JP2004342596A - 固体高分子型燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 反応ガス流量の高低に拘わらず単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比を一定以上確保して、最適なガス分配性を得ることができる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】 単位電池２を複数積層して構成された燃料電池スタック１の排出マニフィールド５に、可動部材７を設ける。可動部材７には、各単位電池２の排出口６に対応した貫通孔９が設けられている。可動部材７を反応ガス流量に応じて移動させることにより、反応ガス流量が多い場合には、排出口６と貫通孔９とを一致させ、反応ガス流量が少ない場合には、排出口６と貫通孔９とをずらすことにより単位電池圧力損失／マニフォールド圧力損失を増加させることにより、反応ガス流量によらずにガス分配性能を向上させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体高分子膜を電解質として用いた単位燃料電池（セル）を複数積層して構成される固体高分子型燃料電池スタックに係り、特に、供給マニフォールドおよび排出マニフォールドから各単位電池への反応ガス分配を最適化した固体高分子型燃料電池スタックに関する。

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子型燃料電池が知られている。

このタイプの燃料電池において、燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

（化１）
燃料極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
酸化剤極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
そして、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では式（１）の反応が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、カソードでは式（２）の反応が進行する。

これら式（１）、（２）の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。この発電反応が生じるためには、燃料極と酸化剤極の双方で、反応に寄与する各化学種が存在することが必要であり、そのためには反応ガスを均一に反応面へと供給しなければならない。

単位電池における起電力を車両の動力源等に利用するためには、単位電池を直列に配列し電圧を高めた方が効率が良い。このような目的で単位電池を積層したものをスタックと呼ぶ。スタックにおいては通常、反応ガスは供給マニフォールドを通じて各単位電池へと供給され、各単位電池で生成された排ガス等は排出マニフォールドを通じて外部へ排出、または再利用のために循環される。

スタックにおいても各単位電池内と同様に反応ガスを均一に反応面へと供給しなければならず、供給マニフォールドならびに排出マニフォールドと単位電池の構成を最適化することで、反応ガスの各単位電池への理想的な供給が実現される。逆に、各単位電池に均等に反応ガスが供給されなければ、各単位電池間で発電性能に不均一を生じ、極端に低い起電力しか示さないものや、最悪の場合には転極、すなわち逆の起電力を生じ、燃料電池を破損することもあり得る。

例えば、特許文献１記載の技術では、供給マニフォールド内に多孔質材を挿入し、反応ガスの流れを整流することで、反応ガスの各単位電池への配流性を向上させた燃料電池スタックが提案されている。

また、特許文献２記載の技術では、整流用と供給用のマニフォールドを個別に設けることで、配流を向上させた燃料電池スタックが提案されている。

しかしながら、移動体用の燃料電池では必要とされる発電量の帯域が広く、それに応じて供給される反応ガスの量も変化することとなる。前述の公知例では、ある特定の反応ガス流量時には単位電池へのガス分配を最適化できるが、それ以外の流量時には設計点から外れ、反応ガスの分配に不均一が生じることとなる。
特開平８−２１３０４４号公報（第５頁、図８） 特開２００１−２０２９８４号公報（第５頁、図１）

このように、反応ガスを各単位電池へ分配する供給マニフォールドでは、各単位電池への等分配が求められるのに対し、分配量の不均一が生じるという問題点があった。

また、分配性を向上させるために単位電池セパレータの反応ガス通過抵抗を増加させると、燃料電池スタック全体の供給圧力が上昇し、スタックに反応ガスを供給するポンプあるいはコンプレッサに負担を強いることになり、システム全体の効率が低下するという問題点があった。

さらに、供給マニフォールドへの多孔質材の挿入やマニフォールドの２分化といった固定式の分配性向上策では、設計点から外れた領域での分配が最適値と異なるという問題点があった。

各単位電池（セル）内を通過するガスの圧力損失dpc と、ガス供給マニフォールド内を通過するガスの圧力損失、もしくはガス排出マニフォールド内を通過するガスの圧力損失dpm との間で、両者の比
（数１）
Rdp＝dpc / dpm …（３）
を計算した時、この単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdp と、各単位電池へ分配された流量のばらつき（標準偏差）の関係は、図７に示すような曲線になることがシミュレーション結果により得られた。

図７によれば、Rdp が小さい場合には、各単位電池のガス流量のばらつきは非常に大きいが、Rdp の増加に伴って急激にばらつきが低下し、さらにRdp を増加させてもばらつきの低下にはあまり効果がないことがわかる。

従って、単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdp をある程度大きな値に保つことで、反応ガスの各単位電池への分配は実質的に均一化すると考えられる。

更に、図８に示すように、固体高分子型燃料電池スタックの各単位電池においては、各単位電池へ分配され供給されたガス流量ＦＬが多いときには、大きな単位電池流路圧力損失dpcがあるため、マニフォールド圧力損失dpmを大きく設定しても、単位電池流路圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdpを適宜大きな値とすることができることが判明した。

一方、ガス流量ＦＬが少ないときには、対応して単位電池流路圧力損失dpcが小さくなって単位電池流路圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdpが小さくなってしまうため、マニフォールド圧力損失dpmを小さく設定してやり、単位電池流路圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdpを適宜大きな値とする必要があることも判明した。

従って、結果的に各単位電池へ分配され供給されたガス流量のばらつきΔＦＬを抑えるには、図８に示すような単位電池流路圧力損失dpcの特性を踏まえつつ、ガス流量ＦＬが多いときであっても及び少ないときであっても、単位電池流路圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdpを、それが図７の右側領域に行く方向になるように適宜大きな値を持つように、マニフォールド圧力損失dpmを用いて制御すればよいことが理解できる。

この知見に基づき、本発明は、上記問題点を解決するため、電解質膜の両面にそれぞれ電極を配設した膜電極接合体と、それぞれの電極に反応ガスを供給するためのガス流路が形成されたセパレータと、ガス供給マニフォールドと、ガス排出マニフォールドとを備えた単位電池を複数積層して構成される固体高分子型燃料電池スタックにおいて、前記ガス供給マニフォールド、前記ガス排出マニフォールド、前記セパレータのいずれかを通過するガスの圧力損失をその流量によって可変とする圧力損失可変手段を備えたことを要旨とする。

本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックよれば、反応ガス供給量が多い時には、十分な単位電池圧力損失があるため圧力損失可変手段による圧力損失を少なくし、一方反応ガス供給流量が少ない時には、単位電池圧力損失が小さく単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比が小さいため、圧力損失可変手段を用いて単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比を大きくすることで、燃料電池の発電状態およびまたは反応ガス流量に応じて最適なガス分配性を得ることができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例１を示す模式図である。図２は、図１に示した燃料電池スタックの排出マニフォールド５の拡大図である。

図１において、燃料電池スタック１は、単位電池（セル）２を複数積層して構成されている。

単位電池２は、図２に示すように、電解質膜の両面に電極を接合した膜電極接合体８と、膜電極接合体８の両面に配設され、単位電池２に反応ガスを供給するとともに単位電池間の隔壁を成すセパレータ３、３’を積層することによって構成される。

膜電極接合体８は、固体高分子膜からなる電解質膜と、この電解質膜を挟持するように電解質膜の両面に形成された二つの電極（燃料極と酸化剤極）を備えている。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ている。この膜の両面に配設される二つの電極には、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ーからなり、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ている。

セパレータ３（３’）は、ガス不透過である緻密性カーボン材で構成されており、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、多数のリブが形成されている。

各単位電池２には、積層方向に貫通するように供給マニホールド４及び排出マニホールド５が設けられ、各供給マニホールド４及び排出マニホールド５が連接して、燃料電池スタック１としての供給マニホールド及び排出マニホールドを構成している。

酸化剤ガス及び燃料ガスは、それぞれの供給マニフォールド４から各単位電池２へ供給され、排出マニフォールド５から排出される。セパレータ３から排出マニフォールド５へガスが排出される排出口６を遮るように、排出マニフォールド５内には、圧力損失可変手段である可動部材７が配置されている。この可動部材７の可動方向１０は、図１ではスタックの積層方向である。

図２において、排出マニフォールド５内には、単位電池２から反応ガスが排出される排出口６が開口している。可動部材７は排出マニフォールド５内に配置され、単位電池２の排出口６と可動部材７の貫通孔９とは対向する位置に配置されている。

反応ガス流量の多い時、この排出口６と貫通孔９とが完全に一致することによって、排出ガスの通過する孔は最大面積を持ち、可動部材７によって燃料電池全体の圧力損失は変化しない。

一方、反応ガス流量の少ない時、排出ガスの通過する孔が最大面積を持てば、単位電池通過の圧力損失が小さく、単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdp は小さい値を取り、各単位電池２への反応ガス分配に不均一を生じる。この時、排出口６と貫通孔９がわずかにずれるよう可動部材７が移動することによって、反応ガスの通過する面積が縮小し、単位電池通過の圧力損失は増加する。その結果、単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比Rdp は増加し、反応ガスの分配が均一となる。

図３は、圧力損失可変手段として可動部材７を移動させる機構の例を示す模式図である。この例では、排出ガスの通過する孔の面積を大面積時、小面積時の大小二状態に変化させられるものとする。可動部材７は、鉄等の磁性体を用いて製造し、あるいは可動部材７に磁性体を貼付する。さらに可動部材７が複数の単位電池２間を短絡しないように、可動部材７の表面をフッ素樹脂等の絶縁耐食性樹脂でコーティングする。

この可動部材７を駆動するために、燃料電池スタック１の端部に配置されるエンドプレート２１の可動部材７と対向する位置に、ヨーク２３とコイル２４から成る電磁石を配置する。またエンドプレート２１と可動部材７との間には、リターンスプリング２５を設けて、可動部材７をエンドプレート２１’側へ付勢しておく。そして、反応ガス流量に応じてコイル２４に通電する電流をオン／オフすることにより、可動部材７をエンドプレート２１側へ引きつけたり、エンドプレート２１’側へ押し戻したりして、反応ガス流量に応じた可動部材７の移動を実現することができる。

また、可動部材７を多数の状態に変化させる場合、その移動手段としてステッピングモータを使用することも可能である。小流量時における単位電池の圧力損失上昇は、流量が少ないことも相まって、反応ガスを燃料電池スタックに供給するポンプ、あるいはコンプレッサにかかる負荷は大きくはならず、燃料電池システム全体にとっての損失となることはない。

尚、本実施例においては、排出マニホールド５の内部に、可動部材７を設置して、圧力損失可変手段としたが、これに限らず、供給マニフォールド４の内部に可動部材７を設置して、圧力損失可変手段とすることもできる。これは、以下の各実施例においても同様である。

図４は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例２を示す排出マニフォールド部の拡大図である。本実施例では、可動部材７に配置された各単位電池毎の貫通孔９ａ，９ｂ，９ｃの形状が単位電池２の位置によって異なるように形成されている。その他の構成要素は、実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同一符号を付与して、重複する説明を省略する。

可動部材７に配置された貫通孔９ａ，９ｂ，９ｃの形状が単位電池２の位置によって異なるように形成されているので、排出口６と、可動部材７に配置された貫通孔９ａ，９ｂ，９ｃが完全に一致せず、可動部材７の移動によって、排出ガス通過部の面積縮小率が流路位置によって流路毎に異なる。これにより、例えば特定の単位電池、あるいは単位電池群が特に反応ガスの供給量に乏しい時、該当する単位電池の面積縮小率を他の単位電池よりも小さくすることによって、単位電池圧力損失を低減させ、より一層反応ガスの供給量を均一化することができるという効果がある。

本実施例では、排出マニフォールド５内に配置された可動部材７を複数の部材から構成し、それぞれの可動部材を独立に制御可能とすることを特徴とする。これにより、燃料電池の運転状態、反応ガス流量に応じて、その最適となる面積縮小率を可動部材個数だけ独立に制御し、反応ガスの分配を詳細に制御することができるという効果がある。

図５は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例４を示す模式図である。本実施例では、排出マニフォールド５に配置された可動部材７は貫通孔を持たない一枚の板である。

図６は、図５に示した燃料電池スタックの排出マニフォールド５の拡大図である。可動部材７は、排出マニフォールド５内で、排出口６から排出ガスが流出するのを妨げるように配置され、排出口６に近づき、あるいは遠ざかるように移動する。これにより、各単位電池を反応ガスが通過する時の圧力損失は、可動部材７が排出口６に近づいた時は大きく、逆に遠ざかる時は小さくなる。従って、反応ガス流量が少ない時には可動部材７を排出口６に近づけることによって、単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比 Rdp を大きくすることができ、各単位電池２への反応ガスの分配を均一化することが可能となるという効果がある。

尚、本実施例における可動部材７の駆動機構として、電磁石を用いる場合、可動部材７を磁性体とするか、或いは可動部材７に磁性体を接着し、図６の燃料電池スタック１の上端面に電磁石を配置すればよい。

本実施例では、排出マニフォールド５内に配置された可動部材７が排出口６に近づき、あるいは遠ざかるように移動し、かつ可動部材７が排出口６の存在する面と必ずしも並行ではなく、その移動距離が流路位置によって流路毎に異なることを特徴とする。これによって、ある特定の条件下で供給される流量の少ない単位電池が存在する場合に、その単位電池近傍で特に可動部材と排出口の距離が他の部分の距離よりも近くなるように移動させることで、各単位電池への反応ガスの分配を均一化することができるという効果がある。

本実施例では、排出マニフォールド５内に配置された可動部材７が複数の部材より構成され、複数の可動部材７がそれぞれ排出口６に近づき、あるいは遠ざかるように移動し、その移動距離が流路位置によって流路毎に異なることを特徴とする。これによって、ある特定の条件下で供給される流量の少ない単位電池が存在する場合に、その単位電池近傍で特に可動部材７と排出口６の距離が他の部分の距離よりも近くなるように移動させることで、各流量時に各単位電池へ最適な圧力損失を、ひいては最適な反応ガス流量を与えることが可能となり、各単位電池への反応ガスの分配を均一化することができるという効果がある。

図９は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例７を示す模式図である。本実施例は、単位電池（セル）内ガス流路の凝縮水による閉塞検出手段として、該単位電池における酸化剤ガス流路入出口からの中間地点付近及び出口付近の静圧差を測定することを特徴とする。単位電池内流路の凝縮水による閉塞が発生したとき、上記静圧差が正常のものよりも大きくなることを利用している。

図９において、燃料電池スタック１は、単位電池（セル）２を複数積層して構成されている。単位電池２は、図２を参照して実施例１で説明したように、電解質膜の両面に電極を接合した膜電極接合体８と、膜電極接合体８の両面に配設され、単位電池２に反応ガスを供給するとともに単位電池間の隔壁を成すセパレータ３、３’を積層することによって構成される。

各単位電池２には、積層方向に貫通するように供給マニホールド４及び排出マニホールド５が設けられ、各供給マニホールド４及び排出マニホールド５が連接して、燃料電池スタック１としての供給マニホールド及び排出マニホールドを構成している。

酸化剤ガス（例えば空気）は、供給マニフォールド４から各単位電池２へ供給され、セル内のガス流路１１を経て排出マニフォールド５から排出される。セパレータ３から排出マニフォールド５へガスが排出される排出口６を遮るように、排出マニフォールド５内には、圧力損失可変手段である可動部材７が配置されている。この可動部材７の可動方向は、図９ではスタックの積層方向と同じＹ方向である。

また、本実施例においては、単位電池内ガス流路の凝縮水によるガス流路閉塞を検出する閉塞検出手段として、各単位電池２のガス流路１１内の静圧を検出する静圧検出手段１３ａ、１３ｂを備えている。静圧検出手段１３ａ、１３ｂには、例えばシリコンダイヤフラムに、ピエゾ素子によるブリッジ回路を形成した半導体圧力センサを使用可能である。

静圧検出手段１３ａは、セル内ガス流路１１の中間付近に配置され、静圧検出手段１３ｂは、ガス流路１１の出口付近に配置されている。

単位電池２のガス流路１１では、上流側より下流側で反応ガスの消費が進むとともに、反応による生成水が蓄積するので、ガス流路の下流側に凝縮水１２による水詰まりが生じ易い。従って、単位電池２のガス流路１１の出入り口から中間付近と、出口近傍にそれぞれ静圧検出手段を配置し、これらの静圧検出値を比較し、所定値を超えていれば、凝縮水によるガス流路閉塞状態が生じたと判定することができる。

図示しないコントローラは、これら静圧検出手段１３ａ、１３ｂの検出信号を入力している。そして、ガス流路１１に凝縮水１２による水詰まりが生じれば、凝縮水１２の上流側でガスの静圧が高くなることから、静圧検出手段１３ａの検出値と静圧検出手段１３ｂの検出値との差圧が増加する。このため、実験的に凝縮水１２による水詰まり判定のための状態を作り、このときの静圧検出手段１３ａ及び１３ｂの検出値から、水詰まりが生じたと判定する静圧差の判定値をマップとしてコントローラに予め記憶させておく。

この静圧差判定値のマップは、例えば、横軸に中間付近の静圧検出手段１３ａの検出値をとり、縦軸に静圧検出手段１３ａの検出値と静圧検出手段１３ｂの検出値との差をプロットしたものが利用できる。

尚、各単位電池毎のガス流路を閉塞状態と判定する静圧差は、予め記憶したマップを利用することなく判定することもできる。燃料電池スタック１を構成する各単位電池に、それぞれガス流路１１の中間付近の静圧検出手段１３ａと出口付近の静圧検出手段１３ｂとを設け、各単位電池毎に静圧差を検出し、燃料電池スタック１全体における静圧差の代表値（平均値、または中位値、最大最小の中間値等）を求める。そして、代表値から一定値、または一定比率以上過大となった静圧差を示す単位電池をガス流路の閉塞状態であると判定してもよい。

そして、燃料電池の運転中に所定の制御周期毎、例えば１０〔ｍＳ〕毎に、静圧検出手段１３ａ、１３ｂの検出値をコントローラが読み込んで、凝縮水によるガス流路の閉塞状態が生じているか否かを判定し、ガス流路の閉塞状態が生じていれば、可動部材７を動かして、圧力損失に変動を与えることにより、閉塞状態を解消することができる。

図１０は、本実施例におけるコントローラの概略制御フローチャートである。このフローチャートは、コントローラのメインルーチンから、例えば１０〔ｍＳ〕毎に呼び出されて実行されるものとする。

まず、ステップＳ１０で、燃料電池スタックに対する要求電流値を読込む。燃料電池車両の場合には、この要求電流値は、アクセル踏込量と車両速度との積に比例する値とすることができる。次いで、Ｓ１１で要求電流値に基づいて反応ガス流量、例えば、水素ガス流量及び空気流量を算出し、水素流量調整弁や空気供給コンプレッサ、空気圧調整弁等を操作する。次いでＳ１２で、閉塞状態検出手段により、各単位電池のガス流路の凝縮水による閉塞状態を検出する信号を読み込む。本実施例では、閉塞状態検出手段は、ガス流路１１の中間付近の静圧検出手段１３ａと出口付近の静圧検出手段１３ｂとである。

次いで、ステップＳ１３で、ガス流路が凝縮水により閉塞状態となった単位電池（閉塞セル）が有るか否かを判定する。閉塞セルが有れば、ステップＳ１４へ移る。閉塞セルがなければ、メインルーチンへリターンする。

ステップＳ１４では、可動部材７を動かして、ガス流路の圧力損失を可変制御し、圧力損失に変動を与えることにより、ガス流路１１内の凝縮水１２を出口側へ押しやることができる。次いで、ステップＳ１２へ戻る。凝縮水１２を排出口６から排出マニホールド５へ排出できるまで、このステップＳ１２からステップＳ１４を繰り返す。凝縮水１２が排出されると、ステップＳ１３の判定が否となり、メインルーチンへリターンする。

本実施例によれば、燃料電池スタック中の少なくとも一つ以上の単位電池において、該単位電池内ガス流路における凝縮水による閉塞状態を検出した場合に、可動部材を制御して、該単位電池内ガス流量を増加させ、凝縮水を強制的に排出させることができる。これにより燃料電池スタック中の全てのセルにおいてフラッディングのない運転が可能となり各単位電池間の発電のばらつきが少ない安定した発電が可能となるという効果がある。

図１１は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例８を示す模式図である。本実施例は、単位電池（セル）内ガス流路の凝縮水による閉塞検出手段として、該単位電池の交流抵抗を測定するセル抵抗検出手段１４を備えたことを特徴とする。

図１１に示す本実施例では、図９に示した実施例７の静圧検出手段１３ａ及び１３ｂに代えて、各単位電池２のアノード−カソード間の交流インピーダンスを測定するセル抵抗検出手段１４を備えている。その他の構成は、図９に示した実施例７と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

セル抵抗検出手段１４は、単位電池２のアノード−カソード間の交流抵抗を検出する手段である。即ち、セル抵抗検出手段１４は、各単位電池２のアノード−カソード間に交流電圧を印加して、交流電流を測定する。そして交流電圧と交流電流とから交流インピーダンスを算出する。ガス流路１１の凝縮水１２の量が多ければ、その単位電池の交流インピーダンスは低下する。従って交流インピーダンスを測定すれば、凝縮水１２による閉塞状態を検出することができる。

本実施形態のコントローラによる制御フローチャートは、図１０に示した実施例７と同様である。但し、閉塞状態検出手段は、セル抵抗検出手段１４である。また、閉塞状態を判定する判定値は、実験的に凝縮水１２による水詰まり判定のための状態を作り、このときのセル抵抗検出手段１４の検出値から、水詰まりが生じたと判定する交流インピーダンス判定値をマップとしてコントローラに予め記憶させておく。

尚、各単位電池毎のガス流路を閉塞状態と判定する交流インピーダンスは、予め記憶したマップを利用することなく判定することもできる。燃料電池スタック１を構成する各単位電池に、それぞれセル抵抗検出手段１４を設け、各単位電池毎に交流インピーダンスを検出し、燃料電池スタック１全体における交流インピーダンスの代表値（平均値、または中位値、中間値等）を求める。そして、代表値から一定値、または一定比率以上過小となった値を示す単位電池をガス流路の閉塞状態であると判定してもよい。

本実施例によれば、燃料電池スタック中の少なくとも一つ以上の単位電池において、該単位電池内ガス流路における凝縮水による閉塞状態を検出した場合に、可動部材を制御して、該単位電池内ガス流量を増加させ、凝縮水を強制的に排出させることができる。これにより燃料電池スタック中の全てのセルにおいてフラッディングのない運転が可能となり各単位電池間の発電のばらつきが少ない安定した発電が可能となるという効果がある。

図１２は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例９を示す模式図である。本実施例は、単位電池（セル）内ガス流路の凝縮水による閉塞検出手段として、該単位電池のセル電圧を測定するセル電圧検出手段１５を備えたことを特徴とする。

図１２に示す本実施例では、図９に示した実施例７の静圧検出手段１３ａ及び１３ｂに代えて、各単位電池２のアノード−カソード間の電圧を測定するセル電圧検出手段１５を備えている。その他の構成は、図９に示した実施例７と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

セル電圧検出手段１５は、単位電池２のアノード−カソード間の電圧を検出する手段である。ガス流路１１の凝縮水１２の量が多ければ、その単位電池の電圧は低下する。従って単位電池２のセル電圧を測定すれば、凝縮水１２による閉塞状態を検出することができる。

本実施形態のコントローラによる制御フローチャートは、図１０に示した実施例７と同様である。但し、閉塞状態検出手段は、セル電圧検出手段１５である。また、閉塞状態を判定する判定値は、実験的に凝縮水１２による水詰まり判定のための状態を作り、このときのセル抵抗検出手段１４の検出値から、水詰まりが生じたと判定する電圧判定値をマップとしてコントローラに予め記憶させておく。

尚、各単位電池毎のガス流路を閉塞状態と判定するセル電圧は、予め記憶したマップを利用することなく判定することもできる。燃料電池スタック１を構成する各単位電池に、それぞれセル電圧検出手段１５を設け、各単位電池毎にセル電圧を検出し、燃料電池スタック１全体におけるセル電圧の代表値（平均値、または中位値、中間値等）を求める。そして、代表値から一定値、または一定比率以上過小となった値を示す単位電池をガス流路の閉塞状態であると判定してもよい。

本実施例によれば、燃料電池スタック中の少なくとも一つ以上の単位電池において、該単位電池内ガス流路における凝縮水による閉塞状態を検出した場合に、可動部材を制御して、該単位電池内ガス流量を増加させ、凝縮水を強制的に排出させることができる。これにより燃料電池スタック中の全てのセルにおいてフラッディングのない運転が可能となり各単位電池間の発電のばらつきが少ない安定した発電が可能となるという効果がある。

図１３は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例１０を示す模式図である。本実施例は、単位電池（セル）内ガス流路の凝縮水による閉塞検出手段として、該単位電池の温度を検出する温度検出手段１６を備えたことを特徴とする。

図１３に示す本実施例では、図９に示した実施例７の静圧検出手段１３ａ及び１３ｂに代えて、各単位電池２の温度を検出する温度検出手段１６を備えている。その他の構成は、図９に示した実施例７と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

温度検出手段１６は、単位電池２のガス流路１１の入口付近、即ちガス流路１１の供給マニホールド４に近い位置の温度を検出する手段である。

単位電池２内のガス流路１１の凝縮水１２による閉塞が発生したとき、多くは酸化剤ガス流路の出口付近にて発生するため、単位電池の発電が酸化剤ガス流路入口付近に集中することが知られている。このことから閉塞状態が発生した単位電池では、酸化剤ガス流路入口付近の温度が正常のものよりも高くなり、これを温度検出手段１６にて検出することにより閉塞状態を判定する。

本実施形態のコントローラによる制御フローチャートは、図１０に示した実施例７と同様である。但し、閉塞状態検出手段は、温度検出手段１６である。また、閉塞状態を判定する判定値は、実験的に凝縮水１２による水詰まり判定のための状態を作り、このときの温度検出手段１６の検出値から、水詰まりが生じたと判定する電圧判定値をマップとしてコントローラに予め記憶させておく。

尚、各単位電池毎のガス流路を閉塞状態と判定するセル電圧は、予め記憶したマップを利用することなく判定することもできる。燃料電池スタック１を構成する各単位電池に、それぞれ温度検出手段１６を設け、各単位電池毎に温度を検出し、燃料電池スタック１全体における温度の代表値（平均値、または中位値、中間値等）を求める。そして、代表値から一定値、または一定比率以上過大となった値を示す単位電池をガス流路の閉塞状態であると判定してもよい。

本実施例によれば、燃料電池スタック中の少なくとも一つ以上の単位電池において、該単位電池内ガス流路における凝縮水による閉塞状態を検出した場合に、可動部材を制御して、該単位電池内ガス流量を増加させ、凝縮水を強制的に排出させることができる。これにより燃料電池スタック中の全てのセルにおいてフラッディングのない運転が可能となり各単位電池間の発電のばらつきが少ない安定した発電が可能となるという効果がある。

図１４は、本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例１１を示す模式図である。本実施例は、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタック内の各単位電池の燃料極ガス流路内の水素残量を検出し、水素残量が少ない単位電池ほど多くの水素が供給されるように可動部材を制御することを特徴とする。

図１４に示す本実施例では、図９に示した実施例７の静圧検出手段１３ａ及び１３ｂに代えて、各単位電池２のアノード−カソード間の電圧を測定するセル電圧検出手段１５を備えている。また、本実施例が対象とするガス流路は、燃料ガス（水素）流路である。その他の構成は、図９に示した実施例７と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

セル電圧検出手段１５は、単位電池２のアノード−カソード間の電圧を検出する手段である。燃料電池起動時に、セル電圧検出手段１５により各セル電圧を検出し、このセル電圧の燃料電池スタック内の分布からスタック中の各単位電池内の水素残量比分布を得る。単位電池内の燃料ガス流路内に水素が多く残留する単位電池ほど、セル電圧検出手段１５で検出されるセル電圧が高くなる。

ここで燃料電池起動時に、燃料極ガス流路内に水素と空気が混在することにより酸化剤極の触媒層が著しく劣化することが知られており、可能な限り水素と空気の混在時間は短縮する必要がある。このため、セル電圧検出手段１５により、セル電圧分布を検出して得られた水素残量分布を用いて、この逆比をとって水素ガス供給を開始することにより、空気が多く存在する単位電池に対して素早い水素置換が可能となり、燃料電池の劣化を最小限に抑制することができる。

図１５は、本実施例におけるコントローラの燃料電池システム起動時の概略制御フローチャートである。

まず、ステップＳ２０において、セル電圧検出手段１５により各セルの無負荷電圧を検出し、コントローラが読み込む。次いで、ステップＳ２１で、コントローラは、各セルの無負荷電圧検出値から、そのバラツキ具合を算出し、バラツキが所定以上か否かを判定する。例えば、燃料電池スタック全体における各セルの無負荷電圧値Ｖi の平均値Ｖμと分散Ｖσを算出し、分散Ｖσが所定値を超えていれば、バラツキが所定以上と判定する。また、無負荷電圧値Ｖi の平均値Ｖμ、最大値Ｖmax 、最小値Ｖmin を求め、Ｖmax −Ｖμ、または、Ｖμ−Ｖmin がＶμに対する所定比率を超えるとバラツキが所定以上と判定してもよい。尚、この判定値は、燃料電池の劣化が十分抑制される値をシミュレーションや実験的に求めた値である。

ステップＳ２１の判定で、無負荷電圧のバラツキが所定以上と判定した場合、ステップＳ２２へ進み、無負荷電圧の低いセルの燃料ガス流路の圧力損失が小さくなるように、可動部材７を制御する。次いで、ステップＳ２３で燃料である水素ガスの供給を開始し、以下、通常の運転制御へ移行する。

ステップ２１の判定で、無負荷電圧のバラツキが所定未満と判定した場合、ステップＳ２２を実行することなくステップＳ２３へ移行する。

本実施例によれば、燃料電池起動時に燃料電池スタック中の各単位電池において、各単位電池の燃料ガス流路内の水素分圧低下、つまり燃料電池停止時における燃料ガス流路内への空気の混入割合を検出し、水素分圧の低い単位電池に対して、より多くの水素が供給されるように流量を制御し、単位電池内に流入した空気を速やかに排出させることができる。例えば流量の割合は残存水素分圧の逆比となるように制御するのが望ましい。これにより水素ガス−空気の混在による局部電池発生時間を短縮することができ、水素供給開始時の燃料電池劣化が少なく、かつ起動時間の短い発電が可能となる。

本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例１を示す模式図である。 実施例１の排出マニフォールド部の拡大図である。 実施例１における可動部材を駆動する機構の例を説明する模式図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例２を示す排出マニフォールド部の拡大図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例３を示す模式図である。 実施例３の排出マニフォールド部の拡大図である。 単位電池圧力損失対マニフォールド圧力損失比と各単位電池のガス流量のばらつき（標準偏差）の関係を示す図である。 ガス流量に対する単位電池の圧力損失の関係を示す図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例７を示す模式図である。 実施例７における制御を説明するフローチャートである。 本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例８を示す模式図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例９を示す模式図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例１０を示す模式図である。 本発明に係る固体高分子型燃料電池スタックの実施例１１を示す模式図である。 実施例１１における制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…単位電池
３…セパレータ
４…供給マニフォールド
５…排出マニフォールド
６…排出口
７…可動部材
８…膜電極接合体
９…貫通孔
１０…可動方向

Claims (11)

1. 電解質膜の両面にそれぞれ電極を配設した膜電極接合体と、それぞれの電極に反応ガスを供給するためのガス流路が形成されたセパレータと、ガス供給マニフォールドと、ガス排出マニフォールドとを備えた単位電池を複数積層して構成される固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
   前記ガス供給マニフォールド、前記ガス排出マニフォールド、前記セパレータのいずれかを通過するガスの圧力損失をその流量によって可変とする圧力損失可変手段を備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
2. 前記圧力損失可変手段は、前記ガス供給マニフォールドもしくは前記ガス排出マニフォールド内の少なくとも一方に配設された可動部材であることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池スタック。
3. 前記可動部材の移動により、前記ガス供給マニフォールドから前記セパレータ内ガス流路へと反応ガスを供給する供給口の面積、もしくは前記ガス流路から前記ガス排出マニフォールドへと反応ガス及び生成物を排出する排出口の面積の少なくとも一方が変化することを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池スタック。
4. 前記可動部材に前記ガス供給口もしくは前記ガス排出口と同形状の貫通孔を配置し、該可動部材の移動により前記供給口もしくは前記排出口の面積が変化することを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池スタック。
5. 前記可動部材の移動によって得られる前記供給口もしくは前記排出口の面積縮小率が、前記単位電池毎に異なることを特徴とする請求項４記載の固体高分子型燃料電池スタック。
6. 前記可動部材が複数の部材からなり、前記供給口もしくは前記排出口の面積あるいは面積縮小率を前記単位電池毎に独立に前記可動部材を制御することを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池スタック。
7. 前記可動部材が前記供給口もしくは前記排出口から距離をおいてガス流れ方向をさえぎるように配置され、前記供給口もしくは前記排出口と前記可動部材の間の距離を変更する機能を有することを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池スタック。
8. 前記可動部材と前記供給口もしくは前記排出口との間の距離、あるいは前記可動部材の移動距離が、前記単位電池毎に異なることを特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池スタック。
9. 前記可動部材が複数の部材からなり、前記供給口もしくは前記排出口と該可動部材の間の距離、もしくは該可動部材の移動距離を、前記単位電池毎に独立に制御することを特徴とする請求項８記載の固体高分子型燃料電池スタック。
10. 前記スタック中の少なくとも一つ以上の単位電池のガス流路の凝縮水による閉塞状態を検出する閉塞状態検出手段を備え、
    前記ガス供給マニフォールドもしくは前記ガス排出マニフォールド内の可動部材は、前記閉塞状態検出手段が所定以上の閉塞状態を検出したときに、
    該単位電池内流路の凝縮水による閉塞を緩和するように圧力損失を制御することを特徴とする請求項９記載の固体高分子型燃料電池スタック。
11. 前記各単位電池の燃料極ガス流路内の水素濃度に関する値を検出する水素濃度検出手段を備え、
    燃料電池の起動時に、前記水素濃度検出手段が検出した水素濃度が少ない単位電池ほど多くの水素が供給されるように、前記可動部材による圧力損失を制御することを特徴とする請求項９記載の固体高分子型燃料電池スタック。

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