燃料電池システム
【課題】本発明は、燃料電池内の液水量を精度よく推定することができる燃料電池システムを提供することにある。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する電気量算出手段と、前記電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池内の反応ガスの物質量を算出する反応ガス物質量算出手段と、前記反応ガス物質量に基づいて、燃料電池内のガス体積を算出するガス体積算出手段と、燃料電池内の流体流路容積から前記ガス体積を差し引いて、燃料電池内の液水体積を算出する液水体積算出手段と、を備える。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する電気量算出手段と、前記電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池内の反応ガスの物質量を算出する反応ガス物質量算出手段と、前記反応ガス物質量に基づいて、燃料電池内のガス体積を算出するガス体積算出手段と、燃料電池内の流体流路容積から前記ガス体積を差し引いて、燃料電池内の液水体積を算出する液水体積算出手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内の液水量を検出する燃料電池システムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、電解質膜の両面をアノード極とカソード極とで挟んで構成された膜電極接合体を、さらに一対のセパレータで挟んで構成された単セルを複数積層した構造となっている。この燃料電池のアノード極に水素を含む燃料ガスを、カソード極に空気（酸素）等の酸化ガスをそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。
【０００３】
ところで、燃料電池の運転中において、生成水は主にカソード極にて生成されるが、カソード極とアノード極との間に介装された電解質膜を介して、カソード極中の水分がアノード極に移動する。このため、燃料電池の発電を停止する際には燃料電池内に液水が残留しており、この液水を放置したまま発電を停止すると、寒冷地や冬季などの低温環境下での使用において水が凍結して電解質膜などを傷めるおそれがある。そこで、燃料電池の発電停止時にアノード極やカソード極に掃気ガスを導入して掃気処理することが行われている。
【０００４】
従来の燃料電池システムでは、発電停止時に予め決められた一定の設定量で掃気処理されていたため、不必要に長い時間掃気してしまうことがあり、これによって電解質膜を劣化させるなどして、発電性能が低下するという問題があった。
【０００５】
掃気は発電停止後に行われ、蓄電装置からのエネルギーを利用する必要があるため、前記のように不必要に長い時間掃気処理が実行されると、蓄電装置の電力を余分に消費して、例えば次回始動時に必要な電力が不足する場合がある。
【０００６】
そこで、燃料電池内の液水量を推定し、その推定した液水量に基づいて燃料電池の掃気処理を実行することが望ましいため、従来から燃料電池内の液水量を推定する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発電電流の積算値に基づいて燃料電池内の液水量を推定する技術が開示されている。
【０００７】
また、例えば、特許文献２には、燃料電池の電圧差から燃料電池内の液水量を推定する技術が開示されている。
【０００８】
また、例えば、特許文献３には、燃料電池内の湿度及び圧力損失から燃料電池内の液水量を推定する技術や、生成水量、電池温度、外気温度、電池負荷、運転履歴から燃料電池内の液水量を推定する技術が開示されている。
【０００９】
また、例えば、特許文献４には、燃料電池の電圧を統計的に処理してフラッディングの程度を推定する技術が開示されている。
【００１０】
また、例えば、特許文献５には、燃料電池のインピーダンスからフラッディングの程度を推定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３５３８９号公報
【特許文献２】特開２００６−３３８９２１号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８１６８号公報
【特許文献４】特開２００５−１０８６７３号公報
【特許文献５】特開平７−２３５３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、特許文献１〜５の方法において、燃料電池の電圧や湿度や圧力損失等では感度が悪く、運転履歴等では誤差の積み重ねを補正することができないため、燃料電池内の液水量を精度よく推定することができない。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、燃料電池内の液水量を精度よく推定することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する電気量算出手段と、前記電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池内の反応ガスの物質量を算出する反応ガス物質量算出手段と、前記反応ガス物質量に基づいて、燃料電池内のガス体積を算出するガス体積算出手段と、燃料電池内の流体流路容積から前記ガス体積を差し引いて、燃料電池内の液水体積を算出する液水体積算出手段と、を備える。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス体積算出手段は、前記反応ガス物質量、飽和蒸気量、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、前記ガス体積を算出することが好ましい。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記液水体積算出手段は、前記液水体積が零以下の場合には、前記反応ガス物質量、前記燃料電池内の流体流路容積、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、燃料電池内の湿度を算出することが好ましい。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記電圧降下時に発生する電気量は、反応ガスが消費された際に発生する電気量と、燃料電池を構成する触媒層の触媒に形成される酸化被膜が還元された際に発生する電気量とを含み、燃料電池内の液水体積が零の時の反応ガスが消費された際に発生する電気量を算出し、該算出した反応ガスが消費された際に発生する電気量を前記電圧降下時に発生する電気量から差し引いて、前記触媒に形成された酸化被膜が還元された際に発生する電気量を算出する手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池内の液水量を精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】（Ａ）は、電圧降下時における電圧と経過時間との関係を表すグラフであり、（Ｂ）は、電圧降下時において発生した電流値と経過時間との関係を表すグラフである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】触媒に形成される酸化被膜が還元される時に発生する電気量の算出方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように燃料電池システム１は、単セルを複数積層した燃料電池１０（スタック）を備えている。単セルは、電解質膜の両面をアノード極及びカソード極で挟んでなるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、を備えている。一方のセパレータには、ＭＥＡのアノード極と対向する面に水素ガスを含む燃料ガスが流通する燃料ガス流路溝が形成され、各単セルの燃料ガス流路溝がマニホールド等を介して連通している。また、他方のセパレータには、ＭＥＡのカソード極と対向する面に空気等の酸化ガスが流通する酸化ガス流路溝が形成され、各単セルの酸化ガス流路溝がマニホールド等を介して連通している。
【００２２】
電解質膜は、例えば、イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子等により薄膜状に形成されている。アノード極及びカソード極は、触媒層及び拡散層を備え、電解質膜側から触媒層、拡散層の順で配置される。触媒層は白金や白金系合金等の触媒を担持した炭素と、電解質等とを混合して、拡散層、又は電解質膜上に成膜したものである。拡散層は、撥水化処理等の表面処理を施したカーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔体等である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１０のアノード側入口（不図示）は、燃料ガス供給路１２を介して燃料ガスタンク１４に接続されており、水素を含む燃料ガスが燃料ガス供給路１２を介してアノード側入口から燃料電池１０内に供給される。そして、燃料ガスはセパレータの燃料ガス流路溝、拡散層を通過し、アノード極の触媒層に供給され、燃料電池１０の発電に利用される。一方、燃料電池１０のアノード側出口（不図示）には、燃料ガス排気路１６が接続されており、発電に利用された燃料ガス（アノード排ガス）が、燃料ガス流路溝を通過して燃料ガス排気路１６へ排出される。
【００２４】
また、図１に示すように、燃料電池１０のカソード側入口（不図示）は、酸化ガス供給路１８を介してエアコンプレッサ２０に接続されており、空気等の酸化ガスが酸化ガス供給路１８を介してカソード側入口から燃料電池１０内に供給される。そして、酸化ガスはセパレータの酸化ガス流路溝、拡散層を通過し、カソード極の触媒層に供給され、燃料電池１０の発電に利用される。一方、燃料電池１０のカソード側出口（不図示）には、酸化ガス排気路２２が接続されており、発電に利用された酸化ガス（カソード排ガス）が、酸化ガス流路溝を通過して酸化ガス排気路２２へ排出される。
【００２５】
燃料電池システム１には、例えば、燃料電池１０内の液水を掃気するために、燃料ガス供給路１２と酸化ガス供給路１８とを接続する連通路２４が設けられている。掃気処理する場合には、エアコンプレッサ２０を稼働させ、連通路２４、燃料ガス排気路１６及び酸化ガス排気路２２に設けられた弁（２６，２８，３０）を開くことにより、掃気ガス（空気）が燃料ガス供給路１２、酸化ガス供給路１８を通して、燃料電池１０内に供給され、燃料電池１０内の液水を掃気することができる。また、連通路２４及び燃料ガス排気路１６の弁（２６，２８）を開き、酸化ガス排気路２２の弁３０を閉じることにより、燃料電池１０のアノード極側にのみ掃気ガスを供給し、アノード極内の液水を掃気することができる。また、連通路２４の弁２６を閉じ、酸化ガス排気路２２の弁３０を開くことにより、燃料電池１０のカソード極側にのみ掃気ガスを供給し、カソード極内の液水を掃気することができる。なお、これらの弁（２６，２８，３０）の開閉は、制御部４０により行われる。
【００２６】
燃料電池１０には、燃料電池１０の電圧を検出する電圧センサ３２、燃料電池１０の電流を検出する電流センサ３４、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ３６、燃料電池１０内の圧力（アノード極側、カソード極側のうち少なくともいずれか一方の圧力）を検出する内圧センサ３８が設置されている。また、各センサは制御部４０に電気的に接続されており、各センサにより検出されたデータが制御部４０に送信される。
【００２７】
制御部４０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、各種インターフェイス、電子回路等から構成されている。
【００２８】
制御部４０は、電気量算出手段、反応ガス物質量算出手段、ガス体積算出手段及び液水体積算出手段を備える。
【００２９】
制御部４０は、燃料電池１０の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する（電気量算出手段）。燃料電池１０の電圧を降下させる際には、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間保持させることが好ましい。その後、燃料電池１０に接続される不図示のコンバータ及びインバータを制御して、燃料電池１０の電圧を降下させる。この際、カソード極側の水分量を算出する場合には、アノード極側への燃料ガスの供給を維持したまま、エアコンプレッサ２０を停止してカソード極側への酸化ガス（空気）の供給を停止することが好ましい。また、アノード極側の水分量を算出する場合には、カソード極側への酸化ガス（空気）の供給は維持したまま、アノード極側への燃料ガスの供給を停止することが好ましい。これにより、燃料電池１０内の液水量の算出精度を向上させることができる。
【００３０】
図２（Ａ）は、電圧降下時における電圧と経過時間との関係を表すグラフであり、図２（Ｂ）は、電圧降下時において発生した電流値と経過時間との関係を表すグラフである。制御部４０は、電圧降下時における電圧センサ３２及び電流センサ３４から送信されるデータを基に、図２（Ｂ）に示す電圧降下時に発生する電流値を積算して、電圧降下時に発生する電気量を算出する。燃料電池１０の電圧降下時に発生する電気量の算出方法は、必ずしも電流値を積算する方法に制限されるものではなく、例えば、図２（Ｂ）に示す電流値のピーク値から電圧降下時に発生する電気量を推定してもよいし、電流値のピーク値から所定時間後の電流値までの傾きから電圧降下時に発生する電気量を推定してもよい。これにより、短時間で電圧降下時に発生する電気量を算出することができる。
【００３１】
制御部４０は、電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池１０内の反応ガス物質量（アノード極内の水素物質量のみ又はカソード極内の酸素物質量のみも含まれる）を算出する（反応ガス物質量算出手段）。図２に示すように、電圧降下時に電流が発生する主な要因は、（１）カソード極の酸素が反応（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）及びアノード極の水素が反応（２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−）する時の電流、（２）触媒に形成される酸化被膜が還元（例えば、ＰｔＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｐｔ＋Ｈ２ＯやＰｔＯＨ＋Ｈ＋＋ｅ−→Ｐｔ＋Ｈ２Ｏ）する時の電流、（３）燃料電池１０に発生する電気二重層容量が放電する時の電流等である。よって、電圧降下時に発生する電気量は、主に（１）〜（３）により発生する電気量の和である。そして、（２）及び（３）により発生する電気量は燃料電池１０が劣化していなければ一定であるため、予め設定した所定値とすることができる。したがって、上記算出した電圧降下時に発生する電気量から予め設定した所定値を差し引くことにより、（１）により発生する電気量を算出し、上記反応式を基に酸素物質量又は水素物質量に換算する。なお、カソード側の場合には、初めにカソード極内にあった酸素が消費されると、その体積分だけ外部から空気が流入し、その空気の２１％の酸素が消費され、これらが繰り返される。したがって、上記算出した酸素物質量は、電圧降下中に消費した酸素物質量であるため、該酸素物質量を所定の定数（１．２７≒１＋０．２１＋０．２１２＋０．２１３＋・・・）で除して、電圧降下させた時の当初の燃料電池１０内にある酸素物質量に補正することが好ましい。
【００３２】
また、（２）及び（３）により発生する電気量は一定であるので、予め電圧降下時に発生する電気量と（１）により発生する電気量との関係を表すマップを制御部４０に記憶させておき、該マップに算出した電圧降下時に発生する電気量を当てはめて、（１）により発生する電気量を算出してもよい。
【００３３】
制御部４０は、反応ガス物質量に基づいて、燃料電池１０内のガス体積（アノード極内のガス体積のみ又はカソード極内のガス体積のみも含まれる）を算出する（ガス体積算出手段）。具体的には気体の状態方程式を用いて（酸素物質量を算出した場合には下式（ａ）、水素物質量を算出した場合には下式（ｂ）を用いる）、燃料電池１０内のガス体積を算出する。
ＰｃＶｃ＝（ｎＮ２＋ｎＯ２＋ｎＨ２Ｏ）Ｒ×Ｔ （ａ）
ＰａＶａ＝（ｎＨ２＋ｎＨ２Ｏ）Ｒ×Ｔ （ｂ）
ここで、Ｐｃはカソード極内の圧力、Ｐａはアノード極内の圧力、Ｖｃはカソード極内のガス体積、Ｖａはアノード極内のガス体積、ｎは物質量、Ｒは気体定数、Ｔは燃料電池１０の温度である。
【００３４】
制御部４０は、電圧降下時における内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ、Ｐａ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）又は水素物質量（ｎＨ２）、酸素物質量に空気中の窒素割合（０．７１）を乗じた窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を上式に当てはめることにより、燃料電池１０内のガス体積（アノード極内のガス体積のみ又はカソード極内のガス体積のみでもよい）を算出する。飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）は、温度と飽和蒸気量との関係を表すマップを用いることにより算出される。
【００３５】
本実施形態では、燃料電池１０内のガス体積を正確に算出する場合には、上記のように気体の状態方程式を用いることが好ましいが、燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを用いて、該マップに算出した反応ガス物質量を当てはめることにより燃料電池１０内のガス体積を算出してもよい。このような燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを採用する場合には、燃料電池１０の温度や圧力に依存すること考慮して、例えば、いくつかの燃料電池温度の時の燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを用意するか、又は、例えば、いくつかの燃料電池１０内の圧力の時の燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを用意することが望ましい。
【００３６】
制御部４０は、燃料電池１０内の流体流路容積から算出した燃料電池１０内のガス体積を差し引いて、燃料電池１０内の液水体積（アノード極内の液水体積のみ又はカソード極内の液水体積のみも含まれる）を算出する（液水体積算出手段）。ここで、燃料電池１０内の流体流路容積は、予め設定される所定値であって、例えば、燃料電池１０のセパレータに形成されるガス流路容積及び拡散層の細孔容積等である。アノード極内の液水体積を算出する場合には、例えば、アノード極側のセパレータの燃料ガス流路容積及び拡散層の細孔容積から、アノード極内のガス体積を差し引き、カソード極内の液水体積を算出する場合には、例えば、カソード極側のセパレータの酸化ガス流路容積及び拡散層の細孔容積から、カソード極内のガス体積を差し引けばよい。
【００３７】
以上により、燃料電池１０内の液水量を精度よく算出することができる。そして、燃料電池１０内の液水量に基づいて、掃気処理の時間、掃気処理の際に供給する掃気ガス（空気）の流量等を決定したり、液水量に基づいて燃料電池１０内の圧損を算出することができる。また、本実施形態は、燃料電池１０内の液水量の算出が必要な時には、いつでも上記のように算出することができるが、液水量の計算制度を向上させることができる点で、燃料電池１０を停止する際、燃料電池１０の間欠運転時、車両のアイドリング時等燃料電池１０に負荷が掛かっていない状態で、燃料電池１０内の液水量を算出することが好ましい。
【００３８】
ところで、燃料電池１０の温度や周囲温度が高温の時等では、燃料電池１０内の生成水が液水として存在していない場合がある（気体の状態）。そして、本実施形態では、燃料電池１０内のガス体積を算出する際に用いた気体の状態方程式において、ｎＨ２Ｏを飽和蒸気量で計算している。すなわち、燃料電池１０内に液水がない場合では、空気中の蒸気が飽和していないにも関わらず飽和蒸気量で計算しているため、燃料電池１０内の流体流路容積から算出した燃料電池１０内のガス体積を差し引いて燃料電池１０内の液水体積を算出すると、その値が零以下になる場合がある。
【００３９】
本実施形態では、通常、制御部４０は、算出した燃料電池１０内の液水体積が零以下の場合には、燃料電池１０内に液水が存在しないとして液水の算出を終了するが、以下の方法により燃料電池１０内の湿度を計算することも可能である。これにより、湿度センサを設置しなくても燃料電池１０内の湿度を算出することができる。
【００４０】
算出した燃料電池１０内の液水体積が零以下の場合は、液水体積が零であるから、所定値である燃料電池１０内の流体流路容積をガス体積とすることができる。すなわち、制御部４０は、既定値である燃料電池１０内の流体流路容積（Ｖｃ、Ｖａ）、電圧降下時における内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ、Ｐａ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）又は水素物質量（ｎＨ２）、酸素物質量に空気中の窒素割合（０．７１）を乗じた窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）を上式（ａ）、（ｂ）に当てはめることにより、燃料電池１０内の蒸気量を算出する。そして、算出した蒸気量を、温度センサ３６から検出された温度での飽和蒸気量で除することにより、燃料電池１０内の湿度を算出することができる。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、カソード極内の液水量を算出する。図３に示すように、ステップＳ１０では、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間維持するように制御する。ステップＳ１２では、制御部４０は、燃料ガスを供給したまま、エアコンプレッサ２０を停止して、燃料電池１０の電圧を降下させる。ステップＳ１４では、電圧センサ３２、電流センサ３４、温度センサ３６、及び内圧センサ３８により、電圧降下時における燃料電池１０の電圧、電流値、温度、内圧を検出する。ステップＳ１６では、制御部４０は、電圧センサ３２及び電流センサ３４から送信されるデータを基に、電圧降下時に発生する電流値を積算して、電圧降下時に発生する電気量を算出する。ステップＳ１８では、制御部４０は、電圧降下時に発生する電気量から予め設定した所定値（触媒に形成される酸化被膜の還元時に発生する電気量及び電気二重総容量の放電時に発生する電気量）を差し引いて酸素ガスが消費された際に発生する電気量を算出する。そして、酸素ガスが消費された際に発生する電気量を酸素物質量に換算し、さらにその値を所定値（１．２７）で除して、電圧降下時にカソード極内にある酸素物質量を算出する。ステップＳ２０では、制御部４０は、上式（ａ）に、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）、窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、温度と蒸気量との関係を表すマップを用いて算出した該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を当てはめて、カソード極内のガス体積を算出する。ステップＳ２２では、制御部４０は、予め設定した所定値であるカソード極内の流体流路容積（カソード極側のセパレータのガス流路容積及び拡散層の細孔容積）から、算出したカソード極内のガス体積を差し引いて、カソード極内の液水体積を算出する。
【００４２】
そして、制御部４０は、算出したカソード極内の液水体積が零を超えていれば、ステップＳ２４に進み、算出した液水体積をカソード極内に存在する液水量として確定する。なお、予めカソード極内の液水量と燃料電池１０内全体の液水量との関係をマップで規定し、該マップに算出したカソード極内の液水量を当てはめて、燃料電池１０内全体の液水量を推定してもよい。
【００４３】
一方、算出したカソード極内の液水体積が零以下であれば、ステップＳ２６に進み、制御部４０は、上式（ａ）に既定値であるカソード極内の流体流路容積（Ｖｃ）、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）、窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）を当てはめて、カソード極内の蒸気量を算出し、算出した蒸気量からカソード極内の湿度を算出する。なお、予めカソード極内の湿度と燃料電池１０内全体の湿度との関係をマップで規定し、該マップに算出したカソード極内の湿度を当てはめて、燃料電池１０内全体の湿度を推定してもよい。
【００４４】
また、アノード極内の液水量を算出する場合には、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間維持するように制御した後、エアコンプレッサ２０により酸化ガスを供給したまま、燃料ガスタンク１４からの燃料ガスの供給を停止して、燃料電池１０の電圧を降下させる。そして、上記と同様に燃料電池システム１を動作させることにより、アノード極内の液水量又は湿度を算出することができる。また、上記同様に、アノード極内の液水量又は湿度から、燃料電池１０内全体の液水量又は湿度を推定することも可能である。
【００４５】
本実施形態では、カソード極内にある酸素物質量を算出する際には、触媒に形成される酸化被膜の還元時に発生する電気量を予め設定した所定値としているが、燃料電池１０を長期間使用すると、触媒が劣化して、触媒に形成される酸化被膜の還元時に発生する電気量が変化してしまうため、上記所定値を補正することが好ましい。
【００４６】
電圧降下時に発生する電気量は、（１）カソード極の酸素が反応する時に発生する電気量、（２）触媒に形成される酸化被膜が還元される時に発生する電気量、（３）電気二重層容量が放電する時に発生する電気量である。そこで、（３）の電気量を所定値とし、また、（１）の電気量を算出すれば、電圧降下時に発生する電気量から（１），（３）の電気量を差し引くことにより、（２）の電気量を算出することができる。
【００４７】
ここで、（１）の電気量を算出するには、カソード極内の液水を零にする必要がある。カソード極内の液水が零であれば、カソード極内のガス体積をカソード極内の流体流路容積に置き換えることができるため、制御部４０は、以下のように（１）の電気量を算出することができる。制御部４０は、上式（ａ）に既定値であるカソード極内の流体流路容積（Ｖｃ）、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、温度と蒸気量との関係を表すマップを用いて算出した該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を当てはめて、カソード極内の酸素物質量を算出する。ここで、カソード極では、初めにカソード極内にあった酸素が消費されると、その体積分だけ外部から空気が流入し、その空気の２１％の酸素が消費され、これらが繰り返されるため、上記算出した酸素物質量に所定の定数（１．２７≒１＋０．２１＋０．２１２＋０．２１３＋・・・）を乗じることにより、カソード極内で消費される酸素物質量が算出される。そして、カソード極の酸素が反応する式（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を基に、算出した消費酸素物質量を酸素ガスが消費される時に発生する電気量（（１）の電気量）に換算する。そして、制御部４０は、電圧降下時に発生する電気量から（１），（３）の電気量を差し引くことにより、（２）の電気量を算出する。これにより、予め規定した（２）の電気量を補正することが可能となる。なお、アノード極側でも同様に算出することが可能である。また、本実施形態では、（３）の電気量を予め設定した所定値としているが、電気二重層容量の放電は最後に行われるため、図２（Ｂ）の電圧降下時において発生した電流値と経過時間との関係を表すグラフにおいて、例えば、電流値が降下した後の平坦領域（１１秒〜１２秒当たり）の電流値を積算し、それを（３）の電気量として算出してもよい。
【００４８】
図４は、触媒に形成される酸化被膜が還元される時に発生する電気量の算出方法の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、ステップＳ３０では、制御部４０は、温度センサ３６により、燃料電池１０の温度を検出し、また、電圧センサ３２、電流センサ３４により、燃料電池１０の電圧及び電流値を検出し、該電圧及び電流値に基づいて内部抵抗を推定する。なお内部抵抗の推定、検出方法は特に制限されるものではなく、従来の推定、検出方法の全てを採用することができる。制御部４０は、検出した温度が予め設定した所定値以下であって、内部抵抗が予め設定した所定値以下である場合にはステップＳ３２に進み、上記条件を満たさない時はその後の動作を終了する。燃料電池１０の温度が高く、また内部抵抗が高いと、カソード極内の蒸気が飽和蒸気と見なせないため、電気量の計算精度が悪くなる虞があるため、上記の温度及び内部抵抗の条件を設定することが好ましい。
【００４９】
ステップＳ３２では、制御部４０は、エアコンプレッサ２０を所定流量で所定時間稼働させ、カソード極内の液水を全て排出させる。ステップＳ３４では、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間維持するように制御する。ステップＳ３６では、制御部４０は、燃料ガスを供給したまま、エアコンプレッサ２０を停止して、燃料電池１０の電圧を降下させる。ステップＳ３８では、電圧センサ３２、電流センサ３４、温度センサ３６、及び内圧センサ３８により、電圧降下時における燃料電池１０の電圧、電流値、温度、内圧を検出する。ステップＳ４０では、制御部４０は、電圧センサ３２及び電流センサ３４から送信されるデータを基に、電圧降下時に発生する電流値を積算して、電圧降下時に発生する電気量を算出する。ステップＳ４２では、制御部４０は、上式（ａ）に、既定値であるカソード極内の流体流路容積（Ｖｃ）、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、温度と蒸気量との関係を表すマップを用いて算出した該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を当てはめて、カソード極内の酸素物質量を算出する。そして、算出した酸素物質量に所定値（１．２７）を乗じて、カソード極内で消費される酸素物質量を算出し、カソード極の酸素が反応する式（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を基に、算出した消費酸素物質量を酸素ガスが消費される時に発生する電気量に換算する。ステップＳ４４では、ＥＣＵ４０は、電圧降下時に発生する電気量から算出した酸素ガスが消費されるときに発生する電気量及び所定値（電気二重層容量が放電する時に発生する電気量）を差し引き、触媒上に形成される酸化被膜が還元される際に発生する電気量を算出する。この算出方法は、カソード極に限定されるものではなく、アノード極側でも同様に行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、１２ 燃料ガス供給路、１４ 燃料ガスタンク、１６ 燃料ガス排気路、１８ 酸化ガス供給路、２０ エアコンプレッサ、２２ 酸化ガス排気路、２４ 連通路、２６，２８，３０ 弁、３２ 電圧センサ、３４ 電流センサ、３６ 温度センサ、３８ 内圧センサ、４０ 制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池内の液水量を検出する燃料電池システムの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、電解質膜の両面をアノード極とカソード極とで挟んで構成された膜電極接合体を、さらに一対のセパレータで挟んで構成された単セルを複数積層した構造となっている。この燃料電池のアノード極に水素を含む燃料ガスを、カソード極に空気（酸素）等の酸化ガスをそれぞれ導入することで、水素と酸素との電気化学反応によって発電して、水を生成する。
【０００３】
ところで、燃料電池の運転中において、生成水は主にカソード極にて生成されるが、カソード極とアノード極との間に介装された電解質膜を介して、カソード極中の水分がアノード極に移動する。このため、燃料電池の発電を停止する際には燃料電池内に液水が残留しており、この液水を放置したまま発電を停止すると、寒冷地や冬季などの低温環境下での使用において水が凍結して電解質膜などを傷めるおそれがある。そこで、燃料電池の発電停止時にアノード極やカソード極に掃気ガスを導入して掃気処理することが行われている。
【０００４】
従来の燃料電池システムでは、発電停止時に予め決められた一定の設定量で掃気処理されていたため、不必要に長い時間掃気してしまうことがあり、これによって電解質膜を劣化させるなどして、発電性能が低下するという問題があった。
【０００５】
掃気は発電停止後に行われ、蓄電装置からのエネルギーを利用する必要があるため、前記のように不必要に長い時間掃気処理が実行されると、蓄電装置の電力を余分に消費して、例えば次回始動時に必要な電力が不足する場合がある。
【０００６】
そこで、燃料電池内の液水量を推定し、その推定した液水量に基づいて燃料電池の掃気処理を実行することが望ましいため、従来から燃料電池内の液水量を推定する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発電電流の積算値に基づいて燃料電池内の液水量を推定する技術が開示されている。
【０００７】
また、例えば、特許文献２には、燃料電池の電圧差から燃料電池内の液水量を推定する技術が開示されている。
【０００８】
また、例えば、特許文献３には、燃料電池内の湿度及び圧力損失から燃料電池内の液水量を推定する技術や、生成水量、電池温度、外気温度、電池負荷、運転履歴から燃料電池内の液水量を推定する技術が開示されている。
【０００９】
また、例えば、特許文献４には、燃料電池の電圧を統計的に処理してフラッディングの程度を推定する技術が開示されている。
【００１０】
また、例えば、特許文献５には、燃料電池のインピーダンスからフラッディングの程度を推定する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−３５３８９号公報
【特許文献２】特開２００６−３３８９２１号公報
【特許文献３】特開２００６−２７８１６８号公報
【特許文献４】特開２００５−１０８６７３号公報
【特許文献５】特開平７−２３５３２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、特許文献１〜５の方法において、燃料電池の電圧や湿度や圧力損失等では感度が悪く、運転履歴等では誤差の積み重ねを補正することができないため、燃料電池内の液水量を精度よく推定することができない。
【００１３】
そこで、本発明の目的は、燃料電池内の液水量を精度よく推定することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの反応により発電する燃料電池と、燃料電池の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する電気量算出手段と、前記電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池内の反応ガスの物質量を算出する反応ガス物質量算出手段と、前記反応ガス物質量に基づいて、燃料電池内のガス体積を算出するガス体積算出手段と、燃料電池内の流体流路容積から前記ガス体積を差し引いて、燃料電池内の液水体積を算出する液水体積算出手段と、を備える。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記ガス体積算出手段は、前記反応ガス物質量、飽和蒸気量、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、前記ガス体積を算出することが好ましい。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記液水体積算出手段は、前記液水体積が零以下の場合には、前記反応ガス物質量、前記燃料電池内の流体流路容積、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、燃料電池内の湿度を算出することが好ましい。
【００１７】
また、前記燃料電池システムにおいて、前記電圧降下時に発生する電気量は、反応ガスが消費された際に発生する電気量と、燃料電池を構成する触媒層の触媒に形成される酸化被膜が還元された際に発生する電気量とを含み、燃料電池内の液水体積が零の時の反応ガスが消費された際に発生する電気量を算出し、該算出した反応ガスが消費された際に発生する電気量を前記電圧降下時に発生する電気量から差し引いて、前記触媒に形成された酸化被膜が還元された際に発生する電気量を算出する手段を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池内の液水量を精度よく推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。
【図２】（Ａ）は、電圧降下時における電圧と経過時間との関係を表すグラフであり、（Ｂ）は、電圧降下時において発生した電流値と経過時間との関係を表すグラフである。
【図３】本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。
【図４】触媒に形成される酸化被膜が還元される時に発生する電気量の算出方法の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。図１に示すように燃料電池システム１は、単セルを複数積層した燃料電池１０（スタック）を備えている。単セルは、電解質膜の両面をアノード極及びカソード極で挟んでなるＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ、膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータと、を備えている。一方のセパレータには、ＭＥＡのアノード極と対向する面に水素ガスを含む燃料ガスが流通する燃料ガス流路溝が形成され、各単セルの燃料ガス流路溝がマニホールド等を介して連通している。また、他方のセパレータには、ＭＥＡのカソード極と対向する面に空気等の酸化ガスが流通する酸化ガス流路溝が形成され、各単セルの酸化ガス流路溝がマニホールド等を介して連通している。
【００２２】
電解質膜は、例えば、イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子等により薄膜状に形成されている。アノード極及びカソード極は、触媒層及び拡散層を備え、電解質膜側から触媒層、拡散層の順で配置される。触媒層は白金や白金系合金等の触媒を担持した炭素と、電解質等とを混合して、拡散層、又は電解質膜上に成膜したものである。拡散層は、撥水化処理等の表面処理を施したカーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性多孔体等である。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池１０のアノード側入口（不図示）は、燃料ガス供給路１２を介して燃料ガスタンク１４に接続されており、水素を含む燃料ガスが燃料ガス供給路１２を介してアノード側入口から燃料電池１０内に供給される。そして、燃料ガスはセパレータの燃料ガス流路溝、拡散層を通過し、アノード極の触媒層に供給され、燃料電池１０の発電に利用される。一方、燃料電池１０のアノード側出口（不図示）には、燃料ガス排気路１６が接続されており、発電に利用された燃料ガス（アノード排ガス）が、燃料ガス流路溝を通過して燃料ガス排気路１６へ排出される。
【００２４】
また、図１に示すように、燃料電池１０のカソード側入口（不図示）は、酸化ガス供給路１８を介してエアコンプレッサ２０に接続されており、空気等の酸化ガスが酸化ガス供給路１８を介してカソード側入口から燃料電池１０内に供給される。そして、酸化ガスはセパレータの酸化ガス流路溝、拡散層を通過し、カソード極の触媒層に供給され、燃料電池１０の発電に利用される。一方、燃料電池１０のカソード側出口（不図示）には、酸化ガス排気路２２が接続されており、発電に利用された酸化ガス（カソード排ガス）が、酸化ガス流路溝を通過して酸化ガス排気路２２へ排出される。
【００２５】
燃料電池システム１には、例えば、燃料電池１０内の液水を掃気するために、燃料ガス供給路１２と酸化ガス供給路１８とを接続する連通路２４が設けられている。掃気処理する場合には、エアコンプレッサ２０を稼働させ、連通路２４、燃料ガス排気路１６及び酸化ガス排気路２２に設けられた弁（２６，２８，３０）を開くことにより、掃気ガス（空気）が燃料ガス供給路１２、酸化ガス供給路１８を通して、燃料電池１０内に供給され、燃料電池１０内の液水を掃気することができる。また、連通路２４及び燃料ガス排気路１６の弁（２６，２８）を開き、酸化ガス排気路２２の弁３０を閉じることにより、燃料電池１０のアノード極側にのみ掃気ガスを供給し、アノード極内の液水を掃気することができる。また、連通路２４の弁２６を閉じ、酸化ガス排気路２２の弁３０を開くことにより、燃料電池１０のカソード極側にのみ掃気ガスを供給し、カソード極内の液水を掃気することができる。なお、これらの弁（２６，２８，３０）の開閉は、制御部４０により行われる。
【００２６】
燃料電池１０には、燃料電池１０の電圧を検出する電圧センサ３２、燃料電池１０の電流を検出する電流センサ３４、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ３６、燃料電池１０内の圧力（アノード極側、カソード極側のうち少なくともいずれか一方の圧力）を検出する内圧センサ３８が設置されている。また、各センサは制御部４０に電気的に接続されており、各センサにより検出されたデータが制御部４０に送信される。
【００２７】
制御部４０は、燃料電池システム１を電子制御するユニットであって、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄａｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、各種インターフェイス、電子回路等から構成されている。
【００２８】
制御部４０は、電気量算出手段、反応ガス物質量算出手段、ガス体積算出手段及び液水体積算出手段を備える。
【００２９】
制御部４０は、燃料電池１０の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する（電気量算出手段）。燃料電池１０の電圧を降下させる際には、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間保持させることが好ましい。その後、燃料電池１０に接続される不図示のコンバータ及びインバータを制御して、燃料電池１０の電圧を降下させる。この際、カソード極側の水分量を算出する場合には、アノード極側への燃料ガスの供給を維持したまま、エアコンプレッサ２０を停止してカソード極側への酸化ガス（空気）の供給を停止することが好ましい。また、アノード極側の水分量を算出する場合には、カソード極側への酸化ガス（空気）の供給は維持したまま、アノード極側への燃料ガスの供給を停止することが好ましい。これにより、燃料電池１０内の液水量の算出精度を向上させることができる。
【００３０】
図２（Ａ）は、電圧降下時における電圧と経過時間との関係を表すグラフであり、図２（Ｂ）は、電圧降下時において発生した電流値と経過時間との関係を表すグラフである。制御部４０は、電圧降下時における電圧センサ３２及び電流センサ３４から送信されるデータを基に、図２（Ｂ）に示す電圧降下時に発生する電流値を積算して、電圧降下時に発生する電気量を算出する。燃料電池１０の電圧降下時に発生する電気量の算出方法は、必ずしも電流値を積算する方法に制限されるものではなく、例えば、図２（Ｂ）に示す電流値のピーク値から電圧降下時に発生する電気量を推定してもよいし、電流値のピーク値から所定時間後の電流値までの傾きから電圧降下時に発生する電気量を推定してもよい。これにより、短時間で電圧降下時に発生する電気量を算出することができる。
【００３１】
制御部４０は、電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池１０内の反応ガス物質量（アノード極内の水素物質量のみ又はカソード極内の酸素物質量のみも含まれる）を算出する（反応ガス物質量算出手段）。図２に示すように、電圧降下時に電流が発生する主な要因は、（１）カソード極の酸素が反応（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）及びアノード極の水素が反応（２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−）する時の電流、（２）触媒に形成される酸化被膜が還元（例えば、ＰｔＯ＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｐｔ＋Ｈ２ＯやＰｔＯＨ＋Ｈ＋＋ｅ−→Ｐｔ＋Ｈ２Ｏ）する時の電流、（３）燃料電池１０に発生する電気二重層容量が放電する時の電流等である。よって、電圧降下時に発生する電気量は、主に（１）〜（３）により発生する電気量の和である。そして、（２）及び（３）により発生する電気量は燃料電池１０が劣化していなければ一定であるため、予め設定した所定値とすることができる。したがって、上記算出した電圧降下時に発生する電気量から予め設定した所定値を差し引くことにより、（１）により発生する電気量を算出し、上記反応式を基に酸素物質量又は水素物質量に換算する。なお、カソード側の場合には、初めにカソード極内にあった酸素が消費されると、その体積分だけ外部から空気が流入し、その空気の２１％の酸素が消費され、これらが繰り返される。したがって、上記算出した酸素物質量は、電圧降下中に消費した酸素物質量であるため、該酸素物質量を所定の定数（１．２７≒１＋０．２１＋０．２１２＋０．２１３＋・・・）で除して、電圧降下させた時の当初の燃料電池１０内にある酸素物質量に補正することが好ましい。
【００３２】
また、（２）及び（３）により発生する電気量は一定であるので、予め電圧降下時に発生する電気量と（１）により発生する電気量との関係を表すマップを制御部４０に記憶させておき、該マップに算出した電圧降下時に発生する電気量を当てはめて、（１）により発生する電気量を算出してもよい。
【００３３】
制御部４０は、反応ガス物質量に基づいて、燃料電池１０内のガス体積（アノード極内のガス体積のみ又はカソード極内のガス体積のみも含まれる）を算出する（ガス体積算出手段）。具体的には気体の状態方程式を用いて（酸素物質量を算出した場合には下式（ａ）、水素物質量を算出した場合には下式（ｂ）を用いる）、燃料電池１０内のガス体積を算出する。
ＰｃＶｃ＝（ｎＮ２＋ｎＯ２＋ｎＨ２Ｏ）Ｒ×Ｔ （ａ）
ＰａＶａ＝（ｎＨ２＋ｎＨ２Ｏ）Ｒ×Ｔ （ｂ）
ここで、Ｐｃはカソード極内の圧力、Ｐａはアノード極内の圧力、Ｖｃはカソード極内のガス体積、Ｖａはアノード極内のガス体積、ｎは物質量、Ｒは気体定数、Ｔは燃料電池１０の温度である。
【００３４】
制御部４０は、電圧降下時における内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ、Ｐａ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）又は水素物質量（ｎＨ２）、酸素物質量に空気中の窒素割合（０．７１）を乗じた窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を上式に当てはめることにより、燃料電池１０内のガス体積（アノード極内のガス体積のみ又はカソード極内のガス体積のみでもよい）を算出する。飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）は、温度と飽和蒸気量との関係を表すマップを用いることにより算出される。
【００３５】
本実施形態では、燃料電池１０内のガス体積を正確に算出する場合には、上記のように気体の状態方程式を用いることが好ましいが、燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを用いて、該マップに算出した反応ガス物質量を当てはめることにより燃料電池１０内のガス体積を算出してもよい。このような燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを採用する場合には、燃料電池１０の温度や圧力に依存すること考慮して、例えば、いくつかの燃料電池温度の時の燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを用意するか、又は、例えば、いくつかの燃料電池１０内の圧力の時の燃料電池１０内の反応ガス物質量とガス体積との関係を表すマップを用意することが望ましい。
【００３６】
制御部４０は、燃料電池１０内の流体流路容積から算出した燃料電池１０内のガス体積を差し引いて、燃料電池１０内の液水体積（アノード極内の液水体積のみ又はカソード極内の液水体積のみも含まれる）を算出する（液水体積算出手段）。ここで、燃料電池１０内の流体流路容積は、予め設定される所定値であって、例えば、燃料電池１０のセパレータに形成されるガス流路容積及び拡散層の細孔容積等である。アノード極内の液水体積を算出する場合には、例えば、アノード極側のセパレータの燃料ガス流路容積及び拡散層の細孔容積から、アノード極内のガス体積を差し引き、カソード極内の液水体積を算出する場合には、例えば、カソード極側のセパレータの酸化ガス流路容積及び拡散層の細孔容積から、カソード極内のガス体積を差し引けばよい。
【００３７】
以上により、燃料電池１０内の液水量を精度よく算出することができる。そして、燃料電池１０内の液水量に基づいて、掃気処理の時間、掃気処理の際に供給する掃気ガス（空気）の流量等を決定したり、液水量に基づいて燃料電池１０内の圧損を算出することができる。また、本実施形態は、燃料電池１０内の液水量の算出が必要な時には、いつでも上記のように算出することができるが、液水量の計算制度を向上させることができる点で、燃料電池１０を停止する際、燃料電池１０の間欠運転時、車両のアイドリング時等燃料電池１０に負荷が掛かっていない状態で、燃料電池１０内の液水量を算出することが好ましい。
【００３８】
ところで、燃料電池１０の温度や周囲温度が高温の時等では、燃料電池１０内の生成水が液水として存在していない場合がある（気体の状態）。そして、本実施形態では、燃料電池１０内のガス体積を算出する際に用いた気体の状態方程式において、ｎＨ２Ｏを飽和蒸気量で計算している。すなわち、燃料電池１０内に液水がない場合では、空気中の蒸気が飽和していないにも関わらず飽和蒸気量で計算しているため、燃料電池１０内の流体流路容積から算出した燃料電池１０内のガス体積を差し引いて燃料電池１０内の液水体積を算出すると、その値が零以下になる場合がある。
【００３９】
本実施形態では、通常、制御部４０は、算出した燃料電池１０内の液水体積が零以下の場合には、燃料電池１０内に液水が存在しないとして液水の算出を終了するが、以下の方法により燃料電池１０内の湿度を計算することも可能である。これにより、湿度センサを設置しなくても燃料電池１０内の湿度を算出することができる。
【００４０】
算出した燃料電池１０内の液水体積が零以下の場合は、液水体積が零であるから、所定値である燃料電池１０内の流体流路容積をガス体積とすることができる。すなわち、制御部４０は、既定値である燃料電池１０内の流体流路容積（Ｖｃ、Ｖａ）、電圧降下時における内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ、Ｐａ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）又は水素物質量（ｎＨ２）、酸素物質量に空気中の窒素割合（０．７１）を乗じた窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）を上式（ａ）、（ｂ）に当てはめることにより、燃料電池１０内の蒸気量を算出する。そして、算出した蒸気量を、温度センサ３６から検出された温度での飽和蒸気量で除することにより、燃料電池１０内の湿度を算出することができる。
【００４１】
図３は、本実施形態に係る燃料電池システムの動作の一例を示すフローチャートである。ここでは、カソード極内の液水量を算出する。図３に示すように、ステップＳ１０では、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間維持するように制御する。ステップＳ１２では、制御部４０は、燃料ガスを供給したまま、エアコンプレッサ２０を停止して、燃料電池１０の電圧を降下させる。ステップＳ１４では、電圧センサ３２、電流センサ３４、温度センサ３６、及び内圧センサ３８により、電圧降下時における燃料電池１０の電圧、電流値、温度、内圧を検出する。ステップＳ１６では、制御部４０は、電圧センサ３２及び電流センサ３４から送信されるデータを基に、電圧降下時に発生する電流値を積算して、電圧降下時に発生する電気量を算出する。ステップＳ１８では、制御部４０は、電圧降下時に発生する電気量から予め設定した所定値（触媒に形成される酸化被膜の還元時に発生する電気量及び電気二重総容量の放電時に発生する電気量）を差し引いて酸素ガスが消費された際に発生する電気量を算出する。そして、酸素ガスが消費された際に発生する電気量を酸素物質量に換算し、さらにその値を所定値（１．２７）で除して、電圧降下時にカソード極内にある酸素物質量を算出する。ステップＳ２０では、制御部４０は、上式（ａ）に、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）、窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、温度と蒸気量との関係を表すマップを用いて算出した該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を当てはめて、カソード極内のガス体積を算出する。ステップＳ２２では、制御部４０は、予め設定した所定値であるカソード極内の流体流路容積（カソード極側のセパレータのガス流路容積及び拡散層の細孔容積）から、算出したカソード極内のガス体積を差し引いて、カソード極内の液水体積を算出する。
【００４２】
そして、制御部４０は、算出したカソード極内の液水体積が零を超えていれば、ステップＳ２４に進み、算出した液水体積をカソード極内に存在する液水量として確定する。なお、予めカソード極内の液水量と燃料電池１０内全体の液水量との関係をマップで規定し、該マップに算出したカソード極内の液水量を当てはめて、燃料電池１０内全体の液水量を推定してもよい。
【００４３】
一方、算出したカソード極内の液水体積が零以下であれば、ステップＳ２６に進み、制御部４０は、上式（ａ）に既定値であるカソード極内の流体流路容積（Ｖｃ）、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、上記算出した酸素物質量（ｎＯ２）、窒素物質量（ｎＮ２）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）を当てはめて、カソード極内の蒸気量を算出し、算出した蒸気量からカソード極内の湿度を算出する。なお、予めカソード極内の湿度と燃料電池１０内全体の湿度との関係をマップで規定し、該マップに算出したカソード極内の湿度を当てはめて、燃料電池１０内全体の湿度を推定してもよい。
【００４４】
また、アノード極内の液水量を算出する場合には、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間維持するように制御した後、エアコンプレッサ２０により酸化ガスを供給したまま、燃料ガスタンク１４からの燃料ガスの供給を停止して、燃料電池１０の電圧を降下させる。そして、上記と同様に燃料電池システム１を動作させることにより、アノード極内の液水量又は湿度を算出することができる。また、上記同様に、アノード極内の液水量又は湿度から、燃料電池１０内全体の液水量又は湿度を推定することも可能である。
【００４５】
本実施形態では、カソード極内にある酸素物質量を算出する際には、触媒に形成される酸化被膜の還元時に発生する電気量を予め設定した所定値としているが、燃料電池１０を長期間使用すると、触媒が劣化して、触媒に形成される酸化被膜の還元時に発生する電気量が変化してしまうため、上記所定値を補正することが好ましい。
【００４６】
電圧降下時に発生する電気量は、（１）カソード極の酸素が反応する時に発生する電気量、（２）触媒に形成される酸化被膜が還元される時に発生する電気量、（３）電気二重層容量が放電する時に発生する電気量である。そこで、（３）の電気量を所定値とし、また、（１）の電気量を算出すれば、電圧降下時に発生する電気量から（１），（３）の電気量を差し引くことにより、（２）の電気量を算出することができる。
【００４７】
ここで、（１）の電気量を算出するには、カソード極内の液水を零にする必要がある。カソード極内の液水が零であれば、カソード極内のガス体積をカソード極内の流体流路容積に置き換えることができるため、制御部４０は、以下のように（１）の電気量を算出することができる。制御部４０は、上式（ａ）に既定値であるカソード極内の流体流路容積（Ｖｃ）、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、温度と蒸気量との関係を表すマップを用いて算出した該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を当てはめて、カソード極内の酸素物質量を算出する。ここで、カソード極では、初めにカソード極内にあった酸素が消費されると、その体積分だけ外部から空気が流入し、その空気の２１％の酸素が消費され、これらが繰り返されるため、上記算出した酸素物質量に所定の定数（１．２７≒１＋０．２１＋０．２１２＋０．２１３＋・・・）を乗じることにより、カソード極内で消費される酸素物質量が算出される。そして、カソード極の酸素が反応する式（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を基に、算出した消費酸素物質量を酸素ガスが消費される時に発生する電気量（（１）の電気量）に換算する。そして、制御部４０は、電圧降下時に発生する電気量から（１），（３）の電気量を差し引くことにより、（２）の電気量を算出する。これにより、予め規定した（２）の電気量を補正することが可能となる。なお、アノード極側でも同様に算出することが可能である。また、本実施形態では、（３）の電気量を予め設定した所定値としているが、電気二重層容量の放電は最後に行われるため、図２（Ｂ）の電圧降下時において発生した電流値と経過時間との関係を表すグラフにおいて、例えば、電流値が降下した後の平坦領域（１１秒〜１２秒当たり）の電流値を積算し、それを（３）の電気量として算出してもよい。
【００４８】
図４は、触媒に形成される酸化被膜が還元される時に発生する電気量の算出方法の一例を示すフローチャートである。図４に示すように、ステップＳ３０では、制御部４０は、温度センサ３６により、燃料電池１０の温度を検出し、また、電圧センサ３２、電流センサ３４により、燃料電池１０の電圧及び電流値を検出し、該電圧及び電流値に基づいて内部抵抗を推定する。なお内部抵抗の推定、検出方法は特に制限されるものではなく、従来の推定、検出方法の全てを採用することができる。制御部４０は、検出した温度が予め設定した所定値以下であって、内部抵抗が予め設定した所定値以下である場合にはステップＳ３２に進み、上記条件を満たさない時はその後の動作を終了する。燃料電池１０の温度が高く、また内部抵抗が高いと、カソード極内の蒸気が飽和蒸気と見なせないため、電気量の計算精度が悪くなる虞があるため、上記の温度及び内部抵抗の条件を設定することが好ましい。
【００４９】
ステップＳ３２では、制御部４０は、エアコンプレッサ２０を所定流量で所定時間稼働させ、カソード極内の液水を全て排出させる。ステップＳ３４では、制御部４０は、発電している燃料電池１０を所定の電圧で所定時間維持するように制御する。ステップＳ３６では、制御部４０は、燃料ガスを供給したまま、エアコンプレッサ２０を停止して、燃料電池１０の電圧を降下させる。ステップＳ３８では、電圧センサ３２、電流センサ３４、温度センサ３６、及び内圧センサ３８により、電圧降下時における燃料電池１０の電圧、電流値、温度、内圧を検出する。ステップＳ４０では、制御部４０は、電圧センサ３２及び電流センサ３４から送信されるデータを基に、電圧降下時に発生する電流値を積算して、電圧降下時に発生する電気量を算出する。ステップＳ４２では、制御部４０は、上式（ａ）に、既定値であるカソード極内の流体流路容積（Ｖｃ）、内圧センサ３８から送信される圧力データ（Ｐｃ）、温度センサ３６から送信される温度データ（Ｔ）、温度と蒸気量との関係を表すマップを用いて算出した該温度での飽和蒸気量（ｎＨ２Ｏ）を当てはめて、カソード極内の酸素物質量を算出する。そして、算出した酸素物質量に所定値（１．２７）を乗じて、カソード極内で消費される酸素物質量を算出し、カソード極の酸素が反応する式（４Ｈ＋＋Ｏ２＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ）を基に、算出した消費酸素物質量を酸素ガスが消費される時に発生する電気量に換算する。ステップＳ４４では、ＥＣＵ４０は、電圧降下時に発生する電気量から算出した酸素ガスが消費されるときに発生する電気量及び所定値（電気二重層容量が放電する時に発生する電気量）を差し引き、触媒上に形成される酸化被膜が還元される際に発生する電気量を算出する。この算出方法は、カソード極に限定されるものではなく、アノード極側でも同様に行うことが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、１２ 燃料ガス供給路、１４ 燃料ガスタンク、１６ 燃料ガス排気路、１８ 酸化ガス供給路、２０ エアコンプレッサ、２２ 酸化ガス排気路、２４ 連通路、２６，２８，３０ 弁、３２ 電圧センサ、３４ 電流センサ、３６ 温度センサ、３８ 内圧センサ、４０ 制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
燃料電池の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する電気量算出手段と、
前記電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池内の反応ガスの物質量を算出する反応ガス物質量算出手段と、
前記反応ガス物質量に基づいて、燃料電池内のガス体積を算出するガス体積算出手段と、
燃料電池内の流体流路容積から前記ガス体積を差し引いて、燃料電池内の液水体積を算出する液水体積算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記ガス体積算出手段は、前記反応ガス物質量、飽和蒸気量、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、前記ガス体積を算出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、前記液水体積算出手段は、前記液水体積が零以下の場合には、前記反応ガス物質量、前記燃料電池内の流体流路容積、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、燃料電池内の湿度を算出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記電圧降下時に発生する電気量は、反応ガスが消費された際に発生する電気量と、燃料電池を構成する触媒層の触媒に形成される酸化被膜が還元された際に発生する電気量とを含み、
燃料電池内の液水体積が零の時の反応ガスが消費された際に発生する電気量を算出し、該算出した反応ガスが消費された際に発生する電気量を前記電圧降下時に発生する電気量から差し引いて、前記触媒に形成された酸化被膜が還元された際に発生する電気量を算出する手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
燃料電池の電圧降下時に発生する電流値から、電圧降下時に発生する電気量を算出する電気量算出手段と、
前記電圧降下時に発生する電気量に基づいて、燃料電池内の反応ガスの物質量を算出する反応ガス物質量算出手段と、
前記反応ガス物質量に基づいて、燃料電池内のガス体積を算出するガス体積算出手段と、
燃料電池内の流体流路容積から前記ガス体積を差し引いて、燃料電池内の液水体積を算出する液水体積算出手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記ガス体積算出手段は、前記反応ガス物質量、飽和蒸気量、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、前記ガス体積を算出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムであって、前記液水体積算出手段は、前記液水体積が零以下の場合には、前記反応ガス物質量、前記燃料電池内の流体流路容積、燃料電池内の温度、燃料電池内の圧力に、気体の状態方程式を適用して、燃料電池内の湿度を算出することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムであって、前記電圧降下時に発生する電気量は、反応ガスが消費された際に発生する電気量と、燃料電池を構成する触媒層の触媒に形成される酸化被膜が還元された際に発生する電気量とを含み、
燃料電池内の液水体積が零の時の反応ガスが消費された際に発生する電気量を算出し、該算出した反応ガスが消費された際に発生する電気量を前記電圧降下時に発生する電気量から差し引いて、前記触媒に形成された酸化被膜が還元された際に発生する電気量を算出する手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２３８４０１（Ｐ２０１１−２３８４０１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７３８１（Ｐ２０１０−１０７３８１）
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【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２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月７日（２０１０．５．７）
【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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