(57)【要約】【課題】燃料電池におけるフラッディングの発生を抑制する技術を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、酸化ガスのための酸化ガス供給用マニホールド２５および酸化ガス排出用マニホールド２６を有する。酸化ガス排出用マニホールド２６には、電極面の端部領域に接続する外周流路２６ｂと、電極面の中央領域に接続する中央流路２６ａとが設けられ、中央流路２６ａには、排ガスの流量を調整可能な回転弁体３１が設けられている。中央流路２６ａと外周流路２６ｂとにはそれぞれ、２つのセル温度検出部３６ａ，３６ｂとが設けられている。制御部４００は、２つのセル温度検出部３６ａ，３６ｂの検出値から、電極面の端部領域におけるフラッディング発生の可能性を検出したときに、回転弁体３１を閉じ側に制御して、外周流路２６ｂから排出される排ガス量を増大させるとともに、端部領域からの排水量を増大させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の運転を制御する制御部と、
を備え、
前記燃料電池は、発電反応が行われる発電部に接続する前記酸化ガスのための供給側マニホールドおよび排出側マニホールドと、前記発電部の端部側に位置する端部領域における水分の局所的な発生の可能性を示す水分発生条件が満足されたか否かを検出する余剰水分検出部とを有し、
前記排出側マニホールドは、前記端部領域に接続する外周流路と、前記発電部において前記端部領域より中央側に位置する中央領域に接続する中央流路とを有し、
前記中央流路には、前記中央流路における排ガスの流量を調整可能な流量調整バルブが設けられており、
前記制御部は、前記余剰水分検出部が、前記端部領域における水分の局所的な発生の可能性を検出したときに、前記流量調整バルブを閉じ側に制御して、前記外周流路から排出される排ガス量を増大させるとともに、前記端部領域からの排水量を増大させる、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスとして燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する。燃料電池の発電効率を向上させるために、電極面内における反応ガスの流量分布を調整して、電極面内における発電分布を略均一化する技術が提案されている（下記特許文献１等）。
【０００３】
ところで、燃料電池では、発電反応によって生成された水分が電極面内の一部領域に局所的に滞留してしまう場合がある。生成水分の局所的な滞留が著しい場合には、生成水分によって反応ガスの流れが阻害され、発電不能にまで陥る、いわゆるフラッディングが発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−０８２３４８号公報
【特許文献２】特開２００８−０５９７５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、燃料電池におけるフラッディングの発生を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の運転を制御する制御部とを備え、前記燃料電池は、発電反応が行われる発電部に接続する前記酸化ガスのための供給側マニホールドおよび排出側マニホールドと、前記発電部の端部側に位置する端部領域における水分の局所的な発生の可能性を示す水分発生条件が満足されたか否かを検出する余剰水分検出部とを有し、前記排出側マニホールドは、前記端部領域に接続する外周流路と、前記発電部において前記端部領域より中央側に位置する中央領域に接続する中央流路とを有し、前記中央流路には、前記中央流路における排ガスの流量を調整可能な流量調整バルブが設けられており、前記制御部は、前記余剰水分検出部が、前記端部領域における水分の局所的な発生の可能性を検出したときに、前記流量調整バルブを閉じ側に制御して、前記外周流路から排出される排ガス量を増大させるとともに、前記端部領域からの排水量を増大させる、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、余剰水分検出部が、発電部の端部領域における水分の局所的な発生の可能性を検出したときに、流量調整バルブによって、端部領域からの排水量を増大させることができるため、発電部の端部領域におけるフラッディングの発生を抑制することができる。
【０００８】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池、その燃料電池を備えた燃料電池システム、その燃料電池システムを搭載した車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】燃料電池システムの構成を示す概略図。
【図２】燃料電池の内部構成を示す概略図。
【図３】燃料電池の内部構成を示す概略図。
【図４】燃料電池のセル温度と余剰水分の発生との関係を説明するための説明図。
【図５】制御部による流量分布制御処理の処理手順を示すフローチャート。
【図６】第２実施例の燃料電池の構成を示す概略図。
【図７】第２実施例の燃料電池におけるガス流量検出部の構成を示す概略図。
【図８】第２実施例の燃料電池システムにおける制御部による流量分布制御処理の処理手順を示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
A．第１実施例：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０００は、外部負荷（図示せず）の要求に応じて電力を供給する発電システムである。燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、燃料ガス供給部２１０と、エアコンプレッサ２２０と、制御部４００とを備える。
【００１１】
燃料電池１００は、アノード側１０およびカソード側２０のそれぞれに、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）の供給を受けて発電する固体高分子型燃料電池である。燃料ガス供給部２１０は、例えば水素貯蔵タンク（図示せず）を備えており、供給配管２１１を介して燃料電池１００のアノード側１０に、燃料ガスとして水素を供給する。また、エアコンプレッサ２２０は、供給配管２２１を介して、燃料電池１００のカソード側２０に酸化ガスとして高圧空気を供給する。
【００１２】
燃料電池１００のアノード側１０およびカソード側２０にはそれぞれ、発電反応に供されることのなかった反応ガスを含む排ガスを、燃料電池１００の外部へと排出するための排出配管２１４，２２４が接続されている。なお、供給配管２１１，２２１や排出配管２１４，２２４には、ガスの流れや圧力を制御するためのバルブや、ガスの湿潤度を調整するための加湿器などが設けられるものとしても良い。
【００１３】
ここで、燃料電池１００のカソード側２０には、カソード側２０の電極面内における酸化ガスの流量分布を調整するための流量分布調整機構３０が設けられている。流量分布調整機構３０の具体的な構成については後述する。この流量分布調整機構３０や、上記の燃料ガス供給部２１０、エアコンプレッサ２２０は、制御部４００によって制御されている。制御部４００は、例えば、マイクロコンピュータによって構成することができる。
【００１４】
図２および図３はそれぞれ、燃料電池１００の内部構成を示す概略断面図である。図２は図３に示す２−２切断における燃料電池１００の概略断面であり、図３は図２に示す３−３切断における燃料電池１００の概略断面図である。なお、図２および図３にはそれぞれ、対応する三次元矢印ｘ，ｙ，ｚが図示されている。
【００１５】
燃料電池１００は、筐体５０を有しており、筐体５０の内部には、複数の単セル４０が積層された単セル積層体１１０が収容されている。単セル４０は、電解質膜の両側にガス拡散性を有する電極が配置された発電体である膜電極接合体５を、導電性の板状部材であるアノードセパレータ１１およびカソードセパレータ２１によって狭持した発電モジュールである。ここで、本明細書においては、各単セル４０の膜電極接合体５において、２つの電極を含む、発電が行われる部位を「発電部」と呼ぶ。
【００１６】
アノードセパレータ１１とカソードセパレータ２１にはそれぞれ、膜電極接合体５の電極と対向する面側に反応ガスのための流路溝１３，２３が、発電部全体に渡って設けられている。具体的には、アノードセパレータ１１には、矢印ｘ方向に沿って併走する複数の直線状の流路溝１３が設けられ、カソードセパレータ２１には、矢印ｙ方向に沿って併走する複数の直線状の流路溝２３が設けられている。
【００１７】
なお、各セパレータ１１，２１の流路溝１３，２３と膜電極接合体５の各電極との間には、電極面全体に反応ガスを行き渡らせるための導電性を有する多孔質部材が配置されるものとしても良い。また、各単セル４０の外周端には、反応ガスが反応に供されることなく供給された電極とは反対側の電極へと漏洩してしまうことを抑制するためのシール部が設けられるものとしても良い。さらに、単セル積層体１１０の両端部には、インシュレータプレートや、ターミナルプレート、エンドプレートなどが配置されるものとしても良い。
【００１８】
筐体５０の内壁面と単セル積層体１１０の対向する２つの側面１１１，１１２との間にはそれぞれ、酸化ガス供給用マニホールド２５および酸化ガス排出用マニホールド２６が中空部として形成されている。酸化ガス供給用マニホールド２５は供給配管２２１を介してエアコンプレッサ２２０と接続されるとともに、カソードセパレータ２１の各流路溝２３と連通している。一方、酸化ガス排出用マニホールド２６は、排出配管２２４に接続されるとともに、カソードセパレータ２１の各流路溝２３と連通している。
【００１９】
この燃料電池１００では、エアコンプレッサ２２０が出力した高圧空気が、酸化ガス供給用マニホールド２５を介して各単セル４０のカソード側の流路溝２３へと供給される。また、カソード側の排ガスが、各単セル４０の流路溝２３から酸化ガス排出用マニホールド２６を介して排出配管２２４へと排出される。図２および図３にはそれぞれ、酸化ガスおよび排ガスの流れが破線矢印で図示されている。なお、燃料電池１００には、単セル積層体１１０の矢印ｘ方向において対向し合う２つの側面１１３，１１４に、燃料ガスのためのマニホールドが設けられているが、その図示および説明は省略する。
【００２０】
ところで、酸化ガス排出用マニホールド２６の内部には、流量分布調整機構３０が設けられている。流量分布調整機構３０は、回転弁体３１と、２つの流路壁３３と、弁体駆動部３５と、２つのセル温度検出部３６ａ，３６ｂとを有する。２つの流路壁３３は、酸化ガス排出用マニホールド２６内を矢印ｘ方向に渡って、中央流路２６ａと、中央流路の両外側に位置する２つの外周流路２６ｂとに仕切るように設けられている。即ち、中央流路２６ａには、各単セル４０の発電部の電極面における比較的中央の領域（中央領域）からの排ガスが流入し、２つの外周流路２６ｂには、発電部における比較的外側の領域（端部領域）からの排ガスが流入する。なお、中央流路２６ａおよび２つの外周流路２６ｂはそれぞれ、酸化ガス排出用マニホールド２６の下流側（図２，図３の紙面上側）において、互いに接続している。
【００２１】
回転弁体３１は、中央流路２６ａの下流側に設けられている。具体的には、回転弁体３１は、２つの流路壁３３を貫通する回転軸３１ｓを有しており、回転軸３１ｓを中心に回動可能なように保持されている。中央流路２６ａは、回転弁体３１の回転角度に応じて圧力損失が調整される。即ち、回転弁体３１が垂直なときに、中央流路２６ａの圧力損失は最小となり、回転弁体３１が水平なときに、中央流路２６ａの圧力損失は最大となる。なお、回転弁体３１の回転軸３１ｓは、筐体５０の外部にまで突出しており、筐体５０の外部に設けられた弁体駆動部３５が、制御部４００の指示に従って、回転軸３１ｓを回動させる。
【００２２】
２つのセル温度検出部３６ａ，３６ｂ（図３）はそれぞれ、中央流路２６ａおよび外周流路２６ｂの上流側に設けられており、積層方向端部に位置する単セル４０から排出される排ガスの温度から当該単セル４０のセル温度を検出する。２つのセル温度検出部３６ａ，３６ｂは、検出したセル温度を制御部４００へと送信する。なお、セル温度検出部３６ａ，３６ｂはそれぞれ、さらに複数の単セル４０のセル温度を検出できるように、複数箇所に設けられるものとしても良い。
【００２３】
図４（Ａ），（Ｂ）は、燃料電池におけるセル温度と余剰水分の発生との関係を説明するための説明図である。図４（Ａ）は、運転を継続して、運転温度が平均運転温度に到達したときの燃料電池１００におけるセル温度分布を示すグラフである。このグラフは、横軸Ｘが各単セル４０の電極面における図３の矢印ｘ方向（カソード側の流路溝２３の配列方向）における位置を示しており、縦軸Ｔが位置Ｘにおける各単セル４０のセル温度の平均値を示している。なお、横軸Ｘは、図３に示した矢印Ｘと対応している。運転中の燃料電池１００の各単セル４０では、電極面の中央領域は温度Ｔaでほぼ一定に保たれるが、放熱量が比較的多い電極面の端部領域は温度Ｔbまで著しく低下する。
【００２４】
図４（Ｂ）は、セル温度と各単セル４０の発電部における水収支との関係を示すグラフである。ここで、「水収支」とは、各単セル４０において発電反応によって生成される生成水量と、各単セル４０から排出される排水量との差を意味する。即ち、水収支が＋側となるのは、生成水量に対して排水量が少なく、発電部に余剰水分が存在する場合であり、水収支が−側となるのは、生成水量に対して排水量が多く、発電部が乾燥傾向にある場合である。ここで、排水量は排ガスのセル温度に対する飽和水蒸気圧に応じて増大するため、セル温度が高いほど水収支は−側に増大し、セル温度が低いほど水収支は＋側に増大する。以後、水収支がゼロとなるときのセル温度を「水収支均衡温度Ｔ0」と呼ぶ。
【００２５】
図４（Ａ），（Ｂ）のグラフから、運転中の燃料電池１００における電極面の中央領域では、セル温度Ｔaが水収支均衡温度Ｔ0に比較的近いため、余剰水分はほとんど存在しないことがわかる。一方、電極面の端部領域では、セル温度Ｔbが水収支均衡温度Ｔ0に対して著しく低いため、余剰水分が多量に存在していることがわかる。
【００２６】
ここで、燃料電池では、一般に、発電部を適切な湿潤度に保つことにより、電解質膜におけるプロトン伝導性を良好に維持することができる。しかし、発電部の湿潤度が著しく高くなり、電極面に余剰水分が存在する場合には、発電部における反応ガスの流れが余剰水分によって阻害されてしまうため、発電効率が低下してしまう、いわゆるフラッディングが発生する場合がある。
【００２７】
即ち、上記のように、各単セル４０の電極面における温度分布が不均一である場合には、電極面における水分量分布が不均一となり、フラッディングが発生する可能性が増大する。より具体的には、２つのセル温度Ｔa，Ｔbの温度差ΔＴが大きいほど、電極面の端部領域においてフラッディングが発生する可能性が増大する。そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、フラッディングが発生する可能性が高い場合に、流量分布調整機構３０によってカソード側の電極面の端部領域からの排水性を向上させ、フラッディングの発生を抑制する。
【００２８】
図５は、制御部４００が、フラッディングの発生を抑制するために、流量分布調整機構３０を用いて行う流量分布制御処理の処理手順を説明するためのフローチャートである。燃料電池システム１０００では、燃料電池１００の運転を開始すると、制御部４００が定期的に、この流量分布制御処理を実行する。ステップＳ１０では、制御部４００は、２つのセル温度検出部３６ａ，３６ｂの検出温度を用いて、電極面の中央領域と端部領域との間の温度差ΔＴを検出する。
【００２９】
ステップＳ２０では、制御部４００は、検出した温度差ΔＴと、予め設定された閾値Ｔthとを比較し、フラッディングが発生する可能性を判定する。温度差ΔＴが閾値Ｔthよりも大きい場合には、制御部４００は、電極面の端部領域でフラッディングが発生する可能性が高いと判定し、流量分布調整機構３０の回転弁体３１（図２，図３）を閉じ側へと制御して半開の状態とする。これによって、中央流路２６ａの圧力損失が、回転弁体３１が全開である状態よりも増大するため、中央流路２６ａからの排ガスの排出量が減少する。一方、中央流路２６ａからの排ガス排出量の減少に伴い、２つの外周流路２６ｂからの排ガスの排出量が増大する。これにより、カソード側の電極面の端部領域におけるガス流量が増大するため、電極面の端部領域からの排水量が増大し、電極面の端部領域におけるフラッディングの発生が抑制される。なお、制御部４００は、ステップＳ３０において、温度差ΔＴが大きいほど、回転弁体３１の開度を減少させるものとしても良い。
【００３０】
ステップＳ２０で、温度差ΔＴが閾値Ｔth以下であった場合には、制御部４００はフラッディングが発生する可能性が低いと判定し、ステップＳ４０を実行する。ステップＳ４０では、流量分布調整機構３０の回転弁体３１を全開の状態にする。
【００３１】
ここで、運転中の燃料電池１００において、セル温度が電極面の中央領域より著しく低下する電極面の端部領域の幅Ｗｅ（図４（Ａ））は、電極面の幅Ｌ（図３）に対して約１０％程度の幅であることを本発明の発明者は見出した。従って、流量分布調整機構３０によって電極面の端部領域における排水性をより効果的に向上させるためには、外周流路２６ｂの流路幅ＣＷを電極面の幅Ｌの約１０％程度の幅とすることが好ましい。これによって、流量分布調整機構３０の回転弁体３１の開閉動作によって、より確実に外周流路２６ｂから、電極面の端部領域に存在する余剰水分を排出することが可能となる。
【００３２】
このように、本実施例の燃料電池システム１０００によれば、電極面の端部領域においてフラッディングが発生する可能性が増大した場合に、流量分布調整機構３０によって、カソード側の電極面の端部領域におけるガス流量を増大させることができる。従って、電極面の端部領域からの排水量を増大させることができ、フラッディングの発生を抑制することができる。
【００３３】
B．第２実施例：
図６は本発明の第２実施例としての燃料電池システムに用いられる燃料電池１００Ａの構成を示す概略図である。図６は２つのセル温度検出部３６ａ，３６ｂに換えてガス流量検出部３７が設けられている点以外は、図３とほぼ同じである。なお、燃料電池１００Ａの他の構成は、第１実施例で説明した燃料電池１００とほぼ同じである。また、第２実施例の燃料電池システムの構成は、燃料電池１００に換えてこの燃料電池１００Ａが用いられている点以外は、第１実施例の燃料電池システム１０００（図１）と同じである。
【００３４】
図７（Ａ）は、燃料電池１００Ａに設けられたガス流量検出部３７の回路構成を示すブロック図である。このガス流量検出部３７は、ガス等の流体の流量を誤差の比較的小さい四端子法により計測する熱線式流量計である。ガス流量検出部３７は、流量計センサ３１０と、２つの電位差測定手段３２１，３２２と、定電流印加手段３０１と、電流量検出手段３０２と、和算手段３３１と、比較手段３３２とを備える。図７（Ｂ）は、流量計センサ３１０の回路構成を示す概略図である。流量計センサ３１０は、ガス測温抵抗３１２と、流量検出発熱抵抗３１４と、配線抵抗３１６とを有する。
【００３５】
ガス流量検出部３７の第１の電位差測定手段３２１は、ガス測温抵抗３１２の両端に設けられた端子に接続され、第２の電位差測定手段３２２は、流量検出発熱抵抗３１４の両端に設けられた端子に接続される。電流量検出手段３０２の測定結果と、第２の電位差測定手段３２２の測定結果とは、和算手段３３１へと送信され、和算手段３３１における演算結果と、第１の電位差測定手段３２１の測定結果と、電流量検出手段の測定結果とは、比較手段３３２へと送信され、ガスの流量が算出される。ガス流量検出部３７は、酸化ガス排出用マニホールド２６の外周流路２６ｂの下流側に配置され（図６）、外周流路２６ｂにおける排ガス量を検出し、制御部４００に送信する。
【００３６】
図８は、第２実施例の燃料電池システムにおける流量分布制御処理の処理手順を示すフローチャートである。図８は、ステップＳ１０，Ｓ２０に換えて、ステップＳ１０Ａ，Ｓ２０Ａが設けられている点以外は、図５と同じである。制御部４００は、ステップＳ１０Ａにおいて、外周流路２６ｂにおける排ガス量Ｆをガス流量検出部３７によって検出する。また、制御部４００は、ステップＳ２０Ａにおいて、排ガス量Ｆを予め設定された閾値Ｆthと比較することにより、電極面の端部領域においてフラッディングが発生する可能性を判定する。具体的には、制御部４００は、排ガス量Ｆが閾値Ｆthより小さい場合には、電極面の端部領域に存在する余剰水分によってガスの流れが阻害されている可能性があり、フラッディングが発生している可能性が高いと判定する。この場合には、制御部４００は、ステップＳ３０を実行する。一方、排ガス量Ｆが閾値Ｆth以上である場合には、制御部４００は、電極面の端部領域にガスの流れを阻害するほどの水分は存在せず、フラッディングの発生可能性は低いと判定し、ステップＳ４０を実行する。なお、閾値Ｆthとしては、ストイキ比が１となるガス流量であるものとしても良い。ここで、「ストイキ比」とは、燃料電池の発電量に対して最低限必要なガス量と、実際に燃料電池に供給したガス量との比を意味する。
【００３７】
このように、セル温度を検出しない場合であっても、ガス流量検出部３７によって、各単セル４０の電極面の端部領域におけるフラッディングの発生可能性を判定することが可能である。なお、制御部４００は、他の方法により、フラッディングの発生可能性を判定するものとしても良い。例えば、外周流路２６ｂにおける排ガスの湿潤度を計測し、湿潤度が閾値以上である場合に、フラッディングの発生可能性が高いと判定するものとしても良い。また、燃料電池全体の運転温度が一定の値より高くなったときに、常に回転弁体３１を閉じ側に制御するものとしても良い。
【符号の説明】
【００３８】
５…膜電極接合体
１０…アノード側
１１…アノードセパレータ
１３…流路溝
２０…カソード側
２１…カソードセパレータ
２３…流路溝
２５…酸化ガス供給用マニホールド
２６…酸化ガス排出用マニホールド
２６ａ…中央流路
２６ｂ…外周流路
３０…流量分布調整機構
３１…回転弁体
３１ｓ…回転軸
３３…流路壁
３５…弁体駆動部
３６ａ，３６ｂ…セル温度検出部
３７…ガス流量検出部
４０…単セル
５０…筐体
１００，１００Ａ…燃料電池
１０００…燃料電池システム
１１０…単セル積層体
１１１，１１２…側面
１１３，１１４…側面
２１０…燃料ガス供給部
２１１，２２１…供給配管
２１４，２２４…排出配管
２２０…エアコンプレッサ
３０１…定電流印加手段
３０２…電流量検出手段
３１０…流量計センサ
３１２…ガス測温抵抗
３１４…流量検出発熱抵抗
３１６…配線抵抗
３２１…第１の電位差測定手段
３２２…第２の電位差測定手段
３３１…和算手段
３３２…比較手段
４００…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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