JP4513308B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機、或いは家庭用発電機に適用して有効である。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムでは、水分が不足すると電解質膜が乾燥して電池の出力が低下し、一方、水分が過剰になると電極が水に覆われてガスの透過が阻害され、燃料電池の出力が低下する。したがって、燃料電池内の水分量を適正に保つ必要がある。

また、運転終了時に燃料電池内に水分が残存している場合、低温環境下で燃料電池内部の水分が凍結する。このような低温環境下で燃料電池を起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池を起動できないという問題がある。

このような問題を解決するために、燃料電池を停止する際に燃料電池内に空気を所定時間供給し、空気流によって燃料電池内の水分をパージする掃気処理を行う燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３１３３９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、空気供給時間が予め設定されているため、燃料電池内の水分量にかかわらず一定時間の掃気処理を行う。このため、燃料電池内の水分量が少ない場合は、必要以上に掃気処理を行ってしまう可能性がある。この場合、燃料電池内の水分が不足し電解質膜が乾燥して再起動時に出力低下を招くおそれがある。

一方、燃料電池内の水分量が多い場合には、燃料電池内の水分除去が不充分なまま掃気処理が終了する場合もあり得る。この場合には、燃料電池内に過剰な水分が残存したままとなり、反応ガスの透過が阻害されるとともに低温環境下で水分凍結のおそれがある。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池を停止させる際に、燃料電池内の水分量を適正にすることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）の一方の電極側に設けられるとともに、燃料電池（１０）で発電した電気を集電する主集電板（１３１）および副集電板（１３２、１３３）と、主集電板（１３１）と副集電板（１３２、１３３）との間を流れる電流値を測定する電流測定手段（１５１、１５２、１６１、１６２）と、燃料電池（１０）内に空気流を供給し、燃料電池（１０）内に滞留している水を除去する掃気処理を行う掃気手段（２１、２３）とを備え、燃料電池（１０）の運転を停止する際、電流測定手段（１５１、１５２、１６１、１６２）にて測定した副集電板（１３２、１３３）を介して流れる電流値が所定値を上回っている場合に、掃気手段（２１、２３）による掃気処理を行うことを特徴としている。

これにより、燃料電池内（１０）の水分量と相関関係がある電流値に基づいて掃気処理の終了のタイミングを決定することができ、燃料電池（１０）内の水分量が適正な状態で掃気処理を終了することができる。したがって、必要以上に掃気処理を行うことがないので、掃気時間を短縮できるとともに、燃料電池（１０）内の電解質膜を乾燥させすぎることを回避できる。さらに、燃料電池の電流値を監視して燃料電池（１０）内の水分量が適正な状態になったと判断してから掃気処理を終了するので、燃料電池（１０）内の水分除去が不十分なまま掃気処理を終了することを防止できる。

また、請求項２に記載の発明では、電流測定手段（１５１、１５２、１６１、１６２）は、主集電板（１３１）と副集電板（１３２、１３３）との間を接続する導電性の集電手段（１５１、１５２）と、集電手段（１５１、１５２）を流れる電流を検出する電流検出手段（１６１、１６２）とを有しており、電流検出手段（１６１、１６２）にて燃料電池（１０）内において水が滞留しやすい部位（Ａ、Ｂ）を流れる電流を測定するものであることを特徴としている。これにより、より適切に燃料電池（１０）内部の水分状態を判断でき、掃気処理を終了するタイミングをより適切に決定できる。

また、請求項３に記載の発明では、掃気手段（２１、２３）による掃気処理の開始から所定時間経過し、かつ電流検出手段（１６１、１６２）にて測定した電流値が所定値以下とならない場合、掃気手段（２１、２３）による空気流量を増加させることを特徴としている。これにより、掃気処理を早期に終了させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図９に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１や２次電池（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷１１に相当する。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
そして、各セル毎の出力電圧を検出するセルモニタ１２が設けられ、セルモニタ１２で検出したセル電圧信号が後述する制御部４０に入力されるようになっている。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。

空気流路２０の最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気流路２０における空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられ、空気流路２０における燃料電池１０の下流側には、燃料電池１０に供給される空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池１０を停止させる際に、空気ポンプ２１にて燃料電池１０内に空気を供給し、空気流により燃料電池１０内の水分を除去する掃気処理を行うように構成されている。なお、空気ポンプ２１および空気圧力調整弁２３が本発明の掃気手段を構成している。

水素流路３０の最上流部には、水素が充填された水素ボンベ３１が設けられ、水素流路３０における水素ボンベ３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２と、水素への加湿を行う加湿器３３が設けられている。

水素流路３０における燃料電池１０の下流側は、水素調圧弁３２の下流側に接続されて水素流路３０が閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、燃料電池１０での未使用水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素流路３０における燃料電池１０の下流側には、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３４が設けられている。

制御部（ＥＣＵ）４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部４０には、セルモニタ１２からのセル電圧信号や後述する電流センサからの信号が入力される。また、制御部４０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、３３、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３４に制御信号を出力する。本実施形態の制御部４０は、燃料電池１０が停止する際に、後述する電流センサからの信号に基づいて空気ポンプ２１に制御信号を出力して掃気処理の制御を行う掃気制御手段を構成している。

図２は燃料電池１０の単セルを示す模式的な斜視図であり、燃料電池１０の単セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１００と、このＭＥＡ１００を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。また、水素側セパレータ１２０に隣接して−極の集電板１３０が配置されている。因みに、空気側セパレータ１１０は＋極の集電板を兼ねている。

図３は図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図であり、空気側セパレータ１１０は、空気流路２０に接続される空気入口部１１１および空気出口部１１２と、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための空気流路溝１１３とを備えている。空気側セパレータ１１０では、空気出口部１１２近傍（図３中のＡで示す領域）が水が滞留しやすい領域となっている。

図４は図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図であり、水素側セパレータ１２０は、水素流路３０に接続される水素入口部１２１および水素出口部１２２と、水素入口部１２１から水素出口部１２２に向かって水素を流すための水素流路溝１２３とを備えている。水素側セパレータ１２０では、水素出口部１２２近傍（図４中のＢで示す領域）が水が溜まりやすい領域となっている。

図５は図２における−極側の要部の拡大図、図６は図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図２、図５、図６に示すように、集電板１３０は、主集電板１３１と２つの副集電板１３２、１３３に分割されている。この主集電板１３１および２つの副集電板１３２、１３３は、絶縁材よりなる絶縁枠１４０内に、相互に絶縁された状態で装着されている。

第１副集電板１３２は、空気側セパレータ１１０の空気流路溝１１３における空気入口部１１１よりも空気出口部１１２に近い位置、詳細には、空気出口部１１２近傍（図３に符号Ａを付して示す部位）、より詳細には、空気出口部１１２と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第１副集電板１３２と主集電板１３１との間は、導電性の第１集電線１５１により接続されている。第１集電線１５１には、この第１集電線１５１を流れる電流を検出する第１電流センサ１６１が装着されている。

第２副集電板１３３は、水素側セパレータ１２０の水素流路溝１２３における水素入口部１２１よりも水素出口部１２２に近い位置、詳細には、水素出口部１２２近傍（図４に符号Ｂを付して示す部位）、より詳細には、水素出口部１２２と一部が重なる位置に、対向して配置されている。第２副集電板１３３と主集電板１３１との間は、導電性の第２集電線１５２により接続されている。第２集電線１５２には、この第２集電線１５２を流れる電流を検出する第２電流センサ１６２が装着されている。

なお、各電流センサ１６１、１６２は、例えばホール素子を用いることができる。

また、第１副集電板１３２と第１集電線１５１と第１電流センサ１６１、第２副集電板１３３と第２集電線１５２と第２電流センサ１６２は、それぞれが本発明の電流測定手段を構成している。電流測定手段は、燃料電池１０を構成するすべてのセルに設けてもよく、一部のセルのみに設けてもよい。

次に、上記構成の電流センサ１６１、１６２の作動を説明する。

まず、負荷１１からの電力要求に応じて、燃料電池１０への空気供給量および水素供給量を制御する。具体的には、空気ポンプ２１の回転数を制御して空気供給量を制御し、水素ポンプ３４の回転数を制御して水素供給量を制御する。この際、空気供給量は、予め電圧ばらつきを発生しない供給量に設定する。そして、空気および水素の供給により、燃料電池１０では電気化学反応により発電が起こり、発電した電力は負荷１１に供給される。

負荷１１を通った電流は−極の主集電板１３１に流れ込む。主集電板１３１に流れ込んだ電流は、そのままＭＥＡ１００に流れ込む電流と、第１集電線１５１および第１副集電板１３２を介してＭＥＡ１００に流れ込む電流と、第２集電線１５２および第２副集電板１３３を介してＭＥＡ１００に流れ込む電流とに分かれる。

そして、第１集電線１５１を流れる電流は、ＭＥＡ１００における空気出口部１１２近い部位を流れる局所電流（以下、空気出口側電流Ｉａ・ｏｕｔという）に相当するため、第１電流センサ１６１によって、空気出口側電流Ｉａ・ｏｕｔを検出することができる。

また、第２集電線１５２を流れる電流は、ＭＥＡ１００における水素出口部１２２に近い部位を流れる局所電流（以下、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔという）に相当するため、第２電流センサ１６２によって、水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔを検出することができる。

図７は、掃気処理を行った場合の燃料電池の電流の変化を示している。図７に示すように、掃気処理を行い、燃料電池１０内部の水分量が減少して電解質膜が乾燥すると、プロトン伝導抵抗が増加して電流が低下する。このように、燃料電池１０内の水分量と電流とは相関関係がある。このことから、掃気処理を終了する基準となる燃料電池１０内の水分量に対応する所定電流値を予め設定し、掃気処理により燃料電池１０内の水分除去を行う場合に、燃料電池１０の電流が所定電流値を下回った場合に、燃料電池１０内の水分が適正量まで減少したと判断することができる。この場合、燃料電池１０内で水分が溜まりやすい空気出口部１１２近傍や水素出口部１２２近傍の電流Ｉ、すなわち、空気出口側電流Ｉａ・ｏｕｔや水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔが所定電流値を下回れば、他の部位の水分も当然除去できていると判断できる。したがって、空気出口側電流Ｉａ・ｏｕｔや水素出口側電流Ｉｈ・ｏｕｔを測定することにより、より適切に燃料電池１０内部の水分状態を判断することが可能である。

次に、本実施形態の燃料電池システムの燃料電池停止時の作動を図８、図９に基づいて説明する。図８は制御部４０が行う掃気処理の制御内容を示すフローチャートであり、図９は各種制御フラグが変化するタイミングを示すタイミングチャートである。

まず、乗員によってキースイッチ（図示せず。）がオフ位置に操作されることにより、掃気処理を開始し、空気ポンプ２１によって燃料電池１０内に空気流を送り込む（Ｓ１０）。このとき掃気フラグをオンにする（図９）。次に、電流センサ１６１、１６２によりセル電流を測定し（Ｓ１１）、電流値が所定値以下であるか否かを判定する（Ｓ１２）。複数の電流センサ１６１、１６２を設けている場合には、各電流センサ１６１、１６２の電流値が所定値以下となったか否かを判定すればよい。

この結果、セル電流が所定値以下であると判定された場合には、掃気処理を終了する。一方、セル電流が所定値以下でないと判定された場合には、掃気処理開始から所定時間（例えば５秒）が経過するまでステップＳ１１、Ｓ１２の処理を繰り返し行う（Ｓ１３）。

掃気処理開始から所定時間経過してもセル電流が所定値以下とならない場合には、燃料電池１０内に残留している水が多いと推測できるので、掃気流量を増加する（Ｓ１４）。このとき掃気流量増加フラグをオンにする（図９）。そして、電流センサ１６１、１６２によりセル電流を測定し（Ｓ１５）、セル電流が所定値以下になるまで掃気処理を継続して行う（Ｓ１６）。セル電流が所定値以下になったら、電流値低下フラグをオンにし、掃気フラグおよび掃気流量増加フラグをオフにする（図９）。

掃気流量増加後、ある程度の時間が経過してもセル電流が所定値を下回らない場合には、何らかのエラーが発生したとして掃気処理を強制終了するように構成してもよい。

以上のように、セル電流に基づいて掃気処理の終了のタイミングを決定することにより、燃料電池１０内の水分量が適正な状態で掃気処理を終了することができる。したがって、必要以上に掃気処理を行うことがないので、掃気時間を短縮できるとともに、燃料電池１０内の電解質膜を乾燥させすぎることを回避できる。さらに、セル電流を監視して燃料電池１０内の水分量が適正な状態になったと判断してから掃気処理を終了するので、燃料電池１０内の水分除去が不十分なまま掃気処理を終了することを防止できる。

また、燃料電池１０内における水分が溜まりやすい箇所の局所電流値を検出することで、より適切に燃料電池１０内部の水分状態を判断でき、掃気処理を終了するタイミングをより適切に決定できる。

また、掃気処理開始から所定時間経過してもセル電流が低下しない場合には、掃気流量を増加させることで、掃気処理を早期に終了させることができる。

（他の実施形態）
なお、上記実施形態では、掃気処理開始後にセル電流を監視して掃気処理の終了のタイミングを決定するように構成したが、掃気処理開始前にセル電流が所定値を下回っている場合には、掃気処理を開始しないように構成することもできる。

また、上記実施形態では、燃料電池セルに２個の電流センサを設けて２箇所の電流を測定したが、これに限らず、１個の電流センサで１箇所の電流を測定するように構成してもよく、さらに３個以上の電流センサで３箇所以上の電流を測定してもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す模式図である 図１の燃料電池１０の単セルを示す模式的な斜視図である。 図２の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。 図２の右側から見た水素側セパレータ１２０の透視図である。 図２における−極側の要部の拡大図である。 図５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 掃気処理を行った場合の燃料電池の電流変化を示す特性図である。 制御部が行う掃気処理の制御内容を示すフローチャートである。 各種制御フラグが変化するタイミングを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、２１…空気ポンプ（掃気手段）、４０…制御部（掃気制御手段）、１６１、１６２…電流測定手段の主要部をなす電流センサ。

Claims (4)

1. 酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）の一方の電極側に設けられるとともに、前記燃料電池（１０）で発電した電気を集電する主集電板（１３１）および副集電板（１３２、１３３）と、
   前記主集電板（１３１）と前記副集電板（１３２、１３３）との間を流れる電流値を測定する電流測定手段（１５１、１５２、１６１、１６２）と、
   前記燃料電池（１０）内に空気流を供給し、前記燃料電池（１０）内に滞留している水を除去する掃気処理を行う掃気手段（２１、２３）とを備え、
   前記燃料電池（１０）の運転を停止する際、前記電流測定手段（１５１、１５２、１６１、１６２）にて測定した前記副集電板（１３２、１３３）を介して流れる電流値が所定値を上回っている場合に、前記掃気手段（２１、２３）による掃気処理を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電流測定手段（１５１、１５２、１６１、１６２）は、前記主集電板（１３１）と前記副集電板（１３２、１３３）との間を接続する導電性の集電手段（１５１、１５２）と、前記集電手段（１５１、１５２）を流れる電流を検出する電流検出手段（１６１、１６２）とを有しており、前記電流検出手段（１６１、１６２）にて前記燃料電池（１０）内において水が滞留しやすい部位（Ａ、Ｂ）を流れる電流を測定するもの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. 前記掃気手段（２１、２３）による掃気処理の開始から所定時間経過し、かつ前記電流検出手段（１６１、１６２）にて測定した電流値が所定値以下とならない場合、前記掃気手段（２１、２３）による空気流量を増加させることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記掃気処理中は前記燃料電池を発電させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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