JPWO2011004485A1

JPWO2011004485A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法

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Publication number: JPWO2011004485A1
Application number: JP2011521750A
Authority: JP
Inventors: 良明長沼; 末松　啓吾; 啓吾末松; 智隆石川; 洋行勝田
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Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2012-12-13
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Abstract

【課題】燃料電池スタックの水詰まりにより低下した発電電圧を確実に回復させる。【解決手段】水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により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運転方法であって、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、燃料電池スタックのセル含水量と燃料電池スタックのセル圧力損失の特性曲線に基づいて、前記燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるように前記燃料電池スタックのセル含水量を調整する。

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法に関する。

例えば自動車等の車両の駆動源として搭載される燃料電池システムは、水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を有している。燃料電池は、複数のセルが積層されたスタック構造を有している。

燃料電池システムの運転中、例えば燃料電池スタックでは電気化学反応により水が生じるが、この水の一部がセル中に入り込む。セル中の含水量が過度に増えてセルが水詰まり状態になると、ガスがセル内を通れず、ガス供給量がストイキと離れて、発電電圧が低下することがある。

このため、燃料電池スタックのセルにおける水詰まりを検出し、その際にセルの水をパージ量を増加させて排出することが行われている（特許文献１参照）。

日本国特開２００２−２６０７０４号公報日本国特開２００５−６３７１２号公報日本国特開２００７−１８４１３６号公報日本国特開２００３−２１７６２４号公報

しかしながら、上述のようにパージ量を単純に増やしても、発電電圧が必ずしも回復しない場合がある。これは、パージして含水量を減らすと、燃料電池スタックのセル同士間のセル圧力損失のばらつきが大きくなる場合があり、かかる場合、例えば相対的に圧力損失が最も大きいセルにガスが十分に供給されず、発電が効率的に行われないことによると考えられる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、燃料電池スタックの水詰まりにより低下した発電電圧を確実に回復させることができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運動方法を提供することをその目的とする。

上記目的を達成させるための本発明は、水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、燃料電池スタックのセル含水量と燃料電池スタックのセル圧力損失の特性曲線に基づいて、前記燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるように前記燃料電池スタックのセル含水量を調整するセル含水量調整手段を有することを特徴とする。なお、燃料電池スタックの発電電圧の低下には、燃料電池スタック全体の発電電圧の低下のみならず、燃料電池スタックの各セルの発電電圧の低下も含まれる。

本発明によれば、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくできるので、燃料電池スタックの総てのセルにおいて、ガス供給ストイキの適正量のガスが安定して供給されるようになり、この結果、発電電圧を確実に回復させることができる。

前記セル含水量調整手段は、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行するものの場合に、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整してもよい。かかる場合、燃料電池スタックのセル含水量を減少させて、燃料電池スタックの各セルのセル圧力損失を安定区間に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

前記セル含水量調整手段は、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合に、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整してもよい。かかる場合、燃料電池スタックのセル含水量を増加させて、燃料電池スタックの各セルのセル圧力損失を安定区間に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

前記セル含水量調整手段は、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行し、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する前記安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合に、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記安定区間又は前記急峻増加区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整し、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記急峻減少区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整してもよい。かかる場合、燃料電池スタックのセル含水量を減少或いは増加させて、燃料電池スタックの各セルのセル圧力損失を安定区間に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックのセル含水量の調整は、前記燃料電池スタックのパージ量の調整、前記燃料電池スタックのガス背圧の調整、前記燃料電池スタックの温度の調整の少なくともいずれかにより行われるようにしてもよい。

別の観点による本発明は、水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により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運転方法であって、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、燃料電池スタックのセル含水量と燃料電池スタックのセル圧力損失の特性曲線に基づいて、前記燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるように前記燃料電池スタックのセル含水量を調整することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるので、燃料電池スタックの総てのセルにおいて、ガス供給ストイキの適正量のガスが安定して供給されるようになり、この結果、発電電圧を確実に回復させることができる。

上記燃料電池システムの運転方法において、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行するものの場合には、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整してもよい。かかる場合、燃料電池スタックのセル含水量を減少させて、燃料電池スタックの各セルのセル圧力損失を安定区間に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

上記燃料電池システムの運転方法において、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合には、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整してもよい。かかる場合、燃料電池スタックのセル含水量を増加させて、燃料電池スタックの各セルのセル圧力損失を安定区間に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

上記燃料電池システムの運転方法において、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行し、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する前記安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合には、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記安定区間又は前記急峻増加区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整し、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記急峻減少区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整してもよい。かかる場合、燃料電池スタックのセル含水量を減少或いは増加させて、燃料電池スタックの各セルのセル圧力損失を安定区間に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

前記燃料電池スタックの含水量の調整は、前記燃料電池スタックのパージ量の調整、前記燃料電池スタックのガス背圧の調整、燃料電池スタックの温度の調整の少なくともいずれかにより行われるようにしてもよい。

本発明によれば、燃料電池スタックの水詰まりにより燃料電池スタックの発電電圧が低下した際に、当該発電電圧を確実に回復させることができる。

燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。燃料電池スタックのセルの構成を示す縦断面の説明図である。制御装置のブロック図である。パターン１の特性曲線を示すグラフである。パターン２の特性曲線を示すグラフである。パターン３の特性曲線を示すグラフである。パターン１の特性曲線の場合の燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。パターン２の特性曲線の場合の燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。パターン３の特性曲線の場合の燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。演算部を有する制御装置のブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる燃料電池システムの運転方法が実施される燃料電池システム１００の構成の概略を示す模式図である。

例えば燃料電池システム１００は、燃料電池スタック２００、空気配管系３００、水素配管系４００、冷媒配管系５００及び制御装置６００を備えている。燃料電池システム１００は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム１００を例に採って説明する。

燃料電池スタック２００は、固体高分子電解質型のセル１０を複数積層したスタック構造を有している。セル１０は、図２に示すようにＭＥＡ２０及び一対のセパレータ２２Ａ、２２Ｂを備えている。ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）は、イオン交換膜からなる電解質膜２３と、電解質膜２３を挟んだアノード電極２４Ａ及びカソード電極２４Ｂとを備えている。電極２４Ａには、セパレータ２２Ａの水素流路２５Ａが面し、電極２４Ｂには、セパレータ２２Ｂの空気流路２５Ｂが面している。また、セパレータ２２Ａ、２２Ｂの冷媒流路２６Ａ、２６Ｂが、隣接するセル１０同士の間を通っている。なお、このセル１０に含まれる水の量が、燃料電池スタック２００のセル含水量になる。また、図１に示すように燃料電池スタック２００には、燃料電池スタック２００の各セルの発電電圧を測定可能な電圧計２５が設けられている。

空気配管系３００は、燃料電池スタック２００に酸化ガスとしての空気を給排するものであり、加湿装置３０、供給流路３１、排出流路３２及びコンプレッサ３３を有している。コンプレッサ３３により大気中のエア（低湿潤状態の空気）が取り込まれて加湿装置３０に圧送され、加湿装置３０にて高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換が行われる。その結果、適度に加湿された空気が供給流路３１から燃料電池スタック２００に供給される。排出流路３２には、燃料電池スタック２００のエア背圧を調整する背圧弁３４が設けられている。また、背圧弁３４の近傍には、エア背圧を検出する圧力センサＰ１が設けられている。コンプレッサ３３には、燃料電池スタック２００へのエア供給流量を検出する流量センサＦ１が設けられている。

水素配管系４００は、燃料電池スタック２００に燃料ガスとしての水素ガスを給排するものであり、水素供給源４０、供給流路４１、循環流路４２、シャットバルブ４３、レギュレータ４４及びインジェクタ４５などを有している。水素供給源４０からの水素ガスは、レギュレータ４４によって減圧された後、インジェクタ４５によって流量及び圧力を高精度に調整される。その後、水素ガスは、循環流路４２上の水素ポンプ４６によって圧送された水素オフガスと合流点Ａで合流して、燃料電池スタック２００に供給される。循環流路４２には、パージ弁４８付きのパージ路４７が分岐接続されており、パージ弁４８を開弁することで、水素オフガスが排出流路３２に排出される。供給流路４１の合流点Ａの下流側には、燃料電池スタック２００への水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられている。また、水素ポンプ４６には、流量センサＦ２が設けられる。なお、別の実施態様では、燃料オフガスを水素希釈器などに導入してもよいし、循環流路４２に気液分離器を設けてもよい。

冷媒配管系５００は、燃料電池スタック２００に冷媒（例えば冷却水）を循環供給するものであり、冷却ポンプ５０、冷媒流路５１、ラジエータ５２、バイパス流路５３及び切替え弁５４を有している。冷却ポンプ５０は、冷媒流路５１内の冷媒を燃料電池スタック２００内へと圧送する。冷媒流路５１は、燃料電池スタック２００の冷媒入口側にある温度センサＴ１と、燃料電池スタック２００の冷媒出口側にある温度センサＴ２と、を有している。ラジエータ５２は、燃料電池スタック２００から排出される冷媒を冷却する。切替え弁５４は、例えばロータリーバルブにより構成され、必要に応じて、ラジエータ５２とバイパス流路５３との間で冷媒の通流を切り替える。

制御装置６００は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御装置６００には、各配管系３００、４００、５００を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサ（Ｐ１，Ｐ２，Ｆ１，Ｆ２，Ｔ１，Ｔ２）の検出情報が入力される。また、制御装置６００には、燃料電池スタック２００の各セルの発電電圧を計測する電圧計２５の検出情報のほか、外気温センサ６０、車速センサ６１、アクセル開度センサなどの検出情報が入力される。制御装置６００は、これら検出情報等に応じて、燃料電池システム１００内の各種機器（コンプレッサ３３、シャットバルブ４３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６、パージ弁４８、冷却ポンプ５０、切替え弁５４など）を制御し、燃料電池システム１００の運転を統括制御する。また、制御装置６００は、各種検出情報を読み込み、ＲＯＭに格納されている後述する特性曲線Ｐの情報を利用して、燃料電池スタック２００のセル含水量を調整する。

図３に示すように、制御装置６００は、燃料電池スタック２００におけるセル含水量の調整を実現するための機能ブロックとして、記憶部６５、検出部６６、判定部６７及び運転制御部６８を備えている。記憶部６５は、燃料電池スタック２００のセル含水量の調整を実現するための各種のプログラムや、特性曲線Ｐの情報を記憶する。検出部６６は、各種センサ（Ｐ１，Ｐ２，Ｆ１，Ｆ２，Ｔ１，Ｔ２，２５，６０、６１）などの検出情報を読み込む。判定部６７は、例えば燃料電池スタック２００のセル１０の最低セル発電電圧が、予め設定されている閾値より低下したか否かを判定する。運転制御部６８は、判定部６７による判定結果に基づいて、各種機器に制御指令を送信し、燃料電池スタック２００が所望のセル含水量となるように運転を制御する。

運転制御部６８は、判定部６７で行われた判定に基づいて、記憶部６５にある特性曲線Ｐの情報を利用して、燃料電池スタック２００のセル含水量を調整する。具体的には、図１に示す水素ポンプ４６によるオフガス供給量、インジェクタ４５による水素ガス供給量或いはコンプレッサ３３による空気供給量の調整などによる、燃料電池スタック２００のパージ量の調整、背圧弁３４の調整などによる燃料電池スタック２００のガス背圧の調整、冷媒配管系５００の冷媒温度制御などによる燃料電池スタック２００の温度調整などによりセル含水量が調整される。なお、本実施の形態においては、水素ポンプ４６、インジェクタ４５、コンプレッサ３３、背圧弁３４、冷媒配管系５００の少なくともいずれかと、制御装置６００によりセル含水量調整手段が構成されている。

次に、以上のように構成された燃料電池システム１００の運転方法について説明する。

燃料電池システム１００の運転中に、水素ガスと空気との電気化学反応により生成された水が、燃料電池スタック２００のセル１０内に過度に溜まり、水詰まりが生じると、ガス供給量がストイキから離れて発電電圧が低下することがある。

本実施の形態にかかる燃料電池システム１００の運転方法では、燃料電池スタック２００の発電電圧が低下した時に、燃料電池スタック２００のセル含水量と燃料電池スタック２００のセル圧力損失の特性曲線Ｐに基づいて、燃料電池スタック２００内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるように燃料電池スタック２００のセル含水量を調整して、発電電圧の回復を図る。なお、セル圧力損失とは、各セルにおける供給ガスに対する圧力損失である。

ここで、特性曲線Ｐには、３つのパターンがある。特性曲線ＰのパターンＰ１は、図４に示すように燃料電池スタック２００のセル含水量の増加に対し、燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間Ｒ１から燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間Ｒ２に移行するものである。特性曲線ＰのパターンＰ２は、図５に示すように燃料電池スタック２００のセル含水量の減少に対し、燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する安定区間Ｋ１から燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間Ｋ２に移行するものである。特性曲線ＰのパターンＰ３は、図６に示すように燃料電池スタック２００のセル含水量の増加に対し、燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間Ｊ１から燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間Ｊ２に移行し、燃料電池スタック２００のセル含水量の減少に対し、燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する安定区間Ｊ１から燃料電池スタック２００のセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間Ｊ３に移行するものである。これらの特性曲線Ｐの情報は、予め実験等により求められ、例えば記憶部６５に記憶されている。

以下に、各特性曲線ＰのパターンＰ１、Ｐ２、Ｐ３についての燃料電池システム１００の運転方法を具体的に説明する。

先ず、パターンＰ１の場合について説明する。この場合のフローチャートを図７に示す。例えば電圧計２５により、燃料電池スタック２００で発電された最低セル電圧が監視され、最低セル電圧が所定の閾値より下がった場合には、燃料電池スタック２００のセル含水量が低減される。セル含水量の低減は、例えば燃料電池スタック２００のパージ量の増加、燃料電池スタック２００のガス背圧の低減、あるいは燃料電池スタック２００の温度上昇などにより行われる。これにより、図４に示すように例えば燃料電池スタック２００の平均セル含水量Ｈａ（すべてのセル１０の平均含水量）と、最大セル含水量Ｈｍ（すべてのセル１０のうちの最大含水量）が急峻増加区間Ｒ２から安定区間Ｒ１側に移動するので、セル圧力損失のばらつきが少なくなる。つまり、例えば平均セル圧力損失Ｄａ（すべてのセル１０の平均圧力損失）と最大セル圧力損失Ｄｍ（すべてのセル１０のうちの最大圧力損失）との差ΔＤが小さくなる。燃料電池スタック２００へのガス供給ストイキは、平均セル圧力損失Ｄａや最大セル圧力損失Ｄｍから定まるので、差ΔＤが減少することにより、すべてのセル１０に適正な量のガスが安定して供給される。

次に、パターンＰ２の場合について説明する。この場合のフローチャートを図８に示す。例えば電圧計２５により、燃料電池スタック２００で発電された最低セル電圧が監視され、最低セル電圧が所定の閾値より下がった場合には、燃料電池スタック２００のセル含水量が増加される。セル含水量の増加は、例えば燃料電池スタック２００のガス背圧の上昇、あるいは燃料電池スタック２００の温度低下などにより行われる。これにより、図５に示すように例えば燃料電池スタック２００の平均セル含水量Ｈａと、最大セル含水量Ｈｍが急峻減少区間Ｋ２から安定区間Ｋ１側に移動するので、セル圧力損失のばらつきが少なくなる。つまり、例えば平均セル圧力損失Ｄａと最大セル圧力損失Ｄｍとの差ΔＤが小さくなる。上述のようにガス供給ストイキは、平均セル圧力損失Ｄａや最大セル圧力損失Ｄｍから定まるので、差ΔＤが減少することにより、すべてのセル１０に適正な量のガスが安定して供給される。

次に、パターンＰ３の場合について説明する。この場合のフローチャートを図９に示す。先ず平均セル含水量Ｈａが算出される。この平均セル含水量Ｈａの算出は、例えば図１０に示すように制御装置６００に設けられた演算部７０で行われる。平均セル含水量Ｈａは、燃料電池スタック２００全体の直流抵抗を計測してその抵抗値から求めたり、ガス供給量から求められる燃料電池スタック２００の生成水量やカソードオフガスの水蒸気量等から燃料電池スタック２００の水収支を計算することにより求められる。

また、電圧計２５により、燃料電池スタック２００で発電された最低セル電圧が監視され、最低セル電圧が所定の閾値より下がった場合には、平均セル含水量Ｈａが、図６に示す安定区間Ｊ１又は急峻増加区間Ｊ２にあるのか、急峻減少区間Ｊ３にあるのかが判定される。この判定は、平均セル含水量Ｈａが、特性曲線Ｐ３上の安定区間Ｊ１と急峻減少区間Ｊ３の境界値より高いか否かで行われる。

次に、図９に示すようにセル平均含水量Ｈａが閾値以上で、安定区間Ｊ１又は急峻増加区間Ｊ２にある場合には、燃料電池スタック２００のセル含水量が低減される。セル含水量の低減は、例えば燃料電池スタック２００のパージ量の増加、燃料電池スタック２００のガス背圧の低減、あるいは燃料電池スタック２００の温度上昇などにより行われる。これにより、例えば図６に示すように燃料電池スタック２００の平均セル含水量Ｈａと、最大セル含水量Ｈｍが急峻増加区間Ｊ２から安定区間Ｊ１側に移動するので、セル圧力損失のばらつきが少なくなる。つまり、例えば平均セル圧力損失Ｄａと最大セル圧力損失Ｄｍとの差ΔＤが小さくなる。上述のようにガス供給ストイキは、平均セル圧力損失Ｄａや最大セル圧力損失Ｄｍから定まるので、差ΔＤが減少することにより、すべてのセル１０に適正な量のガスが安定して供給される。

また、図９に示すようにセル平均含水量Ｈａが閾値よりも低く、急峻減少区間Ｊ３にある場合には、燃料電池スタック２００のセル含水量が増加される。セル含水量の増加は、例えば燃料電池スタック２００のガス背圧の上昇、あるいは燃料電池スタック２００の温度低下などにより行われる。これにより、例えば図６に示すように燃料電池スタック２００の平均セル含水量Ｈａと、最大セル含水量Ｈｍが急峻減少区間Ｊ３から安定区間Ｊ１側に移動するので、セル圧力損失のばらつきが少なくなる。つまり、例えば平均セル圧力損失Ｄａと最大セル圧力損失Ｄｍとの差ΔＤが小さくなる。上述のようにガス供給ストイキは、平均セル圧力損失Ｄａや最大セル圧力損失Ｄｍから定まるので、差ΔＤが減少することにより、すべてのセル１０に適正な量のガスが安定して供給される。

以上の実施の形態によれば、燃料電池スタック２００のセル含水量と燃料電池スタック２００のセル圧力損失との特性曲線Ｐに基づいて、燃料電池スタック２００のセル含水量が調整され、燃料電池スタック２００内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるので、燃料電池スタック２００の総てのセル１０において、ガス供給ストイキの適正量のガスが安定して供給されて、発電電圧が確実に回復する。

また、特性曲線ＰがパターンＰ１の場合に、燃料電池スタック２００のセル含水量を減少させるように調整するので、燃料電池スタック２００のセル圧力損失を安定区間Ｒ１に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック２００内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

さらに、特性曲線ＰがパターンＰ２の場合に、燃料電池スタック２００のセル含水量を増加させて、燃料電池スタック２００のセル圧力損失を安定区間Ｋ１に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック２００内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

また、特性曲線ＰがパターンＰ３の場合に、燃料電池スタック２００のセル平均含水量Ｈａが安定区間Ｊ１又は急峻増加区間Ｊ２にあるか、急峻減少区間Ｊ３にあるかを判定し、その判定によって燃料電池スタック２００のセル含水量を減少或いは増加させて、燃料電池スタック２００のセル圧力損失を安定区間Ｊ１に戻すことができる。これにより、燃料電池スタック２００内におけるセル圧力損失のばらつきを小さくし、発電電圧の回復を図ることができる。

燃料電池スタック２００のセル含水量の調整は、燃料電池スタック２００のパージ量の調整、燃料電池スタック２００のガス背圧の調整、燃料電池スタック２００の温度調整の少なくともいずれかにより行われるので、当該セル含水量の調整を簡単かつ適正に行うことができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、燃料電池スタックの水詰まりにより低下した発電電圧を確実に回復させる際に有用である。

１０セル
１００燃料電池システム
２００燃料電池スタック
６００制御装置

Claims

水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムであって、
燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、燃料電池スタックのセル含水量と燃料電池スタックのセル圧力損失の特性曲線に基づいて、前記燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるように前記燃料電池スタックのセル含水量を調整するセル含水量調整手段を有することを特徴とする、燃料電池システム。
前記セル含水量調整手段は、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行するものの場合に、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記セル含水量調整手段は、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合に、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記セル含水量調整手段は、前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行し、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する前記安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合に、燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記安定区間又は前記急峻増加区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整し、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記急峻減少区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整することを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池スタックのセル含水量の調整は、前記燃料電池スタックのパージ量の調整、前記燃料電池スタックのガス背圧の調整、前記燃料電池スタックの温度の調整の少なくともいずれかにより行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
水素ガスを含む燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により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運転方法であって、
燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、燃料電池スタックのセル含水量と燃料電池スタックのセル圧力損失の特性曲線に基づいて、前記燃料電池スタック内におけるセル圧力損失のばらつきが小さくなるように前記燃料電池スタックのセル含水量を調整することを特徴とする、燃料電池システムの運転方法。
前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行するものの場合には、
燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合には、
燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
前記特性曲線が、燃料電池スタックのセル含水量の増加に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに増加する安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に増加する急峻増加区間に移行し、燃料電池スタックのセル含水量の減少に対し、燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に緩やかに減少する前記安定区間から前記燃料電池スタックのセル圧力損失が相対的に急峻に減少する急峻減少区間に移行するものの場合には、
燃料電池スタックの発電電圧が低下した時に、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記安定区間又は前記急峻増加区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を減少させるように調整し、前記燃料電池スタックのセル平均含水量が前記急峻減少区間にある場合には前記燃料電池スタックのセル含水量を増加させるように調整することを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システムの運転方法。
前記燃料電池スタックのセル含水量の調整は、前記燃料電池スタックのパージ量の調整、前記燃料電池スタックのガス背圧の調整、前記燃料電池スタックの温度調整の少なくともいずれかにより行われることを特徴とする、請求項６〜９のいずれかに記載の燃料電池システムの運転方法。