(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの効率的な運転が可能な燃料電池を実現する。【解決手段】電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟んで形成された電解質−電極接合体と、この電解質−電極接合体の両側に反応ガス流路を有する単セルと、この反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池において、前記単セルを積層し前記反応ガス流路のそれぞれに対して反応ガスを供給する複数の搬送路を設けると共に前記複数の搬送路を流れる反応ガスの流量を調節する調節弁を設けた。【選択図】      図１
2008300250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟んで形成された電解質−電極接合体と、この電解質−電極接合体の両側に反応ガス流路を有する単セルと、この反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池において、前記単セルを積層し前記反応ガス流路のそれぞれに対して反応ガスを供給する複数の搬送路を設けると共に前記複数の搬送路を流れる反応ガスの流量を調節する調節弁を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記積層された単セルのそれぞれが出力する電圧と、温度と、前記反応ガスの流量を入力し内部状態の推定を行う内部状態推定装置を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記内部状態推定装置の出力に基づいて、前記複数の搬送路を流れる反応ガスの流量を調節する調節弁の制御手段を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、単セルのそれぞれに供給する反応ガスの流量を制御することにより最適運転を可能とした燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図２は燃料電池の基本構成を示す単セル燃料電池の模式斜視図である。
図２に示すように単セル燃料電池は、ガス流路を持つアノード側セパレータ１とカソード側セパレータ２に挟まれた電解質-電極接合体３で構成されている。
【０００３】
電解質-電極接合体３はアノード電極４、カソード電極５に挟まれた電解質６で構成されており、燃料電池では、この電解質-電極接合体３のアノード電極４にアノード側セパレータ１に設けられたアノードガス供給口１ａを介してＨ２ガスが供給される。
同様にカソード電極５にカソード側セパレータ２に設けられたカソードガス供給口２ａを介してＯ２ガスが供給される。
【０００４】
そして、燃料電池では、アノード電極４に供給されたＨ２ガスとカソード電極５に供給されたＯ２ガスからＨ２Ｏを生成する過程において、アノード電極４からアノード側セパレータ１、カソード側セパレータ２を通じてカソード電極５へｅ−が外部回路7を移動することにより電流が生じる。
【０００５】
単セル燃料電池の出力電圧８は燃料電池のアノード電極4に供給されるＨ２ガスの流量と組成、カソード電極５に供給されるＯ２ガスの流量と組成、並びに電解質-電極接合体３の温度と外部負荷電流により定まる。この単セル１段あたりの発電電圧はおよそ０．６Ｖ程度である。
【０００６】
図３は図２に示す単セル燃料電池を積層した従来の燃料電池スタックの模式斜視図である。
図３に示すように燃料電池スタックでは、所望の出力を得るために数十〜数百段の単セル燃料電池９を直列接続して積層化されている。
従来の燃料電池スタックでは、各単セル燃料電池９へガスを供給するアノードガス供給口１１ａ、カソードガス供給口１２ｂは、共通の総アノードガス供給口Ａ１および共通の総カソードガス供給口Ｂ１に並列に接続された状態となっている。
【０００７】
そして、供給されたアノードガスはアノード側セパレータ１２に設けられたガス流路を矢印Ａ２のように流れて総アノードガス排出口Ａ３から流出する。
同様に、並列に接続されたカソードガス供給口１２ｂからカソード側セパレータ１３に流入したカソードガスはカソード側セパレータ１３に設けられたガス流路を矢印Ｂ２のように流れて総カソードガス排出口Ｂ３から流出する。
【０００８】
このような燃料電池スタックの運転では、供給する総アノードガスの流量および総カソードガスの流量はそれぞれ単セル燃料電池９間で均しくなると仮定し、燃料電池スタックに供給する総アノードガスの流量およびカソードガスの流量を定めている。
このような燃料電池の先行技術としては、例えば下記の特許文献に示されたものがある。
【０００９】
【特許文献１】特開２００２−８３６１３号公報
【特許文献２】特開２００６−９３０２８号公報
【特許文献３】特開２００７−１９００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、上述の従来の例においては、次のような問題があった。
即ち、実際の燃料電池スタックでは、総アノードガス供給口Ａ１、総カソードガス供給口Ｂ１からの各単セル燃料電池までの距離によって、入口圧力が変わることがある。
入口圧力が変わると個々の単セル燃料電池のアノード供給ガス、カソード供給ガスの圧力−流量特性に個体差が生じる。
【００１１】
そのため、実際の燃料電池スタックでは、各単セル燃料電池に供給されるアノード供給ガスＡ２、カソード供給ガスＢ２の流量に差が生じる。燃料電池の出力電圧はアノード供給ガスＡ２、カソード供給ガスＢ２の流量に依存するためセル電圧に差が生じる。という問題があった。
【００１２】
更に、燃料電池は発電とともに水を生成する。そのため、燃料電池では生成された水がガス流路に凝縮する。この水はガス流路を閉塞するため総ガス供給量を増大させて除去する必要があった。しかし、この場合においても、アノード側、カソード側ともに各単セル燃料電池へのガス供給路が並列に接続されているため、水により流路閉塞の生じた単セル燃料電池以外の単セル燃料電池へと供給ガスが流れ、流路閉塞の生じている単セル燃料電池の閉塞水を除去するのは難しいという問題があった。
【００１３】
従って本発明の目的は、燃料電池スタックを構成する各単セル燃料電池へ供給するアノード供給ガス、カソード供給ガスを個別に調節する機能を持たせるとともに、各単セル燃料電池の内部状態を推定する機能を持たせ、推定された各単セル燃料電池の内部状態から、各単セル燃料電池に最適なガス流量を供給することにより、燃料電池スタックの効率的な運転が可能な燃料電池を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１においては、
電解質膜をアノード電極とカソード電極で挟んで形成された電解質−電極接合体と、この電解質−電極接合体の両側に反応ガス流路を有する単セルと、この反応ガス流路に反応ガスを供給することで発電を行う燃料電池において、前記単セルを積層し前記反応ガス流路のそれぞれに対して反応ガスを供給する複数の搬送路を設けると共に前記複数の搬送路を流れる反応ガスの流量を調節する調節弁を設けたことを特徴とする。
【００１５】
請求項２においては、請求項１記載の燃料電池において、
前記積層された単セルのそれぞれが出力する電圧と、温度と、前記反応ガスの流量を入力し内部状態の推定を行う内部状態推定装置を備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３においては、請求項１または２に記載の燃料電池において、
前記内部状態推定装置の出力に基づいて、前記複数の搬送路を流れる反応ガスの流量を調節する調節弁の制御手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１によれば、次のような効果がある。
単セルを積層し反応ガス流路のそれぞれに対して反応ガスを供給する複数の搬送路を設けると共に前記複数の搬送路を流れる反応ガスの流量を調節する調節弁を設けたので、
セパレータ内の圧損や出力電圧に個体差がある場合、各単セル燃料電池に最適なアノード供給ガス流量、カソード供給ガス流量が最適となるよう、各単セル燃料電池スタックへの供給ガス流量が制御可能となる。
【００１８】
請求項２によれば、積層された単セルのそれぞれが出力する電圧と、温度と、前記反応ガスの流量を入力し内部状態の推定を行う内部状態推定装置を備えたので、各単セルに対して的確な反応ガスを供給することが可能となる。
【００１９】
請求項３によれば、
前記内部状態推定装置の出力に基づいて、前記複数の搬送路を流れる反応ガスの流量を調節する調節弁の制御手段を備えている。その結果、各単セルに対して適切な量の反応ガスを供給することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は本発明の一実施例を示す燃料電池の模式を示す斜視図である。
図に１おいて、１６は単セル燃料電池であり、図３の場合と同様複数個が積層して配置されている。１７はアノード側セパレータ、１８はカソード側セパレータである。２１はアノードガス導入ボックス、２４はカソードガス導入ボックスであり、アノードガス導入ボックス２１には総アノードガス供給口Ａ1からアノードガスが導入される。
【００２１】
また、このアノードガス導入ボックス２１には各アノード側セパレータ１７のそれぞれに連結されたアノードガス流入路３２の端部が配置されており、その端部にはそれぞれ調節弁（図示せず）が接続されている。
【００２２】
同様に、カソードガス導入ボックス２４にはカソードガスが総カソードガス供給口Ｂ１から供給される。そして、このカソードガス導入ボックス２４にも各カソード側セパレータ１８のそれぞれに連結されたカソードガス流入路３３の端部が配置され、その端部にはそれぞれ調節弁（図示せず）が接続されている。
【００２３】
２５は各単セル燃料電池１６に発生する電気信号を内部状態推定手段２８に搬送する単セル電圧搬送ライン、２６は各単セル燃料電池の温度を電気信号に変換して内部状態推定手段２８に搬送する単セル温度搬送ライン、２７は各アノード側セパレータおよび各カソード側セパレータに供給されるガスの流量を電気信号に変換し内部状態推定手段２８に搬送するガス流量搬送ラインである。
【００２４】
３１はコントローラで、内部状態推定手段２８からの出力に基づいてアノードガス調節弁（図示省略）およびカソードガス調節弁（図示省略）に最適なバルブ弁開度を指示するための信号を送出する。
【００２５】
上述の構成において、総アノードガス供給口Ａ1からアノードガス導入ボックス２１に導入されたアノードガスは、アノード側セパレータ１７のそれぞれに対応して設けられたアノードガス流入路３２に流入する。この流入路３２の端部にはそれぞれ流量調節弁（図示省略）が設けられていて、その流量調節弁はコントローラ３１の指示により最適な弁開度となるように制御される。
【００２６】
一方、総カソードガス供給口Ｂ1からカソードガス導入ボックス２４に導入されたカソードガスは、カソード側セパレータ１８のそれぞれに対応して設けられたカソードガス流入路３３に流入する。この流入路３３の端部にもそれぞれ流量調節弁（図示省略）が設けられていて、その流量調節弁はコントローラ３１の指示により最適な弁開度となるように制御される。
【００２７】
アノードガス流入路３２から流入したアノード供給ガスＡ２はアノード側セパレータ１７に形成されたガス流路を経てアノード側セパレータ１７ごとに設けられたアノードガス流出路３２ａを介して総アノードガス排出口Ａ３から排出される。
【００２８】
同様にカソードガス流入路３３から流入したカソード供給ガスＢ２はカソード側セパレータ１８に形成されたガス流路を経てカソード側セパレータ１８ごとに設けられたカソードガス流出路３３ａを介して総カソードガス排出口Ｂ３から排出される。、
【００２９】
先に述べたように、燃料電池では、アノード電極４に供給されたＨ２ガスとカソード電極５に供給されたＯ２ガスからＨ２Ｏを生成する過程において、アノード電極４からアノード側セパレータ１、カソード側セパレータ２を通じて電流が生じる。この電流は電圧に変換され単セル電圧ライン２５を介して内部状態推定装置２８に送出される。単セル燃料電池は反応に際して発熱するがその温度は電気信号に変換されて単セル温度ライン２６を介して内部状態推定装置２８に送出される。
【００３０】
更にアノードガス導入ボックスおよびカソードガス導入ボックス内の流入路の端部には流量調節弁（図示省略）が設けられていて、その流量調節弁からも内部状態推定装置２８にそれぞれの流入路に流れるガス流量が電気信号に変換されて送出される。
【００３１】
内部状態推定装置２８は各単セル燃料電池１６から送出された電圧、温度、ガス流量に基づいて積層された燃料電池の内部状態を推定する。コントローラ３１はその推定値を基に各単セル燃料電池１６に流す最適ガス流量を演算し、ガス指示ライン３５を介してそれぞれのアノード側セパレータ１７とカソード側セパレータ１８に流すガス流量を最適にするために流量調節弁の弁開度を調整する。
上述の構成によれば、各単セル燃料電池に最適なアノードガス流量およびカソードガス流量を供給することが可能である。
【００３２】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施例を示す燃料電池の模式斜視図である。
【図２】燃料電池の基本構成を示す単セル燃料電池の模式斜視図である。を示す模式斜視図である。
【図３】単セル燃料電池を積層した従来の燃料電池スタックの模式斜視図である。
【符号の説明】
【００３４】
１，１２，１７  アノード側セパレータ
１ａ，１１ａ    アノードガス供給口
１ｂ            カソードガス供給口
２，１３，１８  カソード側セパレータ
２ａ，１２ｂ    カソードガス供給口
３              電解質−電極接合体
４              アノード電極
５              カソード電極
６              電解質
７              外部回路
８              出力電圧
９，１６        単セル燃料電池
２１            アノードガス供給ボックス
２４            カソードガス供給ボックス
２５            単セル電圧ライン
２６            単セル温度ライン
２７            ガス流量ライン
２８            内部状態推定ライン
２９            最適アノードガス指示ライン
３０            最適カソードガス指示ライン
３１            コントローラ
３２            アノードガス流入路
３２ａ          アノードガス流出路
３３            カソードガス流入路
３３ａ          カソードガス流出路
Ａ１            総アノードガス供給口
Ｂ１            総カソードガス供給口
Ａ２            アノード供給ガス
Ｂ２            カソード供給ガス
Ａ３            総アノードガス排出口
Ｂ３            総カソードガス排出口
【図１】
2008300250.tif 000003
【図２】
2008300250.tif 000004
【図３】
2008300250.tif 000005