JP2003017106A

JP2003017106A - 燃料電池制御システム

Info

Publication number: JP2003017106A
Application number: JP2001201152A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Kobayashi; 敏郎小林; Takuya Moriga; 卓也森賀; Eiki Ito; 栄基伊藤; Tamotsu Yamada; 保山田; Akio Sato; 昭男佐藤; Shigeru Tsurumaki; 茂弦巻
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2001-07-02
Filing date: 2001-07-02
Publication date: 2003-01-17

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ドレイン水の濁度の度合いから燃料
電池が軽度の異常か重大な異常かを検知することを課題
とする。【解決手段】水素、酸素又は空気、水又は水蒸気を夫々
用いて発電を行う燃料電池１３を有した燃料電池制御シ
ステムにおいて、燃料電池１３の燃料極出口側にドレイ
ン水の濁度を検出する濁度計１６ａを配置したことを特
徴とする燃料電池制御システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池制御システ
ムに関し、特に固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏ
ｌｙｍｅｒＥｌｅｃｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌ
ｌ）の運転中の異常を検知する制御システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、自動車等の車両のクリーンな電力
供給源として燃料電池を用いることが話題に上ってい
る。ここで、燃料電池としては、例えば固体高分子電解
質膜を燃料極と空気極との間に挟持してセルを構成し、
更にこのセルをセパレータで両側から挟持して構成して
いるものが知られている。一般に、こうしたセルは多数
積層してユニットとし、さらにこれらユニットを複数積
層して燃料電池スタックの状態で使用される。

【０００３】ところで、燃料電池においては、一般に水
素等の燃料や酸素(又は空気）に基づいて電池反応が起
こることにより電力が生じるが、効率的に運転するには
燃料電池の状態を監視することが重要である。また、燃
料電池が人間などに危険な状態となる前にその異常を検
知することが重要となる。

【０００４】従来、燃料電池の異常を検知する手段とし
ては、次に述べる方法が知られている。１）単電池（セル）全ての電圧を測定し、しきい値以下
の電圧を示した単電池を検出し異常を検知する手法。２）複数の単電池を直列にしたユニットで電圧を測定
し、しきい値以下の電圧を示したユニットを検出し異常
を検知する手法（例えば、特表平５−５０２９７３
号）。この２）の手法の場合、上記１）の手法と比べ、
測定端子数が減り簡易化が可能であるというメリットを
有する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術によれば、下記の問題点を有する。上記１）の場合、
電圧測定は異常の間接的測定であって、内部で具体的に
何が起こっているのか不明である。つまり、単なる軽度
の故障，不調で、注意しておけば修理着手まで使用可能
であるのか、あるいは瞬時に停止しなければ装置に重大
なダメージを与えたり、破壊異常発熱等の危険要因とな
るかの判断が困難である。

【０００６】上記２）の場合、出力１００Ｖであっても
単電池の数は１００数１０個となり、電圧測定端子、伝
送ケーブル、信号処理数が多くなるため、複雑化、ノイ
ズの影響が大きく、誤動作の原因となる。

【０００７】本発明はこうした事情を考慮してなされた
もので、燃料電池の燃料極出口側にドレイン水の濁度を
検出する濁度計を配置した構成とすることにより、ドレ
イン水の濁度の度合いから燃料電池が軽度の異常か重大
な異常かを検知しえる燃料電池制御システムを提供する
ことを目的とする。

【０００８】また、本発明は、燃料電池の燃料極出口側
に排ガス中の排ガス濃度を検出する濃度計を配置した構
成とすることにより、排ガス中の排ガス組成から燃料電
池が軽度の異常か重大な異常かを検知しえる燃料電池制
御システムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、水
素、酸素又は空気、水又は水蒸気を夫々用いて発電を行
う燃料電池を有した燃料電池制御システムにおいて、燃
料電池の燃料極出口側にドレイン水の濁度を検出する濁
度計を配置したことを特徴とする燃料電池制御システム
である。

【００１０】本願第２の発明は、水素、酸素又は空気、
水又は水蒸気を夫々用いて発電を行う燃料電池を有した
燃料電池制御システムにおいて、燃料電池の燃料極出口
側に排ガス中の排ガス濃度を検出する濃度計を配置した
ことを特徴とする燃料電池制御システムである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明について更に詳しく
説明する。図６は、固体高分子電解質膜２１を燃料極２
２、空気極２３で挟んで単セル２４を構成し、更にこの
単セル２４を２つのセパレータ２５ａ，２５ｂで挟み込
んだ構成となっている。本発明者らは、図６に示すよう
な単セルの異常について様々な試験を試みた結果、異常
のメカニズムが図４に示すようになっていることを推定
した。また、図６の単セル２４の燃料極２２では下記表
１に示すような現象がおこり、空気極２３では下記表２
に示すような現象が起こることを推定した。つまり、燃
料極では、何等異常が無い場合は正規反応を起こすが、
Ｈ_２欠乏、Ｏ _２欠乏、水滞留の場合は、表１の右欄のよ
うな反応が夫々起こりうる。一方、空気極では、Ｈ_２欠
乏、Ｏ_２欠乏、水滞留の場合は、表２の右欄のような反
応が夫々起こりうる。

【００１２】

【表１】

【００１３】

【表２】

【００１４】上記したような単セルの異常の原因として
は、例えば燃料極でのＨ_２欠乏、空気極でのＯ_２欠乏、
燃料極での水滞留に起因するＨ_２欠乏、空気極での水滞
留に起因するＯ_２欠乏、それらに起因して発生する
Ｈ_２、Ｏ_２の燃焼による部材のダメージ、それらに起因
して生ずる部材のダメージ、及びそれらの燃焼，ダメー
ジに起因する高分子膜の穴あき，ガスリーク，混合燃焼
の加速が挙げられる。

【００１５】なお、図５は単セルの損傷のメカニズムを
推定した図であり、燃料極及び空気極において損傷が生
じた場合（Ｈ_２欠乏、Ｏ_２欠乏、水滞留の場合）、燃料
極では上記表１の右欄のような反応が夫々起こり、空気
極では上記表２の右欄のような反応が夫々起こりうる。

【００１６】事実、ガス組成、冷却水の流量、空気極の
加湿温度、酸素極の加湿温度、酸素利用率を所定の値に
定めた条件下で、燃料欠乏による電圧及びガス組成の径
時変化を試験したところ、図７に示す結果を得た。つま
り、試験時間（ｈ）に対するＨ_２利用率、セル電圧
（Ｖ）、空気極（カソード）出口Ｈ_２濃度（ｐｐｍ）、
燃料極（アノード）出口Ｏ_２濃度（％）との関係は、図
７に示すとうりである。図７より、Ｈ_２欠乏時（Ｈ_２利
用率２００％）には、セル電圧の変化に対応し、空気出
口ガス中Ｈ_２濃度が８０ｐｐｍから１０００ｐｐｍに増
加し、燃料極出口ガス中Ｏ_２濃度が０％（検出限界１０
ｐｐｍ）から５％に増加するのを確認した。

【００１７】また、単セルに穴明きがある場合について
試験したところ、図８、図９及び図１１に示す結果を得
た。ここで、図８は、差圧（空気−燃料）と燃料極側の
各ガス（Ｎ_２，Ｏ_２，ＣＯ_２，Ｈ_２）組成の濃度変化と
の関係を示す特性図である。一方、図９は、穴面積と燃
料極側の濃度変化との関係を示す特性図である。図１１
は、穴位置（入口からの距離／流路全長）と燃料極側の
ガス組成（％）との関係を示す特性図である。

【００１８】図８より、空気極側から燃料極側へ空気が
漏れることにより、燃料極側のガス組成が変化し、検出
可能であることが明らかになった。なお、図８におい
て、ＣＯ_２、Ｈ_２は差圧が大きくなるにつれてＮ_２，Ｏ
_２が増えた分減少する。また、図９より、燃料極出口の
差圧が小さい場合と比べ差圧が大きい場合の方が燃料極
側のＯ_２の濃度変化が大きいことが明らかである。更
に、図１１より、穴の位置によりガス濃度が異なること
がわかる。これは、水素と酸素が混合され、電極触媒の
存在により燃焼するが、穴の位置によって燃焼率が異な
ることを示している。

【００１９】本発明（第１の発明）においては、燃料電
池の燃料極出口側にドレイン水中の濁度を検出する濁度
計を配置するが、これは燃料極で水滞留が起こると、こ
れに起因して燃料極出口側でのドレインが黒色化するた
めに有効である。つまり、ドレインの濁度を測定するこ
とにより、燃料極側の電極構成材料である炭素粉又は金
属粉(触媒）が損傷により流出する現象を検出可能であ
ることが確認できる。例えば、時間と濁度、電圧との関
係は図１０に示すとおりである。但し、電流は図１０に
示すように一定である。

【００２０】ここで、さらに注目すべき点が２点ある。
第１点は、電圧変化よりも早期に濁度変化が検知される
点である。つまり、電圧変化を感知した時点では既に重
度の損傷が生じていることを意味し、濁度測定が重大な
異常の検出に対し高感度であるといえる。第２点は、電
極損傷という重大な異常を判別検知できる点である。即
ち、燃料電池の電圧変化は、高分子膜の乾燥による抵抗
増加、燃料ガス組成の変化などの運転条件の変化に起因
する電圧変化もあるが、それらは運転条件の微調整によ
り容易に回復可能であり、永久劣化でないため、安全
性、装置寿命とは関係なく、濁度測定は電圧測定では認
識不可能な電池内部で生じる重大な異常を判別認識でき
るといえる。

【００２１】本発明(第２の発明）において、燃料電池
の燃料極出口側に排ガス中の濃度を検出する濃度計を配
置するが、この濃度計としては例えば排ガス中の酸素濃
度を検出する酸素濃度計が挙げられる。濃度計は燃料電
池の燃料極出口側に設けるのは一般的であるが、燃料電
池の燃料極出口側のみならず空気極出口側にも設けても
よい。

【００２２】本発明において、濁度計による濁度が異常
の場合には警告信号を、重大な異常の場合には運転停止
信号を出す制御回路を有することが好ましい。これによ
り、燃料電池を破壊することがないとともに、人間を危
険な状態にさらすことを回避することができる。

【００２３】本発明において、警告信号、運転停止信号
に加え、温度，圧力，ガス流量等の詳細データが電送さ
れる集中管理センターを有し、これらの情報を解析する
ことが好ましい。これにより、燃料電池を搭載した自動
車等をより正確なデータに基づいて遠隔操作することが
できる。

【００２４】本発明において、燃料電池の燃料極出口側
にドレイン水の濁度を検出する濁度計を設けるととも
に、排ガス中の濃度(例えば酸素濃度）を検出する濃度
計(Ｄ例えば酸素濃度計）を設け、濁度と濃度との関係
を示す異常信号検出マップを作成することが好ましい。
このマップは、例えば図１２に示すように、横軸にＯ_２
濃度変化を示し、縦軸に濁度を示すもので、それらの値
に応じて注意信号を出す場合(微***の場合）、警報信
号を発する場合（Ｈ_２欠乏、水滞留）、瞬時にインター
ロック信号を出す場合(焼損、穴明き）とに区分したも
のである。これにより、燃料電池に具体的にどの程度の
異常が生じたことを確認することができる。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の各実施例に係る燃料電極制御
システムについて図面を参照して説明する。

【００２６】（実施例１）図１を参照する。図中の付番
１は、蒸発部２と改質部３とＣＯ除去部４からなる改質
器を示す。前記改質器１には、液体燃料としてのメタノ
ール５を収容した槽６ａ、水７を収容した槽６ｂが併設
されている。両槽６ａ，６ｂと改質器１とは、ポンプ８
ａ，流量調節器９ａを介装した配管１０と、ポンプ８
ｂ，流量調節器９ｂを介装した配管１１と、これらの両
配管１０，１１に接続する配管１２により接続されてい
る。前記改質器１の蒸発部２では、ガス化が行われる。
また、改質部３では、メタノール４と水７による水蒸気
改質反応が行われ、水素リッチガスが得られる。更に、
ＣＯ除去部４にはＣＯだけを選択的に酸化させる触媒が
配置されており、ＣＯ除去部４を通過したＣＯが例えば
１０ｐｐｍ以下まで低減される。

【００２７】前記改質器１には、燃料極と酸素極を有す
る固体高分子型燃料電池１３が配管１４を介して接続さ
れている。ここで、燃料電池１３は、モーター１５の駆
動源として機能する。前記燃料電池１３の燃料極出口に
は濁度計１６ａ，酸素濃度計１７が配置され、燃料電極
１３の酸素極出口には濁度計１６ｂが配置されている。
前記改質器１の改質部３、ＣＯ除去部４及び燃料電池１
３には、ブロア１８より空気が供給されるようになって
いる。ここで、この空気を送る途中の配管には、夫々流
量調節器９ｃ，９ｄ、９ｅが夫々設けられている。

【００２８】前記配管１４からの主に水素を含むガスは
燃料電池１３の燃料極に供給され、ブロワ１８から流量
調節器９ｅを通過した空気は燃料電池１３の酸素極に供
給される。また、燃料電池１３で残存した水素、酸素等
は、改質器１の蒸発部２に送られる。前記各流量調節器
９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ、濁度計１６ａ，１６ｂ
及び酸素濃度計１７の夫々には、制御器１９が電気的に
接続されている。ここで、制御器１９は、濁度計１６
ａ，１６ｂ及び酸素濃度計１７により異常を検出し、警
報、インターロック作動信号を発し、この信号に対応し
て各流量調節器９ａ〜９ｅへのメタノール、水、空気の
量又は各バルブの開閉を調節するようになっている。

【００２９】つまり、濁度計１６ａ，１６ｂ及び酸素濃
度計１７と電気的に接続した制御器１９は、流量調節器
９ａ〜９ｅと共に制御回路を構成するもので、濁度計１
６ａ，１６ｂによる濁度や酸素濃度計１７による濃度が
異常の場合には警告信号を、重大な異常の場合には運転
停止信号を出すように構成されている。

【００３０】このように、上記実施例１においては、燃
料電池１３の燃料極出口に取り付けた濁度計１６ａ及び
酸素濃度計１７、空気極出口に取り付けた濁度計１６ｂ
により、セルの異常を検知、診断し、改質器１の運転条
件変更又は停止させている。

【００３１】また、前記濁度計１６ａに基づく濁度及び
酸素濃度計１７に基づく酸素濃度により、図１０に示す
ように、濁度と濃度との関係を示す異常信号検出マップ
を作成し、それらの値に応じて注意信号を出す場合(微
***の場合）、警報信号を発する場合（Ｈ_２欠乏、水滞
留）、瞬時にインターロック信号を出す場合(焼損、穴
明き）とに区分すれば、燃料電池に具体的にどの程度の
異常が生じたことを確認することができる。

【００３２】（実施例２）図２を参照する。但し、図１
と同部材は同符番を付して説明を省略する。本実施例２
は、実施例１と比べ、燃料電池１３の燃料極出口に濁度
計１６ａを設けると共に、空気極出口に濁度計１６ｂを
設けたことを特徴とする。実施例２によれば、濁度計１
６ａ，１６ｂの存在により、ドレイン水の濁度の度合い
から燃料電池が軽度の異常か重大な異常かを検知するこ
とができる。

【００３３】（実施例３）図３を参照する。但し、図１
と同部材は同符番を付して説明を省略する。本実施例３
は、実施例１と比べ、燃料電池１３の燃料極出口に酸素
濃度計１７を設けると共に、空気極出口に濁度計１６ｂ
を設けたことを特徴とする。実施例３によれば、酸素濃
度計１７の存在により、排ガス中の酸素濃度から、なら
びに濁度計１６ｂの存在によりドレイン水の濁度の度合
いから、燃料電池が軽度の異常か重大な異常かを検知す
ることができる。

【００３４】なお、上記実施例では、液体燃料（メタノ
ール）、水を改質器を経て燃料電池に送る場合について
述べたが、これに限らない。例えば、改質器を用いずに
水素（気体燃料）酸素（又は空気）、水（又は水蒸気）
とともに直接燃料電池へ送って発電を行ってもよい。

【００３５】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、燃
料電池の燃料極出口側にドレイン水の濁度を検出する濁
度計を配置した構成とすることにより、ドレイン水の濁
度の度合いから燃料電池が軽度の異常か重大な異常かを
検知しえる燃料電池制御システムを提供できる。

【００３６】また、本発明によれば、燃料電池の燃料極
出口側に排ガス中の排ガス濃度を検出する濃度計を配置
した構成とすることにより、排ガス中の排ガス組成から
燃料電池が軽度の異常か重大な異常かを検知しえる燃料
電池制御システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池制御システム
の説明図。

【図２】本発明の実施例２に係る燃料電池制御システム
の説明図。

【図３】本発明の実施例３に係る燃料電池制御システム
の説明図。

【図４】固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）における異
常メカニズムの説明図。

【図５】ＰＥＦＣにおける損傷メカニズムの説明図。

【図６】ＰＥＦＣにおける各ガス、水の反応状況を示す
説明図。

【図７】ＰＥＦＣにおける試験時間とＨ_２利用率、セル
電圧、カソード出口Ｈ_２濃度及びアノード出口Ｏ_２濃度
との関係を示す特性図。

【図８】ＰＥＦＣにおける差圧（空気−燃料）と燃料極
側の各ガスの濃度変化との関係を示す特性図。

【図９】ＰＥＦＣにおける穴面積と燃料極側のＯ_２ガス
の濃度変化との関係を示す特性図。

【図１０】ＰＥＦＣにおける時間と濁度、電圧との関係
を示す特性図。

【図１１】ＰＥＦＣにおける穴位置と燃料極側のガス組
成との関係を示す特性図。

【図１２】ＰＥＦＣにおけるＯ_２濃度変化と濁度による
異常信号検出マップの説明図。

【符号の説明】

１…改質器、２…蒸発部、３…改質部、４…ＣＯ除去部、５…メタノール、６ａ，６ｂ…槽、７…水９ａ〜９ｅ…流量調節器、１３…燃料電池、１６ａ，１６ｂ…濁度計、１７…酸素濃度計、１８…ブロワ、１９…制御器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤栄基広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者山田保広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者佐藤昭男広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者弦巻茂神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１三菱重工業株式会社基盤技術研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 KK31

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素、酸素又は空気、水又は水蒸気を夫
々用いて発電を行う燃料電池を有した燃料電池制御シス
テムにおいて、燃料電池の燃料極出口側にドレイン水の濁度を検出する
濁度計を配置したことを特徴とする燃料電池制御システ
ム。
【請求項２】濁度計による濁度が異常の場合には警告
信号を、重大な異常の場合には運転停止信号を出す制御
回路を有していることを特徴とする請求項１記載の燃料
電池制御システム。
【請求項３】警告信号、運転停止信号に加え、温度，
圧力，ガス流量の詳細データが電送される集中管理セン
ターを有し、これらの情報を解析することを特徴とする
請求項２記載の燃料電池制御システム。
【請求項４】水素、酸素又は空気、水又は水蒸気を夫
々用いて発電を行う燃料電池を有した燃料電池制御シス
テムにおいて、燃料電池の燃料極出口側に排ガス中の排ガス濃度を検出
する濃度計を配置したことを特徴とする燃料電池制御シ
ステム。
【請求項５】濃度計が酸素濃度計であることを特徴と
する請求項４記載の燃料電池制御システム。
【請求項６】濃度計による濃度が異常の場合には警告
信号を、重大な異常の場合には運転停止信号を出す制御
回路を有していることを特徴とする請求項４もしくは請
求項５記載の燃料電池制御システム。
【請求項７】警告信号、運転停止信号に加え、温度，
圧力，ガス流量の詳細データが電送される集中管理セン
ターを有し、これらの情報を解析することを特徴とする
請求項６記載の燃料電池制御システム。