JP3584511B2

JP3584511B2 - 高分子電解質型燃料電池の運転制御方法

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Publication number: JP3584511B2
Application number: JP33207294A
Authority: JP
Inventors: 誠司水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-12-12
Filing date: 1994-12-12
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2019-11-04
Also published as: JPH08167421A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、高分子電解質膜を介して燃料ガスと酸化ガスとを反応させることにより起電力を得る高分子電解質型燃料電池に関し、特に、フラッディングに起因する出力低下を防止する燃料電池の運転制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質型燃料電池においては、電解質である陽イオン交換樹脂膜を、カチオン導電性膜として使用しており、分子中にプロトン（水素イオン）交換基を有するこの導電性膜は、ほぼ飽和状態に含水させることによって常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電解質として機能する。
【０００３】
そして、前記高分子電解質膜の飽和含水量は、温度によって可逆的に変化するが、高分子電解質膜の乾燥を防止するために燃料ガスと酸化ガスとを加湿して供給している。加湿された燃料ガスおよび酸化ガス中の水分の一部は、ガス流路内において凝縮して液滴となることもあるが、その水滴は、燃料電池の通常の運転時には、酸素電極側における電気化学反応によって生じる生成水と共に外部に排出される。ところが、酸素電極側において生じる生成水の量が酸化ガスよって運び去られる量に対して増加した場合には、酸化ガス流路内に残留して液滴となり、これが酸素電極に付着すると、所謂フラッディングが発生する。
【０００４】
このフラッデイングは、電極の表面（特に拡散層）に付着した水滴が電極表面に対するガスの拡散を阻害する状態であり、水分量が比較的少ない軽度のフラッディング状態においては、液滴付着による電極面積の減少分に応じて出力電圧が低下はするが、酸化ガス流路溝を流通するエアにより水分が搬送されることによってフラッディングが解消し、出力電圧が自然に回復する可能性が高い。しかしながら、酸素電極の表面に大量の液滴が付着したり、あるいは酸化ガス流路溝に生成水等が滞留する重度のフラッディング状態になると、電極のガス接触面積が大幅に減少するため、フラッディングの発生した単電池（セル）においては、酸素電極への酸素ガスの供給が阻害されて電圧が大幅に低下してしまい、燃料電池全体の出力が不十分になるという問題があった。
【０００５】
また、フラッディングの進行した状態では、前述したように酸素電極への酸素ガスの供給が阻害されて電圧が低下するばかりでなく、酸素電極へ達する酸素量が減少するために、高分子電解質膜を透過したプロトン（Ｈ^＋）が酸素電極側において酸素と反応せずに、電子（ｅ⁻ ）と再結合して再び水素ガス（Ｈ_２）となってしまう量が急激に増加し、この水素ガスが酸化ガス流路を流れる酸化ガス中に混入するため、この混入した水素ガスの濃度が上昇して爆鳴気等の発火し易い濃度となり、その混合気が、酸素電極の表面に形成された反応触媒層に接触して発火、すなわち急激に燃焼することがある。
【０００６】
このように燃料電池内において水素ガスが急激に燃焼すると、燃焼時に発生する熱と圧力とによって単電池が劣化もしくは破壊される。そこで、この水素ガスが急激な燃焼を起こさないようにその濃度上昇を抑える必要があり、そのために、フラッディングを初期状態で解消させて、水素ガスを大量に生じさせる状態へ進行することを極力抑える必要がある。
【０００７】
上述のように燃料ガスとして水素ガスを使用する燃料電池においては、酸素電極側での生成水によるフラッディングが酸素流路内での水素ガスの濃度上昇の原因となっており、そこで、例えば特開昭５４−１４４９３４号公報に記載された発明では、供給する反応ガスの流速を間欠的に増加させて反応ガス流路内の反応ガスの圧力差を増大させることにより、反応ガス流路等に付着した液滴を除去することとしている。このような手段を採用すれば、液滴によるガス流路の閉塞すなわちフラッディングを防止して、流路閉塞によって酸素電極側に生じる水素ガスの濃度上昇および濃度上昇による水素ガスの発火を防ぐことが可能である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来の燃料電池においては、ガス流路中の水滴を押し出すために定期的に反応ガスの流量を増大させるのであるから、必要のない状態でも流量を増大させることとなり、そのため液滴除去に充分な圧力差を生じさせるための反応ガスの流量増大量が多大になることと相俟って、反応ガスの消費量が増大し、また反応ガスの流量変化に伴って燃料電池の出力電圧が複雑に変化するという問題があった。また、燃料電池内で生成される水の量が突発的に増大した場合には排出しきれず、そのため流路内に滞留した生成水によってフラッディングが発生かつ進行して酸素電極側での水素ガスの発生量が急増することを防止することができない虞が多分にあった。
【０００９】
この発明は、上述した技術的背景のもとになされたもので、フラッディングによる出力電圧の大幅な低下を防止して、安定した出力電圧が得られる高分子電解質型燃料電池の運転制御方法を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、この発明の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法においては、電池内のフラッディングと相関関係のある状況が検出された場合に、酸化ガスの流量もしくは電池内での圧力を増大させることとしたのである。
【００１１】
すなわち請求項１に記載した発明は、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることにより起電力を得る単電池を複数積層して構成される高分子電解質型燃料電池の運転制御方法であって、前記単電池の内部抵抗と酸化ガスの排出ガス湿度との少なくとも一方を検出し、その検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合に、前記酸化ガスの流量を増加させることを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項２に記載した発明は、燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることにより起電力を得る単電池を複数積層して構成される高分子電解質型燃料電池の運転制御方法であって、前記単電池の内部抵抗と酸化ガスの排出ガス湿度との少なくとも一方を検出し、その検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合に、前記酸化ガスの前記単電池内での圧力を増大させることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項３に記載した発明は、前記酸化ガスの流量増加は単電池の出力電圧に基づいて決定されることを特徴とするものである。
さらに、請求項４に記載した発明は、前記酸化ガスの圧力増加は単電池の出力電圧に基づいて決定されることを特徴とするものである。
また、これら請求項１ないし４のいずれかに記載した発明による制御に加えて、酸化ガスの湿度を低下させるように構成したのが請求項５の発明である。
【００１４】
また請求項６に記載した発明では、酸化ガスの流量あるいは圧力を増大させ、あるいは酸化ガスの湿度を低下させても単電池の出力電圧が所定の基準電圧より低下した場合に、酸化ガス流路に連通させた最も高い位置に設けたチャンバ内のイグナイタを点火させてその内部の燃料ガスを燃焼させることを特徴とするものである。
さらに請求項７に記載した発明では、前記単電池の内部抵抗と酸化ガスの排出ガス湿度との少なくとも一方を検出し、その検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合に、フラッディングが発生したと判断することを特徴とするものである。
そして請求項８に記載した発明では、前記フラッディングの発生の判断は、単電池の出力電圧に基づいて決定されることを特徴とするものである。
【００１５】
【作用】
上記のように、請求項１の発明の方法によれば、単電池の内部抵抗の増大もしくは酸化ガスの排出湿度の増大により、電池の内部のフラッディングの進行が判断され、その検出される値が所定の許容範囲を外れることにより、フラッディングが許容限界を超えたと判断され、あるいは顕著なフラッディングが生じていると判断される。その結果、酸化ガスの流量がそれ以前の状態より増大させられる。
【００１６】
そのため電極の表面に対する酸素の拡散が促進されて出力電圧が増大し、少なくとも低下が防止され、また電極表面に滞留している水分の蒸発が促進されて酸化ガスによって積極的に外部に運び出される。このようにして電極表面のフラッディンク状態が次第に解消され、出力電圧が回復されるので、酸化ガスを流す電極側で燃料ガスの濃度が増加するいわゆるクロスオーバーが防止され、電池内での燃料ガスの燃焼を未然に防止することができる。またそれに伴って前記検出値が許容範囲内に入るので、酸化ガスの流量が元の量に復帰させられる。
【００１７】
また請求項２に記載した発明では、酸化ガスの流量の増大に替えて電池内での圧力が増大させられる。したがって電極表面での酸素分圧が高くなり、出力電圧の低下が防止される。そのため酸化ガスを流す電極側で燃料ガスの濃度が増加するいわゆるクロスオーバーが防止され、電池内での燃料ガスの燃焼を未然に防止することができる。
【００１８】
そして、請求項５に記載した発明では、上記の酸化ガスの流量の増加もしくは圧力の増加と併せて酸化ガスの湿度を低下させると、電極表面での水分の蒸発が促進されるために、次第にフラッディング状態が解消され、それに伴って出力電圧が回復する。
【００１９】
さらに請求項６に記載してあるように出力電圧が所定の基準値以下になってしまった場合にイグナイタを点火すれば、チャンバに収集・捕捉された燃料ガスをここで燃焼させることができるので、電池内での燃料ガスの燃焼・爆発による電池の損傷を未然に防止することができる。
そして請求項７または８によれば、フラッディングを発生初期状態で検出し、フラッディング解消策を講じることができる。そのため、燃料電池運転時の電圧安定性を向上させることができる。
【００２０】
【実施例】
以下、この発明の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法を実施例に基づいて説明する。まずこの発明で対象とする高分子電解質型燃料電池の構造について説明すると、図３において、燃料電池スタック１１は複数の単電池１１ａをそれぞれ垂直に立てた状態で横方向に積層して構成されている。その各単電池１１ａは、一側面（図３において左側面）に燃料電極が形成され、かつ他側面に酸素電極が形成された高分子電解質膜１２と、一方の側面に燃料ガス流路溝１３が水平方向に、他方の側面に酸化ガス流路溝１４が垂直方向に形成されたガスセパレータを兼ねるカーボン集電体１５とからなり、燃料ガス流路溝１３と酸化ガス流路溝１４とは、それぞれ深さおよび幅が共に１ｍｍ程度で、約１ｍｍ間隔に複数本形成されている。そして各単電池１１ａは、この燃料ガス流路溝１３と酸化ガス流路溝１４との間に高分子電解質膜１２を挟むようにして横方向に複数積層されている。
【００２１】
さらに、複数積層された各単電池１１ａの燃料ガス流路溝１３の一端側は、燃料ガス供給マニホールド（図示せず）に接続され、他端側は、燃料ガス排出マニホールド（図示せず）に接続されている。また、各単電池１１ａの酸化ガス流路溝１４の上端側は、酸化ガス供給マニホールド１６に接続され、また下端側は酸化ガス排出マニホールド１７に接続されている。そして、酸化ガス供給マニホールド１６を経由して各酸化ガス流路溝１４に酸化ガスとして供給される空気中の酸素ガスと、燃料ガス排出マニホールドを経由して各燃料ガス流路溝１３に燃料ガスとして供給される水素ガスとが、高分子電解質膜１２を介して電気化学的に酸化反応を起こすように構成されている。
【００２２】
なお、前記高分子電解質膜１２としては、例えば、膜厚１３０μｍのフッ素系陽イオン交換膜を用い、この表面に触媒反応層（例えばＰｔ２０％担持カーボン０．４ｍｇ／ｃｍ^２＋陽イオン交換樹脂を担持カーボン比５０％）とガス拡散層（テフロン（商品名）５０％含有撥水処理カーボン）を電極基材であるカーボンクロス（厚さ０．３ｍｍ）に塗り込んだ電極をホットプレス（１２０℃×９８０．７×１０^４Ｐａ（パスカル））して製作したものが使用されている。
【００２３】
また前記酸化ガス供給マニホールド１６は、その天井部分が中央で高くなる傾斜面に形成されており、最も高くなった中央部にはチャンバ１８が設けられている。すなわち酸化ガス流路溝１４内の水素ガスが、このチャンバ１８内に自動的に捕集されるようになっており、捕集された水素ガスに着火するためのイグナイタ１９がチャンバ１８に設けられている。このイグナイタ１９としては、火花放電によって水素ガスに点火する形式のものが採用される。
【００２４】
上記のように構成された燃料電池スタック１１では、各単電池１１ａの高分子電解質膜１２を、飽和状態に含水させて比抵抗を常温で２０Ω・ｃｍ以下のプロトン導電性電解質として機能させるために、燃料ガス流路溝１３を介して供給する水素ガス中、および酸化ガス流路溝１４を介して供給される空気中のそれぞれに水蒸気が混入され、高分子電解質膜１２が湿潤状態に維持されている。
【００２５】
そして、酸化ガス流路溝１４に酸素（Ｏ_２）を含む空気が供給されると、燃料ガス流路溝１３側の燃料電極では、Ｈ_２＝２Ｈ^＋＋２ｅの反応が起き、また酸化ガス流路溝１４側の酸素電極では、１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ＝Ｈ_２Ｏの反応が起こる。
【００２６】
すなわち、燃料電極側においては、燃料ガス流路溝１３を流通する水素ガス（Ｈ_２）がプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ）とに電離する。電離したプロトンは、イオン交換膜である高分子電解質膜１２中を酸素電極に向かって移動し、電子は燃料電極側のカーボン集電体１５から外部回路（図示せず）を通って酸素電極側のカーボン集電体１５に移動する。そして、酸素電極においては、酸化ガス流路溝１４を流れる空気中の酸素と、高分子電解質膜１２中を燃料電極から移動してきたプロトンと、外部回路を介して移動してきた電子とが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。
【００２７】
上記の燃料電池スタック１１を組み込んだ燃料電池発電システムの全体的な構成を図４にブロック図として示してある。燃料電池スタック１１の出力端子２１，２２間には、リレー接点２０を介して負荷Ｌが接続されるとともに、燃料電池の運転制御を行うコンピュータ制御装置２３が、前記負荷Ｌと並列に接続されている。このコンピュータ制御装置２３は、燃料電池スタック１１の出力電圧および出力電流を常時モニタするとともに、前記両出力端子２１，２２との間に交流電源２４を接続して、燃料電池スタック１１から出力される直流電圧に交流電圧を重畳することによって、単電池を流れる電流に含まれる交流成分ｉを検出して、ｚ＝ｅ／ｉの式から交流抵抗ｚを求めるよう構成されている。
【００２８】
また、燃料電池スタック１１には、その酸化ガス供給マニホールド１６の導入側端（図４において左端）には、一端に空気供給器２７が設けられた酸化ガス供給系配管２５の他端が接続され、また燃料ガス供給マニホールドの導入側（図示せず）には、一端に水素ガス供給器２８が設けられた燃料ガス供給系配管２６の他端が接続されている。この酸化ガス供給系配管２５と燃料ガス供給系配管２６とには、前記空気供給器２７および水素ガス供給器２８側から順に圧力調整バルブ２９，２９ａ、マスフローコントローラ３０，３０ａ、加湿器３１，３１ａ、開閉バルブ３２，３２ａおよび温湿度計３３，３３ａがそれぞれ介設されている。
【００２９】
また燃料電池スタック１１の図４において右端には、図示していない燃料ガス排出マニホールドの排出側に接続された燃料ガス排出系配管３４と、酸化ガス排出マニホールド１７の排出側に接続された酸化ガス排出系配管３５とが設けられている。これら燃料ガス排出系配管３４と酸化ガス排出系配管３５とには、マニホールド側から順に、温湿度計３６，３６ａ、凝縮器３７，３７ａおよび圧力調整バルブ３８，３８ａがそれぞれ介設されており、酸化ガス供給系配管２５および燃料ガス供給系配管２６にそれぞれ設けられた温湿度計３３，３３ａと、酸化ガス排出系配管３４および燃料ガス排出系配管３５にそれぞれ設けられた温湿度計３６，３６ａとによって測定されたそれぞれの部位におけるガスの温湿度情報が、コンピュータ制御装置２３に常時入力されるようになっている。
【００３０】
そして、燃料電池スタック１１の出力電圧と電流および内部抵抗と、温湿度計３３，３６の情報とから、燃料電池スタック１１でフラッディングが生じ始めていることが検出されると、酸化ガス供給系配管２５および燃料ガス供給系配管２６の加湿器３１，３１ａ等や、酸化ガス排出系配管３４および燃料ガス排出系配管３５の圧力調整バルブ３８，３８ａ等の機器にコンピュータ制御装置２３から信号が送られて、出力電圧の低下やフラッディングの発生を抑えるように制御される。
【００３１】
その制御ルーチンについて説明すると、図１および図２はその一例を示すフローチャートである。なお、これらの図は作図の都合で１つのフローチャートを分けて示しており、丸で囲んだ符号は、同一の符号の線がつながっていることを示す。
【００３２】
初期設定を行った後、ステップ１において、エア供給量Ａが、理論必要流量Ｆとの比が“４”（＝Ａ／Ｆ）となるように設定され、またステップ２において、エア供給圧力ＰＡが１４．７×１０^４Ｐａに設定される。さらにステップ３において、加湿量が予め設定されている所定値に設定される。これは、酸化ガスとして空気を使用しているので、空気中の酸素分圧が低いことを補うためである。
【００３３】
以上の条件で燃料電池スタック１１が運転され、ステップ４において単電池１１ａの出力電圧ＶＣを読み込んだ後、ステップ５において出力電圧ＶＣと正常電圧下限値Ｖｍｉｎとが比較される。比較の結果、ＶＣ ≦Ｖｍｉｎであれば、酸素が不足していると判断されるので、ステップ６において、実エア量Ａが、理論必要流量Ｆとの比が“８”（＝Ａ／Ｆ）になるよう増量される。またエア供給圧力ＰＡが１９．２×１０^４Ｐａに昇圧される。さらにステップ８において加湿量が低下（加湿量−Δ）させられる。そして、この条件で燃料電池スタック１１を運転し、ステップ９において酸化ガス排出マニホールド１７の出口側の温湿度計３６が示す排出ガス湿度が読み込まれる。
【００３４】
つぎにステップ１０において、燃料電池スタック１１から出力される電流Ｉおよび電圧Ｖが読み込まれ、さらにステップ１１において内部抵抗ＺＩＮ、すなわち［交流電圧ｅ／交流電流ｉ］の値が求められる。そしてステップ１２において、排出ガス湿度Ｍとその基準値Ｍ０とが比較されるとともに、内部抵抗Ｚｉｎとその基準値Ｚ０とが比較される。その比較の結果、排出ガス湿度Ｍが基準値Ｍ０以下の場合（Ｍ≦Ｍ０）、または内部抵抗Ｚｉｎが基準値Ｚ０以上の場合（Ｚｉｎ≧Ｚ０）には、電解質膜１２の含水率が低下して抵抗が増大したと判断され、ステップ１３において加湿量が増加（加湿量＋Δ）させられる。すなわち高分子電解質膜１２の過剰な乾きを防止するための加湿の復帰制御が行われる。その後、ステップ１７に進む。
【００３５】
一方、前記ステップ５において出力電圧ＶＣと正常電圧下限値Ｖｍｉｎとが比較された結果、出力電圧の方が大きい（ＶＣ＞Ｖｍｉｎ）場合には、エア供給量は充分であると判断され、ステップ１４で理論必要量との比が“４”に維持され、またステップ１５においてエア供給圧力ＰＡが１４．７×１０^４Ｐａに維持され、さらにステップ１７に進む。
【００３６】
また、前記ステップ１２において、排出ガス湿度Ｍおよび内部抵抗Ｚｉｎをそれぞれ基準値Ｍ０，Ｚ０と比較した結果、Ｍ＞Ｍ０またはＺｉｎ＜Ｚ０であった場合には、加湿量は適正であると判断され、ステップ１７に進む。
【００３７】
そして、ステップ１７において、コンピュータ制御装置２３からマスフローコントローラ３０，３０ａに信号が送られて、空気の供給量が新たに設定された値となるように制御される。つぎにステップ１８において、圧力調整バルブ２９，３８ａに信号が送られて、空気の供給圧力が新たに設定された値となるように制御される。さらにステップ１９において、加湿器３１に信号が送られて、酸化ガスのうち加湿器３１通過分とバイパス管３１ｂ通過分との比率を調整して、加湿量が新たに設定された値となるように制御される。
【００３８】
そして、ステップ２０において、出力電圧ＶＣと運転限界電圧Ｖｌｉｍｉｔとが比較され、出力電圧が大きい（ＶＣ＞Ｖｌｉｍｉｔ）場合には、適正に運転されていると判断してステップ４に戻り、上述の制御ステップが繰り返し行われる。
【００３９】
一方、前記ステップ２０において出力電圧ＶＣと運転限界電圧Ｖｌｉｍｉｔ（約０．１２ボルト）との比較の結果、出力電圧ＶＣが運転限界電圧Ｖｌｉｍｉｔ以下の場合には、異常が発生したと判断され、ステップ２１において、水素ガス供給系排管２６に設けられた開閉バルブ３２ａに信号が送られて、開閉バルブ３２ａが閉じられ、燃料ガスの供給が停止されるとともに、ステップ２２においてリレーコイル２０ａに通電されてリレースイッチ２０が解放され、負荷Ｌへの通電が遮断される。
【００４０】
また、上記した制御ルーチンとは別の制御として、出力電圧ＶＣが運転限界電圧Ｖｌｉｍｉｔ（約０．１２ボルト）以下になると、コンピュータ制御装置２３によってイグナイタ１９が点火され、酸素ガス供給マニホールド１６のチャンバ１８内でスパークが発生し、このチャンバ１８内に捕集されている水素ガスが燃焼させられる。
【００４１】
したがって上述した制御ルーチンで示される運転方法においては、出力電圧ＶＣが基準電圧Ｖｍｉｎ以下になることにより、酸化ガスである空気の供給量、圧力、湿り度が変更されるので、出力電圧のそれ以上の低下が防止される。すなわち空気の供給量が増大されることにより、電極表面への酸素の拡散が促進されるので、酸素と水素との反応の増大により起電力が増加する。また空気によって運び去られる水分量が多くなるので、電極表面での過剰な水分が減り、それに伴って水素と酸素との反応が促進されて起電力が増加する。また空気の圧力を高くすることにより、電極表面での酸素分圧が高くなるので、上記の場合と同様に電極表面への酸素の拡散が促進されて、酸素と水素との反応の増大により起電力が増加する。
【００４２】
さらにこれらの制御と併せて酸化ガスの湿度を低下させるので、出力電圧の低下の原因となったと思われる電池内の過剰な水分が次第に低下させられる。その結果、出力電圧が直ちに、もしくは次第に回復し、電圧低下による水素ガスの急激な発生を未然に防止することができる。
【００４３】
図５は、上記のようにプログラムされたコンピュータ制御装置２３によって運転制御して燃料電池スタック１１を、電流密度０．７Ａ／ｃｍ^２で連続発電した時の電圧挙動を示した線図である。酸素電極のガス拡散層への液滴の付着等によって単電池１１ａの出力電圧Ｖが、正常電圧下限値である０．４ボルト付近まで低下すると、エア供給量をＡ／Ｆ＝４からＡ／Ｆ＝８に増量し、またはエア供給圧力をＰＡ＝１４．７×１０^４ＰａからＰＡ＝１９．２×１０^４Ｐａに昇圧するとともに、供給するエアの加湿量が適正値範囲内から外れない範囲でドライ側に調整される。そのため、酸素電極への酸素の供給量が増加するとともに、酸素ガス流路溝１４内の水分の搬出能力が向上するので、出力電圧が運転限界電圧（０．１２ボルト）に低下する前にフラッディング状態が解消し、出力電圧が回復して正常電圧範囲内に維持され、安定した出力を得られることが解る。
【００４４】
以上のように、この実施例の運転制御方法によれば、フラッディングを発生初期状態で検出して、フラッディング解消策を講じることになるので、燃料電池運転時の電圧安定性が向上するとともに、水素ガスの急激な増加を防止でき、その結果、燃料電池内における水素ガスの急激な燃焼による熱および圧力上昇による単電池性能の劣化を防止することができる。
【００４５】
なおここで、正常電圧下限値Ｖｍｉｎを０．４ボルト、運転限界電圧Ｖｌｉｍｉｔを約０．１２ボルトに設定したのは、以下の理由による。すなわち生成水や凝結水等が酸化ガス流路溝１４内に増加し、酸素電極のガス拡散層等に付着すると、酸素電極への酸素の供給が阻害されて、所謂フラッディングが起きる。軽度なフラッディング状態であれば、酸素電極への酸素の供給量が減少して出力電圧が若干低下する程度であるが、フラッディングが進むと、ガス拡散層が水浸しとなって酸素電極の反応触媒層に酸素が殆ど供給されなくなるため、酸素電極側に移動したプロトンが、再び電子と結合することによって水素ガスが生じることとなる。このようにして生じる水素ガスの発生量は、フラッディング状態が一定段階まで進行して出力電圧が低下した状態で急激に増加することが解った。
【００４６】
発生する水素ガス量が急激に増加するフラッディング状態を、単電池の出力電圧で特定するために単電池１１ａの電流可変性能試験と一定電流連続試験とを行ったところ、図６および図７に示すように、フラッディング状態が進行して出力低下した単電池の電圧が約０．１２ボルト以下に下がると、水素ガスが急増し、発火し易い混合比となり、電極の反応触媒層に接触して発火することが解った。そこで上記の実施例では、運転限界電圧を単電池での出力電圧として０．１２ボルトに設定した。
【００４７】
また一方、フラッディングが原因となる出力電圧の低下は、運転の継続に伴って出力電圧がある程度低下し始めると、それ以降に急激に低下する傾向を示し、上記の運転限界電圧に至らないように制御するには、急激な電圧低下を招来しない時点で行う必要がある。このような急激な電圧低下の限界値は、実験によれば、単電池の出力電圧として約０．４ボルトである。図７に示すようにこの限界電圧で酸化ガスを上記のように制御することにより電圧が回復し、電圧の低下に起因する急激な水素ガスの発生を未然に防止することができる。
【００４８】
なお、上記実施例においては、酸化ガスの供給量の増加あるいは圧力の増大もしくは湿度の低減の制御を開始する条件として、出力電圧ＶＣが予設定した所定の電圧Ｖｍｉｎ以下になることを採用したが、これは出力電圧ＶＣがフラッディンク状態を反映していることに基づいている。しかしながらフラッディング状態を反映するパラメータは、他にも存在するのであり、例えば内部抵抗の増大や酸化ガスの排出ガスの湿度の増大としてもフラッディングを把握でき、したがってこの発明では、単電池の出力電圧の低下に替えてこれら内部抵抗の増大や排出ガスの湿度の上昇に基づいて酸化ガスの流量や圧力を上記のように制御することとしてもよい。
【００４９】
また上記の実施例では酸化ガスの流量と圧力と湿度との三者を制御することとしたが、この発明では、流量あるいは圧力を単独で制御し、あるいはこれらいずれかと湿度とを併せて制御することとしてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法によれば、フラッディングに起因する出力電圧の低下などの現象が生じることにより、酸化ガスの供給量や圧力を増大させることとしたので、酸素の電極表面への供給を促進して出力電圧の低下を防止でき、その結果、出力電圧の大幅な低下に伴う燃料ガスの急激な発生を未然に防止することができる。また酸化ガスの供給量を増大させる場合には、フラッディングの原因となっている電極表面での過剰な水分の蒸発および排出を促進できるので、フラッディングの早期の解消を図ることができる。このような効果は酸化ガスの湿度を低下させることにより、より顕著になる。
【００５１】
さらにこの発明では、燃料ガスが急激に発生する事態に至ってしまった場合には、これをチャンバで捕捉してイグナイタによって点火するから、電池内部での燃料ガスの燃焼を未然に防止して電池の損傷を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例で実行される制御ルーチンの一部を示す図である。
【図２】この発明の実施例で実行される制御ルーチンの他の部分を示す図である。
【図３】この実施例における燃料電池の構造を示す断面側面図である。
【図４】この実施例の制御方法を行う燃料電池システムの全体を示すブロック図である。
【図５】この実施例の制御方法によって連続運転された燃料電池システムの電圧挙動を示す線図である。
【図６】フラッディングによって発生する水素ガスの急増点を調べるために行った電流可変性能試験の結果を示す線図である。
【図７】フラッディングによって発生する水素ガスの急増点を調べるために行った一定電流連続試験の結果を示す線図である。
【符号の説明】
１１燃料電池スタック
１１ａ単電池
１２高分子電解質膜
１４酸化ガス流路溝
１６酸化ガス供給マニホールド
１７酸化ガス排出マニホールド
１８チャンバ
１９イグナイタ
２４交流電源
２９圧力調整バルブ
３０マスフローコントローラ
３１加湿器
３１ｂバイパス管
３２開閉バルブ
３６温湿度計

Claims

燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることにより起電力を得る単電池を複数積層して構成される高分子電解質型燃料電池の運転制御方法において、
前記単電池の内部抵抗と酸化ガスの排出ガス湿度との少なくとも一方を検出し、その検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合に、前記酸化ガスの流量を増加させることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。
燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることにより起電力を得る単電池を複数積層して構成される高分子電解質型燃料電池の運転制御方法において、
前記単電池の内部抵抗と酸化ガスの排出ガス湿度との少なくとも一方を検出し、その検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合に、前記酸化ガスの前記単電池内での圧力を増大させることを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。
前記酸化ガスの流量増加は、単電池の出力電圧に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。
前記酸化ガスの圧力増加は、単電池の出力電圧に基づいて決定されることを特徴とする請求項２に記載の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。
前記検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合に、前記単電池に供給される酸化ガスの湿度を低下させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。
前記単電池の出力電圧が前記許容範囲外の所定の基準電圧以下に低下した場合に、前記酸化ガスの流通経路に連通させて最も高い位置に設けたチャンバ内のイグナイタを点火してチャンバ内のガスを燃焼させることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。
燃料ガスと酸化ガスとを高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させることにより起電力を得る単電池を複数積層して構成される高分子電解質型燃料電池の運転制御方法において、
前記単電池の内部抵抗と酸化ガスの排出ガス湿度との少なくとも一方を検出し、その検出値が予め定めた許容範囲を外れた場合に、フラッディングが発生したと判断することを特徴とする高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。
前記フラッディングの発生の判断は、単電池の出力電圧に基づいて決定されることを特徴とする請求項６に記載の高分子電解質型燃料電池の運転制御方法。