JP2005085531A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】スタックの加湿を適切に行える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】それぞれ高分子膜を有する複数の単位電池１０を積層すると共に、電気的に直列に接続してなるスタック１を備える。スタック１の積層方向両端部に位置する端部単位電池１０ｂに供給するガス流量を、積層方向中央部近傍に位置する中央部単位電池１０ａに供給するガス流量よりも多くなるようにガス流量を調整する流量調整手段を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高分子膜を電解質として用いた燃料電池セルを積層して構成される、固体高分子電解質形燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。特に、発電特性に寄与する各単位電池への反応ガスの供給を最適化する構成に関する。

燃料電池の一つのタイプとして、固体高分子膜を電解質として用いた固体高分子電解質形燃料電池がある。この固体高分子膜は、その膜中に存在する水分子とイオン導電性とが密接な関係にあり、膜中に十分な水を含んでいないとイオン導電体としての機能を果さない。従って、固体高分子電解質形燃料電池では、供給する反応ガスを予め加湿しておく等の作業が必要となる。このとき、加湿量が過多となると、反応ガス流路やガス拡散層部などに水が蓄積し、反応ガスの拡散を阻害して、電池電圧が大きく低下する恐れがある。特に、低温起動時や暖機運転中などにおいて、エンドプレート等からの放熱や熱容量の影響から、積層方向端部に配置された単位電池の温度は上がりにくい。その結果、凝縮水量が増加して、上述したように電池電圧の低下が生じ易くなる。

そこで、燃料電池スタックの中から出力電圧値Ｖが正常範囲を脱するような単位電池が最初に見つかったときに、その単位電池が、燃料電池スタックの両端各２セル部分に該当するか否を判別する燃料電池システムが提案されている。出力電圧値Ｖが正常範囲を脱する単位電池が燃料電池スタックの両端各２セル部分に位置すると判別されたときには、燃料電池スタックは加湿過剰であるとして、燃料ガスおよび酸化ガスの加湿量を低減させている。一方、その単位電池が、燃料電池スタックの両端各２セルを除いた内側部分に位置すると判別されたときには、燃料電池スタックは加湿不足であるとして、燃料ガスおよび酸化ガスの加湿量を増加させている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開２００２−１８４４３８号公報

上述した従来の技術においては、燃料電池スタックの端部で電圧低下を生じた場合には、燃料電池スタックに供給する燃料ガスおよび酸化ガスの加湿量を低減する。このように、燃料電池スタック全体に供給する燃料ガスおよび酸化ガスの湿度を低減することで、燃料電池スタック中央部において電解質膜の乾燥を生じる可能性がある。その結果、燃料電池スタックにおける発電効率が低下する可能性が生じる。

そこで、本発明は、上記の問題を鑑みて、燃料電池スタックの加湿を適切に行う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。

本発明は、高分子膜を有する単位電池を複数積層すると共に、電気的に直列に接続してなる燃料電池スタックを備える。前記燃料電池スタックの積層方向両端部に位置する端部単位電池に供給するガス流量を、積層方向中央部近傍に位置する中央部単位電池に供給するガス流量よりも多くなるように、選択的に調整することができる流量調整手段を有する。

このように、端部単位電池に供給するガス流量を、中央部単位電池に供給するガス流量よりも多くなるように、選択的に調整することで、端部単位電池から排出される水蒸気流量を増大することができる。その結果、端部単位電池におけるフラッディングを抑制することができ、燃料電池スタックの加湿を適切に行うことができる。

第１の実施形態について説明する。ここで用いる燃料電池システムの構成を図１に示す。なお、ここでは車輌の駆動原として用いる燃料電池システムについて説明する。

後述する単位電池１０を積層することにより構成した燃料電池スタック（以下、スタック）１を備える。スタック１には、後述するように、酸化剤ガスを単位電池１０に分配する供給マニホールド１１の流路断面積を変化させるためのステップモータ５を備える。

また、スタック１の図示しない燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置２を備える。例えば、燃料ガス供給装置２において高圧水素ガスを貯蔵した図示しない水素タンクから水素を取り出して圧力を調整し、燃料ガス供給経路７を介してスタック１の燃料極に供給する。燃料極において燃料ガスを用いて発電を行う。このとき消費されなかった燃料ガスは、図示しない循環経路により再びスタック１の燃料極に供給される。

また、スタック１の図示しない酸化剤極に供給する酸化剤ガスを圧送する酸化剤ガス供給ポンプ３を備える。さらに、酸化剤ガス供給ポンプ３により圧送される酸化剤ガスを加湿する加湿装置４を備える。酸化剤ガス供給ポンプ３において流量を調整し、加湿装置４において湿度が調整された酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給経路８を介してスタック１の酸化剤極に供給する。酸化剤極において酸化剤ガスを用いて発電を行い、このとき消費されなかった酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出経路９を介して外部に排出される。酸化剤としては、例えば空気を用いる。

さらに、このような燃料電池システムを制御するためのコントローラ６を備える。コントローラ６では、燃料ガス供給装置２においてスタック１に供給する燃料ガスの流量、および、酸化剤ガス供給ポンプ３によりスタック１に圧送する酸化剤ガスの流量を調整する。また、スタック１に備えたステップモータ５の制御を行うことにより、単位電池１０に供給する反応ガス流量を調整する。

次に、スタック１の構成について図２を用いて説明する。

スタック１を、複数の単位電池１０を積層することにより構成する。単位電池１０を、固体高分子膜からなる電解質膜と、この電解質膜を狭持するように電解質膜の両面に配設される燃料極および酸化剤極と、セル間の隔壁を成すセパレータを積層することにより構成する。電解質膜は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成される。この膜の両側に配設される二つの電極は、白金、または、白金とその他の金属からなる触媒を含有するカーボンクロス、または、カーボンペーパからなり、触媒の存在する面が電解質膜と接触するように形成される。セパレータは、ガス不透過である緻密性カーボン材で構成し、片面または両面に燃料ガスや酸化剤ガス、あるいは冷却媒体の流路を確保するための多数のリブを形成する。

酸化剤ガスを、酸化剤ガス供給経路８を通って、単位電池１０に酸化剤ガスを分配する供給マニホールド１１に供給する。供給マニホールド１１から単位電池１０に分配された酸化剤ガスは、酸化剤極において発電反応に用いられる。発電に用いられなかった酸化剤ガスは、単位電池１０から排出マニホールド１２に回収されて、酸化剤ガス排出経路９を介して外部に排出される。なお、燃料極に関しても、同様に図示しない供給マニホールドおよび排出マニホールドを備え、各単位電池１０に燃料ガスを分配・回収するように構成する。

供給マニホールド１１内には、可動部１３を備える。また、供給マニホールド１１内で可動部１３の位置を設定するステップモータ５を備える。可動部１３を移動させることにより、供給マニホールド１１の流路断面を変化させる。ここでは、可動部１３を移動させることにより、供給マニホールド１１の高さｈを変化させる。ここで、供給マニホールド１１の高さｈは、供給マニホールド１１内の空間についての単位電池１０からの距離に相当する。このように、供給マニホールド１１から単位電池１０へ流れ込む酸化剤ガスの流路を維持すると共に、供給マニホールド１１の流路断面積が変更可能となるように構成する。

積層した単位電池１０の発電状態がほぼ均一の場合には、積層方向中央部に配置された中央部単位電池１０ａと、積層方向端部に配置された端部単位電池１０ｂと、の電圧がほぼ等しくなる。このような場合には、図２に示すようにスタック１の状態を設定する。これをモードＡとする。モードＡの場合には、供給マニホールド１１の高さｈが比較的大きな値となるように可動部１３の位置を設定する。これにより、図４に示すように、スタック１を構成する単位電池１０に、ほぼ均一な流量の酸化剤ガスを供給することができる。

一方、端部単位電池１０ｂから熱が外気に放出され、中央部単位電池１０ａよりも温度が低くなる場合がある。この時には、排出ガスがスタック１から外に運び去ることができる水蒸気量が中央部単位電池１０ａに比べて抑制される。その結果、端部単位電池１０ｂでフラッディングを生じ、電圧の低下を招く可能性がある。このような場合には、図３に示すようにスタック１の状態を設定する。これをモードＢとする。モードＢの場合は、供給マニホールド１１の高さｈが比較的小さな値となるように可動部１３の位置を設定する。この結果、供給マニホールド１１内で、積層方向中央部近傍から端部に向かうガスの流速が大きくなる。つまり、供給マニホールド１１内で、積層方向端部の静圧が中央部よりも相対的に上昇することになるので、図４に示すように中央部単位電池１０ａよりも端部単位電池１０ｂへ多くの酸化剤ガスが供給される。これにより、より多くの排出ガスが端部単位電池１０ｂから排出されるので、水蒸気排出量が増加して端部単位電池１０ｂにおけるフラッディングを抑制・防止することができる。

次に、モードＡ、Ｂの切替制御について、図５のフローチャートを用いて説明する。なお、本フローは、スタック１の発電開始を指示する起動スイッチがＯＮとなったら開始する。

ステップＳ１において、コントローラ６に備えた図示しないタイマーのカウントＳを初期値にリセットする（Ｓ＝０）。ステップＳ２において、スタック１が発電中であるか否かを判断する。発電中ではないときには、本フローを終了する。一方、ステップＳ２において発電中であると判断された場合には、ステップＳ３に進み、１秒間経過したか否かを判断する。つまり、前回、タイマーをカウントしてから１秒経過したと判断されるまでステップＳ３を繰り返し、１秒経過したと判断されたら、ステップＳ４に進む。ステップＳ４において、タイマーをカウントする（Ｓ＝Ｓ＋１）。

次に、ステップＳ５において、カウントＳが所定値Ｓｏより小さいか否かを判断する。ここで、所定値Ｓｏは、スタック１全体が通常の運転温度まで上昇するのに有する時間とする。または、起動運転や暖機運転が終了するまでの時間とする。起動初期には、スタック１の温度が低く、特に端部単位電池１０ｂでは外気の影響を受けて温度が上昇し難い。これにより、端部単位電池１０ｂ内にフラッディングが生じやすく、電圧が低下する可能性がある。そこで、スタック１の温度、特に端部単位電池１０ｂの温度が所定の運転温度に達するまでの時間を所定値Ｓｏとして予め求めておき、この間は端部単位電池１０ｂのフラッディングを抑える制御を行う。

つまり、カウントＳが所定値Ｓｏより小さい場合には、特に端部単位電池１０ｂでフラッディングが生じる可能性があるので、ステップＳ７に進み、モードＢを設定する。つまり、中央部単位電池１０ａに比べて端部単位電池１０ｂに供給される酸化剤ガス流量が大きくなるように、供給マニホールド１１の流路断面を設定する。ここでは、ステップモータ５を制御することにより、供給マニホールド１１の高さｈが比較的小さくなるように設定する。

一方、カウントＳが所定値Ｓｏ以上に達した場合には、中央部単位電池１０ａと端部単位電池１０ｂの発電状態はほぼ同じであると判断して、ステップＳ６においてモードＡを設定する。つまり、中央部単位電池１０ａと端部単位電池１０ｂに供給する酸化剤ガス流量が同じ程度となるように、供給マニホールド１１の流路断面を設定する。ここでは、ステップモータ５を制御することにより、供給マニホールド１１の高さｈが比較的大きくなるように設定する。

このようにステップＳ６、Ｓ７においてモードを設定したら、ステップＳ２に戻り、発電を継続している間は、ステップＳ２〜Ｓ７を繰り返す。このように本実施形態では、起動時には特に端部単位電池１０ｂにおいてフラッディングが生じる可能性が高いとして、積層方向端部のフラッディングを抑制するモードＢを設定し、所定時間（Ｓｏ）が経過したら通常のモードＡを設定する。

次に、本実施形態の効果について説明する。

高分子膜を有する複数の単位電池１０を積層すると共に、電気的に直列に接続してなるスタック１を備える。スタック１の積層方向両端部に位置する端部単位電池１０ｂに供給するガス流量を、積層方向中央部近傍に位置する中央部単位電池１０ａに供給するガス流量よりも多くなるように選択的に調整することができる流量調整手段を有する。これにより、端部単位電池１０ｂにおいてのみ、排水量を増大することができるので、高分子膜を乾燥することなく、単位電池１０全体の発電効率を向上することができる。その結果、スタック１の加湿を適切に行うことができる燃料電池システムを提供することができる。

また、スタック１の積層方向に伸びる、単位電池１０にそれぞれにガスを供給する供給マニホールド１１を備える。前記流量調整手段は、供給マニホールド１１内を積層方向端部に向かって流れるガスの流速を増大するように構成される。これにより、供給マニホールド１１内で、積層方向中央近傍に比較して端部近傍の静圧を大きく調整することができるので、端部単位電池１０ｂに供給されるガス流量を増大することができる。

また、スタック１の積層方向中央部近傍に相当する位置から供給マニホールド１１にガスを供給するガス導入流路８を備える。前記流量調整手段は、供給マニホールド１１の流路断面積を変更してガスの流速を変更するように構成される。このように、供給マニホールド１１の軸方向中央部近傍からガスを供給すると共に、供給マニホールド１１の流路断面を変更可能とすることで、積層方向端部に向かうガスの流速を調整可能とすることができる。その結果、端部単位電池１０ｂに供給されるガス流量を調整可能とすることができ、端部単位電池１０ｂの水分除去を選択的に増大することができる。

さらに、前記流量調整手段を、供給マニホールド１１内部の空間について、単位電池１０からの距離を変更する手段とする。ここでは、供給マニホールド１１内に有する可動部１３と、可動部１３の位置を設定するステップモータ５を用いる。これにより、供給マニホールド１１から単位電池１０へガスが移動する際の流路断面を変化することなく、供給マニホールド１１内の流路断面積を低減することができる。その結果、供給マニホールド１１から単位電池１０へのガスの移動をスムーズに行うことができ、ガスの供給不足を生じるのを避けることができる。

また、端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じるか否かを判断する手段を備える。ここでは、ステップＳ５において、発電開始からの経過時間により判断する。発電開始から所定時間（Ｓｏ）が経過するまでの間は、中央部単位電池１０ａよりも端部単位電池１０ｂに多量のガスを供給する。ここでは、暖機運転時または起動運転時に、端部単位電池１０ｂに多量のガスを供給する。これにより、特に中央部単位電池１０ａに比べて端部単位電池１０ｂの温度が低くフラッディングが生じ易い発電初期時に、端部単位電池１０ｂから除去する水蒸気量を増大することができ、フラッディングを抑制することができる。また、所定時間（Ｓｏ）が経過したら、中央部単位電池１０ａと端部単位電池１０ｂに、概略同量のガスを供給する。これにより、スタック１の温度が上昇したら、積層方向中央部と端部に同量のガスが供給することで、効率のよい発電を行うことができる。

次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図６に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

スタック１の温度を検出する電池温度センサ２１を備える。ここでは、電池温度センサ２１を端部単位電池１０ｂの温度を検出するように配置するがこの限りではない。例えば、小型のスタック１においては、中央部電池１０ａの温度を検出するように配置してもよい。その他の構成を第１の実施形態と同様とする。

このような燃料電池システムのモードＡ、Ｂの切替制御を、図７のフローチャートを用いて説明する。なお、本フローは、スタック１の発電開始を指示する起動スイッチがＯＮとなったら開始する。

ステップＳ１１において、スタック１において発電中であるか否かを判断する。発電中ではない場合には、本フローを終了する。発電中であると判断された場合には、ステップＳ１２に進む。ステップＳ１２において、電池温度センサ２１を用いて電池温度Ｔｃを検出する。ステップＳ１３において、検出した電池温度Ｔｃと所定値Ｔｏを比較する。なお、ここで所定値Ｔｏは、スタック１の通常の運転温度とする。

電池温度Ｔｃが所定値Ｔｏより小さいの場合には、ステップＳ１５に進み、モードＢを設定して端部単位電池１０ｂに供給する酸化剤ガス流量を比較的大きくすることにより、フラッディングを抑制・防止する。一方、電池温度Ｔｃが所定値Ｔｏ以上の場合には、ステップＳ１４に進み、モードＡを設定してスタック１に略均等に酸化剤ガスを供給する。

このように、ステップＳ１４、Ｓ１５においてモードを設定したら、ステップＳ１１に戻り、発電が停止されるまで本フローを繰り返す。本実施形態では、スタック１の温度から、端部においてフラッディングが生じやすい状態であるか否かを判断し、モードＡ、Ｂを選択する。

なお、電池温度センサ２１の替わりにスタック１の冷却水温度を検出する冷却水温度センサを備え、冷却水温度から電池温度Ｔｃを推定することにより本実施形態における制御を実行してもよい。

または、スタック１において生じた熱量と、スタック１から除去された熱量を演算し、これからスタック１の電池温度Ｔｃを算出し、これに応じて本実施形態における制御を実行してもよい。例えば、スタック１の出力電圧と出力電流を検出する手段を備え、発電開始からの電池発熱量を出力電圧および出力電流に基づいて推定し、この電池発電量に応じてスタック１の温度Ｔｃを推定してもよい。このように、ここでは電池温度Ｔｃを電池温度センサ２１により直接検出しているが、雰囲気温度などの環境条件やスタック１熱容量、運転条件などの制御情報等から、理論的な熱発生量および伝熱モデルに基づいて演算された推定値を用いても良い。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

また、端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じるか否かを判断する手段を備える。ここでは単位電池１０の温度を検出または推定する手段を備え、ステップＳ１３において、端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じるか否かを、単位電池１０の電池温度Ｔｃにより判断する。ここでは、単位電池１０の温度を検出する手段として電池温度センサ２１を備える。単位電池１０の温度が所定温度（Ｔｏ）より低い場合には、中央部単位電池１０ａよりも端部単位電池１０ｂに多量のガスを供給する。これにより、電池温度Ｔｃが低く、積層方向両端部の単位電池１０の性能低下が発生する恐れがある条件においても、スタック１を構成する単位電池１０全体を良好な状態で運転することが可能となる。また、単位電池１０の温度が所定温度（Ｔｏ）以上となったら、中央部単位電池１０ａと端部単位電池１０ｂに略同量のガスを供給する。これにより、効率のよい発電を行うことができる。例えば、通常運転時に、外気の影響により端部単位電池１０ｂの温度が低下してフラッディングが生じた場合にも、この端部単位電池１０ｂのフラッディングを低減することができる。

また、単位電池１０の温度を、発電開始時の雰囲気温度と発電開始時からの電池発熱量の推定値と電池の熱容量に基づいて推定する。例えば、スタック１の出力電圧と、出力電流の検出手段を備え、発電開始からの電池発熱量を出力電圧、出力電流にもとすいて推定する。または、単位電池１０の温度を冷却水の温度から推定する。このように、電池温度センサ２１を設置できない場合等にも、単位電池１０の温度を推定することができる。

次に、第３の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図８に示す。以下、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

スタック１の電池温度を検出する電池温度センサを備える。ここでは、スタック１の積層方向中央部の温度を検出する中央部温度センサ２２と、積層方向両端部それぞれの温度を検出する端部温度センサ２３ａ、２３ｂを備える。中央部温度センサ２２で検出した温度を中央部温度Ｔｃｃ、端部温度センサ２３ａで検出した温度を端部温度Ｔｃａ、端部温度センサ２３ｂで検出した温度を端部温度Ｔｃｂとする。その他の構成を第１の実施形態と同様とする。

このような燃料電池システムのモードＡ、Ｂの切替制御を、図９のフローチャートを用いて説明する。なお、本フローは、スタック１の発電開始を指示する起動スイッチがＯＮとなったら開始する。

ステップＳ２１において、スタック１が発電中であるか否かを判断する。発電中ではない場合には本フローを終了し、発電中である場合には、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２において、中央部温度センサ２２および端部温度センサ２３ａ、２３ｂを用いて電池温度Ｔｃｃ、Ｔｃａ、Ｔｃｂを検出する。

ステップＳ２３において、積層方向中央部と端部の温度差ΔＴ（＝Ｔｃｃ−（Ｔｃａ＋Ｔｃｂ）／２）を求め、これと所定値ΔＴｏを比較する。ここで、所定値ΔＴｏは、温度差ΔＴが所定値ΔＴｏ以下の場合には、積層方向端部でフラッディングが生じる可能性が小さいと判断できる値とする。

ステップＳ２３において、温度差ΔＴが所定値ΔＴｏより大きい場合には、ステップＳ２５に進み、モードＢを設定する。これにより、端部単位電池１０ｂに比較的多くの酸化剤ガスを供給してフラッディングを抑制する。一方、温度差ΔＴが所定値ΔＴｏ以下の場合には、ステップＳ２４に進み、モードＡを設定して、積層方向中央部と端部に概略同量の酸化剤ガスを供給する。

ステップＳ２４、Ｓ２５においてモードを設定したら、ステップＳ２１に戻り、発電を停止するまで本フローを繰り返し行う。このように本実施形態では、積層方向中央部と端部の温度差ΔＴから、端部においてフラッディングを生じやすい状態であるか否かを判断し、モードＡ、Ｂを選択する。

なお、第２の実施形態と同様に、電池温度Ｔｃｃ、Ｔｃａ、Ｔｃｂを冷却水温度や発熱量から推定してもよい。例えば、端部温度Ｔｃａ、Ｔｃｂまたは中央部温度Ｔｃｃの少なくとも一方を発電開始時における雰囲気温度と発電開始時からの電池発熱量の推定値と、スタック１の熱容量に基づいて推定する。ただし、ここでは積層方向中央部と端部の温度をそれぞれ検出するので、各部における冷却水温度または発熱量から電池温度を推定する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じるか否かを、スタック１の中央部と端部の温度差ΔＴにより判断する。積層方向両端部の端部単位電池１０ｂの温度を検出または推定する手段、ここでは端部温度センサ２３ａ、２３ｂを備える。また、中央部単位電池１０ａの温度を検出または推定する手段、ここでは、中央部温度センサ２２を備える。積層方向中央部と端部の温度差ΔＴが、所定値ΔＴｏより大きい場合には、中央部単位電池１０ａよりも端部単位電池１０ｂに多量のガスを供給する。このように、端部温度Ｔｃａ、Ｔｃｂが中央部温度Ｔｃｃよりも低く、端部単位電池１０ｂの性能低下が発生する恐れがある条件においても、スタック１を構成する単位電池１０全体を良好な状態で運転することが可能である。また、温度差ΔＴが所定値Ｔｏ以下の場合には、中央部単位電池１０ａと端部単位電池１０ｂに略同量のガスを供給する。これにより、効率のよい発電を行うことができる。

次に、第４の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１０に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

スタック１内を流れる冷却水の温度を検出する水温センサ２４を備える。ここでは、例えばスタック１から排出される直前の冷却水の温度を検出するように水温センサ２４を配置する。その他の構成を第１の実施形態と同様とする。

このような燃料電池システムのモードＡ、Ｂの切替制御を、図１１のフローチャートを用いて説明する。なお、本フローは、スタック１の発電開始を指示する起動スイッチがＯＮとなったら開始する。

ステップＳ３１において、水温センサ２４により起動時におけるスタック１の冷却水温度Ｔｗを検出する。ステップＳ３２において、起動時の冷却水温度Ｔｗに対する所定値Ｓｏ（Tw）を設定する。ここで、所定値Ｓｏ（Tw）は、起動時の冷却水温度がＴｗの場合に、特にスタック１の積層方向端部でフラッディングが生じ易い状態が継続する時間である。つまり、スタック１において端部単位電池１０ｂの温度が十分に上昇するのに必要な時間である。ここでは、Ｔｗ−Ｓｏの制御データテーブルを予め記憶しておき、これを用いて所定値Ｓｏ（Tw）を設定する。なお、起動時の冷却水温度Ｔｗが低いほど端部が暖機するまでに必要な時間である所定値Ｓｏ（Tw）は大きく設定される。

次に、ステップＳ３３において、コントローラ１０のタイマーのカウントをリセットする（Ｓ＝０）。以下、ステップＳ３４〜Ｓ３９においては、ステップＳ２〜Ｓ７と同様の制御を行う。ステップＳ３８、Ｓ３９においてモードを設定したら、ステップＳ３４に戻り、発電が停止されるまで本フローを繰り返し行う。

このように、本実施形態では、起動時の冷却水温度Ｔｗに応じて端部単位電池１０ｂの温度がフラッディングを抑制できる温度まで上昇するのに必要な時間（所定値Ｓｏ（Tw））を設定し、その時間内の場合にはモードＢを、それ以降は通常のモードＡを設定する。

なお、ここでは起動時の冷却水温度Ｔｗに応じて、所定値Ｓｏ（Tw）を設定しているが、起動時の外気温度またはスタック温度に応じて設定してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第２の実施形態と異なる効果のみを説明する。

所定時間（Ｓｏ（Tw））を、起動時の雰囲気温度または冷却水温度または電池温度に応じて設定する。以下、第１実施形態と同様に、所定時間が経過するまではモードＢを継続する。所定時間経過したら、モードＡに設定する。これにより、無駄に端部単位電池１０ｂへの供給ガスの流量を増大するのを防ぐことができ、供給ガスを送るための手段、ここでは酸化剤ガス供給ポンプ３の負荷を抑制することができ、効率のよい運転を行うことができる。

次に、第５の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１２に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

スタック１に電圧検出手段を備える。ここでは、中央部単位電池１０ａの電圧を検出する中央部電圧センサ２５と、両端部の端部単位電池１０ｂの電圧を検出する端部電圧センサ２６ａ、２６ｂを備える。なお、中央部電圧センサ２５の検出した中央部電圧をＶｃ、端部電圧センサ２６ａの検出した端部電圧をＶａ、端部電圧センサ２６ｂの検出した端部電圧をＶｂとする。その他の構成を第１の実施形態と同様とする。

このような燃料電池システムのモードＡ、Ｂの切替制御を、図１３のフローチャートを用いて説明する。なお、本フローは、スタック１の発電開始を指示する起動スイッチがＯＮとなったら開始する。

ステップＳ４１において、スタック１が発電中であるか否かを判断し、発電中でない場合には本フローを終了し、発電中の場合にはステップＳ４２に進む。ステップＳ４２において、中央部電圧センサ２５、端部電圧センサ２６ａ、２６ｂにより電池電圧Ｖｃ、Ｖａ、Ｖｂを検出する。

次に、ステップＳ４３において、中央部単位電池１０ａと端部単位電池１０ｂの電圧差ΔＶ（＝Ｖｃ−（Ｖａ＋Ｖｂ）／２）を算出し、所定値ΔＶｏと比較する。ここで、所定値ΔＶｏは、電圧差ΔＶが所定値ΔＶｏより大きい場合には、端部単位電池１０ｂで電圧低下が生じていると判断される値とする。つまり、フラッディングが生じておらず、酸化剤ガスが十分に供給されている場合の中央部単位電池１０ａと端部単位電池１０ｂの電圧差の最大値を所定値ΔＶｏとして予め実験等により求めておく。

ステップＳ４３において、電圧差ΔＶが所定値ΔＶｏより大きい場合には、端部単位電池１０ｂの電圧低下が生じていると判断してステップＳ４５に進み、モードＢを設定する。一方、ステップＳ４３において、電圧差ΔＶが所定値ΔＶｏ以下の場合には、端部単位電池１０ｂで局所的にフラッディングが生じている状態ではないと判断できるので、ステップＳ４４に進み、モードＡを設定する。

ステップＳ４３、Ｓ４４においてモードを設定したら、ステップＳ４１に戻り、発電が停止されるまで本フローを繰り返す。このように本実施形態では、積層方向中央部と端部の電圧差から、フラッディングが生じるか否かの判断を行い、モードを設定する。

次に、本実施形態における効果について説明する。以下、第１の実施形態とは異なる効果のみを説明する。

端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じているか否かを、中央部と端部の電圧差ΔＶにより判断する。中央部単位電池１０ａの電圧を検出する中央部電圧センサ２５を備える。また、端部単位電池１０ｂそれぞれの電圧を検出する端部電圧センサ２６ａ、２６ｂを備える。端部電圧Ｖａ、Ｖｂが中央部電圧Ｖｃより低く、かつ、この電圧差ΔＶが所定値ΔＶｏより大きい場合には、中央部単位電池１０ａよりも端部単位電池１０ｂに多量のガスを供給する。これにより、端部単位電池１０ｂの電圧が低下した場合に、フラッディングを解消することができ、スタック１を構成する単位電池１０全体を良好な状態とすることができる。また、端部単位電池１０ｂに多量のガスを供給する頻度を端部電圧Ｖａ、Ｖｂが低下した場合に限るので、ガス供給手段、ここでは酸化剤ガス供給ポンプ３が消費する電力を低減することができる。例えば、通常運転時に、外気の影響により端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じて電圧低下が生じた場合にも、この端部単位電池１０ｂのフラッディングを低減して電圧を回復することができる。

次に、第６の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１４に示す。以下、第５の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

スタック１に中央部電圧センサ２５、端部電圧センサ２６ａ、２６ｂに加えて、電池電流Ｉを検出する電流検出手段、ここでは電流センサ２７を備える。なお、電流センサ２７は、スタック１から図示しない負荷に電力を供給する電気回路に備えても良い。その他の構成を、第５の実施形態と同様とする。

このような燃料電池システムのモードＡ、Ｂの切替制御を、図１５のフローチャートを用いて説明する。なお、本フローは、スタック１の起動開始を指示する起動スイッチがＯＮとなったら開始する。

ステップＳ５１において、スタック１が発電中か否かを判断する。発電中でない場合には本フローを終了し、発電中の場合にはステップＳ５２に進む。ステップＳ５２では、中央部電圧センサ２５、端部電圧センサ２６ａ、２６ｂから電池電圧Ｖｃ、Ｖａ、Ｖｂを、電流センサ２７から電池電流Ｉを読み込む。

ステップＳ５３において、電池電流Ｉに対して中央部単位電池１０ａにおける電圧の正常範囲Ｖｃｏ、および、端部単位電池１０ｂにおける電圧の正常範囲Ｖａｏ、Ｖｂｏを設定する。次に、ステップＳ５４において、中央部電圧Ｖｃが正常範囲Ｖｃｏ内であるか否かを判断する。中央部電圧Ｖｃが正常ではないと判断されたらステップＳ５５に進む。ステップＳ５５では、異常時処理を行う。なお、この異常時の処理制御は公知の方法に従って行い、ここでは省略する。なお、異常時処理によりスタック１における電池電圧が正常に戻ったら、ステップＳ５１に戻り、本フローを繰り返す。

一方、ステップＳ５４において、中央部端圧Ｖｃが正常範囲Ｖｃｏ内である場合にはステップＳ５６に進む。ステップＳ５６において、検出された端部電圧Ｖａ、Ｖｂが正常範囲Ｖａｏ、Ｖｂｏにあるか否かを判断する。正常範囲Ｖａｏ、Ｖｂｏにある場合には、ステップＳ５７に進む。なお、ここでは、端部電圧Ｖａ、Ｖｂの少なくとも一方が正常範囲から逸脱したら、正常ではないと判断する。

端部電圧Ｖａ、Ｖｂが正常であると判断された場合、つまり、電池電圧Ｖｃ、Ｖａ、Ｖｂが全て正常であると判断される場合にはステップＳ５７に進む。ステップＳ５７においては、モードＡを設定し、単位電池１０に略均一に酸化剤ガスを供給する。

一方、端部電圧Ｖａ、Ｖｂが異常であると判断された場合、つまり、中央部電圧Ｖｃは正常で、端部電圧Ｖａ、Ｖｂが異常であると判断される場合には、ステップＳ５８に進む。ステップＳ５８では、モードＢを設定し、端部単位電池１０ｂに中央部単位電池１０ａよりも多くの酸化剤ガスを供給することにより、端部単位電池１０ｂにおけるフラッディングを低減・防止する。これにより、端部単位電池１０ｂの電圧低下を回復させる。

ステップＳ５７、Ｓ５８においてモードを設定したら、ステップＳ５１に戻り、発電が継続している間は本フローを繰り返す。このように、電池電流Ｉに応じて電池電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの正常範囲Ｖａｏ、Ｖｂｏ、Ｖｃｏを設定し、端部においてのみ電池電圧が異常となる場合に、端部単位電池１０ｂでフラッディングを生じている可能性があるとして、モードＢを設定する。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第５の実施形態と異なる効果のみを説明する。

端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じるか否かを、電池電圧が正常範囲にあるか否かにより判断する。電池電流Ｉを検出する電流センサ２７を備える。電池電流Ｉに応じた電池電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃの正常範囲Ｖａｏ、Ｖｂｏ、Ｖｃｏを設定する。中央部電圧Ｖｃが正常範囲Ｖｃｏにあり、端部電圧Ｖａ、Ｖｂが正常範囲Ｖａｏ、Ｖｂｏにない場合に、中央部単位電池１０ａよりも端部単位電池１０ｂに多量のガスを供給する。これにより、端部単位電池１０ｂのみにフラッディングが生じて電圧値が異常となった場合に、そのフラッディングを低減することができる。このように、端部単位電池１０ｂに供給するガス流量を不要に増大するのを防ぐことができ、酸化剤ガス供給ポンプ３に消費される電力を低減することができる。

次に、第７の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。スタック１の構成を図１６に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

酸化剤ガスをガス供給経路８から供給マニホールド１１に供給する経路を複数備える。ここでは、ガス供給経路８を経路８ａ、８ｂ、８ｃの三つに分岐し、それぞれの経路８の端部を供給マニホールド１１に接続する。経路８ａを供給マニホールド１１の軸方向中央近傍に接続する。言い換えれば、経路８ａをスタック１の積層方向中央部近傍に相当する位置に接続する。経路８ｂ、８ｃは、供給マニホールド１１の中央部からある程度端部側にずれた部分に接続し、それぞれの経路８ｂ、８ｃにはガス流量調整バルブ１４ｂ、１４ｃを備える。なお、経路８ａの流路断面を、経路８ｂ、８ｃの流路断面より大きく形成する。

このように、本実施形態では、可動部１３およびステップモータ５の替わりに、ガス供給経路８を経路８ａ〜ｃに分岐し、スタック１の積層方向中央近傍に接続する経路８ａ以外の少なくとも一つの経路（８ｂ、８ｃ）にガス流量調整バルブ１４を備える。これにより、前述したように端部単位電池１０ｂに供給する酸化剤ガス流量の割合を変化させることで、モードＡ、Ｂの切替を行う。

端部単位電池１０ｂにおいてフラッディングが生じないと判断される場合には、モードＡを設定する。この場合には、ガス流量調整バルブ１４ｂ、１４ｃを開とする。このように、積層方向に分散して供給マニホールド１１に酸化剤ガスを供給することで、全ての単位電池１０に供給される酸化剤ガスの量が均一化される。

一方、端部単位電池１０ｂにおいてフラッディングが生じる可能性があると判断された場合には、モードＢを設定する。この場合には、ガス流量調整バルブ１４ｂ、１４ｃを閉とする。これにより、供給マニホールド１１には、経路８ａを介して積層方向中央部近傍から酸化剤ガスが供給される。この場合には、供給マニホールド１１内において積層方向端部の静圧が大きくなるので、端部単位電池１０ｂへの酸化剤ガスの供給流量が中央部単位電池１０ａに比べて大きくなる。その結果、端部単位電池１０ｂにおけるフラッディングを低減・除去することができる。

なお、ここでは、第１の実施形態において説明した燃料電池システムに適用したが、第１〜６の実施形態において説明した燃料電池システムのいずれに適用してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

スタック１の積層方向中央部近傍に相当する位置、および、それより端部側に相当する複数の位置から、供給マニホールド１１にガスを供給する複数の経路８ａ、８ｂ、８ｃを備える。流量調整手段は、端部側に相当する複数の位置の少なくとも一箇所からのガスの供給を選択的に停止するように構成される。ここでは経路８ａ、８ｂ、８ｃとガス流量調整バルブ１４ｂ、１４ｃを用いる。これにより、酸化剤ガスの供給マニホールド１１への供給経路を変更することができるので、端部単位電池１０ｂにフラッディングが生じ易い場合には、端部単位電池１０ｂに供給される酸化剤ガスを増大することができる。また、全ての単位電池１０が略均一な運転条件にある場合には、全単位電池１０に略同量の酸化剤ガスを供給することができる。

次に、第８の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を第１の実施形態と同様に図１に示す。スタック１の構成を図１７に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

ここでは、酸化剤ガスを、ガス供給経路８から供給マニホールド１１に供給する経路を複数備える。ここでは、ガス供給経路８を経路８ａ、８ｄ、８ｅの三つに分岐し、それぞれの経路８の端部を供給マニホールド１１に接続する。経路８ａを供給マニホールド１１の軸方向中央近傍に接続する。言い換えれば、経路８ａをスタック１の積層方向中央部近傍に相当する位置に接続する。経路８ｄ、８ｅは、供給マニホールド１１の端部に接続し、それぞれの経路８ｄ、８ｅにはガス流量調整バルブ１４ｄ、１４ｅを備える。なお、経路８ａの流路断面が、経路８ｄ、８ｅの流路断面より大きくなるように設計する。

このように、本実施形態では、可動部１３およびステップモータ５の替わりに、ガス供給経路８を経路８ａ、８ｄ、８ｅに分岐し、スタック１の積層方向中央近傍に接続する経路８ａ以外の少なくとも一つの経路（８ｄ、８ｅ）にガス流量調整バルブ１４を備える。これにより、前述したように端部単位電池１０ｂに供給する酸化剤ガス流量の割合を調整して、モードＡ、Ｂの切替を行う。

端部単位電池１０ｂにおいてフラッディングが生じないと判断される場合には、モードＡを設定する。この場合には、ガス流量調整バルブ１４ｄ、１４ｅを開とする。このように、積層方向端部からも酸化剤ガスを供給することで、全ての単位電池１０に供給される酸化剤ガスの量を均一化する。

一方、端部単位電池１０ｂにおいて、フラッディングが生じる可能性があると判断された場合にはモードＢを設定する。この場合には、ガス流量調整バルブ１４ｄ、１４ｅを閉とする。これにより、酸化剤ガスが経路８ａから供給マニホールド１１の積層方向中央部近傍に酸化剤ガスが供給される。この場合には、供給マニホールド１１内において積層方向端部で静圧が大きくなるので、端部単位電池１０ｂへの酸化剤ガス供給量が中央部単位電池１０ａに比べて大きくなる。これにより、端部単位電池１０ｂにおけるフラッディングを低減・除去することができる。

なお、ここでは、第１の実施形態において説明した燃料電池システムに適用したが、第１〜６の実施形態において説明した燃料電池システムのいずれに適用してもよい。

次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。

このように、スタック１の積層方向中央部近傍に相当する位置、および、端部側に相当する複数の位置から、供給マニホールド１１にガスを供給する複数の経路８ａ、８ｄ、８ｅを備える。流量調整手段を、端部側に相当する複数の位置の少なくとも一箇所からのガスの供給を選択的に停止するように構成する。ここでは、経路８ａ、８ｄ、８ｅと、ガス流量調整バルブ１４ｄ、１４ｅを用いる。このように端部側に相当する複数の位置から、供給マニホールド１１に酸化剤ガスを供給する構成としたことで、モードＡにおいて積層方向により均一に酸化剤ガスを供給することができる。

なお、ここでは、端部単位電池１０ｂでフラッディングが生じ易い場合に、酸化剤ガスについてのみ、端部単位電池１０ｂに供給する流量割合を増大したが、この限りではない。燃料極にフラッディングが生じる可能性がある場合には、燃料ガスの流路に関しても同様に構成し、制御することができる。

このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更が為し得ることは言うまでもない。

本発明は、固体高分子型燃料電池等の水管理が必要となる燃料電池に適用することができる。また、反応ガスの流量分布の変更が要求される燃料電池に適用することができる。

第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第１の実施形態に用いるスタックをモードＡに設定した時の状態図である。 第１の実施形態に用いるスタックをモードＢに設定した時の状態図である。 第１の実施形態におけるスタックの酸化剤ガス流量を示す図である。 第１の実施形態におけるモードＡ、Ｂの切替方法を示すフローチャートである。 第２の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第２の実施形態におけるモードＡ、Ｂの切替方法を示すフローチャートである。 第３の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第３の実施形態におけるモードＡ、Ｂの切替方法を示すフローチャートである。 第４の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第４の実施形態におけるモードＡ、Ｂの切替方法を示すフローチャートである。 第５の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第５の実施形態におけるモードＡ、Ｂの切替方法を示すフローチャートである。 第６の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第６の実施形態におけるモードＡ、Ｂの切替方法を示すフローチャートである。 第７の実施形態に用いるスタックの概略構成図である。 第８の実施形態に用いるスタックの概略構成図である。

符号の説明

１ スタック（燃料電池スタック）
５ ステップモータ（流量調整手段）
８ ガス供給経路（ガス導入流路）
８ａ〜ｅ 経路（ガス導入流路）
１０ 単位電池
１０ａ 中央部単位電池
１０ｂ 端部単位電池
１１ 供給マニホールド
１３ 可動部（流量調整手段）
１４ ガス流量調整バルブ（流量調整手段）
ｈ 高さ（単位電池からの距離）

Claims (5)

1. 高分子膜を有する単位電池を複数積層すると共に、電気的に直列に接続してなる燃料電池スタックを備え、
   前記燃料電池スタックの積層方向両端部に位置する端部単位電池に供給するガス流量を、積層方向中央部近傍に位置する中央部単位電池に供給するガス流量よりも多くなるように、選択的に調整することができる流量調整手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの積層方向に伸び、前記単位電池にそれぞれにガスを供給する供給マニホールドを備え、
   前記流量調整手段は、前記供給マニホールド内を積層方向端部に向かって流れるガスの流速を増大するように構成される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池スタックの積層方向中央部近傍に相当する位置から前記供給マニホールドにガスを供給するガス導入流路を備え、
   前記流量調整手段は、前記供給マニホールドの流路断面積を変更してガスの流速を変更するように構成される請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記流量調整手段は、前記供給マニホールド内部の空間について、前記単位電池からの距離を変更して前記マニホールドの流路断面を変更するように構成される請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池スタックの積層方向中央部近傍に相当する位置、および、それより端部側に相当する複数の位置から、前記供給マニホールドにガスを供給する複数のガス導入流路を備え、
   前記流量調整手段は、前記端部側に相当する複数の位置の少なくとも一箇所からのガスの供給を選択的に停止するように構成する請求項１に記載の燃料電池システム。
   

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