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WO2011018856A1 - 燃料電池の含水量制御方法及び燃料電池システム - Google Patents

燃料電池の含水量制御方法及び燃料電池システム Download PDF

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WO2011018856A1
WO2011018856A1 PCT/JP2009/064357 JP2009064357W WO2011018856A1 WO 2011018856 A1 WO2011018856 A1 WO 2011018856A1 JP 2009064357 W JP2009064357 W JP 2009064357W WO 2011018856 A1 WO2011018856 A1 WO 2011018856A1
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WO
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fuel cell
cell
water content
anode electrode
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2009/064357
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English (en)
French (fr)
Inventor
富夫 山中
智隆 石川
Original Assignee
トヨタ自動車株式会社
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Publication date
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Priority to JP2011526672A priority patent/JP5273251B2/ja
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Priority to PCT/JP2009/064357 priority patent/WO2011018856A1/ja
Priority to CN200980160931.5A priority patent/CN102473942B/zh
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    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for controlling the water content of a fuel cell and a fuel cell system.
  • Patent Document 1 As conventionally known, in order to efficiently generate power with a polymer electrolyte fuel cell, it is desirable that the inside of the cell be in a moderately wet state and that the amount of water in the fuel cell is not excessive or insufficient. .
  • a technique for controlling the amount of water in the fuel cell for example, a technique described in Patent Document 1 is known. In the technique of this patent document 1, the pressure of the gas (for example, hydrogen gas) on the anode electrode side is decreased, the amount of water movement from the cathode electrode side to the anode electrode side is increased, and the water content in the cell is adjusted. Yes.
  • the gas for example, hydrogen gas
  • the desired water content cannot be adjusted simply by reducing the gas pressure on the anode electrode side.
  • the gas pressure is extremely reduced to increase the water content, the hydrogen gas partial pressure on the anode electrode side may decrease, and the power generation output of the fuel cell may decrease.
  • the gas pressure on the anode electrode side is extremely reduced, there is a possibility that off-gas and the like are not sufficiently discharged from the anode electrode side to the outside using the pressure difference.
  • the present invention has been made in view of the above points, and provides a water content control method for a fuel cell and a fuel cell system capable of appropriately adjusting the water content in the fuel cell corresponding to various conditions.
  • the purpose is to do.
  • the present invention is a method for controlling the water content in a cell of a fuel cell, wherein the flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the anode electrode side of the cell of the fuel cell are limited by conditions. It adjusts so that it may satisfy
  • the flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the anode electrode side of the cell of the fuel cell can be adjusted, and the water content in the cell can be adjusted appropriately according to various limiting conditions.
  • the restriction condition may be that the flow rate of the fuel gas does not exceed a flow rate at which the amount of water movement moving from the cathode electrode side to the anode electrode side in the cell becomes the upper limit.
  • the limiting condition may be to ensure a predetermined partial pressure of the fuel gas supplied to the anode electrode side in the cell.
  • the limiting condition may be to ensure the exhaustability of the gas discharged from the anode electrode side in the cell.
  • the limiting condition may be that an upper limit of power loss of a gas circulation device for processing off-gas discharged from the fuel cell and supplying it to the anode electrode in the cell of the fuel cell may not be exceeded.
  • the moisture content in the cell is detected, and the flow rate and pressure of the fuel gas are adjusted so that the moisture content in the cell becomes the target moisture content based on the detection result. May be.
  • a moisture content state at a predetermined position in the anode electrode surface of the gas flow path on the anode electrode side of the cell is detected, and based on the detection result, the moisture content at the predetermined position of the cell is detected.
  • the flow rate and pressure of the fuel gas may be adjusted so that the water amount becomes the target water content.
  • the present invention according to another aspect is a fuel cell system having a fuel cell, wherein the flow rate and pressure of fuel gas supplied to the anode electrode side of the cell of the fuel cell are adjusted so as to satisfy the limiting conditions, It has a control part which controls the moisture content in the battery cell.
  • the flow rate and pressure of the fuel gas supplied to the anode electrode side of the cell of the fuel cell can be adjusted, and the water content in the cell can be adjusted appropriately according to various limiting conditions.
  • the restriction condition may be that the flow rate of the fuel gas does not exceed a flow rate at which the amount of water movement moving from the cathode electrode side to the anode electrode side in the cell becomes the upper limit.
  • the restriction condition may be to ensure a predetermined partial pressure of the fuel gas supplied to the anode electrode side in the cell.
  • the limiting condition may be to ensure the exhaustability of the gas discharged from the anode electrode side in the cell.
  • the limiting condition may be that an upper limit of power loss of a gas circulation device for processing off-gas discharged from the fuel cell and supplying it to the anode electrode in the cell of the fuel cell may not be exceeded.
  • the fuel cell system includes a detection member that detects a water content state in a cell, and the control unit is configured so that the water content state in the cell becomes a target water content based on a detection result by the detection member.
  • the flow rate and pressure of the fuel gas may be adjusted.
  • the detection member detects a moisture content state at a predetermined position in the anode electrode surface of the gas flow path on the anode electrode side of the cell
  • the control unit is configured to detect the predetermined content of the cell based on a detection result by the detection member.
  • the flow rate and pressure of the fuel gas may be adjusted so that the water content at the position becomes the target water content.
  • the fuel cell 1 having a stack structure has a cell stack 3 formed by stacking a plurality of solid polymer electrolyte type single cells 2.
  • Current collector plates 5a and 5b, insulating plates 6a and 6b, and end plates 7a and 7b are arranged outside the single cells 2 (hereinafter referred to as “end cell 2a”) at both ends of the cell stack 3, respectively.
  • the Tension plates 8, 8 are bridged between end plates 7a, 7b and fixed with bolts 9, and an elastic module 10 is provided between the end plate 7b and the insulating plate 6b.
  • Hydrogen gas as the fuel gas, air as the oxidizing gas, and refrigerant are supplied to the manifold 15a in the cell stack 3 from the supply pipe 14 connected to the supply ports 11a, 12a and 13a of the end plate 7a. Thereafter, hydrogen gas, air, and refrigerant flow in the plane direction of the single cell 2, reach the manifold 15b in the cell stack 3, and fuel from the discharge pipe 16 connected to the discharge ports 11b, 12b, and 13b of the end plate 7a. It is discharged out of the battery 1.
  • the supply pipe 14, the manifolds 15a and 15b, and the discharge pipe 16 are provided corresponding to the fluids of hydrogen gas, air, and refrigerant, but in FIG. .
  • the single cell 2 includes an MEA 20 and a pair of separators 22A and 22B.
  • the MEA 20 membrane-electrode assembly
  • the electrolyte membrane 23 made of an ion exchange membrane, and an anode electrode 24A and a cathode electrode 24B sandwiching the electrolyte membrane 23.
  • the hydrogen flow path 25A of the separator 22A faces the electrode 24A
  • the air flow path 25B of the separator 22B faces the electrode 24B.
  • the refrigerant channels 26A and 26B of the separators 22A and 22B communicate between the adjacent single cells 2 and 2. As shown in FIG.
  • the single cell 2 is provided with a sensor S that detects the moisture content in the anode electrode surface of the hydrogen flow path 25 ⁇ / b> A on the anode electrode 24 ⁇ / b> A side in the cell 2.
  • This sensor S can detect the water content of each position in the surface of the anode electrode 24A of the hydrogen flow path 25A, for example, the inlet position and the outlet position of the hydrogen flow path 25A, and their intermediate positions.
  • FIG. 4 is a plan view of the separator 22A.
  • the separator 22A has a hydrogen inlet 27a, an air inlet 28a, a refrigerant inlet 29a, a hydrogen outlet 27b, an air outlet 28b, and a refrigerant outlet 29b that are formed through the hydrogen channel 25A.
  • the inlets 27a, 28a, and 29a constitute a part of the manifold 15a corresponding to each fluid, and similarly, the outlets 27b, 28b, and 29b constitute a part of the manifold 15b corresponding to each fluid.
  • hydrogen gas is introduced into the hydrogen flow path 25A from the inlet 27a and discharged to the outlet 27b. This also applies to the refrigerant flow.
  • air also flows in the planar direction of the separator 22B configured similarly to the separator 22A. In this way, hydrogen gas and air are supplied to the electrodes 24A and 24B in the single cell 2, thereby causing an electrochemical reaction in the MEA 20 and obtaining an electromotive force.
  • water is generated on the cathode electrode 24B side, and the water moves from the cathode electrode 24B side to the anode electrode 24A side and is contained in the electrolyte membrane 23 and the like in the cell 2.
  • the fuel cell system 100 includes an air piping system 300, a hydrogen piping system 400, a refrigerant piping system 500, and a control device 600.
  • the fuel cell system 100 can be mounted on various moving bodies such as vehicles, ships, airplanes, and robots, and can also be applied to stationary power sources.
  • a fuel cell system 100 mounted on an automobile will be described as an example.
  • the air piping system 300 supplies and discharges air to and from the fuel cell 1, and includes a humidifier 30, a supply flow path 31, a discharge flow path 32, and a compressor 33. Air in the atmosphere (air in a low wet state) is taken in by the compressor 33 and is pumped to the humidifier 30, and moisture is exchanged with the oxidizing off gas in a high wet state in the humidifier 30. As a result, moderately humidified air is supplied from the supply channel 31 to the fuel cell 1.
  • the discharge passage 32 is provided with a back pressure valve 34 that adjusts the air back pressure of the fuel cell 1. Further, in the vicinity of the back pressure valve 34, a pressure sensor P1 for detecting air back pressure is provided.
  • the compressor 33 is provided with a flow rate sensor F1 that detects an air supply flow rate to the fuel cell 1.
  • the hydrogen piping system 400 supplies and discharges hydrogen gas to and from the fuel cell 1, and includes a hydrogen supply source 40, a supply channel 41, a circulation channel 42, a shut valve 43, and the like.
  • the hydrogen gas from the hydrogen supply source 40 is decompressed by the regulator 44, and then the flow rate and pressure are adjusted with high accuracy by the injector 45. Thereafter, the hydrogen gas merges with the hydrogen off-gas pumped by a hydrogen pump 46 as a gas circulation device on the circulation flow path 42 at the merge point A, and is supplied to the fuel cell 1.
  • a discharge channel 47 with an exhaust drain valve 48 is branched and connected to the circulation channel 42, and by opening the exhaust drain valve 48, hydrogen off-gas is discharged to the discharge channel 32.
  • a pressure sensor P ⁇ b> 2 that detects the supply pressure of hydrogen gas to the fuel cell 1 is provided downstream of the junction A.
  • the hydrogen pump 46 is provided with a flow rate sensor F2.
  • the fuel off-gas may be introduced into a hydrogen diluter or the like, and a gas-liquid separator may be provided in the circulation channel 42.
  • the refrigerant piping system 500 circulates and supplies a refrigerant (for example, cooling water) to the fuel cell 1 and includes a cooling pump 50, a refrigerant channel 51, a radiator 52, a bypass channel 53, and a switching valve 54.
  • the cooling pump 50 pumps the refrigerant in the refrigerant flow path 51 into the fuel cell 1.
  • the refrigerant flow path 51 includes a temperature sensor T1 on the refrigerant inlet side of the fuel cell 1 and a temperature sensor T2 on the refrigerant outlet side of the fuel cell 1.
  • the radiator 52 cools the refrigerant discharged from the fuel cell 1.
  • the switching valve 54 is constituted by, for example, a rotary valve, and switches the refrigerant flow between the radiator 52 and the bypass flow path 53 as necessary.
  • the control device 600 is configured as a microcomputer having a CPU, a ROM, and a RAM inside. Detection information of sensors (S, P1, P2, F1, F2, T1, T2) that detect the pressure, temperature, flow rate, and the like of the fluid flowing through each piping system 300, 400, 500 is input to the control device 600. . In addition to the detection information of the current sensor 61 that detects the current value generated by the fuel cell 1, detection information such as the outside air temperature sensor 62, the vehicle speed sensor 63, and the accelerator opening sensor is input to the control device 600.
  • the control device 600 changes various devices (the compressor 33, the shut valve 43, the injector 45, the hydrogen pump 46, the exhaust / drain valve 48, the cooling pump 50, the switching valve 54, etc.) in the system 100 in accordance with the detection information. And overall control of the operation of the fuel cell system 100. Further, the control device 600 adjusts the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the anode electrode 24A side of the fuel cell 1 based on the detection information of the sensor S so as to satisfy predetermined limiting conditions, and thereby the fuel cell. The water content in one cell 2 is controlled.
  • the control device 600 controls the water content in the cell 2 of the fuel cell 1 by adjusting the flow rate and pressure of the hydrogen gas of the anode electrode 24A so as to satisfy a predetermined restriction condition.
  • a storage unit 65 determines the target water content at each position in the surface of the anode electrode 24A of the hydrogen flow path 25A of the cell 2, and the hydrogen gas flow rate and hydrogen for achieving the target water content so as to satisfy the restriction conditions.
  • Various programs and various information for calculating the gas pressure and controlling the hydrogen gas flow rate and the hydrogen gas pressure based on the gas pressure are stored.
  • the detection unit 66 reads the detection information of the moisture content in the cell 2 by the sensor S.
  • the calculation unit 67 executes the program stored in the storage unit 65 based on the information acquired by the detection unit 66 and the like, while satisfying the target moisture content at the predetermined position of the hydrogen flow path 25A of the cell 2 and the restriction condition. Calculate the hydrogen gas flow rate and hydrogen gas pressure to achieve the target water content.
  • the control unit 68 transmits a control command to various devices based on the result of the calculation unit 67 and controls the operation so that the fuel cell 1 is in a desired water-containing state.
  • the flow rate of hydrogen gas and the hydrogen gas pressure supplied to the anode electrode 24A side of the cell 2 of the fuel cell 1 are adjusted so as to satisfy predetermined limiting conditions, and the inclusion in the cell 2 of the fuel cell 1 is included. It controls the amount of water.
  • This control is executed by the control unit 68 that receives a signal from the calculation unit 67, for example.
  • FIG. 7 is a flowchart of this control example.
  • the moisture state of each position in the surface of the anode electrode 24A of the hydrogen flow path 25A of the cell 2 of the fuel cell 1 is detected by the sensor S, and based on the detection result, whether or not there is a dry position in the cell 2 Is determined (step S1).
  • the presence / absence of this dry position is determined, for example, based on whether or not the water content at each position of the hydrogen flow path 25A in the cell 2 exceeds a preset threshold value.
  • the determination of the presence or absence of the dry position is performed continuously, intermittently, or periodically.
  • the target moisture content at the dry position is determined (step S2). For example, a preset water content is used. For example, when a water content state as shown in the graph of FIG. 8 is detected and the gas inlet position of the hydrogen flow path 25A on the anode electrode (AN) 24A side is determined to be a dry position, the target content of the inlet position is determined. A water amount G is set. When there is no dry position in the hydrogen flow path 25A, the process is returned to the start.
  • step S3 the hydrogen gas pressure on the anode electrode 24A side is decreased.
  • This reduction in the hydrogen gas pressure is realized, for example, by increasing the output of the hydrogen pump 46 and exhausting off-gas strongly.
  • the slope of the graph line indicating the water content at each position of the hydrogen flow path 25A of the cell 2 increases as shown in FIG. Thereby, the water content at the gas inlet position of the hydrogen flow path 25A approaches the target water content G.
  • This decrease in hydrogen gas pressure has two limitations: ensuring a predetermined partial pressure of hydrogen gas in the hydrogen flow path 25A on the anode electrode 24A side, and ensuring the exhaustability of off-gas discharged from the anode electrode 24A side. It is done so as to satisfy the conditions.
  • the lower limit of the hydrogen gas pressure is set so that the partial pressure of hydrogen gas on the anode electrode 24A side does not fall below a preset threshold value (lower limit value).
  • a value is defined.
  • the off-gas discharge property is set so that the lower limit value of the pressure of the hydrogen gas is higher than the atmospheric pressure when the gas is discharged to the atmosphere.
  • the pressure of the hydrogen gas is set to the lowest pressure within the range that satisfies the above-mentioned limiting conditions. As a result, the slope of the line in the graph of FIG.
  • the hydrogen gas flow rate (volume flow rate) on the anode electrode 24A side is increased (step S4).
  • the increase in the hydrogen gas flow rate is realized, for example, by increasing the output of the hydrogen pump 46 and increasing the circulation flow rate.
  • the value of the graph line indicating the water content for each position of the hydrogen flow path 25A increases as a whole, and the graph line moves upward. As a result, the water content at the gas inlet position of the hydrogen flow path 25A reaches the target water content G.
  • This increase in the hydrogen gas flow rate means that the power loss of the hydrogen pump 46 (the power consumption of the hydrogen pump 46) does not exceed the upper limit, and the water in which the hydrogen gas flow rate moves from the cathode electrode (CA) 24B side to the anode electrode 24A side. This is performed so as to satisfy the two restriction conditions of not exceeding the upper limit of the movement amount.
  • the water transfer amount and the hydrogen gas flow rate have a relationship as shown in FIG. 11. Up to a certain value, the water transfer amount increases as the hydrogen gas flow rate increases. The amount of movement is constant. *
  • the upper limit of the power loss of the hydrogen pump 46 is determined so that the current value of the hydrogen pump 46 indicating the power loss does not exceed a preset threshold value.
  • the upper limit of the water movement amount is set so that the hydrogen gas flow rate does not exceed the flow rate L when the water movement amount becomes the upper limit as shown in FIG.
  • the hydrogen gas flow rate may be set to the flow rate L.
  • the flow rate and pressure of the hydrogen gas supplied to the anode electrode 24A side of the cell 2 of the fuel cell 1 are adjusted, and the water content in the cell 2 is appropriately adjusted so as to satisfy the predetermined restriction conditions. Can be adjusted. Further, in the case of the present embodiment, the dry position in the cell 2 is appropriately eliminated, so that, for example, power generation during high-temperature operation of the fuel cell 1 is efficiently performed.
  • One of the limiting conditions is that the flow rate of hydrogen gas does not exceed the upper limit of the amount of water movement that moves from the cathode electrode 24B side to the anode electrode 24A side in the cell 2, so that it is compared with the water movement amount.
  • the flow rate of hydrogen gas becomes too large, and the amount of moisture taken away in the cell 2 by the gas increases, thereby preventing the inside of the cell 2 from being dried. Thereby, the fall of the power generation efficiency resulting from the reduction
  • one of the limiting conditions is to secure a predetermined partial pressure of the hydrogen gas supplied to the anode electrode 24A side in the cell 2, so that the partial pressure of the hydrogen gas is too low and the fuel cell 1 It can prevent that power generation amount falls.
  • one of the limiting conditions is to ensure the discharge performance of the off gas discharged from the anode electrode 24A side in the cell 2, the off gas can be discharged appropriately.
  • One of the limiting conditions is that the flow rate of the hydrogen gas does not exceed the flow rate that is the upper limit of the power loss of the hydrogen pump 46, so that the power loss of the hydrogen pump 46 is prevented from becoming larger than expected, and the fuel cell It can prevent that the energy efficiency of the whole system 100 deteriorates.
  • the moisture content in the cell 2 is detected by the sensor S, and the flow rate and pressure of the hydrogen gas are adjusted so that the moisture content in the cell 2 becomes the target moisture content based on the detection result. Therefore, the final adjustment of the water content in the cell 2 can be performed accurately and reliably.
  • a water content state at a predetermined position in the anode electrode 24A surface of the hydrogen flow path 25A of the cell 2 is detected, and the hydrogen content at the predetermined position of the cell 2 is set to the target water content G based on the detection result. Since the gas flow rate and pressure are adjusted, the water content in the cell 2 can be adjusted more strictly.
  • the control is performed so that the water content at the gas inlet position of the hydrogen flow path 25A becomes the target water content.
  • the water content at the position may be controlled.
  • the dry position in the cell 2 is detected and the water content in the dry position is adjusted.
  • the excess water position in the cell 2 is detected, and the excess water position is detected.
  • the water content may be adjusted.
  • the target water content at the excess water position is first determined, then the hydrogen gas pressure on the anode electrode 24A side is increased, and finally the anode electrode 24A side
  • the hydrogen gas flow rate is reduced. Further, the increase in the hydrogen gas pressure and the decrease in the hydrogen gas flow rate are performed so as to satisfy a predetermined restriction condition as in the above-described embodiment.
  • the fuel cell system 100 mounted on the fuel cell vehicle has been described.
  • the fuel cell system is mounted on various mobile bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle. May be.
  • the fuel cell system may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
  • the fuel gas is hydrogen gas, but may be other gas as long as water is generated by an electrochemical reaction during power generation.

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Abstract

【課題】多様な条件に対応して、燃料電池のセル内の含水量を適正に調整する。 【解決手段】燃料電池のセル内の含水量を制御する方法であって、燃料電池のセルのアノード電極側に供給される水素ガスの流量と圧力を、制限条件を満たすように調整して、燃料電池のセル内の含水量を制御する。セル内の含水状態を検出し、当該検出結果に基づいて、セル内の含水量が目標含水量になるように水素ガスの流量と圧力が調整される。

Description

燃料電池の含水量制御方法及び燃料電池システム
　本発明は、燃料電池の含水量制御方法及び燃料電池システムに関する。
　従来から知られているように、固体高分子型の燃料電池で効率良く発電を行うには、セル内を適度な湿潤状態とし、燃料電池内の水分量を過不足な状態にしないことが望ましい。燃料電池のセル内における水分量を制御する技術として、例えば特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１の技術では、アノード電極側のガス（例えば水素ガス）の圧力を低下させて、カソード電極側からアノード電極側への水移動量を増加させ、セル内の含水量を調整している。
特開２００８－１０３１３７号公報
　しかしながら、実際、アノード電極側のガス圧力を低下させただけでは、所望の含水量に調整できない場合がある。例えば含水量を増加させようと、ガス圧力を極端に低下させると、アノード電極側の水素ガス分圧が低下し、燃料電池の発電出力が低下することがある。また、アノード電極側のガス圧力を極端に低下させると、圧力差を用いた、アノード電極側から外部へのオフガスなどの排出が十分に行われない可能性がでてくる。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、多様な条件に対応して、燃料電池のセル内の含水量を適正に調整可能な燃料電池の含水量制御方法及び燃料電池システムを提供することをその目的とする。
　上記目的を達成するための本発明は、燃料電池のセル内の含水量を制御する方法であって、燃料電池のセルのアノード電極側に供給される燃料ガスの流量と圧力を、制限条件を満たすように調整して、燃料電池のセル内の含水量を制御する。
　本発明によれば、燃料電池のセルのアノード電極側に供給される燃料ガスの流量と圧力を調整し、多様な制限条件に対応して、セル内の含水量を適正に調整できる。
　前記制限条件は、燃料ガスの流量が、セル内のカソード電極側からアノード電極側へ移動する水移動量が上限となる流量を超えないことであってもよい。
　また、前記制限条件は、セル内のアノード電極側に供給される燃料ガスの所定の分圧を確保することであってもよい。
　さらに、前記制限条件は、セル内のアノード電極側から排出されるガスの排出性を確保することであってもよい。
　前記制限条件は、前記燃料電池から排出されたオフガスを処理して前記燃料電池のセル内のアノード電極に供給するためのガス循環装置の動力損失の上限を超えないことであってもよい。
　上記燃料電池の含水量制御方法において、セル内の含水状態を検出し、当該検出結果に基づいて、前記セル内の含水量が目標含水量になるように前記燃料ガスの流量と圧力を調整してもよい。
　上記燃料電池の含水量制御方法において、前記セルのアノード電極側のガス流路のアノード電極面内における所定位置の含水状態を検出し、当該検出結果に基づいて、前記セルの前記所定位置の含水量が目標含水量になるように前記燃料ガスの流量と圧力を調整するようにしてもよい。
　別の観点による本発明は、燃料電池を有する燃料電池システムであって、燃料電池のセルのアノード電極側に供給される燃料ガスの流量と圧力を、制限条件を満たすように調整して、燃料電池のセル内の含水量を制御する制御部を有する。
　本発明によれば、燃料電池のセルのアノード電極側に供給される燃料ガスの流量と圧力を調整し、多様な制限条件に対応して、セル内の含水量を適正に調整できる。
　前記制限条件は、燃料ガスの流量が、セル内のカソード電極側からアノード電極側へ移動する水移動量が上限となる流量を超えないことであってもよい。
　前記制限条件は、セル内のアノード電極側に供給される燃料ガスの所定の分圧を確保することであってもよい。
　前記制限条件は、セル内のアノード電極側から排出されるガスの排出性を確保することであってもよい。
　前記制限条件は、前記燃料電池から排出されたオフガスを処理して前記燃料電池のセル内のアノード電極に供給するためのガス循環装置の動力損失の上限を超えないことであってもよい。
　上記燃料電池システムは、セル内の含水状態を検出する検出部材を有し、前記制御部は、前記検出部材による検出結果に基づいて、前記セル内の含水状態が目標含水量になるように前記燃料ガスの流量と圧力を調整するようにしてもよい。
　前記検出部材は、前記セルのアノード電極側のガス流路のアノード電極面内における所定位置の含水状態を検出し、前記制御部は、前記検出部材による検出結果に基づいて、前記セルの前記所定位置の含水量が目標含水量になるように前記燃料ガスの流量と圧力を調整するようにしてもよい。
燃料電池の斜視図である。 燃料電池の内部の一部を示す側面図である。 単セルの断面図である。 セパレータの平面図である。 燃料電池システムの構成図である。 制御装置の機能ブロック図である。 セル内の含水量の制御方法を示すフローチャートである。 セル内の含水量の一例を示すグラフである。 水素ガスの圧力を低下させたときのセル内の含水量の一例を示すグラフである。 水素ガスの流量を増加させたときのセル内の含水量の一例を示すグラフである。 水素ガス流量と水移動量の関係を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。先ず、燃料電池を有する燃料電池システムの概要について説明し、次いで、当該燃料電池システムで行われる燃料電池の含水量制御方法について説明する。
　図１及び図２に示すように、スタック構造の燃料電池１は、固体高分子電解質型の単セル２を複数積層してなるセル積層体３を有する。セル積層体３の両端にある単セル２（以下、「端部セル２ａ」という。）の外側に、それぞれ、集電板５ａ、５ｂ、絶縁板６ａ、６ｂ及びエンドプレート７ａ、７ｂが配置される。テンションプレート８，８がエンドプレート７ａ、７ｂ間に架け渡されてボルト９で固定され、エンドプレート７ｂと絶縁板６ｂとの間に弾性モジュール１０が設けられる。
　燃料ガスとしての水素ガス、酸化ガスとしての空気、及び冷媒は、エンドプレート７ａの供給口１１ａ，１２ａ及び１３ａに接続した供給管１４からセル積層体３内のマニホールド１５ａに供給される。その後、水素ガス、空気及び冷媒は、単セル２の平面方向に流れて、セル積層体３内のマニホールド１５ｂに至り、エンドプレート７ａの排出口１１ｂ，１２ｂ及び１３ｂに接続した排出管１６から燃料電池１外に排出される。なお、供給管１４、マニホールド１５ａ，１５ｂ及び排出管１６は、水素ガス、空気及び冷媒の各流体に対応して設けられているが、図２では同一符号を付して説明を省略している。
　図３に示すように、単セル２は、ＭＥＡ２０及び一対のセパレータ２２Ａ，２２Ｂを備える。ＭＥＡ２０（膜―電極アッセンブリ）は、イオン交換膜からなる電解質膜２３と、電解質膜２３を挟んだアノード電極２４Ａ及びカソード電極２４Ｂと、で構成される。電極２４Ａには、セパレータ２２Ａの水素流路２５Ａが面し、電極２４Ｂには、セパレータ２２Ｂの空気流路２５Ｂが面する。また、セパレータ２２Ａ，２２Ｂの冷媒流路２６Ａ，２６Ｂが、隣接する単セル２，２間で連通する。単セル２には、図４に示すようにセル２内のアノード電極２４Ａ側の水素流路２５Ａのアノード電極面内における含水状態を検出するセンサＳが設けられている。このセンサＳは、水素流路２５Ａのアノード電極２４Ａ面内の各位置、例えば水素流路２５Ａの入口位置、出口位置、それらの中間位置の含水状態を検出できる。
　図４は、セパレータ２２Ａの平面図である。セパレータ２２Ａは、水素流路２５Ａの外側にそれぞれ貫通形成された水素入口２７ａ、空気入口２８ａ、冷媒入口２９ａ、水素出口２７ｂ、空気出口２８ｂ及び冷媒出口２９ｂを有する。入口２７ａ、２８ａ及び２９ａは、それぞれの流体に対応するマニホールド１５ａの一部を構成し、同様に、出口２７ｂ、２８ｂ及び２９ｂは、それぞれの流体に対応するマニホールド１５ｂの一部を構成する。
　セパレータ２２Ａでは、水素ガスが入口２７ａから水素流路２５Ａに導入され、出口２７ｂへと排出される。この点、冷媒の流れも同様である。また、詳述しないが、セパレータ２２Ａと同様に構成されたセパレータ２２Ｂでも、その平面方向に空気が流れる。このようにして、単セル２内の電極２４Ａ、２４Ｂに水素ガス及び空気が供給され、それによりＭＥＡ２０内で電気化学反応が生じ、起電力が得られる。また、この電気化学反応により、カソード電極２４Ｂ側で水が生成され、当該水がカソード電極２４Ｂ側からアノード電極２４Ａ側に移動し、セル２内の電解質膜２３等に含有される。
　図５に示すように、燃料電池システム１００は、空気配管系３００、水素配管系４００、冷媒配管系５００及び制御装置６００を備える。燃料電池システム１００は、車両、船舶、飛行機、ロボットなどの各種移動体に搭載できるほか、定置型電源にも適用可能である。ここでは、自動車に搭載した燃料電池システム１００を例に説明する。
　空気配管系３００は、燃料電池１に空気を給排するものであり、加湿装置３０、供給流路３１、排出流路３２及びコンプレッサ３３を有する。コンプレッサ３３により大気中のエア（低湿潤状態の空気）が取り込まれて加湿装置３０に圧送され、加湿装置３０にて高湿潤状態の酸化オフガスとの間で水分交換が行われる。その結果、適度に加湿された空気が供給流路３１から燃料電池１に供給される。排出流路３２には、燃料電池１のエア背圧を調整する背圧弁３４が設けられる。また、背圧弁３４の近傍には、エア背圧を検出する圧力センサＰ１が設けられる。コンプレッサ３３には、燃料電池１へのエア供給流量を検出する流量センサＦ１が設けられる。
　水素配管系４００は、燃料電池１に水素ガスを給排するものであり、水素供給源４０、供給流路４１、循環流路４２及びシャットバルブ４３などを有する。水素供給源４０からの水素ガスは、レギュレータ４４によって減圧された後、インジェクタ４５によって流量及び圧力を高精度に調整される。その後、水素ガスは、循環流路４２上のガス循環装置としての水素ポンプ４６によって圧送された水素オフガスと合流点Ａで合流して、燃料電池１に供給される。循環流路４２には、排気排水弁４８付きの排出流路４７が分岐接続されており、排気排水弁４８を開弁することで、水素オフガスが排出流路３２に排出される。合流点Ａの下流側には、燃料電池１への水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられる。また、水素ポンプ４６には、流量センサＦ２が設けられる。なお、別の実施態様では、燃料オフガスを水素希釈器などに導入してもよいし、循環流路４２に気液分離器を設けてもよい。
　冷媒配管系５００は、燃料電池１に冷媒（例えば冷却水）を循環供給するものであり、冷却ポンプ５０、冷媒流路５１、ラジエータ５２、バイパス流路５３及び切替え弁５４を有する。冷却ポンプ５０は、冷媒流路５１内の冷媒を燃料電池１内へと圧送する。冷媒流路５１は、燃料電池１の冷媒入口側にある温度センサＴ１と、燃料電池１の冷媒出口側にある温度センサＴ２と、を有する。ラジエータ５２は、燃料電池１から排出される冷媒を冷却する。切替え弁５４は、例えばロータリーバルブにより構成され、必要に応じて、ラジエータ５２とバイパス流路５３との間で冷媒の通流を切り替える。
　制御装置６００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。制御装置６００には、各配管系３００，４００，５００を流れる流体の圧力、温度、流量等を検出するセンサ（Ｓ，Ｐ１，Ｐ２，Ｆ１，Ｆ２，Ｔ１，Ｔ２）の検出情報が入力される。また、制御装置６００には、燃料電池１が発電した電流値を検出する電流センサ６１の検出情報のほか、外気温センサ６２、車速センサ６３、アクセル開度センサなどの検出情報が入力される。制御装置６００は、これらの検出情報等に応じて、システム１００内の各種機器（コンプレッサ３３、シャットバルブ４３、インジェクタ４５、水素ポンプ４６、排気排水弁４８、冷却ポンプ５０、切替え弁５４など）を制御し、燃料電池システム１００の運転を統括制御する。また、制御装置６００は、センサＳの検出情報に基づいて、燃料電池１のアノード電極２４Ａ側に供給される水素ガスの流量と圧力を、所定の制限条件を満たすように調整して、燃料電池１のセル２内の含水量を制御する。
　図６に示すように、制御装置６００は、所定の制限条件を満たすようにアノード電極２４Ａの水素ガスの流量と圧力を調整して燃料電池１のセル２内の含水量を制御するための機能ブロックとして、例えば記憶部６５、検出部６６、算出部６７及び制御部６８を備える。記憶部６５は、セル２の水素流路２５Ａのアノード電極２４Ａ面内の各位置の目標含水量を決定したり、制限条件を満たすように前記目標含水量を達成するための水素ガス流量と水素ガス圧力を算出したり、それに基づいて水素ガス流量や水素ガス圧力を制御するための各種プログラムや、各種情報を記憶する。検出部６６は、センサＳによるセル２内の含水状態の検出情報を読み込む。算出部６７は、検出部６６で取得された情報等に基づいて、記憶部６５にあるプログラムを実行して、セル２の水素流路２５Ａの所定位置の目標含水量や、制限条件を満たしながら目標含水量を達成するための水素ガス流量と水素ガス圧力を算出する。制御部６８は、算出部６７による結果に基づいて、各種機器に制御指令を送信し、燃料電池１が所望の含水状態になるように運転を制御する。
　次に、以上のように構成された燃料電池システム１００で行われる燃料電池１の含水量制御方法の一例について説明する。
　本制御例は、燃料電池１のセル２のアノード電極２４Ａ側に供給される水素ガス流量と水素ガス圧力を、所定の制限条件を満たすように調整して、燃料電池１のセル２内の含水量を制御するものである。この制御は、例えば算出部６７からの信号を受けた制御部６８によって実行される。図７は、本制御例のフローチャートである。
　先ず、センサＳにより、燃料電池１のセル２の水素流路２５Ａのアノード電極２４Ａ面内の各位置の含水状態が検出され、当該検出結果に基づいて、セル２内に乾き位置があるか否かが判断される（ステップＳ１）。この乾き位置の有無は、例えばセル２内の水素流路２５Ａの各位置の含水量が予め設定された閾値を超えているか否かで判断される。また、この乾き位置の有無の判断は、継続的、断続的、或いは定期的に行われる。
　セル２内に乾き位置がある場合には、その乾き位置の目標含水量が定められる（ステップＳ２）。目標含水量は、例えば予め設定されているものが用いられる。例えば図８のグラフで示すような含水量の状態が検出され、アノード電極（ＡＮ）２４Ａ側の水素流路２５Ａのガス入口位置が乾き位置と判断された場合には、当該入口位置の目標含水量Ｇが設定される。なお、水素流路２５Ａ内に乾き位置がない場合には、スタートに戻される。
　次に、目標含水量Ｇを達成するために、まずアノード電極２４Ａ側の水素ガス圧力が低下される（ステップＳ３）。この水素ガス圧力の低下は、例えば水素ポンプ４６の出力を上げてオフガスの排気を強く行うことにより実現する。この水素ガスの圧力を低下させることにより、図９に示すようにセル２の水素流路２５Ａの各位置における含水量を示すグラフの線の傾きが大きくなる。これにより、水素流路２５Ａのガス入口位置における含水量が目標含水量Ｇに近づく。
　この水素ガス圧力の低下は、アノード電極２４Ａ側の水素流路２５Ａの水素ガスの所定の分圧を確保すること、アノード電極２４Ａ側から排出されるオフガスの排出性を確保することの二つの制限条件を満たすように行われる。
　具体的には、水素ガスの分圧を確保することについては、アノード電極２４Ａ側の水素ガスの分圧が予め設定された閾値（下限値）よりも下がらないように、水素ガスの圧力の下限値が定められる。オフガスの排出性については、ガス排出の際大気開放される場合には、水素ガスの圧力の下限値が、大気圧より高くなるように設定される。水素ガスの圧力は、上記制限条件を満たす範囲の最下限の圧力に設定される。これにより、図９のグラフの線の傾きは、上記制限条件を満たす範囲の最大の傾きになる。
　次に、目標含水量Ｇを達成するために、アノード電極２４Ａ側の水素ガス流量（体積流量）が増加される（ステップＳ４）。この水素ガス流量の増加は、例えば水素ポンプ４６の出力を上げて循環流量を増大させることにより実現する。この水素ガス流量を増加させることにより、図１０に示すように水素流路２５Ａの各位置に対する含水量を示すグラフの線の値が全体的に大きくなり、グラフの線が上方に移動する。これにより、水素流路２５Ａのガス入口位置における含水量が目標含水量Ｇに到達する。
　この水素ガス流量の増加は、水素ポンプ４６の動力損失（水素ポンプ４６の電力消費量）が上限を超えないこと、水素ガス流量がカソード電極（ＣＡ）２４Ｂ側からアノード電極２４Ａ側へ移動する水移動量の上限となる流量を超えないことの二つの制限条件を満たすように行われる。なお、水移動量と水素ガス流量は、図１１に示すような関係にあり、ある値までは、水素ガス流量が増えると水移動量が増えるが、それ以降、水素ガス流量が増えても水移動量が一定になる。　
　具体的には、水素ポンプ４６の動力損失の上限については、動力損失を示す水素ポンプ４６の電流値が予め設定された閾値を超えないように、水素ガス流量の上限が定められる。水移動量の上限については、水素ガス流量が、図１１に示したような水移動量の上限になったときの流量Ｌを超えないように設定される。なお、水素ガス流量を流量Ｌに設定してもよい。水素ガス流量が増加され、セル２内の含水量の調整が一旦終了すると、再度スタートに戻され、これが繰り返される。
　以上の実施の形態によれば、燃料電池１のセル２のアノード電極２４Ａ側に供給される水素ガスの流量と圧力を調整し、所定の制限条件を満たすようにセル２内の含水量を適正に調整できる。また、本実施の形態の場合、セル２内の乾き位置が適切に解消されるので、例えば燃料電池１の高温運転時の発電が効率的に行われる。
　制限条件の一つを、水素ガスの流量が、セル２内のカソード電極２４Ｂ側からアノード電極２４Ａ側へ移動する水移動量が上限となる流量を超えないことにしたので、水移動量に比べて水素ガスの流量が多くなりすぎてガスによるセル２内の水分の持ち去り量が増えて、セル２内が乾燥することを防止できる。これにより、セル２内の水分の減少に起因する発電効率の低下が防止される。
　また、制限条件の一つを、セル２内のアノード電極２４Ａ側に供給される水素ガスの所定の分圧を確保することにしたので、水素ガスの分圧が低下し過ぎて燃料電池１の発電量が低下することを防止できる。
　さらに、制限条件の一つを、セル２内のアノード電極２４Ａ側から排出されるオフガスの排出性を確保することにしたので、オフガスを適正に排出できる。
　制限条件の一つを、水素ガスの流量が水素ポンプ４６の動力損失の上限となる流量を超えないこととしたので、水素ポンプ４６の動力損失が想定以上に大きくなることが防止され、燃料電池システム１００全体のエネルギ効率が悪化することを防止できる。
　上記実施の形態では、センサＳによりセル２内の含水状態を検出し、当該検出結果に基づいて、セル２内の含水量が目標含水量になるように水素ガスの流量と圧力を調整しているので、最終的なセル２内の含水量の調整を正確かつ確実に行うことができる。
　また、セル２の水素流路２５Ａのアノード電極２４Ａ面内における所定位置の含水状態を検出し、当該検出結果に基づいて、セル２の所定位置の含水量が目標含水量Ｇになるように水素ガスの流量と圧力を調整しているので、セル２内の含水量をより厳密に調整できる。なお、本実施の形態では、水素流路２５Ａのガス入口位置の含水量が目標含水量になるように制御する例であったが、中間位置やガス出口位置などの水素流路２５Ａ内の他の位置の含水量を制御してもよい。
　また、以上の実施の形態では、セル２内の乾き位置を検出して、当該乾き位置の含水量を調整していたが、セル２内の水過剰位置を検出して、当該水過剰位置の含水量を調整してもよい。かかる場合、上述の乾き位置を検出した場合と同様に、先ず、水過剰位置の目標含水量が定められ、次に、アノード電極２４Ａ側の水素ガス圧力が上昇され、最後に、アノード電極２４Ａ側の水素ガス流量が減少される。また、この水素ガス圧力の上昇や、水素ガス流量の減少は、上述の実施の形態と同様に所定の制限条件を満たすように行われる。
　以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
　例えば以上の実施の形態では、燃料電池車両に搭載する燃料電池システム１００について説明したが、燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に搭載するものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。また、燃料ガスは、水素ガスであったが、発電時の電気化学反応による水が生成されるものであれば他のガスであってもよい。
　１　燃料電池
　２　単セル
　２３　電解質膜　
　２４Ａ　アノード電極
　２４Ｂ　カソード電極
　２５Ａ　水素流路
　６８　制御部
　１００　燃料電池システム
　６００　制御装置

Claims (14)

  1. 　燃料電池のセル内の含水量を制御する方法であって、
    　燃料電池のセルのアノード電極側に供給される燃料ガスの流量と圧力を、制限条件を満たすように調整して、燃料電池のセル内の含水量を制御する、燃料電池の含水量制御方法。
  2. 　前記制限条件は、燃料ガスの流量が、セル内のカソード電極側からアノード電極側へ移動する水移動量が上限となる流量を超えないことである、請求項１に記載の燃料電池の含水量制御方法。
  3. 　前記制限条件は、セル内のアノード電極側に供給される燃料ガスの所定の分圧を確保することである、請求項１又は２に記載の燃料電池の含水量制御方法。
  4. 　前記制限条件は、セル内のアノード電極側から排出されるガスの排出性を確保することである、請求項１～３のいずれかに記載の燃料電池の含水量制御方法。
  5. 　前記制限条件は、前記燃料電池から排出されたオフガスを処理して前記燃料電池のセル内のアノード電極に供給するためのガス循環装置の動力損失の上限を超えないことである、請求項１～４のいずれかに記載の燃料電池の含水量制御方法。
  6. 　セル内の含水状態を検出し、当該検出結果に基づいて、前記セル内の含水量が目標含水量になるように前記燃料ガスの流量と圧力を調整する、請求項１～５のいずれかに記載の燃料電池の含水量制御方法。
  7. 　前記セルのアノード電極側のガス流路のアノード電極面内における所定位置の含水状態を検出し、当該検出結果に基づいて、前記セルの前記所定位置の含水量が目標含水量になるように前記燃料ガスの流量と圧力を調整する、請求項６に記載の燃料電池の含水量制御方法。
  8. 　燃料電池を有する燃料電池システムであって、
    　燃料電池のセルのアノード電極側に供給される燃料ガスの流量と圧力を、制限条件を満たすように調整して、燃料電池のセル内の含水量を制御する制御部を有する、燃料電池システム。
  9. 　前記制限条件は、燃料ガスの流量が、セル内のカソード電極側からアノード電極側へ移動する水移動量が上限となる流量を超えないことである、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 　前記制限条件は、セル内のアノード電極側に供給されるガスの所定の分圧を確保することである、請求項８又は９に記載の燃料電池システム。
  11. 　前記制限条件は、セル内のアノード電極側から排出されるガスの排出性を確保することである、請求項８～１０のいずれかに記載の燃料電池システム。
  12. 　前記制限条件は、前記燃料電池から排出されたオフガスを処理して前記燃料電池のセル内のアノード電極に供給するためのガス循環装置の動力損失の上限を超えないことである、請求項８～１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
  13. 　セル内の含水状態を検出する検出部材を有し、
    　前記制御部は、前記検出部材による検出結果に基づいて、前記セル内の含水量が目標含水量になるように前記ガスの流量と圧力を調整する、請求項８～１２のいずれかに記載の燃料電池システム。
  14. 　前記検出部材は、前記セルのアノード電極側のガス流路のアノード電極面内における所定位置の含水状態を検出し、
    　前記制御部は、前記検出部材による検出結果に基づいて、前記セルの前記所定位置の含水量が目標含水量になるように前記ガスの流量と圧力を調整する、請求項１３に記載の燃料電池システム。
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