JP3573756B2 - 高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、高分子電解質型燃料電池発電装置（PEM−燃料電池発電装置）の運転方法に関する。
燃料電池は、水素と酸素から直接電気エネルギーを取出すことができ、従来の発電機に比べて効率が高く、また有害物質放出量が本質的に少ない。さらに、ほぼ無音の状態で運転できる。
プラスチックよりなる固体電解質（高分子電解質膜:PEM）を用いる燃料電池は、上記のごとき基本的な長所に加えて、運転温度が80℃以下と低いこと、過負荷特性が優れていること、電圧低下が少ないこと、長寿命であること、運転サイクルおよび温度サイクル特性が良好であること、流体状の腐食性電解質体を用いる必要がないこと等の優れた特性を持つ。また、この燃料電池においては、運転のために、酸素の代わりに周辺の空気を使用することができる。
空気を用いて運転される高分子電解質型燃料電池は、このように数々の優れた特性をもつので、例えば自動車の排ガスのない電気駆動用としてほぼ理想的な発電機である。
高分子電解質型燃料電池は単独では運転できない。したがって、多数の高分子電解質型燃料電池を有する高分子電解質型燃料電池ブロックと、駆動部と、関連する電子回路モジュールが合体されて高分子電解質型燃料電池モジュールが構成される。駆動部には、水素H₂及び空気の供給装置、生成水排出装置、損失熱排出装置、反応物質加湿装置、ガス中の汚染物質の除去装置が含まれる。
高分子電解質型燃料電池発電装置の空気による運転を特徴づける主要な特性値は空気率λと空気体積流量V_Lである。空気体積流量V_Lは、高分子電解質型燃料電池ブロックに流れる空気の量に対する尺度である。空気率λは、純度酸素O₂の代わりに周辺の空気を使用する場合に、反応のために付加すべき空気の必要量を示している。
高分子電解質型燃料電池発電装置の運転においては、短時間の急速な負荷変動に対する必要な動特性が問題とある。ドイツ特許出願公開第43 18 818号公報により、空気で運転される燃料電池システム用としてコンプレッサを用いる空気供給法が知られている。このコンプレッサは、押出し置換の原理に則って、ギャップが密閉された押出し部材によって駆動される。特にこのコンプレッサは、潤滑油なしで運転され、回転数を少なくとも1:10に拡大することができる。磁石式同期電動機を使用しているので、コンプレッサは良好な部分負荷特性を備えている。しかしながら、この公報には、このコンプレッサによって良好な部分負荷特性が得られることしか記載されていない。
本発明の課題は、短時間の急速な負荷変動に対してより良好な動特性を得るためのコンプレッサの運転モードを与える高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法を提供することにある。
この課題は、本発明によれば、少なくとも１個の高分子電解質型燃料電池ブロックと、その上流側に接続され、高分子電解質型燃料電池ブロックに空気を供給する回転数制御式のコンプレッサとを備えた高分子電解質型燃料電池発電装置の運転方法において、高分子電解質型燃料電池ブロックの電流Ｉを大きな新規目標値I_SNに制御するために、コンプレッサの回転数ｎが第１ステップで電流の新規目標値I_SNに対応する回転数n_SNより大きい予め定められた最大回転数n_Mに調整され、その後コンプレッサの回転数ｎが第２ステップで新規目標値I_SNに対応する回転数n_SNに低下させられることによって解決される。
この方法により短時間の急速な負荷変動に対してより良好な動特性が得られる。したがって、本発明は自動車の電気式駆動に、例えばフォークリフトの運転に特に適している。
高分子電解質型燃料電池ブロックの電流Ｉを電流実際値センサにより連続的に検出すると好適である。制御のために、電流Ｉは制御すべき量として連続的に検出され、他の量すなわち指令量と比較され、その指令量に修正されるように調整される。この制御の特徴は、電流Ｉが制御ループの作用系統において制御量として連続的に自らを制御する閉じた作用サイクルにある。
特に、高分子電解質型燃料電池ブロックの電流Ｉの新規目標値I_SNは、指令量として目標値設定器により予め定められる。
別の実施態様においては、電流Ｉが指令量としての新規目標値I_SNと連続的に比較される。
また、高分子電解質型燃料電池ブロックの電流Ｉをコンプレッサの回転数ｎにより制御すれば好適である。
特に、コンプレッサが最大回転数n_Mで、かつ、高分子電解質型燃料電池ブロックの電流Ｉが最大のときに、高分子電解質型燃料電池ブロックに流れる空気体積流量V_Lが予め定められた空気率λに対応するように高分子電解質型燃料電池ブロックの下流側に接続された空気弁が調整される。この措置により高分子電解質型燃料電池発電装置の最適な運転条件が得られ、例えば、電流Ｉが変動してもコンプレッサの回転数ｎの制御によって、高分子電解質型燃料電池ブロックの作動媒体は適正な圧力となり、空気率λが一定に保持される。
本発明をさらに詳しく説明するために図面の実施例を参照する。図面の唯一の図には、高分子電解質型燃料電池ブロックと、その上流側に接続された回転数制御式のコンプレッサとを備えた高分子電解質型燃料電池発電装置が概略的に示されている。
図に見られるように、高分子電解質型燃料電池発電装置２は、多数の高分子電解質型燃料電池より構成された高分子電解質型燃料電池ブロック４を備えている。この高分子電解質型燃料電池発電装置２は、例えば、電気駆動式の自動車、例えば乗用車、バス、あるいはフォークリフトの一部である。
この高分子電解質型燃料電池発電装置２を運転するために、作動媒体として、例えば水素H₂と周囲の空気が使用される。
高分子電解質型燃料電池ブロック４の内部で電気化学反応を生じさせるために、空気が入口配管６を通して高分子電解質型燃料電池ブロック４へ供給される。入口配管６には、高分子電解質型燃料電池ブロック４に適正な空気体積流量V_Lを提供する回転数制御式のコンプレッサ８が、高分子電解質型燃料電池ブロック４の上流側に接続されている。
高分子電解質型燃料電池ブロック４の内部において電気化学反応で消費されなかった空気は、高分子電解質型燃料電池ブロック４から出口配管10を通して排出される。この出口配管10には空気弁12が配されている。高分子電解質型燃料電池ブロック４の下流側の出口配管10に接続されたこの空気弁12は、回転数制御式のコンプレッサ８が最大回転数n_Mで、かつ、高分子電解質型燃料電池ブロック４が最大電流Ｉのとき、高分子電解質型燃料電池ブロック４を流れる空気体積流量V_Lが予め定められた空気率λに対応するように調整される。
高分子電解質型燃料電池ブロック４の内部で電気化学反応により生じた電流Ｉは、導線14を通して消費装置16へ供給される。この消費装置16は例えば電気駆動式自動車の電動機である。
高分子電解質型燃料電池ブロック４と消費装置16との間の導線14には、高分子電解質型燃料電池ブロック４の電流Ｉを連続的に検出する電流実際値センサ18が接続されている。
高分子電解質型燃料電池ブロック４の電流Ｉは、制御量として導線20を介して制御ユニット22に接続されている。さらに、電流Ｉの新規目標値I_SNが、消費装置16の指令量として、目標値設定器30により信号線24を介して制御ユニット22へ接続されている。電気駆動式自動車の場合、目標値設定器30は例えばアクセルである。
制御ユニット22においては、電流実際値センサ18によって連続的に検出された高分子電解質型燃料電池ブロック４の電流Ｉが、電流Ｉの新規目標値I_SNと連続的に比較される。
制御ユニット22の出力信号として、新規目標値I_SNにより修正された回転数n_SNが電気信号線26を通して回転数制御式のコンプレッサ８へ接続される。回転数制御式のコンプレッサ８が回転数n_SNで駆動されると、高分子電解質型燃料電池ブロック４には空気体積流量V_Lが供給され、これにより新規目標値I_SNの電流Ｉの発生が可能となり、消費装置16へ供給される。
高分子電解質型燃料電池ブロック４の電流Ｉを制御する作用系統は、導線14、電流実際値センサ18、消費装置16、電気信号線20、制御ユニット22、電気信号線24を備えた目標値設定器30、電気信号線26、回転数制御式のコンプレッサ８、および、回転数制御式のコンプレッサ８と高分子電解質型燃料電池ブロック４との間に配された入口配管６によって構成される。作用の方向は、矢印28で示されている。
この高分子電解質型燃料電池ブロック４の運転方法においては、高分子電解質型燃料電池ブロック４の電流Ｉを、第１の目標値から第２の目標値、すなわち新規目標値I_SNへ制御するために、第１ステップで、コンプレッサ８の回転数ｎを最大回転数n_Mに調整し、第２ステップで、この回転数を、高分子電解質型燃料電池ブロック４の電流Ｉの新規目標値I_SNに対応する回転数n_SNへ低下させる。
制御に際しては、制御量Ｉが指令量I_SNと連続的に比較される。指令量I_SNによる制御量Ｉの修正は、制御ユニット22において、次式のごときファラデーの法則に基づいて行われる。
V_L＝λ×（0.2091/0.21）×Ｉ×n_B（T_L/273.15）
ただし、
V_Lは、高分子電解質型燃料電池ブロック４に流れる空気体積流量（l/h）、
λは、空気率、
0.2091×Ｉ×n_Bは、ファラデーの法則に基づいて計算された高分子電解質型燃料電池ブロック４に流れる酸素O₂の体積流量（l/h）、
Ｉは、高分子電解質型燃料電池ブロック４で生じた電流（Ａ）、
n_Bは、高分子電解質型燃料電池ブロック４中の高分子電解質型燃料電池の個数、
0.21は、空気中の酸素O₂の体積割合、また、
T_Lは、高分子電解質型燃料電池ブロック４を通流する空気の温度（Ｋ）である。
高分子電解質型燃料電池ブロック４で生じる電流のそれぞれの値Ｉは、電流Ｉの発生に必要な高分子電解質型燃料電池ブロック４に流れる空気体積流量の特定の値V_Lに対応する。
さらに、制御ユニット22には、回転数制御式のコンプレッサ８に用いる特性曲線、すなわち、それぞれの回転数ｎに対して，コンプレッサ８で発生され高分子電解質型燃料電池ブロック４に供給される空気体積流量V_Lを与える特性曲線が組み込まれる。
ファラデーの法則と特性曲線とによって高分子電解質型燃料電池ブロック４の電流Ｉの新規目標値I_SNを発生するための特定の体積流量V_Lに相当する修正された回転数n_sollが、制御ユニット22の出力値として、回転数制御式のコンプレッサ８に接続される。
このような運転モードを用いることによって、短時間の急速な負荷変動に対してより良好な動特性が得られる。したがって、この運転モードは自動車の電気駆動に特に好適である。

Claims (6)

1. 少なくとも１個の高分子電解質型燃料電池ブロック（４）と、その上流側に接続され、高分子電解質型燃料電池ブロックに空気を供給する回転数制御式のコンプレッサ（８）とを備えた高分子電解質型燃料電池発電装置（２）の運転方法において、高分子電解質型燃料電池ブロック（４）の電流Ｉを大きな新規目標値I_SNに制御するために、コンプレッサ（８）の回転数ｎが第１ステップで電流の新規目標値I_SNに対応する回転数n_SNより大きい予め定められた最大回転数n_Mに調整され、その後コンプレッサ（８）の回転数ｎが第２ステップで新規目標値I_SNに対応する回転数n_SNに低下させられることを特徴とする高分子電解質型燃料電池発電装置（２）の運転方法。
2. 高分子電解質型燃料電池ブロック（４）の電流Ｉが電流実際値センサ（18）により連続的に検出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 高分子電解質型燃料電池ブロック（４）の電流Ｉの新規目標値I_SNが指令量として目標値設定器（30）により予め定められていることを特徴とする請求項１又は２記載の運転方法。
4. 電流Ｉが指令量としての新規目標値I_SNと比較されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 高分子電解質型燃料電池ブロック（４）の電流Ｉがコンプレッサ（８）の回転数ｎによって制御されることを特徴とする請求項４記載の運転方法。
6. コンプレッサ（８）が最大回転数n_Mで、かつ、高分子電解質型燃料電池ブロック（４）の電流Ｉが最大値のとき、高分子電解質型燃料電池ブロック（４）に流れる空気体積流量が予め定められた空気率λに対応するように高分子電解質型燃料電池ブロック（４）の下流側に接続された空気弁（12）が調整されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載の方法。

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