JP2007220559A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料あるいは酸化剤の不足を早期に検知してセルスタック１０Ｓを保護停止することにより、発電セル１の劣化・損傷を回避する燃料電池装置１０を提供する。
【解決手段】セルスタック１０Ｓの中央の発電セル１に温度検知素子５を配置する。制御回路６は、温度検知素子５の検出温度Ｔが停止判定値Ｔｃｕｔ以上であるか、あるいは昇温速度ΔＴが、検出電流値に従って設定する、停止判定値Ｔｃｕｔとは別の停止判定値ΔＴｃｕｔ以上であるとき、出力を切り離してセルスタック１０Ｓを保護停止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電セルを積み重ねて直列に接続したセル積層体を備えた燃料電池装置、詳しくは温度検知によって発電セルの異常を速やかに察知して必要な保護を行う技術に関する。

燃料電池装置は、体積あたり、重量あたりのエネルギー量が従来の電池に比べて格段に大きく、燃料を再充填すれば装置自体は繰り返し使用できる。従って、長時間連続使用が可能な携帯電子機器の電源装置として、携帯電話、ノート型パソコン等への応用が期待されている。

燃料電池装置は、発電セルの単セル当たりの起電力が低いので、発電セルを積み重ねて直列接続したセル積層体（セルスタック）として組み立てられる。発電セルは、電解質層を挟んで触媒層が配置され、触媒層に重ねて燃料が供給される燃料拡散層と、酸素が供給される酸化剤拡散層とが配置される。

電解質層として固体高分子電解質膜を採用し、水素ガスと空気中の酸素とを反応させる燃料電池装置の例では、燃料拡散層によって触媒層に供給された水素ガスが触媒反応によってプロトンと電子に分離され、プロトンは固体高分子電解質膜に侵入する。一方、酸化剤拡散層によって触媒層に供給された酸素は、固体高分子電解質膜中を通過してきたプロトンと触媒反応によって化合して水分子を生成する。この過程で電子の流れ、即ち電力が生成される。

水素と酸素で発電する燃料電池においては、単セルあたりの理論電圧値は約１．２３Ｖであるが、出力電流が大きくなるほど、電圧は低下していく。これは、燃料電池内部の様々な過電圧によるものである。主なものとして、触媒活性に依存する活性過電圧、電解質膜の抵抗や部材の接触抵抗等に依存する抵抗過電圧、ガスや水などの物質移動に依存する拡散過電圧が知られている。これらの過電圧が大きいほど内部損失分のエネルギーが大きくなるが、損失分のエネルギーは熱として放出されるため、発電セルの温度を上昇させる。

水素と酸素とが水分子を生成する際の化学エネルギーのうち、電気エネルギーとして外部に取り出せなかった内部損失分のエネルギーは熱として放出され、発電セルの温度を上昇させる。過電圧が大きく内部損失の大きな発電セルほど、同じ電流に対しての起電力が小さく、発熱量が大きくなる。駆動に際して発熱量が過度に蓄積されると、高温となり、ドライアウトによる発電特性の低下、材料の腐食・分解の加速、構成部材の熱膨張による発電セルの損傷等の問題が生じてくる。発電セルを積み重ねて直列接続したセルスタックにおいては、各セル間を流れる電流は揃えられている。このため、一部セルにおいて過電圧が大きく発熱量が大きな場合は、該セルにおいて他のセルよりも高温化し、特性の低下や損傷といった問題が優先的に生じてくる恐れがある。仮に一部セルが通常運転に必要な電流を通電できないまでに劣化した場合は、セルスタック全体が発電不能となってしまう。

特許文献１には、発電セルを積み重ねて直列に接続したセル積層体を備えた燃料電池装置が示される。ここでは、直列に接続されたそれぞれの発電セルの起電力を検知して、その１つでも起電力が予め定めた限界起電力を割り込むと、セル積層体の出力を停止する。これにより、過電圧の大きな発電セルにおける過度の発熱の進行を停止させ、発電セルを保護している。

特開平６−２４３８８２号公報

特許文献１に示される方法によれば、起電力の低下した発電セルを確実に発見できるが、直列接続によって２本の出力端子しか必要としないセル積層体から多数の電圧検知用の端子を取り出す必要がある。それぞれの端子に接続した配線を引き回して、電圧検知回路の独立した端子に接続する必要がある。多数の独立した端子を有する電圧検知回路は小型化が難しいので、小さな電池パッケージに収納すると、燃料タンクやセル積層体の収納スペースが失われてしまう。また、複数の発電セルの起電力を常時監視する演算負荷が大きいため、燃料電池装置の運転を制御する制御回路の部品コストや消費電力が増えてしまう。

ここで、２〜３層の発電セルをグループ化して、グループごとに起電力を測定すれば端子は減らせるが、１つの発電セルの起電力が低下した際に測定値が下がる割合は少なくなって検知精度は低下してしまう。

本発明は、発電セルの過度の発熱の進行を速やかに停止させるシステムを小型低コストに設置できる燃料電池装置を提供することを目的としている。そして、そのようなシステムを小さな電池パッケージに組み込んでも、パッケージ内の大きな容積を燃料タンクやセルスタックに割り当て可能な燃料電池装置を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池装置は、電解質層を挟んで燃料極と酸化剤極とを配置した発電セルを積み重ねて直列に接続したセル積層体を備えたものである。そして、前記セル積層体の中から選択された発電セルに配置されて温度を検知する温度検知手段と、予め定めた限界温度よりも前記温度が高い場合に、前記セル積層体の運転を抑制させる抑制手段とを備える。

本発明の燃料電池装置では、１つ１つの発電セル（またはグループ）の起電力を計測して、起電力が低下した発電セルを特定する代わりに、直列に接続された複数の発電セルのどれかで過度の発熱が始まったか否かを温度検知によって判別する。例えば、ある発電セルにおいて、燃料あるいは酸化剤の不足により過電圧が増大した場合、該当する発電セルの電圧は低下して発熱量が増加する。即ち、起電力の低下と温度上昇とで相関があり、温度検知によってセルスタック内部に、過電圧の大きなセルが存在することが分かる。

また、温度検知手段が配置されない発電セルの高温も、熱伝導によって温度検知手段の配置された発電セルの温度上昇を引き起こすので、温度検知によって、離れた発電セルでの過度の発熱を検知できる。

これに対して、特許文献１に示されるような、電圧検知の場合は、隣接していても電圧セルごとで起電力は独立しているので、１つの発電セルにおける過度の発熱を隣接する発電セルの起電力からは容易に判断できない。

ところで、電圧検知を温度検知に置き換えた場合、発電セルにおける過度の発熱と温度検知手段における温度上昇との間にタイムラグを生じるので、限界温度に達するのを待っていたのでは過度の発熱への対処が手遅れになる可能性がある。そこで、昇温速度を検知して、昇温速度が限界昇温速度を越えている場合には、将来限界温度に達するのは確実と判断して、限界温度に達した場合と同様に、セル積層体全体の運転を抑制（例えば出力の緊急停止）することが望ましい。

従って、配線や端子が少なくて演算負荷も軽い温度検知システムによって、セル積層体の１つの発電セルにおける過度の発熱を速やかに検知できる。そして、特性の低下や損傷を引き起こす以前にセル積層体の運転を抑制して、発電セルを確実に保護できる。

従って、発電セルの過度の発熱の進行を速やかに停止させるシステムを小型低コストに設置できる。そのようなシステムを小さな電池パッケージに組み込んでも、パッケージ内の大きな容積を燃料タンクやセル積層体に割り当て可能である。

以下、本発明の燃料電池装置の一実施形態である燃料電池装置１０について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池装置は、以下に説明する燃料電池装置１０の限定的な構成には限定されず、積層された発電セル間で熱伝導を生じる限りにおいて、燃料電池装置１０の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。

本実施形態では、燃料として水素を利用する例を説明するが、他の燃料、他の酸化剤を利用してもよい。水素ガスの供給は、タンク３に代えて、改質装置を利用してメタノール等の液体燃料、その他の気体燃料、固体燃料から発生させてもよい。

本実施形態では、酸化剤として大気中の酸素を取り入れて利用する例を説明するが、酸化剤として、酸素に相当する別の酸化作用のある物質を利用してもよい。また、酸素を酸化剤として利用する場合には、大気から取り入れる代わりに、酸素ガスのボンベや酸素ガスの発生装置をセルスタック１０Ｓに接続して、そこから酸素を供給させてもよい。

過度の発熱への対処は、全面停止には限定されず、並列な負荷の選択的な切り離し等による負荷低減としてもよく、負荷の制御方法は、出力回路の遮断には限定されず、燃料供給や酸化剤供給の停止としてもよい。

なお、特許文献１に示される燃料電池装置の構造、発電セルの材料と組み立て構造、動作原理、製造方法、運転条件等については、本発明の趣旨と隔たりがあるので、一部図示を省略して詳細な説明も省略する。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態の燃料電池装置におけるセルスタックの構成の説明図、図２は制御回路における保護停止制御のフローチャートである。図３は発電セルの電流Ｉ−電圧Ｖ曲線の説明図、図４は停止判定値ΔＴｃｕｔの設定の説明図、図５は第１実施形態の燃料電池装置のシステムのブロック図である。なお、図１は、構造を見易くするために、厚み方向に誇張して図示されており、実際には、１セル当たりの厚みは３ｍｍ程度、発電セル１０Ｓを９層重ねたセルスタック１０Ｓは、図示しない両端の締結構造を含めて３０ｍｍ程度である。これにより、温度検知素子５が配置されない発電セル１における発熱も、熱伝導によって十分な応答速度で温度検知素子５の検知温度を上昇させる。

図１に示すように、第１実施形態の燃料電池装置１０は、複数の発電セル１を積み重ねて直列に接続したセルスタック１０Ｓを備えている。複数の発電セル１は、不図示の締め付けネジを用いて積層方向に圧力をかけた状態でセルスタック１０Ｓに組み立てられている。

同じ発電セル１内の触媒層２２、２４は、相互に電気的に絶縁された状態で組み立てられており、高分子電解質膜２３によって隔てられて相互の電子移動を妨げられている。隣接する発電セル１の触媒層２２と触媒層２４とは、それぞれ導電性の拡散層２１、セパレータ２６、および拡散層２５によって電気的に接続されている。

拡散層２１、２５は、カーボンクロスやカーボンペーパー、或いは、高い空孔率を有するスポンジ状組織の金属材料で形成される。拡散層２１は、燃料ガス流路２７を通じてタンク３から供給された水素ガスを触媒層２２の表面全体に行き渡らせる。拡散層２５は、周囲が大気４に解放されていて、大気４中の酸素を触媒層２４の表面全体に行き渡らせる。

セパレータ２６は、金属の平板で形成され、拡散層２１を拡散層２５から遮断して、水素ガスを大気４側へ漏らさない。燃料ガス流路２７は、図示しない複数の部品を積み重ねて形成され、部品同志の接触部分には、拡散層２１以外の部分で燃料ガス流路２７を密封するために必要なシール処理が施されている。

触媒層２２、２４は、カーボン材料表面に白金微粒子を分散担持した白金担持カーボン粒子から形成される。触媒層２２は、拡散層２１から供給された水素を触媒反応によってプロトンと電子に分離し、プロトンは高分子電解質膜２３内を移動する。触媒層２４は、拡散層２５から供給された酸素と、高分子電解質膜２３中を通過してきたプロトンとを触媒反応によって化合させて、水分子を生成する。

セルスタック１０Ｓを構成する複数の発電セル１は、直列に接続されているので、それぞれの発電セル１には等しい出力電流が流れる。しかし、個々の発電セル１の発電特性が等しい場合でも、セルスタック１０Ｓ内部においては、温度が上昇し易い箇所、或いは、燃料供給が不足しやすいような箇所が存在する可能性がある。通常運転時において、このような箇所の一部発電セルにおいては、他のセルよりも熱量の蓄積が大きくなる。

そして、駆動に対して発熱量が過度に蓄積されると、高温となり、ドライアウトによる発電特性の低下、材料の腐食・分解の加速、構成部材の熱膨張による発電セル１の損傷等の問題が生じてくる。発電セル１を積み重ねて直列接続したセルスタック１０Ｓにおいては、各発電セル１間を流れる電流は揃えられている。このため、一部発電セル１において過電圧が大きく発熱量が大きな場合は、該発電セル１において他の発電セル１よりも高温化し、特性の低下や損傷といった問題が優先的に生じてくる恐れがある。仮に一部発電セル１が通常運転に必要な電流を通電できないまでに劣化した場合は、セルスタック１０Ｓ全体が発電不能となってしまう。

そこで、第１実施形態の燃料電池装置１０では、運転中の温度が端部に比較して高まり易いセルスタック１０Ｓの中央部の発電セル１のセパレータ２６上に、過度の発熱を検知するための温度検知素子（サーミスタ）５を配置している。ここで、中央の発電セル１で温度検知を行う理由は、セルスタック１０Ｓの運転中に両端よりも温度が高まり易く、最高温度を検知して管理し易いからである。

温度検知素子５は、温度検知素子５を配置した発電セル１を中心とする前後の複数の発電セル１のいずれかで過度の発熱が始まった際の高温や昇温を検知できる。温度検知素子５が出力するアナログ電圧は、出力回路５ａによってデジタル値に変換される。制御回路６は、出力回路５ａの出力を読み取って発電セル１の温度を検出し、図２に示すフローチャートの制御を実行して、セルスタック１０Ｓにおける過度の発熱を確実に検知して、セルスタック１０Ｓの運転を保護停止させる。

図２に示すように、制御回路６は、温度検知素子５が検知した発電セル１の温度を１秒ごとに読み込んで（Ｓ１１）、予め設定された限界温度（停止判定値Ｔｃｕｔ）以上か否かを判別する（Ｓ１２）。

そして、停止判定値Ｔｃｕｔ以上の場合（Ｓ１２のＹＥＳ）、セルスタック１０Ｓの運転を保護停止する（Ｓ１５）。しかし、停止判定値Ｔｃｕｔ未満の場合（Ｓ１２のＮＯ）、現在の温度Ｔから１秒前の温度Ｔａを差し引いて昇温速度ΔＴを演算して（Ｓ１３）、予め設定された限界昇温速度（停止判定値ΔＴｃｕｔ）以上か否かを判別する（Ｓ１４）。昇温速度ΔＴは、そのときの出力電流に応じて設定される（図４参照）。昇温速度ΔＴが停止判定値ΔＴｃｕｔ以上の場合（Ｓ１４のＹＥＳ）、制御回路６は、セルスタック１０Ｓの運転を保護停止する（Ｓ１５）。

図４に示すように、停止判定値ΔＴｃｕｔ（破線）は、セルスタック１０Ｓの出力電流Ｉに応じた値に設定されている。制御回路６は、セルスタック１０Ｓが出力している電流Ｉを検知して、後述する手順に従って電流Ｉに対応する停止判定値ΔＴｃｕｔを演算する。

温度検知素子５が配置されていない発電セル１が過度の発熱を起こした場合、温度検知素子５が配置された発電セル１の温度Ｔが停止判定値Ｔｃｕｔ未満であっても、大きな確率で、昇温速度ΔＴが停止判定値ΔＴｃｕｔ以上となる（Ｓ１４のＹＥＳ）。従って、制御回路６は、この過度の発熱を見逃すことなく検知して、セルスタック１０Ｓの運転を保護停止する（Ｓ１５）。これにより、発電セル１の特性の低下や損傷をきたす以前に、過度の発熱が確実に停止される。

言い換えれば、制御回路６は、セルスタック１０Ｓから検出された温度Ｔが停止判定値Ｔｃｕｔ以上、または温度Ｔの昇温速度ΔＴが、セルスタック１０Ｓの出力電流値Ｉによって決定される停止判定値ΔＴｃｕｔ以上なら、電優出力を停止させる。これらに合致する場合には、いずれかの発電セル１で過電圧が増大したものと判定し、セルスタック１０Ｓを負荷から切り離すことにより、電優出力を停止させる。ここで、過電圧増大の要因としては、例えば、燃料（水素ガス）あるいは酸化剤（酸素）の不足が生じたものと考えられる。

図５に示すように、第１実施形態の燃料電池装置１０は、固体高分子型燃料電池の発電セル１を９セル積層し、直列に接続してスタック１０Ｓを構成している。スタック１０Ｓの積層方向に対し、中央部に当たる発電セル１の温度Ｔを検出すべく温度検知素子５（出力回路５ａ含む）を設置し、制御回路６は、検出した温度Ｔからスタック２の昇温速度ΔＴを算出している。

図３は、スタック１０Ｓに、燃料として一定圧力の水素ガスを、酸化剤として一定圧力の空気を、それぞれ使用した場合の電流Ｉ−電圧Ｖ曲線１１を示している。図４は、電流Ｉ−電圧Ｖ曲線１１に対応する電流Ｉ−昇温速度ΔＴ曲線１２を示している。

図３、図４から明らかなように、電流Ｉ値の増加に伴い、電圧Ｖが低下し、昇温速度ΔＴが増加している。すなわち、電圧Ｖが低下すると、電気エネルギーに変換されなかったエネルギーが増加し、これにより、発電セル１の発熱量が増加して、昇温速度ΔＴが増加する。ここで、任意の電流値Ｉ_０に対応する電流Ｉ−昇温速度ΔＴ曲線１２上の昇温速度ΔＴ_０を、縦軸上方に任意の値Δｔ_０だけ平行移動した値を、任意の電流値Ｉ_０に対する停止判定値ΔＴ_０ＣＵＴとしている。

これにより、発熱量の増加により、昇温速度ΔＴが通常発電時からΔｔ_０だけ逸脱するのに対応した電圧低下をもって、停止判定を下すことができる。また、任意の値Δｔ_０を、電流値Ｉ_０に従って個別に設定することで、全ての出力電流Ｉ域において、精度よく燃料あるいは酸化剤の不足を検出することができる。

従って、昇温速度ΔＴの計画曲線を電流Ｉ−昇温速度ΔＴ曲線１２のごとく設定し、任意の電流Ｉ値に対する前記計画曲線上の値、すなわち、昇温速度ΔＴの計画値に対し、これより一定値Δｔ_０高い値を、昇温速度の停止判定値ΔＴｃｕｔとする。これにより、燃料あるいは酸化剤の不足が生じた場合、電流値に基づいた一定の電圧低下をもって発電を保護停止する機能を得ることができる。

図５に示すように、第１実施形態の燃料電池装置１０は、図１に示したスタック１０Ｓと、燃料の水素ガスを供給するタンク３とを備え、酸化剤としての酸素は大気４から供給される。温度検知素子５が検出した温度Ｔは、制御回路６が図２に示した処理に従って判定され、制御回路６は、保護停止を判定すると、給電回路７を遮断して、セルスタック１０Ｓの発電を保護停止する。

制御回路１０は、発電セル１の温度Ｔが、停止判定値Ｔｃｕｔに至ると発電を保護停止し、また、発電セル１の昇温速度ΔＴが、電流値に従って設定する停止判定値ΔＴｃｕｔに至っても発電を保護停止する。これにより、燃料あるいは酸化剤の不足に伴う発熱により、燃料電池が劣化・損傷することを回避できる。

なお、図５に示す燃料電池装置１０では、固体高分子型燃料電池の発電セル１を使用した場合について記載したが、本発明は、特に固体高分子電解質膜を用いた燃料電池装置には限定されない。燃料あるいは酸化剤の不足により電圧Ｖが低下し、発熱が促進されて、その結果、セルスタックの温度Ｔが上昇し、昇温速度ΔＴが増加する燃料電池装置であればよい。発電セル間に熱伝導を生じる限りにおいて、例えば、アルカリ電解質燃料電池やリン酸型燃料電池を用いた場合にも、上述した効果と同様の効果を期待できる。

＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態の燃料電池装置のシステムのブロック図、図７は制御回路における保護停止制御のフローチャートである。第２実施形態の燃料電池装置２０は、発電セル１を第１実施形態よりも多数積み重ねてセルスタック２０Ｓを構成する。また、セルスタック２０Ｓの中央に加えて両端部にも温度検知素子５Ａ、５Ｃを配置し、セルスタック２０Ｓのいずれかの発電セル１における過度の発熱を検知する。しかし、発電セル１の構成と動作は第１実施形態と同一であるので、図１〜図５と共通する構成には共通の符号を付して詳細な説明を省略する。

図６に示すように、第２実施形態の燃料電池装置は、発電セル１の積層体からなるセルスタック２０Ｓと、燃料の水素ガスを供給するタンク３とを備え、酸化剤としての酸素は大気４から供給される。第２実施形態の燃料電池装置２０は、セルスタック２０Ｓの温度を３箇所で検出する３つの温度検知素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃと、制御回路６Ｂと、給電回路７とを備える。

セルスタック２０の中央の発電セル１と、上下の端からそれぞれ２つ目の発電セル１には、第１実施形態と同様な形式で温度検知素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃ（出力回路含む）が配置されて制御回路６Ｂに接続されている。ここで、セルスタック２０の上部の発電セル１で温度検知を行う理由は、セルスタック２０Ｓの収納容器の最奥部に位置して酸素不足になり易いからである。また、セルスタック２０Ｓの下部の発電セル１で温度検知を行う理由は、タンク３から遠くて燃料不足になり易いからである。これらの要因は、発電セルの過電圧を増大させ、結果、発熱量を増大させる。また、中央の発電セル１で温度検知を行う理由は、第１実施形態と同じく、セルスタック２０Ｓの運転中に両端よりも温度が高まり易いからである。

制御回路６Ｂは、温度検知素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの出力を読み取って、セルスタック２０Ｓにおける上部の発電セル１と中央部の発電セル１と下部の発電セル１とのそれぞれにおける温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣを検知する。そして、図７に示すフローチャートの制御を実行して、セルスタック２０Ｓにおける過度の発熱を検知すると、給電回路７を遮断して、セルスタック２０Ｓの運転を保護停止させる。

図７に示すように、制御回路６Ｂは、温度検知素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃがそれぞれ検知した温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣを所定時間ごとに読み込んで（Ｓ２１）、温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣのいずれかが停止判定値Ｔｃｕｔ以上か否かを判別する（Ｓ２２）。

そして、いずれかが停止判定値Ｔｃｕｔ以上の場合（Ｓ２２のＹＥＳ）、セルスタック２０Ｓの運転を保護停止する（Ｓ２５）。しかし、いずれも停止判定値Ｔｃｕｔ未満の場合（Ｓ２２のＮＯ）、現在の温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣから１秒前のそれぞれの温度ＴＡａ、ＴＢａ、ＴＣａを差し引いて昇温速度ΔＴＡ、ΔＴＢ、ΔＴＣを演算する（Ｓ２３）。昇温速度ΔＴＡ、ΔＴＢ、ΔＴＣは、そのときの出力電流に応じて設定される（図４参照）。

そして、昇温速度ΔＴＡ、ΔＴＢ、ΔＴＣのいずれかが停止判定値ΔＴｃｕｔ以上か否かを判別する（Ｓ２４）。昇温速度ΔＴＡ、ΔＴＢ、ΔＴＣのいずれかが停止判定値ΔＴｃｕｔ以上の場合（Ｓ２４のＹＥＳ）、制御回路６Ｂは、セルスタック２０Ｓの運転を保護停止する（Ｓ２５）。

中央から遠い温度検知素子５Ａ、５Ｃが配置されていない発電セル１が過度の発熱を起こした場合、温度検知素子５Ａが配置された発電セル１の昇温速度ΔＴＡまたは温度検知素子５Ｃが配置された発電セル１の昇温速度ΔＴＣが、大きな確率で、昇温速度ΔＴが停止判定値ΔＴｃｕｔ以上となる（Ｓ２４のＹＥＳ）。

従って、制御回路６Ｂは、この過度の発熱を早期に検知して、セルスタック２０Ｓの運転を保護停止する（Ｓ２５）。これにより、過度の発熱を開始した発電セル１の特性の低下や損傷をきたす以前に、この過度の発熱が確実に停止される。

そして、第１実施形態の１個よりは多いが、特許文献１に示すようにそれぞれの発電セルで起電力を計測する場合に比較して、はるかに少ない配線、制御回路のポート数、少ない演算負荷で、同等な熱的検知精度を実現できる。

図６に示すように、第２実施形態の燃料電池装置２０は、温度検知素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃを、セルスタック２０Ｓの積層方向に対して複数の箇所に設置している。そして、いずれの発電セル１において燃料（水素ガス）あるいは酸化剤（酸素）の不足が生じた場合でも、近傍の温度検知素子５Ａ、５Ｂ、５Ｃの温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＣあるいは昇温速度ΔＴＡ、ΔＴＢ、ΔＴＣが変化し、制御回路６Ｂがこれを検知する。このため、早期にセルスタック２０Ｓの発電を保護停止できる。

なお、燃料電池装置に配置される温度検知素子の個数は、第１実施形態における１個にも、第２実施形態における３個にも限定されない。燃料電池装置のセルスタックを構成する発電セル１の積層数と温度検知素子の個数とは、セルスタックを構成するいずれかの発電セル１において過度の発熱が開始されたとき、これを検知できる限りであれば、特に限定されるものではなく、上述した効果と同様の効果を期待できる。

また、第１実施形態および第２実施形態では、いずれも過度の発熱の開始が判断されると、給電回路７を遮断して、セルスタックの電流出力を完全停止させる制御を行っている。また、一部セルで生じる過度の発熱による高温が限界温度以下になる程度に電流出力を下げる制御としてもよい。複数の出力負荷に電力供給する場合、優先度の低い負荷を切り離す制御としてもよい。

また、燃料電池装置から過度の発熱の開始を警告する信号を外部に出力させて、燃料電池装置の外部に接続された負荷制御装置が負荷を軽減または停止する制御を行ってもよい。例えば、給電回路７が外部負荷の運転を停止させることにより、燃料電池装置を保護停止するなど、他の方法を用いた場合においても、上述した効果と同様の効果を期待できる。

また、本発明は、セルスタックの温度と昇温速度との値を用いて、燃料あるいは酸化剤の不足を判定できるものであるため、燃料供給部及び酸化剤供給部の設置個所、並びに、燃料あるいは酸化剤の供給方法については、特に限定されない。例えば、ポンプやコンプレッサーにより、燃料あるいは酸化剤をセルスタックに導入する方法がある。紙、木綿、ガラス等の有機あるいは無機繊維材料や、アクリル、ナイロン等の合成繊維を基材とした毛細管材料の毛管力で、液体燃料を導入する方法もある。また、外気を供給源として自然吸気により酸化剤となる空気を導入する方法等を用いてもよい。いずれにせよ、上述した効果と同様の効果を期待できる。

＜第３実施形態＞
第１実施形態では、スタックセル１０Ｓの運転中に温度の高まり易い発電セル１に温度検知素子５を配置した。また、第２実施形態では、スタックセル２０Ｓの運転中に燃料供給が不足し易い発電セル１や酸素供給が不足し易い発電セル１に温度検知素子５Ａ、５Ｃを配置した。これらは、過度の発熱の熱が少しでも早く温度検知素子に届くように工夫したものである。しかし、逆に意図的に過度の発熱を発生し易くした発電セルをセルスタック中の都合の良い位置に配置して、過度の発熱を発生し易くした発電セルに温度検知素子を配置してもよい。第３実施形態では、図５を参照して、第１実施形態の燃料電池装置１０において、このような意図的な組み立てを行った例を説明する。

第３実施形態の燃料電池装置では、温度検知素子５を配置した発電セル１の燃料供給路あるいは酸化剤供給路の流路抵抗を意図的に増やしてセルスタック１０Ｓを構成している。つまり、予め特定の発電セル１で燃料あるいは酸化剤が優先的に不足し、過電圧の増大による発熱量の増加が他の発電セルよりも早く進行するようにしている。そして、そのような発熱し易い発電セル１の温度Ｔを検知して、第１実施形態と同様な制御によって過度の発熱の開始を判断し、過度の発熱が判断されるとセルスタック１０Ｓを保護停止させている。

これにより、前記した発電セル１において優先的に進行した発熱を温度検知素子５が効率良く検出するため、より早期に燃料あるいは酸化剤の不足を検知し、燃料電池装置１０の発電を保護停止することができる。

なお、燃料あるいは酸化剤の供給量を調整し、特定の発電セル１で燃料あるいは酸化剤の不足を優先的に生じさせる別の手段としては、燃料あるいは酸化剤の濃度を調整して発電セル１に供給する方法も採用できる。ガス状の燃料あるいは酸化剤を使用する場合には、それらの圧力を調整して発電セル１に供給する方法も採用できる。外気に向けて開放された吸気口を供給部とし、自然吸気によって空気を取り入れる場合には、吸気口の面積を変更する方法も採用できる。これら以外の方法も採用できる。

本実施形態では、過度の発熱を引き起こす過電圧の要因がセルスタックの一部の発電セルにおいて燃料あるいは酸化剤が不足したことによる場合、該当する発電セルの電圧が低下して、セルスタックの発熱量が増加し、これが昇温速度に反映される。このため、燃料あるいは酸化剤の不足を検知することができる。発熱量の増加量は、電圧低下の値と電流値によって決定されるため、電流値に従って昇温速度の停止判定値を設定すると、全ての出力電流域において、精度よく燃料あるいは酸化剤の不足を検出することが可能となる。

さらに、軽微な燃料あるいは酸化剤の不足が生じ、顕著な電圧低下を伴わずにスタックの温度が上昇した場合であっても、同一の検出器を用いてスタックの最高温度を管理できる。このため、簡易なシステムにより、燃料あるいは酸化剤の不足を検知し、スタックの損傷を回避することが可能となる。

また、スタックを構成する特定の単セルにおいて、燃料あるいは酸化剤の不足が優先的に発生し、発熱が進行するよう構成されたスタックにおいて、少なくとも上記した特定の単セルの温度を検知する。これにより、より早期に燃料あるいは酸化剤の不足を検知することが可能となる。そして、燃料あるいは酸化剤の不足を検知して、燃料あるいは酸化剤の不足に伴う発熱により、燃料電池が劣化・損傷することを回避できる。

＜発明との比較＞
第１実施形態の燃料電池装置１０は、高分子電解質膜２３を挟んで触媒層２２と触媒層２４とを配置した発電セル１を積み重ねて直列に接続したセルスタック１０Ｓを備えている。そして、セルスタック１０Ｓの中から選択された発電セル１に配置されて温度Ｔを検知する温度検知素子５と、温度検知素子５の出力から前記選択された発電セル１の昇温速度ΔＴを演算する昇温速度演算（Ｓ１３）と、予め定めた限界温度Ｔｃｕｔよりも温度Ｔが高い場合と、予め定めた限界昇温速度ΔＴｃｕｔよりも昇温速度ΔＴが高い場合とのいずれかに該当するとセルスタック１０Ｓの運転を抑制する制御回路６とを備える。

燃料電池装置１０では、１つ１つの発電セル１の起電力を計測して、起電力が低下した発電セル１を特定する代わりに、直列に接続された複数の発電セル１のどれかで過度の発熱が始まったか否かを温度検知によって判別する。起電力の低下と温度上昇とは一体不分離だし、開始した過度の発熱を停止させるには、セルスタック１０Ｓ全体の運転を抑制するしかないので、そもそも発電セル１を特定する必要は無いのである。

また、温度検知素子５が配置されない発電セル１の高温も、熱伝導によって温度検知素子５の配置された発電セル１の温度上昇を引き起すので、温度検知によって、離れた発電セル１での過度の発熱の開始を検知できる。しかし、電圧検知の場合は、隣接していても電圧セルごとで起電力は独立しているので、１つの発電セル１における過度の発熱の開始を隣接する発電セル１の起電力からは判断できない。

ところで、電圧検知を温度検知に置き換えた場合、発電セル１における過度の発熱の開始と温度検知素子５における温度上昇との間にタイムラグを生じるので、限界温度に達するのを待っていたのでは過度の発熱への対処が手遅れになる可能性がある。そこで、昇温速度を検知して、昇温速度が限界昇温速度を越えている場合には、将来限界温度に達するのは確実と判断して、限界温度に達した場合と同様に、セルスタック１０Ｓ全体の運転を緊急停止する。

従って、配線や端子が少なくて演算負荷も軽い温度検知システムによって、セルスタック１０Ｓの１つの発電セル１における過度の発熱の開始を速やかに検知できる。そして、手遅れになる以前にセルスタック１０Ｓの運転を停止させて、発電セル１を確実に保護できる。

燃料電池装置１０における限界昇温速度ΔＴｃｕｔは、図４に示すように、セルスタック１０Ｓの出力電流値Ｉに応じて定められ、出力電流値Ｉが高い場合には低い場合よりも大きく設定される。

第１実施形態で温度検出される発電セル１は、セルスタック１０Ｓを通常運転した際に温度Ｔが他の発電セル１よりも高くなる発電セル１である。

第２実施形態で温度検出される発電セル１は、セルスタック２０Ｓを通常運転した際に燃料供給と酸化剤供給との少なくとも一方が他の発電セル１よりも困難になる発電セル１である。

第１実施形態で温度検出される発電セル１は、セルスタック１０Ｓを通常運転した際に温度Ｔが他の発電セル１よりも高くなる発電セル１である。

第２実施形態の燃料電池装置２０では、温度検出される発電セル１は、別の発電セル１を挟んでセルスタック２０Ｓに複数配置される。

燃料電池装置１０は、セルスタック１０Ｓの出力電流を強制的に低下させる給電回路７を備え、制御回路６は、給電回路７を制御してセルスタック１０Ｓの出力電流を低下させる。

燃料電池装置１０における給電回路７は、セルスタック１０Ｓに対する燃料供給を強制的に減少させる燃料供給電磁弁に置き換えて、制御回路６は、燃料供給電磁弁を制御してセルスタック１０Ｓへの燃料供給を遮断して保護停止させてもよい。

第３実施形態の燃料電池装置は、高分子電解質膜２３を挟んで触媒層２２と触媒層２４とを配置した発電セル１を積み重ねて直列に接続したセルスタック１０を備える。通常運転した際の温度が他の発電セル１よりも高くなるよう意図的に配置された発電セル１に温度検知素子５を配置する。そして、温度検知素子５の検知温度が予め定めた限界温度よりも高い場合と、検知温度の上昇速度が予め定めた限界昇温速度よりも高い場合とのいずれかに該当すると、セルスタック１０の運転を停止させて発電セル１を保護する。

これにより、配線や制御回路の配置を優先して、温度検知する発電セル１を任意の位置に配置できる。また、意図せざる位置で過度の発熱を生じる可能性を減らして、燃料供給等の問題発生を確実に検知できる。

燃料電池装置１０は、高分子電解質膜２３を挟んで触媒層２２と触媒層２４とを配置した発電セル１を積み重ねて直列に接続したセルスタック１０を備える。その運転方法では、発電セル１の温度が予め定めた限界温度よりも高い場合と、発電セル１の温度上昇速度が予め定めた限界昇温速度よりも高い場合とのいずれかに該当すると、セルスタック１０Ｓの運転を停止させて発電セル１を保護する。

本発明の燃料電池装置によれば、セルスタック内の一部セルにおいて過度の発熱を引き起こしたとしても、温度検出によって速やかに該現象を検知し、燃料電池の発電を保護・停止することができる。

第１実施形態の燃料電池装置におけるセルスタックの構成の説明図である。 第１実施形態の制御回路における保護停止制御のフローチャートである。 発電セルの電流Ｉ−電圧Ｖ曲線の説明図である。 停止判定値ΔＴｃｕｔの設定の説明図である。 第１実施形態の燃料電池装置のシステムのブロック図である。 第２実施形態の燃料電池装置のシステムのブロック図である。 第２実施形態の制御回路における保護停止制御のフローチャートである。

符号の説明

１ 発電セル
３ 燃料供給部（タンク）
４ 酸化剤供給部（大気）
５ 温度検知手段（温度検知素子）
６ 制御手段（制御回路）
７ 出力低下手段（給電回路）
１０、２０ 燃料電池装置
１０Ｓ、２０Ｓ セル積層体（セルスタック）
２２ 燃料極（触媒層）
２３ 電解質層（高分子電解質膜）
２４ 酸化剤層（触媒層）

Claims (10)

1. 電解質層を挟んで燃料極と酸化剤極とを配置した発電セルを積み重ねて直列に接続したセル積層体を備えた燃料電池装置において、
   前記セル積層体の中から選択された発電セルに配置されて温度を検知する温度検知手段と、
   予め定めた限界温度よりも前記温度が高い場合に、前記セル積層体の運転を抑制させる抑制手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記温度検知手段の出力から前記選択された発電セルの昇温速度を演算する昇温速度検知手段を備え、
   前記抑制手段は、前記限界温度よりも前記温度が低い場合でも、予め定めた限界昇温速度よりも前記昇温速度が高い場合には、前記セル積層体の運転を抑制することを特徴とする燃料電池装置。
3. 前記限界昇温速度は、前記セル積層体の出力電流値に応じて定められ、前記出力電流値が高い場合には低い場合よりも大きく設定されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池装置。
4. 前記選択された発電セルは、前記セル積層体を通常運転した際に燃料供給と酸化剤供給との少なくとも一方が他の発電セルよりも困難になる発電セルであることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の燃料電池装置。
5. 前記選択された発電セルは、前記セル積層体を通常運転した際に温度が他の発電セルよりも高くなる発電セルであることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の燃料電池装置。
6. 前記選択された発電セルは、別の発電セルを挟んで前記セル積層体に複数配置されることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の燃料電池装置。
7. 前記セル積層体の出力電流を強制的に低下させる出力低下手段を備え、
   前記抑制手段は、前記出力低下手段を制御して前記セル積層体の出力電流を低下させることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料電池装置。
8. 前記セル積層体に対する燃料供給を強制的に減少させる燃料供給減少手段を備え、
   前記抑制手段は、前記燃料供給減少手段を制御して前記セル積層体への燃料供給を低下させることを特徴とする請求項１乃至６いずれか１項記載の燃料電池装置。
9. 固体高分子電解質層を挟んで燃料極と酸化剤極とを配置した発電セルを積み重ねて直列に接続したセル積層体を備えた燃料電池装置において、
   通常運転した際の温度が他の発電セルよりも高くなるよう意図的に形成もしくは配置された発電セルに温度検知手段を配置し、
   前記温度検知手段の検知温度が予め定めた限界温度よりも高い場合と、前記検知温度の上昇速度が予め定めた限界昇温速度よりも高い場合とのいずれかに該当すると、前記セル積層体の運転を停止させる制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
10. 固体高分子電解質層を挟んで燃料極と酸化剤極とを配置した発電セルを積み重ねて直列に接続したセル積層体を備えた燃料電池装置において、
    前記発電セルの温度が予め定めた限界温度よりも高い場合と、前記発電セルの温度上昇速度が予め定めた限界昇温速度よりも高い場合とのいずれかに該当すると、前記セル積層体の運転を停止させる制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池装置。
    

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