WO2008136518A1 - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

　燃料電池システムは、膜電極接合体と、膜電極接合体に供給される反応ガスの流路を形成する流路形成部材と、を複数組含む燃料電池と、各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、各流路形成部材に保持される水の量を増大させるための処理を実行する処理実行部と、を備える。これにより、流路形成部材に保持される水の量のバラツキを低減させる。

Description

明 細 書 燃料電池システム 技術分野

この発明は、 燃料電池システムに関する。 背景技術

燃料電池は、 通常、 複数の膜電極接合体を含んでいる。 各膜電極接合体の一方の側 / には、 酸化ガスの流路を形成する流路形成部材が設けられている。 各膜電極接合体で は、 発電に伴って水が生成される。 生成された水の一部は、 各流路形成部材に保持さ れる。

なお、 この種の燃料電池としては、 特開 2 0 0 6— 2 2 1 8 5 3号公報に記載のも のが知られている。

ところで、 各流路形成部材に保持される水の量は異なっている。 各流路形成部材に 保持される水の量のバラツキが大きくなると、 各膜電極接合体の発電性能のバラツキ が大きくなリ、 燃料電池の出力電圧が低下したり、 燃料電池が発電を継続できなくな つたりする。

従来では、 酸化ガスの流量を増大させることによって、 各流路形成部材に保持され る水の量のバラツキが低減されていた。 しかしながら、 各流路形成部材に保持される 水の量のバラツキを低減させることのできる他の手法が要望されていた。 発明の開示

この発明は、 従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、 各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを他の手法で低減させることを目的と する。

本発明は、 上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、 以 下の形態又は適用例として実現することが可能である。

[適用例 1 ] 燃料電池システムであって、

膜電極接合体と、 前記膜電極接合体に供給される反応ガスの流路を形成する流路形 成部材と、 を複数組含む燃料電池と、

前記各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、 前記各流 路形成部材に保持される水の量を増大させるための処理を実行する処理実行部と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。

このシステムでは、 上記の処理を実行することによって、 各流路形成部材に保持さ れる水の量を増大させることができ、 この結果、 各流路形成部材に保持される水の量 のバラツキを低減させることができる。

[適用例 2 ] 適用例 1記載の燃料電池システムであって、

前記処理実行部は、 前記燃料電池の負荷が低減される場合に、 前記処理を実行する、 燃料電池システム。

燃料電池の負荷が低減される場合には、 各流路形成部材に保持される水の量のバラ ツキが大きくなリ易い。 しかしながら、 上記のようにすれば、 各流路形成部材に保持 される水の量のパラツキを効率よく低減させることができる。

[適用例 3 ] 適用例 1記載の燃料電池システムであって、

前記処理実行部は、 定期的に前記処理を実行する、 燃料電池システム。

こうすれば、 各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを容易に低減させるこ とができる。

[適用例 4 ] 適用例 1ないし 3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、 前記処理実行部は、

前記燃料電池に反応ガスを供給する供給部を備え、 前記処理は、 前記供給部によって前記燃料電池に供給される反応ガスの流量を低減 させる処理を含む、 燃料電池システム。

こうすれば、 各流路形成部材によって形成される反応ガスの流路に供給される流量 を低減させることができ、 この結果、 各流路形成部材に保持される水の量を増大させ ることができる。

[適用例 5 ] 適用例 1ないし 3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、 前記処理実行部は、

前記燃料電池から排出された反応ガスが通る通路に設けられた弁を備え、 前記処理は、 前記弁の開度を低減させる処理を含む、 燃料電池システム。

こうすれば、 各流路形成部材によって形成される反応ガスの流路の圧力を増大させ ることができ、 この結果、 各流路形成部材に保持される水の量を増大させることがで さる。

[他の適用例] 適用例 1ないし 3のいずれかに燃料電池システムであって、 前記処理実行部は、

前記燃料電池に供給される反応ガスを加湿する加湿部を備え、

前記処理は、 前記加湿部が反応ガスの加湿量を増大させる処理を含む、 燃料電池シ ステム。

[他の適用例] 適用例 1ないし 3のいずれかに燃料電池システムであって、 前記処理実行部は、

前記燃料電池を冷却するための冷却部を備え、

前記処理は、 前記冷却部が前記燃料電池内部の温度を低下させる処理を含む、 燃料 電池システム。

[他の適用例] 適用例 1記載の燃料電池システムであって、

前記処理実行部は、

前記各流路形成部材に保持される水の量のバラツキに関連する物理量を検出する検 出部を備え、

前記処理実行部は、

前記検出結果に基づいて、 前記処理を実行する、 燃料電池システム。

この発明は、 種々の形態で実現することが可能であり、 例えば、 燃料電池システム、 該燃料電池システムを搭載する移動体、 該燃料電池システムの制御方法、 これらの方 法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、 そのコンピュータプ ログラムを記録した記録媒体、 そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化 されたデータ信号、 等の形態で実現することができる。 図面の簡単な説明

図 1は、 燃料電池システムの構成を模式的に示す説明図である。

図 2は、 燃料電池 1 0 0の内部構造を模式的に示す説明図である。

図 3は、 多孔質体 1 3 0 c内部に保持された水の分布を示す説明図である。

図 4は、 各多孔質体の含水量のバラツキを低減させるための一連の処理を示すフロ 一チャートである。

図 5は、 燃料電池の負荷と燃料電池内部の温度との関係を示す説明図である。

図 6は、 エアストイキ比と圧力損失との関係を模式的に示す説明図である。

図 7は、 第 1実施例におけるステップ S 1 1 4 (図 4 ) の具体的な処理を示すフロ 一チヤ一卜である。

図 8は、 ステップ S 2 0 2 (図 7 ) の処理の前後におけるエアストィキ比の分布を 示す説明図である。

図 9は、 エアストイキ比とセル電圧との関係を示す説明図である。

図 1 0は、 第 2実施例におけるステップ S 1 1 4 (図 4 ) の具体的な処理を示すフ ローチャー卜である。 発明の実施するための最良の形態

A . 第 1実施例：

A - 1 . 燃料電池システムの構成：

次に、 本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。 図 1は、 燃料電池システ ムの構成を模式的に示す説明図である。 なお、 この燃料電池システムは、 車両に搭載 されている。

図示するように、 燃料電池システムは、 燃料電池 1 0 0と、 燃料電池に水素ガス (燃料ガス） を供給するための燃料ガス供給部 2 0 0と、 燃料電池に酸素ガスを含む 酸化ガス （空気） を供給するための酸化ガス供給部 3 0 0と、 燃料電池システム全体 の動作を制御する制御回路 6 0 0と、 を備えている。

燃料電池 1 0 0には、 燃料ガスが通る燃料ガス通路 2 0 1と、 使用済みの燃料オフ ガスが通る燃料オフガス通路 2 0 2と、 が接続されている。 また、 燃料電池 1 0 0に は、 酸化ガスが通る酸化ガス通路 3 0 1と、 使用済みの酸化オフガスが通る酸化オフ ガス通路 3 0 2と、 が接続されている。 そして、 燃料オフガス通路 2 0 2と酸化オフ ガス通路 3 0 2とは、 下流側で合流オフガス通路 4 0 1に接続されている。

燃料ガス供給部 2 0 0は、 水素ガスタンク 2 2 0と、 減圧弁 2 3 6と、 流量制御弁 2 3 8と、 を備えている。 水素ガスタンク 2 2 0は、 水素ガス （燃料ガス） を比較的 高い圧力で貯蔵する。 減圧弁 2 3 6は、 水素ガスタンク 2 2 0から排出された燃料ガ スを所定の圧力に減圧する。 流量制御弁 2 3 8は、 燃料ガスの流量を調整して、 燃料 電池 1 0 0に供給する。

燃料ガス供給部 2 0 0は、 さらに、 気液分離器 2 4 0と、 循環ポンプ 2 5 0と、 遮 断弁 2 6 0と、 を備えている。 気液分離器 2 4 0と遮断弁 2 6 0とは、 燃料オフガス 通路 2 0 2に設けられている。 循環ポンプ 2 5 0は、 燃料オフガス通路 2 0 2と燃料 ガス通路 2 0 1とを接続する循環通路 2 0 3に設けられている。 なお、 循環通路 2 0 3の上流側の端部は、 気液分離器 2 4 0と遮断弁 2 6 0との間で燃料オフガス通路 2 0 2に接続されており、 下流側の端部は、 流量制御弁 2 3 8の下流側で燃料ガス通路 2 0 1に接続されている。

気液分離器 2 4 0は、 燃料オフガス中に含まれる過剰な水蒸気を除去する。 気液分 離器 2 4 0によって除去された水は、 排出弁 2 4 2を介して、 燃料オフガス通路 2 0 2に排出される。

循環ポンプ 2 S Oは、 水素ガス濃度の比較的低い燃料オフガスを、 燃料ガスとして 燃料ガス通路 2 0 1内に戻す機能を有している。 このため、 燃料ガスは環状通路内を 循環する。 このように燃料ガスを循環させることにより、 燃料電池に単位時間当たり に供給される水素ガス流量 （m o I / s e c ) を増大させることができ、 この結果、 燃料電池における反応効率を向上させることができる。 ただし、 燃料電池における電 気化学反応が進むに連れて、 環状通路内の燃料ガスに含まれる水素ガス量 （m o I ) は低減する。 また、 燃料ガス中の水素ガス濃度 （体積百分率） は次第に低下する。 そ こで、 本実施例では、 流量制御弁 2 3 8と遮断弁 2 6 0とを間欠的に開状態に設定し て、 水素ガス濃度の高い燃料ガスを燃料電池に供給すると共に、 水素ガス濃度の低い 燃料オフガスを燃料電池から排出する。 使用済みの燃料オフガスは、 燃料オフガス通 路 2 0 2と合流オフガス通路 4 0 1とを介して大気に排出される。

酸化ガス供給部 3 0 0は、 コンプレッサ 3 1 0と、 加湿量調整弁 3 2 0と、 圧力調 整弁 3 4 0と、 加湿器 3 5 0と、 を備えている。 コンプレッサ 3 1 0と加湿量調整弁 3 2 0とは、 酸化ガス通路 3 0 1に設けられている。 圧力調整弁 3 4 0と加湿器 3 5 0とは、 酸化オフガス通路 3 0 2に設けられている。

コンプレッサ 3 1 0は、 酸素ガスを含む酸化ガス （空気） を燃料電池 1 0 0に向け て供給する。 加湿量調整弁 3 2 0は、 加湿器 3 5 0と並列に設けられている。 加湿量 調整弁 3 2 0の開度が小さい場合には、 加湿器 3 5 0を経由する酸化ガスの量が大き いため、 燃料電池 1 0 0に供給される酸化ガスの加湿量は大きくなる。 一方、 加湿量 調整弁 3 2 0の開度が小さい場合には、 加湿器 3 5 0を経由する酸化ガスの量が小さ いため、 燃料電池 1 0 0に供給される酸化ガスの加湿量は小さくなる。

圧力調整弁 3 4 0は、 燃料電池 1 0 0の背圧 （酸化オフガスの排出口の圧力） を調 整する機能を有する。 加湿器 3 5 0は、 酸化オフガス中に含まれる水および水蒸気を 利用して、 酸化ガスを加湿する。 なお、 加湿器 3 5 0としては、 例えば、 中空糸膜式 加湿器を利用することができる。 酸化オフガスは、 酸化オフガス通路 3 0 2と合流ォ フガス通路 4 0 1とを介して大気に排出される。

また、 燃料電池システムには、 燃料電池 1 0 0を冷却するための冷却部 5 0 0が設 けられている。 冷却部 5 0 0は、 冷却液の温度を低下させる熱交換器 5 1 0と、 冷却 液を循環させる循環ポンプ 5 2 0と、 を備えている。 冷却部 5 0 0は、 燃料電池 1 0 0に冷却液を供給することによって燃料電池 1 0 0内部の温度を低下させる。

図 2は、 燃料電池 1 0 0の内部構造を模式的に示す説明図である。 燃料電池 1 0 0 は、 比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型の燃料電池であり、 燃料ガス供給部 2 0 0から供給される水素ガス （燃料ガス） と、 酸化ガス供給部 3 0 0から供給され る酸化ガス （空気） 中の酸素ガスと、 を利用して発電する。

燃料電池 1 0 0は、 交互に積層された複数の発電ュニッ卜 1 1 0と複数のセパレー タ 1 2 0とを含んでいる。

発電ュニッ卜 1 1 0は、 電解質膜 1 1 2を含んでおり、 電解質膜 1 1 2の第 1の面 側には、 第 1の電極触媒層 （アノード） 1 1 4 aと第 1のガス拡散層 1 1 6 aとがこ の順に設けられており、 電解質膜 1 1 2の第 2の面側には、 第 2の電極触媒層 （カソ —ド） 1 1 4 cと第 2のガス拡散層 1 1 6 cとがこの順に設けられている。

発電ュニット 1 1 0の両側には、 セパレ一タ 1 2 0が配置されている。 そして、 発 電ュニット 1 1 0と第 1のセパレータ 1 2 0との間には、 第 1のガス拡散層 1 1 6 a に接触する第 1の多孔質体 1 3 0 aが配置されており、 発電ュニット 1 1 0と第 2の セパレータ 1 2 0との間には、 第 2のガス拡散層 1 1 6 cに接触する第 2の多孔質体 1 3 0 cが配置されている。 第 1の多孔質体 1 30 aによって形成される第 1の流路には、 燃料ガス供給部 20 0から供給された燃料ガスが流通し、 第 2の多孔質体 1 30 cによって形成される第 2の流路には、 酸化ガス供給部 300から供給された酸化ガスが流通する。 そして、 燃料ガスと酸化ガスとは、 発電ユニット 1 1 0において電気化学反応に利用される。 なお、 電解質膜 1 1 2としては、 フッ素系樹脂などの固体高分子材料で形成された 膜を用いることができる。 電極触媒層 1 1 4 a, 1 1 4 cとしては、 カーボン粒子に 白金などの触媒を担持させた層を用いることができる。 ガス拡散層 1 1 6 a, 1 1 6 cは、 カーボンぺーパなどのガス透過性および導電性を有する材料で形成される。 多 孔質体 1 30 a, 1 30 cは、 ガス透過性および導電性を有する部材であり、 例えば、 ステンレス鋼やチタン等の金属を用いて形成される。 金属多孔質体としては、 例えば、 発泡金属焼結体や、 球状あるいは繊維状の微小な金属片を焼結させた焼結体を用いる ことができる。

また、 本実施例では、 セパレータ 1 20は、 3つのプレートで構成されている。 中 間に配置されたプレー卜には、 冷却部 500から供給された冷却液が流通する冷却液 流路 1 28が設けられている。 セパレータ 1 20の各プレー卜は、 例えば、 ステンレ ス鋼や、 チタン、 チタン合金などの導電性を有する金属製の板材で形成される。

A— 2. 多孔質体による水の保持：

本実施例では、 ガス拡散層 1 1 6 a, 1 1 6 cには、 撥水処理が施されている。 ま た、 多孔質体 1 30 a, 1 30 cには、 導電率を増大させるために、 金メッキが施さ れている。 金メッキを施すことによって、 多？ L質体 1 30 a, 1 30 cの親水性が高 められる。 また、 セパレータ 1 20には、 導電率を増大させるために、 金メッキが施 されている。 金メッキを施すことによって、 セパレータ 1 20の親水性が高められる。 各発電ュニッ卜 1 1 0における電気化学反応の進行に伴って、 各発電ュニット 1 1 0では水が生成される。 具体的には、 各発電ュニット 1 1 0の力ソード側の電極触媒 層 1 1 4 cにおいて、 水 （生成水） が生成される。 生成された水は、 ガス拡散層 1 1 6 cを介して、 多孔質体 1 30 c内部に流入する。 本実施例では、 ガス拡散層 1 1 6 cには撥水処理が施されているため、 水は、 速やかに多孔質体 1 30 c内部に移動す る。 そして、 水の一部は、 多孔質体 1 30 c内部に保持される。

図 3は、 多孔質体 1 30 c内部に保持された水の分布を示す説明図である。 図 3 (A) は、 保持される水の量が比較的少ない場合の水の分布を示し、 図 3 (B) は、 保持される水の量が比較的多い場合の水の分布を示している。

多孔質体 1 30 cに流入した水の一部は、 図 3 (A) , (B) に示すように、 多孔 質体 1 30 cのセパレータ 1 20側の面付近に偏った状態で保持される。 これは、 多 孔質体 1 30 cの一方の側に配置されたセパレータ 1 20は、 多孔質体 1 30 cの他 方の側に配置されたガス拡散層 1 1 6 cよりも親水性が高いためである。

多孔質体 1 30 c内部の水は、 液体の状態で多孔質体 1 30 cから排出され得ると 共に、 気体の状態で多孔質体 1 30 cから排出され得る。 具体的には、 多孔質体 1 3 0 cを流通する酸化ガスの流量が大きい場合には、 水は、 主に、 酸化ガスの流速に応 じて液体の状態で多孔質体 1 30 cから持ち去られる。 一方、 多孔質体 1 30 cを流 通する酸化ガスの流量が小さい場合には、 水は、 主に、 蒸気圧に応じて気体の状態で 多孔質体 1 30 cから持ち去られる。

ところで、 多孔質体 1 30 cによって形成される流路は、 多孔質体 1 30 cに最も 多く水が保持される場合でも、 完全に閉寒しない。 例えば、 多孔質体 1 30 cの多数 の孔のうち、 最大約 80%の孔に水が保持されるだけである。 このため、 多孔質体 1 30 cに最も多く水が保持される場合でも、 酸化ガスは、 ガス拡散層 1 1 6 cを介し て電極触媒層 1 1 4 cに供給される。

なお、 本実施例では、 多孔質体 1 30 cに金メッキが施されており、 セパレ一タ 1 20に金メッキが施されているが、 仮に、 多孔質体 1 30 cおよびセパレータ 1 20 にメツキが施されていない場合にも、 水は、 多孔質体 1 30 cのセパレータ 1 20側 の面付近に分布する。 すなわち、 多孔質体 1 30 cおよびセパレータ 1 20に対する メツキは省略可能である。

なお、 仮に、 セパレータ 1 2 0に撥水処理が施されている場合には、 水は、 多孔質 体 1 3 0 cの内部、 すなわち、 多孔質体 1 3 0 cのセパレ一タ 1 2 0側の面とガス拡 散層 1 1 6 c側の面との中間の部分に保持される。

燃料電池 1 0 0には、 複数の多孔質体 1 3 0 cが含まれている。 各多孔質体 1 3 0 cを流通する酸化ガスの流量は、 同じであることが好ましい。 また、 各多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量は、 同じであることが好ましい。 しかしながら、 実際には、 以下に説明するように、 各多孔質体 1 3 0 cを流通する酸化ガスの流量および各多孔 質体 1 3 0 cに保持される水の量 （含水量） は、 異なっている。

燃料電池 1 0 0内部には、 複数の発電ュニット 1 1 0に、 より具体的には、 複数の 多孔質体 1 3 0 cに酸化ガスを分配するための分配通路 （マニホルドと呼ばれる） が 設けられている。 しかしながら、 各多孔質体 1 3 0 cから見たときの分配通路の構造 は、 異なっている。 また、 各多孔質体 1 3 0 cの構造も、 同一ではない。 このため、 仮に、 各多？ L質体 1 3 0 cに水が保持されていない場合でも、 各多孔質体 1 3 0 cを 流通する酸化ガスの流量は異なる。 したがって、 各発電ユニット 1 1 0で電気化学反 応が進行するのに伴って各多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量 （含水量） も異なる。 そして、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量が異なっていると、 各多孔質体 1 3 0 cを流通 する酸化ガスの流量は、 さらに大きく異なる。

各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキは、 換言すれば、 各多孔質体 1 3 0 cの酸 化ガスの流量のバラツキは、 燃料電池 1 0 0の出力特性を悪化させる。 具体的には、 一部の多孔質体 1 3 0 cの含水量が過度に大きくなる場合には、 燃料電池 1 0 0の出 力電圧が低下したり、 燃料電池 1 0 0が発電を継続できなくなったりする。

したがって、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキ、 換言すれば、 各多孔質体 1 3 0 cを流通する酸化ガスの流量のバラツキは、 小さいことが好ましい。 従来では、 酸化ガスの流量を過度に増大させ、 各多孔質体 1 3 0 cに保持される水を液体の状態 で排出することによって、 各多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量を低減させ、 この 結果、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキが低減されていた。 しかしながら、 本 実施例では、 他の手法で、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキを低減させている。

A— 3 . 含水量のバラツキの低減処理：

図 4は、 各多孔質体の含水量のバラツキを低減させるための一連の処理を示すフロ 一チャートである。 ステップ S 1 1 2では、 制御回路 6 0 0は、 所定の条件が満足さ れるか否かを判断する。 本実施例では、 所定の条件は、 燃料電池 1 0 0の負荷が高負 荷から低負荷に変更されたときに、 より具体的には、 燃料電池 1 0 0の負荷が所定量 以上低下したときに、 満足される。

なお、 燃料電池 1 0 0の負荷の変化は、 燃料電池 1 0 0に要求される出力電力の変 化に基づいて、 判断可能である。 燃料電池 1 0 0の負荷は、 換言すれば、 燃料電池 1 0 0に要求される出力電力は、 例えば、 車両のユーザによるアクセルペダルの踏み込 み量に応じて、 変化する。

図 5は、 燃料電池の負荷と燃料電池内部の温度との関係を示す説明図である。 図示 するように、 燃料電池の負荷が比較的高い時刻 t aでは、 燃料電池の温度は、 比較的 高い。 一方、 燃料電池の負荷が比較的低い時刻 t cでは、 燃料電池の温度は、 比較的 低い。 燃料電池の負荷が低下すると、 燃料電池の温度は低下する。 ただし、 図示する ように、 温度は、 負荷の低下に遅れて低下する。 このため、 燃料電池の負荷が低下し た直後の時刻 t bでは、 燃料電池の負荷が比較的低く、 かつ、 燃料電池の温度が比較 的高い状態となる。 この状態では、 後述するように、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量の パラツキが次第に大きくなる。 そこで、 本実施例では、 ステップ S 1 1 2 (図 4 ) に おいて、 燃料電池 1 0 0の負荷が高負荷から低負荷に変更されたか否かが判断されて いる。

図 6は、 エアストィキ比と圧力損失との関係を模式的に示す説明図である。 図中、 横軸は、 発電ュニッ卜 1 1 0に供給される酸化ガス （空気） の量に関するエアストイ キ比 （air stoichiometric ratio) を示している。 縦軸は、 発電ュニッ卜 1 1 0 (より 具体的には、 多孔質体 1 30 c) の圧力損失 （k P a) を示している。 すなわち、 図 6は、 1つの発電ュニット 1 1 0に供給される酸化ガスのエアストイキ比を変更した ときの該発電ュニッ卜 1 1 0の圧力損失の変化を示している。

ここで、 「エアストィキ比」 は、 発電ユニットに供給される酸化ガス （空気） の量 と、 発電ユニットにおいて発電に利用されるべき酸化ガス （空気） の量と、 の比を示 している。 発電ュニッ卜に供給される酸化ガス中の酸素ガスがすべて発電に利用され る場合には、 エアストィキ比は 1. 0である。 燃料電池システムを動作させる際には、 エアストィキ比は、 通常、 1. 0よりも大きな値 （例えば約 1. 5) に設定される。 曲線 C aは、 図 5の時刻 t aにおける状態、 すなわち、 燃料電池の負荷が高く、 か つ、 燃料電池の温度が高い （約 80°C) 状態のグラフである。 曲線 C cは、 図 5の時 刻 t cにおける状態、 すなわち、 燃料電池の負荷が低く、 かつ、 燃料電池の温度が低 い （約 60°C) 状態のグラフである。 曲線 C bは、 図 5の時刻 t bにおける状態、 す なわち、 燃料電池の負荷が低く、 かつ、 燃料電池の温度が高い （約 80°C) 状態のグ ラフである。 なお、 曲線 C b, C cは、 実験結果に基づくグラフであり、 曲線 C aは、 予測に基づくグラフである。

曲線 C a， C cから分かるように、 燃料電池の負荷がほぼ一定のまま維持されてい る期間では、 多孔質体 1 30 cの圧力損失は、 エアストィキ比に応じてほぼ線形に変 化する。 なお、 2つの曲線 C a, C cは、 負荷が互いに異なる場合のグラフであり、 特定のエアストィキ比における曲線 C aの酸化ガスの流量は、 該特定のエアストィキ 比における曲線 C cの酸化ガスの流量よりも大きい。 このため、 曲線 C aの圧力損失 は、 曲線 C cの圧力損失よりも大きくなつている。

一方、 曲線 C bに示すように、 燃料電池の負荷が高負荷から低負荷に変更された直 後の期間では、 多孔質体 1 30 cの圧力損失は、 エアストィキ比に応じて単調に変化 しない。 具体的には、 エアストィキ比が比較的大きな領域 （図中右側の領域） 、 およ び、 エアストィキ比が比較的小さな領域 （図中左側の領域） では、 圧力損失は、 エア ストィキ比に応じてほぼ線形に変化しているが、 エアストィキ比約 1. 5付近には変 曲点が存在する。 なお、 2つの曲線 Cb, C cは、 燃料電池の負荷が同じ場合のグラ フであり、 特定のエアストィキ比における曲線 C bの酸化ガスの流量は、 該特定のェ ァストイキ比における曲線 Ccの酸化ガスの流量と同じである。

曲線 C b， C cに注目すると、 比較的小さな第 1のエアストィキ比 R 1では、 2つ の曲線 C b, C cの圧力損失はほぼ等しい値となっているが、 比較的大きな第 2のェ ァストィキ比 R2では、 曲線 C bの圧力損失は、 曲線 C cの圧力損失よりも小さくな つている。 また、 曲線 Cbの圧力損失は、 第 1のエアストィキ比 R 1と第 2のエアス トイキ比 R 2とでほぼ等しい値となっている。

曲線 C cでは、 図 6に示すエアストィキ比の範囲 （約 1. 1〜約 2. 0) において、 多孔質体 1 30 c内部は飽和蒸気圧となっていると考えられる。 また、 曲線 C bでは、 図 6に示す比較的小さなエアストィキ比の範囲 （約 1. 1〜約 1. 5) において、 多 孔質体 1 30 c内部は飽和蒸気となっているが、 図 6に示す比較的大きなエアス卜ィ キ比の範囲 （約 1. 5〜約 2. 4) において、 多孔質体 1 30 c内部は飽和蒸気とな つていないと考えられる。 このため、 上記の現象が生じると考えられる。

具体的には、 2つの曲線 Cb, C cでは、 燃料電池の負荷は共に低いが、 燃料電池 内部の温度は異なっている。 具体的には、 曲線 Ccでは、 燃料電池内部の温度が低く、 曲線 C bでは、 燃料電池内部の温度が高い。 このため、 曲線 C cの図 6に示すエアス トイキ比の範囲では、 多孔質体 1 30 c内部の蒸気は飽和しており、 温度 （約 6 0°C) に応じた比較的少ない量の水蒸気が排出される。 同様に、 曲線 Cbの図 6に示 す比較的小さなエアストィキ比の範囲では、 多孔質体 1 30 c内部の蒸気は飽和して おり、 温度 （約 80°C) に応じた比較的多くの量の水蒸気が排出される。 一方、 曲線 C bの図 6に示す比較的大きなエアス卜ィキ比の範囲では、 酸化ガスの流速が比較的 大きいため、 多孔質体 1 30 c内部の蒸気は飽和していない。 したがって、 多孔質体 1 3 0 cに保持された水は、 速やかに気化して排出される。 このため、 図 6に示す比 較的大きなエアストィキ比の範囲において、 曲線 C bの含水量は、 曲線 C cの含水量 よりも小さくなる。 この結果、 図 6に示す比較的大きなエアストィキ比の範囲では、 曲線 C bの圧力損失は、 曲線 C cの圧力損失よりも小さくなる。 また、 第 2のエアス トイキ比 R 2における曲線 C bの含水量は、 第 1のエアストイキ比 R 1における曲線 C bの含水量よりも小さくなる。 この結果、 酸化ガスの流量が異なるにも関わらず、 曲線 C bの圧力損失は、 第 1のエアス卜ィキ比 R 1と第 2のエアストイキ比 R 2とで ほぼ等しい値となる。

なお、 図 6では、 曲線 C cは、 変曲点を含んでいないが、 より高いエアストィキ比 (例えば約 2 . 5以上） において変曲点を含むと考えられる。

図 6では、 1つの多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスのエアストィキ比が変更 された場合の圧力損失が示されているが、 複数の多孔質体 1 3 0 cの含水量が異なる 場合には、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスのエアストィキ比および各多孔 質体 1 3 0 cの圧力損失も異なる。

複数の多孔質体 1 3 0 cの含水量が異なる場合には、 酸化ガスは、 含水量の大きな 一部の多孔質体にあまり供給されず、 含水量の小さな他の一部の多孔質体に多く供給 される。 このとき、 含水量の大きな一部の多孔質体からは水が排出され難くなリ、 含 水量の小さな他の一部の多孔質体からは水が排出され易くなる。 すなわち、 各多孔質 体 1 3 0 cの含水量のバラツキは、次第に大きくなる。

そこで、 本実施例では、 図 4のステップ S 1 1 4において、 制御回路 6 0 0は、 各 多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキを低減させるための低減処理を実行する。 本実 施例では、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量を増大させることによって、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキが低減される。

図 7は、 第 1実施例におけるステップ S 1 1 4 (図 4 ) の具体的な処理を示すフロ —チャートである。 ステップ S 2 0 2では、 制御回路 6 0 0は、 コンプレッサ 3 1 0 を制御して、 酸化ガスの流量を低減させる。 具体的には、 制御回路 6 0 0は、 コンプ レッサ 3 1 0の回転数を低減させる。

ステップ S 2 0 4では、 制御回路 6 0 0は、 圧力調整弁 3 4 0を制御して、 燃料電 池 1 0 0の酸化オフガスの排出口の圧力 （背圧） を増大させる。 具体的には、 制御回 路 6 0 0は、 圧力調整弁 3 4 0の開度を低減させる。 このとき、 各多孔質体 1 3 0 c 内部の圧力は増大する。

図 8は、 ステップ S 2 0 2 (図 7 ) の処理の前後におけるエアストィキ比の分布を 示す説明図である。 図中、 横軸は、 多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスのエアス トイキ比を示しており、 縦軸は、 対応するエアストィキ比で酸化ガスが供給される多 孔質体 1 3 0 cの個数 （頻度） を示している。 なお、 図 8には、 参考のために、 図 6 の曲線 C b , C cが示されている。

曲線 D 1は、 ステップ S 2 0 2の処理前におけるエアス卜ィキ比の分布を示してい る。 図示するように、 ステップ S 2 0 2の処理前では、 各多孔質体 1 3 0 cに供給さ れる酸化ガスのエアストィキ比のバラツキは、 換言すれば、 各多孔質体 1 3 0 cの含 水量のバラツキは、 大きい。 なお、 本実施例では、 エアストィキ比のバラツキ （すな わち含水量のバラツキ） は、 正規分布に従うと仮定している。

曲線 D 2は、 ステップ S 2 0 2の処理後におけるエアストイキ比の分布を示してい る。 ステップ S 2 0 2において、 酸化ガスの流量が低減されると、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスの流量およびエアストィキ比は低減される。 この結果、 曲線 D 2に示すように、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスのエアス卜ィキ比のバ ラツキは、 換言すれば、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキは、 小さくなる。 具体的には、 燃料電池 1 0 0に供給される酸化ガスの流量が低減されることによつ て、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスのエアストィキ比の平均値が小さくな る。 また、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスの流速が低減されるため、 一部 の多孔質体 1 3 0 cの内部の蒸気圧は、 飽和していない状態から飽和した状態に変化 する。 すなわち、 各多孔質体 1 3 0 c内部が飽和蒸気圧となる。 この結果、 各多孔質 体 1 3 0 cの含水量は大きくなる。 ただし、 前述したように、 多孔質体 1 3 0 cによ つて形成される流路が完全に閉塞されることはない。 このため、 曲線 D 2に示すよう に、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスのエアストィキ比のバラツキは、 換言 すれば、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキは、 小さくなる。

ところで、 ステップ S 2 0 2において、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガス のエアストィキ比が低減されると、 燃料電池 1 0 0の出力電圧は低下する。

図 9は、 エアストィキ比とセル電圧との関係を示す説明図である。 なお、 図 9には、 ステップ S 2 0 2の処理前におけるエアストィキ比のバラツキ （図 8の曲線 D 1 ) を 示す範囲 W 1が示されている。 また、 図 9には、 ステップ S 2 0 2の処理後における エアストィキ比のバラツキ （図 8の曲線 D 2 ) を示す範囲 W 2が示されている。 なお、 セル電圧は、 発電ュニッ卜 1 1 0の 2つの電極触媒層 1 1 4 a . 1 1 4 c間の電圧を 示している。

図示するように、 セル電圧は、 エアストィキ比が小さくなる程、 換言すれば、 含水 量が大きくなる程、 濃度過電圧に起因して小さくなる。

ステップ S 2 0 2の処理を実行することによって、 エアストイキ比の平均値および エアストィキ比のバラツキが小さくなると、 燃料電池 1 0 0の複数の発電ュニッ卜 1 1 0の平均のセル電圧も小さくなつてしまう。 そこで、 本実施例では、 ステップ S 2 0 4で説明したように、 背圧を増大させている。 背圧を増大させることによって、 図 9に示すように、 複数の発電ユニット 1 1 0の平均のセル電圧を増大させることがで き、 この結果、 燃料電池 1 0 0の出力電圧の低下を緩和することができる。

以上説明したように、 本実施例では、 ステップ S 2 0 2において酸化ガスの流量を 低減させることによって、 各多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量を増大させること ができ、 この結果、 各多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量のバラツキを低減させる ことができる。 なお、 本実施例では、 ステップ S 2 0 4の処理が実行されているが、 ステップ S 2

0 4の処理は省略可能である。 ステップ S 2 0 4の処理が省略される場合にも、 各多 孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキを低減させることができる。 ステップ S 2 0 4の 処理が実行される場合には、 背圧の増大に伴って、 コンプレッサ 3 1 0によって消費 されるエネルギが増大する。 したがって、 ステップ S 2 0 4が省略される場合には、 ステップ S 2 0 4の処理の実行に伴うコンプレッサ 3 1 0によるエネルギの消費を低 減させることができるという利点もある。

また、 本実施例では、 ステップ S 2 0 4の処理は、 ステップ S 2 0 2の処理の後に 実行されているが、 同時に実行されてもよい。

以上の説明から分かるように、 本実施例における電解質膜 1 1 2と第 1の電極触媒 層 1 1 4 aと第 2の電極触媒層 1 1 4 cとが本発明における膜電極接合体に相当する。 また、 本実施例における第 2の多孔質体 1 3 0 cが本発明における流路形成部材に相 当する。 さらに、 本実施例におけるコンプレッサ 3 1 0が本発明における供給部に相 当し、 コンプレッサ 3 1 0と制御回路 6 0 0とが本発明における処理実行部に相当す る。

なお、 本実施例では、 制御回路 6 0 0は、 コンプレッサを制御することによって、 燃料電池 1 0 0に供給される酸化ガスの流量を低減させているが、 コンプレッサと燃 料電池との間に流量制御弁が設けられている場合には、 制御回路は、 流量制御弁の開 度を低減させることによって、 酸化ガスの流量を低減させてもよい。 この場合には、 コンプレッサと流量制御弁とが本発明における供給部に相当する。

B . 第 2実施例：

第 2実施例でも、 図 1に示す燃料電池システムが利用される。 第 2実施例の処理は、 第 1実施例の処理と同様であるが、 ステップ S 1 1 4 (図 4 ) の具体的な処理が変更 されている。

図 1 0は、 第 2実施例におけるステップ S 1 1 4 (図 4 ) の具体的な処理を示すフ ローチャートであり、 図 7に対応する。 ステップ S 3 0 2では、 制御回路 6 0 0は、 圧力調整弁 3 4 0を制御して、 燃料電池 1 0 0の酸化オフガスの排出口の圧力 （背 圧） を増大させる。 具体的には、 制御回路 6 0 0は、 圧力調整弁 3 4 0の開度を低減 させる。

ステップ S 3 0 2の処理が実行されると、 各多孔質体 1 3 0 c内部の圧力が増大す る。 このため、 各多孔質体 1 3 0 c内部の水蒸気は凝縮して液化し、 各多孔質体 1 3 O cの含水量は増大する。 この結果、 各多孔質体 1 3 0 cに供給される酸化ガスのェ ァストィキ比のバラツキは、 換言すれば、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキは、 低減される。

ただし、 ステップ S 3 0 2の処理が実行される場合に、 コンプレッサ 3 1 0の回転 数が一定に維持されていると、 コンプレッサ 3 1 0によって消費されるエネルギが増 大する。

そこで、 本実施例では、 ステップ S 3 0 4の処理が実行される。 ステップ S 3 0 4 では、 制御回路 6 0 0は、 コンプレッサ 3 1 0を制御して、 酸化ガスの流量を低減さ せる。 具体的には、 制御回路 6 0 0は、 コンプレッサ 3 1 0の回転数を低減させる。 これにより、 コンプレッサ 3 1 0によって消費されるエネルギの増大を緩和すること ができる。

以上説明したように、 本実施例では、 ステップ S 3 0 2において背圧を増大させる ことによって、 各多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量を増大させることができ、 こ の結果、 各多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量のバラツキを低減させることができ る。

なお、 本実施例では、 ステップ S 3 0 4の処理が実行されているが、 ステップ S 3 0 4の処理は省略可能である。 ステップ S 3 0 4の処理が省略される場合にも、 各多 孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキを低減させることができる。

また、 本実施例では、 ステップ S 3 0 4の処理は、 ステップ S 3 0 2の処理の後に 実行されているが、 同時に実行されてもよい。

以上の説明から分かるように、 本実施例における圧力調整弁 3 4 0が本発明におけ る弁に相当し、 圧力調整弁 3 4 0と制御回路 6 0 0とが本発明における処理実行部に 相当する。

なお、 この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、 その要旨を逸 脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、 例えば次のよ うな変形も可能である。

( 1 ) 第 1実施例では、 ステップ S 2 0 2 (図 7 ) において酸化ガスの流量を低減さ せることによって、 各多 ¾質体 1 3 0 cの含水量のバラツキが低減されている。 また、 第 2実施例では、 ステップ S 3 0 2 (図 1 0 ) において、 背圧を増大させることによ つて、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のパラツキが低減されている。 しかしながら、 ス テツプ S 1 1 4 (図 4 ) の処理としては、 他の種々の手法を適用可能である。

例えば、 燃料電池システムが酸化ガスの湿度を調整可能な湿度調整部を備えている 場合には、 制御回路は、 該湿度調整部を制御して、 酸化ガスの加湿量を増大させても よい。 具体的には、 図 1に示す燃料電池システムでは、 制御回路 6 0 0は、 加湿量調 整弁 3 2 0の開度を低減させることにより、 酸化ガスの加湿量を増大させればよい。 この場合には、 各多孔質体 1 3 0 cに供給された酸化ガス中の水蒸気が液化して、 各 多孔質体 1 3 0 cの含水量が増大する。 この結果、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバ ラツキを低減させることができる。

また、 燃料電池システムが燃料電池内部の温度を調整可能な温度調整部を備えてい る場合には、 制御回路は、 該温度調整部を制御して、 燃料電池内部の温度を低下させ てもよい。 例えば、 図 1に示す燃料電池システムに、 さらに、 熱交換器 5 1 0を冷却 する冷却器が設けられ、 この冷却器によって、 燃料電池に供給される冷却液が間接的 に冷却されればよい。 この場合には、 図 6の曲線 C bを曲線 C cに近づけることがで きる。 具体的には、 図 6に示す比較的大きなエアストィキ比の範囲 （約 1 . 5〜約 2 . 4 ) において、 多孔質体 1 3 0 c内部が飽和蒸気圧となり、 各多孔質体 1 3 0 cの含 水量が増大する。 この結果、 各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバラツキを低減させるこ とができる。

一般には、 各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、 各 流路形成部材に保持される水の量を増大させる処理が実行されればよい。

( 2 ) 上記実施例では、 ステップ S 1 1 4 (図 4 ) の処理は、 ステップ S 1 1 2にお いて燃料電池の負荷が所定量以上低下した場合に実行されているが、 ステップ S 1 1 4の処理は、 燃料電池の負荷が低下した場合に、 負荷の低下量に関わらず、 実行され てもよい。 このように、 燃料電池の負荷が低減される場合にステップ S 1 1 4の処理 が実行されれば、 各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを効率よく低減させ ることができる。

( 3 ) 上記実施例では、 ステップ S 1 1 4 (図 4 ) の処理は、 ステップ S 1 1 2で説 明したように、 燃料電池の負荷が低減された場合に実行されているが、 これに代えて、 他のタイミングで実行されてもよい。

例えば、 ステップ S 1 1 4の処理は、 定期的に、 換言すれば、 所定の時間が経過す る毎に実行されてもよい。 こうすれば、 各流路形成部材に保持される水の量のバラッ キを容易に低減させることができる。

あるいは、 ステップ S 1 1 4の処理は、 多孔質体 1 3 0 cの含水量に関係する物理 量の測定結果に応じて、 実行されるようにしてもよい。 具体的には、 ステップ S 1 1 4の処理は、 該物理量の測定結果に応じて得られる各多孔質体 1 3 0 cの含水量のバ ラツキを示す評価値が所定値よりも大きい場合に、 実行されてもよい。 こうすれば、 各流路形成部材に保持される水の量のバラツキを確実に低減させることができる。

なお、 上記の物理量としては、 例えば、 多孔質体 1 3 0 cの出口付近で測定される 圧力または流量を利用することができる。 また、 上記のバラツキを示す評価値として は、 例えば、 標準偏差や分散を利用することができる。 あるいは、 バラツキを示す評 価値としては、 複数の測定値のうちの最大値と最小値との差分を利用することができ る。

物理量が測定される場合には、 すべての多孔質体のうちの一部の複数の多孔質体が 測定対象として選択されることが好ましい。 また、 複数の多孔質体の含水量の分布状 態に一定の傾向がある場合には、 測定対象の一部の複数の多孔質体は、 該傾向に応じ て選択されることが好ましい。 例えば、 燃料電池の端部側に配置された多孔質体の含 水量が燃料電池の中央部に配置された多孔質体の含水量よリも大きくなる傾向がある 場合には、 少なくとも端部側に配置された多孔質体と中央部に配置された多孔質体と が、 測定対象として選択されることが好ましい。

( 4 ) 上記実施例では、 多孔質体は、 金属で形成されているが、 他の材料 （例えば力 一ボン） で形成ざれていてもよい。

また、 上記実施例では、 流路形成部材として、 多孔質体が利用されているが、 これ に代えて、 パンチングメタルや、 金属メッシュなどが利用されてもよい。

なお、 発電ュニットとセパレータとの間に配置される多孔質体は省略可能である。 例えば、 ガス拡散層の厚みが大きい場合には、 該ガス拡散層が流路形成部材として利 用されてもよい。 また、 セパレータに複数の溝が形成されている場合には、 該セパレ ータが流路形成部材として利用されてもよい。

すなわち、 流路形成部材は、 反応ガスの流路を形成し、 水を保持可能な部材であれ ばよい。 また、 流路形成部材としては、 反応ガスの流路が水によって完全に閉塞され ないものを利用することが好ましい。

( 5 ) 上記実施例では、 力ソード側の多孔質体 1 3 0 cに保持される水の量のバラッ キに注目して、 本発明を説明した。 しかしながら、 力ソードで生成された水は、 電解 質膜 1 1 2を介して、 アノード側に移動する。 したがって、 本発明は、 アノード側の 多孔質体 1 3 0 aに保持される水の量のバラツキを低減させる場合にも、 適用可能で ある。 (6) 上記実施例では、 固体高分子型の燃料電池が利用されているが、 他のタイプの 燃料電池が利用されてもよい。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 燃料電池システムであって、

膜電極接合体と、 前記膜電極接合体に供給される反応ガスの流路を形成する流路形 成部材と、 を複数組含む燃料電池と、

前記各流路形成部材に保持される水の量のバラツキが低減されるように、 前記各流 路形成部材に保持される水の量を増大させるための処理を実行する処理実行部と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。

2 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記処理実行部は、 前記燃料電池の負荷が低減される場合に、 前記処理を実行する、 燃料電池システム。

3 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記処理実行部は、 定期的に前記処理を実行する、 燃料電池システム。

4 . 請求の範囲第 1項ないし第 3項のいずれかに記載の燃料電池システムであって、 前記処理実行部は、

前記燃料電池に反応ガスを供給する供給部を備え、

前記処理は、 前記供給部によって前記燃料電池に供給される反応ガスの流量を低減 させる処理を含む、 燃料電池システム。

5 . 請求の範囲第 1項ないし第 3項のいずれかに記載の燃料電池シス亍厶であって、 前記処理実行部は、

前記燃料電池から排出された反応ガスが通る通路に設けられた弁を備え、 前記処理は、 前記弁の開度を低減させる処理を含む、 燃料電池システム。