JP4886203B2 - 燃料電池スタックの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを積層する燃料電池セル（以下、単にセルと称することもある）が、複数積層されるとともに、前記アノード側電極側に前記電解質に接触して参照電極が配設される燃料電池スタックの制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持したセルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数のセルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この場合、燃料電池を車載用として使用するためには、コストの削減や小型化を図るべく、前記燃料電池に供給される燃料ガス量を計測するための機器類（気体用流量計等）を省略する必要がある。

しかしながら、燃料電池に対して発電に必要な燃料ガス量が供給されているか否かを検出する手段がないため、特に、高負荷運転時にはストイキ不足（燃料ガス不足）が発生し易い。これにより、燃料電池の発電性能が著しく低下してしまうというおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示された燃料電池制御システムが知られている。図９に示すように、このシステムを用いて制御が行われる燃料電池１は、電解質２と、この電解質２の一方の面に接合される燃料極３と、前記電解質２の他方の面に接合される図示しない空気極と、集電体４とを備えている。

電解質２と集電体４との間に絶縁体５ａが介装されるとともに、前記集電体４の他方の面には、絶縁体５ｂを介装してフランジ６が配設されている。燃料極３の端部近傍には、フランジ６から電解質２の表面まで貫通孔７が形成され、この貫通孔７を介して前記電解質２の表面に参照極（参照電極）８が設けられている。

参照極８には、導線８ａが接続されており、この導線８ａは、貫通孔７に配設されている内管９ａ内に挿入されるとともに、前記内管９ａと同軸的に外管９ｂが配設されている。この内管９ａの内部には、水素が導入される一方、外管９ｂの内部と前記内管９ａの外部との間に水素が排出されている。

そこで、参照極８と燃料極３との電位差又は前記参照極８と空気極との電位差を検知し、その検知信号に基づいて燃料電池１の作動条件を制御している。この作動条件は、燃料極３に供給される燃料濃度、燃料供給量、燃料供給圧、空気極に供給される空気供給量、空気供給圧又は燃料セル温度の少なくともいずれかを含んでいる。

特開２００１−３３８６６７号公報（図１）

しかしながら、上記の従来技術では、参照極８と燃料極３との電位差であるアノード電位が、約０．３Ｖとかなり高圧になっているため、性能が相当に低下している。通常の発電状態では、アノード反応が理想的に行われていれば、アノード電位は略０Ｖになるからである。従って、アノード電位が低レベルである通常の発電時には、参照極８により精度よく測定することが困難になるという問題がある。

しかも、従来技術では、参照極８と燃料極３との電位差又は前記参照極８と空気極との電位差に基づいて、単一の燃料電池１の良否を判断している。このため、燃料電池１自体に性能劣化が発生しているか、燃料電池スタック全体に負荷変動が惹起しているかを、判別することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な制御で、参照電極による検出精度を有効に向上させることが可能な燃料電池スタックの制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、アノード側電極及びカソード側電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを積層する燃料電池セルが、複数積層されるとともに、前記アノード側電極側に前記電解質に接触して参照電極が配設される燃料電池スタックの制御方法である。

先ず、参照電極の電位とアノード側電極の電位とから得られる第１のアノード電位差が、第１の規定値を超えるか否かを判断し、前記第１のアノード電位差が前記第１の規定値を超えると判断された際、該第１のアノード電位差を他のセルで同様に検出された他の第２のアノード電位差と比較する。次いで、第１のアノード電位差と第２のアノード電位差とが、規定値以上の電位差を有すると判断された際、アノードガスの供給条件を制御する。

さらに、アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、少なくとも前記燃料ガス流路の入口近傍又は出口近傍には、前記アノード側電極が部分的に除去された第１領域及びカソード側電極が部分的に除去された第２領域が、前記電解質を挟んで互いに対向して設けられる。そして、第１領域には、電解質に接触して参照電極が配設されるとともに、前記第１領域は、第２領域よりも小さな表面積に設定され且つ積層方向に対して前記第２領域内に配置されることが好ましい。

本発明によれば、所定の燃料電池セルで検出された第１のアノード電位差が、第１の規定値を超えると、さらに他のセルで検出された第２のアノード電位差と比較されるため、前記アノード電位をリアルタイムで適確に把握することができる。このため、所定のセルが性能低下を惹起することを事前に検知することが可能になり、前記所定のセルが劣化することを良好に抑制することができる。しかも、所定のセル自体の性能低下（ストイキ不足）であるか、燃料電池スタック全体の負荷変動によるものであるかを、確実に検出することが可能になり、最適な運転条件で、燃料電池スタックを作動させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る制御方法に使用される燃料電池スタック１０の斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１２の要部分解斜視図である。

燃料電池１２は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１及び第２セパレータ１６、１８とを備える。第１及び第２セパレータ１６、１８は、例えば、金属セパレータ又はカーボンセパレータで構成される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａと、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂとが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａと、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するカソード側電極２８及びアノード側電極３０とを備える。

カソード側電極２８及びアノード側電極３０は、図３に示すように、固体高分子電解質膜２６の両面に接合される電極触媒層３２ａ、３２ｂと、前記電極触媒層３２ａ、３２ｂに配設されるカーボンペーパー等からなるガス拡散層３４ａ、３４ｂとを有する。電極触媒層３２ａ、３２ｂは、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子をガス拡散層３４ａ、３４ｂの表面に一様に塗布して形成される。

電解質膜・電極構造体１４のアノード側には、燃料ガス供給連通孔２４ａの近傍に位置してアノード側電極３０が部分的に除去された第１領域３６ａが設けられる。電解質膜・電極構造体１４のカソード側には、燃料ガス供給連通孔２４ａの近傍に位置してカソード側電極２８が部分的に除去された第２領域３６ｂが設けられる。

第１領域３６ａは、第２領域３６ｂよりも小さな表面積に設定され且つ積層方向（矢印Ａ方向）に対して前記第２領域３６ｂ内に配置される。具体的には、図４に示すように、第１及び第２領域３６ａ、３６ｂは、例えば、矩形状を有している。第１領域３６ａの矢印Ｂ方向の寸法Ｈ１及び矢印Ｃ方向の寸法Ｈ２は、第２領域３６ｂの矢印Ｂ方向の寸法Ｈ３及び矢印Ｃ方向の寸法Ｈ４に対して、寸法Ｈ１＜寸法Ｈ３及び寸法Ｈ２＜寸法Ｈ４の関係に設定される。

第１領域３６ａには、固体高分子電解質膜２６に接触して参照電極３８が配設される。参照電極３８は、拡散層４０を有する可逆水素電極を構成しており、この参照電極３８には、図示しない外部測定器に連結された導電部材４２が接続される。導電部材４２は、少なくとも参照電極３８との接合部位が平板状に構成され、例えば、リボン状の白金が採用される。参照電極３８の端面とアノード側電極３０の端面との間隙には、絶縁部材、例えば、液状シール４４ａが充填される。導電部材４２は、電解質膜・電極構造体１４に平行して外部に延在するとともに、前記導電部材４２の一部を覆って液状シール４４ｂが設けられる。

図３に示すように、第２領域３６ｂには、多孔質状の補強部材４６が設けられる。この補強部材４６は、例えば、網状のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製シートにより構成される。補強部材４６の端面とカソード側電極２８の端面との間隙には、絶縁部材として液状シール４４ｃが充填される。

第２セパレータ１８には、第１領域３６ａを覆って参照電極３８を絶縁する絶縁テープ４８ａが設けられるとともに、第１セパレータ１６には、第２領域３６ｂを覆って補強部材４６を絶縁する絶縁テープ４８ｂが設けられる。

第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１６ａには、酸化剤ガス流路５０が設けられる。酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有しており、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。第１セパレータ１６の面１６ｂには、第２セパレータ１８の面１８ｂとの間に冷却媒体流路５２が設けられる。第１セパレータ１６の外周縁部には、第１シール部材５４ａが設けられる。

第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４に向かう面１８ａには、燃料ガス流路５６が設けられる。燃料ガス流路５６は、酸化剤ガス流路５０と同様に、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝を有し、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する。この第２セパレータ１８の外周縁部には、第２シール部材５４ｂが設けられる。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される。燃料電池１２の積層方向両端には、ターミナルプレート５７ａ、５７ｂ、絶縁プレート５８ａ、５８ｂ及びエンドプレート５９ａ、５９ｂが積層されるとともに、燃料電池スタック１０は、図示しないタイロッドを介して矢印Ａ方向に締め付け保持されている。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、図２に示すように、第１セパレータ１６に設けられている酸化剤ガス流路５０に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極２８に沿って移動する。一方、燃料ガス供給連通孔２４ａに供給された燃料ガスは、第２セパレータ１８の燃料ガス流路５６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極３０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極２８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層３２ａ、３２ｂ内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極２８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに排出される。同様に、アノード側電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに排出される。

また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１６、１８間の冷却媒体流路５２に導入される。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂに排出される。

次いで、第１の実施形態に係る制御方法について、図５に示すフローチャートに沿って説明する。

先ず、燃料電池スタック１０では、例えば、所定数置きに燃料電池１２のアノード電位が計測される。具体的には、所定数置きの各燃料電池において、図示しない外部測定器により導電部材４２を介して参照電極３８の参照アノード電位とアノード側電極３０の電位とが入力され、その電位差であるアノード電位が計測される（ステップＳ１）。

その際、参照電極３８が配置される第１領域３６ａに対して、カソード側電極２８の第２領域３６ｂが相対的に大きな表面積に設定されている。このため、参照電極３８とアノード側電極３０との電極距離に対して、前記参照電極３８とカソード側電極２８との電極距離が相当に大きな値となっている。

これにより、参照電極３８は、カソード側電極２８の電位による影響を有効に低減することができ、アノード側電極３０の微妙な電位変化を高精度且つ安定して検出することが可能になる。

次に、ステップＳ２に進んで、計測されたアノード電位が、規定値を超えるか否かが判断される。この規定値は、例えば、温度、電流、ガス圧、及び電圧等の情報に基づいて設定される。そして、計測されたアノード電位が、規定値以下であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ３に進んで、通常運転が行われる。

一方、ステップＳ２において、所定の燃料電池１２において、計測されたアノード電位が、規定値を超えると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、該計測されたアノード電位が、他の燃料電池１２で計測された他のアノード電位と比較される。

その際、アノード電位と他のアノード電位とが、規定値以上の電位差を有すると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、燃料ガス（アノードガス）の制御が行われる。この燃料ガスの制御は、例えば、燃料ガス流量を増加させる制御、又は燃料ガス圧を増加させる制御である。

また、ステップＳ４において、アノード電位と他のアノード電位との電位差が、規定値未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、図示しない負荷／蓄電部の制御が行われる。燃料電池スタック１０全体にストイキ不足が発生しているため、負荷を抑制したり、補助電力供給機器であるキャパシタやバッテリ等からの出力を増大させたりすることによって、前記燃料電池スタック１０のストイキ不足を補う制御が行われる。さらに、上記の処理は、燃料電池スタック１０の運転が終了するまで行われる（ステップＳ７）。

このように、第１の実施形態では、所定の燃料電池１２のアノード電位が、規定値を超えると判断されると、このアノード電位が、他の燃料電池１２で検出された他のアノード電位と比較されて、燃料ガスの供給条件が制御されている。このため、アノード電位がリアルタイムで適確に把握され、燃料電池１２が性能低下を惹起することを事前に検知することができる。従って、燃料ガス制御によってアノード電位を迅速に低下させることにより、燃料電池１２の劣化を良好に抑制することが可能になる。

しかも、燃料電池１２自体の性能低下であるか、燃料電池スタック１０全体の負荷変動によるものであるかを、確実に検出することができる。これにより、最適な運転条件で、燃料電池スタック１０を作動させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、水素のストイキを減少させ、アノードストイキ不足（燃料ガス不足）の状態で、参照アノード電位を測定する実験を行った。その結果、図６に示すように、ストイキ不足が起こり始めると、参照アノード電位が急激に上昇し、燃料電池１２における異常反応を、高精度且つ迅速に検出することができた。

このため、第１の実施形態では、電解質膜・電極構造体１４の劣化の要因となるアノード側電極３０の異常を瞬時に検出することができ、燃料電池１２の耐久性を大幅に向上させることが可能になる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０の概略構成を示す説明図であり、発明の要部を明確にするため、セパレータの図示は省略する。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック６０は、矢印Ａ方向に積層される複数の燃料電池６２を備える。燃料電池６２は、所定数置き（例えば、５つ置きや１０置き等）に参照電極３８を設けている。第２の実施形態では、２つの燃料電池６２から得られる２つのアノード電位が直列に接続される。

具体的には、一方の燃料電池６２の参照電極３８に接続される導電部材４２は、他方の燃料電池６２のアノード側電極３０に、導線６４を介して電気的に接続される。一方の燃料電池６２のアノード側電極３０は、他方の燃料電池６２の参照電極３８に接続される導電部材４２に、導線６６を介して電気的に接続されるとともに、前記導線６６には、外部測定器６８が配設される。

このように構成される燃料電池スタック６０では、２つの燃料電池６２から得られるアノード電位が加算され、外部測定器６８により計測される。従って、各燃料電池６２毎の電圧測定が不要になり、部品点数を大幅に削減することができ、コストの削減が容易に図られるという効果が得られる。しかも、検出される電圧が大きくなるため、検出精度が向上する。

ここで、第１の実施形態と同様に、所定数Ｎ置きにアノード電位を計測する燃料電池スタック７０と、所定数４Ｎ置きにアノード電位を計測する燃料電池スタック７２と、第２の実施形態と同様に、前記燃料電池スタック７０の２つ毎のアノード電位を直列に計測する燃料電池スタック７４とにおいて、それぞれの計測されたアノード電位が、図８に示されている。

これにより、各燃料電池毎にアノード電位を測定する必要がなく、部品点数を大幅に削減することができる。しかも、各燃料電池毎に電圧モニタを監視する必要がなく、制御数の削減が図られて燃料電池システム全体の信頼性が良好に向上するという効果がある。

本発明の第１の実施形態に係る制御方法に使用される燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の要部拡大説明図である。 前記制御方法を説明するフローチャートである。 アノードストイキと参照アノード電位との説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る制御方法に使用される燃料電池スタックの概略構成を示す説明図である。 アノード電位の測定位置と計測されるアノード電位との関係図である。 従来技術のシステムを用いて制御が行われる燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０、６０、７０、７２、７４…燃料電池スタック
１２、６２…燃料電池 １４…電解質膜・電極構造体
１６、１８…セパレータ ２６…固体高分子電解質膜
２８…カソード側電極 ３０…アノード側電極
３２ａ、３２ｂ…電極触媒層 ３４ａ、３４ｂ…ガス拡散層
３６ａ、３６ｂ…領域 ３８…参照電極
４０…拡散層 ４２…導電部材
５０…酸化剤ガス流路 ５２…冷却媒体流路
５６…燃料ガス流路 ６４、６６…導線
６８…外部測定器

Claims (3)

1. アノード側電極及びカソード側電極が固体高分子からなる電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとから構成される燃料電池セルを複数積層してなり、
   前記それぞれの燃料電池セルは前記アノード側電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路を有し、且つ前記カソード側電極に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を有し、前記アノード側電極が部分的に除去された第１領域が設けられ、一方、前記カソード側電極が部分的に除去された第２領域が設けられ、前記第１領域と第２領域とは前記電解質を挟んで互いに対向して設けられるとともに、前記第１領域に該電解質に接触する参照電極が配設される燃料電池スタックであって、
   前記参照電極から得られる参照アノード電位と、前記アノード側電極から得られる第１のアノード電位との電位差を計測して第１のアノード電位差の値を得る工程と、
   前記第１のアノード電位差の値が第１の規定値を越えるか否かを判断する工程と、
   前記第１のアノード電位差の値が前記第１の規定値を超えないと判断された場合に前記燃料電池スタックを通常運転する工程と、
   前記第１のアノード電位差の値が前記第１の規定値を超えると判断された場合に前記第１のアノード電位差の値と他の燃料電池セルから得られた第２のアノード電位差との値を比較する工程と、
   前記第１と第２のアノード電位差を比較した値が第２の規定値を超えるか否かを判断して前記第２の規定値以上の電位差の値である場合に前記通常運転する工程と比べてアノードガスの流量又は圧力を増加させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックの制御方法において、
   前記第１と第２のアノード電位差を比較した値が前記第２の規定値を超えない電位差の値である場合に前記燃料電池スタックに接続されている負荷を抑制させ、又は前記燃料電池スタックに接続されている蓄電部の出力を増大させる工程をさらに有することを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックの制御方法において、
   前記第１のアノード電位差を得るための前記参照電極と前記カソード側電極との離間距離は、該参照電極と前記アノード側電極の距離よりも大であることを特徴とする燃料電池スタックの制御方法。

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