JP2007048609A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易かつ小型でありながら燃料電池の運転を適切に制御することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 圧力損失が設定範囲内に収まる標準セル２ａと、セル電圧の検出対象となるセルであって圧力損失が標準セル１２ａよりも大きな第１検出セル２ｂと、セル電圧の検出対象となるセルであって圧力損失が標準セル１２ａよりも小さな第２検出セル２ｃとからセル２を構成する（図１参照）。セルモニタ３０は、第１検出セル２ｂと第２検出セル２ｃのセル電圧を検出し、検出結果を制御部４０に供給する。制御部４０は、セルモニタ３０から供給される第１検出セル２ｂと第２検出セル２ｃのセル電圧の検出結果に基づき、燃料電池１の発電状態を把握する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料ガスなどの供給不足やドライアップやフラッティングの発生に起因して燃料電池の出力電圧が低下する。
かかる環境下で燃料電池システムの運転を継続した場合には、燃料電池の劣化が加速されてしまうため、燃料電池を構成する各セルの電圧（セル電圧）を監視し、各セル電圧の測定値に基づいて燃料電池の運転を制御する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特開２００４−１２７９１５号公報

しかしながら、上記従来技術においては、各セル電圧を監視するために多数のセルモニタを設置する必要があり、システムが大型化、複雑化するとともに、高コスト化を招くという問題があった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、簡易かつ小型でありながら燃料電池の運転を適切に制御することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数のセルを積層した燃料電池と、前記燃料電池へ供給するガス量が不足したときに最初に発電性能が低下する第１セルと、該ガス量が過剰となったときに最初に発電性能が低下する第２セルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出する検出手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、第１セルまたは第２セルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出することにより、燃料電池へ供給するガス量が不足しているか、あるいは過剰であるかを把握することができる。かかる検出を行うことで燃料電池の発電状態を把握することができ、燃料電池の運転を適切に制御することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、複数のセルを積層した燃料電池と、前記セルのうち、他のセルよりも圧力損失が大きい第１セルと、他のセルよりも圧力損失が小さい第２セルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出する検出手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御手段とのセル電圧に基づいて当該システムの運転を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池へ供給するガス量が不足したりフラッティングが生じた場合には、圧力損失が大きい第１セルの発電性能が低下する一方、燃料電池へ供給するガス量が過剰となってドライアップが生じた場合には、圧力損失が小さい第２セルの発電性能が低下する。かかる第１セル若しくは第２セルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出することで、燃料電池の発電状態を把握することができ、これにより、燃料電池の運転を適切に制御することが可能となる。
なお、「第１セル」として圧力損失が他のセルの平均値よりも大きなものを使用し、「第２セル」として圧力損失が他のセルの平均値よりも小さなものを使用しても良い。

ここで、上記構成にあっては、前記各セルは、ガス流路を形成するセパレータを備え、前記第１セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝が浅く、前記第２セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝が深く設定するのが好ましい。

また、別の態様として、前記各セルは、ガス流路を形成するセパレータを備え、前記第１セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝幅が小さく、前記第２セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝幅が大きく設定するのが好ましい。

さらにまた、別の態様として、前記各セルは、ガス流路を形成するセパレータを備え、前記第１セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝角度が大きく、前記第２セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝角度が小さく設定するのが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムは、複数のセルが積層され、一方の端部にガス供給口とガス排出口が設けられた燃料電池と、前記セルのうち、前記一方の端部の近傍に存在するセルと、前記他方の端部の近傍に存在するセルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出する検出手段と、前記検出手段による検出結果に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、ドライアップが生じた場合には、ガス流量の大きな一方の端部の近傍に存在するセルの発電性能が低下する一方、フラッティングが生じた場合には、ガス流量の小さな他方の端部の近傍に存在するセルの発電性能が低下する。これらいずれか一方のセル電圧の検出を行うことで燃料電池の発電状態を把握することができ、これにより、燃料電池の運転を適切に制御することが可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、簡易かつ小型でありながら燃料電池の運転を適切に制御することができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．第１実施形態
図１は燃料電池システムに搭載される燃料電池１の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池１を想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

図１に示すように、固体高分子型の燃料電池１は、基本単位である多数の単セル２を積層したスタック本体３を有している。燃料電池１は、スタック本体３の両端に位置する単セル２の外側に、順次、カバープレート５、出力端子６付きのターミナルプレート７、絶縁プレート８およびエンドプレート９を積層して構成されている。

燃料電池１は、例えば両エンドプレート９間を架け渡すようにして設けられたテンションプレート１１が各エンドプレート９にボルト１２で固定されることで、セル積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。なお、スタック本体３の一端側のエンドプレート９と絶縁プレート８との間には、プレッシャプレート１３とばね機構１４とが設けられており、セル２にかかる荷重の変動が吸収されるようになっている。

燃料電池１内には、燃料ガスマニホールド２０、酸化ガスマニホールド２０、および冷媒マニホールド２０がセル積層方向に貫通形成されている（実際には、これらは別体であるが同一符号を付して説明を省略している。）。これら各流体流路用のマニホールド２０は、エンドプレート９、絶縁プレート８、ターミナルプレート７、カバープレート５、および各セル２のセパレータをセル積層方向に貫通することで燃料電池１内に形成されている。各流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、燃料電池１の一端にあるエンドプレート９に設けた各流体配管２１から入口側の各マニホールド２０ａに供給され、セパレータに形成した各流体流路を流れる。そして最終的に、各流体は、出口側の各マニホールド２０ｂからエンドプレート９に設けた各流体配管２２へと排出される。

セル２は、圧力損失が設定範囲内（予め定められた規格範囲内など）に収まる標準セル（他のセル）２ａと、セル電圧の検出対象となるセルであって圧力損失が標準セル２ａよりも大きな第１検出セル２ｂと、セル電圧の検出対象となるセルであって圧力損失が標準セル２ａよりも小さな第２検出セル２ｃと、から構成されている（詳細は後述）。なお、図１では第１検出セル２ｂを１つ、第２検出セル２ｃを１つ設けた場合を例示しているが、各検出セル２ｂ、２ｃをそれぞれ数個ずつ設けても良く、また各検出セル２ｂ、２ｃを隣接して配置する代わりに離間して配置しても良い（図２（ａ）、図２（ｂ）参照）。

さらに、各検出セル２ｂ、２については、圧力損失が上記設定範囲外となるものを使用するほか、上記設定範囲内で圧力損失がより大きいものを第１検出セル２ｂとして使用し、上記設定範囲内で圧力損失がより小さいものを第２検出セル２ｃとして使用しても良い。例えば、標準セル２ａの圧力損失の平均値より大きいものを第１検出セル２ｂとして使用し、標準セル２ｂの圧力損失の平均値より小さいものを第２検出セル２ｃとして使用しても良い。

セルモニタ（検出手段）３０は、第１検出セル２ｂと第２検出セル２ｃのセル電圧を検出し、検出結果を制御部４０に供給する。制御部（制御手段）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成され、セルモニタ３０から供給される第１検出セル２ｂと第２検出セル２ｃのセル電圧の検出結果に基づき、燃料電池１の発電状態を把握し、当該システムの運転を制御する。

ここで、第１検出セル２ｂの圧力損失は標準セル２ａの圧力損失よりも大きく、第２検出セル２ｃの圧力損失は標準セル２ａの圧力損失よりも小さい。従って、燃料電池１に供給される燃料ガス、酸化ガス（以下、供給ガスと総称）が不足した場合やフラッティングが生じた場合には、まず、圧力損失の最も大きな第１検出セル２ｂの発電性能が低下し、セル電圧が低下するといった傾向が現れる。一方、供給ガスが過剰となってドライアップが生じた場合には、まず、圧力損失の最も小さな第２検出セル２ｃの発電性能が低下し、セル電圧が低下するといった傾向が現れる。

これら第１検出セル２ｂと第２検出セル２ｃのセル電圧をセルモニタ３０により検出し、検出結果を解析することで、制御部４０は燃料電池１の発電状態を把握し、当該システムの運転を的確に制御することができる。以下、圧力損失が異なる各セルの構造について詳細に説明する。

＜セルの構成＞
図３は、セル２の断面図であり、図４（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ標準セル２ａのセパレータ１２ａ、第１検出セル２ｂのセパレータ１２ｂ、第２検出セル２ｃのセパレータ１２ｃの断面図である。

セル２は、ＭＥＡ１１と、これを外側から挟持する一対のセパレータ１２と、で構成されている。ＭＥＡ１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１５と、電解質膜１５を両面で挟んだ一対の電極１６（アノードおよびカソード）と、で構成されている。セパレータ１２は、ガス不透過の導電性材料で構成されており、カーボンや金属のほか、導電性を有する樹脂で構成されている。セパレータ１２の基材は、アルミニウム、ステンレス、ニッケル合金などのメタルで板状に形成され、基材の電極１６側の面に耐食性に優れた膜が被覆されている。セパレータ１２の電極１６にガスを供給するためのガス流路溝２１が複数形成されている。

ここで、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、標準セル２ａのセパレータ１２ａ、第１検出セル２ｂのセパレータ１２ｂ、第２検出セル２ｃのセパレータ１２ｃの各ガス流路溝２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、それぞれ深さが異なっている。具体的には、各ガス流路溝２１ａ、２１ｂ、２１ｃの溝深さをｄ０、ｄ１、ｄ２とした場合、下記式（１）が成立するように各溝深さを設定する。
ｄ１＜ｄ０＜ｄ２ ・・・（１）

このように、本実施形態では各ガス流路溝２１の溝深さを変えて圧力損失を制御する。かかる構成によれば、ＭＥＡ１１とセパレータ１２の接触部分の面積及び形状が変わらないため、圧力損失以外のセル特性に与える影響が小さいという効果が得られる。

Ｂ．第２実施形態
上述した第１実施形態では、各ガス流路溝２１の溝深さを変えて圧力損失を制御したが、第２実施形態では、各ガス流路溝２１の溝幅を変えて圧力損失を制御する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ標準セル２ａのセパレータ１２ａ’、第１検出セル２ｂのセパレータ１２ｂ’、第２検出セル２ｃのセパレータ１２ｃ’の断面図であり、前掲図４に対応する図である。
図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、標準セル２ａのセパレータ１２ａ’、第１検出セル２ｂのセパレータ１２ｂ’、第２検出セル２ｃのセパレータ１２ｃ’の各ガス流路溝２１ａ’、２１ｂ’、２１ｃ’は、それぞれ溝幅が異なっている。具体的には、各ガス流路溝２１ａ’、２１ｂ’、２１ｃ’の溝幅をｓ０、ｓ１、ｓ２とした場合、下記式（２）が成立するように各溝幅を設定する。
ｓ１＜ｓ０＜ｓ２ ・・・（２）

このように、本実施形態では各ガス流路溝２１の溝幅を変えて圧力損失を制御する。かかる構成によれば、溝深さは不変であるためセパレータ体格に影響を与えず、また、一般に溝幅は溝深さに比べて容易に変更できるという効果が得られる。

Ｃ．第３実施形態
上述した第２実施形態では、各ガス流路溝２１の溝幅を変えて圧力損失を制御したが、第３実施形態では、各ガス流路溝２１の溝角度を変えて圧力損失を制御する。

図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ標準セル２ａのセパレータ１２ａ’’、第１検出セル２ｂのセパレータ１２ｂ’’、第２検出セル２ｃのセパレータ１２ｃ’’の断面図であり、前掲図５に対応する図である。
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、標準セル２ａのセパレータ１２ａ’’、第１検出セル２ｂのセパレータ１２ｂ’’、第２検出セル２ｃのセパレータ１２ｃ’’の各ガス流路溝２１ａ’’、２１ｂ’’、２１ｃ’’は、それぞれ溝角度が異なっている。具体的には、各ガス流路溝２１ａ’’、２１ｂ’’、２１ｃ’’の溝角度をα０、α１、α２とした場合、下記式（３）が成立するように各溝角度を設定する。
α２＜α０＜α１ ・・・（３）

このように、本実施形態では各ガス流路溝２１の溝角度を変えて圧力損失を制御する。かかる構成によれば、ＭＥＡとセパレータの接触部分の面積及び形状が変わらないため、圧力損失以外のセル特性に与える影響が小さく、また、溝深さは不変であるためセパレータ体格に影響を与えないという効果が得られる。なお、以上説明した第１〜第３実施形態に示す技術を適宜組み合わせることにより、各セルの圧力損失を制御しても良い。また、第１〜第３実施形態では、圧力損失が大きい第１検出セル２ｂ及び圧力損失が小さい第２検出セル２ｃの両セル電圧を検出して燃料電池１の発電状態を把握したが、第１検出セル２ｂまたは第２検出セル２ｃの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出して燃料電池１の発電状態を把握しても良い。

Ｄ．第４実施形態
上述した第１〜第３実施形態では、標準セルとは圧力損失が異なる検出セルを利用して燃料電池の発電状態を把握したが、第４実施形態では標準セルのみを利用して燃料電池の発電状態を把握する。なお、以下の説明では、便宜上、標準セルを単にセルと呼ぶ。

図７は、各セルへの供給ガスの分配状態を説明するための図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）に示すように、供給ガスが導入されるガス供給口５０ａ及び供給ガスが排出されるガス排出口５０ｂに近いセル（一方の端部の近傍に存在するセル）ほどガス供給量は多く、該ガス供給口５０ａ及びガス排出口５０ｂから離れたセル（他方の端部の近傍に存在するセル）ほどガス供給量は少なくなる傾向にある。

かかる傾向を利用して、本実施形態ではガス供給口５０ａ及びガス排出口５０ｂに近いセル（以下、近接セル）２ｄと、ガス供給口５０ａ及びガス排出口５０ｂから離れたセル（以下、遠隔セル）２ｅのセル電圧をセルモニタ３０によって検出することにより、燃料電池１の発電状態を把握する。

一般に、ガス流量が大きければドライアップが生じやすく、逆にガス流量が小さければフラッティングが生じやすい。従って、ドライアップが生じた場合には、まず、ガス流量の最も大きな近接セル２ｄの発電性能が低下し、セル電圧が低下するといった傾向が現れる。一方、フラッティングが生じた場合には、まず、ガス流量の最も小さな遠隔セル２ｅの発電性能が低下し、セル電圧が低下するといった傾向が現れる。

これら近接セル２ｄと遠隔セル２ｅのセル電圧をセルモニタ３０により検出し、検出結果を解析することで、制御部４０は燃料電池１の発電状態を把握し、当該システムの運転を的確に制御することができる。
なお、上記説明では近接セル２ｄ及び遠隔セル２ｅをそれぞれ１つずつ利用する態様を例示したが、近接セル２ｄ及び遠隔セル２ｅを数個ずつ利用しても良い。かかる構成によれば、より精度良く燃料電池１の発電状態を把握することが可能となる。
また、上記説明では、近接セル２ｄ及び遠隔セル２ｅの両セル電圧を検出して燃料電池１の発電状態を把握したが、近接セル２ｄまたは遠隔セル２ｅの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出して燃料電池１の発電状態を把握しても良い。

Ｅ．その他
上述した各実施形態を適宜組み合わせても良いのはもちろんである。例えば、近接セル２ｄ（第４実施形態）の代わりに第２検出セル２ｃ（第１〜第３実施形態）を適用する一方、遠隔セル２ｅ（第４実施形態）の代わりに第１検出セル２ｂ（第１〜第３実施形態）を適用する。かかる構成によれば、より精度良く燃料電池１の発電状態を把握することが可能となる。

第１実施形態に係る燃料電池の要部構成を示す図である。 同実施形態に係るセルの積層構造を例示した図である。 同実施形態に係るセルの断面図である。 同実施形態に係る各セルのセパレータの断面図である。 第２実施形態に係る各セルのセパレータの断面図である。 第３実施形態に係る各セルのセパレータの断面図である。 第４実施形態に係る各セルへの供給ガスの分配状態を説明するための図である。

符号の説明

１・・・燃料電池、２・・・セル、２ａ・・・標準セル、２ｂ・・・第１検出セル、２ｃ・・・第２検出セル、２ｄ・・・近接セル、２ｅ・・・遠隔セル、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ａ’、１２ｂ’、１２ｃ’、１２ａ’’、１２ｂ’’、１２ｃ’’・・・セパレータ、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ａ’、２１ｂ’、２１ｃ’、２１ａ’’、２１ｂ’’、２１ｃ’’・・・ガス流路溝、３０・・・セルモニタ、４０・・・制御部、５０ａ・・・ガス供給口、５０ｂ・・・ガス排出口。

Claims (8)

1. 複数のセルを積層した燃料電池と、
   前記燃料電池へ供給するガス量が不足したときに最初に発電性能が低下する第１セルと、該ガス量が過剰となったときに最初に発電性能が低下する第２セルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 複数のセルを積層した燃料電池と、
   前記セルのうち、他のセルよりも圧力損失が大きい第１セルと、他のセルよりも圧力損失が小さい第２セルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記検出手段は、前記第１セルと前記第２セルの両セル電圧を検出す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. 前記各セルは、ガス流路を形成するセパレータを備え、
   前記第１セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝が浅く、
   前記第２セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝が深いことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記各セルは、ガス流路を形成するセパレータを備え、
   前記第１セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝幅が小さく、
   前記第２セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝幅が大きいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
6. 前記各セルは、ガス流路を形成するセパレータを備え、
   前記第１セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝角度が大きく、
   前記第２セルのセパレータのガス流路溝は、他のセルのセパレータのガス流路溝よりも溝角度が小さいことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
7. 複数のセルが積層され、一方の端部にガス供給口とガス排出口が設けられた燃料電池と、
   前記セルのうち、前記一方の端部の近傍に存在するセルと、前記燃料電池の他方の端部の近傍に存在するセルの少なくともいずれか一方のセル電圧を検出する検出手段と、
   前記検出手段による検出結果に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
8. 前記検出手段は、前記一方の端部の近傍に存在するセルと前記他方の端部の近傍に存在するセルの両セル電圧を検出することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
   
   
   

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