JP2007048503A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の劣化を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムを停止させる場合に、単位セル１０の燃料極２２内の水素濃度ｄｈが所定濃度ｄ１よりも低くなった場合には、電流制御手段５によって燃料電池１から取り出す電流値を限界電流値とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものであり、特に燃料電池システムの停止時の制御に関するものである。

燃料電池システムを停止する場合に、燃料電池が高電圧の状態で保持されると、単位セルの電解質膜や触媒層などが劣化するといった問題点がある。

従来、燃料電池システムを停止する場合に、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を停止した後に燃料電池が無負荷状態、つまり燃料電池が高電圧に保持される状態を防止するために、燃料電池から電流を取り出し、燃料電池の残った水素を消費して燃料電池の電圧を迅速に低下させるものが特許文献１に開示されている。

また、燃料電池から電流を取り出す場合に、各単位セルにおいて燃料ガス、または酸化剤ガスの流量にバラツキが生じる。特に燃料ガスの流量にバラツキが生じた状態で燃料電池から電流を取り出すと、燃料ガスが不足した単位セルにおいて単位セルの電圧がゼロよりも小さくなる転極が生じ、触媒層の劣化が激しくなるといった問題があるが、特許文献１において、単位セルの電圧の１つがゼロよりも小さい場合には、燃料電池から電流の取り出しを停止して、転極を防止するものが開示されている。
特開２００４−１３９９５０号公報

しかし、単位セルの電圧は燃料極と酸化剤極との分極の影響を受けるために、単位セルの電圧を検出して、転極の判定を行う場合には、上記の発明においては正確に転極の判定を行うことができない、つまり実際には燃料ガスが不足した単位セルが無い場合、言い換えると実際には燃料ガス不足に起因する転極が生じていない場合でも燃料電池からの電流の取り出しを停止するので、実際には転極が生じていない場合に燃料電池に残った水素を消費することができず、電圧を十分に下げられないために燃料電池が劣化する、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池システムの停止時に、単位セルの水素不足に起因する転極を防止し、さらに燃料電池に残存する水素を正確に消費させ、燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。

本発明では、電解質膜と、電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、燃料極または酸化剤極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散させるガス流路を有し、燃料極と酸化剤極の外側に設けたセパレータと、から構成する単位セルを積層したスタックを有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池と電気的に並列に接続して燃料電池の発電反応により生じる電力を消費し、かつ燃料電池から取り出す電流値を制御する電流制御手段と、複数の燃料極の水素濃度を検出する複数の水素濃度検出手段と、を備える。そして、燃料電池システムを停止する際に、燃料ガス供給手段から燃料極への燃料ガスの供給を停止し、水素濃度検出手段によって検出した水素濃度のうちいずれか一つの水素濃度が所定濃度よりも低い場合に、電流制御手段によって燃料電池から取り出す電流値を単位セルで水素不足に起因する転極が生じない限界電流値に制御する。

本発明によると、燃料電池システムを停止する際に燃料極の水素濃度の一つが所定濃度よりも低くなると、単位セルにおいて水素不足に起因する転極が生じない限界電流値とすることで、単位セルの転極を防止し、さらに燃料電池の残存する水素を確実に消費することができ、電圧を十分に下げることができるので燃料電池の劣化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムの構成を図１を用いて説明する。

燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１によって発電した電力を消費する外部負荷２と、燃料電池１に反応ガスとして水素（燃料ガス）を供給する水素ボンベ（燃料ガス供給手段）３と、燃料電池１に反応ガスとして空気（酸化剤ガス）を供給するコンプレッサ４と、燃料電池システムの停止時に燃料電池１から取り出す電流を制御する電流制御手段５と、燃料電池１の燃料極２２と水素ボンベ３または外部との連通を遮断する遮断弁１５ａ、１５ｂと、を備える。また、後述する水素排出マニホールド１４に配設する水素濃度センサ（水素濃度検出手段）６と、燃料電池１の電圧を検出する電圧センサ９と、を備える。また、燃料電池１から排出される水素を燃焼させる水素燃焼器（図示せず）を燃料電池１よりも下流に設ける。

燃料電池１は、単位セル１０を積層して構成するスタック１１と、スタック１１の両端に設けられ、スタック１１によって発電した電力を集める集電板１２と、を備える。燃料電池１は、水素ボンベ３から水素供給流路５０を介して後述する単位セル１０の水素流路２６に水素を導入する水素導入マニホールド１３と、単位セル１０の発電反応で使用されなかった排出水素を水素排出流路５１を介して燃料電池システムの外部へと排出する水素排出マニホールド１４と、を備える。また、コンプレッサ４から空気供給路５２を介して後述する単位セル１０の空気流路２４に空気を導入する空気導入マニホールド（図示せず）と、単位セル１０の発電反応で使用されなかった排出空気を空気排出流路５３を介して燃料電池１の外部へと排出する空気排出マニホールド（図示せず）と、を備える。なお、図１においては説明のため後述する水素流路２６を記載する。

ここで、単位セル１０について図２を用いて説明する。単位セル１０はプロトン伝導性を有する電解質膜２０を、一対の電極である酸化剤極２１と燃料極２２とにより狭持して構成する。

酸化剤極２１は、カーボン繊維等の多孔質体であるガス拡散層２１ｂとＰｔ等の触媒を担持したカーボン担体である触媒層２１ａとによって構成する。同様に、燃料極２２は、ガス拡散層２２ａと触媒層２２ｂとによって構成する。

また、単位セル１０は、酸化剤極２１の外側にセパレータ２３を備え、セパレータ２３には、空気が流通する空気流路２４を設ける。また、燃料極２２の外側にセパレータ２５を備え、セパレータ２５には、水素が流通する水素流路２６を設ける。

単位セル１０において、水素導入マニホールド１３と水素排出マニホールド１４とは単位セル１０の同一の端部側に設けられ、水素導入マニホールド１３と水素排出マニホールド１４とは隣り合って配設される。また、水素流路２６は、水素導入マニホールド１３と水素排出マニホールド１４と連結し、例えば略Ｕ字形状の流路である。

外部負荷２は、スイッチ７を介して燃料電池１と電気的に接続し、燃料電池１の通常の運転時に燃料電池１によって発電した電力を消費する例えばモータなどである。外部負荷２と燃料電池１との電気的な接続状態はスイッチ７によって選択的に切り換えられる。

電流制御手段５は、スイッチ８を介して燃料電池１と電気的に接続し、燃料電池システムの停止時に燃料電池１の内部に残った水素を消費させるための例えば可変抵抗である。これにより、燃料電池システムの停止時に燃料電池１から取り出す電流値を変更することができる。また、電流制御手段５を例えばバッテリなどの二次電池としても良い。電流制御手段５と燃料電池１との電気的な接続状態はスイッチ８によって選択的に切り換えられる。

水素濃度センサ６は、水素排出マニホールド１４内の水素を含んだガス中の水素濃度を検出し、各単位セル１０の発電状態を検出する。

ここで、水素濃度センサ６について図３を用いて詳しく説明する。図３は単位セル１０において水素導入マニホールド１３と水素排出マニホールド１４とを含む断面図の一部を拡大した概略図である。

水素濃度センサ６は、水素供給流路５０と水素導入マニホールド１３との間に設けた水素濃度センサ６ａと、水素導入マニホールド１３と水素排出マニホールド１４との間に設けた水素濃度センサ６ｂと、によって構成する。

水素濃度センサ６ａは、水素供給流路５０と水素導入マニホールド１３とを連結する連結部３１を備え、連結部３１内に、水素供給流路５０内のガスと接する電極（第１電極）３２ａと、水素導入マニホールド１３内のガスと接する電極（第２電極）３２ｂと、電極３２ａと電極３２ｂとの間に設けた電解質膜３３と、を備える。また、電極３２ａと電極３２ｂとの電位差を検出する電圧センサ（電位差検出手段）３４を備える。また、連結部３１の内壁には、連結部３１によって電極３２ａと電極３２ｂとが短絡しないように絶縁体３５を配設する。

水素濃度センサ６ａは、水素供給流路５０内のガスと水素導入マニホールド１３内のガスとの濃度差による電極３２ａと電極３２ｂとの電位差、つまり水素供給流路５０内のガスを構成する成分と水素導入マニホールド１３内のガスを構成する成分とによる電極３２ａと電極３２ｂとの電位差を電圧センサ３４によって検出することで、水素導入マニホールド１３内のガス中の水素濃度を検出することができる。この実施形態では、水素供給流路５０内の電極３２ａの雰囲気を水素とし、電極３２ａを標準水素電極とすることで、水素導入マニホールド１３内のガス中の水素濃度を電極３２ａと電極３２ｂとの電位差から検出することができる。なお、この実施形態では電極３２ａを設けた箇所よりも下流側の水素供給流路５０に遮断弁１５ａを設ける。

水素濃度センサ６ｂは、水素導入マニホールド１３と水素排出マニホールド１４とを連結する連結部３６を備え、連結部３６内に、水素導入マニホールド１３内のガスと接する電極（第１電極）３７ａと、水素排出マニホールド１４内のガスと接する電極（第２電極）３７ｂと、電極３７ａと電極３７ｂとの間に設けた電解質膜３８と、を備える。また、電極３７ａと電極３７ｂとの電位差を検出する電圧センサ（電位差検出手段）３９を備える。また、連結部３６の内壁には、連結部３６によって電極３７ａと電極３７ｂとが短絡しないように絶縁体４０を配設する。

水素濃度センサ６ｂは、水素濃度センサ６ａと同様に、電極３７ａと電極３７ｂとの電位差を電圧センサ３９によって検出することで、水素排出マニホールド１４内のガス中の水素濃度を検出する。水素濃度センサ６ｂでは、水素導入マニホールド１３内の水素濃度を基準とする。つまり、水素濃度センサ６ａによって検出する水素導入マニホールド１３内のガス中の水素濃度を検出し、その水素濃度を基準として水素排出マニホールド１４内のガス中の水素濃度を検出する。すなわち水素排出マニホールド１４内のガス中の水素濃度を標準水素電極とする電極３２ａを基準とする電位差から検出する。

なお、水素濃度センサ６は、これに限られることはなく、その他の構成による水素濃度センサを用いてもよい。

また、燃料電池システムの停止時に停止制御を行うコントローラ６０を備える。コントローラ６０は、燃料電池システムを停止する際に水素濃度センサ６によって検出した水素濃度と、電圧センサ９によって検出した燃料電池１の電圧（発電状態）と、に基づいて電流制御手段２、コンプレッサ４、スイッチ７、８、遮断弁１５ａ、１５ｂを制御する。

次にこの実施形態のコントローラ６０によって行われる燃料電池システムの停止制御について図４のフローチャートを用いて説明する。

コントローラ６０が燃料電池システムの停止命令を受けると、ステップＳ１００では、水素ボンベ３から燃料極２２への水素の供給を停止する。また、遮断弁１５ａを閉じる。遮断弁１５ａを閉じることで、電極３１ａを水素雰囲気に保持する。

ステップＳ１０１では、スイッチ７をＯＦＦとして燃料電池１と外部負荷２との電気的な接続を切断し、スイッチ８をＯＮとして燃料電池１と電流制御手段５とを電気的に接続する。このステップでは、燃料電池１から取り出す電流を徐々に増加させることが望ましい。電流制御手段５によって燃料電池１の内部に残存する水素を消費する。

ステップＳ１０２では、水素濃度センサ６によって水素排出マニホールド１４内のガス中の水素濃度をそれぞれ検出し、検出した水素濃度に基づいて各単位セル１０から排出されるガス中の水素濃度ｄｈをそれぞれ算出する。流入する水素量のばらつきにより水素量が少なくなった単位セル１０においては酸化剤極２１などから空気が混入するために下流の水素濃度センサ６では水素濃度が低くなる。

ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２において検出した水素濃度ｄｈと所定濃度ｄ１とを比較し、水素濃度ｄｈの中で所定濃度ｄ１以下となる水素濃度ｄｈがある場合にはステップＳ１０４へ進み、水素濃度ｄｈの中で所定濃度ｄ１以下となる水素濃度ｄｈが無い場合にはステップＳ１０５へ進む。所定濃度ｄ１は、予め設定された水素濃度であり、ある単位セル１０の燃料極２２において水素不足となり転極が生じることを防ぐ水素濃度であり、例えば１％である。

ステップＳ１０４では、単位セル１０の中で、水素濃度ｄｈが所定濃度ｄ１よりも低い単位セル１０があるので、電流制御手段５によって燃料電池１から取り出す電流値を予め設定した限界電流値まで低下させる。限界電流値は、各単位セル１０において水素濃度ｄｈが所定濃度ｄ１よりも低くなった場合に、水素不足による転極が生じるよりも前にガスの拡散などにより各単位セル１０の燃料極２２で水素濃度が均一なる電流値である。

ステップＳ１００において水素ボンベ３から燃料極２２への新たな水素供給を停止したので、燃料電池１の電圧は徐々に小さくなる。ステップＳ１０５では、燃料電池１の電圧Ｖを電圧センサ９によって検出し、電圧Ｖが所定電圧Ｖ１よりも低い場合には本制御を終了し、電圧Ｖが所定電圧Ｖ１よりも高い場合には、ステップＳ１０２へ戻り、上記制御を繰り返す。所定電圧Ｖ１は、燃料極２２内の残存する水素量が十分に少なくなった場合の燃料電池１の電圧である。

なお、ステップＳ１０４の制御を行った後、つまり燃料電池１から取り出す電流値を限界電流値と設定した後に再びステップＳ１０３の判定を行った場合に、水素濃度ｄｈの中で所定濃度ｄ１以下となる水素濃度ｄｈが無い場合には、電流制御手段１５によって燃料電池１から取り出す電流値を再び大きくしても良い。

以上の制御により、燃料電池システムを停止する際に各単位セル１０の燃料極２２から排出される排出水素中の水素濃度ｄｈを算出し、電流制御手段５によって燃料電池１から取り出す電流値を限界電流値を超えない値に制御する。これによって、各単位セル１０において燃料極２２の水素不足による転極を防止し、燃料電池１内の残存する水素を少なくすることができ、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

なお、この実施形態では水素濃度センサ６を各単位セル１０に設けたが、予め実験などによって単位セル１０における水素の分配のばらつきを検出しておき、燃料極２２で水素が不足し易い単位セル１０にのみ水素濃度センサ６を設けても良い。特にスタック１１の端部となる単位セル１０に水素濃度センサ６を設けることが望ましい。これによって、水素濃度センサ６の個数を削減でき、コストを削減することができる。また、燃料電池システムを小型にすることができる。

また、この実施形態では電極３７ｂを水素排出マニホールド１４に設けたが、これに限られることはなく、燃料極２２において発電反応を起こす反応面、または反応面よりも下流側の単位セル１０内に設けても良い。また、水素供給流路５０と水素排出マニホールド１４との間に１つの水素濃度センサを設けても良い。

なお、ステップＳ１００において遮断弁１５ａ、１５ｂを閉じて、燃料極２２と外部との連通状態を完全に遮断する場合には、ガスの拡散性が低い水素流路２６の略中間点となる箇所に設けることが望ましく、単位セル１０の水素濃度が低くなる箇所の水素濃度を検出することで、単位セル１０における水素不足に起因する転極を防止し、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

また、図５に示すように燃料極２２から排出する水素を含んだガスを再び燃料極２２に環流させる循環コンプレッサ（水素循環手段）５５を設けても良い。循環コンプレッサ５５によって燃料極２２にガスを環流させることで、各単位セル１０の燃料極２２でのガス拡散性を良くすることができ、燃料極２２での水素濃度をより均一にすることができる。そのため、単位セル１０の水素不足に起因する転極をより防ぐことができ、さらに燃料電池システムの停止制御を素早く行うことができる。なお、この場合にはステップＳ１００において遮断弁１５ｂを閉じる。

本発明の実施形態の効果について説明する。

燃料電池システムの停止時に、燃料電池１の燃料極２２に残存する水素を電流制御手段５によって消費させる場合に、燃料極２２の水素濃度を算出し、水素濃度が所定濃度よりも低くなると、電流制御手段５によって燃料電池１から取り出す電流値を単位セル１０で水素不足に起因する転極が生じない限界電流値となるように制御する。これによって、単位セル１０における転極の発生を防止し、また燃料電池１の内部に残存する水素を少なくすることができ、電圧を十分に下げることができるので単位セル１０の劣化を抑制することができる。

水素濃度センサ６を、水素雰囲気となる電極３２ａと水素供給マニホールド１３内に設けた電極３２ｂとの電位差から水素供給マニホールド１３内の水素濃度を算出する水素濃度センサ６ａと、水素供給マニホールド１３内に設けた電極３７ａと水素排出マニホールド１４内に設けた電極３７ｂとの電位差から水素排出マニホールド１４内の水素濃度を算出する水素濃度センサ６ｂとから構成する。つまり、水素排出マニホールド１４内の水素濃度を標準水素電極とする電極３２ａを基準として算出するので、水素排出マニホールド１４内の水素濃度を簡易な構成で検出することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池システムを搭載した燃料電池車両に利用することができる。

本発明の実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。 本発明の実施形態の単位セルの概略構成図である。 本発明の実施形態の単位セルの一部を拡大した概略図である。 本発明の燃料電池システムの運転停止制御を示すフローチャートである。 本発明の実施形態の燃料電池システムの変更例を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池
３ 水素ボンベ（燃料ガス供給手段）
４ コンプレッサ
５ 電流制御手段
６、６ａ、６ｂ 水素濃度センサ（水素濃度検出手段）
９ 電圧センサ
１０ 単位セル
１１ スタック
１２ 集電板
１３ 水素供給マニホールド
１４ 水素排出マニホールド
１５ａ、１５ｂ 遮断弁
２０ 電解質膜
２１ 酸化剤極
２２ 燃料極
２３、２５ セパレータ
２４ 酸化剤ガス流路（ガス流路）
２６ 水素流路（ガス流路）
３２ａ、３７ａ 電極（第１電極）
３２ｂ、３７ｂ 電極（第２電極）
３４、３９ 電圧センサ（電位差検出手段）
５５ 循環コンプレッサ（水素循環手段）
６０ コントローラ

Claims (7)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜を挟持する燃料極と酸化剤極と、
   前記燃料極または前記酸化剤極に燃料ガスまたは酸化剤ガスを拡散させるガス流路を有し、前記燃料極と前記酸化剤極の外側に設けたセパレータと、から構成する単位セルを積層したスタックを有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池と電気的に並列に接続して前記燃料電池の発電反応により生じる電力を消費し、かつ前記燃料電池から取り出す電流値を制御する電流制御手段と、
   複数の前記燃料極の水素濃度を検出する複数の水素濃度検出手段と、を備え、
   燃料電池システムを停止する際に、前記燃料ガス供給手段から前記燃料極への前記燃料ガスの供給を停止し、前記水素濃度検出手段によって検出した前記水素濃度のうちいずれか一つの前記水素濃度が所定濃度よりも低い場合に、前記電流制御手段によって前記燃料電池から取り出す電流値を前記単位セルで水素不足に起因する転極が生じない限界電流値に制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水素濃度検出手段を前記スタックの両端に位置する前記単位セルに設け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. 前記水素濃度検出手段を前記燃料極で発電反応が生じる反応面または前記反応面よりも下流域に設け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。
4. 前記水素濃度検出手段を、前記燃料極に前記燃料ガスを供給する前記ガス流路の略中間点に設け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. 前記燃料電池システムを停止する際に前記燃料極から排出される排出燃料ガスを前記燃料極に環流させる水素循環手段を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
6. 前記水素濃度検出手段は、
   基準となるガス中に設けた第１電極と前記水素濃度を検出する検出ガス中に設けた第２電極との電気化学的な電位差を検出する電位差検出手段を備え、
   前記電位差に基づいて水素濃度を検出することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料ガス供給手段と前記燃料極との間に遮断弁を備え、
   前記燃料電池システムを停止する際に、前記遮断弁を閉じて前記第１電極を水素雰囲気に保持することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。