WO2003096461A1

WO2003096461A1 - Procede de detection de penurie de gaz combustible, et procede de controle de pile a combustible

Info

Publication number: WO2003096461A1
Application number: PCT/JP2003/005746
Authority: WO
Inventors: Shigeru Inai; Chikara Iwasawa; Shinya Watanabe; Masahiko Sato; Yoshikazu Murakami
Original assignee: Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
Priority date: 2002-05-10
Filing date: 2003-05-08
Publication date: 2003-11-20
Also published as: CA2485573A1; JP2003331895A; EP1505676A4; EP1505676A1; EP1505676B1; CA2485573C; US7527882B2; JP4362266B2; US20050208349A1

Description

明細書燃料ガスの供給不足検出方法および燃料電池の制御方法技術分野

本発明は、電解質の一方の面に設けられたアノード電極に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質の他方の面に設けられた力ソード電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う際、前記燃料ガスの供給不足を検出する燃料ガスの供給不足検出方法および燃料電池の制御方法に関する。背景技術 ,

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード電極および力ソード電極を対設した電解質（電解質膜） '電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質'電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がィォンィ匕され、電解質を介して力ソード電極へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直の電気工ネルギとして利用される。なお、力ソード電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、この力ソード電極において、水素イオン、電子おょぴ酸素が反応して水が生成される。

ところで、上記の燃科電池に供給される燃料ガス量は、通常、気体用流量計で計測され、前記燃料電池の運転時における負荷に対応した燃料ガス量が、常時、該燃料電池に供給されるように制御されている。

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ィキ不足（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。

そこで、例えば、特開平 6— 2 4 3 8 8 2号公報に開示されているように、燃料電池スタックの出力電圧を、複数の単位セルをセル区間として複数のセル区間について検出し、検出電圧の最低値が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低下したとき保護停止する燃料電池発電装置の保護停止方法が知られている。しかしながら、上記の従来技術では、複数のセル区間に区分し、各セル区間の電圧を複数の電圧検出器により検出するとともに、判断部において各検出電圧を予め定める保護レベルの設定値と照合するようにしている。これにより、装置全体の構成が相当に複雑化かつ大型化するとともに、コストが高縢するという問題がある。発明の開示

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ経済的な構成で、ァノ一ド電極での燃料ガスの不足を良好に検出することが可能な燃料ガスの供給不足検出方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、簡単かつ経済的な構成で、種々の異なる電流条件において最適な運転条件で運転することが可能な燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料ガスの供給不足検出方法では、電解質のアノード側に設けられた参照電極とァノード電極との間の電位差と電流との関係を示す基準線が設定され、検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線とは異なる関係線を示した際、前記アノード電極に供給される前記燃料ガスが不足していると判断する。

具体的には、参照電極とアノード電極との間の電位差（以下、アノード電位差ともいう）を燃料電池に係る負荷（電流）毎に計測する。その際、アノード電極内に電に必要な量の燃料ガスが供給されている場合に、アノード電位差が電流に応じて直線的に変化するため、この直線的な変化が基準線として設定される。これに対して、アノード電極内に供給される燃料ガス量が不足すると、参照電極とアノード電極との間の電位差が、燃料ガス量の不足の程度に応じて非直線的な変化に移行していく。これは、電解質'電極構造体の発電面内に、電流に対して燃料ガス（水素）の不足が生じると、この発電面内で水素の分解反応（H ₂→ 2 H ² + 2 e— ) 以外の反応、例えば、水の分解反応や炭素の酸化反応等が進行し、アノード電極内部の電位が、水素の標準電極電位よりも高い電位になることによるものと推定される。

従って、アノード電極に接続された参照電極からの検出電位の変化傾向（基準線と一致するか否か）を測定することにより、前記アノード電極内の燃料ガスの状況、すなわち、燃料ガス量が十分であるか不足であるかを容易かつ確実に判断することが可能になる。

また、本発明に係る燃料電池の制御方法では、電解質のアノード側に設けられた参照電極とァノード電極との間の電位差と電流との関係を示す基準線が設定され、検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線とは異なる関係線を示した際、前記アノード電極に供給される前記燃料ガスが不足していると判断する。そして、不足している燃料ガスの流量を増加してアノード電極に供給し、あるいは、電流を減少させている。

このため、アノード電極内の燃料ガスの不足が確実に検出され、この検出結果に基づいて前記燃料ガス量や電流値を調整することができる。これにより、燃料電池の制御が、簡単かつ経済的な構成で、効率的に遂行されるとともに、燃料ガスの利用率を向上させることが可能になる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施形態に係る方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。図 2は、前記燃料電池システムに組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。

図 3は、前記燃料電池を構成する第 2セパレータの正面説明図である。

図 4は、燃料ガスが十分に供給されている際のァノード電位差と電流との関係を示す図である。

図 5は、前記燃料ガスの供給不足が発生している際のアノード電位差と電流との関係を示す図である。

図 6は、本実施形態に係る方法を説明するフローチヤ一トである。発明を実施するための最良の形態

図 1は、本発明の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システム 1 0の概略構成図であり、図 2は、前記燃料電池システム 1 0に組み込まれる燃料電池 1 2の要部分解斜視図である。

燃料電池 1 2は、電解質膜 ·電極構造体（電解質 ·電極接合体） 1 4と、前記電解質膜'電極構造体 1 4を挟持する第 1およぴ第 2セパレータ 1 6、 1 8とを備える。電解質膜'電極構造体 1 4と第 1および第 2セパレータ 1 6、 1 8との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材 1 9が介装されている。 '

燃料電池 1 2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 2 0 a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔 2 2 b、および燃料ガス、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 2 4 bが設けられる。

燃料電池 1 2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 2 4 a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔 2 2 a、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔 2 0 bが設けられる。

電解質膜'電極構造体 1 4は、例えば、パーフルォ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（電解質） 2 6と、該固体高分子電解質膜 2 6を挟持するアノード電極 2 8およぴカソード電極 3 0とを備える。

ァノード電極 2 8およぴカソ一ド電極 3 0は、カーボンぺーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜 2 6の両面に接合されている。シール部材 1 9の中央部には、ァノード電極 2 8および力ソード電極 3 0を収容する開口部 4 3が形成されている。電解質膜 ·電極構造体 1 4のアノード電極 2 8には、燃料ガス供給口である燃料ガス供給連通孔 2 4 aの近傍に発電部 3 1の外部に位置して切り欠き部位 2 8 aを設けている。この切り欠き部位 2 8 aには、参照電極 3 2が固体高分子電解質膜 2 6に密着して取り付けられており、前記参照電極 3 2に導線 3 4の端部が ' 接続されている。参照電極 3 2と第 2セパレータ 1 8とは、絶縁状態に維持されている。この参照電極 3 2は、例えば、白金をリポン状に構成している。

第 1セパレータ 1 6の電解質膜 ·電極構造体 1 4に向かう面 1 6 aには、例えば、矢印 B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路 3 6が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路 3 6は、酸化剤ガス供給連通孔 2 0 aと酸化剤ガス排出連通孔 2 0 bとに連通する。

第 2セパレータ 1 8の電解質膜 ·電極構造体 1 4に向かう面 1 8 aには、図 3 に示すように、燃料ガス供給連通孔 2 4 aと燃料ガス排出連通孔 2 4 bとに連通する燃料ガス流路 3 8が形成される。この燃料ガス流路 3 8は、矢印 B方向に延在する複数本の溝部を備えている。

図 2に示すように、第 2セパレータ 1 8の面 1 8 bには、冷却媒体供給連通孔 2 2 aと冷却媒体排出連通孔 2 2 bとに連通する冷却媒体流路 4 0が形成される。この冷却媒体流路 4 0は、矢印 B方向に延在する複数本の溝部を備えている。ァノードセパレータである第 2セパレータ 1 8には、導線 4 2の端部が接続されている。

導線 4 2は、燃料ガスの供給不足が惹起し易い場所に設置されることが好ましい。具体的には、第 2セパレータ 1 8では、燃料ガス流路 3 8の出口側に導線 4 2を設けることが望ましく、また、燃料電池 1 2をスタックに構成した場合には、連通孔の燃料ガス供給口に対して最深部側のセパレータに前記導線 4 2を設置することが望ましい。

図 1に示すように、燃料電池システム 1 0は、導線 3 4、 4 2が接続されて参照電極 3 2と第 2セパレータ 1 8との間のァノード電位差を、常時、計測するコントロールユニット 4 4を備える。このコントロールユニット 4 4は、燃料ガス供給部 4 6と酸化剤ガス供給部（図示せず）とを制御する。

燃料ガス供給部 4 6は、燃料ガスタンク 4 8を備え、この燃料ガスタンク 4 8 は、流量制御弁 5 0、インジェクタ 5 1および発電条件計測部 5 2を介して燃料電池 1 2の燃料ガス供給連通孔 2 4 aに連通する。燃料電池 1 2の燃料ガス排出連通孔 2 4 bは、圧力制御弁 5 4を介してインジェクタ 5 1の吸い込み口側に連通可能である。

このように構成される燃料電池 1 2の動作について、これを組み込む燃料電池システム 1 0との関連で説明する。

燃料電池 1 2を運転するに際しては、図 2に示すように、燃料ガス供給連通孔 2 4 aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔 2 0 aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔 2 2 aに純水やエチレンダリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔 2 0 aから第 1セパレータ 1 6の酸ィ匕剤ガス流路 3 6に導入され、電解質膜 ·電極構造体 1 4のカソード電極 3 0に沿つて移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔 2 4 aから第 2セパレータ 1 8の燃料ガス流路 3 8に導入され、電解質膜 ·電極構造体 1 4のァノード電極 2 8に沿って移動する。

従って、各電解質膜'電極構造体 1 4では、力ソード電極 3 0に供給される酸化剤ガスと、ァノード電極 2 8に供給される燃料ガスとが、電極触媒層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、アノード電極 2 8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 2 4 bに沿って矢印 A方向に排出される。同様に、力ソード電極 3 0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 2 0 bに沿って矢印 A 方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔 2 2 aに供給された冷却媒体は、第 2セパレータ 1 8の冷却媒体流路 4 0に導入された後、矢印 B方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜 ·電極構造体 1 4を冷却した後、冷却媒体排出連通孔 2 2 bから排出される。

次に、燃料電池システム 1 0を用い、本実施形態に係る燃料ガスの供給不足検出方法および燃料電池の制御方法に関連して、以下に説明する。

まず、上記のように燃料電池 1 2が運転を行っている際、図 1に示すように、コントロールユニット 4 4には、導線 3 4、 4 2を介して参照電極 3 2の電位とアノード電極 2 8 (第 2セパレータ 1 8 ) の電位とが入力され、その電位差が、常時、計測される。その計測値は、横軸を電流とし、縦軸をアノード電位差としてプロットされる。その際、アノード電極 2 8の発電に必要な燃料ガス量が十分に供給されていると、アノード電位差が電流に応じて直線的に変化し、基準線 L 1が得られる（図 4参照）。なお、この基準線 L 1の傾きは、アノード電極 2 8 およぴ第 2セパレータ 1 8の電気抵抗によって変化する。

これに対して、アノード電極 2 8に供給される燃料ガス量が不足すると、ァノ一ド電位差が燃料ガス不足の程度に応じて、基準線 L 1とは異なる関係線 L 0に沿って移行していく（図 5参照）。これは、電解質膜 ·電極構造体 1 4の発電面内の電流に対して水素の不足が発生するため、発電面内で水素の分解反応以外の反応、例えば、水の分解反応や炭素の酸化反応等が進行し、アノード電極 2 8の内部の電位が水素標準電極電位よりも高い電位になることによるものと推定される。

そこで、本実施形態に係る方法について、図 6に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。

まず、発電条件計測部 5 2を介して燃料電池システム 1 0の各種発電条件が計測される（ステップ S 1 ) 。具体的には、燃料ガスの湿度、温度おょぴ圧力等の発電条件が計測される。そして、コントロールュニット 4 4において、燃料電池 1 2の電流密度が計算され、この電流密度が既定値以下であるか否かが判断される（ステップ S 2 ) 。計算された電流密度が既定値以下である際には、すなわち、燃料電池 1 2が高負荷運転時である際には（ステップ S 2中、 Y E S ) 、ステツプ S 3に進む。

一方、計算された電流密度が既定値以上である際には、すなわち、燃料電池 1 2が定常運転時である際には（ステップ S 2中、 N O) 、ステップ S 4に ¾1み、予めコントロールュニット 4 4にマップとして記憶されている基準線 L 1と、実際に検出されたァノード電位差とが比較される。

実際のアノード電位差と電流との関係が、基準線 L 1とは異なる関係線 L 0として検出された際には、すなわち、所定値以上の偏差が発生して直線からの逸脱が発生した際には（図 5参照）、ステップ S 5において、燃料ガスに不足が生じていると判断される (ステップ S 5中、 Y E S ) 。従って、ステップ S 6に進み、燃料電池システム 1 0において燃料ガス量を増加させることが可能である力否かが判断される。

燃科電池 1 2において、燃料ガス量の増加が可能である際には（ステップ S 6 中、 Y E S ) 、ステップ S 7に進んで、コントロールユニット 4 4が流量制御弁 5 0および圧力制御弁 5 4等を制御して、燃料ガスタンク 4 8から燃料電池 1 2 に供給される燃料ガス量を増加させる。

これに対し、燃料ガス量の増加が不可能であると判断された際には（ステップ S 6中、 N O) 、ステップ S 8に進んで、燃料電池 1 2の電流を減少させることが可能であるか否かが判断される。電流負荷の減少が可能である際には（ステツプ S 8中、 Y E S ) 、ステップ S 9に進んで、燃料電池 1 2の出力電流を絞る一方、負荷電流の減少ができない際には（ステップ S 8中、 N O) 、ステップ S I 0に進んで、燃料電池システム 1 0の運転が停止される。

また、ステップ S 2で燃料電池 1 2が高負荷運転時であると判断された際に、ステップ S 3 は了ノード電位差を検出し、直線近似により基準線 L 1が決定される。そして、この新たに決定された基準線 L 1に基づいて、ステップ S 4以下の処理が行われる。この場合、本実施形態では、ァノード電極 2 8に参照電極 3 2が設けられ、この参照電極 3 2とアノードセパレータである第 2セパレータ 1 8との電位差がコントロールユニット 4 4で、常時、計測される。そして、この計測値が予め記憶されているアノード電位差のマップ、すなわち、基準線 L 1と比較されることにより、アノード電極 2 8内の燃料ガスが不足であるか否力確実に検出される。これにより、簡単な構成および制御で、燃料ガス量が不足であるか十分である力の判断が正確に行われるため、例えば、従来、使用されていた気体用流量計を不要にすることが可能になる。従って、燃料電池システム 1 0全体をコンパクトかつ経済的に得ることができるとともに、燃料ガスの利用率を向上させることが可能になる。しかも、燃料電池 1 2の発電性能の低下を確実に阻止することがでさる。

さらに、本実施形態では、アノード電極 2 8内の燃料ガス量の不足が検出された後、燃料ガス量の増加や電流の減少等が行われている。これにより、燃料電池 1 2の制御が、簡単かつ経済的な構成で効率的に遂行され、前記燃料電池 1 2を良好な状態に維持して、所望の発電性能を確保することが可能になる。産業上の利用可能性

本発明に係る燃料ガスの供給不足検出方法では、アノード電極に接続された参照電極からの検出電位と電流との関係を示す基準線を設定し、この基準線に対して検出電位と電流とが異なる関係線を示した際に、前記アノード電極に燃料ガス不足が発生していると判断することができる。 ■ . これにより、簡単な制御および構成で、燃料ガスの供給不足が確実に検出され、前記燃料ガスの利用率を向上させることが可能になる。

また、本発明に係る燃料電池の制御方法では、アノード電極に燃料ガスの供給不足が検出された後、不足している燃料ガスの流量を増加して前記アノード電極に供給する、あるいは、電流を減少させる処理が行われる。このため、燃科ガスの利用率を有効に向上させるとともに、異なった電流条件においても、最適な運転条件で燃料電池を運転することが可能になる。

Claims

請求の範囲

1. 電解質（26) の一方の面に設けられたアノード電極（28) に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質（26) の他方の面に設けられた力ソード電極 (30) に酸化剤ガスを供給して発電を行う際、前記燃料ガスの供給不足を検出する燃料ガスの供給不足検出方法であって、

前記電解質（26) のアノード側に設けられた参照電極（32) と前記ァノード電極（28) との間の電位差と電流との関係を示す基準線 (L 1) を設定する工程と、

検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線（L 1) とは異なる関係線（LO) を示した際、前記アノード電極（28) に供給される前記燃料ガスが不足していると判断する工程と、

を有することを特徴とする燃料ガスの供給不足検出方法。

2. 請求項 1記載の供給不足検出方法において、前記基準線（L 1) は、実質的に直線であり、前記異なる関係線（ L 0 ) は前記直線から逸脱することを特徴とする燃料ガスの供給不足検出方法。

3. 請求項 1記載の供給不足検出方法において、前記参照電極（32) は燃料ガス供給口の近傍に設けられることを特徴とする燃料ガスの供給不足検出方法。

4. 請求項 1記載の供給不足検出方法において、前記基準線 (L 1) はマップとして記憶されるとともに、

発電時の電流密度が計算されて、該計算された電流密度が規定値以下である際に、直線近似により新たな基準線（L1) を決定することを特徴とする燃料ガスの供給不足検出方法。

5. 電解質（26) の一方の面に設けられたアノード電極（28) に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質（26) の他方の面に設けられた力ソード電極 (30) に酸ィヒ剤ガスを供給して発電を行う燃料電池（12) の制御方法であつて、

前記電解質（26) のァノード側に設けられた参照電極（32) と前記ァノード電極（28) との間の電位差と電流との関係を示す基準線（L 1) を設定する工程と、

検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線 (L 1) とは異なる関係線（L0) を示した際、前記アノード電極（28) に供給される前記燃料ガスが • 不足していると判断する工程と、

前記燃料ガスが不足していると判断された際、前記燃料電池（12) の運転条件を変更する工程と、

を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。

6. 請求項 5記載の制御方法において、前記基準線（L 1) は、実質的に直線であり、前記異なる関係線（LO) は前記直線から逸脱することを特徴とする燃料ガスの制御方法。

7. 請求項 5記載の制御方法において、前記参照電極（32) は燃料ガス供給口の近傍に設けられることを特徴とする燃料ガスの制御方法。

8. 請求項 5記載の制御方法において、前記燃料電池（12) の運転条件を変更は、不足している前記燃料ガスの流量を増加する工程を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。

9. 請求項 5記載の制御方法において、前記燃料電池（12) の運転条件を変更は、電流を減少させる工程を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。

10. 請求項 5記載の制御方法において、前記燃料電池（1 2) の運転条件を変更ば、該燃料電池（12) の運転を停止させる工程を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。