JP2004355843A

JP2004355843A - 燃料電池の電流密度調整方法

Info

Publication number: JP2004355843A
Application number: JP2003149495A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Mouri; 昌弘毛里; Giichi Murakami; 義一村上
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-05-27
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2004-12-16

Abstract

【課題】簡単な工程で、電極面内の電流密度分布を効率的且つ確実に均一化することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１２の発電時に、該燃料電池１２の電極面内に設定された複数の測定位置の電流密度が、電流密度測定装置６０により検出される。そして、例えば、電極面内でフラッディングが発生すると、反応ガスの供給量が低下して局部的に電流密度が低下する。このため、前記検出された電流密度が規定値以下になった際、燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一部が、加湿器２４、４６をバイパスするバイパス供給路２６、４８から燃料電池１２に供給される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータで挟持して構成される燃料電池の電流密度を測定するとともに、前記電流密度の分布を調整するための電流密度調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極及びカソード側電極を配置した電解質膜（電解質）・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、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガス（反応ガス）を流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。また、セパレータ間には、必要に応じて冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面に沿って設けられている。
【０００５】
ところで、上記の発電（反応）時には生成水が生じており、この生成水は反応ガス流路の出口側に滞留し易くなる。このため、反応ガス流路の出口側では電解質膜が過剰に加湿される、いわゆる、フラッディングが惹起され、電極面に対して反応ガスの供給量が不十分になるおそれがある。
【０００６】
そこで、従来からフラッディングによる局所的な電流密度の低下を検知することが行われている。例えば、特許文献１の「燃料電池の異常監視方法及びその装置」では、アノード側電極の面内における燃料ガス中の還元剤ガス成分の濃度分布、あるいは、カソード側電極の面内における空気中の酸化剤ガス成分の濃度分布のいずれか一つを測定することにより、燃料電池の異常状態を検知する技術が開示されている。
【０００７】
また、特許文献２の「燃料電池の異常監視方法及びその装置」では、燃料電池の負荷電流を時間的に変化させ、燃料電極基材又は酸化剤電極基材、反応ガス通流溝、電解質層からなる群から選ばれるいずれかの面内の任意位置における温度を測定し、前記負荷電流の時間的変化に追従する温度の時間変化量から、該任意位置における発生熱量を求めることにより、電極面内における発電電流密度分布を計測して、燃料電池の異常を検知する技術が開示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−２２２２６０号公報（段落［０００９］、［００２６］、図１）
【特許文献２】
特開平９−２２３５１２号公報（段落［００１１］、図１）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１では、ステンレス細管が可変リークバルブを介して真空室に連通するとともに、この真空室には、四重極質量分析器の測定子が配置されている。そして、ステンレス細管を燃料ガス通流溝に挿入した状態で、前記ステンレス細管が配置された前記燃料ガス通流溝の水素濃度が測定される。次いで、ステンレス細管を次なる燃料ガス通流溝に挿入して、上記の工程を順次繰り返すことによって、各燃料ガス通流溝の水素濃度が測定される。
【００１０】
しかしながら、多数の燃料ガス通流溝が設けられている際には、各燃料ガス通流溝にステンレス細管を、順次、配置して、それぞれの水素濃度を測定しなければならない。これにより、燃料電池の異常監視作業が、相当に煩雑で且つ時間のかかるものになるという問題が指摘されている。
【００１１】
一方、上記の特許文献２では、負荷電流の時間的変化に追従する温度の時間変化量から、電極面内の任意位置における発生熱量を求めている。このため、発電電流密度分布の計測作業全体に相当な時間がかかってしまい、効率的な異常監視作業を実施することができないという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な工程で、電極面内の電流密度分布を効率的且つ確実に均一化することが可能な燃料電池の電流密度調整方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池の電流密度調整方法では、燃料電池の発電時に、該燃料電池の電極面内に設定された複数の測定位置の電流密度が検出される。そして、例えば、電極面内でフラッディングが発生すると、反応ガスの供給量が低下して局部的に電流密度が低下する。このため、前記検出された電流密度が規定値以下になった際、すなわち、電極面内でのフラッディング等が発生した際、少なくとも反応ガスの一部が加湿器をバイパスするバイパス供給路から燃料電池に供給される。
【００１４】
従って、反応ガスは、通常の運転時に比べて低加湿状態で燃料電池に供給され、電極面内のフラッディング等が迅速且つ確実に解消される。これにより、簡単な工程で、電極面内の電流密度分布が均一化され、所望の発電性能を確実に発揮することができる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池の電流密度調整方法では、検出された電流密度が規定値以下になった際、反応ガスの一部が加湿器をバイパスして無加湿で供給される流量と、前記反応ガスの残余の部分が前記加湿器を通って加湿状態で供給される流量との流量比が制御される。このため、反応ガスは、加湿器を通って低加湿状態に維持されており、電解質膜の乾燥を確実に阻止することができる。
【００１６】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池の電流密度調整方法では、検出された電流密度が第１の規定値以下になった際、反応ガスである燃料ガスに所定の制御が行われる。ここで、燃料ガスの供給系として、燃料電池から排出される未使用の燃料ガスを前記燃料電池に循環して供給する、いわゆる、燃料ガス循環系が採用されている場合、燃料ガスの所定の制御とは、前記燃料電池からの排ガスの一部を外部に排出するパージ制御（本発明の請求項４に係る燃料電池の電流密度調整方法）や、前記燃料ガスが加湿器をバイパスして前記燃料電池に供給される無加湿制御をいう。
【００１７】
燃料ガスの所定の制御が行われた後、検出された電流密度が第１の規定値よりも低い第２の規定値以下になった際、酸化剤ガスの少なくとも一部に無加湿制御が行われる。これにより、燃料ガス側及び酸化剤ガス側のフラッディング等が解消され、簡単な工程で、電極面内の電流密度分布が確実に均一化される。
【００１８】
さらにまた、本発明の請求項５に係る燃料電池の電流密度調整方法では、電極面内には、反応ガスの流れ方向下流に複数のホール素子が配設され、前記複数のホール素子を介して複数の測定位置の電流密度が検出される。従って、燃料電池が発電して電流が流れることにより、ホール素子に磁界が作用するとともに、前記ホール素子から出力電圧（ホール出力電圧）が発生する。このホール素子の出力電圧は、燃料電池の発電電流値に比例しており、各出力電圧に基づいて、電極面内の電流密度分布が効率的且つ正確に得られる。
【００１９】
その際、電極面内において、反応ガスの流れ方向上流では、反応の集中等によって発電電流値が変動し易く、電流密度分布を正確に検出することができない。このため、発電電流値が比較的に安定化する反応ガス流れ方向下流に、複数のホール素子を配設することにより、電極面内でのフラッディング等の発生を確実に検出することが可能になる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の電流密度調整方法を実施する燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１２の要部分解斜視説明図である。
【００２１】
図１に示すように、燃料電池１２には、水素含有ガス等の燃料ガスを供給するための燃料ガス供給系１４と、酸素含有ガス等（例えば、空気）の酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給系１６とが設けられる。
【００２２】
燃料ガス供給系１４は、水素タンク等の燃料ガス供給源１８を備え、この燃料ガス供給源１８から燃料電池１２に燃料ガス供給路２０が接続される。燃料ガス供給路２０には、圧力調整用バルブ２２と加湿器２４とが設けられるとともに、前記加湿器２４をバイパスするバイパス供給路２６が設けられる。加湿器２４の近傍及びバイパス供給路２６には、それぞれバルブ２８、３０が配設される。
【００２３】
燃料ガス供給路２０には、加湿器２４を含んで循環経路３２が設けられる。この循環経路３２は、燃料電池１２からの排ガス（燃料ガス）を、再度、前記燃料電池１２に循環して供給するものであり、前記循環経路３２には、ポンプ３４及びパージライン３６が設けられる。パージライン３６には、パージバルブ３８が配設される一方、ポンプ３４と前記パージライン３６の分岐部位との間には、バルブ４０が配設される。
【００２４】
酸化剤ガス供給系１６は、酸化剤ガス供給用スーパーチャージャ（ポンプ）４２が配設される酸化剤ガス供給路４４を備える。酸化剤ガス供給路４４には、熱交換器等の加湿器４６が配設されるとともに、この加湿器４６をバイパスするバイパス供給路４８が設けられる。加湿器４６は、燃料電池１２から排出される排ガス（酸化剤ガス）中に含まれる水分及び熱を、供給される酸化剤ガスと交換することにより前記酸化剤ガスの加湿を行う。加湿器４６の近傍及びバイパス供給路４８には、それぞれバルブ５０、５２が配設される。加湿器４６には、燃料電池１２からの排ガスを供給するための排ガス経路５４が接続される。
【００２５】
燃料電池システム１０は、各種バルブ及びポンプを制御するためのコントローラ（制御部）５６を備える。このコントローラ５６には、燃料電池１２に組み込まれる電流密度測定装置６０が接続されている。
【００２６】
図２に示すように、燃料電池１２は、発電セル６２を備えるとともに、前記発電セル６２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６４と、前記電解質膜・電極構造体６４を挟持する第１及び第２セパレータ６６、６８とを備える。
【００２７】
図３に示すように、電解質膜・電極構造体６４と第１及び第２セパレータ６６、６８との間には、後述する連通孔の周囲及び電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材６９が介装されている。
【００２８】
発電セル６２の水平方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、積層方向（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側連通孔７０ａと、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側連通孔７２ｂとが設けられる。
【００２９】
発電セル６２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側連通孔７２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出側連通孔７０ｂとが設けられる。
【００３０】
発電セル６２の下端縁部には、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体を供給するための冷却媒体供給側連通孔７４ａが２つ設けられるとともに、前記発電セル６２の上端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出側連通孔７４ｂが２つ設けられる。
【００３１】
電解質膜・電極構造体６４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（電解質）７６と、該固体高分子電解質膜７６を挟持するアノード側電極７８及びカソード側電極８０とを備える。アノード側電極７８及びカソード側電極８０は、カーボンペ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が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とをそれぞれ有する。
【００３２】
第１セパレータ６６のカソード側電極８０に向き合う面６６ａには、前記カソード側電極８０に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路８２が形成される。酸化剤ガス流路８２は、酸化剤ガス供給側連通孔７０ａ及び酸化剤ガス排出側連通孔７０ｂに連通するとともに、矢印Ｂ方向に蛇行する複数本のサーペンタイン流路溝（図示せず）を備える。
【００３３】
第２セパレータ６８のアノード側電極７８に向き合う面６８ａには、前記アノード側電極７８に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス流路８４が形成される。燃料ガス流路８４は、酸化剤ガス流路８２と同様に構成されており、燃料ガス供給側連通孔７２ａ及び燃料ガス排出側連通孔７２ｂに連通するとともに、矢印Ｂ方向に蛇行する複数本のサーペンタイン流路溝を備える。
【００３４】
第２セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、直線状の冷却媒体流路８６が設けられる。この冷却媒体流路８６は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に平行に延在する所定本数の流路溝を設けており、前記流路溝の両端は、冷却媒体供給側連通孔７４ａと、冷却媒体排出側連通孔７４ｂとに連通している。
【００３５】
図２に示すように、燃料電池１２は、発電セル６２を単位セルとして、あるいは、複数積層してスタックとして設けている。なお、燃料電池１２において、発電セル６２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。
【００３６】
発電セル６２のアノード側である第２セパレータ６８に隣接して、銅製のターミナルプレート９０ａ、絶縁プレート９２ａ及び第１エンドプレート９４ａが積層される。第１エンドプレート９４ａの略中央部には、絶縁プレート９２ａに一体的に設けられる円筒部９６ａが貫通しており、前記円筒部９６ａ内には、ターミナルプレート９０ａに一体的に設けられる円柱状のアノード端子９８ａが挿入される。
【００３７】
発電セル６２のカソード側である第１セパレータ６６に隣接して、カーボンターミナル１００が配置され、前記カーボンターミナル１００には、絶縁プレート１０２を介装して電流密度測定装置６０が配置される。
【００３８】
この電流密度測定装置６０には、銅製のターミナルプレート９０ｂ、絶縁プレート９２ｂ及び第２エンドプレート９４ｂが積層される。第２エンドプレート９４ｂの略中央部には、絶縁プレート９２ｂに一体的に設けられる円筒部９６ｂが挿入されており、前記円筒部９６ｂには、ターミナルプレート９０ｂに一体的に設けられる円柱状のカソード端子９８ｂが挿入される。アノード端子９８ａとカソード端子９８ｂとは、電子負荷装置１０４に接続されている。
【００３９】
図４及び図５に示すように、電流密度測定装置６０は、センサマウントプレート１０６を備える。このセンサマウントプレート１０６には、銅製の母材に金メッキ処理を施しており、カーボンターミナル１００に向かって突出する複数のポール部１０８が一体的に設けられる。このポール部１０８は、電極面内の各測定位置に対応して、具体的には、反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向下流に、すなわち、センサマウントプレート１０６の上部に、矢印Ｂ方向に６個だけ設けられる。
【００４０】
各ポール部１０８には、略円筒状のフェライトコア１１０が外装されるとともに、前記フェライトコア１１０に形成されたスリット１１２には、ホール素子１１４が取り付けられる。ポール部１０８、フェライトコア１１０及びホール素子１１４によって、電流センサ１１６が構成される。
【００４１】
センサマウントプレート１０６には、各ポール部１０８の近傍にホール素子１１４を位置決めするためのインデックス１１８が形成されるとともに、前記センサマウントプレート１０６の面内には、絶縁樹脂製の支柱１２０が配設される。この支柱１２０は、面圧の均一化を図るとともに、外部からの衝撃に対する剛性を保持する機能を備えている。
【００４２】
上記の燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
図１に示すように、燃料ガス供給系１４を構成する燃料ガス供給源１８から燃料ガス供給路２０に、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。この燃料ガスは、圧力調整用バルブ２２により所定の圧力に調整された後、加湿器２４を通って加湿された状態で、燃料電池１２内の発電セル６２に供給される。
【００４４】
一方、酸化剤ガス供給系１６を構成するスーパーチャージャ４２が駆動され、酸化剤ガス供給路４４に酸素含有ガスである空気等の酸化剤ガスが供給される。この酸化剤ガスは、加湿器４６を通って加湿された状態で、燃料電池１２内の発電セル６２に供給される。
【００４５】
図３に示すように、発電セル６２では、燃料ガスが、矢印Ａ方向に連通している燃料ガス供給側連通孔７２ａから第２セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路８４に沿って矢印Ｂ方向に蛇行することにより、電解質膜・電極構造体６４を構成するアノード側電極７８に供給される。
【００４６】
一方、酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に連通している酸化剤ガス供給側連通孔７０ａに供給され、第１セパレータ６６の酸化剤ガス流路８２に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路８２を介して矢印Ｂ方向に蛇行することにより、電解質膜・電極構造体６４のカソード側電極８０に供給される。
【００４７】
従って、電解質膜・電極構造体６４では、カソード側電極８０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極７８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。
【００４８】
次いで、カソード側電極８０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出側連通孔７０ｂに排出される。同様に、アノード側電極７８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出側連通孔７２ｂに排出される。
【００４９】
また、冷却媒体供給側連通孔７４ａには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。この冷却媒体は、第２セパレータ６８の冷却媒体流路８６に導入され、前記冷却媒体流路８６に沿って鉛直上方向に移動して電解質膜・電極構造体６４を冷却した後、冷却媒体排出側連通孔７４ｂに排出される。
【００５０】
次に、本実施形態に係る電流密度調整方法について、以下に説明する。
【００５１】
電流密度測定装置６０を構成する電流センサ１１６では、ホール効果を用いてホール出力電圧Ｖ_Ｈが検出され、このホール出力電圧Ｖ_Ｈが、予め既知の電流値で作成した検量線（Ｉ∝Ｖ_Ｈ）を基準に電流値換算される。このため、燃料電池１２に発生する各測定位置の発電電流Ｉが検出される。
【００５２】
すなわち、図６に示すように、ポール部１０８に電流Ｉが流れると、ホール素子１１４には、フェライトコア１１０を介して磁束密度Ｂの磁界が作用する。その際、ホール素子１１４には、電流Ｉが流れており、この電流Ｉの流れ方向及び磁界の作用する方向に直交する方向に、ホール出力電圧Ｖ_Ｈが発生する。
【００５３】
電流Ｉは、フェライトコア１１０の中を通る磁束密度Ｂに比例し（Ｉ∝Ｂ）、この磁束密度Ｂはホール出力電圧Ｖ_Ｈに比例する（Ｉ∝Ｂ）。この結果、電流Ｉは、ホール出力電圧Ｖ_Ｈに比例する（Ｉ∝Ｂ）。そして、ホール出力電圧Ｖ_Ｈは、
Ｖ_Ｈ＝Ｂ・μＨ・Ｗ／Ｌ・Ｖ_{ＣＯＮＳＴ}（＝Ｖ_ＨＭ−Ｖ_Ｕ）
から算出される。
【００５４】
ここで、Ｖ_Ｈはホール出力電圧、Ｂは磁束密度、μＨは電子移動度、Ｖ_{ＣＯＮＳＴ}は素子駆動電圧、Ｗは受感部の幅、Ｌは受感部の長さ、Ｖ_ＨＭは測定出力電圧、Ｖ_Ｕは不平衡電圧である。
【００５５】
従って、ホール素子１１４を備えた複数（例えば、６個）の電流センサ１１６が駆動され、発電中の燃料電池１２のカソード側電極８０から流れる電流Ｉにより各ホール出力電圧Ｖ_Ｈが検出される。これによって、燃料電池１２の電極面内の各測定位置における発電電流値（電流Ｉ）が検出され、さらに電流密度分布（Ａ／ｃｍ^２）が得られる。
【００５６】
ここで、図７には、酸化剤ガス流路８２の流れ方向に沿った高負荷発電環境状態のイメージが示されている。これにより、流れ方向上流側では、検出される発電電流値の変動が大きく、正確な検出値が得られ難い。このため、流れ方向下流側の発電電流値を検出することにより、すなわち、電流センサ１１６をセンサマウントプレート１０６の上部に矢印Ｂ方向に６個だけ設けることにより、正確な検出値が確実に得られる。
【００５７】
そこで、図８に示すように、６個の電流センサ１１６の中、ｎ個（例えば、５個）以上の電流密度がＩ１Ａ／ｃｍ^２未満になると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、アノード側の所定の制御が行われる。具体的には、図１に示すように、燃料ガス供給路２０に設けられるバルブ２８を閉塞する一方、バルブ３０を開放してバイパス供給路２６に燃料ガスが供給される。このため、燃料電池１２には、無加湿の燃料ガスが供給される。
【００５８】
上記の燃料ガスの無加湿制御と共に、又は、該無加湿制御に代えて、パージ制御が行われる。このパージ制御では、バルブ４０が閉塞される一方、パージバルブ３８が開放される。従って、燃料電池１２から排出される排ガス（燃料ガス）は、液状水（生成水）を伴ってパージライン３６から排出され、アノード側電極７８の電極面内でのフラッディング等が解消される（ステップＳ１中、ＮＯ）。
【００５９】
また、上記の燃料ガスの無加湿制御では、燃料ガスの一部をバイパス供給路２６に送るとともに、残余の燃料ガスを加湿器２４で加湿することができる。その際、無加湿状態の燃料ガスと加湿状態の燃料ガスとの流量比を制御することによって、アノード側電極７８のフラッディング等が解消される一方、前記燃料ガスの入口側で固体高分子電解質膜７６が乾燥することを阻止することが可能になる。
【００６０】
次いで、アノード側の制御が終了すると、ステップＳ３に進んで、６個の、すなわち、すべての電流センサ１１６の電流密度がＩ２Ａ／ｃｍ^２未満であるか否かが判断される（Ｉ２＜Ｉ１）。すべての電流密度がＩ２Ａ／ｃｍ^２未満であると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、カソード側の制御が行われる。具体的には、図１に示すように、酸化剤ガス供給路４４に設けられるバルブ５０を閉塞する一方、バルブ５２を開放してバイパス供給路４８に酸化剤ガスが供給される。このため、燃料電池１２には、無加湿の酸化剤ガスが供給される。
【００６１】
上記の酸化剤ガスの無加湿制御と共に、又は、該無加湿制御に代えて、前記酸化剤ガスの増量（又は、増圧）制御が行われる。従って、酸化剤ガス供給路４４に供給される酸化剤ガス流量が増大し、滞留水を強制的に押し出してカソード側電極８０のフラッディング等が一層確実に解消される。
【００６２】
また、上記の酸化剤ガスの無加湿制御では、酸化剤ガスの一部をバイパス供給路４８に送るとともに、残余の酸化剤ガスを加湿器４６で加湿することができる。その際、無加湿状態の酸化剤ガスと加湿状態の酸化剤ガスとの流量比を制御することによって、カソード側電極８０のフラッディング等が解消される一方、前記酸化剤ガスの入口側で固体高分子電解質膜７６が乾燥することを阻止することが可能になる。
【００６３】
ところで、本実施形態では、アノード側及びカソード側の制御を、図９に示すように、さらに多段階で行うことができる。先ず、ｎ個（５個）以上の電流センサ１１６の電流密度がＩ３Ａ／ｃｍ^２未満になると（ステップＳ１０中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１に進んで、アノード側の無加湿制御が行われる。このため、燃料電池１２には、無加湿の燃料ガスが供給される（Ｉ２＜Ｉ１＜Ｉ３）。
【００６４】
上記の燃料ガスの無加湿制御が行われた後（ステップＳ１０中、ＮＯ）、ステップＳ１２に進み、ｎ個（５個）以上の電流センサ１１６の電流密度がＩ１Ａ／ｃｍ^２未満であるか否かが判断される。前記電流密度がＩ１Ａ／ｃｍ^２未満であると（ステップＳ１２中、ＹＥＳ）、パージ制御が行われる（ステップＳ１３）。これにより、アノード側電極７８の電極面内でのフラッディング等が解消される（ステップＳ１２中、ＮＯ）。
【００６５】
次いで、ステップＳ１４において、６個の電流センサ１１６の電流密度がＩ１Ａ／ｃｍ^２未満であるか否かが判断される。前記電流密度がＩ１Ａ／ｃｍ^２未満であると（ステップＳ１４中、ＹＥＳ）、カソード側の無加湿制御が行われる（ステップＳ１５）。そして、酸化剤ガスの無加湿制御が終了すると（ステップＳ１４中、ＮＯ）、ステップＳ１６に進んで、６個の電流センサ１１６の電流密度がＩ２Ａ／ｃｍ^２未満であるか否かが判断される。
【００６６】
前記電流密度がＩ２Ａ／ｃｍ^２未満であると（ステップＳ１６中、ＹＥＳ）、ステップＳ１７に進んで、酸化剤ガスの増量（又は、増圧）制御が行われる。従って、酸化剤ガス供給路４４に供給される酸化剤ガス流量が増大し、滞留水を強制的に押し出してカソード側電極８０のフラッディング等が解消される。
【００６７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池の電流密度調整方法では、電極面内でのフラッディング等が発生した際、少なくとも反応ガスの一部が加湿器をバイパスするバイパス供給路から燃料電池に供給される。従って、反応ガスは、通常の運転時に比べて低加湿状態で燃料電池に供給され、電極面内のフラッディング等が迅速且つ確実に解消される。これにより、簡単な工程で、電極面内の電流密度分布が均一化され、所望の発電性能を確実に発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の電流密度調整方法を実施する燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図４】電流密度測定装置の一部分解斜視説明図である。
【図５】前記電流密度測定装置の正面説明図である。
【図６】前記電流密度測定装置に用いられるホール素子の説明図である。
【図７】電極面内における酸化剤ガスの流れ方向に沿った高負荷発電環境状態のイメージ説明図である。
【図８】前記電流密度調整方法を説明するフローチャートである。
【図９】前記電流密度調整方法をさらに多段階に行う際のフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム１２…燃料電池
１４…燃料ガス供給系１６…酸化剤ガス供給系
１８…燃料ガス供給源２０…燃料ガス供給路
２４、４６…加湿器２６、４８…バイパス供給路
２８、３０、４０、５０、５２…バルブ
３２…循環経路３６…パージライン
３８…パージバルブ４４…酸化剤ガス供給路
６０…電流密度測定装置６２…発電セル
６４…電解質膜・電極構造体６６、６８…セパレータ
７６…固体高分子電解質膜７８…アノード側電極
８０…カソード側電極８２…酸化剤ガス流路
８４…燃料ガス流路８６…冷却媒体流路
１０６…センサマウントプレート１０８…ポール部
１１０…フェライトコア１１４…ホール素子
１１６…電流センサ

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータで挟持して構成される燃料電池の電流密度を測定するとともに、前記電流密度の分布を調整するための電流密度調整方法であって、
前記燃料電池の発電時に、該燃料電池の電極面内に設定された複数の測定位置の電流密度を検出する工程と、
前記検出された電流密度が規定値以下になった際、反応ガスの少なくとも一部を、加湿器をバイパスするバイパス供給路から前記燃料電池に供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の電流密度調整方法。
請求項１記載の電流密度調整方法において、前記検出された電流密度が規定値以下になった際、前記反応ガスの一部が前記加湿器をバイパスして無加湿で供給される流量と、前記反応ガスの残余の部分が前記加湿器を通って加湿状態で供給される流量との流量比を制御することを特徴とする燃料電池の電流密度調整方法。
請求項１又は２記載の電流密度調整方法において、前記検出された電流密度が第１の規定値以下になった際、前記反応ガスである燃料ガスに所定の制御を行う工程と、
前記検出された電流密度が前記第１の規定値よりも低い第２の規定値以下になった際、前記反応ガスである酸化剤ガスの少なくとも一部に無加湿制御を行う工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の電流密度調整方法。
請求項３記載の電流密度調整方法において、前記燃料ガスの所定の制御とは、前記燃料電池からの排ガスの一部を外部に排出するパージ制御であることを特徴とする燃料電池の電流密度調整方法。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電流密度調整方法において、前記電極面内には、反応ガスの流れ方向下流に複数のホール素子が配設され、前記複数のホール素子を介して前記複数の測定位置の電流密度を検出することを特徴とする燃料電池の電流密度調整方法。