JP5339143B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の内部含水量の推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の内部含水量の推定方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池の内部含水量を精度よく推定する技術の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。

このような燃料電池においては、生成水や凝縮水がセパレータ内の流路等に残っていると低温時に凍結して場合によっては電解質膜やセパレータ、配管、弁などを破損してしまうことがある。さらには、凍結した水がガス流路を塞いでしまうと、次回の起動時にガス供給が妨げられて電気化学反応が十分に進行しなくなるという問題も起こりうる。そこで、例えば運転終了の際には乾燥した空気を送り込む等して燃料電池内に水分が残らないようにするいわゆる掃気処理を実施し、燃料電池内の水分量を最適にするようにしている。

このような掃気処理を実施するにあたっては、燃料電池の含水量をできるだけ正確に把握することが望まれる。従来、含水量を把握するための技術としては、燃料電池を構成する電解質膜に加わる荷重を検出して含水量を推定するというものが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−２０３２５３号公報

しかしながら、上記技術は、電解質膜の含水量を推定することは可能だが、反応ガス流路、ＧＤＬ（ガス拡散層）における含水量までは推定することができない。

そこで、本発明は、燃料電池の内部含水量を精度よく推定することができる燃料電池システムおよび燃料電池の内部含水量の推定方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。燃料電池の電解質膜は、水分を含むと膨潤するために荷重は増加する。その一方、反応ガス流路やＧＤＬは水分を含んでも厚みが変動するというようなことがないことから、これら反応ガス流路やＧＤＬはおいては水分に起因する荷重変動というものがほとんどない。このため、荷重変動を利用した推定技術では、電解質膜の含水量を推定することはできても、これら反応ガス流路やＧＤＬに残存する水分量まで推定することはできない。反応ガス流路やＧＤＬに残存する水分を含めた水分量つまり燃料電池の内部含水量を精度よく推定することについてさらに検討を重ねた本発明者は、課題の解決に結び付く知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、セパレータおよび電解質膜を含むセルが積層されてなる燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、当該燃料電池システムの運転終了後に放置状態にある燃料電池のうち、凝固熱の影響によって経過時間に対する温度低下が比較的少ない部位における温度を検出する温度センサと、該温度センサが検出した温度を当該燃料電池の内部温度であるとして取り扱い、温度低下が少ない時点での当該温度の挙動に基づき当該燃料電池の内部含水量を推定する演算処理装置と、を備えるというものである。

燃料電池システムの運転を終了した後に氷点下の状況で放置した場合、残留した水分が凍結する（液相から固相へと変化する）間、凝固点付近にて温度変化がほとんどなくなる。この現象において、凝固点付近における温度勾配とセルスタックの熱容量とから、当該凝固点における放熱量を算出することができる。また、この放熱量と凝固点の維持時間とから、生成水の総凝固熱を算出することができる。これらの算出結果を利用することにより、当該燃料電池の内部含水量を求めることが可能である。

かかる燃料電池システムにおいて、温度センサは、当該燃料電池のセルのセパレータに形成されている酸化ガスのマニホールドに配置されていることが好ましい。本発明者は、種々の検討の結果、運転停止後に放置された状態の燃料電池において、特に酸化ガスのマニホールドの表面における温度変化がセルスタックの内部における温度変化に近似しているとの知見を得た。本発明によれば、酸化ガスのマニホールドの表面温度を放置中における燃料電池の内部温度として取り扱い（みなし）、燃料電池の内部含水量を求めることができる。

この場合、マニホールドのうち、セルにおける発電部寄りの位置に温度センサが配置されていることが好ましい。これにより、セルスタックの内部温度により近似した温度変化を検出することができる。

また、セルが積層されてなるセルスタックのうちセル積層方向の略中央に位置するセルに温度センサが配置されていることが好ましい。

さらに、上述した燃料電池システムにおいては、推定した含水量の大きさに応じて掃気条件を変更することが好ましい。掃気条件には、掃気時間、流量、圧力などが含まれる。また、掃気条件を都度学習して次回掃気条件を変更することがさらに好ましい。

かかる燃料電池システムにおいて、推定した含水量の大きさに応じて氷点下始動モードを変更することが好ましい。

上述した燃料電池システムにおいて、含水量の推定を、外気温度が所定温度以下の場合のみ実施することとしてもよい。

また、本発明にかかる推定方法は、セパレータおよび電解質膜を含むセルが積層されてなる燃料電池の内部含水量の推定方法において、当該燃料電池システムの運転終了後に放置状態にある燃料電池のうち、凝固熱の影響によって経過時間に対する温度低下が比較的少ない部位における温度を当該燃料電池の内部温度であるとして取り扱い、温度低下が少ない時点での当該温度の挙動に基づき電解質膜の含水量を推定する、というものである。

本発明によれば、燃料電池の内部含水量を精度よく推定することが可能となる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 セル積層体のセルを分解して示す分解斜視図である。 セパレータにおける酸化ガスのマニホールドおよび当該マニホールドに配置された温度センサを示す図である。 運転停止後に放置された状態の燃料電池における、酸化ガスのマニホールド表面の温度変化を示すグラフである。 内部含水量の演算結果に応じて次回等の掃気条件を変更する場合の処理例を示すフローチャートである。 内部含水量の大きさに応じた氷点下始動モードの態様例を示す図である。 内部含水量の推定演算処理を外部の環境に応じて必要時のみ実施する場合の処理例を示すフローチャートである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図７に本発明にかかる燃料電池システムおよび燃料電池の内部含水量の推定方法の実施形態を示す。以下においては、まず、燃料電池１やガス配管系３００，４００などによって構成される燃料電池システム１００の全体構成、ならびに燃料電池１を構成するセル２の構成について説明し、その後、燃料電池１の内部含水量の推定方法について説明する。

図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス配管系３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス配管系４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御部７００と、を備えている。

燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型であり、多数のセル（単セル）２を積層したスタック構造となっている（図３参照）。各セル２は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０（図２においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。

酸化ガス配管系３００は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。酸化ガス供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる水素ガス供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素ガス供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを水素ガス供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。

水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、水素ガス供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。

水素ガス供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８とインジェクタ１２９が設けられている。水素ガスの循環系は、水素ガス供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。

インジェクタ１２９は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。例えば本実施形態のインジェクタ１２９は、水素ガス等を噴射する噴射孔を有する弁座と、水素ガス等を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。インジェクタ１２９の弁体は例えばソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階または多段階に切り替えることができるようになっている。

排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。

電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリ１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリ１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。

バッテリ１６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリ１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。

制御部７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータによって構成されている。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

続いて、図２に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は順次積層されてセルスタック（セル積層体）３を構成している（図３参照）。また、このように形成されたセルスタック３は、例えばその両端を一対のエンドプレート（図示省略）で挟まれ、さらにこれらエンドプレートどうしを繋ぐようにテンションプレート（図示省略）が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結されている。

なお、このようなセル２等で構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムとしても用いることが可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０、該ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）等で構成されている（図２参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも小さくなるように形成されている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極（アノード側拡散電極およびカソード側拡散電極）３２ａ，３２ｂとで構成されている（図２参照）。電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも大きく形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の基材は板状のメタルで形成されたいわゆるメタルセパレータである。この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されていることが好ましい。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図２参照）。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図２参照）。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図２中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図２参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図２参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、セル２が積層された場合、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図２参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図２参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

なお、第１〜第３シール部材１３ａ〜１３ｃとしては、隣接する部材との物理的な密着により流体を封止する弾性体（ガスケット）や、隣接する部材との化学的な結合により接着する接着剤などを用いることができる。例えば本実施形態では各シール部材１３ａ〜１３ｃとして弾性によって物理的にシールする部材を採用しているが、この代わりに上述した接着剤のような化学結合によってシールする部材を採用することもできる。

枠状部材４０は、ＭＥＡ３０とともにセパレータ２０ａ，２０ｂ間に挟持される例えば樹脂からなる部材（以下、樹脂フレームともいう）である。例えば本実施形態では、薄い枠形状の樹脂フレーム４０をセパレータ２０ａ，２０ｂ間に介在させ、当該樹脂フレーム４０によってＭＥＡ３０の少なくとも一部、例えば周縁部３３に沿った部分を表側と裏側から挟持するようにしている。このように設けられる樹脂フレーム４０は、締結力を支持するセパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）間のスペーサとしての機能、絶縁部材としての機能、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）の剛性を補強する補強部材としての機能を発揮する。

続いて、燃料電池１の内部含水量の推定方法について説明する。

本実施形態の燃料電池システム１００は、上述した構成に加え、燃料電池１の所定の部位の温度を検出するための温度センサ４を備えている（図３参照）。この温度センサ４は、燃料電池システム１００の運転終了後に放置状態にある燃料電池１のうち、潜熱の一種である凝固熱の影響によって経過時間に対する温度低下が比較的少ない部位における温度を検出するためのセンサである。

当該温度センサ４は、セルスタック３の内部温度により近似した温度を検出するべく、当該セルスタック３の内部寄りに配置されていることが好ましい。本実施形態では、セルスタック３のうち、セル積層方向の略中央に位置するセル２の近傍に温度センサ４を配置している。さらに、本実施形態では、セパレータ２０（２０ａ，２０ｂ）に形成されている酸化ガスのマニホールド１５ａ，１５ｂ（より好ましくは、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａ）にこの温度センサ４を配置している（図３参照）。運転停止後に放置された状態の燃料電池１においては、酸化ガスのマニホールド（特に入口側マニホールド１５ａ）の表面における温度変化は、セルスタック３の内部における温度変化に近似している（図４参照）。そこで、本実施形態では、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａの表面温度を温度センサ４により検出し、当該検出した温度を燃料電池１のセルスタック４の内部温度として取り扱う（みなす）。

なお、燃料ガス（本実施形態の場合、水素ガス）のほうが酸化ガス（例えば空気）よりも熱伝導性に優れ、当該水素ガスの対流による外気との熱交換量が比較的多くなることから、セルスタック３の内部温度に近似した温度を検出するという観点からすれば、水素ガスのマニホールド１６ａ，１６ｂよりも酸化ガスのマニホールド１５ａ，１５ｂのほうが温度検出部位として好ましい。また、冷却水マニホールド１７ａ，１７ｂに近い部位は、冷却水の対流により外部の温度に近似した温度となりやすいため温度検出部位としては不適である。

さらに本実施形態の燃料電池システム１００は、上述の温度センサ４が検出した温度に基づいて燃料電池１の内部含水量を推定する演算処理装置を備えている。この演算処理装置は、当該燃料電池の内部温度１であるとして取り扱い、温度低下が少ない時点での当該温度の挙動に基づき当該燃料電池１の内部含水量を推定する機能を有するものであればよく、例えば上述した制御部７００の内部のコンピュータをこのような演算処理装置としても用いることができる。

次に、これら温度センサ４、演算処理装置（制御部７００）を用いて行う燃料電池１の内部含水量の推定方法について具体例を挙げて説明する（図５等参照）。

まず、温度センサ４によって燃料電池１の温度（本実施形態の場合、酸化ガスの入口側マニホールド１５ａの表面温度）をモニタする。このモニタにより得られた温度データに基づき、温度が０℃となる直前の温度勾配が求められる。燃料電池１のセルスタック３の熱容量とこの温度勾配とから、凝固点（この場合、０℃）における放熱量を算出することができる。

続いて、この放熱量に、凝固点（この場合、０℃）を維持した時間を乗じることによって、生成水の総凝固熱を算出する。算出したこの総凝固熱を水の凝固熱で除することにより、燃料電池１のセルスタック３の内部含水量を求めることができる。

以上の演算内容について、図４に基づく具体数値を挙げつつ演算の具体例を説明する（図４参照）。
・スタック熱容量：１００［ｋＪ／Ｋ］
・凝固熱：３３３．５［Ｊ／ｇ］
・温度勾配：２０［℃］／１２０００［秒］（図４参照）
・０℃での放熱量：１００［ｋＪ］×２０［℃］／１２０００［秒］＝０．１６６７［ｋＷ］
・０℃で維持している発熱量：０．１６６７［ｋＷ］×４５００［秒］＝７５０［ｋＪ］
ここで、氷になった水の量に凝固熱（３３３．５［Ｊ／ｇ］）を乗じた値がこの「０℃で維持している発熱量」（７５０［ｋＪ］）であるから、
・氷になった水の量：７５０［ｋＪ］／３３３．５［Ｊ／ｇ］＝２２５０［ｇ］
セルスタック３を構成するセル数が５００の場合、一つのセル２あたりの内部含水量は、
・セルあたり内部含水量：２２５０［ｇ］／５００［セル］＝４．５［ｇ／セル］
となる。

また、上述の演算により求められた結果（推定した内部含水量の大きさ）に応じて、次回等の掃気条件を適宜変更することが好ましい。例えば本実施形態では（図５参照）、燃料電池１の内部含水量の目標値（目標含水量）をあらかじめ設定しておき、掃気条件の変更フローにおいて（ステップＳＰ１）、演算により求められた含水量をこの目標含水量と比較する（ステップＳＰ１，２）。演算により求められた含水量がこの目標含水量より大きければ、次回の掃気時間を延長し、あるいは次回の掃気流量を増大させる（ステップＳＰ３）。一方、演算により求められた含水量がこの目標含水量より小さければ、次回の掃気時間を短縮し、あるいは次回の掃気流量を減少させる（ステップＳＰ４）。これらの他、掃気時の圧力を変えることによって掃気条件を変更してもよい。本実施形態では、この掃気条件の変更フローを繰り返し行うこととしている（ステップＳＰ５）。さらには、この変更フローにおいて、掃気条件を都度学習して制御部７００にフィードバックしておき、次回の掃気条件に反映させることも好ましい。なお、上述した演算処理装置（制御部７００の内部のコンピュータ）は、掃気量を演算する装置としても機能しうる。

さらに、本実施形態では、推定した含水量の大きさに応じて氷点下始動モードを変更することとしている（図６参照）。ここでいう氷点下始動モードとは、低温始動時における冷却水（ＬＬＣ）の循環量を最適化しながら始動を行う際の各態様のことである。本実施形態では、始動温度と燃料電池１の内部含水量とに基づく３種類の始動モードを設定しておき、推定結果に応じた始動モードを選択するようにしている。すなわち、３種類の始動モードのうち最も低温の領域での始動モードは「低温始動（重）」であり、この条件に該当する場合には冷却水を循環させずに燃料電池１を始動する（図６参照）。また、３種類の始動モードのうち中間温度の領域での始動モードは「低温始動（軽）」であり、この条件に該当する場合には冷却水を適度に循環させながら燃料電池１を始動する。３種類の始動モードのうち最も高温の領域（本実施形態の場合、０℃近傍またはそれよりも上）での始動モードは「通常始動」であり、この条件に該当する場合には通常どおり燃料電池１を始動する。

また、ここまで説明した内部含水量の推定演算処理を、外部の環境に応じて必要時のみ実施することも好ましい。換言すれば、外気温度が所定温度以下であり、燃料電池内部の水分が凝固する蓋然性が高い場合にのみ以上の処理を行うようにすれば不要な演算処理を控えることができるという点で好ましい。例示して説明すると（図７参照）、推定処理の開始後（ステップＳＰ１１）、燃料電池１の内部含水量を仮演算しておき（ステップＳＰ１２）、外気温度が例えば−５℃以下であれば（ステップＳＰ１３にてＹＥＳ）、内部含水量の演算（確定）を行う（ステップＳＰ１４）。その後、掃気量の演算と始動手法の選択のどちらを行うか判断し（ステップＳＰ１５）判断結果に基づき、掃気量演算（ステップＳＰ１６）、始動手法選択（ステップＳＰ１７）のいずれかを行う。一方、外気温度が−５℃以下でなければ上述の推定演算処理を省略する（ステップＳＰ１３にてＮＯ）。本実施形態では、以上の処理を繰り返し行うこととしている（ステップＳＰ１８）。

ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００においては、電解質膜３１のみの含水量ではなく、反応ガス流路やＧＤＬ（本実施形態では図示省略）に残存する水分量まで含んだ内部含水量を推定することができる。しかも、本実施形態では、燃料電池１のうち、凝固点付近にて温度変化がほとんどなくなる水分と近似した挙動をする部位に着目し、当該部位の温度を利用する点が特徴的であり、内部温度の測定が現実的に困難な燃料電池１における技術として有用である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、温度検出部位の好適例として酸化ガスのマニホールド１５ａ，１５ｂを説明したがこれは一例にすぎず、この他の部位における温度検出結果を利用することも当然に可能である。

本発明は、燃料電池１を含む燃料電池システム１００に適用して好適なものである。

１…燃料電池、２…セル、３…セルスタック、４…温度センサ、２０…セパレータ、３１…電解質膜、１００…燃料電池システム、７００…制御部（演算処理装置）

Claims (8)

1. セパレータおよび電解質膜を含むセルが積層されてなる燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、
   当該燃料電池システムの運転終了後に放置状態にある前記燃料電池のうち、凝固熱の影響によって経過時間に対する温度低下が、凝固が生じていない場合よりも少ない部位における温度を検出する温度センサと、
   該温度センサが検出した温度を当該燃料電池の内部温度であるとして取り扱い、凝固が生じていない場合よりも温度低下が少ない時点での当該温度の挙動に基づき当該燃料電池の内部含水量を推定する演算処理装置と、
   を備える燃料電池システム。
2. 前記温度センサは、当該燃料電池のセルのセパレータに形成されている酸化ガスのマニホールドに配置されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記マニホールドのうち、前記セルにおける発電部寄りの位置に前記温度センサが配置されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記セルが積層されてなるセルスタックのうちセル積層方向の略中央に位置するセルに前記温度センサが配置されている、請求項２または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記推定した含水量の大きさに応じて次回以降の掃気条件を変更する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記推定した含水量の大きさに応じて氷点下始動モードを変更する、請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記含水量の推定を、外気温度が所定温度以下の場合のみ実施する、請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
8. セパレータおよび電解質膜を含むセルが積層されてなる燃料電池の内部含水量の推定方法において、
   当該燃料電池システムの運転終了後に放置状態にある前記燃料電池のうち、凝固熱の影響によって経過時間に対する温度低下が、凝固が生じていない場合よりも少ない部位における温度を当該燃料電池の内部温度であるとして取り扱い、凝固が生じていない場合よりも温度低下が少ない時点での当該温度の挙動に基づき前記電解質膜の含水量を推定する、燃料電池の内部含水量の推定方法。

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