(57)【要約】【課題】  燃料電池スタックのガス拡散層が塵埃等による目詰まりが生じて、セル電圧が低下した場合、目詰まりを解消して電圧を回復させる。【解決手段】  圧力調整機構６は、燃料電池スタック積層面の面圧を任意に調整する機構である。制御装置９は、電圧計２０が燃料電池電圧の低下を検出したときに、この電圧低下がガス拡散層の目詰まりによるものか否かを判定し、ガス拡散層の目詰まりと判定した場合に、圧力調整機構６により前記面圧を低下させた状態で燃料電池を運転するガス透過性回復運転を行う。【選択図】    図１
2006114456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタック積層面の面圧を任意に調整する圧力調整機構と、
該圧力調整機構の圧力を受けて燃料電池スタック積層面を加圧する加圧板と、
燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段が燃料電池電圧の低下を検出したときに、該電圧低下がガス拡散層の目詰まりによるものか否かを判定する目詰まり判定手段と、
該目詰まり判定手段がガス拡散層の目詰まりと判定した場合に、前記圧力調整機構により前記面圧を低下させた状態で燃料電池を運転するガス透過性回復運転を行うように制御する制御装置と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力調整機構は、
前記加圧板に組みつけられた圧力調整雌ネジと、
燃料電池スタックフレームに固定された正逆転可能なモータと、
該モータの回転軸に形成され前記圧力調整雌ネジに螺合する雄ネジと、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記目詰まり判定手段は、
燃料電池電圧低下時に、加湿しない反応ガスを燃料電池に供給して燃料電池電圧の変化を測定し、燃料電池電圧が回復しない場合に前記目詰まり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。
【請求項４】
前記燃料電池スタック積層面の面圧低下時、燃料電池スタックの接触抵抗値が所定値を超えたら面圧低下を停止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。
【請求項５】
前記ガス透過性回復運転中は、反応ガス流量を通常運転時より増加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。
【請求項６】
前記ガス透過性回復運転を行っても燃料電池電圧が回復しないときは、前記面圧を通常運転時の面圧に戻し、燃料電池出力を制限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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタック積層面の面圧が可変である燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、水素貯蔵装置や燃料改質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、大気汚染物質の排出がなく究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池の発電要素は、電解質である固体高分子膜の両面に電極触媒層を形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡの両面にそれぞれ設けられた導電性多孔質のガス拡散層からなる。
【０００４】
この発電要素に、アノードセパレータから燃料ガスとしての水素を供給し、カソードセパレータから酸素を含む空気を供給すると、アノード、カソードそれぞれのガス拡散層を経て電極触媒に達した反応ガスは、以下に示す電気化学反応を生じる。
【０００５】
アノードでは、水素ガスが水素イオンと電子とに電離し、カソードでは、電解質膜を透過した水素イオンと、外部回路を通った電子と、酸素とが反応して水が生成される。これを化学式で示すと式（１）〜（３）となる。
【０００６】
〔化１〕
〔アノード〕  Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔カソード〕  ２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋ 1/2 Ｏ2 → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
【０００７】
ガス拡散層での凝縮水排水が十分に行なわれなくなったり、塵埃詰まりによりＭＥＡの反応面へのガス供給が妨げられたりした場合、ガス流量を一時的に増やして動圧により凝縮水排出を促すという方法が特許文献１に開示されている。しかし、この方法では、スタッキング圧力が高いままのため、ガス拡散層の細孔径が小さく、塵埃、凝縮水の排出は容易ではない。
【特許文献１】特開平７−２３５３２４号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
地上で使用される燃料電池は、酸化剤ガスとして空気中の酸素を利用するのが一般的である。このため、エアフィルタにより空気中の塵埃を除去しているが、燃料電池車両が塵埃の多い経路を長時間走行することが多くなるにつれて、エアフィルターにより取り除くことのできない微小径の塵埃がガス拡散層に詰まって、反応面へのガス供給が妨げられたり、塵埃詰まりに起因する凝縮水排水が十分に行なわれなくなったりする問題点が発生する。
【０００９】
従来の技術では、燃料電池の電圧低下が起きたとき、ガス流量を一時的に増やしたり、ガス流路を反転させたりしてガス拡散層に詰まった塵埃を吹きとばしていたが、燃料電池スタックの積層面の面圧を運転中に変化させる構造を持たず、ガス拡散層の細孔径が小さいままなのでガス流量を増やしたり、流路を反転させても詰まった塵埃を排出することができないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池スタック積層面の面圧を任意に調整する圧力調整機構と、燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段が燃料電池電圧の低下を検出したときに、該電圧低下がガス拡散層の目詰まりによるものか否かを判定する目詰まり判定手段と、該目詰まり判定手段がガス拡散層の目詰まりと判定した場合に、前記圧力調整機構により前記面圧を低下させた状態で燃料電池を運転するガス透過性回復運転を行うように制御する制御装置と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガス拡散層の目詰まりが生じたとき、燃料電池積層面の面圧を低下させて燃料電池を運転することで、運転中にガス拡散層の細孔径を大きくすることが可能となり、ガス拡散層の細孔に詰まった塵埃を容易に排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。  
図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施例を説明するシステム概略構成図である。図１において、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２へそれぞれ燃料ガス、空気を供給する図示しない燃料ガス供給装置及び空気供給装置と、制御装置９と、燃料電池スタック２の発電電圧を検出して制御装置９に検出値を送る電圧計２０とを備えている。
【００１３】
燃料電池スタック２は、フレーム３と、フレーム３の両端部に固着されたそれぞれのエンドプレート４、５と、エンドプレート４に設けられ燃料電池スタック積層面の面圧（以下、単にスタック圧力とも略す）を加圧板７を介して任意に調整する圧力調整機構６と、加圧板７と、セル積層部８とを備えている。
【００１４】
圧力調整機構６は、１つでもよいが、本実施例では、均等に加圧するため、方形のエンドプレート４の対角線上に５つ配置され、そのうち１つは、対角線の交点に配置されている。
【００１５】
図２は、圧力調整機構６の詳細を説明する燃料電池スタックの要部断面図である。圧力調整機構６は、エンドプレート４に固着された正逆回転可能なモータ１０と、モータ１０の回転軸に形成された雄ネジ１１と、雄ネジ１１に螺合し且つ加圧板７に固定された雌ネジ１２と、加圧板７がスタック積層面に印加する面圧を検出する圧力センサ１３とを備えている。
【００１６】
モータ１０の正逆回転により雄ネジ１１が正逆回転し、雄ネジ１１に螺合する雌ネジ１２がモータ１０に接近したり離隔したりする。これにより雌ネジ１２が固定された加圧板７がセル積層部８へ印加する面圧を減少したり増加したりすることができるようになっている。
【００１７】
モータ１０及び圧力センサ１３は、制御装置９に接続されている。電圧計２０及び圧力センサ１３の検出値に基づいて制御装置９は、モータ１０を正回転または逆回転駆動することにより、セル積層部８の面圧を減少または増加するように制御できる。
【００１８】
図３は、制御装置による燃料電池の運転制御を説明する制御フローチャートである。制御装置による運転制御の概略は、所定の運転条件で燃料電池を運転中に、セル電圧か許容値より低下した場合、反応ガス流量を増加させてセル電圧が回復するか否かを判定し、回復しない場合にはガス拡散層の目詰まりと判定して、燃料電池スタック積層面の面圧を低下させてガス拡散層の塵埃を排出するガス透過性回復運転を行うことである。
【００１９】
図３において、制御装置９は、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、水素及び空気の供給量を所定の運転条件で燃料電池を運転する。次いで、制御装置９は、Ｓ１２で電圧計２０が検出したセル電圧を読み込み、Ｓ１４でセル電圧が許容値未満であるか否かを判定する。Ｓ１４の判定でセル電圧が許容値以上であれば、Ｓ１０へ戻って、通常の運転を継続する。
【００２０】
Ｓ１４の判定でセル電圧が許容値未満であれば、Ｓ１６へ進み、制御装置９はセル電圧低下の原因を調査するために、水素及び空気の流量を増加させる。このとき供給する水素及び空気は、加湿装置をバイパスした乾燥水素及び乾燥空気である。もしセル電圧低下の原因が過剰な水分によるフラッディングであれば、この乾燥した反応ガスの供給で電圧低下が解消するので、セル電圧低下の原因がフラッディングか塵埃の詰まりかを判別することができる。
【００２１】
次いで、Ｓ１８でセル電圧が回復したか否かを判定する。セル電圧の回復判定は、例えば、水素及び空気の流量増加以前に比べて、所定の電圧以上セル電圧が増加したか否か、或いは一定比率以上のセル電圧増加があったか否かにより判定する。Ｓ１８の判定で、セル電圧が回復していればＳ１０へ戻って、通常の運転を継続する。
【００２２】
Ｓ１８の判定でセル電圧が回復していなければ、塵埃によるガス拡散層の目詰まりによるセル電圧低下であると判断して、Ｓ２０以下のガス透過性回復運転を行う。図４は、燃料電池の初期状態における電流密度−セル電圧特性と、ガス拡散層が塵埃等による目詰まりを生じた場合の電流密度−セル電圧特性を示す図である。図４に示すように、規定電流密度におけるセル電圧がセル電圧下限値を下回った場合に、ガス透過性回復運転を行う。
【００２３】
Ｓ２０では、圧力調整機構６により燃料電池スタック積層面の面圧を低下させる。このとき、一度に面圧を低下させるとスタック接触抵抗が増加し上限値を超えてしまう虞があるので、圧力センサ１３による検出値を参照して一定の圧力ずつ面圧を低下させる。燃料電池スタック積層面の面圧を低下させると、図５（ａ）に示すように、カーボンペーパ、カーボン不織布等で構成されたガス拡散層の空孔径が増加する。
【００２４】
次いで、制御装置９は、Ｓ２２で燃料電池スタック２の接触抵抗を検出する。この接触抵抗の検出には、燃料電池スタックの特定のセル或いはセル群に交流電圧を印加して、セルまたはセル群のインピーダンスを測定することにより接触抵抗を検出する方法がある。また簡易な方法としては、出力電流Ｉを一定に保持し、出力電圧の低下分ΔＥを接触抵抗の増加分ΔＲによるものとして次の式（４）から求める方法がある。
【００２５】
〔数１〕
ΔＥ＝ΔＲ×Ｉ          …（４）
【００２６】
次いで、制御装置９は、Ｓ２４で接触抵抗が上限値以下か否かを判定する。この接触抵抗の上限値は、図５（ｂ）に示すように、通常運転時のスタック積層面の面圧から面圧を下げていった場合に、急激な接触抵抗の増加が始まる手前の接触抵抗値に設定する。これにより拙速抵抗の増加に起因する過剰なセル電圧の低下を防止することができる。
【００２７】
Ｓ２４で接触抵抗値が上限値以下であれば、さらに積層面圧を低下させるために、Ｓ２０へ戻る。Ｓ２４の判定で、接触抵抗値が上限値を超えていれば十分面圧を低下させたとして、Ｓ２６へ進み、水素及び空気の供給量を増加して、燃料電池を運転する。これにより、供給ガスの動圧が増加するので、ガス拡散層から塵埃の排出を促進させることができる。次いで、制御装置９は、Ｓ２８で、スタック積層面の面圧低下運転の継続時間が所定の許容時間以下か否かを判定し、許容時間を超えていれば、Ｓ３４へ進む。
【００２８】
Ｓ２８の判定で、継続時間が許容時間以下であれば、Ｓ３０へ進む。制御装置９は、Ｓ３０で燃料電池のセル電圧を検出し、Ｓ３２でセル電圧が許容値以上となったか否かを判定する。セル電圧が許容値未満であれば、スタック積層面の面圧を低下したガス透過性回復運転を継続するために、Ｓ２６へ戻る。
【００２９】
Ｓ３２の判定でセル電圧が許容値以上となっていれば、Ｓ３４へ進み、空気及び水素の供給量を所定の標準状態に復帰させる。これにより、燃費性能の悪い状態での運転を短時間に抑制することができる。次いで、制御装置９は、Ｓ３６で圧力調整機構６による燃料電池スタック２の積層面面圧を通常運転時の標準状態に復帰させ、以下、通常運転状態に戻る。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの一実施例の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】圧力調整機構の詳細を説明する燃料電池スタックの要部断面図である。
【図３】制御装置によるガス透過性回復運転の制御フローチャートである。
【図４】電流密度−セル電圧特性曲線の例を示す図である。
【図５】（ａ）スタック積層面圧力−ガス拡散層空孔平均径特性曲線、（ｂ）スタック積層面圧力−接触抵抗特性曲線の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…フレーム
４、５…エンドプレート
６…圧力調整機構
７…加圧板
８…セル積層部
９…制御装置
２０…電圧計
【図１】
2006114456.tif 000003
【図２】
2006114456.tif 000004
【図３】
2006114456.tif 000005
【図４】
2006114456.tif 000006
【図５】
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