JP2006114457A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 凍結状態から燃料電池を起動する際に、凍結した氷の解凍及び排出を容易にかつスタック内で均一に行なうことができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池スタック２には、セル積層部８の積層面に印加する面圧を調整可能な圧力調整機構６が設けられている。燃料電池システム１の起動時、制御装置９は、温度センサ２０等で燃料電池スタック２の凍結を検出した場合、圧力調整機構６によりスタック積層面の面圧を増加させて、ガス拡散層内の氷塊を破砕して、氷の解凍及び排出を促進する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、氷点下からの起動性を改良し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、水素貯蔵装置や燃料改質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、大気汚染物質の排出がなく究極のクリーン車両である。

ところで、固体高分子型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、湿潤状態を維持しないと良好な水素イオン導電性を発揮しない。固体高分子膜を湿潤状態に維持する為には、燃料電池の外部に設けた加湿装置で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する方法が一般的である。

上記固体高分子型燃料電池において、運転停止中の水分凍結防止のために、運転停止間際に、燃料電池内の残留水分量を検出し、この水分量が多いほど出力電流を増加して余剰水分蒸発を促進する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−２４６０５３号公報（第４頁、図３）

しかしながら、燃料電池システムの起動時に、燃料電池スタックの一部でも凍結がある状態でガスを供給して出力電流を取り出すと、電流密度のばらつきにより局所的な発熱が起こると共に、凍結部分では反応面へのガス供給が不十分となり、燃料電池の劣化が促進されるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池スタック積層面の面圧を任意に調整する圧力調整機構と、燃料電池スタック内部の凍結を判定する凍結判定手段と、燃料電池起動時に、前記凍結判定手段により燃料電池内部の凍結が判定された場合、前記圧力調整機構により前記面圧を増加させるように制御する制御手段と、を備えた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、燃料電池スタック内部が凍結していると判定した場合、燃料電池スタック積層面の面圧を増加させて、ガス拡散層に存在する氷塊を破砕することができ、凍結した氷の解凍及び排出を容易にかつスタック内で均一に行なう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、本発明に係る燃料電池システムの一実施例を説明するシステム概略構成図である。図１において、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２へそれぞれ燃料ガス、空気を供給する図示しない燃料ガス供給装置及び空気供給装置と、制御装置９と、燃料電池スタック２の内部温度を検出して制御装置９に検出値を送る温度センサ２０と、燃料電池スタック２内部の水分量を検出して制御装置９に検出値を送る水分量センサ２１と、を備えている。

燃料電池スタック２は、フレーム３と、フレーム３の両端部に固着されたそれぞれのエンドプレート４、５と、エンドプレート４に設けられ燃料電池スタック積層面の面圧（以下、単にスタック圧力とも略す）を加圧板７を介して任意に調整する圧力調整機構６と、加圧板７と、セル積層部８とを備えている。

圧力調整機構６は、１つでもよいが、本実施例では、均等に加圧するため、方形のエンドプレート４の対角線上に５つ配置され、そのうち１つは、対角線の交点に配置されている。

図２は、圧力調整機構６の詳細を説明する燃料電池スタックの要部断面図である。圧力調整機構６は、エンドプレート４に固着された正逆回転可能なモータ１０と、モータ１０の回転軸に形成された雄ネジ１１と、雄ネジ１１に螺合し且つ加圧板７に固定された雌ネジ１２と、加圧板７がスタック積層面に印加する面圧を検出する圧力センサ１３とを備えている。

モータ１０の正逆回転により雄ネジ１１が正逆回転し、雄ネジ１１に螺合する雌ネジ１２がモータ１０に接近したり離隔したりする。これにより雌ネジ１２が固定された加圧板７がセル積層部８へ印加する面圧を減少したり増加したりすることができるようになっている。

モータ１０及び圧力センサ１３は、制御装置９に接続されている。制御装置９は、温度センサ２０、水分量センサ２１，及び圧力センサ１３の検出値に基づいて、モータ１０を正回転または逆回転駆動することにより、セル積層部８の面圧を減少または増加するように制御できる。

図３は、スタック圧力−ガス拡散層空孔平均径(氷塊径)特性曲線の例を示す図である。燃料電池の構成単位であるセルを積層してスタックを構成し、スタック積層面の面圧を徐々に上げていくと、ガス拡散層空孔の平均径は最初急激に低下し、その後はほぼ一定の比率で直線的に徐々に低下する。さらに面圧を上げるとスタックが破損する。通常は、前記直線部分の最初の方の領域のスタック圧力を使用している。ここで、ガス拡散層の空孔の径と、液水を含むガス拡散層が凍結したときの氷塊の径とは等しいとする。

図４は、実施例の制御装置による燃料電池の運転停止処置を説明する制御フローチャートである。まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、制御装置９は、燃料ガス及び空気の供給を停止して発電を停止する。次いで、制御装置９は、Ｓ１２で水分量センサ２１の検出値を読み込み、Ｓ１４で、燃料電池スタック内部に残留水があるか否かを判断する。残留水がなければ、運転停止処置を終了する。Ｓ１４の判定で、残留水があれば、制御装置９は、Ｓ１６へ進み、圧力調整機構６によりスタック圧力を低下させて、運転停止処置を終了する。

このように、運転停止後に、燃料電池スタック内部の水分凍結が予測される場合には、燃料電池スタック積層面の面圧を低下させて燃料電池の運転を停止させているので、次の起動時に、燃料電池スタックが凍結している場合、スタックの面圧を増加させてガス拡散層内に形成された氷塊を破砕することができる。

図５は、制御装置による燃料電池の起動準備処置を説明する制御フローチャートである。制御装置は、まずＳ２０において、圧力センサ１３の検出値を読み込み、Ｓ２２で、スタック圧力が運転停止時より起動時の方が高くなったか否かを判定する。起動時の方が高くなっていれば、燃料電池スタック内部の凍結による膨張によりスタック圧力が高まったと判断して、Ｓ２６へ進む。

Ｓ２２の判定で起動時の方が高くなっていなければ、Ｓ２４へ進み、温度センサ２０が検出したスタック内温度が０〔℃〕以下か否かを判定する。スタック内温度が０〔℃〕以下であれば、Ｓ２６へ進む。スタック内温度が０〔℃〕以下でなければ、凍結の可能性はないので、Ｓ３０へ進み、ガス供給を開始して燃料電池を起動する。

Ｓ２６では、燃料電池スタック内部が凍結しているので、圧力調整機構６を制御して、スタック圧力を許容上限値まで増加することにより、ガス拡散層に形成された氷塊を破砕する。このスタック圧力の許容上限値は、図３のスタック破損圧力より低い値に設定されているものとする。これにより燃料電池スタックの破損を防止することができる。

次いで、Ｓ２８で圧力調整機構６を制御して、スタック圧力を通常運転時の圧力まで戻した後、燃料電池を起動するためにＳ３０へ進む。

尚、図５のフローチャートには示さなかったが、燃料電池スタックの凍結判断方法として、乾燥時の燃料電池スタックの外気温度に対するスタック積層面の面圧をバックグラウンド圧力として測定しておき、燃料電池システムの起動時の前記面圧がバックグラウンド圧力よりも高い場合に凍結と判定することもできる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施例の構成を説明するシステム概略構成図である。 圧力調整機構の詳細を説明する燃料電池スタックの要部断面図である。 スタック圧力−ガス拡散層空孔平均径(氷塊径)特性曲線の例を示す図である。 制御装置による運転停止時処置のフローチャートである。 制御装置による起動時処置のフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…フレーム
４、５…エンドプレート
６…圧力調整機構
７…加圧板
８…セル積層部
９…制御装置
２０…温度センサ
２１…水分量センサ

Claims (7)

1. 燃料電池スタック積層面の面圧を任意に調整する圧力調整機構と、
   該圧力調整機構の圧力を受けて燃料電池スタック積層面を加圧する加圧板と、
   燃料電池スタック内部の凍結を判定する凍結判定手段と、
   燃料電池起動時に、前記凍結判定手段により燃料電池内部の凍結が判定された場合、前記圧力調整機構により前記面圧を増加させるように制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記圧力調整機構は、
   前記加圧板に組みつけられた圧力調整雌ネジと、
   燃料電池スタックフレームに固定された正逆転可能なモータと、
   前記圧力調整雌ネジに螺合するとともに前記モータで回転駆動される雄ネジと、
   を備え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. 前記圧力調整機構による燃料電池スタック積層面の加圧は、所定の加圧限界値を超えないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記凍結判定手段は、燃料電池スタック内部の温度が零度以下の場合に、凍結と判定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。
5. 前記凍結判定手段は、直前の燃料電池システムの運転停止時の前記面圧よりも起動時の前記面圧が高い場合に、凍結と判定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。
6. 前記凍結判定手段は、乾燥時の燃料電池スタックの外気温度に対するスタック積層面の面圧をバックグラウンド圧力として測定しておき、燃料電池システムの起動時の前記面圧が前記バックグラウンド圧力よりも高い場合に凍結と判定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。
7. 燃料電池の運転終了時に燃料電池スタック内に残留水を検出したときは、前記面圧を通常より小さくして運転終了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。

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