JP2005285562A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つ燃料電池システムの制御方法を提供すること。
【解決手段】 反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池本体３と、燃料電池本体３に反応ガスを供給する手段１と、反応ガスの温度を検出する手段１１と、燃料電池本体３の温度を検出する手段１２と、反応ガス温度または／かつ燃料電池本体３の温度を制御する温度制御手段２，４，５とを備え、温度制御手段２，４，５によって反応ガスと燃料電池本体との温度差を制御することで燃料電池本体３内の電解質膜の湿潤状態を調整する燃料電池システム。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つ燃料電池システムの制御方法に関する。

高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）では、燃料電池本体の電解質膜が乾燥してしまうと電気抵抗の増大によって出力密度が低下してしまい、逆に濡れが大きく水分の凝縮が起こる過飽和状態では、水素燃料が通過するアノード電極側流路で凝縮水が燃料通過を阻害し電極反応を低下させるフラッディング現象を引き起こす。燃料電池本体内でフラッディングが発生すると、膜の劣化が大きく、また運転復帰させるためには乾燥作業が必要になるなど多大なリスクがあるため、絶対に避けなければならない故障モードである。
そこで、下記特許文献１には、改質ガスを固体高分子電解質膜にとって適度に濡れた状態で供給し、電池性能を安定かつ高性能に維持し、全体の効率を高く維持できる燃料電池システムが提案されている。

同特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池本体と燃料改質器との間に、燃料改質器で生成された改質ガスに含まれる水を回収する水ドレイン回収部（凝縮器）が設けられている。その水ドレイン回収部は、上流側に改質ガスと改質用水の熱交換を行う熱交換器機能を有し、高温のアノード供給ガスを冷却し、過剰水蒸気及びミストをタンク部に凝縮し、水蒸気はその冷却温度すなわち露点における飽和水蒸気となってアノードに供給されるようになっている。

つまり、アノードに供給される改質ガス温度は、それよりも低い改質用水と熱交換によって冷却されるため、水蒸気を含む水素ガスがその露点よりも低い温度に調整され、余剰の水蒸気がタンク内で凝縮して液化し水素ガスと分離される。
このように、燃料電池本体にはその電池温度よりも低い飽和水蒸気を含む水素ガスが供給されるため、電池内部でのフラッディングによる電池性能低下を防止し、安定した電池性能を維持することができる。
特開２００２−４２８４７号公報（第４−５頁、図１）

しかしながら、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つためには、改質ガス中の水分を単に落とすだけでなく適切に制御する必要がある。前述した特許文献１の技術では改質ガス中の余剰水分を回収するよう構成されてはいるものの、改質ガス中の適切な水分量は、電解質膜の温度によって変わるため「余剰水分」の量も変化する。
そこで、水ドレイン回収部を設けて燃料改質器で生成された改質ガスに含まれる水分を回収するだけでは、電解質膜を最適な濡れ状態に保つのは困難で、フラッディングを防止して安定した電池性能を維持することは難しい。更には、改質ガス中の水分を落とし過ぎると、燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて燃料電池本体から排出される改質ガス中の水分が多くなり、電解質膜が乾燥してしまって電気抵抗が増大してしまう。

そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つ燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池本体と、該燃料電池本体に前記反応ガスを供給する手段と、前記反応ガスの温度を検出する手段と、燃料電池本体の温度を検出する手段と、前記反応ガス温度または／かつ燃料電池本体の温度を制御する温度制御手段とを備え、前記温度制御手段によって前記反応ガスと前記燃料電池本体との温度差を制御することで燃料電池本体内の電解質膜の湿潤状態を調整することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池本体を昇温させる昇温装置と、該昇温装置を制御するコントロータと、が設けられ、起動時には、前記燃料電池本体に供給される反応ガス中の入力水量を算出し、かつ前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量を算出し、前記入力水量が前記出力水量より多い場合には前記昇温装置を駆動させて前記燃料電池本体を昇温させることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池本体に供給される前記反応ガスの温度を測定する第１温度センサが設けられ、前記反応ガスは水蒸気飽和状態で供給され、前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、前記入力水量は、前記反応ガスの乾燥ガス量と、前記第１温度センサの測定温度と、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」とから算出するものであることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池本体の温度を測定する第２温度センサが設けられ、前記反応ガスは水蒸気飽和状態で供給され、前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、前記出力水量は、前記反応ガスから前記燃料電池本体内で消費される水素または酸素を差し引いた乾燥ガス量と、前記第２温度センサの測定温度と、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」とから算出するものであることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムは、水蒸気を混合した原料から改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、その改質ガスから余剰水分を回収する凝縮器とが設けられ、この改質ガスを前記燃料ガスとして使用し、さらに、前記燃料電池本体に入力される改質ガスの温度を測定する第１温度センサと、前記燃料電池本体の温度を測定する第２温度センサとを有し、前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、起動時には、前記第１温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量を算出し、また前記第２温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量を算出し、その入力水量が出力水量より多い場合には前記昇温装置を駆動させて燃料電池本体を昇温させるようにしたものであることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池システムは、水蒸気を混合した原料から改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、その改質ガスから余剰水分を回収する凝縮器とが設けられ、この改質ガスを前記燃料ガスとして使用し、さらに、前記燃料電池本体に入力される改質ガスの温度を測定する第１温度センサと、前記燃料電池本体の温度を測定する第２温度センサとを有し、前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、定常発電時には、前記第１温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量を算出し、また前記第２温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量を算出し、その入力水量が出力水量より多い場合には前記凝縮器の凝縮能力を上げ、入力水量が出力水量より少ない場合には前記凝縮器の凝縮能力をさげるようにしたものであることを特徴とする。
更に、本発明の燃料電池システムは、前記昇温装置が、前記燃料電池本体と冷却水ポンプによって冷却水を循環させる冷却配管を介して連結された熱交換器と、その熱交換器と熱回収ポンプによって水や湯を送り込む熱回収配管を介して連結された貯湯槽とを有するものであることを特徴とする。

一方、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、水蒸気を混合した原料から燃料改質器の改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成し、凝縮器に通して水分を回収したその改質ガスを燃料電池本体へ供給して発電を行うものであって、起動時には、前記凝縮器を通って燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量と、燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量とを比較し、入力水量が出力水量より多い場合に前記燃料電池本体を昇温させるようにしたことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法は、水蒸気を混合した原料から燃料改質器の改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成し、凝縮器に通して水分を回収したその改質ガスを燃料電池本体へ供給して発電を行うものであって、定常発電時には、前記凝縮器を通って燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量と、燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量とを比較し、入力水量が出力水量より多い場合には前記凝縮器の凝縮能力を上げ、入力水量が出力水量より少ない場合には前記凝縮器の凝縮能力をさげるようにしたことを特徴とする。
更に、燃料電池システムの制御方法は、凝縮器から燃料電池本体へ入力する改質ガスの温度と燃料電池本体の温度とを測定し、その測定温度と、予め保有する「温度−飽和水蒸気圧力の関数」とから、前記入力水量と出力水量とを算出して比較するようにしたことを特徴とする。

よって、本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、凝縮器を通って燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量と、燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量とを比較し、入力水量が出力水量より少ない場合に燃料電池本体を昇温させるようにしたので、起動時には温度が低い燃料電池本体でも、その温度が上げられることによって出力水量が入力水量を超えるようになり、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つことができるようになった。その結果、フラッディングの防止が可能となった。

また、本発明によれば、燃料電池システムの定常発電時に、凝縮器を通って燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量と、燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量とを比較し、入力水量が出力水量より多い場合には前記凝縮器の凝縮能力を上げ、入力水量が出力水量より少ない場合には前記凝縮器の凝縮能力をさげるようにしたので、燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量が出力水量と等しくする方向に調節され、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つことができるようになった。その結果、フラッディングや電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大を防止することが可能となった。

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御方法について、図面を参照しながら以下に説明する。図１は、本実施形態の燃料電池システムを示したブロック図である。
本実施の形態の燃料電池システムは、水蒸気を混合した都市ガスから改質反応によって水素を生成する燃料改質器１を有し、その燃料改質器１によって生成された水素リッチな改質ガスと不図示のブロワから送り込まれる空気を用いて発電を行う燃料電池本体３とが接続されている。燃料改質器１と燃料電池本体３との間には、改質ガス中の余剰水分を回収する凝縮器２が接続されている。

また、この燃料電池システムは、燃料電池本体３で発生した熱を回収するための熱交換器４が接続されている。すなわち、燃料電池本体３と熱交換器４との間には冷却水を流す冷却配管６が接続され、その冷却配管６には燃料電池本体３と熱交換器４との間で冷却水を循環させる冷却水ポンプ８が設けられている。
更に、燃料電池システムには、燃料電池本体３から回収した熱によって暖められた湯を貯めておく貯湯槽５が設けられ、この貯湯槽５と熱交換器４との間には熱回収配管７が接続されている。そして、その熱回収配管７にも貯湯槽５内の水を循環させるための熱回収ポンプ９が設けられている。

燃料電池本体３は、燃料改質器１により生成された水素に富んだ改質ガスと不図示のブロアから供給される空気とにより電力が得られ、その際には熱も発生する。燃料電池システムの運転時には、燃料電池本体３で発生した熱は冷却配管６の中を流れる冷却水によって外部へ搬送される。
すなわち、燃料電池本体３で発生した熱は、冷却水ポンプ８の駆動により燃料電池本体３と熱交換器４との間で冷却水が循環する。このとき、冷却水が燃料電池本体３の熱を奪い熱交換器４側へと伝達する。一方、熱回収ポンプ９の駆動により熱回収配管７を流して熱交換器４へ水が送り込まれると、その熱交換器４で熱交換が行われ湯に変えられる。従って、燃料電池本体３で発生した熱は、こうして湯となって貯湯槽５へ回収される。そして、この湯が家庭などでそのまま使用される他、燃料電池システムを起動させる際に燃料電池本体３を昇温させるための熱源として使用される。

一方、燃料改質器１で生成された改質ガスは、都市ガスやメタノールやガソリンなどの発電原料に水を添加し改質した水素に富んだガスであり、飽和水蒸気を含んだ状態で燃料電池本体３側へと送られる。従って、燃料改質器１からの改質ガスをそのまま燃料電池本体３へ送り込んだ場合、燃料電池本体３の方の温度が低いと、その飽和水蒸気が凝縮して電解質膜を過剰に濡らしてしまいフラッディングを引き起こす原因となる。そのため、凝縮器２によって燃料改質器１からの改質ガスについて、その水分を落とすとともに温度を下げて燃料電池本体３へと供給するようにしている。

ところで、運転中の燃料電池本体３は発熱して温度が高い状態にあるが、システム起動時にはその燃料電池本体３自身の温度が低い状態にある。そのため、フラッディングを回避するために凝縮器２を通して改質ガス中の余剰水分を落としても、システム起動時にはそれだけでは十分でないので燃料電池本体３を昇温しなければならない。そこで、貯湯槽５を備える本実施形態の燃料電池システムでは、燃料電池本体３の温度を上げるのに必要な熱量が貯湯槽５から燃料電池本体３へ伝達される。

本実施形態の燃料電池システムは、このシステム全体を制御するコントローラ１０を有し、その記憶装置には、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つように改質ガスと燃料電池本体との温度を制御する温度制御プログラムが格納されている。
そして、この燃料電池システムには、凝縮器２を出て燃料電池本体３へと入力される改質ガスの温度を測定する第１温度センサ１１及び、燃料電池本体３の温度を冷却配管６を流れる冷却水の温度から測定する第２温度センサ１２が設けられている。

そこで、先ずシステム起動時の温度制御について説明する。図２は、システム起動時の温度制御について示したフローチャートである。
システム起動時には、燃料電池本体３の温度が低く、第２温度センサ１２によって計測される冷却水温度も正規温度未満になっている。そこで、スタート信号が発信されると、起動ステップ数ｎが０に書き換えられ（Ｓ１０１）、その後１８工程の起動ステップが確認される（Ｓ１０２）。なお、この燃料電池システムにおける１８工程の起動ステップは、例えば起動ステップ０が「改質暖気モード」、起動ステップ１は「改質ガスを電池本体に導入して最低発電量で発電」、起動ステップ２は「起動ステップ１の発電量に５０Ｗプラスして発電」であり、更に起動ステップ３〜１７は「前起動ステップの発電量に５０Ｗプラスして発電」する。そして、最終工程の起動ステップ１８が「定格電力で発電」となっている。

本実施形態におけるシステム起動時の温度制御では、この起動ステップ１〜１８までの運転において特にフラッディング防止のため、燃料電池本体３の温度を冷却水温度で監視しながら昇温させるようにする。すなわち、飽和水蒸気を含んだ状態で燃料電池本体３へ供給される改質ガス中の水量（入力水量）と、燃料電池本体３内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて燃料電池本体３から排出される改質ガス中の水量（出力水量）とを比較し、両水量が等しいか出力水量の方が多くなるように燃料電池本体３の温度を昇温させるように制御する。これは、燃料電池本体３にその電池温度よりも低い飽和水蒸気を含む水素ガスが供給されると、電池内部でのフラッディングによる電池性能が低下することを防止するためである。

図２のフローチャートに戻って、起動ステップ数ｎが１８に達していない場合には（Ｓ１０２：ＮＯ）、次の起動ステップ数ｎ＋１を実行する凝縮器２から燃料電池本体３へ供給される改質ガス中の入力水量Ｗ１が算出される（Ｓ１０３）。
そこで、入力水量Ｗ１に対応する水のｍｏｌ数を求めるには、燃料改質器１へは水蒸気を混合した都市ガスが投入され改質ガスが生成されるため、先ずメタン、水およびエアの投入量から生成された改質ガスの気体ｍｏｌ数を算出する。

ところで、凝縮器２から燃料電池本体３へ流れる改質ガスの温度が第１温度センサ１１によって測定されている。更に、コントローラ１０には「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を表すマップデータが格納されている。従って、第１温度センサ１１によって測定された温度Ｔ１の下で、燃料電池本体３へ入力する改質ガス中にどの程度の水のｍｏｌ数が含まれているかは、その測定温度Ｔ１を基に「温度−飽和水蒸気圧力の関数」から算出される。こうして入力水量Ｗ１が水のｍｏｌ数に換算される。

そして、入力水量Ｗ１の算出の後は、次の起動ステップ数ｎ＋１において燃料電池本体３から排出される改質ガス中の出力水量Ｗ２が算出される（Ｓ１０４）。この燃料電池本体３から排出される改質ガス中の出力水量Ｗ２のｍｏｌ数を求めるには、先ずＳ１０３で求めた改質ガス中の気体ｍｏｌ数から、燃料電池本体３内で出力電流に比例して消費される水素ｍｏｌ数を差し引いた気体ｍｏｌ数が算出される。また、燃料電池本体３の温度は、冷却配管６を流れる冷却水の温度に置き換えられ、第２温度センサ１２によって測定されている。そこで、先に求めた水素ｍｏｌ数を差し引いた気体ｍｏｌ数から、燃料電池本体３の測定温度Ｔ２を基に「温度−飽和水蒸気圧力の関数」から水のｍｏｌ数が算出される。よって、燃料電池本体３内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて燃料電池本体３から排出される改質ガス中の出力水量Ｗ２が水のｍｏｌ数に換算される。

そして、求められた入力水量Ｗ１と出力水量Ｗ２（いずれも水のｍｏｌ数として算出）の大小が比較される（Ｓ１０５）。そこで、入力水量Ｗ１の値が出力水量Ｗ２の値より大きい場合には（Ｓ１０５：ＮＯ）、冷却配管６内を循環する冷却水を加熱して燃料電池本体３を昇温させる（Ｓ１０６）。それには、冷却水ポンプ８と熱回収ポンプ９を駆動させることで貯湯槽５の湯を熱回収配管７内で循環させ、更に熱交換器４を介して冷却配管６を循環する冷却水に熱を伝達して燃料電池本体３を昇温させる。また、この他にも冷却配管６に不図示のヒータを備え、そのヒータによって冷却水を加熱して燃料電池本体３を昇温させるようにしてもよい。

こうして燃料電池本体３に対する昇温動作を開始した後は、再び入力水量Ｗ１と出力水量Ｗ２が算出され（Ｓ１０７）、その大小が比較される（Ｓ１０５）。そして、依然として入力水量Ｗ１の値が出力水量Ｗ２の値より大きい場合には（Ｓ１０５：ＮＯ）、燃料電池本体３を昇温動作が継続され（Ｓ１０６）、Ｓ１０５〜Ｓ１０７が繰り返される。その一方、昇温効果によって入力水量Ｗ１の値が出力水量Ｗ２の値と同等かそれ以下になった場合には（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、冷却水ポンプ８と熱回収ポンプ９の駆動を停止させるなどして燃料電池本体３の昇温動作を停止させる（Ｓ１０６）。また、それとともに起動ステップを１工程だけステップアップさせて起動ステップ数をｎ＝ｎ＋１する。これにより、燃料電池システムの運転は次の起動ステップに移る。

そして、起動ステップ数ｎの確認が行われ、起動ステップ数ｎが依然として１８に達していない場合には（Ｓ１０２：ＮＯ）、前述したようにフラッディング防止のための温度制御（Ｓ１０３〜Ｓ１０８）が繰り返し行われる。その後、燃料電池システムの運転が起動ステップ１８になるまで温度制御が繰り返され、起動ステップ数ｎが１８に達したところで（Ｓ１０２：ＹＥＳ）システム起動時の温度制御が終了する。そして、燃料電池システムでは起動ステップ１８の定格電力の発電が行われる。
よって、本実施形態では、システム起動時には温度の低い燃料電池本体３を昇温させ、出力水量Ｗ２が入力水量Ｗ１以上となるようにして燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つことができるようになり、フラッディングの防止が可能となった。

次に、こうした定常発電時の温度制御について説明する。図３は、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つように改質ガスと燃料電池本体との温度を制御する定常発電時の温度制御について示したフローチャートである。
定常発電時は、システム起動時とは異なり燃料電池本体３の温度が発電によって既に上がっている。そのため、第２温度センサ１２によって計測される冷却水温度も正規温度に達している。従って、本実施形態における定常発電時の温度制御では、燃料電池本体３へ供給される改質ガスの温度を監視し、フラッディングを防止する一方で電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大も防止する。

定常発電時の温度制御では、飽和蒸気の状態で燃料電池本体３へ供給される改質ガス中の水量（入力水量）Ｗ１と、燃料電池本体３内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて燃料電池本体３から排出される改質ガス中の水量（出力水量）Ｗ２とを比較し、両水量が等しくなるように凝縮器２によって改質ガス中の余剰水分を回収するとともに、その改質ガスの温度を下げるるようにする。こうした凝縮器２による改質ガスの温度制御すなわち凝縮器２の凝縮能力は、そこを流れる冷媒の流量調整によって行われる。そして、冷媒の流量調整は、図１に示すように流量調節弁１３が設けられ、その弁開度がコントローラ１０によって制御されるよう構成されいる。なお、冷媒の流量調整は冷媒用ポンプの回転数制御によって行ってもよい。

そこで、定常発電時の温度制御では、スタート信号が発信されると、システム起動時と同じように、凝縮器２から燃料電池本体３へ供給される改質ガス中の入力水量Ｗ１が算出される（Ｓ２０１）。ここでも改質ガス中の入力水量Ｗ１及び後述の出力水量Ｗ２を直接算出して比較を行うことはせず、飽和水蒸気を含む改質ガス中の水のｍｏｌ数に換算して比較を行う。
入力水量Ｗ１に対応する水のｍｏｌ数を求めるには、燃料改質器１へは水蒸気を混合した都市ガスが投入され改質ガスが生成されるため、先ずメタン、水およびエアの投入量から生成された改質ガスの気体ｍｏｌ数が算出される。

また、凝縮器２から燃料電池本体３へ流れる改質ガスの温度が第１温度センサ１１によって測定されている。更に、コントローラ１０には「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を表すマップデータが格納されている。従って、第１温度センサ１１によって測定された温度Ｔ１の下で、燃料電池本体３へ入力する改質ガス中にどれほどの水のｍｏｌ数が含まれているかは、その測定温度Ｔ１を基に「温度−飽和水蒸気圧力の関数」から算出される。こうして入力水量Ｗ１が水のｍｏｌ数に換算される。

そして、入力水量Ｗ１の算出の後は、燃料電池本体３から排出される改質ガス中の出力水量Ｗ２が算出される（Ｓ２０２）。この燃料電池本体３から排出される改質ガス中の出力水量Ｗ２のｍｏｌ数は、Ｓ２０１で求めた改質ガス中の気体ｍｏｌ数から、燃料電池本体３内で出力電流に比例して消費される水素ｍｏｌ数を差し引いた気体ｍｏｌ数が算出される。また、燃料電池本体３の温度は、冷却配管６を流れる冷却水の温度に置き換えられ、第２温度センサ１２によって測定されている。そこで、先に求めた水素ｍｏｌ数を差し引いた気体ｍｏｌ数から、燃料電池本体３の測定温度Ｔ２を基に「温度−飽和水蒸気圧力の関数」から水のｍｏｌ数が算出される。よって、燃料電池本体３内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて燃料電池本体３から排出される改質ガス中の出力水量Ｗ２が水のｍｏｌ数に換算される。

そして、求められた入力水量Ｗ１と出力水量Ｗ２（いずれも水のｍｏｌ数として算出）の大小が比較される（Ｓ２０３）。そこで、入力水量Ｗ１の値が出力水量Ｗ２の値より大きい場合には（Ｓ２０３：ＮＯ）、流量調節弁１３の弁開度を大きくして凝縮器２へ流れる冷媒の流量を増加させる（Ｓ２０４）。これにより、凝縮器２を通る改質ガスは冷媒によって熱が奪われるとともに、飽和水蒸気が凝縮されて余剰水分が落とされる。よって、燃料電池本体３へ供給される改質ガスは、温度とともに水分量が低下して入力水量Ｗ１が出力水量２とを等しくなる方向へ調節される。そのため、電解質膜を過剰に濡らしてフラッディングを引き起こすようなことはない。

一方、入力水量Ｗ１の値が出力水量Ｗ２の値より小さい場合には（Ｓ２０３：ＹＥＳ）、流量調節弁１３の弁開度を小さくして凝縮器２へ流れる冷媒の流量を減少させる。これにより、凝縮器２を通る改質ガスの温度低下が抑えられ、飽和水蒸気が凝縮することによって落とされる水分量も減少する。これにより、燃料電池本体３へ供給される改質ガスは、温度とともに水分量の低下が抑えられて入力水量Ｗ１と出力水量２とが等しくなるように調節される。そのため、入力水量Ｗ１の値が出力水量２より小さい場合には電解質膜の水分が奪われて乾燥するおそれがあるが、入力水量Ｗ１と出力水量Ｗ２とを等しくする方向に制御することで、燃料電池本体３から排出される改質ガス中の出力水量Ｗ２を抑えて電解質膜の乾燥による電気抵抗の増大を防止する。

その後、燃料電池システムの停止信号を確認し（Ｓ２０６）、システム停止の場合（Ｓ２０６：ＹＥＳ）には定常発電時の温度制御が終了する。その一方、定常発電が継続される場合には（Ｓ２０６：ＮＯ）、再び入力水量Ｗ１と出力水量Ｗ２とが算出され（Ｓ２０１／Ｓ２０２）、そうして算出された両水量の比較結果から（Ｓ２０３）流量調節弁１３の弁開度調節により凝縮器２へ流れる冷媒の流量が調節される（Ｓ２０４／Ｓ２０５）。よって、本実施形態では、こうした制御の繰り返しにより、定常発電時には入力水量Ｗ１と出力水量Ｗ２とが等しくなるようにしている。そのため、燃料電池本体の電解質膜を良好な濡れ状態に保つことができるようになり、フラッディングや電気抵抗の増大を防止することが可能になった。

以上、本発明に係る燃料電池システムの制御方法についてその一実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では、定常発電時に改質ガスの温度を制御する方法として冷媒の流量を調節するようにしたが、例えば凝縮器３の冷媒入口側にラジエータを設置し、冷媒温度を調節して改質ガスの温度制御を行うようにしても良い。

本発明の制御方法を実行する燃料電池システムを示したブロック図である。 システム起動時の温度制御について示したフローチャートである。 定常発電時の温度制御について示したフローチャートである。

符号の説明

１ 燃料改質器
２ 凝縮器
３ 燃料電池本体
４ 熱交換器
５ 貯湯槽
６ 冷却配管
７ 熱回収配管
８ 冷却水ポンプ
９ 熱回収ポンプ
１０ コントローラ
１１ 第１温度センサ
１２ 第２温度センサ
１３ 流量調節弁

Claims (10)

1. 反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池本体と、
   該燃料電池本体に前記反応ガスを供給する手段と、
   前記反応ガスの温度を検出する手段と、
   燃料電池本体の温度を検出する手段と、
   前記反応ガス温度または／かつ燃料電池本体の温度を制御する温度制御手段とを備え、
   前記温度制御手段によって前記反応ガスと前記燃料電池本体との温度差を制御することで燃料電池本体内の電解質膜の湿潤状態を調整することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池本体を昇温させる昇温装置と、
   該昇温装置を制御するコントロータと、が設けられ、
   起動時には、前記燃料電池本体に供給される反応ガス中の入力水量を算出し、かつ前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量を算出し、前記入力水量が前記出力水量より多い場合には前記昇温装置を駆動させて前記燃料電池本体を昇温させることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池本体に供給される前記反応ガスの温度を測定する第１温度センサが設けられ、前記反応ガスは水蒸気飽和状態で供給され、
   前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、
   前記入力水量は、前記反応ガスの乾燥ガス量と、前記第１温度センサの測定温度と、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」とから算出するものであることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池本体の温度を測定する第２温度センサが設けられ、前記反応ガスは水蒸気飽和状態で供給され、
   前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、
   前記出力水量は、前記反応ガスから前記燃料電池本体内で消費される水素または酸素を差し引いた乾燥ガス量と、前記第２温度センサの測定温度と、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」とから算出するものであることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   水蒸気を混合した原料から改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、その改質ガスから余剰水分を回収する凝縮器とが設けられ、
   この改質ガスを前記燃料ガスとして使用し、
   さらに、前記燃料電池本体に入力される改質ガスの温度を測定する第１温度センサと、前記燃料電池本体の温度を測定する第２温度センサとを有し、
   前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、起動時には、前記第１温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量を算出し、また前記第２温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量を算出し、その入力水量が出力水量より多い場合には前記昇温装置を駆動させて燃料電池本体を昇温させるようにしたものであることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   水蒸気を混合した原料から改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質器と、その改質ガスから余剰水分を回収する凝縮器とが設けられ、
   この改質ガスを前記燃料ガスとして使用し、
   さらに、前記燃料電池本体に入力される改質ガスの温度を測定する第１温度センサと、前記燃料電池本体の温度を測定する第２温度センサとを有し、
   前記コントローラは、「温度−飽和水蒸気圧力の関数」を保有し、定常発電時には、前記第１温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量を算出し、また前記第２温度センサの測定温度と当該データとから燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量を算出し、その入力水量が出力水量より多い場合には前記凝縮器の凝縮能力を上げ、入力水量が出力水量より少ない場合には前記凝縮器の凝縮能力をさげるようにしたものであることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項２乃至請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記昇温装置は、前記燃料電池本体と冷却水ポンプによって冷却水を循環させる冷却配管を介して連結された熱交換器と、その熱交換器と熱回収ポンプによって水や湯を送り込む熱回収配管を介して連結された貯湯槽とを有するものであることを特徴とする燃料電池システム。
8. 水蒸気を混合した原料から燃料改質器の改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成し、凝縮器に通して水分を回収したその改質ガスを燃料電池本体へ供給して発電を行う燃料電池システムの制御方法において、
   起動時には、前記凝縮器を通って燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量と、燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量とを比較し、入力水量が出力水量より多い場合に前記燃料電池本体を昇温させるようにしたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
9. 水蒸気を混合した原料から燃料改質器の改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成し、凝縮器に通して水分を回収したその改質ガスを燃料電池本体へ供給して発電を行う燃料電池システムの制御方法において、
   定常発電時には、前記凝縮器を通って燃料電池本体へ供給される改質ガス中の入力水量と、燃料電池本体内で改質ガスから水素が消費されるその消費量に応じて前記燃料電池本体から排出される反応ガス中の出力水量とを比較し、入力水量が出力水量より多い場合には前記凝縮器の凝縮能力を上げ、入力水量が出力水量より少ない場合には前記凝縮器の凝縮能力をさげるようにしたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
10. 請求項８又は請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    凝縮器から燃料電池本体へ入力する改質ガスの温度と燃料電池本体の温度とを測定し、その測定温度と、予め保有する「温度−飽和水蒸気圧力の関数」とから、前記入力水量と出力水量とを算出して比較するようにしたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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