JP2021128924A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
JP2021128924A
JP2021128924A JP2020024704A JP2020024704A JP2021128924A JP 2021128924 A JP2021128924 A JP 2021128924A JP 2020024704 A JP2020024704 A JP 2020024704A JP 2020024704 A JP2020024704 A JP 2020024704A JP 2021128924 A JP2021128924 A JP 2021128924A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
hydrogen
fuel cell
oxygen
cell system
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2020024704A
Other languages
English (en)
Other versions
JP7486734B2 (ja
Inventor
理嗣 曽根
Michitsugu Sone
理嗣 曽根
元彦 佐藤
Motohiko Sato
元彦 佐藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Chemix Inc
Original Assignee
Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Chemix Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Aerospace Exploration Agency JAXA, Chemix Inc filed Critical Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority to JP2020024704A priority Critical patent/JP7486734B2/ja
Priority to PCT/JP2020/047959 priority patent/WO2021166428A1/ja
Priority to DE112020006758.0T priority patent/DE112020006758T5/de
Priority to US17/797,864 priority patent/US20230060926A1/en
Publication of JP2021128924A publication Critical patent/JP2021128924A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7486734B2 publication Critical patent/JP7486734B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H01M16/006—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers of fuel cells with rechargeable batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0289—Means for holding the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04731—Temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

【課題】中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部とを備える。【選択図】図１１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池は、水素等の燃料と空気（酸素）等の酸化剤とを電気化学的に反応させることにより、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。その中でも、電解質に高分子形水素イオン交換膜等を用いた固体高分子電解質形燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純であること、動作温度が比較的低いこと等の優れた特徴を有しているため、航空機や車両などの移動体に搭載可能な燃料電池についての様々な技術開発が進められている。
従来の燃料電池として、例えば、液体の水から分離された酸素含有ガスを通過させる第１のガスセパレータ、及び、液体の水から分離された水素含有ガスを通過させる第２のガスセパレータが積層され、セルの積層方向に実質的に垂直な第１の方向において、水の供給又は排出を行う水流路と、セルの積層方向に実質的に垂直な第２の方向において、酸素含有ガスの排出又は供給を行う酸素含有ガス流路と、セルの積層方向に実質的に垂直な第３の方向において、水素含有ガスの排出又は供給を行う水素含有ガス流路とを備え、酸素側電極層及び水素側電極層が撥水性電極層である水電解／燃料電池発電用セルが提案されている（特許文献１）。
この燃料電池では、水の供給及び排出を積層方向と実質的に垂直な第１の方向において行い、酸素ガス及び水素ガスの供給及び排出を積層方向と実質的に垂直なそれぞれ第２及び第３の方向において行うようにしたことによって、第１のセルと第２のセルという複数のセルを積層することによって、積層方向におけるコンパクトな寸法を実現でき、水電解セル及び燃料電池発電セルの能力を向上させることができるとされている。
上記のように構成される燃料電池スタックを、大気のない宇宙空間や原子炉周辺で使用する場合、放射線被ばくにより、電極やイオン交換膜の劣化が早まる。また、低速の中性子が同程度の質量を有する原子と衝突することによりγ線が発生し、施設内の機器の破損をもたらす虞もある。
そこで、放射線被ばくを防止するために、例えば、水素元素含有率の高いゼオライトと、高エネルギー中性子線及びガンマ線に高い遮蔽効果を示すイオン交換性元素及び原子番号４０以上の重金属、並びに熱中性子吸収材を組み合わせてなる放射線遮蔽材が提案されている（特許文献２）。
また、（Ａ成分）変性グリシジルエステル系エポキシ樹脂とビスフェノールＡ−エピクロルヒドリン重合物とを混合したエポキシ樹脂混合物、（Ｂ成分）アミノポリアミド硬化剤、（Ｃ成分）リチウム含有化合物、（Ｄ成分）ホウ素含有化合物、及び（Ｅ成分）水酸化アルミニウムを含む組成物を硬化させる中性子遮蔽材が提案されている（特許文献３）。
特開２０１８−７８０９８号公報 特開２００６−３２９９１５号公報 特開２０１１−２７４６０号公報
しかしながら、月面等で用いられる探査車（ローバー）をはじめとする移動体への搭載を考慮して、中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現可能な燃料電池システムが求められている。
本発明の目的は、中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現可能な燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
［１］電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、
前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、
前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部と
を備える燃料電池システム。
［２］前記水素被覆部から水素を排出する水素排出部を更に備え、
前記水素被覆部の内部空間が、前記水素供給部と連通しており、
前記水素導入部から前記水素被覆部に水素を導入することにより、前記水素供給部に水素が供給される、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［３］前記水素被覆部と前記燃料電池セルとの間に設けられた中性子遮蔽部材を更に備える、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［４］前記中性子遮蔽部材は、重金属を含有する材料で構成される、上記［３］に記載の燃料電池システム。
［５］前記燃料電池セルと連通し、前記燃料電池セル内で生成した水を前記水素被覆部の外部に排出するポートを更に備える、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［６］前記ポートの下流側端部が、キャピラリ形状を有する、上記［３］に記載の燃料電池システム。
［７］前記燃料電池セルに取り付けられた吸湿部材を更に備え、
前記ポートの上流側端部が、前記吸湿部材に当接するか又はその近傍に配置される、上記［５］に記載の燃料電池システム。
［８］前記水素被覆部内が水素によって加圧された状態で保持される、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［９］前記気体供給部の気体排出路に接続され、一の水回収タンクから他の水回収タンクに切り替え可能に構成された除湿器を更に備え、
前記燃料電池セルに接続された負荷への通電時間と電流値の積に基づいて前記水回収タンクが切り替えられる、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［１０］前記燃料電池セルの温度を測定する温度測定部と、
前記燃料電池セルの温調を行う温度調節部と、を更に備える、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［１１］前記燃料電池セルに電気的に並列接続されたバッテリを更に備える、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［１２］前記燃料極、前記電解質膜及び前記酸化剤極が、鉛直方向に沿ってこの順に積層される、上記［１］に記載の燃料電池システム。
［１３］前記燃料極が、前記電解質膜の下方に配置される、上記［１２］に記載の燃料電池システム。
本発明によれば、中性子の遮蔽効果が高く、且つシステムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池装置の制御方法が適用される燃料電池システムの構成の一例を概略的に示す図である。 図２（ａ）は、図１のセパレータの水素供給部、及び酸素供給部の一例を示す側面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における流路パターンの変形例である。 図３は、図１の燃料電池スタック内での水移動モデルを説明する図である。 図４は、図１の燃料電池システムで実行される燃料電池装置の起動制御の一例を示すフローチャートである。 図５は、図４の燃料電池装置の起動制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。 図６は、図１の燃料電池システムで実行される燃料電池装置の定常運転制御の一例を示すフローチャートである。 図７は、図６の燃料電池装置の定常運転制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。 図８は、定常運転時における燃料電池装置の緊急停止制御の一例を示すフローチャートである。 図９は、図１の燃料電池システムで実行される燃料電池装置の終了制御の一例を示すフローチャートである。 図１０は、図９の燃料電池装置の起動制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。 図１１は、本発明の第２実施形態に係る、水素被覆部を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。 図１２は、図１１における燃料電池装置の構成の変形例を示す図である。 図１３は、図１２における燃料電池スタックのレイアウトを示す部分拡大図である。 図１４は、図１２におけるセパレータの水素供給側部分の一例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池の制御方法が適用される燃料電池システムの構成の一例を概略的に示す図であり、図２（ａ）は、図１のセパレータの水素供給部、及び酸素供給部（気体供給部）の一例を示す側面図である。尚、以下の説明で用いる図面は、特徴を分かりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の形状、寸法比率等は図示するものに限らないものとする。
図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池装置２と、後述する各種機器との間で信号を送受して燃料電池装置２を統括的に制御する制御部３とを備えている。
燃料電池装置２には、燃料電池スタック２１が設けられている。燃料電池スタック２１は、電解質膜２２、燃料極２３、酸化剤極２４、水素供給部２５、酸素供給部２６で構成された燃料電池セル２１Ａをセパレータ２７（図２（ａ）参照）で複数積層させることで構成されている。本実施形態では、説明の便宜上、燃料電池スタック２１が１つの燃料電池セル２１Ａで構成される場合を示している。
燃料極２３及び酸化剤極２４の上部には、水素供給口２８、酸素排出口２９がそれぞれ設けられ、また、燃料極２３及び酸化剤極２４の下部には、水素排出口３０、酸素供給口３１がそれぞれ設けられている。
セパレータ２７は、図２（ａ）に示すように、平板状を成し、正面側の燃料極側部分３２と、背面側の酸化剤極側部分３３とで構成されている。燃料極側部分３２には、水素供給口２８に対応する水素入口３４と、水素排出口３０に対応する水素出口３５とが設けられている。また、酸化剤極側部分３３には、酸素供給口３１に対応する酸素入口３６と、酸素排出口２９に対応する酸素出口３７とが設けられている。燃料極側部分３２及び酸化剤極側部分３３それぞれの流路パターン３８Ａ，３９Ａは、例えばサーペンタイン形状をなしており、燃料極側部分３２を流れる水素と酸化剤極側部分３３を流れる酸素との全体的な流れの向き（図２（ａ）中の黒色太矢印）が対向するように形成されている。図２（ｂ）に示すように、流路パターン３８Ｂ，３９Ｂが、櫛状（ストレート形状）をなしていてもよい。この形状でも、燃料極側部分３２を流れる水素と酸化剤極側部分３３を流れる酸素との流れの向き（図２（ｂ）中の黒色太矢印）が対向するように形成される。
燃料電池システム１には、水素供給源４１、水素供給源４１から燃料電池装置２に水素を供給する水素導入路４２、燃料電池装置２から水素を排出する水素排出路４３が設けられている（図１）。水素導入路４２は水素供給口２８に、水素排出路４３は水素排出口３０にそれぞれ接続されている。また、燃料電池システム１には、酸素供給源５１、酸素供給源５１から燃料電池装置２に気体（例えば、酸素）を供給する酸素導入路５２（気体導入路）、及び、燃料電池装置２から気体を排出する酸素排出路５３（気体排出路）が設けられている。酸素導入路５２は酸素供給口３１に、酸素排出路５３は酸素排出口２９にそれぞれ接続されている。
水素導入路４２には、三方弁４４が設けられており、水素導入路４２が連結流路４５を介して酸素導入路５２に接続されている。水素導入路４２は、水素供給部２５に水素を供給すると共に、必要に応じて連結流路４５を介して酸素供給部２６にも水素を供給可能に構成されている。また、水素導入路４２には、水素供給部２５に供給される水素の圧力（例えばゲージ圧）を測定する水素圧測定部４６が設けられている。
水素排出路４３には、流路の開放／遮断を行う弁４７が設けられており、水素の外部への排出（パージ）、あるいは排出の停止を行うことが可能に構成されている。
酸素導入路５２には、流路の開放／遮断を行う弁５４が設けられており、酸素の供給／停止を行うことが可能に構成されている。また、酸素導入路５２には、酸素供給部２６に供給される気体の圧力（例えばゲージ圧）を測定する気体圧測定部５５が設けられている。
酸素排出路５３には、三方弁５６が設けられており、酸素排出路５３が循環路５７を介して酸素導入路５２に接続されている。酸素排出路５３は、気体を外部に排出（パージ）すると共に、必要に応じて循環路５７を介して酸素供給部２６に気体を戻すことが可能に構成されている。すなわち本実施形態では、酸素導入路５２、酸素供給部２６、酸素排出路５３及び循環路５７が、循環ラインを形成している。循環路５７には循環ポンプ５８、圧力調整部５９及び流量測定部６０が設けられており、それぞれ気体（例えば、酸素）の送出、減圧／増圧、及び流量測定を行う。燃料電池システム１で消費される気体の量は、例えば流量測定部６０にて測定することができ、その測定値に基づいて循環ポンプ５８を用いて酸素循環量を調整することができる。本実施形態では、循環ポンプ５８は循環路５７に設けられているが、これに限られず、酸素排出路５３など、上記循環ライン上のいずれかの位置に設けられてもよい。
また、酸素排出路５３には、凝縮器６１及び除湿器６２が設けられている。凝縮器６１は、酸素排出路５３を流れる気体の水分を凝縮する。除湿器６２は、凝縮器６１を通った気体から水分を除去し、水回収タンク６３で水分を回収する。除湿器６２の構成の詳細については、後述する。
燃料電池装置２では、還元剤（燃料）として水素（好ましくは純水素）が用いられる。酸化剤としては、酸素を含む気体、例えば酸素（好ましくは純酸素）や空気が使用される。以下、酸素を含む気体を、単に「気体」ともいう。水素は、水素供給口２８を介して燃料極２３側に供給され、気体は、酸素供給口３１を介して酸化剤極２４側に供給される。燃料電池スタック２１内に供給された水素及び気体は、電解質膜２２に沿って互いに対向する向きに流れる。水素と気体の反応時に酸素側で発生する生成水は、図３に示すように、電解質膜２２を通じて移動し、拡散し、水素側へ水を供給する。これにより、水素供給口２８付近の水素が加湿される。加湿された水素は、上記気体の流れに対向する向きに流れ、水素の消費と共に水蒸気量が多くなり、水素排出口３０付近では、水素側から酸素側に水分移動が生じ、酸素供給口３１付近が加湿される。この結果、燃料電池スタック２１内では、電解質膜２２を介して気体側と水素側間で水分の相互移動が行われる。
燃料電池セル２１Ａでは、電解質膜２２を燃料極２３及び酸化剤極２４で挟み込み、燃料極２３の水素供給部２５に水素を供給し、酸化剤極２４の酸素供給部２６に気体を供給して発電を行う。燃料電池装置２は、車両などの移動体の負荷４に電気的に接続されており、負荷４に電力を供給する。
［水素被覆部］
図１１は、本発明の第２実施形態に係る、水素被覆部を有する燃料電池システムの構成を概略的に示す図である。図１１の燃料電池システム１は、主に水素被覆部を有する点で、図１の燃料電池システム１と異なる。図１１の燃料電池システム１の構成は、図１の燃料電池システム１の構成と基本的に同じであり、以下に異なる部分を説明する。
図１１に示すように、本実施形態の燃料電池装置２は、燃料電池スタック２１と、燃料電池スタック２１を覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部７１と、水素被覆部７１に水素を導入する水素導入部７２とを備える。
水素被覆部７１は、内部空間に燃料電池装置２を収容すると共に、当該内部空間を密閉可能に構成された容器である。水素被覆部７１は、直方体形状や円筒形状など、様々な形状を取りうるが、強度の観点からは俵形状や樽形状が好ましい。水素被覆部７１は、中性子を遮蔽することが可能な材料で構成されることが好ましく、例えばアルミニウムなどの金属で構成されている。水素被覆部７１内は、水素によって加圧された状態で保持されるのが好ましい。これにより、水素被覆部７１に微小な亀裂等が生じた場合にも、水素の充てん状態を維持することができる。
水素導入部７２は、例えば他の系統と接続されており、当該他の系統に設けられた水素供給源からの水素を水素被覆部７１に供給する。水素導入部７２は、水素供給源としての水素タンク４１Ａに接続されてもよく、その場合、水素タンク４１Ａからの水素が水素供給部２５及び水素被覆部７１のいずれか又は双方に供給可能に構成される。また、本実施形態では、気体供給源としての酸素タンク５１Ｂが設けられており、酸素タンク５１Ｂの酸素が酸素導入路５２に供給される。
また、燃料電池装置２は、燃料電池スタック２１と連通し、燃料電池スタック２１内で生成した水を水素被覆部７１の外部に排出するキャピラリポート（ポート）７３と、水素被覆部７１に設けられ、水素被覆部７１の内部空間を開放可能なパージポート７４とを備える。キャピラリポート７３は、例えば宇宙空間に開放されており、フラッシングが生じたり或いはその傾向が現れた場合に、キャピラリポート７３に設けられた弁を開くことにより、水素被覆部７１内の不要な水分や気体が宇宙空間に排出される。キャピラリポート７３は、少なくとも下流側先端部７３ａがキャピラリ形状を有しているのが好ましい。これにより、急激なパージを抑制して、気体を徐々に宇宙空間に排出することができる。パージポート７４は、例えば宇宙空間に開放されており、安全確保が必要な場合や緊急時に、パージポート７４に設けられた弁を開く或いは破壊することで、水素被覆部７１内の気体等を可及的速やかにパージすることができる。
図１２は、図１１における燃料電池装置２の構成の変形例を示す図である。
図１２に示すように、本変形例の燃料電池装置２は、水素被覆部７１と、水素導入部７２と、水素被覆部７１から水素を排出する水素排出部７５とを備える。水素被覆部７１の内部空間Ａは、水素供給部２５と連通しており（図１１）、水素導入部７２から水素被覆部７１に水素を導入することにより、水素供給部２５に水素が供給される。すなわち、図１２の燃料電池装置２では、水素導入部７２、水素被覆部７１の内部空間Ａ及び水素排出部７５によって一の水素ガス系統が設けられており、この水素ガス系統によって水素被覆部７１に水素が供給されると共に、水素供給部２５に水素が供給される。
また、本変形例では、図１３に示すように、燃料極２３、電解質膜２２及び酸化剤極２４が、鉛直方向（例えば、図中のＤ３方向）に沿ってこの順に積層されている。この場合、燃料極２３が、電解質膜２２の下方に配置されるのが好ましい。このように燃料電池スタック２１を水平置き（横置き）にすることで、重力環境下において、水素供給部２５を流れる水素及び酸素供給部２６を流れる気体の双方を、鉛直方向に対して垂直な方向に流すことができ、重力の影響が少ない、良好なガス流れを実現することができる。
セパレータ２７（図２参照）のうちの水素供給側部分７６は、例えば図１４に示すように、燃料電池スタック２１の長さ方向（図１２のＤ１方向）の全体に亘って形成された複数の溝７６ａを有している。複数の溝７６ａの上部は燃料電池セルの積層によって塞がれており、これにより水素被覆部７１の内部空間Ａと連通した複数の流路パターンが形成されている。
ここで、月面のように中性子線濃度が高い環境では、燃料電池スタック２１を透過した放射線により電解質膜の劣化等が懸念される。そこで、燃料電池装置２では、水素被覆部７１に充てんされた水素で中性子を遮蔽する構成としている。また、水素被覆部７１に水素を充てんした構成とすることで、図１３に示すように、セパレータ２７の水素供給側部分７６が溝形状等の単純な流路パターンを有する構造体であっても、このような構成のセパレータ２７を使用しつつ、上記基準電圧の基となる水素をセパレータ２７に供給し続けることができる。また、一の水素ガス系統を用いて、水素被覆部７１に水素を充てんしつつ、水素供給部２５に水素を供給することができ、燃料電池装置を簡略化することが可能となる。
燃料電池装置２は、水素被覆部７１と燃料電池スタック２１との間に設けられた中性子遮蔽部材７７を備えてもよい（図１２）。中性子遮蔽部材７７の配置位置は、特に制限されないが、例えば、水素被覆部７１の内面に取り付けられ、好ましくは燃料電池スタック２１を覆って配置される。中性子遮蔽部材７７の形状も特に制限されず、シート状等の様々な形状を取りうる。中性子遮蔽部材７７は、例えばベリリウムやベリリウムを含む合金や、重金属を含有する材料等で構成される。重金属としては、例えば鉛や鉛を含む合金が挙げられる。
また、燃料電池装置２は、燃料電池スタック２１に取り付けられた吸湿部材７８を備えてもよい。この場合、キャピラリポート７３の上流側端部７３ｂが、吸湿部材７８に当接するか又はその近傍に配置される。吸湿部材７８は、例えば網目状部材や多孔質部材で構成され、網目状部材としては、例えばウイックが挙げられる。これにより、水素被覆部７１内で生成された水が吸湿部材７８を介して宇宙空間に排出されるので、水がキャピラリポート７３から排出される際の水素の排出量を少なくすることができる。
吸湿部材７８は、燃料電池スタック２１の下面に配置されてもよい。重力環境下であれば、燃料電池スタック２１の下に吸湿部材７８を敷き詰めることで、緊急を要する水の排出の際にバッファとして機能させることができる。
また、吸湿部材７８の配置位置を含む部分を冷却して、水素被覆部７１の他の部分よりも相対的に低温となるように構成されてもよい。これにより、吸湿部材７８で水が生成され易くなり、水がキャピラリポート７３から排出される際の水素の排出量を更に少なくすることができる。
また、本実施形態の燃料電池システム１では、除湿器６２は、酸素供給部２６の酸素排出路５３に接続され、一の水回収タンク６３から他の水回収タンク６３に切り替え可能に構成されている（図１１）。そして、制御部３は、燃料電池スタック２１に接続された負荷４への通電時間（ｔ）と電流値（Ｉ）の積（ｔ）×（Ｉ）に基づいて水回収タンク６３を切り替える。
閉鎖環境及び酸素供給の環境下にあっては、水の効率的な回収が求められるにも関わらず、短時間のうちに大量の水が発生する。水回収タンク６３に設けられた水量検知だけでは、水量検知用のセンサ故障等が生じた場合に、水が燃料電池システム１内に溢れ出して、発電停止、ひいてはフラッディング等の不具合が発生する可能性がある。本実施形態では、複数の水回収タンク６３を切り替え可能に具備した除湿器６２を用い、制御部３にて負荷４への通電時間（ｔ）を計測し、且つ電流測定部７にて電流値（Ｉ）を測定し、これらの積（ｔ）×（Ｉ）を算出する。積（ｔ）×（Ｉ）の算出値が、積（ｔ）×（Ｉ）と水の理論生成量との相関に基づいて設定された所定の閾値以上である場合、使用中の水回収タンク６３内の水が容量一杯であると判断し、使用中の一の水回収タンク６３が未使用の他の水回収タンク６３に切り替えられる。これにより、燃料電池システム１内での水の漏洩を確実に防止し、フラッティング等の不具合の発生を更に防止することができる。
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２１（或いは燃料電池セル２１Ａ）の温度を測定する温度測定部８１と、燃料電池スタック２１の温調を行う温度調節部８２とを備えてもよい。この場合、制御部３は、燃料電池スタック２１の温度の測定値に基づいて温度調節部８２に制御信号を送信し、温度調節部８２は、制御部３から送信された制御信号に基づいて燃料電池スタック２１を冷却或いは加熱する。これにより、発電時に燃料電池スタック２１を適正な温度に維持することができる。
温度測定部８１は、例えば燃料電池スタック２１の水素ラインに取り付けられる水素側温度センサと、気体（酸素）ラインに取り付けられる気体側温度センサとを有していてもよい。
燃料電池スタック２１の温調は、特に制限されないが、例えば水冷式である。水冷式の温調では、燃料電池装置２の発電によって生成された水を使用することができる。
制御部３或いは温度調節部８２は、電圧測定部６から送信された燃料電池スタック２１の電圧Ｖの測定値に基づいて、燃料電池スタック２１の温調を行ってもよい。また、制御部３或いは温度調節部８２は、燃料電池スタック２１の電圧Ｖの測定値を、データロガー等の記録媒体に読出し可能に記録してもよい。
また、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２１に電気的に並列接続されたバッテリ８を備えてもよい（図１１）。バッテリ８は、移動体内の電力系統に接続されており、例えば異常検知の際や、起動の際など、燃料電池装置２での十分な発電が困難な場合に、他の電力系統に電力を供給することができる。起動時のみにバッテリ８を用いる場合には、バッテリ８を必要最小限の容量とすることができ、バッテリ８を小型化して省スペース化を図ることができる。
このように燃料電池スタック２１にバッテリ８を接続することにより、燃料電池装置２で何らかの不具合が生じた場合、バッテリ８を非常用電源として用い、移動体を緊急帰還させることが可能となる。また、バッテリ８は、ローバーに搭載された太陽光発電装置や温度差発電装置に接続されてもよい。この場合、月面探査において太陽光発電装置や温度差発電装置で発電された電力をバッテリ８に補充電することができる。
本実施形態によれば、水素被覆部７１が燃料電池スタック２１を覆って配置され且つ内部に水素を充てん可能に構成され、水素導入部７２が水素被覆部７１に水素を導入するので、燃料電池スタック２１を水素で被覆することにより、水素との衝突により中性子のエネルギーが消失し、電解質膜２２の劣化、損耗を大幅に抑制することができ、これにより燃料電池スタック２１の劣化や故障の発生を防止することができる。また、燃料電池スタック２１の還元剤として使用される水素を、水素被覆部７１の内部空間への充てん材としても使用するため、中性子遮蔽部材を別途設ける必要がなく、システムの簡略化、軽量化、省スペース化を実現することができる。
また、燃料電池システム１は、燃料電池装置２、すなわち燃料電池スタック２１のインピーダンスＺを測定するインピーダンス測定部５と、燃料電池スタック２１の電圧Ｖを測定する電圧測定部６と、負荷４に流れる電流Ｉを測定する電流測定部７とを備えている（図１、図１１）。インピーダンス測定部５の測定結果に応じた信号、電圧測定部６の測定結果に応じた信号、及び電流測定部７の測定結果に応じて信号が、それぞれ制御部３に送信される。
次に、図４〜図１０を参照しながら、燃料電池システム１に適用される燃料電池装置２の制御として、燃料電池の起動制御、定常運転制御、及び終了制御を順に説明する。尚、燃料電池の起動制御、定常運転制御及び終了制御は、図１の燃料電池システムで実行されてもよいし、図１１の燃料電池システムで実行されてもよい。
［起動制御］
図４は、図１の燃料電池システム１で実行される燃料電池装置２の起動制御の一例を示すフローチャートである。図５は、図４の燃料電池装置２の起動制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本起動制御の各工程は、制御部３によって実行することができる。
本実施形態においては、保存状態(時刻ｔ０)では減圧封止の状態にあり、水素および酸素の供給も行われていない。したがって、電圧Ｖは０Ｖとなっているのが望ましい状態である。
先ず、燃料電池装置２の発電開始時に、燃料極２３の水素供給部２５及び酸化剤極２４の酸素供給部２６を減圧する（ステップＳ１１、図５の時刻ｔ１）。例えば、宇宙空間では、水素排出路４３及び酸素排出路５３をパージすることで、水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧することができる。また、大気圧下では、水素排出路４３及び酸素排出路５３に不図示のポンプ等を設けることにより、水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧することができる。これにより、水素供給部２５内の残留水素が排出され、また、酸素供給部２６内の残留酸素が排出される。また、後述するように、燃料電池装置２を保管する際に、水素供給部２５及び酸素供給部２６のそれぞれに不活性ガスなどの気体が充てんされていた場合、それらの気体が排出される。
次に、水素供給部２５に水素を供給する（ステップＳ１２、図５の時刻ｔ２）。水素供給源４１からの水素は、水素導入路４２を介して水素供給部２５に供給される。なお、図５においては説明の簡単のために、水素の圧力ＰＨ２は時刻ｔ２でＯＮ状態となっているが、徐々に供給量を増やすようにしてもよい。
その後、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧を測定し、該電圧が基準電圧Ｖｓ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３）。基準電圧Ｖｓ１（起電力）の値は、特に限定されないが、例えば１００ｍＶである。本ステップでは、水素濃度に対応して発生する両電極の電位の差、すなわち濃淡電池としての起電力を活用し、水素供給部２５に水素が正常に供給されていることを確認することができる。
燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧が基準電圧Ｖｓ１以上であるときは（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、水素供給部２５に水素が正常に供給されていると判断し、酸素供給部２６に気体を供給しつつ、酸素供給部２６から気体を外部に排出する（ステップＳ１４、図５の時刻ｔ３）。このとき、循環ポンプ５８を作動させて、循環路５７を介して気体を循環させてもよい。気体が酸素である場合、酸素の供給量は、特に制限されないが、例えば水素の供給量に対して０．５〜１０倍である。酸化剤として酸素を供給する場合、フラッティングが起こりやすいため、酸化剤として空気と用いる場合と比較して酸素の供給量を増大させる。本ステップにより、酸素供給部２６における酸素の流れによって電解質膜２２からの水分の脱離が促進され、不要な水分が酸素と共に外部に排出され、フラッティングの発生を防止することができる。
燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧が基準電圧Ｖｓ１未満である場合（ステップ１３：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻り、水素供給部２５への水素供給を継続する。なお、水素供給部２５への水素供給を予め定めた所定時間以上継続しても、電圧が基準電圧Ｖｓ１未満である場合は、燃料電池システム１に障害が発生したと判断し、起動制御を中断する。
また、酸化剤として酸素を供給する場合、何らかの理由で水素のリークが生じていると、酸素供給部２６に酸素が供給された際に水素と酸素が急激に反応し、その反応によって燃料電池スタック２１が破壊される虞がある。更に、水素供給部２５に水素を供給する前に酸素供給部２６に気体を供給すると、特に電解質膜２２に隣接する電極の触媒層の炭素が酸化し、燃料電池スタック２１の劣化や故障の発生の原因となる。本ステップのように、水素供給部２５に水素を供給した後に酸素供給部２６に気体を供給することで、水素と酸素の急激な反応の発生が防止され、燃料電池スタック２１の劣化や故障を防止することができる。
次に、外部抵抗を使用して通電を行いつつ、燃料電池装置２の電流密度（或いは電流Ｉ）を所定値Ｉｓまで増大させる（ステップＳ１５、図５の時刻ｔ４〜時刻ｔ５）。電流密度の所定値Ｉｓは、特に制限されないが、例えば０〜０．１Ａ／ｃｍ２である。燃料電池装置２には、上述のように、例えば閉鎖環境で使用されるヒータ、モータ等の負荷４が接続されており、負荷４（抵抗）を小さくすることで、燃料電池装置２の電流密度を増大させることができる。
その後、燃料極２３と酸化剤極２４との間のインピーダンスＺが所定の閾値Ｚｓ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６、図５の時刻ｔ５）。インピーダンスＺの所定の閾値は、特に制限されないが、例えば１ｋＨｚにおいて、５ｍΩ〜２０ｍΩである。電解質膜２２の水分が不足している場合、インピーダンスＺは高くなることから、インピーダンスＺが所定の閾値以下であれば、電解質膜２２の水分が適量であると判断でき、ドライアウトの発生を抑制することができる。特に、酸化剤として空気を用いる場合にはドライアウトが起こりやすいため、本ステップによってドライアウトが発生しているか否かを精度良く確認することができる。
燃料極２３と酸化剤極２４との間のインピーダンスＺが所定の閾値Ｚｓ以下であるときは（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、弁４７を閉鎖して水素排出路４３への流路を遮断し、その後に循環路５７を介して酸素供給部２６の酸素導入路５２と酸素排出路５３とを接続して循環ラインを形成し、酸素排出路５３の気体を酸素導入路５２に戻す（ステップＳ１７、図５の時刻ｔ６）。このようにすることで、燃料極２３と酸化剤極２４との間の差圧が適正に維持される。
燃料極２３と酸化剤極２４との間のインピーダンスＺが所定の閾値Ｚｓを越える場合（ステップＳ１６：ＮＯ）、ドライアウトが発生していると判断して、酸素循環量を下げる。また、インピーダンスＺが閾値Ｚｓ以下である場合であっても、電圧が上記基準電圧Ｖｓ１よりも低い所定値を下回る場合は、フラッディングが発生したと判断して、酸素循環量を上げることができる。
循環ライン上に循環ポンプ５８及び除湿器６２を設けている場合には、上記ステップＳ１７において、上記循環ラインに設けられた除湿器６２を用いて気体を除湿しながら循環させてもよい。これにより、循環ラインを流れる気体から不要な水分を除去することができ、フラッティングの発生を更に抑制することができる。特に、酸化剤として酸素を用いる場合にはフラッティングが起こりやすいため、本ステップによってフラッティングの発生を確実に抑制することができる。
また、循環ライン上であって且つ循環路５７に循環ポンプ５８を設けている場合（図１参照）、上記ステップＳ１７において、インピーダンスＺが所定の閾値Ｚｓ以下であるときに、気体の酸素供給源５１から、酸素導入路５２、酸素供給部２６及び酸素排出路５３を介して外部まで気体を流通させている状態で、循環ポンプ５８を起動させることができる。この場合、その後に酸素排出路５３から気体を外部に排出する排気系を閉じることにより、酸素排出路５３の気体を酸素導入路５２に戻す。排気系の閉塞は、例えば三方弁５６を用いて行うことができる。これにより、酸素排出路５３を流れる全ての気体が、循環路５７を介して酸素導入路５２に送出され、外部には排出されない状態となる。
次いで、水素供給部２５の水素と酸素供給部２６の気体との圧力差ΔＰを計測し、圧力差ΔＰが所定の閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１８）。所定の閾値は、特に制限は無いが、例えば０より大きく且つ５０ｋＰａである（０＜ΔＰ＜５０ｋＰａ）。そして、圧力差ΔＰが上記所定の閾値よりも大きいときに（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、気体の循環量を減少させる（ステップＳ１９）。上記圧力差を所定の閾値以下とすることで、電解質膜２２がガス圧によって破れるのを防止することができる。また、気体の圧力PGASを水素の圧力PH2よりも高くすることが好ましい（ΔＰ＝PGAS− PH2）。これにより、より安全な運転を実現することができる。圧力差ΔＰが前記所定の閾値以下である場合には（ステップＳ１８：ＮＯ）、本起動制御を終了し、後述する定常運転制御に移行する。
上述したように、本起動制御によれば、水素供給部２５に水素を供給し（ステップＳ１２）、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖが基準電圧Ｖｓ１以上であるときに（ステップＳ１３でＹＥＳ）、酸素供給部２６に気体を供給しつつ、酸素供給部２６から気体を外部に排出するので（ステップＳ１４）、水素供給部２５に水素が正常に供給されていることを、基準電圧を用いて正確に判断することができ、また、その判断結果に基づいて酸素供給部２６に気体が供給されるので、燃料電池スタック２１の劣化や故障の発生を防止することができる。したがって、起動時における燃料電池装置２の不具合の発生を防止して安全性、信頼性を向上することが可能となる。
［定常運転制御］
図６は、図１の燃料電池システム１で実行される燃料電池装置２の定常運転制御の一例を示すフローチャートである。図７は、図６の燃料電池装置２の定常運転制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本定常運転制御の各工程は、上記起動制御と同様、制御部３によって実行することができる。
先ず、燃料電池装置２の定常運転時に、燃料極２３と酸化剤極２４との間のインピーダンスＺが所定の閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ２１）。インピーダンスＺの所定の閾値は、例えば、上記と同様に１ｋＨｚ（固定値）として計測してもよいし、１０ｍＨｚ〜１ｋＨｚの間での適切な３点程度のインピーダンスに基づいて設定してもよい。上記所定の閾値を３点程度のインピーダンスに基づいて設定する場合、例えば、燃料電池装置２の健全な状態にて、インピーダンスデータ（ナイキスト線図）を取得し、典型的なインピーダンスを示す周波数３点を決定し、その際のインピーダンスを用いて上記所定の閾値を決定することができる。
インピーダンスＺが所定の閾値よりも大きいときには（ステップＳ２１：ＹＥＳ、図７の時刻ｔ３１）、電解質膜２２でドライアウトと判断し、酸素導入路５２と酸素排出路５３とを接続する循環路５７を介して循環する気体の流量を減少させる（ステップＳ２２、図７の時刻ｔ３１〜ｔ３２）。これにより、電解質膜２２の水分が酸素供給部２６の気体の流れによって排出されるのを抑制することができ、電解質膜２２を適正な加湿状態にすることができる。
ステップＳ２２では、ドライアウトの発生をインピーダンスＺに基づいて判断するが、これに限らず、電流遮断、負荷変動及びＤＣ抵抗のいずれか又は複数に基づいて、ドライアウトの発生を判断してもよい。また、インピーダンスＺと、電流遮断、負荷変動及びＤＣ抵抗のいずれか又は複数とに基づいてドライアウトの発生を判断してもよい。これにより、ドライアウトの発生をより正確に判断することが可能となる。
また本実施形態では、インピーダンスＺが所定の閾値よりも大きいときに循環路５７を介して循環する気体の流量を減少させるが、これに限らず、循環路５７を介して循環する気体の流量を減少させると共に、当該気体の流速を減少させてもよい。これにより、より短時間で電解質膜２２を適正な加湿状態にすることができる。
一方、インピーダンスＺが所定の閾値以下であるときは（ステップＳ２１：ＮＯ）、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖを測定し、電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。電圧Ｖの所定の第１閾値は、特に制限されないが、例えば５００ｍＶ〜６００ｍＶの範囲の値である。
電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるときは（ステップＳ２３：ＹＥＳ、図Ａの時刻ｔ３３〜ｔ３４）、フラッティングと判断し、循環路５７を介して循環する気体の流量を増大させる（ステップＳ２４、図７の時刻ｔ３３〜ｔ３４）。例えば、インピーダンスＺが所定の閾値以下であり、かつ電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるときに、循環ポンプ５８の吐出量を増大して、気体の循環量を上昇させる。これにより、電解質膜２２の水分が酸素供給部２６の気体の流れによって排出されるのを促進することができ、電解質膜２２を適正な加湿状態にすることができる。ステップＳ２４の制御により電圧Ｖが所定の第１閾値を越えたときは、循環路５７を介して循環する気体の流量を定常状態に戻す（図７の時刻ｔ３５）。
ステップＳ２４では、電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるときに循環路５７を介して循環する気体の流量を増大させるが、これに限らず、循環路５７を介して循環する気体の流量を増大させると共に、当該気体の流速を増大させてもよい。これにより、より短時間で電解質膜２２を適正な加湿状態にすることができる。
次に、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるか否かを再度判定する（ステップＳ２５）。再度の判定において電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるときは（ステップＳ２５：ＹＥＳ）、水素供給部２５をパージし（ステップＳ２６、図７の時刻ｔ３４）、その後動作を停止する（ステップＳ２７）。通常、上記の気体の流量調整を行うことで電解質膜２２を適正な加湿状態とすることができるが、何らかの原因で上記電圧Ｖが正常値まで回復しない場合がある。その場合、本ステップＳ２７にて水素供給部２５をパージすることで、電解質膜２２の水分がパージによって排出され、上記電圧Ｖを所定の第１閾値以上の正常値まで回復させることが可能となる。
ステップＳ２３において電圧Ｖが所定の第１閾値よりも大きいか（ステップＳ２３：ＮＯ）、又は、ステップＳ２５の再度の判定において電圧Ｖが第１所定の閾値よりも大きい場合には（ステップＳ２５：ＮＯ）、ステップＳ２１の処理に戻る。また、必要に応じて後述する終了制御に移行する。
水素供給部２５のパージ方法は、特に制限されないが、例えば宇宙空間では、水素排出路４３に不図示のキャピラリを設け、キャピラリを介して水素を宇宙空間に開放する。燃料電池装置２は、通常、人が活動する与圧部に配置されるため、キャピラリの圧力損失により、水素排出路４３の水素が徐々に減圧され、水素の急激な排出が防止される。これにより、簡便な構成で水素供給部２５を安全にパージすることができる。
また、ステップＳ２７では電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるときに水素供給部２５をパージするが、これに限らず、電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるときに水素供給部２５をパージすると共に、別途所定のタイミングで定期的に水素供給部２５をパージしてもよい。パージの所定のタイミングは、特に制限されないが、例えば１５分間隔である。
更に、水素導入路４２や水素排出路４３に不図示の保温部材を設けてもよい。これにより、水素供給部２５のパージによって生じうる結露や凍結を防止して、より安全かつ確実にパージすることが可能となる。
上述したように、本定常運転制御によれば、燃料極２３と酸化剤極２４との間のインピーダンスＺが所定の閾値よりも大きいときに（ステップＳ２１：ＹＥＳ）、循環路５７を介して循環する気体の流量を減少させる（ステップＳ２２）。また、インピーダンスＺが所定の閾値以下であるときには（ステップＳ２１：ＮＯ）、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるか否かを判定し（ステップＳ２３）、電圧Ｖが所定の第１閾値以下であるときに、循環路５７を介して循環する気体の流量を増大させる。すなわち、インピーダンスＺと電圧Ｖの双方を用いて、燃料電池装置２の発電時にドライアウト及びフラッティングのいずれが生じたかを正確に判断できるとともに、その判断結果に基づいて電解質膜２２を適正な加湿状態にすることができる。したがって、フラッディングの発生とドライアウトの発生のいずれも防止して、良好な水バランスを保った発電を実現することが可能となる。
（緊急停止制御）
図８は、定常運転時における燃料電池装置２の緊急停止制御の一例を示すフローチャートである。本緊急停止制御は、上記定常運転制御と並行して、又は単独で実行される。本緊急停止方法の各工程は、上記定常運転制御と同様、制御部３によって実行することができる。
本緊急停止制御では、燃料電池装置２の異常発生として、燃料電池装置２の燃料電池スタック２１の温度Ｔｆが所定の閾値よりも大きい場合（ステップＳ３１；ＹＥＳ）、水素供給部２５で酸素を検出した場合（ステップＳ３２；ＹＥＳ）、又は、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖが所定の第２閾値よりも小さい場合（ステップＳ３３；ＹＥＳ）に実行される。
温度Ｔｆの所定の閾値は、特に制限されないが、例えば９０〜１００℃である。これにより燃料電池装置２の温度異常を検知して当該燃料電池装置２を安全に停止させることができる。水素供給部２５の酸素の検出は、例えば水素供給部２５に不図示の酸素センサを設けることで行うことができる。これにより燃料電池装置２での酸素の漏洩を検知して当該燃料電池装置２を安全に停止することができる。電圧Ｖの所定の第２閾値は、特に制限されないが、電圧Ｖの上記所定の第１閾値よりも低い値であり、例えば水素／酸素で発電している場合にはセル当たり４００ｍＶ〜５００ｍＶである。これにより、万一燃料電池装置２によって水が大量に生成された場合に、燃料電池装置２を安全に停止することができる。
上記の異常発生の判定は、図７では連続して行われているが、それぞれが適宜なタイミングで並列に行われてもよい。
燃料電池スタック２１の温度Ｔｆが所定の閾値よりも大きいか、水素供給部２５で酸素を検出したか、又は電圧Ｖが所定の第２閾値よりも小さいときは、先ず、燃料電池スタック２１に接続された負荷４を小さくする（ステップＳ３４）。例えば、制御部３から送信された異常信号に基づいて、負荷４（抵抗）を小さくする。
次いで、酸素供給部２６への気体の供給を停止すると共に、酸素導入路５２と酸素排出路５３とを接続する循環路５７を介した気体の循環を停止する（ステップＳ３５）。例えば、酸素導入路５２の上流に設けられた弁５４を閉じて、酸素供給部２６への気体の供給を停止する。また、酸素排出路５３に設けられた三方弁５６にて、酸素排出路５３から循環路５７への気体の供給を停止し、酸素排出路５３から外部に気体を排出する。併せて循環路５７の循環ポンプ５８を停止してもよい。
更に、水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧する（ステップＳ３６）。水素供給部２５の減圧方法は、特に制限されないが、宇宙空間では、例えば上記のパージ方法と同様にして、水素排出路４３を宇宙空間に開放し、水素を宇宙空間に排出することで行うことができる。酸素供給部２６の減圧方法も、水素供給部２５の減圧方法と同様、酸素排出路５３を宇宙空間に開放し、気体を宇宙空間に排出することで行うことができる。これにより、水素供給部２５に水素が残留してない状態とすることができ、また、酸素供給部２６にも気体が残留してない状態とすることができる。
本緊急停止方法によれば、燃料電池装置２の定常運転時に緊急を要する事態が生じた場合に、燃料電池装置２を安全に停止することができる。
尚、上記に掲げた３種類の異常発生のうちの少なくとも２つを満たすときに、燃料電池スタック２１に接続された負荷４を小さくし、酸素供給部２６への気体の供給を停止すると共に、循環路５７を介した気体の循環を停止し、更に水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧してもよい。これにより、緊急停止の条件をより厳しくすることができ、誤検知による緊急停止を防止することができる。
［終了制御］
図９は、図１の燃料電池システム１で実行される燃料電池装置２の終了制御の一例を示すフローチャートである。図１０は、図８の燃料電池装置２の終了制御を実行した際の各部の状態変化を示すタイミングチャートである。本終了制御の各工程は、上記起動運転と同様、制御部３によって実行することができる。
定常運転制御が実行されている（図７の時刻ｔ３０〜ｔ３１）燃料電池装置２の運転終了時には、先ず負荷４を下げ（ステップＳ４１、図１０の時刻ｔ２１〜ｔ２２）、その後、水素排出路４３を開放して燃料極２３の水素供給部２５をパージすると共に、酸素排出路５３を開放して酸化剤極２４の酸素供給部２６をパージする（ステップＳ４２、図１０の時刻ｔ２２）。水素供給部２５のパージ方法及び酸素供給部２６のパージ方法は、例えば上記のパージ方法と同様にして行うことができる。これにより水素供給部２５内の水素が外部に排出されると共に、酸素供給部２６内の気体が外部に排出される。
ステップＳ４２のパージを解除した後（図１０の時刻ｔ２３）、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖを測定し、電圧Ｖが所定の閾値Ｖｓ２よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４３）。電圧Ｖの所定の閾値Ｖｓ２は、電極の触媒が酸化されない電圧であれば特に制限されないが、例えばセル当たり３００ｍＶである。電圧Ｖが上記所定の閾値Ｖｓ２よりも大きいときには（ステップＳ４３：ＹＥＳ）、電圧Ｖが所定の閾値Ｖｓ２以下になるまで、燃料電池装置２での発電を継続する（ステップＳ４４、図１０の時刻ｔ２３〜ｔ２４）。燃料極２３の水素供給部２５及び酸化剤極２４の酸素供給部２６は共にパージされているため、本ステップでの発電により、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖを低下させることができる。
電圧Ｖが上記所定の閾値Ｖｓ２以下であるときは（ステップＳ４３：ＮＯ）、水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧する（ステップＳ４５、図１０の時刻ｔ２４）。水素供給部２５の減圧方法及び酸素供給部２６の減圧方法は、上記の減圧方法と同様にして行うことができる。これにより、水素供給部２５に水素がほぼ残留してない状態とすることができ、また、酸素供給部２６にも気体がほぼ残留してない状態とすることができる。
その後、必要に応じて、燃料極２３と酸化剤極２４とを短絡し（ステップＳ４６、図１０の時刻ｔ２５）、本処理を終了する。これにより、燃料極２３と酸化剤極２４の電位差を確実に０にすることができる。燃料極２３と酸化剤極２４の短絡は、例えば燃料電池装置２に対して不図示のスイッチを電気的に並列接続し、スイッチをオンにすることで行うことができる。
電圧Ｖが前記所定の閾値Ｖｓ２以下にあるときに（ステップS４３：ＮＯ）、水素供給部２５及び酸素供給部２６に水素あるいは不活性ガスを充てんしてもよい。酸素供給部２６に水素を充てんする際には、例えば水素導入路４２から連結流路４５を介して酸素導入路５２に水素を送出することができる。これにより燃料電池装置２の電極、特に酸化剤極２４の触媒がより酸化されない状態を維持することができる。また、電圧Ｖが十分に低い状態で水素供給部２５及び酸素供給部２６に水素を充てんするので、燃焼を含む酸化反応に因る触媒の劣化を回避することができる。
水素供給部２５及び酸素供給部２６に充てんされた水素等は、次回の起動時に、上記起動制御のステップＳ１１（図４）で行われる減圧により、外部に排出することができる。
水素供給部２５及び酸素供給部２６への水素等の充てんは、電圧Ｖが上記所定の閾値Ｖｓ２以下であって、水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧する前に行ってもよいし、電圧Ｖが上記所定の閾値Ｖｓ２以下であって、水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧した後に行ってもよい。
また、燃料極２３と酸化剤極２４との短絡は、水素供給部２５及び酸素供給部２６に水素あるいは不活性ガスを充てんした後に行ってもよい。これにより、燃焼に因る触媒の劣化を確実に回避することができる。
上述したように、本終了制御によれば、燃料極２３の水素供給部２５をパージすると共に、酸化剤極２４の酸素供給部２６をパージし（ステップＳ４２）、燃料極２３と酸化剤極２４との間の電圧Ｖが所定の閾値Ｖｓ２よりも大きいときに、燃料電池装置２での発電を継続し（ステップＳ４４）、電圧Ｖが所定の閾値Ｖｓ２以下であるときに、水素供給部２５及び酸素供給部２６を減圧するので（ステップＳ４５）、水素供給部２５に水素がほぼ残留せず、また、酸素供給部２６に気体がほぼ残留してない状態で燃料電池装置２の運転を終了することができ、次回の起動時まで燃料電池装置２を安全な状態で保管することができ、また、次回の起動時にも安全に燃料電池装置２を起動することができる。
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、本燃料電池システム及び燃料電池装置の制御方法は、宇宙用としては、月探査に用いられるローバーなどの車両に適用することができる。また、地上用としては、燃料電池車をはじめとする、重力環境下で使用される車両などの移動体に適用することができる。
また、本燃料電池装置で行われる水素の酸化反応と、水の分解反応とを組み合わせることにより、可逆的に発電を繰り返して行うことが可能となり、非常に有用な再生型燃料電池システムを構築することができる。特に、地上用では、再生可能エネルギーの貯蔵、運搬用水素製造に上記システムを適用することができる。
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池装置
３ 制御部
４ 負荷
５ インピーダンス測定部
６ 電圧測定部
７ 電流測定部
８ バッテリ
２１ 燃料電池スタック
２１Ａ 燃料電池セル
２２ 電解質膜
２３ 燃料極
２４ 酸化剤極
２５ 水素供給部
２６ 酸素供給部
２７ セパレータ
２８ 水素供給口
２９ 酸素排出口
３０ 水素排出口
３１ 酸素供給口
３２ 燃料極側部分
３３ 酸化剤極側部分
３４ 水素入口
３５ 水素出口
３６ 酸素入口
３７ 酸素出口
３８Ａ 流路パターン
３８Ｂ 流路パターン
３９Ａ 流路パターン
３８Ｂ 流路パターン
４１ 水素供給源
４１Ａ 水素タンク
４２ 水素導入路
４３ 水素排出路
４４ 三方弁
４５ 連結流路
４６ 水素圧測定部
４７ 弁
５１ 酸素供給源
５１Ｂ 酸素タンク
５２ 酸素導入路
５３ 酸素排出路
５４ 弁
５５ 気体圧測定部
５６ 三方弁
５７ 循環路
５８ 循環ポンプ
５９ 圧力調整部
６０ 流量測定部
６１ 凝縮器
６２ 除湿器
６３ 水回収タンク
７１ 水素被覆部
７２ 水素導入部
７３ キャピラリポート
７３ａ 下流側先端部
７３ｂ 上流側端部
７４ パージポート
７５ 水素排出部
７６ 水素供給側部分
７６ａ 溝
７７ 中性子遮蔽部材
７８ 吸湿部材
８１ 温度測定部
８２ 温度調節部

Claims (13)

  1. 電解質膜を燃料極及び酸化剤極で挟み込み、前記燃料極の水素供給部に水素を供給し、前記酸化剤極の気体供給部に酸素を含む気体を供給して発電を行う燃料電池セルと、
    前記燃料電池セルを覆って配置され、内部に水素を充てん可能に構成された水素被覆部と、
    前記水素被覆部に水素を導入する水素導入部と、
    を備える燃料電池システム。
  2. 前記水素被覆部から水素を排出する水素排出部を更に備え、
    前記水素被覆部の内部空間が、前記水素供給部と連通しており、
    前記水素導入部から前記水素被覆部に水素を導入することにより、前記水素供給部に水素が供給される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記水素被覆部と前記燃料電池セルとの間に設けられた中性子遮蔽部材を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記中性子遮蔽部材は、重金属を含有する材料で構成される、請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記燃料電池セルと連通し、前記燃料電池セル内で生成した水を前記水素被覆部の外部に排出するポートを更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  6. 前記ポートの下流側端部が、キャピラリ形状を有する、請求項５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池セルに取り付けられた吸湿部材を更に備え、
    前記ポートの上流側端部が、前記吸湿部材に当接するか又はその近傍に配置される、請求項５に記載の燃料電池システム。
  8. 前記水素被覆部内が水素によって加圧された状態で保持される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  9. 前記気体供給部の気体排出路に接続され、一の水回収タンクから他の水回収タンクに切り替え可能に構成された除湿器を更に備え、
    前記燃料電池セルに接続された負荷への通電時間と電流値の積に基づいて前記水回収タンクが切り替えられる、請求項１に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池セルの温度を測定する温度測定部と、
    前記燃料電池セルの温調を行う温度調節部と、を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  11. 前記燃料電池セルに電気的に並列接続されたバッテリを更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
  12. 前記燃料極、前記電解質膜及び前記酸化剤極が、鉛直方向に沿ってこの順に積層される、請求項１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記燃料極が、前記電解質膜の下方に配置される、請求項１２に記載の燃料電池システム。
JP2020024704A 2020-02-17 2020-02-17 燃料電池システム Active JP7486734B2 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020024704A JP7486734B2 (ja) 2020-02-17 2020-02-17 燃料電池システム
PCT/JP2020/047959 WO2021166428A1 (ja) 2020-02-17 2020-12-22 燃料電池システム
DE112020006758.0T DE112020006758T5 (de) 2020-02-17 2020-12-22 Brennstoffzellensystem
US17/797,864 US20230060926A1 (en) 2020-02-17 2020-12-22 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020024704A JP7486734B2 (ja) 2020-02-17 2020-02-17 燃料電池システム

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2021128924A true JP2021128924A (ja) 2021-09-02
JP7486734B2 JP7486734B2 (ja) 2024-05-20

Family

ID=77390687

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020024704A Active JP7486734B2 (ja) 2020-02-17 2020-02-17 燃料電池システム

Country Status (4)

Country Link
US (1) US20230060926A1 (ja)
JP (1) JP7486734B2 (ja)
DE (1) DE112020006758T5 (ja)
WO (1) WO2021166428A1 (ja)

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11281787A (ja) * 1998-03-31 1999-10-15 Hitachi Ltd 可燃性ガス処理設備を備えた原子炉格納容器
US8043759B2 (en) 2008-04-23 2011-10-25 GM Global Technology Operations LLC Hydrogen chamber enclosed fuel cell stack and related fuel cell shutdown operation
JP6136066B2 (ja) 2013-03-27 2017-05-31 Toto株式会社 燃料電池システム
CN103647092B (zh) 2013-10-30 2016-02-03 张勇 延长燃料电池寿命的方法和装置
WO2015180746A1 (de) 2014-05-28 2015-12-03 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
JP6163172B2 (ja) 2015-02-26 2017-07-12 有限会社技研産業 放射線遮蔽混合体及び放射線遮蔽材料
JP6607803B2 (ja) 2016-02-05 2019-11-20 大阪瓦斯株式会社 燃料電池システム
US10762611B2 (en) 2018-08-07 2020-09-01 Sensors Unlimited, Inc. Scaled two-band histogram process for image enhancement

Also Published As

Publication number Publication date
WO2021166428A1 (ja) 2021-08-26
US20230060926A1 (en) 2023-03-02
JP7486734B2 (ja) 2024-05-20
DE112020006758T5 (de) 2022-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2021501966A (ja) 漏れ回収能を備えた燃料電池モジュールのアレンジメントおよび使用方法
JP2012234745A (ja) ２次電池型燃料電池システム
US8765318B2 (en) System and method for electrochemical cell system and leak detection and indication
JP4772470B2 (ja) 燃料電池システム
KR101044619B1 (ko) 미반응 물질 제거 기능을 가지는 밀폐형 연료전지 시스템
EP1659653B1 (en) Fuel cell system and method for starting operation of fuel cell system
WO2021166428A1 (ja) 燃料電池システム
WO2021166429A1 (ja) 燃料電池装置の制御方法
WO2021166424A1 (ja) 燃料電池装置の制御方法
WO2021166423A1 (ja) 燃料電池装置の制御方法
JPH0690932B2 (ja) 燃料電池の運転法
JP6445096B2 (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
JP5411199B2 (ja) 未反応物質除去機能を有する開放型燃料電池システム
JP5581537B2 (ja) 燃料電池用の吐出ヘッド
JP2004281393A (ja) 燃料電池発電システム
JP5790530B2 (ja) ２次電池型燃料電池システム
WO2011135932A1 (ja) 燃料電池装置
JPWO2013137033A1 (ja) ２次電池型燃料電池システム
JP5516726B2 (ja) 燃料電池装置
KR100675691B1 (ko) 연료전지의 연료온도유지장치 및 그 방법
JP5130627B2 (ja) 燃料電池発電装置
JP5774403B2 (ja) 燃料電池システムおよびその運転方法
JP2013077524A (ja) 燃料電池
WO2013146396A1 (ja) ２次電池型燃料電池システム
JP2006012475A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
RD01 Notification of change of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7426

Effective date: 20200409

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20200409

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20230203

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20231010

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20231211

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240326

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240425