JP2010086933A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックを備える燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端部に配置された単セルにおける電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制する。
【解決手段】燃料電池システム１０００は、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に配置された電気ヒータ２２を備える燃料電池スタック１００と、燃料電池システム１０００の運転が停止されたときに、燃料電池スタック１００の内部に残留する残留ガスを利用して発電された電力を、電気ヒータ２２に供給するためのノーマリクローズのリレー２００と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

従来、燃料ガス（例えば、水素）と酸化剤ガス（例えば、酸素）との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。そして、燃料電池スタックは、複数の単セルを積層した積層体を備え、この積層体全体のアノード側の端部、および、カソード側の端部に、集電板や、エンドプレートを配置することによって構成される。

このような燃料電池スタックでは、各単セルのカソードにおいて、発電時に、カソード反応によって、水（生成水）が生成される。そして、燃料電池スタックにおいて、積層体の端部に配置された単セル（以下、端部セルと呼ぶ）は、放熱によって、中央部に配置された単セル（以下、中央部セルと呼ぶ）よりも温度が低くなるため、端部セルでは、飽和水蒸気が低下し、生成水が凝縮しやすくなり、フラッディングやガス分配の不均一が生じやすくなる。

そこで、従来、燃料電池スタックにおいて、フラッディングやガス分配の不均一を抑制するための種々の技術が提案されている。例えば、下記特許文献１には、燃料電池スタックのアノード側エンドプレートに電気ヒータを内蔵し、この電気ヒータにヒータ用電源から電力を供給してアノード側エンドプレートを加熱し、単セルのアノードからカソードにかけて温度勾配を設けることが記載されている。

特開２００８−３４３８１号公報 特開２００１−３４５１１４号公報 特開平０５−８９９００号公報

しかし、上記特許文献１に記載された技術では、燃料電池システムの停止後には、ヒータ用電源を制御することができないため、単セルに温度勾配を設けることができなかった。このため、端部セルでは、燃料電池システムの停止後に、アノードとカソードとの間の極間温度差、および、飽和水蒸気圧差が、中央部セルよりも大きくなり、生成水が電解質膜を透過して、高温側（飽和水蒸気圧が高い側）から低温側（飽和水蒸気圧が低い側）に移動し、一方の電極に過剰な生成水が滞留することになる。この場合、端部セルにおいて、特に、燃料電池システムの低温始動時に、フラッディングやガス分配の不均一による電圧低下が発生しやすくなる。そして、このような不具合は、特に、アノード側で看過できない。アノードでは、発電時に、フラッディングによって、燃料ガスの供給が閉塞すると、アノードが備える触媒層が劣化するからである。

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、燃料電池スタックを備える燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端部に配置された単セルにおける電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックは、複数の単セルを積層した積層体と、前記積層体のアノード側の端部に配置されたアノード側集電板と、前記積層体のカソード側の端部に配置されたカソード側集電板と、前記アノード側集電板を挟んで前記積層体の反対側に配置されたアノード側エンドプレートと、前記カソード側集電板を挟んで前記積層体の反対側に配置されたカソード側エンドプレートと、前記アノード側集電板と前記アノード側エンドプレートとの間に配置された電気ヒータと、を備えており、前記燃料電池システムは、さらに、前記燃料電池システムの運転が停止されて、オープン状態に維持すべき制御信号の入力が途絶えたときに、クローズ状態になることによって、前記アノード側集電板、および、前記カソード側集電板によって集電された電力を、前記電気ヒータに供給するためのスイッチを備える、燃料電池システム。

ここで、アノード側集電板とは、燃料電池スタックにおいて、上記積層体の一方の端部に配置され、電流が流れ込む（電子が流れ出す）側の集電板を意味しており、カソード側集電板とは、燃料電池スタックにおいて、上記積層体の他方の端部に配置され、電流が流れ出す（電子が流れ込む）側の集電板を意味している。また、アノード側エンドプレートとは、アノード側集電板に近接して配置されるエンドプレートを意味しており、カソード側エンドプレートとは、カソード側集電板に近接して配置されるエンドプレートを意味している。

また、燃料電池システムの運転が停止されるとは、例えば、燃料電池システムの起動スイッチがオフにされる等、燃料電池システムの各部の制御が停止されることを意味している。したがって、燃料電池システムの各部の制御が停止された後に、例えば、燃料電池スタックへの燃料ガス、および、酸化剤ガスの供給が停止された後も、燃料電池スタックの内部に残留する燃料ガス、および、酸化剤ガスが拡散して発電が行われる等、燃料電池システムの一部が、各種制御信号とは無関係に作動する場合であっても、燃料電池システムの運転は停止されていることとなる。

適用例１の燃料電池システムは、燃料電池スタックが、アノード側集電板とアノード側エンドプレートとの間に電気ヒータを備えているので、この電気ヒータに電力を供給することによって、上記積層体のアノード側の端部セルにおいて、放熱により、より低温になりやすいアノードを加熱することができる。したがって、上記積層体のアノード側の端部セルにおける極間温度差を低減し、その端部セルにおけるカソード側からアノード側への生成水の移動を抑制することができる。

さらに、適用例１の燃料電池システムは、燃料電池システムの運転が停止されて、オープン状態に維持すべき制御信号の入力が途絶えたときに、クローズ状態になることによって、アノード側集電板、および、カソード側集電板によって集電された電力を、上記電気ヒータに供給するためのスイッチを備えているので、燃料電池システムが停止された後であっても、燃料電池スタック内に燃料ガス、および、酸化剤ガスが残留している間は、この残留ガスによって発電を継続し、電気ヒータに電力を供給することができる。

つまり、本適用例の燃料電池システムによって、燃料電池システムの停止時に、燃料電池スタックの端部に配置された単セルにおける電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制することができる。

なお、本適用例の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの運転が停止された後、燃料電池スタック内の残留ガスが消費されて発電不能となったときには、上記スイッチはクローズ状態のまま、上記電気ヒータによる加熱は停止され、上記積層体のアノード側の端部セルの温度は低下するが、このときには、燃料電池システムが停止されてからの経過時間が十分に長いため、燃料電池スタック全体の温度が低下している。したがって、このときには、先に説明した端部セルにおける生成水の移動は少なく、フラッディングやガス分配の不均一は発生しにくい。

［適用例２］適用例１記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムの運転が停止されたときに、前記電気ヒータに供給される電力は、前記燃料電池スタックの内部に残留する燃料ガス、および、酸化剤ガスを利用して発電された電力である、燃料電池システム。

［適用例３］適用例１または２記載の燃料電池システムであって、さらに、前記スイッチをオープン状態に維持すべき制御信号を前記スイッチに出力することが可能なスイッチ制御部を備え、前記スイッチ制御部は、前記燃料電池システムの運転中に、前記制御信号の出力を停止する、燃料電池システム。

適用例３の燃料電池システムでは、燃料電池システムの運転中に、上記電気ヒータによって、アノード側の端部セルを加熱して、飽和水蒸気圧を上昇させることができる。したがって、放熱により、温度が低下しやすい端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を抑制することができる。

［適用例４］適用例３記載の燃料電池システムであって、前記スイッチ制御部は、前記燃料電池スタックに、該燃料電池スタックの外部から、燃料ガス、および、酸化剤ガスが供給されている所定期間、前記制御信号の出力を停止する、燃料電池システム。

こうすることによって、燃料電池スタックに、燃料電池スタックの外部から、燃料ガス、および、酸化剤ガスが供給されて発電が行われている最中に、端部セルにおけるフラッディングを抑制することができる。

なお、適用例４の燃料電池システムにおいて、さらに、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を検出する検出手段を設け、この検出手段によって、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一が検出されたときに、上記電気ヒータに電力を供給して端部セルを加熱するようにしてもよい。こうすることによって、端部セルを不必要に加熱することによる燃料電池システムのエネルギ効率の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。

燃料電池スタック１００は、水素と酸素との電気化学反応によって発電する単セル４０を、複数積層させたスタック構造を有している。各単セル４０は、概ね、プロトン伝導性を有する電解質膜の両面に、それぞれアノード、および、カソードを接合した膜電極接合体を、セパレータによって挟持した構成となっている。アノード、および、カソードは、それぞれ、電解質膜の各表面に接合された触媒層と、この触媒層の表面に接合されたガス拡散層とを備えている。本実施例では、電解質膜として、ナフィオン（登録商標）等の固体高分子膜を用いるものとした。電解質膜として、固体酸化物等、他の電解質膜を用いるものとしてもよい。各セパレータには、アノードに供給すべき燃料ガスとしての水素の流路や、カソードに供給すべき酸化剤ガスとしての空気の流路や、冷却媒体（水、エチレングリコール等）の流路が形成されている。なお、単セル４０の積層数は、燃料電池スタック１００に要求される出力に応じて任意に設定可能である。

燃料電池スタック１００は、一端から、アノード側エンドプレート１０ａ、絶縁板２０ａ、電気ヒータ２２、アノード側集電板３０ａ、複数の単セル４０、カソード側集電板３０ｃ、絶縁板２０ｃ、カソード側エンドプレート１０ｃの順に積層することによって構成されている。これらには、燃料電池スタック１００内に、水素や、空気や、冷却媒体を流すための供給口や、排出口が設けられている。また、燃料電池スタック１００内部には、水素や、空気や、冷却媒体を、それぞれ各単セル４０に分配して供給するための供給マニホールド（水素供給マニホールド、空気供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド）や、各単セル４０のアノードおよびカソードからそれぞれ排出されるアノードオフガスおよびカソードオフガスや、冷却媒体を集合させて燃料電池スタック１００の外部に排出するための排出マニホールド（アノードオフガス排出マニホールド、カソードオフガス排出マニホールド、冷却媒体排出マニホールド）が形成されている。

燃料電池スタック１００のアノードには、配管５３を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク５０から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素タンク５０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素リッチなガスを生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク５０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク５０の出口に設けられたシャットバルブ５１、レギュレータ５２によって圧力、および、供給量が調整されて、水素供給マニホールドを介して、各単セル４０のアノードに供給される。各単セル４０から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管５６を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出することができる。なお、アノードオフガスを燃料電池スタック１００の外部に排出する際には、アノードオフガスに含まれる水素は、図示しない希釈器等によって処理される。

また、配管５３、および、排出配管５６には、アノードオフガスを配管５３に再循環させるための循環配管５４が接続されている。そして、排出配管５６の循環配管５４との接続部の下流側には、排気バルブ５７が配設されている。また、循環配管５４には、ポンプ５５が配設されている。ポンプ５５、および、排気バルブ５７の駆動を制御することによって、アノードオフガスを外部に排出するか、配管５３に循環させるかを適宜切り換えることができる。アノードオフガスを配管５３に再循環させることによって、アノードオフガスに含まれる未消費の水素を効率よく利用することができる。

燃料電池スタック１００のカソードには、配管６１を介して、コンプレッサ６０によって圧縮された圧縮空気が、酸素を含有した酸化剤ガスとして供給される。そして、この圧縮空気は、配管６１に接続された空気供給マニホールドを介して、各単セル４０のカソードに供給される。各単セル４０のカソードから排出されるカソードオフガスは、カソードオフガス排出マニホールドに接続された排出配管６２を介して、燃料電池スタック１００の外部に排出される。排出配管６２からは、カソードオフガスとともに、燃料電池スタック１００のカソードで、水素と酸素との電気化学反応によって生成された生成水も排出される。

燃料電池スタック１００は、上述した電気化学反応によって発熱するため、燃料電池スタック１００には、燃料電池スタック１００を冷却するための冷却媒体も供給される。この冷却媒体は、ポンプ７０によって、配管７２を流れ、ラジエータ７１によって冷却されて、燃料電池スタック１００に供給される。

なお、燃料電池スタック１００では、複数の単セル４０のうちの端部に配置された端部セルは、放熱によって、中央部に配置された中央部セルよりも温度が低くなりやすい。さらに、端部セルでは、燃料電池システム１０００の停止後に、アノードとカソードとの間の極間温度差、および、飽和水蒸気圧差が大きくなり、発電時に生成された生成水が、電解質膜を透過して、高温側（飽和水蒸気圧が高い側）から低温側（飽和水蒸気圧が低い側）に移動し、一方の電極に過剰な生成水が滞留することになる。この場合、端部セルにおいて、特に、燃料電池システム１０００の低温始動時に、フラッディングやガス分配の不均一による電圧低下が発生しやすくなる。そして、このような不具合は、特に、アノード側で看過できない。アノードでは、発電時に、フラッディングによって、燃料ガス（水素）の供給が閉塞すると、アノード側の触媒層が劣化するからである。

そこで、本実施例の燃料電池システム１０００では、上述した端部セルにおける生成水の移動を抑制することが可能な構成を採用している。すなわち、燃料電池スタック１００が、アノード側集電板３０ａと絶縁板２０ａとの間に電気ヒータ２２を備えるようにし、ノーマリクローズ（Ｎ．Ｃ．）のリレー２００がクローズ状態になったときに、アノード側集電板３０ａ、および、カソード側集電板３０ｃによって集電された電力が電気ヒータ２２に供給され、アノード側の端部セルの、より低温になりやすいアノードを加熱する構成を採用している。

燃料電池システム１０００の運転は、制御ユニット３００によって制御される。制御ユニット３００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、タイマなどを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、例えば、各種バルブや、ポンプの駆動や、リレー２００をオープン状態にする制御等、システムの運転を制御する。リレー２００は、本発明におけるスイッチに相当する。また、制御ユニット３００は、本発明におけるスイッチ制御部に相当する。

Ｂ．運転制御：
図２は、燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。この処理は、制御ユニット３００のＣＰＵが実行する処理である。

ＣＰＵは、例えば、燃料電池システム１０００の起動スイッチがオンにされ、燃料電池システム１０００を起動する旨の指示が入力されると、シャットバルブ５１、レギュレータ５２の開弁、コンプレッサ６０、ポンプ５５の起動等を行い、燃料電池スタック１００に水素、および、空気を供給する（ステップＳ１００）。そして、ＣＰＵは、リレー２００をオープン状態に維持すべき制御信号をリレー２００に出力して、リレー２００をオープン状態に維持する（ステップＳ１１０）。その後、ＣＰＵは、入力された要求出力等に基づいて、燃料電池スタック１００への水素、および、空気の供給量等の各種制御を行い、発電を行う。

そして、ＣＰＵは、例えば、燃料電池システム１０００の起動スイッチがオフにされ、燃料電池システム１０００を停止する旨の指示が入力されると、システム全体の制御を停止する（ステップＳ１２０）。このとき、燃料電池スタック１００への水素、および、空気の供給が停止される。また、制御ユニット３００からリレー２００へのリレー２００をオープン状態に維持すべき制御信号が途切れるので、リレー２００は自ずとクローズ状態になる。すると、燃料電池スタック１００の内部に残留する残留ガス（水素、および、空気）を利用して発電が継続され、アノード側集電板３０ａ、および、カソード側集電板３０ｃによって集電された電力が電気ヒータ２２に供給されて、端部セルの加熱が行われる。その後、燃料電池スタック１００の内部の残留ガスが消費されて発電不能になると、リレー２００はクローズ状態のまま、電気ヒータ２２による端部セルの加熱は停止される。

以上説明した本実施例の燃料電池システム１０００によれば、燃料電池スタック１００が、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に電気ヒータ２２を備えているので、この電気ヒータ２２に電力を供給することによって、アノード側の端部セルにおいて、放熱により、より低温になりやすいアノードを加熱することができる。したがって、アノード側の端部セルにおける極間温度差を低減し、その端部セルにおけるカソード側からアノード側への生成水の移動を抑制することができる。

さらに、本実施例の燃料電池システム１０００は、燃料電池システム１０００の運転が停止されて、オープン状態に維持すべき制御信号の入力が途絶えたときに、クローズ状態になることによって、アノード側集電板３０ａ、および、カソード側集電板３０ｃによって集電された電力を、電気ヒータ２２に供給するためのノーマリクローズのリレー２００を備えているので、燃料電池システム１０００が停止された後であっても、燃料電池スタック１００内に燃料ガス、および、酸化剤ガスが残留している間は、この残留ガスによって発電を継続し、電気ヒータ２２に電力を供給することができる。

つまり、本実施例の燃料電池システム１０００によって、燃料電池システム１０００の停止時に、燃料電池スタック１００の端部に配置された単セル４０における電極間の温度勾配による生成水の移動を抑制することができる。

なお、本実施例の燃料電池システム１０００において、燃料電池スタック１００内の残留ガスが消費されて発電不能となったときには、リレー２００はクローズ状態のまま、電気ヒータ２２による加熱は停止され、アノード側の端部セルの温度は低下するが、このときには、燃料電池システム１０００が停止されてからの経過時間が十分に長いため、燃料電池スタック１００全体の温度が低下している。したがって、このときには、先に説明した端部セルにおける生成水の移動は少なく、フラッディングやガス分配の不均一は発生しにくい。

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、電気ヒータ２２に電力を供給するための外部電源を備える必要がないので、燃料電池システム１０００の小型化を図ることができる。

また、本実施例の燃料電池システム１０００では、電気ヒータ２２が、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に配置されているので、例えば、熱容量が比較的大きいアノード側エンドプレート１０ａの内部に電気ヒータ２２を内蔵する場合よりも、効果的に端部セルの加熱を行うことができる。

Ｃ．変形例：
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形が可能である。

Ｃ．変形例１：
上記実施例では、リレー２００は、燃料電池システム１０００の運転が停止されたときに、クローズ状態になるものとしたが、本発明は、これに限られない。燃料電池システム１０００の運転中に、制御ユニット３００からリレー２００へのリレー２００をオープン状態に維持すべき制御信号の出力を停止して、リレー２００をクローズ状態にするようにしてもよい。こうすることによって、燃料電池システム１０００の運転中に電気ヒータ２２を起動して、端部セルを加熱して飽和水蒸気圧を上昇させ、放熱によって温度が低下しやすい端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を抑制することができる。

なお、このような態様では、燃料電池システム１０００に、さらに、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一を検出する検出手段を設け、この検出手段によって、端部セルにおけるフラッディングやガス分配の不均一が検出されたときに、電気ヒータ２２に電力を供給して端部セルを加熱するようにしてもよい。こうすることによって、端部セルを不必要に加熱することによる燃料電池システム１０００のエネルギ効率の低下を抑制することができる。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、電気ヒータ２２は、アノード側集電板３０ａとアノード側エンドプレート１０ａとの間に配置されるものとしたが、本発明は、これに限られない。さらに、カソード側集電板３０ｃとカソード側エンドプレート１０ｃとの間にも、燃料電池スタック１００によって発電された電力によって加熱を行う電気ヒータを配置するようにしてもよい。こうすることによって、２つの電気ヒータによって燃料電池スタック１００における両端部の端部セルを加熱して、これらにおけるフラッディングやガス分配の不均一を抑制するようにすることができる。

本発明の一実施例としての燃料電池システム１０００の概略構成を示す説明図である。 燃料電池システム１０００の運転制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０００…燃料電池システム
１００…燃料電池スタック
１０ａ…アノード側エンドプレート
１０ｃ…カソード側エンドプレート
２０ａ，２０ｃ…絶縁板
２２…電気ヒータ
３０ａ…アノード側集電板
３０ｃ…カソード側集電板
４０…単セル
５０…水素タンク
５１…シャットバルブ
５２…レギュレータ
５３…配管
５４…循環配管
５５…ポンプ
５６…排出配管
５７…排気バルブ
６０…コンプレッサ
６１…配管
６２…排出配管
７０…ポンプ
７１…ラジエータ
７２…配管
２００…リレー
３００…制御ユニット

Claims (5)

1. 燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、
   複数の単セルを積層した積層体と、
   前記積層体のアノード側の端部に配置されたアノード側集電板と、
   前記積層体のカソード側の端部に配置されたカソード側集電板と、
   前記アノード側集電板を挟んで前記積層体の反対側に配置されたアノード側エンドプレートと、
   前記カソード側集電板を挟んで前記積層体の反対側に配置されたカソード側エンドプレートと、
   前記アノード側集電板と前記アノード側エンドプレートとの間に配置された電気ヒータと、
   を備えており、
   前記燃料電池システムは、さらに、
   前記燃料電池システムの運転が停止された後、前記アノード側集電板と前記カソード側集電板とによって集電された電力を、前記電気ヒータに供給するためのスイッチを備える、
   燃料電池システム。
2. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池システムの運転が停止されたときに、前記電気ヒータに供給される電力は、前記燃料電池スタックの内部に残留する燃料ガス、および、酸化剤ガスを利用して発電された電力である、
   燃料電池システム。
3. 請求項１または２記載の燃料電池システムであって、
   前記スイッチは、前記燃料電池システムの運転が停止されて、オープン状態に維持すべき制御信号の入力が途絶えたときに、クローズ状態になるスイッチである、
   燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムであって、さらに、
   前記スイッチをオープン状態に維持すべき制御信号を前記スイッチに出力することが可能なスイッチ制御部を備え、
   前記スイッチ制御部は、前記燃料電池システムの運転中に、前記制御信号の出力を停止する、
   燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムであって、
   前記スイッチ制御部は、前記燃料電池スタックに、該燃料電池スタックの外部から、燃料ガス、および、酸化剤ガスが供給されている所定期間、前記制御信号の出力を停止する、
   燃料電池システム。

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