JP2003203655A - 燃料電池発電システム - Google Patents

燃料電池発電システム

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JP2003203655A
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fuel cell
air
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temperature
cathode
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JP2001400905A
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Takeshi Kanai
健 金井
Koji Shindo
浩二 進藤
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池発電システムにおいて、燃料電池の
カソードに供給される反応空気中の水分結露を防止する
と共に、発電性能低下時の冷却水による電池温度低下を
防止する。 【解決手段】 燃料電池2のカソードから排出される未
反応空気の温度及び湿度を温湿度センサ5で検出し、こ
の検出信号に基づいて制御装置6により空気ファン3a
の出力を調整し、カソードに供給する反応空気量を制御
する。燃料電池2で発電される直流電力を電流センサ9
で検出し、この検出信号に基づいて制御装置6により水
ポンプ10の出力を調整し、水タンク7から燃料電池2
の冷却部に供給する冷却水量を制御する。前記温湿度セ
ンサ5と電流センサ9とを併用することで、燃料電池の
発電性能を向上させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池発電シス
テムにおいて、燃料電池に供給する反応空気量及び冷却
水量を制御するようにした運転手段に関する。
【0002】
【従来の技術】燃料電池発電システムは、燃料電池に水
素ガス又は水素を主体とした改質ガスを燃料として供給
すると共に、酸素ガス又は空気を酸化剤として供給し、
電解質を介して電気化学反応を生じさせることにより発
電するものである。
【0003】固体高分子形燃料電池では、通常運転温度
を60〜80℃に保持するために冷却水を供給する必要
があり、又燃料電池内の固体高分子イオン交換膜(電解
質膜)の湿潤維持のために純水を供給する必要がある。
このため、従来は水タンクから水ポンプを介して冷却水
を燃料電池に供給するようにしている。水タンクには市
水をイオン交換樹脂装置に通して純水化したものを冷却
水として補給する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の燃料電池発
電システムでは、酸化剤として空気を用いる場合には、
空気ファンで外気(空気)を取り込んでカソードに供給
しているが、外気の温度や湿度は季節により又は天候状
態によって異なるためばらつきが生じる。カソードに供
給される空気(反応空気)は、カソード側のプレートに
形成された凹溝状の流通路に沿って流れるが、その際高
温多湿であると空気中の水分が結露して流通路に付着す
ることがある。このような事態が生じると、カソードで
の反応空気の流れが阻害されて供給不足となり、発電性
能の低下を引き起こす。
【0005】又、前記のように燃料電池の適正な運転温
度を保持するために冷却水を供給するが、発電性能が低
下した時には冷却水による電池温度低下が生じて発電性
能を低下させることになる。
【0006】本発明は、このような従来の事態に鑑みな
されたもので、燃料電池のカソードに供給される反応空
気中の水分結露を防止すると共に、冷却水による電池温
度の低下を防止できるようにした燃料電池発電システム
を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの手段として、本発明は、請求項1に記載したよう
に、燃料電池のアノードに燃料ガスを供給すると共に、
カソードに空気を供給して発電し、水タンクから燃料電
池に冷却水を供給するようにした燃料電池発電システム
において、カソードから排出される未反応空気の温度及
び湿度を検出する温湿度センサを設け、この温湿度セン
サの検出信号に基づいてカソードに供給する反応空気量
を制御する燃料電池発電システムを要旨とする。又、請
求項2のように、前記カソードから排出される未反応空
気の湿度が露点以下になるように空気ファンの出力を調
整すること、請求項3のように、燃料電池のアノードに
燃料ガスを供給すると共に、カソードに空気を供給して
発電し、水タンクから燃料電池に冷却水を供給するよう
にした燃料電池発電システムにおいて、燃料電池で発電
される電流を検出する電流センサを設け、この電流セン
サの検出信号に基づいて燃料電池に供給する冷却水量を
制御すること、請求項4のように、前記電流センサの検
出信号に基づいて、燃料電池に冷却水を供給する水ポン
プの出力を調整すること、請求項5のように、前記温湿
度センサと電流センサとを併用すること、を特徴とする
ものである。
【0008】本発明では、燃料電池のカソードから排出
される未反応空気の温度及び湿度を温湿度センサにより
検出し、この検出信号に基づいて空気ファンの出力を調
整し、カソードに供給する反応空気量を制御する。未反
応空気が露点以下になるように制御することにより、カ
ソードでの反応空気の結露を防ぐことができる。又、燃
料電池で発電される電流を検出する電流センサを設け、
この電流センサの検出信号に基づいて燃料電池に冷却水
を供給する水ポンプの出力を調整し、燃料電池に供給す
る冷却水量を制御する。これにより、発電性能低下時に
冷却水による電池温度低下を防止することができる。温
湿度センサと電流センサとを併用することで、燃料電池
の発電性能を向上させることができる。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る燃料電池発電
システムの実施形態を添付図面に基づいて説明する。図
1は、出力1kWのポータブル燃料電池(固体高分子
形)を用いた燃料電池システムの全体構成図である。
【0010】図1において、1は燃料供給部であり、水
素ボンベ1aと減圧弁1bと流量調整弁1cとを備えて
おり、この燃料供給部1から燃料電池2のアノード(燃
料極)に水素ガスを供給する。この場合、水素ボンベ1
aは10リットル容器で、150気圧、水素1.5Nm
を収容したものを2本設置してある。水素ボンベ1a
から供給される水素ガスは、減圧弁1bで数百mmAq
の圧力まで減圧された後に燃料電池2に供給される。
【0011】3は空気供給部であり、空気ファン3aを
備えており、この空気ファン3aにより外気(空気)を
取り込んで燃料電池2のカソード(空気極)に反応空気
を供給する。カソードから排出される未反応空気は排気
ダクト4に導入されるが、その導入経路の途中でカソー
ドの出口近傍に位置させて温湿度センサ5を設けてあ
る。
【0012】温湿度センサ5は、カソードから排出され
る未反応空気の温度及び湿度を検出し、その検出信号を
制御装置6に入力する。この温湿度センサ5としては、
例えば山武ハネウエル製の温湿度センサ(HTY78)
を用いることができる。
【0013】制御装置6では温湿度センサ5からの入力
信号に基づいて演算が行われ、その結果前記空気ファン
3aに制御信号が出力され、空気ファン3aの出力を変
えて回転数を調整する。これにより、空気ファン3aに
よる空気の取込量が変化し、カソードに供給する反応空
気量が制御される。
【0014】反応空気の温度及び湿度が高いと、カソー
ドの流通路内で空気中の水分が結露する傾向が強い。結
露が生じると、前記のように流通路を閉塞して反応空気
の流通が阻害される。従って、カソードから排出された
直後の未反応空気の温度及び湿度を温湿度センサ5で検
出し、制御装置6により露点以下となるように空気ファ
ン3aを制御する。
【0015】燃料電池2での電気化学反応は発熱反応で
あり、水タンク7からの冷却水によって冷やされて運転
温度は60℃前後に保持されており、しかも反応空気は
冷却水により加湿されるため、空気ファン3aから供給
される空気より温度及び湿度共に高い環境下にあって結
露し易い状態になっている。
【0016】このため、露点を超えそうな状態になる
と、制御装置6からの出力信号により空気ファン3aの
出力が増大され、回転数が上がって空気取込量が多くな
る。取り込まれる空気(外気)は温度及び湿度共に燃料
電池内の反応空気よりも遥かに低いため、この空気を燃
料電池2のカソードに供給することで反応空気の温度及
び湿度を下げ、露点以下にすることができる。
【0017】露点以下となったことを温湿度センサ5が
検出すると、制御装置6からの出力信号により空気ファ
ン3aの出力が減少され、回転数が落ちて空気取込量が
少なくなる。即ち、定常の空気供給動作に戻る。
【0018】燃料電池で発電された直流電力は電装部8
に送り込まれる。電装部8は、前記制御装置6の他にD
C/ACインバータ8a、DC/DCコンバータ8b等
から構成されている。燃料電池2から取り出された直流
電力は、DC/ACインバータ8aでAC100Vの交
流電力に変換されて使用に供される。又、直流電力の一
部はDC/DCコンバータ8bによりDC24Vに変換
され、燃料電池2の運転制御及び補機(ポンプ、ファン
等)の制御を行う制御装置6に供給され、更に充電回路
8cを経て2次電池8dに供給される。商用電源に接続
する充電器8eも備えている。
【0019】燃料電池2から電装部8への送電経路の途
中に、電流センサ9を設けてある。この電流センサ9
は、燃料電池2から取り出される直流を検出し、検出信
号を前記制御装置6に入力する。制御装置6では電流セ
ンサ9からの入力信号に基づいて演算が行われ、その結
果前記水タンク7からの冷却水を燃料電池2に供給する
水ポンプ10に制御信号が出力され、水ポンプ10の出
力を変える。これにより、燃料電池2へ供給する冷却水
量が制御される。
【0020】燃料電池2の発電性能が低下状態になる
と、制御装置6からの制御信号により水ポンプ10の出
力が減少され、冷却水取込量が少なくなる。この少量の
冷却水を燃料電池2の冷却部に供給することで、燃料電
池2の過冷却を防止し運転温度(約60℃前後)を保持
することができる。
【0021】燃料電池2の電流値が定格となったことを
電流センサ9が検出すると、制御装置6からの制御信号
により水ポンプ10の出力が増大され、冷却水取込量が
多くなる。即ち、定常の冷却水供給動作に戻る。
【0022】この電流センサ9のみで燃料電池2の温度
管理を行うことは不可能ではないが、カソードに供給さ
れる空気の温度によっても熱影響を受けるため、前記温
湿度センサ5と併用することが好ましい。
【0023】燃料電池2から排出される冷却水は水タン
ク7に戻される。つまり、水タンク7と燃料電池2との
間で冷却水の循環回路が形成されている。冷却水は循環
使用されている間に徐々に減少するため、サブタンク1
1から給水ポンプ12及び流量調整弁13を介して適宜
純水が補給される。図示は省略したが、市水をイオン交
換樹脂装置に通して純水に変換した後にサブタンク11
に給水する。サブタンク11から給水される純水によ
り、水タンク7に戻った冷却水を冷却(約60℃)する
ことができる。
【0024】14は排気ファンであり、空気(外気)を
取り込んで前記カソードから排出される未反応空気と共
に排気ダクト4に送り込む。排気ダクト4にはアノード
から排出される未反応水素ガスが、水タンク7に導入さ
れて温度が下げられた後に絞り弁15を介して送り込ま
れる。この未反応水素ガスは、排気ダクト4内において
排気ファン14により送り込まれた空気(未反応空気及
び外気)により希釈され、水素濃度が数LEL%以下に
されて空気と共に外部へ排出される。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
燃料電池発電システムにおいて、カソードから排出され
る未反応空気の温度と湿度とを温湿度センサで検出し、
この検出信号に基づいて空気ファンの出力を調整し、常
時露点以下となるように反応空気の供給量を制御するよ
うにしたので、外気の温湿度状態が変化しても反応空気
中の水分がカソードの流通路で結露するのを防止するこ
とができる。又、燃料電池で発電される直流電力を電流
センサで検出し、この電流センサの検出信号に基づいて
水ポンプの出力を調整し、冷却水の供給量を制御するよ
うにしたので、発電性能が低下しても燃料電池の温度低
下を防止することができる。更に、前記温湿度センサと
電流センサとを併用することで、燃料電池の発電性能を
向上させる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池発電システムの実施形態
を示す全体構成図である。
【符号の説明】
1…燃料供給部 2…燃料電池 3…空気供給部 3a…空気ファン 4…排気ダクト 5…温湿度センサ 6…制御装置 7…水タンク 8…電装部 9…電流センサ 10…水ポンプ 11…サブタンク 12…給水ポンプ 13…流量調整弁 14…排気ファン 15…絞り弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H026 AA06 5H027 AA06 BA13 BC14 CC06 KK22 KK31 KK41 KK51 KK56

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する
    と共に、カソードに空気を供給して発電し、水タンクか
    ら燃料電池に冷却水を供給するようにした燃料電池発電
    システムにおいて、カソードから排出される未反応空気
    の温度及び湿度を検出する温湿度センサを設け、この温
    湿度センサの検出信号に基づいてカソードに供給する反
    応空気量を制御することを特徴とする燃料電池発電シス
    テム。
  2. 【請求項2】前記カソードから排出される未反応空気の
    湿度が露点以下になるように空気ファンの出力を調整す
    る請求項1記載の燃料電池発電システム。
  3. 【請求項3】燃料電池のアノードに燃料ガスを供給する
    と共に、カソードに空気を供給して発電し、水タンクか
    ら燃料電池に冷却水を供給するようにした燃料電池発電
    システムにおいて、燃料電池で発電される電流を検出す
    る電流センサを設け、この電流センサの検出信号に基づ
    いて燃料電池に供給する冷却水量を制御することを特徴
    とする燃料電池発電システム。
  4. 【請求項4】前記電流センサの検出信号に基づいて、燃
    料電池に冷却水を供給する水ポンプの出力を調整する請
    求項3記載の燃料電池発電システム。
  5. 【請求項5】前記温湿度センサと電流センサとを併用す
    る請求項1〜請求項4いずれか1項記載の燃料電池発電
    システム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010199092A (ja) * 2010-06-10 2010-09-09 Panasonic Corp 燃料電池システム
JP2015211029A (ja) * 2014-04-23 2015-11-24 現代自動車株式会社Hyundaimotor Company 燃料電池整備用残存水素除去装置

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