JP4450109B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの異常電位を防止する技術に関する。

一般的に燃料電池は、電解質膜の両側を挟持する一対の電極（アノード極、カソード極）を含む膜−電極アッセンブリと、膜−電極アッセンブリの両側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。アノード極は、アノード極触媒層及び拡散層、カソード極は、カソード極触媒層及び拡散層を有する。燃料電池の発電時には、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、水素イオン及び電子にする反応が行われ、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分を生成する反応が行われ、エネルギを放出する。

通常、燃料電池はカソード極側が大気と連通しているため、発電停止中では、大気中から燃料電池セル内に空気が侵入し、侵入した空気がカソード極から電解質膜を通してアノード極側へ移動する場合がある。また、燃料電池の発電を停止するために、アノード極側に酸素ガスを供給して、アノード極内の水素ガスを排出させる燃料電池もある。

上記のように、アノード極内に空気（酸素ガス）が存在した状態で、燃料電池に水素ガス等のアノードガスを供給すると、アノード極では、アノードガスと空気とが偏在した状態になる。アノードガスが偏在した部分では、局部電池を形成し、空気が偏在した部分では、正常発電時と逆向きの電流が流れる。そうすると、燃料電池の電位は異常電位となり、主にカソード極を腐食させ、燃料電池の発電性能を低下させる場合がある。

例えば、特許文献１には、燃料電池の始動時に供給するアノードガスを燃料電池の発電時に供給するアノードガスの圧力より高く設定した燃料電池システムが提案されている。この特許文献１の燃料電池システムによれば、燃料電池の始動時に高い圧力のアノードガスが、アノード極に供給されるため、アノード極内での空気の偏在を抑制し、異常電位の発生を抑制することができる。

しかし、特許文献１の燃料電池システムでは、アノード極に高い圧力のアノードガスが供給されるため、アノード極のガス圧とカソード極のガス圧との差が大きくなり、アノード極とカソード極とで挟持される電解質膜が破損する場合がある。

また、燃料電池の始動時によるものではないが、例えば、特許文献２には、アノード極のガス圧とカソード極のガス圧との圧力差を所定値以下に制御した燃料電池システムが提案されている。この特許文献２の燃料電池システムによれば、アノード極及びカソード極に掛かるガスの圧力差を所定値内に維持することができるため、電解質膜の破損を抑制することができる。

特開２００４−１３９９８４号公報 特開２００２−３７３６８２号公報

本発明の目的は、燃料電池の始動時における燃料電池の異常電位及び電解質膜の破損を抑制することができる燃料電池システムを提供することにある。

参考例は、燃料電池と、前記燃料電池へ供給するアノードガスの圧力を調節するアノードガス圧力調節手段と、前記燃料電池へ供給するカソードガスの圧力を調節するカソードガス圧力調節手段と、を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池の始動時に供給するアノードガスの圧力を前記燃料電池の発電時に供給するアノードガスの圧力より高く設定すると共に、設定した圧力までアノードガスの圧力を上昇させる際には、アノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇が開始されるように前記アノードガス圧力調節手段及び前記カソードガス圧力調節手段を制御する圧力制御手段を備える。

また、本発明は、燃料電池と、前記燃料電池のアノード極へ供給するアノードガスの圧力を調節するアノードガス圧力調節手段と、前記燃料電池のカソード極へ供給するカソードガスの圧力を調節するカソードガス圧力調節手段と、を有する燃料電池システムであって、前記アノード極内のガス量を推定する推定手段と、前記推定手段により推定したガス量に応じて、前記燃料電池の始動時に供給するアノードガスの圧力を設定すると共に、設定した圧力までアノードガスの圧力を上昇させる際には、アノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇が開始されるように前記アノードガス圧力調節手段及び前記カソードガス圧力調節手段を制御する圧力制御手段と、を備える。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード極及びカソード極を備え、前記圧力制御手段は、前記燃料電池の始動時に供給するアノードガスの圧力と前記燃料電池の始動時に供給するカソードガスの圧力との圧力差が、前記電解質膜の圧力破損臨界値を超えないように前記アノードガス圧力調節手段及び前記カソードガス圧力調節手段の少なくともいずれか一方を制御することが好ましい。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記推定手段は、前記燃料電池の停止時間、前記燃料電池の温度のうち少なくともいずれか１つから前記アノード極内のガス量を推定することが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の始動時に供給するアノードガスの圧力を燃料電池の発電時に供給するアノードガスの圧力より高く設定すると共に、設定した圧力までアノードガスの圧力を上昇させる際には、アノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇が開始されるようにアノードガス圧力調節手段及びカソードガス圧力調節手段を制御する圧力制御手段を備えることにより、燃料電池の始動時における燃料電池の異常電位及び電解質膜の破損を抑制することができる燃料電池システムを提供することができる。

参考例の燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの始動時において燃料電池に供給されるガス圧の一例を示す図である。 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図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、参考例の燃料電池システムの構成の一例を示す模式図である。燃料電池システム１は、燃料電池１０と、水素ガスボンベ１２と、エアコンプレッサ１４と、アノードガス供給流路１６と、アノードガス循環流路１８と、カソードガス供給流路２０と、カソードガス排出流路２２と、インジェクタ２４と、水素コンプレッサ２６と、圧力調節弁２８と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０と、を有するものである。

本実施形態の燃料電池システム１に用いられる燃料電池１０の構成について説明する。燃料電池１０は、水素イオン伝導性を有する電解質膜と、電解質膜を挟持するアノード極及びカソード極と、アノード極及びカソード極の両外側を挟持する一対の燃料電池用セパレータと、を有するものを単位セルとして、当該単位セルを少なくとも１層以上積層したものである。

アノードガス供給流路１６は、燃料電池１０のアノードガス導入口（不図示）及び水素ガスボンベ１２の排出口（不図示）に接続されている。また、アノードガス供給流路１６には、インジェクタ２４が設けられている。アノードガス循環流路１８は、燃料電池１０のアノードガス排出口（不図示）及びアノードガス供給流路１６に接続される。また、特に制限されるものではないが、アノードガス循環流路１８は、インジェクタ２４より下流側のアノードガス供給流路１６に接続されることが好ましい。水素ガスボンベ１２から供給されるアノードガス（例えば、水素ガス）は、アノードガス供給流路１６を通り、インジェクタ２４を介して燃料電池１０に供給される。また、燃料電池１０から排出されるアノードガスは、アノードガス循環流路１８を通り、再度アノードガス供給流路１６に供給される。また、アノードガス循環流路１８には、アノードガス循環流路１８内のアノードガスを効率よく送流させるために、水素コンプレッサ２６が設けられている。

また、カソードガス供給流路２０は、燃料電池１０のカソードガス導入口（不図示）及びエアコンプレッサ１４の吐出口（不図示）に接続されている。また、カソードガス排出流路２２は、燃料電池１０のカソードガス排出口（不図示）に接続されている。また、カソードガス排出流路２２には、圧力調節弁２８が設けられている。エアコンプレッサ１４から吐出されるカソードガス（例えば、空気）は、カソードガス供給流路２０を通り燃料電池１０に供給される。また、燃料電池１０から排出されるカソードガスは、カソードガス排出流路２２を通り、圧力調節弁２８を介して、燃料電池システム１外へ排出される。

インジェクタ２４は、水素ガスボンベ１２から燃料電池１０（具体的にはアノード極）へ供給されるアノードガスの圧力を調節するものであり、ＥＣＵ３０と電気的に接続されている。圧力調節弁２８は、エアコンプレッサ１４から燃料電池１０（具体的にはカソード極）へ供給されるカソードガスの圧力を調節するものであり、ＥＣＵ３０と電気的に接続されている。ＥＣＵ３０は、主にインジェクタ２４及び圧力調節弁２８を制御して、燃料電池１０に必要なガス圧に応じた圧力を設定するものである。

通常、燃料電池１０の停止時では、カソードガス供給流路２０、圧力調節弁２８が開放されている場合にはカソードガス排出流路２２から燃料電池１０のカソード極へ空気が侵入し、侵入した空気がカソード極から電解質膜を通してアノード極へ移動する場合がある。また、カソードガス供給流路２０とインジェクタ２４より下流側のアノードガス供給流路１６とを接続する接続路を設け、アノード極側にカソードガス（空気）を供給することにより、アノード極内の水素ガスを排出させ、燃料電池１０の発電を停止させる場合もある。

このように、アノード極に空気が存在した状態で、燃料電池１０の始動時に発電時と同じガス圧のアノードガスを供給すると、アノード極では、アノードガスと空気（酸素）とが偏在し、アノードガスが偏在した部分では局部電池を形成し、空気が偏在した部分では、正常発電時と逆向きの電流が流れる。そうすると、燃料電池１０の電位は上昇し、異常電位となり、カソード極等を腐食させる場合がある。

図２は、本実施形態に係る燃料電池システムの始動時において燃料電池に供給されるガス圧の一例を示す図である。燃料電池システムの始動時の運転方法の説明は、図１及び図２を用いて説明する。ここで、本明細書の燃料電池１０の始動時とは、燃料電池システム１のスタートスイッチが押され（例えば、イグニッションキーがオンされ）、燃料電池システム１が外部負荷に接続されるまでの状態を言う。また、発電時とは、燃料電池システム１が外部負荷と接続され、発電している状態を言う。なお、燃料電池１０の停止時とは、燃料電池システム１のスタートスイッチがオフにされ、燃料電池システム１と外部負荷との接続が解除された状態を言う。

燃料電池１０の始動時では、図１に示すＥＣＵ３０によって、インジェクタ２４及び圧力調節弁２８を制御して、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力を燃料電池１０の発電時に供給するアノードガスの圧力より高く設定すると共に、設定した圧力までアノードガスの圧力を上昇させる際には、アノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇を開始させる。ここで、以下に説明する燃料電池１０の始動時の運転方法の一例として、燃料電池１０の発電時に供給するアノードガスの圧力を１５０ｋＰａ、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力を３００ｋＰａとする。図２に示すように、燃料電池１０の始動時では、まず、ＥＣＵ３０はインジェクタ２４のガス圧力調整値を２００ｋＰａに設定し、２００ｋＰａの圧力のアノードガスを燃料電池１０へ供給する（図２に示すＡ）。次に、ＥＣＵ３０は圧力調節弁２８のガス圧力調整値を１５０ｋＰａに設定し、１５０ｋＰａの圧力のカソードガスを燃料電池１０へ供給する（図２に示すＢ）。そして、ＥＣＵ３０はインジェクタ２４のガス圧力調整値を３００ｋＰａに設定し、３００ｋＰａの圧力のアノードガスを燃料電池１０に供給する（図２に示すＣ）。その後、燃料電池システム１を外部負荷に接続させると共に、ＥＣＵ２０は燃料電池１０の発電時に供給するアノードガスの圧力である１５０ｋＰａにインジェクタ２４のガス圧力調整値を設定し、燃料電池１０に発電を行わせる（図２に示すＤ）。

上記説明した一例では、発電時に供給するアノードガスの圧力を１５０ｋＰａとしたが、発電時に供給するアノードガスの圧力は、十分な発電反応が維持でき、ガスの無駄が生じない範囲で設定されるものであればよい。また、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力を３００ｋＰａとしたが、発電時に供給するアノードガスの圧力より高く設定されていればよい。また、上記説明した一例では、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力を３００ｋＰａまで段階的に加圧させているが、これに制限されるものではなく、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力、例えば３００ｋＰａまで連続的に加圧させてもよい。また、設定した圧力（例えば３００ｋＰａ）までアノードガスを上昇させる際には、アノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇を開始させればよいため、上記のようにアノードガスの圧力上昇を開始させた後、カソードガスの圧力上昇を開始させる場合だけでなく、アノードガスの圧力上昇の開始と同時にカソードガスの圧力上昇を開始させてもよい。

また、ＥＣＵ３０は、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力と燃料電池１０の始動時に供給するカソードガスの圧力との圧力差が、燃料電池１０を構成する電解質膜の圧力破損臨界値を超えないようにインジェクタ２４及び圧力調節弁２８の少なくともいずれか一方を制御することが好ましい。これにより、燃料電池１０の始動の繰り返しにより生じる電解質膜の破損を抑制することができる。アノードガスの圧力とカソードガスの圧力との圧力差において、図２に示すＡでは１００ｋＰａ、図２に示すＢでは５０ｋＰａ、図２に示すＣでは１５０ｋＰａであるが、電解質膜の圧力破損臨界値を超えない圧力差であればこれに制限されるものではない。電解質膜の圧力破損臨界値とは、アノードガスの圧力とカソードガスの圧力との圧力差により、電解質膜が破損しない圧力差の限界値であり、電解質膜の膜圧、強度等によって適宜設定される。また、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力と燃料電池１０の始動時に供給するカソードガスの圧力との圧力差が、電解質膜の圧力破損臨界値を超えないようにするためには、アノードガスの圧力上昇速度を遅くしたり速くしたり、カソードガスの圧力上昇速度を遅くしたり速くしたりすることによって達成される。そのため、ＥＣＵ３０はインジェクタ２４及び圧力調節弁２８の少なくともいずれか一方を制御すればよい。

このように参考例では、燃料電池の発電時に供給するアノードガスの圧力より高い圧力のアノードガスが燃料電池の始動時に供給されるため、アノード極内の空気を勢いよく排出させて、空気の偏在を抑制することができる。また、アノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇も開始させているため、アノードガスの圧力とカソードガスの圧力差が大きくなることを防止して、圧力差により生じる電解質膜の劣化を抑制することができる。特に、燃料電池の始動時にアノード極に供給するアノードガスの圧力とカソード極に供給するカソードガスの圧力との差が、電解質膜の圧力破損臨界値を超えないように制御されることにより、燃料電池の始動の繰り返しにより生じる電解質膜の破損を抑制することができる。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。

図３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図である。図３に示すように、燃料電池システム２は、燃料電池１０と、水素ガスボンベ１２と、エアコンプレッサ１４と、アノードガス供給流路１６と、アノードガス循環流路１８と、カソードガス供給流路２０と、カソードガス排出流路２２と、インジェクタ２４と、水素コンプレッサ２６と、圧力調節弁２８と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）３０と、タイマー３２と、温度センサ３４と、を有するものである。図３に示す燃料電池システム２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いる。

タイマー３２は、燃料電池１０の停止時間を計測し、計測時間からアノード極内のガス量を推定することができるものである。また、タイマー３２は、ＥＣＵ３０に設けられている。燃料電池１０の停止時間とは、燃料電池システム２のスタートスイッチがオフにされている時間である。すなわち、タイマー３２は、燃料電池システム２のスタートスイッチのオフの信号がＥＣＵ３０に入力されてから、オンの信号が入力されるまでの時間を計測する。燃料電池１０の停止時にカソード極からアノード極へ移動する空気の量は、燃料電池１０の停止時間の経過と共に増加する。したがって、例えば、タイマー３２により計測した時間が所定値以上であれば、アノード極内の空気量は「多」であると推定し、所定値未満であればアノード極内の空気量は「少」であると推定する。また、例えば、予め実験した時間経過とアノード極内の空気量との関係を表すマップから、タイマー３２により計測した燃料電池１０の停止時間を当該マップに当てはめることにより、アノード極内の空気量を推定するものであってもよい。なお、必ずしも空気の量が、推定するガス量である必要はなく、時間経過と共に増加する空気量に反してアノードガス量は減少するため、アノードガス量を推定するガス量としてもよいし、時間経過と共に増加・減少する空気の量及びアノードガスの量の比を推定するガス量としてもよい。

温度センサ３４は、燃料電池１０の温度を検出し、燃料電池１０の温度からアノード極内のガス量を推定することができるものである。温度センサ３４は、燃料電池１０に設けられている。燃料電池１０の温度は、燃料電池１０の表面温度、燃料電池１０の内部温度、又は燃料電池１０内の冷却水温度等である。燃料電池１０の温度は、燃料電池１０の停止時間の経過と共に低下するため、例えば、温度センサ３４により検出した燃料電池１０の温度が所定値未満であれば、停止時間の経過と共に増加するアノード極内の空気量は「多」であると推定し、燃料電池１０の温度が所定値以上であれば、アノード極内の空気量は「少」であると推定する。また、例えば、予め実験した燃料電池１０の温度とアノード極内の空気量との関係を表すマップから、温度センサ３４により計測した燃料電池１０の温度を当該マップに当てはめることにより、アノード極内の空気量を推定することができる。上記同様に必ずしも空気の量が、推定するガス量である必要はなく、時間経過と共に増加する空気量に反してアノードガス量は減少するため、アノードガス量を推定するガス量としてもよいし、時間経過と共に増加・減少する空気の量及びアノードガスの量の比を推定するガス量としてもよい。

本実施形態では、アノード極内のガス量の推定は、上記タイマー３２、温度センサ３４等によるものに限られない。例えば、酸素センサを燃料電池１０のアノード極側に設け、酸素センサによりアノード極内のガス量（空気量）を推定してもよい。

ＥＣＵ３０は、推定したアノード極内のガス量に応じて、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力を設定する。すなわち、上記説明したようにインジェクタ２４の圧力調整値を設定する。具体的には、推定したアノード極内のガス量、例えば空気量が「少」である場合には、アノード極から排出する空気量も少ないため、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力を小さく、例えば、燃料電池１０の発電時に供給するアノードガスの圧力に設定する。また、推定したアノード極内のガス量、例えば空気量が「多」である場合には、アノード極から排出する空気量も多いため、燃料電池１０の始動時に供給するアノードガスの圧力は大きく、例えば、燃料電池１０の発電時に供給するアノードガスの圧力より大きく（例えば３００ｋＰａ）設定する。そして、設定した圧力までアノードガスの圧力を上昇させる際には、上記説明したように、ＥＣＵ３０はアノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇が開始されるようにインジェクタ２４及び圧力調節弁２８を制御する。これにより、アノード極内の空気の偏在及び電解質膜の破損を抑制するために必要なアノードガスの圧力を適切に設定することができ、アノードガス量の無駄を省くことができる。また、燃料電池１０の始動の繰り返しにより生じる電解質膜の破損を抑制することができる点で、ＥＣＵ３０はインジェクタ２４及び圧力調節弁２８の少なくともいずれか一方を制御して、アノードガスの圧力とカソードガスの圧力との圧力差が上記説明した電解質膜の圧力破損臨界値を超えないようにすることが好ましい。

本実施形態では、温度センサ及びタイマー両方を設けているが、少なくともいずれか１つであればよい。

上記本実施形態に係る燃料電池システムは、例えば、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、定置用電源等として使用することができる。

１，２ 燃料電池システム、１０ 燃料電池、１２ 水素ガスボンベ、１４ エアコンプレッサ、１６ アノードガス供給流路、１８ アノードガス循環流路、２０ カソードガス供給流路、２２ カソードガス排出流路、２４ インジェクタ、２６ 水素コンプレッサ、２８ 圧力調節弁、３２ タイマー、３４ 温度センサ。

Claims (3)

1. 燃料電池と、前記燃料電池のアノード極へ供給するアノードガスの圧力を調節するアノードガス圧力調節手段と、前記燃料電池のカソード極へ供給するカソードガスの圧力を調節するカソードガス圧力調節手段と、を有する燃料電池システムであって、
   前記アノード極内のガス量を推定する推定手段と、
   前記推定手段により推定したガス量に応じて、前記燃料電池の始動時に供給するアノードガスの圧力を設定すると共に、設定した圧力までアノードガスの圧力を上昇させる際には、アノードガスの圧力上昇の開始に応じてカソードガスの圧力上昇が開始されるように前記アノードガス圧力調節手段及び前記カソードガス圧力調節手段を制御する圧力制御手段と、を備え、
   圧力制御手段は、前記燃料電池の始動時に、前記推定手段により推定したガス量に応じて設定したアノードガスの圧力を、燃料電池の発電時に供給するアノードガスの圧力より高い第１圧力に設定すると共に、カソードガスの圧力を前記燃料電池の発電時に供給するカソードガスの圧力に設定し、アノードガス及びカソードガスが各設定圧力に達した後は、カソードガスの設定圧力を維持しながら、アノードガスの圧力を前記第１圧力より高い第２圧力に設定し、アノードガスが第２圧力に達した後は、アノードガスの圧力を前記燃料電池の発電時に供給するアノードガスの圧力に設定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード極及びカソード極を備え、
   前記圧力制御手段は、前記燃料電池の始動時に供給するアノードガスの第２圧力と前記燃料電池の始動時に供給するカソードガスの圧力との圧力差が、前記電解質膜の圧力破損臨界値を超えないように前記アノードガス圧力調節手段及び前記カソードガス圧力調節手段の少なくともいずれか一方を制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムであって、前記推定手段は、前記燃料電池の停止時間、前記燃料電池の温度のうち少なくともいずれか１つから前記アノード極内のガス量を推定することを特徴とする燃料電池システム。

Images