JP3681467B2 - 燃料電池発電装置およびその運転方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電装置、特に高分子固体電解質型燃料電池を用いた発電装置およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子固体電解質型燃料電池においては電解質としてイオン導電膜が用いられ、該燃料電池の燃料極にて得られる水素イオンをプロトンの形態で電解質膜中を空気極側に伝達することにより起電力が得られるものであるが、安定した高出力を得るためには、この電解質膜を常に最適な水分を均一に含んだ状態に保持しておくことが重要である。
【０００３】
このために、従来は、燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（空気または酸素）をバブリング装置等の加湿器を用いて加湿し、この加湿されたガスを電解質膜に通すことによって電解質膜を加湿する方法が一般に採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来技術によるときは、加湿器および水貯蔵タンク等の周辺機器を備えるために燃料電池の大型化、重量化が避けられない。このことは特に車載を意図する場合には致命的な不利欠点となる。
【０００５】
さらに、加湿器による加湿量を制御して電解質膜を最適な湿潤状態に保持する必要があるが、電解質膜乾燥の原因となる酸化剤ガスの流量およびセル温度との兼ね合いが難しく、かかる制御は困難であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、高分子固体電解質膜を湿潤させるための加湿器およびその周辺機器を不要化し、小型且つ軽量で車載に適した燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
すなわち本発明は、高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃料極とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置において、空気極の吸気側と排気側とに接続される循環経路と、系外より空気極に空気を導入するべく該循環経路に接続される吸気口と、空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスを系外に排出するべく該循環経路に接続される排気口と、該排出ガスの温度を測定する温度測定手段と、燃料電池からの出力電流値を測定する電流測定手段と、これら測定手段により測定される排出ガス温度および出力電流値に基づいて前記排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整する制御手段と、を有してなることを特徴とする。
【０００８】
制御手段には、Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ、Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データおよびＣ＝排気口および吸気口の少なくとも一方の開度と循環経路より系外に排出される排出ガス量との相関データが記憶されており、Ａ＝α・Ｂ×Ｃ（αは定数）となるように、排出ガス温度と出力電流値とをモニタしながら排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整する。
【０００９】
排出ガスに水蒸気として含まれている反応生成水を冷却凝結させ、その含水量を低減させた状態にして排気口より系外に排出させるための冷却手段を設けることができる。
【００１０】
また、本発明による燃料電池発電装置の運転方法は、排気口および吸気口の少なくとも一方を閉じた状態で起動運転することにより循環経路内の湿度を高めると共に平均化させた後、閉じていた排気口および／または吸気口を開けて燃料電池の空気極に供給されるガスの酸素分圧を上げ、その後は排出ガス温度と出力電流値とをモニターしながら排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電装置の構成を示す概略図であり、燃料電池１０は空気極（カソード）の側から見た側面図として示されている。公知のように、この燃料電池においては高分子固体電解質膜を挟んで空気極と反対側に、水素等の燃料ガスが導入される燃料極（アノード）が配されている。
【００１２】
空気極には酸化剤ガスとしての空気が空気導入部１１から空気導入路１２およびファン１３を介して導入される。
【００１３】
公知のように、燃料電池の燃料極に水素ガス、空気極に空気が供給されることにより、高分子固体電解質膜の中を水素イオンがプロトンの形で移動し、電池反応が行われる。このとき、空気極では、供給された酸素が移動してきた水素イオンおよび電子と反応して水を生成する。
【００１４】
したがって、空気極から排出される排出ガスには、未反応の酸素に加えて空気極における反応生成水（蒸気）が含まれている。
【００１５】
この排出ガスは空気排出路１４に送り込まれるが、空気排出路１４は空気導入路１２に合流して循環路１５を形成しているため、反応生成水を含んだ排出ガスを空気極に導入することが可能とされる。
【００１６】
循環路１５には排気バルブ１６が設けられ、空気極からの排気ガスは、そのうちの排気バルブ１６の開度に応じた一定量が系外に排出され、残量は循環路１５および空気導入路１２を介して空気極に再導入される。
【００１７】
図１の構成において、循環路１５に接続して吸気バルブ２１を設けることができ、この構成を図２に示す。この構成においては、吸気バルブ２１の開度に応じた一定量の空気が系外より空気極に導入されると、排出ガスの一部は循環路１５を経由して空気極に再導入され、残量が排出バルブ１６を介して系外に排出されることになる。
【００１８】
このようにして反応生成水を含んだ排出ガスが燃料電池１０の空気極に再導入されることにより、反応生成水（水蒸気）が濃度差により電解質膜に浸透して燃料極側に移動し、さらに燃料極側に移動した水分は電気浸透水として空気極側へと移動することとなり、これら水分の往復移動によって電解質膜の加湿が効率的且つ平均的に行われる。
【００１９】
排気バルブ１６または吸気バルブ２１の開度、あるいはこれら双方のバルブ開度は、燃料電池１０の出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関によって決定され、燃料電池１０に最適な水バランス条件を与えるよう制御手段（ＣＰＵ）１７により制御される。
【００２０】
すなわち、ＣＰＵ１７には次の３つの相関データが記憶されており、
＝α・Ｂ×Ｃとなるように、排出ガス温度と電流値とをモニタしながら、排気バルブ１６の開度を調整する（図３参照）。
【００２１】
Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ
Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データ
Ｃ＝排気バルブ開度と排気バルブを通る排出ガス量との相関データ
排出ガス温度と電流値をモニターするために温度センサ１８および電流計１９が設けられる。なお、図示実施例において排出ガス温度は排気バルブ１６の手前に設けられる温度センサ１８によりモニタされるが、場合によってはセル温度を測定してこれを排出ガス温度として代表させることも可能である。
【００２２】
次に、この燃料電池発電装置の起動手順について説明すると、起動直後には、排気バルブ１６または吸気バルブ２１を完全に閉じて、燃料電池１０の空気極からの排出ガスを空気排出路１４、循環路１５および空気導入路１２を介してファン１３により空気極に再導入するように循環させる。これにより、循環系内の湿度が十分に上がり且つ平均化する。なお、上述の式におけるαはこの平均化操作に影響するファクターで、便宜上平均化係数と称する。平均化係数αは、燃料電池１０を含めた循環系の容積と循環回数すなわち総容積により定まるものである。
【００２３】
以下、排気バルブ１６のみを循環路１５に接続した図１の構成について、その運転方法を説明する。
【００２４】
上述の平均化操作の後、閉じていた排気バルブ１６を開けて、排出ガスを系外に排出させると共に外気を空気導入部１１から供給して、空気極に導入されるガスの酸素分圧を高める。
【００２５】
その後は、温度センサ１８および電流計１９による検出結果としての排気ガス温度と出力電流値とをモニタしながら、ＣＰＵ１７は上述の式により決定される開度となるように排気バルブ１６開度を調整する。
【００２６】
このようにして排気バルブ１６の開度を制御することにより、外部からの水供給の必要なしに、セル温度とガス流量との相関によって定められる最適な水バランス条件（図４において斜線で示される範囲）で燃料電池１０を運転することができる。
【００２７】
図１に併せて示されるように、循環路１５との分岐点と排気バルブ１６との間に冷却手段２０を設けることができる。冷却手段２０は、例えば、この部分の空気排出路の周囲に冷却水を流動または吹き付けるものとして構成することができる。このような冷却手段２０により、排出ガス中に水蒸気として含まれている反応生成水の少なくとも一部が凝結するため、排気バルブ１６を通して系外に排出される排出ガス中に含まれる反応生成水量が減少し、したがって循環系内（特にセル内）に保持される水分量が相対的に増大する。
【００２８】
このように、冷却手段２０を設けた場合にはセル内の保持水分量が増大するため、このままでは、図４に示される最適な水バランス範囲からウェット側に外れた条件で燃料電池が運転されることとなってしまう。そこで、図５に示すように、ガス流量を増大させて、最適な水バランス条件で燃料電池１０を運転する。
【００２９】
上記したところから明らかなように、冷却手段２０によりセル内の保持水分量を増大させることは、その必然的な結果として、ガス流量を増大させて燃料電池１０を運転することとなる。すなわち、空気導入部１１から導入される空気量が増大し、燃料電池１０の空気極に供給される空気中の酸素濃度が上昇するため、発電効率および出力が向上されると共に、燃料電池１０の作動温度の上限を上げることが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスの一部を酸化剤ガス供給ラインに循環させて電解質膜を加湿させるものであるため、外部からの水供給が不要となり、従来必要とされていた加湿器やその周辺機器を設ける必要がない。このため、燃料電池発電装置を小型軽量化することができ、特に車載に適したものを提供することができる。
【００３１】
また、酸化剤ガスを循環させることで、燃料電池スタックを通過するガス流量が多くなり、流量分布ムラが解消される。
【００３２】
さらに、ガス流量が多くなることから、発電効率および出力が向上されると共に、セルスタック温度の上限を上げて燃料電池を稼動させることができる。
【００３３】
また、起動時には排出ガスを系外に排出させる排気バルブを閉じた状態として排出ガスの全量を循環させることにより、燃料電池の電解質膜が短時間内に均一に加湿され、温度上昇も迅速になされるため、起動性がきわめて良好である。
【００３４】
その後の通常運転時には、排気ガス温度と電流値とをモニタしながら排気バルブまたは吸気バルブの開度、あるいはこれら双方の開度を調整して最適な水バランス条件を保持するものであるが、負荷変動に応じて変化する電流値をモニタするため、負荷変動に対して迅速に応答することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１の変形構成例を示す模式図である。
【図３】排気バルブ開度を制御する制御手段（ＣＰＵ）における相関式を示す説明図である。
【図４】燃料電池の稼動における最適な水バランス範囲をガス流量とセル温度との相関で示す図である。
【図５】排気バルブに前置して冷却手段を設けた場合における最適水バランス範囲を示す図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池
１１ 空気導入部
１２ 空気導入路
１３ ファン
１４ 空気排出路
１５ 循環路
１６ 排気バルブ
１７ 制御手段（ＣＰＵ）
１８ 温度センサ
１９ 電流計
２０ 冷却手段
２１ 吸気バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池発電装置、特に高分子固体電解質型燃料電池を用いた発電装置およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高分子固体電解質型燃料電池においては電解質としてイオン導電膜が用いられ、該燃料電池の燃料極にて得られる水素イオンをプロトンの形態で電解質膜中を空気極側に伝達することにより起電力が得られるものであるが、安定した高出力を得るためには、この電解質膜を常に最適な水分を均一に含んだ状態に保持しておくことが重要である。
【０００３】
このために、従来は、燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（空気または酸素）をバブリング装置等の加湿器を用いて加湿し、この加湿されたガスを電解質膜に通すことによって電解質膜を加湿する方法が一般に採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記したような従来技術によるときは、加湿器および水貯蔵タンク等の周辺機器を備えるために燃料電池の大型化、重量化が避けられない。このことは特に車載を意図する場合には致命的な不利欠点となる。
【０００５】
さらに、加湿器による加湿量を制御して電解質膜を最適な湿潤状態に保持する必要があるが、電解質膜乾燥の原因となる酸化剤ガスの流量およびセル温度との兼ね合いが難しく、かかる制御は困難であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、高分子固体電解質膜を湿潤させるための加湿器およびその周辺機器を不要化し、小型且つ軽量で車載に適した燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
すなわち本発明は、高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃料極とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置において、空気極の吸気側と排気側とに接続される循環経路と、系外より空気極に空気を導入するべく該循環経路に接続される吸気口と、空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスを系外に排出するべく該循環経路に接続される排気口と、該排出ガスの温度を測定する温度測定手段と、燃料電池からの出力電流値を測定する電流測定手段と、これら測定手段により測定される排出ガス温度および出力電流値に基づいて前記排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整する制御手段と、を有してなることを特徴とする。
【０００８】
制御手段には、Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ、Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データおよびＣ＝排気口および吸気口の少なくとも一方の開度と循環経路より系外に排出される排出ガス量との相関データが記憶されており、Ａ＝α・Ｂ×Ｃ（αは定数）となるように、排出ガス温度と出力電流値とをモニタしながら排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整する。
【０００９】
排出ガスに水蒸気として含まれている反応生成水を冷却凝結させ、その含水量を低減させた状態にして排気口より系外に排出させるための冷却手段を設けることができる。
【００１０】
また、本発明による燃料電池発電装置の運転方法は、排気口および吸気口の少なくとも一方を閉じた状態で起動運転することにより循環経路内の湿度を高めると共に平均化させた後、閉じていた排気口および／または吸気口を開けて燃料電池の空気極に供給されるガスの酸素分圧を上げ、その後は排出ガス温度と出力電流値とをモニターしながら排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電装置の構成を示す概略図であり、燃料電池１０は空気極（カソード）の側から見た側面図として示されている。公知のように、この燃料電池においては高分子固体電解質膜を挟んで空気極と反対側に、水素等の燃料ガスが導入される燃料極（アノード）が配されている。
【００１２】
空気極には酸化剤ガスとしての空気が空気導入部１１から空気導入路１２およびファン１３を介して導入される。
【００１３】
公知のように、燃料電池の燃料極に水素ガス、空気極に空気が供給されることにより、高分子固体電解質膜の中を水素イオンがプロトンの形で移動し、電池反応が行われる。このとき、空気極では、供給された酸素が移動してきた水素イオンおよび電子と反応して水を生成する。
【００１４】
したがって、空気極から排出される排出ガスには、未反応の酸素に加えて空気極における反応生成水（蒸気）が含まれている。
【００１５】
この排出ガスは空気排出路１４に送り込まれるが、空気排出路１４は空気導入路１２に合流して循環路１５を形成しているため、反応生成水を含んだ排出ガスを空気極に導入することが可能とされる。
【００１６】
循環路１５には排気バルブ１６が設けられ、空気極からの排気ガスは、そのうちの排気バルブ１６の開度に応じた一定量が系外に排出され、残量は循環路１５および空気導入路１２を介して空気極に再導入される。
【００１７】
図１の構成において、循環路１５に接続して吸気バルブ２１を設けることができ、この構成を図２に示す。この構成においては、吸気バルブ２１の開度に応じた一定量の空気が系外より空気極に導入されると、排出ガスの一部は循環路１５を経由して空気極に再導入され、残量が排出バルブ１６を介して系外に排出されることになる。
【００１８】
このようにして反応生成水を含んだ排出ガスが燃料電池１０の空気極に再導入されることにより、反応生成水（水蒸気）が濃度差により電解質膜に浸透して燃料極側に移動し、さらに燃料極側に移動した水分は電気浸透水として空気極側へと移動することとなり、これら水分の往復移動によって電解質膜の加湿が効率的且つ平均的に行われる。
【００１９】
排気バルブ１６または吸気バルブ２１の開度、あるいはこれら双方のバルブ開度は、燃料電池１０の出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関によって決定され、燃料電池１０に最適な水バランス条件を与えるよう制御手段（ＣＰＵ）１７により制御される。
【００２０】
すなわち、ＣＰＵ１７には次の３つの相関データが記憶されており、
＝α・Ｂ×Ｃとなるように、排出ガス温度と電流値とをモニタしながら、排気バルブ１６の開度を調整する（図３参照）。
【００２１】
Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ
Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データ
Ｃ＝排気バルブ開度と排気バルブを通る排出ガス量との相関データ
排出ガス温度と電流値をモニターするために温度センサ１８および電流計１９が設けられる。なお、図示実施例において排出ガス温度は排気バルブ１６の手前に設けられる温度センサ１８によりモニタされるが、場合によってはセル温度を測定してこれを排出ガス温度として代表させることも可能である。
【００２２】
次に、この燃料電池発電装置の起動手順について説明すると、起動直後には、排気バルブ１６または吸気バルブ２１を完全に閉じて、燃料電池１０の空気極からの排出ガスを空気排出路１４、循環路１５および空気導入路１２を介してファン１３により空気極に再導入するように循環させる。これにより、循環系内の湿度が十分に上がり且つ平均化する。なお、上述の式におけるαはこの平均化操作に影響するファクターで、便宜上平均化係数と称する。平均化係数αは、燃料電池１０を含めた循環系の容積と循環回数すなわち総容積により定まるものである。
【００２３】
以下、排気バルブ１６のみを循環路１５に接続した図１の構成について、その運転方法を説明する。
【００２４】
上述の平均化操作の後、閉じていた排気バルブ１６を開けて、排出ガスを系外に排出させると共に外気を空気導入部１１から供給して、空気極に導入されるガスの酸素分圧を高める。
【００２５】
その後は、温度センサ１８および電流計１９による検出結果としての排気ガス温度と出力電流値とをモニタしながら、ＣＰＵ１７は上述の式により決定される開度となるように排気バルブ１６開度を調整する。
【００２６】
このようにして排気バルブ１６の開度を制御することにより、外部からの水供給の必要なしに、セル温度とガス流量との相関によって定められる最適な水バランス条件（図４において斜線で示される範囲）で燃料電池１０を運転することができる。
【００２７】
図１に併せて示されるように、循環路１５との分岐点と排気バルブ１６との間に冷却手段２０を設けることができる。冷却手段２０は、例えば、この部分の空気排出路の周囲に冷却水を流動または吹き付けるものとして構成することができる。このような冷却手段２０により、排出ガス中に水蒸気として含まれている反応生成水の少なくとも一部が凝結するため、排気バルブ１６を通して系外に排出される排出ガス中に含まれる反応生成水量が減少し、したがって循環系内（特にセル内）に保持される水分量が相対的に増大する。
【００２８】
このように、冷却手段２０を設けた場合にはセル内の保持水分量が増大するため、このままでは、図４に示される最適な水バランス範囲からウェット側に外れた条件で燃料電池が運転されることとなってしまう。そこで、図５に示すように、ガス流量を増大させて、最適な水バランス条件で燃料電池１０を運転する。
【００２９】
上記したところから明らかなように、冷却手段２０によりセル内の保持水分量を増大させることは、その必然的な結果として、ガス流量を増大させて燃料電池１０を運転することとなる。すなわち、空気導入部１１から導入される空気量が増大し、燃料電池１０の空気極に供給される空気中の酸素濃度が上昇するため、発電効率および出力が向上されると共に、燃料電池１０の作動温度の上限を上げることが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池の空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスの一部を酸化剤ガス供給ラインに循環させて電解質膜を加湿させるものであるため、外部からの水供給が不要となり、従来必要とされていた加湿器やその周辺機器を設ける必要がない。このため、燃料電池発電装置を小型軽量化することができ、特に車載に適したものを提供することができる。
【００３１】
また、酸化剤ガスを循環させることで、燃料電池スタックを通過するガス流量が多くなり、流量分布ムラが解消される。
【００３２】
さらに、ガス流量が多くなることから、発電効率および出力が向上されると共に、セルスタック温度の上限を上げて燃料電池を稼動させることができる。
【００３３】
また、起動時には排出ガスを系外に排出させる排気バルブを閉じた状態として排出ガスの全量を循環させることにより、燃料電池の電解質膜が短時間内に均一に加湿され、温度上昇も迅速になされるため、起動性がきわめて良好である。
【００３４】
その後の通常運転時には、排気ガス温度と電流値とをモニタしながら排気バルブまたは吸気バルブの開度、あるいはこれら双方の開度を調整して最適な水バランス条件を保持するものであるが、負荷変動に応じて変化する電流値をモニタするため、負荷変動に対して迅速に応答することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１の変形構成例を示す模式図である。
【図３】排気バルブ開度を制御する制御手段（ＣＰＵ）における相関式を示す説明図である。
【図４】燃料電池の稼動における最適な水バランス範囲をガス流量とセル温度との相関で示す図である。
【図５】排気バルブに前置して冷却手段を設けた場合における最適水バランス範囲を示す図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池
１１ 空気導入部
１２ 空気導入路
１３ ファン
１４ 空気排出路
１５ 循環路
１６ 排気バルブ
１７ 制御手段（ＣＰＵ）
１８ 温度センサ
１９ 電流計
２０ 冷却手段
２１ 吸気バルブ
Claims (4)
- 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃料極とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置において、空気極の吸気側と排気側とに接続される循環経路と、系外より空気極に空気を導入するべく該循環経路に接続される吸気口と、空気極から排出される反応生成水を含む排出ガスを系外に排出するべく該循環経路に接続される排気口と、該排出ガスの温度を測定する温度測定手段と、燃料電池からの出力電流値を測定する電流測定手段と、これら測定手段により測定される排出ガス温度および出力電流値に基づいて前記排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整する制御手段と、を有してなることを特徴とする燃料電池発電装置。
- 前記制御手段には、Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ、Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関データおよびＣ＝排気口および吸気口の少なくとも一方の開度と前記循環経路より系外に排出される排出ガス量との相関データが記憶されており、Ａ＝α・Ｂ×Ｃ（αは定数）となるように、排出ガス温度と出力電流値とをモニタしながら前記排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整することを特徴とする請求項１の燃料電池発電装置。
- 排出ガスに水蒸気として含まれている反応生成水を冷却凝結させ、その含水量を低減させた状態にして前記排気口より系外に排出させるための冷却手段が設けられることを特徴とする請求項１の燃料電池発電装置。
- 請求項１の燃料電池発電装置の運転方法であって、前記排気口および吸気口の少なくとも一方を閉じた状態で起動運転することにより循環経路内の湿度を高めると共に平均化させた後、閉じていた排気口および／または吸気口を開けて燃料電池の空気極に供給されるガスの酸素分圧を上げ、その後は排出ガス温度と出力電流値とをモニタしながら前記排気口および吸気口の少なくとも一方の開度を調整することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方法。
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