JP2006222041A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。
【解決手段】加湿器４により水素を加湿した後に燃料電池スタック１に供給する水素供給ライン５と、水素供給ライン５に対し並列に設けられ、加湿器４よりも熱容量が小さい加湿器６に水素を循環させることにより水素を加湿する水素供給ライン７を備え、システム起動時、ＥＣＵ１９が、水素供給ライン５，７への水素の供給を開始すると共に、燃料電池スタック１に対する発電要求量が所定値以上になるのに応じて、水素供給ライン７内で加湿された水素を燃料電池スタック１に供給する。これにより、水素供給ライン７内で水素の加湿に必要な時間を稼ぎ、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に供給する反応ガスを加湿器により加湿する燃料電池システムに関する。

一般に、燃料極及び酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池では、発電過程で生成される水素イオンが固体電解質膜中を移動可能にするために、燃料極に供給する水素の湿度を所定値以上に制御する必要がある。このような背景から、従来の燃料電池システムでは、加湿器によって水素を加湿した後に水素を燃料極に供給するようにしている（例えば、特許文献１，２，３，４を参照）。
特開２００４−１０３３６７号公報 特開２００４−１４６１８６号公報 特開２００３−３０８８６０号公報 特開２００１−１５１４０号公報

しかしながら、一般に、システム起動時には、加湿器の温度が一定温度以上になるまでに時間を要するために、加湿器の加湿能力は低下している。このため、システム起動直後に高出力を要求された場合、燃料極に供給する水素の湿度を速やかに所定値以上に制御することができないために、高出力要求に対する応答性が悪くなる。なお、このような問題を解決するために、燃料電池の発電電力を利用して加湿器の温度を一定温度以上まで昇温する方法も考えられるが、外気温が低い場合には、燃料電池の発電能力も低下するために、加湿器の温度を昇温させることは困難になる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路の少なくとも一方に設けられ、第１の加湿器により反応ガスを加湿した後に燃料電池に供給する第１のガス供給路と、第１のガス供給路に対し並列に設けられ、第２の加湿器に反応ガスを循環させることにより反応ガスを加湿する第２のガス供給路と、システム起動時、第１及び第２のガス供給路への反応ガスの供給を開始すると共に、燃料電池が所定運転状態になるのに応じて、第２のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給する制御部とを備える。

本発明に係る燃料電池システムによれば、第２のガス供給路内で水素の加湿に必要な時間を稼ぐことができるので、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、図１に示すように、燃料極と酸化剤極により固体電解質膜を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１を備える。なお、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔化１〕
〔燃料極〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔酸化剤極〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
また、上記燃料電池システムの水素供給経路は、水素（Ｈ_２）を貯蔵する水素タンク２と、水素タンク２内の水素を三方弁８，９を介して燃料電池スタック１に供給する水素供給ライン３と、水素タンク２内の水素を三方弁８，三方弁１４，加湿器４（加湿器Ａ），三方弁１５，及び三方弁９を介して燃料電池スタック１に供給する水素供給ライン５と、水素タンク２内の水素を三方弁８，加湿器６（加湿器Ｂ），及び三方弁９を介して燃料電池スタック１に供給する水素供給ライン７とを備える。

また、上記水素供給経路は、水素供給ライン３を開閉する開閉弁１０と、水素供給ライン７を開閉する開閉弁１１と、水素供給ライン７からの水素の排出量を制御する開閉弁１２とを備える。また、水素供給ライン７は加湿器６から排出された水素を再び加湿器６に循環させるブロアー１３を備える。なお、ブロアー１３は、システム停止時に実施する水素系内のＡｉｒパージのための補機として利用してもよい。

なお、上記加湿器４の加湿方式は、加湿水を備えたバブラー方式やスチームインジェクション方式，湿度が上がった排ガス中の水分を気液分離して再利用する方式等、どのような加湿方式であっても構わない。また、上記加湿器６は、加湿器４と比較して熱容量が小さい、又は、加湿器４の加湿方式とは異なる加湿方式にすることにより加湿器４と比較して少ない電力で加湿可能なように構成されている。

また、上記燃料電池システムの制御系は、加湿器４の運転温度を検出する温度センサ１６と、加湿器６の運転温度を検出する温度センサ１７と、燃料電池スタック１の運転温度を検出する温度センサ１８と、燃料電池システム全体の動作を制御するＥＣＵ１９とを備える。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、ＥＣＵ１９が以下に示す起動処理を実行することにより、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。以下、図２に示すフローチャートを参照して、起動処理を実行する際のＥＣＵ１９の動作について説明する。

〔起動処理〕
図２に示すフローチャートは、燃料電池システムが起動されるのに応じて開始となり、起動処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、ＥＣＵ１９が、開閉弁１０，１１，１２を開制御することにより、水素タンク２内の水素が水素供給ライン３（第１ガス供給ライン）と水素供給ライン７（第３ガス供給ライン）に優先的に流れるように水素の流路を制御し、燃料電池スタック１に水素を供給する。なお、加湿器４及び加湿器６は、システム起動と同時、又は、燃料電池スタック１へのガス供給の開始と同時に水素の加湿を開始する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、起動処理はステップＳ２及びステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、ＥＣＵ１９が、水素供給ライン７内の残留ガスが水素により置換されたか否かを判別する。なお、この判別処理は、水素供給ライン７に水素センサを配設することにより行うことができるし、水素供給流量と供給時間によるガス置換の関係を予め把握することによりセンサの配置無しで判別することも可能である。そして、判別の結果、置換が完了していない場合、ＥＣＵ１９は起動処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、置換が完了した場合には、ＥＣＵ１９は起動処理をステップＳ３の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、ＥＣＵ１９が、開閉弁１２を閉制御することにより水素供給ライン７からの水素供給を停止するのと同時に、ブロアー１３を駆動させることにより、水素供給ライン７内部で水素を循環させ、加湿器６によって水素の湿度を所定値以上にする。なお、水素供給ライン７内で水素を循環させる際、加湿された水素が配管部で冷却，凝縮することを防ぐために、水素の循環長は可能な限り短くすることが望ましい。また、配管径を大きくすることにより、放熱を抑え、且つ、熱容量を増加させることが望ましい。

また、一般に、燃料電池の発電性能は、図３に示すように、加湿量によって異なるが、開放端電圧（電流値０付近の電圧）からある電圧範囲までは加湿量に大きく依存しない。従って、ＥＣＵ１９は、開放端電圧からある電圧範囲までの範囲をアイドル設定範囲として設定し、システム起動直後の発電要求がこのアイドル設定範囲を超えるものである場合、開閉弁１２を開制御することにより、加湿器６によって加湿された水素を燃料電池スタック１に供給する。このような処理によれば、水素供給ライン７内を循環することによって十分に加湿された水素を燃料電池スタック１に供給し、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。また、発電性能に影響を及ぼさない不必要な加湿ガスを供給することを防止できる。これにより、このステップＳ３の処理は完了する。

ステップＳ４の処理では、ＥＣＵ１９が、温度センサ１６の検出結果を参照して、加湿器４の運転温度Ｔが所定温度Ｔ１以上になったか否かを判別する。そして、判別の結果、加湿器４の温度Ｔが所定温度Ｔ１以上でない場合、ＥＣＵ１９は、加湿器４の加湿能力は不足していると判断し、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、加湿器４の温度Ｔが所定温度Ｔ１以上である場合には、ＥＣＵ１９は、加湿器４の加湿能力は十分であると判断し、起動処理をステップＳ５の処理に進める。

ステップＳ５の処理では、ＥＣＵ１９が、開閉弁１０を閉制御することにより水素供給ライン３への水素供給を停止し、水素供給ライン５を介して水素を燃料電池スタック１に供給するように水素の流路を制御する。また、ＥＣＵ１９は、ブロアー１３の駆動を停止することにより、水素供給ライン７内部での水素循環を停止する。これにより、このステップＳ５の処理は完了し、起動処理は通常の制御処理に移行する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、加湿器４により水素を加湿した後に燃料電池スタック１に供給する水素供給ライン５と、水素供給ライン５に対し並列に設けられ、加湿器４よりも熱容量が小さい加湿器６に水素を循環させることにより水素を加湿する水素供給ライン７を備え、ＥＣＵ１９は、システム起動時、水素供給ライン５，７への水素の供給を開始すると共に、燃料電池スタック１に対する発電要求量が所定値以上になるのに応じて、水素供給ライン７内で加湿された水素を燃料電池スタック１に供給する。そして、このような構成によれば、水素供給ライン７内で水素の加湿に必要な時間を稼ぐことができるので、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させることができる。

なお、水素供給ライン７内において、加湿器６は、定格運転時に必要な加湿量まで水素を加湿することが望ましい。これにより、システム起動直後に定格運転を要求された場合であっても、固体電解質膜のドライアウトを引き起こすことなく、発電を行うことができる。また、ＥＣＵ２１は、燃料電池システムのアイドル状態が所定時間継続した時点、又は、燃料電池スタック１の開放端電圧を確認した時点において、水素供給ライン７内で水素を循環させることが望ましい。これにより、燃料電池の発電不良や破損が起きている場合に水素の循環を行い、電力が無駄に消費されることを防止できる。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図４に示すように、第１の実施形態となる燃料電池システムにおける加湿器６が加湿器２１（加湿器Ｃ）に置き換わった構成となっている。そこで、以下では、図５，６を参照して加湿器２１の構成についてのみ説明し、その他の構成要素の説明は省略する。上記加湿器２１は、図５（ａ），（ｂ）に示すように、２つの加湿器２０ａ，２０ｂにより構成され、加湿器２０ｂは、加湿器２０ａと比較して熱容量を小さくすることにより、加湿器２０ａと比較して少ない電力で加湿可能なように構成されている。なお、上記加湿器２０ａは、上記第１の実施形態となる燃料電池システムにおける加湿器６と同じ機能を有する。

また、図５（ａ）に示す加湿器は、加湿器の一部が独立して機能する構成となっており、水素は加湿器２０ａの内部を通ることなく加湿器２０ｂによって加湿可能なように構成されている。一方、図５（ｂ）に示す加湿器では、加湿器２０ａ，２０ｂがそれぞれ独立して配置され、加湿器２０ａ，２０ｂそれぞれに水素を供給可能なように構成されている。そして、加湿器２０ａ，２０ｂに供給する水素の流量は、図６に示すように三方弁１４，１５，２１，２２を制御することにより、制御可能なように構成されている。そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、ＥＣＵ１９が以下に示す起動処理を実行することにより、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。

〔起動処理〕
一般に、システム起動時に、燃料電池スタックの運転温度が氷点下温度である場合、燃料電池の発電効率だけでなく、別途取り付けられた二次電池による発電効果も十分に発揮することができない。このため、この起動処理では、ＥＣＵ１９は、加湿器２０ａよりも少ない電力で水素を加湿可能な加湿器２０ｂにより水素を加湿することにより、システム起動直後の高出力要求に対する応答性を向上させる。なお、実際、燃料電池スタック１は、システム起動後、水素供給ライン３から水素が供給されることによって発電を開始するので、加湿器２０ｂは燃料電池スタック１の発電電力を利用して加湿を開始することが望ましい。また、加湿器２０ｂから加湿器２０ａへの切り換え、及び加湿器２０ａから加湿器４への切り換えは、燃料電池スタック１の運転温度に応じて行うことが望ましく、例えば、燃料電池スタック１の運転温度が０℃以上になるのに応じて使用する加湿器を加湿器２０ｂから加湿器２０ａに切り換え、燃料電池スタック１の運転温度が所定温度Ｔ１以上になるのに応じて使用する加湿器を２０ａから加湿器４に切り換えることが望ましい。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、上記実施形態では、水素供給経路内に加湿器を設け、水素を加湿して燃料電池に供給する構成としたが、空気供給経路系内に同様の加湿器を設け、空気を加湿して燃料電池に供給するようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態となる起動処理の流れを示すフローチャート図である。 水素の加湿量の変化に応じた燃料電池の電流電圧特性の変化を示す図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図４に示す加湿器Ｃの内部構成を示す図である。 図５に示す二つの加湿器の接続関係を示す図である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
３，５，７：水素ガス供給ライン
４，６，２０，２０ａ，２０ｂ：加湿器
８，９，１４，１５：三方弁
１０，１１，１２：開閉弁
１６，１７，１８：温度センサ
１９：ＥＣＵ

Claims (6)

1. 燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路の少なくとも一方に設けられ、第１の加湿器により反応ガスを加湿した後に燃料電池に供給する第１のガス供給路と、
   前記第１のガス供給路に対し並列に設けられ、第２の加湿器に反応ガスを循環させることにより反応ガスを加湿する第２のガス供給路と、
   システム起動時、前記第１及び第２のガス供給路への反応ガスの供給を開始すると共に、燃料電池が所定運転状態になるのに応じて、前記第２のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給する制御部と
   を備え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であって、
   前記制御部は、燃料電池に対する発電要求量が所定値以上になるのに応じて、前記第２のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記反応ガスは前記第２のガス供給路内において燃料電池の定格運転時に必要な加湿量まで加湿されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、燃料電池システムのアイドル状態が所定時間継続した時点、又は、燃料電池の開放端電圧を確認した時点において、前記第２のガス供給路に反応ガスを供給することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記第１及び第２のガス供給路に対し並列に設けられ、前記第１及び第２の加湿器よりも熱容量が小さい第３の加湿器に反応ガスを循環させることにより反応ガスを加湿する第３のガス供給路を備え、
   前記制御部は、システム起動時、前記第１、第２、及び第３のガス供給路への反応ガスの供給を開始すると共に、燃料電池の温度が氷点下温度であるか否かを判別し、燃料電池の温度が氷点下温度である場合、燃料電池が所定運転状態になるのに応じて前記第３のガス供給路内で加湿された反応ガスを燃料電池に供給すること
   を特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記第２の加湿器の熱容量は、前記第１の加湿器の熱容量より小さいことを特徴とする燃料電池システム。

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