JP2006147178A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の転極を防止して、燃料電池の劣化を抑制することを課題とする。
【解決手段】 燃料ガス置換運転を含む燃料電池システムの起動時に、燃料電池３から排出された未使用の水素を水素循環路８を介して燃料電池３の入口に循環させる水素循環ポンプ９の運転中、燃料電池３の電圧が転極を起こす可能性のある転極電圧未満に低下した場合には、水素循環ポンプ９の運転を停止して構成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に水素を効率よく供給して転極を防止する燃料電池システムに関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献１に記載された技術では、燃料電池のアノード電極に水素ガス濃度検出手段を設け、この検出手段で検出された水素ガス濃度が所定の濃度に維持されるように、水素供給源から燃料電池に供給される水素の供給量を制御することで、燃料電池での水素不足による転極を防止していた。

また、他の文献（特許文献２参照）に記載された技術では、燃料電池の電圧を検出する手段を設け、燃料電池本体の起動停止時においても、燃料電池本体の起電力が燃料電池本体内部で転極を生じない程度の電圧と燃料電池本体の炭素材料の腐食を生じない程度の電圧との範囲内に維持されるように負荷装置を制御することで電圧の低下を防止し、転極を防止していた。
特開平０５−２５１１０２号公報 特公平０７−６３０２０（特開昭５９−１４９６６８）号公報

上記文献１に記載された発明では、燃料電池のアノード極に水素濃度検出手段を設け、水素濃度が所定の値に維持されるように水素供給量を制御することで転極を防止していたが、燃料電池システムの停止時に溜まった凝縮水でアノード極の水素流路が制限され（狭められ）、水素流量が減少しても水素濃度は、前記所定の値を維持するおそれがあった。このため、燃料電池で転極を起こし、燃料電池を劣化させるという問題があった。

一方、上記文献２に記載された発明では、システムの起動時に燃料電池の電圧が所定の値まで低下すると、燃料電池から負荷装置で取り出す電流を減らすように制御することで転極を防止していた。しかし、システムの起動中（特に水素置換運転中）の電圧低下の原因としては、燃料電池への水素供給量の不足が考えられる。

このような状況では、システム起動時の転極は防止できるが、発電開始時に水素流路の水素置換が不充分な状態、つまり空気と水素が混在する状態で、発電が開始されるおそれがあった。このような状態で発電を開始すると、燃料電池の構成材料、例えば炭素材料の腐食が加速され、燃料電池が劣化するという問題があった。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、転極を防止して、燃料電池の劣化を抑制した燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の燃料ガス出口から排出された未使用の燃料ガスが、前記燃料電池の燃料ガス入口に循環する循環路と、前記循環路に設けられ、前記循環路を介して前記燃料電池の燃料ガス出口から燃料ガス入口に燃料ガスを循環させる循環手段と、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、燃料ガス置換運転を含む前記システムの起動時に、前記循環手段の運転中、前記電圧検出手段で検出された前記燃料電池の電圧が転極を起こす可能性のある予め所定の値に設定された転極電圧未満に低下した場合に、前記循環手段の運転を停止する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の電圧が転極電圧未満に低下した場合に、燃料ガスの循環を停止することで、システム停止状態での凝縮水による燃料ガス流路の閉塞を防止し、かつ循環路中の酸化剤ガスの燃料電池への供給を低減することができる。これにより、燃料電池へ燃料ガスのみを効率良く供給することが可能となり、燃料ガス供給量を増加することなく水素不足による転極を防止することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、空気供給装置１、空気圧縮装置２、燃料電池３、圧力調整手段４、水素供給装置５、流量調整手段６、圧力調整手段７、水素循環路８、水素循環ポンプ９、電圧センサ１０ならびに制御装置１１を備えて構成されている。

空気供給装置１から供給された空気は、空気圧縮装置２で圧縮後、燃料電池３へ供給され、圧力調整手段４を経て外部へ排出される。

水素供給装置５から供給された水素は、流量調整手段６を経た後に燃料電池３へ供給され、一部の水素は圧力調整手段７を経て排出される。排出されない一部の水素は、燃料電池３の下流水素流路から分岐した水素循環路８を経て燃料電池３の上流水素流路に供給される。水素循環路８には、水素を循環させるための水素循環ポンプ９が設けられている。 燃料電池３の電圧は、電圧センサ１０で測定される。電圧センサ１０で検出された電圧の測定値は、制御信号線を経て制御装置１１へ入力される。空気流路に設けられた空気圧縮装置２、圧力調整手段４、水素流路に設けられた流量調整手段６、圧力調整手段７、水素循環ポンプ９は、制御装置１１から出力される制御信号に基づいて制御される。

制御装置１１は、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。制御装置１１は、電圧センサ１０を含む本システムにおける各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、空気圧縮装置２、圧力調整手段４、流量調整手段６、圧力調整手段７ならびに水素循環ポンプ９を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する水素循環ポンプ９の運転動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。

次に、図２のフローチャートを参照して、この実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池３の電圧が転極電圧に達した際に制御装置１１により実行される、燃料電池３への水素供給開始から所定の時間以内に転極電圧に達した場合の制御について説明する。

図２において、先ず処理を開始して（ステップＳ１００）、水素供給装置５から燃料電池３に水素の供給を開始し、燃料電池システムの起動運転を開始する（ステップＳ１０１）。続いて、水素循環ポンプ９の運転を開始すると（ステップＳ１０２）、燃料電池３の電圧が上昇し（ステップＳ１０３）、その後燃料電池３から電流の取り出しを開始する（ステップＳ１０４）。

このような状態において、燃料電池３の電圧が、燃料電池３が転極を起こす可能性のある予め所定の値に設定された転極電圧、例えば２０Ｖ程度未満に低下すると（ステップＳ１０５）、制御装置１１により水素循環ポンプ９の運転を停止する（ステップＳ１０６）。その後、電圧センサ１０から制御装置１１へ検出信号を入力し、電圧センサ１０で検出された燃料電池３の電圧が、転極電圧（例えば２０Ｖ程度）であるか否かを判別する（ステップＳ１０７）。判別の結果、転極電圧である場合には、水素循環ポンプ９の運転を再開する（ステップＳ１０８）。

その後、水素循環ポンプ９の回転数が、予め設定された所定の回転数Ａ、例えば１００ｒｐｍ程度まで上昇したか否かを判別する（ステップＳ１０９）。判別の結果、水素循環ポンプ９の回転数が所定の回転数Ａまで上昇した場合には、燃料電池３の電圧上昇に応じて、水素循環ポンプ９の回転数を例えば１０ｒｐｍ／Ｖ程度の上昇率で上げる制御を開始する（ステップＳ１１０）。

そして、燃料電池３の電圧が上昇すると（ステップＳ１１１）、これに伴って水素循環ポンプ９の回転数を上げる（ステップＳ１１２）。その後、予め設定された所定の回転数Ｂ（＞回転数Ａ）、例えば２０００ｒｐｍ程度まで上昇したか否かを判別する（ステップＳ１１３）。判別の結果、水素循環ポンプ９の回転数が所定の回転数Ｂまで上昇した場合には、水素循環ポンプ９の運転制御を終了する（ステップＳ１１４）。

このような構成の燃料電池システムにおいて、長時間静置後、例えば２４時間後に起動する場合に、静置中に溜まった凝縮水により水素流路が制限される（狭められる）。このような水素流路が制限された状態では、燃料電池３への水素供給量は減少する。このような凝縮水で水素流路が制限された状態において、システムの起動中に水素循環ポンプ９を運転すると、停止中に水素循環路８に入ってくる空気も燃料電池３へ供給される。このため、燃料電池３へ供給される反応ガスは水素と空気が混在する状態になり、さらに燃料電池３への供給水素量が減少する。

また、水素供給装置５から水素が供給され、かつ水素循環ポンプ９により水素循環路８から水素と空気の混在ガスが供給されるような燃料電池３へ供給される反応ガスの流量が多い状態では、凝縮水が押し込まれるため、さらに水素流路が制限されることになる。このように、システムの起動時、特に水素置換運転時に燃料電池３のアノード極へ供給される水素が不足することで燃料電池３の単セルあたりの電圧が０Ｖ以下、つまり転極が生じた場合には、燃料電池３の構成材料である炭素材料が電気分解し、燃料電池３に大きな損傷を与えることが知られている。

そこで、図３に示すように、システムの起動中、特に水素置換運転中に電圧センサ１０の測定値が、転極が発生する可能性のある電圧、例えば２０Ｖ未満に低下すると、水素循環ポンプ９の運転を停止する。これにより、アノード極へ供給されるガスを、ほぼ水素のみの状態にし、かつアノード極への空気の流れ込み及び水素流路の凝縮水の押し込みを防止し、水素不足による転極の発生を防止する。

ここで、転極が発生する可能性のある電圧は、燃料電池３を構成する単セルのセル枚数と単セルにおいて転極が起こる可能性のある電圧との積から算出される。例えばセル枚数が１００枚、単セルにおいて転極が起こる可能性のある電圧を０．２Ｖとすると、転極電圧は、１００×０．２＝２０Ｖとなる。

その後、図４に示すように、電圧センサ１０の測定値が転極電圧に達すると、水素循環ポンプ９の運転を再開する。水素循環ポンプ９の運転を再開した時、水素循環ポンプ９の回転数を所定の最低回転数Ａ、例えば１００ｒｐｍ程度で運転することで、アノード極への急激な空気の流れ込み及び凝縮水の押し込みを防止し、水素不足により燃料電池３の電圧が再度転極電圧未満に低下することを防止する。

その後、燃料電池３の電圧の上昇に伴い水素循環ポンプ９の回転数を例えば１０ｒｐｍ／Ｖ程度の上昇率で上げて、徐々にアノード極へ流入する反応ガス（水素及び空気）の流量を増やしていけるため、急激な凝縮水による水素流路の閉塞、及びアノード極への多量の空気の流入を防止することができる。

さらに、この実施例１の燃料電池システムにおいては、図５に示すように、システムの起動時に水素供給開始から、予め設定された所定の時間Ｔ１、例えば４０秒程度が経過した後に燃料電池３の電圧が転極電圧未満に低下すると、水素循環ポンプ９の運転を停止せず、水素供給装置５からの水素供給量を増加させる。これにより、転極を防止し、起動時間を延ばすことなく水素流路を充分に水素置換することが可能となる。

ここで、所定の時間Ｔ１は、予め設定した総起動時間Ｔ、例えば１００秒程度から、水素循環路の容積と水素循環ポンプ９の最低吐出量とに基づいて算出される水素循環路を水素に置換するのに最低限必要な時間Ｔ２、例えば２０秒程度を差し引いて求められる（Ｔ（例えば１００秒）−Ｔ２（例えば２０秒程度）＝Ｔ１（例えば８０秒程度）。したがって、水素供給開始から、８０秒程度経過後以降に燃料電池３の電圧が転極未満に達すると、水素供給量を増加する。

以上説明したように、この実施例１においては、燃料電池３の電圧が転極電圧未満に低下すると水素循環ポンプ９を停止することで、停止中に溜まった凝縮水による水素流路の閉塞を防止し、かつ停止中に排気口から入る水素循環路８中の空気の燃料電池３への供給を低減することができる。これにより、燃料電池３へ水素のみを効率良く供給することができ、水素供給装置５からの水素供給量を増加することなく水素不足による転極を防止することができる。

転極電圧を単セルで転極が起こる可能性がある電圧とセル枚数との積とに基づいて決めることで、必要以上に高い電圧で水素循環ポンプ９を停止させないため、頻繁に水素循環ポンプ９を停止させることによる発電前の水素置換不足を防止することができる。

また、転極の起こる可能性の高い電圧、例えば０Ｖ程度の低い電圧で水素循環ポンプ９を停止させることによる転極の発生を防止することができる。これにより、発電時に水素置換不足による劣化を起こすことなく、かつ起動中に転極の発生する可能性を低くした状態で水素循環ポンプ９を停止することができる。

転極が起こらない程度の水素供給量を確保した状態で、水素循環ポンプ９の運転を所定の最低回転数Ａで再開するので、凝縮水による水素流路の閉塞及び水素循環路８中の空気を燃料電池３へ多量供給することを防止でき、転極の発生を防止することができる。

燃料電池３の電圧の上昇と共に水素循環ポンプ９の回転数を所定の回転数Ｂまで上げていくことで、徐々に燃料電池３のアノード極へ流入する反応ガスの流量を増やすことが可能となる。これにより、急激な凝縮水等による水素流路の閉塞及び燃料電池３のアノード極へ多量の空気流入を防止することができ、転極の再発を防止することができる。

水素供給開始から所定の時間Ｔ１が経過後の転極時にのみ、水素供給装置５からの水素供給量を増やすことで、転極発生の度に水素供給装置５からの水素供給量を増やことはなくなり、燃費低下を防止することができる。また、水素供給開始から所定の時間Ｔ１が経過後の転極では、水素供給装置５からの水素供給量を増やすため、短時間で水素不足を解消することができるので、起動時間が長くなることを防止することができる。

総起動時間Ｔにおいて、水素流路を水素置換するのに最低限必要な時間Ｔ２を確保することができるので、発電時の水素流路の水素置換不足による燃料電池３の劣化を防止することができる。

水素循環路８を水素に置換するのに最低限必要な時間Ｔ２を水素循環ポンプ９の最低吐出流量に基づいて算出することで、水素循環路８を水素に置換するのに最も長い時間を水素循環路を水素に置換するのに最低限必要な時間とすることができる。これにより、発電開始時の水素置換不足による燃料電池３の劣化を防止することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る水素循環ポンプの運転制御の手順を示すフローチャートである。 水素循環ポンプのオン／オフと転極電圧との関係を示す図である。 転極電圧を検出した後の水素循環ポンプの回転数の変化を示す図である。 水素循環路を水素に置換するのに最低必要な時間を説明するための図である。

符号の説明

１…空気供給装置
２…空気圧縮装置
３…燃料電池
４…圧力調整手段
５…水素供給装置
６…流量調整手段
７…圧力調整手段
８…水素循環路
９…水素循環ポンプ
１０…電圧センサ
１１…制御装置

Claims (7)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の燃料ガス出口から排出された未使用の燃料ガスが、前記燃料電池の燃料ガス入口に循環する循環路と、
   前記循環路に設けられ、前記循環路を介して前記燃料電池の燃料ガス出口から燃料ガス入口に燃料ガスを循環させる循環手段と、
   前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出手段と、
   燃料ガス置換運転を含む前記システムの起動時に、前記循環手段の運転中、前記電圧検出手段で検出された前記燃料電池の電圧が転極を起こす可能性のある予め所定の値に設定された転極電圧未満に低下した場合に、前記循環手段の運転を停止する制御手段と
   を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記転極電圧は、前記燃料電池を構成する単セルのセル枚数と、前記単セルにおいて転極を起こす可能性のある予め設定された所定の電圧との積に基づいて算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記循環手段はポンプで構成され、
   前記制御手段は、前記ポンプの運転が停止された後、前記燃料電池の電圧が転極電圧に達すると運転を再開し、前記ポンプを予め設定された第１の回転数に制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記燃料電池の電圧の上昇にともなって前記ポンプの回転数を前記第１の回転数から予め設定された第２の回転数まで上げる
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記燃料電池に燃料ガスの供給を開始した後、予め設定された第１の時間が経過後、前記燃料電池の電圧が前記転極電圧未満に低下した場合には、燃料ガスの供給量を予め設定された所定値まで増加させる
   ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１の時間は、予め設定された前記システムの総起動時間から、前記循環路を燃料ガスに置換するために最低限必要な第２の時間を差し引いた時間として設定される
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２の時間は、前記循環路の容積と前記循環手段における燃料ガスの最低吐出流量とに基づいて算出する
   ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

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