ガス出口水蒸気量を、露点計で実際に検出し、検出された燃料ガス出口水蒸気量に基づいて、燃料ガスの流量等を制御するのに対し、燃料電池システム１０１は、予め取得された燃料ガス出口水蒸気量の目標値を実現させる、燃料ガスの流量、燃料ガス圧力及び燃料電池温度の少なくとも１つもまた、予め取得されている。そして、これら取得された燃料ガス流量、圧力及び燃料電池温度に基づいて、燃料ガスの流量、温度及び燃料電池の温度の少なくとも１つを制御することによって、燃料出口水蒸気量を設定された目標値となるように制御する。すなわち、燃料電池システム１０１は、燃料電池システム１００と比較して、露点計のような燃料ガス出口水蒸気量測定手段を有していない分、システムの簡易化が可能である。
具体的には、燃料電池１の作動時、制御部３の水蒸気量制御手段は、温度センサ９によって燃料電池１の温度Ｔを検出する。
また、制御部３は、圧力センサ１０により、燃料ガス流路における燃料ガスの圧力Ｐを検出する。
そして、制御部３は、検出した温度Ｔと圧力Ｐに基づき、燃料ガス出口水蒸気量Ｓが予め取得された目標値Ｓtに近づくように、燃料ガスの流量Ｑを制御する。目標値Ｓｔは、燃料ガス出口水蒸気量Ｓと燃料電池の電圧との相関関係に基づいて予め取得されている。また、燃料ガスの流量Ｑは、燃料ガス出口水蒸気量の目標値Ｓｔと、温度Ｔ、燃料ガス圧力Ｐ、及び燃料ガス流量Ｑとの相関関係とに基づいて取得されたマップを用いて、目標値Ｑtが算出され、該目標値に対応して制御される。
具体的には、燃料電池における燃料ガス流量Ｑは、上記燃料電池システム１００と同様、再循環ポンプ８により再循環させる燃料排出ガスの流量Ｑaの制御によって制御することができる。このように、燃料供給源である水素ポンプ４から供給される燃料成分ガスの流量Ｑbは水蒸気量制御手段による制御を行わずに、再循環ポンプ８により再循環させる燃料排出ガスの流量Ｑaを制御することによって、要求出力を充分に担保した上で、燃料成分である水素の利用効率を高め、燃料電池の水分布を効果的に制御することができる。また、水蒸気量制御手段による燃料ガス流量Ｑの制御は、上記Ｑaによる制御に限定されず、燃料電池に対する要求出力を担保できれば特に限定されず、例えば、要求出力を担保した上で、Ｑbのみによる制御、或いは、Ｑa及びＱbの両方による制御を行ってもよい。さらには、燃料ガス流量を制御するその他の手段を用いてもよい。
尚、上記マップは、水蒸気量をより高い精度で制御するためには、燃料ガス出口水蒸気量の目標値と、燃料電池における燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力及び温度の少なくとも２つとの相関関係に基づいて、特に燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力及び温度の全てとの相関関係に基づいて、取得されることが好ましい。
また、上記燃料ガス水蒸気量の目標値Ｓtと、温度Ｔ、燃料ガス圧力Ｐ、及び燃料ガス流量Ｑの少なくとも１つとの相関関係とに基づいて取得されるマップは、燃料ガス水蒸気量の目標値Ｓtと、温度Ｔ、燃料ガス圧力Ｐ、及び燃料ガス流量Ｑの少なくとも１つとの相関関係を表わすものであってもよい。
次に、本発明の第２の燃料電池システムについて説明する。尚、本発明の第２の燃料電池システムについては、上記本発明の第１の燃料電池システムと異なる点を中心に説明する。
図７は、本発明の第２の燃料電池システムの実施形態例である燃料電池システム２００を示している。
燃料電池システム２００は、燃料電池の燃料ガスの圧力を測定する燃料ガス圧力測定手段として、燃料ガス流路の入口における燃料ガスの圧力Ｐinを測定する入口圧力センサ（燃料ガス入口圧力測定手段）２５及び燃料ガス流路の出口における燃料ガスの圧力Ｐoutを測定する出口圧力センサ（燃料ガス出口圧力測定手段）２６を備え、また、制御部３が、燃料電池１の電圧と燃料ガス平均流量との関係から予め設定された燃料ガス平均流量の目標値に基づいて、燃料ガス平均流量を制御する平均流量制御手段を備えている点以外は、上記燃料電池システム１０１と同じ構成である。
燃料電池システム１０１と同様、圧力センサは、所望の位置における燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を把握することができれば、具体的な設置位置は限定されず、上記のように入口圧力センサと出口圧力センサとを用いなくてもよい。
燃料電池システム２００において、平均流量制御手段は、燃料電池の電圧と燃料ガス流路における燃料ガスの平均流量（燃料ガス平均流量）Ｑaveとの関係から予め設定された燃料ガス平均流量の目標値Ｑavetと、燃料電池１における燃料ガスの流量Ｑ、燃料ガスの圧力Ｐ及び温度Ｔの少なくとも１つとの相関関係に基づいて取得されたマップに基づいて、燃料電池における燃料ガスの流量Ｑ、燃料ガスの圧力Ｐ、及び燃料電池の温度の少なくとも１つを制御する。
燃料電池システム２００は、予め取得された燃料ガス平均流量の目標値を実現させる、燃料ガスの流量、燃料ガス圧力及び燃料電池温度の少なくとも１つもまた、予め取得されている。そして、これら取得された燃料ガス流量、圧力及び燃料電池温度に基づいて、燃料ガスの流量、温度及び燃料電池の温度の少なくとも１つを制御することによって、燃料ガス平均流量を設定された目標値となるように制御する。
具体的には、燃料電池システム２００において、燃料電池１の作動時、制御部３の平均流量制御手段は、温度センサ９によって燃料電池１の温度Ｔを検出する。
また、制御部３は、圧力センサ２５、２６により検出された、燃料ガス流路入口における燃料ガスの圧力Ｐin及び燃料ガス流路出口における燃料ガスの圧力Ｐoutに基づいて、燃料ガス流路における平均圧力Ｐave［Ｐave＝（Ｐin＋Ｐout）／２］を算出する。
そして、制御部３は、検出した温度Ｔと算出した平均圧力Ｐaveに基づき、燃料ガス平均流量Ｑaveが予め取得された目標値Ｑavetに近づくように、燃料ガスの流量Ｑを制御する。目標値Ｑavetは、燃料ガス平均流量Ｑaveと燃料電池の電圧との相関関係に基づいて予め取得されている。また、燃料ガスの平均流量Ｑaveは、燃料ガス平均流量の目標値Ｑavetと、温度Ｔ、燃料ガス圧力Ｐ、及び燃料ガス流量Ｑとの相関関係とに基づいて取得されたマップを用いて、目標値Ｑavetが算出され、該目標値に対応して制御される。
具体的には、燃料電池における燃料ガス流量Ｑは、上記燃料電池システム１００と同様、再循環ポンプ８により再循環させる燃料排出ガスの流量Ｑaの制御によって制御することができる。このように、燃料供給源である水素ポンプ４から供給される燃料成分ガス流量Ｑbは水蒸気量制御手段による制御を行わずに、再循環ポンプ８により再循環させる燃料排出ガスの流量Ｑaを制御することによって、要求出力を充分に担保した上で、燃料成分である水素の利用効率を高め、燃料ガスの平均流量を調整し、燃料電池の水分布を効果的に制御することができる。また、平均流量制御手段による燃料ガス流量Ｑの制御は、上記Ｑaによる制御に限定されず、燃料電池に対する要求出力を担保できれば特に限定されず、例えば、要求出力を担保した上で、Ｑbのみによる制御、或いは、Ｑa及びＱbの両方による制御を行ってもよい。さらには、燃料ガス流量を制御するその他の手段を用いてもよい。
尚、上記マップは、燃料ガスの平均流量をより高い精度で制御するためには、燃料ガス平均流量の目標値と、燃料電池における燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力及び温度の少なくとも２つとの相関関係に基づいて、特に燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力及び温度の全てとの相関関係に基づいて、取得されることが好ましい。
また、上記燃料ガス平均流量の目標値Ｑavetと、温度Ｔ、燃料ガス圧力Ｐ、及び燃料ガス流量Ｑの少なくとも１つとの相関関係とに基づいて取得されるマップは、燃料ガス平均流量の目標値Ｑavetと、温度Ｔ、燃料ガス圧力Ｐ、及び燃料ガス流量Ｑの少なくとも１つとの相関関係を表わすものであってもよい。
本発明の第二の燃料電池システムにおいて、燃料ガス流路における燃料ガスの平均流量（燃料ガス平均流量）Ｑaveとは、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの平均流量であり、その算出方法は特に限定されず、例えば、燃料電池システム２００のように燃料ガス配管系が循環系を有する場合には、下記式（１）により算出することができる。
Ｑave＝Ｑa＋Ｑb／２・・・式（１）
Ｑave：燃料ガス流路における燃料ガスの平均流量
Ｑa：再循環ポンプにより再循環させる排出燃料ガスの流量
Ｑb：燃料供給手段から供給される燃料成分ガスの流量
上記式（１）では、燃料ガス流路の全流路長の１／２の位置において、要求出力に応じて燃料供給手段から供給された燃料成分ガスの流量Ｑbの半分が消費されているという仮定に基づいて、燃料ガスの平均流量Ｑaveを算出している。
ここで、上記式（１）により算出される燃料ガスの平均流量Ｑaveに基づいた平均流量制御処理に用いられる上記マップの例を図８に示す。
図８に示すマップにおいては、検出された温度Ｔと平均圧力Ｐave［Ｐave＝（Ｐin＋Ｐout）／２］と燃料ガス平均流量の目標値Ｑavetとの相関関係が表わされている。従って、例えば、検出された温度Ｔにおける、平均圧力Ｐaveと平均流量Ｑavetとの相関関係を表わすマップに従って、検出された平均圧力Ｐaveにおける目標平均流量Ｑavetが算出される。そして、式（１）により算出されるＱaveがマップにより算出されたＱavetとなるように、排出燃料ガス流量Ｑaを制御することができる。
また、本発明の第二の燃料電池システムにおいて、燃料ガス平均流量Ｑaveは、下記式（２）により算出することもできる。
Ｑave＝ｎＲＴ／Ｐ・・・（２）
Ｑave：燃料ガス流路における燃料ガスの平均流量
ｎ：燃料ガス流路の全長の１／２の位置における燃料ガスのモル数
Ｒ：気体定数
Ｔ：燃料電池温度
Ｐ：燃料ガス流路の全長の１／２の位置における燃料ガスの圧力
上記式（２）では、燃料ガス流路の全流路長の１／２の位置における燃料ガスの流量を、燃料ガス平均流量Ｑaveとして採用しており、燃料ガス流路の全流路長の１／２の位置における燃料ガスのモル数及び圧力から、気体の状態方程式に基づいて、燃料ガスの平均流量Ｑaveを算出している。
ここで、式（２）において、燃料ガスのモル数は、燃料ガス流路の全流路長の１／２の位置における燃料ガス中に含まれる、全成分（水素ガスの他、窒素ガスや水蒸気等）のモル数であり、具体的には、燃料ガス流路入口の燃料ガスの全モル数から、燃料ガス流路の全流路長の１／２の位置に到達するまでに消費された燃料成分のモル数を減じたモル数である。燃料ガス流路の全流路長の１／２の位置に到達するまでに消費された燃料成分のモル数は、燃料電池の要求出力から必要燃料成分量の半分である。また、燃料ガス流路入口の燃料ガスの全モル数は、循環ポンプにより燃料ガス流路入口に戻ってくる燃料ガス流量と水素タンクから追加補充される水素量の合計流量の温度と圧力により求めることができる。
また、式（２）において、燃料ガスの圧力は、燃料ガス流路の全長の１／２の位置における燃料ガスの圧力を実際に検出してもよいし、燃料ガス流路の全長の複数個所における燃料ガスの圧力を測定し、平均値を算出してもよい。或いは、燃料ガス流路の全長で発生する圧力損失の１／２が、燃料ガス流路の全長の１／２の位置において発生していると仮定して算出してもよく、このような圧力損出を仮定した上記燃料ガス圧力は、以下の式（３）により算出することができる。
Ｐ＝（Ｐin＋Ｐout）／２・・・（３）
Ｐin：燃料ガス流路の入口における燃料ガスの圧力
Ｐout：燃料ガス流路の出口における燃料ガスの圧力
上記燃料電池システム２００のように、燃料ガス配管系が循環系を有している場合には、式（２）の変形例として、下記式（４）により、燃料ガスの平均流量Ｑaveを算出することができる。
Ｑave＝ｎ’ＲＴ／Ｐ・・・（４）
Ｑave：燃料ガス流路における燃料ガスの平均流量
ｎ’：燃料ガス流路に供給された前記燃料ガスのうち、燃料ガス供給手段から燃料ガス流路に供給された前記燃料成分の１／２が消費されたと仮定して算出される燃料ガス流路の全長の１／２の位置における燃料ガスのモル数
Ｒ：気体定数
Ｔ：燃料電池温度
Ｐ：上記式（３）により算出される燃料ガス流路の全長の１／２の位置における燃料ガスの圧力
尚、第２の燃料電池システムにおいて、燃料ガス平均流量Ｑaveは、上記のような仮定に基づく算出ではなく、燃料ガス流路内の複数個所における燃料ガス流量を実際に測定して平均化して得られる値や、燃料ガス流路の全長の１／２の位置において実際に測定される燃料ガスの流量値を用いてもよい。簡便に燃料電池システムを構築できるという観点からは、上記式（１）、（２）又は（４）を用いて燃料ガス平均流量を算出することが好ましい。
また、第二の燃料電池システムにおいて、平均流量制御手段による燃料ガス平均流量制御処理は、燃料電池運転中、定期的に実行されてもよいし、燃料電池温度が所定以上の条件下においてのみ、実行されてもよい。例えば、特にドライアップが発生しやすい高温条件下、例えば、８０℃以上の温度条件下においてのみ、平均流量制御手段による燃料ガス平均流量制御処理が実行されてもよい。特にドライアップが発生しやすいことから、少なくとも、７０℃以上、さらに８０℃以上においては、平均流量制御処理が実行されることが好ましい。
１…燃料電池
２…燃料ガス配管系
３…制御部
４…水素タンク（燃料供給手段）
５…燃料ガス供給路
５Ａ…主流路
５Ｂ…混合路
６…燃料ガス循環路
７…連結部
８…再循環ポンプ
９…温度センサ（温度測定手段）
１０…圧力センサ
１１…露点計（水蒸気量測定手段）
１２…単セル
１３…高分子電解質膜
１４…カソード電極
１５…アノード電極
１６…膜・電極接合体
１７…セパレータ
１８…セパレータ
１９…酸化剤ガス流路
２０…燃料ガス流路
２１…カソード触媒層
２２…ガス拡散層
２３…アノード触媒層
２４…ガス拡散層
２５…圧力センサ（燃料ガス流路入口圧力測定手段）
２６…圧力センサ（燃料ガス流路出口圧力測定手段）
１００…燃料電池システム
１０１…燃料電池システム
２００…燃料電池システム

Claims (18)

  1. アノード電極及びカソード電極に挟持された高分子電解質膜と、
    前記アノード電極に対して、燃料成分を少なくとも含む燃料ガスを供給するために該アノード電極に対面して配置された燃料ガス流路と、
    前記カソード電極に対して、酸化剤成分を少なくとも含む酸化剤ガスを供給するために前記カソード電極に対面して配置された酸化剤ガス流路と、
    を有する燃料電池を備え、無加湿条件下で運転される燃料電池システムであって、
    前記燃料ガス流路における前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、
    前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路の出口における水蒸気量との関係から予め設定された前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記水蒸気量を制御する水蒸気量制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 前記水蒸気量制御手段は、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び温度の少なくとも１つを制御する、請求の範囲第１項に記載の燃料電池システム。
  3. 前記水蒸気量制御手段は、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量及び／又は前記燃料ガスの圧力を制御する、請求の範囲第１項又は第２項に記載の燃料電池システム。
  4. 前記水蒸気量制御手段は、前記水蒸気量の目標値と、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力及び温度の少なくとも一つとの相関関係に基づいて取得されたマップに基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び前記温度の少なくとも１つを制御する、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記水蒸気量を測定する水蒸気量測定手段を備え、
    前記水蒸気量制御手段は、前記水蒸気量測定手段により測定される前記水蒸気量が前記水蒸気量の目標値に近づくように、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び温度の少なくとも１つを制御する、請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記載の燃料電池システム。
  6. 燃料供給手段から前記燃料ガス流路へ前記燃料成分ガスを供給する燃料ガス供給路と、
    前記燃料電池からの排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる燃料ガス循環路と、
    前記燃料ガス循環路に配置され、前記排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる再循環ポンプと、
    を備え、
    前記水蒸気量制御手段は、前記再循環ポンプにより再循環させる前記排出燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における前記燃料ガスの流量を制御する、請求の範囲第２項乃至第５項のいずれかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記水蒸気量制御手段は、前記水蒸気量の目標値に基づいて、前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力及び／又は前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力を制御する、請求の範囲第２項乃至第６項のいずれかに記載の燃料電池システム。
  8. アノード電極及びカソード電極に挟持された高分子電解質膜と、前記アノード電極に対して燃料ガスを供給するために該アノード電極に対面して配置された燃料ガス流路と、前記カソード電極に対して酸化剤ガスを供給するために前記カソード電極に対面して配置された酸化剤ガス流路と、を有する燃料電池を備え、無加湿条件下で運転される燃料電池システムであって、
    前記燃料ガス流路における前記燃料ガスと前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向しており、
    前記燃料電池の電圧と前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量との関係から予め設定された前記平均流量の目標値に基づいて、前記平均流量を制御する平均流量制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
  9. 前記平均流量制御手段は、前記平均流量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び温度の少なくとも１つを制御する、請求の範囲第８項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記平均流量制御手段は、前記平均流量の目標値に基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量及び／又は前記燃料ガスの圧力を制御する、請求の範囲第８項又は第９項に記載の燃料電池システム。
  11. 前記平均流量制御手段は、前記平均流量の目標値と、前記燃料電池における、前記燃料ガス流量、前記燃料ガス圧力及び温度の少なくとも一つとの相関関係に基づいて取得されたマップに基づいて、前記燃料電池における、前記燃料ガスの流量、前記燃料ガスの圧力、及び前記温度の少なくとも１つを制御する、請求の範囲第８項乃至第１０項のいずれかに記載の燃料電池システム。
  12. 燃料供給手段から前記燃料ガス流路へ前記燃料成分ガスを供給する燃料ガス供給路と、
    前記燃料電池からの排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる燃料ガス循環路と、
    前記燃料ガス循環路に配置され、前記排出燃料ガスを前記燃料ガス供給路に再循環させる再循環ポンプと、
    を備え、
    前記平均流量制御手段は、前記再循環ポンプにより再循環させる前記排出燃料ガスの流量を制御することによって、前記燃料電池における前記燃料ガスの流量を制御する、請求の範囲第９項乃至第１１項のいずれかに記載の燃料電池システム。
  13. 前記平均流量が、下記式（１）により算出される、請求の範囲第１２項に記載の燃料電池システム。
    Ｑave＝Ｑa＋Ｑb／２・・・式（１）
    Ｑave：前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量
    Ｑa：前記再循環ポンプにより再循環させる前記排出燃料ガスの流量
    Ｑb：前記燃料供給手段から供給される前記燃料成分ガスの流量
  14. 前記平均流量が、下記式（２）により算出される、請求の範囲第９項乃至第１２項のいずれかに記載の燃料電池システム。
    Ｑave＝ｎＲＴ／Ｐ・・・（２）
    Ｑave：前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量
    ｎ：前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスのモル数
    Ｒ：気体定数
    Ｔ：燃料電池温度
    Ｐ：前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスの圧力
  15. 前記式（２）において、
    前記ｎが、前記燃料ガス流路に供給される前記燃料ガスに含まれる燃料成分のうち、前記燃料電池の発電量に対して最低限必要な燃料成分量の１／２が消費されたと仮定して算出され、
    前記Ｐが、下記式（３）により算出される、請求の範囲第１４項に記載の燃料電池システム。
    Ｐ＝（Ｐin＋Ｐout）／２・・・（３）
    Ｐin：前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力
    Ｐout：前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力
  16. 前記平均流量が、下記式（４）により算出される、請求の範囲第１２項に記載の燃料電池システム。
    Ｑave＝ｎ’ＲＴ／Ｐ・・・（４）
    Ｑave：前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの平均流量
    ｎ’：前記燃料ガス流路に供給された前記燃料ガスのうち、前記燃料供給手段から前記燃料ガス流路に供給された前記燃料成分の１／２が消費されたと仮定して算出される前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスのモル数
    Ｒ：気体定数
    Ｔ：燃料電池温度
    Ｐ：下記式（３）により算出される前記燃料ガス流路の全長の１／２の位置における前記燃料ガスの圧力
    Ｐ＝（Ｐin＋Ｐout）／２・・・（３）
    Ｐin：前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力
    Ｐout：前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力
  17. 前記平均流量制御手段は、前記平均流量の目標値に基づいて、前記燃料ガス流路の入口における前記燃料ガスの圧力及び／又は前記燃料ガス流路の出口における前記燃料ガスの圧力を制御する、請求の範囲第９項乃至第１６項のいずれかに記載の燃料電池システム。
  18. 前記燃料電池の温度が８０℃以上である、請求の範囲第１項乃至第１７項のいずれかに記載の燃料電池システム。
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