JP2006092856A

JP2006092856A - 燃料電池の流量制御装置

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Publication number: JP2006092856A
Application number: JP2004275397A
Authority: JP
Inventors: Fumio Ito; 文美男伊藤
Original assignee: Chino Corp
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: JP4724399B2

Abstract

【目的】所定の燃料ガスを供給して発電を行なう燃料電池発電システムに係り、発電しながら系全体を昇圧した際に発生する燃料電池のセル電圧低下を防止する燃料電池の流量制御装置を提供する。
【構成】燃料電池２により発電しながら系全体を昇圧する際、燃料供給部Ａに流入するガス流量の総量をＱ、燃料電池２に流入するガス流量をＱ₁、燃料供給部Ａの容積をα、排出部Ｂの容積をβ、発電に消費されるガス流量をＱ₂、昇圧時にＱ₁に加え増加分として燃料供給部Ａに流れ込む増加ガス流量をＱＡとしたときの演算式Ｑ＝Ｑ₁＋ＱＡ、ＱＡ＝（Ｑ₁−Ｑ₂）×α／（α＋β）による演算結果に基づいて燃料供給部Ａに供給されるガスの供給量を自動制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発電しながら系全体を昇圧した際に、燃料電池に供給するガス流量を制御して燃料電池の電圧低下を回避することができる燃料電池の流量制御装置に関するものである。

近年、化石燃料の大量消費に伴って発生する二酸化炭素（ＣＯ₂）により、地球的規模で大きな環境変化をもたらし、地球温暖化やエネルギー資源の減少などの環境問題・エネルギー問題が大きな問題となっている。このような問題に対し、発電効率が高く、且つ、環境を考慮した次世代の発電装置として燃料電池が注目されている。

燃料電池は、水素と酸素との電気化学反応により化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する新しい発電システムであり、以下の化学反応式の仕組みを応用して電気を発生させている。
（１）燃料電池の化学式Ｈ₂ ＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ＋電気
（２）燃料極Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
（３）空気極１／２Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ
まず、陰極（水素極）に水素（Ｈ₂）を送り込むと、水素は触媒の作用で水素イオン（Ｈ⁺）に変わり、電子（ｅ^-）を放出し、この電子（ｅ^-）が陽極（空気極）に向って外部の回路を流れる際に、直流電流が発生する（上記式（１）を参照）。そして、水素イオンは、電解質（イオンの電導物質）の中を移動して陽極に至り（上記式（２）を参照）、酸素と、外部回路を経由して届いた電子（ｅ^-）と結びつき、その結果副成物としての水（Ｈ₂Ｏ）が生成される（上記式（３）を参照）。このような原理を応用して構成された燃料電池は、高温での燃焼を伴わないため、窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の発生はほとんどない。また、温水、蒸気などの利用度の高い廃熱を程回収することが可能であるため、高い発電効率を得ることができる。

この種の燃料電池としては、例えば固体高分子型燃料電池 (ＰＥＦＣ) 、リン酸型燃料電池 (ＰＡＦＣ) 、溶融炭酸塩型燃料電池 (ＭＣＦＣ) 、固体酸化物型燃料電池 (ＳＯＦＣ) 、アルカリ型燃料電池 (ＡＦＣ) 、直接メタノール型燃料電池 (ＤＭＦＣ）などが知られている。そして、低温で作動し、エネルギー密度が高いことなどから一般的に用いられている固体高分子型燃料電池 (ＰＥＦＣ) における発電システム及びその制御方法としては、下記特許文献１に開示されたものがある。

図６に示すように、特許文献１に開示された燃料電池発電システムは、燃料ガス製造手段Ｂ１、燃料電池１０９、燃料電池系Ｂ２、電気系Ｂ３、緩衝タンク系Ｂ４で構成される。燃料ガス製造手段Ｂ１は、水蒸気改質器燃料用ポンプ１０１で燃料タンク（図示省略）から供給される燃料を、水蒸気改質器用水ポンプ１０２で水を燃料気化器１０３に送って気化させ、改質反応器１０４に導入する。燃料電池系Ｂ２は、一対の電極および両電極間に位置するプロトン導電性の電解質を有するセルを積層してなる燃料電池１０９、該燃料電池１０９に導入する燃料ガスを加湿するための燃料極加湿用水ポンプ１１４および燃料極用加湿器１１５、燃料電池１０９に導入する空気用の燃料電池空気極用ブロワ１１０、該ブロワ１１０から供給される空気を加湿する空気極加湿用水ポンプ１１２および空気極用加湿器１１３で構成され、燃料ガスの供給を受けて直流発電を行う。電気系Ｂ３は、燃料電池１０９の直流出力を交流に変換する燃料電池系用インバータ１５１、該インバータの交流出力に接続される電気負荷１５２より構成される。緩衝タンク系Ｂ４は、燃料ガス製造手段Ｂ１と燃料電池系Ｂ２を結ぶ配管と並列に設置され、緩衝タンク１０８および緩衝タンク１０８へ燃料ガスを充填するための緩衝タンク充填用ブロワ１２６、緩衝タンク１０８の出入り口の流量を調節する緩衝タンク入口弁１１８、緩衝タンク出口弁１１９で構成され、直交変換を行い負荷に接続される電気系Ｂ３、及び、燃料ガス製造手段Ｂ１と燃料電池系Ｂ２との間に設置される。

この燃料電池発電システムは、小容量の緩衝タンクで負荷応答が可能になると共に、燃料ガス製造手段の動作圧力を高めることで燃料ガス製造手段のコンパクト化を図っている。また、燃料ガス製造手段の動作圧力と燃料電池に圧力差を設けることで、緩衝タンクに燃料を充填するためのブロワを省略でき、急激な負荷変動に応答可能となる。
特開２０００−３２３１５７号公報

ところで、上記特許文献１の燃料電池発電システムを含むこの種の燃料電池において、発電時に供給される燃料ガスは、燃料供給側の装置と排出側の装置の容積に分流される仕組みである。このため、発電中に系全体の昇圧を行なった場合、排出側にある背圧弁を制御することにより燃料供給側の装置の容積を増加させ、燃料電池へのガス流量が減少し、ガス欠乏によるセル電圧低下が発生していた。

図７は、燃料電池発電システムの背圧を昇圧させたときの燃料電池へのガス流量の変化を示したグラフである。図７に示すように、燃料電池システムにおける系全体の背圧を１００ｋＰａから２００ｋＰａまで昇圧した際、昇圧時は燃料電池に供給されるガス流量が減少していることがわかる。このため、発電中に系全体の昇圧させると、燃料電池に供給されるガス流量が不足し、燃料電池のセル電圧が低下するという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、発電しながら系全体を昇圧した場合でも燃料電池に供給されるガス流量を自動調節し、燃料電池へ安定したガス流量を供給制御することができる燃料電池の流量制御装置を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するために、請求項１記載の燃料電池の流量制御装置は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池の流量制御装置であって、
前記燃料電池の発電に必要なガスを供給する燃料供給部と、
前記燃料電池に供給されたガスのうち未反応のガスの背圧制御を行なう排出部と、
前記燃料供給部に流入するガス流量の総量をＱ、前記燃料電池に流入するガス流量をＱ₁、前記燃料供給部Ａの容積をα、前記排出部Ｂの容積をβ、発電に消費されるガス流量をＱ₂、昇圧時に前記ガス流量Ｑ₁に加え増加分として前記燃料供給部に流れ込む増加ガス流量をＱＡとしたときの演算式Ｑ＝Ｑ₁＋ＱＡ、ＱＡ＝（Ｑ₁−Ｑ₂）×α／（α＋β）による演算結果に基づいて前記燃料供給部に供給されるガスの供給量を自動制御する制御部と、を具備することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、発電しながら系全体を昇圧した昇圧状態の場合であっても、制御部が燃料電池に供給される最適なガス供給量を所定の演算式から演算し、この演算結果に基づいてガス供給量を制御するので、昇圧時に発生する燃料電池へのガス流量不足によるセル電圧低下を起こす恐れがなくなる。これにより、常に最適な状態で燃料電池の運転状態を保つことができ、燃料電池の発電効率をより向上させる効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係る燃料電池の流量制御装置における概略構成図、図２は図１における燃料電池の流量制御装置のガス利用率を説明する概念図、図３は本発明に係る燃料電池の流量制御装置におけるガス利用率が４０％時の状態を示すグラフ、図４は本発明に係る燃料電池の流量制御装置におけるガス利用率が５０％時の状態を示すグラフ、図５は本発明に係る燃料電池の流量制御装置におけるガス利用率が６０％時の状態を示すグラフである。

本例の燃料電池の流量制御装置は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜で形成されたセルを複数積層して構成したスタックを有し、燃料として例えば水素が供給される水素極と、酸化剤として例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えている固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に供給されるガス流量を自動調節し、発電中に昇圧する際に発生する燃料電池へのガス流量を定常状態と略同一に保持するためのものである。

なお、以下に説明する流量制御装置は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に採用された流量制御装置を例であるが、燃料ガスを供給する燃料電池を用いた発電システムであれば特に限定はされない。

図１において、本発明による燃料電池の流量制御装置１は、燃料電池２に水素を供給する水素供給部３と、燃料電池２に空気等の酸化剤を供給する酸化剤供給部４と、未反応の燃料と空気が排出される燃料電池２の排出口に接続された流量制御手段５と、燃料電池２が発電した直流を交流に変換して負荷に与える直流交流変換装置６と、制御部７とを有している。

水素供給部３は、例えばメタノールと水の混合液等からなる液体燃料を供給する手段であり、図示はしないが、液体燃料を蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸気発生部、蒸気発生部の暖気及び液体燃料の蒸発に利用される燃焼ガスを生成する燃焼部、燃料蒸気から水素リッチな改質燃料を生成する改質部、改質燃料中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去するＣＯ低減部、そして補助燃料供給部等も含む。

水素供給部３は、例えばメタノール等のアルコール系化合物や、メタン、エタン、ガソリン等の炭化水素系化合物等からなる燃料と水とを、所定の比率で混合した混合液等の液体燃料を蒸気発生部へ供給する。蒸気発生部は、内部に液体燃料を供給するための例えばノズル等を備えており、このノズルから噴霧された液体燃料は、燃焼部から供給された燃焼ガスの熱により蒸発させられる。

燃焼部は、例えば、燃料電池２の燃料極から排出された未反応水素を含む排出燃料と、空気極から排出された未反応酸素を含む排出酸化剤とを導入するためのノズルと、排出燃料及び排出酸化剤の燃焼状態を持続するための燃焼用触媒と、着火源である例えば電気ヒータとを備えている。

そして、排出燃料及び排出酸化剤の燃焼により生成された燃焼ガスを蒸気発生部へ供給する。さらに、燃焼部には補助燃料供給部が備えられており、この補助燃料供給部から供給される補助燃料を燃焼させることによって、燃焼部を暖機すると共に、蒸気発生部にて液体燃料の蒸発に利用される燃焼ガスを発生させる。

改質部は、例えば改質触媒を備えており、この改質触媒により燃料蒸気から水素の含有率が高められた（水素リッチな）改質燃料が生成される。例えば、メタノールと水の混合液からなる燃料蒸気の場合には、下記反応式（４）〜（６）によって、水素、二酸化炭素、一酸化炭素を含む改質燃料が生成される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂…（４）
ＣＨ₃ＯＨ＋１／２Ｏ₂→２Ｈ₂＋ＣＯ₂…（５）
ＣＨ₃ＯＨ→２Ｈ₂＋ＣＯ…（６）
反応式（４）は、メタノールと水による改質反応であり、燃料である水素が生成される。反応式（５）は、メタノールの酸化反応であり、吸熱反応である反応式（４）で必要とされる熱量を補給する。
なお、反応式（６）は、不可避的に発生するメタノールの分解反応であり、一酸化炭素が生成される。この一酸化炭素は、燃料電池２内に含まれる、例えばＰｔ触媒等を被毒して発電効率を低下させると共に、燃料電池２の寿命を短くするため、ＣＯ低減部にて除去する。

ＣＯ低減部は、例えばＰｔやＲｕ等からなる選択酸化触媒を備えており、下記反応式（７）によって、改質燃料に含まれている一酸化炭素を選択的に酸化して除去する。
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂…（７）
そして、一酸化炭素の含有量が低減された改質燃料は、燃料電池２の燃料極へ供給される。

酸化剤供給部４は、例えば図示しないエアーコンプレッサーを備えて構成され、制御部７からの制御信号に基づいて酸化剤としての酸素を含む空気等を加圧して、燃料電池２の空気極へ供給する。そして、燃料電池２では、改質燃料中の水素（燃料）と酸化剤（酸素）が電気化学反応を起こして発電が行われる。

流量制御手段５は、未反応の燃料と空気が排出される燃料電池２の排出口に接続されており、バルブ８によって構成される。このバルブ８は、電磁弁であり、制御部７からの制御信号によって開度が制御され、これによって燃料電池２から排出された未反応の水素ガス及び空気の圧力、すなわち燃料電池２の背圧を制御することができる。

制御部７は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ等のマイクロコンピューター等で構成されており、例えば電気自動車等の車両におけるアクセルペダルの操作等に基づく発電要求に応じて、排出燃料流量制御部７における排出燃料の流量を制御する。これに伴い、ガスの供給や未使用の燃料の排出制御をするとともに、流量制御装置１全体の駆動制御を行なう。また、制御部７は、燃料電池２により発電しながら系全体を昇圧した際に、燃料電池２に対する燃料供給部Ａと排出部Ｂにおける各容積と昇圧する圧力に応じて、最適なガス流量を燃料電池２に供給するように制御信号を燃料供給部Ａに出力している。

次に、図２を参照しながら、燃料電池２により発電しながら系全体を昇圧した際の燃料電池２のセル電圧低下を回避するために実行されるガスの流量調整について説明する。
上記構成の燃料電池の流量制御装置１は、燃料電池２を境として、水素ガスや空気等の燃料電池が発電を行なうために必要とされる物質を供給する上流側の燃料供給部Ａと、燃料供給部Ａから供給された燃料が発電に使用された後に未反応の燃料の排出を行なう下流側の排出部Ｂとからなり、制御部７において、定常状態と昇圧状態における最適なガス流量を自動制御している。

上記構成において、燃料供給部Ａに流入するガス流量の総量をＱ、燃料電池２に流入するガス流量をＱ₁、燃料供給部Ａの容積をα、排出部Ｂの容積をβとした場合、定常状態における燃料電池２に流入するガス流量Ｑ₁は、Ｑ₁＝Ｑとなる。また、昇圧状態におけるガス流量Ｑ₁は、Ｑ₁＝Ｑ×β／（α＋β）となる。
すなわち、仮に容積αと容積βの比率が５０％：５０％で、定常状態におけるガス流入量が１０Ｌ／ｍｉｎ仮定すると、昇圧状態におけるガス流入量は、上記式より２０Ｌ／ｍｉｎの流用が必要であると判る。つまり、図２に示すように、発電に消費されるガス流量をＱ₂とした場合、昇圧状態における燃料供給部Ａへの総ガス流量Ｑと、昇圧時にＱ₁に加え増加分として燃料供給部Ａに流れ込む流量を示す増加ガス流量ＱＡは、
Ｑ＝Ｑ₁＋ＱＡ…（ａ）
ＱＡ＝（Ｑ₁−Ｑ₂）×α／（α＋β）…（ｂ）
と表すことができる。

制御部７は、燃料電池２によって発電しながら系全体を昇圧したときに、予め記憶された上記式（ａ），（ｂ）を用いて、各部の容量α，βと定常状態におけるガス流量Ｑから昇圧時に必要なガス流量ＱＡを算出し、このガス流量ＱＡに定常状態のガス流量Ｑに加えた流量Ｑ＋ＱＡを燃料供給部Ａに供給する。これにより、定常状態時と同量のガスが燃料電池２に供給されるため、昇圧時に不足するガス流量が補え、燃料電池２のセル電圧低下を回避することができる。

以下に、上述した燃料電池２の流量制御装置１を用いて、昇圧時における燃料電池２へのガス流量を各利用率ごとに測定した実験例について図３〜５を参照しながら説明する。

まず、図３に示すように、供給されたガス流量Ｑの利用率（Ｑ₁に対するＱ₂の比率）が４０％のとき（Ｑ＝３．２５Ｌ／ｍｉｎ、Ｑ₁＝２．２、Ｑ₂＝０．８８）、１００ｋＰａから２００ｋＰａまで昇圧する昇圧実験の実験結果について説明する。

この実験例において、１００ｋＰａを維持している状態（定常状態）では、燃料供給部Ａに流入するガス流量は約２．０Ｌ／ｍｉｎである。そして、この状態から２００ｋＰａまで昇圧させたとき（非定常状態）に、上記式（ａ），（ｂ）を用いてガス流量を算出し、昇圧時のみＱ＝３．２５Ｌ／ｍｉｎまでガス流量を増加させ、昇圧した後は定常流量に戻した。
このようなガス流量制御を行なうことにより、１００ｋＰａから２００ｋＰａまで昇圧している１５５ｓｅｃの間は、燃料電池に流入するガス流量が減少することなく略一定に保たれるため、燃料電池のセル電圧定低下を起こすことなく昇圧することができた。

次に、図４に示すように、供給されたガス流量Ｑの利用率が５０％のとき（Ｑ＝３．３Ｌ／ｍｉｎ、Ｑ₁＝２．２、Ｑ₂＝１．１）、１００ｋＰａから２００ｋＰａまで昇圧する昇圧実験の実験結果について説明する。

この実験例において、１００ｋＰａを維持している状態（定常状態）では、燃料供給部Ａに流入するガス流量は約２．２Ｌ／ｍｉｎである。そして、この状態から２００ｋＰａまで昇圧させたとき（昇圧状態）に、上記式（ａ），（ｂ）を用いてガス流量を算出し、昇圧時のみＱ＝３．３Ｌ／ｍｉｎまでガス流量を増加させ、昇圧した後は定常流量に戻した。
このようなガス流量制御を行なうことにより、利用率４０％の場合と同様、１００ｋＰａから２００ｋＰａまで昇圧している１８２ｓｅｃの間は、燃料電池に流入するガス流量が減少することなく略一定に保たれるため、燃料電池のセル電圧低下を起こすことなく昇圧することができた。

次に、図５に示すように、供給されたガス流量Ｑの利用率が６０％のとき（Ｑ＝３．０８Ｌ／ｍｉｎ、Ｑ₁＝２．２、Ｑ₂＝１．３２）、１００ｋＰａから２００ｋＰａまで昇圧する昇圧実験の実験結果について説明する。

この実験例において、１００ｋＰａを維持している状態（定常状態）では、燃料供給部Ａに流入するガス流量は約２．２Ｌ／ｍｉｎである。そして、この状態から２００ｋＰａまで昇圧させたとき（昇圧状態）に、上記式（ａ），（ｂ）を用いてガス流量を算出し、昇圧時のみＱ＝３．０８Ｌ／ｍｉｎまでガス流量を増加させ、昇圧した後は定常流量に戻した。
このようなガス流量制御を行なうことにより、利用率４０％、５０％の場合と同様、１００ｋＰａから２００ｋＰａまで昇圧している２１９ｓｅｃの間は、燃料電池に流入するガス流量が減少することなく略一定に保たれるため、燃料電池のセル電圧低下を起こすことなく昇圧することができた。

このように、上述した燃料電池２の流量制御装置１は、制御部７において、燃料電池２により発電しながら系全体を昇圧する際、昇圧により増加する燃料供給部Ａへのガス流量を制御部７が演算式から演算し、この演算で得られた最適なガス流量を燃料供給部Ａに供給し、昇圧完了後は定常状態と同じガス流量に自動制御する。これにより、発電しながら系全体を昇圧した際に発生していたガス流量を十分に補うことができ、燃料電池２のセル電圧低下を防止することができるという効果を奏する。

ところで、上述した燃料電池の流量制御装置１は、制御部７においてガス流量を自動制御する構成としたが、これに限定されることはなく、例えばオペレータがタッチパネル等の入力手段を用いて予め演算によって求めた流量データを入力する構成とすることもできる。これにより、不測の事態が発生した場合であっても、最適なガス流量を任意に制御することが可能となる。

以上、本発明を用いて最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態，実施例及び運用技術等は、すべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明に係る燃料電池の流量制御装置における概略構成図である。図１における燃料電池の流量制御装置のガス利用率を説明する概念図である。本発明に係る燃料電池の流量制御装置におけるガス利用率が４０％時の状態を示すグラフである。本発明に係る燃料電池の流量制御装置におけるガス利用率が５０％時の状態を示すグラフである。本発明に係る燃料電池の流量制御装置におけるガス利用率が６０％時の状態を示すグラフである。従来の燃料電池発電システムのシステム構成図である。従来の燃料電池発電システムにおいて発電中に昇圧したときの状態例を示すグラフである。

符号の説明

１流量制御装置
２燃料電池
３水素供給部
４酸化剤供給部
５流量制御手段
６直流交流変換装置
７制御部
８バルブ

Claims

水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生する燃料電池に供給されるガスの流量を制御する燃料電池の流量制御装置であって、
前記燃料電池の発電に必要なガスを供給する燃料供給部と、
前記燃料電池に供給されたガスのうち未反応のガスの背圧制御を行なう排出部と、
前記燃料供給部に流入するガス流量の総量をＱ、前記燃料電池に流入するガス流量をＱ₁、前記燃料供給部Ａの容積をα、前記排出部Ｂの容積をβ、発電に消費されるガス流量をＱ₂、昇圧時に前記ガス流量Ｑ₁に加え増加分として前記燃料供給部に流れ込む増加ガス流量をＱＡとしたときの演算式Ｑ＝Ｑ₁＋ＱＡ、ＱＡ＝（Ｑ₁−Ｑ₂）×α／（α＋β）による演算結果に基づいて前記燃料供給部に供給されるガスの供給量を自動制御する制御部と、を具備することを特徴とする燃料電池の流量制御装置。