JP5103998B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池内にアノードガスを止めて若しくはアノードガスのオフガスを微小量系外に排気しながら運転する燃料電池システムに関する。

従来、例えば下記の各特許文献に開示されるように、燃料電池で使用されたアノードガスのオフガスを再び燃料電池に循環させることで、オフガスに残存している水素の有効利用を図った燃料電池システム（循環型システム）が知られている。この循環型システムでは、電解質膜をアノード側に透過してくる窒素も一緒に循環するため、燃料電池の運転に伴ってアノードガスの循環系内には窒素が蓄積されていくことになる。このため、循環型システムには循環系内のガスを系外に排出するための排気弁が設けられている。この排気弁を適宜に作動させることで、循環系内に蓄積されていた窒素を系外に排出し、燃料電池に供給されるアノードガスの水素濃度を回復することができる。

しかし、循環系内において窒素はアノードガス中に一様に分散しているため、排気弁を作動させて多くの窒素を排出しようとすると、同時に多くの水素も排出されることになる。窒素濃度を下げて燃料電池の発電効率を高めたとしても、燃料である水素の無駄が多くなれば、その分、システム全体では燃費が悪化してしまう。このため、循環型システムにおいてアノードガスの窒素濃度を下げることには限界があり、結果、燃料電池の発電効率を高めることにも限界があった。

上記のような課題を有する循環型システムに対し、燃料電池内にアノードガスを止めて運転し、発電によって消費された分のアノードガスを燃料電池に供給するようにした燃料電池システム（デッドエンド型システム）が知られている。また、アノードガスのオフガスを微小量系外に排気しながら運転する燃料電池システム（連続少量排気型システム）が研究されている。

これらデッドエンド型システムや連続少量排気型システムでも、循環型システムと同様、電解質膜をアノード側に透過してくる窒素が存在する。しかし、これらのシステムでは、アノード側に透過してきた窒素はアノードガス中に一様に分散するのではなくアノードの下流部に集中して蓄積される。このため、デッドエンド型システムであれば、アノードの下流部に窒素が十分に蓄積された状態で排気弁を開くことで、水素を無駄にすることなく一度に多くの窒素を排出することができる。また、連続少量排気型システムであれば、アノードの下流部に集まってくる窒素を系外に少しずつ排出することができる。したがって、これらのシステムによれば、アノードガスの窒素濃度を低い状態に保つことが可能であり、高い発電効率を実現することができる。
特表平８−５００９３１号公報 特開２００５−３２６５２号公報 特開２００５−１９３３１号公報 特開２００５−１６６４９８号公報

ところで、燃料電池の電解質膜は、その内部における水素イオンの移動に水分子が必要とされ、水分を含んだ状態でのみ高い水素イオン導電性を示す。このため、燃料電池内の水分が不足して電解質膜が乾燥してしまうと、導電率の低下に伴い燃料電池の発電性能は大きく低下してしまう。したがって、燃料電池にとっては、高い発電性能を維持する上で、燃料電池内を適度な湿潤状態に保つことが重要である。

燃料電池のカソード側では、アノード側から電解質膜を移動してきた水素イオンとカソードガス中の酸素との反応によって水が生成される。この水の一部は電解質膜を通ってアノード側に移動してくる。したがって、この水をアノードの面内に行き渡らせることができれば、アノードの全体を適度な湿潤状態にすることが可能となる。

燃料電池のアノードガス流路内にアノードガスの流れがあれば、その流れによって水を運搬してアノードの面内に行き渡らせることができる。しかしながら、上記のデッドエンド型システムや連続少量排気型システムでは、アノードガス流路内のアノードガスの流れは僅かであり、特に、アノードの下流部におけるガスの流れは殆ど無い。このため、水がアノードの面内に十分に行き渡らず、湿潤状態にむらが生じてしまう可能性がある。湿潤状態のむらによってアノードに乾燥した部分ができてしまうと、その部分ではアノード反応が正しく起こらず、燃料電池の発電性能は低下してしまう。また、電解質膜の耐久性にも悪影響を与えてしまう。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、燃料電池内にアノードガスを止めて若しくはアノードガスのオフガスを微小量系外に排気しながら運転する燃料電池システムにおいて、アノードの乾燥に起因する発電性能の低下や電解質膜の耐久性の低下を防止することにある。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するガス供給路と、前記燃料電池からアノードガスを排出させるガス排出路とを備え、前記ガス排出路の端部は実質的に閉塞されている燃料電池システムにおいて、
前記ガス排出路を前記ガス供給路に接続する接続路と、
前記接続路の遮断／連通を切り替える接続切替手段と、
前記接続路が連通状態にあるときに前記ガス排出路側から前記ガス供給路側へガスの流動を生じさせるガス流動手段と、
前記接続切替手段による前記接続路の遮断／連通を制御する接続制御手段とを備え、
前記接続制御手段は、前記燃料電池が運転されている運転域が所定負荷よりも低負荷側の運転域であるか否か判定する運転域判定手段を含み、遮断状態を前記接続路の基本状態とし、前記燃料電池が前記所定負荷よりも低負荷側で運転される場合に前記接続路を連通状態とすることを特徴としている。

第２の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するガス供給路と、前記燃料電池からアノードガスを排出させるガス排出路とを備え、前記ガス排出路の端部は実質的に閉塞されている燃料電池システムにおいて、
前記ガス排出路を前記ガス供給路に接続する接続路と、
前記接続路の遮断／連通を切り替える接続切替手段と、
前記接続路が連通状態にあるときに前記ガス排出路側から前記ガス供給路側へガスの流動を生じさせるガス流動手段と、
前記接続切替手段による前記接続路の遮断／連通を制御する接続制御手段とを備え、
前記接続制御手段は、前記燃料電池のアノードの乾燥度に係る物理量を計測或いは計算して前記物理量の値が所定の基準値に対して乾燥度が高い側にあるか否か判定する乾燥度判定手段を含み、遮断状態を前記接続路の基本状態とし、前記物理量の値が前記基準値に対して乾燥度が高い側にある場合に前記接続路を連通状態にすることを特徴としている。

第３の発明は、第２の発明において、
前記乾燥度判定手段は、前記燃料電池の電圧低下率を計測する手段を含むことを特徴としている。

第４の発明は、第２又は第３の発明において、
前記乾燥度判定手段は、前記ガス排出路におけるアノードガスの湿度を計測する手段を含むことを特徴としている。

第５の発明は、第２乃至第４の何れか１つの発明において、
前記乾燥度判定手段は、前記燃料電池におけるアノードの入口側と出口側との電圧差を計測する手段を含むことを特徴としている。

第６の発明は、第２乃至第５の何れか１つの発明において、
前記乾燥度判定手段は、前記燃料電池の運転温度を計測する手段を含むことを特徴としている。

第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
前記燃料電池は、アノードでのガスの流れの方向とカソードでのガスの流れの方向とが逆方向になるように構成されていることを特徴としている。

第８の発明は、第１乃至第７の何れか１つの発明において、
前記ガス排出路と系外との連通を遮断或いは制限する排気弁をさらに備え、
前記接続制御手段は、前記排気弁による前記ガス排出路と系外との連通の遮断若しくは制限が解除されている間は、前記接続路を遮断状態とするか若しくは前記接続路内のガスの流動を制限することを特徴としている。

第９の発明は、第１乃至第８の何れか１つの発明において、
前記接続路が連通状態にされたときには、前記接続路が遮断状態のときよりも前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を低下させるアノードガス圧力制御手段をさらに備えたことを特徴としている。

第１０の発明は、第１乃至第９の何れか１つの発明において、
前記接続路が連通状態にされたときには、前記接続路が遮断状態のときよりもアノードの出口側の温度が入口側の温度より低くなるように冷媒の流量を変化させる冷媒流量制御手段をさらに備えたことを特徴としている。

燃料電池が低負荷域で運転されるときには、カソードでの水の生成量は少なくなり、しかも、負荷に対するカソードガスの流量の比が相対的に大きくなる。結果、アノード側への水の移動量が少なくなって、アノードの乾燥が生じやすくなる。この点に関し、第１の発明によれば、低負荷域では接続路を連通状態とし、ガス排出路側からガス供給路側へガスの流動を生じさせることで、燃料電池内でアノードガスの流動を生じさせることができる。燃料電池内でアノードガスが流動することで、アノードの面内に水を行き渡らせることが可能となり、アノードの面内に乾燥した部分が生じることを前もって防止することができる。さらに、接続路内を流れたアノードガスは再び燃料電池に循環されるので、アノードガスの無駄が生じることはなく、アノードガスとともに燃料電池内から持ち去られた水を再び燃料電池内に戻すこともできる。そして、所定の条件が成立しなくなった場合には接続路は基本状態である遮断状態に戻されるので、燃料電池内にアノードガスを止めて若しくはアノードガスのオフガスを微小量系外に排気しながらの運転によって高い発電効率を実現することができる。

第２の発明によれば、アノードが乾燥していると判断されるときにはアノードガスを循環させるので、燃料電池内に生じるアノードガスの流れによってアノードの面内に水を行き渡らせることができる。さらに、接続路内を流れたアノードガスは再び燃料電池に循環されるので、アノードガスの無駄が生じることはなく、アノードガスとともに燃料電池内から持ち去られた水を再び燃料電池内に戻すこともできる。そして、所定の条件が成立しなくなった場合には接続路は基本状態である遮断状態に戻されるので、燃料電池内にアノードガスを止めて若しくはアノードガスのオフガスを微小量系外に排気しながらの運転によって高い発電効率を実現することができる。

第３の発明によれば、燃料電池の電圧低下率を見ることで、アノードが乾燥しているかどうか正確に判断することができる。

第４の発明によれば、ガス排出路におけるアノードガスの湿度を見ることで、アノードが乾燥しているかどうか正確に判断することができる。

第５の発明によれば、燃料電池におけるアノードの入口側と出口側との電圧差を見ることで、アノードが乾燥しているかどうか正確に判断することができる。

第６の発明によれば、燃料電池の運転温度も判断材料に加えることで、アノードが乾燥しているかどうか正確に判断することができる。

第７の発明によれば、アノードでのガスの流れの方向がカソードでのガスの流れの方向と逆方向であることにより、カソード側からアノード側へ電解質膜を透過して移動してくる水をアノード面内に効率的に行き渡らせることができる。

第８の発明によれば、排気弁を開いてアノードに蓄積された窒素を排出するときには、アノードガスの循環は禁止若しくは制限されるので、アノードガスの循環による窒素濃度の均一化によって窒素の排出効率が低下してしまうのを防止することができる。

第９の発明によれば、アノードガスを循環させるときにはアノードガスの圧力を低下させることにより、燃料電池内でのアノードガスの流速を高めることができ、ひいては、アノードにおける水の移動を促進することができる。

第１０の発明によれば、アノード入口側では湿度を下げてアノードガスによる水の持ち去り効果を高めることができ、乾燥しやすいアノードの出口側では湿度を高めて加湿を促進することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。燃料電池システムは、燃料電池２によって発電してその電力をモータ等の電気的負荷に供給するシステムである。通常、燃料電池２は、複数の単位燃料電池を積層してなる燃料電池スタックとして使用される。単位燃料電池は、図示は省略するが、膜電極接合体を一対の集電板で挟んだ構成になっている。膜電極接合体は、固体高分子電解質膜の両面に触媒電極が一体化されたものであり、さらにその各面にはカーボンシート等で作られたガス拡散層が一体化されている。集電板は、隣接する２枚の膜電極接合体の間を仕切るセパレータとしても機能している。各単位燃料電池は、アノードに燃料ガスとしての水素の供給を受け、カソードに空気の供給を受けて発電する。

燃料電池２には、空気を供給するための空気供給路２０が接続されている。空気供給路２０には空気ポンプ２２が配置されている。空気ポンプ２２の作動によって空気供給路２０に空気が取り込まれ燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された空気は、燃料電池２内に形成された供給マニホールドによって各単位燃料電池のカソードに分配される。各単位燃料電池のカソードを通過したガス（カソードガス）は、燃料電池２内に形成された排気マニホールドに集められてカソードガス排出路２４に排出される。カソードガス排出路２４には背圧調整弁２６と希釈器２８が配置されている。アノード排出路２４の先端はこの希釈器２８に接続されている。

燃料電池２には、高圧水素タンク等の水素供給源４から燃料電池２に水素を供給するための水素供給路６が接続されている。水素供給路６の途中には、その上流からシャット弁１０と可変調圧弁８が順に配置されている。水素は可変調圧弁８で減圧され所望の圧力に調整されてから燃料電池２に供給される。燃料電池２に供給された水素は、燃料電池２内に形成された供給マニホールドによって各単位燃料電池のアノードに分配される。各単位燃料電池のアノードを通過したガス（アノードガス）は、燃料電池２内に形成された排気マニホールドに集められてアノードガス排出路１２に排出される。アノードガス排出路１２には排気弁１４が配置されている。排気弁１４は閉状態をその基本状態とし、所定のパージ条件が成立した場合にのみ開くように制御されている。

さらに、本実施の形態の燃料電池システムは、アノードガス排出路１２を水素供給路６に接続する接続路３０を備えている。接続路３０は、アノードガス排出路１２における排気弁１４の上流を水素供給路６における可変調圧弁８の下流に接続している。接続路３０には小型の循環ポンプ３２が配置されている。循環ポンプ３２は、水素供給路６内のガス圧力とアノードガス排出路１２内のガス圧力との圧力差に対抗して、アノードガス排出路１２から水素供給路６へアノードガスを流すことができる程度の出力性能があればよい。循環ポンプ３２は、接続路３０の遮断／連通を切り替える「接続切替手段」として機能するとともに、接続路３０が連通状態にあるときにアノードガス排出路側から水素供給路側へガスの流動を生じさせる「ガス流動手段」としても機能する。循環ポンプ３２は停止状態をその基本状態とし、所定の作動条件が成立した場合にのみ作動するように制御されている。

図２は、燃料電池２を構成する単位燃料電池の内部構造とその内部のガス流れを模式的に示す図である。図２の（Ａ）は循環ポンプ３２が基本状態にあるとき、つまり、循環ポンプ３２が停止しているときのガス流れを示し、図２の（Ｂ）は循環ポンプ３２が作動しているときのガス流れを示している。なお、図２では、本発明の特徴に特に係る部分を示し、集電体やマニホールド等、本発明の特徴以外の部分については図示は省略している。以下、図１とあわせて図２も参照して説明する。

図２に示すように、単位燃料電池内の内部には、膜電極接合体４０を挟む各ガス拡散層４２，４４に沿ってガス流路４６，４８が形成されている。一方のガス流路４６はカソードに空気を供給するカソードガス流路であり、もう一方のガス流路４８はアノードに水素を供給するアノードガス流路である。本実施の形態にかかる単位燃料電池では、カソードガス流路４６におけるガスの流れの方向とアノードガス流路４８におけるガスの流れの方向とが逆方向になるように構成されている。なお、ガスの流れ方向の他は、これらガス流路４６，４８の形状や構成には限定はない。例えば、集電体（セパレータ）の表面に溝を形成し、その溝をガス流路４６，４８としてもよい。また、集電体と膜電極接合体４０との間に導電性材料からなる多孔体層を設け、多孔体層内の連続する気孔によってガス流路４６，４８を形成してもよい。

循環ポンプ３２が基本状態にあるときには、図２の（Ａ）に示すように、排気弁１４が開かない限りアノードガスはアノードガス流路４８内にとどまることになる。この状態での運転、つまり、アノードデッドエンド運転によれば、燃料電池２に供給される水素を有効に使用することができる。

しかし、アノードデッドエンド運転では、アノードガス流路４８内、特に、アノードガス流路４８の下流部にはガスの流れは殆ど生じ無い。アノードガス流路４８には、発電反応により生成された水の一部が膜電極接合体４０の内部を通ってカソードガス流路４６から移動してくる。しかし、アノードガス流路４８内のガスの流れが乏しいと、水を膜電極接合体４０のアノードの面内に十分に行き渡らせることができず、アノードの湿潤状態にむらが生じてしまう可能性がある。

一方、循環ポンプ３２が作動しているときには、図２の（Ｂ）に示すように、接続路４０が連通状態となってアノードガス排出路１２から水素供給路６へアノードガスの流動が生じる。その結果、燃料電池２のアノードガス流路４８内でもアノードガスの流動が生じ、図中に模式的に示すように、アノードガスによって水が運搬されるようになる。なお、アノードガス流路４８への水の移動は、カソードガス流路４６の下流部からの移動量が大きい。このため、本実施の形態のようにアノードガスとカソードガスの流れの方向が逆であれば、カソードガス流路４６から移動してきた水をアノードガス流路４８の全域に効率的に行き渡らせることができる。

以上のように、循環ポンプ３２が基本状態にあるときには、アノードデッドエンド運転による高効率な運転を実現することができる。また、循環ポンプ３２を作動させることで、アノードガス流路４８にアノードガスの流動を生じさせ、それによりアノードの面内に水を行き渡らせてアノードの部分的な乾燥を防止することもできる。つまり、本実施の形態の燃料電池システムの構成によれば、循環ポンプ３２の作動／停止を適宜に制御することによって、アノードの乾燥に起因する発電性能の低下を防止し、アノードデッドエンド運転による高い発電性能を維持することが可能である。以下、循環ポンプ３２の具体的な制御方法について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態で実行される循環ポンプ３２の作動／停止制御のルーチンを示すフローチャートである。

図３に示すルーチンの最初のステップＳ１００では、燃料電池２の運転域（ＦＣ運転域）が所定の低負荷域にあるか否か判定される。負荷の判断には燃料電池２の出力電流値が用いられる。出力電流値は図示しない電流計によって計測する。若しくは、モータ等の電気的負荷から燃料電池システムに要求される出力電流値を取得してもよい。図４の上段のグラフは燃料電池２のＩＶ特性を示すグラフである。図４に示すように、ここでは出力電流値Ｉが基準値Ｉ_０よりも小さい運転域が低負荷域として設定されている。

発電反応によって生成される水の量は、出力電流値が大きいほど、つまり、燃料電池２が高負荷で運転されているほど多くなる。逆に、出力電流値が小さい低負荷域では水の生成量は少なくなり、しかも、図４の下段のグラフに示すように、出力電流値（Ｉ）に対するカソードガスの流量の比（カソードストイキ値：ＣＡst）が相対的に大きくなる。結果、カソードガス流路４６からアノードガス流路４８への水の移動量が少なくなって、アノードの乾燥が生じやすくなる。前述の基準値Ｉ_０は、その前後でカソードストイキ値が大きく変化する出力電流値に設定されている。

ステップＳ１００判定の結果、燃料電池２の運転域が低負荷域ではない場合にはステップＳ１０６の処理が選択される。ステップＳ１０６では、循環ポンプ３２は停止状態に維持され、燃料電池システムはアノードデッドエンド運転で運転される。

一方、燃料電池２の運転域が低負荷域と判定された場合には、次にステップＳ１０２の判定が行われる。ステップＳ１０２では、アノードパージの実行中か否か判定される。アノードパージは、排気弁１４を開いてアノードガス流路４８内からアノードガスを放出する処理である。アノードガス流路４８には、カソードガス流路４６から膜電極接合体４０を透過してきた窒素が蓄積されている。アノードパージを実行することでアノードガスとともにアノードガス流路４８から窒素を系外に放出し、窒素の蓄積による電圧低下等の不具合を防止することができる。

図５はアノードガス流路４８内の水素濃度の分布を循環ポンプ３２の作動時と停止時とで比較して示す図である。循環ポンプ３２の作動時にはアノードガスの循環によって窒素はアノードガス中に分散することになる。結果、循環ポンプ３２の作動時の水素濃度分布は図５の（Ａ）のような傾向を示す。一方、循環ポンプ３２の停止時にはアノードガス流路４８内のアノードガスの流れは殆ど無いため、窒素はアノードガス流路４８の下流部に溜まっていく。結果、循環ポンプ３２の停止時の水素濃度分布は図５の（Ｂ）のような傾向を示す。水素の無駄な排気は抑えつつ窒素を効率的に排気するには、図５の（Ｂ）に示すような水素濃度分布が望ましい。

そこで、ステップＳ１０２の判定の結果、現在アノードパージの実行中であれば、ステップＳ１０６の処理が選択されて循環ポンプ３２は停止状態に維持される。これにより、アノードガスの循環による窒素濃度の均一化によって窒素の排出効率が低下してしまうのを防止することができる。

ステップＳ１０２の判定の結果、アノードパージが実行されていなければステップＳ１０４の処理が選択される。ステップＳ１０４では、循環ポンプ３２は作動状態とされる。循環ポンプ３２の作動によりアノードガス流路４８内にアノードガスの流れを生じさせ、アノードガスによる水の運搬によってアノードの面内に水を行き渡らせることができる。これによれば、アノードの乾燥が生じやすい低負荷域であっても、アノードの面内に乾燥した部分が生じることを防止することができる。また、アノードガス流路４８を通過したアノードガスは再びアノードガス流路４８に循環されるので、アノードガスの無駄が生じることもない。さらに、アノードガスとともにアノードガス流路４８から持ち去られた水を再びアノードガス流路４８に戻すこともできる。

以上説明したように、本実施の形態で実行される循環ポンプ３２の作動／停止制御によれば、燃料電池２が低負荷域で運転される場合にアノードの面内に乾燥した部分が生じることを前もって防止することが可能であり、アノードの乾燥に起因する燃料電池２の発電性能の低下や電解質膜の耐久性の低下を防止することができる。

なお、本実施の形態では、図３に示すルーチンが実行されることで第１の発明にかかる「接続制御手段」が実現されている。特に、ステップＳ１００の処理が実行されることで第１の発明にかかる「運転域判定手段」が実現されている。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２の燃料電池システムは、実施の形態１とは循環ポンプ３２の作動／停止制御に違いが有る。本実施の形態では、図１及び図２に示す構成において、循環ポンプ３２の作動／停止制御のルーチンとして図６のフローチャートに示すルーチンが実行される。なお、図６に示すルーチンにおいて、図３に示すルーチンと同内容の処理に関しては同一のステップ番号を付している。以下では、本実施の形態において特有な処理について重点的に説明し、実施の形態１と同一の処理については説明を省略或いは簡略するものとする。

図６に示すルーチンの最初のステップＳ２００では、燃料電池２の電圧低下率が計算される。図７のグラフは燃料電池２のＩＶ特性を示すグラフであり、燃料電池２が適正な湿潤状態にある場合のＩＶ特性を実線で示し、アノードが乾燥した場合のＩＶ特性を破線で示している。アノードが乾燥すると燃料電池２の出力電圧は低下し、その低下率は乾燥が進むほど大きくなる。つまり、燃料電池２の電圧低下率はアノードの乾燥度に係る物理量として用いることができ、電圧低下率を計算することでアノードの乾燥状態を数値化して把握することができる。

次のステップＳ２０２では、ステップＳ２００で計算した電圧低下率と所定の基準値との比較が行われる。アノードに乾燥が生じている場合には、アノードの乾燥がこれ以上進むことを防止すると同時に乾燥状態から回復させる必要がある。上記基準値は乾燥からの回復処理、つまり、循環ポンプ３２によるアノードガスの循環を実行するか否か判断するための基準となる電圧低下率の値である。

ステップＳ２０２の判定の結果、電圧低下率が基準値以下の場合、つまり、アノードの乾燥が進んでいない場合にはステップＳ１０６の処理が選択される。ステップＳ１０６では、循環ポンプ３２は停止状態に維持され、燃料電池システムはアノードデッドエンド運転で運転される。

一方、電圧低下率が基準値を超えていると判定された場合には、ステップＳ１０２に進んでアノードパージの実行中か否か判定される。現在アノードパージの実行中であれば、ステップＳ１０６の処理が選択されて循環ポンプ３２は停止状態に維持される。

ステップＳ１０２の判定の結果、アノードパージが実行されていなければステップＳ１０４の処理が選択される。ステップＳ１０４では、循環ポンプ３２は作動状態とされる。循環ポンプ３２の作動によりアノードガス流路４８内にアノードガスの流れを生じさせ、アノードガスによる水の運搬によってアノード面内の乾燥した部分にも水を行き渡らせることができる。

以上説明したように、本実施の形態で実行される循環ポンプ３２の作動／停止制御によれば、アノードデッド運転によってアノードに乾燥が生じたとしても、それ以上の乾燥の進行を防止すると同時に乾燥状態から速やかに回復させることが可能であり、アノードの乾燥に起因する燃料電池２の発電性能の低下や電解質膜の耐久性の低下を防止することができる。

なお、本実施の形態では、図６に示すルーチンが実行されることで第２の発明にかかる「接続制御手段」が実現されている。特に、ステップＳ２００及びＳ２０２の処理が実行されることで第２の発明にかかる「乾燥度判定手段」が実現されている。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムにおいて、循環ポンプ３２の作動／停止制御にかかるアノードの乾燥状態の判定方法を以下に説明する方法に変更することで実現される。

燃料電池２のアノード面内に乾燥した部分が生じると、その部分にアノードガスに含まれる水分が吸収されることで、アノードガス流路４８を通過したアノードガス（アノードオフガス）の湿度は低下する。図８にはアノードデッド運転を継続した場合のアノードオフガスの湿度の時間変化を示している。この図に示すように、アノードデッド運転の継続によりアノードの乾燥が進むにつれ、アノードガスの湿度は次第に低下していく。つまり、アノードオフガスの湿度はアノードの乾燥度に係る物理量として用いることができ、アノードオフガスの湿度を計測することでアノードデッド運転時のアノードの乾燥状態を的確に判定することができる。

本実施の形態では、アノードガス排出路１２に湿度計或いは露点計を配置してアノードオフガスの湿度を計測し、その計測値と所定の基準値との比較に基づいて循環ポンプ３２の作動／停止を制御する。フローチャートを用いた説明は省略するが、計測した湿度が基準値以下であれば循環ポンプ３２は停止状態に維持する。一方、計測した湿度が基準値を超えており、且つ、アノードパージの実行中でなければ循環ポンプ３２を作動させる。このようにして循環ポンプ３２の作動／停止を制御することで、アノードデッド運転によってアノードに乾燥が生じたとしても、それ以上の乾燥の進行を防止すると同時に乾燥状態から速やかに回復させることができる。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４の燃料電池システムは、実施の形態２の燃料電池システムにおいて、循環ポンプ３２の作動／停止制御にかかるアノードの乾燥状態の判定方法を以下に説明する方法に変更することで実現される。

アノードデッド運転時、アノードの乾燥はアノードガス流路４８の上流部よりも下流部で生じやすい。乾燥が進んだ部分では内部抵抗の増加によって電圧が低下する。図９にはアノードデッド運転を継続した場合のアノードガス流路４８の入口部（Ｉｎ）におけるセル電圧と出口部（Ｏｕｔ）におけるセル電圧の各時間変化を示している。この図に示すように、アノードデッド運転の継続によりアノードの乾燥が進むにつれ、入口部と出口部の電圧差は次第に拡大していく。つまり、アノードガス流路４８の入口部と出口部の電圧差はアノードの乾燥度に係る物理量として用いることができ、この電圧差を計測することでアノードデッド運転時のアノードの乾燥状態を的確に判定することができる。

本実施の形態では、アノードガス流路４８の入口部と出口部とに電圧モニタを取り付けて両者の電圧差を計測し、その計測値と所定の基準値との比較に基づいて循環ポンプ３２の作動／停止を制御する。フローチャートを用いた説明は省略するが、計測した電圧差が基準値以下であれば循環ポンプ３２は停止状態に維持する。一方、計測した電圧差が基準値を超えており、且つ、アノードパージの実行中でなければ循環ポンプ３２を作動させる。このようにして循環ポンプ３２の作動／停止を制御することで、アノードデッド運転によってアノードに乾燥が生じたとしても、それ以上の乾燥の進行を防止すると同時に乾燥状態から速やかに回復させることができる。

実施の形態５．
本発明の実施の形態５の燃料電池システムは、実施の形態１乃至４の何れかの燃料電池システムにおいて、循環ポンプ３２の作動／停止制御と併せて以下に説明する冷媒の流量制御を行うことで実現される。

図１０は、本実施の形態において循環ポンプ３２が作動しているときの単位燃料電池内のガス流れを示している。また、ガスの流れと併せて単位燃料電池内の冷媒の流れも示している。冷媒は隣接する単位燃料電池間に形成された冷媒流路（図示略）を流れている。この図に示すように、冷媒はカソードガス流路４６の入口側から出口側に向けて、アノードガス流路４８に対してはその出口側から入口側に向けて流れるようになっている。

図１０に示す冷媒の流れの向きによれば、アノードガス流路４８の出口側温度のほうが入口側温度よりも低くなる。その温度差は冷媒の流量によって決まる。本実施の形態では、循環ポンプ３２を作動させるときには、循環ポンプ３２が停止状態のときよりも上記の温度差が大きくなるように冷媒の流量を制御する。温度差を大きくすることでアノードガス流路４８内のアノードガスの湿度にも出口側と入口側とで大きな差をつけることができる。アノードガス流路４８の入口側の湿度を相対的に下げることができればアノードガスによる水の持ち去り効果を高めることできる。一方、アノードガス流路４８の出口側の湿度を相対的に上げることができればアノードの乾燥部分の加湿を促進することができる。つまり、循環ポンプ３２の作動／停止制御と併せて冷媒の流量制御を行うことで、アノードの乾燥に起因する発電性能の低下や電解質膜の耐久性の低下をより効果的に防止することができる。

実施の形態６．
本発明の実施の形態６の燃料電池システムは、実施の形態１乃至５の何れかの燃料電池システムにおいて、循環ポンプ３２の作動／停止制御と併せて以下に説明するアノードガスの圧力制御を行うことで実現される。

図１に示す構成によれば、循環ポンプ３２を作動させてアノードガスを循環させる場合、可変調圧弁８によって循環系内のガス圧力を調整することができる。本実施の形態では、循環ポンプ３２を作動させるときには、循環ポンプ３２が停止状態のときよりもアノードガスの圧力が低くなるように可変調圧弁８を制御する。循環ポンプ３２の出力が同じ場合、アノードガスの圧力を低くすることで逆に流速は高めることができる。アノードガス流路４８を流れるアノードガスの流速が高まれば、アノードガスによる水の運搬が促進され、より効率良く水を行き渡らせることが可能になる。また、アノードガスの圧力を低下させることでカソード側からの水の移動を促進する効果も生じる。つまり、循環ポンプ３２の作動／停止制御と併せてアノードガスの圧力制御を行うことで、アノードの乾燥に起因する発電性能の低下や電解質膜の耐久性の低下をより効果的に防止することができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

図１に示す構成では接続路３０に循環ポンプ３２を配置しているが、循環ポンプに替えてエジェクタとバルブを配置してもよい。具体的には、エジェクタは水素供給路６と接続路３０との合流部に配置し、バルブは接続路３０に配置する。この場合、バルブは本発明にかかる「接続切替手段」に相当し、エジェクタは本発明にかかる「ガス流動手段」に相当する。

また、図２に示す構成ではカソードガス流路４６におけるガスの流れの方向とアノードガス流路４８におけるガスの流れの方向とが逆方向になっているが、本発明はこれらのガスの流れ方向が同方向になっている燃料電池にも適用することができる。アノードガスの流れ方向とカソードガスの流れ方向が同方向の場合、アノードの乾燥はアノードガス流路の入口側にて進む一方、アノードガスはアノードガス流路の出口側で水を受け取ることになる。しかし、そのような場合であってもアノードガスを循環させることで、アノードガスが出口側で受け取った水を入口側に回すことができ、入口側の乾燥した部分を加湿することができる。

上記実施の形態では排気弁１４を完全に閉じたデッドエンド運転を燃料電池システムの基本運転としているが、排気弁１４を僅かに開いた連続少量排気運転を基本運転としてもよい。連続少量排気運転では、系外へ排気されるアノードガスの流量がアノードガス流路４８内での水素の消費量に比較して極微小な値になるように排気弁１４の開度を調整する。この連続少量排気運転によれば、アノードガス流路４８に溜まる窒素を系外に少しずつ排気することができるので、デッドエンド運転の場合よりもアノードパージの実行頻度を抑えることができる。

図３及び図６に示す各ルーチンではアノードパージの実行中はアノードガスの循環を完全に停止しているが、アノードパージを実行していない場合に比較して循環量を制限することでもよい。また、アノードの乾燥が非常に進んでいるような場合には、アノードパージの実行中であっても乾燥防止を優先してアノードガスを循環させてもよい。

実施の形態１では低負荷域においてアノードガスを循環させているが、好ましくは、燃料電池が常用域よりも高負荷側で運転されるときにもアノードガスを循環させるようにする。アノードガスを循環させない状態で燃料電池に高い負荷がかかると、燃料電池内のアノードガス流路の下流において局所的なアノードガス欠が生じ、その部位の触媒が劣化するおそれがあるからである。このような高負荷域でもアノードガスを循環させれば、アノードガス流路内に蓄積された窒素を分散させることができ、局所的なアノードガス欠の発生を防止することができる。なお、以上説明した高負荷域での循環ポンプの作動／停止制御は、実施の形態１乃至６の何れとも組み合わせることができる。

また、実施の形態２乃至４において、燃料電池２の運転温度を計測し、その計測値をアノードの乾燥状態を判定する上での判断材料に加えてもよい。運転温度も判断材料に加えることで、アノードが乾燥しているかどうかより正確に判断することができる。

さらに、本発明は、排気弁を備えないか、若しくは、緊急時以外には排気弁を作動させない燃料電池システム（これをパージレスデッドエンド型システムという）にも適用可能である。排気弁によるパージを実行しない場合には、運転に伴ってアノードガス流路内の窒素分圧は上昇していくが、ある程度まで上昇したらカソード流路内の窒素分圧に等しくなり、それ以上にアノードガス流路内の窒素分圧が上がることはない。パージレスデッドエンド型システムは、このように燃料電池内のアノードガス流路に或る程度の窒素が溜まることを許容したシステムである。

本発明の実施の形態１の燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 燃料電池を構成する単位燃料電池の内部構造とその内部のガス流れを模式的に示す図である。 本発明の実施の形態１で実行される循環ポンプの作動／停止制御のルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池のＩＶ特性と出力電流値に対するカソードストイキ値の特性とを示す図である。 アノードガス流路内の水素濃度の分布を循環ポンプの作動時と停止時とで比較して示す図である。 本発明の実施の形態２で実行される循環ポンプの作動／停止制御のルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池のＩＶ特性を燃料電池２が適正な湿潤状態にある場合とアノードが乾燥した場合とで比較して示す図である。 アノードデッド運転を継続した場合のアノードオフガスの湿度の時間変化を示す図である。 アノードデッド運転を継続した場合のアノードガス流路の入口部におけるセル電圧と出口部におけるセル電圧の各時間変化を示す図である。 本発明の実施の形態５において循環ポンプが作動しているときの単位燃料電池内のガス流れと冷媒の流れとを模式的に示す図である。

符号の説明

２ 燃料電池
４ 水素供給源
６ 水素供給路
８ 可変調圧弁
１０ シャット弁
１２ アノードガス排出路
１４ 排気弁
２０ 空気供給路
２２ 空気ポンプ
２４ カソードガス排出路
２６ 背圧調整弁
２８ 希釈器
３０ 接続路
３２ 循環ポンプ
４０ 膜電極接合体
４２ カソードガス拡散層
４４ アノードガス拡散層
４６ カソードガス流路
４８ アノードガス流路

Claims (10)

1. 燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するガス供給路と、前記燃料電池からアノードガスを排出させるガス排出路とを備え、前記ガス排出路の端部は実質的に閉塞されている燃料電池システムにおいて、
   前記ガス排出路を前記ガス供給路に接続する接続路と、
   前記接続路の遮断／連通を切り替える接続切替手段と、
   前記接続路が連通状態にあるときに前記ガス排出路側から前記ガス供給路側へガスの流動を生じさせるガス流動手段と、
   前記接続切替手段による前記接続路の遮断／連通を制御する接続制御手段とを備え、
   前記接続制御手段は、前記燃料電池が運転されている運転域が所定負荷よりも低負荷側の運転域であるか否か判定する運転域判定手段を含み、遮断状態を前記接続路の基本状態とし、前記燃料電池が前記所定負荷よりも低負荷側で運転される場合に前記接続路を連通状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池と、前記燃料電池にアノードガスを供給するガス供給路と、前記燃料電池からアノードガスを排出させるガス排出路とを備え、前記ガス排出路の端部は実質的に閉塞されている燃料電池システムにおいて、
   前記ガス排出路を前記ガス供給路に接続する接続路と、
   前記接続路の遮断／連通を切り替える接続切替手段と、
   前記接続路が連通状態にあるときに前記ガス排出路側から前記ガス供給路側へガスの流動を生じさせるガス流動手段と、
   前記接続切替手段による前記接続路の遮断／連通を制御する接続制御手段とを備え、
   前記接続制御手段は、前記燃料電池のアノードの乾燥度に係る物理量を計測或いは計算して前記物理量の値が所定の基準値に対して乾燥度が高い側にあるか否か判定する乾燥度判定手段を含み、遮断状態を前記接続路の基本状態とし、前記物理量の値が前記基準値に対して乾燥度が高い側にある場合に前記接続路を連通状態とすることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記乾燥度判定手段は、前記燃料電池の電圧低下率を計測する手段を含むことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記乾燥度判定手段は、前記ガス排出路におけるアノードガスの湿度を計測する手段を含むことを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池システム。
5. 前記乾燥度判定手段は、前記燃料電池におけるアノードの入口側と出口側との電圧差を計測する手段を含むことを特徴とする請求項２乃至４の何れか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記乾燥度判定手段は、前記燃料電池の運転温度を計測する手段を含むことを特徴とする請求項２乃至５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池は、アノードでのガスの流れの方向とカソードでのガスの流れの方向とが逆方向になるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記ガス排出路と系外との連通を遮断或いは制限する排気弁をさらに備え、
   前記接続制御手段は、前記排気弁による前記ガス排出路と系外との連通の遮断若しくは制限が解除されている間は、前記接続路を遮断状態とするか若しくは前記接続路内のガスの流動を制限することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記接続路が連通状態にされたときには、前記接続路が遮断状態のときよりも前記燃料電池に供給されるアノードガスの圧力を低下させるアノードガス圧力制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記接続路が連通状態にされたときには、前記接続路が遮断状態のときよりもアノードの出口側の温度が入口側の温度より低くなるように冷媒の流量を変化させる冷媒流量制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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