JP4935446B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。

水素（燃料ガス）と酸素（酸化剤ガス）との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムにおいて、水素循環流路や水素排出流路を閉塞もしくは閉塞に近い状態で運転すると、正極側（酸素極側）から透過する窒素や水によって、特にセル内における水素出口部近傍で水素濃度が著しく低下する。これは、透過してきた窒素や水により水素の流動が妨げられるためである。このようなセル内における水素出口部に水素が行き渡らない状態で運転を継続すると、セル電圧が低下し効率が低下するのみならず、水素が不足している部分の電極が劣化する。

そこで、セル内における水素が不足しやすい部位（例えば、水素出口部近傍）の局所電流を測定し、測定された局所電流が所定値未満のときに、水素排出弁を開放して窒素や水を系外に放出することでセル内の水素濃度を上昇させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−１６６４９８号公報

上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、水素排出弁を開いて窒素や水を系外に放出する際に、同時に未反応水素も多く排出してしまうため、燃費が悪化するという問題がある。

本発明は上記点に鑑み、未反応燃料ガス排出量を極力少なくしつつ、効率の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）を有する燃料電池（１０）を備え、セル（１００）は、燃料ガスが通過する燃料ガス通路（１２１）、および冷却媒体が通過する冷却媒体通路（１３０）を有しており、燃料ガス通路（１２１）と冷却媒体通路（１３０）とが隣接して配置されており、冷却媒体通路（１３０）において、燃料ガス通路（１２１）の出口近傍の領域（Ｄ１）に隣接する第１領域（Ｄ２）が、燃料ガス通路（１２１）の入口近傍の領域（Ｅ１）に隣接する第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ上流側になっている燃料電池システムであって、セル（１００）内の燃料ガス不足を検出する燃料ガス不足検出手段（６０）と、冷却媒体通路（１３０）内の冷却媒体の流通方向を反転させる流通方向反転手段（４６）と、燃料ガス不足検出手段（６０）による検出結果に基づいて、流通方向反転手段（４６）の作動を制御する制御手段（５０）とを備え、制御手段（５０）は、セル（１００）内において燃料ガス不足が発生している場合に、冷却媒体通路（１３０）内における冷却媒体の流通方向を反転させて、冷却媒体通路（１３０）において第１領域（Ｄ２）が第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ下流側になるようにする流通方向反転制御を行うことを特徴としている。

一般的に、冷却媒体通路（１３０）において、冷却媒体流れの上流側から下流側に亘り、徐々に冷却媒体温度が高くなる温度勾配が生じる。このため、冷却媒体通路（１３０）において、燃料ガス通路（１２１）の出口近傍の領域（Ｄ１）に隣接する第１領域（Ｄ２）が、燃料ガス通路（１２１）の入口近傍の領域（Ｅ１）に隣接する第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ上流側になっている燃料電池システムでは、第１領域（Ｄ２）は第２領域（Ｅ２）より冷却媒体の温度が低くなる。すなわち、燃料ガス通路（１２１）において、出口近傍の領域（Ｄ１）は、入口近傍の領域（Ｅ１）より低温になる。

そこで、燃料ガス通路（１２１）の出口近傍の領域（Ｄ１）に窒素や水が滞留し、燃料ガス不足が発生している場合に、冷却媒体の流通方向を反転させ、冷却媒体通路（１３０）において、第１領域（Ｄ２）が第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ下流側になるようにすることで、第１領域（Ｄ２）の温度を第２領域（Ｅ２）の温度より高くすることができる。このため、燃料ガス通路（１２１）において、出口近傍の領域（Ｄ１）の温度を入口近傍の領域（Ｅ１）の温度より高くすることができる。

すなわち、燃料ガス不足が発生している場合に、冷却媒体の流通方向を反転させることで、燃料ガス通路（１２１）における出口近傍の領域（Ｄ１）の温度を上昇させることができる。これにより、出口近傍の領域（Ｄ１）に滞留している液水を水蒸気にすることができるため、燃料ガスが拡散しやすくなる。さらに、出口近傍の領域（Ｄ１）の温度を上昇させることで、触媒を活性化することができるため、反応量を増加させることができる。このため、セル（１００）内に燃料ガス不足が発生しても、燃料電池（１０）の発電量を維持することができる。したがって、未反応燃料ガス排出量を極力少なくしつつ、効率の低下を抑制することが可能となる。

また、上記特徴の燃料電池システムにおいて、燃料ガス不足検出手段は、セル（１００）内における燃料ガス不足が発生しやすい部位の局所電流を測定する局所電流測定手段（６０）であって、制御手段（５０）は、局所電流測定手段（６０）により測定された局所電流値に基づいて、流通方向反転手段（４６）の作動を制御するようになっており、制御手段（５０）は、局所電流が予め定めた第１基準電流値以下になった場合に、冷却媒体通路（１３０）内における冷却媒体の流通方向を反転させて、冷却媒体通路（１３０）において第１領域（Ｄ２）が第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ下流側になるようにする流通方向反転制御を行うようにしてもよい。

また、上記特徴の燃料電池システムにおいて、制御手段（５０）は、流通方向反転制御を行った後、局所電流が第１基準電流値より大きい第２基準電流値以上になった場合に、冷却媒体通路（１３０）内における冷却媒体の流通方向を再び反転させて、冷却媒体通路（１３０）において第１領域（Ｄ２）が第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ上流側になるようにする流通方向再反転制御を行うようにしてもよい。

これによれば、セル（１００）内における燃料ガス不足が解消された場合に、冷却媒体通路（１３０）内における冷却媒体の流通方向を通常の状態に戻すことができる。

また、上記特徴の燃料電池システムにおいて、燃料電池（１０）の燃料極から排出される排燃料ガスが通過する排燃料ガス経路（３０ｂ）と、排燃料ガス経路（３０ｂ）内部と外部を連通あるいは遮断することができ、排燃料ガス経路（３０ｂ）内部と外部を連通することで燃料電池（１０）から排出される排燃料ガスを外部へ排出できる燃料ガス排出手段（３３）とを備え、制御手段（５０）は、流通方向反転制御を行った後、局所電流が第１基準電流値より小さい第３基準電流値以下になった場合に、冷却媒体通路（１３０）内における冷却媒体の流通方向を再び反転させて、冷却媒体通路（１３０）において第１領域（Ｄ２）が第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ上流側になるようにするとともに、燃料ガス排出手段（３３）により排燃料ガス流路（３０ｂ）内部と外部を連通させて、排燃料ガスを外部へ排出する排燃料ガス排出制御を行うようにしてもよい。

これによれば、セル（１００）内における燃料ガス不足が発生しやすい部位の局所電流が、冷却媒体の流通方向を反転させて燃料ガス通路（１２１）の出口近傍の領域（Ｄ１）の温度を上昇させるのみでは効率の低下を抑制することができない程度まで低下した場合にのみ、排燃料ガスを外部に放出し、セル（１００）内の燃料ガス濃度を上昇させることができる。これにより、未反応燃料ガス排出量を極力少なくしつつ、効率の低下をより確実に抑制することが可能となる。

また、上記特徴の燃料電池システムにおいて、流通方向反転手段は、四方弁（４６）であってもよい。また、四方弁（４６）は、電動モータ（４６４）によって駆動されるようになっていてもよい。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図１０に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。図１は、本実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。この燃料電池１０は、二次電池、車両走行用のモータジェネレータ等の電気機器１１に電力を供給するように構成されている。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、燃料電池システムには、燃料電池１０の出力電圧を検出する電圧センサ１３と、燃料電池１０の出力電流を検出する電流センサ１４とが設けられている。電圧センサ１３および電流センサ１４は、それぞれのセンサ信号を後述する制御部５０に出力する。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素排出流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化剤ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。空気ポンプ２１および空気調圧弁２３は、後述する制御部５０の出力信号によって制御される。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。

水素排出流路３０ｂには、燃料電池１０から排出される未反応水素を含むオフガス（排燃料ガス）を外部に排出する水素排出弁３３が設けられている。また、水素排出弁３３は、セル１００内に滞留した窒素や水を、オフガスとともに系外に排出させるようになっている。水素調圧弁３２および水素排出弁３２は、後述する制御部５０の出力信号によって制御される。なお、水素排出経路３０ｂが本発明の排燃料ガス経路に相当し、水素排出弁３３が燃料ガス排出手段に相当している。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム４０〜４６が設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（冷却媒体）を循環させる冷却水循環経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。冷却水循環経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるバイパス経路４４が設けられている。冷却水循環経路４０とバイパス経路４４との合流点には、ラジエータ４３に流れる冷却水とバイパス経路４４に流れる冷却水の流量比を調整する流量調整弁４５が設けられている。 ウォータポンプ４１、ファン４２および流量制御弁４５は、後述する制御部５０の出力信号によって制御される。

ウォータポンプ４１の出口側には、四方弁４６が接続されている。四方弁４６は、ウォータポンプ４１の出口側と燃料電池１０との間、およびラジエータ４３（もしくはバイパス経路４４）とウォータポンプ４１の入口側との間を同時に接続する第１冷却水回路（図１の実線矢印で示す流路）と、ウォータポンプ４１の出口側とラジエータ４３（もしくはバイパス経路４４）との間、および燃料電池１０とウォータポンプ４１の入口側との間を同時に接続する第２冷却水回路（図１の破線矢印で示す流路）とを切り替えるものである。

そして、四方弁４６が、上記の如く、流路を切り替えることによって、通常時の冷媒回路および後述する流通方向反転制御時の冷媒回路が切り替えられる。従って、四方弁４６は、本実施形態における流通方向反転手段である。この四方弁４６も後述する制御部５０の出力信号によって制御される。

次に、本実施形態における四方弁４６の詳細な構成について述べる。

図２は本実施形態における電気四方弁４６を示す模式図で、（ａ）は通常時における四方弁４６の状態を示し、（ｂ）は流通方向反転制御時における四方弁４６の状態を示している。

図２（ａ）、（ｂ）に示すように、四方弁４６には、第１〜第５ポート４６０ａ〜４６０ｅが形成された第１、第２の壁部４６１、４６２、および弁体４６３が設けられており、弁体４６３が紙面上下方向に動くことによって、冷却水回路の切り替えが可能になっている。この弁体４６３は、電動モータ４６４により駆動される。

第１、第２ポート４６０ａ、４６０ｂは第１壁部４６１に形成されており、第３〜第５ポート４６０ｃ〜４６０ｅは第２壁部４６２に形成されている。そして、図２（ａ）に示すように、第１ポート４６０ａと第４ポート４６０ｄとが接続されると、同時に第２ポート４６０ｂと第５ポート４６０ｅとが接続されるようになっている。また、図２（ｂ）に示すように、第１ポート４６０ａと第３ポート４６０ｃとが接続されると、同時に第２ポート４６０ｂと第４ポート４６０ｄとが接続されるようになっている。

また、第１ポート４６０ａはウォータポンプ４１の出口側に接続され、第２ポート４６０ｂはウォータポンプ４１の入口側に接続されている。第３ポート４６０ｃおよび第５ポート４６０ｅは、ラジエータ４３に接続されている。第４ポート４６０ｄは、燃料電池１０に接続されている。

これにより、通常時には、ウォータポンプ４１の出口側と燃料電池１０との間、およびラジエータ４３（もしくはバイパス経路４４）とウォータポンプ４１の入口側との間が同時に接続されるようになっている。一方、後述する流路反転制御時には、ウォータポンプ４１の出口側とラジエータ４３（もしくはバイパス経路４４）との間、および燃料電池１０とウォータポンプ４１の入口側との間が同時に接続されるようになっている。

図１に戻り、燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。なお、制御部５０は本発明の制御手段に相当している。

制御部５０には、電圧センサ１３からの電圧信号、電流センサ１４からの電流信号、後述する電流測定装置６０からの局所電流信号等が入力される。また、制御部５０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素排出弁３３、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４２、流量調整弁４５、四方弁４６等に対して、制御信号を出力するようになっている。

図３は本実施形態における局所電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図、図４は図３の燃料電池１０の側面図である。図３に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、固体高分子電解質膜型燃料電池であり、基本単位となるセル１００が多数積層され、且つ電気的に直列接続されている。

図４に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質・電極接合体）１０１と、このＭＥＡ１０１を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。セパレータ１１０、１２０は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。

図４に実線で示すように、空気側セパレータ１１０には、空気を流すための空気流路Ａが形成されており、空気流路Ａを介して空気が各セル１００に対して並列に供給される。また、図４に一点鎖線で示すように、水素側セパレータ１２０には、水素を流すための水素流路Ｂが形成されており、水素流路Ｂを介して水素が各セル１００に対して並列に供給される。

図３に示すように、積層されたセル１００の両端には端子板１１が配置されている。図３中の斜線で示すように、ある２つのセル１００間に局所電流測定装置６０が配置されている。

図５は、局所電流測定装置６０近傍の燃料電池１０の側面図である。図５では図示を省略しているが、空気側セパレータ１１０のＭＥＡ１０１に対向する面側には、空気を流すための空気流路溝が形成され、水素側セパレータ１２０のＭＥＡ１０１に対向する面側には、水素を流すための水素流路溝が形成されている。空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０のＭＥＡ１０１と対向していない面側には、それぞれ冷却水が流れる冷却水流路溝１３０が形成されている。また、２つのセル１００の間には局所電流測定装置６０が配置され、そのセル内の局所電流値を測定するようになっている。なお、冷却水流路溝１３０が、本発明の冷却媒体通路に相当している。

図６は電流測定装置６０の斜視図であり、図７は図６の電流測定装置６０の要部の正面図である。図６に示すように、電流測定装置６０は板状部材６００を備えている。板状部材６００には、空気入口側通路６００ａ、空気出口側通路６００ｂ、水素入口側通路６００ｃ、水素出口側通路６００ｄ、冷却水入口通路６００ｅ、冷却水出口通路６００ｆが形成されている。

図６、図７に示すように、板状部材６００の紙面左下には、ロの字状の溝６０１によって囲まれた直方体の柱状部６０２が形成され、この柱状部６０２の端部は隣り合うセル１００に接触するようになっている。なお、図６、図７に示す例では溝６０１をロの字状とし、柱状部６０２を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝６０１を円状、柱状部６０２を円柱状のような他の形状にすることもできる。

図７に示すように、溝６０１には、柱状部６０２を囲むようにして鉄心６０３が配置され、鉄心６０３の両端部間に磁気センサとしてのホール素子６０４が配置されている。鉄心６０３とホール素子６０４は、局所電流センサを構成している。なお、鉄心６０３とホール素子６０４とが、本発明の燃料ガス不足検出手段、局所電流測定手段に相当している。また、磁気センサとしてホール素子の他にＭＲ素子、ＭＩ素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらに、シャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。

上記構成において、セル１００における柱状部６０２に対向する部位から放電される局所電流が柱状部６０２に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部６０２の周囲に発生する。ホール素子６０４は、局所電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。したがって、鉄心６０３部の磁界の強さをホール素子６０４にて測定することにより、柱状部６０２を流れる電流、ひいてはセル１００の局所電流を検出することができる。

図８（ａ）は通常時における図５の左側から見た空気側セパレータ１１０の透視図で、図８（ｂ）は通常時における図５の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。

図８（ａ）に示すように、空気側セパレータ１１０のＭＥＡ１０１に対向する面には、空気ポンプ２１からの空気を流すための空気流路溝１１１が形成されている。空気流路溝１１１における空気流れ最上流部に空気入口部１１２が設けられ、空気流路溝１１１における空気流れ最下流部に空気出口部１１３が設けられている。空気流路溝１１１は、空気入口部１１２から空気出口部１１３まで蛇行した形状になっている。

図８（ｂ）に示すように、空気側セパレータ１１０のＭＥＡ１０１に対向していない面には、冷却システム４０〜４６からの冷却水を流すための冷却水流路溝１３０が形成されている。冷却水流路溝１３０における冷却水流れ最上流部に冷却水入口部１３２が設けられ、冷却水流路溝１３０における冷却水流れ最下流部に空冷却水出口部１３３が設けられている。冷却水流路溝１３０は、冷却水入口部１３２から冷却水出口部１３３まで蛇行した形状になっている。

また、空気側セパレータ１１０において、空気流路溝１１１と冷却水流路溝１３０は隣接して配置されている。

図８（ｃ）は通常時における図５の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図で、図８（ｄ）は通常時における図５の左側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。

図８（ｃ）に示すように、水素側セパレータ１２０のＭＥＡ１０１に対向する面には、高圧水素タンク３１からの水素を流すための水素流路溝１２１が形成されている。水素流路溝１２１における水素流れ最上流部に水素入口部１２２が設けられ、水素流路溝１２１における水素流れ最下流部に水素出口部１２３が設けられている。水素流路溝１２１は、水素入口部１２２から水素出口部１２３まで蛇行した形状になっている。なお、水素流路溝１２１が、本発明の燃料ガス通路に相当している。

図８（ｄ）に示すように、水素側セパレータ１２０のＭＥＡ１０１に対向していない面には、空気側セパレータ１１０のＭＥＡ１０１に対向していない面と同様、冷却システム４０〜４６からの冷却水を流すための冷却水流路溝１３０が形成されている。冷却水流路溝１３０における冷却水流れ最上流部に冷却水入口部１３２が設けられ、冷却水流路溝１３０における冷却水流れ最下流部に空冷却水出口部１３３が設けられている。冷却水流路溝１３０は、冷却水入口部１３２から冷却水出口部１３３まで蛇行した形状になっている。

また、水素側セパレータ１２０において、水素流路溝１２１と冷却水流路溝１３０は隣接して配置されている。

図８（ａ）、（ｃ）に示すように、本実施形態では、空気側セパレータ１１０内の空気の流れ方向と、水素側セパレータ１２０内の水素の流れ方向とが逆方向になっている。また、図８（ｂ）、（ｄ）に示すように、各セパレータ１１０、１２０の冷却水流路溝１３０は、図５の左もしくは右から見たとき、すなわちセル１００の積層方向から見たときに、同一形状になっている。換言すると、各セパレータ１１０、１２０において、冷却水の流れ方向が同一になっている。

ところで、図８（ａ）に示すように、空気側セパレータ１１０の空気流路溝１１１における空気入口部１１２近傍の領域（以下、空気入口部分Ｃ１という）は、セル１００の中で最も乾燥しやすくなっている。このため、本実施形態では、図８（ｂ）に示すように、空気側セパレータ１１０の冷却水流路溝１３０において、空気入口部分Ｃ１と隣接する部位Ｃ２が、冷却水流れ上流側の領域に配置されるようにしている。これにより、燃料電池１０の効率を向上させることができる。

このとき、上述したように、空気側セパレータ１１０内の空気の流れ方向と、水素側セパレータ１２０内の水素の流れ方向とが逆方向になっているため、図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、水素側セパレータ１２０の水素流路溝１２１における水素出口部１２３近傍の領域（以下、水素出口部分Ｄ１という）は、冷却水流路溝１３０における冷却水流れ上流側の領域に隣接している。より詳細には、本実施形態では水素側セパレータ１２０の水素出口部分Ｄ１は、冷却水流路溝１３０における冷却水入口部１３２近傍の領域（以下、第１領域Ｄ２という）に隣接している。そして、水素側セパレータ１２０の水素流路溝１２１における水素入口部１２２近傍の領域（以下、水素入口部分Ｅ１という）は、冷却水流路溝１３０における冷却水出口部１３３近傍の領域（以下、第２領域Ｅ２という）に隣接している。換言すると、冷却水流路溝１３０において、水素流路溝１２１の水素出口部分Ｄ１に隣接する第１領域Ｄ２が、水素流路溝１２１の水素入口部分Ｅ１に隣接する第２領域Ｅ２より冷却水流れ上流側になっている。

一般的に、冷却水流路溝１３０において、冷却水流れの上流側から下流側に亘り、徐々に冷却水温度が高くなる温度勾配が生じる。本実施形態では、水素側セパレータ１２０の冷却水流路溝１３０において、第１領域Ｄ２が第２領域Ｅ２より冷却媒体流れ上流側になっているので、第１領域Ｄ２は第２領域Ｅ２より低温になっている。このため、水素流路溝１２１において、第１領域Ｄ２に隣接する水素出口部分Ｄ１は、第２領域Ｅ２に隣接する水素入口部分Ｅ１より低温になっている。

ところで、上述の図６で示した電流測定装置６０の柱状部６０２は、水素出口部分Ｄ１に対応する部位に設けられており、図７で示した局所電流センサ６０３、６０４は、水素出口部分Ｄ１における局所電流を測定できるように構成されている。なお、水素出口部分Ｄ１が、本発明の水素不足が発生しやすい部位に相当している。

次に、本実施形態の燃料電池システムにおける冷却水流通方向切替制御について図９に基づいて説明する。図９は、本実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。

まず、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流を測定する（Ｓ１００）。そして、測定した局所電流値が予め定めた第１基準電流値以下か否かを判定する（Ｓ１１０）。ここで、「第１基準電流値」とは、例えば水素出口部分Ｄ１の局所電流値がこの値以下であれば、セル１００内における水素出口部分Ｄ１に窒素や水（水蒸気および液水）が滞留し、水素不足が発生しているという値に設定される。この結果、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第１基準電流値以下でない場合は（Ｓ１１０：ＮＯ）、セル１００内に水素不足が発生していないと診断し、ステップ１００に戻る。

一方、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第１基準電流値以下である場合は（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、セル１００内に水素不足が発生していると診断し、四方弁４６を作動して、冷却水流路溝１３０における冷却水の流通方向を反転させる（Ｓ１２０）。なお、ステップ１１０、１２０が、本発明の流通方向反転制御に相当している。

図１０（ａ）は流通方向反転制御時における図５の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図で、図１０（ｂ）は流通方向反転制御時における図５の左側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。なお、図１０（ａ）は図８（ｃ）に対応し、図１０（ｂ）は図８（ｄ）に対応している。

図１０（ｂ）に示すように、冷却水の流通方向を反転させると、冷却水出口部１３３から冷却水流路溝１３０内に冷却水が流入し、冷却水入口部１３２から冷却水が流出するようになる。このため、冷却水流路溝１３０における第１領域Ｄ２は、冷却水が流出する部位近傍の領域ということになる。そして、冷却水流路溝１３０における第２領域Ｅ２は、冷却水が流入する部位近傍の領域ということになる。すなわち、冷却水流路溝１３０において、第１領域Ｄ２が第２領域Ｅ２より冷却水流れ下流側になっている。

上述したように、冷却水流路溝１３０において、冷却水流れの上流側から下流側に亘り、徐々に冷却水温度が高くなる温度勾配が生じるため、冷却水の流通方向を反転させた場合、水素側セパレータ１２０の冷却水流路溝１３０において、第１領域Ｄ２は第２領域Ｅ２より高温になる。このため、水素流路溝１２１において、第１領域Ｄ２に隣接する水素出口部分Ｄ１は、第２領域Ｅ２に隣接する水素入口部分Ｅ１より高温になる。

したがって、冷却水の流通方向を反転させることで、水素流路溝１２１における水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させることができる。これにより、水素出口部分Ｄ１に滞留している液水を水蒸気にすることができるため、水素が拡散しやすくなる。さらに、水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させることで、触媒を活性化することができるため、反応量を増加させることができる。このため、セル１００内に水素不足が発生しても、燃料電池１０の発電量を維持することができるため、効率の低下を抑制できる。

図９に戻り、ステップ１２０に続いて、水素出口部分Ｄ１の局所電流値が予め定めた第２基準電流値以上か否かを判定する（Ｓ１３０）。ここで、「第２基準電流値」とは、第１基準値より大きい値であって、例えば水素出口部分Ｄ１の局所電流値がこの値以上であれば、セル１００内に水素不足が発生していないという値に設定される。

この結果、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第２基準電流値以上である場合は（Ｓ１３０：ＹＥＳ）、セル１００内の水素不足が解消されたと診断し、四方弁４６を作動して、冷却水流路溝１３０における冷却水の流通方向を再び反転させる、すなわち冷却水の流通方向を通常状態に戻す（Ｓ１４０）。その後、ステップ１００に戻る。なお、ステップ１３０、１４０が、本発明の流通方向再反転制御に相当している。

一方、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第２基準電流値以上でない場合は（Ｓ１３０：ＮＯ）、セル１００内の水素不足が解消されていないと診断し、水素出口部分Ｄ１の局所電流値が予め定めた第３基準電流値以下か否かを判定する（Ｓ１５０）。ここで、「第３基準電流値」とは、第１基準値より小さい値であって、例えば水素出口部分Ｄ１の局所電流値がこの値以下になると、冷却水の流通方向を反転させて水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させるのみでは、効率の低下を抑制することができないという値に設定される。

この結果、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第３基準電流値以下でない場合は（Ｓ１５０：ＮＯ）、冷却水の流通方向を反転させて水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させることで、効率の低下を抑制することができると診断し、ステップ１３０に戻る。

一方、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第３基準電流値以下である場合は（Ｓ１５０：ＹＥＳ）、冷却水の流通方向を反転させて水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させるのみでは効率の低下を抑制することができないと診断し、水素排出弁３３を所定時間開弁し（Ｓ１６０）、セル１００内に滞留した窒素や水をオフガスとともに外部に排出して、セル１００内の水素濃度を上昇させる。

そして、四方弁４６を作動し、冷却水流路溝１３０における冷却水の流通方向を再び反転させる、すなわち冷却水の流通方向を通常状態に戻す（Ｓ１７０）。その後、ステップ１００に戻る。なお、ステップ１５０〜１７０が、本発明の排燃料ガス排出制御に相当している。

以上の冷却水流通方向切替制御では、セル１００内の水素出口部分Ｄ１に窒素や水が滞留し、水素不足が発生している場合に、冷却水の流通方向を反転させ、冷却水流路溝１３０において、水素出口部分Ｄ１に隣接する第１領域Ｄ２が、水素入口部分Ｅ１に隣接する第２領域Ｅ２より冷却媒体流れ下流側になるようにすることで、第１領域Ｄ２の温度を第２領域Ｅ２の温度より高くすることができる。このため、水素流路溝１２１において、水素出口部分Ｄ１の温度を水素入口部分Ｅ１の温度より高くすることができる。

すなわち、セル１００内において水素不足が発生している場合に、冷却水の流通方向を反転させることで、水素流路溝１２１における水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させることができる。これにより、水素出口部分Ｄ１に滞留している液水を水蒸気にすることができるため、水素が拡散しやすくなる。さらに、水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させることで、触媒を活性化することができるため、反応量を増加させることができる。このため、セル１００内に水素不足が発生しても、燃料電池１０の発電量を維持することができる。したがって、オフガス排出量を極力少なくしつつ、効率の低下を抑制することが可能となる。

また、流通方向反転制御を行った後、水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第１基準電流値より小さい第３基準電流値以下になった場合、すなわち局所電流値が、冷却水の流通方向を反転させて水素出口部分Ｄ１の温度を上昇させるのみでは効率の低下を抑制することができない程度まで低下した場合に、冷却水の流通方向を再び反転させるとともに、水素排出弁３３を開弁してオフガスを外部に排出することで、セル１００内の水素濃度を上昇させることができる。これにより、オフガス排出量を極力少なくしつつ、効率の低下をより確実に抑制することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、オフガスを水素排出経路３０ｂを介して系外に排出する閉塞もしくは閉塞に近い水素非循環方式の燃料電池システムに本発明を適用した例について説明したが、これに限らず、オフガスを水素循環経路を介して水素供給経路に循環させる水素循環方式の燃料電池システムに本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、セル１００の水素出口部分Ｄ１の局所電流値が第３基準電流値以下である場合に、水素排出弁３３を開弁させた後、四方弁４６を作動させるようにした例について説明したが、これに限らず、四方弁４６を作動させた後、水素排出弁３３を開弁させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、燃料ガス不足検出手段として、局所電流センサを用いた例について説明したが、これに限らず、セル１００内の水素濃度を直接検出する水素濃度センサを用いてもよい。また、局所的なセル１００の電位差を測定するセンサを用いてもよい。

また、上記実施形態では、四方弁４６を、電動モータ４６４によって駆動されるように構成したが、これに限らず、例えば空気ポンプ２１の圧力によって駆動されるように構成してもよい。

本発明の実施形態における燃料電池システムを示す模式図である。 本発明の実施形態における電気四方弁４６を示す模式図で、（ａ）は通常時における四方弁４６の状態を示し、（ｂ）は流通方向反転制御時における四方弁４６の状態を示している。 本発明の実施形態における局所電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図である。 図３の燃料電池１０の側面図である。 本発明の実施形態における局所電流測定装置６０近傍の燃料電池１０の側面図である。 本発明の実施形態における電流測定装置６０の斜視図である。 図６の電流測定装置６０の要部の正面図である。 （ａ）は通常時における図５の左側から見た空気側セパレータ１１０の透視図で、（ｂ）は図５の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図で、（ｃ）は図５の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図で、（ｄ）は図５の左側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。 本発明の実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。 （ａ）は冷却水流通方向反転時における図５の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図で、（ｂ）は図５の左側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。

符号の説明

１０…燃料電池、３０ｂ…水素排出経路（排燃料ガス経路）３３…水素排出弁（燃料ガス排出手段）、４６…四方弁（流通方向反転手段）、５０…制御部（制御手段）、６０…局所電流測定手段（燃料ガス不足検出手段）、１００…セル、１２１…水素流路溝（燃料ガス通路）、１３０…冷却水流路溝（冷却媒体通路）、４６４…電動モータ、Ｄ１…水素出口部分、Ｄ２…第１領域、Ｅ１…水素入口部分、Ｅ２…第２領域。

Claims (6)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）を有する燃料電池（１０）を備え、
   前記セル（１００）は、前記燃料ガスが通過する燃料ガス通路（１２１）、および冷却媒体が通過する冷却媒体通路（１３０）を有しており、前記燃料ガス通路（１２１）と前記冷却媒体通路（１３０）とが隣接して配置されており、
   前記冷却媒体通路（１３０）において、前記燃料ガス通路（１２１）の出口近傍の領域（Ｄ１）に隣接する第１領域（Ｄ２）が、前記燃料ガス通路（１２１）の入口近傍の領域（Ｅ１）に隣接する第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ上流側になっている燃料電池システムであって、
   前記セル（１００）内の燃料ガス不足を検出する燃料ガス不足検出手段（６０）と、
   前記冷却媒体通路（１３０）内の前記冷却媒体の流通方向を反転させる流通方向反転手段（４６）と、
   前記燃料ガス不足検出手段（６０）による検出結果に基づいて、前記流通方向反転手段（４６）の作動を制御する制御手段（５０）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、前記セル（１００）内において燃料ガス不足が発生している場合に、前記冷却媒体通路（１３０）内における前記冷却媒体の流通方向を反転させて、前記冷却媒体通路（１３０）において前記第１領域（Ｄ２）が前記第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ下流側になるようにする流通方向反転制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料ガス不足検出手段は、前記セル（１００）内における燃料ガス不足が発生しやすい部位の局所電流を測定する局所電流測定手段（６０）であって、
   前記制御手段（５０）は、前記局所電流測定手段（６０）により測定された局所電流値に基づいて、前記流通方向反転手段（４６）の作動を制御するようになっており、
   前記制御手段（５０）は、前記局所電流が予め定めた第１基準電流値以下になった場合に、前記冷却媒体通路（１３０）内における前記冷却媒体の流通方向を反転させて、前記冷却媒体通路（１３０）において前記第１領域（Ｄ２）が前記第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ下流側になるようにする流通方向反転制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御手段（５０）は、前記流通方向反転制御を行った後、前記局所電流が前記第１基準電流値より大きい第２基準電流値以上になった場合に、前記冷却媒体通路（１３０）内における前記冷却媒体の流通方向を再び反転させて、前記冷却媒体通路（１３０）において前記第１領域（Ｄ２）が前記第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ上流側になるようにする流通方向再反転制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池（１０）の燃料極から排出される排燃料ガスが通過する排燃料ガス経路（３０ｂ）と、
   前記排燃料ガス経路（３０ｂ）内部と外部を連通あるいは遮断することができ、前記排燃料ガス経路（３０ｂ）内部と外部を連通することで前記燃料電池（１０）から排出される前記排燃料ガスを外部へ排出できる燃料ガス排出手段（３３）とを備え、
   前記制御手段（５０）は、前記流通方向反転制御を行った後、前記局所電流が前記第１基準電流値より小さい第３基準電流値以下になった場合に、前記冷却媒体通路（１３０）内における前記冷却媒体の流通方向を再び反転させて、前記冷却媒体通路（１３０）において前記第１領域（Ｄ２）が前記第２領域（Ｅ２）より冷却媒体流れ上流側になるようにするとともに、前記燃料ガス排出手段（３３）により前記排燃料ガス流路（３０ｂ）内部と外部を連通させて、前記排燃料ガスを外部へ排出する排燃料ガス排出制御を行うことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記流通方向反転手段は、四方弁（４６）であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
6. 前記四方弁（４６）は、電動モータ（４６４）によって駆動されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。

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