燃料電池システム
【課題】燃料電池スタックの乾湿状態を十分にコントロールすることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１に要求される負荷に応じた状態で作動する負荷対応作動部２と、燃料電池スタック１の乾湿状態を検出する乾湿検出部(ステップＳ２，Ｓ４)と、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤又は過乾燥の状態であるときは、その過湿潤又は過乾燥の状態を解消するように、負荷対応作動部２の状態変化速度を制御する変化速度制御部(ステップＳ３，Ｓ５)と、を備える。
【解決手段】燃料電池スタック１に要求される負荷に応じた状態で作動する負荷対応作動部２と、燃料電池スタック１の乾湿状態を検出する乾湿検出部(ステップＳ２，Ｓ４)と、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤又は過乾燥の状態であるときは、その過湿潤又は過乾燥の状態を解消するように、負荷対応作動部２の状態変化速度を制御する変化速度制御部(ステップＳ３，Ｓ５)と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、燃料電池スタックの状態推定結果に基づいて、燃料電池スタックの湿潤状態を制御していた。特に特許文献１では燃料電池を乾燥状態で運転させることで水分量の調整に係る操作を不要にするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３５０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の手法では電解質膜の水分量が低減された状態となるため、たとえば要求出力が大きい場合などに発電量が不十分となるおそれがあった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池スタックの乾湿状態を十分にコントロールすることができる燃料電池システム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】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックに要求される負荷に応じた状態で作動する負荷対応作動部と、前記燃料電池スタックの乾湿状態を検出する乾湿検出部と、を備える。そして負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤又は過乾燥の状態であるときは、その過湿潤又は過乾燥の状態を解消するように、負荷対応作動部の状態変化速度を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷が小さくなる下げ過渡の場合に負荷対応作動部の状態変化速度を制御することで、燃料電池スタックの乾湿状態をコントロールして過湿潤又は過乾燥の状態を早期に解消できるようになったのである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。
【図２】燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【図３】本発明による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートを示す図である。
【図４】ＭＥＡの乾湿状態とインピーダンスとの相関を示す図である。
【図５】空気供給コンプレッサーの速度と電力との相関を示す図である。
【図６】第１実施形態による効果を説明する図である。
【図７】第１実施形態によって過乾燥状態を解消する手法を説明する図である。
【図８】本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。
【図９】本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。
【図１０】本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。
【図１１】本発明による燃料電池システムの第５実施形態を示す図である。
【図１２】本発明による燃料電池システムの第６実施形態の作用効果を説明する図である。
【図１３】燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。
【００１１】
はじめに図１を参照して、本発明による燃料電池システムの一例について説明する。
【００１２】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、空気供給コンプレッサー２と、水素タンク３と、冷媒ポンプ５と、ラジエーター６と、温度センサー７と、コントローラー９と、を備える。
【００１３】
燃料電池スタック１は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。
【００１４】
空気供給コンプレッサー２は、カソードライン２１に設けられる。空気供給コンプレッサー２は、燃料電池スタック１に対して要求される負荷に応じてカソードガス(空気)を供給する。要求される負荷が大きければ空気供給コンプレッサー２は多量のカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。要求される負荷が小さければ空気供給コンプレッサー２は少量のカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。
【００１５】
水素タンク３は、アノードライン３１に設けられる。水素タンク３は、アノードガス(水素)を収容する密閉容器である。水素タンク３は、収容しているアノードガス(水素)を燃料電池スタック１に供給する。水素タンク３の流量は、流量調整バルブ４によって調整される。
【００１６】
冷媒ポンプ５は、燃料電池スタック１に供給する冷媒(冷却水)を循環する。冷媒ポンプ５は、冷媒ライン５１に設けられる。
【００１７】
ラジエーター６は、冷媒ポンプ５によって循環される冷媒の熱を放熱し、冷媒の過熱を防止する。
【００１８】
温度センサー７は、冷媒ライン５１に設けられる。温度センサー７は、冷媒温を検出する。
【００１９】
コントローラー９は、燃料電池スタック１の出力負荷を設定し燃料電池スタック１の運転を制御する。
【００２０】
図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【００２１】
上述のように、燃料電池スタック１は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。なお図２(Ａ)はＭＥＡ１枚を示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給され(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給され(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例を示している。
【００２２】
【化１】
【００２３】
図２(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。そしてカソード流路の下流側では相対湿度が高くなり、カソード側とアノード側の相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側を加湿する。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿する。
【００２４】
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。負荷が大きいときには、負荷に応じて多量の反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)を供給する。これによって大きな発電反応が生じる。そして上式(１)の反応によって多量の水分が生成される。この水分は、アノード流路に蒸発してアノードガスＨ2によって運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿することとなる。負荷が小さくなると、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)の供給量も負荷に応じて少なくする。これによって発電反応も小さくなり、上式(１)の反応によって生成される水分も少なくなる。このように負荷に応じて反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)の供給量を適度に調整することで、適度な水分が生成され、電解質膜が負荷に応じた適度な湿潤状態に保たれる。
【００２５】
しかしながら、負荷に応じた量の反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)を供給している限りは、一旦水分の需給バランスが崩れて、たとえば電解質膜が過湿潤状態になった場合に、需給バランスを回復できない。たとえば冷間始動時には、生成水が蒸発しにくいので、過湿潤状態になる可能性があるが、そのような場合に早期に過湿潤状態が解消されることが望まれる。
【００２６】
そこで本件発明者らは、鋭意研究を重ねて、運転状態の変化など何らかの要因で一旦需給バランスが崩れて電解質膜が過湿潤／過乾燥の状態を早期に解消する手法を知見した。具体的な手法を以下に説明する。
【００２７】
図３は、本発明による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートを示す図である。
【００２８】
ステップＳ１においてコントローラーは、負荷が小さくなる下げ過渡であるか否かを判定する。なお下げ過渡の具体的なシーンとしては、ドライバーがアクセルペダルを戻した場合などがある。コントローラーは、下げ過渡であればステップＳ２へ処理を移行し、下げ過渡でなければ一旦処理を抜ける。
【００２９】
ステップＳ２においてコントローラーは、ＭＥＡが適度な状態よりも湿潤度が高い過湿潤状態であるか否かを判定する。コントローラーは、過湿潤状態であればステップＳ３へ処理を移行し、過湿潤状態でなければステップＳ４へ処理を移行する。なおＭＥＡの湿潤度、すなわち乾湿状態はＭＥＡのインピーダンスによって正確に検出できる。本実施形態の燃料電池システムは、従来品に比べてＭＥＡの湿潤度が低い。
【００３０】
ＭＥＡの乾湿状態とインピーダンスとの相関は、図４に示す通りであり、ＭＥＡの乾湿状態がドライ状態であるほど、ＭＥＡの乾湿状態が変化したときのインピーダンスの変化量が大きくなる。
【００３１】
ステップＳ３においてコントローラーは、負荷に応じて作動する負荷対応作動部の状態変化速度を制御して、過湿潤状態を早期に解消する。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をゆっくりと変化させる。すなわち、空気供給コンプレッサー２は、要求される負荷が大きければ大量のカソードガスを供給するように運転し、要求される負荷が小さければ小量のカソードガスを供給するように運転する。負荷が小さくなる下げ負荷では、カソードガスを大量に供給する状態から、小量だけ供給する状態に移行する。このとき、このステップＳ３では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を小さくして移行させるのである。
【００３２】
なお空気供給コンプレッサー２の速度は、図５に示すように、空気供給コンプレッサー２に供給される電力で調整できる。大きな電力を供給するほど、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を小さくして移行させることができる。また空気供給コンプレッサー２の発電電力を回収して大きく回生させるほど、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を大きくして移行こととなる。空気供給コンプレッサー２に電力を供給せず、かつ空気供給コンプレッサー２の発電電力の回収もしなければ、フリーラン状態になる。
【００３３】
ステップＳ４においてコントローラーは、ＭＥＡが適度な状態よりも湿潤度が低い過乾燥状態であるか否かを判定する。コントローラーは、過乾燥状態であればステップＳ５へ処理を移行し、過乾燥状態でなければ一旦処理を抜ける。
【００３４】
ステップＳ５においてコントローラーは、負荷に応じて作動する負荷対応作動部の状態変化速度を制御して、過乾燥状態を早期に解消する。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をコンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を大きくして変化させる。すなわち、空気供給コンプレッサー２は、要求される負荷が大きければ大量のカソードガスを供給するように運転し、要求される負荷が小さければ小量のカソードガスを供給するように運転する。
【００３５】
負荷が小さくなる下げ負荷では、カソードガスを大量に供給する状態から、小量だけ供給する状態に移行する。このとき、このステップＳ５では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を大きくして移行させるのである。
【００３６】
図６は、第１実施形態による効果を説明する図である。そして図６(Ａ)は、ＭＥＡの乾湿状態が過不足なく適度である場合に、負荷が１５０Ａから１５Ａに低下する下げ過渡のときを示す。
【００３７】
このとき、空気供給コンプレッサー２は、負荷に応じたカソードガス(空気)を供給している。たとえば本実施形態では、負荷が１５０Ａのときには、それに対応して１２０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１２０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。そして負荷が１／１０の１５Ａに低下したら、それに対応して空気量も１／１０にして１２０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１２０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。負荷が低下している間も、負荷に応じた流量の空気を供給する。このようにすれば、電解質膜の湿潤状態が適度な湿潤状態に保たれる。
【００３８】
しかしながら、このような手法では、何らかの要因で電解質膜が過湿潤又は過乾燥の状態になった場合に、適度な湿潤状態に回復することができない。たとえば冷間始動時には、生成水が蒸発しにくいので、過湿潤状態になる可能性があるが、そのような過湿潤状態を解消できない。
【００３９】
図６(Ｂ)は、比較形態によって過湿潤状態を解消する手法を説明する図である。
【００４０】
これに対して、上述の特許文献１では、たとえば電解質膜が過湿潤状態であったら、空気供給量を増量する。図６(Ｂ)では、時刻ｔ１まで、負荷が１５０Ａのときには、図６(Ａ)の場合に比べて増量した１８０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１８０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。そして時刻ｔ２で負荷が１／１０の１５Ａに低下したら、それに対応して空気量も１／１０にして１８０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１８０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。負荷が低下している時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間も、一定割合で増量した空気を供給する。このように空気を増量すれば、反応に本来必要な量よりも過剰な空気が供給されるので、カソード側で生成される水分が、その余剰空気によってＭＥＡ部分から除去される。そのため、電解質膜が徐々に乾燥していき、適度な湿潤状態に回復する。しかしながら、このような手法では空気供給量が不十分なので回復するまでの時間を要する。
【００４１】
図６(Ｃ)は、本実施形態によって過湿潤状態を解消する手法を説明する図である。
【００４２】
これらに対して、本実施形態では、特に負荷が小さくなる下げ過渡に注目し、図３に示すフローチャートに沿って空気供給コンプレッサー２を制御するようにしたのである。
【００４３】
時刻ｔ１で下げ過渡運転であることが判定され(ステップＳ１でＹｅｓ)、ＭＥＡが過加湿状態であるときは(ステップＳ２でＹｅｓ)、負荷対応作動部の状態変化速度を制御する(ステップＳ３)。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をコンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を小さくして変化させる。このようにすれば、負荷が１５Ａに低下した時刻ｔ２においても、９０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（９０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））程度の空気が供給される。すると、下げ過渡時に、負荷に応じて本来必要なカソードガスよりも余剰な空気が供給されることとなるので、その余剰空気によって、カソード側で生成される水分がＭＥＡ部分から除去されて、電解質膜が迅速に乾燥していき、時刻ｔ３で湿潤限界を上回ることとなる。このように本実施形態によれば、図６(Ｂ)の比較形態に比べて、過湿潤状態を早期に解消できるのである。
【００４４】
図７は、第１実施形態によって過乾燥状態を解消する手法を説明する図である。
【００４５】
ＭＥＡが過乾燥状態のときは、以下のように制御する。すなわち時刻ｔ１で下げ過渡運転であることが判定され(ステップＳ１でＹｅｓ)、ＭＥＡが過乾燥状態であるときは(ステップＳ４でＹｅｓ)、負荷対応作動部の状態変化速度を制御する(ステップＳ５)。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態を迅速に変化させる。このようにすれば、負荷が１５Ａに低下した時刻ｔ２よりも前の時刻ｔ４から１２０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１２０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気が供給されることとなる。すると、下げ過渡時に、負荷に応じて本来必要なカソードガスよりも少ない空気しか供給されないので、カソード側で生成される水分のＭＥＡ部分から除去される量が減少するため、電解質膜が湿潤度が上がって、時刻ｔ５で乾燥限界を下回ることとなる。
【００４６】
このように本実施形態では、下げ過渡時に空気供給コンプレッサー２の状態を変化させることに着目した。そしてＭＥＡか過湿潤状態のときには、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をゆっくりと変化させる。またＭＥＡか過乾燥状態のときには、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態を迅速に変化させる。このようにすることで、過湿潤状態／過乾燥状態を早期に解消できるのである。
【００４７】
なお 燃料電池スタックが過乾燥状態であるときには、発電要求カソードガス流量、希釈要求カソードガス流量及び調圧カソードガス流量のなかで最も大きい流量を下回らないように、カソードガス流量を迅速に減少することが望ましい。カソードガス流量を減少させるのが迅速すぎるとスタック発電要求最低流量(ストイキ１)を下回って発電不能になるおそれがある。また、調圧に必要な最低流量を下回ると調圧できなくなるおそれがある。さらに、カソード排出ガスに排水素を混ぜて排気しているシステムでは、排水素濃度が過大になるおそれがある。しかしながら、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときには、発電要求カソードガス流量、希釈要求カソードガス流量及び調圧カソードガス流量のなかで最も大きい流量を下回らないようにすることで、それらを防止できるのである。
【００４８】
（第２実施形態）
図８は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。
【００４９】
本実施形態の燃料電池システムは、カソードライン２１から一旦分岐して燃料電池スタックをバイパスした後、再びカソードライン２１に合流するバイパスライン２２が設けられている。そしてカソードライン２１の燃料電池スタック１よりも下流であってバイパスライン２２に合流する部分よりも上流に流量調整バルブ２１０が設けられる。またバイパスライン２２に流量調整バルブ２２０が設けられる。このような流量調整バルブ２１０及び流量調整バルブ２２０の開度を調整することでも、カソードライン２１を流れるカソードガスの流量及びバイパスライン２２を流れるカソードガスの流量を調整することができる。
【００５０】
したがって流量調整バルブ２１０及び流量調整バルブ２２０によっても、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を調整することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（第３実施形態）
図９は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システムは、カソードライン２１の燃料電池スタック１よりも上流に圧力センサー２１２が設けられている。またカソードライン２１の燃料電池スタック１よりも下流に圧力調整バルブ２１１が設けられている。この圧力調整バルブ２１１は、負荷に応じて、燃料電池スタックに供給するカソードガスの圧力を変化させるように作動する。
【００５３】
そして、圧力調整バルブ２１１は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときはカソードガス圧力を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、迅速に減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して圧力調整バルブ２１１を閉じる速度を速くする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの流量が大きくなっている時間が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して長くなり、早期に過湿潤状態が解消される。
【００５４】
また圧力調整バルブ２１０は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときはカソードガス圧力を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、ゆっくりと減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して圧力調整バルブ２１１を閉じる速度を遅くする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの流量が小さくなっている時間が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して長くなり、早期に過乾燥状態が解消される。
【００５５】
（第４実施形態）
図１０は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。
【００５６】
本実施形態の燃料電池システムは、カソードライン２１の燃料電池スタック１よりも上流には加湿器２１３が設けられている。なおこの加湿器２１３としては、水タンクに貯留された水を噴射する装置や、燃料電池スタックから排出されて湿潤度が高いカソードガスと水交換する加湿器などがある。この加湿器２１３は、負荷に応じて、燃料電池スタックに供給するカソードガスの加湿量を変化させるように作動する。
【００５７】
そして、加湿器２１３は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、カソードガス加湿量を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、迅速に減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して加湿器２１３による加湿量を小さくする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの湿潤度が小さくなるので、早期に過湿潤状態が解消される。
【００５８】
また加湿器２１３は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、カソードガス加湿量を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、ゆっくりと減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して加湿器２１３による加湿量を大きくする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの湿潤度が大きくなるので、早期に過乾燥状態が解消される。
【００５９】
（第５実施形態）
図１１は、本発明による燃料電池システムの第５実施形態を示す図である。
【００６０】
ラジエーターバイパスライン５２は、冷媒ライン５１のラジエーター６よりも上流の部分から分岐し、ラジエーター６の下流に設けられた冷媒調整バルブ５０で再び冷媒ライン５１に合流する。冷媒調整バルブ５０は、負荷に応じて、ラジエーター６に流れる冷媒(冷却水)の量を調整する。冷媒調整バルブ５０は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較してゆっくりと低下するように開度を調整する（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して冷媒調整バルブ５０の開度を小さくする速度を遅くする）。また冷媒調整バルブ５０は、燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して迅速に低下するように開度を調整する（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して冷媒調整バルブ５０の開度を小さくする速度を速くする）。
【００６１】
冷媒がラジエーター６に流れるほど、冷媒の温度が低下する。冷媒の温度が低いほど、燃料電池スタックの温度も低くなる。燃料電池スタックの温度が低いほど、カソード流路で生成された水が蒸発しにくくなり、外部への持ち出され量が少なくなる。したがって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、ゆっくりと温度を低下させることで（すなわち温度の高い状態を少しでも長く保つことで）、外部への水分の持ち出され量が多くなって、過湿潤状態が解消されやすくなる。また燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、迅速に温度を低下させることで（すなわち少しでも速く温度を下げることで）、
外部への持ち出され量が少なくなって、過乾燥状態が解消されやすくなる。
【００６２】
（第６実施形態）
図１２は、本発明による燃料電池システムの第６実施形態の作用効果を説明する図である。
【００６３】
流量調整バルブ４は、上述のように、水素タンク３の流量を調整する。流量調整バルブ４は、負荷に応じて、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を調整する。
【００６４】
そして、流量調整バルブ４は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べて迅速に低下させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べて流量調整バルブ４の閉じる速度を速くする）。また流量調整バルブ４は、燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べてゆっくりと低下させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べて流量調整バルブ４の閉じる速度を遅くする）。
【００６５】
図２を参照して上述したように、カソード流路で生成されてアノード流路に蒸発した水分は、アノードガスＨ2によって運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿することとなる。アノードガス流量が小さいほど、アノード下流への到達距離が短くなり、ＭＥＡは乾燥しやすくなる。そこで本実施形態では、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でないときに比べて迅速に低下するように調整するのである。このようにすれば、過湿潤状態が早期に解消される。
【００６６】
またアノードガス流量が大きいほど、アノード下流への到達距離が長くなり、ＭＥＡは湿潤しやすくなる。そこで本実施形態では、燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、アノードガス流量が、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと低下するように調整するのである。このようにすれば、過乾燥状態が早期に解消される。
【００６７】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００６８】
たとえば、上記実施形態においては、ＭＥＡの湿潤度、すなわち乾湿状態は、ＭＥＡのインピーダンスによって検出するとしたが、各セルの電圧を検出して、セル電圧に基づいて検出してもよい。また燃料電池スタックの総電圧に基づいて検出してもよい。さらにカソードガスの出口に設けられた露点計で検出されたガス出口露点に基づいて検出してもよい。さらにまたガス出口の液水排出速度や液水排出量などに基づいて検出してもよい。
【００６９】
また上記実施形態においては、電解質膜の片面に流れるカソードガスと反対面に流れるアノードガスとは、逆方向に流れる場合を例示して説明したが、同方向に流れてもよい。そのようなものを第１〜５実施形態に適用しても、上述の効果が得られる。
【００７０】
さらに第５実施形態では、負荷に応じて冷媒調整バルブ５０の開度を調整することで、ラジエーター６に流れる冷媒(冷却水)の量を調整したが、冷媒の温度自体を直接調整してもよい。
【００７１】
さらにまた図３のフローチャートでは、下げ過渡を判定した後に、ＭＥＡの乾湿状態を判定したが、図１３のフローチャートように、ＭＥＡの乾湿状態を判定した後に、下げ過渡を判定してもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１ 燃料電池スタック
２ 空気供給コンプレッサー(負荷対応作動部)
３ 水素タンク
４ 流量調整バルブ(負荷対応作動部)
５ 冷媒ポンプ
６ ラジエーター
７ 温度センサー
９ コントローラー
２１０ 流量調整バルブ(負荷対応作動部)
２２０ 流量調整バルブ(負荷対応作動部)
２１１ 圧力調整バルブ(負荷対応作動部)
２１３ 加湿器(負荷対応作動部)
５０ 冷媒調整バルブ(負荷対応作動部)
ステップＳ２，Ｓ４ 乾湿検出部
ステップＳ３，Ｓ５ 変化速度制御部
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１では、燃料電池スタックの状態推定結果に基づいて、燃料電池スタックの湿潤状態を制御していた。特に特許文献１では燃料電池を乾燥状態で運転させることで水分量の調整に係る操作を不要にするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１３５０６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前述した従来の手法では電解質膜の水分量が低減された状態となるため、たとえば要求出力が大きい場合などに発電量が不十分となるおそれがあった。
【０００５】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、燃料電池スタックの乾湿状態を十分にコントロールすることができる燃料電池システム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】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００７】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックに要求される負荷に応じた状態で作動する負荷対応作動部と、前記燃料電池スタックの乾湿状態を検出する乾湿検出部と、を備える。そして負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤又は過乾燥の状態であるときは、その過湿潤又は過乾燥の状態を解消するように、負荷対応作動部の状態変化速度を制御する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、負荷が小さくなる下げ過渡の場合に負荷対応作動部の状態変化速度を制御することで、燃料電池スタックの乾湿状態をコントロールして過湿潤又は過乾燥の状態を早期に解消できるようになったのである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。
【図２】燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【図３】本発明による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートを示す図である。
【図４】ＭＥＡの乾湿状態とインピーダンスとの相関を示す図である。
【図５】空気供給コンプレッサーの速度と電力との相関を示す図である。
【図６】第１実施形態による効果を説明する図である。
【図７】第１実施形態によって過乾燥状態を解消する手法を説明する図である。
【図８】本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。
【図９】本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。
【図１０】本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。
【図１１】本発明による燃料電池システムの第５実施形態を示す図である。
【図１２】本発明による燃料電池システムの第６実施形態の作用効果を説明する図である。
【図１３】燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。
【００１１】
はじめに図１を参照して、本発明による燃料電池システムの一例について説明する。
【００１２】
燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、空気供給コンプレッサー２と、水素タンク３と、冷媒ポンプ５と、ラジエーター６と、温度センサー７と、コントローラー９と、を備える。
【００１３】
燃料電池スタック１は、カソードガス及びアノードガスが供給されて電力を発生する。
【００１４】
空気供給コンプレッサー２は、カソードライン２１に設けられる。空気供給コンプレッサー２は、燃料電池スタック１に対して要求される負荷に応じてカソードガス(空気)を供給する。要求される負荷が大きければ空気供給コンプレッサー２は多量のカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。要求される負荷が小さければ空気供給コンプレッサー２は少量のカソードガスを燃料電池スタック１に供給する。
【００１５】
水素タンク３は、アノードライン３１に設けられる。水素タンク３は、アノードガス(水素)を収容する密閉容器である。水素タンク３は、収容しているアノードガス(水素)を燃料電池スタック１に供給する。水素タンク３の流量は、流量調整バルブ４によって調整される。
【００１６】
冷媒ポンプ５は、燃料電池スタック１に供給する冷媒(冷却水)を循環する。冷媒ポンプ５は、冷媒ライン５１に設けられる。
【００１７】
ラジエーター６は、冷媒ポンプ５によって循環される冷媒の熱を放熱し、冷媒の過熱を防止する。
【００１８】
温度センサー７は、冷媒ライン５１に設けられる。温度センサー７は、冷媒温を検出する。
【００１９】
コントローラー９は、燃料電池スタック１の出力負荷を設定し燃料電池スタック１の運転を制御する。
【００２０】
図２は、燃料電池スタックにおける電解質膜の反応を説明する模式図である。
【００２１】
上述のように、燃料電池スタック１は、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)が供給されて発電する。燃料電池スタック１は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において以下の反応が、負荷に応じて進行して発電する。なお図２(Ａ)はＭＥＡ１枚を示している。ここではＭＥＡにカソードガスが供給され(カソードイン)対角側から排出されながら(カソードアウト)、アノードガスが供給され(アノードイン)対角側から排出される(アノードアウト)例を示している。
【００２２】
【化１】
【００２３】
図２(Ｂ)に示すように、反応ガス(カソードガスＯ2)がカソード流路を流れるにつれて上式(１)の反応が進行し、水蒸気が生成される。そしてカソード流路の下流側では相対湿度が高くなり、カソード側とアノード側の相対湿度差をドライビングフォースとして、水が逆拡散しアノード上流側を加湿する。この水分がさらにＭＥＡからアノード流路に蒸発してアノード流路を流れる反応ガス(アノードガスＨ2)を加湿する。そしてアノード下流側に運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿する。
【００２４】
上記反応によって効率よく発電するには、電解質膜が適度な湿潤状態であることが必要である。負荷が大きいときには、負荷に応じて多量の反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)を供給する。これによって大きな発電反応が生じる。そして上式(１)の反応によって多量の水分が生成される。この水分は、アノード流路に蒸発してアノードガスＨ2によって運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿することとなる。負荷が小さくなると、反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)の供給量も負荷に応じて少なくする。これによって発電反応も小さくなり、上式(１)の反応によって生成される水分も少なくなる。このように負荷に応じて反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)の供給量を適度に調整することで、適度な水分が生成され、電解質膜が負荷に応じた適度な湿潤状態に保たれる。
【００２５】
しかしながら、負荷に応じた量の反応ガス(カソードガスＯ2、アノードガスＨ2)を供給している限りは、一旦水分の需給バランスが崩れて、たとえば電解質膜が過湿潤状態になった場合に、需給バランスを回復できない。たとえば冷間始動時には、生成水が蒸発しにくいので、過湿潤状態になる可能性があるが、そのような場合に早期に過湿潤状態が解消されることが望まれる。
【００２６】
そこで本件発明者らは、鋭意研究を重ねて、運転状態の変化など何らかの要因で一旦需給バランスが崩れて電解質膜が過湿潤／過乾燥の状態を早期に解消する手法を知見した。具体的な手法を以下に説明する。
【００２７】
図３は、本発明による燃料電池システムのコントローラーが実行する制御フローチャートを示す図である。
【００２８】
ステップＳ１においてコントローラーは、負荷が小さくなる下げ過渡であるか否かを判定する。なお下げ過渡の具体的なシーンとしては、ドライバーがアクセルペダルを戻した場合などがある。コントローラーは、下げ過渡であればステップＳ２へ処理を移行し、下げ過渡でなければ一旦処理を抜ける。
【００２９】
ステップＳ２においてコントローラーは、ＭＥＡが適度な状態よりも湿潤度が高い過湿潤状態であるか否かを判定する。コントローラーは、過湿潤状態であればステップＳ３へ処理を移行し、過湿潤状態でなければステップＳ４へ処理を移行する。なおＭＥＡの湿潤度、すなわち乾湿状態はＭＥＡのインピーダンスによって正確に検出できる。本実施形態の燃料電池システムは、従来品に比べてＭＥＡの湿潤度が低い。
【００３０】
ＭＥＡの乾湿状態とインピーダンスとの相関は、図４に示す通りであり、ＭＥＡの乾湿状態がドライ状態であるほど、ＭＥＡの乾湿状態が変化したときのインピーダンスの変化量が大きくなる。
【００３１】
ステップＳ３においてコントローラーは、負荷に応じて作動する負荷対応作動部の状態変化速度を制御して、過湿潤状態を早期に解消する。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をゆっくりと変化させる。すなわち、空気供給コンプレッサー２は、要求される負荷が大きければ大量のカソードガスを供給するように運転し、要求される負荷が小さければ小量のカソードガスを供給するように運転する。負荷が小さくなる下げ負荷では、カソードガスを大量に供給する状態から、小量だけ供給する状態に移行する。このとき、このステップＳ３では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を小さくして移行させるのである。
【００３２】
なお空気供給コンプレッサー２の速度は、図５に示すように、空気供給コンプレッサー２に供給される電力で調整できる。大きな電力を供給するほど、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を小さくして移行させることができる。また空気供給コンプレッサー２の発電電力を回収して大きく回生させるほど、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を大きくして移行こととなる。空気供給コンプレッサー２に電力を供給せず、かつ空気供給コンプレッサー２の発電電力の回収もしなければ、フリーラン状態になる。
【００３３】
ステップＳ４においてコントローラーは、ＭＥＡが適度な状態よりも湿潤度が低い過乾燥状態であるか否かを判定する。コントローラーは、過乾燥状態であればステップＳ５へ処理を移行し、過乾燥状態でなければ一旦処理を抜ける。
【００３４】
ステップＳ５においてコントローラーは、負荷に応じて作動する負荷対応作動部の状態変化速度を制御して、過乾燥状態を早期に解消する。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をコンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を大きくして変化させる。すなわち、空気供給コンプレッサー２は、要求される負荷が大きければ大量のカソードガスを供給するように運転し、要求される負荷が小さければ小量のカソードガスを供給するように運転する。
【００３５】
負荷が小さくなる下げ負荷では、カソードガスを大量に供給する状態から、小量だけ供給する状態に移行する。このとき、このステップＳ５では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、コンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を大きくして移行させるのである。
【００３６】
図６は、第１実施形態による効果を説明する図である。そして図６(Ａ)は、ＭＥＡの乾湿状態が過不足なく適度である場合に、負荷が１５０Ａから１５Ａに低下する下げ過渡のときを示す。
【００３７】
このとき、空気供給コンプレッサー２は、負荷に応じたカソードガス(空気)を供給している。たとえば本実施形態では、負荷が１５０Ａのときには、それに対応して１２０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１２０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。そして負荷が１／１０の１５Ａに低下したら、それに対応して空気量も１／１０にして１２０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１２０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。負荷が低下している間も、負荷に応じた流量の空気を供給する。このようにすれば、電解質膜の湿潤状態が適度な湿潤状態に保たれる。
【００３８】
しかしながら、このような手法では、何らかの要因で電解質膜が過湿潤又は過乾燥の状態になった場合に、適度な湿潤状態に回復することができない。たとえば冷間始動時には、生成水が蒸発しにくいので、過湿潤状態になる可能性があるが、そのような過湿潤状態を解消できない。
【００３９】
図６(Ｂ)は、比較形態によって過湿潤状態を解消する手法を説明する図である。
【００４０】
これに対して、上述の特許文献１では、たとえば電解質膜が過湿潤状態であったら、空気供給量を増量する。図６(Ｂ)では、時刻ｔ１まで、負荷が１５０Ａのときには、図６(Ａ)の場合に比べて増量した１８０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１８０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。そして時刻ｔ２で負荷が１／１０の１５Ａに低下したら、それに対応して空気量も１／１０にして１８０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１８０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気を供給する。負荷が低下している時刻ｔ１から時刻ｔ２までの間も、一定割合で増量した空気を供給する。このように空気を増量すれば、反応に本来必要な量よりも過剰な空気が供給されるので、カソード側で生成される水分が、その余剰空気によってＭＥＡ部分から除去される。そのため、電解質膜が徐々に乾燥していき、適度な湿潤状態に回復する。しかしながら、このような手法では空気供給量が不十分なので回復するまでの時間を要する。
【００４１】
図６(Ｃ)は、本実施形態によって過湿潤状態を解消する手法を説明する図である。
【００４２】
これらに対して、本実施形態では、特に負荷が小さくなる下げ過渡に注目し、図３に示すフローチャートに沿って空気供給コンプレッサー２を制御するようにしたのである。
【００４３】
時刻ｔ１で下げ過渡運転であることが判定され(ステップＳ１でＹｅｓ)、ＭＥＡが過加湿状態であるときは(ステップＳ２でＹｅｓ)、負荷対応作動部の状態変化速度を制御する(ステップＳ３)。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をコンプレッサー２の回転速度を低下させる速度を小さくして変化させる。このようにすれば、負荷が１５Ａに低下した時刻ｔ２においても、９０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（９０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））程度の空気が供給される。すると、下げ過渡時に、負荷に応じて本来必要なカソードガスよりも余剰な空気が供給されることとなるので、その余剰空気によって、カソード側で生成される水分がＭＥＡ部分から除去されて、電解質膜が迅速に乾燥していき、時刻ｔ３で湿潤限界を上回ることとなる。このように本実施形態によれば、図６(Ｂ)の比較形態に比べて、過湿潤状態を早期に解消できるのである。
【００４４】
図７は、第１実施形態によって過乾燥状態を解消する手法を説明する図である。
【００４５】
ＭＥＡが過乾燥状態のときは、以下のように制御する。すなわち時刻ｔ１で下げ過渡運転であることが判定され(ステップＳ１でＹｅｓ)、ＭＥＡが過乾燥状態であるときは(ステップＳ４でＹｅｓ)、負荷対応作動部の状態変化速度を制御する(ステップＳ５)。具体的には、本実施形態では、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態を迅速に変化させる。このようにすれば、負荷が１５Ａに低下した時刻ｔ２よりも前の時刻ｔ４から１２０ｍ3（ｎｏｒ）／ｈｒ．（１２０ｍ3／ｈｒ．（ｎｔｐ））の空気が供給されることとなる。すると、下げ過渡時に、負荷に応じて本来必要なカソードガスよりも少ない空気しか供給されないので、カソード側で生成される水分のＭＥＡ部分から除去される量が減少するため、電解質膜が湿潤度が上がって、時刻ｔ５で乾燥限界を下回ることとなる。
【００４６】
このように本実施形態では、下げ過渡時に空気供給コンプレッサー２の状態を変化させることに着目した。そしてＭＥＡか過湿潤状態のときには、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態をゆっくりと変化させる。またＭＥＡか過乾燥状態のときには、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、空気供給コンプレッサー２の状態を迅速に変化させる。このようにすることで、過湿潤状態／過乾燥状態を早期に解消できるのである。
【００４７】
なお 燃料電池スタックが過乾燥状態であるときには、発電要求カソードガス流量、希釈要求カソードガス流量及び調圧カソードガス流量のなかで最も大きい流量を下回らないように、カソードガス流量を迅速に減少することが望ましい。カソードガス流量を減少させるのが迅速すぎるとスタック発電要求最低流量(ストイキ１)を下回って発電不能になるおそれがある。また、調圧に必要な最低流量を下回ると調圧できなくなるおそれがある。さらに、カソード排出ガスに排水素を混ぜて排気しているシステムでは、排水素濃度が過大になるおそれがある。しかしながら、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときには、発電要求カソードガス流量、希釈要求カソードガス流量及び調圧カソードガス流量のなかで最も大きい流量を下回らないようにすることで、それらを防止できるのである。
【００４８】
（第２実施形態）
図８は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。
【００４９】
本実施形態の燃料電池システムは、カソードライン２１から一旦分岐して燃料電池スタックをバイパスした後、再びカソードライン２１に合流するバイパスライン２２が設けられている。そしてカソードライン２１の燃料電池スタック１よりも下流であってバイパスライン２２に合流する部分よりも上流に流量調整バルブ２１０が設けられる。またバイパスライン２２に流量調整バルブ２２０が設けられる。このような流量調整バルブ２１０及び流量調整バルブ２２０の開度を調整することでも、カソードライン２１を流れるカソードガスの流量及びバイパスライン２２を流れるカソードガスの流量を調整することができる。
【００５０】
したがって流量調整バルブ２１０及び流量調整バルブ２２０によっても、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を調整することができ、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
（第３実施形態）
図９は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す図である。
【００５２】
本実施形態の燃料電池システムは、カソードライン２１の燃料電池スタック１よりも上流に圧力センサー２１２が設けられている。またカソードライン２１の燃料電池スタック１よりも下流に圧力調整バルブ２１１が設けられている。この圧力調整バルブ２１１は、負荷に応じて、燃料電池スタックに供給するカソードガスの圧力を変化させるように作動する。
【００５３】
そして、圧力調整バルブ２１１は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときはカソードガス圧力を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、迅速に減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して圧力調整バルブ２１１を閉じる速度を速くする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの流量が大きくなっている時間が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して長くなり、早期に過湿潤状態が解消される。
【００５４】
また圧力調整バルブ２１０は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときはカソードガス圧力を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、ゆっくりと減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して圧力調整バルブ２１１を閉じる速度を遅くする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの流量が小さくなっている時間が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して長くなり、早期に過乾燥状態が解消される。
【００５５】
（第４実施形態）
図１０は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。
【００５６】
本実施形態の燃料電池システムは、カソードライン２１の燃料電池スタック１よりも上流には加湿器２１３が設けられている。なおこの加湿器２１３としては、水タンクに貯留された水を噴射する装置や、燃料電池スタックから排出されて湿潤度が高いカソードガスと水交換する加湿器などがある。この加湿器２１３は、負荷に応じて、燃料電池スタックに供給するカソードガスの加湿量を変化させるように作動する。
【００５７】
そして、加湿器２１３は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、カソードガス加湿量を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、迅速に減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して加湿器２１３による加湿量を小さくする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの湿潤度が小さくなるので、早期に過湿潤状態が解消される。
【００５８】
また加湿器２１３は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、カソードガス加湿量を、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して、ゆっくりと減少させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して加湿器２１３による加湿量を大きくする）。このようにすることで、燃料電池スタックを通過するカソードガスの湿潤度が大きくなるので、早期に過乾燥状態が解消される。
【００５９】
（第５実施形態）
図１１は、本発明による燃料電池システムの第５実施形態を示す図である。
【００６０】
ラジエーターバイパスライン５２は、冷媒ライン５１のラジエーター６よりも上流の部分から分岐し、ラジエーター６の下流に設けられた冷媒調整バルブ５０で再び冷媒ライン５１に合流する。冷媒調整バルブ５０は、負荷に応じて、ラジエーター６に流れる冷媒(冷却水)の量を調整する。冷媒調整バルブ５０は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較してゆっくりと低下するように開度を調整する（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して冷媒調整バルブ５０の開度を小さくする速度を遅くする）。また冷媒調整バルブ５０は、燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して迅速に低下するように開度を調整する（過湿潤状態でも過乾燥状態でもない場合に比較して冷媒調整バルブ５０の開度を小さくする速度を速くする）。
【００６１】
冷媒がラジエーター６に流れるほど、冷媒の温度が低下する。冷媒の温度が低いほど、燃料電池スタックの温度も低くなる。燃料電池スタックの温度が低いほど、カソード流路で生成された水が蒸発しにくくなり、外部への持ち出され量が少なくなる。したがって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、ゆっくりと温度を低下させることで（すなわち温度の高い状態を少しでも長く保つことで）、外部への水分の持ち出され量が多くなって、過湿潤状態が解消されやすくなる。また燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、迅速に温度を低下させることで（すなわち少しでも速く温度を下げることで）、
外部への持ち出され量が少なくなって、過乾燥状態が解消されやすくなる。
【００６２】
（第６実施形態）
図１２は、本発明による燃料電池システムの第６実施形態の作用効果を説明する図である。
【００６３】
流量調整バルブ４は、上述のように、水素タンク３の流量を調整する。流量調整バルブ４は、負荷に応じて、燃料電池スタック１に供給するアノードガスの流量を調整する。
【００６４】
そして、流量調整バルブ４は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べて迅速に低下させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べて流量調整バルブ４の閉じる速度を速くする）。また流量調整バルブ４は、燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べてゆっくりと低下させる（過湿潤状態でも過乾燥状態でもないときに比べて流量調整バルブ４の閉じる速度を遅くする）。
【００６５】
図２を参照して上述したように、カソード流路で生成されてアノード流路に蒸発した水分は、アノードガスＨ2によって運ばれてアノード下流(カソード上流)のＭＥＡを加湿することとなる。アノードガス流量が小さいほど、アノード下流への到達距離が短くなり、ＭＥＡは乾燥しやすくなる。そこで本実施形態では、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタック１が過湿潤状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でないときに比べて迅速に低下するように調整するのである。このようにすれば、過湿潤状態が早期に解消される。
【００６６】
またアノードガス流量が大きいほど、アノード下流への到達距離が長くなり、ＭＥＡは湿潤しやすくなる。そこで本実施形態では、燃料電池スタック１が過乾燥状態であるときは、アノードガス流量が、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと低下するように調整するのである。このようにすれば、過乾燥状態が早期に解消される。
【００６７】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【００６８】
たとえば、上記実施形態においては、ＭＥＡの湿潤度、すなわち乾湿状態は、ＭＥＡのインピーダンスによって検出するとしたが、各セルの電圧を検出して、セル電圧に基づいて検出してもよい。また燃料電池スタックの総電圧に基づいて検出してもよい。さらにカソードガスの出口に設けられた露点計で検出されたガス出口露点に基づいて検出してもよい。さらにまたガス出口の液水排出速度や液水排出量などに基づいて検出してもよい。
【００６９】
また上記実施形態においては、電解質膜の片面に流れるカソードガスと反対面に流れるアノードガスとは、逆方向に流れる場合を例示して説明したが、同方向に流れてもよい。そのようなものを第１〜５実施形態に適用しても、上述の効果が得られる。
【００７０】
さらに第５実施形態では、負荷に応じて冷媒調整バルブ５０の開度を調整することで、ラジエーター６に流れる冷媒(冷却水)の量を調整したが、冷媒の温度自体を直接調整してもよい。
【００７１】
さらにまた図３のフローチャートでは、下げ過渡を判定した後に、ＭＥＡの乾湿状態を判定したが、図１３のフローチャートように、ＭＥＡの乾湿状態を判定した後に、下げ過渡を判定してもよい。
【符号の説明】
【００７２】
１ 燃料電池スタック
２ 空気供給コンプレッサー(負荷対応作動部)
３ 水素タンク
４ 流量調整バルブ(負荷対応作動部)
５ 冷媒ポンプ
６ ラジエーター
７ 温度センサー
９ コントローラー
２１０ 流量調整バルブ(負荷対応作動部)
２２０ 流量調整バルブ(負荷対応作動部)
２１１ 圧力調整バルブ(負荷対応作動部)
２１３ 加湿器(負荷対応作動部)
５０ 冷媒調整バルブ(負荷対応作動部)
ステップＳ２，Ｓ４ 乾湿検出部
ステップＳ３，Ｓ５ 変化速度制御部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに要求される負荷に応じた状態で作動する負荷対応作動部と、
前記燃料電池スタックの乾湿状態を検出する乾湿検出部と、
前記負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、前記燃料電池スタックが過湿潤又は過乾燥の状態であるときは、その過湿潤又は過乾燥の状態を解消するように、前記負荷対応作動部の状態変化速度を制御する変化速度制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガスの流量を変化させるように作動し、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス流量を、過湿潤状態でないときに比べてゆっくりと減少し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス流量を、過乾燥状態でないときに比べて迅速に減少する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサーである、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスが流れるカソードラインから一旦分岐して燃料電池スタックをバイパスした後、再びカソードラインに合流するバイパスラインをさらに備え、
前記負荷対応作動部は、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガス及び前記バイパスラインを流れるカソードガスの流量を調整する少なくともひとつのバルブである、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックが過乾燥状態であるときに、発電要求カソードガス流量、希釈要求カソードガス流量及び調圧カソードガス流量のなかで最も大きい流量を下回らないように、カソードガス流量の減少速度を速くする、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガスの圧力を変化させるように作動する圧力調整バルブであり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス圧力を、過湿潤状態でないときに比べて迅速に減少し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス圧力を、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと減少する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給する冷媒の温度を変化させるように作動し、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でないときに比べてゆっくりと低下するようにし、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、冷媒温度が、過乾燥状態でないときに比べて迅速に低下するようにする、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックに供給する冷媒が流れる冷媒ラインと、
前記冷媒ラインに設けられ、前記冷媒の熱を放熱するラジエーターと、
をさらに備え、
前記負荷対応作動部は、前記冷媒ラインに設けられ、前記負荷に応じて、前記ラジエーターに流れる冷媒の量を調整する冷媒調整バルブであり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でないときに比べてゆっくりと低下するように前記冷媒調整バルブを調整し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、冷媒温度が、過乾燥状態でないときに比べて迅速に低下するように前記冷媒調整バルブを調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガスの加湿量を変化させるように作動する加湿器であり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、カソードガス加湿量が、過湿潤状態でないときに比べて迅速に低下するように前記加湿器を調整し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、カソードガス加湿量が、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと低下するように前記加湿器を調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するアノードガスの流量を変化させるように作動する流量調整バルブであり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でないときに比べて迅速に低下するように前記流量調整バルブを調整し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、アノードガス流量が、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと低下するように前記流量調整バルブを調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記乾湿検出部は、インピーダンス、セル電圧、総電圧、カソードガス出口露点、カソードガス出口の液水排出速度及びカソードガス出口の液水排出量のうちの少なくともひとつに基づいて、前記燃料電池スタックの乾湿状態を検出する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１】
燃料電池スタックに要求される負荷に応じた状態で作動する負荷対応作動部と、
前記燃料電池スタックの乾湿状態を検出する乾湿検出部と、
前記負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、前記燃料電池スタックが過湿潤又は過乾燥の状態であるときは、その過湿潤又は過乾燥の状態を解消するように、前記負荷対応作動部の状態変化速度を制御する変化速度制御部と、
を備える燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガスの流量を変化させるように作動し、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス流量を、過湿潤状態でないときに比べてゆっくりと減少し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス流量を、過乾燥状態でないときに比べて迅速に減少する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記燃料電池スタックにカソードガスを供給するコンプレッサーである、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックに供給されるカソードガスが流れるカソードラインから一旦分岐して燃料電池スタックをバイパスした後、再びカソードラインに合流するバイパスラインをさらに備え、
前記負荷対応作動部は、前記燃料電池スタックに供給されるカソードガス及び前記バイパスラインを流れるカソードガスの流量を調整する少なくともひとつのバルブである、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
燃料電池スタックが過乾燥状態であるときに、発電要求カソードガス流量、希釈要求カソードガス流量及び調圧カソードガス流量のなかで最も大きい流量を下回らないように、カソードガス流量の減少速度を速くする、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガスの圧力を変化させるように作動する圧力調整バルブであり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス圧力を、過湿潤状態でないときに比べて迅速に減少し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、燃料電池スタックに供給されるカソードガス圧力を、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと減少する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給する冷媒の温度を変化させるように作動し、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でないときに比べてゆっくりと低下するようにし、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、冷媒温度が、過乾燥状態でないときに比べて迅速に低下するようにする、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックに供給する冷媒が流れる冷媒ラインと、
前記冷媒ラインに設けられ、前記冷媒の熱を放熱するラジエーターと、
をさらに備え、
前記負荷対応作動部は、前記冷媒ラインに設けられ、前記負荷に応じて、前記ラジエーターに流れる冷媒の量を調整する冷媒調整バルブであり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、冷媒温度が、過湿潤状態でないときに比べてゆっくりと低下するように前記冷媒調整バルブを調整し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、冷媒温度が、過乾燥状態でないときに比べて迅速に低下するように前記冷媒調整バルブを調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するカソードガスの加湿量を変化させるように作動する加湿器であり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、カソードガス加湿量が、過湿潤状態でないときに比べて迅速に低下するように前記加湿器を調整し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、カソードガス加湿量が、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと低下するように前記加湿器を調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記負荷対応作動部は、前記負荷に応じて、前記燃料電池スタックに供給するアノードガスの流量を変化させるように作動する流量調整バルブであり、
前記変化速度制御部は、負荷が小さくなる下げ過渡の場合であって、燃料電池スタックが過湿潤状態であるときは、アノードガス流量が、過湿潤状態でないときに比べて迅速に低下するように前記流量調整バルブを調整し、燃料電池スタックが過乾燥状態であるときは、アノードガス流量が、過乾燥状態でないときに比べてゆっくりと低下するように前記流量調整バルブを調整する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記乾湿検出部は、インピーダンス、セル電圧、総電圧、カソードガス出口露点、カソードガス出口の液水排出速度及びカソードガス出口の液水排出量のうちの少なくともひとつに基づいて、前記燃料電池スタックの乾湿状態を検出する、
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５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１０９１８２（Ｐ２０１２−１０９１８２Ａ）
【公開日】平成２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５８８７５（Ｐ２０１０−２５８８７５）
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【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２４年６月７日（２０１２．６．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１９日（２０１０．１１．１９）
【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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