JP7059884B2

JP7059884B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP7059884B2
Application number: JP2018190784A
Authority: JP
Inventors: 亮森田; 雅之伊藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-10-09
Filing date: 2018-10-09
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2038-10-09
Also published as: JP2020061239A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池のフラッディングを判定する手法として、例えば、交流インピーダンス法が用いられる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１７－１６８２９９号公報

燃料電池には、水素ガスが流れるアノード流路と、空気が流れるカソード流路とが設けられている。フラッディングによってアノード流路に局所的に水滴が詰まった場合、カソード流路に水滴が詰まった場合とは異なり、水素ガスがアノード電極の一部に到達できず、その部分とアノード電極の他部分との間に漏れ電流が流れる。その結果、カソード電極のカーボン触媒層では、カーボンが水分により酸化して燃料電池の性能が影響を受けるおそれがある。

このため、アノード流路内の水滴の詰まりは、カソード流路内の水滴の詰まりとは区別して検出されることが望ましい。しかし、特許文献１の技術によるとアノード及びカソードのフラッディングが区別なく検出されるため、アノード流路内の水滴の詰まりを検出して適切な対処を行うことが難しい。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池のアノード流路内の水滴の詰まりを検出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。

本明細書に記載の燃料電池システムは、燃料ガスにより発電する燃料電池と、前記燃料電池内の前記燃料ガスの流路の圧力損失を検出する検出部と、前記燃料ガスのガス拡散係数に応じた周波数の交流電流を前記燃料電池の出力電流に重畳することにより前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定部と、前記圧力損失が、前記燃料ガスの流路の断面積及び長さに基づく閾値以下である場合、前記インピーダンス及び前記圧力損失がそれぞれ増加中であるか否かを判定する判定部とを有する。

本発明によれば、燃料電池のアノード流路内の水滴の詰まりを検出することができる。

燃料電池システムの一例である。燃料電池の一例を示す断面図である。ＥＣＵ（Electric Control Unit）の動作の一例を示すフローチャートである。セル抵抗、燃料ガスの流量、カソード流路の二酸化炭素の濃度、及びアノード流路の圧力損失の時間変化の一例を示す図である。

（燃料電池システムの構成）
図１は、燃料電池システムの一例である。燃料電池システムは、ＥＣＵ１、燃料電池スタック２、エアコンプレッサ３０、インタークーラ３１、加湿装置３２、インピーダンス測定装置３３、冷却装置３４、及びポンプ３５を有する。また、燃料電池システムは、流量センサ５０，５６、圧力センサ５１，５４，５７，５９、露点センサ５２，５５、電流センサ５３、温度センサ５８、酸化剤ガス供給路９０、酸化剤ガス排出路９２、燃料ガス供給路９３、及び燃料ガス排出路９４を有する。

酸化剤ガス供給路９０には、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスが流れ、酸化剤ガス排出路９２には、燃料電池スタック２から排出された酸化剤オフガスが流れる。また、燃料ガス供給路９３には、燃料電池スタック２に供給される燃料ガスが流れ、燃料ガス排出路９４には、燃料電池スタック２から排出された燃料オフガスが流れる。燃料ガスは一例として水素ガスであり、酸化剤ガスは一例として空気である。

燃料電池スタック２は、固体高分子形の複数の燃料電池（単セル）が積層された積層体である。燃料ガス及び酸化剤ガスはマニホルドを介して各燃料電池に供給される。各燃料電池には膜電極接合体（MEA： Membrane Electrode Assembly）が設けられており、膜電極接合体において酸化剤ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが電気化学反応することにより発電する。燃料電池は、発電とともに水分を生成する。

燃料ガス供給路９３には、燃料ガスを蓄圧するタンク３７、及び燃料ガスを噴射するインジェクタ３６などが接続されている。燃料ガスは、燃料ガス供給路９３から燃料電池スタック２に供給されて発電に用いられ、燃料電池スタック２から燃料オフガスとして燃料ガス排出路９４に排出される。

また、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給路９０から燃料電池スタック２に供給されて発電に用いられ、燃料電池スタック２から酸化剤オフガスとして酸化剤ガス排出路９２に排出される。

酸化剤ガス供給路９０には、エアコンプレッサ３０、インタークーラ３１、及び加湿装置３２が接続されている。エアコンプレッサ３０は、外部から酸化剤ガスを取り込んで圧縮する。圧縮された空気はインタークーラ３１に送られる。インタークーラ３１は、圧縮により昇温した酸化剤ガスを冷却する。冷却された酸化剤ガスは加湿装置３２に送られる。

加湿装置３２は、酸化剤ガス供給路９０及び酸化剤ガス排出路９２に接続され、酸化剤ガスに水蒸気を加えることにより燃料電池スタック２を加湿する。加湿装置３２には、インタークーラ３１から低湿度の酸化剤ガスが導入され、燃料電池スタック２から高湿度の酸化剤オフガスが導入される。加湿装置３２は、例えば中空糸式または膜式の湿度交換器であり、燃料電池スタック２に供給される酸化剤ガスを、酸化剤オフガスに含まれる水分により加湿する。

ＥＣＵ１は燃料電池システムの動作を制御する。ＥＣＵ１は、ＣＰＵ１０と、ＣＰＵ１０を駆動するプログラム及び各種のデータなどが格納されたメモリ１１を有する。

ＥＣＵ１は、判定部の一例であり、燃料電池スタック２のインピーダンスＺ及びアノード流路の圧力損失からアノード流路内の水滴の詰まりを判定する。ＥＣＵ１は、水滴が詰まっていると判定した場合、燃料ガスの噴射量、つまり流量が増加するようにインジェクタ３６を制御する。これにより、アノード流路の入口側の圧力が増加するため、水滴がアノード流路から排出される。

冷却装置３４は、例えばラジエータであり、冷却水を燃料電池スタック２に供給する。冷却装置３４と燃料電池スタック２の間は、冷却水供給路９５と冷却水排出路９６により接続されている。

冷却水は、燃料電池スタック２を冷却する冷却媒体の一例である。冷却水は、冷却装置３４から冷却水供給路９５を流れて燃料電池スタック２に供給される。また、冷却に用いられた冷却水は、燃料電池スタック２から冷却水排出路９６を流れて冷却装置３４に戻る。

冷却水供給路９５にはポンプ３５が設けられている。ポンプ３５は、冷却水を燃料電池スタック２に圧送する。これにより、冷却水は冷却装置３４と燃料電池スタック２の間を循環する。

冷却水排出路９６の上流側には温度センサ５８が設けられている。温度センサ５８は燃料電池スタック２の冷却水の出口の温度Ｔｆを計測する。温度Ｔｆは、燃料電池スタック２の冷却水の排出用マニホルドの出口近傍の冷却水の温度である。ＥＣＵ１は温度センサ５８の温度Ｔｆを取得して各種の制御に用いる。

また、インピーダンス測定装置３３は、測定部の一例であり、燃料ガスのガス拡散係数に応じた周波数の交流電流Ｓを燃料電池スタック２の出力電流に重畳することにより燃料電池スタック２のインピーダンスＺを測定する。燃料ガス中の水素のガス拡散係数は酸化剤ガス中の酸素のガス拡散係数より高いため、水素は、酸素より高い周波数の交流電流Ｓに対して応答性を有する。

このため、インピーダンス測定装置３３は、燃料ガスのガス拡散係数に応じた高い周波数（例えば１（kHz）など）の交流電流Ｓを測定に用いることにより、カソード流路内の酸素の抵抗成分よりアノード流路内の燃料ガスの抵抗成分が大きく反映されたインピーダンスＺを測定することができる。したがって、ＥＣＵ１は、インピーダンスＺからカソード流路内の水滴の詰まりを判定することができる。

また、燃料電池スタック２には電流センサ５３が電気的に接続されている。電流センサ５３は、燃料電池スタック２から出力される電流値Ｉを測定する。ＥＣＵ１は電流センサ５３の電流値Ｉを取得して各種の制御に用いる。

また、酸化剤ガス供給路９０において、エアコンプレッサ３０及びインタークーラ３１の間には流量センサ５０が設けられている。流量センサ５０は、エアコンプレッサ３０により外部から燃料電池スタック２に導入される酸化剤ガスの流量Ｆｉｎを測定する。ＥＣＵ１は流量センサ５０の流量Ｆｉｎを取得して各種の制御に用いる。

また、酸化剤ガス排出路９２において、加湿装置３２の上流側には流量センサ５６が設けられている。流量センサ５６は、燃料電池スタック２から排出される酸化剤オフガスの流量Ｆｏｕｔを測定する。ＥＣＵ１は流量センサ５６の流量Ｆｏｕｔを取得して各種の制御に用いる。

また、酸化剤ガス供給路９０において、加湿装置３２の下流側には圧力センサ５１が設けられている。圧力センサ５１は、燃料電池スタック２に導入される酸化剤ガスの圧力Ｐｃ＿ｉｎを測定する。ＥＣＵ１は圧力センサ５１の圧力Ｐｃ＿ｉｎを取得して各種の制御に用いる。

また、酸化剤ガス排出路９２において、加湿装置３２の上流側には圧力センサ５７が設けられている。圧力センサ５７は、燃料電池スタック２から排出される酸化剤オフガスの圧力Ｐｃ＿ｏｕｔを測定する。ＥＣＵ１は圧力センサ５７の圧力Ｐｃ＿ｏｕｔを取得して各種の制御に用いる。

また、露点センサ５２は、燃料電池スタック２の酸化剤ガスの入口の露点温度Ｔｃを検出し、露点センサ５５は、燃料電池スタック２の燃料ガスの入口の露点温度Ｔａを検出する。ＥＣＵ１は露点センサ５２，５５の露点温度Ｔｃ，Ｔａをそれぞれ取得して各種の制御に用いる。

また、燃料ガス供給路９３において、インジェクタ３６の下流側には圧力センサ５４が設けられている。圧力センサ５４は、燃料電池スタック２に導入される燃料ガスの圧力Ｐａ＿ｉｎを測定する。一方、燃料ガス排出路９４には圧力センサ５９が設けられている。圧力センサ５９は、燃料電池スタック２から排出される燃料ガスの圧力Ｐａ＿ｏｕｔを測定する。

ＥＣＵ１は、圧力センサ５４の圧力Ｐａ＿ｉｎ及び圧力センサ５９の圧力Ｐａ＿ｏｕｔを取得し、圧力Ｐａ＿ｉｎ，Ｐａ＿ｏｕｔの差圧としてアノード流路の圧力損失Ｐｌｏｓｓ（＝Ｐａ＿ｏｕｔ－Ｐａ＿ｉｎ）を算出する。アノード流路に水滴が詰まると圧力損失Ｐｌｏｓｓが増加するため、ＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓからアノード流路内の水滴の詰まりを判定することができる。なお、圧力センサ５４，５９は、アノード流路の圧力損失Ｐｌｏｓｓを検出する検出部の一例である。

（燃料電池の構成）
図２は、燃料電池の一例を示す断面図である。符号Ｇａは燃料電池スタック２の積層方向に沿った断面の一部を示す。

燃料電池は、カソードセパレータ２０、アノードセパレータ２２、及びＭＥＧＡ２３を有する。カソードセパレータ２０は燃料電池のカソード側に配置され、アノードセパレータ２２は燃料電池のアノード側に配置されている。カソードセパレータ２０及びアノードセパレータ２２はＭＥＧＡ２３を挟んで対向する。

ＭＥＧＡ２３は、ＭＥＡ２３２と、ＭＥＡ２３２を挟む一対のガス拡散層２３０，２３１とを有する。ＭＥＡ２３２は、カソード電極触媒層２３２ａ、電解質膜２３２ｂ、及びアノード電極触媒層２３２ｃを含み、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する。

電解質膜２３２ｂは、例えば、湿潤状態で良好なプロトン電導性を示すイオン交換樹脂膜を含む。このようなイオン交換樹脂膜としては、例えば、ナフィオン（登録商標）などの、イオン交換基としてスルホン酸基を有するフッ素樹脂系のものが挙げられる。

アノード電極触媒層２３２ｃ及びカソード電極触媒層２３２ａは、それぞれ、触媒担持導電性粒子とプロトン伝導性電解質を含む、ガス拡散性を有する多孔質層として形成されている。例えば、アノード電極触媒層２３２ｃ及びカソード電極触媒層２３２ａは、白金担持カーボンとプロトン伝導性電解質を含む分散溶液である触媒インクの乾燥塗膜として形成される。

アノード電極触媒層２３２ｃには一方のガス拡散層２３１を介し燃料ガスが供給され、カソード電極触媒層２３２ａには他方のガス拡散層２３０を介し酸化剤ガスが供給される。ガス拡散層２３０，２３１は、例えば、カーボンペーパーなどの基材に撥水性のマイクロポーラス層を積層することにより形成される。なお、マイクロポーラス層としては、例えばＰＴＦＥ（polytetrafluoroethylene）などの撥水性樹脂とカーボンブラックなどの導電性材料などを含んで形成される。

カソードセパレータ２０及びアノードセパレータ２２は、例えば金属板などにより構成され、矩形状の外形を有する。なお、カソードセパレータ２０及びアノードセパレータ２２は、金属に限定されず、例えばカーボン成型により形成されてもよい。カソードセパレータ２０及びアノードセパレータ２２は接着剤また溶接により互いに接合されている。

カソードセパレータ２０の一方の面には、酸化剤ガスが流れる溝状のカソード流路２００～２０３が設けられている。また、アノードセパレータ２２の一方の面には、燃料ガスが流れる溝状のアノード流路２２０～２２３が設けられている。カソード流路２００～２０３の面とアノード流路２２０～２２３の面はＭＥＧＡ２３を挟んで対向する。なお、アノード流路２２０～２２３は燃料電池内の燃料ガスの流路の一例である。

（水滴の詰まりの影響）
符号Ｇｂは、燃料電池スタック２の積層方向から見たアノード流路２２０～２２３の一部を示す。アノード流路２２０～２２３には、例えば、発電により生成された水分である生成水の一部がカソード流路２００～２０３から移動する。

本例では、一部のアノード流路２２２，２２３には水滴８１が詰まり、燃料ガスが塞き止められていると仮定する。また、他のアノード流路２２０，２２１の壁面には液膜８０が形成されているが、燃料ガスはアノード流路２２０，２２１を流れることができると仮定する。なお、カソード流路２００～２０３には水滴が詰まっていないと仮定する。

水滴８１は、アノード流路２２０～２２３の圧力損失Ｐｌｏｓｓが液滴要求差圧Ｐｏより大きい場合、燃料ガスの圧力によりアノード流路２２０～２２３から排出される。なお、この水滴８１の排出を以下の説明では「プラグ排水」と表記する。また、圧力損失Ｐｌｏｓｓが液滴要求差圧Ｐｏ以下である場合、プラグ排水が行われないため、アノード流路２２０～２２３内に水滴８１が詰まる。

Ｐｏ＝１．０４×１０^－２×Ｄｈ^{－１．４２} ・・・（１）

液滴要求差圧Ｐｏは上記の式（１）から算出される。式（１）において、変数Ｄｈはアノード流路２２０～２２３の水力直径であり、アノード流路２２０～２２３の断面積及び長さに基づき決定される。

ＥＣＵ１は、例えばメモリ１１に予め記憶された液滴要求差圧Ｐｏを圧力損失Ｐｌｏｓｓと比較し、Ｐｌｏｓｓ＞Ｐｏが満たされる場合、水滴８１が形成されてもプラグ排水により排出されるため、燃料ガスの流量を増加する必要がないことから、アノード流路２２０～２２３の水滴８１の詰まりを判定しない。

アノード流路２２０，２２１を流れる燃料ガス中の水素とカソード流路２００，２０１を流れる空気中の酸素は、ＭＥＡ２３２において電気化学反応する。これにより、ＭＥＡ２３２は発電するとともに水分を生成する。水分の一部はカソード流路２００，２０１に流出する。一方、アノード流路２２２，２２３には水滴８１が詰まっているため、燃料ガスが流れず、上記の電気化学反応は起きない。

このため、アノード流路２２０，２２１及びカソード流路２００，２０１の領域は発電領域２１ａとして機能するが、アノード流路２２２，２２３及びカソード流路２０２，２０３の領域は非発電領域２１ｂとして機能する。このため、非発電領域２１ｂは抵抗成分Ｒとなり、発電領域２１ａから非発電領域２１ｂには漏れ電流が流れる。

したがって、交流インピーダンス法または電流遮断法によりインピーダンスＺの測定が行われるとき、発電領域２１ａ及び非発電領域２１ｂのうち、発電領域２１ａのみが交流電流Ｓに応答する。このため、インピーダンスＺは、アノード流路２２２，２２３に水滴８１が詰まっていない場合のインピーダンスＺより増加する。

Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－・・・（２）

また、非発電領域２１ｂでは漏れ電流が流れることにより上記の式（２）に示される電気化学反応が起こる。つまり、カソード電極触媒層２３２ａのカーボンは、カソード流路２０２，２０３内の水分により酸化されて二酸化炭素及び水素イオンを生成する。二酸化炭素はカソード流路２０２，２０３に流れ、水素イオンはアノード流路２２２，２２３側に流れる。このため、燃料電池の性能が影響を受けるおそれがある。

（水滴の詰まりの検出と水滴の排出）
そこで、ＥＣＵ１は、アノード流路２２２，２２３内の水滴８１の詰まりを、アノード流路２２０～２２３の圧力損失Ｐｌｏｓｓの増加とインピーダンスＺの増加を判定することにより検出する。

図３は、ＥＣＵ１の動作の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵ１は、例えば周期的に本動作を行う。

ＥＣＵ１は、燃料電池スタック２の水収支Ｗを算出する（ステップＳｔ１）。

Ｗ＝Ｗｉｎ＋Ｗｐ－Ｗｏｕｔ・・・（３）
Ｗｉｎ＝Ｆｉｎ×Ｐｖ／（Ｐｃ＿ｉｎ－Ｐｖ）・・・（４）
Ｗｏｕｔ＝Ｆｏｕｔ×Ｐｓａｔ／（Ｐｃ＿ｏｕｔ－Ｐｓａｔ）・・・（５）

ＥＣＵ１は、例えば上記の式（３）から水収支Ｗを算出する。式（３）において、Ｗｉｎは、燃料電池スタック２に流入する水蒸気量（以下、「水蒸気流入量」と表記）を表し、Ｗｐは、燃料電池スタック２の発電により生成された水分量を表し、Ｗｏｕｔは、燃料電池スタック２から流出する水蒸気量（以下、「水蒸気流出量」と表記）を表す。

ＥＣＵ１は、例えば上記の式（４）から水蒸気流入量Ｗｉｎを算出する。式（４）において、燃料電池スタック２の酸化剤ガスの入口の流量Ｆｉｎは流量センサ５０から取得され、燃料電池スタック２の酸化剤ガスの入口の圧力Ｐｃ＿ｉｎは圧力センサ５１から取得される。また、Ｐｖは燃料電池スタック２の酸化剤ガスの入口の蒸気圧を表す。ＥＣＵ１は、露点センサ５２の露点温度Ｔｃから蒸気圧Ｐｖを算出する。

また、ＥＣＵ１は、例えば上記の式（５）から水蒸気流出量Ｗｏｕｔを算出する。式（５）において、燃料電池スタック２の酸化剤ガスの出口の流量Ｆｏｕｔは流量センサ５６から取得され、燃料電池スタック２の酸化剤ガスの出口の圧力Ｐｃ＿ｏｕｔは圧力センサ５７から取得される。Ｐｓａｔは燃料電池スタック２のカソード流路２００～２０３の飽和蒸気圧を表す。ＥＣＵ１は、温度センサ５８の温度Ｔｆから飽和蒸気圧Ｐｓａｔを算出する。

また、ＥＣＵ１は、電流センサ５３の電流値Ｉから水分量Ｗｐを算出する。なお、蒸気圧Ｐｖ、飽和蒸気圧Ｐｓａｔ、及び飽和蒸気圧Ｐｓａｔの算出には、例えばメモリ１１に記憶されたマップデータなどが用いられる。マップデータには複数のパラメータの相関関係が登録されている。

ＥＣＵ１は、水収支Ｗが正の値であるか否かを判定する（ステップＳｔ２）。ＥＣＵ１は、水収支Ｗが０以下である場合（ステップＳｔ２のＮｏ）、燃料電池スタック２内の水分が減少傾向にあるため、水滴の排出が不要であると判断して、動作を終了する。

また、ＥＣＵ１は、水収支Ｗが０より大きい場合（ステップＳｔ２のＹｅｓ）、アノード流路２２０～２２３の圧力損失Ｐｌｏｓｓを、圧力センサ５４，５９の圧力Ｐａ＿ｉｎ，Ｐａ＿ｏｕｔの差圧から算出する（ステップＳｔ３）。次にＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓを液滴要求差圧Ｐｏと比較する（ステップＳｔ４）。ＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓが液滴要求差圧Ｐｏより大きい場合（ステップＳｔ４のＮｏ）、水滴がプラグ排水されるため、水滴の排出が不要であると判断して、動作を終了する。

ＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓが液滴要求差圧Ｐｏ以下である場合（ステップＳｔ４のＹｅｓ）、インピーダンスＺの時間変化率ΔＺを算出する（ステップＳｔ５）。このとき、ＥＣＵ１は、インピーダンス測定装置３３にインピーダンスＺの測定を指示する。インピーダンス測定装置３３は、指示を受けると、燃料ガスのガス拡散係数に応じた周波数の交流電流Ｓを燃料電池スタック２の出力電流に重畳することによりインピーダンスＺを測定する。

例えばインピーダンス測定装置３３は、一定の時間間隔でインピーダンスＺを繰り返し測定し、ＥＣＵ１は、複数回分のインピーダンスＺと測定の時間間隔から時間変化率ΔＺを算出する。例えば時間変化率ΔＺは、測定ごとのインピーダンスＺの変化量の時間平均である。

次にＥＣＵ１は、インピーダンスＺが増加中であるか否かを判断するため、インピーダンスＺの時間変化率ΔＺを閾値Ｚｒと比較する（ステップＳｔ６）。閾値Ｚｒは、インピーダンスＺが増加中であることを判断するために適切な値に設定されている。ＥＣＵ１は、インピーダンスＺの時間変化率ΔＺが閾値Ｚｒ以下である場合（ステップＳｔ６のＮｏ）、インピーダンスＺが増加中ではないため、アノード流路２２０～２２３に水滴は詰まっていないと判断して動作を終了する。

また、ＥＣＵ１は、インピーダンスＺの時間変化率ΔＺが閾値Ｚｒより大きい場合（ステップＳｔ６のＹｅｓ）、インピーダンスＺが増加中であるため、アノード流路２２０～２２３に水滴が詰まっている可能性があると判断して、ステップＳｔ８以降の動作を行う。インピーダンスＺは、アノード流路２２０～２２３に水滴が詰まっている場合だけでなく、ＭＥＡ２３２の電解質膜２３２ａが乾燥している場合も増加する。

このため、ＥＣＵ１は、以下のように圧力損失Ｐｌｏｓｓが増加中であるか否かを判定する。

ＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓの時間変化率ΔＰを算出する（ステップＳｔ７）。例えばＥＣＵ１は、一定の時間間隔で圧力センサ５４，５９の圧力Ｐａ＿ｉｎ，Ｐａ＿ｏｕｔを繰り返し取得して圧力損失Ｐｌｏｓｓを複数回算出する。ＥＣＵ１は、複数回分の圧力損失Ｐｌｏｓｓと取得の時間間隔から時間変化率ΔＰを算出する。例えば時間変化率ΔＰは、取得ごとの圧力損失Ｐｌｏｓｓの変化量の時間平均である。

次にＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓが増加中であるか否かを判断するため、圧力損失Ｐｌｏｓｓの時間変化率ΔＰを閾値Ｐｒと比較する（ステップＳｔ８）。閾値Ｐｒは、圧力損失Ｐｌｏｓｓが増加中であることを判断するために適切な値に設定されている。ＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓの時間変化率ΔＰが閾値Ｐｒより小さい場合（ステップＳｔ８のＮｏ）、圧力損失Ｐｌｏｓｓが増加中ではないため、アノード流路２２０～２２３に水滴は詰まっていないと判断して動作を終了する。

また、ＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓの時間変化率ΔＰが閾値Ｐｒより大きい場合（ステップＳｔ８のＹｅｓ）、圧力損失Ｐｌｏｓｓが増加中であるため、アノード流路２２０～２２３に水滴は詰まっていると判断して、インジェクタ３６に対し燃料ガスの流量を増加させる制御を開始する（ステップＳｔ９）。次にＥＣＵ１は、圧力センサ５４，５９の圧力Ｐａ＿ｉｎ，Ｐａ＿ｏｕｔから圧力損失Ｐｌｏｓｓの所定時間内の変化量を算出する（ステップＳｔ１０）。

次にＥＣＵ１は、水滴の詰まりがないことを確認するため、インジェクタ３６の制御による燃料ガスの流量の所定時間内の増加量と圧力損失Ｐｌｏｓｓの所定時間内の変化量の間に比例関係が成立するか否かを判定する（ステップＳｔ１１）。アノード流路２２０～２２３に水滴が詰まっていない場合、燃料ガスの流量が増えるほど、圧力損失Ｐｌｏｓｓは増加する。

ＥＣＵ１は、比例関係が成立する場合（ステップＳｔ１１のＹｅｓ）、燃料ガスの流量を増加させる制御を停止する（ステップＳｔ１２）。また、ＥＣＵ１は、比例関係が成立しない場合（ステップＳｔ１１のＮｏ）、再び圧力損失Ｐｌｏｓｓの増加量を算出し（ステップＳｔ１０）、比例関係の成否を判定する（ステップＳｔ１１）。

このようにして、ＥＣＵ１は動作する。なお、本動作において、ＥＣＵ１は、圧力損失Ｐｌｏｓｓの増加の判定（ステップＳｔ８）をインピーダンスＺの増加の判定（ステップＳｔ６）より先に実行してもよい。

上記のように、ＥＣＵ１は、インピーダンスＺ及び圧力損失Ｐｌｏｓｓがそれぞれ増加中であるか否かを判定する。インピーダンスＺは、アノード流路２２０～２２３に水滴が詰まっている場合だけでなく、ＭＥＡ２３２の電解質膜２３２ａが乾燥している場合も増加する。また、圧力損失Ｐｌｏｓｓは、アノード流路２２０～２２３に水滴以外の不純物が詰まった場合も増加する。

このため、ＥＣＵ１は、インピーダンスＺ及び圧力損失Ｐｌｏｓｓの両方の増加を判定することによりアノード流路２２０～２２３内の水滴の詰まりを検出することができる。

次に、ＥＣＵ１の動作の具体例を述べる。

図４は、セル抵抗、燃料ガスの流量、カソード流路２００～２０３の二酸化炭素の濃度、及びアノード流路２２０～２２３の圧力損失Ｐｌｏｓｓの時間変化の一例を示す図である。なお、二酸化炭素の濃度は燃料電池スタック２のカソード側出口で計測した値である。

時刻Ｔ０において、セル抵抗、つまりインピーダンスＺは増加中であり（符号Ｑ１参照）、圧力損失Ｐｌｏｓｓも増加中である（符号Ｑ３参照）。このため、ＥＣＵ１は、上記のステップＳｔ６，Ｓｔ８の判定の結果、アノード流路２２０～２２３に水滴が詰まっていることを検出する。水滴が詰まると、上記の式（２）で表される化学反応により二酸化炭素の濃度が上昇する（符号Ｑ２参照）。

時刻Ｔ１において、圧力損失Ｐｌｏｓｓが増加して液滴要求差圧Ｐｏを超えると（符号Ｑ６参照）、プラグ排水が行われる。このため、アノード流路２２０～２２３内の水滴の減少によりセル抵抗は減少し（符号Ｑ４参照）、二酸化炭素の濃度も減少する（符号Ｑ５参照）。その後、セル抵抗は増加し、二酸化炭素の濃度は上昇する。

時刻Ｔ２において、ＥＣＵ１は、インジェクタ３６の噴射量の制御による燃料ガスの流量の増加制御を開始する。このため、時刻Ｔ２～Ｔ５の期間において燃料ガスの流量は段階的に増加する。圧力損失Ｐｌｏｓｓは、時刻Ｔ３においてプラグ排水により液滴要求差圧Ｐｏを下回るが、燃料ガスの流量の増加に従って増加し始める。

時刻Ｔ４～Ｔ５の期間において、圧力損失Ｐｌｏｓｓは、燃料ガスの流量の増加とともに増加する。これにより、燃料ガスの圧力によりアノード流路２２０～２２３から水滴が排出されるため、セル抵抗及び二酸化炭素の濃度は減少する。ＥＣＵ１は、燃料ガスの流量の増加量と圧力損失Ｐｌｏｓｓの増加量の間に比例関係が成立すると判定し、時刻Ｔ５において燃料ガスの流量の増加制御を停止する。

このように、ＥＣＵ１は、アノード流路２２０～２２３の水滴の詰まりを検出すると、燃料ガスの流量を増加させることにより水滴を排出する。このため、カソード電極触媒層２３２ａの劣化により燃料電池スタック２の性能が影響を受けることが抑制される。

上述した実施形態は本発明の好適な実施の例である。但し、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内において種々変形実施可能である。

１ＥＣＵ（判定部）
２燃料電池スタック
３３インピーダンス測定装置（測定部）
５４，５９圧力センサ（検出部）

Claims

燃料ガスにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池内の前記燃料ガスの流路の圧力損失を検出する検出部と、
前記燃料ガスのガス拡散係数に応じた周波数の交流電流を前記燃料電池の出力電流に重畳することにより前記燃料電池のインピーダンスを測定する測定部と、
前記圧力損失が、前記燃料ガスの流路の断面積及び長さに基づく閾値以下である場合、前記インピーダンス及び前記圧力損失がそれぞれ増加中であるか否かを判定する判定部とを有することを特徴とする燃料電池システム。