JP5109343B2 - 燃料電池及び燃料電池システム - Google Patents
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Description
電解質と、
前記電解質の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を構成する反応ガス流路部材と、を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに、反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され、発電された電気を集電する一対の集電板と、
前記反応ガス流路に配置され、前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、
前記単セルの両側にそれぞれ配置された他の単セル間、又は、前記単セルの一面側の他の単セルと、前記単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、前記単セルをバイパスする電流バイパス手段と、
を備え、
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材と、
前記流路構成部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記流路構成部材は、前記加熱手段により加熱されることで変形し、前記ガス流路を閉塞することを特徴とする。
前記電流バイパス手段は、
第1の導電板と、
第1の導電板に対向して配置された第2の導電板と、
前記第1の導電板と第2の導電板との間に配置され、加熱により変形する絶縁部材と、
前記絶縁部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記絶縁部材が変形すると、前記第1の導電板の一部と、前記第2の導電板の一部とが接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする。
前記電流バイパス手段は、
前記ガス遮断機構の、前記ガス流路の前記積層方向の一面側に配置され、複数の突出部を備える第1の導電板と、
前記第1の導電板に対向し、前記ガス流路の積層方向の反対側の面に配置された第2の導電板と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記流路構成部材が変形すると、前記第1の導電板の前記突出部が前記第2の導電板に接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする。
前記電流バイパス手段は、前記一対の電極であって、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
前記検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルへの反応ガスの流通を遮断した状態で、前記燃料電池に負荷をかけて運転し、前記劣化した単セルの前記電解質を劣化させて前記劣化した単セルの前記一対の電極を接続することで、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする。
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルの前記電流バイパス手段を作動させて、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする。
図1は、この発明の実施の形態1における燃料電池システムの全体構成を説明するための模式図である。図1に示すように、燃料電池システムは燃料電池10を備えている。燃料電池10は、セル12(単セル)が複数積層されて構成されている。燃料電池10は、積層された各セル12を貫通し、各セル12に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールド14と、各セル12から排出される燃料オフガスを外部に排出する燃料ガス排出マニホールド16とを備えている。燃料ガス供給マニホールド14は、図示しない外部の燃料ガス供給手段に接続されている。また、図示を省略するが、燃料電池10は、積層された各セル12を貫通し、各セルに酸化ガスとしての大気を供給する大気供給マニホールドと、各セル12から排出された大気オフガスを外部に排出するための大気排出マニホールドとを備えている。
燃料電池10の発電に際しては、燃料ガス供給マニホールド14から燃料ガス供給孔14aを介して燃料ガス流路42に燃料ガスが流通することで、MEGAのアノードの表面全体に燃料ガスが供給される。一方、酸化ガス供給マニホールドから酸化ガス供給孔を介して酸化ガス流路に酸化ガスが流通することで、カソード表面全体に酸化ガスが供給される。このとき、各セル12のアノードでは、水素を水素イオンと電子にする反応が起きる。発生した水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では水素イオンと酸素と電子とにより水が生成される。
ところで、燃料電池内のセルのいずれかにおいて、アノード側に酸化ガスが漏洩する、あるいはカソード側に燃料ガスが漏洩する、いわゆるクロスリークが発生し、そのクロスリーク量が高分子膜の劣化の進行等により許容範囲を越えて大きくなる場合がある。このように、クロスリーク量が増大したセル(以下「劣化セル」)が存在する場合に、燃料電池10の発電が継続され、劣化セルにも燃料ガス及び酸化ガスが供給され続けると、劣化セル内では、リークした水素と酸化とがアノード又はカソード表面で直接水生成反応を起こす。その結果、そのセル内では水生成反応の熱によって局所的に高温となり燃料電池自体を劣化することが考えられる。また正常な発電がされていない劣化セルに燃料ガス供給され続けると、燃料ガスが無駄に消費され発電効率が低下することとなる。
ところで、燃料電池10はセル12が直列に積層されて構成されている。従って、燃料電池10中に、発電が停止した劣化セルが1枚でも発生すると、この劣化セルにおいて電流の流れが遮断され、燃料電池10自体の発電が停止することとなる。このような事態を防ぐため、実施の形態1のシステムは、劣化セルをバイパスして劣化セルに隣接するセル12間を直接接続する電流バイパス機構60(電流バイパス手段)を備えている。
上記のように構成されるガス遮断機構50及び電流バイパス機構60を、実際にセパレータ40に組み込む場合の、より具体的な構成例を説明する。図5は、実施の形態1におけるセル12内に、ガス遮断機構50及び電流バイパス機構60を搭載した場合の、セパレータ40と、ガス遮断機構50及び電流バイパス機構60との接続部の組み立て構成を模式的に表す図である。図5は、図2におけるガス遮断機構50(及び電流バイパス機構60)の周辺のみを拡大して表している。なお、図5においては、上下方向が燃料電池におけるセル12の積層方向となる。
図9は、この発明の実施の形態1においてコンピュータ32が実行する制御のルーチンを説明するためのフローチャートである。図9に示すルーチンは燃料電池10の発電が停止した状態において、所定のタイミングで繰り返し実行されるルーチンである。図9のルーチンでは、まず、セルモニタ30の出力に基づいて、燃料電池10の各セル12セル電圧の変化が検出される(S102)。具体的には、セルモニタ30の出力により、各セルのOCVが検出される。次に、劣化セルがあるか否かが判別される(S104)。具体的には、いずれかのセル12でクロスリーク量が増大し、OCVが所定の判定値より低くなっているか否か等に基づいて判別される。劣化セルの発生が認められない場合には、その後、何ら処理を行うことなくこのルーチンが終了する。
なお、実施の形態1では、ガス遮断機構50と電流バイパス機構60とを組み合わせた状態で構成し、ガス遮断機構50の遮断部52(又は102)が溶解することにより、ガス遮断と同時に電流のバイパス回路が確保される場合について説明した。しかし、この発明はこれに限るものではなく、ガス遮断機構50と電流バイパス機構60とを別の場所に設けるものであってもよい。
実施の形態2のシステムは、図1のシステムと同様の構成を有する。実施の形態2のシステムは、実施の形態1のガス遮断機構50とは異なる構成のガス遮断機構200を有している。図11は、実施の形態2におけるガス遮断機構200を説明するための図であり、図11(a)は、セルが正常な状態、図11(b)は、劣化セルにおいてガス遮断機構200を作動させている状態、図11(c)は、ガス遮断機構200の作動後の固定状態を表している。
実施の形態3のシステムは、図1のシステムと同様の構成を有する。また、実施の形態3のシステムは、図3(又は図5〜図8)に説明したガス遮断機構50と同様の構成のガス遮断機構を、燃料ガス流路42の入口に備えている。但し、ガス遮断機構50に、電流バイパス機構60が組み込まれていない点で、実施の形態1のシステムと異なっている。
12 セル
14 燃料ガス供給マニホールド
16 燃料ガス排出マニホールド
18 集電板
20 エンドプレート
30 セルモニタ
32 コンピュータ
34 外部電池
40 セパレータ
42 燃料ガス流路
14a 燃料ガス供給孔
16a 燃料ガス排出孔
50 ガス遮断機構
52 遮断部
54 ガス流路
56 ヒータ
58 シリコンラバー
60 電流バイパス機構
62 導電板
64 電極
66 導電板
402 MEGA
404 セパレータ(アノード側)
406 セパレータ(カソード側)
408 燃料ガス流路
102 遮断部
104 ガス流路
104a 開口
106 導電板
108 導電板
110 突出部
112 ヒータ
114 シリコンラバー
200 ガス遮断機構
212 遮断板
214 固定部
216 圧電素子
218 固定部
Claims (7)
- 電解質と、
前記電解質の両側に配置された一対の電極と、
前記一対の電極のそれぞれに反応ガスを供給する反応ガス流路を構成する反応ガス流路部材と、を備える単セルを複数積層した燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに、反応ガスを供給するガス供給手段と、
前記燃料電池スタックの積層方向の両側に配置され、発電された電気を集電する一対の集電板と、
前記反応ガス流路に配置され、前記一対の電極のうち、少なくとも一方の電極への反応ガスの流入を遮断できるガス遮断機構と、
前記単セルの両側にそれぞれ配置された他の単セル間、又は、前記単セルの一面側の他の単セルと、前記単セルの前記一面側とは反対側に配置された集電板との間を、電気的に接続し、前記単セルをバイパスする電流バイパス手段と、
を備え、
前記ガス遮断機構は、
前記反応ガス流路の入口部に配置され、前記反応ガス流路に接続するガス流路を構成する流路構成部材と、
前記流路構成部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記流路構成部材は、前記加熱手段により加熱されることで変形し、前記ガス流路を閉塞することを特徴とする燃料電池。 - 前記流路構成部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記電流バイパス手段は、
第1の導電板と、
第1の導電板に対向して配置された第2の導電板と、
前記第1の導電板と第2の導電板との間に配置され、加熱により変形する絶縁部材と、
前記絶縁部材を加熱する加熱手段と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記絶縁部材が変形すると、前記第1の導電板の一部と、前記第2の導電板の一部とが接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。 - 前記絶縁部材は、熱可塑性樹脂により構成されることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
- 前記電流バイパス手段は、
前記ガス遮断機構の、前記ガス流路の前記積層方向の一面側に配置され、複数の突出部を備える第1の導電板と、
前記第1の導電板に対向し、前記ガス流路の積層方向の反対側の面に配置された第2の導電板と、
を備え、
前記加熱手段による加熱により前記流路構成部材が変形すると、前記第1の導電板の前記突出部が前記第2の導電板に接触して、前記単セルをバイパスすることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池を備え、
前記電流バイパス手段は、前記一対の電極であって、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
前記検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルへの反応ガスの流通を遮断した状態で、前記燃料電池に負荷をかけて運転し、前記劣化した単セルの前記電解質を劣化させて前記劣化した単セルの前記一対の電極を接続することで、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項1から5に記載のいずれかの燃料電池を備え、
前記複数の単セルのいずれかにおいて劣化が発生した場合に、その劣化した単セルを検出する劣化セル検出手段と、
検出された劣化した単セルの前記ガス遮断機構を作動させ、前記劣化した単セルの前記反応ガス流路への反応ガスの流通を停止させるガス遮断制御手段と、
前記劣化した単セルの前記電流バイパス手段を作動させて、前記劣化した単セルをバイパスさせるバイパス制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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