JP2011222176A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックおよび加湿手段の乾燥を未然に防ぎ、安定して運転することができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】
燃料電池と、酸化剤供給流路と、酸化剤排出流路と、酸化剤供給流路と酸化剤排出流路とに架け渡され酸化剤排出流体から供給酸化剤へ水分を移動させる加湿手段と、酸化剤供給流路の加湿手段の上流側に設けられた酸化剤供給流量調整手段と、酸化剤排出流体の温度検出手段と、燃料電池の出力電流検出手段と、酸化剤供給流量調整手段の制御手段とを備え、制御手段は、加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、酸化剤排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づき流量調整を行う燃料電池システム。酸化剤供給流量調整手段を、加湿手段の下流側に設けられた酸化剤圧力調整手段としたり、これら両方を備えることもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に供給する空気を加湿手段で加湿するようにした燃料電池システムに係り、特に、燃料電池および加湿手段の乾燥を未然に抑制して燃料電池システムを安定して運転する技術に関する。

燃料電池としては、平板状の膜電極構造体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）の両側にセパレータが積層された積層体が単位セルとされ、複数の単位セルが例えば数百層積層されて燃料電池スタックとして構成された燃料電池が知られている。膜電極構造体は、正極（空気極、カソード）および負極（燃料極、アノード）を構成する一対の電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。このような燃料電池によると、例えば、燃料極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料ガス（水素）を流し、空気極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸化剤ガス（空気）を流すと電気化学反応が起こり、発電が生じる。

ここで、上記のような電気化学反応を安定させて発電効率を高く維持するためには、電解質膜を飽和含水状態に維持して、イオン交換樹脂としての機能を確保する必要がある。たとえば、特許文献１には、ブロアから送り出された酸化剤ガスを加湿手段に流通させ、加湿手段内で燃料電池スタックから排出された使役後の酸化剤ガス（以下、カソードオフガスまたはオフガスと称する場合がある）や、使役後の燃料ガス（以下、アノードオフガスまたはオフガスと称する場合がある）に含まれる水分を未使役の酸化剤ガスに与える、すなわち水分交換するようにした燃料電池システムが開示されている。

しかしながら、燃料電池から排出されたオフガスは、燃料電池の運転状況によって湿度が変動する。例えば燃料電池が低負荷運転時の場合は、電気化学反応によって生成する水が少なく、しかも生成水が燃料電池内に留まるのを防ぐためにガス流量を実際に消費される量よりも多くすることから、オフガスの湿度が低くなってしまい、これを特許文献１のように未使役のガスと水分交換しても、オフガスが未使役のガスに与える水分が不十分であった。また、こうした低負荷時以外でも燃料電池スタックから排出されるオフガスの相対湿度が１００％を下回る場合でも、同様に未使役のガスへの水分が不足する。さらに、加湿手段が中空糸膜で構成されている場合、この高温低湿のガスに接し続けると、中空糸膜に形成された細孔内の水蒸気が消失させられ、水分の受け渡しが円滑に行われなくなって加湿効率が大幅に低下するようになる（ドライアップ）。一旦このドライアップが生じると、中空糸膜が水分交換機能を取り戻すのに時間がかかり、その間は加湿手段として機能しなくなり、その結果、燃料電池の適正な加湿量での運転ができなくなるという問題があった。

上記のような加湿手段による酸化剤ガスの加湿に際しては、ガス供給量が増大すると燃料電池スタックの湿度が低下する傾向にあり、また、ガス供給量と燃料電池スタック電圧には相関関係があることに鑑み、ガス供給量が変化した際のスタック電圧挙動よりスタックの加湿状態を判断し、加湿不足と判断された場合はエア流量を低下させて酸化剤ガスを加湿することにより、スタックの乾燥を防止する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−１３２０３８号公報 特開２０００−２４３４１８号公報

しかしながら、燃料電池スタック電圧の測定にて判断を行う場合は、高分子電解質膜がすでに乾燥し始めている状態からの検知となるので、その時点でエア流量を下げても遅く、すでに乾燥してしまった高分子電解質膜を元の加湿状態に回復するまでに非常に時間がかかってしまうという問題がある。また、システムの小型化やコストダウンを狙って加湿器を小さくしているシステムにおいては、スタックの乾燥を電圧で検知した状態では加湿器までもが乾燥してしまっているという問題がある。

したがって、本発明は、燃料電池スタックおよび加湿器の乾燥を開始前に未然に抑制し、安定して運転する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している。

本発明の燃料電池システムは、固体高分子膜に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とに架け渡され酸化剤ガス排出流体から酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、酸化剤ガス供給流路上であって加湿手段の上流側に設けられた酸化剤ガス供給流量調整手段と、酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、燃料電池の出力電流検出手段と、酸化剤ガス供給流量調整手段の制御手段とを備え、制御手段は、加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、流量調整を行うことを特徴としている。

本発明においては、酸化剤ガス供給流量調整手段は、加湿手段が湿潤状態と判断された場合は酸化剤ガスの流量を増加させ、加湿手段が乾燥状態と判断された場合は酸化剤ガスの流量を減少させることを好ましい態様としている。

また、本発明の燃料電池システムは、固体高分子膜に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とに架け渡され酸化剤ガス排出流体から前記酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、酸化剤ガス排出流路上であって加湿手段の下流側に設けられた酸化剤ガス圧力調整手段と、酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、燃料電池の出力電流検出手段と、酸化剤ガス圧力調整手段の制御手段とを備え、制御手段は、加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、圧力調整を行うことを特徴としている。

本発明においては、酸化剤ガス圧力調整手段は、加湿手段が湿潤状態と判断された場合は酸化剤ガス圧力を降下させ、加湿手段が乾燥状態と判断された場合は酸化剤ガス圧力を上昇させることを好ましい態様としている。

上記構成の燃料電池システムによれば、加湿手段によって、未使役の酸化剤ガスに対して水分を多く含んだ排出酸化剤ガスの水分が加湿されるから、相対湿度が上昇した酸化剤ガスが燃料電池に供給され、これにより燃料電池の湿潤状態が良好となるのは勿論のこと、燃料電池の出力電流がその時の温度から決まる電流閾値を超えた場合、すなわち乾燥状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を低減するかあるいは酸化剤ガス圧力を上昇させて水蒸気分圧を上げた運転とするので、燃料電池および加湿手段の乾燥を防止することができる。また、燃料電池の出力電流が当該電流閾値を下回る場合、すなわち湿潤状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を増加するかあるいは酸化剤ガス圧力を降下させて水蒸気分圧を下げた運転とするので、燃料電池に対する過剰な加湿を抑制することができる。また、湿潤状態／乾燥状態の判断を実際の状況になってからの出力電圧ではなく実際の状況になる前の出力電流の検出で行っているので、実際に燃料電池ひいては加湿手段が実際に乾燥を開始する前に対応できるという効果を奏する。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。 本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す系統図である。 本発明の燃料電池の制御手段の制御方法を示すフローチャート図である。 燃料電池出力電流とエア出口温度（酸化剤ガス排出流体温度）との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態の燃料電池システムを示し、符号１０は燃料電池スタックであり、燃料電池スタック１０は、燃料電池の単位セルを多数積層して構成されている。燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給口には、加湿器（加湿手段）１２が接続されている。これら燃料電池スタック１０と加湿器１２は、第１配管（酸化剤ガス供給流路）２０により接続され、酸化剤ガスである大気中の空気が第１配管２０から加湿器１２に流入するようになっている。また、第１配管２０上であって加湿器１２の上流側には、エアポンプ（酸化剤ガス供給流量調整手段）１１が接続されており、加湿器１２および燃料電池スタック１０に供給される酸化剤ガスの流量を調整することができる。

燃料電池スタック１０の燃料ガス供給口には、図示しない燃料タンクが第２配管（燃料ガス供給流路）２１により接続され、燃料ガスである水素ガスが第２配管２１から燃料電池スタック１０に供給されるようになっている。

また、燃料電池スタック１０と加湿器１２とは第３配管（酸化剤ガス排出流路）２２によって接続され、燃料電池スタック１０から排出されるカソードオフガスを加湿器１２に供給するようになっている。

ここで、加湿器１２は、チャンバーに、水分交換のための中空糸膜を多数平行に束ねたものを内蔵して構成されている。中空糸膜は中空状の細い糸の膜であって、その膜は、ガスの浸透は阻止するが水分すなわち水分子の浸透は許容するという性質を有する。この場合、水分は水蒸気分圧の高い方向から低い方向に中空糸膜を介して浸透する。したがって、中空糸膜の内側に相対湿度の低いガスを流通させ、外側に相対湿度の高いガスを流通させると、水分は中空糸膜の外側から内部に浸透し、相対湿度の低いガス中に拡散してその湿度を上昇させる。なお、中空糸膜の内側に相対湿度の高いガスを流通させ、外側に相対湿度の低いガスを流通させても同じ作用を得ることができる。

本発明では、第１配管２０か第３配管２２のいずれか一方が中空糸膜の内側に接続され、他方が中空糸膜の外側であってチャンバーの内側に接続されている。したがって、中空糸膜の内側と外側にそれぞれ、加湿されていない相対湿度の低い空気と、燃料電池使役後の相対湿度が１００％またはそれに近いカソードオフガスが供給され、中空糸膜においてカソードオフガスに含まれる水分が燃料電池に供給される空気に水分交換される。

第３配管２２上であって加湿器１２の上流側には、温度センサ（温度検出手段）１４が接続されており、燃料電池スタック１０から排出された酸化剤ガス排出流体の温度が測定される。

また、第３配管２２上であって加湿器１２の下流側には、背圧弁（酸化剤ガス圧力調整手段）１３が接続されており、この弁よりも上流側の加湿器１２、第３配管２２や燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス通路そして第１配管２０内の圧力を調整することができる。

さらに、燃料電池スタック１０の電力が取り出される出力回路３０上には、電流センサ（出力電流検出手段）１５が接続されており、燃料電池スタック１０の出力電流が測定される。

符号１６は、エアポンプ１１の制御部（制御手段）であり、破線で示す温度検出信号４０と出力電流検出信号４１の入力を受けて、エアポンプ１１に対して指令信号４２を送信してエアポンプ１１の回転数制御を行い、酸化剤ガス供給流量の調整を行う。

以上説明した構成を有する第１実施形態の燃料電池システムの動作のフローチャートを図４に示す。まず、制御部１６は、温度センサ１４からの温度検出信号４０により、現時点での燃料電池温度を検知する。この現時点の温度から、加湿器乾燥電流閾値を算出する。この電流閾値は、別途実験的に予め求められ、燃料電池の温度から一義的に決定される値であり、電流がこの値に達して運転を継続すると乾燥状態に向かうと判断される温度である。例えば図４のチャート外に例示したように、燃料電池が９０℃の場合の電流閾値は３００Ａというように決定される。なお、予め、各燃料電池電流値に対し、加湿器の膜乾燥限界エア出口温度（スタック出口温度）を測定し、それより温度−限界電流値マップを作成し、各温度の電流閾値を曲線としてプロットしたグラフを図５の曲線に示す。

そして、制御部１６は、電流センサ１５からの出力電流検出信号４１により、現時点の燃料電池の動作出力電流を検知する。この現時点の出力電流値と、上記電流閾値を比較し、出力電流が電流閾値未満である場合は、湿潤状態であると判断され、エアポンプ１１による酸化剤ガス供給流量は、指令信号４２によって通常設定値にて運転が継続される。

一方、出力電流が電流閾値以上である場合は、乾燥状態に向かいつつあると判断され、エアポンプ１１による酸化剤ガス供給流量は、指令信号４２によって加湿器乾燥防止流量（通常よりも少ない値）になるよう、エアポンプ１１の回転数を落として運転される。エアポンプ１１によって酸化剤ガス流量を下げることで、燃料電池および加湿器からの水蒸気持ち去り量を低減することができ、乾燥が抑制される。なお、第１実施形態においては、背圧弁１３の開度は固定され、エアポンプ１１の回転数のみが調整される。

さらに、特にグラフやフローチャートには図示しないが、出力電流が電流閾値未満であるときに、より適切な湿潤状態にしたい場合には、指令信号４２によってエアポンプ１１による酸化剤ガス供給流量を増加（回転数を増大）方向に調整することで、過度の湿潤状態を回避させることができ、いっそう好適である。

第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示す。ここで、第１実施形態との共通の構成要素は説明を省略し、変更点のみを説明する。第２実施形態における符号１７は、背圧弁１３の制御部（制御手段）であり、破線で示す温度検出信号４０と出力電流検出信号４１の入力を受けて、背圧弁１３に対して指令信号４３を送信して背圧弁１３の開閉動作を行い、酸化剤ガス圧力の調整を行う。

上記構成を有する本発明の燃料電池システムの動作のフローチャートを、再び図４を用いて説明する。まず、制御部１７は、温度センサ１４からの温度検出信号４０により、現時点での燃料電池温度を検知する。この現時点の温度から、加湿器乾燥電流閾値を算出する。そして、制御部１７は、電流センサ１５からの出力電流検出信号４１により、現時点の燃料電池の動作出力電流を検知する。この現時点の出力電流値と、上記電流閾値を比較し、出力電流が電流閾値未満である場合は、湿潤状態であると判断され、背圧弁１３による酸化剤ガス圧力は、指令信号４３によって通常設定値にて運転が継続される。

一方、出力電流が電流閾値以上である場合は、乾燥状態に向かいつつあると判断され、背圧弁１３による酸化剤ガス圧力は、指令信号４３によって加湿器乾燥防止圧力（通常よりも大きい値）になるよう、背圧弁１３は閉める方向に調整される。背圧弁１３によって酸化剤ガス圧力を上昇させることで水蒸気圧が上がり、燃料電池および加湿器に供給されるガスの湿度が高くなるため乾燥が抑制される。なお、第２実施形態においては、エアポンプ１１の回転数は固定され、背圧弁１３の開度のみが調整される。

さらに、特にグラフやフローチャートには図示しないが、出力電流が電流閾値未満であるときに、より適切な湿潤状態にしたい場合には、指令信号４３によって背圧弁１３による酸化剤ガス供給圧力を降下（開度を開く）方向に調整することで、過度の湿潤状態を回避させることができ、いっそう好適である。

第３実施形態
図３は、本発明の第３実施形態の燃料電池システムを示す。ここで、第１および第２実施形態との共通の構成要素は説明を省略し、変更点のみを説明する。第３実施形態における符号１８は、エアポンプ１１および背圧弁１３両方の制御部（制御手段）であり、破線で示す温度検出信号４０と出力電流検出信号４１の入力を受けて、エアポンプ１１および背圧弁１３に対して指令信号４２および４３を送信してこれらの調整を行い、それぞれ酸化剤ガス供給流量および酸化剤ガス圧力の調整を同時または個別に行うことができる。

第３実施形態の燃料電池システムによれば、制御部１８は、燃料電池スタックの出力電流が電流閾値未満である場合は、湿潤状態であると判断され、エアポンプ１１による酸化剤ガス供給流量および背圧弁１３による酸化剤ガス圧力は、指令信号４２および４３によって通常設定値とされて運転が継続され、一方、出力電流が電流閾値以上である場合は、乾燥状態に向かいつつあると判断され、エアポンプ１１による酸化剤ガス供給流量および背圧弁１３による酸化剤ガス圧力は、指令信号４２および４３によって加湿器乾燥防止状態量（流量値や圧力値）に調整される。

以上、第１〜第３実施形態の温度検出および出力電流検出は、燃料電池の運転中は常時継続して行われ、各動作温度での電流値が閾値を超えた場合、すなわち図５に示す曲線の右上の領域においては加湿器乾燥防止状態量にて運転が行われる。

なお、上記説明では、加湿器として中空糸膜を備えたものを用いたが、特許文献１に記載されたような水蒸気透過膜を有するものなど公知の加湿器を本発明に適用することができる。 さらに上記説明では、出力電流を検出して湿潤状態／乾燥状態の判断をしているが、燃料電池スタックへの要求電流を用いて判断を行うようにしてもよい。

上記構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電流がその時の温度から決まる電流閾値を超えた場合、すなわち乾燥状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を低減するかあるいは酸化剤ガス圧力を上昇させて水蒸気分圧を上げた運転とするので、燃料電池および加湿器の乾燥を防止することができる。また、燃料電池の出力電流が当該電流閾値を下回る場合、すなわち湿潤状態と判断された場合には、酸化剤ガス供給流量を増加するかあるいは酸化剤ガス圧力を下降させて水蒸気分圧を下げた運転とするので、燃料電池に対する過剰な加湿を抑制することができる。また、湿潤状態／乾燥状態の判断を実際の状況になってからの出力電圧ではなくて実際の状況になる前の出力電流の検出で行っているので、実際に燃料電池および加湿手段が実際に乾燥を開始する前に対応できるという効果を奏する。さらに、燃料電池・加湿器の乾燥が発生せず、乾燥により燃料電池が劣化するような運転状況が発生しなくなり、加湿器を小さく設計することができ、システムの小型化やコストダウンを図ることができる。

本発明では、燃料電池の各温度における電流閾値を動作電流が超えた場合は、加湿器の乾燥を防止することができる酸化剤ガス状態量で運転が行われるため、加湿器および燃料電池スタックの乾燥が未然に防止され、燃料電池の安定した運転が確保されるので、厳しい信頼性が求められる自動車用の燃料電池システムに適用して極めて有望である。

１０…燃料電池スタック、
１１…エアポンプ（酸化剤ガス供給流量調整手段）、
１２…加湿器（加湿手段）、
１３…背圧弁（酸化剤ガス圧力調整手段）、
１４…温度センサ（温度検出手段）、
１５…電流センサ（出力電流検出手段）、
１６〜１８…エアポンプおよび／または背圧弁の制御部（制御手段）、
２０…第１配管（酸化剤ガス供給流路）、
２１…第２配管（燃料ガス供給流路）、
２２…第３配管（酸化剤ガス排出流路）、
２３…第４配管（燃料ガス排出流路）。
３０…出力回路、
４０…温度検出信号、
４１…出力電流検出信号、
４２…流量指令信号、
４３…圧力指令信号。

Claims (4)

1. 固体高分子膜に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、
   前記燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とに架け渡され前記酸化剤ガス排出流体から前記酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、
   前記酸化剤ガス供給流路上であって前記加湿手段の上流側に設けられた酸化剤ガス供給流量調整手段と、
   前記酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、
   前記燃料電池の出力電流検出手段と、
   前記酸化剤ガス供給流量調整手段の制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、前記酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、
   現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、前記流量調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記酸化剤ガス供給流量調整手段は、前記加湿手段が湿潤状態と判断された場合は前記酸化剤ガスの流量を増加させ、前記加湿手段が乾燥状態と判断された場合は前記酸化剤ガスの流量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 固体高分子膜に酸化剤ガスおよび燃料ガスが供給されこれらガスの電気化学反応により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に向けて酸化剤ガスを通流させる酸化剤ガス供給流路と、
   前記燃料電池からの酸化剤排出流体を通流させる酸化剤ガス排出流路と、
   前記酸化剤ガス供給流路と前記酸化剤ガス排出流路とに架け渡され前記酸化剤ガス排出流体から前記酸化剤ガスへ水分を移動させる加湿手段と、
   前記酸化剤ガス排出流路上であって前記加湿手段の下流側に設けられた酸化剤ガス圧力調整手段と、
   前記酸化剤ガス排出流体の温度検出手段と、
   前記燃料電池の出力電流検出手段と、
   前記酸化剤ガス圧力調整手段の制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記加湿手段が湿潤状態か乾燥状態かの境界を、前記酸化剤ガス排出流体の温度ごとの出力電流閾値として予め設定され、
   現在の出力電流値と、現在の酸化剤ガス排出流体の温度における電流閾値との比較に基づいて、前記圧力調整を行うことを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記酸化剤ガス圧力調整手段は、前記加湿手段が湿潤状態と判断された場合は前記酸化剤ガス圧力を降下させ、前記加湿手段が乾燥状態と判断された場合は前記酸化剤ガス圧力を上昇させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。

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