JP2000182648A

JP2000182648A - 固体高分子型燃料電池システム及び情報記録媒体

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Publication number: JP2000182648A
Application number: JP10354990A
Authority: JP
Inventors: Masataka Ozeki; 正高尾関; Yoshiaki Yamamoto; 義明山本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2000-06-30
Anticipated expiration: 2018-12-14
Also published as: JP3589884B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池システムの高効率運転と小型化を実
現する。【解決手段】燃料電池１と、燃料ガス供給装置２と、
燃料電池１に空気を供給するブロア１０と、空気を加湿
する加湿器４と、発電電力量を制御する電力制御器５
と、空気供給能力を制御する供給能力制御器６、燃料電
池１の単電池の電圧を検出する電圧検出器１１とを備
え、電力制御器５によって決定される発電電力量に必要
な量の空気が供給されるように、ブロア１０回転数を制
御して空気供給能力を制御すると共に、電圧検出器１１
の信号を受けて、燃料電池１への空気供給量を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池を用いて発電を行う固体高分子型燃料電池システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】以下に、従来の固体高分子型燃料電池シ
ステムについて説明する。

【０００３】図６に示すように、従来の固体高分子型燃
料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を
行う固体高分子型の燃料電池１と、天然ガスなどを原料
を水蒸気改質し、水素に富んだガスを生成し、生成した
水素に富んだガスを加湿して燃料電池１に供給する燃料
ガス供給装置２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池１
に供給するエアーコンプレッサ３と、供給空気を加湿す
る加湿器４とを有している。

【０００４】また、燃料電池１での発電電力量を制御す
る電力制御器５、エアーコンプレッサ３の空気供給能力
を制御する供給能力制御器６、燃料電池１に水を送って
冷却する冷却配管７と、配管内の水を循環させる冷却用
ポンプ８と、燃料電池１で発生した熱を給湯に用いるた
めの貯湯漕９を備えている。

【０００５】燃料電池１は、固体高分子膜を挟んで正極
と負極の電極を持ち、正極に空気、負極に燃料ガスを供
給する構造を持つ単電池を複数積層したものであり、各
単電池の間に冷却配管が貫通しており、単電池が発電す
る際に生ずる熱を外部へ取り出す構造になっている。

【０００６】単電池内部では、燃料ガス内の水素と空気
内の酸素が結合して水となることにより発電が行われ
る。この時、固体高分子膜を挟んで水素と酸素が結合す
るためには、固体高分子膜は湿潤状態である必要があ
り、固体高分子膜の湿度を確保するために、単電池に供
給する燃料ガスと空気は適度に加湿する必要がある。

【０００７】また、水素と酸素が結合して発生する水
は、正極側に発生し単電池内の空気供給路に流れ込む。
この単電池内の空気供給路に流れ込む水が、空気供給路
に付着すると空気供給路の抵抗を増大させ、単電池への
空気供給量を減少させる原因となる。そして、単電池へ
十分な量の空気が供給されないと、発電能力を低下させ
る。さらに、単電池内の空気供給路に流れ込む水が、空
気供給路を閉塞してしまった場合には、その単電池はま
ったく発電を行うことが出来なくなってしまう。単電池
内の空気供給路の閉塞を回避するためには、空気供給路
に流れ込む水を十分な空気流量をもって燃料電池１の外
部へ排出する必要がある。そのため、空気供給手段とし
ては、空気供給路の抵抗が大きくなっても、空気の供給
量がそれほど低下しない特性を持つエアーコンプレッサ
３が採用されている。

【０００８】さらに、電力制御器５によって決定される
発電電力量に必要な量の空気が供給されるように、供給
能力制御器６はエアーコンプレッサ３の空気供給能力を
制御すると共に、燃料ガス供給装置２は必要量の燃料ガ
スを供給する。

【０００９】一方、システムの起動時においては、加湿
された燃料ガスや空気の供給時間も短い上に、発電反応
も盛んに行われておらず発生する水の量も少ない。その
ため、固体高分子膜の湿度が著しく低下しているため、
単電池内において水素と酸素の結合反応が十分に行われ
ず、発電能力を上げることが出来ない。さらに、そのよ
うな状態が長く続くと固体高分子膜および正極、負極に
ダメージを与えることになる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池１に空気を供給する手段として用いているエアーコン
プレッサ３は消費電力が大きくなる。大規模な燃料電池
システムの場合は、内部での消費電力がそれほど問題に
ならない場合もあるが、中小規模の燃料電池システムを
構築する際には、内部での消費電力は極力小さくしない
と発電効率が著しく低下してしまう。

【００１１】また、空気供給手段としてエアーコンプレ
ッサに代わり、消費電力を低減しやすい遠心式ブロアな
どを用いると、機器の特性上、空気供給路の抵抗が増大
するにつれて空気供給量が低下してしまう。供給量が低
下することにより、単電池に十分な空気を供給すること
が出来なくなる上に、単電池内の空気供給量に流れ込む
水を追い出す力が弱くなるため、単電池内の空気供給路
に止まる水の量を増大させ、空気供給路を閉塞させる危
険性を増大させてしまう。

【００１２】さらに、システムの起動時において、素早
く固体高分子膜の湿度を上昇させるためには、供給する
燃料ガスや空気の湿度を上昇させることが考えられる
が、そのために加湿器が大きくなり、システム起動時と
いった短い時間のためにシステム自体の大型化を招いて
しまう。また、システム起動時に一気に発電量を多くし
て多量の水を発生させることにより固体高分子膜を加湿
する方法もあるが、単電池へのダメージが深刻な物にな
る危険性を増大させる。

【００１３】また、空気を加湿する手段として全熱交換
器などのような排出空気に含まれる水分を利用する加湿
器では起動時の空気の加湿不足に陥るため、加湿手段に
熱源などが必要になり、発電効率の低下と加湿器の大型
化を招くといった課題がある。

【００１４】本発明は、上述したこのような従来の固体
高分子型燃料電池システムが有する課題を考慮して、高
効率運転および小型化を図ることができる固体高分子型
燃料電池システムを提供することを目的とするものであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】第１の本発明（請求項１
に記載の本発明に対応）は、燃料ガスと酸化ガスを用い
て発電を行う固体高分子型の燃料電池と、酸化ガスを燃
料電池に供給する酸化ガス供給手段と、酸化ガス供給手
段の供給能力を制御する供給能力制御器と、燃料電池の
電圧を計測する電圧検出器とを備え、前記電圧検出器に
より検出された燃料電池の電圧が、所定の閾値より小さ
くなった場合には、前記供給能力制御器により酸化ガス
供給手段の供給能力を増加させ、酸化ガスの供給量を増
加させることを特徴とする固体高分子型燃料電池システ
ムである。

【００１６】第２の本発明（請求項２に記載の本発明に
対応）は、酸化ガスの供給量を増加させた後は、前記燃
料電池の電圧が前記閾値以上になった後も、一定時間以
上増加させた酸化ガスの供給量を維持することを特徴と
する第１の本発明の固体高分子型燃料電池システムであ
る。

【００１７】第３の本発明（請求項３に記載の本発明に
対応）は、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う固体
高分子型の燃料電池と、酸化ガスを燃料電池に供給する
酸化ガス供給手段と、酸化ガス供給手段の供給能力を制
御する供給能力制御器と、システム起動時には、前記供
給能力制御器により酸化ガス供給手段の供給能力を減少
させ、酸化ガスの供給量を減少させることを特徴とする
固体高分子型燃料電池システムである。

【００１８】第４の本発明（請求項４に記載の本発明に
対応）は、燃料電池の電圧を計測する電圧検出器とを備
え、システム起動時には、出力電力を少しずつ上昇させ
て行き、前記電圧検出器により検出された燃料電池の電
圧が、第１閾値より小さくなった場合には出力電力を一
旦低下させた後、前記電圧検出器により検出された燃料
電池の電圧が、第２閾値より大きくなった場合に、再び
出力電力を上昇させていくことを特徴とする第３の本発
明の固体高分子型燃料電池システムである。

【００１９】以上のよう構成された本発明によれば、燃
料電池の出力電圧を検出して、出力電圧が所定の閾値よ
り小さくなった場合には、空気供給量を増加させて単電
池内の空気供給路に止まる水を追い出して、発電能力の
低下を防止することにより、消費電力の少ない遠心式ブ
ロアなどを用いてシステムの安定運転を実現する。

【００２０】また、空気供給量増加後、一定時間その供
給量を維持することにより、発電能力低下の再発を防止
することができる。

【００２１】さらに、システム起動時において、空気供
給量を低下させて供給空気の相対湿度を上げるととも
に、出力電圧を検出しながら出力電力を増大させていく
ことにより、必要以上に大きな加湿器を必要とせず、か
つ、システムの信頼性を低下させることなくスムーズな
システム起動が可能な高効率システムを実現する。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
面を参照して説明する。

【００２３】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態における固体高分子型燃料電池システム
を示す構成図である。本実施の形態における固体高分子
型燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを用いて発
電を行う固体高分子型の燃料電池１と、天然ガスなどを
原料を水蒸気改質し、水素に富んだガスを生成し、生成
した水素に富んだガスを加湿して燃料電池１に供給する
燃料ガス供給装置２と、酸化ガスとしての空気を燃料電
池１に供給する遠心式のブロア１０と、供給空気を加湿
する加湿器４とを有している。

【００２４】また、燃料電池１での発電電力量を制御す
る電力制御器５、ブロア１０の空気供給能力を制御する
供給能力制御器６、燃料電池１に水を送って冷却する冷
却配管７と、配管内の水を循環させる冷却用ポンプ８
と、燃料電池１で発生した熱を給湯に用いるための貯湯
漕９を備えている。

【００２５】なお、上記の各部材において、図６で示し
た従来の固体高分子型燃料電池システムのものと同じ機
能を有するものについては、同一符号を付与しており、
それらの機能の詳細は、図６で示した従来の固体高分子
型燃料電池システムのものに準ずるものとする。

【００２６】供給能力制御器６は、電力制御器５によっ
て決定される発電電力量に必要な量の空気が供給される
ように、ブロア１０の回転数を制御して空気供給能力を
制御すると共に、さらに、電圧検出器１１の信号を受け
て、燃料電池１への空気供給量を制御する。

【００２７】図２は、本実施の形態における電圧検出器
１１の構成を示すものであり、電圧検出器１１は燃料電
池１の各単電池の電圧を検出するものである。

【００２８】次に、このような本実施の形態の動作を説
明する。

【００２９】燃料電池１は、各単電池の正極と負極に、
各々適度に加湿された、酸化ガスとしての空気と、水素
に富んだ燃料ガスを供給され、空気中の酸素と水素が結
合することにより発電を行う。電流密度300mA/cm²程度
での発電を行う際は、各単電池では平均約650mV程度の
電圧が発生する。また、発電と同時に正極側に水が発生
する。この発生した水は正極から単電池内の空気供給路
流れ込み、供給空気と共に燃料電池１の外部へ排出され
る。

【００３０】燃料電池１における発電量が多くなると、
正極側で発生する水の量も多くなるため、単電池内の空
気供給路に流れ込む水の量も多くなる。そのため、水が
単電池内の空気供給路に付着する量が多くなり、空気が
空気供給路を流れる抵抗が大きくなり、機器の特性上、
ブロア１０が供給する空気量が少なくなる。そのため、
発電に必要な酸素量を確保できなくなり、単電池の電圧
値が低下する。もっともこの電圧低下はすべての単電池
で発生する訳ではなく、最も空気供給路の抵抗が大きく
なった単電池から順番に電圧が低下していく。

【００３１】図３は、本実施形態における固体高分子型
燃料電池システムの空気供給に関する制御フロー図であ
る。電力制御器５は負荷が要求する電力に対してシステ
ムで発電する発電電力を決定する（ステップ０１）。供
給能力制御器６は、電力制御器５によって決定される発
電電力に必要な量の空気が供給できるように、ブロア１
０の回転数指令値Ｆを決定する（ステップ０２）。電圧
検出器１１は、燃料電池の各単電池の電圧を検出し（ス
テップ０３）、１つ以上の単電池の電圧が500mV未満に
なった場合には、供給能力制御器６に信号を送る。

【００３２】信号を受けた供給能力制御器６は、まず現
在の時刻Ｔに一定時間ＴN（たとえば５分）を加算した
値をＴEとして記憶する（ステップ０４）。さらに、ブ
ロア１０の回転数指令値Ｆを一定値Ｆａだけ増加させる
（ステップ０５）。

【００３３】また、電圧検出器１１にて単電池の電圧低
下が検出されない場合、供給能力制御器６は、記憶値Ｔ
Eと現在の時刻Ｔとを比較して（ステップ０６）、記憶
値ＴEの方が現在時刻Ｔよりも大きければ、ブロア１０
の回転数指令値Ｆを一定値Ｆａだけ増加させる（ステッ
プ０５）。

【００３４】そして、供給能力制御器６は回転数指令値
Ｆを用いてブロア１０を運転する（ステップ０７）。

【００３５】以上のように、本実施の形態の第１の効果
として、電圧検出器１１により燃料電池１の単電池の電
圧を検出し、電圧低下が起こった単電池が１つ以上ある
場合には、供給能力制御器６は、電力制御器５によって
決定される発電電力量に必要な量の空気を送るブロア１
０の回転数よりも、ブロア１０の回転数を増加させ、燃
料電池１へ供給する空気量を増加させることにより、遠
心式ブロアなどを用いても、単電池内部の空気供給路に
付着した水を燃料電池１の外部に排出することが可能と
なり、システムの消費電力を低減して高効率な発電と、
システムの信頼性向上が可能となる。

【００３６】一方、本実施の形態の第２の効果として、
電圧検出器１１の信号を受けて供給能力制御器６がブロ
ア１０の回転数を増加させた後、すべての単電池の電圧
が上昇しても、一定時間（たとえば５分）以上、増加さ
せた供給量を維持することにより、単電池の電圧低下の
再発を防止することが可能になり、システム信頼性をい
っそう向上させることができる。

【００３７】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態を図面を参照して説明する。

【００３８】図４は、本発明の第２の実施の形態におけ
る固体高分子型燃料電池システムを示す構成図である。
本実施の形態における固体高分子型燃料電池システム
は、供給空気の加湿手段として、燃料電池１から排出さ
れる空気と温度湿度を交換する全熱交換器１２を用いる
ことに関する点以外は、上述した第１の実施の形態にお
ける固体高分子型燃料電池システムと同様である。した
がって、本実施の形態において、第１の実施の形態と基
本的に同様のものについては、同一符号を付与し、説明
を省略する。また、特に説明のないものについては、第
１の実施の形態と同じとする。

【００３９】図５は、本実施の形態における固体高分子
型燃料電池システムの起動時における空気供給に関する
制御フロー図である。

【００４０】システム起動に際して、供給能力制御器６
は定格電力発電時に必要な空気量の半分の空気を供給す
る様にブロア１０を運転する（ステップ１０）。そし
て、電力制御器５は発電電力Ｗを定格電力ＷNの1/10に
設定して発電を開始する（ステップ１１）。

【００４１】現在の時刻Ｔに対して制御周期ＴL（たと
えば30秒）後の時刻ＴCを演算し（ステップ１２）、時
刻Ｔが時刻ＴCを越えたとき（ステップ１３）、電圧検
出器１１にて単電池の電圧を検出し、すべての単電池の
電圧が550mVを超えているときには（ステップ１４）、
電力制御器５は発電電力Ｗを定格電力ＷNの1/10だけ増
加させる（ステップ１５）。また、単電池の電圧が１つ
でも500mV以下になった場合には（ステップ１６）、電
力制御器５は発電電力Ｗを定格電力ＷNの1/10だけ減少
させる（ステップ１７）。これらの操作を制御周期ＴL
毎に繰り返し行い、発電電力Ｗが０になった場合はシス
テムを停止し（ステップ１８）、また、発電電力Ｗが定
格電力ＷNになった場合には、通常制御に移行する（ス
テップ１９）。

【００４２】以上のように、本実施の形態の第２の効果
として、空気の供給量を減少させた状態でシステムを起
動することにより、起動時に燃料電池１内の固体高分子
膜の湿度が低い状態であっても、通常運転よりも相対湿
度を上げた状態で燃料電池１へ空気を送ることが出来、
起動用に大きな加湿器を用意する必要が無い。さらに、
加湿器として全熱交換器１２のように燃料電池から排出
される空気と温度湿度を交換するタイプを用いることに
より、さらなる加湿器の小型化が可能になると共に、加
湿熱源を必要としないため高効率な発電が実現可能にな
る。

【００４３】さらに、電圧検出器１１により燃料電池１
の単電池の電圧を検出しながら発電電力を徐々に上昇さ
せていくことにより、信頼性を損なわないシステム起動
が実現できる。

【００４４】以上説明したように、本発明は、燃料電池
１の単電池の電圧を検出しながら、単電池の電圧が低下
した場合には、ブロア１０の空気供給能力を増大さるた
め、消費電力の少ない方式のブロアを空気供給手段に用
いることができ、内部消費電力を低減することが可能に
なる。

【００４５】また、システム起動時には、空気の供給量
を減少させて相対湿度の高い空気を燃料電池に送ると共
に、単電池の電圧を検出しながら、発電電力を徐々に上
昇させていくことにより、加湿器に全熱交換器など、熱
源を必要としないタイプを採用できるので、システムの
小型化と内部熱ロス、内部消費電力を低く抑えることが
できる。

【００４６】さらに、起動時、通常運転時共に信頼性の
高いシステム運転が可能となる。

【００４７】なお、本発明のブロアは、上述した本実施
の形態においては、遠心式ブロアを用いて説明したが、
他の方式のブロアを消費電力が小さいブロアであれば同
様の効果が得られる。

【００４８】また、電圧の閾値や時間の値も、これに限
るものではない。

【００４９】さらに、電圧検出器は単電池の電圧をすべ
て１つ１つ検出していたが、現実的な範囲で複数枚の単
電池を一まとめにして検出しても、同様の効果が得られ
る。

【００５０】また、本発明の各手段、機器の機能を専用
のハード回路で実現しても、あるいはまたコンピュータ
を用いてソフトウェア的に実現してもかまわない。

【００５１】また、本発明は、本発明の固体高分子型燃
料電池システムにおける各手段、機器の全て又は一部の
機能をコンピュータで実現するためのプログラムを格納
した情報記録媒体である。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したところから明らかなよう
に、本発明は、高効率運転および小型化を図ることがで
きる固体高分子型燃料電池システムを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態における固体高分子
型燃料電池システムを示す構成図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態における電圧検出器
を示す構成図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態における固体高分子
型燃料電池システムの空気供給に関する制御フロー図で
ある。

【図４】本発明の第２の実施の形態における固体高分子
型燃料電池システムを示す構成図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態における固体高分子
型燃料電池システムの起動時の空気供給、および、発電
電力に関する制御フロー図である。

【図６】従来の固体高分子型燃料電池システムを示す構
成図である。

【符号の説明】

１燃料電池２燃料ガス供給装置４加湿器５電力制御器６供給能力制御器７冷却配管８冷却用ポンプ９貯湯漕１０ブロア１１電圧検出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う
固体高分子型の燃料電池と、前記酸化ガスを燃料電池に
供給する酸化ガス供給手段と、その酸化ガス供給手段の
供給能力を制御する供給能力制御器と、前記燃料電池の
電圧を計測する電圧検出器とを備え、前記電圧検出器に
より検出された燃料電池の電圧が、所定の閾値より小さ
くなった場合には、前記供給能力制御器により、前記酸
化ガス供給手段の供給能力を増加させ、酸化ガスの供給
量を増加させることを特徴とする固体高分子型燃料電池
システム。
【請求項２】前記酸化ガスの供給量を増加させた後
は、前記燃料電池の電圧が前記閾値以上になった後も、
所定時間以上、増加させた酸化ガスの供給量を維持する
ことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電
池システム。
【請求項３】燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う
固体高分子型の燃料電池と、酸化ガスを燃料電池に供給
する酸化ガス供給手段と、その酸化ガス供給手段の供給
能力を制御する供給能力制御器とを備え、システム起動
時には、前記供給能力制御器により前記酸化ガス供給手
段の供給能力を減少させ、酸化ガスの供給量を減少させ
ることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】前記燃料電池の電圧を計測する電圧検出
器を備え、前記システム起動時には、出力電力を少しず
つ上昇させて行き、前記電圧検出器により検出された燃
料電池の電圧が、第１閾値より小さくなった場合には出
力電力を一旦低下させた後、前記電圧検出器により検出
された燃料電池の電圧が、第２閾値より大きくなった場
合に、再び出力電力を上昇させていくことを特徴とする
請求項３記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の固体高
分子型燃料電池システムにおける各手段、機器の全て又
は一部の機能をコンピュータで実現するためのプログラ
ムを格納したことを特徴とする情報記録媒体。