JP2007294121A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路の水詰まりに起因するフラッディングに伴う電池特性変化に対し、速やかに回復を図り、かつ発電効率低下を最小限に抑制した燃料電池システムを提案する。
【解決手段】電圧センサで計測された電圧情報と、電流センサで計測された電流情報とから電池内部でガス流路が凝縮水により閉塞されていると制御部が判断した場合には、圧力制御弁で制御する二次圧を経時的かつ繰り返し増減させることにより、ガス流速の凝縮水を取り除く制御を実施する燃料電池システムである。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池を用いた発電システムに関するものである。

燃料電池は電気化学反応により燃料のエネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電気化学デバイスである。燃料電池は用いる電荷担体等により、リン酸形燃料電池，溶融炭酸塩形燃料電池，固体酸化物形燃料電池，固体高分子形燃料電池（以下ＰＥＦＣと略する），アルカリ形燃料電池に大別される。

これらの各種燃料電池の中でもＰＥＦＣは、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能であるため、移動体電源をはじめ、各種用途への応用が期待されている。

ＰＥＦＣ発電時は、その化学反応により水を生成する。しかし生成した水が凝縮して燃料電池スタック内のガス流路に滞留（フラッディング）すると、反応ガスの拡散を妨げるため、電池性能が低下する。この状態が長く続くと燃料電池スタックが破損する場合も生じていた。

このような場合においてガス流路の水詰まりを解消させる方法として、特許文献１ではアノード水素ポンプ駆動量を連続して増減させる運転を実施し、解消されないときには開閉弁を動作させる制御を実施していた。

特開２００５−６３７１２号公報

しかし、水詰まりによって電圧が変化する際には、単電池の電圧がゼロボルト以下へ転極する場合があり、転極が生じると電池構成部材が受けるダメージも大きくなる。よって早急な回復動作が必要となり、ポンプ動作の変化よりも早い対処方法が望まれる。

本発明の目的は、フラッディングによって生じる電池特性変化に対し、速やかに回復させる制御方法および構成を備えた燃料電池システムを提案する。

燃料と酸化剤とを供給され発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへ燃料を供給する圧力を制御する制御弁とを有し、前記スタック内部でガス流路が凝集水により閉塞された場合に、前記制御弁で制御する圧力を継時的かつ繰り返し増減させる燃料電池システムである。

本発明では、フラッディングによって生じる電池特性変化に対し、速やかに回復させる制御方法および構成を備えた燃料電池システムを提案する。

本発明の実施形態は以下のようなものである。

燃料電池スタックと、燃料電池内部の温度を計測する燃料電池温度センサと、燃料電池の発電電圧を計測する電圧センサと、燃料電池から流れる電流を計測する電流センサと、燃料電池で発生する熱を放熱するためのラジエタと、ラジエタに付属して放熱量を制御するファンと、冷却流体を昇圧する冷却水ポンプと、ラジエタへ流入する冷却流体量を制御するバイパス部と、発電により生じた水を空気に添加する加湿器とを配したカソードラインと、燃料電池スタックへの水素供給圧力を制御する圧力制御弁と、燃料電池スタックから排出された水素を昇圧して燃料電池スタック入口へ循環させる水素ポンプと、循環水素の水分量を調整する調湿器と、システム内の補機動作を制御する制御器を有し、電圧センサで計測された電圧情報と、電流センサで計測された電流情報とから電池内部でガス流路が凝縮水により閉塞されていると制御部が判断した場合には、圧力制御弁で制御する二次圧を経時的かつ繰り返し増減させることにより、ガス流速の凝縮水を取り除く制御を実施する燃料電池システムである。

また、前述の圧力制御弁で制御する二次圧に同期して水素ポンプの吐出量を増減させる制御を用いた燃料電池システムである。

カソードラインには空気供給器と、調湿器と、加湿器と、燃料電池スタックと、熱交換器と、バイパスバルブとそれに接続されるバイパスラインを有し、バイパスバルブの開閉により加湿器に供給される流体と、熱交換器に供給される流体量を同時に制御する電池システムである。

電圧センサで計測された電圧情報と、電流センサで計測された電流情報とから電池内部でガス流路が凝縮水により閉塞されていると制御部が判断した場合にはバイパスバルブを開閉することにより加湿器に供給される流体と、熱交換器に供給される流体量を同時に制御する燃料電池システムである。

燃料電池スタックに供給されるアノードガス，カソードガス圧力を測定するための圧力センサを具備した燃料電池システムである。

電圧センサで計測された電圧情報と、電流センサで計測された電流情報と、圧力センサで検出された圧力情報とから、電池内部でガス流路が凝縮水により閉塞されている極がアノードかカソードかを判断し、判断結果に応じて圧力制御弁，水素ポンプ，バイパスバルブ動作を制御する燃料電池システムである。

電圧センサで計測された電圧情報と、電流センサで計測された電流情報と、圧力センサで検出された圧力情報と、温度センサで計測された温度情報から、ガス流路が凝縮水により閉塞されていると制御部が判断した場合には、冷却水ポンプとバイパス部の少なくとも一方の動作量を変化させることにより、それまでの燃料電池スタック温度よりも上昇させる制御を行う燃料電池システムである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

（実施例１）
実施例１のシステム構成図を図１に示す。パーフオロカーボンスルホン酸系の電解質膜と、白金粒子をカーボン担体に担持させた触媒を主成分とする電極とを一体化した電極電解質膜を中心として、その表裏面にポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を表面に分散させ撥水性を制御したカーボンペーパーであるカソード拡散層，アノード拡散層を配置し、さらに金属セパレータをその両側に配置して、発電セルの基本構成と成した。本発電セルを１２０セルおよび冷却水を流通させ電池温度を下げるための冷却セルを６０セル組み合わせることにより、燃料電池スタック１を作製した。

燃料電池スタック１から排出された水素を再び燃料電池スタック１へと供給するために昇圧する水素ポンプ５１と、燃料電池スタック１に供給する水素圧力を制御するための圧力制御弁５２と、燃料電池スタック排出水素に含まれる水分量を調整する調湿器５３とを備えたアノードライン２と、生成水を回収し加湿するための水透過膜からなる加湿器５を備えたカソードライン４と、冷却水を送水する冷却水ポンプ１０，ファン８を付属したラジエタ７，冷却水バイパスライン１１およびその流量を制御するバイパスバルブ９を有する冷却ラインを燃料電池スタック１に接続した。燃料電池スタック１から出力を取り出す出力線１６には電流センサ１４および電圧センサ１２、また燃料電池スタック中央部の温度を計測する温度センサ１３を取り付け、それぞれのセンサ情報は制御部１５へ接続した。制御部１５は各センサからの情報をもとに圧力制御弁動作状態をコントロールする。さらに、制御部が判断した場合には二次圧の変化に同期させて水素ポンプ動作状態の制御も行う。圧力制御弁５２を制御することによる二次圧変化状態を図３に、水素ポンプの吐出圧変化を図４に示す。

実施例１では電圧センサ１２により燃料電池スタック１にフラッディングが発生したと検出・判断することができる制御部１５が組み込まれている。判断する内容としては、例えばスタックの平均電圧が、制御部のメモリーに有している電流−電圧の対応表に照合した結果、短時間に本来示すべき電圧から急激に低下した状態、あるいはスタック電圧を複数の部分に分割して計測しているとき、例えば１００セルから構成されているあるスタックを２０セルずつ５分割して計測しているとき、ある部分の計測電圧が他に比較して短時間に低下あるいは変動している状態のとき、制御部は以下の動作を実施する。

フラッディングが生じていると判断した制御部１５はアノード二次圧力を圧力制御弁
５２に指令することで経時変化させ、燃料電池スタック内のガス流路に滞留する水の排出を促進し、速やかに燃料電池スタック電圧の回復を図る。ここで二次圧力を経時変化させる意味は、短時間で急激に圧力変動させることでガス流れを加速させ、スタック内部に滞留する水を排出させやすくするためである。

さらに、圧力制御弁による二次圧変化では水詰まりが解消されないときは、制御部の判断で水素ポンプの吐出量を増減させることにより、フラッディング解消を図る。このとき、相乗効果を高めるため、二次圧変化の極大値と、水素ポンプ吐出量極大値を同期させる制御を適用する。本方式によると、水素パージによる発電に用いられることなく排出される水素はゼロであるため、発電効率低下への影響は小さい。さらにフラッディング解消の第一段階の対策として圧力制御弁動作により凝縮水除去を試みることから、補機類の消費電力をごく僅かに抑制することができる。さらに図３と図４を比較して理解される通り、二次圧変化はポンプよりもすばやく状態変化することができる。よって、燃料電池スタック１にフラッディングが発生し、燃料電池スタック１にダメージが想定される場合は速やかな回復動作が要求されるが、二次圧を制御することにより、それをすばやく実現することが可能となる。

（実施例２）
実施例２のシステム構成を図２に示す。加湿器からの排出ガスが接続された熱交換器
６１と、調湿器５３と、燃料電池スタック１からの排出ガスを分岐するためのバイパスバルブ６２が具備され、バイパスバルブの動作により燃料電池スタック１からの排出ガスから調湿器５３とそれに続く熱交換器６１へ供給されるガス量を変化することができるカソードライン４と、燃料電池スタック１に供給されるアノードガス，カソードガスの圧力を測定するアノード圧力センサ７１，カソード圧力センサ７２を備え、その他の構成は実施例１と同様の構成の燃料電池システムを製作し、実施例２とした。バイパスバルブ６２を動作させた前後の、加湿器５および熱交換器６１へ供給される燃料電池スタック排出ガス量変化を図５に示した。

実施例２のガス加湿機構について詳しく述べる。カソードガスは大気中の空気を使用するため、そのままスタックへ供給すると、電池内部が乾燥し、内部抵抗上昇により電池性能低下に至る。よって一般的に、燃料電池に供給するガスには水蒸気を添加する必要がある。本実施例では加湿器５を設け、供給するカソードガスに必要量の水蒸気を添加している。加湿器５は水分を透過する材料と、その材料を介して２種類のガスが接するように導くガス流路から構成されている。水分透過材料はガスそのものは遮断するため、一方に水蒸気を多く含むガスを、他方に乾燥したガスを加湿器に供給すると、透過材料を水分が移動することにより、乾燥ガスに水蒸気を含有させ、かつガス成分そのものは互いに混じらずに排出される。燃料電池は電気化学反応の生成物が水であるため、電池からのカソード排出ガスには水分が含まれる。よって排出ガスの水分をスタックへ供給するカソードガスに添加することにより、加湿に必要な水分を外部から新たに供給する必要が無くなり、簡略なシステム構成が実現される。

また、実施例２では加湿器５から排出されたカソードガスの熱を空気供給器８１から供給されたカソードガスへ、熱交換器６１を用いることにより効果的に移動させている。熱交換器６１により排熱で温度が上昇したカソードガスは、飽和水蒸気圧も増加するためより多くの水分を含有することが出来るようになる。よって熱交換器６１を通過したカソードガスは、調湿器５３により、熱交換器が備えていない場合よりも効果的に調湿器５３から水分を奪う、つまりアノードラインの水分量をより減少させることが出来るようになる。

しかし、通常発電状態では加湿状態を良好にする構成であっても、たとえば電池温度が設定値よりも低くなってしまった場合にはスタック内部に凝縮水が生じやすくなりフラッディングによる電圧変動が発生しやすくなる。

この場合、加湿器５のカソードライン直前に設けたバイパスバルブ６２を動作させることにより、燃料電池スタック１から排出されたカソードガスの一部はバイパスラインを通り系外へ排出される。カソードガスには発電生成水が含まれており、バイパスバルブ６２動作により、加湿器５と加湿器５に直列接続された熱交換器６１へ流れるガス流量とガスに含まれる水分量を制御することができる。加湿器５は燃料電池スタック排出ガス中に含まれる水分を燃料電池スタック供給ガスへ添加するため、バイパスバルブ６２の動作により燃料電池スタック１へ供給される水分量を減少させることができる。またバイパスバルブ６２が動作することにより、スタック排出ガスの加湿器５で失うエネルギーが減少し、より多くのエネルギーを熱交換器６１に供給するようになる。その結果、空気供給器８１から供給されたガスの温度をより上昇させることができ、飽和水蒸気が増加するため、調湿器５３におけるアノードライン２の除湿効果が増大する。よって、バイパスバルブ６２の動作によりカソード，アノードともに水分量を減少させることができ、フラッディングを抑制することが可能となる。本効果についても、バルブ動作動力のみで効果が得られ、全体に与える効率低下の影響は軽微であること、アノードライン２が原因となるフラッディングのみならず、カソードライン４の水詰まりにも対応することが可能となった。

さらに、燃料電池スタックガス供給部に取り付けたアノード圧力センサ７１，カソード圧力センサ７２の測定値を制御部１５が判断することにより、ガス流路へ水分が凝縮して発生するガス圧力変化を検知でき、初期のフラッディング状態においても速やかな対処が可能となった。またアノードライン２，カソードライン４の圧力状況を独立して測定することで、それぞれのライン単独で対処することも可能である。

（実施例３）
制御部１５の判断により、必要に応じて冷却水バイパスライン１１の流量を制御するバイパスバルブ９と、冷却水ポンプ１０と、ラジエタ７に具備されたファン８の動作量を変化させ、発電中の燃料電池スタック温度を上昇／下降させることができる冷却ラインと制御法を備え、その他の構成は実施例２と同等構成の燃料電池システムを製作し実施例３とした。

実施例３のシステムでは、フラッディングが発生したと制御部１５が判断すると、バイパスバルブ９，冷却水ポンプ１０，ファン８の少なくとも１つの動作量を変更することにより燃料電池スタック温度を上昇させる制御法が適用されている。冷却ラインの制御による燃料電池スタック温度変化状況を図６に示す。図６における時間ｔｏにおいて制御部は各種センサの計測値よりフラッディング発生を判断し、同時に冷却補機動作量を制御することにより燃料電池スタック温度をｓｔ２からｓｔ１へ上昇させている。ここで冷却補機動作量の制御とは、冷却水ポンプ１０の動作量を減少させ、スタックへ供給する水の量を減少させることによりスタックから奪う熱量を抑制する方法や、ラジエタ７に備えられたファン８の動作量を減少させることにより放熱量を減らし、冷却水温度を上昇させることでスタック温度を上昇させる方法、さらにはバイパスバルブ９の動作量を変化させることによりラジエタ７へ流れる冷却水量に対してスタックへバイパスラインを通して直接戻る冷却水量を相対的に増加させることによりスタック温度を上昇させる方法のいずれか一つの方法を選択するか、または複数の方法を組み合わせて実施することが考えられる。

燃料電池スタック温度を上昇させることにより、燃料電池スタック内での飽和水蒸気圧も増加し、水蒸気として存在する水分量が増加する。その結果、凝縮水によるガス流路水詰まりに起因するフラッディングの影響が緩和される。また、フラッディング発生の予防的な効果についても有効となる。

本発明に関わる実施例１の発電システム構成を示す図である。 本発明に関わる実施例２および実施例３の発電システム構成を示す図である。 本発明に関わる圧力制御弁による二次圧の時間変化を示す図である。 本発明に関わる水素ポンプの吐出量の時間変化を示す図である。 本発明に関わるバイパスバルブによる加湿器，熱交換器へ流れる燃料電池スタック排出ガス流量の変化を示す図である。 本発明に関わる冷却系補機の制御による燃料電池スタックの温度変化を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…アノードライン、４…カソードライン、５…加湿器、６…冷却ライン、７…ラジエタ、８…ファン、９，６２…バイパスバルブ、１０…冷却水ポンプ、１１…冷却水バイパスライン、１２…電圧センサ、１３…温度センサ、１４…電流センサ、１５…制御部、１６…出力線、５１…水素ポンプ、５２…圧力制御弁、５３…調湿器、６１…熱交換器、７１…アノード圧力センサ、７２…カソード圧力センサ、８０…パージ弁、８１…空気供給器。

Claims (7)

1. アノードガスとカソードガスとを供給され発電する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへ燃料を供給する圧力を制御する制御弁とを有し、前記スタック内部でアノードガス流路が凝集水により閉塞された場合に、前記制御弁で制御する圧力を経時的かつ繰り返し増減させる燃料電池システム。
2. 燃料電池の発電電圧と前記燃料電池を流れる電流とに基づき前記スタック内部でアノードガス流路が凝集水により閉塞されたことを判断する請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記圧力弁で制御する圧力に同期して燃料の供給量を増減させる請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記カソードガスを水透過材料で仕切られた２つの領域を有する加湿器の第１の領域を通して前記燃料電池スタックへ供給し、前記燃料電池スタックから排出されるカソードガスの排ガスを第２の領域を通して系外へ排出する燃料電池システムであって、前記排ガスが前記第２の領域を通らずに系外へ排出する経路を有する請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記排ガスが前記第２の領域を通らずに系外へ排出する経路に、バイパスバルブを有し、カソードガス流路が凝集水により閉塞された場合に前記バイパスバルブを開く請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタックの電圧情報と、前記燃料電池スタックの電流情報と、前記燃料電池スタックの圧力情報とから、前記燃料電池スタックの内部でアノードガス流路とカソードガス流路とにいずれが凝集水により閉塞されているかを判断し、判断結果に応じて圧力制御弁と、アノードガス供給量と、バイパスバルブ動作とのいずれかを制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池スタックの温度情報から、
   ガス流路が凝縮水により閉塞されていると制御部が判断した場合には、冷却水ポンプとバイパス部の少なくとも一方の動作量を変化させることにより、それまでの前記燃料電池スタック温度よりも上昇させる制御を行うことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
   

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