JP2014142997A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックが傾いた際に起こるガス流路の水つまりを確実に防止し、解消できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】膜電極接合体を、を有する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに酸化剤を含むガスを供給するためのポンプと、ガスの圧力を検知するガス圧力センサと、燃料電池スタックの傾斜を検知する加速度センサと、制御部とを備える。燃料電池スタックはカソード電極と対向するように形成されたガスが流通するためのガス流路溝とガスを取り込むガス流路入口を有する。圧力センサはポンプからガス流路入口に吐出されるガスの圧力を検知する。制御部は、加速度センサが検知する燃料電池スタックの傾きが所定の角度以上であることを検知し、圧力センサが検知する圧力が所定圧力以上であることを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値以下の場合にポンプから吐出される空気量を所定時間増大させる。
【選択図】図１１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に燃料電池スタックにおいて生成水で流路がつまることを防止する制御に関する。

近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。

燃料電池システムは、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とで構成された膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。

一般的な燃料電池システムは、酸素と燃料としての水素とを燃料電池スタックに供給し、それらが反応することで発電する。燃料としてメタノールを用いる場合も同様である。この反応に伴い、燃料電池スタックのカソード側に水が生成する。

通常、燃料電池スタックで生成した水は、燃料電池スタックで反応しなかった排ガス等とともに、燃料電池スタック外部に排出される。しかし、燃料電池スタック及びそれを含む燃料電池システムが、例えば傾斜した状態になると効率的に水を排出できずに、燃料電池システム内に水が滞留する、もしくは水により流路が塞がってしまう。水が燃料電池スタックのカソード側の酸化剤流路に滞留することで燃料電池システムの発電効率の低下や、装置の劣化を引き起こす。

そこで、燃料電池の傾斜状況を傾斜センサで検出し、傾斜状況に応じて、燃料電池スタック内に滞留した水を排除するシステムが、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池が傾斜していることが検知された場合に、水つまりを解消するために、燃料ガスあるいは酸化ガスの流量を増加させる。

特開２００８−１１２６４７号公報

しかし、特許文献１においては、水の滞留を解消する操作を行ったのちに実際に水の滞留が解消しているか否かがわからない。よって、水の滞留を解消する操作を実行した後も依然として、水が滞留している場合がある。また、水の滞留は燃料電池スタックが傾斜したとき以外にも起こりうる。よって、特許文献１のシステムでは、燃料電池が傾斜していない場合での水の滞留に対応することができない。

本発明は、様々な状況における燃料電池スタック内の流路の水による、つまりを防止することができる燃料電池システムを提供する。

本発明による燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに酸化剤を含むガスを供給するためのポンプと、ガスの圧力を検知する圧力センサと、燃料電池スタックの傾斜を検知する加速度センサと、制御部とを有する。燃料電池スタックは、膜電極接合体を有する。膜電極接合体は、アノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層している。燃料電池スタックはカソード電極と対向するように形成されたガスが流通するためのガス流路溝とガスを取り込むガス流路入口を有する。圧力センサはガス流路入口におけるガスの圧力を検知する。制御部は、加速度センサが検知する燃料電池スタックの傾きが所定の角度以上であることを検知し、圧力センサが検知する圧力が所定圧力以上であることを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値以下の場合に、ポンプから吐出される空気量を所定時間増大させる。

本発明によれば、燃料電池スタックが傾いたことにより発生する水つまりを精度良く検知し、解消することができる。さらに、ポンプから吐出される空気の圧力や燃料電池システムの発電電力も検出しているため、水つまりが解消しているかどうかの判断も可能となる。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図 （ａ）本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図、（ｂ）本発明の実施の形態における燃料電池スタックの、図２（ａ）の反対側を示す斜視図 図２（ａ）に示す燃料電池スタックの、燃料供給側の拡大断面図 図２（ａ）に示す燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面の平面図 図２（ｂ）に示す燃料電池スタックの、空気供給側の拡大断面図 図２（ｂ）に示す燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面の平面図 図２（ａ）に示す燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図 図２（ｂ）に示す燃料電池スタックと図１に示すポンプとの接続を説明するための斜視図 図２（ｂ）に示す燃料電池スタックの第２側面の正面図 図２（ｂ）に示す燃料電池スタックの第２側面に取り付ける一体部材の断面図 本発明の実施の形態における制御部の制御フロー図 図１１に示す制御フロー図におけるステップ４を説明する図 本発明の実施の形態における制御部の他の制御フロー図 本発明の実施の形態における制御部のさらに他の制御フロー図

以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２（ａ）、図２（ｂ）は、本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図である。図３は図２（ａ）に示す燃料電池スタックの、燃料供給側の拡大断面図、図４は同燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面の平面図である。図５は同燃料電池スタックの、空気供給側の拡大断面図、図６は同燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面の平面図である。図７は同燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。

この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、ポンプ６と、制御部７と、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９と、水回収タンク１０と、電流検出器２１と、電圧検出器２２と、加速度センサ１４と、圧力センサ１５と、表示部２３とを有する。燃料電池スタック１は起電部を有し、発電された電力は負極のアノード端子３と正極のカソード端子２から出力される。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。アノード端子３とカソード端子２とは電圧検出器２２に接続されており、電圧検出器２２は燃料電池スタック１の電圧値を制御部７に出力する。また、カソード端子２には電流検出器２１が接続されており、電流検出器２１は電流値を制御部７に出力する。制御部７は電圧検出器２２と電流検出器２１とからの出力から燃料電池スタック１の電力を算出する。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。ポンプ６は酸化剤である空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５とポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する燃料供給部を構成している。一方、ポンプ６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤である酸素を含むガスを供給するガス供給部を構成している。加速度センサ１４は、燃料電池スタック１の傾きを検出し、制御部７に検出値を出力する。圧力センサ１５は、ポンプ６から燃料電池スタック１に供給される空気の圧力を検出し、検出値を制御部７に出力する。表示部２３は、制御部７から送られる情報を表示することで使用者に各種情報を伝える。

図７に示すように、アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。なお、燃料供給部、ガス供給部は上述の構成に限定されない。

図２（ａ）に示すように、燃料電池スタック１は、セルスタック１６と、バッキングプレート１９、２０とを有する。セルスタック１６は、図７に示す起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）３５と、ＭＥＡ３５を挟むように配置されたセパレータ３４と、一対のエンドプレート１７、１８とを有する。エンドプレート１７、１８はＭＥＡ３５の積層方向両端、すなわちＭＥＡ３５とセパレータ３４との積層方向両端からＭＥＡ３５とセパレータ３４を挟んでいる。図７に示すようにＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。

アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。アノード端子３はアノード電極３１に、カソード端子２はカソード電極３２に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。

エンドプレート１７、１８およびセパレータ３４は、カーボン材やステンレス鋼で構成されている。図３、図４、図７に示すように、セパレータ３４の、アノード電極３１に対向する面にはアノード電極３１へ燃料を供給するための燃料流路溝３４Ｂが形成されている。一方、図５、図６、図７に示すように、セパレータ３４の、カソード電極３２に対向する面には、カソード電極３２に対向するようにカソード電極３２へ空気を供給するためのガス流路溝３４Ｄが形成されている。図４及び図６に示すように、燃料流路溝３４Ｂとガス流路溝３４Ｄとは互いに交差するように形成されている。また、ガス流路溝３４Ｄは燃料電池スタック１の長手方向に平行な方向に伸びる流路が蛇腹状に接続された形状である。そして、ガス流路溝３４Ｄの一端は、燃料電池スタック１の長手方向と直交する面に設けられたガス流路入口３４３と連通している。また、ガス流路溝３４Ｄの他端は、燃料電池スタック１の長手方向と平行でかつ、ガス流路入口３４３が設けられた面と直交する面に設けられたガス流路出口３４４と連通している。なお、流路の形状は上述したものには限られない。

図３に示すように、セパレータ３４の、ＭＥＡ３５より外側には平面部（第２平面部）３４Ａが設けられている。すなわち平面部３４Ａは積層方向に平行で、第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放された、セルスタック１６の第１側面上に設けられている。積層方向における平面部３４Ａの寸法は、セパレータ３４同士、あるいはセパレータ３４とエンドプレート１７とがＭＥＡ３５を挟持する部分のセパレータ３４の厚さよりも大きい。平面部３４Ａには、外部から燃料を取り込む燃料入口（第２燃料入口）３４１が設けられている。そして燃料入口３４１と燃料流路溝３４Ｂとを連通するように貫通孔３４Ｃが設けられている。一方、図５に示すように、セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込むガス流路入口（第２ガス入り口）３４３が設けられている。第２側面もまた第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放され、第１側面に対向している。

なお燃料流路溝３４Ｂの、燃料入口３４１と反対側は、図４に示すように燃料の反応生成物と燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出する燃料出口（第２燃料出口）３４２に連通している。後述するように、ガス流路入口３４３と燃料出口３４２とは上記第２側面上に設けられている。

なおアノード電極３１に対向するアノード側のエンドプレート１７にも燃料流路溝１７Ｂが形成され、カソード電極３２に対向するカソード側のエンドプレート１８にも空気を供給するためのガス流路溝１８Ｄが形成されている。燃料流路溝１７Ｂは燃料流路溝３４Ｂと同様の形状に形成され、ガス流路溝１８Ｄはガス流路溝３４Ｄと同様の形状に形成されている。またエンドプレート１７には燃料入口（第１燃料入口）１７１が設けられた平面部（第１平面部）１７Ａが形成され、燃料流路溝１７Ｂは貫通孔１７Ｃによって燃料入口１７１と連通している。セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込むガス流路入口（第１ガス入口）１８１が設けられている。

バッキングプレート１９はセルスタック１６におけるアノード電極３１の側に配置され、バッキングプレート２０はカソード電極３２の側に配置されている。バッキングプレート１９、２０は絶縁性の樹脂やセラミック、あるいはガラス繊維を含む樹脂、絶縁膜をコーティングされた金属板などで構成されている。

第１板ばね１１、第２板ばね１２は、バッキングプレート１９、２０を介してセルスタック１６をそのばね弾性力によって締め付けている。第２板ばね１２は第１板ばね１１に対向するように配置されている。第１板ばね１１、第２板ばね１２は、ばね鋼材などで構成されている。

次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図７に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給される。一方、カソード電極３２にはポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。

一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。

その結果、電力が発生するとともに、アノード電極３１側には二酸化炭素が、カソード電極３２側には水が、それぞれ反応生成物として生成する。二酸化炭素は、燃料電池スタック１の外へと排気される。またカソード電極３２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素もまた燃料電池スタック１の外へと排気される。なお、アノード電極３１側では水溶液中のメタノールが全て反応するわけではないので、図１に示すように排出された水溶液を燃料ポンプ５へ戻すのが一般的である。またアノード電極３１の反応では水が消費されるため、図１に示すようにカソード電極３２で生成した水をアノード電極３１側へ戻してもよい。

次に、燃料電池スタック１とポンプ６との接続について、図２（ｂ）と図８〜図１０を用いて説明する。図８は燃料電池スタック１とポンプ６との接続を説明するための斜視図である。図９は燃料電池スタック１の第２側面の正面図である。図１０は第２側面に取り付ける一体部材６１の断面図である。

ガス供給部を構成するポンプ６は、図１０に示すようにガス吐出口６Ａを有し、図８に示すようにネジ等によって一体部材６１に取り付けられている。一体部材６１はガス吐出部７３、受け部７４、排出管７５を有する。ガス吐出口６Ａは一体部材６１のガス吐出部７３に連通している。受け部７４は燃料出口１７２、３４２からの排出を受け取るように構成されている。受け部７４はさらに排出管７５に連通している。このように一体部材６１はガス吐出部７３と燃料出口１７２、３４２からの排出を受け取る受け部７４とを一体化して構成されている。

一方、セルスタック１６の、ガス流路入口１８１、３４３、および燃料出口１７２、３４２が形成された第２側面には、図８、図９に示すようにシール材（第３シール材）６２が取り付けられている。シール材６２には、ガス流路入口１８１、３４３に対応する位置に第１の開口６３が設けられている。一方、燃料出口１７２、３４２に対応する位置に第２の開口６４が設けられている。

一体部材６１はバッキングプレート１９、２０に設けられたねじ孔６７にねじ６５を締めこむことで、シール材６２を間に挟みながら燃料電池スタック１に取り付けられる。この状態で、シール材６２はガス流路入口１８１、３４３と、燃料出口１７２、３４２とを隔離する。またシール材６２はガス吐出部７３とガス流路入口１８１、３４３とを結合する。したがってポンプ６から送られた空気はガス流路入口１８１、３４３へ供給される。さらに、シール材６２は受け部７４と燃料出口１７２、３４２とを結合している。

さらに、図１０に示すように、ポンプ６のガス吐出口６Ａからガス吐出部７３へ至る間の空間に圧力センサ１５が設けられている。これにより、ポンプ６から燃料電池スタック１へ吐出される空気の圧力を検出できる。すなわち、ポンプ６からガス流路入口１８１、３４３に吐出されるガスの圧力を検知する。

次に燃料電池スタック１のカソード側のガス流路において生成した水による流路つまりを防止する制御について図１１及び図１２を用いて説明する。図１１は、本実施の形態における制御部７の行う制御フローを示す図である。図１２は、図１１で示す制御フロー図におけるステップ４の詳細を示す図である。

燃料電池スタック１及びそれを含む燃料電池システムが傾斜した場合、カソード側のガス流路で生成する水によりガス流路の経路上やガス流路入口３４３もしくはガス流路出口３４４付近がつまる虞がある。そこで、流路が水でつまることを防止および解消するために本実施の形態における燃料電池システムの制御部７は以下に説明するようなフローで各構成を制御する。

図１１に示すように、まず制御部７は、加速度センサ１４の出力から燃料電池スタック１の傾きを算出する。そして、燃料電池スタック１の傾きＸが所定の傾き量Ｘｐよりも大きいかどうかを判断する（ステップ１）。

燃料電池スタック１の傾きＸは具体的には、ポンプ６から吐出される空気がカソード側のガス流路を下方から上方に流れる方向と重力方向に対して垂直な平面との間の傾きであることが好ましい。このような場合の傾きＸが所定角度以上となっていると、ガスの流れと逆行する方向に重力が働くため、生成した水がうまくガス流路出口３４４に流れず、流路がつまる可能性が高まる。

次に、制御部７は、圧力センサ１５の出力からポンプ６から燃料電池スタック１のガス流路入口３４３に流入するガスの圧力Ｙを算出する。そして、圧力Ｙが所定の圧力値Ｙｐよりも大きいかどうかを判断する（ステップ２）。

ポンプ６は、燃料電池スタック１内を流れるガスの流量が一定になるように空気を吐出するように制御されている。よってポンプ６は、通常運転時には一定の圧力で空気を燃料電池スタック１内へ送りだす。しかし、カソード側のガス流路が水でつまった場合には、ガス流路を流れるガスの流量が減少する。このとき、制御部７はそれを補うためにポンプ６の出力を上げる。結果として、圧力センサ１５により検出されるポンプ６から吐出されるガスの圧力が上昇する。

上述の所定の圧力Ｙｐとしては、通常発電時におけるガスの圧力の１．２〜１．３倍程度の圧力を設定するのが好ましい。例えば、通常運転時が１．２ｋＰａ程度のガス圧力の場合には、圧力Ｙｐは１．５ｋＰａ程度とするのが好ましい。

次に、制御部７は、電流検出器２１と電圧検出器２２とからの出力から燃料電池システムの発電電力Ｚを算出する。そして、発電電力Ｚが所定の電力Ｚｐよりも小さいかどうかを判断する（ステップ３）。

ここで所定の電力Ｚｐは、必要最低レベルの電力に設定するのが好ましい。例えば、定格電力の８０％程度に設定するのが好ましい。

次に、制御部７は、ステップ１〜３の判断結果より、Ａ〜Ｃのいずれかの制御を行うかを判定する（ステップ４）。以下に、それぞれの場合について図１２を参照しながら説明する。

図１２に示すように、ステップ１の判断がＹｅｓ、ステップ２の判断がＹｅｓ、ステップ３の判断がＹｅｓだった場合（ケース１）、制御部７は、燃料電池スタック１が傾いたことによりカソード側のガス流路の一部に重度の水つまりが発生していると判断する。そして、制御部７は流路を塞いでいる水を除去するために、後述する流路つまり解消モードを実行する（Ａ、ステップ５）。

ステップ１の判断がＹｅｓ、ステップ２の判断がＹｅｓ、ステップ３の判断がＮｏとなる場合（ケース２）は通常考えられない。すなわち、燃料電池スタック１が傾き、かつポンプ６から吐出される圧力が高い場合には、ほぼ確実に流路に水つまりが起こっていると考えられ、結果として燃料電池システムの発電電力が低下していると考えられる。よって万が一ケース２の状態になった場合には、燃料電池の発電には大きな影響が無いが、制御部７は表示部２３に上記したような状況であることを表示して使用者に知らせるようにする（D、ステップ８）。

ステップ１の判断がＹｅｓ、ステップ２の判断がＮｏ、ステップ３の判断がＹｅｓの場合（ケース３）、制御部７は燃料電池スタック１が傾いたことによる水つまりは起こっていないが何らかの原因で燃料電池の発電電力が低下していると判断する。この場合制御部７は、例えば燃料電池システム自体を一時的に停止させる（Ｃ、ステップ６）。

ステップ１の判断がＹｅｓ、ステップ２の判断がＮｏ、ステップ３の判断がＮｏだった場合（ケース４）、制御部７は燃料電池スタック１が傾いているものの流路のつまりは発生していないと判断する。よって、特別な制御は行わない（Ｂ）。

ステップ１の判断がＮｏ、ステップ２の判断がＹｅｓ、ステップ３の判断がＹｅｓの場合（ケース５）、制御部７は燃料電池スタック１が傾いていないにもかかわらず重度の流路のつまりが起こっていると判断する。よって、水つまりを解消するために、流路つまり解消モードを実行する（Ａ、ステップ５）。

ステップ１の判断がＮｏ、ステップ２の判断がＹｅｓ、ステップ３の判断がＮｏの場合（ケース６）、制御部７は燃料電池スタック１が傾いていないにもかかわらず、発電に支障のない程度に流路のつまりが起こっていると判断する。この場合、図１３に示すように、燃料電池システムの運転を継続し、ユーザーに表示部２３を介して流路がつまっている可能性があることを知らせる（Ｄ、ステップ８）。

ステップ１の判断がＮｏ、ステップ２の判断がＮｏ、ステップ３の判断がＹｅｓの場合（ケース７）、制御部７は燃料電池スタック１が傾いておらずかつ水つまりも起こっていないにもかかわらず、発電電力が低下していると判断する。この場合、後述する燃料ポンプ５、ポンプ６の故障判定及び燃料電池スタック１の劣化判定を行う（Ｅ、ステップ９、ステップ１０）。

ステップ１の判断がＮｏ、ステップ２の判断がＮｏ、ステップ３の判断がＮｏの場合（ケース８）、制御部７は燃料電池システムには異常が無いと判断する（Ｂ）。

つまり、ケース１及びケース５の場合には、制御部７は流路つまり解消モード（Ａ）を実行する。そして、流路つまり解消モード実行後、所定時間経過後に図１１に示すフローを再度実行する（ステップ７）。

また、ケース２、４、８の場合には、制御部７は何も制御を行わない（Ｂ）。そして、所定時間経過後に図１１に示す制御を再度実行する（ステップ５）。

また、ケース３の場合には、制御部７は燃料電池システムの運転を一時停止させる。燃料電池システム停止後、所定時間経過した後、制御部７は燃料電池システムの運転を再開させる（ステップ６）。所定時間経過後、制御部７はフローを再度実行する（ステップ５）。

また、ケース６の場合には、制御部７は燃料電池システムの運転は継続させ、表示部２３に燃料電池スタック１のガス流路の一部に流路のつまりが発生していることを表示する（Ｄ）。

また、ケース７の場合には、制御部７は燃料ポンプ５、ポンプ６の故障判定及び燃料電池スタック１の劣化判定を行う（Ｅ）。

次にケース７の場合に行う故障判定のフローについて図１４を参照しながら説明する。図１４はケース７の場合の制御を示すフロー図である。

ステップ４において、ケース７と判断された場合には、制御部７は燃料ポンプ５及びポンプ６の故障がないかの判定を行う（ステップ９）。具体的には、燃料ポンプおよびポンプの電流や、ポンプの回転数や、ポンプの吐出圧力等を計測することで判定を行う。その結果、ポンプの電流や回転数、吐出圧力が所定値未満を示した場合には、燃料ポンプ５及びポンプ６が呼称して入ると判定し、制御部７は、ステップ９の結果がＮＧであると判断する。逆に、いずれのポンプにも異常が見られない場合には、制御部７はステップ９の結果がＯＫであると判断する。

次に、制御部７は、燃料電池スタック１の劣化が起こっているかどうかの判定を行う（ステップ１０）。具体的には燃料電池の所定の燃料ガス及び酸素の流量の条件時における発電電力を計測し、劣化前の同条件時の発電電力と比較して判定を行なう。その結果、劣化前の発電電力と比較して、計測された発電電力は所定の割合まで減少していた場合には、制御部７は、燃料電池スタック１が劣化していると判定し、ステップ１０の結果がＮＧであると判断する。逆に、計測された発電電力に大きな減少が見られない場合にはステップ１０の結果がＯＫであると判断する。

次に、制御部７は、ステップ９及びステップ１０の少なくともいずれか一方の結果がＮＧであるかどうかを判断し（ステップ１１）、ステップ１１の判断がＹｅｓの場合には、表示部２３に結果を表示する（ステップ１２）。

特に、ステップ９の判定がＮＧかを判定し（ステップ１３）、ステップ１３がＹｅｓであった場合には、燃料電池システムを停止する（ステップ１４）。

ステップ９およびステップ１０の結果として燃料ポンプ５、ポンプ６が故障しておらず、かつ燃料電池スタック１が劣化していなかった場合（ステップ１１のＮｏ）や、ステップ１３の結果がＮｏだった場合（燃料ポンプ５とポンプ６との少なくとも一方が故障していると判定された場合）には、図１１に示すフローのＳＴＡＲＴから再度フローを繰り返す。

なお、ステップ９の故障判定とステップ１０の劣化判定は図１４に示す順番で行う必要はなく、逆の順番で行っても構わない。また、ステップ９とステップ１０を同時に行っても構わない。また、いずれか一方だけを行うようにしても構わない。

このように、ケース７のように原因不明の電力低下が起こった場合にも、制御部７は燃料ポンプ５及びポンプ６の故障判定と、燃料電池スタック１の劣化判定を行うことで、電力低下の原因を特定し、適切な制御を行うことができる。

なお、図１１に示す制御を例えば、制御部７は所定時間毎に行うのが好ましい。これにより、常に様々な異常を検知、解消することができる。

または、ステップ１の結果がＹｅｓとなることを制御部７の制御開始のトリガーとしても良い。この場合にも、ステップ２およびステップ３の結果に基づいて図１２に示すステップ４の制御を行うことで同様の効果が得られる。

また、ステップ１〜３の判断は図１１に示すような順序で行う必要は無く、異なる順序や同時でも良い。

次に、流路つまり解消モードについて説明する。本実施の形態における流路つまり解消モード時には、制御部７は、ポンプ６の出力を通常よりも高くしてポンプ６から吐出されるガス量を増大させる。これにより、カソード側のガス流路につまっている水を吹き飛ばす。具体的には、流路つまり解消モード時には、制御部７はポンプ６から吐出されるガスの目標流量を一時的に増加させる。また、流路つまり解消モードを実行する時間は５〜１０秒程度が好ましい。これ以外にもポンプ６を一時的に最大定格出力で運転させても良い。

また、流路つまり解消モード時には、制御部７はポンプ６から吐出される空気の目標流量を増加させ、その状態を流路つまりが解消したと判断されるまで継続させるように制御しても良い。具体的には、制御部７が加速度センサ１４の検出値が所定の角度未満であることを検知し、かつ圧力センサ１５の検出値が所定の圧力未満であることを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値以上であることを検知するまで、ポンプ６から吐出される空気の目標流量を増加させることが好ましい。このように制御することで、より確実に流路のつまりを解消することができ、より安定した燃料電池システムを実現できる。

このように、本実施の形態の燃料電池システムは、燃料電池スタック１の傾き、ポンプ６から吐出される空気の圧力、燃料電池システムの発電電力をそれぞれ検出することで、燃料電池スタック１が傾いたことにより発生する流路のつまりを確実に検知し、解消することができる。さらに、ポンプ６から吐出されるガスの圧力や燃料電池システムの発電電力も検出しているため、流路のつまりが解消しているかどうかを確実に判断できる。

また、燃料電池スタック１の傾き以外に、ポンプ６から吐出される空気の圧力と燃料電池システムの発電電力を検出することで、傾き以外の要素により流路のつまりが起こった場合や、傾いたにもかかわらず流路のつまりが起こっていない場合を検知できるので、より効率的かつ高精度な制御を行える。

なお、以上の説明では、燃料電池スタック１の第１側面に燃料入口１７１、３４１と、第２側面にガス流路入口１８１、３４３を設けた構成を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。同じ側面上に燃料入口１７１、３４１とガス流路入口１８１、３４３を設けてもよい。例えば長細い燃料電池スタックでは１つの側面に燃料入口１７１、３４１とガス流路入口１８１、３４３を設けることができる。

またバッキングプレート１９、２０を用いずに、板ばね（図示せず）で直接、エンドプレート１７、１８を挟んでもよい。この場合、板ばねの断面Ｃ字型の内側に絶縁膜を形成し板ばねによって短絡が発生しないようにする。また、燃料ポンプ５や一体部材６１との締結部（ねじ孔６７など）をエンドプレート１７、１８に設ける。すなわちバッキングプレート１９、２０は必須ではない。

本実施の形態ではＤＭＦＣを例に説明したが、セルスタック１６と同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成は適用可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。

本発明の燃料電池システムでは、燃料電池スタックが傾いた場合に起こる流路のつまりを確実に防止、解消できる。このような燃料電池システムは、特に小型電子機器の電源として有用である。

１ 燃料電池スタック
２ カソード端子
３ アノード端子
４ 燃料タンク
５ 燃料ポンプ
６ ポンプ
６Ａ ガス吐出口
７ 制御部
８ 蓄電部
９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 第１板ばね
１２ 第２板ばね
１４ 加速度センサ
１５ 圧力センサ
１６ セルスタック
１７，１８ エンドプレート
１７Ａ 平面部（第１平面部）
１７Ｂ，３４Ｂ 燃料流路溝
１７Ｃ，３４Ｃ 貫通孔
１８Ｄ，３４Ｄ ガス流路溝
１９，２０ バッキングプレート
２１ 電流検出器
２２ 電圧検出器
３１ アノード電極
３１Ａ，３２Ａ 拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ 微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ 触媒層
３２ カソード電極
３３ 電解質膜
３４ セパレータ
３４Ａ 平面部（第２平面部）
３５ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
５２Ａ シール材（第１シール材）
５２Ｂ シール材（第２シール材）
６１ 一体部材
６２ シール材（第３シール材）
６３ 第１の開口
６４ 第２の開口
６５ ねじ
６７ ねじ孔
７３ ガス吐出部
７４ 受け部
７５ 排出管
１７１ 燃料入口（第１燃料入口）
１７２ 燃料出口（第１燃料出口）
１８１ ガス流路入口（第１ガス入口）
３４１ 燃料入口（第２燃料入口）
３４２ 燃料出口（第２燃料出口）
３４３ ガス流路入口（第２ガス入口）

Claims (6)

1. アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体と、
   を有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに酸化剤を含むガスを供給するためのポンプと、
   前記ガスの圧力を検知する圧力センサと、
   前記燃料電池スタックの傾斜を検知する加速度センサと、
   制御部と、を備え、
   前記燃料電池スタックは、前記カソード電極に対向するように形成された前記ガスが流通するためのガス流路溝と前記ガスを取り込むガス流路入口を有し、
   前記圧力センサは前記ポンプから前記ガス流路入口に吐出されるガスの圧力を検知し、
   前記制御部は、前記加速度センサが検知する前記燃料電池スタックの傾きが所定の角度以上であることを検知し、前記圧力センサが検知する圧力が所定圧力以上であることを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値以下である場合に、
   前記ポンプから吐出される空気量を、所定時間増大させる、燃料電池システム。
2. 前記加速度センサが検知する前記燃料電池の傾きの方向は、前記ガス流路溝内において前記ポンプから吐出される空気が下方から上方へ流れる方向であ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. 前記制御部は、前記加速度センサが検知する前記燃料電池スタックの傾きが所定の角度未満であることを検知し、前記圧力センサが検知する圧力が所定の圧力以上であることを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値まで低下した場合に、
   前記ポンプから吐出される空気量を所定時間増大させる、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御部は、前記加速度センサが検知する前記燃料電池スタックの傾きが所定の角度以上であることを検知し、前記圧力センサが検知する圧力が所定圧力以上であることを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値まで低下した場合に、
   前記ポンプから吐出される空気量を、前記加速度センサが検知する前記燃料電池スタックの傾きが所定の角度未満であることを検知し、前記圧力センサが検知する圧力が所定圧力未満であることを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値まで復帰するまで増大させる
   請求項１または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御部は、前記加速度センサが検知する前記燃料電池スタックの傾きが所定の角度より小さいことを検知し、前記圧力センサが検知する圧力が所定圧力より小さいことを検知し、かつ燃料電池の発電電力が所定値まで低下した場合に、
   前記制御部は、前記ポンプと前記燃料電池スタックに還元剤を含むガスを供給するための燃料ポンプとの故障判定と、前記燃料電池スタックの劣化判定を行う
   請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御部は、前記故障判定の結果前記燃料ポンプと前記ポンプの少なくとも一方が故障している場合には、燃料電池システムを停止する
   請求項５に記載の燃料電池システム。

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