JP2007250216A

JP2007250216A - 燃料電池システム及びその運転方法

Info

Publication number: JP2007250216A
Application number: JP2006068444A
Authority: JP
Inventors: Masanori Okada; 真規岡田
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2006-03-14
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】所定値以上の負荷が掛かった状態で運転中に燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下になると、燃料電池スタックの温度を上昇させることによって、フラッディングの発生を確実に防止することができ、燃料電池の性能が低下することなく、長期間に亘（わた）って安定的に運転することができるようにする。
【解決手段】燃料電池スタック２０の温度を検出する温度検出器５６と、燃料電池スタック２０を加熱する加熱手段と、燃料電池スタック２０に掛かる負荷が所定値以上であって、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度以下である場合、加熱手段を作動させてフラッディング発生温度より高くなるまで燃料電池スタック２０の温度を上昇させる制御手段とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関するものである。

従来、燃料電池は発電効率が高く、有害物質を排出しないので、産業用、家庭用の発電装置として、又は、人工衛星や宇宙船などの動力源として実用化されてきたが、近年は、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として開発が進んでいる。そして、前記燃料電池は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）が一般的である。

この場合、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟み、一体化させて接合する。そして、該ガス拡散電極の一方を燃料極（アノード極）とし、その表面に燃料としての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンが固体高分子電解質膜を透過する。また、前記ガス拡散電極の他方を酸素極（カソード極）とし、その表面に酸化剤としての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。このような電気化学反応によって起電力が生じるようになっている。

そして、燃料電池は所定の温度範囲で効率的に発電することができるようになっている。そのため、寒冷時等においては、燃料電池の自己発熱によって燃料電池を加熱する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−３１３３８８号公報

しかしながら、前記従来の燃料電池システムにおいては、酸素極側で生成水の量が増加して空気流路が水分によって塞（ふさ）がれてしまうフラッディングの発生を未然に防止するための措置が何ら施されていない。そのため、フラッディングが発生して燃料電池の性能が低下し、燃料電池システムを安定的に運転することができなくなってしまう。

本発明は、前記従来の燃料電池システムの問題点を解決して、所定値以上の負荷が掛かった状態で運転中に燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下になると、燃料電池スタックの温度を上昇させることによって、フラッディングの発生を確実に防止することができ、燃料電池の性能が低下することなく、長期間に亘（わた）って安定的に運転することができる燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

そのために、本発明の燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックを加熱する加熱手段と、前記燃料電池スタックに掛かる負荷が所定値以上であって、前記燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下である場合、前記加熱手段を作動させてフラッディング発生温度より高くなるまで前記燃料電池スタックの温度を上昇させる制御手段とを有する。

本発明の他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記加熱手段はヒータである。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記加熱手段は、燃料電池スタックから排出された空気の一部を前記空気流路に戻して循環させる空気循環ダクトである。

本発明の更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記制御手段は、前記燃料電池スタックの温度が約３８〔℃〕より高くなるように制御する制御装置である。

本発明の燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックに掛かる負荷が所定値以上であって、前記燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下である場合、前記燃料電池スタックを加熱してフラッディング発生温度より高くなるまで前記燃料電池スタックの温度を上昇させる。

本発明によれば、燃料電池システムにおいては、電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、該燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、前記燃料電池スタックを加熱する加熱手段と、前記燃料電池スタックに掛かる負荷が所定値以上であって、前記燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下である場合、前記加熱手段を作動させてフラッディング発生温度より高くなるまで前記燃料電池スタックの温度を上昇させる制御手段とを有する。

また、燃料電池システムの運転方法においては、車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料電池システムの運転方法であって、前記燃料電池スタックに掛かる負荷が所定値以上であって、前記燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下である場合、前記燃料電池スタックを加熱してフラッディング発生温度より高くなるまで前記燃料電池スタックの温度を上昇させる。

この場合、フラッディングの発生を確実に防止することができ、燃料電池の性能が低下することなく、長期間に亘って安定的に運転することができる。

他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記加熱手段はヒータである。

この場合、燃料電池スタックの温度を急速に上昇させることができるので、フラッディングの発生を確実に防止することができる。

更に他の燃料電池システムにおいては、さらに、前記加熱手段は、燃料電池スタックから排出された空気の一部を前記空気流路に戻して循環させる空気循環ダクトである。

この場合、電力消費量を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図２は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図、図４は本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。

図２において、２０は燃料電池（ＦＣ）としての燃料電池スタックであり、乗用車、バス、トラック、乗用カート、荷物用カート等の車両用の動力源として使用される。ここで、前記車両は、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用される電気を消費する補機類を多数備えており、また、走行パターンが多様であり動力源に要求される出力範囲が極めて広いので、動力源としての燃料電池スタック２０と図示されない蓄電手段としての二次電池やキャパシタとを併用して使用することが望ましい。

そして、燃料電池スタック２０は、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール（ＤＭＦＣ）等のものであってもよいが、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）であることが望ましい。

なお、更に望ましくは、水素ガスを燃料ガス、すなわち、アノードガスとし、酸素又は空気を酸化剤、すなわち、カソードガスとするＰＥＭＦＣ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）型燃料電池、又は、ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ）型燃料電池と呼ばれるものである。ここで、該ＰＥＭ型燃料電池は、一般的に、プロトン等のイオンを透過する電解質層としての固体高分子電解質膜の両側に触媒、電極及びセパレータを結合した燃料電池としてのセル（ＦｕｅｌＣｅｌｌ）を複数及び直列に結合したスタック（Ｓｔａｃｋ）から成る。

本実施の形態において、燃料電池スタック２０は、図２に示されるように、複数のセルモジュール１０を有する。なお、図２における矢印は、燃料ガスとしての水素ガスの流れを示している。前記セルモジュール１０は、図３に示されるように、燃料電池としての単位セル（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）１０Ａと、該単位セル１０Ａ同士を電気的に接続するとともに、単位セル１０Ａに導入される燃料としての水素ガスの流路と酸化剤としての空気の流路とを分離するセパレータ１０Ｂと、単位セル１０Ａ及びセパレータ１０Ｂを１セットとして、板厚方向に複数セットを重ねて構成されている。セルモジュール１０は、単位セル１０Ａ同士が所定の間隙（げき）を隔てて配設されるように、単位セル１０Ａとセパレータ１０Ｂとが、多段に重ねられて積層されている。

単位セル１０Ａは、電解質層としての固体高分子電解質膜１１の側に設けられた酸素極としての空気極１２及び他側に設けられた燃料極１３とで構成されている。前記空気極１２は、反応ガスを拡散しながら透過する導電性材料から成る拡散層と、該拡散層上に形成され、固体高分子電解質膜１１と接触させて支持される触媒層とから成る。また、単位セル１０Ａの空気極１２側の電極拡散層に接触して集電するとともに、空気と水との混合流を透過する多数の開口が形成された網状の集電体としての空気極側コレクタ１４と、単位セル１０Ａの燃料極１３側の電極拡散層に接触して同じく電流を外部に導出するための網状の集電体としての燃料極側コレクタ１５とを有する。

そして、単位セル１０Ａにおいては、図４に示されるように、水が移動する。図４において、４８は燃料ガス流路としての燃料室であり、４９は空気流路としての酸素室である。この場合、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に燃料ガス、すなわち、アノードガスとしての水素ガスを供給すると、水素が水素イオン（プロトン）と電子とに分解され、水素イオンがプロトン同伴水を伴って、固体高分子電解質膜１１を透過する。また、前記空気極１２をカソード極とし、酸素室４９内に酸化剤、すなわち、カソードガスとしての空気を供給すると、空気中の酸素と、前記水素イオン及び電子とが結合して、水が生成される。なお、水分が逆拡散水として固体高分子電解質膜１１を透過し、燃料極側コレクタ１５の燃料室４８内に移動する。

次に、燃料電池システムの全体構成について説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図には、燃料電池スタック２０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する装置、及び、酸化剤としての空気を供給する装置が示されている。なお、図示されない改質装置によってメタノール、ガソリン等を改質して取り出した燃料である水素ガスを燃料電池スタック２０に直接供給することもできるが、車両の高負荷運転時にも安定して十分な量の水素ガスを供給することができるようにするためには、燃料貯蔵手段２１に貯蔵した水素ガスを供給することが望ましい。これにより、該水素ガスがほぼ一定の圧力で、常に、十分に供給されるので、前記燃料電池スタック２０は車両の負荷の変動に遅れることなく追随して、必要な電流を供給することができる。この場合、前記燃料電池スタック２０の出力インピーダンスは極めて低く、０に近似することが可能である。

また、前記燃料電池スタック２０は、加熱手段としての第１ヒータ４１を備える。図に示される例において、前記第１ヒータ４１は、燃料電池スタック２０の周囲を取り囲むように取り付けられているが、燃料電池スタック２０を加熱して温度を上昇させることができるのであれば、燃料電池スタック２０のどの部位にどのように取り付けられていてもよい。

水素ガスは、水素吸蔵合金を収納した容器、デカリンのような水素吸蔵液体を収納した容器、水素ガスボンベ等の燃料貯蔵手段２１から、燃料供給管路としての第１燃料供給管路２２、及び、該第１燃料供給管路２２に接続された燃料供給管路としての第２燃料供給管路３３を通って、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の入口に供給される。そして、前記第１燃料供給管路２２には、燃料貯蔵手段元開閉弁２３、第１圧力センサ２７ａ、第２圧力センサ２７ｂ、第３圧力センサ２７ｃ、第１燃料圧力調整弁２５ａ、第２燃料圧力調整弁２５ｂ、第１燃料供給電磁弁２６ａ及び第２燃料供給電磁弁２６ｂが配設される。この場合、前記燃料貯蔵手段２１は、十分に大きな容量を有し、常に、十分に高い圧力の水素ガスを供給することができる能力を有するものである。

そして、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路の出口から未反応成分として排出される水素ガスは、燃料排出管路３１を通って燃料電池スタック２０の外部に排出される。前記燃料排出管路３１には、回収容器としての水回収ドレインタンク３５が配設されている。そして、該水回収ドレインタンク３５には水と分離された水素ガスとを排出する燃料排出管路３０が接続され、該燃料排出管路３０にはポンプとしての吸引循環ポンプ３６が配設されている。また、前記燃料排出管路３０には水素循環電磁弁３４が配設されている。また、前記燃料排出管路３０における水回収ドレインタンク３５と反対側の端部は、第２燃料供給管路３３に接続されている。これにより、燃料電池スタック２０の外部に排出された水素ガスを回収し、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給して再利用することができる。

また、前記水回収ドレインタンク３５には、起動用燃料排出管路３８が接続され、該起動用燃料排出管路３８には水素起動排気電磁弁３７が配設され、燃料電池スタック２０の起動時に燃料ガス流路から排出される水素ガスを大気中に排出することができるようになっている。なお、起動用燃料排出管路３８の出口端は排気マニホールド４６に接続されている。また、起動用燃料排出管路３８に、必要に応じて水素燃焼器を配設することもできる。該水素燃焼器によって排出される水素ガスを燃焼させ、水にしてから大気中に排出することができる。

ここで、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは、バタフライバルブ、レギュレータバルブ、ダイヤフラム式バルブ、マスフローコントローラ、シーケンスバルブ等のものであるが、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定した圧力に調整することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、前記圧力の調整は、手動によってなされてもよいが、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによってなされることが望ましい。

また、前記第１燃料供給電磁弁２６ａ、第２燃料供給電磁弁２６ｂ、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁３７は、いわゆる、オン−オフ式のものであり、電気モータ、パルスモータ、電磁石等から成るアクチュエータによって作動させられる。なお、前記燃料貯蔵手段元開閉弁２３は手動又は電磁弁を用いて自動的に作動させられる。さらに、前記吸引循環ポンプ３６は、水素ガスとともに逆拡散水を強制的に排出し、燃料ガス流路内を負圧の状態にすることができるポンプであれば、いかなる種類のものであってもよい。

一方、酸化剤としての空気は、供給フィルタ５３を通って、酸化剤供給源としての空気供給ファン５１に吸引され、該空気供給ファン５１から、空気供給管路５２及び吸気マニホールド４４を通って、燃料電池スタック２０の酸素室、すなわち、空気流路に供給される。この場合、供給される空気の圧力は大気圧程度の常圧である。なお、前記空気供給ファン５１は、空気を吸引して吐出することができるものであれば、いかなる種類のものであってもよい。また、前記供給フィルタ５３は、空気に含まれる塵埃（じんあい）、不純物等を除去するものであれば、いかなる種類のものであってもよい。なお、酸化剤として、空気に代えて酸素を使用することもできる。そして、空気流路から排出される空気は、マニホールドとしての排気マニホールド４６及び排気フィルタ４７を通って大気中へ排出される。なお、排気マニホールド４６には燃料電池スタック２０から排出された直後の空気の温度を検出する温度検出器５６が配設されている。

また、前記空気供給管路５２内には、燃料電池スタック２０に供給される空気を加熱して燃料電池スタック２０の温度を上昇させる加熱手段としての第２ヒータ４２が配設されている。なお、該第２ヒータ４２は、燃料電池スタック２０に供給される空気を加熱することができるのであれば、空気供給管路５２内以外の部位に配設されていてもよい。

さらに、燃料電池スタック２０の図示されない電気端子には、負荷としての駆動制御装置であるインバータ装置６１、及び、蓄電手段としてのキャパシタユニット６３が並列に接続されている。該キャパシタユニット６３は、電気二重層キャパシタのようなキャパシタ（コンデンサ）を備えるものである。なお、前記蓄電手段は、必ずしもキャパシタでなくてもよく、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等の二次電池は、いわゆる、バッテリ（蓄電池）であってもよいし、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等のように、エネルギを電気的に蓄積し放出する機能を有するものであれば、いかなる形態のものであってもよい。さらに、これらの中のいずれかを単独で使用してもよいし、複数のものを組み合わせて使用してもよい。

また、インバータ装置６１は、前記燃料電池スタック２０又はキャパシタユニット６３からの直流電流を交流電流に変換して、車両の車輪を回転させる駆動源である図示されない交流モータに供給する。ここで、燃料電池システムにおいては、前記燃料電池スタック２０又はキャパシタユニット６３が並列に接続されて、前記インバータ装置６１に電流を供給するようになっているので、例えば、車両の停止時に前記燃料電池スタック２０が停止した場合や、坂道等の高負荷運転時に燃料電池スタック２０からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６３に電流が自動的に供給される。

なお、６２は、充電用スイッチング素子としての高速スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）を備えるＩＧＢＴユニットであり、キャパシタユニット６３の充電を制御する制御回路である。

そして、前記交流モータが、車両の減速運転時には発電器として機能して、いわゆる回生電流を発生する場合には、前記車両の減速運転時に回生電流がキャパシタユニット６３に供給され、該キャパシタユニット６３が再充電される。さらに、前記回生電流が供給されない場合であっても、前記キャパシタユニット６３が放電して端子電圧が低下すると、前記燃料電池スタック２０が発生する電流が自動的に前記キャパシタユニット６３に供給される。

このように、燃料電池システムにおいては、前記キャパシタユニット６３が常時充電され、前記燃料電池スタック２０からの電流だけでは要求電流に満たない場合等には、前記キャパシタユニット６３からインバータ装置６３に電流が自動的に供給されるようになっているので、車両は各種の走行モードにおいて、安定して走行することができる。

なお、本実施の形態において、燃料電池システムは制御装置として、図示されないＦＣコントロールＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）を有する。前記制御装置は、ＣＰＵ、ＭＰＵ等の演算手段、磁気ディスク、半導体メモリ等の記憶手段、入出力インターフェイス等を備え、水素濃度検出器を含む各種のセンサから燃料電池スタック２０の燃料ガス流路及び空気流路に供給される水素、酸素、空気等の流量、温度、出力電圧等を検出して、前記空気供給ファン５１、第１燃料供給電磁弁２６ａ、第２燃料供給電磁弁２６ｂ、水素循環電磁弁３４及び水素起動排気電磁弁３７等の動作を制御する。さらに、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、車両に配設された他のセンサ、及び、車両の制御手段としての図示されないＥＶ（ＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）コントロールＥＣＵと連携して、燃料電池スタック２０に燃料及び酸化剤を供給するすべての装置の動作を統括的に制御する。そして、前記ＦＣコントロールＥＣＵは、温度検出器５６の出力に基づき、所定値以上の負荷を受けた状態で運転中に燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度以下になったと判断すると、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電して燃料電池スタック２０の温度を上昇させることによって、フラッディングの発生を防止するようになっている。

次に、前記構成の燃料電池システムにおいて、フラッディングが発生した場合の単セル電圧の変化について説明する。

図５は本発明の第１の実施の形態におけるフラッディングが発生した場合の単セル電圧を示すグラフである。

燃料電池スタック２０では、各単位セル１０Ａの酸素室４９内において、空気中の酸素と、水素イオン及び電子とが結合して生成された水、すなわち、生成水が発生する。そして、微細に観ると、酸素室４９内における気相及び液相の水分の分布は必ずしも一様ではなく、水分の量、流速等は局所的に変化している。そのため、局所的に多量の水分が集中して、酸素室４９内における空気の流れを阻害するフラッディングが発生することがある。特に、反応ガス、すなわち、水素ガス及び空気の流量が少ない低電流密度領域でフラッディングが発生する可能性が高い。なお、フラッディングは燃料室４８内においても発生する可能性があるが、本実施形態においては、説明の都合上、酸素室４９内において発生する場合についてのみ説明する。

なお、フラッディングが発生すると空気極１２が水分に覆われて空気と接触することができず、フラッディングを起こした単位セル１０Ａのセル電圧、すなわち、単セル電圧が低下するので、単セル電圧の変化を監視することによってフラッディングが発生したことを検出することができる。

そして、本発明の発明者は、燃料電池スタック２０に含まれる各単位セル１０Ａの電圧の変化を測定したところ、図５に示されるような結果を得ることができた。なお、図５において、縦軸には単セル電圧〔Ｖ〕及び燃料電池スタック出口温度〔℃〕が採ってあり、横軸には時間〔秒〕が採ってある。前記燃料電池スタック出口温度は、温度検出器５６によって検出された燃料電池スタック２０から排出された直後の空気の温度であり、燃料電池スタック２０の温度である。ここで、燃料電池スタック２０の温度は、該燃料電池スタック２０に含まれる単位セル１０Ａの温度と同一であると言える。

また、図５において、７１は燃料電池スタック２０の排気温度の測定結果を示し、７２は単セル電圧の測定結果を示している。なお、７２は燃料電池スタック２０に含まれる各単位セル１０Ａの電圧の測定結果であるので、多数本の線の集合として示されている。そして、範囲７３はフラッディングが発生したことに対応して低下した単セル電圧を示している。また、矢印７４はフラッディングの発生に対応する燃料電池スタック２０の温度範囲を示している。該温度範囲は、約２５〜３８〔℃〕である。さらに、矢印７５はフラッディングが発生する範囲を示し、矢印７６はフラッディングが解消する範囲を示している。

図５から、燃料電池スタック２０の温度が約２５〜３８〔℃〕の範囲にあるときにフラッディングが発生し、燃料電池スタック２０の温度が約３８〔℃〕を超えるとフラッディングが解消して発生しないことが分かる。すなわち、約３８〔℃〕が燃料電池スタック２０におけるフラッディング発生温度であり、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度以下になるとフラッディングが発生し、フラッディング発生温度より高くなるとフラッディングが発生しないことが分かる。

なお、燃料電池スタック２０に負荷が掛かっていない場合には、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度以下であっても、フラッディングが発生することがない。すなわち、所定値以上の負荷が掛かっている場合のみ、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度以下になるとフラッディングが発生する。そこで、本実施の形態においては、温度検出器５６によって検出された燃料電池スタック２０の温度が前記フラッディング発生温度、すなわち、約３８〔℃〕以下になると、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電し、燃料電池スタック２０の温度を前記フラッディング発生温度を超えるまで上昇させることによって、フラッディングの発生を防止するようになっている。

次に、前記構成の燃料電池システムの動作について説明する。

図６は本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの温度変化を示す図である。

本実施の形態の燃料電池システムにおける定常運転時には、第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂの出口から流出する水素ガスの圧力をあらかじめ設定し一定の圧力に調整した後、前記第１燃料圧力調整弁２５ａ及び第２燃料圧力調整弁２５ｂは燃料電池システムの運転中には調整されることがなく、そのままの状態が保持される。また、燃料貯蔵手段２１は、燃料電池としての燃料電池スタック２０の出力電流に応じてあらかじめ設定された空気が供給されるように作動する。この場合、供給される空気の量は、燃料電池スタック２０の出力が最大となるために必要な空気の量よりも十分に多い量である。

そして、燃料電池スタック２０が運転を開始すると、該燃料電池スタック２０を構成する各単位セル１０Ａにおいて逆拡散水が発生し、該逆拡散水が固体高分子電解質膜１１を透過して燃料ガス流路にまで達し、前記固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側を加湿する。これにより、該固体高分子電解質膜１１の燃料極１３側は湿潤な状態となり、電気化学反応によって水素から生成された水素イオンが固体高分子電解質膜１１内をスムーズに移動することができる。

また、前記燃料ガス流路に供給されて余剰となった未反応成分としての水素ガスは、前記燃料ガス流路にまで浸透して余剰となった逆拡散水と混合して、気液混合物となる。該気液混合物となった水素ガスは、吸引循環ポンプ３６によって吸引され、燃料電池スタック２０に接続された燃料排出管路３１を通って前記燃料電池スタック２０の外部に排出される。そして、前記気液混合物は、燃料排出管路３１を通過して水回収ドレインタンク３５内に導入される。そして、比較的広い空間を備える前記水回収ドレインタンク３５内に滞留することによって、重量物である水分が重力によって下方に落下し、水素ガスから逆拡散水が分離する。該逆拡散水が分離して乾燥した状態の水素ガスは、燃料排出管路３０から水回収ドレインタンク３５外に排出される。

そして、定常運転においては、前記燃料排出管路３０から排出された水素ガスは、開いた状態になっている水素循環電磁弁３４を通過して、第２燃料供給管路３３に導入され、再び、燃料電池スタック２０の燃料ガス流路に供給されて再利用される。

図６に示されるように、燃料電池スタック２０が運転を開始した時点では、燃料電池スタック２０の温度は、フラッディングが発生する温度範囲の下限である約２５〔℃〕よりも低くなっている。なお、図６において、縦軸には燃料電池スタック温度が採ってあり、横軸には発電時間が採ってある。そして、運転を続行すると自己発熱によって燃料電池スタック２０の温度は、線８１で示されるように、発電時間の経過とともに上昇する。しかし、温度の上昇が緩慢であるので、燃料電池スタック２０の温度がフラッディングが発生する温度範囲にある時間が長く、フラッディングが発生する確率が高くなってしまう。

そこで、本実施の形態においては、燃料電池スタック２０が運転を開始すると第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電し、燃料電池スタック２０を加熱する。これにより、燃料電池スタック２０の温度は、線８２で示されるように、急速に上昇し、フラッディングが発生する温度範囲にある時間が短くなる。そのため、フラッディングの発生を効果的に防止することができる。なお、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電するのは、図６において８３で示される範囲内、すなわち、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度である約３８〔℃〕以下の範囲内であり、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度より高くなると、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２への通電を停止する。

なお、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度より高くなった後に、燃料電池スタック２０の温度が低下してフラッディング発生温度以下になった場合には、再度、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電し、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度より高くなるまで上昇させる。

このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、所定値以上の負荷が掛かった状態で運転中に燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度以下になると、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電し、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度より高くなるまで上昇させるようになっている。そのため、フラッディングの発生を確実に防止することができ、燃料電池スタック２０の性能が低下することがない。また、長期間に亘って安定的に運転することができる。さらに、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度より高くなるまで上昇すると、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２への通電を停止するので、電力消費量を抑制することができる。

なお、本実施の形態においては、第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電する場合についてのみ説明したが、第１ヒータ４１又は第２ヒータ４２のいずれか一方にのみ通電するようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構造を有するものについては、同じ符号を付与することによってその説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図７は本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

図に示されるように、本実施の形態における燃料電池システムは、排気マニホールド４６と空気供給管路５２とを接続する循環手段としての空気循環ダクト４３を有し、燃料電池スタック２０の空気流路から排出された空気の一部を空気供給管路５２に戻して循環させるようになっている。これにより、燃料電池スタック２０の空気流路を通過して温度が上昇した空気が再度空気流路に流入するので、燃料電池スタック２０の温度を上昇させることができる。この場合、前記空気循環ダクト４３は、燃料電池スタック２０に供給される空気を加熱して燃料電池スタック２０の温度を上昇させる加熱手段として機能する。

なお、前記空気循環ダクト４３に制御手段としての流量調節弁を配設して循環させる空気の量を調節することもできる。また、前記空気循環ダクト４３に開閉弁を配設して、必要に応じて、空気の循環を停止させることもできる。

次に、本実施の形態における燃料電池システムの動作について説明する。

図８は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの温度変化を示す図である。

図に示されるように、燃料電池スタック２０が運転を開始した時点では、燃料電池スタック２０の温度は、フラッディングが発生する温度範囲の下限である約２５〔℃〕よりも低くなっている。なお、図において、縦軸には燃料電池スタック温度が採ってあり、横軸には発電時間が採ってある。そして、空気循環ダクト４３が配設されていない場合には、運転を続行すると自己発熱によって燃料電池スタック２０の温度は、線８１で示されるように、発電時間の経過とともに緩やかに上昇するので、燃料電池スタック２０の温度がフラッディングが発生する温度範囲にある時間が長く、フラッディングが発生する確率が高くなってしまう。

一方、本実施の形態においては空気循環ダクト４３が排気マニホールド４６と空気供給管路５２とを接続しているので、燃料電池スタック２０の空気流路から排出された空気の一部が循環し、燃料電池スタック２０を加熱する。これにより、該燃料電池スタック２０の温度は、線８４で示されるように、急速に上昇し、フラッディングが発生する温度範囲にある時間が短くなる。そのため、フラッディングの発生を効果的に防止することができる。なお、図に示される例では、空気循環ダクト４３に開閉弁を配設し、８５で示される範囲内、すなわち、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度である３８〔℃〕以下の範囲内である場合にのみ、空気を循環させ、燃料電池スタック２０の温度がフラッディング発生温度より高くなると、開閉弁を閉じて空気の循環を停止する。

このように、本実施の形態において、燃料電池システムは、空気循環ダクト４３によって排気マニホールド４６と空気供給管路５２とを接続し、燃料電池スタック２０の空気流路から排出された空気の一部を循環させるので、燃料電池スタック２０の温度をフラッディング発生温度より高くなるまで上昇させることができる。そのため、フラッディングの発生を確実に防止することができ、燃料電池スタック２０の性能が低下することがない。また、長期間に亘って安定的に運転することができる。

さらに、本実施の形態にあっては、第１の実施の形態のように第１ヒータ４１及び第２ヒータ４２に通電する必要がないので、燃料電池スタック２０の温度上昇は前記第１の実施の形態よりも緩やかであるが、電力消費量を低減することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池のセルモジュールの構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態における燃料電池の単位セルの構成を示す模式断面図である。本発明の第１の実施の形態におけるフラッディングが発生した場合の単セル電圧を示すグラフである。本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの温度変化を示す図である。本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムの構成を示す図である。本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの温度変化を示す図である。

符号の説明

１０Ａ単位セル
１０Ｂセパレータ
１１固体高分子電解質膜
１２空気極
１３燃料極
２０燃料電池スタック
４１第１ヒータ
４２第２ヒータ
４３空気循環ダクト
４８燃料室
４９酸素室
５６温度検出器
６１インバータ装置

Claims

電解質層を燃料極と酸素極とで挟持した燃料電池が、前記燃料極に沿って燃料ガス流路が形成され、前記酸素極に沿って空気流路が形成されたセパレータを挟んで積層されている燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックの温度を検出する温度検出器と、
前記燃料電池スタックを加熱する加熱手段と、
前記燃料電池スタックに掛かる負荷が所定値以上であって、前記燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下である場合、前記加熱手段を作動させてフラッディング発生温度より高くなるまで前記燃料電池スタックの温度を上昇させる制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
前記加熱手段はヒータである請求項１に記載の燃料電池システム。
前記加熱手段は、燃料電池スタックから排出された空気の一部を前記空気流路に戻して循環させる空気循環ダクトである請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの温度が約３８〔℃〕より高くなるように制御する制御装置である請求項１に記載の燃料電池システム。
車両に搭載された燃料電池スタックの空気流路に空気を供給するとともに、前記燃料電池スタックの燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池スタックに掛かる負荷が所定値以上であって、前記燃料電池スタックの温度がフラッディング発生温度以下である場合、前記燃料電池スタックを加熱してフラッディング発生温度より高くなるまで前記燃料電池スタックの温度を上昇させることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。