JP3826833B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池スタックは、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡという）を２つのセパレータで挟み込んで構成された単セルを複数積層したものである。ＭＥＡは、両面に触媒電極としての白金が塗布された電解質膜と、この電解質膜を挟み込む一対のガス拡散電極とから構成され、電解質膜の一方の面の触媒電極及びガス拡散電極がアノード、他方の面の触媒電極及びガス拡散電極がカソードを構成する。そして、アノードに面するセパレータには、燃料ガスとしての水素ガスを単セル内に行き渡らせるための燃料ガス通路が形成され、カソードに面するセパレータには、酸化ガスとしてのエアを単セル内に行き渡らせるための酸化ガス通路が形成されている。また、電解質膜は通常湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すことから、電解質膜の湿潤状態を維持すべく、燃料ガスや酸化ガスを予め加湿したうえで供給している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この種の燃料電池スタックでは、燃料電池の出力端子と負荷とを接続する回路を開放すると、アノード側の水素ガスがプロトン化せずに水素ガスのまま電解質膜を通過してカソード側に達するといういわゆるクロスリークが起こり、この水素ガスのクロスリークに起因して満足な耐久性が得られないことがある。例えば、水素ガスのクロスリーク量が多いと、カソード側で水素と酸素とが直に反応して多大な熱が発生し、その熱により電解質膜が損傷してしまい、満足な耐久性が得られないことがある。そこで、このような水素ガスのクロスリークを防止する一案として、燃料ガスの供給を停止したあと出力端子の正極と負極とをショートさせることにより、各単セル内に残存する水素ガスを消費してしまうことが考えられる。
【０００４】
しかしながら、通常、燃料ガスを各単セルへ分配する構成は、燃料ガス供給源からガス配管を介して燃料ガスを燃料電池スタックの燃料ガス供給マニホルドへ供給してそのマニホルドから各単セルへ分配する構成であり、また、燃料ガスの供給を遮断する構成は、ガス配管の途中に設けられたバルブ等であるため、燃料ガスの供給を遮断した後もガス配管内やマニホルド内にはかなりの量の燃料ガスが残存しており、この状態で出力端子の両極をショートさせると多大な発熱を招くので、依然として耐久性の面で問題が残る。また、多量の燃料ガスが無駄に消費されることから本来の高燃費が達成しにくくなるという問題も残る。
【０００５】
なお、燃料電池の運転停止時に出力端子の両極をショートさせる構成は特開平９−１３９２２１号公報に開示されているが、ここでは運転停止後の点検作業での感電を防止すべく残存電圧をなくすことを課題としており、水素ガスのクロスリークの防止や燃費は考慮されていない。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、スタックの出力端子と負荷との接続を開放したときのクロスリークを防止することのできる燃料電池システム及びその燃料電池制御方法を提供することを目的の一つとする。また、そのようにクロスリークを防止したときに低燃費化を招くことも防止することのできる燃料電池システム及びその燃料電池制御方法を提供することを目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、上述の目的の少なくとも一つを達成するために以下の手段を採った。すなわち、本発明の第１は、単セルを複数積層した燃料電池スタックへ燃料ガスと酸化ガスとを供給し両ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、
前記スタックの内部にて積層方向に延設され前記各単セルの燃料ガス通路へ燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホルドと、
前記燃料ガス供給マニホルドの内部に設けられ前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を許容するか禁止するかを切り替える切替手段と、
前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放可能な負荷開放手段と、
前記スタックの出力端子の正極及び負極を短絡可能な短絡手段と、
前記負荷開放手段により前記出力端子と前記負荷との接続を開放するときには、前記切替手段により前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと前記短絡手段により前記出力端子の正極及び負極を短絡させる制御手段と
を備えたものである。
【０００８】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、燃料ガス供給マニホルド内にて各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、スタックの出力端子の正極及び負極を短絡させることにより各単セル内の水素を消費してしまうため、水素のクロスリークを防止することができる。また、従来のようにスタック外のガス配管で燃料ガスの供給を停止するのではなく、スタック内の燃料ガス供給マニホルドで燃料ガスの分配を停止するので、停止後に残存する水素量が少なくなり、出力端子の両極を短絡させたときに消費される水素量は従来に比べて少なく発熱量も少なくなる。このため、短絡時の発熱による耐久劣化も抑制することができるし、多くの水素を無駄に消費してしまうこともない。したがって、この燃料電池システムによれば、スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときのクロスリークを防止することができるし、また、低燃費化を招くこともない。
【０００９】
ところで、本発明者が鋭意検討した結果、燃料電池スタックを構成する各単セルの電解質膜が乾燥しているほど、また電極（アノードとカソード）が濡れているほど、スタックの出力端子と負荷との接続を開放したときの水素のクロスリーク量は少なくなる傾向があった。このため、水素のクロスリーク量を抑制するには、電解質膜を乾燥させると同時に電極を湿潤させることが好ましいが、これを両立させることは現実的には難しい。そこで、電解質膜及び電極を統合してみたときに、乾燥・湿潤のいずれがクロスリーク量を抑制することになるかを検討したところ、電解質膜及び電極が乾燥しているときの方が湿潤しているときよりもクロスリーク量が少なくなる傾向があった。このため、水素のクロスリークを防止するには単セルを乾燥させることが好ましい。
【００１０】
この点を踏まえて、本発明の第１の燃料電池システムは、前記各単セルを乾燥させる乾燥化手段を備え、
前記制御手段は、前記負荷開放手段により前記出力端子と前記負荷との接続を開放するときには、前記乾燥化手段により前記各単セルを乾燥させると共に、前記切替手段により前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと前記短絡手段により前記出力端子の正極及び負極を短絡させてもよい。こうすれば、各単セルは乾燥されてクロスリークしにくくなるため、クロスリークをより確実に防止することができる。なお、乾燥化手段を設けない場合においても短絡時の発熱によって単セルが乾燥気味になるようにすれば、クロスリークを防止するうえで有利となる。
【００１１】
このような乾燥化手段は、前記スタックへ乾燥した酸化ガスを供給する手段であってもよい。酸化ガスはカソード側に設けられた酸化ガス通路に供給されるが、カソード側では電気化学反応によって水が生成しこの生成水が高湿度化の原因となり得るため、カソードを積極的に乾燥することにより単セルを効率よく乾燥化することができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記切替手段は、前記各単セルの燃料ガス通路の入口近傍を開閉する手段であってもよい。こうすれば、短絡時に消費される水素量を一層少なくすることができ、短絡時の発熱が一層小さくなるし低燃費化を防止するうえでも有利である。
【００１３】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記スタックの内部にて積層方向に延設され前記各単セルの燃料ガス通路と連通可能な位置に開口窓を有する筒状バルブと、前記開口窓が前記各単セルの燃料ガス通路と連通するように前記筒状バルブを位置決めすることにより前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を許容し、前記開口窓が前記各単セルの燃料ガス通路と連通しないように前記筒状バルブを位置決めすることにより前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止する駆動手段とを備え、前記筒状バルブは、前記燃料ガス供給マニホルドとして機能し、前記筒状バルブ及び前記駆動手段は、前記切替手段として機能するように構成してもよい。こうすれば、本発明の第１の燃料電池システムを比較的容易に実現することができる。
【００１４】
本発明の第２は、単セルを複数積層した燃料電池スタックへ燃料ガスと酸化ガスとを供給し両ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの制御方法において、前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、前記スタックの内部にて積層方向に延設された燃料ガス供給マニホルド内にて前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、前記出力端子の正極及び負極を短絡させるものである。
【００１５】
この方法では、燃料電池スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、燃料ガス供給マニホルド内にて各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、スタックの出力端子の正極及び負極を短絡させることにより各単セル内の水素を消費してしまうため、水素のクロスリークを防止することができる。また、従来のようにスタック外のガス配管で燃料ガスの供給を停止するのではなく、スタック内の燃料ガス供給マニホルドで燃料ガスの分配を停止するので、停止後に残存する水素量が少なくなり、出力端子の両極を短絡させたときに消費される水素量は従来に比べて少なく発熱量も少なくなる。このため、短絡時の発熱による耐久劣化も抑制することができるし、多くの水素を無駄に消費してしまうこともない。したがって、この燃料電池制御方法によれば、スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときのクロスリークを防止することができるし、また、低燃費化を招くこともない。
【００１６】
本発明の第２の燃料電池制御方法において、前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、前記各単セルを乾燥させると共に、前記スタックの内部にて積層方向に延設された燃料ガス供給マニホルド内にて前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、前記出力端子の正極及び負極を短絡させてもよい。こうすれば、各単セルを構成する電解質膜は乾燥されてクロスリークしにくくなるため、クロスリークをより確実に防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を一層明らかにするために、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は本実施形態の燃料電池システム１０の概略を表すブロック図、図２はＦＣスタック２０の斜視図、図３は単セル２１０の分解斜視図である。
【００１８】
本実施形態の燃料電池システム１０は、主として、固体高分子電解質型の燃料電池スタック（以下ＦＣスタックという）２０と、ＦＣスタック２０の出力端子２５，２６と負荷６０との間に設けられた第１断続器３０と、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６の間に設けられた第２断続器４０と、ＦＣスタック２０への燃料ガス及び酸化ガスの供給を制御したり第１断続器３０や第２断続器４０の接続・遮断を制御したりする制御装置５０とを備えている。
【００１９】
ＦＣスタック２０は、後で詳述するが、単セル２１０を複数積層したものである。このＦＣスタック２０では、燃料ガス供給源１５から燃料ガスが燃料ガス供給マニホルドＭ１に供給され、各単セル２１０内を通過した燃料ガスが燃料ガス排出マニホルドＭ３から外部へ排出される。また、酸化ガス供給源であるブロア１１から加湿器１３で加湿された酸化ガスが酸化ガス供給マニホルドＭ２に供給され、各単セル２１０内を通過した酸化ガスが酸化ガス排出マニホルドＭ４から外部へ排出される。ここで、燃料ガスは水素リッチなガスであり、酸化ガスはエア（酸素を含む）である。このようにしてＦＣスタック２０に供給された酸化ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが各単セル２１０を通過する際に電気化学反応を起こすことにより、ＦＣスタック２０は発電して両出力端子２５，２６間に電位差が生じる。なお、燃料ガス供給源１５としては、例えば炭化水素系燃料（メタノール、メタン、プロパン、ガソリンなど）から水素ガスを製造する改質器や高圧水素ボンベや水素吸蔵合金などが挙げられる。
【００２０】
また、ＦＣスタック２０の内部には、単セル２１０の積層方向に筒状バルブ２１が延設されている。この筒状バルブ２１は、後で詳述するが、各単セル２１０へ燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホルドＭ１として機能すると共に、各単セル２１０への燃料ガスの分配を許容したり禁止したりする切替手段としても機能する。この筒状バルブ２１は、モータ２２によって軸回転して燃料ガスの分配を許容する許容位置に位置決めされると各単セル２１０への燃料ガスの分配を許容し、燃料ガスの分配を禁止する禁止位置に位置決めされると各単セル２１０への燃料ガスの分配を禁止する。
【００２１】
第１断続器３０は、図示しないソレノイドの励磁・非励磁によって、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０とを接続したり両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を遮断したりするものである。このような負荷６０としては、例えば電気自動車の場合、インバータ付きの走行用モータが挙げられる。
【００２２】
第２断続器４０は、図示しないソレノイドの励磁・非励磁によって、短絡スイッチ４１がＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を抵抗器４２を介して短絡させたり短絡させなかったりするものである。
【００２３】
制御装置５０は、ＣＰＵ５１を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５１の他に各種プログラムを記憶するＲＯＭ５２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ５３と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備えている。この制御装置５０には図示しない他の制御装置から負荷要求信号が入力ポートを介して入力され、また、この制御装置５０からは、ブロア１１、燃料ガス供給源１５、モータ２２などへの駆動信号や第１断続器３０、第２断続器４０へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力される。
【００２４】
次に、ＦＣスタック２０について詳説する。ＦＣスタック２０は、単セル２１０を複数積層したあと、図２に示すようにその両端に集電板２１１，２１２、絶縁板２１３，２１４、エンドプレート２１５，２１６を順次配置して完成される。集電板２１１，２１２は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板２１３，２１４はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート２１５，２１６は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板２１１，２１２にはそれぞれ出力端子２５，２６が設けられており、このうちの一方が正極、他方が負極である。また、エンドプレート２１５，２１６は、図示しない加圧装置によってＦＣスタック２０を積層方向に加圧して保持している。
【００２５】
単セル２１０は、図３に示すように、セパレータ２３０，第１シール部材２４０、ＭＥＡ２５０，第２シール部材２６０、セパレータ２３０がこの順で積層されたものである。
【００２６】
ＭＥＡ２５０は、電解質膜２５１をアノード２５２とカソード２５３とで挟みこんだ膜電極接合体である。ここで、電解質膜２５１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（例えばデュポン社製のナフィオン膜）であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。電解質膜２５１の両面には、白金または白金と他の金属から成る合金を塗布することにより触媒電極が形成され、更にその外側には、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極が配置されている。そして、一方の面の触媒電極とガス拡散電極とがアノード２５２、他方の面の触媒電極とガス拡散電極とがカソード２５３を構成する。
【００２７】
セパレータ２３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されている。このセパレータ２３０のうち、ＭＥＡ２５０のアノード２５２と対向する面に第１凹部２３１が設けられ、この第１凹部２３１には燃料ガスが通過する燃料ガス通路２３３が形成されている。また、ＭＥＡ２５０のカソード２５３と対向する面に第２凹部２３２が設けられ、この第２凹部２３２には酸化ガスが通過する図示しない酸化ガス通路が形成されている。セパレータ２３０の四隅には第１〜第４貫通孔２３５〜２３８が設けられ、このうち一方の対角線上に配置された第１貫通孔２３５及び第３貫通孔２３７は第１凹部２３１の内側で且つ第２凹部２３２の外側に設けられ、他方の対角線上に配置された第２貫通孔２３６及び第４貫通孔２３８は第１凹部２３１の外側で且つ第２凹部２３２の内側に設けられている。
【００２８】
第１シール部材２４０は、ＭＥＡ２５０のアノード２５２とセパレータ２３０との間に配置され、第１凹部２３１の外郭と一致する大穴２４１と、第２貫通孔２３６及び第４貫通孔２３８と一致する２つの小穴２４６，２４８を有している。また、第２シール部材２６０は、ＭＥＡ２５０のカソード２５３とセパレータ２３０との間に配置され、第２凹部２３２の外郭と一致する大穴２６１と、第１貫通孔２３５及び第３貫通孔２３７と一致する２つの小穴２６５，２６７を有している。
【００２９】
ＦＣスタック２０の内部には、燃料ガス供給マニホルドＭ１と、燃料ガス排出マニホルドＭ３と、酸化ガス供給マニホルドＭ２と、酸化ガス排出マニホルドＭ４とが形成されている。
【００３０】
セパレータ２３０の第１貫通孔２３５と第１シール部材２４０の大穴２４１と第２シール部材２６０の小穴２６５とが積層方向に連なって形成された円筒状の空洞には、軸回転可能な筒状バルブ２１が挿入されており、この筒状バルブ２１が燃料ガス供給マニホルドＭ１の機能を果たす。この筒状バルブ２１は、図３に示すように軸方向に沿って複数のスリット窓２１ａが設けられ、各スリット窓２１ａと各単セル２１０の第１凹部２３１とが連通するように位置決めされたとき燃料ガスの各単セル２１０への分配を許容し（この位置を許容位置という）、各スリット窓２１ａと各単セル２１０の第１凹部２３１とが不通になるように位置決めされたとき燃料ガスの各単セル２１０への分配を禁止する（この位置を禁止位置という）。筒状バルブ２１は、ＦＣスタック２０のエンドプレート２１６に取り付けたモータ２２（図１参照）により許容位置又は禁止位置に位置決めされる。そして、許容位置に位置決めされた筒状バルブ２１に供給された燃料ガスは、各単セル２１０の第１凹部２３１に設けられた燃料ガス通路２３３を通過したあと、セパレータ２３０の第３貫通孔２３７と第１シール部材２４０の大穴２４１と第２シール部材２６０の小穴２６７とが積層方向に連なって構成された燃料ガス排出マニホルドＭ３に至り、ここから外部へ放出される。
【００３１】
酸化ガス供給マニホルドＭ２は、セパレータ２３０の第２貫通孔２３６と第２シール部材２６０の大穴２６１と第１シール部材２４０の小穴２４６とが積層方向に連なって構成され、ここに供給された酸化ガスは第２凹部２３２に設けられた図示しない酸化ガス通路を通過したあと、セパレータ２３０の第４貫通孔２３８と第２シール部材２６０の大穴２６１と第１シール部材２４０の小穴２４８とが積層方向に連なって構成された酸化ガス排出マニホルドＭ４に至り、ここから外部へと放出される。
【００３２】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。図４は電池制御処理のフローチャートである。制御装置５０のＣＰＵ５１は、所定タイミングごとにＲＯＭ５２から電池制御プログラムを読み出して電池制御処理を実行する。この電池制御処理が開始されると、ＣＰＵ５１は、まず、他の制御装置から入力された負荷要求がゼロか否かを判定する（ステップＳ１００）。負荷要求がゼロでないときには、通常の負荷要求対応制御を実行し（ステップＳ１５０）、この電池制御処理を終了する。通常の負荷要求対応制御においては、第１断続器３０によりＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０とを接続し、第２断続器４０により短絡スイッチ４１を開放してＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を短絡しないようにし、モータ２２により筒状バルブ２１を許容位置に位置決めしている。そして、負荷要求に応じた供給量の燃料ガス及び酸化ガスをＦＣスタック２０に供給することにより、その供給量に応じた電力が負荷６０に供給される。なお、ＦＣスタック２０には加湿された酸化ガスが供給されるため、電解質膜２５１は絶えず湿潤状態となり良好なプロトン伝導性を維持する。
【００３３】
一方、ステップＳ１００で負荷要求がゼロのときには、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）の状態にすべく、それまで閉じていた第１断続器３０を開くことによりＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を開放する（ステップＳ１１０）。続いて、モータ２２を駆動して筒状バルブ２１を許容位置から禁止位置に位置決めして第１凹部２３１の入口つまり燃料ガス通路２３３の入口近傍を閉鎖し（ステップＳ１２０）、ブロア１１の駆動を停止させる（ステップＳ１３０）。これにより、ＯＣＶ時にＦＣスタック２０に残存する水素ガスは、第１凹部２３１の容量分（概ね燃料ガス通路２３３の容量分）となる。また、酸化ガスの送風が停止される。その後、第２断続器４０により短絡スイッチ４１を閉じてＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を抵抗器４２を介して短絡させる（ステップＳ１４０）。このとき、第１凹部２３１の容量分の水素ガスが消費され、それに応じた熱量が発生する。この発熱により各単セル２１０は乾燥気味になり、水素のクロスリークを防止するうえで好ましい状態となる。なお、負荷要求がゼロのときとは、例えば電気自動車の場合にはアイドリング状態になったときなどであり二次電池を充電する場合には満充電になったときなどである。
【００３４】
以上詳述した本実施形態の燃料電池システム１０では、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を開放するときには、燃料ガス供給マニホルドＭ１内にて各単セル２１０の燃料ガス通路２３３への燃料ガスの分配を禁止したあと、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を短絡させることにより各単セル２１０内の水素を消費してしまうため、水素のクロスリークを防止することができる。また、従来のようにスタック外のガス配管で燃料ガスの供給を停止するのではなく、スタック内の燃料ガス供給マニホルドＭ１で燃料ガスの分配を停止するので、停止後に残存する水素量が少なくなり、両出力端子２５，２６を短絡させたときに消費される水素量は従来に比べて少なく発熱量も少なくなる。このため、短絡時の発熱による耐久劣化も抑制することができるし、多くの水素を無駄に消費してしまうこともない。したがって、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を開放するときのクロスリークを防止することができるし、低燃費化を招くこともない。
【００３５】
また、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を短絡させたときの発熱によって各単セル２１０が乾燥気味になるため、クロスリークを防止するうえで有利となる。
【００３６】
更に、筒状バルブ２１は、各単セル２１０の燃料ガス通路２３３の入口近傍を開閉するため、短絡時に消費される水素量を一層少なくすることができ、短絡時の発熱が一層小さくなるし低燃費化を防止するうえでも有利である。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３８】
例えば、上述した実施形態ではブロア１１から加湿器１３で加湿した酸化ガスをＦＣスタック２０へ供給したが、図５に示すように、ブロア１１と加湿器１３との間に三方弁１２を設け、この三方弁１２から加湿器１３を迂回するバイパス経路１４を経てＦＣスタック２０へ未加湿の酸化ガスを供給できるようにし、制御装置５０は通常の負荷要求対応制御時にはブロア１１から加湿器１３を経てＦＣスタック２０に至るように三方弁１２を制御し、ＯＣＶ時にはブロア１１からバイパス経路１４を経てＦＣスタック２０に至るように三方弁１２を制御してもよい。こうすれば、ＯＣＶ時には乾燥した酸化ガスがＦＣスタック２０に供給される。これにより、電気化学反応によってカソードで生成した水は乾燥した酸化ガスにより効率よく排除されるため、各単セル２１０は乾燥されてクロスリークしにくくなる。
【００３９】
また、上述した実施形態では切替手段として筒状バルブ２１を採用したが、図６に示すように、先端に燃料ガス通路の入口を閉塞可能な蓋部７１を有し、基端に回動軸７２を有する開閉機構７０を採用し、通常の負荷要求対応制御時には蓋部７１が各単セルの燃料ガス通路の入口を開放するようにし、ＯＣＶ時には回動軸７２を回動して蓋部７１で各単セルの燃料ガス通路の入口を閉鎖するようにしてもよい。このとき蓋部７１は樹脂やゴム等などで形成すればよい。あるいは、特開平９−３１２１６８号公報のようにスライド式のスリットを採用し、通常の負荷要求対応制御時にはスリットが各単セルの燃料ガス通路の入口を開放するようにし、ＯＣＶ時ではスリットをスライドさせて各単セルの燃料ガス通路の入口を閉鎖するようにしてもよい。
【００４０】
更に、上述した実施形態で採用したモータ２２に代えて、空気圧又は油圧で駆動するアクチュエータを採用してもよい。更にまた、上述した実施形態の第２断続器４０の短絡スイッチ４１と出力端子２６との間にアーススイッチを設け、短絡スイッチ４１の開閉に連動してこのアーススイッチを開閉するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの概略を表すブロック図である。
【図２】ＦＣスタックの斜視図である。
【図３】単セルの分解斜視図である。
【図４】電池制御処理のフローチャートである。
【図５】他の実施形態のブロア周辺のブロック図である。
【図６】他の実施形態の切替手段の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム、１１…ブロア、１３…加湿器、１５…燃料ガス供給源、２０…ＦＣスタック、２１…筒状バルブ、２１ａ…スリット窓、２２…モータ、２５，２６…出力端子、３０…第１断続器、４０…第２断続器、４１…短絡スイッチ、４２…抵抗器、５０…制御装置、６０…負荷、２１０…単セル、２３０…セパレータ、２３１…第１凹部、２３２…第２凹部、２３３…燃料ガス通路、２３５〜２３８…第１〜第４貫通孔、２４０…第１シール部材、２５１…電解質膜、２５２…アノード、２５３…カソード、２６０…第２シール部材、Ｍ１…燃料ガス供給マニホルド、Ｍ２…酸化ガス供給マニホルド、Ｍ３…燃料ガス排出マニホルド、Ｍ４…酸化ガス排出マニホルド。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池スタックは、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡという）を２つのセパレータで挟み込んで構成された単セルを複数積層したものである。ＭＥＡは、両面に触媒電極としての白金が塗布された電解質膜と、この電解質膜を挟み込む一対のガス拡散電極とから構成され、電解質膜の一方の面の触媒電極及びガス拡散電極がアノード、他方の面の触媒電極及びガス拡散電極がカソードを構成する。そして、アノードに面するセパレータには、燃料ガスとしての水素ガスを単セル内に行き渡らせるための燃料ガス通路が形成され、カソードに面するセパレータには、酸化ガスとしてのエアを単セル内に行き渡らせるための酸化ガス通路が形成されている。また、電解質膜は通常湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示すことから、電解質膜の湿潤状態を維持すべく、燃料ガスや酸化ガスを予め加湿したうえで供給している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この種の燃料電池スタックでは、燃料電池の出力端子と負荷とを接続する回路を開放すると、アノード側の水素ガスがプロトン化せずに水素ガスのまま電解質膜を通過してカソード側に達するといういわゆるクロスリークが起こり、この水素ガスのクロスリークに起因して満足な耐久性が得られないことがある。例えば、水素ガスのクロスリーク量が多いと、カソード側で水素と酸素とが直に反応して多大な熱が発生し、その熱により電解質膜が損傷してしまい、満足な耐久性が得られないことがある。そこで、このような水素ガスのクロスリークを防止する一案として、燃料ガスの供給を停止したあと出力端子の正極と負極とをショートさせることにより、各単セル内に残存する水素ガスを消費してしまうことが考えられる。
【０００４】
しかしながら、通常、燃料ガスを各単セルへ分配する構成は、燃料ガス供給源からガス配管を介して燃料ガスを燃料電池スタックの燃料ガス供給マニホルドへ供給してそのマニホルドから各単セルへ分配する構成であり、また、燃料ガスの供給を遮断する構成は、ガス配管の途中に設けられたバルブ等であるため、燃料ガスの供給を遮断した後もガス配管内やマニホルド内にはかなりの量の燃料ガスが残存しており、この状態で出力端子の両極をショートさせると多大な発熱を招くので、依然として耐久性の面で問題が残る。また、多量の燃料ガスが無駄に消費されることから本来の高燃費が達成しにくくなるという問題も残る。
【０００５】
なお、燃料電池の運転停止時に出力端子の両極をショートさせる構成は特開平９−１３９２２１号公報に開示されているが、ここでは運転停止後の点検作業での感電を防止すべく残存電圧をなくすことを課題としており、水素ガスのクロスリークの防止や燃費は考慮されていない。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、スタックの出力端子と負荷との接続を開放したときのクロスリークを防止することのできる燃料電池システム及びその燃料電池制御方法を提供することを目的の一つとする。また、そのようにクロスリークを防止したときに低燃費化を招くことも防止することのできる燃料電池システム及びその燃料電池制御方法を提供することを目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明は、上述の目的の少なくとも一つを達成するために以下の手段を採った。すなわち、本発明の第１は、単セルを複数積層した燃料電池スタックへ燃料ガスと酸化ガスとを供給し両ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、
前記スタックの内部にて積層方向に延設され前記各単セルの燃料ガス通路へ燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホルドと、
前記燃料ガス供給マニホルドの内部に設けられ前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を許容するか禁止するかを切り替える切替手段と、
前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放可能な負荷開放手段と、
前記スタックの出力端子の正極及び負極を短絡可能な短絡手段と、
前記負荷開放手段により前記出力端子と前記負荷との接続を開放するときには、前記切替手段により前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと前記短絡手段により前記出力端子の正極及び負極を短絡させる制御手段と
を備えたものである。
【０００８】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、燃料ガス供給マニホルド内にて各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、スタックの出力端子の正極及び負極を短絡させることにより各単セル内の水素を消費してしまうため、水素のクロスリークを防止することができる。また、従来のようにスタック外のガス配管で燃料ガスの供給を停止するのではなく、スタック内の燃料ガス供給マニホルドで燃料ガスの分配を停止するので、停止後に残存する水素量が少なくなり、出力端子の両極を短絡させたときに消費される水素量は従来に比べて少なく発熱量も少なくなる。このため、短絡時の発熱による耐久劣化も抑制することができるし、多くの水素を無駄に消費してしまうこともない。したがって、この燃料電池システムによれば、スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときのクロスリークを防止することができるし、また、低燃費化を招くこともない。
【０００９】
ところで、本発明者が鋭意検討した結果、燃料電池スタックを構成する各単セルの電解質膜が乾燥しているほど、また電極（アノードとカソード）が濡れているほど、スタックの出力端子と負荷との接続を開放したときの水素のクロスリーク量は少なくなる傾向があった。このため、水素のクロスリーク量を抑制するには、電解質膜を乾燥させると同時に電極を湿潤させることが好ましいが、これを両立させることは現実的には難しい。そこで、電解質膜及び電極を統合してみたときに、乾燥・湿潤のいずれがクロスリーク量を抑制することになるかを検討したところ、電解質膜及び電極が乾燥しているときの方が湿潤しているときよりもクロスリーク量が少なくなる傾向があった。このため、水素のクロスリークを防止するには単セルを乾燥させることが好ましい。
【００１０】
この点を踏まえて、本発明の第１の燃料電池システムは、前記各単セルを乾燥させる乾燥化手段を備え、
前記制御手段は、前記負荷開放手段により前記出力端子と前記負荷との接続を開放するときには、前記乾燥化手段により前記各単セルを乾燥させると共に、前記切替手段により前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと前記短絡手段により前記出力端子の正極及び負極を短絡させてもよい。こうすれば、各単セルは乾燥されてクロスリークしにくくなるため、クロスリークをより確実に防止することができる。なお、乾燥化手段を設けない場合においても短絡時の発熱によって単セルが乾燥気味になるようにすれば、クロスリークを防止するうえで有利となる。
【００１１】
このような乾燥化手段は、前記スタックへ乾燥した酸化ガスを供給する手段であってもよい。酸化ガスはカソード側に設けられた酸化ガス通路に供給されるが、カソード側では電気化学反応によって水が生成しこの生成水が高湿度化の原因となり得るため、カソードを積極的に乾燥することにより単セルを効率よく乾燥化することができる。
【００１２】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記切替手段は、前記各単セルの燃料ガス通路の入口近傍を開閉する手段であってもよい。こうすれば、短絡時に消費される水素量を一層少なくすることができ、短絡時の発熱が一層小さくなるし低燃費化を防止するうえでも有利である。
【００１３】
本発明の第１の燃料電池システムにおいて、前記スタックの内部にて積層方向に延設され前記各単セルの燃料ガス通路と連通可能な位置に開口窓を有する筒状バルブと、前記開口窓が前記各単セルの燃料ガス通路と連通するように前記筒状バルブを位置決めすることにより前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を許容し、前記開口窓が前記各単セルの燃料ガス通路と連通しないように前記筒状バルブを位置決めすることにより前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止する駆動手段とを備え、前記筒状バルブは、前記燃料ガス供給マニホルドとして機能し、前記筒状バルブ及び前記駆動手段は、前記切替手段として機能するように構成してもよい。こうすれば、本発明の第１の燃料電池システムを比較的容易に実現することができる。
【００１４】
本発明の第２は、単セルを複数積層した燃料電池スタックへ燃料ガスと酸化ガスとを供給し両ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの制御方法において、前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、前記スタックの内部にて積層方向に延設された燃料ガス供給マニホルド内にて前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、前記出力端子の正極及び負極を短絡させるものである。
【００１５】
この方法では、燃料電池スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、燃料ガス供給マニホルド内にて各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、スタックの出力端子の正極及び負極を短絡させることにより各単セル内の水素を消費してしまうため、水素のクロスリークを防止することができる。また、従来のようにスタック外のガス配管で燃料ガスの供給を停止するのではなく、スタック内の燃料ガス供給マニホルドで燃料ガスの分配を停止するので、停止後に残存する水素量が少なくなり、出力端子の両極を短絡させたときに消費される水素量は従来に比べて少なく発熱量も少なくなる。このため、短絡時の発熱による耐久劣化も抑制することができるし、多くの水素を無駄に消費してしまうこともない。したがって、この燃料電池制御方法によれば、スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときのクロスリークを防止することができるし、また、低燃費化を招くこともない。
【００１６】
本発明の第２の燃料電池制御方法において、前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、前記各単セルを乾燥させると共に、前記スタックの内部にて積層方向に延設された燃料ガス供給マニホルド内にて前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、前記出力端子の正極及び負極を短絡させてもよい。こうすれば、各単セルを構成する電解質膜は乾燥されてクロスリークしにくくなるため、クロスリークをより確実に防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明を一層明らかにするために、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。図１は本実施形態の燃料電池システム１０の概略を表すブロック図、図２はＦＣスタック２０の斜視図、図３は単セル２１０の分解斜視図である。
【００１８】
本実施形態の燃料電池システム１０は、主として、固体高分子電解質型の燃料電池スタック（以下ＦＣスタックという）２０と、ＦＣスタック２０の出力端子２５，２６と負荷６０との間に設けられた第１断続器３０と、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６の間に設けられた第２断続器４０と、ＦＣスタック２０への燃料ガス及び酸化ガスの供給を制御したり第１断続器３０や第２断続器４０の接続・遮断を制御したりする制御装置５０とを備えている。
【００１９】
ＦＣスタック２０は、後で詳述するが、単セル２１０を複数積層したものである。このＦＣスタック２０では、燃料ガス供給源１５から燃料ガスが燃料ガス供給マニホルドＭ１に供給され、各単セル２１０内を通過した燃料ガスが燃料ガス排出マニホルドＭ３から外部へ排出される。また、酸化ガス供給源であるブロア１１から加湿器１３で加湿された酸化ガスが酸化ガス供給マニホルドＭ２に供給され、各単セル２１０内を通過した酸化ガスが酸化ガス排出マニホルドＭ４から外部へ排出される。ここで、燃料ガスは水素リッチなガスであり、酸化ガスはエア（酸素を含む）である。このようにしてＦＣスタック２０に供給された酸化ガス中の酸素と燃料ガス中の水素とが各単セル２１０を通過する際に電気化学反応を起こすことにより、ＦＣスタック２０は発電して両出力端子２５，２６間に電位差が生じる。なお、燃料ガス供給源１５としては、例えば炭化水素系燃料（メタノール、メタン、プロパン、ガソリンなど）から水素ガスを製造する改質器や高圧水素ボンベや水素吸蔵合金などが挙げられる。
【００２０】
また、ＦＣスタック２０の内部には、単セル２１０の積層方向に筒状バルブ２１が延設されている。この筒状バルブ２１は、後で詳述するが、各単セル２１０へ燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホルドＭ１として機能すると共に、各単セル２１０への燃料ガスの分配を許容したり禁止したりする切替手段としても機能する。この筒状バルブ２１は、モータ２２によって軸回転して燃料ガスの分配を許容する許容位置に位置決めされると各単セル２１０への燃料ガスの分配を許容し、燃料ガスの分配を禁止する禁止位置に位置決めされると各単セル２１０への燃料ガスの分配を禁止する。
【００２１】
第１断続器３０は、図示しないソレノイドの励磁・非励磁によって、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０とを接続したり両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を遮断したりするものである。このような負荷６０としては、例えば電気自動車の場合、インバータ付きの走行用モータが挙げられる。
【００２２】
第２断続器４０は、図示しないソレノイドの励磁・非励磁によって、短絡スイッチ４１がＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を抵抗器４２を介して短絡させたり短絡させなかったりするものである。
【００２３】
制御装置５０は、ＣＰＵ５１を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５１の他に各種プログラムを記憶するＲＯＭ５２と、データを一時的に記憶するＲＡＭ５３と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備えている。この制御装置５０には図示しない他の制御装置から負荷要求信号が入力ポートを介して入力され、また、この制御装置５０からは、ブロア１１、燃料ガス供給源１５、モータ２２などへの駆動信号や第１断続器３０、第２断続器４０へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力される。
【００２４】
次に、ＦＣスタック２０について詳説する。ＦＣスタック２０は、単セル２１０を複数積層したあと、図２に示すようにその両端に集電板２１１，２１２、絶縁板２１３，２１４、エンドプレート２１５，２１６を順次配置して完成される。集電板２１１，２１２は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板２１３，２１４はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成され、エンドプレート２１５，２１６は剛性を備えた鋼等の金属によって形成されている。また、集電板２１１，２１２にはそれぞれ出力端子２５，２６が設けられており、このうちの一方が正極、他方が負極である。また、エンドプレート２１５，２１６は、図示しない加圧装置によってＦＣスタック２０を積層方向に加圧して保持している。
【００２５】
単セル２１０は、図３に示すように、セパレータ２３０，第１シール部材２４０、ＭＥＡ２５０，第２シール部材２６０、セパレータ２３０がこの順で積層されたものである。
【００２６】
ＭＥＡ２５０は、電解質膜２５１をアノード２５２とカソード２５３とで挟みこんだ膜電極接合体である。ここで、電解質膜２５１は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（例えばデュポン社製のナフィオン膜）であり、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す。電解質膜２５１の両面には、白金または白金と他の金属から成る合金を塗布することにより触媒電極が形成され、更にその外側には、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されたガス拡散電極が配置されている。そして、一方の面の触媒電極とガス拡散電極とがアノード２５２、他方の面の触媒電極とガス拡散電極とがカソード２５３を構成する。
【００２７】
セパレータ２３０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした成形カーボンにより形成されている。このセパレータ２３０のうち、ＭＥＡ２５０のアノード２５２と対向する面に第１凹部２３１が設けられ、この第１凹部２３１には燃料ガスが通過する燃料ガス通路２３３が形成されている。また、ＭＥＡ２５０のカソード２５３と対向する面に第２凹部２３２が設けられ、この第２凹部２３２には酸化ガスが通過する図示しない酸化ガス通路が形成されている。セパレータ２３０の四隅には第１〜第４貫通孔２３５〜２３８が設けられ、このうち一方の対角線上に配置された第１貫通孔２３５及び第３貫通孔２３７は第１凹部２３１の内側で且つ第２凹部２３２の外側に設けられ、他方の対角線上に配置された第２貫通孔２３６及び第４貫通孔２３８は第１凹部２３１の外側で且つ第２凹部２３２の内側に設けられている。
【００２８】
第１シール部材２４０は、ＭＥＡ２５０のアノード２５２とセパレータ２３０との間に配置され、第１凹部２３１の外郭と一致する大穴２４１と、第２貫通孔２３６及び第４貫通孔２３８と一致する２つの小穴２４６，２４８を有している。また、第２シール部材２６０は、ＭＥＡ２５０のカソード２５３とセパレータ２３０との間に配置され、第２凹部２３２の外郭と一致する大穴２６１と、第１貫通孔２３５及び第３貫通孔２３７と一致する２つの小穴２６５，２６７を有している。
【００２９】
ＦＣスタック２０の内部には、燃料ガス供給マニホルドＭ１と、燃料ガス排出マニホルドＭ３と、酸化ガス供給マニホルドＭ２と、酸化ガス排出マニホルドＭ４とが形成されている。
【００３０】
セパレータ２３０の第１貫通孔２３５と第１シール部材２４０の大穴２４１と第２シール部材２６０の小穴２６５とが積層方向に連なって形成された円筒状の空洞には、軸回転可能な筒状バルブ２１が挿入されており、この筒状バルブ２１が燃料ガス供給マニホルドＭ１の機能を果たす。この筒状バルブ２１は、図３に示すように軸方向に沿って複数のスリット窓２１ａが設けられ、各スリット窓２１ａと各単セル２１０の第１凹部２３１とが連通するように位置決めされたとき燃料ガスの各単セル２１０への分配を許容し（この位置を許容位置という）、各スリット窓２１ａと各単セル２１０の第１凹部２３１とが不通になるように位置決めされたとき燃料ガスの各単セル２１０への分配を禁止する（この位置を禁止位置という）。筒状バルブ２１は、ＦＣスタック２０のエンドプレート２１６に取り付けたモータ２２（図１参照）により許容位置又は禁止位置に位置決めされる。そして、許容位置に位置決めされた筒状バルブ２１に供給された燃料ガスは、各単セル２１０の第１凹部２３１に設けられた燃料ガス通路２３３を通過したあと、セパレータ２３０の第３貫通孔２３７と第１シール部材２４０の大穴２４１と第２シール部材２６０の小穴２６７とが積層方向に連なって構成された燃料ガス排出マニホルドＭ３に至り、ここから外部へ放出される。
【００３１】
酸化ガス供給マニホルドＭ２は、セパレータ２３０の第２貫通孔２３６と第２シール部材２６０の大穴２６１と第１シール部材２４０の小穴２４６とが積層方向に連なって構成され、ここに供給された酸化ガスは第２凹部２３２に設けられた図示しない酸化ガス通路を通過したあと、セパレータ２３０の第４貫通孔２３８と第２シール部材２６０の大穴２６１と第１シール部材２４０の小穴２４８とが積層方向に連なって構成された酸化ガス排出マニホルドＭ４に至り、ここから外部へと放出される。
【００３２】
次に、本実施形態の燃料電池システム１０の動作について説明する。図４は電池制御処理のフローチャートである。制御装置５０のＣＰＵ５１は、所定タイミングごとにＲＯＭ５２から電池制御プログラムを読み出して電池制御処理を実行する。この電池制御処理が開始されると、ＣＰＵ５１は、まず、他の制御装置から入力された負荷要求がゼロか否かを判定する（ステップＳ１００）。負荷要求がゼロでないときには、通常の負荷要求対応制御を実行し（ステップＳ１５０）、この電池制御処理を終了する。通常の負荷要求対応制御においては、第１断続器３０によりＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０とを接続し、第２断続器４０により短絡スイッチ４１を開放してＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を短絡しないようにし、モータ２２により筒状バルブ２１を許容位置に位置決めしている。そして、負荷要求に応じた供給量の燃料ガス及び酸化ガスをＦＣスタック２０に供給することにより、その供給量に応じた電力が負荷６０に供給される。なお、ＦＣスタック２０には加湿された酸化ガスが供給されるため、電解質膜２５１は絶えず湿潤状態となり良好なプロトン伝導性を維持する。
【００３３】
一方、ステップＳ１００で負荷要求がゼロのときには、ＯＣＶ（Ｏｐｅｎ Ｃｉｒｃｕｔ Ｖｏｌｔａｇｅ）の状態にすべく、それまで閉じていた第１断続器３０を開くことによりＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を開放する（ステップＳ１１０）。続いて、モータ２２を駆動して筒状バルブ２１を許容位置から禁止位置に位置決めして第１凹部２３１の入口つまり燃料ガス通路２３３の入口近傍を閉鎖し（ステップＳ１２０）、ブロア１１の駆動を停止させる（ステップＳ１３０）。これにより、ＯＣＶ時にＦＣスタック２０に残存する水素ガスは、第１凹部２３１の容量分（概ね燃料ガス通路２３３の容量分）となる。また、酸化ガスの送風が停止される。その後、第２断続器４０により短絡スイッチ４１を閉じてＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を抵抗器４２を介して短絡させる（ステップＳ１４０）。このとき、第１凹部２３１の容量分の水素ガスが消費され、それに応じた熱量が発生する。この発熱により各単セル２１０は乾燥気味になり、水素のクロスリークを防止するうえで好ましい状態となる。なお、負荷要求がゼロのときとは、例えば電気自動車の場合にはアイドリング状態になったときなどであり二次電池を充電する場合には満充電になったときなどである。
【００３４】
以上詳述した本実施形態の燃料電池システム１０では、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を開放するときには、燃料ガス供給マニホルドＭ１内にて各単セル２１０の燃料ガス通路２３３への燃料ガスの分配を禁止したあと、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を短絡させることにより各単セル２１０内の水素を消費してしまうため、水素のクロスリークを防止することができる。また、従来のようにスタック外のガス配管で燃料ガスの供給を停止するのではなく、スタック内の燃料ガス供給マニホルドＭ１で燃料ガスの分配を停止するので、停止後に残存する水素量が少なくなり、両出力端子２５，２６を短絡させたときに消費される水素量は従来に比べて少なく発熱量も少なくなる。このため、短絡時の発熱による耐久劣化も抑制することができるし、多くの水素を無駄に消費してしまうこともない。したがって、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６と負荷６０との接続を開放するときのクロスリークを防止することができるし、低燃費化を招くこともない。
【００３５】
また、ＦＣスタック２０の両出力端子２５，２６を短絡させたときの発熱によって各単セル２１０が乾燥気味になるため、クロスリークを防止するうえで有利となる。
【００３６】
更に、筒状バルブ２１は、各単セル２１０の燃料ガス通路２３３の入口近傍を開閉するため、短絡時に消費される水素量を一層少なくすることができ、短絡時の発熱が一層小さくなるし低燃費化を防止するうえでも有利である。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３８】
例えば、上述した実施形態ではブロア１１から加湿器１３で加湿した酸化ガスをＦＣスタック２０へ供給したが、図５に示すように、ブロア１１と加湿器１３との間に三方弁１２を設け、この三方弁１２から加湿器１３を迂回するバイパス経路１４を経てＦＣスタック２０へ未加湿の酸化ガスを供給できるようにし、制御装置５０は通常の負荷要求対応制御時にはブロア１１から加湿器１３を経てＦＣスタック２０に至るように三方弁１２を制御し、ＯＣＶ時にはブロア１１からバイパス経路１４を経てＦＣスタック２０に至るように三方弁１２を制御してもよい。こうすれば、ＯＣＶ時には乾燥した酸化ガスがＦＣスタック２０に供給される。これにより、電気化学反応によってカソードで生成した水は乾燥した酸化ガスにより効率よく排除されるため、各単セル２１０は乾燥されてクロスリークしにくくなる。
【００３９】
また、上述した実施形態では切替手段として筒状バルブ２１を採用したが、図６に示すように、先端に燃料ガス通路の入口を閉塞可能な蓋部７１を有し、基端に回動軸７２を有する開閉機構７０を採用し、通常の負荷要求対応制御時には蓋部７１が各単セルの燃料ガス通路の入口を開放するようにし、ＯＣＶ時には回動軸７２を回動して蓋部７１で各単セルの燃料ガス通路の入口を閉鎖するようにしてもよい。このとき蓋部７１は樹脂やゴム等などで形成すればよい。あるいは、特開平９−３１２１６８号公報のようにスライド式のスリットを採用し、通常の負荷要求対応制御時にはスリットが各単セルの燃料ガス通路の入口を開放するようにし、ＯＣＶ時ではスリットをスライドさせて各単セルの燃料ガス通路の入口を閉鎖するようにしてもよい。
【００４０】
更に、上述した実施形態で採用したモータ２２に代えて、空気圧又は油圧で駆動するアクチュエータを採用してもよい。更にまた、上述した実施形態の第２断続器４０の短絡スイッチ４１と出力端子２６との間にアーススイッチを設け、短絡スイッチ４１の開閉に連動してこのアーススイッチを開閉するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池システムの概略を表すブロック図である。
【図２】ＦＣスタックの斜視図である。
【図３】単セルの分解斜視図である。
【図４】電池制御処理のフローチャートである。
【図５】他の実施形態のブロア周辺のブロック図である。
【図６】他の実施形態の切替手段の説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム、１１…ブロア、１３…加湿器、１５…燃料ガス供給源、２０…ＦＣスタック、２１…筒状バルブ、２１ａ…スリット窓、２２…モータ、２５，２６…出力端子、３０…第１断続器、４０…第２断続器、４１…短絡スイッチ、４２…抵抗器、５０…制御装置、６０…負荷、２１０…単セル、２３０…セパレータ、２３１…第１凹部、２３２…第２凹部、２３３…燃料ガス通路、２３５〜２３８…第１〜第４貫通孔、２４０…第１シール部材、２５１…電解質膜、２５２…アノード、２５３…カソード、２６０…第２シール部材、Ｍ１…燃料ガス供給マニホルド、Ｍ２…酸化ガス供給マニホルド、Ｍ３…燃料ガス排出マニホルド、Ｍ４…酸化ガス排出マニホルド。
Claims (7)
- 単セルを複数積層した燃料電池スタックへ燃料ガスと酸化ガスとを供給し両ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムにおいて、
前記スタックの内部にて積層方向に延設され前記各単セルの燃料ガス通路へ燃料ガスを分配する燃料ガス供給マニホルドと、
前記燃料ガス供給マニホルドの内部に設けられ前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を許容するか禁止するかを切り替える切替手段と、
前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放可能な負荷開放手段と、
前記スタックの出力端子の正極及び負極を短絡可能な短絡手段と、
前記負荷開放手段により前記出力端子と前記負荷との接続を開放するときには、前記切替手段により前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと前記短絡手段により前記出力端子の正極及び負極を短絡させる制御手段と
を備えた燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記各単セルを乾燥させる乾燥化手段を備え、
前記制御手段は、前記負荷開放手段により前記出力端子と前記負荷との接続を開放するときには、前記乾燥化手段により前記各単セルを乾燥させると共に、前記切替手段により前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと前記短絡手段により前記出力端子の正極及び負極を短絡させる
燃料電池システム。 - 前記乾燥化手段は、前記スタックへ乾燥した酸化ガスを供給する手段である
請求項２記載の燃料電池システム。 - 前記切替手段は、前記各単セルの燃料ガス通路の入口近傍を開閉する手段である
請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。 - 請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記スタックの内部にて積層方向に延設され前記各単セルの燃料ガス通路と連通可能な位置に開口窓を有する筒状バルブと、
前記開口窓が前記各単セルの燃料ガス通路と連通するように前記筒状バルブを位置決めすることにより前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を許容し、前記開口窓が前記各単セルの燃料ガス通路と連通しないように前記筒状バルブを位置決めすることにより前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止する駆動手段と
を備え、
前記筒状バルブは、前記燃料ガス供給マニホルドとして機能し、
前記筒状バルブ及び前記駆動手段は、前記切替手段として機能する
燃料電池システム。 - 単セルを複数積層した燃料電池スタックへ燃料ガスと酸化ガスとを供給し両ガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池システムの制御方法において、
前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、前記スタックの内部にて積層方向に延設された燃料ガス供給マニホルド内にて前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、前記出力端子の正極及び負極を短絡させる
燃料電池システムの制御方法。 - 前記スタックの出力端子と負荷との接続を開放するときには、前記各単セルを乾燥させると共に、前記スタックの内部にて積層方向に延設された燃料ガス供給マニホルド内にて前記各単セルの燃料ガス通路への燃料ガスの分配を禁止したあと、前記出力端子の正極及び負極を短絡させる
請求項６記載の燃料電池システムの制御方法。
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