JP2008305696A

JP2008305696A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法

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Publication number: JP2008305696A
Application number: JP2007152393A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Tanaka; 泰明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-08
Filing date: 2007-06-08
Publication date: 2008-12-18
Anticipated expiration: 2027-06-08
Also published as: JP5145778B2

Abstract

【課題】低温環境時でも燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法を提供する。
【解決手段】発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、前記燃料電池積層体は、前記燃料電池積層体の積層方向中央部に少なくとも１つ以上配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に少なくとも１つ以上配置される端部燃料電池セルとを有し、前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを前記中央部燃料電池セルと前記端部燃料電池セルとから選択し、切換えるセル切換え手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法の技術に関するものである。

燃料電池積層体は、燃料電池セルを複数積層して構成される。また、燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極（アノード極及びカソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリを挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。燃料電池セルの発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素ガスが水素イオン及び電子に分解され、水素イオンは電解質膜中を通りカソード極側に、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。

このような燃料電池セルは、比較的高温（例えば、７０℃〜９０℃）で発電する。しかし、燃料電池積層体では、積層方向端部に配置される燃料電池セル（端部燃料電池セル、以下端部セルと呼ぶ）は、積層方向中央部に配置される燃料電池セル（中央部燃料電池セル、以下中央部セルと呼ぶ）より放熱量が多く、温度が低下し易いため、発電性能を低下させる場合がある。また、温度の低い端部セルでは、発電時に生成した水が残留し易い。

そして、燃料電池積層体が氷点下の温度環境に晒される場合には、燃料電池セル（中央部セル、端部セル）、特に端部セル内に残留した水が凍結する場合がある。このような場合には、燃料電池セルへの反応ガスの供給が妨げられるため、燃料電池セルの発電性能を低下させる場合がある。したがって、燃料電池積層体の発電の際には、端部セルの発熱量を高くして、端部セル内に残留した水の凍結を防止する必要がある。

例えば、特許文献１には、燃料電池積層体に配置される中央部セルより、端部セルの膜−電極アッセンブリの発電面積を小さくすることにより、端部セルの発熱量を高くした燃料電池積層体が提案されている。

また、例えば、特許文献２には、水素ガスの入口に近い燃料電池セルの電流密度を減少させることにより、水素ガスの入口に近い燃料電池セルの発熱量を抑制した燃料電池積層体が提案されている。

また、例えば、特許文献３には、電流を取り出す端部セルの集電体の面積を可変させることにより、端部セルの発熱量を促進させることができる燃料電池積層体が提案されている。

また、例えば、特許文献４には、発熱量の低い通常時用集電体及び発熱量の大きい低温時用集電体を設け、燃料電池セルが所定温度以下になったときに、低温時用集電体に接続させることにより、端部セルの発熱量を促進させることができる燃料電池積層体が提案されている。

特開２００６−１９６２２０号公報特開２００６−３１００２８号公報特開２００５−２９３９２８号公報特開２００５−１８３０４７号公報

しかし、特許文献１の燃料電池積層体では、発電時において、常に、端部セルの温度が高い状態になるため、端部セル内の水分の蒸発量が増加して、イオン伝導性が低下するドライアップが発生して、燃料電池積層体の発電性能が低下する場合がある。

また、特許文献２の燃料電池積層体では、端部セルの電流密度を減少させているため、そもそも端部セルの温度低下を抑制することができず、燃料電池積層体の発電性能が低下する場合がある。

また、特許文献３，４の燃料電池積層体では、端部セルの発熱量促進を集電体によって行っているため、燃料電池セルの温度を上昇させるのに相当な時間を要する場合がある。

本発明は、低温環境時でも燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システム及び燃料電池システムの運転方法である。

本発明は、発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、前記燃料電池積層体は、前記燃料電池積層体の積層方向中央部に少なくとも１つ以上配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に少なくとも１つ以上配置される端部燃料電池セルとを有し、前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを前記中央部燃料電池セルと前記端部燃料電池セルとから選択し、切換えるセル切換え手段を備える。

また、前記燃料電池積システムにおいて、前記中央部燃料電池セル及び前記端部燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極を含む膜−電極アッセンブリを有し、前記端部燃料電池セルは、前記中央部燃料電池セルより前記膜−電極アッセンブリの面積が小さいことが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記残水量は、前記中央部燃料電池セルの内部抵抗、圧力損失、電圧、前記中央部燃料電池セルと前記端部燃料電池セルとの温度差のうち少なくともいずれか１つから算出されることが好ましい。

また、本発明は、発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムの運転方法であって、前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを前記燃料電池積層体の積層方向中央部に配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に配置される端部燃料電池セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備える。

本発明によれば、燃料電池積層体の積層方向中央部に少なくとも１つ以上配置される中央部燃料電池セルと、中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、燃料電池積層体の積層方向端部に少なくとも１つ以上配置される端部燃料電池セルとを有し、発電の際に、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部燃料電池セルと端部燃料電池セルとから選択し、切換えるセル切換え手段を備えることにより、低温環境時でも燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池積システムを提供することができる。

また、本発明によれば、発電の際に、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを燃料電池積層体の積層方向中央部に配置される中央部燃料電池セルと、中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、燃料電池積層体の積層方向端部に配置される端部燃料電池セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備えることにより、低温環境時でも燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システムの運転方法を提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。燃料電池システム１は、燃料電池積層体２と、セル切換手段としての制御装置１０及びスイッチ１２と、燃料電池積層体２内の残水量を検出する残水量検出手段としての残水量検出器１４とを備える。

燃料電池積層体２は、積層方向中央部に配置される燃料電池セル（中央部燃料電池セル、以下中央部セル１８）と、積層方向端部に配置される燃料電池セル（端部燃料電池セル、以下端部セル２０）と、集電体２２ａ，２２ｂとを備えるものである。本実施形態では、中央部セル１８を１０層積層し、その両端部に端部セル２０を１層配置したものを例として以下説明するが、これに限定されるものではなく、中央部セル１８及び端部セル２０は、少なくとも１層以上配置（積層）されていればよい。

また、燃料電池積層体２には、各中央部セル１８及び端部セル２０に反応ガス（アノードガス、カソードガス）の供給又は排出を行う反応ガスマニホールド（不図示）を備える。反応ガスマニホールドには、アノードガス供給用のアノードガス供給マニホールド、アノードガス排出用のアノードガス排出マニホールド、カソードガス供給用のカソードガス供給マニホールド、カソードガス排出用のカソードガス排出マニホールドを備える。

図２（イ）は、本発明の実施形態に用いられる中央部セルの構成の一例を示す模式断面図であり、図２（ロ）は、本発明の実施形態に用いられる端部セルの構成の一例を示す模式断面図である。図２（イ），（ロ）に示すように、中央部セル１８及び端部セル２０は、膜−電極アッセンブリ２４ａ又は２４ｂと、アノード極拡散層２６と、カソード極拡散層２８と、アノード極セパレータ３０と、カソード極セパレータ３２、フレーム３４ａ，３４ｂと、ガスケット３６とを備える。

図２（イ），（ロ）に示すように、本実施形態に用いられる中央部セル１８及び端部セル２０は、膜−電極アッセンブリ２４ａ又は２４ｂの両外側を挟持するアノード極拡散層２６、カソード極拡散層２８と、さらにその両外側を挟持するアノード極セパレータ３０、カソード極セパレータ３２とを備える。アノード極セパレータ３０の空洞部は、アノードガス流路３８ａ、カソード極セパレータ３２の空洞部は、カソードガス流路３８ｂとなっている。

本実施形態に用いられる中央部セル１８及び端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂは、電解質膜を介して配置される一対の電極（アノード極及びカソード極）を備えるものである。上記でも説明したように、アノード極にアノードガス、カソード極にカソードガスが供給されることにより、燃料電池セル（中央部セル１８及び端部セル２０）の発電が行われる。

図３（イ）は、中央部セルに用いられる膜−電極アッセンブリの一例を示す模式平面図であり、図３（ロ）は、端部セルに用いられる膜−電極アッセンブリの一例を示す模式平面図である。図３（イ），（ロ）に示すように、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂは、フレーム３４ａ，３４ｂにより固定されている。上記でも説明したように、燃料電池セルの発電は、膜−電極アッセンブリ上で行われるため、図３（イ），（ロ）に示すように、端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ｂの面積を中央部セル１８の膜−電極アッセンブリ２４ａの面積より小さくすることによって、端部セル２０の発電面積を小さくすることができる。しかし、端部セル２０の発電面積を中央部セル１８の発電面積より小さくする方法は、上記に限定されるものではない。例えば、中央部セル１８及び端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂの面積が同じでも、端部セル２０のアノードガス流路３８ａ及びカソードガス流路３８ｂの一部を塞いで、アノード極及びカソード極の一部に反応ガス（アノードガス、カソードガス）を供給しないようにすること等によっても端部セル２０の発電面積を小さくすることができる。端部セル２０の構成を複雑化しない点で、中央部セル１８の膜−電極アッセンブリ２４ａより端部セル２０の膜−電極アッセンブリ２４ｂの面積を小さくすることにより、端部セル２０の発電面積を小さくすることが好ましい。

図４は、中央部セル及び端部セルの電流密度とセル電圧との関係を示す図である。端部セル２０の発電面積は、中央部セル１８の発電面積より小さいため、図４に示すように、端部セル２０の電流密度Ｘ２（Ａ／ｃｍ^２）は、中央部セル１８の電流密度Ｘ１（Ａ／ｃｍ^２）より大きな値となる。電流密度が大きい端部セル２０は、中央部セル１８より過電圧も大きくなる。そのため、発電の際に、端部セル２０の発熱量は、中央部セル１８の発熱量より多くなり、端部セル２０及び端部セル２０近傍の中央部セル１８の温度低下を抑制することができる。これにより、端部セル２０及び端部セル２０近傍の中央部セル１８内の水の残留を抑制することができるため、低温環境下での発電性能を向上させることができる。

膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂを構成するアノード極及びカソード極は、例えば、白金、ルテニウム等の金属触媒を担持したカーボンとパーフルオロスルホン酸系の電解質等とを混合して電解質膜上に成膜したものである。上記カーボンとしては、例えば、アセチレンブラック、ファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック等のカーボンブラック等が用いられる。

また、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂを構成する電解質膜は、電子伝達性を有さずプロトン伝導性を有するものであれば特に制限されるものではない。例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜等が用いられる。具体的にはナフィオン（登録商標）が挙げられる。

本実施形態に用いられるアノード極セパレータ３０、カソード極セパレータ３２は、金属系セパレータ、カーボン系セパレータ等特に制限されるものではない。

本実施形態に用いられるアノード極拡散層２６及びカソード極拡散層２８としては、反応ガスの拡散性が高い材料であれば特に制限されるものではない。例えば、カーボンクロス、カーボンペーパ等の多孔質カーボン材料等が用いられる。

本実施形態に用いられるフレーム３４ａ，３４ｂは、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂを固定するものであり、例えば、シリコン、フッ素材料等の樹脂等が用いられる。フレーム３４ａ，３４ｂは、それぞれ、膜−電極アッセンブリ２４ａ，２４ｂの面積に適したサイズであることが好ましい。なお、図３に示すフレーム３４ａ，３４ｂには、上記説明したアノードガス供給マニホールド４０ａ、アノードガス排出マニホールド４０ｂ、カソードガス供給マニホールド４２ａ、カソードガス排出マニホールド４２ｂが設けられている。

ガスケット３６は、燃料電池セル（中央部セル１８、端部セル２０）間を固定するものであり、例えば、シリコン、フッ素材料等の樹脂等が用いられる。ガスケット３６は、フレーム３４ａ，３４ｂと一体形成されるものであってもよい。

集電体２２ａ，２２ｂは、燃料電池セル（中央部セル１８、端部セル２０）から電流を取り出すためのものである。本実施形態において、中央部セル１８と端部セル２０との間に設けられる集電体２２ａは、中央部セル１８から電流を取り出すためのものである（すなわち、１０層の中央部セル１８に流れる電流を取り出すことができる）。一方、端部セル２０の積層方向端部に設けられる集電体２２ｂは、中央部セル１８及び端部セル２０に流れる電流を取り出すためのものである。また、集電体２２ａ，２２ｂは、負荷２３に接続されている。

本実施形態に用いられる制御装置１０及びスイッチ１２（図１に示す）は、燃料電池積層体２内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セル１８と端部セル２０とから選択し、切換えるものである。

残水量検出器１４は、制御装置１０と電気的に接続されている。残水量検出器１４は、燃料電池積層体２内の残水量を検出することができるものであれば特に制限されるものではないが、燃料電池積層体２内の残水量の検出精度の点で、中央部セル１８の内部抵抗、圧力損失、電圧、中央部セル１８と端部セル２０との温度差等のうち少なくともいずれか１つから燃料電池積層体２内の残水量を検出することができるものであることが好ましい。

燃料電池積層体２内の残水量が高いと、中央部セル１８の内部抵抗は低くなり、燃料電池積層体２内の残水量が低いと、中央部セル１８の内部抵抗は高くなる。そこで、残水量検出器１４の構成としては、例えば、中央部セル１８の内部抵抗を検出するＡＣインピーダンス測定器と、検出した内部抵抗から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものが挙げられる。具他的な残水量の算出としては、ＡＣインピーダンス測定器により中央部セル１８の内部抵抗が検出される。ＣＰＵに記録されている内部抵抗と燃料電池積層体２内の残水量との関係を表す制御マップ等に、検出した内部抵抗を当てはめて、燃料電池積層体２内の残水量が算出される。

また、燃料電池積層体２内の残水量が高いと、圧力損失は高く、電圧は低くなる。一方、燃料電池積層体２内の残水量が低いと、圧力損失は低く、電圧は高くなる。さらに、温度差が小さいと端部セル２０の残水量は少なくなり、温度差が大きいと残水量が多くなる。そこで、残水量検出器１４の他の例としては、圧力損失を検出する圧力センサと、検出した圧力から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものであってもよいし、中央部セル１８の電圧を検出する電圧センサと、検出した電圧から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものであってもよいし、又は中央セル１８と端部セル２０との温度差を検出する温度センサと、検出した温度差から燃料電池積層体２内の残水量を算出することができるＣＰＵとを備えるものであってもよい。残水量の算出としては、ＣＰＵにより、圧力、電圧又は温度差と燃料電池積層体２内の残水量との関係を表す制御マップ等に、検出された圧力、電圧又は温度差を当てはめて、燃料電池積層体２内の残水量が算出される。さらに、燃料電池積層体２内の残水量の検出精度を向上させることができる点で、残水量検出器１４は、上記ＡＣインピーダンス測定器と、圧力センサと、温度センサと、検出した内部抵抗、圧力、及び温度差から燃料電池積層体２内の残水量を検出することができるＣＰＵとを備えるものであることが好ましい。また、燃料電池システム１の構成を簡略化する点で、上記ＣＰＵは、制御装置１０に備えられるものであってもよい。

セル切換手段（制御装置１０、スイッチ１２）は、上記でも説明したように、燃料電池積層体２内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを選択し切換えるものであればよい。セル切換手段の動作の一例を説明する。例えば、残水量検出器１４により検出された燃料電池積層体２内の残水量と予め設定した閾値範囲とが、制御装置１０により比較される。ここで、閾値範囲は、燃料電池積層体２の発電性能が極端に低下しない残水量の範囲、例えば、閾値範囲の上限を超えると、フラッディングの発生が起こり、閾値範囲の下限を超えると、ドライアップの発生が起こるような残水量の範囲に設定されていればよい。上記制御装置１０により、閾値範囲と検出された残水量とを比較して、検出された残水量が閾値範囲の下限値より少ないと判断された場合には、スイッチ１２を切換え、集電体２２ａに接続され、中央部セル１８から電流が取り出される。このように、中央部セル１８から電流が取り出されることによって、端部セル２０の発電が停止されるため、端部セル２０が高温となることを防ぎ、ドライアップの発生が抑制される。また、検出された残水量が閾値範囲の上限値より多い場合には、スイッチ１２を切換え、集電体２２ｂに接続され、端部セル２０から電流が取り出される。このように、端部セル２０から電流が取り出されることによって、端部セル２０の発電が開始されるため、端部セル２０が発熱し、フラッディングの発生が抑制される。

図５は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。図５に示すように、燃料電池システム３は、燃料電池積層体４と、セル切換手段としての制御装置１１及びスイッチ１２と、残水量検出器１４とを備える。図５に示す燃料電池システム３において、図１に示す燃料電池システム１と同様の構成については、同一の符号を付してある。

燃料電池積層体４は、中央部セル１８と、端部セル２０ａ，２０ｂと、集電体２２ａ，２２ｂ，２２ｃとを備えるものである。本実施形態では、中央部セル１８を８層積層し、その両端部に端部セルを各２層（端部セル２０ａ，２０ｂ）配置したものを例として以下説明するが、これに限定されるものではない。

本実施形態では、図５に示すように、端部セル（２０ａ，２０ｂ）の膜−電極アッセンブリ（２４ｂ，２４ｃ）の面積（すなわち発電面積）は、中央部セル１８の膜−電極アッセンブリ２４ａより小さいものであり、各端部セル（２０ａ，２０ｂ）の膜−電極アッセンブリ（２４ｂ，２４ｃ）の面積は、燃料電池積層体４の積層方向端部に向かうにしたがって小さくなる。このような構成にすることによって、端部セル（２０ａ，２０ｂ）の温度を段階的に制御することができるため、効率的に端部セル（２０ａ，２０ｂ）のドライアップを抑制し、燃料電池積層体４の発電性能の低下を抑制することができる。

セル切換手段（制御装置１１、スイッチ１２）は、上記でも説明したように、燃料電池積層体４内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを選択し、切換えるものであればよい。セル切換手段の動作の一例を説明する。例えば、残水量検出器１４により検出された燃料電池積層体４内の残水量と予め設定した閾値範囲とが、制御装置１１により比較される。上記制御装置１１により、閾値範囲と検出された残水量とを比較して、検出された残水量が閾値範囲外であると判断された場合には、燃料電池積層体４内の残水量が閾値範囲となるように最適な集電体が選択され、スイッチ１２が好適な集電体に接続される。このように、好適な集電体に接続された燃料電池セルから電流が取り出されることによって、燃料電池積層体４のドライアップ、フラッディングの発生が抑制される。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システムは、中央部セルより発電面積の小さい端部セルを燃料電池積層体の積層方向端部に少なくとも１つ以上配置し、燃料電池セルの発電の際に、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セルと端部セルとから選択し、切換えることによって、燃料電池積層体のドライアップ及びフラッディングの発生を抑制することができる。また、端部セルの温度が常に高い状態になることを防ぎ、端部セルが乾燥することも抑制することができる。したがって、燃料電池積層体の発電性能の低下を抑制することができる。

次に、燃料電池システムの運転方法について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法は、発電の際に、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セルと端部セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備えるものである。

図６は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。図６に示す燃料電池システムの運転方法においては、図１に示す燃料電池システム１を用いて説明する。

燃料電池システム１の運転初期においては、燃料電池積層体２の温度は低いため、燃料電池積層体２の温度上昇を促進する点で、端部セル２０ｂに備える集電体２２ｂとスイッチ１２とが接続されていることが好ましい。しかし、必ずしもこれに限定されるものではなく、温度センサ等により検出した温度等に基づいて、制御装置１０により、燃料電池システム１の運転初期に好適な燃料電池セルの集電体が選択されて接続されるものであってもよい。

まず、ステップＳ１０では、スイッチ１２が接続された集電体２２ｂ間の燃料電池セルで発電が行われ、電流が取り出される。ステップＳ１２では、制御装置１０により、発電停止指令の入力の有無が確認される。発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム１の運転は中止され、発電停止指令が入力されていなければ、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、残水量検出器１４により中央部セル１８の残水量が検出される。制御装置１０により、検出された残水量が、予め設定した閾値範囲の下限値より多いと判断された場合、ステップＳ１０の処理に戻され、閾値範囲の下限値より少ないと判断された場合、ステップＳ１６に進む。ステップＳ１６では、集電体２２ａが選択され、スイッチ１２と集電体２２ａとが接続される。ステップＳ１８では、スイッチ１２が接続された集電体２２ａ間の燃料電池セルで発電が行われ、電流が取り出される。ステップＳ２０では、残水量検出器１４により中央部セル１８の残水量が検出される。制御装置１０により、検出された残水量が、予め設定した閾値範囲の上限値より少ないと判断された場合、ステップＳ１８の処理に戻され、閾値範囲の上限値より多いと判断された場合、ステップＳ２２に進む。ステップＳ２２では、集電体２２ｂが選択され、スイッチ１２と集電体２２ｂとが接続される（セル切換ステップ）。そして、ステップＳ１０の処理に戻される。

図７は、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。図７に示す燃料電池システムの運転方法においては、図５に示す燃料電池システム３を用いて説明する。

まず、ステップＳ３０では、スイッチ１２が接続された集電体２２ｃ間の燃料電池セルの発電が行われ、電流が取り出される。ステップＳ３２では、制御装置１１により、発電停止指令の入力の有無が確認される。発電停止指令が入力されていれば、燃料電池システム３の運転は中止され、発電停止指令が入力されていなければ、ステップＳ３４に進む。ステップＳ３４では、残水量検出器１４により中央部セル１８の残水量が検出される。制御装置１１により、検出された残水量が、予め設定した閾値範囲内であると判断された場合、ステップＳ３２の処理に戻され、閾値範囲外であると判断された場合、ステップＳ３６に進む。ステップＳ３６では、制御装置１１により、燃料電池積層体４内の残水量が閾値範囲内となるために必要な発熱量が算出される。上記必要発熱量は、負荷、燃料電池セル温度、中央部セル１８と端部セル２０との温度差等により実験等であらかじめ求められたマップに従って決定される。

ステップＳ３８では、制御装置１１により、算出された必要発熱量を満たす集電体が選択され、スイッチ１２と選択された集電体とが接続される（セル切換ステップ）。ステップＳ４０では、スイッチ１２が接続された集電体間の燃料電池セルで発電が行われ、電流が取り出される。そして、ステップＳ３２の処理に戻される。

例えば、図５の燃料電池システム３のように、選択、切換える燃料電池セルが複数存在する場合等では、燃料電池積層体内の残水量に応じて好適な燃料電池セルを選択、切換えることができる点で、上記必要発熱量を算出することが好ましい。しかし、例えば、図１に示す燃料電池システム１のように、端部セル２０が１つしかないような場合には、選択、切換える燃料電池セルは、端部セル２０と中央部セル１８との間であるため、必要発熱量の算出は、必ずしも必要ではない。

以上のように、本実施形態に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを中央部セルと端部セルとから選択し、切換えるセル切換ステップを備えることによって、燃料電池積層体のドライアップ、フラッディングの発生を抑制することができる。また、端部セルの温度が常に高い状態になることを防ぎ、端部セルが乾燥することも抑制することができる。したがって、燃料電池システムの発電性能の低下を抑制することができる。

上記本実施形態に係る燃料電池セル及び燃料電池積層体は、例えば、携帯電話、携帯用パソコン等のモバイル機器用小型電源、自動車用電源、家庭用電源等として使用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。本発明の実施形態に用いられる中央部セル及び端部セルの構成の一例を示す模式断面図である。中央部セル及び端部セルに用いられる膜−電極アッセンブリの一例を示す模式平面図である。中央部セル及び端部セルの電流密度とセル電圧との関係を示す図である。本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの構成の一例を示す模式断面図である。本発明の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムの運転方法の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１，３燃料電池システム、２，４燃料電池積層体、１０，１１制御装置、１２スイッチ、１４残水量検出器、１８中央部セル、２０，２０ａ，２０ｂ端部セル、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ集電体、２３負荷、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ膜−電極アッセンブリ、２６アノード極拡散層、２８カソード極拡散層、３０アノード極セパレータ、３２カソード極セパレータ、３４ａ，３４ｂフレーム、３６ガスケット、３８ａアノードガス流路、３８ｂカソードガス流路、４０ａアノードガス供給マニホールド、４０ｂアノードガス排出マニホールド、４２ａカソードガス供給マニホールド、４２ｂカソードガス排出マニホールド。

Claims

発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池積層体は、前記燃料電池積層体の積層方向中央部に少なくとも１つ以上配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に少なくとも１つ以上配置される端部燃料電池セルとを有し、
前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを前記中央部燃料電池セルと前記端部燃料電池セルとから選択し、切換えるセル切換え手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記中央部燃料電池セル及び前記端部燃料電池セルは、電解質膜を介して配置される一対の電極を含む膜−電極アッセンブリを有し、前記端部燃料電池セルは、前記中央部燃料電池セルより前記膜−電極アッセンブリの面積が小さいことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、前記残水量は、前記中央部燃料電池セルの内部抵抗、圧力損失、電圧、前記中央部燃料電池セルと前記端部燃料電池セルとの温度差のうち少なくともいずれか１つから算出されることを特徴とする燃料電池システム。
発電を行う燃料電池セルを複数積層する燃料電池積層体を含む燃料電池システムの運転方法であって、
前記発電の際に、前記燃料電池積層体内の残水量に応じて、電流を取り出す燃料電池セルを前記燃料電池積層体の積層方向中央部に配置される中央部燃料電池セルと、前記中央部燃料電池セルより発電面積が小さく、前記燃料電池積層体の積層方向端部に配置される端部燃料電池セルとから選択し、切換えるセル切換えステップを備えることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。