JP2007115480A - 燃料電池、燃料電池システム、及び燃料電池の水分収支制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池内における面方向の湿潤度分布を把握可能にする。
【解決手段】ＭＥＡ１１を備えた単セルを複数積層させてなる燃料電池の前記ＭＥＡ１１に、その面方向内における複数箇所の変位を検出する変位センサ１を設けた。制御部は、燃料電池の湿潤度を変位センサ１の出力に基づき測定し、この測定結果に基づいて水分収支を制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、湿潤度に応じて少なくとも面方向に伸縮する伸縮部を備えた燃料電池、燃料電池システム、及び燃料電池の水分収支制御方法に関する。

例えば固体高分子型の燃料電池は、膜−電極接合体（以下、ＭＥＡ）の両面を燃料ガス（水素等）流路及び酸化ガス（空気等）流路を備えたセパレータで狭持して構成されている。ＭＥＡは、乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下する（ドライアップ）一方、水が過量に存在すると性能低下を起こす（フラッディング）。従来、燃料電池スタックの積層方向長さの変位に応じて湿潤度を測定するものや、燃料電池スタックの応力，荷重，変位等に基づいて湿潤度を測定するものがあった。
特開２００１-３３２２８０号公報 特開２００３-１７３８０５号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示された技術は、燃料電池スタックの積層方向長さの変位に基づいて湿潤度を測定するものであるから、面方向の湿潤度分布を把握することができない。このため、湿潤度に基づく正確な水分収支制御が困難である。また、部分的なドライアップやフラッディングを把握することができず、発電効率の低下を来たす虞もある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、燃料電池内における面方向の湿潤度分布を把握可能にすることを目的とする。

本発明の燃料電池は、膜−電極接合体と前記膜−電極接合体を挟む酸化ガス流路および燃料ガス流路とを備えたセルを積層してなる燃料電池であって、前記セル内に、湿潤度に応じて少なくとも面方向に伸縮する伸縮部と、前記伸縮部の面方向内における変位を検出する検出部と、を備えたものである。

このような構成によれば、検出された面方向の変位から燃料電池内の湿潤度を直接把握することができる。

前記検出部は複数箇所に設けられていてもよい。

このような構成によれば、複数箇所の湿潤度を把握することによって湿潤度分布を把握することが可能となる。

前記検出部は、反応ガス（酸化ガス、燃料ガス）または冷媒（例えば、冷却水）の入口側及び出口側の２個所に設けられていてもよく、特に酸化ガスの入口側および出口側の２個所に設けられていてもよい。

このような構成によれば、局部的に湿潤度が高い傾向にある部分と低い傾向にある部分の２箇所の状態を把握することができるので、湿潤度分布をより正確に把握することが可能となる。

本発明の燃料電池システムは、上記いずれかの構成からなる燃料電池と、前記検出部で検出された変位に基づき前記燃料電池内の湿潤度を測定する測定部と、を備えたものである。

このような構成によれば、検出された面方向の変位から燃料電池内の湿潤度を直接把握することができる。また、検出部を複数備えた構成では、複数箇所の湿潤度を把握することによって湿潤度分布を把握することが可能となる。

さらに、前記測定部の測定結果に基づき前記燃料電池の水分収支を制御（例えば、加湿量の制御、反応ガス流量の制御等）する制御部を備えてもよい。

このような構成によれば、燃料電池の水分収支が面方向内で直接把握された湿潤度または湿潤度分布に基づき制御されるので、より正確な水分収支制御が可能となる。

本発明に係る燃料電池の水分収支制御方法は、湿潤度に応じて少なくとも面方向に伸縮する伸縮部を備えた燃料電池の水分収支制御方法であって、前記燃料電池内の湿潤度を前記伸縮部の面方向内における変位に基づき測定し、この測定結果に基づいて前記燃料電池の水分収支を制御するものである。

このような構成によれば、燃料電池の面方向内の湿潤度を直接把握し、これに基づき燃料電池の水分収支が制御されるので、より正確な水分収支制御が可能となる。

前記燃料電池内の湿潤度を前記伸縮部の面方向内における複数箇所の変位に基づき測定してもよい。

このような構成によれば、燃料電池の面方向内の湿潤度分布を把握し、この湿潤度分布に基づき燃料電池の水分収支が制御されるので、検出部が単数の場合よりも更に正確な水分収支制御が可能となる。
複数箇所の

本発明によれば、燃料電池における面方向の湿潤度分布を把握することが可能になり、より正確な水分収支制御が可能となる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムへの適用も可能である。

図１に示すように、酸化ガス（反応ガス）としての空気（外気）は、空気供給路７１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路７１には、空気を加圧するコンプレッサＡ３及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ２１が設けられている。コンプレッサＡ３は、モータ（補機）によって駆動される。このモータは、後述の制御部５０によって駆動制御される。

燃料電池２０から排出される空気オフガスは、排気路７２を経て外部に放出される。排気路７２は途中で２つに分岐し、その一方が加湿器Ａ２１の熱交換器を通過する排気路７２ａとなり、他方が加湿器Ａ２１をバイパスする排気路７２ｂとなる。排気路７２ａには、加湿器Ａ２１の下流側に弁Ａ４を備え、排気路７２ｂは弁Ａ５を備える。これら弁Ａ４，Ａ５は、制御部５０からの指令によって開度面積が変更可能な構成とされている。

排気路７２の燃料電池２０側に配設された不図示の圧力センサ等の出力が制御部５０に送られ、制御部５０は各弁Ａ４，Ａ５の開度面積およびコンプレッサＡ３の回転数を制御する。これにより、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。

燃料ガス（反応ガス）としての水素ガスは、不図示の水素供給源から燃料供給路７４を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして燃料循環路７５に排出され、燃料供給路７４に戻される。燃料循環路７５には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器Ｈ４２、水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ５０、及び逆流阻止弁Ｈ５２が設けられている。

水素オフガスは、燃料供給路７４で水素供給源からの水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。逆流阻止弁Ｈ５２は、燃料供給路７４の水素ガスが燃料循環路７５側に逆流することを防止する。

燃料循環路７５を流れる水素オフガスは、排出制御弁Ｈ５１を介して、パージ流路７６によって排気可能とされている。排出制御弁Ｈ５１は、例えば電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスを外部に排出（パージ）する。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増すことによるセル電圧の低下を防止することができる。

燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水（冷媒）を循環させる冷却路７３が設けられている。冷却路７３には、イオン交換樹脂Ｃ３，冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）Ｃ２、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び燃料電池２０から冷却路７３への冷却水の流入を制御する冷却水三方弁Ｃ４が設けられている。ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンが設けられている。

制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システムの各部のセンサ（例えば、変位センサ１、圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類（例えば、弁４、弁５、排出制御弁Ｈ５１）やモータ類（例えば、コンプレッサＡ３や水素ポンプＨ５０の駆動モータ）の運転を制御する。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する単セル２を所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは、車両の駆動モータを駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類を駆動するインバータと、二次電池等の蓄電手段への充電や該蓄電手段からのモータ類への電力供給を行うＤＣ-ＤＣコンバータなどが備えられている。

図２は、単セル２の構成を示す分解斜視図である。単セル２は、ＭＥＡ（伸縮部）１１と、ＭＥＡ１１を挟持する一対のセパレータ１２ａ，１２ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ１１および各セパレータ１２ａ，１２ｂは、略平面状の部品であり且つ平面視矩形の外形形状を有しており、ＭＥＡ１１の外形は、各セパレータ１２ａ，１２ｂの外形よりも僅かに小さく形成されている。ＭＥＡ１１とセパレータ１２ａ，１２ｂとは、それらの間の周辺部にて互いに接着される。

ＭＥＡ１１は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜２１と、電解質膜２１を両面から挟んだ一対の電極２２ａ，２２ｂ（カソードおよびアノード）とで構成され、全体として積層形態を有している。より詳細には、図４に示すように、電解質膜基材２３の両面に、電解質２４，触媒層２５，撥水層２６及び拡散層２７が、この順にそれぞれ積層されてなる。

一方の電極２２ａ（カソード）には、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、他方の電極２２ｂ（アノード）には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。この二つのガスによってＭＥＡ１１内で電気化学反応が生じ、単セル２は起電力を得る。

各セパレータ１２ａ，１２ｂは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。

セパレータ１２ａ，１２ｂには、電極２２ａ，２２ｂに面する部分をプレス成形されることで表裏各面に複数の凹凸が形成されている。この複数の凸部および凹部は、それぞれ一方向に延在しており、酸化ガス、燃料ガスおよび冷却水の流路３２を画定している。また、セパレータ１２ａ，１２ｂの端部には、酸化ガス、燃料ガス、および冷却水の入口マニホールド４０及び出口マニホールド４０が設けられている。

電解質膜２１は、保水量（湿潤度）が変化することによって伸縮する。よって、電解質膜２１を含むＭＥＡ１１も湿潤度に応じて伸縮する。そこで、湿潤度の変化によるＭＥＡ１１の面方向の変位を検出する、例えば歪みゲージ等の変位センサ（検出部）１を、セパレータ１２ａ，１２ｂに形成された流路３２との関係では図３（ａ）の（１）〜（３）に示す位置のいずれかに、また、ＭＥＡ１１の厚さ方向（積層方向）には図４の（ａ）〜（ｅ）に示した位置のいずれかに取り付ける。

図３において、（１）はセパレータ１２ａ，１２ｂ間であって流路３２に面していない位置、（２）はセパレータ１２ａ，１２ｂの流路３２を跨ぐ位置、（３）はセパレータ１２ａ，１２ｂの流路３２に面した位置である。

図４において、（ａ）は電解質膜基材２３と電解質２４との間、（ｂ）は電解質２４と触媒層２５との間、（ｃ）は触媒層２５と撥水層２６との間、（ｄ）は撥水層２６と拡散層２７との間、（ｅ）は拡散層２７とセパレータ１２ａ，１２ｂとの間である。そして、変位センサ１は、ＭＥＡ１１を形成する際に、上記個所のいずれかに取り付けられる。

上記変位センサ１は、単セル２内に画成された酸化ガスまたは燃料ガスの流路３２の入口及び出口の近傍、あるいは、これらガスの流路３２が直線部とターン部を有するサーペンタイン流路である場合には、ターン部の近傍などに取り付けることが、面方向の湿潤度分布を把握する上で有効である。図５は、酸化ガスの流路３２の入口及び出口の近傍に変位センサ１を設けた例である。

また、燃料電池２０内に複数積層された単セル２の中でも、図６に示すように、セル積層方向の中央部（Ａ）及び端部（Ｂ）に配置された単セル２内に変位センサ１に取り付けることで、単セル２内における面方向の湿潤度のバラツキだけでなく、単セル２毎の湿潤度（保水量）のばらつき、つまり、単セル２の積層方向における湿潤度のばらつきを把握することが可能となる。

ＭＥＡ１１は、図３（ｂ）及び図７に示すたように、保水量（湿潤度）が増加すると、流路３２に面した部位で面方向に沿った伸び（変位）が生ずる。その伸び量（変位量）は電解質膜２１の種類により異なる。ＭＥＡ１１の面方向の寸法が変化すると、変位センサ１の出力が例えば図８に示すように変化する。変位センサ１の出力についても、当該変位センサ１の取り付け位置により異なる。

このため、変位センサ１の出力から該変位センサ１が取り付けられているＭＥＡ１１の湿潤度を換算するためのマップを予め求めておき、制御部５０に記憶しておく。制御部５０は、変位センサ１の出力と前記マップから、変位検出時におけるＭＥＡ１１の湿潤度（保水量）を求めてもよい。つまり、本実施形態の制御部５０は、本発明の測定部として機能する。

なお、変位センサ１の少なくとも一部が流路３２に面している場合、つまり、図３の（２），（３）に示すようなセンサ配置の場合は、流路３２内をガスが流通する時に変位センサ１が振動することを利用して、保水量増加によってＭＥＡ１１の伸びが大きくなった場合における該ＭＥＡ１１の変位振動を信号処理することにより湿潤度を求めてもよい。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池２０を備えた燃料電池システムによれば、ＭＥＡ１１に対して変位センサ１が直接取り付けられているので、単セル２内の局所的な湿潤度を求めることができる。このため、ガス露点計測よりも応答性の良い水分収支制御が可能となる。

しかも、ＭＥＡ１１内に設けられた変位センサ１が、酸化ガス流路３２の入口付近及び出口付近に対応する２個所に設置されているので、単セル２の面方向における湿潤度分布を把握することが可能となる。このため、局所的なドライアップやフラッディングを高精度に把握することが可能となる。

さらに、本実施形態の燃料電池２０は、セル積層方向の中央部（Ａ）と端部（Ｂ）に配置された各単セル２に変位センサ１が設けられているので、単セル２毎の湿潤度のばらつきをも把握することができる。

次に、以上のようにして把握した湿潤度に基づき、いかにして燃料電池２０の水分収支制御を行うかについて、例を挙げて説明する。

本実施形態の制御部５０は、流路３２の入口側に設けられた変位センサ１の出力が所定出力を下回った場合、すなわち、湿潤度が低下してＭＥＡ１１が面方向に収縮した場合、弁Ａ５の開度面積をそれまでよりも小さくして、加湿器Ａ２１による酸化ガスの加湿量を高める。かかる水分収支制御は、当該変位センサ１の出力が所定値に回復するまで、すなわち、ＭＥＡ１１の湿潤度が適正範囲に回復するまで行われる。

この湿潤度の回復措置は、コンプレッサＡ３の回転数を下げて燃料電池２０への酸化ガス供給量を低減させたり、冷却水の循環量を増やして燃料電池２０の温度を低下させたり、弁Ａ４の開度面積をそれまでよりも小さくして流路３２内のガス圧を増加させることによって燃料電池２０からの水分持ち去り量を低減させる、等によっても可能である。

上記とは逆に、流路３２の入口側に設けられた変位センサ１の出力が所定出力を上回った場合、すなわち、湿潤度が増加してＭＥＡ１１が面方向に伸長した場合には、上記と逆の動作を行う。

一方、流路３２の出口側に設けられた変位センサ１の出力が所定出力を下回った場合には、上記と同様の動作を行えばよく、これとは逆に所定出力を上回った場合には、上記と逆の動作を行う。

以上の場合においては、燃料電池２０のセル積層方向中央部（Ａ）に位置する単セル２内の変位センサ１が所定の出力となるように制御されるのが好ましい。

これらの水分収支制御により、従来フラッディング防止として過剰に行ってきた排水処理（例えば、ガス量の増加、ガスの脈動供給、ガス圧の低減、スタック温度の上昇等）を適正に制御することができ、発電効率が向上する。また、湿潤度を測定することによってセル電圧の変動を未然に把握することができるので、セルモニタ等による監視を不要とすることができる。

上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、変位センサ１は、燃料ガスや冷却水の流路３２の入口近傍及び出口近傍に対応する位置に取り付けてもよい。

また、ＭＥＡ１１の面方向における変位を検出する検出部としては、本実施形態の変位センサ１に代えて、感圧センサを用いることも可能である。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を示す概略構成図である。 燃料電池スタックの単セルの構造を示した分解斜視図である。 変位センサの取り付け位置とＭＥＡの変位について示した単セルの部分断面図である。 変位センサの取り付け位置を説明するために、単セルの断面を模式的に示した図である。 変位センサの取り付け位置を示す単セルの平面図である。 変位センサの取り付け位置を示す燃料電池スタックの斜視図である。 ＭＥＡの保水量とＭＥＡの変位との関係を示した図である。 ＭＥＡの保水量と変位センサの出力との関係を示した図である。

符号の説明

１…変位センサ（検出部）、２…単セル、１１…ＭＥＡ、２１…電解質膜、２０…燃料電池スタック、５０…制御部（測定部）、７１…空気供給路、７２…排気路、７４…燃料供給路、７５…燃料循環路

Claims (7)

1. 膜−電極接合体と前記膜−電極接合体を挟む酸化ガス流路および燃料ガス流路とを備えたセルを積層してなる燃料電池であって、
   前記セル内に、湿潤度に応じて少なくとも面方向に伸縮する伸縮部と、前記伸縮部の面方向内における変位を検出する検出部と、を備えた燃料電池。
2. 前記検出部を複数備えた請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記検出部が反応ガスまたは冷媒の入口側及び出口側の２個所に設けられている請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記検出部が酸化ガスの入口側及び出口側の２個所に設けられている請求項３に記載の燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池と、
   前記検出部で検出された変位に基づき前記燃料電池内の湿潤度を測定する測定部と、を備えた燃料電池システム。
6. 前記測定部の測定結果に基づき前記燃料電池の水分収支を制御する制御部を備えた請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 湿潤度に応じて少なくとも面方向に伸縮する伸縮部を備えた燃料電池の水分収支制御方法であって、
   前記燃料電池内の湿潤度を前記伸縮部の面方向内における変位に基づき測定し、この測定結果に基づいて前記燃料電池の水分収支を制御する燃料電池の水分収支制御方法。
   
   
   

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