JP2009176454A - ガス供給システムおよびガス供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】濃度過電圧の主要因であるガス分圧もしくは利用率と水バランスとを同時に制御可能なガス供給システムおよびガス供給方法を提供する。
【解決手段】燃料電池５で消費されるアノードガスおよびカソードガスの消費量と、実際に燃料電池５に供給されるアノードガスおよびカソードガスの供給量とを常時一致させる。また、燃料電池５のアノード５１およびカソード５２に供給されるガス総流量を一定にする。このため、燃料電池５に与える単位時間当たりの水分量を維持することができ、水バランスを適切に維持できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に供給されるガスを制御するガス供給システムおよびガス供給方法に関する。

水素と酸素とを化学反応させて発電する燃料電池が知られている。燃料電池には、燃料電池での発電に必要な量の燃料ガスおよび酸化ガスを与える必要がある。燃料電池に供給されるガスの状態は、燃料電池の発電効率等に大きな影響を与えるため、供給ガスの状態を制御するためにガス供給システムが使用される。
特開２００７−９５４４６号公報

燃料電池においては、必要なガス（導入ガス流量）は消費ガス自体ではなく余剰分が付加されており、発電に使用される消費ガス流量と導入ガス量の相関について、式（１）で示される利用率（％）という表現を用いる。

利用率（％）＝消費ガス流量／導入ガス流量×１００ ・・・式（１）

そして、発電電流が変化する際には、利用率が一定となるような流量制限（利用率固定制御）をするのが一般的である。

燃料電池では、膜抵抗による損失、活性化過電圧および濃度過電圧により電圧損失が構成されているといえる。そのうちの濃度過電圧にはガス分圧に起因するものと、生成水を主とする液水による影響に起因するもの（水バランス）とがあると考えられ、水バランスを変化させないためには導入ガス流量は一定とすべきである。よって、単一ガスにおける利用率固定制御においては、水バランスは一定にならない。

本発明の目的は、濃度過電圧の主要因であるガス分圧と水バランスとを同時に制御可能なガス供給システムおよびガス供給方法を提供することにある。

本発明のガス供給システムは、燃料電池に供給されるガスを制御するガス供給システムにおいて、アノードガスまたはカソードガスと、不活性な希釈ガスとを混合して燃料電池に供給するガス供給手段と、前記アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、前記アノードガスまたはカソードガスと前記希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するように、前記ガス供給手段を制御する流量制御手段と、を備えることを特徴とする。
このガス供給システムによれば、アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、アノードガスまたはカソードガスと希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するので、燃料電池特性変化の主要因であるガス分圧もしくは利用率と水バランスとを同時に制御できる。

前記流量制御手段を機能させつつ、前記燃料電池の特性を計測する特性計測手段を備えてもよい。

前記流量制御手段を機能させつつ、前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段を備えてもよい。

前記インピーダンス計測手段は、アノードおよびカソードの過電圧を分離して計測してもよい。

本発明のガス供給方法は、燃料電池に供給されるガスを制御するガス供給方法において、アノードガスまたはカソードガスと、不活性な希釈ガスとを混合して燃料電池に供給するステップと、アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、アノードガスまたはカソードガスと前記希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するように、前記供給するステップによるガス供給流量を制御するステップと、を備えることを特徴とする。
このガス供給方法によれば、アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムにほぼ一致させると同時に、アノードガスまたはカソードガスと希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するので、燃料電池特性変化の主要因であるガス分圧もしくは利用率と水バランスとを同時に制御できる。

前記ガス供給流量を制御するステップを実行している間に、前記燃料電池のインピーダンスを計測するステップを備えてもよい。

前記インピーダンスを計測するステップでは、アノードおよびカソードの過電圧を分離して計測してもよい。

本発明のガス供給システムによれば、アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、アノードガスまたはカソードガスと希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するので、燃料電池特性変化の主要因であるガス分圧もしくは利用率と水バランスとを同時に制御できる。

本発明のガス供給方法によれば、アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、アノードガスまたはカソードガスと希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するので、燃料電池特性変化の主要因であるガス分圧もしくは利用率と水バランスとを同時に制御できる。

以下、図１〜図３を参照して、本発明によるガス供給システムの一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のガス供給システムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態のガス供給システムは、アノード５１およびカソード５２の間に固体高分子膜５３を備える燃料電池５へ供給するガスを制御するシステムである。

図１に示すように、本実施形態のガス供給システムは、燃料電池５のアノード５１に向けてガスを供給するアノードガス供給系１と、燃料電池５のカソード５２に向けてガスを供給するカソードガス供給系２と、アノードガス供給系１およびカソードガス供給系２を制御する流量制御手段３と、を備える。

アノードガス供給系１は、アノードガスの流量を制御するアノードガス流量制御部１１と、アノードガスを希釈する希釈ガスの流量を制御するアノード希釈ガス流量制御部１２と、アノードガス流量制御部１１およびアノード希釈ガス流量制御部１２をそれぞれ経由したアノードガスおよび希釈ガスの混合ガスの湿度を調整し、混合ガスに所望の露点を与える加湿部１３と、を備える。希釈ガスは、一般に不活性ガスと呼称されるＮ_２、Ａｒ、Ｈｅなどの単体として燃料電池の発電を阻害しないガスである。加湿部１３を経由したガスは、燃料電池５のアノード５１に供給され、燃料電池５の発電に寄与した後、アノード排気ライン６を経て排気される。

カソードガス供給系２は、カソードガスの流量を制御するカソードガス流量制御部２１と、カソードガスを希釈する希釈ガスの流量を制御するカソード希釈ガス流量制御部２２と、カソードガス流量制御部２１およびカソード希釈ガス流量制御部２２をそれぞれ経由したカソードガスおよび希釈ガスの混合ガスの湿度を調整し、混合ガスに所望の露点を与える加湿部２３と、を備える。希釈ガスは、一般に不活性ガスと呼称されるＮ_２、Ａｒ、Ｈｅなどの単体として燃料電池の発電を阻害しないガスである。加湿部２３を経由したガスは、燃料電池５のカソード５２に供給され、燃料電池５の発電に寄与した後、カソード排気ライン７を経て排気される。

次に、流量制御手段３の動作について説明する。

流量制御手段３には、予め燃料電池のアノード５１に供給されるべきアノードガスおよび希釈ガスの混合ガスの供給量Ｆａｎ＿ｓ（Ｌ／ｍｉｎ）、およびカソード５２に供給されるべきカソードガスおよび希釈ガスの混合ガスの供給量Ｆｃａ＿ｓ（Ｌ／ｍｉｎ）が設定される。

また、流量制御手段３では、燃料電池５の出力電流（実際の出力電流または必要とされる出力電流）に基づいて、アノード５１に与えられるべきアノードガス流量Ｆａｎ（Ｌ／ｍｉｎ）およびカソード５２に与えられるべきカソードガス流量Ｆｃａ（Ｌ／ｍｉｎ）をリアルタイムに算出する。

そして、流量制御手段３は、アノードガス流量制御部１１から排出されるアノードガス流量Ｆａｎｒ（Ｌ／ｍｉｎ）が、常時、式（２）を満たすように、アノードガス流量制御部１１をリアルタイムに制御する。

Ｆａｎ−△≦Ｆａｎｒ≦Ｆａｎ＋△ ・・・式（２）
ただし、△は誤差であり、例えば、△＝Ｆａｎ×０．１程度とされる。

同様に、流量制御手段３は、カソードガス流量制御部２１から排出されるカソードガス流量Ｆｃａｒ（Ｌ／ｍｉｎ）が、常時、式（３）を満たすように、カソードガス流量制御部２１をリアルタイムで制御する。

Ｆｃａ−△≦Ｆｃａｒ≦Ｆｃａ＋△ ・・・式（３）
ただし、△は誤差であり、例えば、△＝Ｆａｎ×０．１程度とされる。

このような制御により、燃料電池５の出力電流が変化しても、燃料電池５で消費されるアノードガスおよびカソードガスの消費量と、実際に燃料電池５に供給されるアノードガスおよびカソードガスの供給量との対応関係を常時、維持することができる。

また、流量制御手段３は、アノード希釈ガス流量制御部１２から排出される希釈ガス流量（Ｆａｎ＿ｄ）（Ｌ／ｍｉｎ）が、常時、式（４）を満たすようにアノード希釈ガス流量制御部１２を制御する。

Ｆａｎ＿ｄ＝Ｆａｎ＿ｓ−Ｆａｎｒ ・・・式（４）

同様に、流量制御手段３は、カソード希釈ガス流量制御部２２から排出される希釈ガス流量（Ｆｃａ＿ｄ）（Ｌ／ｍｉｎ）が、常時、式（５）を満たすようにカソード希釈ガス流量制御部２２を制御する。

Ｆｃａ＿ｄ＝Ｆｃａ＿ｓ−Ｆｃａｒ ・・・式（５）

このような制御により、燃料電池５の出力電流が変化しても、燃料電池５のアノード５１およびカソード５２に供給されるガス総流量を一定にすることができる。このため、燃料電池５に与えるないしは排出する単位時間当たりの水分量を維持することができ、水バランスを適切に維持できる。

以上のように、上記実施形態のガス供給システムによれば、利用率と水バランスをアノードガス流量Ｆａｎｒ、カソードガス流量Ｆｃａｒ、希釈ガス流量Ｆａｎ＿ｄ、および希釈ガス流量Ｆｃａ＿ｄにより制御するため、燃料電池５における特性変化の主要因であるガス分圧もしくは利用率と水バランスとを同時に個別に制御することが可能となる。

図２は、本発明によるガス供給システムによりガスを供給しながら、燃料電池５のインピーダンス計測を実行する例を示すブロック図である。

図２に示すように、燃料電池５のアノード５１およびカソード５２間には、インピーダンス計測手段８および電子負荷９が接続される。電子負荷９により負荷を変動させた際の、電流と電圧変化をインピーダンス計測手段８で取得することにより、燃料電池５のインピーダンス計測を実行できる。

この場合、例えば、流量制御手段３によりガス利用率を任意の値に制御しつつインピーダンス計測を行うことにより、純粋にアノードガス利用率もしくはカソードガス利用率の変化に応じたインピーダンス変化を抽出することが可能となる。

利用率変化に対する燃料電池特性変化を抽出することは燃料電池の評価に有益である。ところで、一般的に、水の持ち込み、持ち去り能力は相対湿度を一定にした場合、総流量により決まり、電流一定であれば、水バランスが一定と考えられる。異なる電流同士での比較をする場合、電流変化によって生成水量も変化するため、総流量を一定にしても水バランスは変化することになる。しかし、生成水量が少なく、結露しない範囲であれば、流量一定は水バランスが変化していないことと近似と考えられる。また、生成水量の変化による燃料電池特性への影響がない充分な流量があれば、水バランスが変化していないことと近似となると考えられる。

同じ電流において比較する場合に、単一ガスによる一定流量制御の場合には、利用率変化は総流量変化と同義であるため、利用率変化時の差異を抽出することができない。しかし、本発明のガス供給システムによれば、利用率を変化させつつも、総流量、即ち、水バランスを変えずに制御することが可能となることから、利用率変化の差異のみを抽出することが可能となる。

また、異なる電流において比較する場合に、単一ガスによる制御の場合には、従来は、流量一定制御、もしくは、利用率一定制御のどちらか一方しか実現できない。これに対し、本発明のガス供給システムによれば、流量一定のまま利用率を制御することが可能となることから、単一ガス時に比して、よりガス条件として差異のない状態での電流変化時の燃料電池特性が比較可能である。

図３は、本発明によるガス供給システムによりガスを供給しながら、燃料電池５の過電圧分離インピーダンス計測を実行する例を示すブロック図である。なお、本発明によるガス供給システムによりガスを供給しながら、燃料電池５のインピーダンス以外の特性を評価することもできる。

図３に示すように、燃料電池５のアノード５１およびカソード５２間には、インピーダンス計測手段８１、インピーダンス計測手段８２および電子負荷９が接続される。インピーダンス計測手段８１は基準電極８３を電位基準としてアノード５１の電位を、インピーダンス計測手段８２は基準電極８３を電位基準としてカソード５２の電位を、それぞれ計測することにより、アノード過電圧およびカソード過電圧を分離計測できる。

その際、本発明によるガス供給システムを用いて燃料電池５にガス供給を行うことにより、純粋にアノードガスの利用率、あるいはカソードガスの利用率の変化に応じたインピーダンス変化を評価することが可能となる。

なお、基準電極は参照電極とも呼称され、燃料電池の評価で一般的に用いられる基準電極としては、標準水素電極、可逆水素電極などがある。

以上説明したように、本発明のガス供給システムおよびガス供給方法によれば、アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、アノードガスまたはカソードガスと希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するので、燃料電池特性変化の主要因であるガス分圧もしくは利用率と水バランスとを同時に制御できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、燃料電池に供給されるガスを制御するガス供給システムおよびガス供給方法に対し、広く適用することができる。

一実施形態のガス供給システムの構成を示すブロック図。 本発明によるガス供給システムによりガスを供給しながら、燃料電池のインピーダンス計測を実行する例を示すブロック図。 本発明によるガス供給システムによりガスを供給しながら、燃料電池の過電圧分離インピーダンス計測を実行する例を示すブロック図。

符号の説明

１ アノードガス供給系（ガス供給手段）
２ カソードガス供給系（ガス供給手段）
３ 流量制御手段
５ 燃料電池
８ インピーダンス計測手段（特性計測手段）
５１ アノード
５２ カソード

Claims (7)

1. 燃料電池に供給されるガスを制御するガス供給システムにおいて、
   アノードガスまたはカソードガスと、不活性な希釈ガスとを混合して燃料電池に供給するガス供給手段と、
   前記アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、前記アノードガスまたはカソードガスと前記希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するように、前記ガス供給手段を制御する流量制御手段と、
   を備えることを特徴とするガス供給システム。
2. 前記流量制御手段を機能させつつ、前記燃料電池の特性を計測する特性計測手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のガス供給システム。
3. 前記特性計測手段として、前記燃料電池のインピーダンスを計測するインピーダンス計測手段を備えることを特徴とする請求項２に記載のガス供給システム。
4. 前記インピーダンス計測手段は、アノードおよびカソードの過電圧を分離して計測することを特徴とする請求項３に記載のガス供給システム。
5. 燃料電池に供給されるガスを制御するガス供給方法において、
   アノードガスまたはカソードガスと、不活性な希釈ガスとを混合して燃料電池に供給するステップと、
   前記アノードガスまたはカソードガスの供給量を燃料電池で必要な量にリアルタイムに一致させると同時に、前記アノードガスまたはカソードガスと前記希釈ガスとを合計した総流量を一定に維持するように、前記供給するステップによるガス供給流量を制御するステップと、
   を備えることを特徴とするガス供給方法。
6. 前記ガス供給流量を制御するステップを実行している間に、前記燃料電池のインピーダンスを計測するステップを備えることを特徴とする請求項５に記載のガス供給方法。
7. 前記インピーダンスを計測するステップでは、アノードおよびカソードの過電圧を分離して計測することを特徴とする請求項６に記載のガス供給方法。

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