JP2006228434A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】局所的に発生する電流の流れの低下であっても、迅速に検出して対応することができる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】燃料電池発電システム１００において、燃料電池本体１１０のスタック内に配設されて、当該スタック内の磁束強度を検出するモニタプレート及び磁気検出器１２０等と、磁気検出器１２０からの情報に基づいて、燃料電池本体１１０のスタック内の磁束Φの強度分布を求め、この磁束強度分布から、当該スタック内を流れる電流Ｉの流れ方向と直交する平面領域（通電領域）の電流密度分布を求め、この電流密度分布に基づいて、酸化ガス加湿手段１３４，１３５，１３７、燃料ガス加湿手段１４４，１４５，１４７、温調水温調手段１５２，１５５、電子負荷器１０のうちの少なくとも一つを制御する制御手段１６０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池発電システムに関する。

積層形の燃料電池発電システムは、電解質膜を触媒層で挟んだセルと導電性を有するセパレータ等とを交互に積層したスタックを備える燃料電池本体に、空気や酸素等の酸化ガスを供給すると共に水素等の燃料ガスを供給することにより、前記セルで酸素と水素とが電気化学的に反応して、電力を得ることができるようになっている。

このような燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体の上記電解質膜が、常に湿潤されている必要があるため、上記酸化ガス及び燃料ガスが加湿されて燃料電池本体に供給されると共に、一定温度で運転される必要があるため、燃料電池本体の前記セパレータに形成された温調水流通路に温調水が流通するようになっている。

ところで、上記燃料電池発電システムでは、上記燃料電池本体のセルでの酸素と水素との電気化学反応に伴って水が生成し、主に上記セパレータの酸化ガス流通路から酸化ガス排出マニホールドを通って燃料電池本体の外部に排出され、回収されて上記ガスの加湿水として再び利用されている。

このとき、酸素と水素との電気化学反応に伴って生成した水が、上記各セパレータの酸化ガス流通路（特に出口付近）にそれぞれ滞留してくると、当該滞留部分で酸化ガスの拡散抵抗が増加して、当該滞留部分の電流の流れが次第に低下してしまい、発電能力の低下を引き起こしてしまう。

このため、上述したような従来の燃料電池発電システムにおいては、燃料電池本体のスタックの電圧を常時計測し、当該電圧の低下により、各セパレータの酸化ガス流通路での水の滞留の発生を検知して、運転状態を制御するようにしていた。

青木 哲也 他，「個体高分子燃料電池の発電特性解析と実験」，第４２回電池討論会予稿集，社団法人電気化学会電池技術委員会，２００１年１１月２１日，ｐ．５４０−５４１

しかしながら、前述したような従来の燃料電池発電システムにおいては、酸化ガス流通路に水が滞留する領域が比較的多くならないと（発電面の３割程度）、燃料電池本体の電圧低下が見られないため、上記不具合の検知が遅くなってしまっていた。なぜなら、前記不具合は局所的に発生しやすいものの、全体的な電圧値、すなわち、発電部全体を平均した電圧値から検出しているため、局所的な上記不具合が多くならないと、認知できる大きさとして検出できないからである。

このような局所的な電流の流れの低下は、上記反応による燃料ガスの消費に伴って当該燃料ガスの蒸気含有許容量が低下して結露を生じ、前記各セパレータの燃料ガス流通路（特に出口付近）に水が滞留した場合や、燃料電池本体に供給する前記ガスの加湿不足を生じて、各セパレータの前記ガス流通路の入口側周辺部分で電解質膜が水分不足となった場合にも生じていた。

このようなことから、本発明は、局所的に発生する電流の流れの低下であっても、迅速に検出して対応することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る燃料電池発電システムは、電解質膜を一対の触媒層で挟んで構成されるセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えて電子負荷器に電力を供給する燃料電池本体と、酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化ガス供給手段と、水素を含有する燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料ガス供給手段と、温度を調整する温調水を前記燃料電池本体に供給する温調水供給手段と、前記燃料電池本体に供給する前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と、前記燃料電池本体に供給する前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段と、前記燃料電池本体に供給する前記温調水の温度を調整する温調水温調手段とを備えてなる燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体の前記スタック内に配設されて、当該スタック内の磁束強度を検出する磁束強度検出手段と、前記磁束強度検出手段からの情報に基づいて、前記燃料電池本体の前記スタック内の磁束強度分布を求め、この磁束強度分布から、当該スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域の電流密度分布を求め、この電流密度分布に基づいて、前記酸化ガス加湿手段、前記燃料ガス加湿手段、前記温調水温調手段、前記電子負荷器のうちの少なくとも一つを制御する制御手段とを備えていることを特徴とする。

第二番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目の発明において、前記磁気強度検出手段が、磁束の大きさを水平成分と垂直成分とに分けてそれぞれ検出できるものであり、前記制御手段が、前記磁気強度検出手段からの情報に基づいて、前記燃料電池本体の前記スタック内の水平方向及び垂直方向のそれぞれの磁束強度分布を求め、これらの磁束強度分布から、当該スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域の電流密度分布を求めるものであることを特徴とする。

第三番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目又は第二番目の発明において、前記磁気強度検出手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータの前記ガスの流通路の入口及び出口の少なくとも一方の付近に位置するように当該セパレータに複数配設された磁気検出器を備えるものであることを特徴とする。

第四番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記磁気強度検出手段が、前記スタック内の前記ガスの流通方向下流側に位置していることを特徴とする。

第五番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第三番目の発明のいずれかにおいて、前記磁気強度検出手段が、前記スタックの積層方向に沿って所定の間隔ごとに複数配設されていることを特徴とする。

第六番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を上昇させるように前記温調水温調手段を制御するものであることを特徴とする。

第七番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記酸化ガスの加湿量を低下させるように前記酸化ガス加湿手段を制御するものであることを特徴とする。

第八番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を上昇させるように前記温調水温調手段を制御するものであることを特徴とする。

第九番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記燃料ガスの加湿量を低下させるように前記燃料ガス加湿手段を制御するものであることを特徴とする。

第十番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記酸化ガスの加湿量を上昇させるように前記酸化ガス加湿手段を制御するものであることを特徴とする。

第十一番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を低下させるように前記温調水温調手段を制御するものであることを特徴とする。

第十二番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記燃料ガスの加湿量を上昇させるように前記燃料ガス加湿手段を制御するものであることを特徴とする。

第十三番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を低下させるように前記温調水温調手段を制御するものであることを特徴とする。

第十四番目の発明に係る燃料電池発電システムは、第一番目から第五番目の発明のいずれかにおいて、前記制御手段が、前記電子負荷器の電流負荷を減少させるように当該電子負荷器を制御するものであることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池発電システムによれば、燃料電池本体のスタックに流れる電流によって生じる磁束の強度分布を求め、この磁束強度分から、スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域の電流密度分布を求め、この電流密度分布に基づいて、スタック内の電流の流れを把握することができるので、局所的に発生する電流の流れの低下であっても、迅速に検出して、正常化への復旧を早期に実施することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

［第一番目の実施形態］
本発明に係る燃料電池発電システムの第一番目の実施形態を図１〜４に基づいて説明する。図１は、燃料電池発電システムの概略構成図、図２は、図１の燃料電池本体の一部抽出分解斜視図、図３は、図２の要部部分の抽出拡大図、図４は、図３の要部部分の抽出拡大断面図である。

図１，２に示すように、燃料電池本体１１０は、電解質膜１１１を一対の触媒層１１２で挟んで構成されるセルを一対のガス拡散層１１３で挟み、このセルと導電性を有するセパレータ１１５とをシール材１１４を介して交互に複数積層し、この積層方向両端側に板状のフランジ（図示省略）を配設してボルト等の締結具で積層方向に締め付けることにより基本的な構成をなすスタックを備えるものである。

前記セパレータ１１５には、加湿水４で加湿された空気や酸素等の酸化ガス１を流通させる酸化ガス流通路１１５ａが一方の面に形成され、加湿水４で加湿された水素等の燃料ガス２を流通させる燃料ガス流通路１１５ｂが他方の面に形成され、温度調整を行なう温調水３を流通させる温調水流通路が内部に形成されている。

さらに、前記セパレータ１１５には、加湿水４で加湿された酸化ガス１を前記酸化ガス流通路１１５ａに供給する酸化ガス供給マニホールド１１５ｃと、加湿水４で加湿された燃料ガス２を前記燃料ガス流通路１１５ｂに供給する燃料ガス供給マニホールド１１５ｄと、前記温調水流通路に温調水３を供給する温調水供給マニホールド１１５ｅと、前記酸化ガス流通路１１５ａを流通した酸化ガス１を排出する酸化ガス排出マニホールド１１５ｆと、前記燃料ガス流通路１１５ｂを流通した燃料ガス２を排出する燃料ガス排出マニホールド１１５ｇと、前記温調水流通路を流通した温調水３を排出する温調水排出マニホールド１１５ｈとが、それぞれ形成されている。

つまり、前記燃料電池本体１１０は、スタックの積層方向一方端側の前記フランジに形成された酸化ガス供給マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、温調水供給マニホールドから、加湿水４で加湿された酸化ガス１、加湿水４で加湿された燃料ガス２、温調水３がそれぞれ供給されると、加湿水４で加湿された酸化ガス１、加湿水４で加湿された燃料ガス２、温調水３が、各セパレータ１１５の各供給マニホールド１１５ｃ〜１１５ｅから各セパレータ１１５の各流通路１１５ａ，１１５ｂ等を流通し、温調水３が各セルを所定の温度に維持するように温度調整すると共に、加湿水４で加湿された酸化ガス１及び加湿水４で加湿された燃料ガス２が各セルで電気化学的に反応することにより発電し、使用済みの酸化ガス１及び燃料ガス２並びに温調水３が各セパレータ１１５の各排出マニホールド１１５ｆ〜１１５ｈを介して、スタックの積層方向他方端側の前記フランジに形成された酸化ガス排出マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、温調水排出マニホールドから外部へ排出されるようになっているのである。

また、図２，３に示すように、前記燃料電池本体１１０は、スタックの積層方向他方端側（酸化ガス１の流通方向下流側）の前記セパレータ１１５と前記フランジとの間に、導電性を有するモニタプレート１１６が積層されている。

前記モニタプレート１１６には、前記セパレータ１１５の酸化ガス供給マニホールド１１５ｃと連通する酸化ガス供給マニホールド１１６ｃと、前記セパレータ１１５の燃料ガス供給マニホールド１１５ｄと連通する燃料ガス供給マニホールド１１６ｄと、前記セパレータ１１５の温調水供給マニホールド１１５ｅと連通する温調水供給マニホールド１１６ｅと、前記セパレータ１１５の酸化ガス排出マニホールド１１５ｆと連通する酸化ガス排出マニホールド１１６ｆと、前記セパレータ１１５の燃料ガス排出マニホールド１１５ｇと連通する燃料ガス排出マニホールド１１６ｇと、前記セパレータ１１５の温調水排出マニホールド１１５ｈと連通する温調水排出マニホールド１１６ｈとが、それぞれ形成されている。なお、符号１１６ｉは通電領域である。

そして、図２〜４に示すように、前記モニタプレート１１６には、磁束の大きさを水平成分と垂直成分とにそれぞれ分けて検出できる電子コンパス等のような磁気検出器１２０が、前記酸化ガス排出マニホールド１１６ｆと前記燃料ガス排出マニホールド１１６ｇとを結ぶ線に最も近い辺に沿って、すなわち、前記セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの出口付近に位置するように、所定の間隔で複数設けられており、当該磁気検出器１２０は、検出器本体１２１に制御電源１２２から制御電流が印加されることにより、磁束の水平成分及び垂直成分の各々の大きさを電圧の大きさとして電圧計１２３でそれぞれ計測することができるようになっている。

図１に示すように、前記燃料電池本体１１０には、各種の電子負荷器１０が接続されている。

酸化ガス１を供給する酸化ガス供給源１３１は、開閉弁１３２及び流量調整器１３３を介して加湿器１３４に連絡している。加湿器１３４には、当該加湿器１３４の内部の温度を調整する温度調整装置１３５が設けられている。加湿器１３４は、燃料電池本体１１０の前記スタックの積層方向一方端側の前記フランジの酸化ガス供給マニホールドに配管１３６を介して連絡している。この配管１３６には、当該配管１３６内の温度を調整する温度調整装置１３７が設けられている。燃料電池本体１１０の前記スタックの積層方向他方端側の前記フランジの酸化ガス排出マニホールドは、図示しない後処理機器を介して外部に連絡している。

燃料ガス２を供給する燃料ガス供給源１４１は、開閉弁１４２及び流量調整器１４３を介して加湿器１４４に連絡している。加湿器１４４には、当該加湿器１４４の内部の温度を調整する温度調整装置１４５が設けられている。加湿器１４４は、燃料電池本体１１０の前記スタックの積層方向一方端側の前記フランジの燃料ガス供給マニホールドに配管１４６を介して連絡している。この配管１４６には、当該配管１４６内の温度を調整する温度調整装置１４７が設けられている。燃料電池本体１１０の前記スタックの積層方向他方端側の前記フランジの燃料ガス排出マニホールドは、図示しない後処理機器を介して外部に連絡している。

温調水３を貯留するタンク１５１には、当該タンク１５１内の温度を調整する温度調整装置１５２が設けられている。このタンク１５１は、配管１５３及び送給ポンプ１５４を介して燃料電池本体１１０の前記スタックの積層方向一方端側の前記フランジの温調水供給マニホールドに連絡している。この配管１５３には、当該配管１５３内の温度を調整する温度調整装置１５５が設けられている。燃料電池本体１１０の前記スタックの積層方向他方端側の前記フランジの温調水排出マニホールドは、前記タンク１５１に連絡している。

前記燃料電池本体１１０の前記磁気検出器１２０は、制御装置１６０の入力部に電気的に接続している。制御装置１６０の出力部は、前記温度調整器１３５，１３７，１４５，１４７，１５２，１５６及び電子負荷器１０にそれぞれ電気的に接続しており、当該制御装置１６０は、前記燃料電池本体１１０の磁気検出器１２０からの情報に基づいて、前記温度調整器１３５，１３７，１４５，１４７，１５２，１５６及び電子負荷器１０をそれぞれ制御することができるようになっている（詳細は後述する）。

このような本実施形態においては、酸化ガス供給源１３１，開閉弁１３２，流量調整器１３３，配管１３６等により酸化ガス供給手段が構成され、燃料ガス供給源１４１，開閉弁１４２，流量調整器１４３，配管１４６等により燃料ガス供給手段が構成され、タンク１５１，配管１５３，送給ポンプ１５４等により温調水供給手段が構成され、加湿器１３４，温度調整装置１３５，１３７等により酸化ガス加湿手段が構成され、加湿器１４４，温度調整装置１４５，１４７等により燃料ガス加湿手段が構成され、温度調整装置１５２，１５５等により温調水温調手段が構成され、モニタプレート１１６，磁気検出器１２０等により磁束強度検出手段が構成され、制御装置１６０等により制御手段が構成されている。

このようにして構成された本実施形態に係る燃料電池発電システム１００の作動を次に説明する。

加湿器１３４，１４４内、タンク１５１内、配管１３６，１４６，１５３内が所定の温度となるように各温度調整装置１３５，１３７，１４５，１４７，１５２，１５５を制御装置１６０で制御すると共に、前記ガス供給源１３１，１４１から酸化ガス１及び燃料ガス２を供給し、前記送給ポンプ１５４を作動させると、温調水３は、タンク１５１内から配管１５３を介して燃料電池本体１１０内に供給されることにより、前述したように、燃料電池本体１１０内を所定温度に維持すると共に、酸化ガス１及び燃料ガス２は、加湿器１３４．１４４で加湿水４を所定量加えられて加湿された後、配管１３６，１４６を介して燃料電池本体１１０内に供給されることにより、前述したように、前記セルで電気化学的に反応して電気を発生し、前記電子負荷器１０に給電することができる。

燃料電池本体１１０内の温度調整を行って排出された温調水３は、タンク１５１内に戻されて再び利用され、燃料電池本体１１０内で発電に使用された酸化ガス１及び燃料ガス２は、図示しない後処理機器を介して外部に排出される。

このようにして発電を行なっているとき、燃料電池本体１１０のスタックに積層方向に沿って電流Ｉが流れるため、当該スタックには、当該電流Ｉの大きさと比例する磁束Φが生じる（図４参照）。この磁束Φの水平成分と垂直成分との大きさを前記モニタプレート１１６の各磁気検出器１２０がそれぞれ個別に検出すると、前記制御装置１６０は、各磁気検出器１２０からの情報に基づいて、図５に示すように、モニタプレート１１６周辺の水平方向及び垂直方向の磁束強度分布をそれぞれ求める。引き続き、制御装置１６０は、上記磁束強度分布から、予め求められている関係式に基づいて、図６に示すように、モニタプレート１１６周辺の通電領域１１６ｉの電流密度分布、すなわち、スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域の電流密度分布を求める。

ここで、燃料電池本体１１０が正常に作動しているときには、上記磁束強度は、図５に示すように、水平方向及び垂直方向の両者共に、モニタプレート１１６の中央部分を境にして線対称となるように分布するようになるため、上記関係式に基づいて求められる上記電流密度は、図６に示すように、モニタプレート１１６の通電領域１１６ｉ全体、すなわち、スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域全体にわたって均一な分布を示す。この情報に基づいて、制御装置１６０は、正常に運転されていると判断して、現在の運転状態を維持するように、前記温度調整器１３５，１３７，１４５，１４７，１５２，１５５を制御する。

そして、例えば、酸素と水素との電気化学反応に伴って生成した水が、前記セパレータ１１５の酸化ガス流通路１１５ａの酸化ガス排出マニホールド１１５ｆ付近で滞留し、当該滞留部分で酸化ガス１の拡散抵抗が増加して、当該滞留部分の電流の流れが低下してくると、上記磁束強度分布は、図７に示すように、前記セパレータ１１５の酸化ガス流通路１１５ａの酸化ガス排出マニホールド１１５ｆ近傍部分が低くなるように、モニタプレート１１６の中央部分を境にした線対称性が崩れるため、上記関係式に基づいて求められる上記電流密度は、図８に示すように、前記酸化ガス流通路１１５ａの前記酸化ガス排出マニホールド１１５ｆ近傍部分が低くなる分布を示す。

この情報に基づいて、制御装置１６０は、酸素と水素との電気化学反応に伴って生成した水が、セパレータ１１５の酸化ガス流通路１１５ａの酸化ガス排出マニホールド１１５ｆ付近に滞留していると判断し、まず、ｉ）電子負荷器１０の電流負荷を所定量（５％程度）減少させるように電子負荷器１０を制御して消費電力量の低減（生成水の発生量の低減）を図り、次に、ii）温調水３の温度を所定量（３℃程度）上昇させるように温度調整装置１５２，１５５を制御して燃料電池本体１１０のスタック内の昇温（酸化ガス１の飽和水蒸気量の増大化）を図り、そして、iii)加湿器１３４の温度を所定量（３℃程度）低下させるように温度調整器１３５，１３７を制御して酸化ガス１の加湿量の低減を図る。

このような制御装置１６０の上記制御運転により、前記セパレータ１１５の酸化ガス流通路１１５ａの酸化ガス排出マニホールド１１５ｆ付近に滞留している水は、気化してなくなる。これにより、前記セパレータ１１５の酸化ガス流通路１１５ａの酸化ガス排出マニホールド１１５ｆ付近の電流の流れが正常化するため、前記磁束強度は、図５に示したような正常な分布に戻り、上記関係式に基づいて求められる上記電流密度は、図６に示したような正常な分布に戻る。このような情報を得ると、制御装置１６０は、正常状態に回復したと判断して、当初の正常運転状態に復帰させるように、電子負荷器１０及び前記温度調整器１３５，１３７，１５２，１５５等を制御する。

また、例えば、上記反応による燃料ガス２の消費に伴って当該燃料ガス２の蒸気含有許容量が低下して結露を生じ、前記セパレータ１１５の燃料ガス流通路１１５ｂの燃料ガス排出マニホールド１１５ｇ付近に水が滞留して、当該滞留部分で燃料ガス２の拡散抵抗が増加し、当該滞留部分の電流の流れが低下してくると、上記磁束強度分布は、図９に示すように、セパレータ１１５の燃料ガス流通路１１５ｂの燃料ガス排出マニホールド１１５ｇ近傍部分が低くなるように、モニタプレート１１６の中央部分を境にした線対称性が崩れるため、上記関係式に基づいて求められる上記電流密度は、図１０に示すように、前記燃料ガス流通路１１５ｂの前記燃料ガス排出マニホールド１１５ｇ近傍部分が低くなる分布を示す。

この情報に基づいて、制御装置１６０は、前記セパレータ１１５の燃料ガス流通路１１５ｂの燃料ガス排出マニホールド１１５ｇ付近に水が滞留していると判断し、まず、ｉ）電子負荷器１０の電流負荷を所定量（５％程度）減少させるように電子負荷器１０を制御して消費電力量の低減（燃料ガス２の消費量の低減）を図り、次に、ii）温調水３の温度を所定量（３℃程度）上昇させるように温度調整装置１５２，１５５を制御して燃料電池本体１１０のスタック内の昇温（燃料ガス２の飽和水蒸気量の増大化）を図り、そして、iii)加湿器１４４の温度を所定量（３℃程度）低下させるように温度調整器１４５，１４７を制御して燃料ガス２の加湿量の低減を図る。

このような制御装置１６０の上記制御運転により、前記セパレータ１１５の燃料ガス流通路１１５ｂの燃料ガス排出マニホールド１１５ｇ付近に滞留している水は、気化してなくなる。これにより、前記セパレータ１１５の燃料ガス流通路１１５ｂの燃料ガス排出マニホールド１１５ｇ付近の電流の流れが正常化するため、前記磁束強度は、図５に示したような正常な分布に戻り、上記関係式に基づいて求められる上記電流密度は、図６に示したような正常な分布に戻る。このような情報を得ると、制御装置１６０は、正常状態に回復したと判断して、当初の正常運転状態に復帰させるように、電子負荷器１０及び前記温度調整器１４５，１４７，１５２，１５５等を制御する。

つまり、従来は、燃料電池本体のスタックの通電領域全体の電圧を計測して、当該電圧の低下により、セパレータの酸化ガス流通路での水の滞留の発生を検知するようにしていたが、本実施形態では、燃料電池本体１１０のスタックに流れる電流Ｉによって生じる磁束Φの強度分布を求め、この磁束強度分から、当該スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域の電流密度分布を求め、この電流密度分布に基づいて、前記セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂでの水の滞留の発生を検知するようにしたのである。

このため、従来は、ガス流通路に水が滞留する領域が比較的多くならないと（発電面の３割程度）、上記不具合の検知ができなかったものの、本実施形態では、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂに水が滞留する領域が比較的少なくても（発電面の１割程度）、上記不具合を検知することができる。

したがって、本実施形態に係る燃料電池発電システム１００よれば、局所的に発生する電流の流れの低下であっても、迅速に検出して、正常化への復旧を早期に実施することができる。

なお、本実施形態においては、モニタプレート１１６の酸化ガス排出マニホールド１１６ｆと燃料ガス排出マニホールド１１６ｇとを結ぶ線に最も近い辺に沿って、すなわち、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの出口付近に位置するように、磁気検出器１２０を所定の間隔で複数設けることにより、当該セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの出口付近で最も発生しやすい水の滞留を検知するようにしたが、磁気検出器１２０をモニタプレート１１６の他の場所に設けて上記不具合を検知するようにすることも可能である。しかしながら、本実施形態のように磁気検出器１２０を配設すると、上記不具合を最も効率よく検知することができるようになるので、非常に好ましい。

また、前記ｉ）〜iii）に係る各制御は、そのうちの少なくとも一つ以上を任意に選択して適宜行うことが可能であるが、正常化への回復状況を確認しながら上述した順に段階的に行うと、各制御の特徴を最も効率よく発現させることができるため非常に好ましい。なぜなら、前記ｉ）に係る制御は、応答が最もよく、即時に対応することができるため、まず初めに行うことにより、燃料電池本体１１０に生じる不具合のさらなる悪化を迅速に防ぐことができるからであり、前記ii）に係る制御（昇温制御）は、応答が比較的速いと共に、上述した不具合の解消を最も効果的に行うことができるからであり、前記iii）に係る制御（降温制御）は、応答が比較的遅く、対応に時間を要してしまうと共に、前記ｉ），ii）に係る制御だけでも十分に対応できる場合が多いからである。

［第二番目の実施形態］
本発明に係る燃料電池発電システムの第二番目の実施形態を図１１〜１３に基づいて説明する。図１１は、燃料電池発電システムの概略構成図、図１２は、図１１の燃料電池本体の一部抽出分解斜視図、図１３は、図１２の要部部分の抽出拡大図である。なお、前述した第一番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。

図１１〜１３に示すように、燃料電池本体２１０のモニタプレート１１６には、磁気検出器１２０が、酸化ガス供給マニホールド１１６ｃと燃料ガス供給マニホールド１１６ｄとを結ぶ線に最も近い辺に沿って、すなわち、前記セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの入口付近に位置するように、所定の間隔で複数設けられている。

つまり、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００は、磁気検出器１２０を前記セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの出口付近に位置するようにモニタプレート１１６に所定の間隔で複数設けた燃料電池本体１１０を用いたが、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００は、磁気検出器１２０を前記セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの入口付近に位置するようにモニタプレート１１６に所定の間隔で複数設けた燃料電池本体２１０を用いるようにしたのである。

このような本実施形態に係る燃料電池発電システム２００においては、前述した第一番目の実施形態の燃料電池発電システム２００の場合と同様に作動させることにより、燃料電池本体２１０で発電して、電子負荷器１０に給電することができる。

ここで、燃料電池本体２１０が正常に作動しているときには、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記磁束強度が、モニタプレート１１６の中央部分を境にして線対称となるように分布して、上記関係式に基づいて求められる上記電流密度が、モニタプレート１１６の通電領域１１６ｉ全体、すなわち、スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域全体にわたって均一な分布を示す。この情報に基づいて、制御装置１６０は、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、正常に運転されていると判断して、現在の運転状態を維持するように、温度調整器１３５，１３７，１４５，１４７，１５２，１５５を制御する。

そして、例えば、燃料電池本体２１０に供給する前記ガス１，２の加湿不足を生じて、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ周辺部分で電解質膜１１１が水分不足となり、当該部分の電流の流れが低下してくると、前記磁束強度分布は、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ近傍部分が低くなるように、モニタプレート１１６の中央部分を境にした線対称性が崩れるため、前記電流密度は、前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ近傍部分の前記酸化ガス流通路１１５ａ部分が低くなる分布を示す。

この情報に基づいて、制御装置１６０は、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ周辺部分で電解質膜１１１が水分不足になっていると判断し、まず、ｉ）電子負荷器１０の電流負荷を所定量（５％程度）減少させるように電子負荷器１０を制御して消費電力量の低減（前記ガス１，２の消費量の低減）を図り、次に、ii）加湿器１３４，１４４の温度を所定量（３℃程度）上昇させるように温度調整器１３５，１３７，１４５，１４７を制御して前記ガス１，２の加湿量の増加を図り、そして、iii)温調水３の温度を所定量（３℃程度）低下させるように温度調整装置１５２，１５５を制御して燃料電池本体１１０のスタック内の降温化（前記ガス１，２の飽和水蒸気量の低減化）を図る。

このような制御装置１６０の上記制御運転により、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ周辺部分の電解質膜１１１が加湿され、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ周辺部分の電流の流れが正常化するため、前記磁束強度は、正常な分布に戻り、前記電流密度は、正常な分布に戻る。このような情報を得ると、制御装置１６０は、正常状態に回復したと判断して、当初の正常運転状態に復帰させるように、電子負荷器１０及び前記温度調整器１３５，１３７，１５２，１５５等を制御する。

つまり、前述した第一番目の実施形態では、磁気検出器１２０を前記セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの出口付近に位置するようにモニタプレート１１６に所定の間隔で複数設けることにより、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの出口付近（前記ガス排出マニホールド１１５ｆ，１１５ｇ付近）に滞留する水を検知して復旧制御するようにしたが、本実施形態では、磁気検出器１２０を前記セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの入口付近に位置するようにモニタプレート１１６に所定の間隔で複数設けることにより、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの入口付近（前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ周辺部分）の電解質膜１１１の水分不足を検知して復旧制御するようにしたのである。

したがって、本実施形態に係る燃料電池発電システム２００よれば、前述した第一番目の実施形態に係る燃料電池発電システム１００の場合と同様に、局所的に発生する電流の流れの低下であっても、迅速に検出して、正常化への復旧を早期に実施することができる。

なお、本実施形態においては、モニタプレート１１６の酸化ガス供給マニホールド１１６ｃと燃料ガス供給マニホールド１１６ｄとを結ぶ線に最も近い辺に沿って、すなわち、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの入口付近に位置するように、磁気検出器１２０を所定の間隔で複数設けることにより、当該セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの入口付近で最も発生しやすい電解質膜１１１の水分不足を検知するようにしたが、磁気検出器１２０をモニタプレート１１６の他の場所に設けて上記不具合を検知するようにすることも可能である。しかしながら、本実施形態のように磁気検出器１２０を配設すると、上記不具合を最も効率よく検知することができるようになるので、非常に好ましい。

また、前記ｉ）〜iii）に係る各制御は、そのうちの少なくとも一つ以上を任意に選択して適宜行うことが可能であるが、正常化への回復状況を確認しながら上述した順に段階的に行うと、各制御の特徴を最も効率よく発現させることができるため非常に好ましい。なぜなら、前記ｉ）に係る制御は、応答が最もよく、即時に対応することができるため、まず初めに行うことにより、燃料電池本体２１０に生じる不具合のさらなる悪化を迅速に防ぐことができるからであり、前記ii）に係る制御（昇温制御）は、応答が比較的速いと共に、上述した不具合の解消を最も効果的に行うことができるからであり、前記iii）に係る制御（降温制御）は、応答が比較的遅く、対応に時間を要してしまうと共に、前記ｉ），ii）に係る制御だけでも十分に対応できる場合が多いからである。

［他の実施形態］
また、前述した第一番目の実施形態では、モニタプレート１１６の酸化ガス排出マニホールド１１６ｆと燃料ガス排出マニホールド１１６ｇとを結ぶ線に最も近い辺に沿って磁気検出器１２０を所定の間隔で複数設け、前述した第二番目の実施形態では、モニタプレート１１６の酸化ガス供給マニホールド１１６ｃと燃料ガス供給マニホールド１１６ｄとを結ぶ線に最も近い辺に沿って磁気検出器１２０を所定の間隔で複数設けたが、他の実施形態として、例えば、モニタプレート１１６の酸化ガス排出マニホールド１１６ｆと燃料ガス排出マニホールド１１６ｇとを結ぶ線に最も近い辺及び酸化ガス供給マニホールド１１６ｃと燃料ガス供給マニホールド１１６ｄとを結ぶ線に最も近い辺に各々沿って磁気検出器１２０を所定の間隔でそれぞれ複数設けることにより、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの前記ガス排出マニホールド１１５ｆ，１１５ｇ付近に滞留する水の検知と、セパレータ１１５の前記ガス流通路１１５ａ，１１５ｂの前記ガス供給マニホールド１１５ｃ，１１５ｄ周辺部分の電解質膜１１１の水分不足の検知とを同時に行うようにすることも可能である。

さらに、例えば、図１４に示すように、モニタプレート１１６の通電領域１１６ｉの周りを囲むように磁気検出器１２０を所定の間隔でそれぞれ複数設けることにより、スタック内の電流の流れをより詳細に把握できるようにすることも可能である。

また、前述した第一，二番目の実施形態では、磁気検出器１２０を設けたモニタプレート１１６をスタック内に配設した燃料電池本体１１０，２１０を用いたが、他の実施形態として、例えば、図１５に示すように、スタックの積層方向他方端側（酸化ガス１の流通方向下流側）のセパレータ１１５に磁気検出器１２０を前述した実施形態の場合と同様にして設けることにより、前記モニタプレート１１６を省略して構成した磁気強度検出手段を備えた燃料電池本体３１０とすることも可能である。

また、前述した第一，二番目の実施形態では、磁気検出器１２０を設けたモニタプレート１１６をスタックの積層方向他方端側（酸化ガス１の流通方向下流側）のセパレータ１１５と前記フランジとの間に配設した燃料電池本体１１０，２１０の場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、スタック長が長い場合には、図１６に示すように、磁気検出器１２０を設けたモニタプレート１１６をスタックの積層方向に沿って所定の間隔ごとに複数配設した燃料電池本体４１０とすることにより、スタック内の電流の流れを積層方向全体にわたってより確実に把握できるようにすることも可能である。

本発明に係る燃料電池発電システムは、産業上、極めて有益に利用することができる。

本発明に係る燃料電池発電システムの第一番目の実施形態の概略構成図である。 図１の燃料電池本体の一部抽出分解斜視図である。 図２の要部部分の抽出拡大図である。 図３の要部部分の抽出拡大断面図である。 正常運転時の磁束強度分布図である。 正常運転時の電流密度分布図である。 異常発生時の一例の磁束強度分布図である。 異常発生時の一例の電流密度分布図である。 異常発生時の他の例の磁束強度分布図である。 異常発生時の他の例の電流密度分布図である。 本発明に係る燃料電池発電システムの第二番目の実施形態の概略構成図である。 図１１の燃料電池本体の一部抽出分解斜視図異常発生時の他の例の電流密度分布図である。 図１２の要部部分の抽出拡大図である。 本発明に係る燃料電池発電システムの他の実施形態の燃料電池本体の要部の抽出拡大図である。 本発明に係る燃料電池発電システムの他の実施形態の燃料電池本体の一部抽出分解斜視図である。 本発明に係る燃料電池発電システムの他の実施形態の燃料電池本体の一部抽出分解斜視図である。

符号の説明

１ 酸化ガス
２ 燃料ガス
３ 温調水
４ 加湿水
１０電子負荷器
１００，２００ 燃料電池発電システム
１１０，２１０，３１０，４１０ 燃料電池本体
１１１ 電解質膜
１１２ 触媒層
１１３ ガス拡散層
１１４ シール材
１１５ セパレータ
１１５ａ 酸化ガス流通路
１１５ｂ 燃料ガス流通路
１１５ｃ 酸化ガス供給マニホールド
１１５ｄ 燃料ガス供給マニホールド
１１５ｅ 温調水供給マニホールド
１１５ｆ 酸化ガス排出マニホールド
１１５ｇ 燃料ガス排出マニホールド
１１５ｈ 温調水排出マニホールド
１１６ モニタプレート
１１６ｃ 酸化ガス供給マニホールド
１１６ｄ 燃料ガス供給マニホールド
１１６ｅ 温調水供給マニホールド
１１６ｆ 酸化ガス排出マニホールド
１１６ｇ 燃料ガス排出マニホールド
１１６ｈ 温調水排出マニホールド
１１６ｉ 通電領域
１２０ 磁気検出器
１２１ 検出器本体
１２２ 制御電源
１２３ 電圧計
１３１ 酸化ガス供給源
１３２ 開閉弁
１３３ 流量調整弁
１３４ 加湿器
１３５ 温度調整器
１３６ 配管
１３７ 温度調整器
１４１ 燃料ガス供給源
１４２ 開閉弁
１４３ 流量調整弁
１４４ 加湿器
１４５ 温度調整器
１４６ 配管
１４７ 温度調整器
１５１ タンク
１５２ 温度調整器
１５３ 配管
１５４ 送給ポンプ
１５５ 温度調整器
１６０ 制御装置

Claims (14)

1. 電解質膜を一対の触媒層で挟んで構成されるセルとセパレータとを交互に複数積層したスタックを備えて電子負荷器に電力を供給する燃料電池本体と、
   酸素を含有する酸化ガスを前記燃料電池本体に供給する酸化ガス供給手段と、
   水素を含有する燃料ガスを前記燃料電池本体に供給する燃料ガス供給手段と、
   温度を調整する温調水を前記燃料電池本体に供給する温調水供給手段と、
   前記燃料電池本体に供給する前記酸化ガスを加湿する酸化ガス加湿手段と、
   前記燃料電池本体に供給する前記燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿手段と、
   前記燃料電池本体に供給する前記温調水の温度を調整する温調水温調手段と
   を備えてなる燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体の前記スタック内に配設されて、当該スタック内の磁束強度を検出する磁束強度検出手段と、
   前記磁束強度検出手段からの情報に基づいて、前記燃料電池本体の前記スタック内の磁束強度分布を求め、この磁束強度分布から、当該スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域の電流密度分布を求め、この電流密度分布に基づいて、前記酸化ガス加湿手段、前記燃料ガス加湿手段、前記温調水温調手段、前記電子負荷器のうちの少なくとも一つを制御する制御手段と
   を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 請求項１において、
   前記磁気強度検出手段が、磁束の大きさを水平成分と垂直成分とに分けてそれぞれ検出できるものであり、
   前記制御手段が、前記磁気強度検出手段からの情報に基づいて、前記燃料電池本体の前記スタック内の水平方向及び垂直方向のそれぞれの磁束強度分布を求め、これらの磁束強度分布から、当該スタック内を流れる電流の流れ方向と直交する平面領域の電流密度分布を求めるものである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記磁気強度検出手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータの前記ガスの流通路の入口及び出口の少なくとも一方の付近に位置するように当該セパレータに複数配設された磁気検出器を備えるものである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
   前記磁気強度検出手段が、前記スタック内の前記ガスの流通方向下流側に位置している
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
5. 請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
   前記磁気強度検出手段が、前記スタックの積層方向に沿って所定の間隔ごとに複数配設されている
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
   前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を上昇させるように前記温調水温調手段を制御するものである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
   前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記酸化ガスの加湿量を低下させるように前記酸化ガス加湿手段を制御するものである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
8. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
   前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を上昇させるように前記温調水温調手段を制御するものである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
9. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
   前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の出口付近の電流密度が低下しているときに、前記燃料ガスの加湿量を低下させるように前記燃料ガス加湿手段を制御するものである
   ことを特徴とする燃料電池発電システム。
10. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
    前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記酸化ガスの加湿量を上昇させるように前記酸化ガス加湿手段を制御するものである
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
11. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
    前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記酸化ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を低下させるように前記温調水温調手段を制御するものである
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
12. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
    前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記燃料ガスの加湿量を上昇させるように前記燃料ガス加湿手段を制御するものである
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
13. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
    前記制御手段が、前記燃料電池本体の前記セパレータに形成された前記燃料ガスの流通路の入口付近の電流密度が低下しているときに、前記温調水の温度を低下させるように前記温調水温調手段を制御するものである
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
14. 請求項１から請求項５のいずれかにおいて、
    前記制御手段が、前記電子負荷器の電流負荷を減少させるように当該電子負荷器を制御するものである
    ことを特徴とする燃料電池発電システム。
    

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