JPH0722047A - 固体高分子型燃料電池の制御方法および燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池の制御方法および燃料電池Info
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- JPH0722047A JPH0722047A JP5159044A JP15904493A JPH0722047A JP H0722047 A JPH0722047 A JP H0722047A JP 5159044 A JP5159044 A JP 5159044A JP 15904493 A JP15904493 A JP 15904493A JP H0722047 A JPH0722047 A JP H0722047A
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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Abstract
(57)【要約】
【目的】簡単な構成で、燃料電池中の固体高分子電解質
膜および電極の状態を適切な状態に維持する固体高分子
型燃料電池の制御方法および燃料電池を提供することを
目的とする。 【構成】単位電池１１が積層された燃料電池１０におい
て、単位電池１１に参照電極を設け、当該単位電池１１
のアノードとカソードの単極電位をコンピュータ７６で
算出する。前記単極電位の変化に基づき、単位電池１１
の出力低下の原因を推定する。前記推定に基づき、流量
制御弁８２ａ、８２ｂあるいは加湿器８４ａ、８４ｂに
制御信号を出力することにより、水素ガスあるいは酸素
ガスの流量、あるいは前記ガスに対する加湿量を調節す
る。したがって、単位電池１１の出力が素早く回復す
る。
膜および電極の状態を適切な状態に維持する固体高分子
型燃料電池の制御方法および燃料電池を提供することを
目的とする。 【構成】単位電池１１が積層された燃料電池１０におい
て、単位電池１１に参照電極を設け、当該単位電池１１
のアノードとカソードの単極電位をコンピュータ７６で
算出する。前記単極電位の変化に基づき、単位電池１１
の出力低下の原因を推定する。前記推定に基づき、流量
制御弁８２ａ、８２ｂあるいは加湿器８４ａ、８４ｂに
制御信号を出力することにより、水素ガスあるいは酸素
ガスの流量、あるいは前記ガスに対する加湿量を調節す
る。したがって、単位電池１１の出力が素早く回復す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
の制御方法および燃料電池に関し、一層詳細には、固体
高分子型燃料電池における湿度と温度を好適に制御する
ための方法および単位電池の単極電位を検出できる機構
を備えた燃料電池に関する。
の制御方法および燃料電池に関し、一層詳細には、固体
高分子型燃料電池における湿度と温度を好適に制御する
ための方法および単位電池の単極電位を検出できる機構
を備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子電
解質膜の両側に電極触媒を接合して構成されている。前
記電極触媒に燃料ガスと反応ガス、例えば、酸素と水素
を供給し、前記電解質膜中を水素イオンが移動すること
により、前記燃料電池で発電作用を営ませる。
解質膜の両側に電極触媒を接合して構成されている。前
記電極触媒に燃料ガスと反応ガス、例えば、酸素と水素
を供給し、前記電解質膜中を水素イオンが移動すること
により、前記燃料電池で発電作用を営ませる。
【０００３】ところで、例えば、負荷の急激な増加時に
は、前記ガスの供給量を増加させることになるが、この
ガス流により前記電解質膜の水分が蒸発するため、ま
た、反応に伴う発熱量の増加により電解質膜が乾燥して
イオン導電度を低下させるおそれがある。この結果、所
望の出力電圧を取り出すことが困難となる。
は、前記ガスの供給量を増加させることになるが、この
ガス流により前記電解質膜の水分が蒸発するため、ま
た、反応に伴う発熱量の増加により電解質膜が乾燥して
イオン導電度を低下させるおそれがある。この結果、所
望の出力電圧を取り出すことが困難となる。
【０００４】そこで、この対策として、特開平３−１０
２７７４号公報には、前記電極にガスを供給するガスセ
パレータにガス供給溝の他に冷却水を流す水供給溝を設
ける技術的思想が開示されている。したがって、この公
報の技術的思想では、通常時には、ガスに水蒸気を添加
して前記電解質膜に対する水分の補給を行うが、高負荷
運転時には、前記水供給溝から、冷却水を供給すること
により電解質膜を冷却するとともに、水分を補給して当
該電解質膜を適度な湿度に維持する。さらに、前記供給
溝に連通する導入管に供給水の温度調節器および流量調
節弁を設け、温度センサを電極もしくは固体高分子電解
質膜の近傍に配置し、また、水分センサを固体高分子電
解質膜の近傍に配置し、両センサの出力信号により温度
調節器および流量調節弁を制御することにより、自動的
に制御することができるとしている。また、燃料電池か
ら離間させて冷却用の部材を設けることにより、燃料電
池を冷却する技術的思想も提案されている（特開平２−
２６０３７１号公報）。
２７７４号公報には、前記電極にガスを供給するガスセ
パレータにガス供給溝の他に冷却水を流す水供給溝を設
ける技術的思想が開示されている。したがって、この公
報の技術的思想では、通常時には、ガスに水蒸気を添加
して前記電解質膜に対する水分の補給を行うが、高負荷
運転時には、前記水供給溝から、冷却水を供給すること
により電解質膜を冷却するとともに、水分を補給して当
該電解質膜を適度な湿度に維持する。さらに、前記供給
溝に連通する導入管に供給水の温度調節器および流量調
節弁を設け、温度センサを電極もしくは固体高分子電解
質膜の近傍に配置し、また、水分センサを固体高分子電
解質膜の近傍に配置し、両センサの出力信号により温度
調節器および流量調節弁を制御することにより、自動的
に制御することができるとしている。また、燃料電池か
ら離間させて冷却用の部材を設けることにより、燃料電
池を冷却する技術的思想も提案されている（特開平２−
２６０３７１号公報）。
【０００５】一方、ガスの反応によって電極で生成され
た水分が凝縮した場合には、前記ガスが電極に均一に分
布されないために、発電力が損なわれる。
た水分が凝縮した場合には、前記ガスが電極に均一に分
布されないために、発電力が損なわれる。
【０００６】この対策として、例えば、米国特許第４，
１７５，１６５号公報には、燃料電池中の適切な位置に
親水性塗膜を塗布して生成水の流出を助長する方法が開
示されている。
１７５，１６５号公報には、燃料電池中の適切な位置に
親水性塗膜を塗布して生成水の流出を助長する方法が開
示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
特開平３−１０２７７４号公報の如く前記ガスセパレー
タに水供給溝を設ける場合には、ガスセパレータの構造
が複雑になるとともに、この水の供給用通路も増やす必
要がある等の問題がある。また、冷却用の部材を燃料電
池から離間させて設ける場合には、構成が大型化してし
まう。
特開平３−１０２７７４号公報の如く前記ガスセパレー
タに水供給溝を設ける場合には、ガスセパレータの構造
が複雑になるとともに、この水の供給用通路も増やす必
要がある等の問題がある。また、冷却用の部材を燃料電
池から離間させて設ける場合には、構成が大型化してし
まう。
【０００８】さらに、前記米国特許第４，１７５，１６
５号公報に開示されるように燃料電池中の適切な場所に
親水性塗膜を塗布して、生成水の流出を行うだけでは、
固体高分子電解質膜の状態を適切な状態に制御できな
い。
５号公報に開示されるように燃料電池中の適切な場所に
親水性塗膜を塗布して、生成水の流出を行うだけでは、
固体高分子電解質膜の状態を適切な状態に制御できな
い。
【０００９】また、温度センサ、水分センサをつけて自
動制御を行う場合でも、生成水がどこで過剰になってい
るかを検出するためには、少なくとも１つの単位電池を
構成する２つの電極触媒に、それぞれ水分センサを設け
なければならない。
動制御を行う場合でも、生成水がどこで過剰になってい
るかを検出するためには、少なくとも１つの単位電池を
構成する２つの電極触媒に、それぞれ水分センサを設け
なければならない。
【００１０】本発明は、この種の問題を解決するために
なされたものであって、簡単な構成で、燃料電池中の固
体高分子電解質膜および電極の状態を適切な状態に維持
することが可能な固体高分子型燃料電池の制御方法およ
び燃料電池を提供することを目的とする。
なされたものであって、簡単な構成で、燃料電池中の固
体高分子電解質膜および電極の状態を適切な状態に維持
することが可能な固体高分子型燃料電池の制御方法およ
び燃料電池を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、電解質膜の両側に接合されているアノ
ードおよびカソードに対して、それぞれ第１反応体およ
び第２反応体を供給し、参照電極を用いてアノードとカ
ソードの単極電位を検出する固体高分子型燃料電池の制
御方法であって、前記アノードと前記カソードの単極電
位を検出する過程と、前記単極電位に基づいて、燃料電
池内部の状況を判定する過程と、前記判定に基づいてア
ノードおよびカソードに供給する第１反応体および第２
反応体の流量および前記反応体に対する加湿量を調節す
る過程と、を有することを特徴とする。
めに、本発明は、電解質膜の両側に接合されているアノ
ードおよびカソードに対して、それぞれ第１反応体およ
び第２反応体を供給し、参照電極を用いてアノードとカ
ソードの単極電位を検出する固体高分子型燃料電池の制
御方法であって、前記アノードと前記カソードの単極電
位を検出する過程と、前記単極電位に基づいて、燃料電
池内部の状況を判定する過程と、前記判定に基づいてア
ノードおよびカソードに供給する第１反応体および第２
反応体の流量および前記反応体に対する加湿量を調節す
る過程と、を有することを特徴とする。
【００１２】また、本発明は、反応体供給通路から電極
に反応体を供給する燃料電池において、電解質の両側に
接合されているアノードおよびカソードと、前記反応体
供給通路に連通し、第１反応体をアノードに供給する第
１反応部材と、前記反応体供給通路に連通し、第２反応
体をカソードに供給する第２反応部材と、前記反応体供
給通路の第１反応部材に対する連通部分とアノードとの
間に設けられる参照電極と、を備えることを特徴とす
る。
に反応体を供給する燃料電池において、電解質の両側に
接合されているアノードおよびカソードと、前記反応体
供給通路に連通し、第１反応体をアノードに供給する第
１反応部材と、前記反応体供給通路に連通し、第２反応
体をカソードに供給する第２反応部材と、前記反応体供
給通路の第１反応部材に対する連通部分とアノードとの
間に設けられる参照電極と、を備えることを特徴とす
る。
【００１３】
【作用】本発明に係る固体高分子型燃料電池の制御方法
では、参照電極を用いてアノードとカソードの単極電位
をそれぞれ検出し、前記単極電位の変動に基づいて燃料
電池内部の状況を判定し、アノードおよびカソードに供
給する第１反応体および第２反応体の流量および前記反
応体に対する加湿量を調節している。例えば、燃料電池
の負荷を増大させた場合、燃料電池のアノードの単極電
位が上昇していれば、あるいはカソードの単極電位が低
下していれば、当該電極で生成水が溢れていると判定
し、当該電極に供給する反応体の流量を増加させるとと
もに、前記反応体への加湿を停止させる。これに対し
て、アノードの単極電位が上昇し、カソードの単極電位
が低下していれば、先ず、両電極に生成水が溢れている
と判定して、第１および第２反応体に対する加湿を停止
させ、前記第１および第２反応体の流量を増加させる。
それでも状況が改善しなければ、電解質膜が乾燥してい
ると判定して、前記第１および第２反応体への加湿量を
増加させる。
では、参照電極を用いてアノードとカソードの単極電位
をそれぞれ検出し、前記単極電位の変動に基づいて燃料
電池内部の状況を判定し、アノードおよびカソードに供
給する第１反応体および第２反応体の流量および前記反
応体に対する加湿量を調節している。例えば、燃料電池
の負荷を増大させた場合、燃料電池のアノードの単極電
位が上昇していれば、あるいはカソードの単極電位が低
下していれば、当該電極で生成水が溢れていると判定
し、当該電極に供給する反応体の流量を増加させるとと
もに、前記反応体への加湿を停止させる。これに対し
て、アノードの単極電位が上昇し、カソードの単極電位
が低下していれば、先ず、両電極に生成水が溢れている
と判定して、第１および第２反応体に対する加湿を停止
させ、前記第１および第２反応体の流量を増加させる。
それでも状況が改善しなければ、電解質膜が乾燥してい
ると判定して、前記第１および第２反応体への加湿量を
増加させる。
【００１４】また、本発明に係る燃料電池では、参照電
極を反応体供給通路の第１反応部材に対する連通部分と
アノードとの間に設けたため、参照電極に作用する第１
反応体の濃度がほぼ一定となり、参照電極が安定した基
準電位を示す。したがって、アノードおよびカソード、
それぞれの単極電位を精度良く検出できる。
極を反応体供給通路の第１反応部材に対する連通部分と
アノードとの間に設けたため、参照電極に作用する第１
反応体の濃度がほぼ一定となり、参照電極が安定した基
準電位を示す。したがって、アノードおよびカソード、
それぞれの単極電位を精度良く検出できる。
【００１５】
【実施例】本発明に係る固体高分子型燃料電池の制御方
法および燃料電池について、好適な実施例を挙げ、添付
の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
法および燃料電池について、好適な実施例を挙げ、添付
の図面を参照しながら以下詳細に説明する。
【００１６】先ず、固体高分子型燃料電池について構成
を説明し、次にその燃料電池の制御方法について説明す
る。
を説明し、次にその燃料電池の制御方法について説明す
る。
【００１７】燃料電池１０は、図１に示すように、単位
電池１１を複数積層することによって構成されている。
前記単位電池１１は、図２および図３に示すように、発
電部１２と保持部１４とから構成される。
電池１１を複数積層することによって構成されている。
前記単位電池１１は、図２および図３に示すように、発
電部１２と保持部１４とから構成される。
【００１８】前記保持部１４は、比較的厚みのある第１
の板体１６と、第２の板体１８とを積層してなる。第１
板体１６の中央部には、略正四角形状の大孔２０が画成
され、この大孔２０を囲繞するように、前記第１板体１
６の上枠１６ａ、下枠１６ｂ、側枠１６ｃ、１６ｄに
は、それぞれ直方体状の貫通孔２２、２４、２６、２８
が画成されている。この場合、貫通孔２６は大孔２０と
複数の細孔３０を介して連通し、一方、貫通孔２８は、
同様に複数の細孔３２を介して大孔２０と連通してい
る。
の板体１６と、第２の板体１８とを積層してなる。第１
板体１６の中央部には、略正四角形状の大孔２０が画成
され、この大孔２０を囲繞するように、前記第１板体１
６の上枠１６ａ、下枠１６ｂ、側枠１６ｃ、１６ｄに
は、それぞれ直方体状の貫通孔２２、２４、２６、２８
が画成されている。この場合、貫通孔２６は大孔２０と
複数の細孔３０を介して連通し、一方、貫通孔２８は、
同様に複数の細孔３２を介して大孔２０と連通してい
る。
【００１９】次に、第２板体１８について説明する。第
２板体１８の中央部には、第１板体１６と同様の大孔３
４が画成され、その大孔３４を囲繞するように、上枠１
８ａ、下枠１８ｂ、側枠１８ｃ、１８ｄには、それぞれ
直方体状の貫通孔３６、３８、４０、４２が画成されて
いる。この第２板体１８では、大孔３４と貫通孔３６と
は複数の細孔４４によって連通されており、一方、該大
孔３４と貫通孔３８とは、同様に、複数の細孔４６によ
って連通されている。
２板体１８の中央部には、第１板体１６と同様の大孔３
４が画成され、その大孔３４を囲繞するように、上枠１
８ａ、下枠１８ｂ、側枠１８ｃ、１８ｄには、それぞれ
直方体状の貫通孔３６、３８、４０、４２が画成されて
いる。この第２板体１８では、大孔３４と貫通孔３６と
は複数の細孔４４によって連通されており、一方、該大
孔３４と貫通孔３８とは、同様に、複数の細孔４６によ
って連通されている。
【００２０】次に、発電部１２について説明する。
【００２１】発電部１２は、基本的には、一組の集電体
５０、５２と、前記集電体５０と５２との間で挟持され
る電極一体型電解質膜５４とから構成される。集電体５
０と５２は、カーボンを素材とした剛体として形成され
る。
５０、５２と、前記集電体５０と５２との間で挟持され
る電極一体型電解質膜５４とから構成される。集電体５
０と５２は、カーボンを素材とした剛体として形成され
る。
【００２２】前記集電体５０は保持部１４を構成する第
１板体１６の大孔２０に若干の隙間をもって嵌合される
べく略正四角形状でかつ前記第１板体１６と略同じ厚さ
の板体からなる。
１板体１６の大孔２０に若干の隙間をもって嵌合される
べく略正四角形状でかつ前記第１板体１６と略同じ厚さ
の板体からなる。
【００２３】前記集電体５０には、図２および図３に示
すように、前記第１板体１６の細孔３０、３２と連通し
且つ反応ガスを吸収するために表面積を拡大すべく複数
の溝５６が形成される。従って、前記集電体５０が第１
板体１６の大孔２０に嵌合されると、溝５６が細孔３
０、３２を介してそれぞれ貫通孔２６、２８と連通す
る。
すように、前記第１板体１６の細孔３０、３２と連通し
且つ反応ガスを吸収するために表面積を拡大すべく複数
の溝５６が形成される。従って、前記集電体５０が第１
板体１６の大孔２０に嵌合されると、溝５６が細孔３
０、３２を介してそれぞれ貫通孔２６、２８と連通す
る。
【００２４】集電体５２は、第２板体１８の大孔３４に
対応する略正四角形状でかつこの第２板体１８と略同じ
厚さの板体からなる。前記集電体５２には、該第２板体
１８に画成されている細孔４４、４６に連通する複数の
溝５８が画成されている。従って、前記集電体５２が第
２板体１８の大孔３４に嵌合されると、溝５８が細孔４
４、４６を介してそれぞれ貫通孔３６、３８と連通す
る。
対応する略正四角形状でかつこの第２板体１８と略同じ
厚さの板体からなる。前記集電体５２には、該第２板体
１８に画成されている細孔４４、４６に連通する複数の
溝５８が画成されている。従って、前記集電体５２が第
２板体１８の大孔３４に嵌合されると、溝５８が細孔４
４、４６を介してそれぞれ貫通孔３６、３８と連通す
る。
【００２５】前記電極一体型電解質膜５４は、固体高分
子電解質膜６０の両面に電極触媒層６２ａ、６２ｂを備
えている。前記固体高分子電解質膜６０は、第１板体１
６に関連して説明すると、その大きさが貫通孔２２、２
４、２６、２８の内側端縁と略同じであり、一方、電極
触媒層６２ａ、６２ｂの大きさは集電体５０、５２と略
同じである。
子電解質膜６０の両面に電極触媒層６２ａ、６２ｂを備
えている。前記固体高分子電解質膜６０は、第１板体１
６に関連して説明すると、その大きさが貫通孔２２、２
４、２６、２８の内側端縁と略同じであり、一方、電極
触媒層６２ａ、６２ｂの大きさは集電体５０、５２と略
同じである。
【００２６】なお、前記第１板体１６と第２板体１８と
の間には、ガスケット６４が介装されている。
の間には、ガスケット６４が介装されている。
【００２７】このように構成された単位電池１１を複数
積層することにより、燃料電池１０が構成されている。
前記燃料電池１０からの出力は、出力端子６６ａ、６６
ｂから導出される（図１参照）。また、隣接する単位電
池１１との間には、前記第１板体１６、第２板体１８の
貫通孔部分に対応する孔部が画成されたガスケット６８
が挟持されている。なお、単位電池１１が積層された
際、貫通孔２２、３６は酸素ガス供給通路として、貫通
孔２４、３８は酸素ガス排出通路として、貫通孔２６、
４０は水素ガス供給通路として、貫通孔２８、４２は水
素ガス排出通路として用いられる。
積層することにより、燃料電池１０が構成されている。
前記燃料電池１０からの出力は、出力端子６６ａ、６６
ｂから導出される（図１参照）。また、隣接する単位電
池１１との間には、前記第１板体１６、第２板体１８の
貫通孔部分に対応する孔部が画成されたガスケット６８
が挟持されている。なお、単位電池１１が積層された
際、貫通孔２２、３６は酸素ガス供給通路として、貫通
孔２４、３８は酸素ガス排出通路として、貫通孔２６、
４０は水素ガス供給通路として、貫通孔２８、４２は水
素ガス排出通路として用いられる。
【００２８】前記燃料電池１０の中、いくつかの単位電
池１１において、図４に示すように、第１板体１６の細
孔３０にガス拡散電極からなる参照電極７０が設けら
れ、電極触媒層６２ａ、６２ｂとともに、リード線７４
を介してコンピュータ７６に信号が出力されている。
池１１において、図４に示すように、第１板体１６の細
孔３０にガス拡散電極からなる参照電極７０が設けら
れ、電極触媒層６２ａ、６２ｂとともに、リード線７４
を介してコンピュータ７６に信号が出力されている。
【００２９】前記コンピュータ７６は、図１に示すよう
に、制御信号をガス供給ユニット７８に供給する。前記
ガス供給ユニット７８は、それぞれ水素供給源８０ａと
酸素供給源８０ｂを備え、前記制御信号によって流量を
制御する流量制御弁８２ａ、８２ｂ、前記制御信号によ
って温度を変更して加湿量を変化させる加湿器８４ａ、
８４ｂを備える。
に、制御信号をガス供給ユニット７８に供給する。前記
ガス供給ユニット７８は、それぞれ水素供給源８０ａと
酸素供給源８０ｂを備え、前記制御信号によって流量を
制御する流量制御弁８２ａ、８２ｂ、前記制御信号によ
って温度を変更して加湿量を変化させる加湿器８４ａ、
８４ｂを備える。
【００３０】次に、このように構成された燃料電池１０
の制御方法を以下、説明する。
の制御方法を以下、説明する。
【００３１】先ず、コンピュータ７６からの制御信号に
基づき、それぞれ水素供給源８０ａと酸素供給源８０ｂ
から供給される酸素ガスと水素ガスの流量を流量制御弁
８２ａ、８２ｂによって所定量に制御し、さらに、加湿
器８４ａ、８４ｂを所定の温度に制御することによって
前記酸素ガスと水素ガスに所定量の水蒸気を加えて加湿
する。
基づき、それぞれ水素供給源８０ａと酸素供給源８０ｂ
から供給される酸素ガスと水素ガスの流量を流量制御弁
８２ａ、８２ｂによって所定量に制御し、さらに、加湿
器８４ａ、８４ｂを所定の温度に制御することによって
前記酸素ガスと水素ガスに所定量の水蒸気を加えて加湿
する。
【００３２】このように流量が所定量に規制され、所定
量加湿された酸素ガスと水素ガスは、燃料電池１０の内
部に導入される。燃料電池１０において、水素ガスは、
各単位電池１１の第１板体１６の水素ガス供給通路であ
る貫通孔２６に達し、細孔３０を介して集電体５０の溝
５６に供給される。水素ガスは、前記集電体５０から電
極触媒層６２ａに達する。酸素ガスは、各単位電池１１
の第２板体１８の酸素供給通路である貫通孔３６に達
し、細孔４４から集電体５２の溝５８に供給される。前
記酸素ガスは、前記集電体５２から電極触媒層６２ｂに
達する。したがって、固体高分子電解質膜６０中を水素
イオンが移動し、各単位電池１１の出力の総和が出力端
子６６ａ、６６ｂから取り出される。
量加湿された酸素ガスと水素ガスは、燃料電池１０の内
部に導入される。燃料電池１０において、水素ガスは、
各単位電池１１の第１板体１６の水素ガス供給通路であ
る貫通孔２６に達し、細孔３０を介して集電体５０の溝
５６に供給される。水素ガスは、前記集電体５０から電
極触媒層６２ａに達する。酸素ガスは、各単位電池１１
の第２板体１８の酸素供給通路である貫通孔３６に達
し、細孔４４から集電体５２の溝５８に供給される。前
記酸素ガスは、前記集電体５２から電極触媒層６２ｂに
達する。したがって、固体高分子電解質膜６０中を水素
イオンが移動し、各単位電池１１の出力の総和が出力端
子６６ａ、６６ｂから取り出される。
【００３３】この際、参照電極７０および電極触媒層６
２ａ、６２ｂからの出力信号がリード線７４を介してコ
ンピュータ７６に導入される。コンピュータ７６では、
前記参照電極７０と電極触媒層６２ａの出力信号に基づ
き、水素ガスが供給される電極触媒層（以下、アノード
という）６２ａの単極電位を検出する。同様に、前記参
照電極７０と電極触媒層６２ｂの出力信号に基づき、酸
素ガスが供給される電極触媒層（以下、カソードとい
う）６２ｂの単極電位を検出する。この際、参照電極７
０が細孔３０に設けられているため、アノード６２ａに
供給される水素ガスのみが前記参照電極７０を通過し、
通過するガスの組成が変化しないため、基準電位を安定
的に出力している。したがって、アノード６２ａとカソ
ード６２ｂの単極電位を精度良く検出できる。
２ａ、６２ｂからの出力信号がリード線７４を介してコ
ンピュータ７６に導入される。コンピュータ７６では、
前記参照電極７０と電極触媒層６２ａの出力信号に基づ
き、水素ガスが供給される電極触媒層（以下、アノード
という）６２ａの単極電位を検出する。同様に、前記参
照電極７０と電極触媒層６２ｂの出力信号に基づき、酸
素ガスが供給される電極触媒層（以下、カソードとい
う）６２ｂの単極電位を検出する。この際、参照電極７
０が細孔３０に設けられているため、アノード６２ａに
供給される水素ガスのみが前記参照電極７０を通過し、
通過するガスの組成が変化しないため、基準電位を安定
的に出力している。したがって、アノード６２ａとカソ
ード６２ｂの単極電位を精度良く検出できる。
【００３４】ここで、電流密度と前記アノード６２ａと
カソード６２ｂの単極電位との関係を図５〜図８に示
す。図５は正常な状態の電流密度と単極電位との関係を
示す図である。なお、複数の単位電池１１のアノード６
２ａとカソード６２ｂの単極電位を検出している場合に
は、アノード６２ａとカソード６２ｂ、それぞれ複数の
単極電位値の平均値、最大値あるいは最小値の中、いず
れかの値をコンピュータ７６で求め、求めた値によって
以下の制御を行う。
カソード６２ｂの単極電位との関係を図５〜図８に示
す。図５は正常な状態の電流密度と単極電位との関係を
示す図である。なお、複数の単位電池１１のアノード６
２ａとカソード６２ｂの単極電位を検出している場合に
は、アノード６２ａとカソード６２ｂ、それぞれ複数の
単極電位値の平均値、最大値あるいは最小値の中、いず
れかの値をコンピュータ７６で求め、求めた値によって
以下の制御を行う。
【００３５】燃料電池１０の負荷増大時には、図６に示
すようなアノード６２ａ、カソード６２ｂの単極電位が
検出されることがある。すなわち、アノード６２ａの単
極電位のみが大幅に上昇して、単位電池１１の出力電圧
を低下させている。この場合、コンピュータ７６では、
アノード６２ａにおける物質の移動遅れが原因と判定す
る。すなわち、酸素ガスと水素ガスとの反応による生成
水がアノード６２ａに滞留し、水素ガスの移動を阻むた
め、アノード６２ａの単極電位が大幅に上昇したと判定
する。したがって、コンピュータ７６から流量制御弁８
２ａに水素ガス流量を増加させる信号が出力されるとと
もに、加湿器８４ａには、加湿を停止する信号が出力さ
れる。この結果、前記水素ガス流によってアノード６２
ａの水分が蒸発されるとともに、前記水素ガスに対する
加湿を停止するため、アノード６２ａに滞留している水
分が除去される。したがって、アノード６２ａの単極電
位が低下して所定の出力電圧に回復する。
すようなアノード６２ａ、カソード６２ｂの単極電位が
検出されることがある。すなわち、アノード６２ａの単
極電位のみが大幅に上昇して、単位電池１１の出力電圧
を低下させている。この場合、コンピュータ７６では、
アノード６２ａにおける物質の移動遅れが原因と判定す
る。すなわち、酸素ガスと水素ガスとの反応による生成
水がアノード６２ａに滞留し、水素ガスの移動を阻むた
め、アノード６２ａの単極電位が大幅に上昇したと判定
する。したがって、コンピュータ７６から流量制御弁８
２ａに水素ガス流量を増加させる信号が出力されるとと
もに、加湿器８４ａには、加湿を停止する信号が出力さ
れる。この結果、前記水素ガス流によってアノード６２
ａの水分が蒸発されるとともに、前記水素ガスに対する
加湿を停止するため、アノード６２ａに滞留している水
分が除去される。したがって、アノード６２ａの単極電
位が低下して所定の出力電圧に回復する。
【００３６】同様に、図７に示すように、カソード６２
ｂの単極電位が大幅に低下した場合には、コンピュータ
７６がカソード６２ｂにおける物質の移動遅れが原因と
判定する。すなわち、生成水がカソード６２ｂに滞留し
ていると判定する。したがって、コンピュータ７６から
流量制御弁８２ｂに酸素ガス量を増加させる制御信号が
出力されるとともに、加湿器８４ｂに酸素ガスに対する
加湿を停止させる制御信号が出力される。これにより、
カソード６２ｂに単極電位が上昇して、単位電池１１の
出力電圧を回復する。
ｂの単極電位が大幅に低下した場合には、コンピュータ
７６がカソード６２ｂにおける物質の移動遅れが原因と
判定する。すなわち、生成水がカソード６２ｂに滞留し
ていると判定する。したがって、コンピュータ７６から
流量制御弁８２ｂに酸素ガス量を増加させる制御信号が
出力されるとともに、加湿器８４ｂに酸素ガスに対する
加湿を停止させる制御信号が出力される。これにより、
カソード６２ｂに単極電位が上昇して、単位電池１１の
出力電圧を回復する。
【００３７】さらに、図８に示すように、アノード６２
ａとカソード６２ｂ、双方の単極電位が大幅に低下した
場合には、上記のようにアノード６２ａとカソード６２
ｂの双方に生成水が滞留した可能性も考えられるが、発
電作用による発熱、あるいは水素または酸素のガス流に
よって固体高分子電解質膜６０の水分が減少し、イオン
導電度が低下した可能性も考えられる。
ａとカソード６２ｂ、双方の単極電位が大幅に低下した
場合には、上記のようにアノード６２ａとカソード６２
ｂの双方に生成水が滞留した可能性も考えられるが、発
電作用による発熱、あるいは水素または酸素のガス流に
よって固体高分子電解質膜６０の水分が減少し、イオン
導電度が低下した可能性も考えられる。
【００３８】そこで、コンピュータ７６では、先ず、図
６、図７の場合と同様に、水素ガス、酸素ガスの流量を
増加させ、前記ガスに対する加湿を停止する。この結
果、アノード６２ａの単極電位が低下し、カソード６２
ｂの単極電位が上昇して出力電圧が回復すれば、この状
態を継続させる。
６、図７の場合と同様に、水素ガス、酸素ガスの流量を
増加させ、前記ガスに対する加湿を停止する。この結
果、アノード６２ａの単極電位が低下し、カソード６２
ｂの単極電位が上昇して出力電圧が回復すれば、この状
態を継続させる。
【００３９】しかしながら、前記アノード６２ａとカソ
ード６２ｂの単極電位が回復しない場合には、固体高分
子電解質膜６０の乾燥が原因であると判定して、制御信
号を加湿器８４ａ、８４ｂに出力して当該加湿器８４
ａ、８４ｂの温度を上昇させることにより、水素ガス、
酸素ガスに対する加湿量を増大させる。この結果、固体
高分子電解質膜６０に充分に水分が供給され、イオン導
電度が回復する。したがって、アノード６２ａの単極電
位が低下し、カソード６２ｂの単極電位が上昇して単位
電池１１の出力電圧が回復する。
ード６２ｂの単極電位が回復しない場合には、固体高分
子電解質膜６０の乾燥が原因であると判定して、制御信
号を加湿器８４ａ、８４ｂに出力して当該加湿器８４
ａ、８４ｂの温度を上昇させることにより、水素ガス、
酸素ガスに対する加湿量を増大させる。この結果、固体
高分子電解質膜６０に充分に水分が供給され、イオン導
電度が回復する。したがって、アノード６２ａの単極電
位が低下し、カソード６２ｂの単極電位が上昇して単位
電池１１の出力電圧が回復する。
【００４０】このように、本実施例に係る燃料電池１０
では、参照電極７０を細孔３０に設け、アノード６２ａ
とカソード６２ｂの出力信号とともに、コンピュータ７
６に出力したため、コンピュータ７６でアノード６２ａ
とカソード６２ｂの単極電位が求められた。この単極電
位の変動に基づいて、前記アノード６２ａあるいはカソ
ード６２ｂに対する生成水の滞留、固体高分子電解質膜
６０の乾燥等の原因が判定され、前記判定に基づいて水
素ガス、酸素ガスの流量を制御する、あるいは前記ガス
に対する加湿量を制御することにより、単位電池の出力
電圧を定常状態に維持することができる。
では、参照電極７０を細孔３０に設け、アノード６２ａ
とカソード６２ｂの出力信号とともに、コンピュータ７
６に出力したため、コンピュータ７６でアノード６２ａ
とカソード６２ｂの単極電位が求められた。この単極電
位の変動に基づいて、前記アノード６２ａあるいはカソ
ード６２ｂに対する生成水の滞留、固体高分子電解質膜
６０の乾燥等の原因が判定され、前記判定に基づいて水
素ガス、酸素ガスの流量を制御する、あるいは前記ガス
に対する加湿量を制御することにより、単位電池の出力
電圧を定常状態に維持することができる。
【００４１】また、貫通孔２６から集電体５０へ連通す
る細孔３０に、参照電極７０を設けたため、水素ガスの
組成が変化することはなく、安定的に基準電位を検出す
ることができる。
る細孔３０に、参照電極７０を設けたため、水素ガスの
組成が変化することはなく、安定的に基準電位を検出す
ることができる。
【００４２】なお、本実施例では、一つあるいは複数の
単位電池に参照電極を設け、アノード６２ａおよびカソ
ード６２ｂの単極電位を検出し、前記検出値に基づいて
全ての単位電池１１に対するガス流量および当該ガスに
対する加湿量を同一に制御しているが、全ての単位電池
に参照電極を設けるとともに、各単位電池に供給される
ガスの流量制御弁および加湿器を設ければ、さらに好適
である。すなわち、各単位電池では、それぞれの単位電
池の単極電位に基づいてそれぞれの単位電池に対するガ
スの流量およびガスに対する加湿量を制御することがで
き、各単位電池毎に精緻な制御が可能となる。
単位電池に参照電極を設け、アノード６２ａおよびカソ
ード６２ｂの単極電位を検出し、前記検出値に基づいて
全ての単位電池１１に対するガス流量および当該ガスに
対する加湿量を同一に制御しているが、全ての単位電池
に参照電極を設けるとともに、各単位電池に供給される
ガスの流量制御弁および加湿器を設ければ、さらに好適
である。すなわち、各単位電池では、それぞれの単位電
池の単極電位に基づいてそれぞれの単位電池に対するガ
スの流量およびガスに対する加湿量を制御することがで
き、各単位電池毎に精緻な制御が可能となる。
【００４３】
【発明の効果】本発明に係る固体高分子型燃料電池の制
御方法および燃料電池によれば、以下の効果が得られ
る。
御方法および燃料電池によれば、以下の効果が得られ
る。
【００４４】すなわち、本発明に係る固体高分子型燃料
電池の制御方法では、参照電極を用いてアノードとカソ
ードの単極電位をそれぞれ検出し、前記単極電位の変動
に基づいて燃料電池内部の状況を判定し、アノードおよ
びカソードに供給する第１反応体および第２反応体の流
量および前記反応体に対する加湿量を調節している。例
えば、燃料電池の負荷を増大させた場合、アノードの単
極電位が上昇していれば、あるいはカソードの単極電位
が低下していれば、当該電極で生成水が溢れていると判
定し、当該電極に供給する反応体の流量を増加させると
ともに、前記反応体への加湿を停止させる。これに対し
て、アノードの単極電位が上昇し、カソードの単極電位
が低下していれば、先ず、両電極に生成水が溢れている
と判定して第１および第２反応体に対する加湿を停止さ
せ、流量を増加させる。それでも状況が改善しなけれ
ば、電解質膜が乾燥していると判定して、前記第１およ
び第２反応体への加湿量を増加させる。このようにし
て、単位電池の単極電位に基づいて単位電池内部の状況
を判定し、素早く反応体の流量および反応体に対する加
湿量の調節を行うことができる。
電池の制御方法では、参照電極を用いてアノードとカソ
ードの単極電位をそれぞれ検出し、前記単極電位の変動
に基づいて燃料電池内部の状況を判定し、アノードおよ
びカソードに供給する第１反応体および第２反応体の流
量および前記反応体に対する加湿量を調節している。例
えば、燃料電池の負荷を増大させた場合、アノードの単
極電位が上昇していれば、あるいはカソードの単極電位
が低下していれば、当該電極で生成水が溢れていると判
定し、当該電極に供給する反応体の流量を増加させると
ともに、前記反応体への加湿を停止させる。これに対し
て、アノードの単極電位が上昇し、カソードの単極電位
が低下していれば、先ず、両電極に生成水が溢れている
と判定して第１および第２反応体に対する加湿を停止さ
せ、流量を増加させる。それでも状況が改善しなけれ
ば、電解質膜が乾燥していると判定して、前記第１およ
び第２反応体への加湿量を増加させる。このようにし
て、単位電池の単極電位に基づいて単位電池内部の状況
を判定し、素早く反応体の流量および反応体に対する加
湿量の調節を行うことができる。
【００４５】また、本発明に係る燃料電池では、参照電
極を反応体供給通路の第１反応部材に対する連通部分と
アノードとの間に設けたため、参照電極に作用する第１
反応体の濃度がほぼ一定となり、参照電極が安定した基
準電位を示す。したがって、アノードおよびカソード、
それぞれの単極電位を精度良く検出できる。
極を反応体供給通路の第１反応部材に対する連通部分と
アノードとの間に設けたため、参照電極に作用する第１
反応体の濃度がほぼ一定となり、参照電極が安定した基
準電位を示す。したがって、アノードおよびカソード、
それぞれの単極電位を精度良く検出できる。
【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の概略構成
説明図である。
説明図である。
【図２】本発明に係る固体高分子型燃料電池の要部分解
斜視図である。
斜視図である。
【図３】本発明に係る固体高分子型燃料電池の縦断面図
である。
である。
【図４】本発明に係る固体高分子型燃料電池の平面図で
ある。
ある。
【図５】本発明に係る固体高分子型燃料電池の制御方法
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池の制御方法
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
【図７】本発明に係る固体高分子型燃料電池の制御方法
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
【図８】本発明に係る固体高分子型燃料電池の制御方法
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
における電流密度と単極電位の相関関係を示す図であ
る。
１０…燃料電池 １１…単位電
池 １２…発電部 １４…保持部 ６２ａ、６２ｂ…電極触媒層 ７０…参照電
極 ７４…リード線 ７６…コンピ
ュータ ７８…ガス供給ユニット ８２ａ、８２
ｂ…流量制御弁 ８４ａ、８４ｂ…加湿器
池 １２…発電部 １４…保持部 ６２ａ、６２ｂ…電極触媒層 ７０…参照電
極 ７４…リード線 ７６…コンピ
ュータ ７８…ガス供給ユニット ８２ａ、８２
ｂ…流量制御弁 ８４ａ、８４ｂ…加湿器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 英男 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 川越 敬正 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内
Claims (2)
- 【請求項１】電解質膜の両側に接合されているアノード
およびカソードに対して、それぞれ第１反応体および第
２反応体を供給し、参照電極を用いてアノードとカソー
ドの単極電位を検出する固体高分子型燃料電池の制御方
法であって、 前記アノードと前記カソードの単極電位を検出する過程
と、 前記単極電位に基づいて、燃料電池内部の状況を判定す
る過程と、 前記判定に基づいてアノードおよびカソードに供給する
第１反応体および第２反応体の流量および前記反応体に
対する加湿量を調節する過程と、 を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池の制御
方法。 - 【請求項２】反応体供給通路から電極に反応体を供給す
る燃料電池において、 電解質の両側に接合されているアノードおよびカソード
と、 前記反応体供給通路に連通し、第１反応体をアノードに
供給する第１反応部材と、 前記反応体供給通路に連通し、第２反応体をカソードに
供給する第２反応部材と、 前記反応体供給通路の第１反応部材に対する連通部分と
アノードとの間に設けられる参照電極と、 を備えることを特徴とする燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15904493A JP3451111B2 (ja) | 1993-06-29 | 1993-06-29 | 固体高分子型燃料電池の制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP15904493A JP3451111B2 (ja) | 1993-06-29 | 1993-06-29 | 固体高分子型燃料電池の制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0722047A true JPH0722047A (ja) | 1995-01-24 |
| JP3451111B2 JP3451111B2 (ja) | 2003-09-29 |
Family
ID=15685008
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP15904493A Expired - Lifetime JP3451111B2 (ja) | 1993-06-29 | 1993-06-29 | 固体高分子型燃料電池の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3451111B2 (ja) |
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-
1993
- 1993-06-29 JP JP15904493A patent/JP3451111B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| JP4618936B2 (ja) * | 2001-06-15 | 2011-01-26 | 三機工業株式会社 | ガス供給装置及び検査システム |
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