(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の一方の面に設けられたアノード側電極に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質の他方の面に設けられたカソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う際、前記燃料ガスの供給不足を検出する燃料ガスの供給不足検出方法であって、
前記アノード側電極に前記燃料ガスが十分に供給されている場合における、前記電解質のアノード側に設けられた参照電極と前記アノード側電極との間の電位差と電流との関係を示す基準線を設定する工程と、
検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線と一致するか否かを測定し、前記基準線よりも高電位側にずれる関係線に沿って移行した際、前記アノード側電極に供給される前記燃料ガスが不足していると判断する工程と、
を有することを特徴とする燃料ガスの供給不足検出方法。
【請求項２】
電解質の一方の面に設けられたアノード側電極に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質の他方の面に設けられたカソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池の制御方法であって、
前記アノード側電極に前記燃料ガスが十分に供給されている場合における、前記電解質のアノード側に設けられた参照電極と前記アノード側電極との間の電位差と電流との関係を示す基準線を設定する工程と、
検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線と一致するか否かを測定し、前記基準線よりも高電位側にずれる関係線に沿って移行した際、前記アノード側電極に供給される前記燃料ガスが不足していると判断する工程と、
不足している前記燃料ガスの流量を増加して前記アノード側電極に供給する、あるいは、電流を減少させる工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の一方の面に設けられたアノード側電極に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質の他方の面に設けられたカソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う際、前記燃料ガスの供給不足を検出する燃料ガスの供給不足検出方法および燃料電池の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。この種の燃料電池は、通常、電解質（電解質膜）・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、触媒電極上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池に供給される燃料ガス量は、通常、気体用流量計で計測され、前記燃料電池の運転時における負荷に対応した燃料ガス量が、常時、該燃料電池に供給されるように制御されている。
【０００５】
この場合、燃料電池を車載用として使用するためには、コストの削減や小型化を図るべく、前記燃料電池に供給される燃料ガス量を計測するための機器類（気体用流量計等）を省略する必要がある。
【０００６】
しかしながら、燃料電池に対して発電に必要な燃料ガス量が供給されているか否かを検出する手段がないため、特に、高負荷運転時にはストイキ不足（燃料ガス不足）が発生し易い。これにより、燃料電池の発電性能が著しく低下してしまうというおそれがある。
【０００７】
そこで、例えば、特開平６−２４３８８２号公報に開示されているように、燃料電池スタックの出力電圧を、複数の単位セルをセル区間として複数のセル区間について検出し、検出電圧の最低値が負荷電力の大きさに係わりなく一定電圧低下したとき保護停止する燃料電池発電装置の保護停止方法が知られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、複数のセル区間に区分し、各セル区間の電圧を複数の電圧検出器により検出するとともに、判断部において各検出電圧を予め定める保護レベルの設定値と照合するようにしている。これにより、装置全体の構成が相当に複雑化かつ大型化するとともに、コストが高騰するという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ経済的な構成で、アノード側電極での燃料ガスの不足を良好に検出することが可能な燃料ガスの供給不足検出方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、簡単かつ経済的な構成で、種々の異なる電流条件において最適な運転条件で運転することが可能な燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料ガスの供給不足検出方法では、アノード側電極に燃料ガスが十分に供給されている場合における、電解質のアノード側に設けられた参照電極と前記アノード側電極との間の電位差と電流との関係を示す基準線が設定され、検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線と一致するか否かを測定し、前記基準線よりも高電位側にずれる関係線に沿って移行した際、前記アノード側電極に供給される前記燃料ガスが不足していると判断する。
【００１２】
具体的には、参照電極とアノード側電極との間の電位差（以下、アノード電位差ともいう）を燃料電池に係る負荷（電流）毎に計測する。その際、アノード側電極内に発電に必要な量の燃料ガスが供給されている場合に、アノード電位差が電流に応じて直線的に変化するため、この直線的な変化が基準線として設定される。
【００１３】
これに対して、アノード側電極内に供給される燃料ガス量が不足すると、参照電極とアノード側電極との間の電位差が、燃料ガス量の不足の程度に応じて非直線的な変化に移行していく。これは、電解質・電極構造体の発電面内に、電流に対して燃料ガス（水素）の不足が生じると、この発電面内で水素の分解反応（Ｈ2→２Ｈ2＋２ｅ-）以外の反応、例えば、水の分解反応や炭素の酸化反応等が進行し、アノード側電極内部の電位が、水素の標準電極電位よりも高い電位になることによるものと推定される。
【００１４】
従って、アノード側電極に接続された参照電極からの検出電位の変化傾向（基準線と一致するか否か）を測定することにより、前記アノード側電極内の燃料ガスの状況、すなわち、燃料ガス量が十分であるか不足であるかを容易かつ確実に判断することが可能になる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池の制御方法では、アノード側電極に燃料ガスが十分に供給されている場合における、電解質のアノード側に設けられた参照電極と前記アノード側電極との間の電位差と電流との関係を示す基準線が設定され、検出された前記電位差が前記電流に対して前記基準線と一致するか否かを測定し、前記基準線よりも高電位側にずれる関係線に沿って移行した際、前記アノード側電極に供給される前記燃料ガスが不足していると判断する。そして、不足している燃料ガスの流量を増加してアノード側電極に供給し、あるいは、電流を減少させている。
【００１６】
このため、アノード側電極内の燃料ガスの不足が確実に検出され、この検出結果に基づいて前記燃料ガス量や電流値を調整することができる。これにより、燃料電池の制御が、簡単かつ経済的な構成で、効率的に遂行されるとともに、燃料ガスのストイキを有効に下げて燃料ガスの利用率を向上させることが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る制御方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成図であり、図２は、前記燃料電池システム１０に組み込まれる燃料電池１２の要部分解斜視図である。
【００１８】
燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極接合体）１４と、前記電解質膜・電極構造体１４を挟持する第１および第２セパレータ１６、１８とを備える。電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材１９が介装されている。
【００１９】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２２ｂ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２４ｂが設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体１４と第１および第２セパレータ１６、１８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２０ｂが設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜２６と、該固体高分子電解質膜２６を挟持するアノード側電極２８およびカソード側電極３０とを備える。
【００２２】
アノード側電極２８およびカソード側電極３０は、カーボンペーパー等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜２６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜２６の両面に接合されている。シール部材１９の中央部には、アノード側電極２８およびカソード側電極３０に対応して開口部４３が形成されている。
【００２３】
電解質膜・電極構造体１４のアノード側には、燃料ガスの入口である燃料ガス供給連通孔２４ａの近傍に発電部３１の外部に位置して切り欠き部位２８ａを設けている。この切り欠き部位２８ａには、参照電極３２が取り付けられており、前記参照電極３２に導線３４の端部が接続されている。この参照電極３２は、例えば、白金をリボン状に構成している。
【００２４】
第１セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１４側の面１６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路３６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路３６は、酸化剤ガス供給連通孔２０ａと酸化剤ガス排出連通孔２０ｂとに連通する。
【００２５】
図３に示すように、第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１４側の面１８ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとに連通する燃料ガス流路３８が形成される。この燃料ガス流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。
【００２６】
図２に示すように、第２セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２２ａと冷却媒体排出連通孔２２ｂとに連通する冷却媒体流路４０が形成される。この冷却媒体流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。アノード側セパレータである第２セパレータ１８には、導線４２の端部が接続されている。
【００２７】
導線４２は、燃料ガスの供給不足が惹起し易い場所に設置されることが好ましい。具体的には、第２セパレータ１８では、燃料ガス流路３８の出口側に導線４２を設けることが望ましく、また、燃料電池１２をスタックに構成した場合には、連通孔の最深部側のセパレータに前記導線４２を設置することが望ましい。
【００２８】
図１に示すように、燃料電池システム１０は、導線３４、４２が接続されて参照電極３２と第２セパレータ１８との間のアノード電位差を、常時、計測するコントロールユニット４４を備える。このコントロールユニット４４は、燃料ガス供給部４６と酸化剤ガス供給部（図示せず）とを制御する。
【００２９】
燃料ガス供給部４６は、燃料ガスタンク４８を備え、この燃料ガスタンク４８は、流量制御弁５０、インジェクタ５１および発電条件計測部５２を介して燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔２４ａに連通する。燃料電池１２の燃料ガス排出連通孔２４ｂは、圧力制御弁５４を介してインジェクタ５１の吸い込み口側に連通可能である。
【００３０】
このように構成される燃料電池１２の動作について、これを組み込む燃料電池システム１０との関連で説明する。
【００３１】
燃料電池１２を運転するに際しては、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔２４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２２ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００３２】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２０ａから第１セパレータ１６の酸化剤ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するカソード側電極３０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２４ａから第２セパレータ１８の燃料ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１４を構成するアノード側電極２８に沿って移動する。
【００３３】
従って、各電解質膜・電極構造体１４では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２８に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００３４】
次いで、アノード側電極２８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極３０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００３５】
また、冷却媒体供給連通孔２２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１８の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２２ｂから排出される。
【００３６】
次に、燃料電池システム１０を用い、本実施形態に係る燃料ガスの供給不足検出方法および燃料電池の制御方法に関連して、以下に説明する。
【００３７】
まず、上記のように燃料電池１２が運転を行っている際、図１に示すように、コントロールユニット４４には、導線３４、４２を介して参照電極３２の電位とアノード側電極２８（第２セパレータ１８）の電位とが入力され、その電位差が、常時、計測される。その計測値は、横軸を電流とし、縦軸をアノード電位差としてプロットされる。その際、アノード側電極２８の発電に必要な燃料ガス量が十分に供給されていると、アノード電位差が電流に応じて直線的に変化し、基準線Ｌ１が得られる（図４参照）。なお、この基準線Ｌ１の傾きは、アノード側電極２８および第２セパレータ１８の電気抵抗によって変化する。
【００３８】
これに対して、アノード側電極２８に供給される燃料ガス量が不足すると、アノード電位差が燃料ガス不足の程度に応じて、基準線Ｌ１とは異なる関係線Ｌ０に沿って移行していく（図５参照）。これは、電解質膜・電極構造体１４の発電面内の電流に対して水素の不足が発生するため、発電面内で水素の分解反応以外の反応、例えば、水の分解反応や炭素の酸化反応等が進行し、アノード側電極２８の内部の電位が水素標準電極電位よりも高い電位になることによるものと推定される。
【００３９】
そこで、本実施形態に係る方法について、図６に示すフローチャートを参照しながら以下に説明する。
【００４０】
まず、発電条件計測部５２を介して燃料電池システム１０の各種発電条件が計測される（ステップＳ１）。具体的には、燃料ガスの湿度、温度および圧力等の発電条件が計測される。そして、コントロールユニット４４において、燃料電池１２の電流密度が計算され、この電流密度が既定値以下であるか否かが判断される（ステップＳ２）。計算された電流密度が既定値以下である際には、すなわち、燃料電池１２が低負荷運転時である際には（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。
【００４１】
一方、計算された電流密度が既定値以上である際には、すなわち、燃料電池１２が定常運転時である際には（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ４に進み、予めコントロールユニット４４にマップとして記憶されている基準線Ｌ１と、実際に検出されたアノード電位差とが比較される。
【００４２】
実際のアノード電位差と電流との関係が、基準線Ｌ１とは異なる関係線Ｌ０として検出された際には（図５参照）、ステップＳ５において、燃料ガスに不足が生じていると判断される（ステップＳ５中、ＹＥＳ）。従って、ステップＳ６に進み、燃料電池システム１０において燃料ガス量を増加させることが可能であるか否かが判断される。
【００４３】
燃料電池１２において、燃料ガス量の増加が可能である際には（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、コントロールユニット４４が流量制御弁５０および圧力制御弁５４等を制御して、燃料ガスタンク４８から燃料電池１２に供給される燃料ガス量を増加させる。
【００４４】
これに対し、燃料ガス量の増加が不可能であると判断された際には（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、燃料電池１２の電流を減少させることが可能であるか否かが判断される。電流負荷の減少が可能である際には（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ９に進んで、燃料電池１２の出力電流を絞る一方、負荷電流の減少ができない際には（ステップＳ８中、ＮＯ）、ステップＳ１０に進んで、燃料電池システム１０の運転が停止される。
【００４５】
また、ステップＳ２で燃料電池１２が低負荷運転時であると判断された際に、ステップＳ３では、アノード電位差を検出し、直線近似により基準線Ｌ１が決定される。そして、この新たに決定された基準線Ｌ１に基づいて、ステップＳ４以下の処理が行われる。
【００４６】
この場合、本実施形態では、アノード側電極２８に参照電極３２が設けられ、この参照電極３２とアノード側セパレータである第２セパレータ１８との電位差がコントロールユニット４４で、常時、計測される。そして、この計測値が予め記憶されているアノード電位差のマップ、すなわち、基準線Ｌ１と比較されることにより、アノード側電極２８内の燃料ガスが不足であるか否か確実に検出される。
【００４７】
これにより、簡単な構成および制御で、燃料ガス量が不足であるか十分であるかの判断が正確に行われるため、例えば、従来、使用されていた気体用流量計を不要にすることが可能になる。従って、燃料電池システム１０全体をコンパクトかつ経済的に得ることができるとともに、燃料ガスのストイキを有効に下げて、燃料ガスの利用率を向上させることが可能になるという効果が得られる。しかも、ストイキ不足による燃料電池１２の発電性能の低下を確実に阻止することができる。
【００４８】
さらに、本実施形態では、アノード側電極２８内の燃料ガス量の不足が検出された後、燃料ガス量の増加や電流の減少等が行われている。これにより、燃料電池１２の制御が、簡単かつ経済的な構成で効率的に遂行され、前記燃料電池１２を良好な状態に維持して、所望の発電性能を確保することが可能になる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料ガスの供給不足検出方法では、アノード側電極に燃料ガスが十分に供給されている場合における、アノード側に接続された参照電極からの検出電位と電流との関係を示す基準線を設定し、検出電位と電流とが、この基準線と一致するか否かを測定し、前記基準線よりも高電位側にずれる関係線に沿って移行した際に、前記アノード側電極に燃料ガス不足が発生していると判断することができる。
【００５０】
これにより、簡単な制御および構成で、燃料ガスの供給不足が確実に検出され、前記燃料ガスのストイキを有効に下げて燃料ガスの利用率を向上させることが可能になる。
【００５１】
また、本発明に係る燃料電池の制御方法では、アノード側電極に燃料ガスの供給不足が検出された後、不足している燃料ガスの流量を増加して前記アノード側電極に供給する、あるいは、電流を減少させる処理が行われる。このため、燃料ガスのストイキを有効に下げるとともに、異なった電流条件においても、最適な運転条件で燃料電池を運転することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記燃料電池システムに組み込まれる燃料電池の要部分解斜視図である。
【図３】前記燃料電池を構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図４】燃料ガスが十分に供給されている際のアノード電位差と電流との関係を示す図である。
【図５】前記燃料ガスの供給不足が発生している際のアノード電位差と電流との関係を示す図である。
【図６】本実施形態に係る方法を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム          １２…燃料電池
１４…電解質膜・電極構造体      １６、１８…セパレータ
１９…シール部材                ２０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔    ２２ｂ…冷却媒体排出連通孔
２４ａ…燃料ガス供給連通孔      ２４ｂ…燃料ガス排出連通孔
２６…固体高分子電解質膜        ２８…アノード側電極
２８ａ…切り欠き部位            ３０…カソード側電極
３１…発電部                    ３２…参照電極
３４、４２…導線                ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路              ４０…冷却媒体流路
４４…コントロールユニット      ４６…燃料ガス供給部
４８…燃料ガスタンク
【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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