JP2007087779A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックの温度が低くても、好適に発電可能な燃料電池ステムを提供する。
【解決手段】 複数の単セルが積層して構成され反応ガスが供給されることで発電する発電部１１と、発電部１１の一端側で発電部１１と一体に構成された加湿部１２と、を具える燃料電池スタック１０と、通常運転時に、発電部１１、加湿部１２の順方向で冷却水を流通させて、発電部１１を冷却する冷却手段２０と、を備え、反応ガスが、加湿部１２、発電部１１の順で流通する燃料電池システム１において、燃料電池スタック１０の出力を検出するセル電圧モニタ４０と、冷却水の流通方向を、加湿部１２、発電部１１の順で流通する逆方向に切り替える切替手段３０と、セル電圧モニタ４０が検出するセル電圧に基づいて、切替手段３０を制御するコントローラ５０と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の出力に対応して、冷媒の流通方向を切り替える燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池として、図４に示すように、単セルが積層してなる発電部１１と、発電部１１の一端側に位置し、発電部１１に供給される反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）を加湿する加湿部１２とが一体構成されてなる燃料電池スタック１０が知られている。なお、発電部１１の一端側とは、単セルの積層方向における発電部１１の一方側である。そして、発電部１１の他端側は外気に接触している。

このような燃料電池スタック１０には、水素を含む燃料ガス（反応ガス）と、酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）が、積層方向において、加湿部１２、発電部１１の順に流通し、加湿部１２で加湿された燃料ガスおよび酸化剤ガスが発電部１１に供給される。
一方、発電により自己発熱する発電部１１を適宜に冷却するために、冷却水（冷媒）が、積層方向において、発電部１１、加湿部１２の順（この方向を順方向とする）で流通する。

そして、このように燃料電池スタック１０を流通する冷却水の制御として、燃料電池スタック１０の出力電流に基づいて、冷却水供給量を調整する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−２０３６５５号公報（段落番号００１９〜００２１、図１）

しかしながら、図５に示すように、定格時に対して、例えば起動時など燃料電池スタックの温度が低いときに、低温の冷却水が順方向で流通すると、発電部１１の他端側の温度がさらに低下してしまい、その結果として、発電部１１の燃料ガス流路１１ａおよび酸化剤ガス流路１１ｂが結露する場合があった。そして、このように結露すると、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が閉塞し、燃料電池スタック１０の出力が下がってしまう場合があった。

そこで、本発明は、前記問題を解決するため、燃料電池スタックの温度が低くても、好適に発電可能な燃料電池ステムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、請求項１に係る発明は、複数の単セルが積層して構成され反応ガスが供給されることで発電する発電部と、前記発電部の一端側で当該発電部と一体に構成された加湿部と、を具える燃料電池スタックと、通常運転時に、前記発電部、前記加湿部の順方向で冷媒を流通させて、前記発電部を冷却する冷却手段と、を備え、前記反応ガスが、前記加湿部、前記発電部の順で流通する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの出力を検出する出力検出手段と、前記冷媒の流通方向を、前記加湿部、前記発電部の順で流通する逆方向に切り替える切替手段と、前記出力検出手段が検出する前記燃料電池スタックの出力に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの温度が低く、出力検出手段により燃料電池スタックの出力の低下が検出され、発電部において結露が推定される場合、制御手段が切替手段を制御することにより、加湿部、発電部の逆方向で冷媒を流通させることができる。これにより、低温の冷媒が発電部の他端側に直接供給されることは防止され、その結果として、発電部の他端側の温度低下は防止される。そして、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路は結露しにくくなり、つまり、閉塞しにくくなり、発電部に燃料ガスおよび酸化剤ガスが良好に供給され、燃料電池スタックを好適に発電させることができる。

請求項２に係る発明は、前記出力検出手段は、前記単セルのセル電圧を検出し、前記制御手段は、前記発電部の他端側の単セルのセル電圧が基準セル電圧より低い場合に、前記切替手段により、冷媒の流通方向を逆方向に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、制御手段は、発電部の他端側の単セルのセル電圧が基準セル電圧より低い場合に、結露の虞があると推定して、切替手段により、冷媒の流通方向を逆方向に切り替えることができる。

請求項３に係る発明は、前記冷媒の流通方向を逆方向に切り替えた後、前記制御手段は、前記他端側の単セルのセル電圧が基準セル電圧以上となった場合に、前記切替手段により、冷媒の流通方向を順方向に戻すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、冷媒の流通方向を逆方向に切り替えた後、制御手段は、他端側の単セルのセル電圧が基準セル電圧以上となり、結露が解消したと推定される場合に、切替手段により、冷媒の流通方向を順方向に戻す。このように、冷媒の流通方向を通常の順方向に戻すことにより、発電部の過昇温を抑制することができる。

請求項４に係る発明は、前記冷却手段は、前記冷媒を送るポンプを備え、前記切替手段は、前記ポンプからの冷媒を前記加湿部側に送る第１ラインと、前記発電部から排出された冷媒を前記ポンプの取り込み側に戻す第２ラインと、前記各ラインにおける冷媒の流通を制御する制御弁と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、制御弁の開／閉を適宜に制御することにより、ポンプからの冷媒を第１ラインを介して加湿部側に送り込むと共に、発電部から排出された冷媒を第２ラインを介してポンプの吸込み側に戻すことにより、ポンプの回転方向を変更せずに、燃料電池スタックにおいて冷媒を逆方向に流通させることができる。

本発明によれば、燃料電池スタックの温度が低くても、好適に発電可能な燃料電池ステムを提供する。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０内において順方向で冷却水（冷媒）を流通させる冷却手段２０と、燃料電池スタック１０内における冷却水の流通方向を逆方向に切り替える切替手段３０と、単セルの出力電圧を検出するセル電圧モニタ４０（出力検出手段）と、システムを制御するコントローラ５０（制御手段）と、を主に備えている。
ここで、冷却水が、燃料電池スタック１０において、発電部１１、加湿部１２の順で流通する方向が、順方向である。これに対し、冷却水が、加湿部１２、発電部１１の順で流通する方向が、逆方向である。

燃料電池スタック１０は、発電部１１と加湿部１２とを主に備えている。加湿部１２は、後記する単セルの厚さ方向において、発電部１１の一端側（図１の右側）で、この発電部１１と一体に構成されており、発電部１１の一端側部分と、加湿部１２とは熱的に接続している。これにより、発電部１１の一端側部分は放熱しにくくなっている。一方、発電部１１の他端側（図１の左側）は開放端となっており、加湿部１２と接触している一端側に比べて放熱しやすくなっている。

発電部１１は、複数の単セルがその厚さ方向に積層されて構成されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、ＭＥＡを挟む一対のセパレータとを備えて構成されている。ＭＥＡは、一価の陽イオン交換膜である電解質膜と、これを挟むアノードおよびカソードとを備えて構成されている。セパレータには、燃料ガス流路１１ａと、酸化剤ガス流路１１ｂと、冷却水流路１１ｃとが形成されている。
燃料ガス流路１１ａには、水素を含む燃料ガスが流通し、各単セルのアノードに供給されるようになっている。酸化剤ガス流路１１ｂには、酸素を含む酸化剤ガスが流通し、各単セルのカソードに供給されるようになっている。冷却水流路１１ｃには、脱イオン交換水などの冷却水が流通し、発電により自己発熱する発電部が適宜に冷却されるようになっている。

加湿部１２は、例えば、特開平９−７６２１号公報、特開２００１−２３６６２号公報などに記載されるように、水分の透過性を有する水分交換膜を、一対のプレートで挟持してなる加湿ユニットを備えている。

加湿ユニットについて、簡単に説明する。
水分交換膜の一面側のプレートには、燃料ガスが流通する溝状の燃料ガス流路１２ａと、酸化剤ガスが流通する溝状の酸化剤ガス流路１２ｂとが別々に形成されている。なお、燃料ガス流路１２ａは発電部１１の燃料ガス流路１１ａと連通しており、酸化剤ガス流路１２ｂは発電部１１の酸化剤ガス流路と連通している。

一方、水分交換膜の他面側のプレートには、冷却水が流通する溝状の冷却水流路１２ｃが形成されている。この冷却水流路１２ｃは、発電部１１の冷却水流路１１ｃと連通している。

そして、燃料ガス源（図示しない）からの燃料ガスが、加湿部１２の燃料ガス流路１２ａ、発電部１１の燃料ガス流路１１ａの順で流通するようになっている。燃料ガス源としては、例えば、灯油、ＬＰＧ等を水蒸気改質することで水素を発生させる水素発生ユニット等を挙げることができる。これにより、燃料電池システム１の運転時、加湿部１２には、改質によって生成した水素が適温に調整されて送り込まれるようになっている。
一方、酸化剤ガス源（図示しない）からの酸化剤ガスが、加湿部１２の酸化剤ガス流路１２ｂ、発電部１１の酸化剤ガス流路１１ｂの順で流通するようになっている。酸化剤ガス源としては、例えば、酸素を含む外気を取り込んで、酸化剤ガスとして送るコンプレッサ等を挙げることができる。

また、燃料電池システム１の通常運転時には、三方弁３１、３２が順方向モードで制御され、冷却水が、発電部１１の冷却水流路１１ｃ、加湿部１２の冷却水流路１２ｃの順方向で流通するようになっている（矢印Ａ１参照）。
一方、三方弁３１、３２が逆方向モードで制御されると、冷却水が、加湿部１２の冷却水流路１２ｃ、発電部１１の冷却水流路１１ｃの逆方向で流通するようになっている（矢印Ａ２参照）。
そして、水分交換膜を介して、冷却水から酸化剤ガス、又は燃料ガスへ熱及び水分を付与することで、温度及び湿度が交換されるようになっている。

冷却手段２０は、冷却水を送るためのポンプ２１（例えばプランジャポンプ）と、冷却水を貯溜するタンク２２と、を主に備えている。そして、ポンプ２１が、コントローラ５０からの作動指令に従って作動すると、冷却水が、ポンプ２１、配管２１ａ、冷却水流路１１ｃ、冷却水流路１２ｃ、配管２２ａ、タンク２２、配管２２ｂ、ポンプ２１を順に経由して循環するようになっている。

切替手段３０は、コントローラ５０により制御される三方弁３１、３２（制御弁）と、配管３３、３４とを主に備えている。三方弁３１は、ポンプ２１と冷却水流路１１ｃとを接続する配管２１ａ上に設けられている。三方弁３２は、冷却水流路１２ｃとタンク２２とを接続する配管２２ａ上に設けられている。配管３３（第１ライン）は、三方弁３１と、三方弁３２と冷却水流路１２ｃとの間の配管２２ａとを接続している。配管３４（第２ライン）は、三方弁３１と冷却水流路１１ｃとの間の配管２１ａと、三方弁３２とを接続している。そして、三方弁３１、３２は、順方向モード、逆方向モードに対応して、コントローラ５０により適宜に制御されるようになっている。

セル電圧モニタ４０は、発電部１１を構成する単セル毎に設けられており、各単セルの電圧（セル電圧）を検出するようになっている。そして、セル電圧モニタ４０は、コントローラ５０と接続しており、コントローラ５０が各単セルのセル電圧を監視するようになっている。

コントローラ５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などから構成されている。コントローラ５０による具体的な制御については、後で説明する。

次に、燃料電池システム１の動作について、図２を主に参照して説明する。
燃料電池システム１が起動され発電が開始された後、ステップＳ１０１において、コントローラ５０は、ポンプ２１を所定の回転速度で作動させる。これに並行して、コントローラ５０は、三方弁３１、３２を順方向モードで制御して、ポンプ２１からの冷却水を、配管２１ａ、冷却水流路１１ｃ、冷却水流路１２ｃ、配管２２ａ、タンク２２、配管２２ｂの順方向で流通させる（矢印Ａ１参照）。

ステップＳ１０２において、コントローラ５０は、セル電圧モニタ４０を介して、発電部１１を構成する複数の単セルのセル電圧を読み込み、そして、平均セル電圧（基準セル電圧）を算出する。

ステップＳ１０３において、コントローラ５０は、結露しやすい発電部１１の他端側の１または２以上の単セルのセル電圧（以下、他端側セル電圧）と、平均セル電圧とを比較し、発電部１１内が結露していないか判定する。コントローラ５０は、他端側セル電圧が平均セル電圧より小さい場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、発電部１１の他端側が結露している虞があると推定し、ステップＳ１０４に進む。一方、他端側セル電圧が平均セル電圧以上である場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、発電部１１内は結露していないと推定し、ステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０４において、コントローラ５０は、三方弁３１、３２を逆方向モードで制御して、ポンプ２１からの冷却水を、配管２１ａの一部、配管３３、配管２２ａの一部、冷却水流路１２ｃ、冷却水流路１１ｃ、配管２１ａの一部、配管３４、配管２２ａの一部、タンク２２、配管２２ｂの逆方向で流通させる（矢印Ａ２参照）。

これにより、ポンプ２１からの低温の冷却水が、直ちに冷却水流路１１ｃに送り込まれず、発電部１１の他端側が低温になることを防止、つまり、発電部１１の結露が防止される。また、このように逆方向で流通させるため、冷却水を、高温の加湿部１２を経由した後に、発電部１１に送り込むことができる。これにより、発電部１１を暖め、結露しにくくすることができる。

ステップＳ１０５において、コントローラ５０は、ステップＳ１０２と同様に、セル電圧を読み込み、平均セル電圧を算出する。

ステップＳ１０６において、コントローラ５０は、他端側セル電圧と、平均セル電圧（基準セル電圧）とを比較して、発電部１１が暖められ、結露が解消されたか否かを判定する。コントローラ５０は、他端側セル電圧が平均セル電圧以上である場合（Ｓ１０６・Ｙｅｓ）、発電部１１は暖められ、他端側の結露は解消したと推定し、ステップＳ１０１に進む。
一方、他端側セル電圧が平均セル電圧より低い場合（Ｓ１０６・Ｎｏ）、発電部１１の結露は解消していないと推定し、ステップＳ１０４に進む。このように結露が解消したと推定される場合、冷却水の流通方向を通常の順方向に戻すことにより、発電部１１の過昇温を防止することができる。

このように本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、他端側セル電圧に基づいて、発電部１１の他端側の結露状態を推測し、冷却水の流通方向を適宜に切り替えることにより、図３に示すように、発電部１１の他端側が露点以下になることを防止できる。これにより、発電部１１の燃料ガス流路１１ａおよび酸化剤ガス流路１１ｂで結露は発生せず、結露水により各流露が閉塞しにくくなる。その結果として、燃料電池スタック１０を好適に発電させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することもできる。

前記した実施形態では、切替手段３０は三方弁３１、３２と、配管３３、３４とを備えて構成されたとしたが、その他に例えば、コントローラ５０からの指令に基づいてポンプ２１を逆回転させる逆回転ユニットから構成してもよい。

前記した実施形態では、特許請求の範囲における基準セル電圧が平均セル電圧である場合について説明したが、その他に例えば、平均セル電圧の９０％を基準セル電圧としてもよいし、予備実験などによって求められた閾値であってもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 本実施形態に係る燃料電池スタックの温度分布を示すグラフである。 従来の燃料電池スタックの模式図である。 従来の燃料電池スタックの温度分布を示すグラフである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１１ 発電部
１１ａ 燃料ガス流路
１１ｂ 酸化剤ガス流路
１１ｃ 冷却水流路（冷媒流路）
１２ 加湿部
１２ａ 燃料ガス流路
１２ｂ 酸化剤ガス流路
１２ｃ 冷却水流路（冷媒流路）
２０ 冷却手段
２１ ポンプ
３０ 切替手段
３１、３２ 三方弁（制御弁）
３３ 配管（第１ライン）
３４ 配管（第２ライン）
４０ セル電圧モニタ（出力検出手段）
５０ コントローラ（制御手段）

Claims (4)

1. 複数の単セルが積層して構成され反応ガスが供給されることで発電する発電部と、前記発電部の一端側で当該発電部と一体に構成された加湿部と、を具える燃料電池スタックと、
   通常運転時に、前記発電部、前記加湿部の順方向で冷媒を流通させて、前記発電部を冷却する冷却手段と、
   を備え、
   前記反応ガスが、前記加湿部、前記発電部の順で流通する燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックの出力を検出する出力検出手段と、
   前記冷媒の流通方向を、前記加湿部、前記発電部の順で流通する逆方向に切り替える切替手段と、
   前記出力検出手段が検出する前記燃料電池スタックの出力に基づいて、前記切替手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記出力検出手段は、前記単セルのセル電圧を検出し、
   前記制御手段は、前記発電部の他端側の単セルのセル電圧が基準セル電圧より低い場合に、前記切替手段により、冷媒の流通方向を逆方向に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記冷媒の流通方向を逆方向に切り替えた後、
   前記制御手段は、前記他端側の単セルのセル電圧が基準セル電圧以上となった場合に、前記切替手段により、冷媒の流通方向を順方向に戻すことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却手段は、前記冷媒を送るポンプを備え、
   前記切替手段は、前記ポンプからの冷媒を前記加湿部側に送る第１ラインと、前記発電部から排出された冷媒を前記ポンプの取り込み側に戻す第２ラインと、前記各ラインにおける冷媒の流通を制御する制御弁と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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