JP2006114244A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の暖機を早め、性能劣化を引き起こすことなく、起動直後から発電出力を取り出すことができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック２両端の集電板５ａ、５ｂの外側に、集電板の極性と同極性の電極が接続される補助セル４ａ、４ｂを設ける。補助セル４ａ、４ｂは、燃料電池スタック２中の端部セルに開閉器２２ａ、２２ｂを介して電気的に並列接続される。コントローラ２０は、燃料電池システムの起動時に、温度センサ２１ａ、２１ｂが検出した温度に応じて、開閉器２２ａ、２２ｂを閉成して、補助セル４ａ、４ｂを燃料電池スタック２の端部セルに並列接続して、発電能力を補助する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、燃料電池スタック端部の発電能力を補助する補助セルまたはサブスタックを備えた燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

固体高分子型燃料電池に用いられる高分子電解質は、湿潤状態でなければ良好な陽イオン伝導性を発揮しないものが多いために、燃料電池に供給する水素ガスまたは酸化剤ガス（以下、両者を併せて反応ガスと呼ぶ）は加湿されている。ところが低温時には、反応ガスに加湿した水分や発電反応による生成水が燃料電池内部で凝縮して液水を生じ、この液水がガス通路を閉塞して発電性能が低下することがある。

この液水を除去して発電性能を回復するために、燃料電池セルのセパレータ等、発電によって凝縮水が生じやすい部分に加熱手段を設けた燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池内部の凝縮水を加熱手段によって効率的に蒸発させることにより、燃料ガスが触媒層に到達することができない、いわゆるフラッディング現象を速やかに解消することができる。
特開２００２−３２４５６３号公報（第３頁、図１）

ところで、一般に、氷点下の低温状態で燃料電池スタックを起動した場合には、発電によって生成された凝縮水がスタック内部で凍結し始めるので、電極触媒反応部に反応ガスが到達することが阻害される。そして、この場合、特に集電板付近の燃料電池セルにおいては、集電板からの放熱によって温度が上昇せず、触媒層が氷に覆われて、セル電圧が０［Ｖ］以下に反転してしまうことがある。一方、燃料電池スタックの温度が７０［℃］程度になると通常発電状態の場合にも、凝縮水が触媒層に溜まることにより、フラッディング現象が生じ、セル電圧が低下することがある。

そして、このようにしてセル電圧が低下した場合、燃料電池セルは、電池として機能しなくなり、抵抗体となって電力を無駄に消費してしまうという問題点があった。

また、電位の反転によって、触媒層中のカーボンの腐食反応をはじめとする燃料電池セルの劣化が生じるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック両端のアノード極またはカソード極の少なくともいずれか一方の集電板の外側に、該集電板の極性と同極性の電極が接続される補助セルまたはサブスタックを設け、前記補助セルまたは前記サブスタックの他の極性の電極が、前記燃料電池スタック中の端部セルの同極性の電極、または端部セルから数えて前記サブスタックと同セル数の同極性の電極に接続されていることを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタック両端のアノード極またはカソード極の少なくともいずれか一方の集電板の外側に、該集電板の極性と同極性の電極が接続される補助セルまたはサブスタックを設け、前記補助セルまたは前記サブスタックの他の極性の電極が、スタック中の端部セルの同極性の電極、または端部セルから数えて前記サブスタックと同セル数の同極性の電極に接続されているので、燃料電池スタック端部の低温のために発電能力が低下した集電板付近のセルまたはセル群に対して、並列に補助セルまたはサブスタックから電流供給可能となり、燃料電池の性能劣化を引き起こすことなく、起動直後から発電出力を取り出すことができるという効果がある。

また本発明によれば、集電板を両面からセルまたはセル群で挟むことにより、集電板からの放熱を防ぎながら燃料電池を素早く暖機す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。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、零下の戸外に駐車することができる燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例１を説明する概略構成図である。同図において、燃料電池システム１は、固体高分子型の燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２は、燃料極と酸化剤極との間に高分子電解質膜を挾持したセル３が複数積層されたスタックである。燃料電池スタック２は、その両端部が集電板５ａ、５ｂにより挟持されている。

集電板５ａ、５ｂは、インバータ３０に接続され、燃料電池スタック２から電力が取り出されるようになっている。インバータ３０の出力には、例えば燃料電池車両駆動用のモータ等の負荷装置３１が接続されている。インバータ３０と、負荷装置３１とは、負荷制御回路３２により制御される。

燃料電池スタック２の集電板５ａ、５ｂの外側に、それぞれ補助セル４ａ、４ｂが積層されている。補助セル４ａは、集電板５ａの極性（本実施例では、負極性）と同極性の電極が集電板５ａに接して配置され、補助セル４ａの外側には、補助セル４ａの他の電極に接する補助集電板６ａが配置されている。

同様に、補助セル４ｂは、集電板５ｂの極性（本実施例では、正極性）と同極性の電極が集電板５ｂに接して配置され、補助セル４ｂの外側には、補助セル４ｂの他の電極に接する補助集電板６ｄが配置されている。

また、燃料電池スタック２の左から１番目のセルと２番目のセルの間には、補助集電板６ｂが配置され、燃料電池スタック２の右から１番目のセルと２番目のセルの間には、補助集電板６ｃが配置されている。

そして、補助集電板６ａと補助集電板６ｂとは開閉器２２ａを介して接続され、同様に、補助集電板６ｃと補助集電板６ｄとは開閉器２２ｂを介して接続されている。開閉器２２ａ、２２ｂは、例えば、コントローラ２０からの制御信号により電気的な接続を開閉可能な電磁リレー、或いはパワーＦＥＴなどの半導体素子を用いたソリッドステートリレー等を使用可能である。

また、燃料電池スタック２の両端部の内部または表面には、それぞれ温度センサ２１ａ、２１ｂが設けられ、各温度センサ２１ａ、２１ｂの検出信号は、コントローラ２０に接続されている。コントローラ２０は、温度センサ２１ａ、２１ｂの検出信号に応じて、開閉器２２ａ、２２ｂの開閉を制御可能となっている。

そして、コントローラ２０は、燃料電池システム１の起動時に、温度センサ２１ａ、２１ｂの検出値を読み込み、燃料電池スタック２の端部の温度が所定温度より低ければ、開閉器２２ａ、２２ｂを閉じるように制御する。これにより、燃料電池スタック２の両端部のセルに、補助セル４ａ、４ｂをそれぞれ並列に接続させることができ、低温時の発電能力が低い場合の端部セル能力を補うことができる。

図２は、本実施例における燃料電池スタック２、補助セル４ａ、４ｂ、及び集電板５ａ，５ｂの構造を説明する要部概略断面図である。補助セル４ａは、電気的な開閉機構と連動するガス遮断機構７ａ、７ｂを備えている。同様に、補助セル４ｂは、電気的な開閉機構と連動するガス遮断機構７ｃ、７ｄを備えている。

また、図２において、燃料電池スタック２を構成する各セル３、及び補助セル４ａ、４ｂは、それぞれ膜電極接合体（ＭＥＡ）１０の両面をセパレータ１１，１２で挟持した構成となっている。

集電板５ａには、図示しない燃料ガス供給装置から燃料ガスを導入するためのガス導入口８が設けられ、集電板５ｂには、燃料ガスを排出するためのガス排出口９が設けられている。ガス導入口８からは、ガス分配路１３を介して各セルに燃料ガスが分配され、各セルからは未使用の燃料ガスがガス集合路１４を介してガス排出口９へ排出される。

同様に、集電板５ａには、図示しない酸化剤ガス供給装置から酸化剤ガスを導入するための図示しないガス導入口が設けられ、集電板５ｂには、酸化剤ガスを排出するための図示しないガス排出口が設けられ、各セルに酸化剤ガスが供給され、未使用の酸化剤ガスが各セルから排出されるようになっている。

これにより、燃料電池スタック２を構成する各セル３、及び補助セル４ａ、４ｂは、燃料ガス及び酸化剤ガスを用いて発電可能となっている。

集電板５ａ、５ｂのそれぞれ外側の補助セル４ａ、４ｂへのガス供給口にはガス遮断機構７ａ、７ｂ、及び７ｃ、７ｄが設けられ、図１の温度センサ２１の温度検出信号に基づくコントローラ２０からの制御出力が各ガス遮断機構７ａ〜７ｄを制御して反応ガスの供給遮断を制御可能になっている。

コントローラ２０は、温度センサ２１ａ、２１ｂが検出した温度が所定温度より低温時に、各ガス遮断機構７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを開放して、補助セル４ａ、４ｂへ反応ガスを供給するとともに、電気的な開閉機構である開閉器２２ａ、２２ｂを閉成して、補助セルを燃料電池スタック２の最端部のセルと電気的に並列に接続する。これにより、燃料電池スタック２の両端部のセルに、補助セル４ａ、４ｂをそれぞれ並列に接続させることができ、低温時の発電能力が低い場合の端部セル能力を補うことができる。

温度センサ２１ａ、２１ｂが検出した温度が所定温度以上であれば、コントローラ２０は、補助セルによる発電補助が不要と判断して、各ガス遮断機構７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを遮断させて、補助セル４ａ、４ｂへの反応ガス供給を停止するとともに、開閉器２２ａ、２２ｂを開として、補助セルと燃料電池スタック２の最端部のセルとの電気的接続を切断するように制御する。

以上説明したように本実施例によれば、燃料電池スタック端部の低温のために発電能力が低下した集電板付近のセルまたはセル群に対して、並列に補助セルまたはサブスタックから電流供給可能となり、燃料電池の性能劣化を引き起こすことなく、起動直後から発電出力を取り出すことができるという効果がある。

また本実施例によれば、集電板を両面からセルまたはセル群で挟むことにより、集電板からの放熱を防ぎながら燃料電池を素早く暖機することができるという効果がある。

さらに本実施例によれば、燃料電池スタックへの補助セルまたはサブスタックの接続は、電気的開閉機構を介して行うと共に、補助セルまたはサブスタックへの反応ガスの供給は、ガス供給遮断機構を介しているので、補助セルまたはサブスタックによる発電補助を行う必要がない場合には、補助セルまたはサブスタックへの燃料ガス供給を遮断し、燃料ガスの消費を抑制することができるという効果がある。

尚、本実施例では、補助集電板を設けたが、出力密度があまり高くない燃料電池においては、補助集電板を省略し、例えば金属材料によるセパレータに直接開閉手段である開閉器を接続するように構成変更が可能である。

図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２について説明する概略構成図である。燃料電池スタック２の図中左側には、負極の集電板５ａ、右側には正極の集電板５ｂは配置されている。負極の集電板５ａの左側には、負極を集電板５ａに接続するサブスタック２４ａが配置され、正極の集電板５ｂの右側には、正極を集電板５ｂに接続するサブスタック２４ｂが配置されている。各サブスタック２４ａ、２４ｂは、特に限定されないが本実施例では、それぞれ６セルから構成されている。

それぞれのサブスタック２４ａ、２４ｂの外側には、補助集電板６ｅ、６ｈが配置されている。また、集電板５ａを対称中心として、補助集電板６ｅと対称な燃料電池スタック２中の位置に補助集電板６ｆが配置され、同様に、集電板５ｂを対称中心として、補助集電板６ｈと対称な燃料電池スタック２中の位置に補助集電板６ｇが配置されている。

また、各集電板５ａ、５ｂを挟む各１セルの外側、即ち実施例１と同様な位置に、補助集電板６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄが配置されている。

補助集電板６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、燃料電池スタック２の積層方向と垂直な方向に電流を出入りさせるために設けたものであり、これら補助集電板６ａ〜６ｄから出入りする電流の大きさは、最大で燃料電池スタック２から出力する電流、即ち集電板５ａ、５ｂを通過する電流の約１／２である。このため、補助集電板に集電板と同じ材質を用いるとすれば、その必要な厚さは、集電板の１／２程度である。

そして、電気的な開閉機構である開閉器２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂが設けられている。開閉器２２ａは、補助集電板６ａと６ｂとの間の電気接続を閉成することにより、燃料電池スタック２の最も左側のセル３に、サブスタック２４ａの最も右側のセルを並列に電気的接続することができる。同様に、開閉器２２ｂは、補助集電板６ｃと６ｄとの間の電気接続を閉成することにより、燃料電池スタック２の最も右側のセル３に、サブスタック２４ｂの最も左側のセルを並列に電気的接続することができる。

同様に、開閉器２３ａは、補助集電板６ｅと６ｆとの間の電気接続を閉成することにより、燃料電池スタック２の左側から６個分のセル群に、サブスタック２４ａを並列に電気的接続することができる。同様に、開閉器２３ｂは、補助集電板６ｇと６ｈとの間の電気接続を開閉することにより、燃料電池スタック２の右側から６個分のセル群に、サブスタック２４ｂを並列に電気的接続することができる。

これらの開閉器２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂは、バイメタル等の温度感応部材により構成されており、所定の作動温度より低温時は閉（回路接続）状態になっているが作動温度以上では温度感応部材が変形することで開放となるように構成されている。

また、図示しないが、サブスタック２４ａ、２４ｂに反応ガスを供給する経路にもバイメタル等の温度感応部材を用いたガス供給遮断機構が設けられている。そして、ガス供給遮断機構は、所定の作動温度より低温時には、ガス供給を行い、作動温度以上では、ガス供給を遮断するにより、発電補助が不要な場合には、ガス供給を遮断できるようになっている。

また、開閉器２２ａ及び２２ｂの作動温度（Ｔ１）は、開閉器２３ａ及び２３ｂの作動温度（Ｔ２）より高温に設定されている（Ｔ２＜Ｔ１）。

さらに、開閉器２２ａ，２２ｂは、それぞれ集電板５ａ、５ｂ自体またはその近傍のセルに接して配置され、開閉器２３ａ，２３ｂは、サブスタック２４ａ、２４ｂ、または、部分スタック２ａ、２ｂに接して配置されている。

これにより、Ｔ２未満の低温時に燃料電池システムを起動する場合には、開閉器２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂは、全て閉成され、燃料電池スタック２の両端の各１セルにサブスタックの最も内側の各セルが電気的に並列接続されるとともに、燃料電池スタック２の両端から６つ目のセルにサブスタック２４ａ、２４ｂが電気的に並列接続される状態となる。

この状態で燃料電池スタック２及びサブスタック２４ａ、２４ｂに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して発電を開始させると、燃料電池スタック２及びサブスタック２４ａ、２４ｂの温度が上がり始める。しかしながら発熱源は、発電部である燃料電池スタック２及びサブスタック２４ａ、２４ｂであるのに対して、集電板５ａ、５ｂ、及び補助集電板６ａ〜６ｈは発熱源とならない。その上、集電板５ａ、５ｂ、及び補助集電板６ａ〜６ｈは、集電を行うために導電性の良好な金属材料で構成されることが多く、これらは比熱が大きい。このため、燃料電池スタック２の両端部及びサブスタック２４ａ、２４ｂでは温度上昇が遅く、温度に依存する発電性能の上昇速度が遅い。これに対して燃料電池スタック２の中央部は温度上昇が早く、温度に依存する発電性能の上昇速度が速いことになる。

しかし、温度上昇の遅い燃料電池スタック２の両端部の部分スタック２ａ、２ｂには、それぞれ開閉器２３ａ、２３ｂを介して並列にサブスタック２４ａ、２４ｂが電気的に接続されているので、温度上昇の遅い燃料電池スタック２の両端部の発電能力をサブスタック２４ａ、２４ｂにより補うことができる。

ある程度の時間が経過して、燃料電池システムの暖機が進み、開閉器２３ａ、２３ｂの温度が作動温度（Ｔ２）に達すると、開閉器２３ａ、２３ｂは、開となり、開閉器２２ａ、２２ｂが閉を維持した状態となる。この状態は、燃料電池スタック２の両端のセル３ａ、３ｚに、それぞれサブスタックの最内側のセル４ａ、４ｂが電気的に並列接続された状態である。そして、以後、集電板５ａ、５ｂを外側から加熱する要素は、セル４ａ、４ｂとなる。

更に時間が経過して、開閉器２２ａ、２２ｂの温度が作動温度（Ｔ１）に達すると、開閉器２２ａ、２２ｂが開となる。これにより、サブスタック２４ａのセル４ａと燃料電池スタック２の左端のセル３ａとの接続、及びサブスタック２４ｂのセル４ｂと燃料電池スタック２の右端のセル３ｚとの接続が切られる。以後、燃料電池スタック２のみが電流供給する状態となる。

本実施例においては、集電板５ａ、５ｂの外側には、サブスタック２４ａ、２４ｂがそれぞれ配置されて発電するので、集電板５ａ、５ｂは両側から加熱され、集電板の外側に熱源となる発電要素を持たない従来技術より速やかに、集電板５ａ、５ｂ及び燃料電池スタック２の両端部が温度上昇することができ、燃料電池スタック２の暖機時間を短縮することができるという効果がある。

また、サブスタック２４ａ、２４ｂにより燃料電池スタック２の両端部の電流供給能力が増加しているので、燃料電池暖機中に出力を取り出しても燃料電池が劣化することを防止できるという効果がある。

また、本実施例によれば、開閉機構またはガス供給遮断機構の少なくともいずれかは、温度感応部材により構成されているので、温度センサや制御器を必要とすることなく、簡易な構成で低温時の発電能力を補助することができる。

さらに、本実施例によれば、開閉機構を介して燃料電池スタックへ接続するサブスタックのセル数を、燃料電池両端部の温度に応じて、複数選択可能となっているので、温度に応じた発電能力の補助を行うことができるという効果がある。

尚、本実施例では、それぞれ作動温度の異なる開閉器２２ａ、２２ｂ、及び開閉器２３ａ、２３ｂによる並列接続セル数の２段切替を行ったが、さらに開閉器を増加させて、３段以上の切替を行うこともできる。

また、実施例１と同様に、出力密度があまり高くない燃料電池においては、補助集電板を省略し、例えば金属材料によるセパレータに直接開閉手段である開閉器を接続するように構成変更することが可能である。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する概略構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する要部概略断面図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明する概略接続図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３：セル
４ａ、４ｂ：補助セル
５ａ、５ｂ：集電板
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ：補助集電板
２０：コントローラ
２１ａ、２１ｂ：温度センサ
２２ａ、２２ｂ：開閉器

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタック両端のアノード極またはカソード極の少なくともいずれか一方の集電板の外側に、該集電板の極性と同極性の電極が接続される補助セルまたはサブスタックを設け、前記補助セルまたは前記サブスタックの他の極性の電極が、前記燃料電池スタック中の端部セルの同極性の電極、または端部セルから数えて前記サブスタックと同セル数の同極性の電極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. 前記他の極性の電極同士の接続は、接続の途中に開閉機構が設けられ、前記開閉機構と連動する前記補助セルまたはサブスタックへのガス供給遮断機構が設けられた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. 前記開閉機構またはガス供給遮断機構の少なくともいずれか一方は、温度感応部材により構成されてい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。
4. 前記開閉機構およびガス供給遮断機構は、前記燃料電池スタック端部の温度に応じて前記サブスタックと前記燃料電池スタック内の端部から数えて同セル数となる組み合わせを複数選択可能となってい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。

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