JP2005322577A

JP2005322577A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005322577A
Application number: JP2004141008A
Authority: JP
Inventors: Souhei Suga; 創平須賀
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2005-11-17

Abstract

【課題】酸化剤ガス拡散層の水及び水蒸気透過性を制御することにより、酸化剤ガス拡散層の排水性を高め、フラッディングの発生を抑制し、高い発電性能を維持する。
【解決手段】燃料電池システムに、単位電池１００を積層したスタック２００の軸方向圧力を変化させる電動ジャッキ２０７を備える。負荷装置２０１は、燃料電池の電圧、電流、内部抵抗を測定し、データログ装置２０９へ送信して記憶させる。演算制御装置２１０は、データログ装置２０９に記憶した燃料電池の発電履歴と、演算制御装置２１０が内蔵する活性化分極劣化データベース及び拡散分極劣化データベースに基づいて、スタック２００の各分極を分離する演算を行う。この演算結果に基づいて、演算制御装置２１０は、電動ジャッキ２０７を制御し、ガス拡散層の透過性を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

通常燃料電池は、単位電池である燃料電池セルを多数積層した燃料電池スタックとして構成される。燃料電池スタックでは、反応ガスは各セル並列に供給され、出力電圧は各セルを直列接続した電圧となる。燃料電池スタックの抵抗損失を低減するためには、隣接するセル間の接触抵抗を低く保つために、燃料電池スタック全体に対し所望の締め付け力を確実に付与することが必要である。

このようなスタック構成方法として、例えば、燃料電池スタックの積層方向両端に高剛性のエンドプレートを配置し、両エンドプレートを締め付ける締め付けボルトによるセル固定機構と、スタック積層方向の軸力を検出する軸力検出手段と、検出された軸力に基づいて締め付けボルトの締め付け力を調整するステッピングモータ等の軸力調整手段を備えた燃料電池スタックが提案されている（特許文献１）。

またエンドプレートと積層セル端部との間に圧力チャンバを設け、この圧力チャンバ内の流体圧力を調整する内圧調整手段によりスタック積層方向の軸力を可変とした燃料電池スタックが提案されている（特許文献２、特許文献３）。
特開２００１−３２５９８５（第３頁、図１）特開２００１−０９３５６４（第４頁、図１）特開２０００−２９４２６８（第４頁、図１）

しかしながら上記従来のスタック機構は、スタック内の温度分布、接触抵抗を監視してスタック軸方向圧力を制御する機構になっていたため、燃料電池ガス拡散層のガス拡散性の劣化による性能低下を抑制する制御を行うことができないという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するため、高分子電解質膜を挟んで燃料極触媒層と酸化剤極触媒層とを形成した膜電極接合体と、前記燃料極触媒層に燃料ガスを供給する燃料極ガス拡散層と、前記酸化剤極触媒層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極ガス拡散層と、前記燃料極ガス拡散層に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極ガス拡散層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータと、を備えた単位電池を少なくとも一つ備えた燃料電池システムにおいて、少なくとも前記酸化剤ガス拡散層に対して前記燃料電池の積層方向に印加する圧力を変化させる圧力可変手段と、燃料電池の活性化分極性能の劣化及び拡散分極性能の劣化を推定する劣化推定手段と、該劣化推定手段の推定に基づいて前記加重可変手段を制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

また本発明は、上記問題点を解決するため、高分子電解質膜を挟んで燃料極触媒層と酸化剤極触媒層とを形成した膜電極接合体と、前記燃料極触媒層に燃料ガスを供給する燃料極ガス拡散層と、前記酸化剤極触媒層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極ガス拡散層と、前記燃料極ガス拡散層に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極ガス拡散層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータと、を備えた単位電池を少なくとも一つ備えた燃料電池システムにおいて、少なくとも前記酸化剤ガス拡散層に対して前記燃料電池の積層方向に印加する圧力を変化させる圧力可変手段と、燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、該セル電圧検出手段が検出した前記セル電圧に基づいて、前記圧力可変手段による前記燃料電池の積層方向の圧力を制御する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、圧力可変手段により酸化剤ガス拡散層に加わる積層方向の圧力を変化させて、酸化剤ガス拡散層の水及び水蒸気透過性を制御することにより、酸化剤ガス拡散層の排水性を高め、フラッディングの発生を抑制し、燃料電池の高い発電性能を維持することができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１（ａ）は、従来の燃料電池の発電状態におけるカソード側水移動を説明する模式図である。カソード触媒層１０５で反応により生成した生成水、または図外のアノードから水素イオンに伴って電解質膜１１４中をカソード触媒層１０５へ移動した電気浸透水は、ガス拡散層１０７を介してカソードセパレータ１０９に設けられたカソードガス流路１０３に排出される。

しかしながら、カソードガス拡散層１０７の撥水性能は、累積発電時間、累積発電電力量、起動回数等の発電履歴に伴って経時的に低下する。このため上記生成水や電気浸透水等の液水及び水蒸気は、図１（ｂ）に示すように、撥水性が低下したガス拡散層１０７に滞留してフラッディング（水溢れ）の原因となる。

図１（ｃ）、（ｄ）は、本発明に係る燃料電池システムを示す模式断面図であり、（ｃ）はフラッディング発生時の状態、（ｄ）はフラッディング解消時の状態を示している。本発明によれば、燃料電池の積層方向に加える圧力を圧力可変手段１により変化させることができるので、経時変化等によりカソードガス拡散層１０７の撥水性が低下しても、圧力可変手段１によりカソードガス拡散層１０７に加える圧力を低減することによりカソードガス拡散層１０７の空孔率を上昇させて、液水や水蒸気をカソードガス流路１０３へ排出しやすくすることができる。

燃料電池の性能は以下の式で示される（出典：Wolf Vielstich et.al. Handbook of Fuel cells-Fundamentals, Technology and Applications, Vol.3, John Wiley & Sons Ltd., 593, (2003) ISBN:0-471-49926-9）。

Ｖcell ＝Ｖrev − ηORR − ηHOR − ηMT − ΔEΩ …(1)
セル電圧を示す式（１）において、Ｖcellはセル電圧、Ｖrevは平衡電圧、ηORRは酸素還元反応（ORR）の活性化分極、ηHORは水素酸化反応（HOR）の活性化分極、ηMTは拡散分極、ΔEΩはオーム損（抵抗分極）を示す。

平衡電圧Ｖrevは、燃料極と酸化剤極に使用されるガス種によって決定される定数であり、抵抗分極ΔEΩは、セル電流と内部抵抗の値から算出できる。活性化分極（ηORR及びηHOR）は、カソード及びアノードの触媒が発電履歴と共に劣化するのに伴って、経時的に増加する。拡散分極ηMTは、アノード及びカソードのガス拡散層のガス透過性能の低下に伴って経時的に増加するとともに、フラッディングが生じれば、液水がガス透過を妨げるので一時的に急増する。すなわち活性化分極（ηORR及びηHOR）が求められれば、拡散分極ηMTは、式（２）により求めることができる。

ηMT ＝Ｖrev − ηORR − ηHOR − ΔEΩ − Ｖcell …(2)
ここで、燃料電池の経時的な性能低下は、燃料電池の電流−電圧特性において、初期状態に比べて同一電流値における電圧が低下することに現れる。この電圧低下は、それぞれの要因によって特徴的な傾向が異なる。触媒活性の劣化による活性化分極の増加は、小電流域からの電圧低下として現れる。各層間の接触抵抗の増大や、触媒層、ガス拡散層、電解質膜層の各層自体の抵抗増加による抵抗分極は、電流増加に対する電圧低下率の増大として現れる。ガス拡散層の拡散性能の低下は、主として大電流域の電圧低下として現れる。

本発明においては、活性化分極及び拡散分極のそれぞれ経時的な変化データを実験的に収集してデータベース化した、図９の活性化分極を示すデータベースと、図１０のガス拡散層分極データベースとを用いることにより、抵抗分極、活性化分極、拡散分極の経時的な劣化を演算することが可能である。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を示す模式断面図であり、単位電池を一つ用いた燃料電池システムの例である。図２において、単位電池（セル）１００は、高分子電解質膜１１４の両面に、それぞれカソード触媒層１０５及びアノード触媒層１０４が形成されている。カソード触媒層１０５に接してカソードガス拡散層１０７、アノード触媒層１０４に接してアノードガス拡散層１０６がそれぞれ積層される。その外側にカソードガス流路１０３を有するカソードセパレータ１０９、及びアノードガス流路１０２を有するアノードセパレータ１０８が積層される。

固体高分子電解質膜１１４、両極触媒層１０４，１０５、両極ガス拡散層１０６，１０７の外周には、両極セパレータ１０８，１０９と接してなる絶縁されたエッジシール１０１により被覆され、単位電池１００を構成する。単位電池１００の外側は、カソードセパレータ１０９の外側にはカソード集電板１１１、アノードセパレータ１０８の外側にはアノード集電板１１０が配置され、両極集電板外側にカソードエンドプレート１１３、アノードエンドプレート１１２を配置している。

またカソード側にはカソードガスを供給するカソード入口１１６、カソードガスを排出するカソード出口１１８が配置され、アノード側にはアノードガスを供給するアノード入口１１５、アノードガスを排出するアノード出口１１７が配置されている。

アノードガス拡散層１０６及びカソードガス拡散層１０７は、例えばカーボンペーパやカーボンフェルト等の導電性かつ多孔質の耐酸性物質を薄板状に成形したものに撥水処理を施して用いられる。本発明においては、少なくともカソードガス拡散層１０７は、その厚さ方向に印加される圧力（面圧）の増減に対して示す弾性が大きい方が好ましい。即ちカソードガス拡散層１０７は、面圧が増加されると、圧縮されて気孔率が低下し、逆に面圧が低減されると、膨張して気孔率が増加する特性を有するものとする。

単位電池１００の上部には、少なくともカソードガス拡散層（酸化剤ガス拡散層）１０７に対して単位電池の積層方向に印加する圧力を変化させる圧力可変手段としての電動ジャッキ１１９が設置され、適宜配置されたガイド１２０により締結されている。単位電池１００に掛かる軸方向の面圧はカソードエンドプレート１１３下部に設置された圧力センサ１２２に検出され、軸方向の変位量はアノードエンドプレート１１２の上部に設置された歪ゲージセンサ１２１により検出される。

図示しない制御装置は、単位電池１００の活性化分極性能の劣化及び拡散分極性能の劣化を推定する劣化推定手段と、該劣化推定手段の推定に基づいて圧力可変手段である電動ジャッキ２０７を制御する制御手段とを兼ね備える。この制御装置は、例えば、燃料電池の運転履歴に基づいて、燃料電池の活性化分極性能の劣化及び拡散分極性能の劣化を推定し、この推定結果に基づいて、電動ジャッキ２０７を制御して、単位電池１００に印加する圧力を変化させることにより、アノードガス拡散層１０６，カソードガス拡散層１０７のガス透過性を制御して、フラッディングを解消するように制御する。

図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を示すシステム構成図である。本実施例は、単位電池を多数積層したスタックに本発明を適用した例である。図３において、単位電池１００を多数積層したスタック２００の両端を２枚の集電板２０２により挟持し、各集電板２０２は、正極または陰極として負荷装置２０１に接続される。スタック２００は、内部マニホールド構造とし、燃料はアノード入口２０５より導入されアノード出口２０６により排気される。同時に、酸化剤はカソード入口２０３より導入され、カソード出口２０４より排気される。アノード、カソード間は絶縁性の配管２１２で接合される。実施例１の単位電池の機構と同様に、一方の集電板２０２の外側にエンドプレートを介して、圧力可変手段である電動ジャッキ２０７を配置し、他方の集電板２０２の外側にエンドプレートを介してスタック軸方向の圧力を検出する圧力センサ１２２を設置している。電動ジャッキ２０７のスタック軸方向の変位は、フレーム１２３に取り付けられた歪ゲージ１２１によって検知される。

負荷装置２０１は、スタック２００から負荷装置２０１へ供給される電圧値及び電流値を検出するとともに、負荷装置２０１内部に設けた交流電源及び交流インピーダンス測定器によりスタック２００の内部抵抗を交流信号により検出する。

負荷装置２０１から得られた電圧、電流、内部抵抗の各データは、データログ装置２０９に時刻情報を伴って収集され、演算制御装置２１０に送らる。

演算制御装置２１０では、データログ装置２０９に収集された電圧、電流、内部抵抗の各データに基づいて、演算制御装置２０１に内蔵するデータベース（図９、図１０）を参照して、スタック２００の分極を活性化分極、抵抗分極、拡散分極の各分極に分離する演算を行う。

次いで、演算制御装置２１０は、この分極分離演算の結果に基づいて、圧力制御係数に補正をかけ、補正演算結果より、バッテリー２０８を動力として駆動する電動ジャッキ２０７を制御して、スタック２００に加える圧力を変化させる。スタック２００にかかる圧力は圧力センサ１２２が検知し、また電動ジャッキ２０７によるスタック軸方向の変位は歪みゲージセンサ１２１が検出する。これら検知された圧力と変位は、データログ装置２０９に情報が保存される。

スタック２００の詳細を図４に示す。図中の３００はスタックを示している。燃料はアノード入口２０５より導入されアノード出口２０６により排気される。同時に、酸化剤はカソード入口２０３より導入され、カソード出口２０４より排気される。アノード、カソード間は絶縁性の配管２１２で接合される。燃料ガスまたは酸化剤ガスは、瀬ｐられーた３０１に形成されたガス流路３０２を流通する。前記マニホールド構造によれば、スタックの積層方向への圧力可変制御が可能となり、また、配管については両極間が絶縁性の配管により接続されているので短絡しない。

図５，６は、本実施例における演算制御装置２１０が実行する制御フローチャートの例である。高電流密度域において電圧変化量を内部抵抗取得データより、前記データベース情報を反映させ、各分極を演算し、一定電流密度域において閾値以上の電圧変化が確認されたときに、電動ジャッキ２０７によりスタック積層方向の圧力を変化させることにより、カソードガス拡散層のガス透過性を変化させて、急激な性能低下を回避することが可能である。

尚、本実施例及び以下の実施例における燃料電池の高電流密度域とは、電流密度が０．８〔Ａ/ｃｍ² 〕以上の領域であり、発電性能が酸化剤酸素分圧の影響を受け、ガス拡散速度に律される領域である。

次に、図５、６のフローチャートにおける制御変数は、以下の通りである。

ＮＳ：起動回数
Ｎ：データ取得回数（今回の起動時からのスタック監視データの取得回数）
Ｃ：電流密度
Ｖ：セル電圧
Ｒ：内部抵抗
Ｐ：軸方向圧力
Ｌ：軸方向変位
Ｔ：時刻
Ｔｈ：高電流密度の発電状態における燃料電池の総運転時間
ｑ：高電流密度の発電状態における燃料電池の発電発電量（Ｔ（Ｎ−１）からＴ（Ｎ）まで）
Ｑ：高電流密度の発電状態における燃料電池の累積発電電力量
また、任意の変数Ｘに対して、添え字ｉを付与したＸｉは、監視データの初期値を示し、配列番号（Ｎ）を付与したＸ（Ｎ）は、データ取得回数Ｎにおける変数値を示すものとする。

図５において、燃料電池システムの起動時には、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において起動回数ＮＳを１だけ増加させて更新し、次いでＳ１２で今回の起動後のスタック監視データの取得回数を初期化してＮ＝０とする。

次いで、Ｓ１４で電流計により検出した燃料電池の出力電流に基づいて電流密度検出値Ｃ１を入力してＣ＝Ｃ１とし、Ｓ１６で電流密度Ｃが高電流密度閾値Ｃｈを超えたか否かを判定する。ＣがＣｈを超えていなければ、Ｓ１４へ戻る。

Ｓ１６の判定で、電流密度ＣがＣｈを超えていれば、Ｓ２２へ進む。

一方、燃料電池システムの起動時以外の起動後の場合、起動回数ＮＳ及びデータ取得回数Ｎの値を保持したまま、所定時間毎（例えば、０．１[sec] ）に、Ｓ１８以下の処理がメインルーチンから呼び出される。

前記所定時間は、、燃料電池の発電電力の時間変化にもよるが、高電流密度の総発電時間や高電流密度の総発電電力量の算出誤差が無視できる程度の時間間隔とする。

Ｓ１８では、電流計により検出した燃料電池の出力電流に基づいて電流密度検出値Ｃ１を入力してＣ＝Ｃ１とし、Ｓ２０で電流密度Ｃが高電流密度閾値Ｃｈを超えたか否かを判定する。ＣがＣｈを超えていなければ、何もせずにメインルーチンへリターンする。Ｓ２０の判定で、電流密度ＣがＣｈを超えていれば、Ｓ２２へ進む。

Ｓ２２では、データ取得回数Ｎを１だけ増加させて更新し、Ｓ２４では、スタック状態の監視データである、セル電圧Ｖ（Ｎ）、電流密度Ｃ（Ｎ）、内部抵抗Ｒ（Ｎ）、軸方向圧力Ｐ（Ｎ）、軸方向変位Ｌ（Ｎ）、時刻Ｔ（Ｎ）を演算制御装置へ入力する。

次いでＳ２６では、データ取得回数Ｎが１であるか否かを判定し起動時の処理と、起動後の処理とを分ける。Ｓ２６の判定で、Ｎ＝１であれば、起動時の処理なので、Ｓ２８として、Ｓ２４で入力した各監視データを初期データ、Ｖｉ，Ｃｉ，Ｒｉ，Ｐｉ，Ｌｉ，Ｔｉとして、不揮発記憶装置へ記憶する。次いでＳ３０で、Ｔｉから微小時間ΔＴｉ経過後のセル電圧Ｖ、電流密度Ｃ、及び内部抵抗Ｒの監視データを入力して、それぞれＶｉ，Ｃｉ，Ｒｉとの差分、ΔＶｉ，ΔＣｉ，ΔＲｉを算出し、これらをそれぞれΔＴｉで除して、電圧時間変化率の初期データＤＶｉ，電流密度時間変化率の初期データＤＣｉ，抵抗時間変化率の初期データＤＲｉとして、不揮発記憶装置に記憶して、図６のＳ３６へ移行する。

一方、Ｓ２６の判定で、Ｎ＝１でなけれ、起動後の処理なので、Ｓ３２として、Ｓ２４で入力した各監視データをＶ，Ｃ，Ｒ，Ｐ，Ｌ，Ｔ，Ｎとして、不揮発記憶装置へ記憶する。次いでＳ３４で、高電流密度の発電電力量を算出する。今回の発電電力量は、
ｑ＝Ｖ×Ｃ×（Ｔ−Ｔ（Ｎ−１））
であるので、ｑを算出して、総発電電力量Ｑにｑを加算して更新する。さらに、高電流密度の総発電時間Ｔｈに（Ｔ−Ｔ（Ｎ−１））を加算して更新する。そして、更新後のＱとＴｈとを不揮発記憶装置に記憶して、図６のＳ３５へ移行する。

図６のＳ３５では、スタック監視データの初期値Ｖｉ、Ｃｉ，Ｒｉと、現在の値Ｖ、Ｃ、Ｒとのそれぞれの差分ΔＶ，ΔＣ，ΔＲを求め、ΔＶ，ΔＣ，ΔＲをそれぞれ今回の起動後の経過時間ΔＴで除して、セル電圧の時間変化率ＤＶ、電流密度の時間変化率ＤＣ、内部抵抗の時間変化率ＤＲを求める。

次いでＳ３６からＳ４０にかけて、高電流密度域、且つ電流変化が０、且つ電圧変化率が初期電圧変化率より大きいかを判定する。まずＳ３６で、電圧変化率ＤＶが初期電圧変化率ＤＶｉを超えているか否かを判定し、超えていなければメインルーチンへリターンする。ＤＶがＤＶｉを超えていれば、Ｓ３８において、電流密度Ｃが高電流密度閾値Ｃｈを超えているか否かを判定する。超えていなければ、メインルーチンへリターンする。ＣがＣｈを超えていれば、Ｓ４０へ進み、電流変化率ＤＣが０か否かを判定する。実際には、−ε₁ ＜ＤＣ＜ε₁（ε₁ は誤差範囲を定める微小正定数）か否かを判定する。ＤＣが誤差範囲内で０と判定できなければ、メインルーチンへリターンする。

Ｓ４０でＤＣが０と判定されれば、Ｓ４２へ進み、活性化分極Ｅａ、及び拡散分極Ｅｄの経時変化を示す劣化データベースを読み出す。

図９は、活性化分極データベースの例をグラフ化して図示している。縦軸を活性化分極Ｅａ、横軸を燃料電池が高電流密度域で発電した積算電力量Ｑ、または起動回数ＮＳとしているが、高電流密度域の総発電時間Ｔｈとしてもよい。そしてデータベースをＱまたはＮＳまたはＴｈで検索して、Ｅａを求めることができる。

図１０は、拡散分極データベースの例をグラフ化して図示している。縦軸を拡散分極Ｅｄ、横軸を燃料電池が高電流密度域で発電した積算電力量Ｑ、または起動回数ＮＳとしているが、高電流密度域の総発電時間Ｔｈとしてもよい。そしてデータベースをＱまたはＮＳまたはＴｈで検索して、Ｅｄを求めることができる。

活性化分極Ｅａ、及び拡散分極Ｅｄの経時変化を示す劣化データベースは、積算電力量Ｑ、起動回数ＮＳ、高電流密度域の総発電時間Ｔｈ等の運転履歴に基づいて、実験的にデータを収集して作成するが、Ｑ、ＮＳ，Ｔｈいずれを基準にするかは、必要とする運転履歴の精度や燃料電池の負荷の変動性に従って決めればよい。例えば、営業時間が定まった店舗等の照明用電源として燃料電池を使用する場合、起動回数ＮＳにより劣化ベースを作成しても全く問題がない。しかし車両駆動用電源として燃料電池を用いる場合には、積算電力量Ｑや高電流密度域の総発電時間Ｔｈの方が好ましい。

次いで、Ｓ４４で、セル電圧Ｖの初期値Ｖｉからの低下分ΔＶが、セル電圧Ｖから活性化分極Ｅａ及び抵抗分極（Ｃ×Ｒ）を減じたものに等しいか否かを判定する。実際には、誤差範囲±ε₂ の範囲に収まっているか否かを判定する。Ｓ４４の判定で誤差範囲内であれば、拡散分極劣化と判断してＳ４６へ進み、減圧力係数を更新（α₁ ＝α₁ ×Ｅｄ）し、次いでＳ４８でスタック軸方向圧力を減圧する（Ｐ＝Ｐ×α₁ ）してメインルーチンへリターンする。

Ｓ４４の判定で誤差範囲内でなければ、抵抗分極劣化と判断してＳ５０へ進み、加圧力係数を更新（α₂ ＝α₂ ×Ｃ×Ｒ）し、次いでＳ５２でスタック軸方向圧力を加圧する（Ｐ＝Ｐ×α₂ ）してメインルーチンへリターンする。

以上説明したように本実施例によれば、燃料電池の運転状態が高電流密度域、且つ電流密度の変化が０，かつ電圧変化率が初期電圧変化率より大きければ、セル電圧Ｖの初期値Ｖｉからの低下分ΔＶが、セル電圧Ｖから活性化分極Ｅａ及び抵抗分極Ｃ×Ｒを減じたものに等しいか否かを判定し、等しければ圧力可変手段によりスタック軸方向の圧力を減圧させ、等しくなければ、圧力可変手段によりスタック軸方向の圧力を加圧させることにより、ガス拡散層の水及び水蒸気透過性を制御し、フラッディングの発生を抑制し、燃料電池の高い発電性能を維持することができるという効果がある。

図７は、本発明の実施例３と比較例との電流密度に対するセル電圧変化を示す図である。図中黒丸で示す実施例３の燃料電池システムは、市販の固体高分子電解質膜に電極触媒層を形成した膜電極接合体に、ガス拡散層を接合して、実施例１の構成の燃料電池試験装置として組み立てた。

この燃料電池試験装置を用いて、セル温度７０［℃］、湿度６０［％］、電流密度１［Ａ／ｃｍ²］における燃料ガス利用率６７［％］、電流密度１［Ａ／ｃｍ²］における酸化剤（空気）利用率４０［％］の条件で、電流密度０から１．０１［Ａ／ｃｍ²］まで測定した結果である。

図中黒三角は比較例であり、セル温度、湿度、ガス利用率は同条件である。１０００時間連続運転後、実施例３のセル電圧低下は２０［ｍＶ］であったが、比較例のセル電圧は１００［ｍＶ］低下した。したがって、経時的なガス拡散層の劣化によって電極へのガス供給不足に起因する拡散分極が減少して、セル電圧の低下が抑制されることが確認された。

図８は、本発明の実施例４と比較例との電流密度に対するセル電圧変化を示す図である。実施例４は、実施例３と同様に実施例１の構成の燃料電池試験装置として組み立てた。この燃料電池試験装置を用いて、セル温度７０［℃］、湿度６０［％］、電流密度１［Ａ／ｃｍ²］における燃料ガス利用率６７［％］、電流密度１［Ａ／ｃｍ²］における酸化剤（空気）利用率４０［％］の条件で、電流密度を低電流密度側から高電流密度側へスイープさせた。この結果、実施例４は高電流密度域においても急激にセル電圧が低下することなく、安定した発電が得られた。比較例は高電流密度域においてフラッディングに起因すると思われる、セル電圧の急激な低下が確認された。したがって、本発明によれば、高電流密度域のフラッディングに起因するセル電圧の低下が抑制されることが確認された。

本発明に係る燃料電池システムの動作原理を説明する図である。本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する図である。本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明する図である。実施例２のセパレータ詳細図である。実施例２における制御フローチャートの前半部である。実施例２における制御フローチャートの後半部である。本発明に係る燃料電池システムの実施例３と比較例との電流密度に対するセル電圧変化を説明する図である。本発明に係る燃料電池システムの実施例４と比較例との電流密度に対するセル電圧変化を説明する図である。積算電力量又は起動回数に対する活性化分極の劣化を示すデータベースの例である。積算電力量又は起動回数に対する拡散分極の劣化を示すデータベースの例である。

符号の説明

１００：単位電池
１０１：エッジシール
１０２：アノード流路
１０３：カソード流路
１０４：アノード触媒層
１０５：カソード触媒層
１０６：アノードガス拡散層
１０７：カソードガス拡散層
１０８：アノードセパレータ
１０９：カソードセパレータ
１１０：アノード集電板
１１１：カソード集電板
１１２：アノードエンドプレート
１１３：カソードエンドプレート
１１４：固体高分子電解質膜
１１５：アノード入口
１１６：カソード入口
１１７：アノード出口
１１８：カソード出口
１１９：電動ジャッキ
１２０：ガイド
１２１：歪ゲージセンサ
１２２：圧力センサ
１２３：フレーム
２００：スタック
２０１：負荷装置
２０２：集電板
２０３：カソード入口
２０４：カソード出口
２０５：アノード入口
２０６：アノード出口
２０７：電動ジャッキ
２０８：バッテリー
２０９：データログ装置
２１０：演算制御装置
２１２：絶縁性配管

Claims

高分子電解質膜を挟んで燃料極触媒層と酸化剤極触媒層とを形成した膜電極接合体と、前記燃料極触媒層に燃料ガスを供給する燃料極ガス拡散層と、前記酸化剤極触媒層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極ガス拡散層と、前記燃料極ガス拡散層に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極ガス拡散層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータと、を備えた単位電池を少なくとも一つ備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも前記酸化剤ガス拡散層に対して前記燃料電池の積層方向に印加する圧力を変化させる圧力可変手段と、
燃料電池の活性化分極性能の劣化及び拡散分極性能の劣化を推定する劣化推定手段と、
該劣化推定手段の推定に基づいて前記加重可変手段を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池の発電履歴を記憶する発電履歴記憶手段と、
燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
燃料電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、
前記発電履歴記憶手段に記憶した発電履歴に対応した燃料電池の初期状態からの活性分極及び拡散分極の変化を予め記憶したデータベースと、を備え、
前記劣化推定手段は、前記発電履歴記憶手段に記憶した発電履歴に基づいて前記データベースから得た活性分極及び拡散分極、前記セル電圧検出手段によるセル電圧、及び前記内部抵抗検出手段による内部抵抗に基づいて、前記燃料電池の劣化を推定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記発電履歴記憶手段に記憶する発電履歴は、燃料電池の電流密度０．８[Ａ／ｃｍ² ]以上における、総運転時間または積算電力量、または燃料電池の起動回数であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
高分子電解質膜を挟んで燃料極触媒層と酸化剤極触媒層とを形成した膜電極接合体と、前記燃料極触媒層に燃料ガスを供給する燃料極ガス拡散層と、前記酸化剤極触媒層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極ガス拡散層と、前記燃料極ガス拡散層に燃料ガスを供給する燃料極セパレータと、前記酸化剤極ガス拡散層に酸化剤ガスを供給する酸化剤極セパレータと、を備えた単位電池を少なくとも一つ備えた燃料電池システムにおいて、
少なくとも前記酸化剤ガス拡散層に対して前記燃料電池の積層方向に印加する圧力を変化させる圧力可変手段と、
燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
該セル電圧検出手段が検出した前記セル電圧に基づいて、前記圧力可変手段による前記燃料電池の積層方向の圧力を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。