JP2004281421A

JP2004281421A - 固体高分子型燃料電池システム、およびそのプログラムを格納した情報記録媒体

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Publication number: JP2004281421A
Application number: JP2004202397A
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: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2018-12-14
Also published as: JP3899350B2

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。
＊＊＊（当所注：一応文献情報が必要ですので、ご記入ください。）

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。

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。

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。

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。

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。

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、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、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、固体高分子型燃料電池システムである。

第２の本発明（請求項２に記載の本発明に対応）は、第１の本発明の固体高分子型燃料電池システムにおける供給能力制御器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。

第３の本発明は、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。

第４の本発明は、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。
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。

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。

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。

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。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（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。

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。

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。

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。

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。

次に、このような本実施の形態の動作を説明する。

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。

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。

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１０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。

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）。

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ＴE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）。

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）。

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１０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。

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。
（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。

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。

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。

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）。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、電圧の閾値や時間の値も、これに限るものではない。

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。

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。

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。

以上説明したところから明らかなように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池システムによれば、高効率運転および小型化を図ることができ、固体高分子型燃料電池システムとして、またはそのプログラムとして有用である。

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。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。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。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

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、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、固体高分子型燃料電池システム。
請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおける供給能力制御器としてコンピュータを機能させるためのプログラムを格納した情報記録媒体。