JP2002324563A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解質膜を劣化させることなくかつフラッデ
ィングの発生した個所のみ凝縮水を除去できる燃料電池
システム及びその制御方法を提供する。 【解決手段】 固体高分子膜である電解質膜１０の両側
にアノード１２とカソード１４とが配置され、その外側
に集電体１６が配置され、これらがセパレータ１８によ
り挟まれて燃料電池セル３０が構成されている。このセ
パレータ１８に加熱手段を設け、電解質膜１０の加湿用
の水分が凝縮した場合にスイッチ２０をＯＮとして電源
２２から加熱手段に電流を供給し、凝縮水を蒸発させ
る。これによりフラッディングを速やかに解消できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質膜として固
体高分子膜を備える燃料電池システム及びその制御方法
の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】電解質膜として固体高分子膜を使用する
燃料電池においては、固体高分子膜を挟んで一対の電極
を配置し、一方の電極表面に水素等の燃料ガスを供給
し、他方の電極表面に酸素を含有する酸化ガスを供給し
て電気エネルギーを取り出す構成となっている。図５に
は、このような従来の燃料電池の構成の断面図が示され
る。図５において、電解質膜１０の両側には、水素極で
あるアノード１２と酸素極であるカソード１４とが配置
されている。これらアノード１２とカソード１４の外側
には、集電体１６が配置され、これらがセパレータ１８
により挟み込まれる構成となっている。
【０００３】電解質膜１０として使用される固体高分子
膜は、良好な電気導電性を得るために、十分に含水させ
て湿潤状態にする必要がある。そのため、アノード１２
に供給される水素あるいはカソード１４に供給される空
気等の酸化ガスを予め加湿し、これを燃料電池に供給す
る方法が通常行われている。図５に示された例において
は、アノード１２に供給される水素を加湿する例が示さ
れている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の固
体高分子膜を使用した燃料電池においては、図６に示さ
れるように、加湿用の水分が水素極であるアノード１２
や集電体１６の細孔内で凝縮し、細孔が凝縮水によって
塞がれて水素の流れが不均一となるいわゆるフラッディ
ング現象が生じる場合がある。このような状態になる
と、特定部分のみ水素の供給が集中して行われ、その部
分の電流密度が上昇し、電解質膜１０が破れる恐れがあ
るという問題があった。このような現象はカソード１４
側に供給される酸化ガスとしての空気を加湿する場合に
も同様に生じうる。
【０００５】上記フラッディング現象を解消するために
は、例えば特開２０００−２５１９１２号公報にも開示
されているように、燃料電池に供給される水素あるいは
空気等のガス供給配管を加熱し、加湿用の水分の凝縮を
抑制するという方法も考えられる。
【０００６】しかし、ガス供給配管を加熱すると、供給
されるガスの温度が上昇し、温度上昇されたガスが固体
高分子膜の全面に接触して膜全体が加熱され劣化しやす
くなるという問題があった。
【０００７】本発明は、上記従来の課題に鑑みなされた
ものであり、その目的は、電解質膜を劣化させることな
くかつフラッディングの発生した個所のみ凝縮水を除去
できる燃料電池システム及びその制御方法を提供するこ
とにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、セパレータにて電解質膜を挟む構成の燃
料電池セルを含む燃料電池システムであって、セパレー
タに加熱手段を設置し、燃料電池セルの状態によって加
熱手段の起動停止を制御することを特徴とする。
【０００９】また、上記燃料電池システムにおいて、燃
料電池セルが複数積層され、各燃料電池セルにそれぞれ
加熱手段が設置されたことを特徴とする。
【００１０】また、上記燃料電池システムにおいて、複
数積層された燃料電池セルのうち一部についてのみ加熱
手段の起動停止の制御を行う制御手段を備えたことを特
徴とする。
【００１１】また、セパレータにて電解質膜を挟む構成
の燃料電池セルを含む燃料電池システムの制御方法であ
って、燃料電池セルの状態によってセパレータに設置さ
れた加熱手段の起動停止の制御を行うことを特徴とす
る。
【００１２】また、上記燃料電池システムの制御方法に
おいて、燃料電池セルが複数積層され、各燃料電池セル
にそれぞれ設置された加熱手段のうち一部についてのみ
起動停止の制御を行うことを特徴とする。
【００１３】また、上記燃料電池システムの制御方法に
おいて、加熱手段による加熱温度が１００℃以上１２０
℃以下であることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態（以下
実施形態という）を、図面に従って説明する。
【００１５】図１には、本発明に係る燃料電池システム
の一実施形態の構成例が示される。図１においては、図
５及び図６に示された構成と同一部材には同一符号が付
されている。本実施形態においても、固体高分子膜を電
解質膜１０として使用し、この両側にアノード１２とカ
ソード１４とを配置し、さらにその外側に集電体１６を
配置して、これらをセパレータ１８により挟み込む構成
となっている。これにより、燃料電池セル３０が構成さ
れる。
【００１６】本実施形態において、特徴的な点は、加湿
されたガス、図１の例では水素が供給されるアノード１
２側のセパレータ１８及び集電体１６中に水分が凝縮
し、フラッディングが発生した場合に、スイッチ２０を
ＯＮとし、電源２２からセパレータ１８中に設置した図
示しない加熱手段に電流を供給し、セパレータ１８を加
熱する点にある。この加熱手段としては、例えばニクロ
ム線等でヒータを構成しても良い。また、各セパレータ
は電気的に独立しているので、セパレータ１８自体に通
電加熱することも可能である。このように、燃料電池セ
ル３０のフラッディングの発生状態によって加熱手段の
起動停止を制御すれば、セパレータ１８中に生じた凝縮
水を速やかに除去することができ、電流密度の上昇によ
る電解質膜１０の破損等を防止できる。
【００１７】また、燃料電池は、通常図１に示された構
成の燃料電池セル３０が複数積層されてスタックを形成
しているが、フラッディングが発生した燃料電池セル３
０のみについてセパレータ１８の加熱を行えるように構
成するのが好適である。これにより、供給される水素ガ
スの温度が上がり過ぎて、電解質膜１０の温度が上昇
し、電解質膜１０を熱劣化させることを回避することが
できる。
【００１８】図２（ａ）、（ｂ）には、セパレータ１８
に、加熱手段としてのヒータを設置する例が示される。
図２（ａ）に示されるように、ガス拡散層としての機能
を有する集電体１６には、水素ガスあるいは空気を供給
するための溝２４が形成されている。この溝２４のＢ部
の拡大図が図２（ｂ）に示される。図２（ｂ）におい
て、溝２４中に加熱手段としてのヒータ２６が設置され
ている。このヒータ２６は、ニクロム線等により構成さ
れ、燃料電池セル３０の状態すなわちセパレータ１８、
集電体１６等における凝縮水の発生状況（フラッディン
グ）に応じて通電制御されて起動、停止が行われる。な
お、このようなヒータ２６によりセパレータ１８を加熱
する場合には、加熱温度を１００℃以上１２０℃以下と
するのが好適である。１００℃以上の温度とすることに
より、凝縮した水分を確実に気化させることができ、１
２０℃以下とすることにより電解質膜１０の熱劣化を回
避することができる。また、加熱時間としては、凝縮水
が十分に蒸発できれば良いので、電解質膜１０の温度が
上がりすぎないようにするため数秒程度とするのが良
い。
【００１９】図３には、図１に示された構成の燃料電池
セル３０が複数積層され、スタックが形成された例が示
される。なお、図３においては、水素ガス及び空気の供
給配管は省略されている。
【００２０】図３において、各燃料電池セル３０には、
図１、図２（ａ）、（ｂ）に示されたような加熱手段と
してのヒータ２６が設置されている。このヒータ２６へ
の通電は、通電制御部３２によって行われる。各燃料電
池セル３０には、それぞれの発電起電力を検知する図示
しない電圧センサが設けられており、各燃料電池セル３
０の起電力が電圧監視部３４に入力される。この電圧監
視部３４に入力される各燃料電池セル３０の起電力によ
り、セパレータ１８等に水分が凝縮する、いわゆるフラ
ッディング現象の発生を検出している。
【００２１】図４には、このようなフラッディングの検
出原理の説明図が示される。図４において、横軸には各
燃料電池セル３０を流れる電流が示され、縦軸には各燃
料電池セル３０の発電起電力が示される。燃料電池セル
３０中でフラッディングが生じておらず、正常な動作状
態の場合には、図４のαで示されるように、電流Ｉと発
電起電力Ｖとの関係は電流の増加に対して発電起電力が
単調に減少する関係となっている。これに対してフラッ
ディングが発生した場合には、図４のβに示されるよう
に、フラッディングが発生した時点で燃料電池セル３０
の発電起電力が急激に低下する。したがって、電圧監視
部３４は、このような発電起電力の急激な低下が検出さ
れた燃料電池セル３０にフラッディングが発生したと判
定し、当該燃料電池セル３０を示す信号を制御部３６に
出力する。制御部３６では、図４に示されるような発電
起電力の急激な低下が検出された燃料電池セル３０に対
して、ヒータ２６の通電制御を行うよう通電制御部３２
に指示信号を出力する。通電制御部３２では、制御部３
６から受け取った指示信号に基づき、フラッディングの
発生した燃料電池セル３０に対してヒータ２６の通電制
御を行い、凝縮した水を蒸発させてフラッディングを解
消させる。この通電時間としては、前述したように数秒
程度であり、加熱温度としては１００℃以上１２０℃以
下としている。
【００２２】以上のような構成により、どの燃料電池セ
ル３０でフラッディングが発生したかを速やかに検出す
ることができ、フラッディングが発生した一部の燃料電
池セル３０についてのみ加熱手段としてのヒータ２６の
通電制御が行われ、フラッディングを解消させることが
できる。このため、電解質膜１０のある特定部分に水素
あるいは空気の流れが集中することによって生じる、電
流密度の上昇による電解質膜１０の破損等を防止するこ
とができる。特に、図３に示されるように、複数の燃料
電池セル３０が積層されてスタックを構成している場合
には、一部の燃料電池セル３０にフラッディッングが生
じると、スタックを流れている電流が一定なので、フラ
ッディングの生じた燃料電池セル３０の水滴が発生して
いない部分での電流密度が急激に上昇する。このため、
上記構成により電解質膜１０の破損を防止することは極
めて有効である。
【００２３】また、上記構成においては、燃料電池セル
３０のうちフラッディングの発生した一部についてのみ
ヒータ２６の通電制御を行うので、スタック全体の温度
上昇を抑制でき、電解質膜１０が長時間高温にさらされ
ることを防止できる。このため、電解質膜１０の熱劣化
を回避できる。
【００２４】なお、以上に説明した各実施形態は、水素
供給側のセパレータ１８へヒータ２６を設置する例であ
ったが、空気を供給する側のセパレータ１８に対して同
様の構成とすることが可能である。これにより、水素で
はなく空気を加湿する構成に対応することができる。
【００２５】さらに、図３に示されるような燃料電池セ
ル３０が積層されたスタックにおいては、通常その両端
の燃料電池セル３０の温度が低下し、フラッディング現
象が生じやすい。したがって、ヒータ２６を、フラッデ
ィングを起こしやすい両端側の燃料電池セル３０のみに
設置する構成としても良い。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料電池セルのセパレータ等水分の凝縮が生じやすい部
分に加熱手段を設けているので、凝縮水を効率的に蒸発
させることができ、速やかにフラッディングを解消する
ことができる。
【００２７】また、複数の燃料電池セルが積層されスタ
ックを構成している場合には、フラッディングが発生し
ている燃料電池セルのみ選択的に加熱することができ、
必要最小限度の加熱のみでフラッディングを解消でき
る。このため、電解質膜全体が長時間にわたって高温に
さらされることを防止でき、電解質膜の熱劣化を回避で
きる。
【００２８】また、加熱手段による加熱温度が１００℃
以上１２０℃以下の範囲とされているので、凝縮水を速
やかに蒸発させることができ、かつ電解質膜の熱劣化を
防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池システムの構成例を示
す図である。
【図２】 図１に示された燃料電池セルのセパレータに
加熱手段を設置する場合の説明図である。
【図３】 図１に示される燃料電池セルを複数積層して
スタックとした本発明に係る燃料電池システムの構成例
を示す。
【図４】 図３における電圧監視部での電圧検出例を示
す図である。
【図５】 従来における燃料電池システムの構成例を示
す図である。
【図６】 従来における燃料電池システムにおいて水分
凝縮が起こる状態の説明図である。
【符号の説明】
１０ 電解質膜、１２ アノード、１４ カソード、１
６ 集電体、１８ セパレータ、２０ スイッチ、２２
電源、２４ 溝、２６ ヒータ、３０ 燃料電池セ
ル、３２ 通電制御部、３４ 電圧監視部、３６ 制御
部。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年４月１９日（２００２．４．１
９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１８】図２（ａ）、（ｂ）には、セパレータ１８
に、加熱手段としてのヒータを設置する例が示される。
図２（ａ）に示されるように、セパレータ１８にはガス
拡散層としての機能を有する集電体１６に水素ガスある
いは空気を供給するための溝２４が形成されている。こ
の溝２４のＢ部の拡大図が図２（ｂ）に示される。図２
（ｂ）において、溝２４中に加熱手段としてのヒータ２
６が設置されている。このヒータ２６は、ニクロム線等
により構成され、燃料電池セル３０の状態すなわちセパ
レータ１８、集電体１６等における凝縮水の発生状況
（フラッディング）に応じて通電制御されて起動、停止
が行われる。なお、このようなヒータ２６によりセパレ
ータ１８を加熱する場合には、加熱温度を１００℃以上
１２０℃以下とするのが好適である。１００℃以上の温
度とすることにより、凝縮した水分を確実に気化させる
ことができ、１２０℃以下とすることにより電解質膜１
０の熱劣化を回避することができる。また、加熱時間と
しては、凝縮水が十分に蒸発できれば良いので、電解質
膜１０の温度が上がりすぎないようにするため数秒程度
とするのが良い。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正内容】
【図４】

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 セパレータにて電解質膜を挟む構成の燃
    料電池セルを含む燃料電池システムであって、 前記セパレータに加熱手段を設置し、前記燃料電池セル
    の状態によって前記加熱手段の起動停止を制御すること
    を特徴とする燃料電池システム。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池システムにおい
    て、前記燃料電池セルが複数積層され、前記各燃料電池
    セルにそれぞれ加熱手段が設置されたことを特徴とする
    燃料電池システム。
  3. 【請求項３】 請求項２記載の燃料電池システムにおい
    て、前記複数積層された燃料電池セルのうち一部につい
    てのみ加熱手段の起動停止の制御を行う制御手段を備え
    たことを特徴とする燃料電池システム。
  4. 【請求項４】 セパレータにて電解質膜を挟む構成の燃
    料電池セルを含む燃料電池システムの制御方法であっ
    て、 前記燃料電池セルの状態によって前記セパレータに設置
    された加熱手段の起動停止の制御を行うことを特徴とす
    る燃料電池システムの制御方法。
  5. 【請求項５】 請求項４記載の燃料電池システムの制御
    方法において、前記燃料電池セルが複数積層され、前記
    各燃料電池セルにそれぞれ設置された加熱手段のうち一
    部についてのみ起動停止の制御を行うことを特徴とする
    燃料電池システムの制御方法。
  6. 【請求項６】 請求項４または請求項５記載の燃料電池
    システムの制御方法において、前記加熱手段による加熱
    温度が１００℃以上１２０℃以下であることを特徴とす
    る燃料電池システムの制御方法。
JP2001126354A 2001-04-24 2001-04-24 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Withdrawn JP2002324563A (ja)

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