JP2007220322A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、安定した運転が可能な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】電解質膜2と、電解質膜2を挟持した一対の電極3、4と、一方の電極3に燃料ガスを供給すると共に、他方の電極4に酸化剤ガスを供給する流路を有するセパレータ5とを備える単位燃料電池を積層した燃料電池1と、電解質膜1の乾湿状態を検出する抵抗測定器7と、抵抗測定器7によって検出した情報を基に、電解質膜2が乾燥状態であるか否かを判定する乾燥状態判定手段15と、乾燥状態判定手段15によって電解質膜2が乾燥状態であると判定された場合に、乾燥状態と判定された電解質膜2を挟持するセパレータ5同士を短絡する劣化回避手段8、9、10とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】電解質膜2と、電解質膜2を挟持した一対の電極3、4と、一方の電極3に燃料ガスを供給すると共に、他方の電極4に酸化剤ガスを供給する流路を有するセパレータ5とを備える単位燃料電池を積層した燃料電池1と、電解質膜1の乾湿状態を検出する抵抗測定器7と、抵抗測定器7によって検出した情報を基に、電解質膜2が乾燥状態であるか否かを判定する乾燥状態判定手段15と、乾燥状態判定手段15によって電解質膜2が乾燥状態であると判定された場合に、乾燥状態と判定された電解質膜2を挟持するセパレータ5同士を短絡する劣化回避手段8、9、10とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、燃料電池システムに関するものである。
従来の燃料電池において、高出力密度化を図る方法として、セパレータの厚みを薄くする方法がある(例えば、特許文献1)。
特開平10−55809
移動体用燃料電池は、定置用燃料電池と異なり、要求される出力が常に変動する。このため、燃料電池に供給するガスの流量や湿度、冷却水の流量や水温等の運転条件を、運転状態に応じた適正値に高速で制御する必要がある。
燃料電池の運転条件のうち特にガスの湿度は、高速で制御することは困難であり遅れが生じることがある。ガスの湿度が適正値よりも高い場合は、燃料電池内部で凝縮する水が増加するため、反応部へのガスの移動が阻害され、燃料電池の出力の低下を招く。
逆に、ガスの湿度が適正値よりも低い場合は、高分子電解質膜が乾燥し、電解質中のプロトンの移動が阻害され、燃料電池の出力の低下を招く。
ガスの湿度不足で高分子電解質膜が乾燥する場合において、電解質膜の全面が均一に乾燥することは稀で、ガス入口付近が部分的に乾燥しやすい。このような状況では、高分子電解質膜を通過する電流の分布に偏りが生じ、比較的含水が保たれている部位に電流が集中し、その部位における発熱量が上昇する。その結果、高分子電解質膜の温度が上昇し、高分子電解質膜の劣化が進行してしまう。
移動体用燃料電池は、十分な出力を得るため通常単セルを200枚から400枚程度積層させた燃料電池スタックを構成する。図10は、簡単のため単セルを5枚積層した場合の燃料電池スタックの等価回路を示したものである。図11(a)は、図10をさらに簡略化して示した等価回路に、通常運転時の電流の流れを重ねたものである。上述した乾燥による電流集中が1枚のセル30にて起こった場合、図11(b)に示すように、セパレータの面方向に電流が流れるため、セル30に隣接する他のセル31〜34では電流集中は解消される。したがって、劣化が進行するのは電解質膜に部分的な乾燥が起こっているセル30のみである。
しかしながら、燃料電池の高出力密度化のため、セパレータの厚みを薄くした場合には、セパレータの面方向の抵抗が大きくなる。このため、図11(c)に示すように、電解質膜の部分的な乾燥が起こっていない他のセル31〜34でも電流集中が起こり、結果として他のセル31〜34でも電解質膜が劣化してしまい燃料電池の安定した運転が妨げられる。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、安定した運転が可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜と、当該電解質膜を挟持した一対の電極と、一方の前記電極に燃料ガスを供給すると共に、他方の前記電極に酸化剤ガスを供給する流路を有するセパレータとを備える単位燃料電池を積層した燃料電池と、前記電解質膜の乾湿状態を検出する乾湿状態検出手段と、前記乾湿状態検出手段によって検出した情報を基に、前記電解質膜が乾燥状態であるか否かを判定する乾燥状態判定手段と、前記乾燥状態判定手段によって前記電解質膜が乾燥状態であると判定された場合に、前記電解質膜の劣化を回避する劣化回避手段とを備える。
本発明によれば、電解質膜が乾燥状態である場合には、劣化回避手段によって電解質膜の劣化が回避されるため、面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、安定した燃料電池の運転が可能となる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
(実施の形態1)
図1を参照して、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100について説明する。図1は燃料電池システム100における単位燃料電池を示す概略図であり、図2は単位燃料電池を積層した燃料電池スタックを示す概略図である。
図1を参照して、本発明の実施の形態1に係る燃料電池システム100について説明する。図1は燃料電池システム100における単位燃料電池を示す概略図であり、図2は単位燃料電池を積層した燃料電池スタックを示す概略図である。
燃料電池システム100は、電力を発生することによって燃料電池車両等の移動体の駆動源となるものである。燃料電池システム100は電源として固体高分子型の燃料電池1を備える。燃料電池1は、固体高分子電解質膜(以下、「電解質膜」と称する。)2と、電解質膜2の一方の面に配置され、燃料側触媒層3aと燃料ガス拡散層3bとを有する燃料極3と、電解質膜2の他方の面に配置され、酸化剤側触媒層4aと酸化剤ガス拡散層4bとを有する酸化剤極4とによって単位燃料電池を構成する。
単位燃料電池は、燃料極3に燃料ガスとしての水素ガスを供給する燃料ガス流路5aと酸化剤極4に酸化剤ガスとしての空気を供給する酸化剤ガス流路5bとによって、水素ガスと空気を別々に配流させるセパレータ5を備える。単位燃料電池は、セパレータ5を介して複数積層され、図2に示す燃料電池スタックを構成する。なお、セパレータ5は、集電体の機能も有する。
セパレータ5には、電解質膜の抵抗値を測定する乾湿状態検出手段としての抵抗測定器7が接続されている。また、セパレータ5には、抵抗測定器7と並列に設けられた回路8が接続されている。回路8には、劣化回避手段としての抵抗9及びスイッチ10が介装され、電解質膜2が乾燥状態の場合に、スイッチ10が閉じて電解質膜2を挟持するセパレータ5同士を短絡する。なお、抵抗測定器7及び回路8は、各単位燃料電池毎に設置してもよいし、複数の単位燃料電池毎に設置してもよい。
図1に示すように、水素ガスと空気の流れが対向している場合において、供給水素ガスの湿度が低下すると水素ガス入口付近における電解質膜2が乾燥し、水素ガス入口付近における電流が低下する。その結果、空気入口付近において電流集中が起こる。逆に、供給空気の湿度が低下すると空気入口付近における電解質膜2が乾燥し、空気入口付近における電流が低下する。その結果、水素ガス入口付近において電流集中が起こる。したがって、抵抗測定器7は、図1に示すように、乾燥のおそれのある空気入口付近及び水素ガス入口付近に設置するのが好ましい。なお、水素ガスと空気の流れが並行流の場合には、抵抗測定器7は、水素ガス及び空気の入口付近のみに設置すればよい。
燃料電池システム100は、燃料電池を冷却するための冷却系統11も備える。冷却系統11は、燃料電池1に接続され冷却水の流路である冷却水配管12と、冷却水を循環させる循環ポンプ13と、循環する冷却水の熱を逃がすための放熱器14とを有する。
15は燃料電池システム100の全体の動作を制御するコントローラであり、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)及び入出力インタフェース(I/Oインタフェース)等を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ15には、外気温度センサ16等の各種計器からの情報が入力される。コントローラ15は、それらの情報に基づいて、燃料電池1に導入する水素ガス及び空気の供給量を制御し、燃料電池1の負荷を制御する。
また、コントローラ15には、抵抗測定器7が検出した電解質膜2の現在の抵抗値が入力され、コントローラ15は、その現在抵抗値を基に電解質膜2の乾燥状態を判定し、判定結果を基に回路8のスイッチ10に信号を出力する。
次に、図3を参照して燃料電池システム100の動作について説明する。
燃料電池スタックにおいて、ある一つの単位燃料電池1aにて部分的な乾燥が生じた場合、単位燃料電池1aにおける電解質膜2の乾燥が生じた部分の抵抗値が上昇し、図3(a)に示すように電流の集中が発生する。これは、燃料電池の高出力密度化のため、セパレータ5の厚さが薄く設定され、セパレータ5において厚さ方向の抵抗に対する面方向の抵抗の比率が、従来の燃料電池における比率と比較して大きいためである。つまり、セパレータ5を流れる電流は、面方向には流れ難く、厚さ方向に流れ易い傾向となっているためである。
このような、電流の集中の発生を防ぐため、抵抗測定器7によって単位燃料電池の抵抗値を検出し、コントローラ15にて電解質膜2が乾燥状態であるか否かを判定する。この判定は、単位燃料電池の抵抗値が基準抵抗値を超えているか否かで判定され、超えている場合には乾燥状態と判定される。そして、その場合、乾燥状態と判定された電解質膜2を挟持するセパレータ5同士を接続している回路8のスイッチ10が閉じる。これにより、図3(b)に示すように、回路8によってセパレータ5が短絡され、回路8に電流が流れるため、電流集中の発生を防止することができ、電解質膜2の劣化が防止される。
回路8に介装された抵抗9の抵抗値は、燃料電池1の通常運転時の抵抗値、つまり電解質膜2が乾燥状態でない場合における抵抗値とほぼ同等に設定されている。したがって、回路8を介して電流が流れている状態でも、燃料電池スタックを流れる電流の分布は、通常運転時の状態とほぼ同等となる。
回路8によってセパレータ5が短絡した運転状態において、抵抗測定器7によって検出された単位燃料電池の抵抗値が、所定値以下となった場合には、スイッチ10が開き短絡が解除される。これにより、燃料電池システム100は通常の運転状態に戻る。燃料電池システム100が通常の運転状態に戻る際の単位燃料電池の所定抵抗値は、任意の値に設定してもよく、また、セパレータ5を短絡する際に用いる上記基準抵抗値と同等の値としてもよい。
次に、セパレータ5を短絡する際に用いる上記基準抵抗値の設定方法について図4〜図8を参照して説明する。基準抵抗値は、図4に示すフローチャートのように、コントローラ15による演算によって決定され、演算は一定時間毎(例えば、10ms毎)にて実行される。
まず、ステップ1にて外気温度センサ16によって検出された外気温度Tout、及び現在の燃料電池負荷Lを読み込む。
ステップ2では、ステップ1にて読み込んだ外気温度Tout及び燃料電池負荷Lから図5を内容とする第一のマップを検索して、冷却系統11の冷却能力Ccapを演算する。図5中の複数の線は、等負荷線である(図5では、例として10%負荷、50%負荷、100%負荷の等負荷線を示す)。なお、図5の第一のマップは、冷却水の流量が一定の場合におけるマップである。冷却水流量が可変である場合には、冷却水流量毎にマップを用意し、冷却水流量に適合するマップを選択するようにすればよい。
ステップ3では、ステップ2にて求めた冷却能力Ccapを基に図6を内容とする第二のマップを検索して電解質膜2の限界膜乾燥度Drを演算する。限界膜乾燥度Drとは、冷却系統11の冷却能力Ccapにおいて、電解質膜2の電流集中における温度上昇を防止することができる限界の電解質膜2の乾燥度Dである。
限界膜乾燥度Drの具体的な演算方法を説明する。図6中に示す曲線Da、Db、Dcは、電解質膜2の等乾燥度線であり、Da、Db、Dcの順番で乾燥度Dが大きい。また、図6中に示す曲線Da〜Dc上の点Qamax〜Qcmaxは、単位燃料電池における最大電流密度Imax時の発熱量Qである。ここで、最大電流密度Imaxとは、図7に示す第三のマップによって求められる。つまり、単位燃料電池に印加する電流密度Iを増加させた場合に、単位燃料電池の温度Tが上昇に転じるときの電流密度Iが、それぞれの電解質膜2の乾燥度Da〜Dcにおける最大電流密度Iamax〜Icmaxである。このことから、図6において、発熱量Qamax〜Qcmaxが冷却能力Ccapを超えている乾燥度Dcの場合には、冷却系統11では冷却しきれず、単位燃料電池の温度上昇を防止できないことになる。以上から、ステップ2にて求めた冷却能力Ccapと最大発熱量Qamax〜Qcmaxとが交差する乾燥度Dが限界膜乾燥度Drとなる(図6では乾燥度Dbが限界膜乾燥度Drに該当する)。
ステップ4では、ステップ3にて求めた限界膜乾燥度Drを基に図8を内容とする第四のマップを検索して単位燃料電池の基準抵抗値Rtを演算する。
以上のようにして求めた基準抵抗値Rtと抵抗測定器7によって検出した抵抗値Rとを比較して、抵抗値Rが基準抵抗値Rtを超えている場合には、電解質膜2が乾燥状態であると判定される。そして、回路8のスイッチ10が閉じ、電流集中による温度上昇が防止される。
以上では、基準抵抗値Rtを複数のマップを利用して演算するようにしたが、基準抵抗値Rtを実験によって求めることもできる。つまり、供給ガス湿度を下げて電解質膜2を部分乾燥させたときに、電流集中が発生している部分の温度が上昇に転じるときの抵抗値としてもよい。
また、本実施の形態1では、電解質膜2の乾燥状態を検出する手段として、抵抗測定器7を用いたが、他の手段として、水素ガスと空気の露点を検出するガス露点計を用いるようにしてもよい。この場合、電解質膜2の乾燥状態を判定するには、ガス露点計を基に算出された水素ガス又は空気の湿度が予め定めた基準湿度未満の場合に、電解質膜2が乾燥状態であると判定するようにすればよい。
以上の実施の形態1に係る燃料電池セパレータ100によれば、電解質膜2の乾燥によって抵抗が上昇した場合には、その抵抗が上昇した燃料電池に電流集中が発生しないように、セパレータ5が短絡するため、面方向の抵抗が大きい薄型セパレータを使用した場合でも、電流の分布を通常運転時の場合と同等にすることができる。したがって、電解質膜2の劣化を防止することができ、安定した燃料電池の運転が可能となる。
(実施の形態2)
図9を参照して、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム200について説明する。図9は燃料電池システム200を示す構成図である。なお、上記実施の形態1と同様の構成には燃料電池セパレータ100と同一の符号を付し説明を省略する。
図9を参照して、本発明の実施の形態2に係る燃料電池システム200について説明する。図9は燃料電池システム200を示す構成図である。なお、上記実施の形態1と同様の構成には燃料電池セパレータ100と同一の符号を付し説明を省略する。
燃料電池システム200は、燃料電池1と、高圧水素タンク21から供給される水素ガスを燃料極3に導入するための水素供給配管22と、コンプレッサ23にて昇圧された空気を酸化剤極4に導入するための空気供給配管24とを備える。これにより、燃料電池1では、燃料極3に水素ガス及び酸化剤極4に空気がそれぞれ独立して供給されることによって発電が行われる。
燃料電池システム200は、水素供給配管22に介装され燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器25と、空気供給配管24に介装され酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器26とを備える。
また、燃料電池システム200は、燃料電池1を冷却するための冷却系統11も備える。冷却系統11は、燃料電池1に接続され冷却水の流路である冷却水配管12と、冷却水を循環させる循環ポンプ13と、冷却水流量を制御する流量調節弁27と、循環する冷却水の熱を逃がすための放熱器14と、放熱器14に対して送風し循環する冷却水を冷却するための送風機28とを有する。
コントローラ15には、抵抗測定器7が検出した電解質膜2の現在の抵抗値が入力され、コントローラ15は、その現在抵抗値を基に電解質膜2の乾燥状態を判定し、判定結果を基に燃料電池システム200の各機器に信号を出力する。
電解質膜2の乾湿状態を検出する手段、及び電解質膜2が乾燥状態であるか否かを判定する手段は、上記実施の形態1と同様である。
上記実施の形態1では、電解質膜2の劣化を回避する劣化回避手段として、セパレータ5を短絡させたが、本実施の形態2では、電解質膜2の含水率を増加させることによって電解質膜2の劣化を回避する。
電解質膜2の含水率を増加させる具体的な方法としては、電解質膜2が乾燥状態であると判定された場合に、流量調節弁27を制御し冷却水流量を増加させることによって、電解質膜2の乾燥を防止する。
また、他の方法としては、電解質膜2が乾燥状態であると判定された場合に、送風機28を制御し冷却水温度を低下させることによって、電解質膜2の乾燥を防止する。
さらに、他の方法としては、電解質膜2が乾燥状態であると判定された場合に、燃料ガス加湿器25及び酸化剤ガス加湿器26の少なくとも一方を制御し、燃料電池1への供給ガスの湿度を増加させることによって、電解質膜2の乾燥を防止する。
以上の実施の形態2に係る燃料電池セパレータ200によれば、電解質膜2が乾燥状態であると判定された場合には、電解質膜2の乾燥を防止する操作が実行されるため、電解質膜2の劣化を防止することができ、安定した燃料電池の運転が可能となる。
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
本発明は、燃料電池を搭載した燃料電池車両に適用することができる。
100,200 燃料電池システム
1 燃料電池
2 電解質膜
3 燃料極
4 酸化剤極
5 セパレータ
7 抵抗測定器
8 回路
10 スイッチ
15 コントローラ
11 冷却系統
25 燃料ガス加湿器
26 酸化剤ガス加湿器
27 流量調節弁
28 送風機
1 燃料電池
2 電解質膜
3 燃料極
4 酸化剤極
5 セパレータ
7 抵抗測定器
8 回路
10 スイッチ
15 コントローラ
11 冷却系統
25 燃料ガス加湿器
26 酸化剤ガス加湿器
27 流量調節弁
28 送風機
Claims (9)
- 電解質膜と、当該電解質膜を挟持した一対の電極と、一方の前記電極に燃料ガスを供給すると共に、他方の前記電極に酸化剤ガスを供給する流路を有するセパレータとを備える単位燃料電池を積層した燃料電池と、
前記電解質膜の乾湿状態を検出する乾湿状態検出手段と、
前記乾湿状態検出手段によって検出した情報を基に、前記電解質膜が乾燥状態であるか否かを判定する乾燥状態判定手段と、
前記乾燥状態判定手段によって前記電解質膜が乾燥状態であると判定された場合に、前記電解質膜の劣化を回避する劣化回避手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記乾湿状態検出手段は、前記電解質膜の抵抗値を測定する抵抗測定器であり、
前記乾燥状態判定手段は、前記抵抗測定器によって検出した前記電解質膜の抵抗値が予め定めた基準抵抗値を超えている場合に、前記電解質膜が乾燥状態であると判定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記乾湿状態検出手段は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の露点を検出するガス露点計であり、
前記乾燥状態判定手段は、前記ガス露点計を基に算出された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガの湿度が予め定めた基準湿度未満の場合に、前記電解質膜が乾燥状態であると判定することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 前記劣化回避手段は、乾燥状態と判定された電解質膜を挟持するセパレータ同士の短絡であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記劣化回避手段によるセパレータ同士の短絡中において、前記抵抗測定器によって検出した前記電解質膜の抵抗値が所定値以下となった場合に、前記短絡を解除することを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
- 前記劣化回避手段は、前記電解質膜の含水率の増加操作であることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
- 前記電解質膜の含水率の増加操作は、燃料電池冷却水流量の増加操作であることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記電解質膜の含水率の増加操作は、燃料電池冷却水温度の低下操作であることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
- 前記電解質膜の含水率の増加操作は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方の湿度の増加操作であることを特徴とする請求項6に記載の燃料電池システム。
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- 2006-02-14 JP JP2006036182A patent/JP2007220322A/ja active Pending
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