JP5670831B2 - 燃料電池システム及びその停止方法 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システム及びその停止方法に関する。

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の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持している。一方のセパレータと電解質膜・電極構造体との間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路が形成されるとともに、他方のセパレータと前記電解質膜・電極構造体との間には、カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路が形成されている。

燃料電池は、通常、複数積層されて燃料電池スタックを構成するとともに、定置用の他、車載用として燃料電池車両に組み込まれることにより、車載用燃料電池システムとして使用されている。

この種の燃料電池では、発電時に水素と酸素との反応により、カソード電極に水が生成される一方、アノード電極に前記水が電解質膜を介して逆拡散している。このため、燃料電池内から生成水を排出するために、前記燃料電池の内部を掃気する必要がある。燃料電池内に滞留した生成水が、前記燃料電池と外部に設けられた補機類との間を電気的に繋げてしまい、前記燃料電池が地絡するおそれがあるからである。

このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムの運転制御方法が知られている。この運転制御方法は、燃料極及び酸化剤極を有する燃料電池を含む燃料電池システムを用意する工程と、前記燃料電池システムの前記燃料電池の発電運転を継続する工程と、前記燃料電池の発電運転を終了させる終了指令が出力されたとき、前記燃料電池の前記燃料極に燃料を継続して供給し、且つ、前記燃料電池の前記酸化剤極に酸化剤ガスを継続して供給することにより、前記燃料電池の発電運転を継続させつつ、通常発電運転時における流量よりも大きい流量の酸化剤ガスを前記燃料電池の前記酸化剤極に供給することにより、前記燃料電池の前記酸化剤極の内部を掃気させる掃気工程とを実施することを特徴としている。

特開２０１０−２１０２４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池を停止させる際に、酸化剤ガスの流量を増量させるため、酸化剤ポンプの出力を増加させるためにエネルギが消費されてしまう。しかも、燃料ガスを継続して供給するため、前記燃料ガスが無駄に廃棄されてしまい、経済的では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、簡単な構成及び工程で、燃料電池内の地絡が発生する部位を検出するとともに、効率的且つ経済的な掃気処理を行うことが可能な燃料電池システム及びその停止方法を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システム及びその停止方法に関するものである。

この燃料電池システムは、酸化剤ガスを燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔と、前記酸化剤ガス連通孔に配設されるカソード側検出電極及び前記燃料ガス連通孔に配設されるアノード側検出電極と、前記燃料電池の端部に設けられた出力端子と前記カソード側検出電極との間の電圧又は電流を測定することにより、カソード側に地絡が発生したか否かを判断するとともに、前記出力端子と前記アノード側検出電極との間の電圧又は電流を測定することにより、アノード側に地絡が発生したか否かを判断する地絡検出部と、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給する掃気手段とを備えている。

さらにまた、この停止方法は、酸化剤ガスを燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔に配設されるカソード側検出電極、及び燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔に配設されるアノード側検出電極と、前記燃料電池の端部に設けられた出力端子との間の電圧又は電流を測定する工程と、測定された前記電圧又は前記電流に基づいて、カソード側又はアノード側のいずれか一方の極側に地絡が発生したと判断された際、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給することができる掃気手段により、前記一方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程とを有している。

本発明では、酸化剤ガス連通孔及び燃料ガス連通孔に配設される検出電極と燃料電池の出力端子との間の電圧又は電流を測定することにより、地絡の発生部位が正確且つ容易に検出される。従って、掃気手段を介して、地絡が発生した極側に掃気エアを確実に供給することができる。

これにより、簡単な構成及び工程で、燃料電池内の地絡が発生する部位を検出するとともに、効率的且つ経済的な掃気処理を行うことが可能になる。

本発明に関連する燃料電池システムの概略構成図である。 前記停止方法を説明するフローチャートである。 前記停止方法を説明するタイミングチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する絶縁プレートに検出電極が配置された状態の正面説明図である。 前記停止方法を説明するフローチャートである。

図１に示すように、本発明に関連する燃料電池システム１０は、例えば、車載用燃料電池システムを構成する。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２が積層された燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に酸化剤ガスとして空気を供給するエア供給システム１６と、前記燃料電池スタック１４に燃料ガスとして水素を供給する水素供給システム１８と、システム全体の制御を行う制御部２０とを備える。

各燃料電池１２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２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体２８は、カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持される。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。カソード側セパレータ３０とアノード側セパレータ３２との間には、冷却媒体流路３８が設けられる。

燃料電池スタック１４には、各燃料電池１２の積層方向に互いに連通して、空気を供給するエア入口連通孔４０ａ、水素ガスを供給する水素ガス入口連通孔４２ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記空気を排出するエア出口連通孔４０ｂ、前記水素ガスを排出する水素ガス出口連通孔４２ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。

エア供給システム１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプを備える。このエア供給システム１６には、エア供給路４４の一端が接続されるとともに、前記エア供給路４４の他端は、加湿器４６を通って燃料電池スタック１４のエア入口連通孔４０ａに連通する。

燃料電池スタック１４のエア出口連通孔４０ｂには、カソードオフガス排出路４８の一端が連通する。このカソードオフガス排出路４８の他端は、加湿器４６を通って、希釈ボックス５０に接続される。

加湿器４６は、エア供給路４４を介して導入される外部空気と、燃料電池スタック１４から排出され、カソードオフガス排出路４８を流通する高温で且つ高湿度のカソードオフガスとの間で、水分及び熱の交換を行う。

水素供給システム１８は、例えば、高圧水素が充填された水素タンクを備え、この水素供給システム１８に水素供給路５２の一端が接続される。水素供給路５２は、燃料電池スタック１４の水素ガス入口連通孔４２ａに連通する。水素供給路５２には、供給量調整弁５４及びエゼクタ５６が配設される。

燃料電池スタック１４の水素ガス出口連通孔４２ｂには、アノードオフガス排出路５８の一端が接続される。このアノードオフガス排出路５８には、水素排出弁６０が配置されるとともに、前記水素排出弁６０の上流側とエゼクタ５６とには、アノードオフガス循環路６２が接続される。

エア供給路４４には、加湿器４６の上流側にバイパス路６４の一端が接続されるとともに、水素供給路５２には、エゼクタ５６の下流に前記バイパス路６４の他端が接続される。このバイパス路６４には、開閉弁６６が配設される。

制御部２０は、システム全体の制御を行うとともに、地絡センサ６８から所定の部位における抵抗値検出信号が入力される。制御部２０には、地絡するおそれがある絶縁抵抗値の閾値が記憶されており、地絡センサ６８から出力された抵抗値検出信号と比較することにより、燃料電池スタック１４内に地絡が発生しているか否かを検出する。

地絡センサ６８は、例えば、特開２００４−１７０１０３号公報に開示されている。すなわち、地絡センサ６８は、燃料電池１２の電圧を所定の時間だけコンデンサに印加した後、前記コンデンサに発生する電位と、接地電位部を経由して該コンデンサに発生する電位とを比較することにより、絶縁抵抗を計測する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、エア供給システム１６を介してエア供給路４４に空気が送られる一方、水素供給システム１８を介して水素供給路５２に水素ガスが送られる。

エア供給路４４に供給された空気は、加湿器４６を通って加湿及び加熱された後、燃料電池スタック１４のエア入口連通孔４０ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１４内の各燃料電池１２に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。

使用済みの空気（以下、カソードオフガスともいう）は、エア出口連通孔４０ｂからカソードオフガス排出路４８に排出される。このカソードオフガスは、加湿器４６に送られ、エア供給路４４に沿って新たに供給される空気を加湿及び加温した後、希釈ボックス５０に導入される。

一方、水素供給システム１８では、供給量調整弁５４の作用下に、水素供給路５２に所定量の水素ガスが供給される。この水素ガスは、燃料電池スタック１４の水素ガス入口連通孔４２ａに供給される。燃料電池スタック１４内に供給された水素ガスは、各燃料電池１２の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。

水素ガス出口連通孔４２ｂに排出される水素ガス（以下、アノードオフガスともいう）は、アノードオフガス排出路５８からアノードオフガス循環路６２を通って、エゼクタ５６に吸引される。このため、アノードオフガスは、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１４に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気と、アノード電極２６に供給される水素ガスとが、電気化学的に反応して発電が行われる。

一方、アノードオフガス循環路６２を循環する水素ガスには、不純物が蓄積し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、水素排出弁６０の開放作用下に定期的に排出される。

また、図示しない冷却媒体システムから、燃料電池スタック１４の各燃料電池１２間に形成されている冷却媒体流路３８に冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路３８に沿って移動することにより、燃料電池１２を冷却した後、外部に排出されて循環供給される。

次いで、燃料電池システム１０の停止方法について、図２に示すフローチャート及び図３に示すタイミングチャートに沿って、説明する。

先ず、燃料電池スタック１４の運転が停止されると（ステップＳ１）、ステップＳ２に進んで、供給量調整弁５４が閉塞される。

そして、ステップＳ３では、エア供給システム１６が駆動され、燃料電池スタック１４内のカソード側経路（酸化剤ガス流路３４を含む）に掃気エアが供給されて、カソード掃気が行われる。

さらに、ステップＳ４に進んで、地絡センサ６８により出力された抵抗値と、制御部２０に予め記憶された地絡判定値Ｒ０とが比較される。地絡センサ６８は、図示しないが、酸化剤ガス流路３４から排出される生成水が気液分離器を介して前記燃料電池スタック１４を地絡させるおそれがあるか否かを検出するとともに、燃料ガス流路３６から排出される生成水が、同様に、図示しない気液分離器を介して前記燃料電池スタック１４を地絡させるおそれがあるか否かを検出する。

ここで、絶縁抵抗Ｒは、図３に示すように、カソード掃気によって滞留水が除去されるため上昇し（図３中、破線参照）、地絡判定値Ｒ０よりも高い絶縁抵抗値が得られる。一方、液絡が発生し易い状態では、十分な絶縁回復がなされておらず、絶縁抵抗Ｒは、地絡判定値Ｒ０よりも低い値を維持している。

従って、カソード側又はアノード側のいずれかに、絶縁抵抗Ｒが地絡判定値Ｒ０よりも低い状態が惹起されると（ステップＳ５中、ＹＥＳ）、ステップＳ６に進んで、カソード側又はアノード側の掃気処理が行われる。カソード側の掃気処理は、上記のカソード掃気と同様である。

一方、アノード側の掃気処理は、図１に示すように、開閉弁６６が開放される。このため、エア供給システム１６からエア供給路４４に供給される掃気エアは、バイパス路６４を通って、水素供給路５２に導入される。これにより、燃料電池スタック１４では、水素ガス入口連通孔４２ａから掃気エアが導入され、アノード系（燃料ガス流路３６を含む）の掃気を行って、水素排出弁６０の開放作用下に排出される。

上記のように、カソード側又はアノード側の掃気が終了することにより、燃料電池システム１０が停止する（ステップＳ７）。なお、ステップＳ５において、絶縁抵抗Ｒが地絡判定値Ｒ０以上である際には（ステップＳ５中、ＮＯ）、地絡のおそれがないため、処理が終了される。

この場合、燃料電池システム１０では、燃料電池スタック１４の運転停止後に、地絡センサ６８により測定された絶縁抵抗Ｒに基づいて、掃気手段（エア供給システム１６、バイパス路６４及び開閉弁６６を含む）により、カソード側又はアノード側の少なくとも一方の極側を掃気することができる。

その際、地絡が発生した極がカソード側であっても、アノード側であっても、上記の掃気手段を介して掃気することが可能になる。これにより、簡単な工程で、燃料電池スタック１４内の地絡が発生する部位を確実に検出し、効率的且つ経済的な掃気処理を行うことが可能になるという効果が得られる。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム８０の概略構成図である。なお、燃料電池システム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１４は、燃料電池システム１０と同様であるが、さらに構成を詳述する。図５に示すように、各燃料電池１２の積層方向の両端には、ターミナルプレート８２ａ、８２ｂを収容する絶縁プレート８４ａ、８４ｂを介してエンドプレート８６ａ、８６ｂが配設される。

エンドプレート８６ａには、流路部材、例えば、加湿器４６が接続される。なお、流路部材としては、加湿器４６に代えて、気液分離器等が用いられる。

燃料電池１２は、図６に示すように、縦長形状を有するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）上方側端部には、エア入口連通孔４０ａと水素ガス入口連通孔４２ａとが形成される。燃料電池１２の長辺方向下方側端部には、水素ガス出口連通孔４２ｂとエア出口連通孔４０ｂとが形成される。

燃料電池１２の短辺方向一端に、冷却媒体入口連通孔４３ａが形成されるとともに、短辺方向他端部には、冷却媒体出口連通孔４３ｂが形成される。

図５に示すように、ターミナルプレート８２ａ、８２ｂには、それぞれ積層方向下方に向かって出力端子９０ａ、９０ｂが突出する。マイナス側のターミナルプレート８２ａを収容する絶縁プレート８４ａには、図７に示すように、エア入口連通孔４０ａに露呈するカソード入口検出電極９２ａ、エア出口連通孔４０ｂに露呈するカソード出口検出電極９２ｂ、水素ガス入口連通孔４２ａに露呈するアノード入口検出電極９４ａ及び水素ガス出口連通孔４２ｂに露呈するアノード出口検出電極９４ｂとが設置される。

カソード入口検出電極９２ａは、カソード入口電流計９６ａに接続され、カソード出口検出電極９２ｂは、カソード出口電流計９６ｂに接続され、アノード入口検出電極９４ａは、アノード入口電流計９８ａに接続され、アノード出口検出電極９４ｂは、アノード出口電流計９８ｂに接続される。

図５に示すように、カソード入口電流計９６ａ及びカソード出口電流計９６ｂは、プラス側のターミナルプレート８２ｂに設けられる出力端子９０ｂに接続される。図示しないが、アノード入口電流計９８ａ及びアノード出口電流計９８ｂは、同様に、ターミナルプレート８２ｂの出力端子９０ｂに接続される。

カソード入口電流計９６ａ、カソード出口電流計９６ｂ、アノード入口電流計９８ａ及びアノード出口電流計９８ｂは、制御部２０に対して測定された電流信号を出力し、制御部２０は、少なくともいずれかに地絡が発生したか否かを判断する地絡検出部１００としての機能を有する。

図４に示すように、アノードオフガス排出路５８には、気液分離器８８及び開閉弁８９が配設される。

次いで、このように構成される燃料電池システム８０の停止方法について、図８に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、燃料電池システム１０の停止方法と同一の工程は、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１４の運転が停止されると（ステップＳ１０１）、供給量調整弁５４が閉塞された後（ステップＳ１０２）、掃気用エアが供給されてカソード掃気が行われる（ステップＳ１０３）。

次いで、ステップＳ１０４に進んで、電流検出処理が行われる。この電流検出処理は、カソード入口電流計９６ａ、カソード出口電流計９６ｂ、アノード入口電流計９８ａ及びアノード出口電流計９８ｂにより、それぞれ、エア入口連通孔４０ａ、エア出口連通孔４０ｂ、水素ガス入口連通孔４２ａ及び水素ガス出口連通孔４２ｂとセル面内の水繋がりを検知する。

そして、ステップＳ１０５では、カソード入口電流計９６ａ又はカソード出口電流計９６ｂの少なくともいずれかによる検出電流値（カソード側電流値）が、地絡判定の閾値である判定値を超えていると判断されると（ステップＳ１０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進んで、掃気用エアが供給されてカソード側の掃気処理が行われる。連通孔内の水を介して地絡が発生していなければ、電流値は小さくなる一方、地絡が発生していれば、電流値が判定値を超えるからである。

さらに、ステップＳ１０７では、アノード入口電流計９８ａ又はアノード出口電流計９８ｂの少なくともいずれかにより計測された電流値（アノード側電流値）が、判定値を超えているか否かが判断される。そして、いずれかの検出電流値が、判定値を超えていると判断されると（ステップＳ１０７中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０８に進んで、掃気用エアが供給されてアノード側の掃気処理が行われる。

なお、ステップＳ１０７、１０８の工程は、ステップＳ１０５、１０６の工程と同時に、又は、それよりも先に行ってもよい。上記の処理が終了して、燃料電池システム８０が停止される（ステップＳ１０９）。

この場合、第１の実施形態では、カソード入口検出電極９２ａ、カソード出口検出電極９２ｂ、アノード入口検出電極９４ａ及びアノード出口検出電極９４ｂと出力端子９０ｂとの間の各電流値を計測することにより、エア入口連通孔４０ａ、エア出口連通孔４０ｂ、水素ガス入口連通孔４２ａ及び水素ガス出口連通孔４２ｂそれぞれに地絡が発生するか否かを検出している。

従って、地絡の発生部位が正確且つ容易に検出され、この地絡が発生した極側にのみ掃気エアを供給することができる。これにより、簡単な構成及び工程で、燃料電池１２内の地絡が発生する部位を検出し、効率的且つ経済的に掃気処理を行うことが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、電流値を検出して地絡が発生したか否かを検出しているが、これに限定されるものではない。例えば、電圧値を検出して地絡発生の有無を検出してもよい。

１０、８０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…燃料電池スタック １６…エア供給システム
１８…水素供給システム ２０…制御部
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ３８…冷却媒体流路
４４…エア供給路 ４６…加湿器
４８…カソードオフガス排出路 ５２…水素供給路
５６…エゼクタ ５８…アノードオフガス排出路
６８…地絡センサ ８６ａ、８６ｂ…エンドプレート
９０ａ、９０ｂ…出力端子 ９２ａ…カソード入口検出電極
９２ｂ…カソード出口検出電極 ９４ａ…アノード入口検出電極
９４ｂ…アノード出口検出電極 ９６ａ…カソード入口電流計
９６ｂ…カソード出口電流計 ９８ａ…アノード入口電流計
９８ｂ…アノード出口電流計 １００…地絡検出部

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムであって、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔と、
   前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔と、
   前記酸化剤ガス連通孔に配設されるカソード側検出電極及び前記燃料ガス連通孔に配設されるアノード側検出電極と、
   前記燃料電池の端部に設けられた出力端子と前記カソード側検出電極との間の電圧又は電流を測定することにより、カソード側に地絡が発生したか否かを判断するとともに、前記出力端子と前記アノード側検出電極との間の電圧又は電流を測定することにより、アノード側に地絡が発生したか否かを判断する地絡検出部と、
   前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給する掃気手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 電解質膜の両側にカソード電極及びアノード電極が設けられる電解質膜・電極構造体を有する複数の燃料電池を積層するとともに、前記燃料電池のカソード側に供給される酸化剤ガス及び前記燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムの停止方法であって、
   前記酸化剤ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させる酸化剤ガス連通孔に配設されるカソード側検出電極、及び前記燃料ガスを前記積層方向に流通させる燃料ガス連通孔に配設されるアノード側検出電極と、前記燃料電池の端部に設けられた出力端子との間の電圧又は電流を測定する工程と、
   測定された前記電圧又は前記電流に基づいて、前記カソード側又は前記アノード側のいずれか一方の極側に地絡が発生したと判断された際、前記カソード側及び前記アノード側に掃気エアを供給することができる掃気手段により、前記一方の極側を前記掃気エアにより掃気する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの停止方法。

Images