JP2012074329A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的短時間であった一段階停止状態の安定性をさらに高め、水素放出を伴わずかつ、ごく短時間にシステム起動する状態が長時間継続することを可能とした燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムの停止状態として、水素ラインに水素が残留したままで停止するスタンバイモードにおいて、アノード電位制御操作を行うことにより、スタックの安定維持を図った燃料電池システムである。
【選択図】図２

Description

本発明は固体高分子形燃料電池に関する。

燃料電池は電気化学反応により燃料のエネルギーを直接電気エネルギーへ変換する電気化学デバイスである。燃料電池は用いる電荷担体等により、リン酸形燃料電池，溶融炭酸塩形燃料電池，固体酸化物形燃料電池，固体高分子形燃料電池（以下ＰＥＦＣと略する），アルカリ形燃料電池に大別される。

これらの各種燃料電池の中でもＰＥＦＣは、高電流密度発電や比較的低温度での運転が可能であるため、移動体電源をはじめ、各種用途への応用が期待されている。

燃料電池は水素ガスを使用して発電を行っている。起動しようとするとき、電池内水素ラインの水素濃度が低い場合、発電を開始することはできないため水素濃度を増加させる必要がある。このとき、水素の供給圧力を利用してライン内のガスを追い出すパージ法が一般に使用されている。

また、燃料電池システム停止時において、電池から負荷を切り離すと、開回路電圧（ＯＣＶ）を示し、発電中よりも電圧が高くなる。この状態は電池内の触媒や電解質の劣化を促進させるので、長時間放置させるのは好ましくない。よって電池電圧を低下させる方法として、水素ラインに空気を導入して、水素極の電位を空気極の電位と同程度まで上昇させ、電池電圧としてはゼロに近づける方法がある。この場合、ＯＣＶ状態による触媒や電解質の劣化はほとんど生じない。

しかし、頻繁に起動停止を実施する運転方法では、水素ラインの水素をパージして外部に放出させる回数が増加するため、発電に使用することのできない水素ロスが増加し、発電効率の低下や、水素を外部に放出させることによる、周囲環境の安全性低下の懸念も生じていた。

これに対し、特許文献１では、燃料電池システムの停止状態として、水素ラインに水素が残留したままで停止する第一段階停止状態と、水素ラインを空気で置換する第二段階停止状態を有し、第二段階停止状態へは、第一段階停止状態を経由して移行する燃料電池システムを提案している。特許文献１では第一段階停止状態から発電状態への移行は、水素放出を伴わずにごく短時間に完了するため、上で述べた課題に対する解決方法のひとつであった。

特開２００８−８４７０４号公報

本発明では、比較的短時間であった一段階停止状態の安定性をさらに高め、水素放出を伴わずかつ、ごく短時間にシステム起動する状態が長時間継続することを可能とした燃料電池システムを提供する。

上記課題を解決するために本発明では、水素をライン中に残したまま停止状態に移行する燃料電池システムにおいて、停止状態としながら、停止状態に移行し時間を計測するタイマーと、セル電圧またはアノード電位測定する電圧センサと、アノードラインの圧力を測定する圧力センサと、で検知された少なくとも一つの情報に基づいてアノード電位を低減させる制御を行う制御装置を備える燃料電池システムとした。

さらには、前記制御装置により、燃料電池に外部エネルギー源から通電してアノードに水素を発生させアノード電位を低減させる第一のアノード電位制御と、アノードラインに水素供給源から水素を供給することによりアノード電位を低減させる第二のアノード電位制御の少なくともいずれか一方を実行する燃料電池システムとした。

さらには、前記制御装置が、燃料電池の補機に電力を供給し、燃料電池で発電したエネルギーを蓄える外部エネルギーの残量からアノード電位制御方法を選択し、アノード電位制御を実行する燃料電池システムとした。

さらには、システムの停止時にアノード電位制御停止モードに移行することを使用者によって選択可能とした燃料電池システムとした。

本発明では、起動停止に伴う水素の外部への放出を低減させることにより、発電効率の向上と、高い安全性を確保しかつ急速起動を可能とする状態を長時間維持できるモードを備えた燃料電池システムを提供する。

本発明に関わる燃料電池発電システム構成を示す図。 本発明に関わる実施例１のスタンバイモードの制御内容を示す図。 本発明に関わる実施例２のスタンバイモードの制御内容を示す図。

本発明の実施形態を以下に示す。

〔実施例〕
（実施例１）
参照極を組み込んだスタック１に水素を供給するアノードライン３，空気を供給するカソードライン２，スタックから出力を取り出す負荷制御器（外部負荷）１２、センサおよび各補機を制御し、フィードバックする制御部９を備えた燃料電池システムを構成し、実施例１とした。

アノードライン３には水素供給源２０，圧力を調整するアノード調圧弁５，循環器６，圧力センサであるアノード圧力計１０，アノード出口弁８を備えた。カソードライン２には、空気を供給するエアブロア２１，圧力を調整するカソード調圧弁４，圧力センサであるカソード圧力計１１，カソード出口弁７を備えた。実施例１のシステム構成を図１に示す。

実施例１のシステム停止法について以下に示す。

負荷制御器１２をＯＮ状態とし、微小電流モードにする。このとき燃料電池スタック１は微小発電電力を外部エネルギー源に供給している。

エアブロア２１を停止するとともに空気入口のカソード調圧弁４を閉止する。電池電圧が低下し単セル電圧が２０ｍＶ以下となったことを確認したら水素供給を停止するとともにアノード調圧弁５，アノード出口弁８を閉止し、循環器６を停止する。

電池を冷却する冷却ライン（図示せず）は必要に応じてその動作を継続または停止させる。

この停止状態をスタンバイ状態と称する。スタック電圧低下のメカニズムについては検討中であるが、アノード電位は変化しないことから、セル電圧低下は空気極の電位が低下するためであることがこれまでに分かっている。空気を供給しない状態で電極反応が進行するため、反応生成物である水が電極触媒と空気との反応抑制材料となって電位を低下させていると考えられる。この状態からエアブロア２１を稼働させ、空気供給を開始すれば燃料電池スタック１の電圧が速やかに上昇する。さらに発電を継続させるための水素供給を伴えば、システムを通常発電状態に移行することができる。スタンバイ状態からは水素のシステム外への放出が無いため、安全性が保たれたまま短時間に起動することが可能である。

実施例１のスタンバイモードにおける制御を図２に示す。スタンバイ状態は必ずしも長時間維持することができず、その理由の一つとしてアノードの電位変化が挙げられる。スタンバイ状態におけるアノード電位をゼロｍＶ付近に維持することができなければ、水素排出無しの起動や、急速起動をすることができない。そこで、実施例１では、スタンバイモードにおいて所定時間ごとに参照極を配置したセルのアノード電位を確認し、アノード電位が５０ｍＶを上回るようであれば、通電処理を実施する制御部を組み込んでいる。この際の通電は、通常発電とは逆向きの電流を流すことになる。つまりスタック内の水分を電気分解して、水素と酸素を発生させている。電気分解により発生させた水素はアノード触媒に吸着させることにより、アノード電位をゼロｍＶ近傍にすることができる。電気分解のエネルギーは外部から供給する。通常、燃料電池システムは起動時の補機起動用に二次電池に代表される外部エネルギー源を組み込んだハイブリッド構成としているため、実施例１には図示していないが、二次電池から電気分解のエネルギーを供給した。発生させる水素は電池電極触媒に吸着させる量相当なので、絶対量は僅かであり、よって電池分解の時間もごく短い。実施例１では１回の通電時間を２.５秒間とし、必要に応じて通電を繰り返す制御とした。

また、制御器に組み込んだタイマーによって、アノード電位を計測することなく、停止状態に移行してから所定時間経過後に、電気分解によるアノード電位操作を実施しても同様の効果が得られる。

（実施例２）
実施例２では、システム構成は実施例１と同じとして、スタンバイモードにおける制御を図３に示す内容とした。すなわち、システムに組み込まれている外部エネルギー源の容量が設定値に比較して１０％以上残存しているときは、外部エネルギー源を用いて電気分解を実施する実施例１と同様の制御を行い、スタンバイモードをより安定化，長時間維持させる。しかし、容量残量が不足のときは、電気分解にエネルギーを使用することができない。そのため、この場合は、新たに水素ガス残量を確認し、残量が設定値比で１０％以上あり、かつスタック内の測定セルアノード電位が５０ｍＶ以上であれば水素ガス供給源から水素を燃料電池スタック１に供給し、アノード電位をゼロｍＶ近傍にする制御を実施する。

（比較例）
比較例の構成および制御について説明する。比較例のシステム構成は実施例１と同じである。システム停止時にスタンバイモードへの移行は実施するが、スタンバイモード長時間化の制御は組み込まれていない。

実施例１，２および比較例について、それぞれのシステムを起動して開回路電圧を確認し、すぐに停止操作を行い、停止状態を６時間保持した後、再び起動停止するサイクルを３０回繰り返した。なお、起動に際し、スタックの高電圧を回避するためのＯＣＶカット制御は取り外した。また、起動後は電力を出力せずにすぐ停止操作に移行した。システムに組み込まれている外部エネルギー源の容量は９.５％に設定した。

実施例１，２および比較例の外部エネルギー源容量変化，水素消費量，平均起動時間，システム外部の水素最大濃度について、表１に示す。

表１より、比較例に対し、実施例１は６時間ごとに３０回実施されたシステム起動に対し、水素消費量，平均起動時間，システム外へ放出される水素濃度がいずれも小さく、発電効率，起動性，安全性が優れていることが理解される。これは、実施例のスタンバイモードにおいてアノードの電位制御を実施した結果、長時間にわたってスタンバイ状態を安定に維持することが可能となったためである。電気分解のエネルギー源は二次電池を用いたため電池容量は減少したが、その変化率は０.３％であり、ごく僅かであった。

実施例２は、実施例１と比較して水素消費量が僅かに増加したが、外部エネルギー前容量変化率はゼロとなった。システムに組合わせる外部エネルギー源容量は、使い切ってしまうと次回起動ができなくなってしまうため、管理が必要である。電源管理上、外部エネルギー源から電力エネルギーが使用できない場合でも実施例２では、長時間にわたってスタンバイ状態を安定に維持することを可能とし、外部エネルギー源容量変化率，平均起動時間，システム外へ放出される水素濃度をいずれも小さくすることができることを確認した。

１ 燃料電池スタック
２ カソードライン
３ アノードライン
４ カソード調圧弁
５ アノード調圧弁
６ 循環器
７ カソード出口弁
８ アノード出口弁
９ 制御部
１０ アノード圧力計
１１ カソード圧力計
１２ 負荷制御器
１３ 電圧センサ
２０ 水素供給源
２１ エアブロア

Claims (6)

1. 燃料電池と、燃料電池に水素を供給および排出する水素ラインと、水素ラインの燃料電池入口部に設けたアノード調圧弁と、水素ラインの燃料電池出口部に設けた水素出口弁と、水素ラインの燃料電池入口部に設けた水素圧力センサと、燃料電池の空気を供給および排出する空気ラインと、空気ラインの燃料電池入口部および出口部に設けたカソード調圧弁および空気出口弁と、空気ラインの燃料電池入口部に設けた空気圧力センサと、燃料電池の電圧を計測する電圧センサと、燃料電池の出力ラインに接続されている外部負荷とセンサ、弁などの補機類および外部負荷の動作を制御する制御部を備え、水素をライン中に残したまま停止状態に移行する燃料電池システムにおいて
   停止状態としながら、
   停止状態に移行した時間を計測するタイマーと、
   セル電圧またはアノード電位を測定する電圧センサと、
   アノードラインの圧力を測定する圧力センサと、で検知された少なくとも一つの情報に基づいて、アノード電位を低減させる制御を行う制御装置を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置により、燃料電池に外部エネルギー源から通電してアノードに水素を発生させアノード電位を低減させる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置により、アノードラインに水素供給源から水素を供給することによりアノード電位を低減させる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、バッテリーの残量からアノード電位制御方法を選択することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、バッテリーの残量に基づいて、
   バッテリーの残量が所定値以上の場合には、燃料電池に外部エネルギー源から通電してアノードに水素を発生させアノード電位を低減させる制御を行い、
   バッテリーの残量が所定値よりも少ない場合には、アノードラインに水素供給源から水素を供給することによりアノード電位を低減させる制御を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
6. 停止時にアノード電位制御停止モードに移行することを使用者によって選択可能としたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。

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