JP7157837B2 - 燃料電池システムの動作方法 - Google Patents

Description

本発明は、アノードガス及びカソードガスの供給に基づき発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの動作方法に関する。

複数の発電セルを積層して構成される燃料電池スタックは、発電において、一部の発電セルに対するアノードガス（燃料ガス）の供給不足が生じる場合がある。特に、燃料電池スタックは、アノードオフガスを排出するアノード出口連通孔付近において液水（生成水）が溜まり易く、局所的なアノードガスの欠乏が生じ易い。このような局所的なアノードガスの欠乏は、燃料電池スタックを劣化させる要因となる。

このため、特許文献１には、各発電セルのセル電圧を監視して、セル電圧のバラつきが大きい場合に、アノードガスの供給不足が一部の発電セルに生じていると判定する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムは、一部の発電セルに対するアノードガスの供給不足を判定した場合に、アノード系装置の循環ポンプの回転数を増大する制御を行う。

特開２００６－３５１３３６号公報

しかしながら、各発電セルのセル電圧は、アノードガスの供給不足が生じていない正常時でもバラつきが生じるため、単純にセル電圧のバラつきを判定しても、そのバラつきが局所的なアノードガスの欠乏を要因としていない場合がある。すなわち、従来の燃料電池システムは、局所的なアノードガスの欠乏を精度よく検出することが難しいという課題がある。

本発明は、上記の実情を鑑みたものであり、簡単な構成によって、局所的なアノードガスの欠乏を一層精度よく検出可能とし、これにより燃料電池スタックの劣化を良好に抑制することができる燃料電池システムの動作方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明の一態様は、アノードガス及びカソードガスの供給に基づき発電する複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを有する燃料電池システムの動作方法であって、前記燃料電池スタックの出力電力が安定した状態における、前記複数の発電セルのセル電圧を平均化した平均セル電圧に対して、前記複数の発電セルのセル電圧のうち最低のセル電圧を減算した安定時電圧差を算出する安定時電圧差算出ステップと、前記安定時電圧差算出ステップ後の前記燃料電池スタックの発電中に、前記複数の発電セルのセル電圧を平均化した平均セル電圧に対して、前記複数の発電セルのセル電圧のうち最低のセル電圧を減算した電圧差を算出する電圧差算出ステップと、前記安定時電圧差に対する前記電圧差の変化量を算出し、前記変化量が所定の閾値を超えたか否かを判定する判定ステップと、前記変化量が前記所定の閾値以下であると判定した場合に、前記燃料電池スタックへの前記アノードガスの供給量を変えずに発電する継続発電ステップと、前記変化量が前記所定の閾値を超えたと判定した場合に、前記燃料電池スタックへの前記アノードガスの供給量を前記継続発電ステップよりも増やして発電するアノード増量発電ステップと、を有する。

上記の燃料電池システムの動作方法は、簡単な構成によって、局所的なアノードガスの欠乏を一層精度よく検出可能とし、これにより、燃料電池スタックの劣化を良好に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を概略的に示す説明図である。 発電セルにおける局所的なアノードガスの欠乏による化学反応を示す説明図である。 ＥＣＵの機能ブロックを示すブロック図である。 低負荷発電時の出力電流、平均セル電圧及び最低セル電圧の変化を例示するグラフである。 燃料電池システムの動作方法の処理フローを示すフローチャートである。

以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２、アノード系装置１４、カソード系装置１６及び冷却装置１８を備える。この燃料電池システム１０は、燃料電池自動車等の図示しない移動体に搭載され、燃料電池スタック１２の発電電力を移動体のバッテリや走行用モータ等に供給する。なお、燃料電池システム１０が搭載される移動体は、燃料電池自動車に限定されず、他の車両、船舶、航空機、ロボット等であってもよい。また、燃料電池システム１０は、移動体に搭載されず、定置型のシステムに構成されてもよい。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２０を積層した積層体２１を図示しないスタックケース内に収容している。各発電セル２０は、アノードガス（水素等の燃料ガス）とカソードガス（エア等の酸化剤ガス）の電気化学反応により発電を行う。

各発電セル２０は、電解質膜・電極構造体２２（以下、「ＭＥＡ２２」という）と、ＭＥＡ２２を挟持する一対のセパレータ２４ａ、２４ｂとで構成される。ＭＥＡ２２は、電解質膜２６（例えば、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜））と、電解質膜２６の一方の面に設けられたアノード電極２８と、電解質膜２６の他方の面に設けられたカソード電極３０とを有する。図２に示すように、アノード電極２８は、電解質膜２６に対して、アノード触媒層２８ａ、アノードガス拡散層２８ｂを積層して構成される。カソード電極３０は、電解質膜２６に対して、カソード触媒層３０ａ、カソードガス拡散層３０ｂを積層して構成される。

図１及び図２に示すように、セパレータ２４ａは、ＭＥＡ２２の一方の面に、アノードガスを流通させるアノードガス流路３２を形成する。セパレータ２４ｂは、ＭＥＡ２２の他方の面に、カソードガスを流通させるカソードガス流路３４を形成する。また、複数の発電セル２０の積層によりセパレータ２４ａとセパレータ２４ｂが対向し合う面には、冷媒を流通させる冷媒流路３６が形成される。

さらに、各発電セル２０は、アノードガス、カソードガス及び冷媒の各々を、積層体２１の積層方向に沿って流通させる図示しない複数の連通孔（アノードガス連通孔、カソードガス連通孔、冷媒連通孔）を備える。アノードガス連通孔はアノードガス流路３２に連通しており、カソードガス連通孔はカソードガス流路３４に連通しており、冷媒連通孔は冷媒流路３６に連通している。

燃料電池スタック１２は、アノード系装置１４によりアノードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてアノードガスは、アノードガス連通孔（アノードガス入口連通孔）を流通してアノードガス流路３２に流入し、アノード電極２８において発電に使用される。発電に使用されたアノードオフガス（未反応の水素を含む）は、アノードガス流路３２からアノードガス連通孔（アノードガス出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２からアノード系装置１４に排出される。

また、燃料電池スタック１２は、カソード系装置１６によりカソードガスが供給される。燃料電池スタック１２内においてカソードガスは、カソードガス連通孔（カソードガス入口連通孔）を流通してカソードガス流路３４に流入し、カソード電極３０において発電に使用される。発電に使用されたカソードオフガスは、カソードガス流路３４からカソードガス連通孔（カソード出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２からカソード系装置１６に排出される。

さらに、燃料電池スタック１２は、冷却装置１８により冷媒が供給される。燃料電池スタック１２内において冷媒は、冷媒連通孔（冷媒入口連通孔）を流通して冷媒流路３６に流入し、発電セル２０を冷却する。発電セル２０を冷却した冷媒は、冷媒流路３６から冷媒連通孔（冷媒出口連通孔）に流出して燃料電池スタック１２から冷却装置１８に排出される。

燃料電池システム１０のアノード系装置１４は、アノード経路３８を有する。アノード経路３８は、燃料電池スタック１２にアノードガスを供給するアノード供給路４０と、燃料電池スタック１２からアノードオフガスを排出するアノード排出路４２と、を含む。また、アノード経路３８は、アノード排出路４２のアノードオフガスに含まれる未反応の水素をアノード供給路４０に戻すためのアノード循環路４４を有する。アノード循環路４４には、アノード経路３８からアノードオフガスを排出するパージ路４６が接続されている。

アノード供給路４０の上流部には、アノードガスを貯留するタンク４７が設けられている。また、アノード供給路４０には、アノードガスの流通方向下流側に向かって順に、インジェクタ４８、エジェクタ５０が設けられている。インジェクタ４８は、燃料電池システム１０の運転時に開閉して、タンク４７側よりも低圧にしたアノードガスを下流に吐出する。エジェクタ５０は、インジェクタ４８から吐出されたアノードガスの移動によって発生する負圧により、アノード循環路４４からアノードオフガスを吸引しつつ下流側の燃料電池スタック１２にアノードガスを供給する。

アノード排出路４２には、アノードオフガスに含まれる水（発電時の生成水）を、アノードオフガスから分離する気液分離器５２が設けられる。気液分離器５２の上部にはアノード循環路４４が接続され、アノードオフガス（気体）がアノード循環路４４に流入する。気液分離器５２の底部には、分離した水を排出するドレイン路５４の一端が接続される。ドレイン路５４には、内部流路を開閉するドレイン弁５６が設けられる。また、パージ路４６には、内部流路を開閉するパージ弁５８が設けられる。

燃料電池システム１０のカソード系装置１６は、カソード経路６０を有する。カソード経路６０は、燃料電池スタック１２にカソードガスを供給するカソード供給路６２と、燃料電池スタック１２からカソードオフガスを排出するカソード排出路６４と、を含む。また、カソード供給路６２とカソード排出路６４の間には、カソード供給路６２のカソードガスをカソード排出路６４に直接（燃料電池スタック１２を通さずに）流通させるカソードバイパス路６６が接続されている。カソードバイパス路６６には、カソードガスの流通を調整する図示しないバイパス弁が設けられている。カソード排出路６４においてカソードバイパス路６６よりも下流側には、アノード系装置１４のドレイン路５４（パージ路４６）が接続されている。

カソード供給路６２には、カソードガスを燃料電池スタック１２に供給するエアポンプ６８が設けられている。エアポンプ６８は、図示しないファンの回転下に、エアポンプ６８よりも上流側のエア（外気）を圧縮して下流側のカソード供給路６２に流通させる。また、カソード供給路６２には、カソードガスを空気や水等の冷媒により冷却する温調器や、カソードガスを加湿する加湿器が設けられてもよい。

さらに、燃料電池システム１０は、複数の発電セル２０毎の出力電圧（発電状態）であるセル電圧を検出するセル電圧モニタ７０、及びセル電圧モニタ７０の信号を受信するＥＣＵ８０（Electronic Control Unit：制御装置）を備える。セル電圧モニタ７０は、燃料電池スタック１２に取り付けられるモニタ本体７２と、モニタ本体７２と各発電セル２０とを接続する複数のハーネス７４と、を備える。モニタ本体７２は、所定周期毎に各発電セル２０をスキャニングしてセル電圧を検出する。そして、セル電圧モニタ７０は、各発電セル２０のセル電圧を平均化した平均セル電圧Ｖ_ａｖｅ（図４参照）、及び各発電セル２０のセル電圧のうち最も低い最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎ（図４参照）を、ＥＣＵ８０に送信する。

ＥＣＵ８０は、１以上のプロセッサ８２、メモリ８４、入出力インタフェース８６及び電子回路（不図示）を有する。メモリ８４に記憶された図示しないプログラムを１以上のプロセッサ８２が実行することで、ＥＣＵ８０内には、燃料電池システム１０の各構成を制御するための機能ブロックが複数形成される。なお、各機能ブロックの少なくとも一部が、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の集積回路、ディスクリートデバイスを含む電子回路により構成されてもよい。またメモリ８４は、プロセッサ８２や集積回路等に付随してもよい。

ここで、本実施形態に係るＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１２の発電を実施しつつ、この燃料電池スタック１２の発電中に、複数の発電セル２０の局所的なアノードガスの欠乏を検出することで、アノードガスの欠乏を解消する制御を行う。これにより、燃料電池スタック１２の性能劣化の抑制が図られる。以下、本発明の理解の容易化のため、アノードガスの欠乏時に生じる発電セル２０の作用について説明する。

図２に示すように、発電セル２０のアノード電極２８及びカソード電極３０では、正常な発電状態において、以下の反応がなされる。
アノード電極：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－
カソード電極：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２Ｏ

一方、アノード電極２８におけるアノードガスの供給不足は、滞留水（カソード電極３０で発電に伴って生成された生成水が電解質膜２６を介してアノード側に移動した水：液水）が燃料電池スタック１２の端部（アノードガス出口連通孔）付近に溜まることで生じる。アノード電極２８のアノードガスの欠乏領域では、カソード電極３０から透過した酸素により以下の反応が起こってアノード側の電位を上昇させる。また、これに対応したカソード側の電位が高くなることで、カソード電極３０では、以下の反応が起こる。
アノード電極：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－→２Ｈ_２Ｏ
カソード電極：２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ^－
Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→４Ｈ^＋＋４ｅ^－＋ＣＯ_２

すなわち、カソード電極３０は、アノード電極２８の滞留水に伴う局所的な高電位の発生によって、カソード触媒層３０ａに含まれる白金がアイオノマーへ溶出し易くなり、またカーボンの酸化反応が進行する。これにより、燃料電池スタック１２は、触媒粒子の脱落や電極内細孔の潰れを招くことになり、発電セル２０の性能劣化に至る。

特に、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２へのアノードガスの供給量が少ないと、燃料電池スタック１２からアノード排出路４２への排水性が低下するので、局所的なアノードガスの欠乏が生じ易い。そのため、ＥＣＵ８０は、アノードガスの供給量が少ない状況において、局所的なアノードガスの欠乏の検出及び解消を図る処理を行う。具体的には図３に示すように、ＥＣＵ８０内には機能ブロックとして、発電制御部８８、電圧取得部９０、発電状態取得部９２、安定時電圧差算出部９４、継続発電電圧差算出部９６及び判定部９８が形成される。

発電制御部８８は、燃料電池システム１０の各構成を制御して、燃料電池スタック１２の発電を制御する。発電制御部８８は、移動体の走行状況や燃料電池スタック１２の状態に応じて制御内容を切り替えるために、通常発電制御部１００、低負荷発電制御部１０２、カソード増量発電制御部１０４、アノード増量発電制御部１０６を有する。

例えば、移動体の通常走行時に、発電制御部８８は、通常発電制御部１００により通常発電を実施する。通常発電において、通常発電制御部１００は、走行用ＥＣＵ等の発電要求に基づきアノードガスの供給量（以下、通常アノード量という）を算出し、通常アノード量に応じた制御内容でアノード系装置１４のインジェクタ４８等を動作させる。また、通常発電制御部１００は、発電要求に基づきカソードガスの供給量（以下、通常カソード量という）を算出し、通常カソード量に応じた制御内容でカソード系装置１６のエアポンプ６８等を動作させる。

また、移動体のユーザがアクセルを緩める等の走行用モータに低負荷がかかる低負荷走行時に、発電制御部８８は、低負荷発電制御部１０２により低負荷発電を実施する。低負荷発電制御部１０２は、発電要求が低くなることで、通常発電時におけるアノードガスの通常アノード量よりも少ない供給量（以下、低負荷アノード量という）となるように、インジェクタ４８を動作させる。さらに、低負荷発電制御部１０２は、通常発電時におけるカソードガスの通常カソード量よりも少ない供給量（以下、低負荷カソード量という）となるように、エアポンプ６８を動作させる。

上記したように、局所的なアノードガスの欠乏は、アノードガスの供給量が少ない場合（低負荷アノード量の供給時）に生じる。このため、ＥＣＵ８０は、低負荷発電時に、複数の発電セル２０のセル電圧に基づき局所的なアノードガスの欠乏を推定する。そして、カソード増量発電制御部１０４及びアノード増量発電制御部１０６は、局所的なアノードガスの欠乏を推定した際に動作する。なお、この処理は、低負荷発電時に限らず、発電要求がゼロでも燃料電池システム１０を止めないようにするために発電するアイドル発電の実施時、移動体の起動停止中にバッテリ充電や凍結防止のために発電する停止中発電の実施時等において行ってもよい。

電圧取得部９０は、燃料電池スタック１２の発電中に、セル電圧モニタ７０から複数の発電セル２０の平均セル電圧Ｖ_ａｖｅ及び最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎを周期的に取得し、メモリ８４に記憶していく。なお、電圧取得部９０は、セル電圧モニタ７０から複数の発電セル２０のセル電圧を取得し、ＥＣＵ８０内で平均セル電圧Ｖ_ａｖｅ、最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎを算出してもよい。また、電圧取得部９０は、燃料電池スタック１２全体の出力電圧（総電圧）を検出する図示しない電圧計から出力電圧を取得し、この出力電圧に対して発電セル２０の数を除算して平均セル電圧Ｖ_ａｖｅを算出してもよい。

発電状態取得部９２は、燃料電池スタック１２の発電状態（出力電力又は出力電流Ｉ）を監視する。例えば、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１２の出力端子付近に設けられた電流計７６に接続されており、発電状態取得部９２は、電流計７６の検出信号（出力電流Ｉ）を取得して、メモリ８４に記憶していく。また発電制御部８８は、発電状態取得部９２で取得された出力電流Ｉをフィードバックすることで、アノードガスやカソードガスの供給量を調整する。

安定時電圧差算出部９４は、アノードガスの供給量が少なくなった後、つまり低負荷発電の開始後に、燃料電池スタック１２の出力電流Ｉ（出力電力）が安定になったタイミングで、安定時電圧差ＤＶ_０を算出する。具体的には、安定時電圧差算出部９４は、低負荷発電制御部１０２の動作開始の情報ＳＴを受信すると、発電状態取得部９２が取得した出力電流Ｉを監視する。図４に示すように、低負荷発電の開始後、燃料電池スタック１２の出力電流Ｉは、それまでの発電状態に応じた値から徐々に低負荷発電に応じた値（低負荷電流値）に変化し、その後は略一定に推移するようになる。安定時電圧差算出部９４は、出力電流Ｉが一定となったか否か判定し、出力電流Ｉが一定となった時点ｔ１で、電圧取得部９０が取得した平均セル電圧Ｖ_ａｖｅから最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎを減算することにより安定時電圧差ＤＶ_０を得る。

すなわち、低負荷発電の開始直後は、それまで低負荷発電を実施していなかったことで、燃料電池スタック１２の端部のアノードガス出口連通孔付近に滞留水が溜まっていない。このため、低負荷発電の開始直後の燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２０全体にアノードガスが供給された状態で発電することが可能である。従って、安定時電圧差ＤＶ_０は、局所的なアノードガスの欠乏が生じていない状態での、各発電セル２０のセル電圧のバラつきを示すと言える。

なお、各発電セル２０のセル電圧は、発電状態によっては、短時間に大きくなったり小さくなったりする。このため、安定時電圧差算出部９４（及び後記の継続発電電圧差算出部９６）は、算出値について、一定期間（例えば、１分間）の平均値をとることが好ましい。

図３に戻り、継続発電電圧差算出部９６は、安定時電圧差算出部９４による安定時電圧差ＤＶ_０の算出後に動作指令ＣＲを受けることで動作し、低負荷発電における電圧差ＤＶを算出し、算出した電圧差ＤＶをメモリ８４に記憶していく。電圧差ＤＶも、上記の安定時電圧差ＤＶ_０と同様に、電圧取得部９０が所定周期毎に取得した平均セル電圧Ｖ_ａｖｅと最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎとの減算により算出される。

ここで、低負荷発電を継続していると、燃料電池スタック１２は、燃料電池スタック１２の端部のアノードガス出口連通孔付近に滞留水が溜まっていく。そして滞留水が増えることで、端部付近の発電セル２０には、局所的なアノードガスの欠乏が発生する（図２も参照）。上記したように局所的なアノードガスの欠乏により、アノード電極２８及びカソード電極３０の各電位が高まる。しかしながら、アノード電極２８及びカソード電極３０の相対的な電位差であるセル電圧は小さくなる。結果的に、平均セル電圧Ｖ_ａｖｅから最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎを減算した電圧差ＤＶは大きくなる。

このことから、判定部９８は、水が溜まっていない状態における安定時電圧差ＤＶ_０に対する電圧差ＤＶの変化の度合いである変化量ΔＤＶを算出し、予め保有している所定の閾値Ｔｈと変化量ΔＤＶとの比較を行って、変化量ΔＤＶを監視する。変化量ΔＤＶが大きくなれば、端部付近の発電セル２０に滞留水が溜まってきていると推定できるからである。閾値Ｔｈは、予め実験等により適宜の値に設定される。閾値Ｔｈは、固定値であってもよく、変動値であってもよく、例えば、安定時電圧差ＤＶ_０の１／２倍～３倍程度の範囲に設定されることが好ましい。

ただし、発電セル２０の水が溜まる状態では、カソード電極３０にも水が多く存在するので、カソード電極３０でフラッディングが生じていることもある。この場合も変化量ΔＤＶが大きくなるが、このフラッディングは燃料電池スタック１２の性能劣化に殆ど影響しない。よって、ＥＣＵ８０は、変化量ΔＤＶが最初に閾値Ｔｈを超えたことを判定した後に、カソードガスを増量してカソード電極３０のフラッディングを解消し、それでも変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えている場合に、局所的なアノードガスの欠乏と判断する。

そのため、判定部９８は、変化量算出部９８ａ、第１判定部９８ｂ、第２判定部９８ｃを内部に備え、また発電制御部８８は、カソード増量発電制御部１０４及びアノード増量発電制御部１０６を備える。変化量算出部９８ａは、電圧差ＤＶから安定時電圧差ＤＶ_０を減算して変化量ΔＤＶを算出し、この変化量ΔＤＶをメモリ８４に記憶する。

第１判定部９８ｂは、最初に変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えたか否かを判定する判定ステップを行う。そして、判定ステップにより変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えたことを判定した場合（図４の時点ｔ２）に、発電制御部８８は、カソード増量発電制御部１０４によるカソード増量発電制御を開始する。

この際、カソード増量発電制御部１０４は、エアポンプ６８を制御して、燃料電池スタック１２に対するカソードガスの供給量（以下、増量カソード量という）を、低負荷発電時の低負荷カソード量よりも大きくする。例えば、増量カソード量は、低負荷カソード量の２倍以上に調整されることが好ましい。一方、カソード増量発電制御部１０４は、アノードガスの供給量について低負荷発電時の低負荷アノード量を維持する。従って、図４の時点ｔ２～時点ｔ３の間に示すように、燃料電池スタック１２の発電電圧は、若干上昇するが、低負荷発電時の目標電圧を概ね維持することができる。

また、第２判定部９８ｃは、カソード増量発電制御部１０４が動作開始から所定期間経過したタイミング（図４の時点ｔ３）で、変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えたか否かを判定する再判定ステップを行う。再判定ステップの際も、カソード増量発電制御部１０４による発電制御は継続している。ここで、変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈ以下に下がった場合には、カソード電極３０のフラッディングに起因した発電不安定だったと見なすことができる。逆に、変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えたままとなっている場合には、局所的なアノードガスの欠乏が発生していると判定することができる。再判定ステップにより変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えている場合に、発電制御部８８は、アノード増量発電制御部１０６によるアノード増量発電制御を開始する。

この際、アノード増量発電制御部１０６は、インジェクタ４８を制御して、燃料電池スタック１２に対するアノードガスの供給量（以下、増量アノード量という）を、低負荷発電時の低負荷アノード量よりも大きくする。また、アノード増量発電制御部１０６は、カソードガスの供給量について低負荷発電時の低負荷カソード量とする。これにより、燃料電池スタック１２には、増量したアノードガスが供給されるので、このアノード電極２８による溜まっていた滞留水を押し流して、局所的なアノードガスの欠乏を解消することができる。

なお、アノード増量発電制御部１０６は、アノードガスの増量と共に、ドレイン路５４のドレイン弁５６の開弁期間やパージ路４６のパージ弁５８の開弁期間を長くすることが好ましい。これにより、アノードガスのパージ量が増加し、燃料電池スタック１２内から水を一層排出し易くすることができる。

本実施形態に係る燃料電池システム１０は、基本的には以上のように構成され、以下その動作について説明する。

燃料電池システム１０は、通常時に、ＥＣＵ８０の通常発電制御部１００の制御下に、アノード系装置１４を動作して燃料電池スタック１２にアノードガスを供給すると共に、カソード系装置１６を動作して燃料電池スタック１２にカソードガスを供給する。これにより、燃料電池スタック１２が発電を行い、その発電電力が走行用モータ、バッテリ等に供給される。

また、ＥＣＵ８０は、電圧取得部９０により、燃料電池スタック１２の各発電セル２０の平均セル電圧Ｖ_ａｖｅ及び最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎを継続的に取得している。さらに、ＥＣＵ８０は、発電状態取得部９２により燃料電池スタック１２の出力電流Ｉを継続的に取得している。

そして、ＥＣＵ８０は、発電要求が低い場合に、低負荷発電制御部１０２による低負荷発電の制御を実施する。この際、低負荷発電制御部１０２は、通常発電時の通常アノード量よりも低い低負荷アノード量のアノードガスを、燃料電池スタック１２に供給する。さらに、低負荷発電制御部１０２は、通常発電時の通常カソード量よりも低い低負荷カソード量のカソードガスを、燃料電池スタック１２に供給する。これにより、燃料電池スタック１２は、低負荷アノード量及び低負荷カソード量に応じた低負荷発電電力（出力電流Ｉ）を出力する。

低負荷発電において、図５に示すように、ＥＣＵ８０の安定時電圧差算出部９４は、燃料電池スタック１２の低負荷発電の開始の情報ＳＴを取得すると、燃料電池スタック１２の出力電流Ｉが、低負荷電流値で一定になったか否かを判定する（ステップＳ１）。出力電流Ｉが変化している場合（ステップＳ１：ＮＯ）は、ステップＳ１に戻る一方で、出力電流Ｉが一定になった場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）は、ステップＳ２に進む。図４では、時点ｔ１において出力電流Ｉが一定となっている。

そして、安定時電圧差算出部９４は、平均セル電圧Ｖ_ａｖｅから最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎを減算することで、安定時電圧差ＤＶ_０を算出し、メモリ８４に記憶する（ステップＳ２：安定時電圧差算出ステップ）。その後、低負荷発電の実施中に、継続発電電圧差算出部９６は、平均セル電圧Ｖ_ａｖｅから最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎを減算することで、電圧差ＤＶを算出し、メモリ８４に記憶していく（ステップＳ３：電圧差算出ステップ）。

そして、判定部９８の変化量算出部９８ａは、安定時電圧差ＤＶ_０から電圧差ＤＶを減算することで変化量ΔＤＶを算出する（ステップＳ４）。さらに、判定部９８（第１判定部９８ｂ）は、最初に、変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えたか否かを判定する（ステップＳ５：判定ステップ）。変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈ以下の場合（ステップＳ５：ＮＯ）には、ステップＳ６に進む。そして、ＥＣＵ８０は、燃料電池スタック１２へのアノードガス及びカソードガスの供給量を変えずに、すなわち低負荷アノード量及び低負荷カソード量のまま発電する継続発電を行う（ステップＳ６：継続発電ステップ）。ステップＳ６の後は、ステップＳ３に戻り、以下同様の処理フローを繰り返す。

一方、変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えた場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）には、ステップＳ７に進む（図４中の時点ｔ２参照）。その後、カソード増量発電制御部１０４は、カソードガスの供給量を増やして（増量カソード量として）、燃料電池スタック１２の発電を行う（ステップＳ７：カソード増量発電ステップ）。

カソード増量発電制御部１０４の制御開始後に、判定部９８は、所定期間経過したか否かを判定する（ステップＳ８）。判定部９８は、所定期間経過していない場合（ステップＳ８：ＮＯ）にステップＳ７を継続する一方で、所定期間経過した場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）にステップＳ９に進む。これにより、発電セル２０のカソード電極３０にフラッディングが生じていた場合には、ステップＳ８後（図４の時点ｔ３）にフラッディングが解消される。

そして、判定部９８（第２判定部９８ｃ）は、変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えたままとなっているか否かを判定する（ステップＳ９：再判定ステップ）。変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈ以下の場合（ステップＳ９：ＮＯ）には、カソード電極３０に発生していたフラッディングが解消されたことになる。そのため、ＥＣＵ８０は、カソード増量発電制御部１０４の制御を停止し（ステップＳ１０）、カソード増量発電ステップ後、ステップＳ６の継続発電ステップに切り替える。その後、ステップＳ３に戻り、低負荷発電が終了するまで、以下同様の処理フローを繰り返す。

一方、変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えている場合（ステップＳ９：ＹＥＳ）には、局所的なアノードガスの欠乏がアノード電極２８に発生していることを決定することができる。よって、ＥＣＵ８０は、カソード増量発電制御部１０４の動作を停止して、アノード増量発電制御部１０６によりアノードガスの供給量を増やして（増量アノード量として）、燃料電池スタック１２の発電を行う（ステップＳ１１：アノード増量発電ステップ）。さらに、アノード増量発電制御部１０６は、ドレイン弁５６の開弁期間又はパージ弁５８の開弁期間を長くし（ステップＳ１２）、アノード経路３８からのアノードガスの排出量を増やす。

また、ＥＣＵ８０は、アノード増量発電制御部１０６によるアノード増量発電制御（ステップＳ１１、Ｓ１２）の実施中も、電圧差ＤＶを算出して、電圧差ＤＶが安定時電圧差ＤＶ_０に達するまで継続する（図４の時点ｔ４参照）。その結果、アノード電極２８の局所的なアノードガスの欠乏が確実に解消される。電圧差ＤＶが安定時電圧差ＤＶ_０に達した後は、例えば、低負荷発電制御部１０２による低負荷発電に移行するとよい。これにより、燃料電池システム１０は、アノードガスの消費を抑制できる。

以上の処理フローを実施することで、燃料電池システム１０は、アノード電極２８の局所的なアノードガスの欠乏を精度よく検出して、この局所的なアノードガスの欠乏を解消することができる。すなわち、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２の性能劣化を抑制することができる。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、燃料電池システム１０の動作方法は、最初に、変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えた場合に、カソード増量発電制御を実施せずに、アノード増量発電制御を直ちに実施してもよい。これにより、仮にアノード電極２８に局所的なアノードガスの欠乏が生じていないとしても、アノード出口連通孔付近に溜まる滞留水を早期に排出することが可能となる。

また例えば、燃料電池システム１０の動作方法は、アノード増量発電制御の実施時に、増量アノード量に合わせてカソードガスの供給量を増やしてもよい。これにより、燃料電池スタック１２の発電電力が増加してこの電力をバッテリに充電することができ、アノードガスの消費を抑制することが可能となる。

上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について以下に記載する。

本発明の一態様は、アノードガス及びカソードガスの供給に基づき発電する複数の発電セル２０を積層した燃料電池スタック１２を有する燃料電池システム１０の動作方法であって、燃料電池スタック１２の出力電力が安定した状態における、複数の発電セル２０のセル電圧を平均化した平均セル電圧Ｖ_ａｖｅに対して、複数の発電セル２０のセル電圧のうち最低のセル電圧（最低セル電圧Ｖ_ｍｉｎ）を減算した安定時電圧差ＤＶ_０を算出する安定時電圧差算出ステップと、安定時電圧差算出ステップ後の燃料電池スタック１２の発電中に、複数の発電セル２０のセル電圧を平均化した平均セル電圧Ｖ_ａｖｅに対して、複数の発電セル２０のセル電圧のうち最低のセル電圧を減算した電圧差ＤＶを算出する電圧差算出ステップと、安定時電圧差ＤＶ_０に対する電圧差ＤＶの変化量ΔＤＶを算出し、変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えたか否かを判定する判定ステップと、変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈ以下であると判定した場合に、燃料電池スタック１２へのアノードガスの供給量を変えずに発電する継続発電ステップと、変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えたと判定した場合に、燃料電池スタック１２へのアノードガスの供給量を継続発電ステップよりも増やして発電するアノード増量発電ステップと、を有する。

上記によれば、燃料電池システム１０の動作方法は、安定時電圧差ＤＶ_０に対する電圧差ＤＶの変化量ΔＤＶを判定することで、複数の発電セル２０のセル電圧のバラつきを予め加味したセル電圧の変化を監視することができる。これにより、燃料電池スタック１２の発電中に生じる局所的なアノードガスの欠乏を一層精度よく検出することが可能となる。そして、変化量ΔＤＶが閾値Ｔｈを超えた場合に、アノード増量発電ステップによりアノードガスを増やすことで、アノード電極２８の滞留水が排出される。これにより、燃料電池システム１０は、局所的なアノードガスの欠乏を早期に解消して、燃料電池スタック１２の劣化を良好に抑制することができる。

また、判定ステップにて変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えたと判定した場合に、アノード増量発電ステップよりも先に、燃料電池スタック１２へのカソードガスの供給量を増やすカソード増量発電ステップと、カソードガス増量発電ステップ後に、変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えたままか否かを再判定する再判定ステップと、を行い、再判定ステップにて変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈ以下であると判定した場合に、カソード増量発電ステップを停止して継続発電ステップを行い、再判定ステップにて変化量ΔＤＶが所定の閾値Ｔｈを超えたままであることを判定した場合に、アノード増量発電ステップを行う。カソード増量発電ステップにより、燃料電池システム１０は、カソード電極３０のフラッディングの影響を排除することができ、局所的なアノードガスの欠乏をより一層精度よく検出することができる。

また、カソード増量発電ステップを所定期間行った後に、再判定ステップを行う。これにより、燃料電池システム１０は、カソード電極３０のフラッディングをより確実に解消することができる。

また、アノード増量発電ステップの実施時に、カソード増量発電ステップを停止する。これにより、燃料電池システム１０は、アノード増量発電ステップの実施時に、燃料電池スタック１２の発電電力が増えることを抑制することができる。従って例えば、燃料電池スタック１２の発電電力を廃電する等の無駄を回避することが可能となる。

また、アノード増量発電ステップでは、燃料電池スタック１２から排出されるアノードオフガスが流通する経路に設けられた１以上の弁（ドレイン弁５６、パージ弁５８）の開弁期間を長くする。これにより、燃料電池システム１０は、アノード増量発電ステップにおいて、燃料電池スタック１２からの滞留水の排水性をより高めることができる。

また、アノード増量発電ステップは、電圧差ＤＶが安定時電圧差ＤＶ_０に達するまで継続する。これにより、燃料電池システム１０は、局所的なアノードガスの欠乏を一層確実に解消することができる。

また、燃料電池スタック１２の通常発電におけるアノードガスの供給量及びカソードガスの供給量よりも低い低負荷アノード量及び低負荷カソード量を供給することで、通常発電よりも発電電力が低い低負荷発電を実施可能であり、低負荷発電の実施に伴って、安定時電圧差算出ステップ、電圧差算出ステップ、判定ステップ、継続発電ステップ又はアノード増量発電ステップを行う。これにより、燃料電池システム１０は、低負荷発電時に生じ易い局所的なアノードガスの欠乏に対して、適切な対処を図ることができる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…アノード系装置 １６…カソード系装置
２０…発電セル ５６…ドレイン弁
５８…パージ弁 ７０…セル電圧モニタ
８０…ＥＣＵ ９４…安定時電圧差算出部
９６…継続発電電圧差算出部 ９８…判定部
１０４…カソード増量発電制御部 １０６…アノード増量発電制御部

Claims (7)

1. アノードガス及びカソードガスの供給に基づき発電する複数の発電セルを積層した燃料電池スタックを有する燃料電池システムの動作方法であって、
   前記燃料電池スタックの出力電力が安定した状態における、前記複数の発電セルのセル電圧を平均化した平均セル電圧に対して、前記複数の発電セルのセル電圧のうち最低のセル電圧を減算した安定時電圧差を算出する安定時電圧差算出ステップと、
   前記安定時電圧差算出ステップ後の前記燃料電池スタックの発電中に、前記複数の発電セルのセル電圧を平均化した平均セル電圧に対して、前記複数の発電セルのセル電圧のうち最低のセル電圧を減算した電圧差を算出する電圧差算出ステップと、
   前記安定時電圧差に対する前記電圧差の変化量を算出し、前記変化量が所定の閾値を超えたか否かを判定する判定ステップと、
   前記変化量が前記所定の閾値以下であると判定した場合に、前記燃料電池スタックへの前記アノードガスの供給量を変えずに発電する継続発電ステップと、
   前記変化量が前記所定の閾値を超えたと判定した場合に、前記燃料電池スタックへの前記アノードガスの供給量を前記継続発電ステップよりも増やして発電するアノード増量発電ステップと、を有する
   燃料電池システムの動作方法。
2. 請求項１記載の燃料電池システムの動作方法において、
   前記判定ステップにて前記変化量が前記所定の閾値を超えたと判定した場合に、
   前記アノード増量発電ステップよりも先に、前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給量を増やすカソード増量発電ステップと、
   前記カソード増量発電ステップ後に、前記変化量が前記所定の閾値を超えたままか否かを再判定する再判定ステップと、を行い、
   前記再判定ステップにて前記変化量が前記所定の閾値以下であると判定した場合に、前記カソード増量発電ステップを停止して前記継続発電ステップを行い、
   前記再判定ステップにて前記変化量が前記所定の閾値を超えたままであることを判定した場合に、前記アノード増量発電ステップを行う
   燃料電池システムの動作方法。
3. 請求項２記載の燃料電池システムの動作方法において、
   前記カソード増量発電ステップを所定期間行った後に、前記再判定ステップを行う
   燃料電池システムの動作方法。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池システムの動作方法において、
   前記アノード増量発電ステップの実施時に、前記カソード増量発電ステップを停止する
   燃料電池システムの動作方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの動作方法において、
   前記アノード増量発電ステップでは、前記燃料電池スタックから排出されるアノードオフガスが流通する経路に設けられた１以上の弁の開弁期間を長くする
   燃料電池システムの動作方法。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの動作方法において、
   前記アノード増量発電ステップは、前記電圧差が前記安定時電圧差に達するまで継続する
   燃料電池システムの動作方法。
7. 請求項１～６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの動作方法において、
   前記燃料電池スタックの通常発電における前記アノードガスの供給量及び前記カソードガスの供給量よりも低い低負荷アノード量及び低負荷カソード量を供給することで、前記通常発電よりも発電電力が低い低負荷発電を実施可能であり、
   前記低負荷発電の実施に伴って、前記安定時電圧差算出ステップ、前記電圧差算出ステップ、前記判定ステップ、前記継続発電ステップ又は前記アノード増量発電ステップを行う
   燃料電池システムの動作方法。

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