JP2005158431A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電気化学的水素輸送法により小電流でフラッディングを十分に解消できる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 高分子電解質膜と高分子電解質膜を挟持するアノード電極とカソード電極とからなる発電層を備えた燃料電池スタック１１と、アノード電極ならびにカソード電極に配置され、燃料電池スタック１１の発電により得られた電流を取り出す電流取り出し板１２とを有する燃料電池システムにおいて、カソード電極側に配置された電流取り出し板１２は、その面方向に複数に電気的に分割され、分割された電流取り出し板１２ｂは、直列に接続された外部電源１５と外部遮断スイッチ１６を介してアノード電極側に配置された電流取り出し板１２に接続されて構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の電極近傍に存在する過剰な水分を除去する機能を備えた燃料電池システムに関する。

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池の酸化剤極においては、発電反応の結果として水が生成される。このため、生成水を適切に除去しなければ、電極近傍に水が過剰に存在し、酸化剤ガスが触媒に到達するのを妨げることになる。以下、この現象をフラッディングと呼ぶ。ひとたびこのフラッディングが発生すると、燃料電池の発電中に得られる電流や電圧は不安定となり、過剰な水分を除去しなければ安定発電に復帰することは困難である。

そこで、上記フラッディングを解消する方法としては、例えば以下に示す文献に記載された方法（以下、電気化学的水素輸送法と呼ぶ）が知られている（特許文献１参照）。この電気化学的水素輸送法では、燃料電池とは別に外部に直流電源（外部電源）を用意し、燃料電池の一方あるいは両方の電極に水素ガスや水素を含む混合ガスを供給しつつ、外部電源から電極に直流電流を供給する。これにより、外部電源の正極に接続された電極ではプロトンが生じ、生じたプロトンは固体高分子電解質膜内を移動する。一方、外部電源の負極に接続された電極では、プロトンから水素ガスが生成される。この時、固体高分子電解質膜を移動するプロトンには、電気浸透水と呼ばれる水が付随して移動するため、外部電源の正極が接続された電極近傍からは水が除去されることになる。
特開２００３−２７２６８６

しかしながら、上述した従来の電気化学的水素輸送法においては、電気浸透水の輸送量は外部電源から電極に供給される直流電流の電流値に依存するため、フラッディングを解消するには比較的多くの相応の電流供給が必要となる。

一方、小電流値で長時間にわたって電気化学的水素輸送法を行うことも考えられるが、この場合には、水の濃度差に起因する拡散によって多量の水が電気浸透水の移動方向とは逆の方向に移動してしまう。このため、小電流値で電気化学的水素輸送法を行った場合には、大電流値で行った場合に比べて、大電流値で行った場合と同様の効果は期待できない。 したがって、フラッディングを解消する目的で電気化学的水素輸送法を行う場合には、大容量の直流電源を用意する必要がある。しかし、車両や船舶等にそのような大電流の電源を搭載することは極めて困難である、という問題があった。

また、電気化学的水素輸送法を行う場合には、燃料電池の有効面積の全面で水分が除去される。このため、燃料電池の有効面積内で水分量が不均一である場合には、初期水分量の多い領域ではフラッディングが十分に解消されない一方、初期水分量の少ない領域では逆に固体高分子電解質膜が乾燥してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電気化学的水素輸送法により小電流でフラッディングを十分に解消できる燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟持する二つの電極とからなる発電層に、燃料を供給する流路が形成されたセパレータを備えた単位燃料電池、あるいは前記単位燃料電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、前記燃料電池の両極に配置され、前記燃料電池の発電により得られた電流を前記燃料電池から取り出す電流取り出し板とを有する固体高分子型の燃料電池システムにおいて、少なくとも一方の前記電極側に配置された前記電流取り出し板は、前記電流取り出し板の面方向に複数に電気的に分割され、一方の前記電極側に配置されて分割された前記電流取り出し板の少なくとも１つは、直列に接続された外部電源とスイッチを介して他方の前記電極側に配置された前記電流取り出し板に接続されていることを特徴とする。

本発明によれば、電気化学的水素輸送法を実施する際に、燃料電池の面方向の一部の領域にのみ電流を供給することが可能となり、分割しない電流取り出し板を持つ従来の燃料電池システムに比べて、より小さい出力電流の外部電源を用いて効率的に電気化学的水素輸送法を利用したフラッディング解消を行うことが可能となる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行う燃料電池単セル、もしくはこの燃料電池単セルを積層してなる燃料電池スタック１１（以下、燃料電池スタックとして以下に示す実施例１〜３を説明する）、電流取り出し板１２、負荷１３、負荷遮断スイッチ１４、外部電源１５、外部電源遮断スイッチ１６ならびに制御手段（図示せず）を備えて構成されている。

燃料電池スタック１１は、通常の発電時には、燃料ガス供給路を介して水素もしくは水素を含む混合ガスの燃料ガスがアノード極に供給され、かつカソードガス供給路を介して空気等の酸化剤ガス（カソードガス）がカソード極に供給される一方、燃料ガス排出路を介して燃料電池スタック１１で発電に使用されなかった燃料ガスが排出され、酸化剤ガス排出路を介して燃料電池スタック１１で発電に使用されなかった酸化剤ガスが排出される。

燃料電池スタック１１は、システムの運転中もしくは運転停止時に前述した電気化学的水素輸送法を行う場合には、燃料ガスがアノード極に供給されると共に、カソード極にも供給される。すなわち、燃料ガス供給路と酸化剤ガス供給路とを連通させる連通路１７に設置されて通常発電時には閉状態にある連通制御弁１８を開状態とし、燃料ガス供給路と酸化剤ガス供給路とを連通路１７により連通させ、燃料ガス供給路に導入された燃料ガスが連通路１７を通して酸化剤ガス供給路に導入され、燃料電池スタック１１のカソード極に燃料ガスが供給される。

電流取り出し板１２は、燃料電池スタック１１のアノード極ならびにカソード極の両極に配置され、燃料電池スタック１１の外部に燃料電池スタック１１で発電されて得られた電流を、燃料電池スタック１１の外部に取り出す。少なくとも一方の電極の電流取り出し板１２は、図２に示すように、面方向に電気的に分割されている。なお、図２では、アノード電極ならびにカソード電極の双方の電極側に配置された電流取り出し板１２が分割されている例を示している。

なお、実施例１では、燃料電池スタック１１の双方の極で電流取り出し板１２が分割されているものとする。また、図２においては、燃料電池有効面積を略等分に分割する電流取り出し板１２が示されているが、電流取り出し板１２は燃料電池有効面積を等分に分割して構成する必要はなく、例えば図３に示すように、電流取り出し板１２の燃料電池有効面積のすべての領域の内、特にフラッディングの生じやすい一部の領域１２ａのみを取り出すような形状に分割するようにしてもよい。

なお、ここでは電流取り出し板１２を分割すると記述しているが、これは物理的な分割のみならず、不導体を介在させることによる電気的な絶縁によって電流取り出し板１２を電気的に分割するようにしてもよい。

図１に戻って、負荷１３は、電流取り出し板１２を介して燃料電池スタック１１から取り出された電流が供給されて消費される。

負荷遮断スイッチ１４は、電流取り出し板１２と負荷１３との電気的な接続／非接続を行うスイッチである。負荷遮断スイッチ１４は、燃料電池スタック１１の通常の発電時にはオン状態となり、この負荷遮断スイッチ１４を介して分割された各電流取り出し板１２は負荷１３に接続される。一方、前述した電気化学的水素輸送法を行う場合には、負荷遮断スイッチ１４はオフ状態となり、各電流取り出し板１２と負荷１３とは、負荷遮断スイッチ１４により非接続状態となり両者は電気的に遮断される。

外部電源１５は、燃料電池スタック１１で電気化学的水素輸送法を行う場合に、アノード極に配置された一つの電流取り出し板１２と、カソード極に配置された一つの電流取り出し板１２とに接続され、両電流取り出し板１２に電流を供給する。本実施例１では、通常発電時のカソード極が外部電源１５の正極に接続され、アノード極が外部電源１５の負極に接続されている。また、アノード極ならびにカソード極に配置された他の分割された電流取り出し板１２は、外部電源１５とは接続されない。

なお、本実施例１では、外部電源１５と接続される分割された電流取り出し板１２は、常に同じ物に固定されており、それを変更することはできない。したがって、外部電源１５と接続される電流取り出し板１２の位置は、フラッディングの生じやすい箇所であることが望ましい。したがって本実施例１では、例えば図４に示すように、カソードセパレータ４１におけるカソードガス流路の下流域４２に対応して分割された電流取り出し板１２ｂを外部電源１５と接続する。

図１に戻って、外部電源遮断スイッチ１６は、電流取り出し板１２と外部電源１５との電気的な接続／非接続を行う。燃料電池スタック１１の通常の発電時には、外部電源遮断スイッチ１６はオフ状態となり、分割された電流取り出し板１２は外部電源１５とは接続されない。一方、前述した電気化学的水素輸送法を行う場合には、外部電源遮断スイッチ１６はオン状態となり、分割された一つの電流取り出し板１２と外部電源１５とは、外部電源遮断スイッチ１６により接続状態となり両者は電気的に接続される。

制御手段は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御手段は、本システムにおける各センサからの信号を読み込み、予め内部に保有する制御ロジックに基づいて、本システムの各構成要素に指令を送り、本システムの運転を制御する。また、制御手段は、負荷遮断スイッチ１４及び外部電源遮断スイッチ１６のスイッチング、ならびに連通制御弁１８の開閉を制御する。

図５は図１に示す燃料電池スタック１１を構成する固体高分子電解質型燃料電池の構造を示す断面図である。

図５において、燃料電池の一単位は、固体高分子膜からなる電解質膜５１と、この電解質膜５１を挟持するように電解質膜５１の両面に配設されるアノード極ならびにカソード極の二つの電極、ならびに燃料ガス又は酸化剤ガスが流れるガス流路で構成される。電解質膜５１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アノード極とカソード極は、それぞれ白金、又は白金とその他の金属からなる触媒層５２とガス拡散層５３とからなり、触媒層５２が電解質膜５１と接触するように配設されている。ガス流路５４は、ガス不透過である緻密性カーボン材等の片面、または両面に配置された多数のリブにより形成され、ガス流路を流れる酸化剤ガス、又は燃料ガスはそれぞれのガス入口から供給され、ガス出口から排出される。

図６は固体高分子型燃料電池における電気化学的水素輸送の原理を説明するための概略断面図である。

図６において、ここでは通常発電におけるアノード極、カソード極を問わず、外部電源１５の正極に接続される電極を第一の電極、負極に接続される電極を第二の電極と呼ぶ。水素または水素を含む混合ガスである燃料ガスは、第一の電極のガス流路６１へ導入され、第一の電極のガス拡散層６２を介して第一の電極の触媒層６３に到達して触媒反応が起こる。これにより、生じたプロトンは高分子電解質膜６４中を第二の電極の触媒層６５、第二の電極のガス拡散層６６の方向へと移動し、第二の電極の触媒層６５における触媒反応により再び水素へと変化する。

一方、第一の電極における反応によって燃料ガスから生じた電子は、外部電源１５を含む回路を通過して第二の電極へと移動し、第二の電極における反応に寄与する。この時、高分子電解質膜６４中を移動するプロトンと同時に電気浸透によって水も第一の電極から第二の電極へと移動する。この電気浸透水により、第一の電極の近傍に存在していた水は除去され、フラッディングが解消される。

このような原理で水を除去する電気化学的水素輸送法を行う場合には、通常発電時のカソード極、アノード極の双方に水素を含む燃料ガスを導入し、外部電源１５へ接続する外部電源遮断スイッチ１６を閉じて電流取り出し板１２に電流を供給する。通常発電時のカソード極では、水素からプロトンと電子が生じ、通常発電時のアノード極では水素が生成される。

以上説明したように、上記実施例１においては、電気化学的水素輸送法を実施する際に、分割された電流取り出し板１２により燃料電池スタック１１の面方向の一部の領域にのみ電流を供給することが可能となる。これにより、分割しない電流取り出し板を持つ燃料電池システムに比べて、より小さい出力電流の外部電源をもって効率的に電気化学的水素輸送法を利用したフラッディング解消を行うことが可能となる。

また、燃料電池スタック１１の内部では、面方向に水分量の不均一性を有していることが一般的であるので、水分過多の領域にのみ電気化学的水素輸送法を適用し全面の含水量を一様にすることも可能となる。

さらに、燃料電池スタック１１の通常発電時におけるカソード極、すなわち空気等の酸化剤が供給される極に、水素や水素を含む混合ガスを供給することで、プロトンを通常のカソード極から通常のアノード極へ移動させる方向の電気化学的水素輸送法を実施することができる。これにより、通常発電時に生成水および電気浸透水によりフラッディングを発生しやすいカソード極の水分を効率よく除去することが可能となる。

また、燃料電池スタック１１の一方あるいは両方の極に水素または水素を含む混合ガスを導入し、水素または水素を含む混合ガスを導入した一方の極に外部電源１５の正極、他方の極に外部電源１５の負極を接続し、外部電源１５から燃料電池スタック１１に電流を供給する、という運転方法によって、電気化学的水素輸送を実施することが可能となる。この時に、外部電源１５から供給される電流値、また外部電源１５から電流を供給する時間は、予め定めてある値でも、また運転条件や燃料電池スタック１１の状態を推定する手段によって得られた情報を基に定める値であっても構わない。

また、外部電源１５と接続される分割された電流取り出し板１２を、特定のものに限定することで、電気化学的水素輸送法を適用する燃料電池スタック１１の領域が予め特定されている場合には、外部電源１５を接続する電流取り出し板１２の部位を変更する機構を有する煩雑さを避けつつ電気化学的水素輸送法を実施することが可能となる。

また、カソードガスの流路下流域は常にフラッディングが起こりやすいため、外部電源１５を接続して電流を供給する電流取り出し板１２を、カソードガス流路のセル内での下流域に位置する分割された電流取り出し板１２とすることで、効率的にフラッディングを解消することができる。

なお、上記実施例１では、電気化学的水素輸送法を実施する際に両電極に燃料ガスを供給しているが、水素が生成される電極、実施例１でのアノード極においては燃料ガスの供給は必ずしも必要ではなく、カソード極への供給のみで構わない。

また、実施例１では、燃料電池スタック１１に反応ガスを供給する配管を経由して燃料ガスを供給している実施例を紹介したが、必ずしも配管を通じて燃料ガスが供給される必要はなく、例えば膜を透過して導入される水素を利用することも可能である。

図７は本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図７に示す実施例２の特徴とするところは、制御手段によりスイッチング制御される接続スイッチ７１を介して分割された電流取り出し板１２ｃ、１２ｄを選択的に外部電源１５に接続制御するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。なお、図７では、電流取り出し板はそれぞれの電極側で２つしか図示されていないが、無論２つ以上であっても構わない。

図７において、実施例２では、電気化学的水素輸送法を実施する際に、接続スイッチ７１を介して先ず例えば電流取り出し板１２ｃと外部電源１５とを接続して電気化学的水素輸送法を所定の時間実施し、その後接続スイッチ７１を切り換えて電流取り出し板１２ｄと外部電源１５とを接続して電気化学的水素輸送法を所定の時間実施する。このように、分割された電流取り出し板を順次切り換えて電気化学的水素輸送法を時系列的に実施することによって、より小電流出力の外部電源１５をもってしても燃料電池スタック１１の全面に電気化学的水素輸送法を施すことが可能となる。

なお、接続スイッチ７１は、先の実施例１の外部電源遮断スイッチ１６の機能も備え、通常の発電時には、接続スイッチ７１により電流取り出し板１２ｃ、１２ｄと外部電源１５とは非接続状態となる。

以上説明したように、上記実施例２においては、分割された電流取り出し板１２ｃ、１２ｄと外部電源１５との接続において、その接続される電流取り出し板の位置を変更可能とすることにより、外部電源１５を接続可能な任意の領域において電気化学的水素輸送法を適用することができる。この機能を用いれば、領域をひとつずつ順番に、燃料電池スタック１１の全領域にわたって電気化学的水素輸送法を適用することが可能となる。つまり、小さい出力電流の外部電源１５でも燃料電池スタック１１の全領域にわたって電気化学的水素輸送法を適用することが可能となる。

また、運転条件やその他の燃料電池の状態を検知する手段を設け、この手段から得られる情報に基づいて電気化学的水素輸送法を適用する部位を状況に応じて選択することも可能となる。

さらに、外部電源１５に接続される分割された電流取り出し板を所定の時間の電気化学的水素輸送法の実施後に変更するという運転方法によって、特定の領域のみならず、複数の分割領域に対して時系列的に電気化学的水素輸送法を実施することが可能となる。この場合に、各領域に対する電気化学的水素輸送法の実施時間と供給される電流値は同一である必要はなく、その位置ならびに状況に応じて変更することも有効である。

図８は本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。

なお、実施例３では、電流取り出し板１２と外部電源１５とを接続する構成は、先に説明した実施例１、もしくは実施例２と同様であるので、図８では省略してある。

図８において、この実施例３の燃料電池システムは、通常発電時（負荷接続時、外部電源非接続時）に燃料電池スタック１１の分割された電流取り出し板１２の各部位から取り出される電流の値を推定する電流推定手段８１が備えられている。この電流推定手段８１は、例えばシャント抵抗や、ホール式電流センサ等で構成される。

この電流推定手段８１から得られる情報に基づいて、制御手段により燃料電池面内の各部位におけるフラッディングの発生の有無を判断し、水分の除去が望まれる部位で、適切な時期に、電気化学的水素輸送法を適用してフラッディングを解消することが可能となる。これにより効率的に燃料電池スタック１１の回復操作を実施することができる。

また、実施例３の燃料電池システムは、通常発電時に燃料電池スタック１１の一部または全部の単位燃料電池の電圧を推定する電圧推定手段８２が備えられている。

この電圧推定手段８２から得られる情報に基づいて、制御手段により燃料電池内におけるフラッディングの発生の有無を判断し、水分除去が望まれる時期には、電気化学的水素輸送法を適用してフラッディングを解消することが可能となる。この電圧推定手段８２は、特にフラッディングの発生しやすい単位燃料電池セル、例えば燃料電池スタック１１の両端部の１又は複数の燃料電池セルに設けることで特に有効であるが、その推定位置を特定するものではない。

さらに、実施例３の燃料電池システムは、燃料電池スタック１１の内部あるいは近傍における温度を推定する温度推定手段８３が備えられている。この温度推定手段は、例えば熱電対等で構成される。

この温度推定手段８３から得られる情報に基づいて、制御手段により燃料電池内におけるフラッディングの発生の有無を判断し、水分除去が望まれる時期には、電気化学的水素輸送法を適用してフラッディングを解消することが可能となる。例えば燃料電池システムが氷点下の環境から始動した場合に、容易にフラッディング状態になるという傾向があるが、このような場合に電気化学的水素輸送法を実施することで性能低下を低減することが可能となる。

図９は先の実施例１と実施例２とを組み合わせた燃料電池システムの運転停止時に電気化学的水素輸送法を行う際の制御手順の一例を示すフローチャートであり、図１０は先の実施例１と実施例３とを組み合わせた燃料電池システムの運転停止時に電気化学的水素輸送法を行う際の制御手順の一例を示すフローチャートであり、図１１は先の実施例１と実施例３とを組み合わせた燃料電池システムの運転停止時に電気化学的水素輸送法を行う際の制御手順の他の一例を示すフローチャートである。なお、図９〜図１１に示す手順は、システムの運転終了時に次回の運転に備えてフラッディングを解消しておくためになされるものとする。また、図９〜図１１に示す手順において、燃料電池スタック１１の電流値が「小」であるか否か、電圧値が「大」であるか否かの判定は、システムの運転中夫々正常時の７０％を下回ったか否かを、上述した電流推定手段８１、電圧推定手段８２で得られる情報に基づいて制御手段により判定するものである。また、温度が「低」であるか否かの判定は、温度が氷点下以下であるか否かを判定するものであり、上述した温度推定手段８３で得られた情報に基づいて制御手段により判定する。なお、図９〜図１１に示す手順は、システムの運転停止時ではなく、運転中に適宜実施するようにしてよい。

先ず始めに、図９に示す手順について説明する。図９において、先ず燃料電池スタック１１から取り出される電流値が「小」であるか否かを判定する（ステップＳ９１）。電流値が「小」である場合には、カソード極に水素を供給し（ステップＳ９２）、続いて外部電源遮断スイッチ１６をオンにして電流取り出し板１２に外部電源１５を接続する（ステップＳ９３）。次に、このような状態が所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ９４）、すなわち電気化学的水素輸送法が行われてカソード電極に存在する過剰な水が除去されフラッディングが解消されたか否かを判断する。判定の結果、所定時間が経過したと判定されると、通常の停止操作を行って電気化学的水素輸送法を終了する。

一方、上記ステップＳ９１の判定結果において、電流値が「小」でない場合には、燃料電池スタック１１の電圧値が「低」であるか否かを判定する（ステップＳ９５）。判定の結果、電圧値が「低」である場合には、先に説明したステップＳ９２、ステップＳ９３、ステップＳ９４に示す処理を行う。一方、電圧値が「低」でない場合には、燃料電池スタック１１の温度が「低」であるか否かを判定する（ステップＳ９６）。判定の結果、温度が「低」である場合には、先に説明したステップＳ９２、ステップＳ９３、ステップＳ９４に示す処理を行う一方、温度が「低」でない場合には、通常の停止操作を行って電気化学的水素輸送法は行わない。

次に、図１０に示す手順について説明する。なお、図１０に示す手順では、電流取り出し板１２は、例えば図４に示すように、カソードガスの流路における下流域４２に対応した電流取り出し板（以下、第１の電流取り出し板と呼ぶ）１２ｂと他の部位の電流取り出し板（第２の電流取り出し板）１２とに分割されているものとする。

図１０において、第１の電流取り出し板１２ｂから取り出される電流値が「小」であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。電流値が「小」である場合には、カソード極に水素を供給し（ステップＳ１０２）、続いて接続スイッチ７１を介して第１の電流取り出し板１２ｂに外部電源１５を接続する（ステップＳ１０３）。次に、このような状態が所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ１０４）、すなわち電気化学的水素輸送法が行われてカソード極に存在する過剰な水が除去されフラッディングが解消されたか否かを判断する。判定の結果、所定時間が経過したと判定されると、通常の停止操作を行って電気化学的水素輸送法を終了する。

一方、上記ステップＳ１０１の判定結果において、電流値が「小」でない場合には、第２の電流取り出し板１２から取り出される電流値が「小」であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。電流値が「小」である場合には、カソード極に水素を供給し（ステップＳ１０６）、続いて接続スイッチ７１を介して第２の電流取り出し板１２に外部電源１５を接続する（ステップＳ１０７）。次に、このような状態が所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ１０８）、すなわち電気化学的水素輸送法が行われてカソード極に存在する過剰な水が除去されフラッディングが解消されたか否かを判断する。判定の結果、所定時間が経過したと判定されると、通常の停止操作を行って電気化学的水素輸送法を終了する。

上記ステップＳ１０５の判定結果において、電流値が「小」でない場合には、燃料電池スタック１１の電圧値が「低」であるか否かを判定する（ステップＳ１０９）。判定の結果、電圧値が「低」でない場合には、燃料電池スタック１１の温度が「低」であるか否かを判定する（ステップＳ１１０）。判定の結果、温度が「低」でない場合には、通常の停止操作を行って電気化学的水素輸送法は行わない。

一方、ステップＳ１０９の判定結果において電圧値が「低」でない場合、ならびにステップＳ１１０の判定結果において温度が「低」でない場合には、カソード極に水素を供給し（ステップＳ１１１）、続いて外部電源遮断スイッチ１６をオンにして第１の電流取り出し板１２ｂに外部電源１５を接続する（ステップＳ１１２）。次に、このような状態が第１の所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ１１３）、すなわち電気化学的水素輸送法が行われてカソード極に存在する過剰な水が除去されフラッディングが解消されたか否かを判断する。

判定の結果、第１の所定時間が経過して、第１の電流取り出し板１２ｂに対応したカソード極のフラッディングが解消されたものと判定されると、続いてカソード極に水素を供給し（ステップＳ１１４）、接続スイッチ７１を介して第２の電流取り出し板１２に外部電源１５を接続する（ステップＳ１１５）。次に、このような状態が第２の所定時間経過したか否かを判定し（ステップＳ１１６）、すなわち電気化学的水素輸送法が行われてカソード極に存在する過剰な水が除去されフラッディングが解消されたか否かを判断する。なお、第２の所定時間は、第１の所定時間＞第２の所定時間となるように設定される。これは、第１の電流取り出し板１２ｂに対応したカソード極は、第２の電流取り出し板１２に対応したカソード極に比べて、フラッディングの可能性が大きいため、第１の電流取り出し板１２ｂに対応したカソード極では、第２の電流取り出し板１２に対応したカソード極に比べて電気化学的水素輸送法を長い時間行うようにしているためである。

上記ステップＳ１１６の判定の結果、第２の所定時間が経過して、第２の電流取り出し板１２に対応したカソード極のフラッディングが解消されたものと判定されると、通常の停止操作を行って電気化学的水素輸送法を終了する。

次に、図１１に示す手順について説明する。図１１に示す手順の特徴とするところは、図１０に示す手順に比べて、図１０に示すステップＳ１１４〜ステップＳ１１６の処理、すなわち電流取り出し板１２に対応したカソード極における電気化学的水素輸送法を省略したことにあり、他は図１０に示す手順と同様である。このような手順では、フラッディングの可能性が高い領域のカソード極でのみ電気化学的水素輸送法を行うことで、図１０に示す手順に比べて、フラッディングの解消効果が得られることに加えて、電気化学的水素輸送法を行う時間を短縮することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 電流取り出し板の分割の一例を示す図である。 電流取り出し板の分割の他の一例を示す図である。 電流取り出し板の分割の他の一例を示す図である。 固体高分子電解質型燃料電池の構造を示す断面図である。 電気化学的水素輸送法の原理を説明するための燃料電池の断面図である。 本発明の実施例２に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池システムで電気化学的水素輸送法を行う際の制御手順の一例を示すフローチャートである。 燃料電池システムで電気化学的水素輸送法を行う際の制御手順の他の例を示すフローチャートである。 燃料電池システムで電気化学的水素輸送法を行う際の制御手順の他の例を示すフローチャートである。

符号の説明

１１…燃料電池スタック
１２，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…電流取り出し板板
１２ａ…領域
１３…負荷
１４…負荷遮断スイッチ
１５…外部電源
１６…外部電源遮断スイッチ
１７…連通路
１８…連通制御弁
４１…カソードセパレータ
４２…下流域
５１…電解質膜
５２，６３，６５…触媒層
５３，６２，６６…ガス拡散層
５４，６１…ガス流路
６４…高分子電解質膜
７１…接続スイッチ
８１…電流推定手段
８２…電圧推定手段
８３…温度推定手段

Claims (12)

1. 高分子電解質膜と前記高分子電解質膜を挟持する二つの電極とからなる発電層に、燃料を供給する流路が形成されたセパレータを備えた単位燃料電池、あるいは前記単位燃料電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池の両極に配置され、前記燃料電池の発電により得られた電流を前記燃料電池から取り出す電流取り出し板と
   を有する固体高分子型の燃料電池システムにおいて、
   少なくとも一方の前記電極側に配置された前記電流取り出し板は、前記電流取り出し板の面方向に複数に電気的に分割され、一方の前記電極側に配置されて分割された前記電流取り出し板の少なくとも１つは、直列に接続された外部電源とスイッチを介して他方の前記電極側に配置された前記電流取り出し板に接続されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の二つの電極の内、カソード電極に水素を供給する
   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. 分割された前記複数の電流取り出し板は、選択的に前記外部電源に接続される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池が前記外部電源に接続されていない状態で、前記電流取り出し板から取り出される電流の値を推定する電流推定手段を有する
   ことを特徴とする請求項１，２及び３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池が前記外部電源に接続されていない状態で、前記単位燃料電池又は前記燃料電池スタックを構成する前記単位燃料電池の電圧を推定する電圧推定手段を有する
   ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の少なくとも一方の前記電極に水素を供給すると共に、前記外部電源から水素を供給した一方の前記電極側に配置された前記電流取り出し板に正電圧を供給し、他方の前記電極に配置された前記電流取り出し板に負電圧を供給し、所定の時間両電極間に電流を流す
   ことを特徴とする請求項１，２，３，４及び５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 前記外部電源は、分割された特定の少なくとも一つの前記電流取り出し板と接続され、所定の時間電流を流すことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 分割された特定の前記電流取り出し板は、前記単位燃料電池内におけるカソードガス流路の下流域に位置する電流取り出し板である
   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. 前記外部電源に接続される前記電流取り出し板は、所定の時間電流を流した後に切り替える
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池が前記外部電源に接続されていない状態で、前記電流取り出し板から取り出される電流の値を推定する電流推定手段を有し、
    前記電流推定手段で推定された電流値に基づいて、前記外部電源に接続される前記電流取り出し板が選択される
    ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池が前記外部電源に接続されていない状態で、前記単位燃料電池又は前記燃料電池スタックを構成する前記単位燃料電池の電圧を推定する電圧推定手段を有し、
    前記電圧推定手段で推定された電圧値に基づいて、水素の供給、ならびに前記外部電源からの電圧供給の有無を決定する
    ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
12. 前記燃料電池又はその近傍の温度を推定する温度推定手段を有し、
    前記温度推定手段で推定された温度に基づいて、水素の供給、ならびに前記外部電源からの電圧供給の有無を決定する
    ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

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