(57)【要約】      （修正有）【課題】  燃料電池スタック、直流電源及びコントローラを備え、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給して電気を生成する燃料電池システムであり、燃料電池内に残っている水を除去する方法を提供する。【解決手段】直流電源は発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含み、コントローラは、燃料電池スタックが発電しているか否かを判断し、燃料電池スタックによる発電が終了すると、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一方により燃料電池スタックに電流を供給するようにプログラムされており、燃料電池スタックに供給される電流は、水を水素ガスと酸素ガスとに電気分解することにより燃料電池スタック内に残った水を除去し、水素ガスと酸素ガスはその後、燃料電池スタックからパージされる燃料電池システムの方法。【選択図】  図１Ａ
2005093426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給して電気を生成する燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
発電機及びバッテリーの少なくとも一つを含む直流電源と、
コントローラと、
を含み、前記コントローラは、
前記燃料電池スタックが発電しているか否かを判断し、
前記燃料電池スタックによる発電が終了すると、前記発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つにより燃料電池スタックに電流を供給するようにプログラムされていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
直流電源のアノードが前記燃料電池スタックのアノードに接続され、前記直流電源のカソードが前記燃料電池スタックのカソードに接続されてい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３】
前記燃料電池スタックは、一対のエンドプレートと、少なくとも１つのユニットセルを含み、該ユニットセルは、２つの電極間に囲まれた高分子電解質膜で構成された薄膜電極アセンブリと接するガス拡散層を有し、前記少なくとも１つのユニットセルは前記エンドプレート間に積層されてい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】
前記バッテリーは前記発電機或いは燃料電池スタックにより電力を充電され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】
請求項１記載の燃料電池システムを有する原動機付き車両。
【請求項６】
前記原動機付き車両は自動車であることを特徴とする、請求項５に記載の原動機付き車両。
【請求項７】
燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給して電気を生成する燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
発電機及びバッテリーの少なくとも一つを含む直流電源と、
前記燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段と、
を含み、
前記手段は、前記燃料電池スタックに電流が流れている間に前記燃料電池スタックへの電流を測定する手段を備え、前記手段は、燃料電池スタックに流れる電流が所定のアンペア数に達するように、燃料電池スタックに印加される電圧を制御することを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池スタックへの電流の流れを制御する前記手段は、前記燃料電池スタックを構成する各ユニットセルに接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
電流は、前記燃料電池スタックを構成するユニットセルのうち少なくとも１つ或いはそれ以上のユニットセルに独立して供給可能なことを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記エンドプレートに接触するユニットセルと、少なくとも１つ、多くても１０個の連続したユニットセルとに電流が流れることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池スタックに電流が流れる時間が所定時間に達すると、該燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段を更に有することを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料電池スタックの燃料ガス排出ポートから排出されるガスにおける燃料ガスの流量を測定する手段を更に備え、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する前記手段は、燃料ガスの流量が、前記燃料電池スタックに電流を供給する前に測定した値よりも下がったと判断した場合に、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池スタックの燃料ガス排出ポート、或いは酸化ガス排出ポートから排出されるガスの湿度を測定する手段を更に有し、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する前記手段は、燃料ガス排出ポート、或いは酸化ガス排出ポートから排出されるガスの湿度が所定値よりも下がったと判断した場合に、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料電池スタックにおける高分子電解質膜の水分含有量を測定する手段を更に有し、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する前記手段は、前記高分子電解質膜の水分含有量が所定値よりも下がったと判断した場合に、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断することを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
前記燃料電池スタックにおける高分子電解質膜の水分含有量を測定する前記手段は、前記燃料電池スタックの少なくとも幾つかのユニットセルの抵抗を測定し、該ユニットセルの抵抗に基づいて水分含有量を計算することを特徴とする、請求項１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
電流が前記燃料電池スタックに流れると、該燃料電池スタック内の燃料ガス及び酸化ガスは燃料電池スタックから同時に排出されることを特徴とする、請求項１１に記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記燃料電池スタックから排出された燃料ガスを燃焼させる手段を更に有することを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
請求項７記載の燃料電池システムを有する原動機付き車両。
【請求項１９】
前記原動機付き車両は自動車であることを特徴とする、請求項１８に記載の原動機付き車両。
【請求項２０】
燃料電池システムから水を除去する方法であって、前記燃料電池システムは、
少なくとも１つのユニットセルを有する燃料電池スタックと、
発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む直流電源と、
プログラマブルコントローラと、
を含み、前記方法は、
前記燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給することにより該燃料電池スタックから電気を生成する工程と、
前記燃料電池スタックからの電気の生成を終了させる工程と、
前記燃料電池スタックによる電気の生成の終了を、前記プログラマブルコントローラを使用して判断する工程と、
前記プログラマブルコントローラを使用して前記直流電源から前記燃料電池スタックへ電流を供給する工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記発電機或いは燃料電池スタックからの電力で前記バッテリーを充電する工程を更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記燃料電池スタックへの電流の流れを測定する工程と、
前記燃料電池への電流の流れを制御する工程と、を更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記燃料電池スタックに印加される電圧を制御することにより、該燃料電池スタックへの電流が所定のアンペア数に到達することを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記燃料電池スタック内の少なくとも１つ或いはそれ以上のユニットセルへの電流の流れは独立して制御されることを特徴とする、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記燃料電池スタックに電流が流れる時間が所定時間に達した時に、電流の流れを遮断する工程を更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記燃料電池スタックの燃料ガス排出ポートから排出されるガス中の燃料ガスの流量を測定する工程と、
燃料ガスの流量が、前記燃料電池スタックに電流を供給する前に測定した値よりも下がった場合に、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する工程と、を更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記燃料電池スタックの燃料ガス排出ポート、或いは酸化ガス排出ポートから排出されるガスの湿度を測定する工程と、
前記燃料ガス排出ポート、或いは前記酸化ガス排出ポートから排出されるガスの湿度が所定値よりも下がった場合に、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する工程と、を更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記燃料電池スタックにおける高分子電解質膜の水分含有量を測定する工程と、
前記高分子電解質膜の水分含有量が所定値よりも下がった場合に、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する工程と、を更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記燃料電池スタックにおける高分子電解質膜の水分含有量を測定する前記工程は、前記燃料電池スタックの少なくとも幾つかのユニットセルの電気抵抗を測定する工程と、該ユニットセルの抵抗に基づいて水分含有量を計算する工程と、を更に有することを特徴とする、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記燃料電池スタック内に残っている燃料ガス及び酸化ガスを同時に排出する工程を更に有することを特徴とする、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
前記燃料電池スタックからの電気の生成を終了した後に、該燃料電池スタックから排出された燃料ガスを燃焼させる工程を更に有することを特徴とする、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関し、特に原動機付き車両で使用される燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気車両等の原動機付き車両の代替エネルギー源として開発されたものである。燃料電池は、印加される負荷に応じて作動するデマンドタイプの電力システムである。一般に、例えばガソリン、メタノール、ディーゼル、ナフサ等の液体水素を含む燃料は、水素を含むガス流に変換された後に、燃料電池の燃料として供給される。ガス流への変換は通常、燃料改質装置に燃料を通過させて液体燃料を水素ガス流に変換することにより行われる。水素ガス流は通常、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、水蒸気、酸素及び未燃焼燃料を含む。その後水素は燃料電池により車両への発電の燃料として使用される。
【０００３】
高分子電解質膜式の燃料電池は一般には積層されたユニットセルより構成され、ユニットセルは電極とガス拡散層との間に囲まれた高分子電解質膜よりなり、該高分子電解質膜はさらに、燃料ガス及び酸化ガスの流路を含むセパレータ間に囲まれている。スタックはエンドプレートにより固定される。エンドプレートとスタックとの間にカレントコレクタを設けてもよく、あるいはエンドプレート自体をカレントコレクタとして機能させても良い。水素を燃料ガスとして使用し、酸素を酸化ガスとして使用する場合、化学反応により電子が放出され、この反応により副産物として水が生成される。
【０００４】
Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
【０００５】
従って、燃料電池は地球環境に悪影響を及ぼさないエネルギー源であり、近年、自動車への使用に関する多くの研究の焦点となっている。
【０００６】
反応生成物である水は環境には優しいが、反応生成水が大量に燃料電池に溜まると、水がガス流路とガス拡散層を塞いでしまい、発電効率を低下させてしまう。また、燃料電池が温帯及び寒帯緯度にみられる氷点下にさらされると、溜まった水が燃料電池内で凍結し、ガス流路を塞いでしまう。ガス流路が氷で詰まると、凍結した燃料電池から電気を生成することは不可能である。氷を溶かすためにヒータを使っても、氷を溶かすのに時間がかかり、凍結した燃料電池で電気自動車を速やかに始動させることはできない。
【０００７】
従って、燃料電池スタックが凍る前にその内部の水量を減らして、氷点下の環境での発電を促進させる種々の方法が試みられている。その方法のひとつとして、発電を停止した後に燃料ガスと酸化ガスの流量を増大させて、溜まった水を流路から吹き飛ばす方法がある。別の方法として、米国特許第６，３５８，６３７号に記載されるように流路を真空乾燥させる方法もある。しかし、これらの方法では、燃料電池を実用レベルまで乾燥させるのに相当の時間を要する。これはおそらく、ガスパージ或いは真空乾燥により燃料電池を乾燥させる場合に、ガス拡散層及び電極内の小さな空洞から水を除去するのが困難なためであろう。
【０００８】
３方向インタフェースにより形成された電極の一部で水が凍結する場合、電極の反応が妨害されるため、発電能力の低下は特に問題である。
【０００９】
自動車では速やかな始動が要求され、燃料電池は動作状態と停止状態とを頻繁に繰り返すため、自動車への応用において燃料電池の乾燥或いは加熱に時間のかかる方法は実用的ではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
燃料電池システムの燃料電池の技術では、発電を終了した後に燃料電池内に残っている水の量を減らすことが必要とされている。燃料電池の技術において、燃料電池の反応により生じた水が燃料電池のガス流路やガス拡散層を塞ぐのを防ぐ必要がある。燃料電池の技術において、燃料電池のガス流路やガス拡散層で水が凍結するのを防ぐ必要もある。燃料電池の技術では、発電終了後に燃料電池から水を除去する迅速かつ効率的な方法が必要とされている。
【００１１】
電気車両の技術では、必要時に迅速且つ効率的に発電可能な燃料電池を備えた電気車両が必要とされている。また、電気車両の技術においては、ガス流路とガス拡散層を塞いだ凍結水により発電起動に遅れを生じさせない燃料電池を備えた電気車両が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記及びその他の必要性は、本発明の実施形態により満たされる。本発明の実施形態によれば、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給して電気を生成する燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、直流電源と、コントローラとを備えた燃料電池システムが提供される。直流電源は、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む。コントローラは、燃料電池スタックが発電しているか否かを判断し、燃料電池スタックによる発電が終了すると、発電機とバッテリーのうちの少なくとも一方によって燃料電池スタックに電流を供給するようにプログラムされている。
【００１３】
上記必要性は、本発明の実施形態により満たされる。その実施形態によれば、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給して電気を生成する燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、直流電源と、コントローラとを含む燃料電池システムを備えた原動機付き車両が提供される。直流電源は、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む。コントローラは燃料電池スタックが発電しているか否かを判断し、燃料電池スタックによる発電が終了すると、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一方により燃料電池スタックに電流を供給するようにプログラムされている。
【００１４】
上記必要性は、本発明の実施形態により満たされる。その実施形態によれば、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給して電気を生成する燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、直流電源と、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段と、を備えた燃料電池システムが提供される。直流電源は、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む。燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段は、燃料電池スタックに電流が流れている間にその電流を測定する手段を備える。その手段は、燃料電池スタックに流れる電流が所定のアンペア数に達するように、燃料電池スタックに印加される電圧を制御する。
【００１５】
上記必要性は、本発明の実施形態により満たされる。その実施形態によれば、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給して電気を生成する燃料電池システムであって、燃料電池スタックと、直流電源と、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段と、を含んだ燃料電池システムを備えた原動機付き車両が提供される。直流電源は、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む。燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段は、燃料電池スタックに電流が流れている間にその電流を測定する手段を備える。その手段は、燃料電池スタックに流れる電流が所定のアンペア数に達するように、燃料電池スタックに印加される電圧を制御する。
【００１６】
また、上記必要性は、本発明の実施形態により満たされる。その実施形態によれば、燃料電池システムから水を除去する方法が提供される。燃料電池システムは、少なくとも１つのユニットセルを有する燃料電池スタックと、直流電源と、プログラマブルコントローラと、を含む。直流電源は、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む。この方法は、燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化ガスを供給することにより該燃料電池スタックから電気を生成する工程を含む。燃料電池スタックからの電気の生成を終了させる場合には、プログラマブルコントローラを用いて燃料電池スタックによる電気の生成の終了が判断される。プログラマブルコントローラは、直流電源から燃料電池スタックへ電流を供給するのにも使用される。
【００１７】
本発明は、電力生成終了後に燃料電池から水を迅速且つ効率的に除去する燃料電池システムの必要性に応えるものである。さらに本発明は、電力生成終了後に、燃料電池から水を迅速且つ効率的に除去する方法の必要性に応えるものである。また、本発明は氷点下環境で迅速且つ効率的に始動する燃料電池システムを備えた原動機付き車両の必要性に応えるものである。
【００１８】
以上及びその他の本発明の特徴、態様及び利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、電力生成終了後に燃料電池から水を迅速且つ効率的に除去する燃料電池システムを提供する。また本発明は、氷点下環境で迅速且つ効率的に始動する燃料電池システムを備えた原動機付き車両を提供する。これらの利点は、電気生成終了後に燃料電池スタックに電流を提供することによって、燃料電池内に残っている水を電解的に水素ガスと酸素ガスに電気分解することにより得られる。
【００２０】
本発明の実施形態で使用される燃料電池スタック１０を図１Ａに示す。燃料電池スタック１０は、２つの電極１２の間に囲まれた高分子電解質膜１１を含む薄膜電極アセンブリ１３０と、ガス拡散層１３と、セパレータ１５とを備える、少なくとも１つのユニットセル１３２を含む。燃料ガス及び酸化ガスはガス流路１４を介してユニットセルに供給され、ユニットセル１３２はエンドプレート１６の間で積層されている。本発明によると、電流は導体１３４を介して燃料電池スタック１０に供給され、電流の流れは、電流フロー制御手段１７により制御される。電流が燃料電池スタック１０に流れると、以下に示すように、電気生成のものとは逆の電解反応が生じる：
【００２１】
Ｈ２Ｏ→Ｈ２＋１／２Ｏ２
【００２２】
この反応は燃料電池スタック１０の固体高分子電解質膜１１、電極１２、ガス流路１４及びガス拡散層１３内の水を消費する。従って、燃料電池スタック１０内に保持される水量は減少し、周辺温度が氷点下以下となってもガス流が氷により妨げられないため、燃料電池スタック１０は容易に始動できる。水を電解的に分解するには、水素が燃料極で生成され、酸素が酸化剤極で生成されるように、電流を燃料電池スタックに流す必要がある。そのために、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む直流電源のアノードが燃料電池スタック１０のアノードに接続され、発電機及びバッテリーのうちの少なくとも一つを含む直流電源のカソードが燃料電池スタックのカソードに接続される。燃料電池では、燃料電池スタックに電流が流れる時に印加される電圧が１．２３Ｖ以上の時に水を電気分解する反応が起こる。燃料電池スタックへの損傷を避けるために、印加する最大電圧を約５Ｖとするのが望ましい。
【００２３】
本発明の実施形態では、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段１７は、燃料電池スタックに流れる電流を測定する手段を備えている。燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段１７は、燃料電池スタックに流れる電流が所定のアンペア数に達し、水を電気分解する反応が一定のアンペア数で進行するように、燃料電池スタック１０に印加される電圧を制御する。電流ではなく電圧を一定にすると、燃料電池スタック内の水量が少量しかない場合には水の電気分解の反応は止まってしまう。従って、電流が一定のアンペア数で流れるように電圧を制御するのが望ましい。
【００２４】
本発明の実施形態では、燃料電池スタック１０への電流の流れを制御する手段は、燃料電池スタック１０を構成するユニットセル１３２のそれぞれに接続される。従って、図１Ｂに示すように、全てのユニットセル１３２に電流が同時に流れ、水の電気分解に必要な時間を短縮することができる。
【００２５】
本発明による燃料電池システムの別の実施形態では、燃料電池スタック１０を構成する少なくとも１つ或いはそれ以上のユニットセル１３２に任意に電流を供給できるように電流の流れが制御される。ユニットセル１３２同士の間には絶縁体１８が設けられ、隣接するユニットセル１３２同士は電気的に絶縁されている。従って、本発明のこの実施形態によれば、水分含有量の多いユニットセルにおいてのみ、選択的に水を電気分解することが可能である。本発明の別の実施形態では、３個以上のユニットセルが他のユニットセルと絶縁される。ある特定のユニットセルの抵抗が低く、そのユニットセルの電圧がスタックのユニットセルの平均電圧或いは所定値よりも低い場合、本発明の燃料電池システムはそのユニットセルから水が溢れていると（即ち、そのユニットセル内の水量が過剰であり、燃料ガス及び酸化ガスが封鎖されると）判断することができる。
【００２６】
本発明のある実施形態では、スイッチＡ，Ｂ，Ｃの配列により、選択されたユニットセルへの電流の流れが制御される。図１Ｂは電気的に絶縁された個々のユニットセル１３２を示しており、スイッチＡ，Ｂ，Ｃは、ユニットセル１３２の電気的な接続および切断を行って、必要な箇所に選択的に電流を供給できるようになっている。通常の動作では、各ユニットセルに対するスイッチＡ，Ｂ，Ｃの状態は以下の通りである。
【００２７】
スイッチＡ：開
スイッチＢ：閉
スイッチＣ：開
【００２８】
スイッチＢを閉じてスイッチＡを開くことにより、絶縁体１８により他のユニットセルから絶縁された中央のユニットセルが他のユニットセルに直列に接続される。
【００２９】
中央のユニットセルに過剰な水がある場合、電流を中央のユニットセルに供給するために、中央のユニットセルのみについてスイッチの状態を以下のように変更する。
【００３０】
スイッチＡ：閉
スイッチＢ：開
スイッチＣ：閉
【００３１】
スイッチＢを開き、スイッチＣを閉じることで、中央のユニットセルを他のユニットセルから電気的に絶縁する。中央のユニットセルに隣接するユニットセルは互いに接続される。従って、電源１９は燃料電池スタックの動作を停止させずに中央のユニットセルに選択的に電流を供給することができる。
【００３２】
本発明の別の実施形態では、エンドプレート１６に接触しているユニットセル１３２と、少なくとも１個、多くても１０個の連続した一連のユニットセルとに電流が流れるようにシステムを制御する。本発明の実施形態によれば、水が最も凝結し易いスタック１０の両端に隣接するユニットセルにおいてのみ水を電気分解することができる。エンドプレート１６の熱容量はユニットセル１３２のそれよりも大きいため、エンドプレートに接触しているユニットセル内では、他のユニットセルよりも多くの量の水が凝縮しやすい。
【００３３】
本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、燃料電池スタックに電流が流れる時間が所定時間に達すると、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段を有する。
【００３４】
本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、燃料電池スタックの燃料ガス排出ポートから排出されるガス中の燃料ガス（Ｈ２）の流量を測定する手段を有する。燃料ガスの流量が、燃料電池スタックに電流を供給する前に測定した値よりも下がったと判断すると、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段は、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する。
【００３５】
本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、燃料電池スタックの燃料ガス排出ポート又は酸化ガス排出ポートから排出されるガスの湿度を測定する手段を有する。湿度測定手段が、燃料ガス排出ポート或いは酸化ガス排出ポートから排出されるガスの湿度が所定値よりも下がったと判断すると、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段は、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する。
【００３６】
本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、燃料電池スタックにおける高分子電解質膜の水分含有量を測定する手段を有する。高分子電解質膜の水分含有量を測定する手段が、高分子電解質膜の水分含有量が所定値よりも下がったと判断すると、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する上記手段は、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する。
【００３７】
従って、本発明の種々の実施形態は、過剰の電流が流れることにより燃料電池スタックが損傷することを回避し、電気分解に必要なエネルギー消費を低減させることができる。
【００３８】
本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、燃料電池スタックにおける高分子電解質膜の水分含有量を測定する手段を有する。燃料電池スタックにおける高分子電解質膜の水分含有量を測定する手段は、燃料電池スタックの少なくとも幾つかのユニットセルの抵抗を測定し、該ユニットセルの抵抗に基づいて水分含有量を計算する。従って、ユニットセル内に湿度センサを設けることなく、高分子電解質膜の水分含有量を測定することができる。
【００３９】
本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、電流が燃料電池スタックに流れると、該燃料電池スタック内の燃料ガス及び酸化ガスが燃料電池スタックから同時に排出されるように制御される。電気分解により生成された水素及び酸素がユニットセル内に残った場合に比べ電気分解反応の進行が妨害されない。これは、窒素等の不活性ガスでユニットセルをパージするか、或いは燃料電池スタックのガス排出ポートにポンプを設けてガスを吸い込むことにより実行可能である。
【００４０】
本発明の別の実施形態では、燃料電池システムは、燃料電池スタックから排出された燃料ガスを燃焼させる手段を有する。燃料電池スタックから排出された燃料ガスを燃焼させることにより、水素等の可燃性ガスが大気中に放出されるのを防ぐことができる。
【００４１】
燃料電池システムの以下の実施例と共に、本発明を更に説明する。しかしこれらは単に例示を目的としたものであり、請求の範囲で請求しているように、本発明はこれらの実施例には限定されない。
【実施例１】
【００４２】
図２は本発明の実施形態による燃料電池システム１４０の概要を示す。水素は、アノードガス供給ライン２７を介して燃料電池スタック２１に供給される。空気は、カソードガス供給ライン２８を介して燃料電池スタック２１に供給される。運転停止中に燃料電池スタック２１をパージするために、窒素ガス供給弁３０も設けられている。電気分解により生じた水素を燃焼させるために、アノード排出ライン１４４に触媒水素バーナ３４が設けられる。発電機２３からの電力によりバッテリー２２が充電される。燃料電池スタック２１への電流ライン１４２内に電流計３２と電圧計３３が設けられる。電流計３２からの出力信号が、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段２４に出力される。電圧計３３からの出力信号は、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段２６に出力される。燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段２６は、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段２４の制御信号を出力する。燃料電池システムが電力を生成している間は、水素供給弁２９及び空気供給弁３１が開いており、窒素供給弁３０が閉じている。
【００４３】
燃料電池スタック２１が発電している間は、発電機２３が電気を生成してバッテリー２２を充電し、スイッチ２５は閉じている。燃料電池スタックの発電が停止されると、水素供給弁２９と空気供給弁３１が閉じ、窒素供給弁３０が開き、燃料電池システムの窒素によるパージが開始される。
【００４４】
燃料電池への電流の流れは、燃料電池に電流を供給する手段２４により制御される。図３はこの工程のフローチャートを示す。この実施例ではステップ４３の特定の値は２００ｍＡ／ｃｍ２であるが、この値は燃料電池システム１４０の構造により異なる。燃料電池スタック２１に電流が流れ始めると、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段２６は燃料電池スタック２１への電流の流れの状態を監視する。図４は燃料電池への電流の流れを遮断する手段２６の動作を示すフローチャートである。ステップ５０の値は燃料電池システムの構造により異なるが、この実施例では５Ｖである。ステップ５１の特定の時間は１０分であるが、この時間は燃料電池システム１４０の構造により異なる。発電が終了した後、この実施例の燃料電池スタック２１は−２０℃で８時間保存される。その後、燃料電池スタック２１内に燃料ガスと酸化ガスが再度導入される。すると燃料電池スタック２１は特別な解凍手段なしに発電することができる。
【実施例２】
【００４５】
図５は本発明の別の実施形態による燃料電池システム１５０の概要を示す。燃料電池スタック６１は２０個のユニットセルを有する。アノードガス供給ライン６７を介して水素が供給され、カソードガス供給ライン６８を介して空気が供給される。運転停止中に燃料電池スタック６１をパージするために窒素ガス供給弁７０も設けられている。電気分解により生じた水素を燃焼させるために、アノード排出ライン１５２に触媒水素バーナ７４が設けられる。カソード排出ライン１５４内に湿度センサ７５が設けられる。燃料電池スタック６１とバッテリー６２はバッテリー電池スイッチ６３を介して接続されている。バッテリー６２は燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段６４にも接続されている。また、燃料電池スタック６１の２枚のエンドプレートのそれぞれから５個のユニットセル（図示せず）が、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段６４にスイッチ６５を介して接続されている。各ユニットセルはまた、ユニットセル電流計７２とユニットセル電圧計７３を備えている。ユニットセル電流計７２の出力信号は燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段６４に出力される。ユニットセル電圧計７３の出力信号は燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段６６に出力される。燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段６６は、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段６４の出力信号を出力する。
【００４６】
燃料電池スタックが発電している間は、水素供給弁６９、空気供給弁７１は開いており、窒素供給弁７０は閉じている。バッテリースイッチ７３は接続され、スイッチ６５は遮断されている。燃料電池スタックの発電が停止すると、水素供給弁６９と空気供給弁７１が閉じ、窒素供給弁７０が開いて、燃料電池システム１５０の窒素によるパージが開始される。燃料電池スタック６１に電流が流れ、その燃料電池スタック６１への電流の流れが、燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段６４により制御される。この工程のフローチャートは、図３のフローチャートと同じである。
【００４７】
燃料電池スタック６１に電流が流れ始めると、燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段６６が燃料電池スタック６１への電流の流れ状態を監視する。図６は燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段６６の動作のフローチャートを示す。ステップ８０の値は、燃料電池システムの構造により異なるが、この実施例では５Ｖである。この実施例ではステップ８１での相対湿度の値は５０％であるが、これも燃料電池システムの構造により異なる。発電が終了した後、この実施例の燃料電池スタック６１は−２０℃で８時間保存され、その後、燃料電池スタック６１内に燃料ガスと酸化ガスが再度導入される。すると燃料電池スタック６１は、特別な解凍手段なしに発電することができる。
【実施例３】
【００４８】
図７は本発明の別の実施形態による燃料電池システム１６０の概要を示す。アノード出口１６２にはＨ２流量計９０が設けられている。他の構成要素は実施例２と同じである。燃料電池スタック６１への電流の流れは燃料電池スタックへの電流を供給する手段６４により制御される。この工程を示すフローチャートは、図３と同じである。図８は燃料電池スタック６１への電流の流れを遮断する手段６６の動作のフローチャートを示す。ステップ１０２の特定値は燃料電池システムの構造により異なるが、この燃料電池システム１６０では５Ｖである。Ｈ２流量計９０はステップ１００で電流が供給される前のＨ２の流量を測定する。電流が供給される間、Ｈ２の流量はステップ１０３でチェックされる。Ｈ２の流量がステップ１００で測定された値よりも低ければ、燃料電池スタック６１から過剰な水が除去されたと判断され、燃料電池スタック６１への電流の流れはステップ１０４で止められる。
【実施例４】
【００４９】
図９は本発明の別の実施形態による燃料電池システム１７０の概要を示す。抵抗計１１０が各ユニットセル（図示せず）に接続される。抵抗計１１０はＡＣインピーダンス法により各ユニットセルの抵抗を測定する。燃料電池スタック６１による発電を終了した後に、燃料電池スタック６１のカソード及びアノードからガスを排出するために、それぞれカソード排出ポンプ１１１及びアノード排出ポンプ１１２が使用される。燃料電池システム１７０のその他の構成要素は実施例２と同じである。燃料電池スタックへの電流の流れは燃料電池スタックに電流を供給する手段６４により制御される。この工程を示すフローチャートは図３と同じである。図１０は燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段６６の動作のフローチャートを示す。ステップ１２２の特定値は５Ｖであるが、その値は燃料電池システムの構造により異なる。抵抗計１１０は各ユニットセルの抵抗を測定し、ステップ１２０で電流を供給する前にユニットセルの平均抵抗値を計算する。電流が供給されている間に、ユニットセルの平均抵抗値がステップ１２３で測定される。ユニットセルの平均抵抗値がステップ１２０で測定された値よりも高ければ、燃料電池スタック６１から過剰な水が除去されたと判断し、燃料電池スタック６１への電流の流れはステップ１２４で止められる。
【００５０】
本明細書で開示された実施形態は例示のみを目的として記載されたものであり、請求の範囲を限定するものではない。上述の燃料電池システムは自動車等の電気車両に特に適しているが、この燃料電池システムは自動二輪車、バス、トラック、娯楽用車両、農業用車両及び工業用車両等、請求の範囲に含まれる広範な種々の原動機付き車両に適している。当業者には明らかであるが、ここでの開示は、非常に多様な実施形態を網羅するものであり、本明細書中の記載に特定されない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１Ａ】本発明の実施形態による燃料電池スタックの概略断面図。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による燃料電池スタックと、個々のユニットセルへ電流を供給するシステムの概略断面図。
【図２】実施例１で説明する本発明の実施形態による燃料電池システムを示す図。
【図３】燃料電池スタックへの電流の流れを制御する手段の動作を示すフローチャート。
【図４】実施例１で説明する本発明の実施形態による燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段の動作を示すフローチャート。
【図５】実施例２で説明する本発明の実施形態による燃料電池を示す。
【図６】実施例２で説明する本発明の実施形態による燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段の動作を示すフローチャート。
【図７】実施例３で説明する本発明の実施形態による燃料電池システムを示す図。
【図８】実施例３で説明する本発明の実施形態による燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段の動作を示すフローチャート。
【図９】実施例４で説明する本発明の実施形態による燃料電池システムを示す図。
【図１０】実施例４で説明する本発明の実施形態による燃料電池スタックへの電流の流れを遮断する手段の動作を示すフローチャート。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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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【図９】
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【図１０】
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