(57)【要約】【課題】ガスセパレータのドライアウト状態を速やかに改善する。【解決手段】気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃによりガス漏れが検知された際、コントローラ１４が、ポーラスプレーと４のドライアウト状態が発生しと判断し、ガスマニホールド２中の反応ガスに加湿水を噴霧する。これにより、ドライアウト状態となっているポーラスプレート４部分が反応ガスによって加湿され、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。【選択図】図１
2007048597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加湿水流路を流れる加湿水によって燃料電池に反応ガスを供給するガス流路中の反応ガスを加湿するポーラス型のガスセパレータを有する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記ガス流路側から前記加湿水流路側への反応ガスのガス漏れを検知する検知手段と、
前記検知手段によりガス漏れが検知された際、前記加湿水流路を流れる加湿水をガス流路中の反応ガスに噴霧することにより反応ガスを加湿する制御手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記加湿水流路は、前記ガスセパレータに加湿水を供給するセパレータ側流路と前記燃料電池スタックのガス供給マニホールドに加湿水を供給するマニホールド側流路とを備え、前記制御手段は、ガス供給マニホールド中の反応ガスに加湿水を噴霧することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、加湿水を噴霧している際、セパレータ側流路への加湿水の供給を停止し、前記反応ガスに噴霧した加湿水をガスセパレータを介してセパレータ側流路側に回収することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、加湿水を噴霧している際、前記燃料電池スタックの出力を制限することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポーラス型のガスセパレータを有する燃料電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素に伴う地球温暖化に対する対策の一つとして、クリーンな排気及び高エネルギー効率運転を可能にする燃料電池が注目されている（特許文献１を参照）。中でも、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易である上に高い出力密度を有することから、自動車等の移動体用の駆動動力源としての用途が期待されている。
【０００３】
ところで、一般に、燃料電池に乾燥した反応ガスを供給した場合、燃料電池のガス入口付近では、相対湿度が低くなり、電解質膜が乾燥傾向になるのに対して、ガス出口付近では、電気化学反応に伴い生成された水によって相対湿度が高くなり、電解質膜は湿潤状態になる。そして、燃料電池内部の相対湿度が１００［％］に達した場合には、生成水が過剰になるために、生成水が反応ガス流路やガス拡散層を閉塞するフラッディング現象が生じる。
【０００４】
このような背景から、近年、ポーラス型のガスセパレータを設け、ガス入口付近の乾燥した反応ガスをガスセパレータ内部に蓄えられた加湿水によって加湿すると共に、ガス出口付近の生成水をガスセパレータ内部に吸収することによってフラッディング現象の発生を防止する燃料電池が提案されている。
【特許文献１】特開平８−１０６９１４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、燃料電池にポーラス型のガスセパレータを設けた場合には、ガスセパレータが乾燥した際、反応ガスがガスセパレータを透過して加湿水流路側に漏れるドライアウト状態が発生することがある。そしてこのドライアウト状態が発生した場合には、反応ガスの利用効率が低下するばかりでなく、反応ガスが加湿されずに供給されることによって電解質膜が乾燥し、電解質膜が劣化する可能性がある。このような背景から、ドライアウト状態が発生した際にドライアウト状態を速やかに改善することが可能な燃料電池システムの提供が急務になっている。
【０００６】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ポーラス型のガスセパレータのドライアウト状態を速やかに改善することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、ガス流路側から加湿水流路側への反応ガスのガス漏れを検知する検知手段と、検知手段によりガス漏れが検知された際、加湿水流路を流れる加湿水をガス流路中の反応ガスに噴霧することにより反応ガスを加湿する制御手段とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムによれば、反応ガスに加湿水を噴霧することによりドライアウト状態になっているガスセパレータ部分を加湿することができるので、ポーラス型のガスセパレータのドライアウト状態を速やかに改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池の構成及びその動作について説明する。
【００１０】
〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、車両の駆動動力源として使用され、図１に示すように、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１備える。なお、燃料電池は、燃料極と酸化剤極により挟持された電解質膜を備え、この実施形態では、電解質膜は、高エネルギー密度化，低コスト化，及び軽量化を考慮して、固体高分子電解質膜により形成されている。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等のイオン（プロトン）伝導性を有する高分子膜から成るものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。また、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。
【００１１】
〔燃料極〕    Ｈ2 →  ２Ｈ+  ＋２ｅ-               …（１）
〔酸化剤極〕  1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ-  → Ｈ2Ｏ     …（２）
〔全体〕      Ｈ2 ＋1/2 Ｏ2     → Ｈ2Ｏ           …（３）
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１は、ガスマニホールド２から供給された反応ガスを各燃料電池に供給するガス流路３と、ポーラス型のガスセパレータ（以下、ポーラスプレートと表記）４に加湿水を供給することによりガス流路３中の反応ガスを加湿する加湿水流路５とを備える。また、この燃料電池システムは、加湿水を貯留する加湿水タンク７と、加湿水供給流路６を介して加湿水タンク７内の加湿水を加湿水流路５に供給する加湿水循環ポンプ８と、加湿水流路５から排出された加湿水を加湿水タンク７に戻す加湿水排出流路９と、加湿水流路５に供給される加湿水の流量を制御する加湿水流量調整バルブ１０を備える。
【００１２】
また、加湿水排出流路９には、加湿水流路５から排出された加湿水中の気泡を検知する気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃと、加湿水流路５中の加湿水の圧力を調整するための圧力調整弁１２が設けられている。また、ガスマニホールド２には、加湿水供給流路６中の加湿水を噴霧することにより反応ガスを加湿する加湿水噴霧バルブ１３が設けられている。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、コントローラ１４が以下に示すドライアウト制御処理を実行することにより、ポーラスプレート４のドライアウト状態が発生した際、ドライアウト状態を速やかに改善する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、このドライアウト制御処理を実行する際のコントローラ１４の動作について説明する。
【００１３】
［ドライアウト制御処理］
図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、ドライアウト制御処理はステップＳ１の処理に進む。なお、このドライアウト制御処理は、燃料電池システムが起動された後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。
【００１４】
ステップＳ１の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知したか否かを判別することにより、ポーラスプレート４がドライアウト状態になることによりガス流路３側から加湿水流路５側への反応ガスのガス漏れが発生しているか否かを判別する。
【００１５】
より具体的には、一般に、ガス漏れが発生していない場合、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃは加湿水循環ポンプ８が噛み込んだエアを検知する程度で気泡を検知する回数は少ないために、図３（ａ）に示すように気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知することはない。
【００１６】
これに対して、ガス漏れが発生している場合には、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが気泡を検知する回数が増加するために、図３（ｂ）の時刻Ｔ＝Ｔ０に示すように気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知するようになる。従って、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知したか否かを判別することによりガス漏れが発生しているか否かを判別することができる。
【００１７】
そして、判別の結果、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知していない場合、コントローラ１４は、ガス漏れが発生していないと判断し、ステップＳ２の処理として燃料電池スタック１の運転状態を現在の状態のまま継続する設定を行った後、一連のドライアウト制御処理を終了する。
【００１８】
一方、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知した場合には、コントローラ１４は、ポーラスプレート４がドライアウト状態になることによりガス流路３側から加湿水流路５側へのガス漏れが発生していると判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ３の処理に進める。
【００１９】
ステップＳ３の処理では、コントローラ１４が、電解質膜の劣化を抑制するために燃料電池スタック１の出力を制限する。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ４の処理に進む。
【００２０】
ステップＳ４の処理では、コントローラ１４が、加湿水流量調整バルブ１０及び加湿水噴霧バルブ１３をそれぞれ閉状態及び開状態に制御することにより、ガスマニホールド２中の反応ガスに加湿水を噴霧する。また、反応ガスの圧力は通常加湿水の圧力よりも高い状態にあるので、コントローラ１４は加湿水循環ポンプ８の出力を増加させることにより加湿水の圧力を増加させる。
【００２１】
なお、この時、加湿水流量調整バルブ１０は閉状態となっており、加湿水流路５には加湿水は供給されないので、ガスマニホールド２中の反応ガスに噴霧された加湿水は、図４に示すように、ポーラスプレート４のドライアウト領域Ａを介してガス流路３側から加湿水流路５側に回収される。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ５の処理に進む。
【００２２】
ステップＳ５の処理では、コントローラ１４が、ステップＳ４のシステム状態を保持したまま一定時間待機する。なお、一定時間待機している間、燃料電池スタック１の負荷状態は出力制限を行う最大負荷状態以下であればどのような負荷状態であっても構わない。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ６の処理に進む。
【００２３】
ステップＳ６の処理では、コントローラ１４が、加湿水流量調整バルブ１０及び加湿水噴霧バルブ１３をそれぞれ開状態及び閉状態に制御することにより、ガスマニホールド２中の反応ガスへの加湿水の噴霧を停止する。また、コントローラ１４は加湿水循環ポンプ８の出力を元通りにする。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ７の処理に進む。
【００２４】
ステップＳ７の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知したか否かを判別することによりガス漏れがいぜんとして発生しているか否かを判別する。そして、判別の結果、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知した場合、コントローラ１４は、ポーラスプレート４がいぜんとしてガス漏れが発生していると判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ４の処理に戻す。一方、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃが同時に気泡を検知していない場合には、コントローラ１４は、ガス漏れがおさまったと判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ８の処理に進める。
【００２５】
ステップＳ８の処理では、コントローラ１４が、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃを利用して加湿水流路５から排出された加湿水中の気泡を所定時間検知する。これにより、ステップＳ８の処理は完了し、ドライアウト制御処理はステップＳ９の処理に進む。
【００２６】
ステップＳ９の処理では、コントローラ１４が、ステップＳ８の処理結果に基づいて加湿水流路５から排出された加湿水中に所定時間の間気泡が検知されなかったか否かを判別する。そして、判別の結果、所定時間の間に気泡が検知された場合、コントローラ１４は、ドライアウト状態は改善されていないと判断し、ドライアウト制御処理をステップＳ４の処理に戻す。一方、所定時間の間気泡が検知されなかった場合には、コントローラ１４は、ドライアウト状態は改善されたと判断し、ステップＳ１０の処理として燃料電池スタック１の出力制限を解除した後、一連のドライアウト制御処理を終了する。
【００２７】
一般に、燃料電池に乾燥した反応ガスを供給した場合、図５に示すように、燃料電池のガス入口付近では、相対湿度が低くなり、電解質膜が乾燥傾向になるのに対して、ガス出口付近では、電気化学反応に伴い生成された水によって相対湿度が高くなり、電解質膜は湿潤状態になる。そして、燃料電池内部の相対湿度が１００［％］に達した場合には、生成水が過剰になるために、生成水が反応ガス流路やガス拡散層を閉塞するフラッディング現象が生じる。
【００２８】
このような背景から、近年、ポーラスプレートを設け、ガス入口付近の乾燥した反応ガスをポーラスプレート内部に蓄えられた加湿水によって加湿すると共に、ガス出口付近の生成水をポーラスプレート内部に吸収することによってフラッディング現象の発生を防止する燃料電池が提案されている。
【００２９】
しかしながら、燃料電池にポーラスプレートを設けた場合には、ポーラスプレートが乾燥した際、反応ガスがポーラスプレートを透過して加湿水流路側に漏れるドライアウト状態が発生することがある。そしてこのドライアウト状態が発生した場合には、反応ガスの利用効率が低下するばかりでなく、反応ガスが加湿されずに供給されることによって電解質膜が乾燥し、電解質膜が劣化する可能性がある。
【００３０】
これに対して、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、上述の通り、気泡検知センサ１１ａ〜１１ｃによりガス漏れが検知された際、コントローラ１４が、ポーラスプレーと４のドライアウト状態が発生しと判断し、ガスマニホールド２中の反応ガスに加湿水を噴霧するので、ドライアウト状態となっているポーラスプレート４部分が反応ガスによって加湿され、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。従って、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、反応ガスの利用効率の低下と共に電解質膜の劣化を抑制することができる。
【００３１】
また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１４はガスマニホールド２中の反応ガスに加湿水を噴霧することによりドライアウト状態を改善するので、燃料電池スタック１の構成を大きく変更することなく、ドライアウト状態を速やかに改善することができる。また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、コントローラ１４は、ガスマニホールド２中の反応ガスに供給した加湿水をポーラスプレート４を介してガス流路３側から加湿水流路５側に回収するので、ドライアウト状態となっているポーラスプレート４部分に優先的に加湿水を供給し、ドライアウト状態を効率的に改善することができる。
【００３２】
以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態となるドライアウト制御処理の流れを示すフローチャート図である。
【図３】複数の気泡検知センサを用いたガス漏れ検知処理を説明するための図である。
【図４】ガス漏れを検知した際の加湿水の流れを説明するためのブロック図である。
【図５】乾燥した反応ガスを供給した際の燃料電池内部の相対湿度を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１：燃料電池スタック
２：ガスマニホールド
３：ガス流路
４：ポーラスプレート
５：加湿水流路
６：加湿水供給流路
７：加湿水タンク
８：加湿水循環ポンプ
９：加湿水排出流路
１０：加湿水流量調整バルブ
１１ａ〜１１ｃ：気泡検知センサ
１２：圧力調整弁
１３：加湿水噴霧バルブ
１４：コントローラ
【図１】
2007048597.tif 000003
【図２】
2007048597.tif 000004
【図３】
2007048597.tif 000005
【図４】
2007048597.tif 000006
【図５】
2007048597.tif 000007