JP2007220322A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、安定した運転が可能な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】電解質膜２と、電解質膜２を挟持した一対の電極３、４と、一方の電極３に燃料ガスを供給すると共に、他方の電極４に酸化剤ガスを供給する流路を有するセパレータ５とを備える単位燃料電池を積層した燃料電池１と、電解質膜１の乾湿状態を検出する抵抗測定器７と、抵抗測定器７によって検出した情報を基に、電解質膜２が乾燥状態であるか否かを判定する乾燥状態判定手段１５と、乾燥状態判定手段１５によって電解質膜２が乾燥状態であると判定された場合に、乾燥状態と判定された電解質膜２を挟持するセパレータ５同士を短絡する劣化回避手段８、９、１０とを備える。
【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る。

従来の燃料電池において、高出力密度化を図る方法として、セパレータの厚みを薄くする方法がある（例えば、特許文献１）。
特開平１０−５５８０９

移動体用燃料電池は、定置用燃料電池と異なり、要求される出力が常に変動する。このため、燃料電池に供給するガスの流量や湿度、冷却水の流量や水温等の運転条件を、運転状態に応じた適正値に高速で制御する必要がある。

燃料電池の運転条件のうち特にガスの湿度は、高速で制御することは困難であり遅れが生じることがある。ガスの湿度が適正値よりも高い場合は、燃料電池内部で凝縮する水が増加するため、反応部へのガスの移動が阻害され、燃料電池の出力の低下を招く。

逆に、ガスの湿度が適正値よりも低い場合は、高分子電解質膜が乾燥し、電解質中のプロトンの移動が阻害され、燃料電池の出力の低下を招く。

ガスの湿度不足で高分子電解質膜が乾燥する場合において、電解質膜の全面が均一に乾燥することは稀で、ガス入口付近が部分的に乾燥しやすい。このような状況では、高分子電解質膜を通過する電流の分布に偏りが生じ、比較的含水が保たれている部位に電流が集中し、その部位における発熱量が上昇する。その結果、高分子電解質膜の温度が上昇し、高分子電解質膜の劣化が進行してしまう。

移動体用燃料電池は、十分な出力を得るため通常単セルを２００枚から４００枚程度積層させた燃料電池スタックを構成する。図１０は、簡単のため単セルを５枚積層した場合の燃料電池スタックの等価回路を示したものである。図１１（ａ）は、図１０をさらに簡略化して示した等価回路に、通常運転時の電流の流れを重ねたものである。上述した乾燥による電流集中が１枚のセル３０にて起こった場合、図１１（ｂ）に示すように、セパレータの面方向に電流が流れるため、セル３０に隣接する他のセル３１〜３４では電流集中は解消される。したがって、劣化が進行するのは電解質膜に部分的な乾燥が起こっているセル３０のみである。

しかしながら、燃料電池の高出力密度化のため、セパレータの厚みを薄くした場合には、セパレータの面方向の抵抗が大きくなる。このため、図１１（ｃ）に示すように、電解質膜の部分的な乾燥が起こっていない他のセル３１〜３４でも電流集中が起こり、結果として他のセル３１〜３４でも電解質膜が劣化してしまい燃料電池の安定した運転が妨げられる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、安定した運転が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜と、当該電解質膜を挟持した一対の電極と、一方の前記電極に燃料ガスを供給すると共に、他方の前記電極に酸化剤ガスを供給する流路を有するセパレータとを備える単位燃料電池を積層した燃料電池と、前記電解質膜の乾湿状態を検出する乾湿状態検出手段と、前記乾湿状態検出手段によって検出した情報を基に、前記電解質膜が乾燥状態であるか否かを判定する乾燥状態判定手段と、前記乾燥状態判定手段によって前記電解質膜が乾燥状態であると判定された場合に、前記電解質膜の劣化を回避する劣化回避手段とを備える。

本発明によれば、電解質膜が乾燥状態である場合には、劣化回避手段によって電解質膜の劣化が回避されるため、面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、安定した燃料電池の運転が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

（実施の形態１）
図１を参照して、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００について説明する。図１は燃料電池システム１００における単位燃料電池を示す概略図であり、図２は単位燃料電池を積層した燃料電池スタックを示す概略図である。

燃料電池システム１００は、電力を発生することによって燃料電池車両等の移動体の駆動源となるものである。燃料電池システム１００は電源として固体高分子型の燃料電池１を備える。燃料電池１は、固体高分子電解質膜（以下、「電解質膜」と称する。）２と、電解質膜２の一方の面に配置され、燃料側触媒層３ａと燃料ガス拡散層３ｂとを有する燃料極３と、電解質膜２の他方の面に配置され、酸化剤側触媒層４ａと酸化剤ガス拡散層４ｂとを有する酸化剤極４とによって単位燃料電池を構成する。

単位燃料電池は、燃料極３に燃料ガスとしての水素ガスを供給する燃料ガス流路５ａと酸化剤極４に酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤ガス流路５ｂとによって、水素ガスと空気を別々に配流させるセパレータ５を備える。単位燃料電池は、セパレータ５を介して複数積層され、図２に示す燃料電池スタックを構成する。なお、セパレータ５は、集電体の機能も有する。

セパレータ５には、電解質膜の抵抗値を測定する乾湿状態検出手段としての抵抗測定器７が接続されている。また、セパレータ５には、抵抗測定器７と並列に設けられた回路８が接続されている。回路８には、劣化回避手段としての抵抗９及びスイッチ１０が介装され、電解質膜２が乾燥状態の場合に、スイッチ１０が閉じて電解質膜２を挟持するセパレータ５同士を短絡する。なお、抵抗測定器７及び回路８は、各単位燃料電池毎に設置してもよいし、複数の単位燃料電池毎に設置してもよい。

図１に示すように、水素ガスと空気の流れが対向している場合において、供給水素ガスの湿度が低下すると水素ガス入口付近における電解質膜２が乾燥し、水素ガス入口付近における電流が低下する。その結果、空気入口付近において電流集中が起こる。逆に、供給空気の湿度が低下すると空気入口付近における電解質膜２が乾燥し、空気入口付近における電流が低下する。その結果、水素ガス入口付近において電流集中が起こる。したがって、抵抗測定器７は、図１に示すように、乾燥のおそれのある空気入口付近及び水素ガス入口付近に設置するのが好ましい。なお、水素ガスと空気の流れが並行流の場合には、抵抗測定器７は、水素ガス及び空気の入口付近のみに設置すればよい。

燃料電池システム１００は、燃料電池を冷却するための冷却系統１１も備える。冷却系統１１は、燃料電池１に接続され冷却水の流路である冷却水配管１２と、冷却水を循環させる循環ポンプ１３と、循環する冷却水の熱を逃がすための放熱器１４とを有する。

１５は燃料電池システム１００の全体の動作を制御するコントローラであり、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）等を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ１５には、外気温度センサ１６等の各種計器からの情報が入力される。コントローラ１５は、それらの情報に基づいて、燃料電池１に導入する水素ガス及び空気の供給量を制御し、燃料電池１の負荷を制御する。

また、コントローラ１５には、抵抗測定器７が検出した電解質膜２の現在の抵抗値が入力され、コントローラ１５は、その現在抵抗値を基に電解質膜２の乾燥状態を判定し、判定結果を基に回路８のスイッチ１０に信号を出力する。

次に、図３を参照して燃料電池システム１００の動作について説明する。

燃料電池スタックにおいて、ある一つの単位燃料電池１ａにて部分的な乾燥が生じた場合、単位燃料電池１ａにおける電解質膜２の乾燥が生じた部分の抵抗値が上昇し、図３（ａ）に示すように電流の集中が発生する。これは、燃料電池の高出力密度化のため、セパレータ５の厚さが薄く設定され、セパレータ５において厚さ方向の抵抗に対する面方向の抵抗の比率が、従来の燃料電池における比率と比較して大きいためである。つまり、セパレータ５を流れる電流は、面方向には流れ難く、厚さ方向に流れ易い傾向となっているためである。

このような、電流の集中の発生を防ぐため、抵抗測定器７によって単位燃料電池の抵抗値を検出し、コントローラ１５にて電解質膜２が乾燥状態であるか否かを判定する。この判定は、単位燃料電池の抵抗値が基準抵抗値を超えているか否かで判定され、超えている場合には乾燥状態と判定される。そして、その場合、乾燥状態と判定された電解質膜２を挟持するセパレータ５同士を接続している回路８のスイッチ１０が閉じる。これにより、図３（ｂ）に示すように、回路８によってセパレータ５が短絡され、回路８に電流が流れるため、電流集中の発生を防止することができ、電解質膜２の劣化が防止される。

回路８に介装された抵抗９の抵抗値は、燃料電池１の通常運転時の抵抗値、つまり電解質膜２が乾燥状態でない場合における抵抗値とほぼ同等に設定されている。したがって、回路８を介して電流が流れている状態でも、燃料電池スタックを流れる電流の分布は、通常運転時の状態とほぼ同等となる。

回路８によってセパレータ５が短絡した運転状態において、抵抗測定器７によって検出された単位燃料電池の抵抗値が、所定値以下となった場合には、スイッチ１０が開き短絡が解除される。これにより、燃料電池システム１００は通常の運転状態に戻る。燃料電池システム１００が通常の運転状態に戻る際の単位燃料電池の所定抵抗値は、任意の値に設定してもよく、また、セパレータ５を短絡する際に用いる上記基準抵抗値と同等の値としてもよい。

次に、セパレータ５を短絡する際に用いる上記基準抵抗値の設定方法について図４〜図８を参照して説明する。基準抵抗値は、図４に示すフローチャートのように、コントローラ１５による演算によって決定され、演算は一定時間毎（例えば、１０ｍｓ毎）にて実行される。

まず、ステップ１にて外気温度センサ１６によって検出された外気温度Ｔout、及び現在の燃料電池負荷Ｌを読み込む。

ステップ２では、ステップ１にて読み込んだ外気温度Ｔout及び燃料電池負荷Ｌから図５を内容とする第一のマップを検索して、冷却系統１１の冷却能力Ｃcapを演算する。図５中の複数の線は、等負荷線である（図５では、例として１０％負荷、５０％負荷、１００％負荷の等負荷線を示す）。なお、図５の第一のマップは、冷却水の流量が一定の場合におけるマップである。冷却水流量が可変である場合には、冷却水流量毎にマップを用意し、冷却水流量に適合するマップを選択するようにすればよい。

ステップ３では、ステップ２にて求めた冷却能力Ｃcapを基に図６を内容とする第二のマップを検索して電解質膜２の限界膜乾燥度Ｄrを演算する。限界膜乾燥度Ｄrとは、冷却系統１１の冷却能力Ｃcapにおいて、電解質膜２の電流集中における温度上昇を防止することができる限界の電解質膜２の乾燥度Ｄである。

限界膜乾燥度Ｄrの具体的な演算方法を説明する。図６中に示す曲線Ｄa、Ｄb、Ｄcは、電解質膜２の等乾燥度線であり、Ｄa、Ｄb、Ｄcの順番で乾燥度Ｄが大きい。また、図６中に示す曲線Ｄa〜Ｄc上の点Ｑamax〜Ｑcmaxは、単位燃料電池における最大電流密度Ｉmax時の発熱量Ｑである。ここで、最大電流密度Ｉmaxとは、図７に示す第三のマップによって求められる。つまり、単位燃料電池に印加する電流密度Ｉを増加させた場合に、単位燃料電池の温度Ｔが上昇に転じるときの電流密度Ｉが、それぞれの電解質膜２の乾燥度Ｄa〜Ｄcにおける最大電流密度Ｉamax〜Ｉcmaxである。このことから、図６において、発熱量Ｑamax〜Ｑcmaxが冷却能力Ｃcapを超えている乾燥度Ｄcの場合には、冷却系統１１では冷却しきれず、単位燃料電池の温度上昇を防止できないことになる。以上から、ステップ２にて求めた冷却能力Ｃcapと最大発熱量Ｑamax〜Ｑcmaxとが交差する乾燥度Ｄが限界膜乾燥度Ｄrとなる（図６では乾燥度Ｄbが限界膜乾燥度Ｄrに該当する）。

ステップ４では、ステップ３にて求めた限界膜乾燥度Ｄrを基に図８を内容とする第四のマップを検索して単位燃料電池の基準抵抗値Ｒtを演算する。

以上のようにして求めた基準抵抗値Ｒtと抵抗測定器７によって検出した抵抗値Ｒとを比較して、抵抗値Ｒが基準抵抗値Ｒtを超えている場合には、電解質膜２が乾燥状態であると判定される。そして、回路８のスイッチ１０が閉じ、電流集中による温度上昇が防止される。

以上では、基準抵抗値Ｒtを複数のマップを利用して演算するようにしたが、基準抵抗値Ｒtを実験によって求めることもできる。つまり、供給ガス湿度を下げて電解質膜２を部分乾燥させたときに、電流集中が発生している部分の温度が上昇に転じるときの抵抗値としてもよい。

また、本実施の形態１では、電解質膜２の乾燥状態を検出する手段として、抵抗測定器７を用いたが、他の手段として、水素ガスと空気の露点を検出するガス露点計を用いるようにしてもよい。この場合、電解質膜２の乾燥状態を判定するには、ガス露点計を基に算出された水素ガス又は空気の湿度が予め定めた基準湿度未満の場合に、電解質膜２が乾燥状態であると判定するようにすればよい。

以上の実施の形態１に係る燃料電池セパレータ１００によれば、電解質膜２の乾燥によって抵抗が上昇した場合には、その抵抗が上昇した燃料電池に電流集中が発生しないように、セパレータ５が短絡するため、面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、電流の分布を通常運転時の場合と同等にすることができる。したがって、電解質膜２の劣化を防止することができ、安定した燃料電池の運転が可能となる。

（実施の形態２）
図９を参照して、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００について説明する。図９は燃料電池システム２００を示す構成図である。なお、上記実施の形態１と同様の構成には燃料電池セパレータ１００と同一の符号を付し説明を省略する。

燃料電池システム２００は、燃料電池１と、高圧水素タンク２１から供給される水素ガスを燃料極３に導入するための水素供給配管２２と、コンプレッサ２３にて昇圧された空気を酸化剤極４に導入するための空気供給配管２４とを備える。これにより、燃料電池１では、燃料極３に水素ガス及び酸化剤極４に空気がそれぞれ独立して供給されることによって発電が行われる。

燃料電池システム２００は、水素供給配管２２に介装され燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器２５と、空気供給配管２４に介装され酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器２６とを備える。

また、燃料電池システム２００は、燃料電池１を冷却するための冷却系統１１も備える。冷却系統１１は、燃料電池１に接続され冷却水の流路である冷却水配管１２と、冷却水を循環させる循環ポンプ１３と、冷却水流量を制御する流量調節弁２７と、循環する冷却水の熱を逃がすための放熱器１４と、放熱器１４に対して送風し循環する冷却水を冷却するための送風機２８とを有する。

コントローラ１５には、抵抗測定器７が検出した電解質膜２の現在の抵抗値が入力され、コントローラ１５は、その現在抵抗値を基に電解質膜２の乾燥状態を判定し、判定結果を基に燃料電池システム２００の各機器に信号を出力する。

電解質膜２の乾湿状態を検出する手段、及び電解質膜２が乾燥状態であるか否かを判定する手段は、上記実施の形態１と同様である。

上記実施の形態１では、電解質膜２の劣化を回避する劣化回避手段として、セパレータ５を短絡させたが、本実施の形態２では、電解質膜２の含水率を増加させることによって電解質膜２の劣化を回避する。

電解質膜２の含水率を増加させる具体的な方法としては、電解質膜２が乾燥状態であると判定された場合に、流量調節弁２７を制御し冷却水流量を増加させることによって、電解質膜２の乾燥を防止する。

また、他の方法としては、電解質膜２が乾燥状態であると判定された場合に、送風機２８を制御し冷却水温度を低下させることによって、電解質膜２の乾燥を防止する。

さらに、他の方法としては、電解質膜２が乾燥状態であると判定された場合に、燃料ガス加湿器２５及び酸化剤ガス加湿器２６の少なくとも一方を制御し、燃料電池１への供給ガスの湿度を増加させることによって、電解質膜２の乾燥を防止する。

以上の実施の形態２に係る燃料電池セパレータ２００によれば、電解質膜２が乾燥状態であると判定された場合には、電解質膜２の乾燥を防止する操作が実行されるため、電解質膜２の劣化を防止することができ、安定した燃料電池の運転が可能となる。

本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両に適用することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００における単位燃料電池を示す概略図である。 同じく燃料電池システム１００における燃料電池スタックを示す概略図である。 同じく燃料電池システム１００の動作を説明する図である。 基準抵抗値を演算する手順を示すフローチャートである。 外気温度Ｔout、燃料電池負荷Ｌと冷却能力Ｃcapとの関係を示す特性図である。 電流密度Ｉ、冷却能力Ｃcapと乾燥度Ｄとの関係を示す特性図である。 電流密度Ｉと燃料電池温度Ｔとの関係を示す特性図である。 乾燥度Ｄと抵抗Ｒとの関係を示す特性図である。 本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム２００を示す構成図である。 従来の燃料電池スタックを示す図である。 同じく従来の燃料電池スタックを示す図である。

符号の説明

１００，２００ 燃料電池システム
１ 燃料電池
２ 電解質膜
３ 燃料極
４ 酸化剤極
５ セパレータ
７ 抵抗測定器
８ 回路
１０ スイッチ
１５ コントローラ
１１ 冷却系統
２５ 燃料ガス加湿器
２６ 酸化剤ガス加湿器
２７ 流量調節弁
２８ 送風機

Claims (9)

1. 電解質膜と、当該電解質膜を挟持した一対の電極と、一方の前記電極に燃料ガスを供給すると共に、他方の前記電極に酸化剤ガスを供給する流路を有するセパレータとを備える単位燃料電池を積層した燃料電池と、
   前記電解質膜の乾湿状態を検出する乾湿状態検出手段と、
   前記乾湿状態検出手段によって検出した情報を基に、前記電解質膜が乾燥状態であるか否かを判定する乾燥状態判定手段と、
   前記乾燥状態判定手段によって前記電解質膜が乾燥状態であると判定された場合に、前記電解質膜の劣化を回避する劣化回避手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記乾湿状態検出手段は、前記電解質膜の抵抗値を測定する抵抗測定器であり、
   前記乾燥状態判定手段は、前記抵抗測定器によって検出した前記電解質膜の抵抗値が予め定めた基準抵抗値を超えている場合に、前記電解質膜が乾燥状態であると判定す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. 前記乾湿状態検出手段は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を検出するガス露点計であり、
   前記乾燥状態判定手段は、前記ガス露点計を基に算出された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガの湿度が予め定めた基準湿度未満の場合に、前記電解質膜が乾燥状態であると判定す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. 前記劣化回避手段は、乾燥状態と判定された電解質膜を挟持するセパレータ同士の短絡であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記劣化回避手段によるセパレータ同士の短絡中において、前記抵抗測定器によって検出した前記電解質膜の抵抗値が所定値以下となった場合に、前記短絡を解除することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記劣化回避手段は、前記電解質膜の含水率の増加操作であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記電解質膜の含水率の増加操作は、燃料電池冷却水流量の増加操作であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記電解質膜の含水率の増加操作は、燃料電池冷却水温度の低下操作であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記電解質膜の含水率の増加操作は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度の増加操作であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。