JP2008243829A - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】応答遅れがなく、かつ、燃料電池内の生成水による不具合をなくすことができる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は、燃料電池１０への要求出力に応じて、燃料電池システム１を通過する流体のパラメータのうち少なくとも１つを制御する。燃料電池システム１は、燃料電池１０内の生成水の影響を考慮して、上記パラメータの少なくとも１つを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムの運転方法に関する。

一般に、燃料が有しているエネルギーを電気エネルギーに変換する装置として燃料電池が知られている。燃料電池は、通常、電解質を挟むように配置された一対の電極を有している。一対の電極のうち一方の電極の表面に水素の反応ガス（燃料ガス）を接触させ、一対の電極のうち他方の電極の表面に酸素を含有する空気を接触させることにより、電気化学反応が発生する。燃料電池は、この電気化学反応を利用して、電極間から電気エネルギーを取り出すものである。

特許文献１は、燃料電池の目標出力を設定し、その出力を達成するように燃料ガスと酸素とを燃料電池に供給することを開示している。
特許文献２は、燃料電池の改質器への原料ガス供給量や投入熱量を燃料電池運転条件（平均出力）に応じて制御することを開示している。

特許文献３は、燃料電池運転状態（出力電圧とインピーダンス）に応じて改質ガスの水蒸気量を制御することを開示している。
特開平７−７５２１４号公報 特開平９−７６１８号公報 特開平７−２２６２２４号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、燃料電池内の生成水の影響は考慮されていない。このため、燃料電池内の生成水の影響を考慮した制御ができないという問題点があった。また、特許文献２および特許文献３に記載の燃料電池システムでは、過去の出力に基づく制御であるため、応答遅れが生じるという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、応答遅れがなく、かつ、燃料電池内の生成水による不具合をなくすことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムの運転方法は、燃料電池への要求出力に応じて、燃料電池システムを通過する流体のパラメータのうち少なくとも１つを制御する燃料電池システムの運転方法において、前記燃料電池内の生成水の影響を考慮して、前記パラメータの少なくとも１つを制御することを特徴とし、これにより、上記目的が達成される。

前記パラメータとして前記燃料電池に供給される燃料ガス中の水蒸気量を制御してもよい。
前記パラメータとして前記燃料電池に供給される酸素の圧力を制御してもよい。

前記燃料電池システムは補助電池を有していてもよい。
前記燃料電池システムは、水蒸気改質と部分酸化改質とを利用する改質器を含んでいてもよい。

前記燃料電池への要求出力に応じて水蒸気改質と部分酸化改質との比率を制御してもよい。

本発明の燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池への要求出力に応じて、燃料電池システムを通過する流体のパラメータのうち少なくとも１つが制御される。燃料電池への要求出力に応じてパラメータが制御されるため、応答遅れがない。応答遅れがないことは、特に、応答性の低い改質器の制御に有効である。また、本発明の燃料電池システムの運転方法によれば、燃料電池内の生成水の影響を考慮して上記パラメータの少なくとも１つが制御される。これにより、燃料電池への要求出力に応じた制御によって発生する燃料電池内の生成水による不具合をなくすことができる。その結果、燃料電池の出力を確保することができる。

上記パラメータとして燃料電池に供給される燃料ガス中の水蒸気量を制御してもよい。この場合には、燃料電池内の生成水の影響を直接制御しながら、燃料電池の出力を制御することが可能になる。

上記パラメータとして燃料電池に供給される酸素の圧力を制御してもよい。この場合には、燃料電池内の生成水が排除される。これにより、燃料電池内の生成水の影響を受けることなく、燃料電池の出力を制御することが可能になる。

また、燃料電池システムが水蒸気改質と部分酸化改質とを利用する改質器を含む場合には、燃料電池への要求出力に応じて、水蒸気改質と部分酸化改質との比率を制御してもよい。この場合には、燃料電池への要求出力に応じた改質器温度に制御することが可能である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池システム１の構成を示す。燃料電池システム１は、固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略称する）１０を備えている。

ＰＥＦＣ１０には、酸素ガス供給管路１２を介して酸素含有ガスである空気が供給され、水素ガス供給管路１４を介して燃料ガスを水蒸気改質することにより得られた水素ガスが供給される。水素ガス供給管路１４には、水素ガス中の水蒸気混在量を調整するバッファータンク２８と、燃料ガスを水蒸気改質する改質器２６とが設けられている。燃料ガスとしては、例えば、メタノールが使用される。

ＰＥＦＣ１０は、固体高分子電解質膜を陽極と陰極とで挟持した構造を有している。陽極には空気が供給され、陰極には水素ガスが供給される。その結果、陽極と陰極のそれぞれにおいて以下に示す電極反応が進行する。

陰極（水素極）：
２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^-
陽極（酸素極）：
４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂ Ｏ
ＰＥＦＣ１０は、上記電極反応によって得られる起電力により、配線１６、１８を介してＤＣ／ＤＣコンバータ３２に電圧を供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、ＰＥＦＣ１０からの電圧を所望の電圧に変換し、変換された電圧をインバータ３６を介してモータ３８に供給する。その結果、モータ３８が駆動される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２とインバータ３６との間には、モータ３８に補助電力を供給するバッテリ３４が接続されている。バッテリ３４は、補助電池として機能する。

改質器２６は、燃料タンク２２から圧送ポンプ２２ａにより燃料ガスの供給を受け、水タンク２４から圧送ポンプ２４ａにより水の供給を受ける。改質器２６は、燃料ガスと水との改質反応を所定の温度で進行させる。これにより、水素ガスが水蒸気と混在した状態で生成される。改質器２６によって生成された水素ガスは、バッファータンク２８に送られる。

バッファータンク２８は、電子制御装置４０からの制御信号に応じてバッファータンク２８の温度を調整する機能を有している。例えば、バッファータンク２８の冷却冷媒の流量を調整することにより、バッファータンク２８の温度を調整することができる。

電子制御装置４０は、ＰＥＦＣ１０への要求出力をインバータ３６から受け取る。電子制御装置４０は、インバータ３６からの要求出力に応じて、改質ガス中の水分量を決定する。改質ガス中の水分量の決定は、例えば、インバータ３６からの要求出力と改質ガス中の水分量との関係をマップの形式で電子制御装置４０内に持つことによりなされ得る。

電子制御装置４０は、決定された改質ガス中の水分量が得られるように、バッファータンク２８の温度を調整する。ＰＥＦＣ１０への要求出力が高いほど改質ガス中の水分量が少なくなるように、バッファータンク２８の温度が調整される。このような調整により、ＰＥＦＣ１０が高出力時に、凝縮水によってＰＥＦＣ１０内の流路が閉塞することを回避することができる。

このように、燃料電池システム１を通過する流体（改質ガス）のパラメータ（改質ガス中の水分量）が、ＰＥＦＣ１０内の生成水の影響を考慮して制御される。これにより、ＰＥＦＣ１０への要求出力に応じた制御によって発生するＰＥＦＣ１０内の生成水による不具合をなくすことができる。その結果、ＰＥＦＣ１０の出力を確保することができる。

なお、ＰＥＦＣ１０内の生成水の影響を考慮して、燃料電池システム１を通過する流体の２以上のパラメータを制御するようにしてもよい。例えば、ＰＥＦＣ１０内の生成水の影響を考慮して、ＰＥＦＣ１０に供給される改質ガスの流量、圧力、温度、湿度のうち少なくとも１つのパラメータを制御するようにしてもよい。

なお、ＰＥＦＣ１０への燃料投入量（改質ガス量）を、ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力とバッテリ３４の充電状態（ＳＯＣ）とアクセル開度とに基づいて決定し、ＰＥＦＣ１０への燃料投入量に応じて改質ガス中の水分量を決定するようにしてもよい。ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力は、インバータ３６から電子制御装置４０に入力され得る。

例えば、アクセルが急激に開けられた場合には、ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力から決定される値に所定の値αを加算した値が燃料投入量として決定される。所定の値αは、アクセル開度の変位に応じて決定される。また、バッテリ３４の充電状態（ＳＯＣ）が基準の充電状態より低い場合には、ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力から決定される値に所定の値βを加算した値が燃料投入量として決定される。所定の値βは、バッテリ３４の充電状態（ＳＯＣ）に応じて決定される。

改質ガス中の水分量の決定は、例えば、ＰＥＦＣ１０への燃料投入量と改質ガス中の水分量との関係をマップの形式で電子制御装置４０内に持つことによりなされ得る。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池システム２の構成を示す。図２において、図１に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照番号を付し、説明を省略する。

酸素ガス供給管路１２には、エアーコンプレッサ５２が接続されている。エアーコンプレッサ５２は、酸素ガス供給管路１２を介して酸素含有ガスである空気をＰＥＦＣ１０に供給する。

ＰＥＦＣ１０からの空気出口には、加変圧力調整弁５４が設けられている。加変圧力調整弁５４は、ＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力を調整するために使用される。
電子制御装置４０は、ＰＥＦＣ１０への要求出力をインバータ３６から受け取る。電子制御装置４０は、インバータ３６からの要求出力に応じて、ＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力を決定する。ＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力の決定は、例えば、インバータ３６からの要求出力とＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力との関係をマップの形式で電子制御装置４０内に持つことによりなされ得る。

電子制御装置４０は、ＰＥＦＣ１０に決定された酸素の圧力が供給されるように、加変圧力調整弁５４の開度を制御する。
ＰＥＦＣ１０への要求出力が高いほどＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力が低くなるように、加変圧力調整弁５４の開度が調整される。このような調整により、ＰＥＦＣ１０が高出力時（生成水量が大の時）にＰＥＦＣ１０は低圧で運転されることになる。ＰＥＦＣ１０を低圧で運転することにより単位ガス量（モル数）あたりの水蒸気量を増やすことができる。また、ＰＥＦＣ１０を低圧で運転することによりガス流速が上昇するため凝縮水の排水性が向上する。これにより、凝縮水によってＰＥＦＣ１０内の流路が閉塞することを回避することができる。

このように、燃料電池システム２を通過する流体（酸素）のパラメータ（酸素供給圧）が、ＰＥＦＣ１０内の生成水の影響を考慮して制御される。これにより、ＰＥＦＣ１０への要求出力に応じた制御によって発生するＰＥＦＣ１０内の生成水による不具合をなくすことができる。その結果、ＰＥＦＣ１０の出力を確保することができる。

なお、ＰＥＦＣ１０内の生成水の影響を考慮して、燃料電池システム２を通過する流体の２以上のパラメータを制御するようにしてもよい。例えば、ＰＥＦＣ１０内の生成水の影響を考慮して、ＰＥＦＣ１０に供給される酸素の流量、圧力、温度、湿度のうち少なくとも１つのパラメータを制御するようにしてもよい。

また、ＰＥＦＣ１０が高出力時（ガス流量が大の時）にＰＥＦＣ１０が低圧となり、ＰＥＦＣ１０が低出力時（ガス流量が小の時）にＰＥＦＣ１０が高圧となるため、エアーコンプレッサ５２の負荷を標準化することができる。その結果、エアーコンプレッサ５２の総合効率が向上する。

なお、ＰＥＦＣ１０への燃料投入量（改質ガス量）を、ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力とバッテリ３４の充電状態（ＳＯＣ）とアクセル開度とに基づいて決定し、ＰＥＦＣ１０への燃料投入量に応じてＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力を決定するようにしてもよい。ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力は、インバータ３６から電子制御装置４０に入力され得る。

例えば、アクセルが急激に開けられた場合には、ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力から決定される値に所定の値αを加算した値が燃料投入量として決定される。所定の値αは、アクセル開度の変位に応じて決定される。また、バッテリ３４の充電状態（ＳＯＣ）が基準の充電状態より低い場合には、ＰＥＦＣ１０の前数秒間の平均出力から決定される値に所定の値βを加算した値が燃料投入量として決定される。所定の値βは、バッテリ３４の充電状態（ＳＯＣ）に応じて決定される。

ＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力の決定は、例えば、ＰＥＦＣ１０への燃料投入量とＰＥＦＣ１０に供給される酸素の圧力との関係をマップの形式で電子制御装置４０内に持つことによりなされ得る。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の燃料電池システム３の構成を示す。図３において、図１に示される構成要素と同一の構成要素には同一の参照番号を付し、説明を省略する。

インバータ３６からの要求出力が急激に低下した場合、アノードオフガスバッファータンク６６から流量調整装置６４を介してバーナ６２に供給されるアノードオフガスが過剰になる。過剰なアノードオフガスがバーナ６２によって燃焼される結果、改質器２６の温度が急激に上昇する現象が起こり得る。

電子制御装置４０は、改質器２６の急激な温度上昇を防止するために以下のように動作する。
電子制御装置４０は、ＰＥＦＣ１０への要求出力をインバータ３６から受け取る。電子制御装置４０は、インバータ３６からの要求出力が急激に低下した場合には、部分酸化改質（ＰＯＸ）に比べて水蒸気改質（ＳＲ）の割合が増加するように水蒸気改質（ＳＲ）と部分酸化改質（ＰＯＸ）との割合を調整する。このような調整は、例えば、圧送ポンプ２４ａの出力を上昇させ、エアーコンプレッサ６８の出力を低下させることによって達成される。水蒸気改質（ＳＲ）は吸熱反応であり、部分酸化改質（ＰＯＸ）は発熱反応である。従って、過剰なアノードオフガスの燃焼によって生じる熱を水蒸気改質（ＳＲ）に利用することにより、改質器２６の急激な温度上昇を防止することができる。

水蒸気改質（ＳＲ）と部分酸化改質（ＰＯＸ）との割合は、改質器２６に供給される燃料と水と空気の量によって調整される。改質器２６に供給される燃料の量は、圧送ポンプ２２ａの出力によって調整される。改質器２６に供給される水の量は、圧送ポンプ２４ａの出力によって調整される。改質器２６に供給される空気の量は、エアーコンプレッサ６８の出力によって調整される。圧送ポンプ２２ａ、圧送ポンプ２４ａおよびエアーコンプレッサ６８は、電子制御装置４０によって制御される。

本発明の実施の形態１の燃料電池システム１の構成を示す図である。 本発明の実施の形態２の燃料電池システム２の構成を示す図である。 本発明の実施の形態３の燃料電池システム３の構成を示す図である。

符号の説明

１、２、３…燃料電池システム、１０…ＰＥＦＣ、１２…酸素ガス供給管路、１４…水素ガス供給管路、１６、１８…配線、２２…燃料タンク、２４…水タンク、２２ａ、２４ａ…圧送ポンプ、２６…改質器、２８…バッファータンク、３２…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３４…バッテリ、３６…インバータ、３８…モータ、４０…電子制御装置、５２…エアーコンプレッサ、５４…加変圧力調整弁、６２…バーナ、６４…流量調整装置、６６…アノードオフガスバッファータンク、６８…エアーコンプレッサ。

Claims (6)

1. 燃料電池への要求出力に応じて、燃料電池システムを通過する流体のパラメータのうち少なくとも１つを制御する燃料電池システムの運転方法において、
   前記燃料電池内の生成水の影響を考慮して、前記パラメータの少なくとも１つを制御することを特徴とする、燃料電池システムの運転方法。
2. 前記パラメータとして前記燃料電池に供給される燃料ガス中の水蒸気量を制御する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
3. 前記パラメータとして前記燃料電池に供給される酸素の圧力を制御する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
4. 前記燃料電池システムは補助電池を有する、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
5. 前記燃料電池システムは、水蒸気改質と部分酸化改質とを利用する改質器を含む、請求項１に記載の燃料電池システムの運転方法。
6. 前記燃料電池への要求出力に応じて水蒸気改質と部分酸化改質との比率を制御する、請求項５に記載の燃料電池システムの運転方法。

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