JP2008052928A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法を用いて、広く水素欠を判定することのできる機構を備えた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１では、循環ポンプ１１でアノードオフガスを循環しながら燃料電池２の運転が行われる。圧力計１５で測定されたアノードオフガスの圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、燃料電池２に供給される水素量が不足していると判断される。尚、アノードオフガスの流路を閉塞した状態で運転する、いわゆるデッドエンド方式による燃料電池システムであってもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックを構成するセルは、アノードとカソードが、電解質膜を挟んでそれぞれ配置された構造を有している。そして、各電極に反応ガスが供給されると、電極間で電気化学反応が起こり起電力を生じる。反応は、具体的には、アノードに水素（燃料ガス）が接触し、カソードに酸素（酸化剤ガス）が接触することによって起こる。

一般に、燃料電池システムでは、高圧水素タンクから供給される水素を燃料電池のアノードに供給する一方で、コンプレッサによって外気から取り込んだ空気をカソードに供給している。アノードやカソードで水素や空気が消費される量と、燃料電池の出力電流とは比例関係にあるので、要求される出力電流に見合った量のガスを各電極に供給する必要がある。従来は、例えば、セル電圧からアノードに供給された水素濃度を推測し、この値が所定の基準値を下回っている場合には、水素の供給量を多くするような措置が採られていた。

しかしながら、セル電圧を測定するセルモニタは、セルに直接接触して配置されるので、電気的な絶縁性を具備しつつ精密で複雑な構造が採られる。このため、セルモニタには、高価である一方で信頼性に欠けるといった問題があった。

また、燃料電池では、電気化学反応（Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）によって水が生成する。燃料電池内やガス流路でこの水が凍結したり、あるいは、フラッディングが起こったりすると、燃料電池の電圧が低下して、セルに負電圧が生じる場合がある。すると、必要量の反応ガスを電極に供給することが困難となって、外部から供給する水素の量が十分であるにもかかわらず、所望のセル電圧が得られないという事態が生じる。

そこで、燃料電池から排出されたアノードオフガス中の二酸化炭素の濃度を検出し、この濃度が上昇した場合には、水素欠によりアノードでカーボンの腐食が起きていると判断して、アノードに供給する水素の量を増やすようにした燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムによれば、カーボンの腐食の程度に応じた処理が可能となるので、水素の供給量が無駄に多くなるのを防いで、燃料の利用効率やシステムの効率を高められるとされる。

特開２００５−２８５６９２号公報 特開２００４−９５３００号公報 特開２００３−１６８４４２号公報 特開昭６３−５１０６０号公報 特開平５−２７５０９７号公報 特開２００５−９３１１１号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムでは、二酸化炭素の濃度を検出するために、専用のセンサを設けることが必要となる。また、触媒にカーボンを使用していない燃料電池では、二酸化炭素が発生しないので、水素欠であるか否かを判定することができない。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、簡便な方法を用いて、広く水素欠を判定することのできる機構を備えた燃料電池システムを提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明の第１の態様は、燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを循環して前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスの圧力を測定する手段と、
前記圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断する手段とを有することを特徴とするものである。

本発明の第２の態様は、燃料電池と、
前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
前記アノードオフガスの圧力を測定する手段と、
前記圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断する手段とを有することを特徴とするものである。

本発明の第１の態様または第２の態様においては、前記圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断することができる。

また、本発明の第１の態様または第２の態様においては、前記圧力の上昇量が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断することもできる。

本発明の第１の態様によれば、アノードオフガスを循環して燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、燃料電池に供給される水素量が不足していると判断するので、簡便に広く水素欠を判定することができる。

本発明の第２の態様によれば、アノードオフガスの流路を閉じた状態で燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、燃料電池に供給される水素量が不足していると判断するので、簡便に広く水素欠を判定することができる。

図１は、本実施の形態における燃料電池システムの構成図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池２と、燃料電池２に圧縮空気を供給するコンプレッサ３と、コンプレッサ３から燃料電池２に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁４と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンク５と、水素タンク５から燃料電池２に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁６とを有する。また、水素タンク５と水素調圧弁６の間の流路には、水素の流量を測定する流量計７と、シャットバルブ８とが設けられている。尚、水素タンク５に代えて、改質器などの他の水素供給源を設けてもよい。

図１において、燃料電池２から排出されたカソードオフガスは、カソードオフガス排出路９から外部へと排出される。一方、アノードオフガスは、燃料電池２からアノードオフガス流路１０に排出された後、循環ポンプ１１によって、再び燃料電池２に供給される。また、アノードオフガス流路１０の途中には、排気バルブ１２を介してアノードオフガス排出路１３が接続されている。所定のタイミングで排気バルブ１２が開かれると、アノードオフガスは、アノードオフガス排出路１３から外部へと排出される。尚、カソードオフガス排出路９とアノードオフガス排出路１３の途中には、希釈器１４が設けられている。希釈器１４では、カソードオフガスが希釈用ガスとなって、アノードオフガス中の水素を希釈するのに用いられる。これにより、水素は、十分に低い濃度になるまで希釈されてから排出される。本実施の形態においては、循環ポンプ１１に代えて、エジェクタなどの他の循環装置を用いることもできる。

アノードに必要量の水素が供給されている場合には、アノードオフガス中に、酸素や二酸化炭素はほとんど含まれていない。しかし、セルに負電圧が生じてアノードで水素欠が起こると、不足した水素を補うために、カソードの水が電解質膜を通ってアノードに移動し、アノードで水の電気分解（２Ｈ_２Ｏ→Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻）が進むようになる。これにより、アノードで酸素が生成し、アノードオフガス中の酸素濃度が上昇する。さらに、アノードの触媒層にカーボンを使用している系では、アノードが水素欠になると、カーボンの腐食反応（Ｃ＋２Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻）が起こる。したがって、この系では、アノードオフガス中の二酸化炭素濃度の上昇も見られる。尚、本明細書においては、燃料電池内で水素量が不足した状態を水素欠と称する。

ところで、水素は、水素調圧弁６で所望の目標圧に調整されてから、燃料電池２に供給される。しかし、アノードで酸素や二酸化炭素が生成すると、アノードオフガスの圧力上昇が起こる。したがって、アノードオフガスの圧力の変化を監視すれば、アノードで水素欠が起こっているか否かを判定することができる。

カソードに供給される空気には窒素が含まれており、燃料電池２を運転すると、この窒素が電解質膜を透過してアノード側に蓄積されるようになる。それ故、アノードオフガスの圧力を上昇させる要因の１つには、アノード側への窒素の透過も挙げられる。しかしながら、単位時間当たりで見た場合、水の電気分解によって生じる酸素や、カーボンの腐食によって生じる二酸化炭素の量と比べると、カソードからアノードに透過する窒素量は僅かなものに過ぎない。つまり、水素欠に起因して水の電気分解やカーボンの腐食が起これば、酸素や二酸化炭素の濃度が急激に高くなる結果、アノードオフガスの圧力は急激に上昇するはずである。

そこで、本実施の形態においては、所定時間毎にアノードオフガスの圧力を測定し、圧力の上昇率が所定値よりも大きくなった場合には、酸素や二酸化炭素が生成していると判断する。これにより、アノードで水素欠が起きていることを検知できるので、アノードに供給する水素の流量を増やすようにすればよい。すなわち、本実施の形態では、圧力の上昇率が大きい場合には、アノードに供給する水素の量が不足していると判断し、圧力の上昇率が小さい場合には、アノードに供給する水素の量は不足していないと判断する。ここで、圧力の上昇率とは、単位時間当たりのアノードオフガスの圧力上昇量を言う。圧力の上昇率が、カソードからの窒素の時間当たりの透過量を考慮した値よりも大きくなった場合に、カソードに供給する水素の量が不足していると判断される。アノードオフガスの圧力の測定は、例えば、図１に示すように、燃料電池２の出口付近に圧力計１５を設けることにより行うことができる。また、アノードに供給する水素の流量は、水素調圧弁６によって調整することができる。尚、圧力の上昇率が所定値よりも大きくなった場合とは、詳しくは、アノードへの水素の供給量を調節する装置に起因した圧力の変動を超えた場合を言う。具体的には、水素調圧弁６の調圧精度や、循環ポンプ１１などの循環装置の脈動などによって、アノードへの水素の供給量が変動することによる圧力の上昇率を超えた場合である。

図２は、アノードオフガスの圧力の経時変化を示したものである。この図に示すように、水素欠が起こると、酸素や二酸化炭素が発生することによって、アノードオフガスの圧力が上昇する。したがって、アノードオフガスの圧力の上昇率を測定することにより、水素欠を検知することができる。

アノードオフガスの圧力の上昇率をΔＰ（ａｔｍ／ｓ）とすれば、式（１）を用いて、酸素の増加率Δｎ_Ｏ２（ｍｏｌ／ｓ）を求めることができる。但し、Ｖはアノードの体積（Ｌ）、Ｒは気体定数（ａｔｍ・Ｌ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは温度（Ｋ）である。

Δｎ_Ｏ２＝（ΔＰ・Ｖ）／（Ｒ・Ｔ） （１）

また、酸素１モルが生成する際に電子４モルが放出されるので、燃料電池２の発電電流Ｉ（Ａ）を測定することにより、式（２）から、負電圧を起こしているセルの数ｎ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}を推定することができる。尚、式（２）において、９６４８５はファラデー定数（クーロン）である。

ｎ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}＝（Δｎ_Ｏ２×９６４８５×４）×（１／Ｉ） （２）

したがって、負電圧となったセルの数に応じて、アノードに供給する水素の量を増やすことにより、要求される出力電流に見合った量の水素をアノードに供給できるようになる。尚、水素欠は、具体的には、ストイキ比を大きくすることによって解消できる。ここで、ストイキ比とは、燃料電池に供給された水素量（Ｑ_Ｈ０）と、燃料電池で消費された水素量（Ｑ_Ｈ１）との比（Ｑ_Ｈ０／Ｑ_Ｈ１）を言う。

以上述べたように、本実施の形態の燃料電池システムでは、アノードオフガスの圧力の上昇率が所定値よりも大きくなった場合に、酸素や二酸化炭素が生成していると判断して、アノードの水素欠を検知する。したがって、二酸化炭素濃度センサなどの特殊なセンサを設ける必要がなく、また、触媒にカーボンを使用していない系であっても、水素欠を検知することができる。

尚、本実施の形態では、次のようにして水素欠を検知することもできる。

上述したように、水素は、水素調圧弁で所望の目標圧に調整されてから、燃料電池に供給される。そして、燃料電池で消費された後は、消費量に相当する量の水素が新たに燃料電池に供給される。しかしながら、アノードで水素欠が起こると、酸素や二酸化炭素が発生するために、アノードの圧力は、燃料電池で消費された水素量から酸素や二酸化炭素の発生量を差し引いた分しか低下しない。それ故、燃料電池に供給される水素量は、消費された水素量より少ない量となる。そこで、水素流量計や差圧計などを用いて、アノードに供給される水素量を測定し、この値と、燃料電池の発電電流から換算した水素の消費量との間に差が生じた段階で、水素欠が起きていると判断することができる。

上記の場合において、負電圧を起こしているセルの数ｎ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}は、燃料電池に供給された水素量から、燃料電池の発電電流から換算した水素の消費量を引くことによって推定できる。すなわち、燃料電池に供給される水素の流量Ｑ_Ｈ２を測定すれば、式（３）によって水素のモル数ｎ_Ｈ２が求められる。尚、式（３）において、２２．４は水素１モルが占める体積（リットル）である。

ｎ_Ｈ２＝Ｑ_Ｈ２／（２２．４×６０） （３）

水素１モルが生成する際には、電子１モルが放出される。また、酸素１モルが生成する際には、電子４モルが放出される。したがって、燃料電池の発電電流Ｉ（Ａ）を測定することにより、式（４）から負電圧を起こしているセルの数ｎ_{ｒｅｖｅｒｓｅ}を求めることができる。尚、式（４）において、Ｎはセルの総数であり、９６４８５はファラデー定数（クーロン）である。

したがって、負電圧となったセルの数に応じて、アノードに供給する水素の量を増やすことにより、要求される出力電流に見合った量の水素をアノードに供給できるようになる。尚、水素欠は、具体的には、ストイキ比を大きくすることによって解消できる。ここで、ストイキ比とは、燃料電池に供給される水素量（Ｑ_Ｈ０）と、燃料電池で消費される水素量（Ｑ_Ｈ１）との比（Ｑ_Ｈ０／Ｑ_Ｈ１）を言う。

本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することができる。

例えば、上記実施の形態では、アノードオフガスの圧力の上昇率が所定値より大きくなったときに、燃料電池に供給される水素が不足していると判断した。しかしながら、本発明は、圧力が所定値より大きくなったときに、燃料電池に供給される水素量が不足していると判断するものである。したがって、圧力の上昇率に代えて、圧力の上昇量に基づいて水素欠であるか否かを判定することもできる。具体的には、燃料電池に供給する水素の圧力を調整する水素調圧弁において、その通常の動作範囲よりも圧力が増加したときに、水素欠であると判断することができる。

また、上記実施の形態では、アノードオフガスを循環させる燃料電池システムについて述べた。しかしながら、本発明はこれに限られるものではなく、アノードオフガスの流路を閉塞した状態で運転する、いわゆるデッドエンド方式による燃料電池システムであってもよい。この場合にも、アノードオフガスの圧力を測定し、圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、燃料電池に供給される水素量が不足していると判断することができる。また、圧力の上昇量が所定値よりも大きくなったときに、燃料電池に供給される水素量が不足していると判断することもできる。

デッドエンド方式では、燃料電池システムは、例えば、燃料ガスとしての水素と、酸化剤ガスとしての空気とを供給されて起電力を生じる燃料電池と、燃料電池に圧縮空気を供給するコンプレッサと、コンプレッサから燃料電池に供給される空気の圧力を調整する空気調圧弁と、乾燥した水素を高圧状態で貯蔵する水素タンクと、水素タンクから燃料電池に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁と、アノードオフガスの流路を開閉するパージ弁とを有する。パージ弁を閉じると、アノードオフガスの流路が閉塞されて、水素の供給は、水素タンクからの供給のみによって行われる。一方、パージ弁を開くと、燃料電池から排出されたアノードオフガスがパージされる。

上記の燃料電池システムにおいては、所定時間毎にアノードオフガスの圧力を測定し、圧力の上昇率または上昇量が所定値よりも大きくなった場合に、酸素や二酸化炭素が生成していると判断する。これにより、アノードで水素欠が起きていることを検知できるので、アノードに供給する水素の流量を増やすようにすればよい。アノードオフガスの圧力の測定は、例えば、燃料電池の出口付近に圧力計を設けることにより行うことができる。また、アノードに供給する水素の流量は、水素調圧弁によって調整することができる。

本発明の燃料電池システムの構成図の一例である。 本発明において、アノードオフガスの圧力変化を示す図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ コンプレッサ
４ 空気調圧弁
５ 水素タンク
６ 水素調圧弁
７ 流量計
８ シャットバルブ
９ カソードオフガス排出路
１０ アノードオフガス流路
１１ 循環ポンプ
１２ 排気バルブ
１３ アノードオフガス排出路
１４ 希釈器
１５ 圧力計

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるアノードオフガスを循環して前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
   前記アノードオフガスの圧力を測定する手段と、
   前記圧力の上昇が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断する手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池から排出されるアノードオフガスの流路を閉じた状態で前記燃料電池を運転する燃料電池システムにおいて、
   前記アノードオフガスの圧力を測定する手段と、
   前記圧力が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断する手段とを有することを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記圧力の上昇率が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断することを特徴とする請求項１または２に燃料電池システム。
4. 前記圧力の上昇量が所定値よりも大きくなったときに、前記燃料電池に供給される水素量が不足していると判断することを特徴とする請求項１または２に燃料電池システム。
   

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