燃料電池システム
【課題】イオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】イオン液体を含浸したマトリクスと、マトリクスを介し燃料極と対向して付設された空気極と、空気極を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバと、を含む燃料電池セルと、リザーバ内のイオン液体の量またはイオン液体と燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段３０１、３０２、３０３、３１３と、検出手段が検出した結果をもとに、リザーバ内のイオン液体の量または混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段３１３と、を有する。
【解決手段】イオン液体を含浸したマトリクスと、マトリクスを介し燃料極と対向して付設された空気極と、空気極を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバと、を含む燃料電池セルと、リザーバ内のイオン液体の量またはイオン液体と燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段３０１、３０２、３０３、３１３と、検出手段が検出した結果をもとに、リザーバ内のイオン液体の量または混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段３１３と、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、より詳細には、イオン液体の漏洩およびクロスリークを防止する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が注目されている。特に、自動車用の燃料電池として、０℃以下の低温から１００℃以上の高温まで発電が可能なイオン液体を電解質として用いる燃料電池が注目されている。
【０００３】
しかし、ＳＲ（Ｓｔｏｉｃｈ Ｒａｔｉｏ：要求電流に必要な酸素量から決定される空気流量に対する過剰率）が低い状態においては、空気極での電気化学反応により発生する水が凝縮する。また、ＳＲを高くしても、低温の状態においては飽和水蒸気圧が下がるため、相対水蒸気圧（飽和水蒸気圧に対する水蒸気分圧の比）が高くなる。このような状態においては、凝縮した水がイオン液体に混入し、イオン液体が水とともにリザーバから漏洩することがある。特に、低温からの起動が常に行われる自動車にイオン液体を用いた燃料電池を使用した場合、このような問題が頻繁に発生しうる。また、漏洩によりイオン液体が不足すると燃料極の水素と空気極の酸素が直接混じり合うクロスリークという現象が起り燃料電池の特性を劣化させる。
【０００４】
リザーバ内の電解質含有量を監視する方法としては下記特許文献１に示されたものがあるが、リザーバから電解質が漏洩するのを防止する方法については開示されていない。
【特許文献１】特開平６−２８８９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、リザーバ内のイオン液体量またはイオン液体と水の混合液量を検知し、該混合液量をあらかじめ定めた範囲内に制御することによりイオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、イオン液体を含浸したマトリクスと、マトリクスを介し燃料極と対向して付設された空気極と、空気極を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバと、を含む燃料電池セルと、リザーバ内のイオン液体の量またはイオン液体と燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段と、検出手段が検出した結果をもとに、リザーバ内のイオン液体の量または混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、イオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明に係る燃料電池の制御方法について、第１実施形態〜第４実施形態に分けて、図面を参照し詳細に説明する。
【０００９】
これらの実施形態の説明をする前に、本発明の理解を容易なものとするために、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面構造を説明するための説明図である。
【００１０】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、アノード反応ガス（本明細書では水素）とカソード反応ガス（本明細書では酸素）の反応により起電力を生じる単位電池セル（以下、「燃料電池セル」と称する）２を所定数だけ積層して積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。
【００１１】
この燃料電池スタック１においては、アノード反応ガス、カソード反応ガスおよび液状媒体（具体的には冷却水又は温水）をそれぞれ各燃料電池セル２内に形成された流路溝に流通させるためのアノード反応ガス供給口８、アノード反応ガス排出口９、カソード反応ガス供給口１０、カソード反応ガス排出口１１、媒体供給口１２および媒体排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１２】
アノード反応ガスは、アノード反応ガス供給口８より供給されて各燃料電池セル２内に形成されたアノード反応ガス供給用の流路溝を流れ、アノード反応ガス排出口９より排出される。カソード反応ガスは、カソード反応ガス供給口１０より供給されて各燃料電池セル２内に形成されたカソード反応ガス供給用の流路溝を流れ、カソード反応ガス排出口１１より排出される。液状媒体は、媒体供給口１２より供給されて各燃料電池セル２内に形成された媒体供給用の流路溝を流れ、媒体排出口１３より排出される。
【００１３】
燃料電池セル２は、図２に示すように、マトリクス（電解質）２３０と、マトリクスの両面に配置される空気極２００および燃料極２４０と、空気極２００を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバ２１０とを含んで構成される。
【００１４】
マトリクス２３０は、例えば、ＳｉＣの絶縁多孔体に液体であるイオン液体を含浸させることにより構成される。イオン液体は、耐熱性が高く、プロトン伝導媒体としての水が不要であり、蒸気圧が非常に低いという高温燃料電池用電解質として優れた特徴を有する。また、イオン液体の中には０℃以下において液体のものがあり、このようなイオン液体を用いれば０℃以下から発電することが可能である。
【００１５】
空気極２００は、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層とガス拡散層からなる。
【００１６】
燃料極２４０は、アノード触媒層とガス拡散層からなる。
【００１７】
リザーバ２１０は、空気極２００を通じてマトリクス２３０にイオン液体を補給することによりマトリクス２３０中のイオン液体の量を適切な量に調整する。リザーバ２１０は、例えば、多孔質のカーボン材からなり、反応ガスである空気を通すための複数の平行した空気流路２２０を設ける。リザーバ２１０には、イオン液体またはイオン液体と水の混合液が保持されており、毛細管現象によりマトリクス２３０にイオン液体を供給する。
【００１８】
イオン液体を用いた燃料電池は、電解質が液体となる。従って、安定的な運転のために、イオン液体への生成水の混合を予め加味して、マトリクス２３０中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液の量を適切に保つ必要がある。例えば、マトリクス２３０中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液が不足すると、燃料極２４０の水素と空気極２００の酸素が直接混じり合うクロスリークという現象が生じる。一方、マトリクス２３０中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液が許容量を超えると、イオン液体またはイオン液体と水の混合液が空気流路２２０に流れ出し、イオン液体が外部に漏洩する。また、マトリクス２３０から漏れ出したイオン液体またはイオン液体と水の混合液は反応ガスである空気の三相界面への移動を妨げるため、フラッディングという現象が起り燃料電池の性能を低下させる。
【００１９】
燃料流路２５０に水素を、空気流路２２０に酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層の触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンはマトリクス２３０を通過する。カソード触媒層ではマトリクス２３０を通過してきた水素と外部流路（図示せず）を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によって燃料極２４０がマイナスに、空気極２００がプラスになり、燃料極２４０と空気極２００との間で直流電圧が発生する。
【００２０】
以下に、第１実施形態から第４実施形態に分けて本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置を具体的に説明する。
［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
第１実施形態に係る燃料電池システムは、図３に示すように、燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタック３００、各燃料電池セルの空気極側に設けられセル温度を計測する温度センサ３０１、同様に空気極側に設けられ空気極側のリザーバのイオン伝導度を計測するイオン伝導度センサ３０２、各燃料電池セルの空気流路の下流部に設けられ空気極側空気出口の水蒸気圧を計測する水蒸気圧センサ３０３、を有する。また、燃料電池の空気極に第１熱交換器３０４を介して外部空気を供給するコンプレッサ３０５、コンプレッサ３０５の吐出空気の温度を調節する第１熱交換器３０４（および第１ラジエータファン３０４ａ）、を有する。また、燃料極に供給する水素を蓄える水素タンク３０６、水素タンクから供給される高圧水素を燃料電池スタック３００に供給できる圧力まで低下させるプレッシャレギュレータ３０７、水素を昇温する第２熱交換器３０８、を有する。また、燃料電池セル内を通過させる冷却水の温度を調節して燃料電池セルの温度を調節する第３熱交換器３１０（および第２ラジエータファン３１０ａ）、冷却水の流量を調節して燃料電池セルの温度を調節する冷却水ポンプ３０９、を有する。また、燃料電池システムへの要求出力と燃料電池スタックの出力に差があるときに充放電する２次電池３１１、燃料電池スタック３００または２次電池３１１から得た電力を用途に応じた電圧に変換するインバータ３１２、を有する。また、燃料電池システムの各構成要素を制御する、演算／制御装置、記憶装置、入出力装置を含んでなるコントロールユニット３１３を有する。
【００２２】
さらに、第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルの空気流路の途中に接続され空気流路に空気を流入させる空気バイパス流路３１４、空気バイパス流路３１４に流す空気を制御する空気バイパス流路制御バルブ３１５、燃料電池セルの冷却水流路の途中に接続され冷却水流路から冷却水を流出させた後冷却水路に流入させる（すなわち還流させる）冷却水バイパス流路３１６、冷却水バイパス流路３１６に流す冷却水を制御する冷却水バイパス流路制御バルブ３１７、を有する。空気バイパス流路制御バルブ３１５を開くことにより、空気バイパス流路３１４を流れる空気が空気流路に合流するため空気流路の下流の空気流量を増加させることができる。冷却水バイパス流路制御バルブ３１７を開くことにより、冷却水流路を流れる冷却水が冷却水バイパス流路３１６から流出するため、冷却水流路の下流の冷却水流量を減少させ該下流周辺の燃料電池セルの温度を上昇させることができる。冷却水流路の途中に接続する冷却水バイパス流路は１つに限定されず、冷却水流路の任意の箇所に冷却水バイパス流路を複数接続することにより、それぞれの箇所で冷却水を還流させうる。
【００２３】
図４は、燃料電池セルの内部構造の断面を示す説明図である。図４に示すように、燃料電池セルはイオン液体を含浸したマトリクス４００と、マトリクス４００の両面に互いに対向して付設した燃料極４１０および空気極４２０と、燃料極４１０および空気極４２０をそれぞれ外側から狭持するリザーバ４３０とを有してなる。リザーバ４３０には空気流路４３０ａと燃料流路４３０ｂが設けられ、それぞれ、空気と水素の流路をなす。
【００２４】
図５は、リザーバの空気流路５００が形成された部分の構造を示す説明図である。空気流路５００には空気入口５０１、空気バイパス入口５０２、空気出口５０３を設ける。空気入口５０１から流入した空気は、空気流路５００を流れ空気出口５０３から流出する。空気バイパス入口５０２には空気バイパス流路が接続され、空気バイパス流路を流れる空気が流入する。なお、リザーバには、後述する、冷却水を流す冷却板に冷却水を供給するための冷却水入口５０４と冷却板を流れた冷却水を流出させるための冷却水出口５０５、そして、冷却水バイパス流路が接続される冷却水バイパス出口５０６が設けられる。また、燃料である水素を流入させる燃料入口５０７と、水素を流出させる燃料出口５０８が設けられる。
【００２５】
図６は、冷却板の構造を示す説明図である。冷却板には冷却水流路６００を設ける。冷却水流路６００には、冷却水入口６０４、冷却水バイパス出口６０６、冷却水出口６０５を設ける。冷却水入口６０４から流入した冷却水は、冷却水流路６００を流れ冷却水出口６０５から流出する。冷却水バイパス出口６０６には冷却水バイパス流路が接続され、冷却水バイパス流路に流れる冷却水が流出する。冷却水バイパス出口６０６から流出した冷却水は、バイパス流路制御バルブを通して冷却水バイパス流路を流れた後、冷却水入口６０４から再流入することにより冷却水バイパス流路および冷却水流路６００を還流する。なお、冷却板は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単位で、積層構造の一部として挿入するため、空気入口６０１、空気出口６０３、空気バイパス入口６０２、燃料入口６０７、燃料出口６０８が設けられる。冷却板は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単位で挿入するが、これに限定されず、燃料電池スタック内の燃料電池セル積層構造の任意の箇所に挿入してもよい。
【００２６】
図７は、本第１実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートである。以下、図７に示すフローチャートをステップごとに説明する。
【００２７】
〔Ｓ７００〕
コンプレッサを起動し、燃料電池スタックの昇温を開始する。
【００２８】
コンプレッサからは圧縮された約１８０℃の高温空気が排出される。燃料電池スタックは、１００℃〜１８０℃が定常時の運転温度（以下、「定常運転温度Ｔ０」と称する）であるため、第１熱交換器（および第１ラジエータファン）によりこの範囲まで空気の温度を低下させて、燃料電池スタックに空気を供給する。燃料電池スタックは、第１熱交換器から供給される空気の熱で暖機される。
【００２９】
〔Ｓ７１０〕
燃料電池スタックの発電を開始する。
【００３０】
燃料電池スタックの発電が開始した直後の燃料電池スタック全体の温度は周辺温度に等しい。したがって、燃料電池スタックの温度が定常運転温度Ｔ０に達するまでは、燃料電池スタックの最大出力は定常運転温度Ｔ０における最大出力よりも小さい状態にある。
【００３１】
〔Ｓ７２０〕
空気極側リザーバの、イオン液体と水の混合液の充填率を計測する。
【００３２】
上述したように、ＳＲが低い状態や、ＳＲは高くても低温の状態においては、凝縮による液体の水（以下、「凝縮水」と称する）が発生する。発生した凝縮水の一部はイオン液体と混合し、凝縮水とイオン液体が混合した液体（以下、「混合液」と称する）は毛管引力で空気極側のリザーバへ移動する。その結果、もともとリザーバの空孔の６０％を占めていたイオン液体とともに混合液がリザーバに蓄えられる。ここで、リザーバの空孔のうちイオン液体または混合液が占める割合を充填率Ｆとする。
【００３３】
本ステップは、図８に示す空気極側リザーバの充填率導出サブルーチンにより充填率Ｆを計測する。
【００３４】
〔Ｓ８００〕
空気流路下流の水蒸気分圧Ｐｖを計測する。
【００３５】
図９は、燃料電池セルの空気極９００側に設置された水蒸気圧センサ９１０、イオン伝導度センサ９２０、セル温度センサ９３０の位置を示すための説明図である。図９に示すように、水蒸気圧センサ９１０は空気極９００の空気流路９４０下流付近に設置する。
【００３６】
水蒸気圧センサ９１０としては、例えば、静電容量式の水蒸気圧計を用いることができる。通常、この方式の蒸気圧計は２成分以上の蒸気を含むガス中の水蒸気圧を計測するのは困難であるが、イオン液体は難揮発性という特徴があるため水蒸気圧を計測することができる。
【００３７】
〔Ｓ８１０〕
燃料電池セルの温度ＴＦＣを計測する。
【００３８】
図９に示すように、燃料電池セル９５０の空気極９００にセル温度センサ９３０を設置することにより燃料電池セル９５０の温度ＴＦＣを計測する。セル温度センサ９３０には熱電対を用いることができる。
【００３９】
〔Ｓ８２０〕
リザーバ内の水濃度Ｃｗを導出する。ここで、水濃度Ｃｗとはイオン液体のモル数に対する水のモル数の割合をいう。すなわち、イオン液体と水のモル数が等しい混合液の水濃度は１００ｍｏｌ％となる。
【００４０】
図１０は、混合液の蒸気圧曲線を示す図である。図１０に示すように、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０と水濃度Ｃｗとは一定の関係を有する。ここで、相対水蒸気圧とは、水蒸気圧Ｐｖを飽和水蒸気圧Ｐ０で除した値（Ｐｖ／Ｐ０）をいう。相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０と水濃度Ｃｗとの関係を示す曲線を蒸気圧曲線という。ステップＳ８００で計測した水蒸気圧Ｐｖと、ステップＳ８１０で計測した燃料電池セルの温度ＴＦＣから算出した飽和水蒸気圧Ｐ０と、から相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０を算出することができる。ここで、飽和水蒸気圧Ｐ０は、あらかじめ燃料電池セルの温度ＴＦＣと飽和水蒸気圧Ｐ０との関係をコントロールユニットの記憶装置に記憶させておき、計測した燃料電池セルの温度ＴＦＣと比較することで算出できる。
【００４１】
当該蒸気圧曲線は、イオン液体によって異なる。本ステップでは、あらかじめ、使用するイオン液体の蒸気圧曲線を計測してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。イオン液体の蒸気圧曲線の計測は、用途に応じて実際に想定される燃料電池セルの温度ＴＦＣの範囲内の数点について行う。上記算出した相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０と、記憶させておいた蒸気圧曲線と比較することにより空気極側のリザーバ中の水濃度Ｃｗを算出することができる。
【００４２】
ここで、以下のステップＳ８３０〜Ｓ８４０によってリザーバの充填率Ｆを導出せずに、本ステップで導出したリザーバ中の水濃度Ｃｗからリザーバの充填率Ｆを導出してもよい。すなわち、リザーバ中のイオン液体量の初期値（モル数）と、水濃度Ｃｗから混合液中の水の量（モル数）が算出できる。そうすると、混合液中の水の体積が算出できるため、既知のイオン液体の体積と混合液中の水の体積の和と、設計値である既知のリザーバの空孔容積とからリザーバの充填率Ｆが導出できる。
【００４３】
〔Ｓ８３０〕
混合液の伝導度σを導出する。
【００４４】
本ステップと下記ステップＳ８４０によれば、さらに正確にリザーバの充填率Ｆが導出できる。
【００４５】
混合液のイオン伝導度は一般に水の混入量が多いほど増大する。これは、液体の粘度とイオン伝導度の間に相関があり、水の粘度は一般的にイオン液体よりも低いからである。本ステップでは、あらかじめ複数の水濃度でイオン伝導度の温度依存性を計測し記憶装置に記憶させておき、前ステップＳ８２０で導出した水濃度Ｃｗと該記憶させたイオン伝導度の温度依存性を比較することにより混合液のイオン伝導度σを算出する。
【００４６】
図１１は、水濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３（Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３）の混合液について計測し記憶させたイオン伝導度の温度依存性を示すグラフである。ステップＳ８１０で計測した燃料電池セル温度ＴＦＣおよびステップＳ８２０で導出した水濃度Ｃｗと該温度依存性を比較することにより混合液のイオン伝導度σを算出することができる。
【００４７】
一方、混合液の伝導度σは以下の方法で導出することもできる。すなわち、混合液の伝導度σをイオン伝導度センサにより直接に求めることができる。
【００４８】
図１２は、本実施形態で用いるイオン伝導度センサの構成を示す説明図である。図１２は、リザーバの断面図であり、イオン伝導度センサはリザーバ内部に設ける。イオン伝導度センサは、リザーバと同様の空孔率を有しかつ絶縁性の物質からなるイオン伝導度計測部１２００、イオン伝導度計測部内を貫通する２対の白金線からなる電極端子１２１０、２対の白金線に接続される交流抵抗計１２２０、を有してなる。イオン伝導度センサを、空気バイパス流路入口、空気流路入口、空気流路出口、空気流路中間といった複数個所に設けることで混合液のイオン伝導度の計測の精度を向上でき、充填率制御の精度を向上させることが可能になる。例えば、温度センサとイオン伝導度センサを空気バイパス流路入口の上流側と下流側にそれぞれ１つ以上設けることで充填率制御の精度を向上させることができる。
【００４９】
イオン伝導度センサを用いて、交流インピーダンス法により電極端子間の抵抗Ｒを計測することができる。そうすると、混合液の伝導度σは、下記の式（１）で求めることができる。電極端子間の抵抗Ｒの計測においては、イオン伝導度計測部１２００全体を混合液で満たす必要があるため、イオン伝導度計測部１２００の設計においてこのことを考慮する必要がある。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ｌは白金電極の電極間距離、Ａはイオン伝導度計測部の電極間面積であり、これらの値は設計値であるため既知である。
【００５２】
式（１）に電極端子間の抵抗Ｒを代入することにより、混合液の伝導度σを算出できる。
【００５３】
〔Ｓ８４０〕
空気極側のリザーバの充填率Ｆを導出する。
【００５４】
図１３は、イオン液体の伝導率であるσ０に対する混合液の伝導率σの割合（以下、「イオン伝導度比σ／σ０」と称する）と、リザーバの充填率Ｆとの関係のグラフを示す図である。イオン液の伝導率σ０は各イオン液体固有のものであり、既知である。あらかじめ、イオン伝導度比σ／σ０と充填率Ｆの関係をコントロールユニットの記憶装置に記憶させておき、前ステップＳ８３０で導出した混合液の伝導率σからイオン伝導度比σ／σ０を求め、あらかじめ記憶させたイオン伝導度比σ／σ０と充填率Ｆの関係と比較することによりリザーバの充填率Ｆを導出することができる。
【００５５】
以下、図７に戻りステップＳ７３０以降のステップを実施する。
【００５６】
〔Ｓ７３０〕
リザーバの充填率Ｆがあらかじめ定めた充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さいかどうか判断する。
【００５７】
リザーバの充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくないと判断したときは、イオン液体が外部に漏洩するおそれがあると判断して、ステップＳ７４０に移行する。
【００５８】
リザーバの充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さいと判断したときは、イオン液体が外部に漏洩するおそれがないと判断して、ステップＳ７５０に移行する。
【００５９】
ここで、充填率上限閾値Ｆｍａｘの値は、後述する充填率下限閾値Ｆｍｉｎの値と同様に、空気流路のサイズ、空気極側のリザーバの容積、該リザーバの空孔率、該リザーバの材質、触媒の材料、運転出力といった条件や、電解質漏洩やガスリークに対して設定された安全率により変化させうる。本実施形態においては、Ｆｍａｘ＝８０％、Ｆｍｉｎ＝４０％とする。
【００６０】
まず、充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくないと判断した場合について説明する。もし、充填率Ｆが一箇所でも充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくないと判断した場合は、ステップＳ７４０に移行し、以下のステップＳ１４００〜Ｓ１４２０からなる第１充填率低下サブルーチンを実施する。図１４は、第１充填率低下サブルーチンを示す図である。
【００６１】
〔Ｓ１４００〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きいかどうか判断する。
【００６２】
２次電池の充電状態Ｓは、一般的には２次電池の開放端電圧で検知するが、これに限定されない。
【００６３】
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きいと判断した場合は、２次電池が一時的な放電に耐えられるだけの充電状態になっていると判断して、ステップＳ１４１０に移行する。
【００６４】
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きくないと判断した場合は、２次電池が燃料電池システムへの要求電力と燃料電池スタックの発電量との差を補うだけの充電状態になっていないと判断し、ステップＳ１４２０の第２充填率低下サブルーチンに移行する。
【００６５】
〔Ｓ１４１０〕
空気極に供給する空気流量を一定としたまま、燃料電池スタックの発電量を低下させる。
【００６６】
空気流量を一定として燃料電池スタックの発電量を低下させると、電気化学反応によって生成する水の量が減少するため水蒸気圧Ｐｖが低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下する。図１０に示す蒸気圧曲線によると、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下すると水濃度Ｃｗが低下する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Ｆを低下させることができる。
【００６７】
充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくなるまで第１充填率低下サブルーチンを実施する。
【００６８】
〔Ｓ１４２０〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きくないと判断した場合は、以下ステップＳ１５００からなる第２充填率低下サブルーチンに移行する。図１５は、第２充填率低下サブルーチンを示す図である。
【００６９】
〔Ｓ１５００〕
燃料電池冷却水量を低下させる。
【００７０】
燃料電池セルの温度は、図３に示す本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ３０９による燃料電池セルを通過する冷却水量の制御や、第１ラジエータファン３０４ａまたは第２ラジエータファン３１０ａの回転数の調整によりそれぞれ空気の温度または冷却水の温度を調整することにより制御できる。本ステップでは、燃料電池セル内を通過させる冷却水量を低下させて燃料電池セルの温度を上昇させる。燃料電池セルの温度を上昇させることにより空気極側のリザーバから液水が蒸発する速度を上昇させ、空気極側のリザーバの充填率Ｆを低下させることができる。
【００７１】
また、同時に冷却水バイパス流路制御バルブを開放する。そうすると、冷却水流路の途中に接続された冷却水バイパス流路へ冷却水が流出するため、冷却水流路の下流を流れる冷却水量が低下し、冷却水流路の下流と近接した空気流路下流付近のリザーバの温度を上昇させることができる。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの飽和水蒸気圧Ｐ０が上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００７２】
一方、空気バイパス流路制御バルブを開くと、空気流路の途中に接続された空気バイパス流路から空気が流入するため、空気流路の下流の空気流量が増加する。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Ｐｖが低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００７３】
充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくなるまで第２充填率低下サブルーチンを実施する。
【００７４】
次に、図７に戻り、充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さいと判断した場合について説明する。この場合は、ステップＳ７５０に移行する。
【００７５】
〔Ｓ７５０〕
充填率Ｆがあらかじめ定めた充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さいかどうか判断する。
【００７６】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さいと判断したときは、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が不十分であり、クロスリークが起きる可能性があると判断して、ステップＳ７６０に移行する。
【００７７】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さくないと判断したときは、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が十分であると判断して、ステップＳ７７０に移行する。
【００７８】
まず、充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さいと判断した場合について説明する。この場合は、ステップＳ７６０に移行し、以下のステップＳ１６００〜Ｓ１６２０からなる第１充填率上昇サブルーチンを実施する。図１６は、第１充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【００７９】
〔Ｓ１６００〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓｅより小さいかどうか判断する。
【００８０】
２次電池の充電状態Ｓは、一般的には２次電池の開放端電圧により検知するが、これに限定されない。
【００８１】
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓｅより小さいと判断した場合は、２次電池が一時的に充電可能な充電状態になっていると判断し、ステップＳ１６１０に移行する。
【００８２】
該充電状態Ｓが上限閾値Ｓｅより小さくないと判断した場合は、２次電池が燃料電池システムへの要求電力と燃料電池スタックの発電量との差を吸収するだけの空容量を有していないと判断して、ステップＳ１６２０の第２充填率上昇サブルーチンに移行する。
【００８３】
〔Ｓ１６１０〕
空気極に供給する空気流量を一定のまま、燃料電池スタックの発電量を増加させる。
【００８４】
空気流量を一定として燃料電池スタックの発電量を増加させると、電気化学反応によって生成する水の量が増加するため水蒸気圧Ｐｖが上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇する。図７に示す蒸気圧曲線によると、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇すると水濃度Ｃｗが上昇する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Ｆを上昇させることができる。
【００８５】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより大きくなるまで第１充填率上昇サブルーチンを実施する。
【００８６】
〔Ｓ１６２０〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓｅより小さくないと判断した場合は、以下ステップＳ１７００からなる第２充填率上昇サブルーチンに移行する。図１７は、第２充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【００８７】
〔Ｓ１７００〕
燃料電池冷却水流量を増加させる。
【００８８】
燃料電池セルの温度は、上述したように、図３に示す本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ３０９による燃料電池セルを通過する冷却水量の調整や、第１ラジエータファン３０４ａまたは第２ラジエータファン３１０ａの回転数の調整により制御できる。本ステップでは、燃料電池セル内を通過させる冷却水量を増加させて燃料電池セルの温度を低下させる。図１０に示す蒸気圧曲線によると、燃料電池セルの温度を低下させることにより、飽和水蒸気圧Ｐ０が低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇するため、水濃度Ｃｗが上昇する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Ｆを上昇させることができる。
【００８９】
また、同時に冷却水バイパス流路制御バルブを開放する。そうすると、冷却水流路から冷却水流路の途中に接続された冷却水バイパス流路へ冷却水が流出するため、冷却水流路の下流を流れる冷却水量が低下し、冷却水流路の下流と近接した空気流路下流付近のリザーバの温度を上昇させることができる。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの飽和水蒸気圧Ｐ０が上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させる方向に調整することができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００９０】
一方、空気バイパス流路制御バルブを開放すると、空気流路の途中に接続された空気バイパス流路から空気流路へ空気が流入するため、空気流路の下流の空気流量が増加する。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Ｐｖが低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００９１】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さくなるまで第２充填率上昇サブルーチンを実施する。
【００９２】
次に、図７に戻り、充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍｉｎより小さくないと判断した場合について説明する。このときは、前述したように、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が十分であると判断して、ステップＳ７７０に移行する。
【００９３】
〔Ｓ７７０〕
全ての燃料電池セルの平均温度ＴＦＣａｖｅが、定常運転温度ＴＦＣ０になったかどうか判断する。
【００９４】
上述したステップＳ７２０〜Ｓ７５０を実施することで、空気極側のリザーバの充填率Ｆを充填率下限閾値Ｆｍｉｎと充填率上限閾値Ｆｍａｘの間である適正範囲に保ちながら燃料電池を昇温させる。そして、全ての燃料電池セルの平均温度ＴＦＣａｖｅが、仕様である定常運転温度ＴＦＣ０になったかどうか判断する。
【００９５】
全ての燃料電池セルの平均温度ＴＦＣａｖｅが、仕様である定常運転温度ＴＦＣ０となったところで、燃料電池スタックの起動操作を終了する。
【００９６】
なお、図７に示す、本第１実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートのうちステップＳ７２０以降のフローは、燃料電池スタックの運転中においても連続的かつ継続的に実施しうる。
【００９７】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブは本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、冷却水バイパス流路、冷却水バイパス流路制御バルブは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニットは制御手段に相当する。
【００９８】
以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示す。
・ 燃料電池セルからのイオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止することができる。
・リザーバのイオン液体と水の混合液の充填率を均一化することができる。
・リザーバの充填率調整を新たな設備を必要とせず容易に行うことができる。
・空気および水素の供給量を変化させることなく燃料電池セルの温度の調整をすることができる。
［第２実施形態］
図１８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの構成は、以下説明する構成以外は第１実施形態と同様であるため、重複となる説明は省略する。
【００９９】
第１実施形態と異なり、第２実施形態は、空気バイパス流路１８１４を流れる空気の温度を独立した第５熱交換器１８４０（および第４ラジエータファン１８４０ａ）により単独に調整する。また、冷却水路は、互いに独立した２つの冷却水路である第１独立冷却水路１８２０と第２独立冷却水路１８３０とからなる。
【０１００】
空気バイパス流路１８１４は、空気流路の中間点に接続され、空気バイパス流路制御バルブ１８１５を開くことにより空気流路の該中間点から空気を流入させることができる。空気バイパス流路の温度は、第５熱交換器１８４０のラジエータファン１８４０ａの回転数を変えることにより単独に調整しうる。すなわち、第１実施形態よりも自由度の高い空気流路下流の温度調整を可能としている。これにより、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１０１】
冷却水流路を構成する互いに独立した第１独立冷却水流路１８２０および第２独立冷却水流路１８３０は、燃料電池セルの異なる領域の温度を調整できる位置に配置しうる。すなわち、第１独立冷却水流路１８２０は空気流路の上流の温度を調整可能な位置に、第２独立冷却水流路１８３０は空気流路の下流の温度を調整可能な位置に配置しうる。
【０１０２】
第１独立冷却水流路１８２０を流れる冷却水の温度は第３熱交換器１８２１のラジエータファン１８２１ａの回転数を変えることにより単独に調整可能であり、冷却水量は第１冷却水ポンプ１８２２により独自に調整可能である。また、第２独立冷却水流路１８３０を流れる冷却水の温度は第４熱交換器１８３１のラジエータファン１８３１ａの回転数を変えることにより単独に調整可能であり、冷却水量は第２冷却水ポンプ１８３２により独自に調整可能である。したがって、２つの独立冷却水流路で独立した温度調整が可能であるため、燃料電池セル内部で２つの温度領域が設定できることとなり、燃料電池セル内部の温度バラツキをより軽減し空気極側のリザーバ全体における充填率をより均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１０３】
図１９は、リザーバの空気流路が形成された部分の構造を示す説明図である。リザーバには、冷却板の第１独立冷却水流路に冷却水を供給するための第１冷却水入口１９０４と第１独立冷却水流路を流れた冷却水を流出させるための第１冷却水出口１９０６ａが設けられる。さらに、第２独立冷却水流路に冷却水を供給するための第２冷却水入口１９０６ｂと第２独立冷却水流路を流れた冷却水を流出させるための第２冷却水出口１９０５が設けられる。
【０１０４】
図２０は、冷却板の構造を示す説明図である。冷却板には第１独立冷却水流路２０１０および第２独立冷却水流路２０２０からなる冷却水流路を設ける。第１独立冷却水流路２０１０には、第１冷却水入口２００４、第１冷却水出口２００６ａを設ける。第２独立冷却水流路２０２０には、第２冷却水入口２００６ｂ、第２冷却水出口２００５を設ける。第１冷却水入口２００４から流入した冷却水は、第１独立冷却水流路２０１０を流れ第１冷却水出口２００６ａから流出する。第２冷却水入口２００６ｂから流入した冷却水は、第２独立冷却水流路２０２０を流れ第２冷却水出口２００５から流出する。それぞれの独立冷却水流路の冷却水出口から流出した冷却水は、それぞれ個別に設けられた熱交換器および冷却水ポンプを通ることにより冷却水流量および冷却水温度が調整され、それぞれの冷却水入口から再流入することにより冷却水流路を還流する。
【０１０５】
ここで、冷却板に温水を流すことにより、２つの独立冷却水流路で独立した温度調整をしてもよい。燃料電池セル内部で２つの温度領域が設定できることとなり、燃料電池セル内部の温度バラツキをより軽減し空気極側のリザーバ全体における充填率をより均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１０６】
また、冷却板は燃料電池セルごとに設置するが、これに限定されない。すなわち、燃料電池スタック内の燃料電池セル積層構造の任意の箇所に挿入してもよい。これにより、燃料電池スタック内に複数の温度領域を設けることができ、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのリザーバの充填率を均一化し、イオン液体の漏洩を防止することができる。
【０１０７】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブ、第５熱交換器は本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、第４熱交換器、第１冷却水ポンプ、第２冷却水ポンプは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニットは制御手段に相当する。
【０１０８】
本発明の第２実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第１実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・リザーバの充填率調整の自由度をさらに拡大することができる。
・リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。
［第３実施形態］
図２１は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第２実施形態と異なる点は、第３実施形態は、空気バイパス流路を流れる空気の湿度を調整する加湿システムをさらに備えている点である。第１および第２実施形態と重複する説明は省略する。
【０１０９】
加湿システム２１５０は、水噴霧により空気を加湿する加湿器、加湿器に水を供給するポンプ、ポンプに供給する水を貯留する水タンクを有してなるが、これに限定されない。加湿システム２１５０は、空気バイパス流路２１１４に設置され、空気バイパス流路を流れる空気を加湿して湿度を上昇させる。空気バイパス流路１８１４は、空気流路の中間点に接続され、空気バイパス流路制御バルブ２１１５を開くことにより空気流路の該中間点から加湿システム２１５０により加湿された空気を流入させることができる。空気バイパス流路の温度は、第５熱交換器２１４０のラジエータファン２１４０ａの回転数を変えることにより単独に調整しうる。
【０１１０】
図２２は、第３充填率上昇サブルーチンを示す図である。第３充填率上昇サブルーチンは、第１実施形態で説明した、ステップＳ１３２０の第２充填率上昇サブルーチンに相当する。すなわち、第３充填率上昇サブルーチンは、第２充填率上昇サブルーチンに代替して実施しうる。
【０１１１】
以下、第３充填率上昇サブルーチンについて説明する。
【０１１２】
〔Ｓ２２００〕
空気バイパス流路の空気を加湿する。
【０１１３】
空気バイパス流路の空気を加湿することにより、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Ｐｖが上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を上昇させる方向に調整することができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。すなわち、空気流路下流付近で凝縮する水の量が空気流路上流付近で凝縮する水の量と比較して少なくなるというバラツキの要因をなくすことにより、空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１１４】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブ、第５熱交換器は本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、第４熱交換器、第１冷却水ポンプ、第２冷却水ポンプは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニット、加湿システムは制御手段に相当する。
【０１１５】
本発明の第３実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第１および第２実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・空気の加湿によりリザーバの充填率を上昇させるため、応答性よく充填率を上昇させることができる。
［第４実施形態］
図２３は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第１実施形態と異なる点は、第４実施形態は、空気流路における空気の流れる方向を逆転させるための４つのバルブ２３６０〜２３６３をさらに有している点である。
【０１１６】
図２３の４つのバルブ２３６０〜２３６３のうち黒色で示した第１方向変換バルブおよび第４方向変換バルブは閉じた状態のバルブであり、白色で示した第２方向変換バルブおよび第４方向変換バルブは開いた状態のバルブである。すなわち、図２３は、空気流路における空気の流れ方向を逆転させた状態を示している。
【０１１７】
例えば、一定時間おきに空気流路における空気の流れる方向を逆転させることにより、空気流路の下流および下流付近で凝縮する水の量を平均化できるため、空気流路方向でさらに均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１１８】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブは本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、冷却水バイパス流路、冷却水バイパス流路制御バルブは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニット、第１〜第４方向変換バルブは制御手段に相当する。
【０１１９】
本発明の第４実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第１実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・リザーバの空気流路方向でさらに均一な充填率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面構造を説明するための説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】燃料電池セルの内部構造の断面を示す説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのリザーバの空気流路が形成された部分の構造を示す説明図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの冷却板の構造を示す説明図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートである。
【図８】空気極側リザーバの充填率導出サブルーチンを示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池セルの空気極側に設置された水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、セル温度センサの位置を示すための説明図である。
【図１０】混合液の蒸気圧曲線を示す図である。
【図１１】水濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の混合液について計測し記憶させたイオン伝導度の温度依存性を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのイオン伝導度センサの構成を示す説明図である。
【図１３】イオン伝導度比とリザーバの充填率との関係のグラフを示す図である。
【図１４】第１充填率低下サブルーチンを示す図である。
【図１５】第２充填率低下サブルーチンを示す図である。
【図１６】第１充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【図１７】第２充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのリザーバの空気流路が形成された部分の構造を示す説明図である。
【図２０】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの冷却板の構造を示す説明図である。
【図２１】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２２】第３充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【図２３】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 燃料電池スタック、
２ 燃料電池セル、
２００ 空気極、
２１０ リザーバ、
２２０ 空気流路、
２３０ マトリクス、
２４０ 燃料極、
２５０ 燃料流路、
３００ 燃料電池スタック、
３０１ 温度センサ（検出手段）、
３０２ イオン伝導度センサ（検出手段）、
３０３ 水蒸気圧センサ（検出手段）、
３０４ 第１熱交換器（空気供給手段）、
３０４ａ 第１ラジエータファン、
３０５ コンプレッサ（空気供給手段）、
３０６ 水素タンク、
３０７ プレッシャレギュレータ、
３０８ 第２熱交換器、
３０９ 冷却水ポンプ、
３１０ 第３熱交換器（冷却手段）、
３１０ａ 第２レジエータファン、
３１１ ２次電池、
３１２ インバータ、
３１３ コントロールユニット（検出手段、制御手段）、
３１４ 空気バイパス流路（空気供給手段）、
３１５ 空気バイパス流路制御バルブ（空気供給手段）、
３１６ 冷却水バイパス流路（冷却手段）、
３１７ 冷却水バイパス流路制御バルブ（冷却手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、より詳細には、イオン液体の漏洩およびクロスリークを防止する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題を背景とした社会的要求や動向と呼応して、燃料電池が注目されている。特に、自動車用の燃料電池として、０℃以下の低温から１００℃以上の高温まで発電が可能なイオン液体を電解質として用いる燃料電池が注目されている。
【０００３】
しかし、ＳＲ（Ｓｔｏｉｃｈ Ｒａｔｉｏ：要求電流に必要な酸素量から決定される空気流量に対する過剰率）が低い状態においては、空気極での電気化学反応により発生する水が凝縮する。また、ＳＲを高くしても、低温の状態においては飽和水蒸気圧が下がるため、相対水蒸気圧（飽和水蒸気圧に対する水蒸気分圧の比）が高くなる。このような状態においては、凝縮した水がイオン液体に混入し、イオン液体が水とともにリザーバから漏洩することがある。特に、低温からの起動が常に行われる自動車にイオン液体を用いた燃料電池を使用した場合、このような問題が頻繁に発生しうる。また、漏洩によりイオン液体が不足すると燃料極の水素と空気極の酸素が直接混じり合うクロスリークという現象が起り燃料電池の特性を劣化させる。
【０００４】
リザーバ内の電解質含有量を監視する方法としては下記特許文献１に示されたものがあるが、リザーバから電解質が漏洩するのを防止する方法については開示されていない。
【特許文献１】特開平６−２８８９８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、リザーバ内のイオン液体量またはイオン液体と水の混合液量を検知し、該混合液量をあらかじめ定めた範囲内に制御することによりイオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、イオン液体を含浸したマトリクスと、マトリクスを介し燃料極と対向して付設された空気極と、空気極を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバと、を含む燃料電池セルと、リザーバ内のイオン液体の量またはイオン液体と燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段と、検出手段が検出した結果をもとに、リザーバ内のイオン液体の量または混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムによれば、イオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明に係る燃料電池の制御方法について、第１実施形態〜第４実施形態に分けて、図面を参照し詳細に説明する。
【０００９】
これらの実施形態の説明をする前に、本発明の理解を容易なものとするために、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図であり、図２は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面構造を説明するための説明図である。
【００１０】
図１に示すように、燃料電池スタック１は、アノード反応ガス（本明細書では水素）とカソード反応ガス（本明細書では酸素）の反応により起電力を生じる単位電池セル（以下、「燃料電池セル」と称する）２を所定数だけ積層して積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。
【００１１】
この燃料電池スタック１においては、アノード反応ガス、カソード反応ガスおよび液状媒体（具体的には冷却水又は温水）をそれぞれ各燃料電池セル２内に形成された流路溝に流通させるためのアノード反応ガス供給口８、アノード反応ガス排出口９、カソード反応ガス供給口１０、カソード反応ガス排出口１１、媒体供給口１２および媒体排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１２】
アノード反応ガスは、アノード反応ガス供給口８より供給されて各燃料電池セル２内に形成されたアノード反応ガス供給用の流路溝を流れ、アノード反応ガス排出口９より排出される。カソード反応ガスは、カソード反応ガス供給口１０より供給されて各燃料電池セル２内に形成されたカソード反応ガス供給用の流路溝を流れ、カソード反応ガス排出口１１より排出される。液状媒体は、媒体供給口１２より供給されて各燃料電池セル２内に形成された媒体供給用の流路溝を流れ、媒体排出口１３より排出される。
【００１３】
燃料電池セル２は、図２に示すように、マトリクス（電解質）２３０と、マトリクスの両面に配置される空気極２００および燃料極２４０と、空気極２００を通じてマトリクスにイオン液体を補給するリザーバ２１０とを含んで構成される。
【００１４】
マトリクス２３０は、例えば、ＳｉＣの絶縁多孔体に液体であるイオン液体を含浸させることにより構成される。イオン液体は、耐熱性が高く、プロトン伝導媒体としての水が不要であり、蒸気圧が非常に低いという高温燃料電池用電解質として優れた特徴を有する。また、イオン液体の中には０℃以下において液体のものがあり、このようなイオン液体を用いれば０℃以下から発電することが可能である。
【００１５】
空気極２００は、電極触媒である触媒金属としてのカソード触媒層とガス拡散層からなる。
【００１６】
燃料極２４０は、アノード触媒層とガス拡散層からなる。
【００１７】
リザーバ２１０は、空気極２００を通じてマトリクス２３０にイオン液体を補給することによりマトリクス２３０中のイオン液体の量を適切な量に調整する。リザーバ２１０は、例えば、多孔質のカーボン材からなり、反応ガスである空気を通すための複数の平行した空気流路２２０を設ける。リザーバ２１０には、イオン液体またはイオン液体と水の混合液が保持されており、毛細管現象によりマトリクス２３０にイオン液体を供給する。
【００１８】
イオン液体を用いた燃料電池は、電解質が液体となる。従って、安定的な運転のために、イオン液体への生成水の混合を予め加味して、マトリクス２３０中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液の量を適切に保つ必要がある。例えば、マトリクス２３０中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液が不足すると、燃料極２４０の水素と空気極２００の酸素が直接混じり合うクロスリークという現象が生じる。一方、マトリクス２３０中のイオン液体またはイオン液体と水の混合液が許容量を超えると、イオン液体またはイオン液体と水の混合液が空気流路２２０に流れ出し、イオン液体が外部に漏洩する。また、マトリクス２３０から漏れ出したイオン液体またはイオン液体と水の混合液は反応ガスである空気の三相界面への移動を妨げるため、フラッディングという現象が起り燃料電池の性能を低下させる。
【００１９】
燃料流路２５０に水素を、空気流路２２０に酸素を、それぞれ流通させると、水素はアノード触媒層の触媒作用で水素イオンに変わり電子を放出する。電子を放出した水素イオンはマトリクス２３０を通過する。カソード触媒層ではマトリクス２３０を通過してきた水素と外部流路（図示せず）を経由してきた電子が酸素と反応して水を生成する。この作用によって燃料極２４０がマイナスに、空気極２００がプラスになり、燃料極２４０と空気極２００との間で直流電圧が発生する。
【００２０】
以下に、第１実施形態から第４実施形態に分けて本発明に係る燃料電池の制御方法およびその制御装置を具体的に説明する。
［第１実施形態］
図３は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
第１実施形態に係る燃料電池システムは、図３に示すように、燃料電池セルが積層されてなる燃料電池スタック３００、各燃料電池セルの空気極側に設けられセル温度を計測する温度センサ３０１、同様に空気極側に設けられ空気極側のリザーバのイオン伝導度を計測するイオン伝導度センサ３０２、各燃料電池セルの空気流路の下流部に設けられ空気極側空気出口の水蒸気圧を計測する水蒸気圧センサ３０３、を有する。また、燃料電池の空気極に第１熱交換器３０４を介して外部空気を供給するコンプレッサ３０５、コンプレッサ３０５の吐出空気の温度を調節する第１熱交換器３０４（および第１ラジエータファン３０４ａ）、を有する。また、燃料極に供給する水素を蓄える水素タンク３０６、水素タンクから供給される高圧水素を燃料電池スタック３００に供給できる圧力まで低下させるプレッシャレギュレータ３０７、水素を昇温する第２熱交換器３０８、を有する。また、燃料電池セル内を通過させる冷却水の温度を調節して燃料電池セルの温度を調節する第３熱交換器３１０（および第２ラジエータファン３１０ａ）、冷却水の流量を調節して燃料電池セルの温度を調節する冷却水ポンプ３０９、を有する。また、燃料電池システムへの要求出力と燃料電池スタックの出力に差があるときに充放電する２次電池３１１、燃料電池スタック３００または２次電池３１１から得た電力を用途に応じた電圧に変換するインバータ３１２、を有する。また、燃料電池システムの各構成要素を制御する、演算／制御装置、記憶装置、入出力装置を含んでなるコントロールユニット３１３を有する。
【００２２】
さらに、第１実施形態に係る燃料電池システムは、燃料電池セルの空気流路の途中に接続され空気流路に空気を流入させる空気バイパス流路３１４、空気バイパス流路３１４に流す空気を制御する空気バイパス流路制御バルブ３１５、燃料電池セルの冷却水流路の途中に接続され冷却水流路から冷却水を流出させた後冷却水路に流入させる（すなわち還流させる）冷却水バイパス流路３１６、冷却水バイパス流路３１６に流す冷却水を制御する冷却水バイパス流路制御バルブ３１７、を有する。空気バイパス流路制御バルブ３１５を開くことにより、空気バイパス流路３１４を流れる空気が空気流路に合流するため空気流路の下流の空気流量を増加させることができる。冷却水バイパス流路制御バルブ３１７を開くことにより、冷却水流路を流れる冷却水が冷却水バイパス流路３１６から流出するため、冷却水流路の下流の冷却水流量を減少させ該下流周辺の燃料電池セルの温度を上昇させることができる。冷却水流路の途中に接続する冷却水バイパス流路は１つに限定されず、冷却水流路の任意の箇所に冷却水バイパス流路を複数接続することにより、それぞれの箇所で冷却水を還流させうる。
【００２３】
図４は、燃料電池セルの内部構造の断面を示す説明図である。図４に示すように、燃料電池セルはイオン液体を含浸したマトリクス４００と、マトリクス４００の両面に互いに対向して付設した燃料極４１０および空気極４２０と、燃料極４１０および空気極４２０をそれぞれ外側から狭持するリザーバ４３０とを有してなる。リザーバ４３０には空気流路４３０ａと燃料流路４３０ｂが設けられ、それぞれ、空気と水素の流路をなす。
【００２４】
図５は、リザーバの空気流路５００が形成された部分の構造を示す説明図である。空気流路５００には空気入口５０１、空気バイパス入口５０２、空気出口５０３を設ける。空気入口５０１から流入した空気は、空気流路５００を流れ空気出口５０３から流出する。空気バイパス入口５０２には空気バイパス流路が接続され、空気バイパス流路を流れる空気が流入する。なお、リザーバには、後述する、冷却水を流す冷却板に冷却水を供給するための冷却水入口５０４と冷却板を流れた冷却水を流出させるための冷却水出口５０５、そして、冷却水バイパス流路が接続される冷却水バイパス出口５０６が設けられる。また、燃料である水素を流入させる燃料入口５０７と、水素を流出させる燃料出口５０８が設けられる。
【００２５】
図６は、冷却板の構造を示す説明図である。冷却板には冷却水流路６００を設ける。冷却水流路６００には、冷却水入口６０４、冷却水バイパス出口６０６、冷却水出口６０５を設ける。冷却水入口６０４から流入した冷却水は、冷却水流路６００を流れ冷却水出口６０５から流出する。冷却水バイパス出口６０６には冷却水バイパス流路が接続され、冷却水バイパス流路に流れる冷却水が流出する。冷却水バイパス出口６０６から流出した冷却水は、バイパス流路制御バルブを通して冷却水バイパス流路を流れた後、冷却水入口６０４から再流入することにより冷却水バイパス流路および冷却水流路６００を還流する。なお、冷却板は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単位で、積層構造の一部として挿入するため、空気入口６０１、空気出口６０３、空気バイパス入口６０２、燃料入口６０７、燃料出口６０８が設けられる。冷却板は、燃料電池スタックを構成する燃料電池セル単位で挿入するが、これに限定されず、燃料電池スタック内の燃料電池セル積層構造の任意の箇所に挿入してもよい。
【００２６】
図７は、本第１実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートである。以下、図７に示すフローチャートをステップごとに説明する。
【００２７】
〔Ｓ７００〕
コンプレッサを起動し、燃料電池スタックの昇温を開始する。
【００２８】
コンプレッサからは圧縮された約１８０℃の高温空気が排出される。燃料電池スタックは、１００℃〜１８０℃が定常時の運転温度（以下、「定常運転温度Ｔ０」と称する）であるため、第１熱交換器（および第１ラジエータファン）によりこの範囲まで空気の温度を低下させて、燃料電池スタックに空気を供給する。燃料電池スタックは、第１熱交換器から供給される空気の熱で暖機される。
【００２９】
〔Ｓ７１０〕
燃料電池スタックの発電を開始する。
【００３０】
燃料電池スタックの発電が開始した直後の燃料電池スタック全体の温度は周辺温度に等しい。したがって、燃料電池スタックの温度が定常運転温度Ｔ０に達するまでは、燃料電池スタックの最大出力は定常運転温度Ｔ０における最大出力よりも小さい状態にある。
【００３１】
〔Ｓ７２０〕
空気極側リザーバの、イオン液体と水の混合液の充填率を計測する。
【００３２】
上述したように、ＳＲが低い状態や、ＳＲは高くても低温の状態においては、凝縮による液体の水（以下、「凝縮水」と称する）が発生する。発生した凝縮水の一部はイオン液体と混合し、凝縮水とイオン液体が混合した液体（以下、「混合液」と称する）は毛管引力で空気極側のリザーバへ移動する。その結果、もともとリザーバの空孔の６０％を占めていたイオン液体とともに混合液がリザーバに蓄えられる。ここで、リザーバの空孔のうちイオン液体または混合液が占める割合を充填率Ｆとする。
【００３３】
本ステップは、図８に示す空気極側リザーバの充填率導出サブルーチンにより充填率Ｆを計測する。
【００３４】
〔Ｓ８００〕
空気流路下流の水蒸気分圧Ｐｖを計測する。
【００３５】
図９は、燃料電池セルの空気極９００側に設置された水蒸気圧センサ９１０、イオン伝導度センサ９２０、セル温度センサ９３０の位置を示すための説明図である。図９に示すように、水蒸気圧センサ９１０は空気極９００の空気流路９４０下流付近に設置する。
【００３６】
水蒸気圧センサ９１０としては、例えば、静電容量式の水蒸気圧計を用いることができる。通常、この方式の蒸気圧計は２成分以上の蒸気を含むガス中の水蒸気圧を計測するのは困難であるが、イオン液体は難揮発性という特徴があるため水蒸気圧を計測することができる。
【００３７】
〔Ｓ８１０〕
燃料電池セルの温度ＴＦＣを計測する。
【００３８】
図９に示すように、燃料電池セル９５０の空気極９００にセル温度センサ９３０を設置することにより燃料電池セル９５０の温度ＴＦＣを計測する。セル温度センサ９３０には熱電対を用いることができる。
【００３９】
〔Ｓ８２０〕
リザーバ内の水濃度Ｃｗを導出する。ここで、水濃度Ｃｗとはイオン液体のモル数に対する水のモル数の割合をいう。すなわち、イオン液体と水のモル数が等しい混合液の水濃度は１００ｍｏｌ％となる。
【００４０】
図１０は、混合液の蒸気圧曲線を示す図である。図１０に示すように、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０と水濃度Ｃｗとは一定の関係を有する。ここで、相対水蒸気圧とは、水蒸気圧Ｐｖを飽和水蒸気圧Ｐ０で除した値（Ｐｖ／Ｐ０）をいう。相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０と水濃度Ｃｗとの関係を示す曲線を蒸気圧曲線という。ステップＳ８００で計測した水蒸気圧Ｐｖと、ステップＳ８１０で計測した燃料電池セルの温度ＴＦＣから算出した飽和水蒸気圧Ｐ０と、から相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０を算出することができる。ここで、飽和水蒸気圧Ｐ０は、あらかじめ燃料電池セルの温度ＴＦＣと飽和水蒸気圧Ｐ０との関係をコントロールユニットの記憶装置に記憶させておき、計測した燃料電池セルの温度ＴＦＣと比較することで算出できる。
【００４１】
当該蒸気圧曲線は、イオン液体によって異なる。本ステップでは、あらかじめ、使用するイオン液体の蒸気圧曲線を計測してコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。イオン液体の蒸気圧曲線の計測は、用途に応じて実際に想定される燃料電池セルの温度ＴＦＣの範囲内の数点について行う。上記算出した相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０と、記憶させておいた蒸気圧曲線と比較することにより空気極側のリザーバ中の水濃度Ｃｗを算出することができる。
【００４２】
ここで、以下のステップＳ８３０〜Ｓ８４０によってリザーバの充填率Ｆを導出せずに、本ステップで導出したリザーバ中の水濃度Ｃｗからリザーバの充填率Ｆを導出してもよい。すなわち、リザーバ中のイオン液体量の初期値（モル数）と、水濃度Ｃｗから混合液中の水の量（モル数）が算出できる。そうすると、混合液中の水の体積が算出できるため、既知のイオン液体の体積と混合液中の水の体積の和と、設計値である既知のリザーバの空孔容積とからリザーバの充填率Ｆが導出できる。
【００４３】
〔Ｓ８３０〕
混合液の伝導度σを導出する。
【００４４】
本ステップと下記ステップＳ８４０によれば、さらに正確にリザーバの充填率Ｆが導出できる。
【００４５】
混合液のイオン伝導度は一般に水の混入量が多いほど増大する。これは、液体の粘度とイオン伝導度の間に相関があり、水の粘度は一般的にイオン液体よりも低いからである。本ステップでは、あらかじめ複数の水濃度でイオン伝導度の温度依存性を計測し記憶装置に記憶させておき、前ステップＳ８２０で導出した水濃度Ｃｗと該記憶させたイオン伝導度の温度依存性を比較することにより混合液のイオン伝導度σを算出する。
【００４６】
図１１は、水濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３（Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３）の混合液について計測し記憶させたイオン伝導度の温度依存性を示すグラフである。ステップＳ８１０で計測した燃料電池セル温度ＴＦＣおよびステップＳ８２０で導出した水濃度Ｃｗと該温度依存性を比較することにより混合液のイオン伝導度σを算出することができる。
【００４７】
一方、混合液の伝導度σは以下の方法で導出することもできる。すなわち、混合液の伝導度σをイオン伝導度センサにより直接に求めることができる。
【００４８】
図１２は、本実施形態で用いるイオン伝導度センサの構成を示す説明図である。図１２は、リザーバの断面図であり、イオン伝導度センサはリザーバ内部に設ける。イオン伝導度センサは、リザーバと同様の空孔率を有しかつ絶縁性の物質からなるイオン伝導度計測部１２００、イオン伝導度計測部内を貫通する２対の白金線からなる電極端子１２１０、２対の白金線に接続される交流抵抗計１２２０、を有してなる。イオン伝導度センサを、空気バイパス流路入口、空気流路入口、空気流路出口、空気流路中間といった複数個所に設けることで混合液のイオン伝導度の計測の精度を向上でき、充填率制御の精度を向上させることが可能になる。例えば、温度センサとイオン伝導度センサを空気バイパス流路入口の上流側と下流側にそれぞれ１つ以上設けることで充填率制御の精度を向上させることができる。
【００４９】
イオン伝導度センサを用いて、交流インピーダンス法により電極端子間の抵抗Ｒを計測することができる。そうすると、混合液の伝導度σは、下記の式（１）で求めることができる。電極端子間の抵抗Ｒの計測においては、イオン伝導度計測部１２００全体を混合液で満たす必要があるため、イオン伝導度計測部１２００の設計においてこのことを考慮する必要がある。
【００５０】
【数１】
【００５１】
ここで、ｌは白金電極の電極間距離、Ａはイオン伝導度計測部の電極間面積であり、これらの値は設計値であるため既知である。
【００５２】
式（１）に電極端子間の抵抗Ｒを代入することにより、混合液の伝導度σを算出できる。
【００５３】
〔Ｓ８４０〕
空気極側のリザーバの充填率Ｆを導出する。
【００５４】
図１３は、イオン液体の伝導率であるσ０に対する混合液の伝導率σの割合（以下、「イオン伝導度比σ／σ０」と称する）と、リザーバの充填率Ｆとの関係のグラフを示す図である。イオン液の伝導率σ０は各イオン液体固有のものであり、既知である。あらかじめ、イオン伝導度比σ／σ０と充填率Ｆの関係をコントロールユニットの記憶装置に記憶させておき、前ステップＳ８３０で導出した混合液の伝導率σからイオン伝導度比σ／σ０を求め、あらかじめ記憶させたイオン伝導度比σ／σ０と充填率Ｆの関係と比較することによりリザーバの充填率Ｆを導出することができる。
【００５５】
以下、図７に戻りステップＳ７３０以降のステップを実施する。
【００５６】
〔Ｓ７３０〕
リザーバの充填率Ｆがあらかじめ定めた充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さいかどうか判断する。
【００５７】
リザーバの充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくないと判断したときは、イオン液体が外部に漏洩するおそれがあると判断して、ステップＳ７４０に移行する。
【００５８】
リザーバの充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さいと判断したときは、イオン液体が外部に漏洩するおそれがないと判断して、ステップＳ７５０に移行する。
【００５９】
ここで、充填率上限閾値Ｆｍａｘの値は、後述する充填率下限閾値Ｆｍｉｎの値と同様に、空気流路のサイズ、空気極側のリザーバの容積、該リザーバの空孔率、該リザーバの材質、触媒の材料、運転出力といった条件や、電解質漏洩やガスリークに対して設定された安全率により変化させうる。本実施形態においては、Ｆｍａｘ＝８０％、Ｆｍｉｎ＝４０％とする。
【００６０】
まず、充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくないと判断した場合について説明する。もし、充填率Ｆが一箇所でも充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくないと判断した場合は、ステップＳ７４０に移行し、以下のステップＳ１４００〜Ｓ１４２０からなる第１充填率低下サブルーチンを実施する。図１４は、第１充填率低下サブルーチンを示す図である。
【００６１】
〔Ｓ１４００〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きいかどうか判断する。
【００６２】
２次電池の充電状態Ｓは、一般的には２次電池の開放端電圧で検知するが、これに限定されない。
【００６３】
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きいと判断した場合は、２次電池が一時的な放電に耐えられるだけの充電状態になっていると判断して、ステップＳ１４１０に移行する。
【００６４】
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きくないと判断した場合は、２次電池が燃料電池システムへの要求電力と燃料電池スタックの発電量との差を補うだけの充電状態になっていないと判断し、ステップＳ１４２０の第２充填率低下サブルーチンに移行する。
【００６５】
〔Ｓ１４１０〕
空気極に供給する空気流量を一定としたまま、燃料電池スタックの発電量を低下させる。
【００６６】
空気流量を一定として燃料電池スタックの発電量を低下させると、電気化学反応によって生成する水の量が減少するため水蒸気圧Ｐｖが低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下する。図１０に示す蒸気圧曲線によると、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下すると水濃度Ｃｗが低下する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Ｆを低下させることができる。
【００６７】
充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくなるまで第１充填率低下サブルーチンを実施する。
【００６８】
〔Ｓ１４２０〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓ０より大きくないと判断した場合は、以下ステップＳ１５００からなる第２充填率低下サブルーチンに移行する。図１５は、第２充填率低下サブルーチンを示す図である。
【００６９】
〔Ｓ１５００〕
燃料電池冷却水量を低下させる。
【００７０】
燃料電池セルの温度は、図３に示す本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ３０９による燃料電池セルを通過する冷却水量の制御や、第１ラジエータファン３０４ａまたは第２ラジエータファン３１０ａの回転数の調整によりそれぞれ空気の温度または冷却水の温度を調整することにより制御できる。本ステップでは、燃料電池セル内を通過させる冷却水量を低下させて燃料電池セルの温度を上昇させる。燃料電池セルの温度を上昇させることにより空気極側のリザーバから液水が蒸発する速度を上昇させ、空気極側のリザーバの充填率Ｆを低下させることができる。
【００７１】
また、同時に冷却水バイパス流路制御バルブを開放する。そうすると、冷却水流路の途中に接続された冷却水バイパス流路へ冷却水が流出するため、冷却水流路の下流を流れる冷却水量が低下し、冷却水流路の下流と近接した空気流路下流付近のリザーバの温度を上昇させることができる。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの飽和水蒸気圧Ｐ０が上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００７２】
一方、空気バイパス流路制御バルブを開くと、空気流路の途中に接続された空気バイパス流路から空気が流入するため、空気流路の下流の空気流量が増加する。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Ｐｖが低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００７３】
充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さくなるまで第２充填率低下サブルーチンを実施する。
【００７４】
次に、図７に戻り、充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍａｘより小さいと判断した場合について説明する。この場合は、ステップＳ７５０に移行する。
【００７５】
〔Ｓ７５０〕
充填率Ｆがあらかじめ定めた充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さいかどうか判断する。
【００７６】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さいと判断したときは、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が不十分であり、クロスリークが起きる可能性があると判断して、ステップＳ７６０に移行する。
【００７７】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さくないと判断したときは、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が十分であると判断して、ステップＳ７７０に移行する。
【００７８】
まず、充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さいと判断した場合について説明する。この場合は、ステップＳ７６０に移行し、以下のステップＳ１６００〜Ｓ１６２０からなる第１充填率上昇サブルーチンを実施する。図１６は、第１充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【００７９】
〔Ｓ１６００〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓｅより小さいかどうか判断する。
【００８０】
２次電池の充電状態Ｓは、一般的には２次電池の開放端電圧により検知するが、これに限定されない。
【００８１】
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓｅより小さいと判断した場合は、２次電池が一時的に充電可能な充電状態になっていると判断し、ステップＳ１６１０に移行する。
【００８２】
該充電状態Ｓが上限閾値Ｓｅより小さくないと判断した場合は、２次電池が燃料電池システムへの要求電力と燃料電池スタックの発電量との差を吸収するだけの空容量を有していないと判断して、ステップＳ１６２０の第２充填率上昇サブルーチンに移行する。
【００８３】
〔Ｓ１６１０〕
空気極に供給する空気流量を一定のまま、燃料電池スタックの発電量を増加させる。
【００８４】
空気流量を一定として燃料電池スタックの発電量を増加させると、電気化学反応によって生成する水の量が増加するため水蒸気圧Ｐｖが上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇する。図７に示す蒸気圧曲線によると、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇すると水濃度Ｃｗが上昇する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Ｆを上昇させることができる。
【００８５】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより大きくなるまで第１充填率上昇サブルーチンを実施する。
【００８６】
〔Ｓ１６２０〕
２次電池の充電状態Ｓが閾値Ｓｅより小さくないと判断した場合は、以下ステップＳ１７００からなる第２充填率上昇サブルーチンに移行する。図１７は、第２充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【００８７】
〔Ｓ１７００〕
燃料電池冷却水流量を増加させる。
【００８８】
燃料電池セルの温度は、上述したように、図３に示す本実施形態に係る燃料電池システムにおいて、冷却水ポンプ３０９による燃料電池セルを通過する冷却水量の調整や、第１ラジエータファン３０４ａまたは第２ラジエータファン３１０ａの回転数の調整により制御できる。本ステップでは、燃料電池セル内を通過させる冷却水量を増加させて燃料電池セルの温度を低下させる。図１０に示す蒸気圧曲線によると、燃料電池セルの温度を低下させることにより、飽和水蒸気圧Ｐ０が低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇するため、水濃度Ｃｗが上昇する。すなわち、空気極側のリザーバの充填率Ｆを上昇させることができる。
【００８９】
また、同時に冷却水バイパス流路制御バルブを開放する。そうすると、冷却水流路から冷却水流路の途中に接続された冷却水バイパス流路へ冷却水が流出するため、冷却水流路の下流を流れる冷却水量が低下し、冷却水流路の下流と近接した空気流路下流付近のリザーバの温度を上昇させることができる。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの飽和水蒸気圧Ｐ０が上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させる方向に調整することができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００９０】
一方、空気バイパス流路制御バルブを開放すると、空気流路の途中に接続された空気バイパス流路から空気流路へ空気が流入するため、空気流路の下流の空気流量が増加する。そうすると、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Ｐｖが低下し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が低下するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を低下させることができ、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【００９１】
充填率Ｆが充填率下限閾値Ｆｍｉｎより小さくなるまで第２充填率上昇サブルーチンを実施する。
【００９２】
次に、図７に戻り、充填率Ｆが充填率上限閾値Ｆｍｉｎより小さくないと判断した場合について説明する。このときは、前述したように、空気極側からマトリクスへの電界質たるイオン液体の供給が十分であると判断して、ステップＳ７７０に移行する。
【００９３】
〔Ｓ７７０〕
全ての燃料電池セルの平均温度ＴＦＣａｖｅが、定常運転温度ＴＦＣ０になったかどうか判断する。
【００９４】
上述したステップＳ７２０〜Ｓ７５０を実施することで、空気極側のリザーバの充填率Ｆを充填率下限閾値Ｆｍｉｎと充填率上限閾値Ｆｍａｘの間である適正範囲に保ちながら燃料電池を昇温させる。そして、全ての燃料電池セルの平均温度ＴＦＣａｖｅが、仕様である定常運転温度ＴＦＣ０になったかどうか判断する。
【００９５】
全ての燃料電池セルの平均温度ＴＦＣａｖｅが、仕様である定常運転温度ＴＦＣ０となったところで、燃料電池スタックの起動操作を終了する。
【００９６】
なお、図７に示す、本第１実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートのうちステップＳ７２０以降のフローは、燃料電池スタックの運転中においても連続的かつ継続的に実施しうる。
【００９７】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブは本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、冷却水バイパス流路、冷却水バイパス流路制御バルブは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニットは制御手段に相当する。
【００９８】
以下に、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの効果を示す。
・ 燃料電池セルからのイオン液体の漏洩を防止するとともに、燃料電池のクロスリークを防止することができる。
・リザーバのイオン液体と水の混合液の充填率を均一化することができる。
・リザーバの充填率調整を新たな設備を必要とせず容易に行うことができる。
・空気および水素の供給量を変化させることなく燃料電池セルの温度の調整をすることができる。
［第２実施形態］
図１８は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第２実施形態に係る燃料電池システムの構成は、以下説明する構成以外は第１実施形態と同様であるため、重複となる説明は省略する。
【００９９】
第１実施形態と異なり、第２実施形態は、空気バイパス流路１８１４を流れる空気の温度を独立した第５熱交換器１８４０（および第４ラジエータファン１８４０ａ）により単独に調整する。また、冷却水路は、互いに独立した２つの冷却水路である第１独立冷却水路１８２０と第２独立冷却水路１８３０とからなる。
【０１００】
空気バイパス流路１８１４は、空気流路の中間点に接続され、空気バイパス流路制御バルブ１８１５を開くことにより空気流路の該中間点から空気を流入させることができる。空気バイパス流路の温度は、第５熱交換器１８４０のラジエータファン１８４０ａの回転数を変えることにより単独に調整しうる。すなわち、第１実施形態よりも自由度の高い空気流路下流の温度調整を可能としている。これにより、リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１０１】
冷却水流路を構成する互いに独立した第１独立冷却水流路１８２０および第２独立冷却水流路１８３０は、燃料電池セルの異なる領域の温度を調整できる位置に配置しうる。すなわち、第１独立冷却水流路１８２０は空気流路の上流の温度を調整可能な位置に、第２独立冷却水流路１８３０は空気流路の下流の温度を調整可能な位置に配置しうる。
【０１０２】
第１独立冷却水流路１８２０を流れる冷却水の温度は第３熱交換器１８２１のラジエータファン１８２１ａの回転数を変えることにより単独に調整可能であり、冷却水量は第１冷却水ポンプ１８２２により独自に調整可能である。また、第２独立冷却水流路１８３０を流れる冷却水の温度は第４熱交換器１８３１のラジエータファン１８３１ａの回転数を変えることにより単独に調整可能であり、冷却水量は第２冷却水ポンプ１８３２により独自に調整可能である。したがって、２つの独立冷却水流路で独立した温度調整が可能であるため、燃料電池セル内部で２つの温度領域が設定できることとなり、燃料電池セル内部の温度バラツキをより軽減し空気極側のリザーバ全体における充填率をより均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１０３】
図１９は、リザーバの空気流路が形成された部分の構造を示す説明図である。リザーバには、冷却板の第１独立冷却水流路に冷却水を供給するための第１冷却水入口１９０４と第１独立冷却水流路を流れた冷却水を流出させるための第１冷却水出口１９０６ａが設けられる。さらに、第２独立冷却水流路に冷却水を供給するための第２冷却水入口１９０６ｂと第２独立冷却水流路を流れた冷却水を流出させるための第２冷却水出口１９０５が設けられる。
【０１０４】
図２０は、冷却板の構造を示す説明図である。冷却板には第１独立冷却水流路２０１０および第２独立冷却水流路２０２０からなる冷却水流路を設ける。第１独立冷却水流路２０１０には、第１冷却水入口２００４、第１冷却水出口２００６ａを設ける。第２独立冷却水流路２０２０には、第２冷却水入口２００６ｂ、第２冷却水出口２００５を設ける。第１冷却水入口２００４から流入した冷却水は、第１独立冷却水流路２０１０を流れ第１冷却水出口２００６ａから流出する。第２冷却水入口２００６ｂから流入した冷却水は、第２独立冷却水流路２０２０を流れ第２冷却水出口２００５から流出する。それぞれの独立冷却水流路の冷却水出口から流出した冷却水は、それぞれ個別に設けられた熱交換器および冷却水ポンプを通ることにより冷却水流量および冷却水温度が調整され、それぞれの冷却水入口から再流入することにより冷却水流路を還流する。
【０１０５】
ここで、冷却板に温水を流すことにより、２つの独立冷却水流路で独立した温度調整をしてもよい。燃料電池セル内部で２つの温度領域が設定できることとなり、燃料電池セル内部の温度バラツキをより軽減し空気極側のリザーバ全体における充填率をより均一化しうる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１０６】
また、冷却板は燃料電池セルごとに設置するが、これに限定されない。すなわち、燃料電池スタック内の燃料電池セル積層構造の任意の箇所に挿入してもよい。これにより、燃料電池スタック内に複数の温度領域を設けることができ、燃料電池スタックを構成する燃料電池セルのリザーバの充填率を均一化し、イオン液体の漏洩を防止することができる。
【０１０７】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブ、第５熱交換器は本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、第４熱交換器、第１冷却水ポンプ、第２冷却水ポンプは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニットは制御手段に相当する。
【０１０８】
本発明の第２実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第１実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・リザーバの充填率調整の自由度をさらに拡大することができる。
・リザーバの空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。
［第３実施形態］
図２１は、本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第２実施形態と異なる点は、第３実施形態は、空気バイパス流路を流れる空気の湿度を調整する加湿システムをさらに備えている点である。第１および第２実施形態と重複する説明は省略する。
【０１０９】
加湿システム２１５０は、水噴霧により空気を加湿する加湿器、加湿器に水を供給するポンプ、ポンプに供給する水を貯留する水タンクを有してなるが、これに限定されない。加湿システム２１５０は、空気バイパス流路２１１４に設置され、空気バイパス流路を流れる空気を加湿して湿度を上昇させる。空気バイパス流路１８１４は、空気流路の中間点に接続され、空気バイパス流路制御バルブ２１１５を開くことにより空気流路の該中間点から加湿システム２１５０により加湿された空気を流入させることができる。空気バイパス流路の温度は、第５熱交換器２１４０のラジエータファン２１４０ａの回転数を変えることにより単独に調整しうる。
【０１１０】
図２２は、第３充填率上昇サブルーチンを示す図である。第３充填率上昇サブルーチンは、第１実施形態で説明した、ステップＳ１３２０の第２充填率上昇サブルーチンに相当する。すなわち、第３充填率上昇サブルーチンは、第２充填率上昇サブルーチンに代替して実施しうる。
【０１１１】
以下、第３充填率上昇サブルーチンについて説明する。
【０１１２】
〔Ｓ２２００〕
空気バイパス流路の空気を加湿する。
【０１１３】
空気バイパス流路の空気を加湿することにより、空気流路下流付近のリザーバの水蒸気圧Ｐｖが上昇し、相対水蒸気圧Ｐｖ／Ｐ０が上昇するため、空気流路下流付近のリザーバの充填率を上昇させる方向に調整することができ、空気極側のリザーバ全体における充填率を均一化しうる。すなわち、空気流路下流付近で凝縮する水の量が空気流路上流付近で凝縮する水の量と比較して少なくなるというバラツキの要因をなくすことにより、空気流路方向でより均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１１４】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブ、第５熱交換器は本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、第４熱交換器、第１冷却水ポンプ、第２冷却水ポンプは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニット、加湿システムは制御手段に相当する。
【０１１５】
本発明の第３実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第１および第２実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・空気の加湿によりリザーバの充填率を上昇させるため、応答性よく充填率を上昇させることができる。
［第４実施形態］
図２３は、本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。第１実施形態と異なる点は、第４実施形態は、空気流路における空気の流れる方向を逆転させるための４つのバルブ２３６０〜２３６３をさらに有している点である。
【０１１６】
図２３の４つのバルブ２３６０〜２３６３のうち黒色で示した第１方向変換バルブおよび第４方向変換バルブは閉じた状態のバルブであり、白色で示した第２方向変換バルブおよび第４方向変換バルブは開いた状態のバルブである。すなわち、図２３は、空気流路における空気の流れ方向を逆転させた状態を示している。
【０１１７】
例えば、一定時間おきに空気流路における空気の流れる方向を逆転させることにより、空気流路の下流および下流付近で凝縮する水の量を平均化できるため、空気流路方向でさらに均一な充填率を達成することができる。また、リザーバの充填率を均一化することは局所的なイオン液体の漏洩の防止に繋がる。
【０１１８】
ここで、コンプレッサ、第１熱交換器、空気バイパス流路、空気バイパス流路制御バルブは本発明の空気供給手段に、第３熱交換器、冷却水バイパス流路、冷却水バイパス流路制御バルブは冷却手段に相当する。温度センサ、水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、コントロールユニットは検出手段に、コントロールユニット、第１〜第４方向変換バルブは制御手段に相当する。
【０１１９】
本発明の第４実施形態に係る燃料電池の運転方法は、第１実施形態が有する効果に加えて、以下の効果を有する。
・リザーバの空気流路方向でさらに均一な充填率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの断面構造を説明するための説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図４】燃料電池セルの内部構造の断面を示す説明図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのリザーバの空気流路が形成された部分の構造を示す説明図である。
【図６】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの冷却板の構造を示す説明図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを実施するためのフローチャートである。
【図８】空気極側リザーバの充填率導出サブルーチンを示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池セルの空気極側に設置された水蒸気圧センサ、イオン伝導度センサ、セル温度センサの位置を示すための説明図である。
【図１０】混合液の蒸気圧曲線を示す図である。
【図１１】水濃度Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３の混合液について計測し記憶させたイオン伝導度の温度依存性を示すグラフである。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのイオン伝導度センサの構成を示す説明図である。
【図１３】イオン伝導度比とリザーバの充填率との関係のグラフを示す図である。
【図１４】第１充填率低下サブルーチンを示す図である。
【図１５】第２充填率低下サブルーチンを示す図である。
【図１６】第１充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【図１７】第２充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【図１８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図１９】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムのリザーバの空気流路が形成された部分の構造を示す説明図である。
【図２０】本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの冷却板の構造を示す説明図である。
【図２１】本発明の第３実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２２】第３充填率上昇サブルーチンを示す図である。
【図２３】本発明の第４実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１ 燃料電池スタック、
２ 燃料電池セル、
２００ 空気極、
２１０ リザーバ、
２２０ 空気流路、
２３０ マトリクス、
２４０ 燃料極、
２５０ 燃料流路、
３００ 燃料電池スタック、
３０１ 温度センサ（検出手段）、
３０２ イオン伝導度センサ（検出手段）、
３０３ 水蒸気圧センサ（検出手段）、
３０４ 第１熱交換器（空気供給手段）、
３０４ａ 第１ラジエータファン、
３０５ コンプレッサ（空気供給手段）、
３０６ 水素タンク、
３０７ プレッシャレギュレータ、
３０８ 第２熱交換器、
３０９ 冷却水ポンプ、
３１０ 第３熱交換器（冷却手段）、
３１０ａ 第２レジエータファン、
３１１ ２次電池、
３１２ インバータ、
３１３ コントロールユニット（検出手段、制御手段）、
３１４ 空気バイパス流路（空気供給手段）、
３１５ 空気バイパス流路制御バルブ（空気供給手段）、
３１６ 冷却水バイパス流路（冷却手段）、
３１７ 冷却水バイパス流路制御バルブ（冷却手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン液体を含浸したマトリクスと、前記マトリクスを介し燃料極と対向して付設された空気極と、前記空気極を通じて前記マトリクスにイオン液体を補給するリザーバと、を含む燃料電池セルと、
前記リザーバ内のイオン液体の量または前記イオン液体と前記燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した結果をもとに、前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内に設けられた空気流路を通じて空気を供給する空気供給手段がさらに設けられ、
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも１つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路に流れる前記空気の流量を調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス空気流量調整手段を有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。
【請求項３】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内に設けられた空気流路を通じて空気を供給する空気供給手段がさらに設けられ、
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも１つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路の空気の温度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス空気温度調整手段を有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。
【請求項４】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内の冷却水流路に冷却水を流して前記燃料電池セルを冷却する冷却手段がさらに設けられ、
前記冷却手段は、前記冷却水流路に接続され前記冷却水を還流可能な少なくとも１つの冷却水バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記冷却水バイパス流路に流れる冷却水の流量を調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス冷却水流量調整手段を有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。
【請求項５】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内の冷却水流路に冷却水を流して前記燃料電池セルを冷却する冷却手段がさらに設けられ、
前記冷却手段は、前記冷却水流路に接続され前記冷却水を還流可能な少なくとも１つの冷却水バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記冷却水バイパス流路に流れる冷却水の温度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス冷却水温度調整手段を有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。
【請求項６】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内の冷却水流路に冷却水を流して前記燃料電池セルを冷却する冷却手段がさらに設けられ、
前記冷却水流路は互いに独立した複数の独立冷却水流路からなり、
前記制御手段は、前記独立冷却水流路に流れる冷却水の温度をそれぞれ単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する独立冷却水温度調整手段を有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。
【請求項７】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内に設けられた空気流路を通じて空気を供給する空気供給手段がさらに設けられ、
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも１つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路に流れる前記空気の湿度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する空気湿度調整手段を有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。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料セルまたは前記燃料電池セルを積層した燃料電池スタック内に少なくとも２つの温度領域を設定し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する温度領域設定手段を有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。
【請求項９】
前記制御手段は、前記空気流路における前記空気の流れる方向を逆転させ前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する空気流れ方向逆転手段を有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。
【請求項１】
イオン液体を含浸したマトリクスと、前記マトリクスを介し燃料極と対向して付設された空気極と、前記空気極を通じて前記マトリクスにイオン液体を補給するリザーバと、を含む燃料電池セルと、
前記リザーバ内のイオン液体の量または前記イオン液体と前記燃料電池セル内で生じた凝縮水とが混合した混合液の量を検出する検出手段と、
前記検出手段が検出した結果をもとに、前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量をあらかじめ定めた設定範囲内に制御する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内に設けられた空気流路を通じて空気を供給する空気供給手段がさらに設けられ、
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも１つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路に流れる前記空気の流量を調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス空気流量調整手段を有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。
【請求項３】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内に設けられた空気流路を通じて空気を供給する空気供給手段がさらに設けられ、
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも１つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路の空気の温度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス空気温度調整手段を有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。
【請求項４】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内の冷却水流路に冷却水を流して前記燃料電池セルを冷却する冷却手段がさらに設けられ、
前記冷却手段は、前記冷却水流路に接続され前記冷却水を還流可能な少なくとも１つの冷却水バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記冷却水バイパス流路に流れる冷却水の流量を調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス冷却水流量調整手段を有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。
【請求項５】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内の冷却水流路に冷却水を流して前記燃料電池セルを冷却する冷却手段がさらに設けられ、
前記冷却手段は、前記冷却水流路に接続され前記冷却水を還流可能な少なくとも１つの冷却水バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記冷却水バイパス流路に流れる冷却水の温度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御するバイパス冷却水温度調整手段を有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。
【請求項６】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内の冷却水流路に冷却水を流して前記燃料電池セルを冷却する冷却手段がさらに設けられ、
前記冷却水流路は互いに独立した複数の独立冷却水流路からなり、
前記制御手段は、前記独立冷却水流路に流れる冷却水の温度をそれぞれ単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する独立冷却水温度調整手段を有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。
【請求項７】
前記燃料電池セルには、前記燃料電池セル内に設けられた空気流路を通じて空気を供給する空気供給手段がさらに設けられ、
前記空気供給手段は、前記燃料電池セル内の空気流路に接続され前記空気を流入可能な少なくとも１つの空気バイパス流路を有し、
前記制御手段は、前記空気バイパス流路に流れる前記空気の湿度を単独に調整し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する空気湿度調整手段を有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。
【請求項８】
前記制御手段は、前記燃料セルまたは前記燃料電池セルを積層した燃料電池スタック内に少なくとも２つの温度領域を設定し前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する温度領域設定手段を有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。
【請求項９】
前記制御手段は、前記空気流路における前記空気の流れる方向を逆転させ前記リザーバ内のイオン液体の量または前記混合液の量を制御する空気流れ方向逆転手段を有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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２０１０−１５９３３（Ｐ２０１０−１５９３３Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７６９５１（Ｐ２００８−１７６９５１）
【出願日】平成２０年７月７日（２００８．７．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月７日（２００８．７．７）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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