JP2006331671A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】不純物ガスや液水を系外に排出することなくアノード側で運転に必要な水素分圧を確保する。
【解決手段】コントローラ１７が、電圧センサ１４，１５を利用してアノード１ａ側及びカソード１ｂ側の圧力を検出し、検出結果に応じてカソード１ｂ側の窒素分圧とアノード１ａ側の水蒸気分圧の和以上の圧力になるようにアノード１ａ側の圧力をカソード１ｂ側の圧力よりも大きくする。これにより、不純物ガスや液水を系外に排出することなくアノード１ａ側で運転に必要な水素分圧を確保し、システム構成の簡素化及び高効率化を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アノード及びカソードにそれぞれ水素リッチな燃料ガス及び酸素を含む酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池を有する燃料電池システムに関する。

アノードから排出された水素をアノードに循環させる水素循環流路を備える燃料電池システムでは（例えば特許文献１を参照）、カソード側からリークした空気中の窒素やアルゴン等の不純物ガス、或いは過剰な水分が液化した液水が水素循環流路中に蓄積することがある。そして、これらの不純物ガスは、水素の分圧を低下させて発電効率を低下させたり、循環ガスの平均分子量を上昇させ水素の循環を困難にする。また液水は水素の循環を妨げる。このような背景から、従来の燃料電池システムでは、アノードの出口側に水素排出流路とこれを開閉するパージ弁が設けられている。そして、不純物ガスや液水が蓄積した際には、パージ弁を短時間開き、不純物ガスや液水を希釈又は燃焼した後に系外へ排出することにより、アノード側で運転に必要な水素分圧を確保する。
特開２００４−１７９１００号公報

しかしながら、不純物ガスや液水を系外に排出することによりアノード側で運転に必要な水素分圧を確保する場合、上述の通り、不純物や液水を希釈又は燃焼するための装置やパージ弁が必要になるために、システム構成が複雑になる。また、不純物ガスや液水と共に水素も系外に排出されてしまうために、燃料電池システム全体の効率が低下する。

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、不純物ガスや液水を系外に排出することなくアノード側で運転に必要な水素分圧を確保す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、カソード側の窒素分圧とアノード側の水蒸気分圧の和以上の圧力になるようにアノード側の圧力を設定する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、アノード側及びカソード側の窒素分圧が反応面全体としては平衡する状態でアノード側に発電に必要な水素分圧を確保するので、不純物ガスや液水を系外に排出することなくアノード側で運転に必要な水素分圧を確保し、システム構成の簡素化及び高効率化を実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成及びその動作について説明する。

〔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、アノード１ａ及びカソード１ｂにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池１を備える。なお、この実施形態では、燃料電池１は、アノード１ａとカソード１ｂにより固体電解質膜を挟持する固体電解質型燃料電池により構成されている。また、アノード１ａ及びカソード１ｂにおける電気化学反応及び燃料電池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。

〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、高圧水素タンク２と水素調圧弁３を備え、水素調圧弁３によって高圧水素タンク２内に蓄えられている高圧水素を減圧した後、水素供給流路４を介して燃料電池１のアノード１ａに水素を供給する。アノード１ａで未使用の水素は、水素循環流路５及び水素循環ポンプ６を介してアノード１ａの上流側へ循環される。水素循環流路５及び水素循環ポンプ６を設けることにより、アノード１ａで未使用の水素を再利用することが可能となり、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。なお、この燃料電池システムでは、水素循環流路５は、水素を系外に排出する流路を備えない、又は、バルブ等の開閉装置により閉塞されている。

上記水素循環流路５には、過剰な水分が液化することにより生成された液水やシステム停止時に温度低下に伴って発生する液水を貯留する水タンク７が設けられ、水タンク７内に蓄えられた液水は配管８を介して水素供給流路４と水素循環流路５の合流点より上流側に設けられた霧吹き装置９に供給される。霧吹き装置９は、水素調圧弁３から排出される水素の圧力を利用して水タンク７から供給された液水を霧状にして噴出する。

従来の燃料電池システムでは、システム停止後に温度が低下すると、水素循環流路５内に液水が発生することにより、フラッディングが生じたり、液水が燃料電池１内部で凍結して燃料電池１内部の水素流路が詰まったりして、燃料電池１が発電できない状態になることがある。しかしながら、この燃料電池システムによれば、上述の通り、液水を水タンク７内部に貯留し、水素を加湿するために霧吹き装置９によって水タンク７内部の液水を噴霧状にして燃料電池１に供給するため、系外に液水を排出することなく液水を処理し、フラッディングや水詰まりの発生を防止できる。

〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、空気供給流路１０を介して空気供給装置１１内に蓄えられた空気を燃料電池１のカソード１ｂに供給する。カソード１ｂで未使用の空気は、空気調圧弁１２により圧力調整された後、空気排出流路１３を介して系外に排出される。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、アノード１ａ入口側の圧力を検出する圧力センサ１４と、カソード１ｂ入口側の圧力を検出する圧力センサ１５と、燃料電池１の発電電圧を検出する電圧センサ１６と、図示しない冷却水の入口温度又は出口温度を検出し、実験的に求められた入口温度又は出口温度とアノード循環ガス温度の関係から推定されたアノード側温度と、これらセンサの検出結果に基づいて燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ１７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、コントローラ１７が、以下に示す圧力制御処理を実行することにより、不純物ガスや液水を系外に排出することなくアノード１ａ側で運転に必要な水素分圧を確保する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、圧力制御処理を実行する際のコントローラ１７の動作について説明する。

〔圧力制御処理〕
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、圧力制御処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この圧力制御処理は、燃料電池システム起動後、所定制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ１の処理では、コントローラ１７が、電圧センサ１６を利用して燃料電池１の出力電圧（以下、セル電圧と表記）を検出し、セル電圧が所定電圧以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、セル電圧が所定電圧以下でない場合、コントローラ１７は圧力制御処理を終了する。一方、セル電圧が所定電圧以下である場合には、コントローラ１７は圧力制御処理をステップＳ２の処理に進める。なお、上記所定電圧とは、測定装置や固体電解質膜の湿潤度等のばらつき幅を実験的に確認し、運転温度毎のセル電圧に基づいて設定される許容電圧値である。

ステップＳ２の処理では、コントローラ１７が、圧力センサ１４，１５を利用してアノード１ａとカソード１ｂの差圧を算出し、アノード１ａ側の圧力を所定圧増加させても差圧が固体電解質膜の耐圧値以下になるか否かを判別する。そして、判別の結果、差圧が耐圧値以下にならない場合、コントローラ１７は、ステップＳ５の処理として圧力を変化させずに燃料電池１の出力を制限し、水素循環流量を変化させずに、燃料電池１内部における水素過剰率が発電に必要な値以上になる運転状態にする。

一方、差圧が耐圧値以下になる場合は、コントローラ１７は、アノード１ａとカソード１ｂにさらに差圧をつけることができると判断し、圧力制御処理をステップＳ３の処理に進める。なお、上記所定圧とは、コントローラ１７の制御周期，燃料電池システムに要求される出力応答性，固体電解質膜の窒素透過速度等をパラメータとした、アノード１ａ側のガス流路中の水素濃度が燃料電池１が発電できるレベルに維持される値であり、実験等によって予め求められる値である。

ステップＳ３の処理では、コントローラ１７が、水素調圧弁３の開度を調整することにより、カソード１ｂ側の圧力を維持した状態でアノード１ａ側の圧力を所定圧だけ上昇させる。なお、この時、カソード１ｂ側のガス流路下流側の圧損が小さく、カソード１ｂ側の圧力を低下できるのであれば、アノード１ａ側の圧力を維持した状態でカソード１ｂ側の圧力を所定圧下げるようにしてもよい。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、圧力制御処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、コントローラ１７が、アノード１ａ側の圧力を上昇させてから所定時間経過したか否かを判別する。そして、所定時間経過するのに応じて、コントローラ１７は圧力制御処理をステップＳ１の処理に戻す。なお、上記所定時間とは、アノード１ａ側の圧力を所定圧上昇させることによる窒素分圧の変化に伴って、水素循環ポンプ６によって発電に必要な水素循環率が確保され、これによりセル電圧が回復するまでの時間であり、水素循環ポンプ６のガス組成に対する流量特性変化や、固体電解質膜の窒素透過速度等の性能に基づいて設定される。

〔具体例〕
以下、上記圧力制御処理の具体例について説明する。

いまカソード１ｂ入口側の圧力が１３０［kPa-abs］である場合、空気中の窒素体積率は約７９［%］であることから、カソード１ｂ入口側の窒素分圧は１０２．７（＝１３０×０．７９）［kPa-abs］となる。一方、発電に必要な酸素流量の２倍の酸素流量がカソード１ｂに供給されているとすると、カソード１ｂの出口側では、酸素流量が半分になり、その分窒素濃度が増加するために、窒素体積率は８８．２［%］になる。また、発電に伴い燃料電池１が発生した水分によってカソード１ｂ出口側のガスが５０［℃］で飽和している場合、飽和蒸気の分圧は１２．３［kPa-abs］になる。また、カソード１ｂ側の流路圧損が１０［kPa-abs］であるとすると、カソード１ｂ側の全圧は１２０（＝１３０−１０）［kPa-abs］となる。従って、カソード１ｂ出口側の窒素分圧は約９５（＝（１２０−１２．３）×０．８８２）［kPa-abs］になる。

一方、この時、アノード１ａ側のガス流路がカソード１ｂ側のガス流路に対し平行であるとすると、アノード１ａ入口側の圧力及び流路圧損がそれぞれ３００［kPa-abs］及び１０［kPa-abs］であり、すなわち、アノード１ａ出口側の圧力２９０（＝３００−１０）［kPa-abs］であり、且つ、カソード１ｂ側とアノード１ａ側の窒素分圧が平衡状態である場合、アノード１ａの入口側及び出口側がそれぞれ４０［℃］及び５０［℃］で飽和している際のアノード１ａ入口側及び出口側の水素分圧はそれぞれ、１８９．９（＝３００−１０２．７（カソード１ｂの入口側と同じ窒素分圧）−７．４（４０［℃］における飽和蒸気圧））［kPa-abs］、及び１８２．７（＝２９０［kPa-abs］−９５（カソード１ｂの出口側と同じ窒素分圧）−１２．３（５０［℃］における飽和蒸気圧）［kPa-abs］）［kPa-abs］となり、燃料電池１は発電可能な状態になる。

従って、コントローラ１７は、圧力センサ１４の検出結果を参照して、アノード１ａ側の圧力がカソード１ｂ側の窒素分圧（１０２．７，９５）と飽和蒸気圧（７．４，１２．３）の和よりも大きくなるように、アノード１ｂ側の圧力をカソード１ｂ側の圧力よりも高くすることにより、アノード１ａとカソード１ｂ側の窒素分圧が平衡する状態で、アノード１ａ側に発電に必要な水素分圧を確保し、燃料電池１を発電可能な状態にする。このような構成によれば、カソード１ｂ側からアノード１ａ側に窒素が継続して流入することがなくなるので、水素循環流路５から系外に窒素を排出するためのパージを行う必要がなる。またこれにより、パージによって窒素と共に水素が排出されることを防ぐことができるので、系外に排出される水素を希釈するための装置も不要になる。

なお、本実施形態では、アノード側の圧力をカソード側の圧力よりも大きくなるように設定したが、カソード側の圧力をアノード側の圧力よりも大きくする場合も、アノード側の圧力がカソード側の窒素分圧とアノード側の水蒸気分圧の和以上の圧力になるようにする場合もある。

本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図３に示すように、水タンク７と霧吹き装置９が設けられていない点が上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成と異なる。そして、この燃料電池システムでは、図３に示すように、水素循環流路５の水素循環ポンプ６よりも下流側に水分微粒化装置２１が設けられており、この水分微粒化装置２１は、図４に示すように、流入ガスをガスの流入方向に正対する壁面２１ａに衝突させることにより流入ガス中に含まれる液水を噴霧状にし、液水が噴霧状になったガスを排出する。上述の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、霧吹き装置９が水素の圧力を利用して液水を噴霧状にするために、霧吹き装置９の上流側の圧力は運転圧よりも高くする必要性があった。これに対して、この第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、水分微粒化装置２１が流入ガスを壁面に衝突させることにより液水を噴霧状にするので、高圧水素タンク２から排出される水素の圧力が運転圧に対して高圧でなくても液水を噴霧状にし、フラッディングや水詰まりを防止することができる。

本発明の第３の実施形態となる燃料電池システムは、図５に示すように、上記第２の実施形態となる燃料電池システムにおける水分微粒化装置２１が水分気化装置３１に置き換えられた構成となっている。そして、水分気化装置３１は、図６に示すように、流入ガス中に含まれる液水を内部に設けられた加湿膜３２により吸水すると共に、システム運転時には内部を通過するガスに加湿膜３２中の水分を拡散させる。この燃料電池システムによれば、水素循環流路５を流れるガスが乾燥している場合、加湿膜３２中の水分をガス側に拡散させることによりガスを加湿することができるので、アノード１ａに流入するガスの湿度を高め、乾燥によって燃料電池１が劣化することを防止できる。

本発明の第４の実施形態となる燃料電池システムは、図７に示すように、上記第３の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、冷却水流路４１を介して燃料電池１に冷却水を供給する冷却水ポンプ４２と、燃料電池１から排出された冷却水を冷却する放熱装置４３とを備える。そして、この燃料電池システムでは、水分気化装置３１は、図８に示すように、内部を通過するガスと冷却水流路４１を流れる冷却水との間で熱交換することにより、内部を通過するガス中に含まれる液水を気化する。この燃料電池システムによれば、冷却水が吸熱した燃料電池１の排熱を利用して燃料電池１から排出されるガス中に含まれる液水を気化することができるので、燃料電池１の温度が高まった状態でガスを加湿し、アノード１ａに流入するガスの湿度を高め、乾燥によって燃料電池１が劣化することを防止できる。

本発明の第５の実施形態となる燃料電池システムは、図９に示すように、水素循環流路５，水素循環ポンプ６が設けられていない点が上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成と異なる。そして、この燃料電池システムでは、図９に示すように、アノード１ａの出口側に水タンク７が設けられ、水タンク７に貯留された液水は配管５１を介してアノード１ａの入口側に設けられた霧吹き装置９に送られる。この燃料電池システムによれば、水素循環流路５が設けられていないために、水素循環ポンプ６を設ける必要がなくなり、システムをより簡素化することができる。また、燃料電池１の内部では、窒素及び窒素以外の不活性ガスがアノード１ａ側とカソード１ｂ側とで平衡する分圧で存在するが、上述の通り、この状態であっても発電に必要な水素分圧は確保されているので、固体電解質膜の全ての反応面において水素が不足することはなく、燃料電池１は安定的に発電することができる。

本発明の第６の実施形態となる燃料電池システムは、図１０に示すように、上記第５の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、アノード１ａ入口側の水素を別のアノード１ａ入口に分流させる水素分流流路６１を備える。この燃料電池システムによれば、複数の入口からアノード１ａに水素を供給できるので、各入口における水素流量を小さくし、低湿度の水素を流入させた場合に固体電解質膜の水素流入口付近を乾燥しにくくすることができる。また、各入口における水素流量を小さくすることができるので、水素流入口から反応面に至る燃料電池１内部のガス流路を短くすることができる。

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、上記の実施形態において、コントローラ１７は、アノード１ａ側及びカソード１ｂ側の圧力の変化を学習し、学習結果に基づいて燃料電池システムの制御するようにしてもよい。このような構成によれば、経時変化に伴い圧力センサや固体電解質膜の窒素透過速度が変化した場合であっても、変化した状態に合わせてアノード１ａ側とカソード１ｂ側の窒素分圧の平衡を保ちながら運転を継続し、システムの信頼性を向上させることができる。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。 本発明の実施形態となる圧力制御処理の流れを示すフローチャート図である。 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３に示す水分微粒化装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第３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５に示す水分気化装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第４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７に示す水分気化装置の内部構成を示す断面図である。 本発明の第５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６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。

符号の説明

１：燃料電池
１ａ：アノード
１ｂ：カソード
２：高圧水素タンク
３：水素調圧弁
４：水素供給流路
５：水素循環流路
６：水素循環ポンプ
７：水タンク
８：配管
９：霧吹き装置
１０：空気供給流路
１１：空気供給装置
１２：空気調圧弁
１３：空気排出流路
１４，１５：圧力センサ
１６：電圧センサ
１７：コントローラ

Claims (11)

1. アノードとカソードにより電解質膜を挟持し、アノード及びカソードにそれぞれ水素リッチな燃料ガス及び酸素を含む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、
   前記アノード側の圧力を検出するアノード側圧力検出手段と、
   前記アノード側の温度を推定するアノード側温度推定手段と、
   前記カソード側の圧力を検出するカソード側圧力検出手段と、
   前記アノード側圧力検出手段、前記アノード側温度推定手段、及び前記カソード側圧力検出手段の検出結果に応じて、カソード側の窒素分圧とアノード側の水蒸気分圧の和以上の圧力になるようにアノード側の圧力を設定する圧力制御手段と
   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、
   前記圧力制御手段は、前記固体電解質膜の反応面の全ての箇所において、カソード側の窒素分圧とアノード側の水蒸気分圧の和以上の圧力になるようにアノード側の圧力を制御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、
   アノードから排出された燃料ガス中に含まれる液水を貯留する水貯留手段と、
   前記水貯留手段に貯留された液水を噴霧状にしてアノードに供給する微粒化手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記微粒化手段は、アノードに供給される燃料ガスの圧力を利用して液水を噴霧状にすることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記アノードから排出された燃料ガスをアノードに循環させる燃料ガス循環流路を備え、前記水貯留手段は、燃料ガス循環流路に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
6. 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、
   前記アノードから排出された燃料ガスをアノードに循環させる燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス循環流路に設けられ、燃料ガス循環流路を流れる燃料ガスを壁面に衝突させることにより、燃料ガス中に含まれる液水を噴霧状にする微粒化手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
7. 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、
   前記アノードから排出された燃料ガスをアノードに循環させる燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス循環流路に設けられ、システム停止時に燃料ガス中に含まれる液水を吸収すると共に、システム起動時に吸収された液水により燃料ガスを加湿する手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
8. 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、
   前記アノードから排出された燃料ガスをアノードに循環させる燃料ガス循環流路と、
   前記燃料ガス循環流路に設けられ、燃料電池の排熱を利用して燃料ガス中に含まれる液水を気化する気化手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１乃至請求項８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、
   前記アノードは複数の燃料ガス流入口を有することを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項１乃至請求項９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、
    前記圧力制御手段は、燃料電池の出力電圧が所定電圧以下である場合、アノード側の圧力とカソード側の圧力の差圧が大きくなるようにアノード側の圧力又はカソード側の圧力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
11. 請求項１乃至請求項１０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、
    前記圧力制御手段は、アノード側及びカソード側の圧力の変化を学習し、学習結果に基づいてアノード側及びカソード側の圧力を制御することを特徴とする燃料電池システム。

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