燃料電池システム
【課題】複数の単セルを備える燃料電池において、各単セル間における圧力損失のばらつきに起因する反応ガスの配流性の低下を抑制する技術を提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、水素供給部２００とを備える。燃料電池１００には、各単セル１１０に水素を供給するための第１と第２の水素マニホールド１１，１２が設けられており、第１と第２の水素マニホールドにはそれぞれ、第１と第２のバルブ１２１，１２２が設けられている。また、各単セル１１０と、第２の水素マニホールド１２との接続部には、高圧損部３０が設けられている。燃料電池システム１０００の制御部は、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉状態を交互に切り替えて、水素の供給流路路を切り替えて、燃料電池１００に水素を供給する。
【解決手段】燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、水素供給部２００とを備える。燃料電池１００には、各単セル１１０に水素を供給するための第１と第２の水素マニホールド１１，１２が設けられており、第１と第２の水素マニホールドにはそれぞれ、第１と第２のバルブ１２１，１２２が設けられている。また、各単セル１１０と、第２の水素マニホールド１２との接続部には、高圧損部３０が設けられている。燃料電池システム１０００の制御部は、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉状態を交互に切り替えて、水素の供給流路路を切り替えて、燃料電池１００に水素を供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の発電モジュール（単セル）が積層された燃料電池においては、通常、マニホールドを介して、各単セルに、燃料ガス及び酸化ガス（反応ガス）が供給される。こうした燃料電池では、各単セル間の圧力損失にばらつきが生じると、各単セルごとの反応ガスの供給量が不均一となり、燃料電池全体としての発電効率が低下してしまう。圧力損失のばらつきの原因としては、例えば、発電反応により生成された多量の水分によって発電反応が阻害されてしまう、いわゆるフラッディングが一部の単セルにのみ発生する場合などがある。これまで、フラッディングを解消するために種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４２１３３号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６５５４号公報
【特許文献３】特開２００４−３１９１６５号公報
【特許文献４】特開２００４−３９３９８号公報
【特許文献５】特開２００６−２９４５０３号公報
【０００４】
しかし、複数の単セル間における圧力損失のばらつきは、フラッディング以外にも、例えば、製造誤差などにも起因して発生する。これまで、単セル間における圧力損失のばらつきの発生を抑制して、各単セルへの反応ガスの配流性を向上させることについて十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、複数の単セルを備える燃料電池において、各単セル間における圧力損失のばらつきに起因する反応ガスの配流性の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池内における水分量を推定する水分量推定部と、制御部とを備え、前記燃料電池は、複数の発電体と、前記複数の発電体のそれぞれに前記燃料ガスを供給するための第１と第２の燃料ガスマニホールドと、前記第１と第２の燃料ガスマニホールドのそれぞれに設けられ、前記燃料ガスの流れを制御するための第１と第２のバルブと、を備え、前記複数の発電体のそれぞれには、前記第２の燃料ガスマニホールドとの接続部に、前記第１の燃料ガスマニホールドとの接続部よりも圧力損失を増大させるための高圧損部が設けられ、前記制御部は、前記第１のバルブが開で前記第２のバルブが閉である第１の状態と、前記第１のバルブが閉で前記第２のバルブが開である第２の状態と、を交互に設定するとともに、前記水分量推定部による推定値に基づいて、前記第１の状態から前記第２の状態への切替タイミングを決定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、複数の発電体のそれぞれと第２の燃料ガスマニホールドとの接続部に設けられた高圧損部によって、各発電体ごとの圧力損失のばらつきに起因する燃料ガスの配流性の低下を抑制することができる。また、この燃料電池システムでは、制御部が、水分量測定部の測定値に応じて、第１と第２の燃料ガスマニホールドを交互に燃料ガスの供給流路へと切り替える。これによって、各発電体と各燃料ガスマニホールドとの接続部における排水性が向上し、フラッディングの発生を抑制できる。従って、各発電体間における燃料ガスの配流性の低下が抑制される。
【０００８】
なお、本発明は、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、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池の膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図３】単セルに設けられた高圧損部の構成を示す概略斜視図。
【図４】比較例としての燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図５】低負荷要求時における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャート。
【図６】燃料電池における生成水量の判定処理を説明するための説明図。
【図７】高負荷要求時における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャート。
【図８】フラッディング発生時における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、外部負荷の要求に応じて、燃料電池の発電電力を供給する発電システムである。燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、燃料電池１００に燃料ガスとして水素を供給する水素供給部２００とを備える。なお、燃料電池システム１０００は、燃料電池１００に酸化ガスとして酸素含有ガスを供給する酸素供給部を有しているが、図示は省略されている。また、燃料電池システム１０００は、システム内の各構成部を制御する制御部（図示せず）を備える。制御部は、例えば、中央処理装置及び主記憶装置を備えるマイクロコンピュータによって構成されるものとしても良い。
【００１１】
燃料電池１００は、複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有している。燃料電池１００には、水素のための第１と第２の水素マニホールド１１，１２が設けられている。水素マニホールド１１，１２はそれぞれ、燃料電池１００の各単セル１１０に接続されるとともに、接続配管１０を介して水素供給部２００と接続されている。接続配管１０と、２つの水素マニホールド１１，１２との間にはそれぞれ、水素の流れを制御するための第１と第２のバルブ１２１，１２２が設けられている。この構成により、各単セル１１０は、２つの水素マニホールド１１，１２を介して水素の供給を受けることができる。なお、水素供給部２００は、水素を貯蔵する水素タンク（図示せず）や、水素の圧力を調整するためのレギュレータ（図示せず）、水素を加湿するための加湿部（図示せず）などを備える。
【００１２】
図２は、燃料電池１００の任意の単セル１１０に含まれる膜電極接合体１１２の構成を示す概略図である。膜電極接合体１１２は、電極によって挟持された電解質膜を有する発電体であり、各単セル１１０において図示せざるセパレータによって挟持されている。膜電極接合体１１２は、発電に供される発電領域２０の外周に外部への流体の漏洩を防止するための外周シール部４０が設けられている。外周シール部４０には、発電領域２０を囲むように６個のマニホールド１１〜１６が貫通孔として設けられている。具体的には、上述した第１と第２の水素マニホールド１１，１２が発電領域２０を挟んで対向するように設けられている。また、冷媒供給用マニホールド１５と、酸素供給用マニホールド１３とがそれぞれ、冷媒排出用マニホールド１６と、酸素排出用マニホールド１４と、発電領域２０を挟んで対向するように設けられている。
【００１３】
なお、燃料電池１００の各単セル１１０には、各単セルごとの出力電圧値を検出するセル電圧測定部（図示せず）が設けられている。セル電圧測定部は、燃料電池システム１０００の運転中に、その測定結果を制御部へと送信する。また、各単セル１１０の外周シール部４０及びセパレータには、反応ガス用の各マニホールド１１，１２，１３，１４と、発電領域２０のアノードまたはカソードとを連通するガス流路（図示せず）が設けられている。また、図示せざるセパレータには、冷媒供給用マニホールド１５に供給された冷媒が、冷媒排出用マニホールド１６へと流れるための冷媒流路が設けられている。
【００１４】
ところで、この燃料電池１００では、第１と第２のバルブ１２１，１２２（図１）が交互に開閉されることによって、第１と第２の水素マニホールド１１，１２のいずれかから発電領域２０のアノードへと水素が流入する。即ち、第１のバルブ１２１が開かれ、第１の水素マニホールド１１から水素が供給される場合は、第２のバルブ１２２が閉じられて、第２の水素マニホールド１２が排出側となる。逆に、第２のバルブ１２２が開かれ、第２の水素マニホールド１２から水素が供給される場合は、第１のバルブ１２１が閉じられて、第１の水素マニホールド１１が排出側となる。ただし、アノード側の排ガスは、燃料電池１００の外部へは排出されない。即ち、この燃料電池システム１０００では、燃料電池１００のアノード側の排ガスを、燃料電池１００の外部へと排出させることなく発電を継続し、燃料電池１００への供給水素をほぼ発電反応において消費させる、いわゆるアノードデッドエンド型の運転が行われる。なお、第１と第２のバルブ１２１，１２２のそれぞれの開閉動作は、燃料電池システム１０００の図示せざる制御部によって制御されるが、具体的な制御手順については後述する。なお、図２の発電領域２０に示された矢印は、第１と第２の水素マニホールド１１，１２がそれぞれ交互に、供給側と排出側に切り替わることを示している。
【００１５】
図３は、膜電極接合体１１２における、発電領域２０と第２の水素マニホールド１２との接続部を模式的に示す斜視図である。膜電極接合体１１２の発電領域２０には、反応ガスを電極面全体に行き渡らせるために、多孔質のガス流路部材３１（図示せず）が配置されている。また、ガス流路部材３１のうち、第２の水素マニホールド１２と発電領域２０との接続部に相当する部位には、高圧損部３０が設けられている。高圧損部３０は、第２の水素マニホールド１２と発電領域２０との接続部における圧力損失を、第１の水素マニホールド１１と発電領域２０との接続部に相当する部位における圧力損失より増大させるためのものである。
【００１６】
高圧損部３０は、ガス流路部材３１に導電性樹脂を含浸させて、気孔率を減少させることによって設けられている。なお、ガス流路部材３１を構成する多孔質部材としては、焼結金属多孔体や、発泡金属多孔体、エキスパンドメタル、パンチングメタルなどの導電性部材を用いることができる。また、高圧損部３０を設けるための導電性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂に炭素などを混入したものを用いることができる。
【００１７】
図４は、本実施例の比較例としての燃料電池システム１０００ａの構成を示す概略図である。図４は、燃料電池１００ａに、第２の水素マニホールド１２に換えて、水素排出用マニホールド１７が設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、この燃料電池システム１０００ａでは、燃料電池１００ａの発電に際し、水素排出用マニホールド１７の図示せざるバルブを閉じた状態とし、本実施例の燃料電池システム１０００と同様に、アノードデッドエンド型の運転を行う。
【００１８】
ここで、燃料電池１００ａの各単セル１１０同士の間には、製造誤差などによって、アノード側のガス流路に圧力損失のばらつきが生じているものとする。以後、圧力損失が他より著しく高い単セル１１０を特に「高圧損セル１１０ｂ」と呼ぶ。なお、図では、高圧損セル１１０ｂにハッチングを付すことにより、他の単セル１１０と区別して図示してある。このように、高圧損セル１１０ｂが存在する場合には、高圧損セル１１０ｂへと、他の単セル１１０から水素排出用マニホールド１７を介して水素が逆流してしまう可能性がある。水素の逆流が発生すると、発電反応によって生成された水分や、カソード側に供給された窒素などの不活性ガスを含む不純物が、高圧損セル１１０ｂのガス流路内に滞留してしまう場合がある。これによって、高圧損セル１１０ｂでは、水素の供給量が著しく低下してしまい、水素欠乏による電圧低下（発電不良）が発生する。なお、図では、高圧損セル１１０ｂに「×」を付すことにより、発電不良が発生していることを示している。
【００１９】
ところで、複数の単セルを有する燃料電池において、各単セルにおける圧力損失を低下させるための技術としては、次のような技術が知られている。例えば、各単セルのアノード側のガス流路部材の厚みを増大させて、ガス流路部材における圧力損失を低減する技術がある。また、水素用のマニホールドと発電領域との間に、水素を発電領域全体に均等に行き渡らせるための比較的圧力損失の小さい流路を新たに設ける技術などが提案されている。しかし、いずれの技術においても、燃料電池を大型化させる可能性があるため、一般に小型化が要求されている燃料電池においては好ましくない。
【００２０】
しかし、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００の各単セルに高圧損部３０が設けられている（図２，図３）。そのため、燃料電池１００では、各単セル１１０の間における圧力損失のばらつきが低減され、各単セル１１０への水素の供給量が不均一となることが抑制される。即ち、この燃料電池１００では、各単セル１１０に設けられた高圧損部３０によって、一部の単セル１１０において、水素が逆流して、不純物が滞留し、発電不良が発生してしまうことを抑制できる。
【００２１】
ところで、上記のように、製造誤差による各単セル１１０ごとの水素流路の圧力損失のばらつきが低減された場合であっても、フラッディングによって圧力損失にばらつきが発生する場合がある。即ち、一部の単セル１１０において、発電反応によって生成された多量の水分によってフラッディングが発生し、ガス流路が閉塞されてしまう場合である。この場合にも、当該一部の単セル１１０で発電不良が発生し、燃料電池１００全体としての発電効率が低下してしまう。そこで、この燃料電池システム１０００では、以下のような運転制御を実行することによって、フラッディングによる発電不良の発生を抑制する。
【００２２】
この燃料電池システム１０００（図１）では、外部負荷によって要求される燃料電池１００の出力のレベルによって、３つの運転モードを切り替える。第１の運転モードは、燃料電池１００への要求出力レベルが比較的低い低負荷要求時の運転モードであり、第２の運転モードは、燃料電池１００への要求出力レベルが比較的高い高負荷要求時の運転モードである。また、第３の運転モードは、要求出力レベルが、上記第１と第２の運転モードにおける要求出力レベルの間のレベルである定常運転モードである。
【００２３】
即ち、燃料電池システム１０００では、制御部が、外部負荷からの出力要求値が、予め設定されたｘ１以下のときに、低負荷要求時の運転モードを実行し、出力要求値がｘ２より大きいときに高負荷要求時の運転モードを実行する（ｘ１，ｘ２は、ｘ１＜ｘ２を満たす任意の実数）。また、制御部は、外部負荷からの出力要求値が、ｘ１より大きく、ｘ２以下である場合に、定常運転モードを実行する。
【００２４】
ここで、定常運転モードにおいては、制御部は、所定のインターバルで、第１と第２のバルブ１２１，１２２を交互に開閉して燃料電池１００に水素を供給する。このように、この定常発電モードでの運転では、各単セル１１０の発電領域２０（図２）において、生成水が比較的滞留しやすい水素の出口側が一定の時間間隔で交互に切り替わるため、燃料電池１００のアノード側における排水性が向上する。
【００２５】
図５は、低負荷要求時の運転モードにおける燃料電池システム１０００の制御部による制御手順を示すフローチャートである。この低負荷要求時の運転モードは、燃料電池システム１０００の始動直後や、アイドリング運転時などにおいても実行される。低負荷要求時の運転モードでは、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じた状態で、燃料電池１００に発電をさせる。この状態で、ステップＳ１２０では、制御部は、燃料電池１００における発電反応によって生成された生成水量を算出し、当該算出結果に基づく生成水量判定処理を実行する。
【００２６】
図６（Ａ），（Ｂ）は、生成水量判定処理を説明するための説明図である。図６（Ａ）は、燃料電池システム１０００の運転開始後の時刻ｔと、時刻ｔにおける燃料電池１００の出力値との関係を示すグラフの一例である。制御部では、セル電圧測定部の検出値に基づいて、燃料電池１００の出力値の時間変化をモニタしており、時刻ｔまでの燃料電池１００の出力の累積値Ｓを求める。この累積値Ｓは、図６（Ａ）のグラフにおけるハッチング領域の面積に相当する。制御部は、この累積値Ｓを、燃料電池１００において発電反応によって生成された水分量の推定値として用いる。以後、この累積値Ｓを「推定生成水量Ｓ」と呼ぶ。
【００２７】
図６（Ｂ）は、制御部に予め格納されている規定生成水量を求めるためのマップの一例であり、運転開始後の時刻ｔと燃料電池１００におけるセル電圧との関係を示すグラフである。なお、このマップのグラフは、予め実験等によって設定されたものである。制御部は、このマップのハッチング領域の面積Ｓ0を、運転開始後の時刻ｔまでに燃料電池１００内で生成される水分量の基準値である規定生成水量Ｓ0として求める。制御部は、推定生成水量Ｓが、この規定生成水量Ｓ0より大きい場合には（Ｓ＞Ｓ0）、燃料電池１００において規定の生成水量を超える生成水が発生していると判定し、ステップＳ１３０以降の処理を実行する。また、制御部は、推定生成水量Ｓが、規定生成水量Ｓ0以上である場合には（Ｓ≦Ｓ0）、第１のバルブ１２１を開いた状態の運転を継続する。
【００２８】
ステップＳ１３０では、制御部は、第１のバルブ１２１（図１）を閉じ、第２のバルブ１２２を開く。即ち、各単セル１１０のアノードには、高圧損部３０（図２）を介して水素が供給される。ステップＳ１４０では、制御部は、水素供給部２００（図１）のレギュレータを調整して、水素の供給圧力を上昇させる。ステップＳ１５０では、制御部は、所定の時間ｔ1（「待機時間ｔ1」とも呼ぶ）だけ、高圧損部３０を介した、圧力が上昇された水素の供給を継続する。その後、制御部は、ステップＳ１６０において、水素の供給圧力をステップＳ１４０以前の通常の圧力値へと調整する。また、ステップＳ１７０において、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じ、推定生成水量Ｓおよび運転開始後の時刻ｔを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。即ち、このステップＳ１３０〜Ｓ１８０の一連の処理では、燃料電池１００における生成水量が規定量より多くなったと判定された場合に、高圧損部３０から圧力を上昇させた水素を供給することにより、水素流路における生成水の流れを促進して、その滞留を抑制する。
【００２９】
制御部は、燃料電池システム１０００の運転停止要求がされた場合には、燃料電池の運転を停止する（ステップＳ１８０）。停止要求がされない場合には、低負荷要求時の運転モードにおける発電処理、即ち、第１のバルブ１２１が開いた状態での運転を継続する。なお、負荷要求が所定の値より増大した場合には、制御部は、定常運転モードや、高負荷要求時の運転モードに切り替える。
【００３０】
図７は、高負荷要求時の運転モードにおける燃料電池システム１０００の制御部による制御手順を示すフローチャートである。制御部は、定常運転モードや、低負荷要求時における運転モードにおいて、外部負荷からの出力要求が所定の値を超えたときに、この運転モードに切り替える。
【００３１】
ステップＳ４００では、制御部は、第１と第２のバルブ１２１，１２２（図１）の開閉状態を確認する。第１のバルブ１２１が開栓状態であった場合には、制御部は、以下の処理を実行する。ステップＳ４１０では、第１のバルブ１２１を閉じるとともに、第２のバルブ１２２を開く。即ち、以後、各単セル１１０への水素の供給を高圧損部３０を介して実行する。ステップＳ４２０では、水素供給部２００のレギュレータによって、外部負荷からの出力要求に応じて水素の供給圧力を調整する。制御部は、外部負荷からの出力要求が所定の一定値より低下するまで、高圧損部３０を介した水素の供給を継続する（ステップＳ４３０）。また、外部負荷からの出力要求が所定の値以下となった場合には、制御部は、要求負荷に応じて水素の供給圧力を低下させる（ステップＳ４４０）。
【００３２】
ステップＳ４５０では、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じる。なお、このとき、制御部は、低負荷要求の運転モード（図５）に用いられる推定生成水量Ｓと運転開始後の時刻ｔとを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。その後、制御部は、定常運転モードを再開する。なお、ステップＳ４００において、第２のバルブ１２２が開栓状態であった場合には、制御部は、そのままの各バルブ１２１，１２２の開閉状態で、上記のステップＳ４２０〜Ｓ４４０と同じ処理を実行する。即ち、この場合であっても、高圧損部３０を介した水素の供給により、燃料電池１００が運転される。
【００３３】
このように、高負荷要求時の運転モードでは、第２のバルブ１２２が開いたままの状態で、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉状態の切替を実行することなく、第２の水素マニホールド１２からの水素供給を継続する（ステップＳ４２０〜Ｓ４３０）。この理由は、高負荷が要求されているときに、第１と第２のバルブ１２１，１２２の切替が実行されると、水素の流れが安定しなくなり、要求された高負荷の出力が得られない可能性があるためである。これにより、水素が安定的に第２の水素マニホールド１２を介して供給されるため、高負荷要求に対して、効率よく燃料電池１００の出力を得ることが可能となる。
【００３４】
ところで、上記のような運転制御を実行した場合には、フラッディングの発生が抑制されるが、燃料電池１００においては、さらにフラッディングの発生を抑制するために、セル電圧の測定値に基づいて、以下に説明するフラッディング判定処理を実行する。
【００３５】
図８は、燃料電池システム１０００で実行されるフラッディング判定処理の処理手順を示すフローチャートである。制御部は、上述した低負荷要求時の運転モードや、高負荷要求時の運転モード、定常運転モードが実行されている間に、フラッディング発生の判定処理を実行する（ステップＳ２００）。具体的には、制御部は、いずれかの単セル１１０のセル電圧が所定の値（正常値）より小さくなっている場合に、フラッディングが発生していると判定する。フラッディングが発生していると判定した場合には、制御部は、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉状態を確認する（ステップＳ２１０）。
【００３６】
第１のバルブ１２１が開栓状態であった場合には、制御部は、第１のバルブ１２１を閉じるとともに、第２のバルブ１２２を開く（ステップＳ２２０）。続いて、制御部は、ステップＳ２３０において、水素の供給圧力を上昇させ、所定の時間ｔ2（「待機時間ｔ2」とも呼ぶ）だけ、外部負荷からの出力要求に応じた圧力より高い供給圧力での水素の供給を継続する。その後、セル電圧の測定値が正常値に戻った場合には、制御部は、ステップＳ２６０の処理を実行する（ステップＳ２５０）。一方、セル電圧の測定値が正常値より低いままである場合には、制御部は、再び、待機時間ｔ2だけ、上記の圧力による水素供給処理を継続する（ステップＳ２４０）。即ち、待機時間ｔ2は、セル電圧の測定間隔であると解釈できる。
【００３７】
ステップＳ２６０では、制御部は、水素の供給圧力を、外部負荷からの出力要求に応じた通常の圧力まで低下させる。ステップＳ２７０では、制御部は、その圧力での水素の供給を予め設定された時間ｔ3（「待機時間ｔ3」とも呼ぶ）だけ継続する（ステップＳ２７０）。この待機時間ｔ3は、セル電圧が回復した後、水素の流路内の水分を十分に排水させるための時間である。ステップＳ２８０では、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じて、低負荷要求時の運転モードで用いられる推定生成水量Ｓや、運転開始後の時刻ｔを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。
【００３８】
一方、ステップＳ２１０（図８）において、第２のバルブ１２２が開栓状態であった場合には、制御部は、ステップＳ２２２において、第２のバルブ１２２を閉じるとともに、第１のバルブ１２１を開く。そして、制御部は、上述したステップＳ２３０〜Ｓ２７０と同様な処理を実行し、ステップＳ２８２において、推定生成水量Ｓと運転開始後の時刻ｔとを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。ステップＳ２８０またはステップＳ２８２を実行した後には、制御部は、低負荷要求時の運転モードや、高負荷要求時の運転モードなどの通常の運転モードへと戻る。
【００３９】
このように、このフラッディング判定処理では、フラッディングが発生している可能性がある発電領域２０の水素出口を、水素入口に切り替えて、比較的高圧な水素を供給することにより、当該入口の水分を吹き飛ばし、フラッディングを解消する。例えば、水素出口となっている高圧損部３０においてフラッディングが発生した場合には、高圧損部３０側を水素入口とすることにより、フラッディングが解消される。従って、燃料電池１００において、フラッディングが発生することによるセル電圧の低下が抑制される。
【００４０】
なお、上述した各制御手順（図５，図７，図８）におけるステップＳ１３０や、ステップＳ２２０，Ｓ２２２，Ｓ４１０において、バルブの開閉状態の切替が実行された場合には、制御部は、供給水素の加湿量を低減する処理を同時に実行するものとしても良い。具体的には、制御部は、水素供給部２００（図１）に設けられた図示せざる加湿部を制御して、通常の運転時に設定された水素の相対湿度ＲＨを低減させる。例えば、制御部は、通常の運転時の相対湿度が８０％である場合には、相対湿度を７０％程度まで低減するものとしても良い。この処理を実行すれば、生成水が多量に発生していることにより、各バルブ１２１，１２２の開閉状態の切替が実行された際に、供給水素の加湿量が低減されるため、より燃料電池１００におけるフラッディングの発生が抑制される。なお、低減される加湿量は、予め設定されたマップを用いて決定されるものとしても良い。
【００４１】
このように、この燃料電池システム１０００によれば、第２の水素マニホールド１２と発電領域２０との接続部に、高圧損部３０を設けることにより、各単セル１１０に対する水素の配流性が不均一となることを抑制できる。また、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉を交互に行って、２つの水素流路の供給側と排出側とを切り替えることにより、水素流路における排水性を向上している。さらに、外部負荷の要求に応じた運転モードの制御において、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉及び水素圧力を適宜制御することにより、燃料電池１００におけるフラッディングの発生が抑制される。
【符号の説明】
【００４２】
１０…接続配管
１１…第１の水素マニホールド
１２…第２の水素マニホールド
１３…酸素供給用マニホールド
１４…酸素排出用マニホールド
１５…冷媒供給用マニホールド
１６…冷媒排出用マニホールド
１７…水素排出用マニホールド
２０…発電領域
３０…高圧損部
３１…ガス流路部材
４０…外周シール部
１００…燃料電池
１０００，１０００ａ…燃料電池システム
１００ａ…燃料電池
１１０…単セル
１１０ｂ…高圧損セル
１１２…膜電極接合体
１２１…第１のバルブ
１２２…第２のバルブ
２００…水素供給部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の発電モジュール（単セル）が積層された燃料電池においては、通常、マニホールドを介して、各単セルに、燃料ガス及び酸化ガス（反応ガス）が供給される。こうした燃料電池では、各単セル間の圧力損失にばらつきが生じると、各単セルごとの反応ガスの供給量が不均一となり、燃料電池全体としての発電効率が低下してしまう。圧力損失のばらつきの原因としては、例えば、発電反応により生成された多量の水分によって発電反応が阻害されてしまう、いわゆるフラッディングが一部の単セルにのみ発生する場合などがある。これまで、フラッディングを解消するために種々の技術が提案されてきた（特許文献１等）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４２１３３号公報
【特許文献２】特開２００６−２８６５５４号公報
【特許文献３】特開２００４−３１９１６５号公報
【特許文献４】特開２００４−３９３９８号公報
【特許文献５】特開２００６−２９４５０３号公報
【０００４】
しかし、複数の単セル間における圧力損失のばらつきは、フラッディング以外にも、例えば、製造誤差などにも起因して発生する。これまで、単セル間における圧力損失のばらつきの発生を抑制して、各単セルへの反応ガスの配流性を向上させることについて十分な工夫がなされてこなかったのが実情であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、複数の単セルを備える燃料電池において、各単セル間における圧力損失のばらつきに起因する反応ガスの配流性の低下を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池内における水分量を推定する水分量推定部と、制御部とを備え、前記燃料電池は、複数の発電体と、前記複数の発電体のそれぞれに前記燃料ガスを供給するための第１と第２の燃料ガスマニホールドと、前記第１と第２の燃料ガスマニホールドのそれぞれに設けられ、前記燃料ガスの流れを制御するための第１と第２のバルブと、を備え、前記複数の発電体のそれぞれには、前記第２の燃料ガスマニホールドとの接続部に、前記第１の燃料ガスマニホールドとの接続部よりも圧力損失を増大させるための高圧損部が設けられ、前記制御部は、前記第１のバルブが開で前記第２のバルブが閉である第１の状態と、前記第１のバルブが閉で前記第２のバルブが開である第２の状態と、を交互に設定するとともに、前記水分量推定部による推定値に基づいて、前記第１の状態から前記第２の状態への切替タイミングを決定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、複数の発電体のそれぞれと第２の燃料ガスマニホールドとの接続部に設けられた高圧損部によって、各発電体ごとの圧力損失のばらつきに起因する燃料ガスの配流性の低下を抑制することができる。また、この燃料電池システムでは、制御部が、水分量測定部の測定値に応じて、第１と第２の燃料ガスマニホールドを交互に燃料ガスの供給流路へと切り替える。これによって、各発電体と各燃料ガスマニホールドとの接続部における排水性が向上し、フラッディングの発生を抑制できる。従って、各発電体間における燃料ガスの配流性の低下が抑制される。
【０００８】
なお、本発明は、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、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池の膜電極接合体の構成を示す概略図。
【図３】単セルに設けられた高圧損部の構成を示す概略斜視図。
【図４】比較例としての燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図５】低負荷要求時における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャート。
【図６】燃料電池における生成水量の判定処理を説明するための説明図。
【図７】高負荷要求時における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャート。
【図８】フラッディング発生時における燃料電池システムの制御手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム１０００は、外部負荷の要求に応じて、燃料電池の発電電力を供給する発電システムである。燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、燃料電池１００に燃料ガスとして水素を供給する水素供給部２００とを備える。なお、燃料電池システム１０００は、燃料電池１００に酸化ガスとして酸素含有ガスを供給する酸素供給部を有しているが、図示は省略されている。また、燃料電池システム１０００は、システム内の各構成部を制御する制御部（図示せず）を備える。制御部は、例えば、中央処理装置及び主記憶装置を備えるマイクロコンピュータによって構成されるものとしても良い。
【００１１】
燃料電池１００は、複数の単セル１１０が積層されたスタック構造を有している。燃料電池１００には、水素のための第１と第２の水素マニホールド１１，１２が設けられている。水素マニホールド１１，１２はそれぞれ、燃料電池１００の各単セル１１０に接続されるとともに、接続配管１０を介して水素供給部２００と接続されている。接続配管１０と、２つの水素マニホールド１１，１２との間にはそれぞれ、水素の流れを制御するための第１と第２のバルブ１２１，１２２が設けられている。この構成により、各単セル１１０は、２つの水素マニホールド１１，１２を介して水素の供給を受けることができる。なお、水素供給部２００は、水素を貯蔵する水素タンク（図示せず）や、水素の圧力を調整するためのレギュレータ（図示せず）、水素を加湿するための加湿部（図示せず）などを備える。
【００１２】
図２は、燃料電池１００の任意の単セル１１０に含まれる膜電極接合体１１２の構成を示す概略図である。膜電極接合体１１２は、電極によって挟持された電解質膜を有する発電体であり、各単セル１１０において図示せざるセパレータによって挟持されている。膜電極接合体１１２は、発電に供される発電領域２０の外周に外部への流体の漏洩を防止するための外周シール部４０が設けられている。外周シール部４０には、発電領域２０を囲むように６個のマニホールド１１〜１６が貫通孔として設けられている。具体的には、上述した第１と第２の水素マニホールド１１，１２が発電領域２０を挟んで対向するように設けられている。また、冷媒供給用マニホールド１５と、酸素供給用マニホールド１３とがそれぞれ、冷媒排出用マニホールド１６と、酸素排出用マニホールド１４と、発電領域２０を挟んで対向するように設けられている。
【００１３】
なお、燃料電池１００の各単セル１１０には、各単セルごとの出力電圧値を検出するセル電圧測定部（図示せず）が設けられている。セル電圧測定部は、燃料電池システム１０００の運転中に、その測定結果を制御部へと送信する。また、各単セル１１０の外周シール部４０及びセパレータには、反応ガス用の各マニホールド１１，１２，１３，１４と、発電領域２０のアノードまたはカソードとを連通するガス流路（図示せず）が設けられている。また、図示せざるセパレータには、冷媒供給用マニホールド１５に供給された冷媒が、冷媒排出用マニホールド１６へと流れるための冷媒流路が設けられている。
【００１４】
ところで、この燃料電池１００では、第１と第２のバルブ１２１，１２２（図１）が交互に開閉されることによって、第１と第２の水素マニホールド１１，１２のいずれかから発電領域２０のアノードへと水素が流入する。即ち、第１のバルブ１２１が開かれ、第１の水素マニホールド１１から水素が供給される場合は、第２のバルブ１２２が閉じられて、第２の水素マニホールド１２が排出側となる。逆に、第２のバルブ１２２が開かれ、第２の水素マニホールド１２から水素が供給される場合は、第１のバルブ１２１が閉じられて、第１の水素マニホールド１１が排出側となる。ただし、アノード側の排ガスは、燃料電池１００の外部へは排出されない。即ち、この燃料電池システム１０００では、燃料電池１００のアノード側の排ガスを、燃料電池１００の外部へと排出させることなく発電を継続し、燃料電池１００への供給水素をほぼ発電反応において消費させる、いわゆるアノードデッドエンド型の運転が行われる。なお、第１と第２のバルブ１２１，１２２のそれぞれの開閉動作は、燃料電池システム１０００の図示せざる制御部によって制御されるが、具体的な制御手順については後述する。なお、図２の発電領域２０に示された矢印は、第１と第２の水素マニホールド１１，１２がそれぞれ交互に、供給側と排出側に切り替わることを示している。
【００１５】
図３は、膜電極接合体１１２における、発電領域２０と第２の水素マニホールド１２との接続部を模式的に示す斜視図である。膜電極接合体１１２の発電領域２０には、反応ガスを電極面全体に行き渡らせるために、多孔質のガス流路部材３１（図示せず）が配置されている。また、ガス流路部材３１のうち、第２の水素マニホールド１２と発電領域２０との接続部に相当する部位には、高圧損部３０が設けられている。高圧損部３０は、第２の水素マニホールド１２と発電領域２０との接続部における圧力損失を、第１の水素マニホールド１１と発電領域２０との接続部に相当する部位における圧力損失より増大させるためのものである。
【００１６】
高圧損部３０は、ガス流路部材３１に導電性樹脂を含浸させて、気孔率を減少させることによって設けられている。なお、ガス流路部材３１を構成する多孔質部材としては、焼結金属多孔体や、発泡金属多孔体、エキスパンドメタル、パンチングメタルなどの導電性部材を用いることができる。また、高圧損部３０を設けるための導電性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン系樹脂に炭素などを混入したものを用いることができる。
【００１７】
図４は、本実施例の比較例としての燃料電池システム１０００ａの構成を示す概略図である。図４は、燃料電池１００ａに、第２の水素マニホールド１２に換えて、水素排出用マニホールド１７が設けられている点以外は、図１とほぼ同じである。なお、この燃料電池システム１０００ａでは、燃料電池１００ａの発電に際し、水素排出用マニホールド１７の図示せざるバルブを閉じた状態とし、本実施例の燃料電池システム１０００と同様に、アノードデッドエンド型の運転を行う。
【００１８】
ここで、燃料電池１００ａの各単セル１１０同士の間には、製造誤差などによって、アノード側のガス流路に圧力損失のばらつきが生じているものとする。以後、圧力損失が他より著しく高い単セル１１０を特に「高圧損セル１１０ｂ」と呼ぶ。なお、図では、高圧損セル１１０ｂにハッチングを付すことにより、他の単セル１１０と区別して図示してある。このように、高圧損セル１１０ｂが存在する場合には、高圧損セル１１０ｂへと、他の単セル１１０から水素排出用マニホールド１７を介して水素が逆流してしまう可能性がある。水素の逆流が発生すると、発電反応によって生成された水分や、カソード側に供給された窒素などの不活性ガスを含む不純物が、高圧損セル１１０ｂのガス流路内に滞留してしまう場合がある。これによって、高圧損セル１１０ｂでは、水素の供給量が著しく低下してしまい、水素欠乏による電圧低下（発電不良）が発生する。なお、図では、高圧損セル１１０ｂに「×」を付すことにより、発電不良が発生していることを示している。
【００１９】
ところで、複数の単セルを有する燃料電池において、各単セルにおける圧力損失を低下させるための技術としては、次のような技術が知られている。例えば、各単セルのアノード側のガス流路部材の厚みを増大させて、ガス流路部材における圧力損失を低減する技術がある。また、水素用のマニホールドと発電領域との間に、水素を発電領域全体に均等に行き渡らせるための比較的圧力損失の小さい流路を新たに設ける技術などが提案されている。しかし、いずれの技術においても、燃料電池を大型化させる可能性があるため、一般に小型化が要求されている燃料電池においては好ましくない。
【００２０】
しかし、本実施例の燃料電池システム１０００では、燃料電池１００の各単セルに高圧損部３０が設けられている（図２，図３）。そのため、燃料電池１００では、各単セル１１０の間における圧力損失のばらつきが低減され、各単セル１１０への水素の供給量が不均一となることが抑制される。即ち、この燃料電池１００では、各単セル１１０に設けられた高圧損部３０によって、一部の単セル１１０において、水素が逆流して、不純物が滞留し、発電不良が発生してしまうことを抑制できる。
【００２１】
ところで、上記のように、製造誤差による各単セル１１０ごとの水素流路の圧力損失のばらつきが低減された場合であっても、フラッディングによって圧力損失にばらつきが発生する場合がある。即ち、一部の単セル１１０において、発電反応によって生成された多量の水分によってフラッディングが発生し、ガス流路が閉塞されてしまう場合である。この場合にも、当該一部の単セル１１０で発電不良が発生し、燃料電池１００全体としての発電効率が低下してしまう。そこで、この燃料電池システム１０００では、以下のような運転制御を実行することによって、フラッディングによる発電不良の発生を抑制する。
【００２２】
この燃料電池システム１０００（図１）では、外部負荷によって要求される燃料電池１００の出力のレベルによって、３つの運転モードを切り替える。第１の運転モードは、燃料電池１００への要求出力レベルが比較的低い低負荷要求時の運転モードであり、第２の運転モードは、燃料電池１００への要求出力レベルが比較的高い高負荷要求時の運転モードである。また、第３の運転モードは、要求出力レベルが、上記第１と第２の運転モードにおける要求出力レベルの間のレベルである定常運転モードである。
【００２３】
即ち、燃料電池システム１０００では、制御部が、外部負荷からの出力要求値が、予め設定されたｘ１以下のときに、低負荷要求時の運転モードを実行し、出力要求値がｘ２より大きいときに高負荷要求時の運転モードを実行する（ｘ１，ｘ２は、ｘ１＜ｘ２を満たす任意の実数）。また、制御部は、外部負荷からの出力要求値が、ｘ１より大きく、ｘ２以下である場合に、定常運転モードを実行する。
【００２４】
ここで、定常運転モードにおいては、制御部は、所定のインターバルで、第１と第２のバルブ１２１，１２２を交互に開閉して燃料電池１００に水素を供給する。このように、この定常発電モードでの運転では、各単セル１１０の発電領域２０（図２）において、生成水が比較的滞留しやすい水素の出口側が一定の時間間隔で交互に切り替わるため、燃料電池１００のアノード側における排水性が向上する。
【００２５】
図５は、低負荷要求時の運転モードにおける燃料電池システム１０００の制御部による制御手順を示すフローチャートである。この低負荷要求時の運転モードは、燃料電池システム１０００の始動直後や、アイドリング運転時などにおいても実行される。低負荷要求時の運転モードでは、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じた状態で、燃料電池１００に発電をさせる。この状態で、ステップＳ１２０では、制御部は、燃料電池１００における発電反応によって生成された生成水量を算出し、当該算出結果に基づく生成水量判定処理を実行する。
【００２６】
図６（Ａ），（Ｂ）は、生成水量判定処理を説明するための説明図である。図６（Ａ）は、燃料電池システム１０００の運転開始後の時刻ｔと、時刻ｔにおける燃料電池１００の出力値との関係を示すグラフの一例である。制御部では、セル電圧測定部の検出値に基づいて、燃料電池１００の出力値の時間変化をモニタしており、時刻ｔまでの燃料電池１００の出力の累積値Ｓを求める。この累積値Ｓは、図６（Ａ）のグラフにおけるハッチング領域の面積に相当する。制御部は、この累積値Ｓを、燃料電池１００において発電反応によって生成された水分量の推定値として用いる。以後、この累積値Ｓを「推定生成水量Ｓ」と呼ぶ。
【００２７】
図６（Ｂ）は、制御部に予め格納されている規定生成水量を求めるためのマップの一例であり、運転開始後の時刻ｔと燃料電池１００におけるセル電圧との関係を示すグラフである。なお、このマップのグラフは、予め実験等によって設定されたものである。制御部は、このマップのハッチング領域の面積Ｓ0を、運転開始後の時刻ｔまでに燃料電池１００内で生成される水分量の基準値である規定生成水量Ｓ0として求める。制御部は、推定生成水量Ｓが、この規定生成水量Ｓ0より大きい場合には（Ｓ＞Ｓ0）、燃料電池１００において規定の生成水量を超える生成水が発生していると判定し、ステップＳ１３０以降の処理を実行する。また、制御部は、推定生成水量Ｓが、規定生成水量Ｓ0以上である場合には（Ｓ≦Ｓ0）、第１のバルブ１２１を開いた状態の運転を継続する。
【００２８】
ステップＳ１３０では、制御部は、第１のバルブ１２１（図１）を閉じ、第２のバルブ１２２を開く。即ち、各単セル１１０のアノードには、高圧損部３０（図２）を介して水素が供給される。ステップＳ１４０では、制御部は、水素供給部２００（図１）のレギュレータを調整して、水素の供給圧力を上昇させる。ステップＳ１５０では、制御部は、所定の時間ｔ1（「待機時間ｔ1」とも呼ぶ）だけ、高圧損部３０を介した、圧力が上昇された水素の供給を継続する。その後、制御部は、ステップＳ１６０において、水素の供給圧力をステップＳ１４０以前の通常の圧力値へと調整する。また、ステップＳ１７０において、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じ、推定生成水量Ｓおよび運転開始後の時刻ｔを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。即ち、このステップＳ１３０〜Ｓ１８０の一連の処理では、燃料電池１００における生成水量が規定量より多くなったと判定された場合に、高圧損部３０から圧力を上昇させた水素を供給することにより、水素流路における生成水の流れを促進して、その滞留を抑制する。
【００２９】
制御部は、燃料電池システム１０００の運転停止要求がされた場合には、燃料電池の運転を停止する（ステップＳ１８０）。停止要求がされない場合には、低負荷要求時の運転モードにおける発電処理、即ち、第１のバルブ１２１が開いた状態での運転を継続する。なお、負荷要求が所定の値より増大した場合には、制御部は、定常運転モードや、高負荷要求時の運転モードに切り替える。
【００３０】
図７は、高負荷要求時の運転モードにおける燃料電池システム１０００の制御部による制御手順を示すフローチャートである。制御部は、定常運転モードや、低負荷要求時における運転モードにおいて、外部負荷からの出力要求が所定の値を超えたときに、この運転モードに切り替える。
【００３１】
ステップＳ４００では、制御部は、第１と第２のバルブ１２１，１２２（図１）の開閉状態を確認する。第１のバルブ１２１が開栓状態であった場合には、制御部は、以下の処理を実行する。ステップＳ４１０では、第１のバルブ１２１を閉じるとともに、第２のバルブ１２２を開く。即ち、以後、各単セル１１０への水素の供給を高圧損部３０を介して実行する。ステップＳ４２０では、水素供給部２００のレギュレータによって、外部負荷からの出力要求に応じて水素の供給圧力を調整する。制御部は、外部負荷からの出力要求が所定の一定値より低下するまで、高圧損部３０を介した水素の供給を継続する（ステップＳ４３０）。また、外部負荷からの出力要求が所定の値以下となった場合には、制御部は、要求負荷に応じて水素の供給圧力を低下させる（ステップＳ４４０）。
【００３２】
ステップＳ４５０では、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じる。なお、このとき、制御部は、低負荷要求の運転モード（図５）に用いられる推定生成水量Ｓと運転開始後の時刻ｔとを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。その後、制御部は、定常運転モードを再開する。なお、ステップＳ４００において、第２のバルブ１２２が開栓状態であった場合には、制御部は、そのままの各バルブ１２１，１２２の開閉状態で、上記のステップＳ４２０〜Ｓ４４０と同じ処理を実行する。即ち、この場合であっても、高圧損部３０を介した水素の供給により、燃料電池１００が運転される。
【００３３】
このように、高負荷要求時の運転モードでは、第２のバルブ１２２が開いたままの状態で、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉状態の切替を実行することなく、第２の水素マニホールド１２からの水素供給を継続する（ステップＳ４２０〜Ｓ４３０）。この理由は、高負荷が要求されているときに、第１と第２のバルブ１２１，１２２の切替が実行されると、水素の流れが安定しなくなり、要求された高負荷の出力が得られない可能性があるためである。これにより、水素が安定的に第２の水素マニホールド１２を介して供給されるため、高負荷要求に対して、効率よく燃料電池１００の出力を得ることが可能となる。
【００３４】
ところで、上記のような運転制御を実行した場合には、フラッディングの発生が抑制されるが、燃料電池１００においては、さらにフラッディングの発生を抑制するために、セル電圧の測定値に基づいて、以下に説明するフラッディング判定処理を実行する。
【００３５】
図８は、燃料電池システム１０００で実行されるフラッディング判定処理の処理手順を示すフローチャートである。制御部は、上述した低負荷要求時の運転モードや、高負荷要求時の運転モード、定常運転モードが実行されている間に、フラッディング発生の判定処理を実行する（ステップＳ２００）。具体的には、制御部は、いずれかの単セル１１０のセル電圧が所定の値（正常値）より小さくなっている場合に、フラッディングが発生していると判定する。フラッディングが発生していると判定した場合には、制御部は、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉状態を確認する（ステップＳ２１０）。
【００３６】
第１のバルブ１２１が開栓状態であった場合には、制御部は、第１のバルブ１２１を閉じるとともに、第２のバルブ１２２を開く（ステップＳ２２０）。続いて、制御部は、ステップＳ２３０において、水素の供給圧力を上昇させ、所定の時間ｔ2（「待機時間ｔ2」とも呼ぶ）だけ、外部負荷からの出力要求に応じた圧力より高い供給圧力での水素の供給を継続する。その後、セル電圧の測定値が正常値に戻った場合には、制御部は、ステップＳ２６０の処理を実行する（ステップＳ２５０）。一方、セル電圧の測定値が正常値より低いままである場合には、制御部は、再び、待機時間ｔ2だけ、上記の圧力による水素供給処理を継続する（ステップＳ２４０）。即ち、待機時間ｔ2は、セル電圧の測定間隔であると解釈できる。
【００３７】
ステップＳ２６０では、制御部は、水素の供給圧力を、外部負荷からの出力要求に応じた通常の圧力まで低下させる。ステップＳ２７０では、制御部は、その圧力での水素の供給を予め設定された時間ｔ3（「待機時間ｔ3」とも呼ぶ）だけ継続する（ステップＳ２７０）。この待機時間ｔ3は、セル電圧が回復した後、水素の流路内の水分を十分に排水させるための時間である。ステップＳ２８０では、制御部は、第１のバルブ１２１を開くとともに、第２のバルブ１２２を閉じて、低負荷要求時の運転モードで用いられる推定生成水量Ｓや、運転開始後の時刻ｔを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。
【００３８】
一方、ステップＳ２１０（図８）において、第２のバルブ１２２が開栓状態であった場合には、制御部は、ステップＳ２２２において、第２のバルブ１２２を閉じるとともに、第１のバルブ１２１を開く。そして、制御部は、上述したステップＳ２３０〜Ｓ２７０と同様な処理を実行し、ステップＳ２８２において、推定生成水量Ｓと運転開始後の時刻ｔとを初期化する（Ｓ＝０，ｔ＝０）。ステップＳ２８０またはステップＳ２８２を実行した後には、制御部は、低負荷要求時の運転モードや、高負荷要求時の運転モードなどの通常の運転モードへと戻る。
【００３９】
このように、このフラッディング判定処理では、フラッディングが発生している可能性がある発電領域２０の水素出口を、水素入口に切り替えて、比較的高圧な水素を供給することにより、当該入口の水分を吹き飛ばし、フラッディングを解消する。例えば、水素出口となっている高圧損部３０においてフラッディングが発生した場合には、高圧損部３０側を水素入口とすることにより、フラッディングが解消される。従って、燃料電池１００において、フラッディングが発生することによるセル電圧の低下が抑制される。
【００４０】
なお、上述した各制御手順（図５，図７，図８）におけるステップＳ１３０や、ステップＳ２２０，Ｓ２２２，Ｓ４１０において、バルブの開閉状態の切替が実行された場合には、制御部は、供給水素の加湿量を低減する処理を同時に実行するものとしても良い。具体的には、制御部は、水素供給部２００（図１）に設けられた図示せざる加湿部を制御して、通常の運転時に設定された水素の相対湿度ＲＨを低減させる。例えば、制御部は、通常の運転時の相対湿度が８０％である場合には、相対湿度を７０％程度まで低減するものとしても良い。この処理を実行すれば、生成水が多量に発生していることにより、各バルブ１２１，１２２の開閉状態の切替が実行された際に、供給水素の加湿量が低減されるため、より燃料電池１００におけるフラッディングの発生が抑制される。なお、低減される加湿量は、予め設定されたマップを用いて決定されるものとしても良い。
【００４１】
このように、この燃料電池システム１０００によれば、第２の水素マニホールド１２と発電領域２０との接続部に、高圧損部３０を設けることにより、各単セル１１０に対する水素の配流性が不均一となることを抑制できる。また、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉を交互に行って、２つの水素流路の供給側と排出側とを切り替えることにより、水素流路における排水性を向上している。さらに、外部負荷の要求に応じた運転モードの制御において、第１と第２のバルブ１２１，１２２の開閉及び水素圧力を適宜制御することにより、燃料電池１００におけるフラッディングの発生が抑制される。
【符号の説明】
【００４２】
１０…接続配管
１１…第１の水素マニホールド
１２…第２の水素マニホールド
１３…酸素供給用マニホールド
１４…酸素排出用マニホールド
１５…冷媒供給用マニホールド
１６…冷媒排出用マニホールド
１７…水素排出用マニホールド
２０…発電領域
３０…高圧損部
３１…ガス流路部材
４０…外周シール部
１００…燃料電池
１０００，１０００ａ…燃料電池システム
１００ａ…燃料電池
１１０…単セル
１１０ｂ…高圧損セル
１１２…膜電極接合体
１２１…第１のバルブ
１２２…第２のバルブ
２００…水素供給部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池内における水分量を推定する水分量推定部と、
制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、複数の発電体と、前記複数の発電体のそれぞれに前記燃料ガスを供給するための第１と第２の燃料ガスマニホールドと、前記第１と第２の燃料ガスマニホールドのそれぞれに設けられ、前記燃料ガスの流れを制御するための第１と第２のバルブと、を備え、
前記複数の発電体のそれぞれには、前記第２の燃料ガスマニホールドとの接続部に、前記第１の燃料ガスマニホールドとの接続部よりも圧力損失を増大させるための高圧損部が設けられ、
前記制御部は、前記第１のバルブが開で前記第２のバルブが閉である第１の状態と、前記第１のバルブが閉で前記第２のバルブが開である第２の状態と、を交互に設定するとともに、前記水分量推定部による推定値に基づいて、前記第１の状態から前記第２の状態への切替タイミングを決定する、燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
前記燃料電池内における水分量を推定する水分量推定部と、
制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、複数の発電体と、前記複数の発電体のそれぞれに前記燃料ガスを供給するための第１と第２の燃料ガスマニホールドと、前記第１と第２の燃料ガスマニホールドのそれぞれに設けられ、前記燃料ガスの流れを制御するための第１と第２のバルブと、を備え、
前記複数の発電体のそれぞれには、前記第２の燃料ガスマニホールドとの接続部に、前記第１の燃料ガスマニホールドとの接続部よりも圧力損失を増大させるための高圧損部が設けられ、
前記制御部は、前記第１のバルブが開で前記第２のバルブが閉である第１の状態と、前記第１のバルブが閉で前記第２のバルブが開である第２の状態と、を交互に設定するとともに、前記水分量推定部による推定値に基づいて、前記第１の状態から前記第２の状態への切替タイミングを決定する、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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１８２４２９（Ｐ２０１０−１８２４２９Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２２１５５（Ｐ２００９−２２１５５）
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月３日（２００９．２．３）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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