(57)【要約】【課題】  セルの水分分布を均一化あるいは水分分布の偏りの進行を抑制する。【解決手段】  セル内における水分分布に所定の偏りを検知した場合には、バッテリ１０１のプラス端子を、セル内において相対的に水分の多くなるターン部６２に対応する端子６３，６４に接続し、バッテリ１０１のマイナス端子を、セル内において相対的に水分の少なくなる空気入口側のマニホールド７の下流側近傍に対応する端子６５に接続する。これにより、セル面内の電位差をターン部６２側が高電位となるように変更する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルに反応ガスを供給して発電する燃料電池システムであって、
セルにおける水分分布に応じて、セルの電位差を変更する電位差変更手段を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記電位差変更手段は、セル内において相対的に水分の多い箇所の電位を他箇所よりも高める請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記電位差変更手段は、セパレータと接続可能な外部電源を備え、
前記外部電源のプラス側は、セル内において相対的に水分の多い箇所に対応して、また、前記外部電源のマイナス側は、セル内において相対的に水分の少ない箇所に対応して接続可能とされている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記セパレータは、複数の端子を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルに反応ガスを供給して発電する燃料電池システムの運転方法であって、
セルの水分分布に所定以上の偏りを検知した場合には、セルの電位差を変更する燃料電池システムの運転方法。
【請求項６】
前記電位差の変更は、相対的に水分の多い箇所の電位を他箇所よりも高める請求項５記載の燃料電池システムの運転方法。
【請求項７】
セル電圧に基づいて、前記水分分布の偏りを検知する請求項５又は６に記載の燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルに反応ガスを供給して発電する燃料電池システム及びその運転方法に関し、特に、セルの水分分布を均一化することが可能な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電するセル（燃料電池）をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。セルの内部では電気化学反応によって水が生成され、この生成水はオフガスと共に外部へ排出される。
【０００３】
ところが、例えばセル内にガス流れが淀むターン部が存在する等して、セル内の特定箇所に生成水が溜まってしまうと、セル面内で発電が不均一となって発電効率が低下したり、ガス流れが阻害されてセル電圧が低下する、という不具合が生じる。また、運転時は、負荷変動と共にガス流量やガス加湿量が変化するため、例えばガス流量が少なく水温が低い等の条件が揃うと、排水能力が低下してセル内に生成水が溜まってしまう。
【０００４】
そこで、特許文献１には、セル内部に局所的に水分の多い箇所が生じた場合には、該箇所を局部的にヒータで加熱することにより、セル内の水分分布を均一にする技術が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−１４６２６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、セルへのヒータの埋め込みが必要になるため、セル構造やシステム構成が複雑になるという課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、セル構造やシステム構成の複雑化を招来することなく、セルの水分分布を均一化することが可能な燃料電池システム及びその運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の発明者は、運転中に生じたセルの水分分布を如何にして均一化するかについて鋭意研究を続けた結果、相対的に電位の低い側（マイナス側）には生成水が溜まらない、あるいは生成水が溜まり難いという知見を得た。本発明の燃料電池システム及びその運転方法は、このような知見に基づいてなされたものであり、以下の手段を採用するものである。
【０００８】
すなわち、本発明の燃料電池システムは、膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルに反応ガスを供給して発電する燃料電池システムであって、セルにおける水分分布に応じて、セルの電位差を変更する電位差変更手段を備える。具体的には、セル内において相対的に水分の多い箇所の電位を他箇所よりも高める。
【０００９】
また、本発明の燃料電池システムの運転方法は、膜−電極接合体とその両面に配されるセパレータとを有するセルに反応ガスを供給して発電する燃料電池システムの運転方法であって、セル内の水分分布に所定以上の偏りを検知した場合には、セルの電位差を変更する。水分分布の偏りは、例えばセル電圧を監視し、セル電圧が所定値以下になったり、セル電圧の挙動が不安定になったことをもって検知する。
【００１０】
以上の構成において、セルの水分分布には、セルの面内方向における水分分布と、セルの厚み方向（カソード−アノード間）における水分分布とが含まれる。また、セルの電位差を変更することには、極性の反転を伴うものだけでなく、例えば−０．８Ｖの電位を−０．７Ｖまたは−０．９Ｖに変更すること、つまり、極性の反転を伴わない同極性での電位差の変更も含まれる。
【００１１】
以上の如く構成された燃料電池システム及びその運転方法によれば、セルの電位差を強制的に変えてやることで、セルの面内方向または厚み方向において相対的に水分の多い箇所から少ない箇所へと水分を移動させることができる。これにより、セルの面内方向または厚み方向における水分分布の均一化が促進、あるいは水分分布の偏りの進行が抑制される。
【００１２】
電位差変更手段としては、例えば、セパレータと接続可能な外部電源を備え、前記外部電源のプラス側は、セル内において相対的に水分の多い箇所に対応して、また、前記外部電源のマイナス側は、セル内において相対的に水分の少ない箇所に対応して接続可能とされた構成の採用が可能である。
【００１３】
このような構成に対応して、セパレータに複数の端子を設けてもよく、かかる場合には、これらの端子に外部電源のプラス側およびマイナス側がそれぞれ接続される。これら端子の１つをセル電圧測定用の端子と兼用してもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、セル構造やシステム構成の複雑化を招来することなく、セルの水分分布を均一化することが可能となる。これにより、発電効率の向上と、セル電圧の低下防止及び挙動の安定化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。また、本発明は、エネルギ源として燃料電池スタックを備えた燃料電池システムへの適用に限定されることなく、最小発電単位となる単セルをエネルギ源とした燃料電池システムへの適用も可能である。
【００１６】
この燃料電池システムは、図１に示すように、最小発電単位となるセル１（図２）を複数積層してなる燃料電池スタック１０と、該燃料電池スタック１０の各セル１に燃料ガス（反応ガス、アノードガス）としての水素ガス，酸化剤ガス（反応ガス、カソードガス）としての空気，及び冷却水をそれぞれ供給する水素ガス系２０，空気系３０，及び冷却水系（図示略）と、セル１内の水分分布に応じて、セル面内の電位差を変更する電位差変更手段１００とを備えて構成されている。
【００１７】
水素供給源２１に貯蔵された水素ガスは、第１の調圧弁２２と第２の調圧弁２３とにより供給圧および供給量が調整され、アノードに供給される。一方、フィルタから吸入された空気は、コンプレッサ３１で圧縮され、カソードに供給される。空気の供給圧および供給量は、調圧弁３２の開閉制御によって調整される。
【００１８】
セル１は、図２に示すように、ＭＥＡ（膜−電極接合体）２と、ＭＥＡ２を挟持する一対のセパレータ３ａ，３ｂとで構成され、全体として積層形態を有している。ＭＥＡ２は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜４と、この電解質膜４を両面から挟んだ一対の電極（アノード極およびカソード極）５ａ，５ｂとで構成されている。
【００１９】
各セパレータ３ａ，３ｂは、セル積層方向でみて流体（空気、水素ガス、冷却水）を隔離すると共に、該流体をセル１内またはセル１間に導くガス流路６ａ，６ｂが形成されたものであり、ガス不透過の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。
【００２０】
セパレータ３ａの電極５ａ側となる内側の面には、水素ガスのガス流路６ａが複数形成されている。同様に、セパレータ３ｂの電極５ｂ側となる内側の面には、空気のガス流路６ｂが複数形成されている。これらガス流路６ａ，６ｂは、図３に示すように、複数が流れ方向にセグメント化され、蛇行している。
【００２１】
つまり、セパレータ３ｂに形成されたガス流路６ｂは、当該セパレータ３ｂの一辺に沿って図示では左右方向に直線的に延びるストレート部６１と、図示では上下方向に並列する２つのストレート部６１をそれらの端部にて連結するターン部６２とが連続してなる、いわゆるサーペンタイン流路とされている。セパレータ３ａに形成されたガス流路６ａについても、ガス流路６ｂと同様のサーペンタイン流路とされている。
【００２２】
セパレータ３ａ，３ｂの一側縁部には、空気入口側のマニホールド７、水素ガス出口側のマニホールド（図示略）、および冷却水入口側のマニホールド（図示略）が貫通形成されている。一方、セパレータ３ａ，３ｂの他側縁部には、空気出口側のマニホールド８、水素ガス入口側のマニホールド（図示略）、および冷却水出口側のマニホールド(図示略)が貫通形成されている。つまり、空気の入口／出口が水素ガスの出口／入口にそれぞれ対応し、空気と水素ガスの流れは略対向流となっている。
【００２３】
上記構成に加え、セパレータ３ｂには、複数の端子６３〜６５が設けられている。端子６３，６４は、ガス流路６ｂのターン部６２、つまり、屈曲した流路形状に起因してガス流れが淀む傾向にあり、他の部分よりも生成水が溜まって水分の多くなる部分（図３のハッチング領域）に対応して設けられている。なお、端子６３については、セル電圧測定用の端子としても兼用されている。
【００２４】
一方、端子６５は、ストレート部６１の空気入口側のマニホールド７の下流側近傍、つまり、ガス流速が大きい結果、生成水がガス流に持ち去られ易い傾向にあり、他の部分よりも生成水が溜まらず水分の少なくなる部分（図３の破線で囲まれた領域）に対応して設けられている。
【００２５】
なお、端子６３〜６５の設置箇所、言い換えれば、水分が多く溜まる場所と、水分がそれほど溜まらない場所は、ガス流路６ａ，６ｂの構成（各流路の幅や深さ、セグメント化された複数の流路の総幅、流れ方向等）によって異なるため、シュミレーションや実際の可視化試験の結果に基づき、生成水が溜まり易い流路部分と溜まり難い流路部分の傾向を予め推定した上で決定する。
【００２６】
電位差変更手段１００は、制御コンピュータシステムによって構成された制御部１１０，セル電圧監視部１１１，バッテリ（外部電源）１０１，バッテリ１０１とセパレータ３ｂとを接続するケーブル１０２とを備えて構成されている。バッテリ１０１としては、補機用バッテリが使用可能であるが、これに限らない。
【００２７】
端子６３，６４は、ケーブル１０２ａを介して、バッテリ１０１のプラス端子に接続されている。端子６３は、セル電圧監視部１１１にも接続されている。一方、端子６５は、ケーブル１０２ｂを介して、バッテリ１０１のマイナス端子に接続されている。なお、図３では図示を省略したが、ケーブル１０２ａ，１０２ｂには、バッテリ１０１−セパレータ３ｂの端子６３〜６５間の導通を制御するためのスイッチング手段（図示略）が設けられている。
【００２８】
制御部１１０は、図示しない車両のアクセル開度信号等の要求負荷、燃料電池システムの各部に設けられたセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、電流計、電圧計等）、各機器（コンプレッサ３１、水素ポンプ等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を統括制御する他、セル電圧監視部１１１の出力結果に応じて、バッテリ１０１−セパレータ３ｂ間の導通を制御し、セル面内の電位差を強制変更する。
【００２９】
次に、図４を参照しながら、セル面内の電位差変更フローについて説明する。
【００３０】
本フローは、所定周期毎あるいは所定イベントの発生に対応して呼び出されるものであり、まず、ステップＳ１では、セル電圧監視部１１１にてセル電圧を検出する。ステップＳ３では、セル電圧の検出結果に基づいて、制御部１１０がセル１内の水分分布に所定以上の偏りがあるか否かを判定する。
【００３１】
例えば、セル電圧が所定値以下になったときや、セル電圧挙動が不安定になったときに、セル１内の水分分布に所定以上の偏りがあると判定される。セル電圧挙動が不安定になったときとは、例えば、所定値を超える振幅のセル電圧変化が長い周期で不規則に繰り返されているとき、小振幅のセル電圧変化が短い周期で規則的に繰り返されているとき、セル電圧が急速に低下するとき等をいう。
【００３２】
セル１内の水分分布に所定以上の偏りが認められた場合（ステップＳ３：「ＹＥＳ」）は、ステップＳ５の電位差変更処理に進み、セル面内の電位差を変更する。具体的には、制御部１１０がスイッチング手段を閉じ、バッテリ１０１のプラス端子と端子６３，６４、バッテリ１０１のマイナス端子と端子６５をそれぞれ導通させる。
【００３３】
すると、ガス流路６ｂのターン部６２、つまり、他の流路部分よりも生成水が溜まっていて水分の多い箇所が高電位（プラス側）になると共に、ストレート部６１の空気入口側のマニホールド７の下流側近傍、つまり、他の流路部分よりも生成水が溜まっておらず水分の少ない箇所が低電位（マイナス側）になる。その結果、セル１内においては、水分の多い箇所から少ない箇所へと水分が移動する。これにより、セル１内の水分分布は均一化される。
【００３４】
一方、セル１内の水分分布に所定以上の偏りが認められなかった場合（ステップＳ３：「ＮＯ」）は、ステップＳ５の電位差変更処理をスキップし、処理は終了する。
【００３５】
以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システム及びその運転方法は、セル１内において相対的に電位の低い側（マイナス側）には生成水が溜まらないという知見に基づき、セル面内の電位差をターン部６２側が高電位となるように強制的に変えてやることで、水分の多い箇所から少ない箇所へと水分を移動させるものである。
【００３６】
よって、本実施形態の燃料電池システム及びその運転方法によれば、セル構造やシステム構成の複雑化を招来することなく、運転中に生じたセル１内における水分分布の偏りを均一化することが可能となる。また、セル１内の水分分布が均一化される結果、発電効率の向上と、セル電圧の低下防止及び挙動の安定化を図ることができる。
【００３７】
＜他の実施形態＞
上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、セルにおける電位差の変更は、外部電源を用いずにセルで発電を行い、反応ガスの供給量や供給圧を制御してセルに電位差をつけるようにしてもよい。
【００３８】
また、カソード側で生成された生成水がマイナス側のアノードに移動してアノード側の水分量が多くなる場合があるので、かかる場合には、セルの厚み方向における電位差を変更することにより、カソード−アノード間（セルの厚み方向）における水分の偏りを抑制することも可能である。
【００３９】
このセルの厚み方向の電位を変更させる方法としては、例えば、セルに供給するアノードガスとカソードガスとを例えばガス流路切替手段（配管、弁等）等を介して互いに入れ替えることにより、セル厚み方向の極性を入れ替える方法がある。これにより、アノード極側に溜まった水を、膜を介してカソード極側に移動させることができるので、アノード極側に溜まる水を少なくし得て、セル厚み方向における水分分布の偏りの進行を抑制すること、あるいは水分分布を均一化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を示すシステム構成図。
【図２】図１に示すセルの断面図。
【図３】セパレータの端子とバッテリの端子との接続関係を示す説明図。
【図４】電位差変更処理の内容を説明するフローチャート。
【符号の説明】
【００４１】
１…セル、２…ＭＥＡ（膜−電極接合体）、３ａ，３ｂ…セパレータ、１００…電位差変更手段、１０１…バッテリ（外部電源）、１１０…制御部、１１１…セル電圧監視部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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