JP2006164680A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 起動時に燃料電池スタックの温度上昇を早めることができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池のセル１０１が複数積層された燃料電池スタックの端部には、内部が空洞の中空集電板３と、エンドプレート１０２が設けられている。中空集電板３の側面は、中空集電板の内部圧力が低圧状態では、凹面となるように形成されている。図１（ａ）の通常発電時には、中空集電板３の空洞部は、高圧力の流体１０３で満たされ、中空集電板３が膨らみ、中空集電板とスタック端部のセル１０１，及びセル１０１同士の接触抵抗が低くなり抵抗損失は低下する。図１（ｂ）の昇温時には、中空集電板３の空洞部は、低圧力の流体１０４で満たされ、中空集電板３が凹み、接触抵抗が高い状態となり、接触抵抗によるジュール熱が大きくなり、燃料電池スタックを素早く昇温できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池スタックの接触抵抗を制御する燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池は、反応ガスである水素などの燃料と空気などの酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、電解質の違いなどによりさまざまなタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質を用いる固体高分子電解質形燃料電池が知られている。

この固体高分子型燃料電池の燃料極、酸化剤極の両電極において進行する電極反応は、以下の通りである。

燃料極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
酸化剤極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
そして、燃料極に燃料が供給されると、燃料極では（１）式の反応式が進行して水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質（固体高分子電解質型燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気が供給されていると、酸化剤極では（２）式の反応式が進行する。この(１)、(２)式の電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。

例えば車両用等の駆動源として考えられている固体高分子型燃料電池は、零下起動時には反応により生成した水分の凍結が性能を低下させる。低負荷ならば運転は可能であるが、取り出せる電力は極めて小さいため、速やかに燃料電池スタックの温度を上昇させて高負荷に移行する必要がある。

しかしながら、燃料電池の零下運転は低負荷であるため、(１)、(２)式の反応による発熱量は極めて小さく、燃料電池スタックの速やかな温度上昇は困難である。

本発明と関連性の高い従来例には、特許文献１記載の技術が知られている。この技術によれば、燃料電池スタック端部と電力取り出し用ターミナル板との間に、波板状の導電性断熱板を設け、断熱効果を高めることで、燃料電池スタックの零下起動時の昇温を促進させている。
特開２００４−１５２５０２号公報（第４頁、図１）

しかしながら、上記従来例では、部材の接触面積が減少しているため接触抵抗が増大するので、燃料電池電流によるジュール熱が増大し、零下起動時の燃料電池スタックの昇温を促進させることができるが、通常運転時の接触抵抗も大きいため、通常運転時の燃料電池スタックの出力性能を大きく損なうという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極がそれぞれ形成された膜電極接合体と、該膜電極接合体に燃料および酸化剤を供給する流路を形成されたセパレータとを備えた燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの正極および負極の少なくとも一方に配された内部が空洞の中空集電板と、前記中空集電板の空洞内部の流体の圧力を制御する圧力制御機構とを備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池スタックの正極および負極の少なくとも一方に配された内部が空洞の中空集電板と、中空集電板の空洞内部の流体の圧力を制御する圧力制御機構とを備えたことにより、中空集電板の空洞内部の流体の圧力を変化させることで中空集電板が変形し、燃料電池スタックの接触抵抗を可変とすることができるので、低温からの燃料電池の起動時には、中空集電板の空洞内部の圧力を低下させて燃料電池スタックの接触抵抗を増大させ、通電によるジュール熱を増加させて燃料電池スタックの昇温を促進させることができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、特に限定されないが、気温が零下となる屋外に駐車される燃料電池車両の電源に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの各実施例に共通の原理説明図である。図１（ａ）は、通常発電時を示し、図１（ｂ）は燃料電池スタックの昇温時を示す。

図１において、燃料電池の発電単位であるセル１０１が複数積層された燃料電池スタックの端部には、内部が空洞の中空集電板３と、エンドプレート１０２が設けられている。中空集電板３がセル１０１またはエンドプレートに接する側面は、中空集電板の内部圧力が例えば１気圧程度の低圧状態では、凹面となるように形成されている。尚、中空集電板３とエンドプレート１０２を一体としてもよい。

図１（ａ）に示す通常発電時には、中空集電板３の空洞部は、図示しない圧力制御機構により高圧力の流体１０３で満たされている。これにより、中空集電板３が膨らみ、中空集電板と燃料電池スタックの端部のセル１０１，及びセル１０１同士の接触抵抗が低くなり、通常発電時の抵抗損失は低下する。

図１（ｂ）に示す燃料電池スタックの昇温時には、中空集電板３の空洞部は、図示しない圧力制御機構により低圧力の流体１０４で満たされている。これにより、中空集電板３が凹み、中空集電板３と燃料電池スタックの端部のセル１０１，及びセル１０１同士の接触抵抗が高い状態となっている。この状態で燃料電池スタックに燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して電流を取り出すと、燃料電池の接触抵抗によるジュール熱が大きくなり、燃料電池スタックを素早く昇温させることができる。

図２は、中空集電板の空洞内部圧力と燃料電池スタックの接触抵抗との関係を示すグラフである。図２に示すように、中空集電板の空洞内部圧力を高めるほど、接触抵抗は低下する。

図３は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例１の構成を説明する概略構成図である。本実施例の特徴は、中空集電板の内部空洞を空気で満たし、通常発電時には、この空気圧力を高めて接触抵抗を低下させ、低温からの燃料電池起動時には、この空気圧力を低めて、接触抵抗を増大させ、燃料電池電流によるジュール熱を増加させて、燃料電池スタックの昇温を早めることにある。

図３において、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の両端部の正極側の中空集電板３ａ及び負極側の中空集電板３ｂと、空気供給配管４、８，９，１０と、入口側切換弁５と、コンプレッサ６と、注入側弁７と、空気排出配管１１，１４，１５と、中空集電板の空洞の圧力を検出する圧力計１２と、排出側弁１３と、出口側切換弁１６と、水素供給配管１７と、水素排出配管１８と、燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサ１９と、中空集電板３ａと３ｂの空洞部を連結する連結配管２０と、コントロールユニット２１とを備えている。

コンプレッサ６は、空気供給配管４，入口側切換弁５及び空気供給配管９を介して吸入した空気を圧縮して、注入側弁７及び空気供給配管１０を介して、中空集電板３ａの空洞部に圧縮空気を供給できるようになっている。

中空集電板３ａの空洞部は、連結配管２０を介して、中空集電板３ｂの空洞部と連結されている。また、中空集電板３ｂの空洞部は、圧力計１２，排出側弁１３に連通し、空洞部の圧力が圧力計で計測されるようになっている。

排出側弁１３は、空気排出配管１４，出口側切換弁１６を介して、空気排出配管１１に接続され、中空集電板３ａ，３ｂの空洞部の高圧空気を逃がすことができるようになっている。

ここで、コントロールユニット２１は、燃料電池システムの起動時に、温度センサ１９の検出値に応じて、コンプレッサ６、入口側切換弁５，注入側弁７、排出側弁１３、出口側切換弁１６を制御する。コントロールユニット２１、温度センサ１９、コンプレッサ６、入口側切換弁５，注入側弁７、排出側弁１３、及び出口側切換弁１６は、中空集電板３ａ，３ｂの空洞内部の圧力を制御する圧力制御機構を構成している。

図４は、燃料電池スタック２を構成する固体高分子電解質型燃料電池のセル構造を示す模式断面図である。燃料電池の一単位であるセルは、固体高分子膜からなる高分子電解質膜１１０と、この高分子電解質膜１１０を挟持するように電解質膜の両面に配設される燃料極１１１及び酸化剤極１１２と、これら両電極の外側に配置された燃料極拡散層１１３，酸化剤極拡散層１１４，燃料ガス流路１１７，酸化剤ガス流路１１８より構成される。

高分子電解質膜１１０は、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この高分子電解質膜１１０の両面に配設される燃料極１１１及び酸化剤極１１２は、白金または、白金とその他の金属からなる触媒層を備えている。

燃料ガス流路１１７及び酸化剤ガス流路１１８は、ガス不透過である緻密性カーボン材等による燃料極セパレータ１１５、酸化剤極セパレータ１１６に配置された多数のリブにより形成され、酸化剤ガス、燃料ガスはそれぞれの図示しないガス入口から供給され、図示しないガス出口から排出される。

次に、図５のフローチャートを参照して、コントロールユニット２１が実施する燃料電池システムの起動時の制御内容を説明する。本フローチャートが開始される前の初期状態では、中空集電板３ａ，３ｂの空洞内部の圧力は、大気圧と同じとされている。

まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１において、温度センサ１９により燃料電池スタック２の温度Tstackを検出する。次いで、Ｓ２で、Tstackが所定温度Ts（例えば70［℃］）を超えているか、否かを判定する。Ｓ２の判定で、Tstackが所定温度Ts以下である場合は、中空集電板の空洞内部の圧力を上昇させることなく発電へ移行する。これにより、燃料電池スタック２を構成する各セル間の接触抵抗、及び燃料電池スタック２の最端部セルと中空集電板３ａ、３ｂの接触抵抗は、高い状態のまま、燃料電池スタック２へ水素ガス及び空気が供給され、発電を開始する。これにより、燃料電池内部及び端部の接触抵抗によるジュール熱の発熱量が多くなり、燃料電池スタック２の昇温を早めることができる。その後、温度センサ１９が検出したスタック温度Tstackが所定温度Tsを超えたときに、Ｓ３乃至Ｓ８の操作が行われ、中空集電板３ａ、３ｂの空洞内部の圧力が高められて、接触抵抗を低下する操作が行われる。

Ｓ２の判定で、Tstackが所定温度Tsを超えている場合には、Ｓ３へ進み、入口側切換弁５をａ方向へ、出口側切換弁１６をｃ方向へ切換え、注入側弁７を開く。次いで、Ｓ４において排出側弁１３を閉じる。次いで、Ｓ５においてコンプレッサ６を運転して空気を中空集電板３ａ、３ｂの内部へ注入を開始する。Ｓ６において、圧力計１２の検出値を読み込み、中空集電板内部の空気圧力Paが所定圧力Psを超えたか否かを判定する。空気圧力Paが所定圧力Psを超えていなければ、Ｓ６を繰り返す。空気圧力Paが所定圧力Psを超えたら、Ｓ７へ進み、コンプレッサ６を停止して空気注入を停止し、Ｓ８で入口側切換弁５をｂ方向へ、出口側切換弁１６をｄ方向へ切換え、注入側弁７を閉じ、中空集電板３ａ，３ｂの空洞内部の空気圧力を所定圧力に保ってから発電を開始する。

このような構成にすることで、図２に示すように、中空集電板の空洞内部の空気圧力を上昇させると、燃料電池スタックの接触抵抗が低下するため、TstackがTs以下である場合は、燃料電池スタックの接触抵抗が高い状態で発電させることができ、TstackがTs以上となったら、燃料電池スタックの接触抵抗を小さくすることができる。また、中空集電板の空洞内部に空気を導入しているため、空気の熱伝導率が小さいため、燃料電池スタック端部からの放熱を防止することができる。

本実施例によれば、燃料電池スタックの接触抵抗が高い状態で発電させると、ジュール熱が大きくなるため、燃料電池スタックの昇温を促進させることができ、燃料電池スタック温度Tstackが所定温度Tsに達したら燃料電池スタックの接触抵抗を小さくしているので、発電性能低下を防止することができるという効果がある。

また中空集電板の空洞内部の空気は熱伝導率が小さいため、スタック端部からの放熱を抑制し、燃料電池スタックの昇温をより促進することができるという効果がある。さらに、空気は燃料電池の酸化剤として燃料電池システムに導入されるため、新たに中空集電板の空洞内部に注入する流体を搭載する必要がなくなり、燃料電池システムを簡素化することができる。

図６は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例２の構成を説明する概略構成図である。本実施例の燃料電池システムは、中空集電板の空洞内部に、流体として燃料電池を冷却するクーラントを導入し、圧力制御機構は、このクーラントの圧力を制御することを特徴としている。

図６において、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の両端部の正極側の中空集電板３ａ及び負極側の中空集電板３ｂと、空気供給配管４と、空気排出配管１１と、水素供給配管１６と、水素排出配管１７と、燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサ１９と、中空集電板３ａと３ｂの空洞部を連結する連結配管２０と、コントロールユニット２１と、クーラントタンク３０と、クーラントポンプ３１と、クーラント配管３２，３６，３７，３８，３９，４０，４２と、入口側切換弁３３と、コンプレッサ３５と、注入側弁３４と、排出側弁４３と、圧力計４４と、出口側切換弁４５と、ラジエータ４１とを備えている。

クーラントタンク３０に貯留された不凍液等のクーラントは、クーラントポンプ３１により圧送され、入口側切換弁３３により燃料電池スタック２を冷却するためのクーラント供給配管３６か、或いはコンプレッサ３５へクーラントを供給するクーラント供給配管３７かが選択される。

クーラント供給配管３７は、コンプレッサ３５にクーラントを供給し、コンプレッサ３５は、クーラントを加圧して注入側弁３４を介して、中空集電板３ａの空洞内部へ加圧されたクーラントを供給可能となっている。

中空集電板３ａの空洞部は、連結配管２０を介して、中空集電板３ｂの空洞部と連結されている。また、中空集電板３ｂの空洞部は、圧力計４４，排出側弁４３に連通し、空洞部の圧力が圧力計で計測されるようになっている。

排出側弁４３は、クーラント配管３８、出口側切換弁４５、クーラント配管４０，ラジエータ４１，クーラント配管４２を介してクーラントタンク３０へ、中空集電板３ａ，３ｂの空洞部のクーラントの圧力を逃がすことができるようになっている。

燃料電池システムの通常運転時には、入口側切換弁３３は、クーラント配管３２とクーラント配管３６とを連通し、出口側切換弁４５は、クーラント配管３９とクーラント配管４０とを連通している。これにより、通常運転時には、クーラントタンク３０，クーラントポンプ３１，クーラント配管３２，クーラント配管３６，燃料電池スタック２，クーラント配管３９，クーラント配管４０，ラジエータ４１，クーラント配管４２、クーラントタンク３０という経路でクーラントが循環して、燃料電池スタック２を適温に維持できるようになっている。

ここで、コントロールユニット２１は、燃料電池システムの起動時に、温度センサ１９の検出値に応じて、コンプレッサ３５、入口側切換弁３３，注入側弁３４、排出側弁４３、出口側切換弁４５を制御する。コントロールユニット２１、温度センサ１９、コンプレッサ３５、入口側切換弁３３、注入側弁３４、排出側弁４３、及び出口側切換弁４５は、中空集電板３ａ，３ｂの空洞内部の圧力を制御する圧力制御機構を構成している。

本実施例におけるコントロールユニット２１における制御は、図５に示した実施例１における制御とほぼ同様であるので、フローチャートを参照した説明は省略する。

本実施例によれば、クーラントは燃料電池スタックの冷却媒体として燃料電池システムに搭載されているため、新たに中空集電板の空洞内部に注入する流体を搭載する必要がなくなり、燃料電池システムを簡素化することができる。

図７は、本発明に係る燃料電池システム１の実施例３の構成を説明する概略構成図である。本実施例の燃料電池システムは、中空集電板の空洞内部に、流体として水素を導入し、圧力制御機構は、この水素の圧力を制御することを特徴としている。

図７において、燃料電池システム１は、燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の両端部の正極側の中空集電板３ａ及び負極側の中空集電板３ｂと、空気供給配管４と、空気排出配管１１と、水素タンク５１と、水素供給配管５２と、水素圧力調整弁５３と、燃料電池スタック２のアノードへ水素を供給する水素供給配管１６と、中空集電板３ａの空洞内部へ水素を注入する注入側弁５４と、中空集電板３ｂの空洞内部の圧力を検出する圧力計５５と、中空集電板３ｂの空洞内部から水素を排出する排出側弁５７と、水素排出配管１７と、燃料電池スタック２の温度を検出する温度センサ１９と、中空集電板３ａと３ｂの空洞部を連結する連結配管２０と、コントロールユニット２１とを備えている。

水素タンク５１に貯蔵された高圧水素は、水素圧力調整弁５３により燃料電池の運転圧力まで減圧されて、燃料電池スタック２のアノードに供給される。燃料電池スタック２のアノードで使用されなかった水素は、水素排出配管１７を介して排出される。

また、水素タンク５１は、水素供給配管５２を介して注入側弁５４に水素を供給し、注入側弁５４は、水素を減圧して中空集電板３ａの空洞内部へ圧力調整された水素を供給可能となっている。水素タンク５１に貯蔵された水素は高圧であるため、注入側弁５４により減圧するだけで所望の圧力が得られ、中空集電板の空洞内部の圧力を高めるためにエネルギーを消費することがない。

中空集電板３ａの空洞部は、連結配管２０を介して、中空集電板３ｂの空洞部と連結されている。また、中空集電板３ｂの空洞部は、圧力計５５，排出側弁５７に連通し、空洞部の圧力が圧力計で計測されるようになっている。

排出側弁５７は、水素排出配管１７を介して、中空集電板３ａ，３ｂの空洞部の高圧水素を逃がすことができるようになっている。

ここで、コントロールユニット２１は、燃料電池システムの起動時に、温度センサ１９の検出値に応じて、注入側弁５４、排出側弁５７を制御する。コントロールユニット２１、温度センサ１９、注入側弁５４、排出側弁５７は、中空集電板３ａ，３ｂの空洞内部の圧力を制御する圧力制御機構を構成している。

本実施例におけるコントロールユニット２１における制御は、図５に示した実施例１における制御とほぼ同様であるので、フローチャートを参照した説明は省略する。

本実施例によれば、燃料電池スタックの燃料として使用される水素を用いて中空集電板の空洞内部の圧力を制御するため、新たに中空集電板の空洞内部に注入する流体を搭載する必要がなくなり、燃料電池システムを簡素化することができ、中空集電板の空洞内部の圧力を高めるために必要となるエネルギーを節約することができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの原理説明図である。 中空集電板空洞の内部圧力と燃料電池スタックの接触抵抗との関係を説明するグラフである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する概略構成図である。 実施例に用いられる固体高分子型燃料電池のセルを説明する模式断面図である。 実施例１における中空集電板の空洞内部の昇圧制御を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明する概略構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例３の構成を説明する概略構成図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３ａ、３ｂ：中空集電板
４，８，９，１０：空気供給配管
５：入口側切換弁
６：コンプレッサ
７：注入側弁
１１，１４，１５：空気排出配管
１２：圧力計
１３：排出側弁
１６：出口側切換弁
１７：水素供給配管
１８：水素排出配管
１９：温度センサ
２０：連結配管
２１：コントロールユニット

Claims (6)

1. 高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に酸化剤極がそれぞれ形成された膜電極接合体と、該膜電極接合体に燃料および酸化剤を供給する流路を形成されたセパレータとを備えた燃料電池を複数積層した燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックの正極および負極の少なくとも一方に配された内部が空洞の中空集電板と、
   前記中空集電板の空洞内部の流体の圧力を制御する圧力制御機構と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記圧力制御機構は、前記温度検出手段が検出した温度が所定温度以下のときは、前記空洞内部の流体の圧力を所定圧力未満とし、前記温度検出手段が検出した温度が前記所定温度以上となったら、前記空洞内部の流体の圧力を所定圧力にすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記空洞内部を低熱伝導性の流体で満たすことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記空洞内部を空気で満たすことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記空洞内部を燃料電池冷却用のクーラントで満たすことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記空洞内部を水素で満たすことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。

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