JP2010108729A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】運転状況の変化に伴う生成水量の変動にも、容易且つ確実に対応することができ、簡単且つコンパクトな構成で、排水中のｐＨを適正な値に維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２から排出される排ガスを流す排出流路７４と、前記排出流路７４に配置され、前記燃料電池スタック１２からの排出流れを駆動流として通流させるエゼクタ７６と、前記エゼクタ７６の吸引口７８に連通し、前記排出流れにより前記エゼクタ７６に中和剤を吸引させる中和剤供給機構８０とを備える。中和剤供給機構８０は、中和剤を貯留する中和剤タンク８２と、前記中和剤タンク８２からエゼクタ７６に吸引される前記中和剤の量を調整可能な可変絞り弁８４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその制御方法に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、定置用の他、車載用として車両に組み込まれている。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を設けた電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持して構成されている。

ところで、燃料電池では、良好なイオン伝導性を確保するために、電解質膜を所望の湿潤状態に維持する必要がある。このため、酸化剤ガスや燃料ガスは、一般的に、燃料電池に供給される前に加湿装置を介して加湿されている。また、燃料電池の発電時に、カソード電極側では、反応により水が生成される一方、アノード電極側では、水の逆拡散が発生し易い。

その際、燃料電池の構成部品である電解質膜や電極触媒からイオンが溶出され、このイオンが、前記燃料電池から排出される排ガス（及び排水）中に混在する場合がある。従って、イオンが混在した、例えば、弱酸性の排水を中和して外部に放出するために、種々の処置が行われている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムは、図４に示すように、発電を行う燃料電池１と、前記燃料電池１から排出される水分に含まれるイオンを低減するイオン除去膜２ａ、２ｂと、前記燃料電池１から排出される水分に含まれるイオンの量又は該燃料電池１から排出される水分中のイオン濃度を検出するイオン検出手段であるイオン検出器３及び流量検出計４と、イオンの量又はイオン濃度に基づいて、前記燃料電池１からの排水量を制御する流量調整弁５とを備えている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池システムは、原料ガスを処理して水素富化燃料ガスに改質する燃料処理装置と、前記燃料ガス中の水素と、空気中の酸素とを電気化学的に反応させて電気を発生する燃料電池セルスタックと、前記電気化学的反応に伴って生成する生成水のうち、系内で再利用されずに系外へ排出される排水のｐＨ調整をするｐＨ調整装置とを備えている。そして、ｐＨ調整装置は、排水に空気を接触させることによりｐＨを調整するように構成されている。

特開２００５−２２８５９１号公報 特開２００４−１７２０１６号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、イオン除去膜２ａ、２ｂに捕集されたイオン量が増大すると、その機能が低下してしまうため、排出されるイオン量を低減するイオン排出低減手段６が設けられている。従って、燃料電池システム全体をコンパクトに構成することができず、特に車載用に適さないという問題がある。

しかも、車載用では、様々の運転状況に対応しなければならない。これにより、上記の特許文献１では、例えば、生成水量の変動に対する制御性等に多くの課題が存在してしまう。

また、上記の特許文献２では、定置用の燃料電池システムを想定している。従って、特許文献２は、搭載性及び制御性等に多くの課題を有する車載用に適さないという問題がある。

本発明はこの種の課題及び問題を解決するものであり、運転状況の変化に伴う生成水量の変動にも、容易且つ確実に対応することができ、簡単且つコンパクトな構成で、排水中のｐＨを適正な値に維持することが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスを流す排出流路と、前記排出流路に配置され、前記燃料電池からの排出流れを駆動流として通流させるエゼクタと、前記エゼクタの吸引口に連通し、前記排出流れにより前記エゼクタに中和剤を吸引させる中和剤供給機構とを備えている。

また、燃料電池システムは、エゼクタの下流に配置され、中和剤が混入された排出流れが導入される気液分離器を備えることが好ましい。

さらに、中和剤供給機構は、中和剤を貯留する中和剤タンクと、前記中和剤タンクからエゼクタに吸引される前記中和剤の量を調整可能な可変絞り部とを備えることが好ましい。

さらにまた、気液分離器は、ｐＨ測定器を備えるとともに、前記ｐＨ測定器からの信号に基づいて可変絞り部を制御する制御部が設けられることが好ましい。

また、制御部は、ｐＨ測定器からの信号値が設定値よりも大きい場合に、可変絞り部を閉塞する方向、又は開放する方向に制御する一方、前記ｐＨ測定器からの信号値が前記設定値よりも小さい場合に、前記可変絞り部を開放する方向、又は閉塞する方向に制御することが好ましい。

さらに、本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出される排ガスを流す排出流路と、前記排出流路に配置され、前記燃料電池からの排出流れを駆動流として通流させるエゼクタと、前記エゼクタの吸引口に連通し、前記排出流れにより前記エゼクタに吸引される中和剤の量を調整可能な可変絞り部とを備える燃料電池システムの制御方法に関するものである。

この制御方法は、エゼクタから排出される排出水のｐＨを検出する工程と、前記検出されたｐＨが、設定値よりも大きい場合に、可変絞り部を閉塞する方向、又は開放する方向に制御する工程と、前記検出されたｐＨが、前記設定値よりも小さい場合に、前記可変絞り部を開放する方向、又は閉塞する方向に制御する工程とを有している。

本発明では、燃料電池からの排出流れの流速によって、エゼクタの吸引口から中和剤が吸引されている。このため、燃料電池の運転状況が変化するのに伴って生成水の量が変動すると、前記生成水量に応じて中和剤の吸引量が変動する。

従って、排出流れには、変動する生成水量に対し一定の比率で中和剤を投入することができ、燃料電池の運転状況の変化に伴う生成水量の変動にも、容易且つ確実に対応することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、排水中のｐＨを適正な値に維持することができる。

また、本発明では、エゼクタから排出される排水のｐＨを検出し、このｐＨの値に応じて可変絞り部の開度を調整している。このため、ｐＨ値に応じた適切な量の中和剤を確実に投入することが可能になり、排水を良好に中和させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池システム１０全体の制御を行うコントローラ１８とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２０を積層して構成される。各燃料電池２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２２をカソード電極２４とアノード電極２６とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２８を備える。

カソード電極２４及びアノード電極２６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２２の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体２８をカソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２で挟持する。カソード側セパレータ３０及びアノード側セパレータ３２は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ３０と電解質膜・電極構造体２８との間には、酸化剤ガス流路３４が設けられるとともに、アノード側セパレータ３２と前記電解質膜・電極構造体２８との間には、燃料ガス流路３６が設けられる。

燃料電池スタック１２には、各燃料電池２０の積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体を供給する冷却媒体入口連通孔（図示せず）、前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、前記燃料ガスを排出する燃料ガス出口連通孔４０ｂ、及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体出口連通孔（図示せず）が設けられる。

酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ５０を備え、前記エアコンプレッサ５０が空気供給流路５２に配設される。空気供給流路５２には、加湿器５４が配設されるとともに、前記空気供給流路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通する。

酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する空気排出流路５６を備える。空気排出流路５６は、加湿器５４の加湿媒体通路（図示せず）に連通するとともに、この空気排出流路５６には、エアコンプレッサ５０から空気供給流路５２を通って燃料電池スタック１２に供給される空気の圧力を調整するための開度調整可能な背圧制御弁５８が設けられる。空気排出流路５６は、希釈ボックス６０に連通する。

燃料ガス供給装置１６は、高圧水素を貯留する水素タンク６２を備え、この水素タンク６２は、水素供給流路６４を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに連通する。この水素供給流路６４には、エゼクタ６６が設けられる。エゼクタ６６は、水素タンク６２から供給される水素ガスを、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、水素循環路６８から吸引して、再度、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスとして供給する。

燃料ガス出口連通孔４０ｂには、オフガス流路７０が連通する。オフガス流路７０の途上には、水素循環路６８が連通するとともに、前記オフガス流路７０には、パージ弁７２を介して希釈ボックス６０が接続される。

燃料電池システム１０は、希釈ボックス６０の排出口側に接続され、燃料電池スタック１２から排出される排出酸化剤ガス及び排出燃料ガスの混合ガス（以下、単に排ガスという）を排出する排出流路７４を備える。

排出流路７４には、希釈ボックス６０からの排出流れを駆動流として通流させるエゼクタ７６が配置される。このエゼクタ７６の吸引口７８には、排出流れにより前記エゼクタ７６に中和剤を吸引させるための中和剤供給機構８０が連結される。

中和剤供給機構８０は、中和剤を貯留する中和剤タンク８２と、前記中和剤タンク８２からエゼクタ７６に吸引される前記中和剤の量を調整可能な可変絞り弁（可変絞り部）８４とを備える。中和剤は、燃料電池スタック１２内の反応による生成水を、ｐＨに応じて中和するものであり、必要に応じて酸性物質又は塩基性物質が選択される。

エゼクタ７６の下流には、中和剤を混入した排出流れが導入される気液分離器（タンク）８６が配設される。この気液分離器８６には、排気流路８８と排水流路９０とが設けられるとともに、前記排水流路９０には、排出弁９２が配置される。

気液分離器８６内には、この気液分離器８６に貯留される生成水のｐＨを検出するｐＨ測定器９４が配置される。このｐＨ測定器９４からのｐＨ信号は、コントローラ１８に送られ、前記コントローラ１８は、前記ｐＨ信号に基づいて可変絞り弁８４を制御する。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池システム１０の運転時には、酸化剤ガス供給装置１４を構成するエアコンプレッサ５０を介して、空気供給流路５２に空気が送られる。この空気は、加湿器５４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔３８ａに供給される。この空気は、燃料電池スタック１２内の各燃料電池２０に設けられている酸化剤ガス流路３４に沿って移動することにより、カソード電極２４に供給される。

使用済みの空気は、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂから空気排出流路５６に排出され、加湿器５４に送られることによって新たに供給される空気を加湿した後、背圧制御弁５８を介して希釈ボックス６０に導入される。

一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク６２から水素供給流路６４に水素ガスが供給される。この水素ガスは、水素供給流路６４を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４０ａに供給される。燃料電池スタック１２内に供給された水素ガスは、各燃料電池２０の燃料ガス流路３６に沿って移動することにより、アノード電極２６に供給される。

使用済みの水素ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂから水素循環路６８を介してエゼクタ６６に吸引され、燃料ガスとして、再度、燃料電池スタック１２に供給される。従って、カソード電極２４に供給される空気とアノード電極２６に供給される水素ガスとが電気化学的に反応して発電が行われる。

一方、水素循環路６８を循環する水素ガスには、不純物が混在し易い。このため、不純物を混在する水素ガスは、パージ弁７２が開放されることによって希釈ボックス６０に導入される。

次いで、燃料電池システム１０の制御方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

ここで、エゼクタ７６は、図３に示すように、排出ガス量（排水量）が増加するのに伴って、吸引する中和剤投入量が増加する特性を有している。排出ガス流れを駆動流として中和剤を吸引するからである。さらに、エゼクタ７６は、可変絞り弁８４の開度が大きくなるのに伴って、吸引する中和剤投入量が増加する特性を有している。

そこで、先ず、中和剤供給機構８０を構成する可変絞り弁８４の開度が、初期値に設定される（ステップＳ１）。このため、排出流路７４を流動する排出ガスの排出流れを駆動流として、エゼクタ７６に前記排出ガスが通流すると、前記エゼクタ７６の吸引口７８から中和剤タンク８２内の中和剤が吸引される。従って、エゼクタ７６を介して排出流れに中和剤が混合され、気液分離器８６には、中和剤が混合された排出ガスが導入される。

気液分離器８６は、例えば、遠心式気液分離器を構成しており、前記気液分離器８６内では、気液分離と中和剤の攪拌とが同時に行われ、前記排水の中和が行われる。気液分離器８６には、ｐＨ測定器９４が設けられており、前記気液分離器８６に貯留される排水のｐＨが測定される。

そして、ステップＳ２において、ｐＨ測定器９４により測定されるｐＨが、規定値範囲内にあると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進んで、排出弁９２が開放される。従って、気液分離器８６に貯留されている排水は、排水流路９０を介して外部に排出される。

一方、ステップＳ２において、測定されたｐＨが、規定値範囲外であると判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ４に進んで、前記測定されたｐＨが、規定値以上であるか否かが判断される。

ここで、測定されたｐＨが、規定値未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、すなわち、排水が酸性であると判断されると、ステップＳ５に進む。このステップＳ５では、可変絞り弁８４の開度を開放側に制御する指示がなされ、ステップＳ６に進んで、前記可変絞り弁８４の開度が開放側に調整される。これにより、エゼクタ７６の吸引口７８から吸引される中和剤（塩基性物質）の投入量が増加される（図３参照）。

また、ステップＳ４において、測定されたｐＨが、規定値を超えていると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、すなわち、排水がアルカリ性であると判断されると、ステップＳ７に進む。このステップＳ７では、可変絞り弁８４の開度を閉塞側に制御する指示がなされ、ステップＳ６に進んで、可変絞り弁８４の開度が閉塞側に調整される。従って、エゼクタ７６に吸引される中和剤の投入量が減少される（図３参照）。

そして、上記の工程は、運転停止まで繰り返し行われる（ステップＳ８）。なお、コントローラ１８による可変絞り弁８４の開度調整は、例えば、ＰＩＤ制御により行われ、温度等に応じた開度調整マップ（図示せず）が使用される。

この場合、本実施形態では、希釈ボックス６０から排出される排出ガスの排出流れの流速により、エゼクタ７６の吸引口７８から中和剤が吸引されている。このため、燃料電池スタック１２の運転状況が変化するのに伴って生成水の量が変動すると、前記生成水量に応じて前記中和剤の吸引量が変動する。

従って、排出流路７４を流動する排出流れには、変動する生成水量に対し一定の比率で中和剤を投入することができ、燃料電池スタック１２の運転状況の変化に伴う生成水量の変動にも、容易且つ確実に対応することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、排水中のｐＨを適正な値に維持することができるという効果が得られる。

また、本実施形態では、気液分離器８６にｐＨ測定器９４が設けられており、エゼクタ７６から排出される排水のｐＨが検出されている。この検出されたｐＨ信号は、コントローラ１８に送られ、前記コントローラ１８は、前記ｐＨの値に応じて可変絞り弁８４の開度を調整している。このため、気液分離器８６に貯留される排水のｐＨ値に応じて適切な量の中和剤を確実に投入することが可能になり、排水を良好に中和させることができるという利点がある。

なお、本実施形態では、排水が酸性である場合について説明したが、この排水がアルカリ性である場合には、中和剤として酸性物質を使用する。そして、測定されたｐＨが、規定値未満であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、可変絞り弁８４の開度を閉塞側に制御する一方、前記測定されたｐＨが、規定値を超えていると判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、前記可変絞り弁８４の開度を開放側に制御する。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムの制御方法を説明するフローチャートである。 前記燃料電池システムに使用されるエゼクタの特性説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置 １６…燃料ガス供給装置
１８…コントローラ ２０…燃料電池
２２…固体高分子電解質膜 ２４…カソード電極
２６…アノード電極 ２８…電解質膜・電極構造体
３０、３２…セパレータ ３４…酸化剤ガス流路
３６…燃料ガス流路 ３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ５０…エアコンプレッサ
５２…空気供給流路 ５４…加湿器
５６…空気排出流路 ５８…背圧制御弁
６０…希釈ボックス ６２…水素タンク
６４…水素供給路 ６６、７６…エゼクタ
６８…水素循環路 ７０…オフガス流路
７４…排出流路 ７８…吸引口
８０…中和剤供給機構 ８２…中和剤タンク
８４…可変絞り弁 ８６…気液分離器
８８…排気流路 ９０…排水流路
９２…排出弁 ９４…ｐＨ測定器

Claims (6)

1. 酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される排ガスを流す排出流路と、
   前記排出流路に配置され、前記燃料電池からの排出流れを駆動流として通流させるエゼクタと、
   前記エゼクタの吸引口に連通し、前記排出流れにより前記エゼクタに中和剤を吸引させる中和剤供給機構と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記エゼクタの下流に配置され、前記中和剤を混入した前記排出流れが導入される気液分離器を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記中和剤供給機構は、前記中和剤を貯留する中和剤タンクと、
   前記中和剤タンクから前記エゼクタに吸引される前記中和剤の量を調整可能な可変絞り部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、前記気液分離器は、ｐＨ測定器を備えるとともに、
   前記ｐＨ測定器からの信号に基づいて前記可変絞り部を制御する制御部が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記ｐＨ測定器からの信号値が設定値よりも大きい場合に、前記可変絞り部を閉塞する方向、又は開放する方向に制御する一方、前記ｐＨ測定器からの信号値が前記設定値よりも小さい場合に、前記可変絞り部を開放する方向、又は閉塞する方向に制御することを特徴とする燃料電池システム。
6. 酸化剤ガス及び燃料ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から排出される排ガスを流す排出流路と、
   前記排出流路に配置され、前記燃料電池からの排出流れを駆動流として通流させるエゼクタと、
   前記エゼクタの吸引口に連通し、前記排出流れにより前記エゼクタに吸引される中和剤の量を調整可能な可変絞り部と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記エゼクタから排出される排出水のｐＨを検出する工程と、
   前記検出されたｐＨが、設定値よりも大きい場合に、前記可変絞り部を閉塞する方向、又は開放する方向に制御する工程と、
   前記検出されたｐＨが、前記設定値よりも小さい場合に、前記可変絞り部を開放する方向、又は閉塞する方向に制御する工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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