JP2007048598A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガスセパレータのドライアウト状態を高精度に検知する。
【解決手段】ガス流路３側から加湿水流路５側への反応ガスのガス漏れを検知するために、加湿水流路５から排出された加湿水中の気泡を検知する複数の気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃを備える。これにより、ポーラスプレート４のドライアウト状態を高精度に検知し、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポーラス型のガスセパレータを有する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素に伴う地球温暖化に対する対策の一つとして、クリーンな排気及び高エネルギー効率運転を可能にする燃料電池が注目されている（特許文献１を参照）。中でも、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易である上に高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用の駆動動力源としての用途が期待されている。

ところで、一般に、燃料電池に乾燥した反応ガスを供給した場合、燃料電池のガス入口付近では、相対湿度が低くなり、電解質膜が乾燥傾向になるのに対して、ガス出口付近では、電気化学反応に伴い生成された水によって相対湿度が高くなり、電解質膜は湿潤状態になる。そして、燃料電池内部の相対湿度が１００［％］に達した場合には、生成水が過剰になるために、生成水が反応ガス流路やガス拡散層を閉塞するフラッディング現象が生じる。

このような背景から、近年、ポーラス型のガスセパレータを設け、ガス入口付近の乾燥した反応ガスをガスセパレータ内部に蓄えられた加湿水によって加湿すると共に、ガス出口付近の生成水をガスセパレータ内部に吸収することによってフラッディング現象の発生を防止する燃料電池が提案されている。
特開平８−１０６９１４号公報

しかしながら、燃料電池にポーラス型のガスセパレータを設けた場合には、ガスセパレータが乾燥した際、反応ガスがガスセパレータを透過して加湿水流路側に漏れるドライアウト状態が発生することがある。そしてこのドライアウト状態が発生した場合には、反応ガスの利用効率が低下するばかりでなく、反応ガスが加湿されずに供給されることによって電解質膜が乾燥し、電解質膜が劣化する可能性がある。このような背景から、ドライアウト状態を速やかに改善するためにドライアウト状態を高精度に検知可能な燃料電池システムの提供が急務になっている。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ポーラス型のガスセパレータのドライアウト状態を高精度で検知することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、加湿水流路から排出された加湿水が流れる加湿水排出流路にガス流路側から加湿水流路側への反応ガスのガス漏れを検知する検知手段を複数備える。

本発明に係る燃料電池システムによれば、ポーラス型のガスセパレータのドライアウト状態を高精度で検知することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池の構成及びその動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、車両の駆動動力源として使用され、図１に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１備える。なお、燃料電池は、燃料極と酸化剤極により挟持された電解質膜を備え、この実施形態では、電解質膜は、高エネルギー密度化，低コスト化，及び軽量化を考慮して、固体高分子電解質膜により形成されている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン（プロトン）伝導性を有する高分子膜から成るものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔燃料極〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔酸化剤極〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１は、ガスマニホールド２から供給された反応ガスを各燃料電池に供給するガス流路３と、ポーラス型のガスセパレータ（以下、ポーラスプレートと表記）４に加湿水を供給することによりガス流路３中の反応ガスを加湿する加湿水流路５とを備える。また、この燃料電池システムは、加湿水を貯留する加湿水タンク７と、加湿水供給流路６を介して加湿水タンク７内の加湿水を加湿水流路５に供給する加湿水循環ポンプ８と、加湿水流路５から排出された加湿水を加湿水タンク７に戻す加湿水排出流路９と、加湿水流路５に供給される加湿水の流量を制御する加湿水流量調整バルブ１０を備える。

また、加湿水排出流路９には、加湿水流路５から排出された加湿水中の気泡を検知する気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃと、加湿水流路５中の加湿水の圧力を調整するための圧力調整弁１２が設けられている。また、ガスマニホールド２には、加湿水供給流路６中の加湿水を噴霧することにより反応ガスを加湿する加湿水噴霧バルブ１３が設けられている。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ１４が以下に示すドライアウト制御処理を実行することにより、ポーラスプレート４のドライアウト状態が発生した際、ドライアウト状態を速やかに改善する。以下、図２，図６に示すフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態となるドライアウト制御処理を実行する際のコントローラ１４の動作について説明する。

［ドライアウト制御処理］

始めに、図２に示すフローチャートを参照して、本発明の第１の実施形態となるドライアウト制御処理を実行する際のコントローラ１４の動作について説明する。

図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、ドライアウト制御処理はステップＳ１の処理に進む。なお、このドライアウト制御処理は、燃料電池システムが起動された後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ１の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知したか否かを判別することにより、ポーラスプレート４がドライアウト状態になることによりガス流路３側から加湿水流路５側への反応ガスのガス漏れが発生しているか否かを判別する。

より具体的には、一般に、ガス漏れが発生していない場合、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃは加湿水循環ポンプ８が噛み込んだエアを検知する程度で気泡を検知する回数は少ないために、図３（ａ）に示すように気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知することはない。

これに対して、ガス漏れが発生している場合には、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが気泡を検知する回数が増加するために、図３（ｂ）の時刻Ｔ＝Ｔ０に示すように気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知するようになる。従って、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知したか否かを判別することによりガス漏れが発生しているか否かを判別することができる。

そして、判別の結果、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知していない場合、コントローラ１４は、ガス漏れが発生していないと判断し、ステップＳ２の処理として燃料電池スタック１の運転状態を現在の状態のまま継続する設定を行った後、一連のドライアウト制御処理を終了する。

一方、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知した場合には、コントローラ１４は、ポーラスプレート４がドライアウト状態になることによりガス流路３側から加湿水流路５側へのガス漏れが発生していると判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ３の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、コントローラ１４が、電解質膜の劣化を抑制するために燃料電池スタック１の出力を制限する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、コントローラ１４が、加湿水流量調整バルブ１０及び加湿水噴霧バルブ１３をそれぞれ閉状態及び開状態に制御することにより、ガスマニホールド２中の反応ガスに加湿水を噴霧する。また、反応ガスの圧力は通常加湿水の圧力よりも高い状態にあるので、コントローラ１４は加湿水循環ポンプ８の出力を増加させることにより加湿水の圧力を増加させる。

なお、この時、加湿水流量調整バルブ１０は閉状態となっており、加湿水流路５には加湿水は供給されないので、ガスマニホールド２中の反応ガスに噴霧された加湿水は、図４に示すように、ポーラスプレート４のドライアウト領域Ａを介してガス流路３側から加湿水流路５側に回収される。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ５の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、コントローラ１４が、ステップＳ４のシステム状態を保持したまま一定時間待機する。なお、一定時間待機している間、燃料電池スタック１の負荷状態は出力制限を行う最大負荷状態以下であればどのような負荷状態であっても構わない。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、コントローラ１４が、加湿水流量調整バルブ１０及び加湿水噴霧バルブ１３をそれぞれ開状態及び閉状態に制御することにより、ガスマニホールド２中の反応ガスへの加湿水の噴霧を停止する。また、コントローラ１４は加湿水循環ポンプ８の出力を元通りにする。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ７の処理に進む。

ステップＳ７の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知したか否かを判別することによりガス漏れがいぜんとして発生しているか否かを判別する。そして、判別の結果、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知した場合、コントローラ１４は、ポーラスプレート４がいぜんとしてガス漏れが発生していると判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ４の処理に戻す。一方、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知していない場合には、コントローラ１４は、ガス漏れがおさまったと判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ８の処理に進める。

ステップＳ８の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃを利用して加湿水流路５から排出された加湿水中の気泡を所定時間検知する。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ９の処理では、コントローラ１４が、ステップＳ８の処理結果に基づいて加湿水流路５から排出された加湿水中に所定時間の間気泡が検知されなかったか否かを判別する。そして、判別の結果、所定時間の間に気泡が検知された場合、コントローラ１４は、ドライアウト状態は改善されていないと判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ４の処理に戻す。一方、所定時間の間気泡が検知されなかった場合には、コントローラ１４は、ドライアウト状態は改善されたと判断し、ステップＳ１０の処理として燃料電池スタック１の出力制限を解除した後、一連のドライアウト制御処理を終了する。

一般に、燃料電池に乾燥した反応ガスを供給した場合、図５に示すように、燃料電池のガス入口付近では、相対湿度が低くなり、電解質膜が乾燥傾向になるのに対して、ガス出口付近では、電気化学反応に伴い生成された水によって相対湿度が高くなり、電解質膜は湿潤状態になる。そして、燃料電池内部の相対湿度が１００［％］に達した場合には、生成水が過剰になるために、生成水が反応ガス流路やガス拡散層を閉塞するフラッディング現象が生じる。

このような背景から、近年、ポーラスプレートを設け、ガス入口付近の乾燥した反応ガスをポーラスプレート内部に蓄えられた加湿水によって加湿すると共に、ガス出口付近の生成水をポーラスプレート内部に吸収することによってフラッディング現象の発生を防止する燃料電池が提案されている。

しかしながら、燃料電池にポーラスプレートを設けた場合には、ポーラスプレートが乾燥した際、反応ガスがポーラスプレートを透過して加湿水流路側に漏れるドライアウト状態が発生することがある。そしてこのドライアウト状態が発生した場合には、反応ガスの利用効率が低下するばかりでなく、反応ガスが加湿されずに供給されることによって電解質膜が乾燥し、電解質膜が劣化する可能性がある。

これに対して、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、上述の通り、ガス流路３側から加湿水流路５側への反応ガスのガス漏れを検知するために、加湿水流路５から排出された加湿水中の気泡を検知する複数の気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃを備えるので、ポーラスプレート４のドライアウト状態を高精度に検知し、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃは加湿水排出流路９に沿って直列に配設されているので、１つの気泡検知センサの信頼性に頼ることなく確実にドライアウト状態を検知することができる。また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１４は気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定するので、ポーラスプレート４からのガス漏れのみを確実に検知することができる。

次に、図６に示すフローチャートを参照して、本発明の第２の実施形態となるドライアウト制御処理を実行する際のコントローラ１４の動作について説明する。

図６に示すフローチャートは、気泡検知センサ１１ａが気泡を検知するのに応じて開始となり、ドライアウト制御処理はステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａが気泡を検知してからの経過時間Ｔの計測を開始する。これにより、ステップＳ１１の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ１２の処理に進む。

ステップＳ１２の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃの全てが同時に気泡を検知している時間Ｔａ１の計測を開始する。これにより、ステップＳ１２の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１３の処理では、コントローラ１４が、ステップＳ１１の処理により計測された経過時間Ｔが時間Ｔ１以上になる前にステップＳ２の処理により計測された時間Ｔａ１が所定時間Ｔｎ以上になったか否かを判別する。そして、判別の結果、経過時間Ｔが時間Ｔ１以上になる前に時間Ｔａ１が所定時間Ｔｎ以上になっていない場合、コントローラ１４は、ガス漏れは発生していないと判断し、ステップＳ１４の処理として、時間Ｔ，Ｔａ１の計測を終了し、燃料電池スタック１の運転状態を現在の状態のまま継続する設定を行った後、一連のドライアウト制御処理を終了する。一方、経過時間Ｔが時間Ｔ１以上になる前に時間Ｔａ１が所定時間Ｔｎ以上になった場合には、コントローラ１４は、ガス漏れが発生していると判断し、ステップＳ１６，１７の処理として燃料電池スタック１の出力を制限し、図２に示す処理のようなガス漏れ回避運転に移行した後、一連のドライアウト制御処理を終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１４は、気泡検知センサ１１ａが気泡を検知してから時間Ｔ１以内に気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが時間Ｔａ１以上気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定するので、ポーラスプレート４からのガス漏れのみを確実に検知することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態となるドライアウト制御処理の流れを示すフローチャート図である。 複数の気泡検知センサを用いたガス漏れ検知処理を説明するための図である。 ガス漏れを検知した際の加湿水の流れを説明するためのブロック図である。 乾燥した反応ガスを供給した際の燃料電池内部の相対湿度を示す図である。 本発明の第２の実施形態となるドライアウト制御処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
２：ガスマニホールド
３：ガス流路
４：ポーラスプレート
５：加湿水流路
６：加湿水供給流路
７：加湿水タンク
８：加湿水循環ポンプ
９：加湿水排出流路
１０：加湿水流量調整バルブ
１１ａ〜１１ｃ：気泡検知センサ
１２：圧力調整弁
１３：加湿水噴霧バルブ
１４：コントローラ

Claims (5)

1. 加湿水流路を流れる加湿水によって燃料電池に反応ガスを供給するガス流路中の反応ガスを加湿するポーラス型のガスセパレータを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記加湿水流路から排出された加湿水が流れる加湿水排出流路にガス流路側から前記加湿水流路側への反応ガスのガス漏れを検知する検知手段を複数備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記複数の検知手段は加湿水排出流路に沿って直列に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記複数の検知手段は加湿水中の気泡を検知することによりガス漏れを検知することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記複数の検知手段が気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記複数の検知手段のうちの少なくとも一つの検知手段が気泡を検知してから所定時間内に複数の検知手段が所定時間以上気泡を同時に検知した場合にガス漏れが発生したと判定する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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