JP2006196262A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、消費動力を増大させることなく、燃料電池内部より水分を除去することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１０と、燃料電池１０から電気化学反応に用いられなかった未反応の空気を排出する空気排出流路２０ｂと、空気排出流路２０ｂに設けられ、燃料電池１０内の空気の圧力を調整する空気調圧弁２３と、燃料電池１０内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定する局所電流測定手段５０と、局所電流測定手段５０により測定された電流値に基づいて空気調圧手段２３の作動を制御する制御手段４０とを備え、制御手段４０は、局所電流測定手段５０により測定された電流値が閾値を下回った場合に、燃料電池１０内の酸化剤ガスの圧力を燃料電池１０の通常運転時における圧力としての第１の圧力Ｐ１より高い第２の圧力Ｐ２まで所定時間上昇させた後、第１の圧力Ｐ１に復帰させる圧力上昇制御を行う。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、電気化学反応による生成水が燃料電池内部で発生するため、水分が過剰となりやすい。このように水分が過剰になった場合、電極が水に覆われてガスの透過が阻害されるフラッディングと呼ばれる状態となって、燃料電池の電力出力が低下する。

このような問題に対し、車両の姿勢状態と燃料電池から排出されるオフガスの排出方向に応じて、燃料電池への水素供給量を増加させてオフガス流量を増加させ、オフガスの圧力により生成水を排出する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池の水回収運転状態を検出したときに、燃料電池に供給される水素のストイキを上昇させることで、フラッディングの発生を抑制することができる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００２−３７３６８８号公報 特開２００２−２８００２７号公報

しかしながら、上記特許文献１および上記特許文献２に記載の燃料電池システムでは、燃料電池に供給する水素のストイキを上昇させて燃料電池内の水分を排出するため、水素を過剰に供給するための補機動力が増大する。これにより、燃料電池システムの効率が悪化するという問題がある。

本発明は、上記点に鑑み、簡易な構成で、消費動力を増大させることなく、燃料電池内部より水分を除去することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に接続され、燃料電池（１０）から電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）と、酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられ、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス調圧手段（２３）と、燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定する局所電流測定手段（５０）と、局所電流測定手段（５０）により測定された電流値に基づいて、酸化剤ガス調圧手段（２３）の作動を制御する制御手段（４０）とを備え、制御手段（４０）は、局所電流測定手段（５０）により測定された電流値が閾値を下回った場合に、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を、燃料電池（１０）の通常運転時における圧力としての第１の圧力（Ｐ１）より高い第２の圧力（Ｐ２）まで所定時間上昇させた後、第１の圧力（Ｐ１）に復帰させるように酸化剤ガス調圧手段（２３）を作動させる圧力上昇制御を行うことを特徴としている。

このように、局所電流値が閾値を下回った場合には、燃料電池（１０）内部に水分が滞留していると推定できるので、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を一時的に上昇させてから元の圧力に復帰させることで、燃料電池（１０）内部から酸化剤ガスを勢いよく流出させることができる。このため、燃料電池（１０）内に滞留している水分を酸化剤ガスの流体エネルギで押し流して、燃料電池（１０）外に排出することができる。このため、酸化剤ガスを燃料電池（１０）内に供給するための動力を最小限に抑えることができる。これにより、酸化剤ガス調圧手段（２３）により燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を調整するのみという簡易な構成で、消費動力を増大させることなく、燃料電池（１０）内部より水分を除去することが可能となる。

さらに、燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定し、その測定結果に基づいて燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を調整することで、燃料電池（１０）内の水分過剰状態を素早く検知して水分を除去することができるため、より効果的にフラッディングを防止することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、制御手段（４０）は、圧力上昇制御を行った後、局所電流測定手段（５０）により測定された電流値が閾値を下回った場合に、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を、第２の圧力（Ｐ２）より高い第３の圧力（Ｐ３）まで所定時間上昇させた後、第１の圧力（Ｐ１）に復帰させるように酸化剤ガス調圧手段（２３）を作動させる再圧力上昇制御を行うことを特徴としている。

これにより、一回の圧力上昇制御で燃料電池（１０）内に滞留している水分を全て排出しきれない場合に、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を、圧力上昇制御時に上昇させた圧力よりも高い第３の圧力（Ｐ３）まで上昇させてから第１の圧力（Ｐ１）に復帰させることで、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力差をより大きくすることができるため、燃料電池（１０）内に残留している水分を、より高い酸化剤ガスの流体エネルギで押し流して、燃料電池（１０）外へ排出することが可能となる。

また、請求項３に記載の発明のように、酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられ、燃料電池（１０）から排出される水分量を検出する水分量検出手段（２５）を備え、制御手段（４０）は、圧力上昇制御を行った後、水分量検出手段（２５）により検出された水分量が所定量以下である場合に、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を、第２の圧力（Ｐ２）より高い第３の圧力（Ｐ３）まで所定時間上昇させた後、第１の圧力（Ｐ１）に復帰させるように酸化剤ガス調圧手段（２３）を作動させる再圧力上昇制御を行うことができる。

また、請求項４に記載の発明のように、制御手段（４０）は、再圧力上昇制御を行った後、局所電流測定手段（５０）により測定された電流値が閾値を下回った場合に、局所電流測定手段（５０）により測定された電流値に基づいて酸化剤ガス調圧手段（２３）の作動を制御するのを中止することで、余分な動力の損失を防止することが可能となる。

また、請求項５に記載の発明のように、制御手段（４０）は、再排水制御を行った後、水分量検出手段（２５）により検出された水分量が所定量以下である場合に、局所電流測定手段（５０）により測定された電流値に基づいて酸化剤ガス調圧手段（２３）の作動を制御するのを中止することができる。

また、請求項６に記載の発明では、制御手段（４０）は、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を第２の圧力（Ｐ２）まで所定時間上昇させた後、第１の圧力（Ｐ１）より低い第４の圧力（Ｐ４）に低下させてから第１の圧力（Ｐ１）に復帰させることを特徴としている。

これにより、燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力差をさらに大きくすることができるため、燃料電池（１０）内に滞留している水分を、さらに高い酸化剤ガスの流体エネルギで押し流して、より効率よく燃料電池１０外へ排出することが可能となる。

また、請求項７に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）に接続され、燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（３０ａ）と、燃料電池（１０）に接続され、燃料電池（１０）から排出される電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを燃料ガス供給流路（３０ａ）に合流させる燃料ガス循環流路（３０ｂ）と、燃料ガス循環流路（３０ｂ）に設けられ、燃料電池（１０）から排出される未反応の燃料ガスを循環させる燃料ガス循環手段（３４）と、燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を連通あるいは遮断することができ、燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を連通することで燃料電池（１０）から排出される未反応の燃料ガスを外部へ排出できる燃料ガス排出手段（３５）と、燃料電池（１０）内の水分量を推定する燃料電池内水分量推定手段（５０）と、燃料電池内水分量推定手段（５０）により推定された水分量に基づいて、燃料ガス循環手段（３４）および燃料ガス排出手段（３５）の作動を制御する制御手段（４０）とを備え、制御手段（４０）は、燃料電池内水分量推定手段（５０）により推定された水分量が閾値以上になった場合に、燃料ガス循環手段（３４）を作動させると同時に、燃料ガス排出手段（３５）により燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を連通させる未反応燃料ガス排出制御を行うことを特徴としている。

このように、燃料電池（１０）の水分量を推定する燃料電池内水分量推定手段（５０）により水分量を推定し、推定された水分量が閾値を上回ったときにのみ、一時的に燃料ガス循環手段（３４）を作動させて燃料ガスを循環させると同時に、燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を連通させることで、水分を含んだ未反応の燃料ガスを燃料電池（１０）外に排出することができる。これにより、簡易な構成で、消費動力を増大させることなく、燃料電池（１０）内部より水分を除去することが可能となる。

さらに、燃料電池（１０）内の水分量を推定する燃料電池内水分量推定手段（５０）により水分量を推定し、その推定結果に基づいて未反応燃料ガス排出制御を行うことで、燃料電池（１０）内の水分過剰状態を素早く検知して水分を除去することができるため、より効果的にフラッディングを防止することが可能となる。

また、請求項８に記載の発明のように、制御手段（４０）は、未反応燃料ガス排出制御を行った後、燃料ガス排出手段（３５）により燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を遮断させてから、燃料ガス循環手段（３４）を所定時間作動させておくことで、燃料電池（１０）内に残留した水分を、燃料ガス循環流路（３０ｂ）および燃料ガス循環流路（３０ｂ）との合流点より下流側の燃料ガス供給流路（３０ａ）に拡散させることが可能となる。

また、請求項９に記載の発明のように、燃料電池内水分量推定手段は、燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定する局所電流測定手段（５０）にすることができる。

また、請求項１０に記載の発明のように、燃料電池内水分量推定手段は、燃料電池（１０）内における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段（６０）にすることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図８に基づいて説明する。図１は第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷１１に相当している。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ１２が設けられ、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号が後述する燃料電池制御部４０に入力されるようになっている。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素循環流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。

空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられ、空気排出流路２０ｂにおける燃料電池１０と空気調圧弁２３との間には、燃料電池１０の内部における空気出口側の空気圧力を測定する空気圧センサ２４が設けられている。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。

水素循環流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｂには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４と、燃料電池１０から排出される窒素や水蒸気を含む未反応水素を外部に排出する排気バルブ３５が設けられている。なお、水素ポンプ３４が本発明の燃料ガス循環手段に相当し、排気バルブ３５が燃料ガス排出手段に相当している。

燃料電池制御部（ＦＣ−ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、燃料電池制御部４０には、セルモニタ１２からのセル電圧信号、空気圧センサ２４からの空気圧信号および後述する電流測定装置５０からの電流信号が入力される。また、燃料電池制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３４、排気バルブ３５に制御信号を出力する。

図２は本第１実施形態に係る電流測定装置５０を装着した燃料電池１０の斜視図、図３は図２の燃料電池１０の側面図である。図２に示すように、本実施形態の燃料電池１０は、固体高分子電解質膜型燃料電池であり、基本単位となるセル１００が多数積層され、且つ電気的に直列接続されている。

図３に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１０１と、このＭＥＡ１０１を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。セパレータ１１０、１２０は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。

図３に実線で示すように、空気側セパレータ１１０には、空気を流すための空気流路Ａが形成されており、空気流路Ａを介して酸素が各セル１００に対して並列に供給される。また、図３に一点鎖線で示すように、水素側セパレータ１２０には、水素を流すための水素流路Ｂが形成されており、水素流路Ｂを介して水素が各セル１００に対して並列に供給される。

図２に示すように、積層されたセル１００の両端には端子板１１が配置されている。図２中の斜線で示すように、空気出口側の端にあるセル１００に電流測定装置５０が配置されている。

図４は電流測定装置５０の斜視図であり、図５は図４の電流測定装置５０の要部の正面図である。図４に示すように、電流測定装置５０は板状部材５００を備えている。板状部材５００には、空気入口側通路５００ａ、空気出口側通路５００ｂ、水素入口側通路５００ｃ、水素出口側通路５００ｄが形成されている。

図４、図５に示すように、板状部材５００の紙面右上には、ロの字状の溝５０１によって囲まれた直方体の柱状部５０２が形成され、この柱状部５０２の端部は隣り合うセル１００に接触するようになっている。なお、図４、図５に示す例では溝５０１をロの字状とし、柱状部５０２を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝５０１を円状、柱状部５０２を円柱状のような他の形状にすることもできる。

図５に示すように、溝５０１には、柱状部５０２を囲むようにして鉄心５０３が配置され、鉄心５０３の両端部間に磁気センサとしてのホール素子５０４が配置されている。鉄心５０３とホール素子５０４は、局所電流センサを構成している。なお、鉄心５０３とホール素子５０４とが、本発明の局所電流測定手段に相当している。また、磁気センサとしてホール素子の他にＭＲ素子、ＭＩ素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらに、シャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。

上記構成において、セル１００における柱状部５０２に対向する部位から放電される局所電流が柱状部５０２に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部５０２の周囲に発生する。ホール素子５０４は、局所電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。したがって、鉄心５０３部の磁界の強さをホール素子５０４にて測定することにより、柱状部５０２を流れる電流、ひいてはセル１００の局所電流を検出することができる。

図６は、図３の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。図６に示すように、空気側セパレータ１１０は、空気流路Ａに接続される空気入口部１１１および空気出口部１１２と、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための空気流路溝１１３とを備えている。

上述の図４で示した電流測定装置５０の柱状部５０２は、空気出口部１１２の近傍（図６において符号Ｃで示す領域）に対応する部位に設けられており、図５で示した局所電流センサ５０３、５０４は空気出口部１１２近傍Ｃ（以下、空気出口部分Ｃという）における局所電流を測定できるように構成されている。なお、空気出口部分Ｃが、本発明の水分が滞留しやすい部位に相当している。

次に、本第１実施形態の燃料電池システムの水分排出制御について図７および図８に基づいて説明する。図７は本第１実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、図８は本第１実施形態における圧力上昇制御が行われた際の時間と燃料電池１０内の空気の圧力の関係を示す特性図である。

まず、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の空気出口部分Ｃの電流値が閾値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１００）。この閾値は、燃料電池１０内部の水分状態を診断するために予め設定された値であり、任意に設定することができる。この結果、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の空気出口部分Ｃの電流値が閾値を下回っていない場合には（Ｓ１００：ＮＯ）、空気出口部分Ｃに水分は滞留していないと診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、電流測定装置５０により測定された空気出口部分Ｃの電流値が閾値を下回っている場合には（Ｓ１００：ＹＥＳ）、空気出口部分Ｃに水分が滞留していると診断し、空気調圧弁２３の開度を小さくして、図８に示すように、燃料電池１０内の空気の圧力を、通常運転時における圧力（以下、第１の圧力Ｐ１という）より高い第２の圧力Ｐ２まで上昇させる（Ｓ１１０）。

次に、空気圧センサ２４により測定された燃料電池１０の空気出口側の圧力が第２の圧力Ｐ２まで上昇しているか否かを判定する（Ｓ１２０）。この結果、空気圧センサ２４により測定された空気出口側の圧力が第２の圧力Ｐ２まで上昇していない場合には（Ｓ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１１０に戻り、再び燃料電池１０内の空気の圧力を上昇させる。

一方、空気圧センサ２４により測定された燃料電池１０の空気出口側の圧力が第２の圧力Ｐ２まで上昇している場合には（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、空気調圧弁２３の開度を通常状態に戻し、図８に示すように、燃料電池１０内の空気の圧力を第２の圧力Ｐ２から第１の圧力Ｐ１に復帰させる（Ｓ１３０）。これにより、燃料電池１０内部の空気の圧力が高くなった状態から空気調圧弁２３の開度を大きくすることで、燃料電池１０内部から空気を勢いよく流出させることができるため、燃料電池１０の空気出口部分Ｃに滞留している水分を空気の流体エネルギで押し流し、燃料電池１０外へ排出することができる。なお、ステップＳ１１０〜Ｓ１３０が、本発明の圧力上昇制御に相当している。

次に、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の空気出口部分Ｃの電流値が閾値以上に復帰しているか否かを判定する（Ｓ１４０）。この結果、電流測定装置５０により測定された空気出口部の電流値が閾値以上に復帰している場合は（Ｓ１４０：ＹＥＳ）、燃料電池１０の空気出口部分Ｃに滞留している水分が燃料電池１０外に排出されたと診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、電流測定装置５０により測定された空気出口部分Ｃの電流値が閾値以上に復帰していない場合は（Ｓ１４０：ＮＯ）、燃料電池１０の空気出口部分Ｃに滞留している水分が排出されずに残留していると診断し、空気調圧弁２３の開度をステップＳ１１０より小さくして、図８に示すように、燃料電池１０内の空気の圧力を、第２の圧力Ｐ２よりも高い第３の圧力Ｐ３まで上昇させる（Ｓ１５０）。

次に、空気圧センサ２４により測定された燃料電池１０の空気出口側の圧力が第３の圧力Ｐ３まで上昇しているか否かを判定する（Ｓ１６０）。この結果、空気圧センサ２４により測定された空気出口側の圧力が第３の圧力Ｐ３まで上昇していない場合には（Ｓ１６０：ＮＯ）、ステップＳ１５０に戻り、再び燃料電池１０内の空気の圧力を上昇させる。

一方、空気圧センサ２４により測定された燃料電池１０の空気出口側の圧力が第３の圧力Ｐ３まで上昇している場合には（Ｓ１６０：ＹＥＳ）、空気調圧弁２３の開度を通常状態に戻し、図８に示すように、燃料電池１０内の空気の圧力を第１の圧力Ｐ１に復帰させる（Ｓ１７０）。これにより、燃料電池１０内の空気の圧力差をより大きくすることができるため、燃料電池１０の空気出口部分Ｃに残留している水分を、より高い空気の流体エネルギで押し出し、燃料電池１０外へ排出することができる。なお、ステップＳ１５０〜Ｓ１７０が、本発明の再圧力上昇制御に相当している。

次に、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の空気出口部分Ｃにおける電流値が閾値以上に復帰しているか否かを判定する（Ｓ１８０）。この結果、電流測定装置５０により測定された空気出口部分Ｃの電流値が閾値以上に復帰している場合は（Ｓ１８０：ＹＥＳ）、空気出口部分Ｃに残留していた水分が燃料電池１０外に排出されたと診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、電流測定装置５０により測定された空気出口部分Ｃの電流値が閾値以上に復帰していない場合は（Ｓ１８０：ＮＯ）、電流値が閾値を下回っているのには他の要因があると診断し、本制御を中止する。

以上のように、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の空気出口部分Ｃの電流値が閾値を下回っているとき、すなわち、燃料電池１０の空気出口部に水分が滞留しているときにのみ、一時的に燃料電池１０内の空気の圧力を上昇させた後、圧力を低下させることで水分を燃料電池１０外に排出させることができるため、空気ポンプ２１の動力を最小限に抑えることができる。これにより、空気調圧弁２３により燃料電池１０内の空気圧を調整するのみという簡易な構成で、消費動力を増大させることなく、燃料電池１０内部より水分を除去することが可能となる。

また、一時的に燃料電池１０内の空気の圧力を上昇させても燃料電池１０内に滞留している水分を全て排出しきれない場合に、空気の圧力を第２の圧力Ｐ２よりも高い第３の圧力Ｐ３まで上昇させることで、燃料電池１０内の空気の圧力差をより大きくすることができるため、燃料電池１０内に残留している水分を、より高い空気の流体エネルギで押し流して、燃料電池１０外へ排出することが可能となる。

また、燃料電池１０内の空気の圧力を第３の圧力Ｐ３まで上昇させても燃料電池１０内に滞留している水分を全て排出しきれない場合に、他の要因があると診断して水分排出制御を中止することで、余分な動力の損失を防止することが可能となる。

また、水分が滞留しやすい空気出口部分Ｃの局所電流を測定し、その測定結果に基づいて燃料電池１０内の空気の圧力を調整することで、燃料電池１０内の水分過剰状態を素早く検知して水分を除去することができるため、より効果的にフラッディングを防止することが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図９および図１０に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態と比較して、燃料電池１０内の空気の圧力を第２の圧力Ｐ２まで上昇させた後、一旦第１の圧力Ｐ１よりも低い圧力に低下させる点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図９は本第２実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、図１０は本第２実施形態における圧力上昇制御が行われた際の時間と燃料電池１０内の空気の圧力の関係を示す特性図である。本第２実施形態では、第１実施形態におけるステップＳ１２０とステップＳ１３０の間に、ステップＳ１２５が追加されている。

ステップＳ１２０がＹＥＳの場合、空気調圧弁２３の開度を通常状態よりも大きくして、図１０に示すように、燃料電池１０内の空気の圧力を第１の圧力Ｐ１より低い第４の圧力Ｐ４まで所定時間低下させる（Ｓ１２５）。その後、空気調圧弁２３の開度を通常運転時の状態に戻し、燃料電池１０内の空気の圧力を第１の圧力Ｐ１に復帰させる。（Ｓ１３０）。

以上のように、燃料電池１０内の空気の圧力を第１の圧力Ｐ１より上昇させた後、一時的に第１の圧力Ｐ１よりも低い第４の圧力Ｐ４に低下させ、再び第１の圧力Ｐ１に復帰させることで、空気調圧弁２３開放前後の空気の圧力差をさらに大きくすることができるため、セル１００内に滞留している水分をさらに高い空気の流体エネルギで押し流し、より効率よく燃料電池１０外へ排出することが可能となる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図１１および図１２に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以上の場合に、燃料電池１０内に滞留している水分が排出されたと診断する点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図１１は、本第３実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。図１１では、水素流路３０の図示を省略している。図１１に示すように、空気排出流路２０ｂにおける空気調圧弁２３の下流側に、燃料電池１０から排出された水分量を検出する水分量検出センサ２５が設けられている。

次に、本第３実施形態の燃料電池システムの水分排出制御について、図１２に基づいて説明する。図１２は、本第３実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートで、第１実施形態におけるステップＳ１４０、１８０が変更されている。

まず、ステップＳ１３０の後、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以上か否かを判定する（Ｓ１４０Ａ）。この結果、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以上である場合は（Ｓ１４０Ａ：ＹＥＳ）、燃料電池１０の空気出口部分Ｃに滞留している水分が燃料電池１０外に排出されたと診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以下である場合は（Ｓ１４０Ａ：ＮＯ）、燃料電池１０の空気出口部分Ｃに滞留している水分が排出されずに残留していると診断し、ステップＳ１５０以下の処理を行う。

また、ステップＳ１７０の後、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以上か否かを判定する（Ｓ１８０Ａ）。この結果、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以上である場合は（Ｓ１８０Ａ：ＹＥＳ）、空気出口部分Ｃに滞留している水分が燃料電池１０外に排出されたと診断し、ステップＳ１００に戻る。

一方、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以下である場合は（Ｓ１８０Ａ：ＮＯ）、燃料電池１０から水分が所定量以上排水されないのには他の要因があると診断し、本制御を中止する。

以上のように、水分量検出センサ２５により検出された水分量が所定量以下であるとき、すなわち、燃料電池１０の空気出口部に水分が滞留しているときのみ、燃料電池１０内の空気の圧力を上昇させて水分を燃料電池１０外に排出することができるため、空気ポンプ２１の動力を最小限に抑えることができる。これにより、空気調圧弁２３により燃料電池１０内の空気圧を調整するのみという簡易な構成で、消費動力を増大させることなく、燃料電池１０内部より水分を除去することが可能となる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図１３および図１４に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第１実施形態と比較して、水素出口部Ｄに滞留した水分を排出する制御を行う点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図１３は、図３の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。図１３に示すように、水素側セパレータ１２０は、水素流路Ｂに接続される水素入口部１２１および水素出口部１２２と、水素入口部１２１から水素出口部１２２に向かって水素を流すための水素流路溝１２３とを備えている。

上述の図４で示した電流測定装置５０の柱状部５０２は、水素出口部１２２の近傍（図１３において符号Ｄで示す領域）に対応する部位に設けられており、図５で示した局所電流センサ５０３、５０４は水素出口部１２２近傍Ｄ（以下、水素出口部分Ｄという）における局所電流を測定できるように構成されている。なお、水素出口部分Ｄが本発明の水分が滞留しやすい部位に相当し、電流測定装置５０が本発明の燃料電池内水分量推定手段に相当している。

次に、本第４実施形態の燃料電池システムの水分排出制御について、図１４に基づいて説明する。図１４は、本第４実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。

まず、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の水素出口部Ｄの電流値が閾値を下回っているか否かを判定する（Ｓ２００）。この閾値は、燃料電池１０の水素出口部Ｄの水分状態を診断するために予め設定された値であり、任意に設定することができる。この結果、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の水素出口部Ｄの電流値が閾値を下回っていない場合には（Ｓ２００：ＮＯ）、水素出口部Ｄに水分は滞留していないと診断し、Ｓ２００に戻る。

一方、電流測定装置５０により測定された水素出口部Ｄの電流値が閾値を下回っている場合には（Ｓ２００：ＹＥＳ）、水素出口部Ｄに水分が滞留していると診断し、水素ポンプ３４を作動させ（Ｓ２１０）、排気バルブ３５を開放させる（Ｓ２２０）。これにより、燃料電池１０に滞留している水分を燃料電池１０外に排出させることができる。なお、ステップＳ２１０およびＳ２２０が、本発明の未反応燃料ガス排出制御に相当している。

次に、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の水素出口部Ｄの電流値が閾値以上に復帰しているか否かを判定する（Ｓ２３０）。この結果、電流測定装置５０により測定された水素出口部Ｄの電流値が閾値以上に復帰している場合は（Ｓ２３０：ＹＥＳ）、燃料電池１０の水素出口部Ｄに滞留している水分が燃料電池１０外に排出されたと診断し、排気バルブ３５を閉塞させる（Ｓ２４０）。そして、所定時間経過後（Ｓ２５０：ＹＥＳ）、水素ポンプ３４を停止させて（Ｓ２６０）、Ｓ２００に戻る。

一方、電流測定装置５０で測定した水素出口部Ｄの電流値が閾値以上に復帰していない場合は（Ｓ２３０：ＮＯ）、所定時間が経過したか否かを判定する（Ｓ２７０）。この結果、所定時間が経過していない場合は（Ｓ２７０：ＮＯ）、ステップＳ２３０に戻る。

一方、所定時間が経過した場合は（Ｓ２７０：ＹＥＳ）、燃料電池システムが異常を起こしていると診断し、排気バルブ３５を閉塞させて（Ｓ２８０）、エマージェンシーモードに移行させる（Ｓ２９０）。エマージェンシーモードとは、例えば、燃料電池１０の出力を抑制することや、水素ポンプ３４を常に作動させて水素流路３０内で常に循環運転をすることをいう。

以上のように、電流測定装置５０により測定された燃料電池１０の水素出口部Ｄの電流値が閾値を下回っているとき、すなわち、燃料電池１０の水素出口部Ｄに水分が滞留しているときのみ、排気バルブ３５を開放して燃料電池１０から排出された水分を含む未反応の水素を燃料電池１０外に排出することができるため、水素ポンプ３４の動力を最小限に抑えることができる。これにより、簡易な構成で、消費動力を増大させることなく、燃料電池１０内部より水分を除去することが可能となる。

また、上述の制御を行っても燃料電池１０の水素出口部に滞留している水分が排出されないまま所定時間が経過した場合には、燃料電池システムが異常を起こしていると診断して、エマージェンシーモードに移行させることができるため、余分な動力の損失を防止し運転を継続することが可能となる。

また、燃料電池１０の水素出口部Ｄに滞留している水分が燃料電池１０外に排出された後、排気バルブ３５を閉じてから、所定時間が経過するまで水素ポンプ３４を作動させておくことで、燃料電池１０内に残留した水分や電解質膜を透過した窒素等が水素循環流路３０ｂおよび水素循環流路３０ｂとの合流点より下流側の水素供給流路３０ａに拡散させることが可能となる。

さらに、水分が滞留しやすい水素出口部Ｄの局所電流を測定し、その測定結果に基づいて未反応燃料ガス排出制御を行うことで、燃料電池１０内の水分過剰状態を素早く検知して水分を除去することができるため、より効果的にフラッディングを防止することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記第１〜第３実施形態において、最終的に燃料電池１０内に滞留している水分を排出できない場合に、水分排出制御を中止していたが、上記第４実施形態のようにエマージェンシーモードに移行させてもよい。

また、上記第４実施形態において、燃料電池１０内の水分量を推定する燃料電池内水分量推定手段として電流測定装置５０を設けていたが、水素濃度を検出できる水素センサにしてもよい。このとき、燃料電池１０を継続的に動作させると、空気流路Ａ側から電解質膜を透過した生成水や窒素等が水素流路Ｂに滞留し、水素流路Ｂ内における水素の濃度が低くなる。すなわち、燃料電池１０内の水素濃度を検出することで、燃料電池１０内の水分状態を検出することが可能となる。なお、水素センサが、本発明の燃料ガス濃度検出手段に相当している。

また、上記第４実施形態において、水素ポンプ３４を断続的に作動させてもよい。これにより、燃料電池１０内の水素に圧力差をつけることができるため、燃料電池１０の水素出口部Ｄに滞留している水分を効率よく排出することが可能となる。

また、上記第１〜第３実施形態においては燃料電池１０の空気出口部分Ｃに滞留している水分を排出する制御を行い、上記第４実施形態においては水素出口部Ｄに滞留している水分を排出する制御を行っているが、これらを組み合わせて、空気出口部分Ｃおよび水素出口部Ｄ両方に滞留している水分を燃料電池１０外へ排出する制御を行ってもよい。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。 第１実施形態に係る電流測定装置５０を装着した燃料電池１０の斜視図である。 図２の燃料電池１０の側面図である。 第１実施形態に係る電流測定装置５０の斜視図である。 図４の電流測定装置５０の要部の正面図である。 図３の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。 第１実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。 第１実施形態における圧力上昇制御が行われた際の時間と燃料電池１０内の空気の圧力の関係を示す特性図である。 第２実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。 第２実施形態における圧力上昇制御が行われた際の時間と燃料電池１０内の空気の圧力の関係を示す特性図である。 第３実施形態の燃料電池システムを示す模式図である。 第３実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。 図３の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。 第４実施形態における燃料電池システムの制御部４０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う処理内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、２０ｂ…空気排出流路、２３…空気調圧弁、２５…水分量検出センサ、３０ａ…水素供給流路、３０ｂ…水素循環流路、３４…水素ポンプ（燃料ガス循環手段）、３５…排気バルブ（燃料ガス排出手段）、４０…制御部、５０…局所電流測定装置。

Claims (10)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）から前記電気化学反応に用いられなかった未反応の酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）と、
   前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられ、前記燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を調整する酸化剤ガス調圧手段（２３）と、
   前記燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定する局所電流測定手段（５０）と、
   前記局所電流測定手段（５０）により測定された電流値に基づいて、前記酸化剤ガス調圧手段（２３）の作動を制御する制御手段（４０）とを備え、
   前記制御手段（４０）は、前記局所電流測定手段（５０）により測定された電流値が閾値を下回った場合に、前記燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を、前記燃料電池（１０）の通常運転時における圧力としての第１の圧力（Ｐ１）より高い第２の圧力（Ｐ２）まで所定時間上昇させた後、前記第１の圧力（Ｐ１）に復帰させるように前記酸化剤ガス調圧手段（２３）を作動させる圧力上昇制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段（４０）は、前記圧力上昇制御を行った後、前記局所電流測定手段（５０）により測定された電流値が閾値を下回った場合に、前記燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を、前記第２の圧力（Ｐ２）より高い第３の圧力（Ｐ３）まで所定時間上昇させた後、前記第１の圧力（Ｐ１）に復帰させるように前記酸化剤ガス調圧手段（２３）を作動させる再圧力上昇制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化剤ガス排出流路（２０ｂ）に設けられ、前記燃料電池（１０）から排出される水分量を検出する水分量検出手段（２５）を備え、
   前記制御手段（４０）は、前記圧力上昇制御を行った後、前記水分量検出手段（２５）により検出された水分量が所定量以下である場合に、前記燃料電池（１０）内の酸化剤ガスの圧力を、前記第２の圧力（Ｐ２）よりも高い第３の圧力（Ｐ３）まで所定時間上昇させた後、前記第１の圧力（Ｐ１）に復帰させるように前記酸化剤ガス調圧手段（２３）を作動させる再圧力上昇制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段（４０）は、前記再圧力上昇制御を行った後、前記局所電流測定手段（５０）により測定された電流値が閾値を下回った場合に、前記局所電流測定手段（５０）により測定された電流値に基づいて前記酸化剤ガス調圧手段（２３）の作動を制御するのを中止することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段（４０）は、前記再圧力上昇制御を行った後、前記水分量検出手段（２５）により検出された水分量が所定量以下である場合に、前記局所電流測定手段（５０）により測定された電流値に基づいて前記酸化剤ガス調圧手段（２３）の作動を制御するのを中止することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段（４０）は、前記燃料電池（１０）内の圧力を前記第１の圧力（Ｐ１）に復帰させる前に、前記第１の圧力（Ｐ１）より低い第４の圧力（Ｐ４）に低下させるように前記酸化剤ガス調圧手段（２３）を作動させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数積層された燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路（３０ａ）と、
   前記燃料電池（１０）に接続され、前記燃料電池（１０）から排出される前記電気化学反応に用いられなかった未反応の燃料ガスを前記燃料ガス供給流路（３０ａ）に合流させる燃料ガス循環流路（３０ｂ）と、
   前記燃料ガス循環流路（３０ｂ）に設けられ、前記燃料電池（１０）から排出される未反応の燃料ガスを循環させる燃料ガス循環手段（３４）と、
   前記燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を連通あるいは遮断することができ、前記燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を連通することで前記燃料電池（１０）から排出される未反応の燃料ガスを外部へ排出できる燃料ガス排出手段（３５）と、
   前記燃料電池（１０）内の水分量を推定する燃料電池内水分量推定手段（５０）と、
   前記燃料電池内水分量推定手段（５０）により推定された水分量に基づいて、前記燃料ガス循環手段（３４）および前記燃料ガス排出手段（３５）の作動を制御する制御手段（４０）とを備え、
   前記制御手段（４０）は、前記燃料電池内水分量推定手段（５０）により推定された水分量が閾値以上になった場合に、前記燃料ガス循環手段（３４）を作動させると同時に、前記燃料ガス排出手段（３５）により前記燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を連通させる未反応燃料ガス排出制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記制御手段（４０）は、前記未反応燃料ガス排出制御を行った後、前記燃料ガス排出手段（３５）により前記燃料ガス循環流路（３０ｂ）内部と外部を遮断させてから、前記燃料ガス循環手段（３４）を所定時間作動させておくことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池内水分量推定手段は、前記燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定する局所電流測定手段（５０）であることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池内水分量推定手段は、前記燃料電池（１０）内における燃料ガス濃度を検出する燃料ガス濃度検出手段であることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池システム。

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