JP3687530B2

JP3687530B2 - 燃料電池システム及びその運転方法

Info

Publication number: JP3687530B2
Application number: JP2000358057A
Authority: JP
Inventors: 剛麻生
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-11-24
Filing date: 2000-11-24
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2020-11-24
Also published as: JP2002164069A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよびその運転方法に係り、特に固体電解質膜の湿潤状態を適正に制御できる燃料電池システムおよびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池における固体電解質膜の湿潤状態を適正に制御する技術としては、特開平９−２４５８２６号公報記載の「燃料電池スタックの運転状態判別方法及び運転制御方法」がある。
【０００３】
この従来の例は、予め単セルまたは複数の単セルからなるセルブロックの電圧の経時変化のパターンを種々の運転条件に分けて記憶しておき、単セルまたはセルブロックの出力電圧の経時変化をモニタし、予め記憶した経時変化パターンのいずれに該当するかを判断して、固体高分子電解質の含水状態を知るものである。そして、燃料電池セルの電解質膜の含水量が過小と判断された場合のセルの加湿操作として、（Ａ）セルへの水供給量を増大させる方法、（Ｂ）セル温度を低下させる方法、（Ｃ）ガス供給量を減少させる方法が記述されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら（Ａ）の方法においては、特に半透膜を用いた加湿器では、燃料電池スタックの運転条件が負荷に応じて設定されるため、燃料ガスや空気の温度・流量を変更することは難しく、加湿量を任意にすることは難しいという問題点があった。
【０００５】
また（Ｂ）の方法においては、単に温度を低下させると、電解質膜の温度を低下することにより、電解反応が効率的に行われなくなり、燃料電池スタックの出力が低下する恐れがあるという問題点があった。
【０００６】
また燃料電池スタック内のガス流路後半では、ガス流量が反応で減少し、水蒸気分圧比が高くなるため、温度が低すぎると水分が液体となり、セル内の反応面積が減少することで、結果燃料電池スタックの出力が低下する恐れがあるという問題点があった。
【０００７】
さらに（Ｃ）の方法においては、単にガス供給量を減少させると、セル内で生成された水分を燃料電池スタック外部に排出することが困難になる恐れがあるという問題点があった。
【０００８】
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、電解質膜の水分含有量が低下した場合、燃料電池システムの更なる出力低下を招くことなく、電解質膜の水分含有量を回復させることができる燃料電池システムを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１記載の発明は、イオン伝導体として固体電解質膜を備えた燃料電池と、該燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料ガスおよび前記酸化ガスを加湿する加湿手段と、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、前記電解質膜の湿潤状態を推定する湿潤状態推定手段と、前記推定された湿潤状態に基づいて前記燃料電池の発生し得る出力である最大可能出力を算出する最大可能出力算出手段と、前記最大可能出力に基づいて燃料電池の目標運転温度を算出する目標運転温度算出手段と、前記燃料電池の温度が前記目標運転温度となるように前記冷却手段を制御する温度制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【００１０】
上記目的を達成するため請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記最大可能出力が平常時の最大出力未満であるとき、前記最大可能出力と燃料電池の運転温度との関係から定まる第１の目標運転温度を算出し、燃料電池の定格運転温度から第１の目標運転温度への移行による燃料電池の最大出力の低下を補う分だけ、第１の目標運転温度より温度の高い第２の目標運転温度に目標温度を切り替える出力補償手段を備えたことを要旨とする。
【００１１】
上記目的を達成するため請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記冷却手段は、冷却液の熱を外部へ放熱する熱交換手段と、燃料電池に設けられた冷却液通路と前記熱交換手段との間に冷却液を循環させる循環手段と、を備え、前記目標運転温度は、冷却液温度であることを要旨とする。
【００１２】
上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の燃料及び酸化ガスのそれぞれの飽和蒸気圧を算出する飽和蒸気圧算出手段と、燃料及び酸化ガスのそれぞれの水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、燃料あるいは酸化ガス、あるいは双方の飽和水蒸気圧が水蒸気分圧より低い場合、燃料電池へ供給する当該ガスの圧力をより高い方へ補正する圧力補正手段と、を備えたことを要旨とする。
【００１３】
上記目的を達成するため請求項５記載の発明は、請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記飽和蒸気圧算出手段は、燃料ガス及び酸化ガスのそれぞれの燃料電池出口温度から飽和蒸気圧を算出し、前記水蒸気分圧算出手段は、燃料ガス及び酸化ガス供給手段により検出、あるいは制御されたそれぞれのガス流量と、燃料電池内で消費されたそれぞれのガス流量と、燃料電池内で生成された水分量と、に基づいて水蒸気分圧を算出することを要旨とする。
【００１４】
上記目的を達成するため請求項６記載の発明は、イオン伝導体として固体電解質膜を備えた燃料電池と、該燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料ガスおよび前記酸化ガスを加湿する加湿手段と、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、前記固体電解質膜の湿潤状態を推定する湿潤状態推定過程と、前記湿潤状態に基づいて燃料電池の発生し得る出力である最大可能出力を算出する最大可能出力算出過程と、前記最大可能出力に基づいて燃料電池の目標運転温度を算出する目標運転温度算出過程と、燃料電池の温度が目標運転温度となるように冷却手段を制御する温度制御過程と、を備えたことを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、電解質膜が乾燥気味となり最大出力の低下が予想された場合に、燃料電池スタックの温度を最大可能出力を低下させない温度まで低下させることにより燃料ガス及び酸化ガスの相対湿度を上げることができるので、燃料電池システムの実質的な出力低下を招くことなく、効率的に電解質膜の湿潤を加速することができるという効果がある。
【００１６】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、電解質膜の湿潤状態が不十分な場合、さらに燃料電池システムの出力低下量を減少させることができるという効果がある。
【００１７】
請求項３記載の発明によれば、請求項１または請求項２記載の発明の効果に加えて、測定が容易な冷却液温度を制御目標とすることができるという効果がある。
【００１８】
請求項４記載の発明によれば、請求項１ないし請求項３記載の発明の効果に加えて、過剰な加湿による水分凝結や水分滞留を防止し、燃料電池の出力低下を防止することができるという効果がある。
【００１９】
請求項５記載の発明によれば、請求項４記載の発明の効果に加えて、正確な水蒸気分圧算出結果に基づいて精密な湿潤状態制御ができるという効果がある。
【００２０】
請求項６記載の発明によれば、電解質膜が乾燥気味となり最大出力の低下が予想された場合に、燃料電池スタックの温度を最大可能出力を低下させない温度まで低下させることにより燃料ガス及び酸化ガスの相対湿度を上げることができるので、燃料電池システムの実質的な出力低下を招くことなく、効率的に電解質膜の湿潤を加速することができるという効果がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２２】
〔第１実施形態〕
図１は、本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示す全体構成図である。図１において、燃料電池システムは、燃料ガスを所望の圧力・流量で供給する燃料供給部１と、酸化ガスとしての空気を所望の圧力・流量で供給する空気供給部２と、図示しない純水供給器から供給される純水で燃料ガスと空気とをそれぞれ加湿する加湿器３と、加湿器３で加湿された燃料ガス及び空気が供給される燃料電池スタック４と、使用されなかった水素を再循環させる燃料循環ポンプ５と、燃料ガスの逆流を防止する逆止弁６と、燃料電池スタック４を冷却する冷却水を循環させる冷却水ポンプ７と、冷却水の熱を外部へ放出するラジエータまたはラジエータとラジエータファンの組８と、冷却水温度を測定する温度計１０と、燃料電池スタック４の空気系出口に設けられた圧力制御バルブ１２と、これらの装置を制御する制御装置１１とを備えている。
【００２３】
燃料ガス供給部１は、燃料電池の発電に最適な圧力・流量で燃料ガス、例えば水素を含むガスを供給する。空気供給部２は、燃料電池スタック４の空気系出口に設けられた圧力制御バルブ１２と協動して、燃料電池の発電に最適な圧力・流量の空気を供給する。
【００２４】
燃料ガス供給部１及び空気供給部２から供給される燃料ガス及び空気は、加湿器３を通過し、適当な湿度となった後、燃料電池スタック４へ供給されるように配管されている。加湿器３には燃料ガス及び空気の他に加湿用の純水も供給されるが、本図では図示していない。燃料ガスは燃料循環ポンプ５及び逆流防止弁６により燃料電池スタック４で使われなかった排燃料を循環可能な構成となっている。
【００２５】
次に、図３のフローチャートを参照して、第１の実施形態の動作を説明する。まず、ステップ３０１（以下、ステップをＳと略す）にて、電解質膜の湿潤状態を推定する。具体的推定方法としては、燃料電池スタック運転中の電流・電圧及び温度から、電解質膜の導電率を算出し、この値から電解質膜の湿潤状態を推定する方法が考えられる、が本発明の本質ではないので詳細は省略する。次いでＳ３０２で湿潤状態が適正か否かを判定する。Ｓ３０２で膜が十分に湿潤しておらず、最大電力が出力できないと判定された場合には、Ｓ３０３で、その湿潤状態における燃料電池の最大出力を推定する。
【００２６】
次のＳ３０４では、燃料電池スタック４の温度を下げるべく、冷却水の目標温度を演算し、Ｓ３０５で冷却水温度が目標温度になるように冷却手段、即ち冷却水ポンプ７による冷却水循環量やラジエータ８の通風量を制御する。燃料電池スタック４の温度が下がれば、それより熱容量の比較的小さいガスの温度も容易に下げることができ、その結果、相対湿度が上昇することで、電解質膜の湿潤を促進することが可能となる。
【００２７】
しかしながら燃料電池スタックの温度を下げると、電極の触媒活性や電解質膜の活性も悪くなり、同じく最大出力低下の原因となり得る。即ち相対湿度を高めることのみを考慮し、燃料電池スタックの温度を下げることは、電解質膜の乾燥による最大出力の低下以上に最大出力を下げてしまう恐れがある。そこで本ステップでは、電解質膜の湿潤状態から出し得る最大可能出力を推定し、その推定された最大可能出力から、燃料電池スタックの下限温度を算出する。
【００２８】
図５は、燃料電池の動作温度に対する出力可能な発電量である最大出力を示すグラフとともに、上記下限温度の算出内容の概略を示す図である。横軸の燃料電池スタックの温度、縦軸に出力可能な発電量である最大出力を示している。
【００２９】
定格時の温度をＴ０、その時の出力を１００％としている。燃料電池スタックの運転温度が定格温度Ｔ０から下がると、電解質膜部の活性が低下するため、図中Ｔ１程度までは、温度の低下とともに徐々に最大出力が低下するが、Ｔ１より温度が低下すると、急激に最大出力が低下する特性となっている。
【００３０】
本図に示す例では、温度Ｔ１に対応する最大出力はＰ１となる。このように、電解質膜の乾燥により燃料電池スタックが定格出力を出すことができず、Ｓ３０３にて、その最大出力がＰ１であると推定された場合、燃料電池スタックは定格温度で運転しても、結局は１００％の出力を出すことができず、Ｔ１まで温度を下げて運転しても、実質的な出力の低下にはならないことがわかる。
【００３１】
正確には電解質膜の乾燥による膜部のイオン伝導度の低下に加え、温度低下による電極触媒活性の低下も加わり、燃料電池スタックの運転温度を減少させると、Ｐ１より若干最大出力が減少することになる。そこで、Ｔ１より高く設定される温度Ｔ１’を目標に運転温度を減少させることが望ましい。
【００３２】
高く設定する際の温度差であるが、予め設定した分だけ高めてもよく、また、温度を下げることによるＰ１からの更なる出力低下代を、定格温度Ｔ０からＴ１まで下げた時に出力低下代、即ち［１００％−Ｐ１］に相当する割合だけ、高めて設定してもよい。即ち温度をＴ０→Ｔ１とすることで出力がα％減少することが推定される場合はＰ１＋αに相当する温度Ｔ１’を目標としてもよい。
【００３３】
尚、図６は一定量の水蒸気を含むガスの温度と相対湿度の関係を示した図で、温度Ｔ２が露点の場合の一例である。本図に示すように、一般的な固体高分子型燃料電池において、約４０℃前後以上の温度域では、温度低下による出力の減少感度はそれほど大きくない一方で、相対湿度の上昇の方が大きく、即ち運転温度の下限をしっかりと管理することで、電解質膜の湿潤を効果的に加速することが可能となる。
【００３４】
一方、Ｓ３０２で膜が十分に湿潤していると判定された場合には、Ｓ３０６にて冷却水温度の目標値を通常の定格温度に設定する。
【００３５】
〔第２実施形態〕
第２の実施形態は、スタック出口における液水の生成を防止することを目的としている。スタック出口においては、スタック圧力損失により、入口よりガス圧力が低下している。また燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応による生成水分だけ入口より水の流量が増えている。ガスの温度が燃料電池スタックを通過する際に低下し、飽和蒸気圧が下がる、等の理由によりガス中に液水が生成しやすい。この液水がセル内部のガス流路に溜まると、反応面積が減少し、結果燃料電池スタックの最大出力が低下してしまう恐れがある。本実施形態では、適当にガスの圧力を高めることで、この液水の生成を防止することを目的としている。
【００３６】
図２は第２の実施形態の構成図の一例を示し、図１に対し、燃料電池スタックの出口側に空気の温度検出手段１３、空気圧力検出手段１５、燃料側に燃料ガス温度検出手段１４、燃料ガス圧力検出手段１６を設けた例である。
【００３７】
尚、圧力検出手段１５、１６は、燃料ガス供給部１あるいは、空気供給部２においての圧力制御機能に圧力検出機能が包含されている場合には、その圧力検出機能を兼用してもよい。あるいは燃料と空気間の差圧が零略に保たれている場合には、どちらか一方を省略し、他方で両ガス圧力を代表してもよい。
【００３８】
次に、図４のフローチャートを参照して、第１の実施形態の動作を説明する。本フローチャートは図２に示した第１の実施形態のフローチャートのＳ３０６以降にガス圧力目標値の補正を行うＳ３２１以下の処理を追加したものである。
【００３９】
Ｓ３０６の次に、Ｓ３２１で燃料ガス及び空気の燃料電池スタックの出口温度を検出し、Ｓ３２２では、その検出された温度から各ガスの飽和蒸気圧を演算する。
【００４０】
次にＳ３２３では出口のガス圧力を検出し、またＳ３２４で、出口のガス及び水分の流量を検出、あるいは計算で求める。出口ガスの成分の算出方法としては、燃料側は、燃料ガス供給部１により制御、あるいは検出された燃料流量から、燃料電池スタック４の発電で消費された水素分を減算すれば算出できる。
【００４１】
空気側も同じく空気供給部２により制御、あるいは検出された空気流量から、燃料電池スタック４の発電で消費された酸素分を減算することでも求めることが可能である。また水分流量は、加湿器３の特性を予め求めておき、運転条件からそれぞれのガスに加湿される水分流量を求め、さらに空気側には発電により生成された水分量を加えることで推定が可能である。
【００４２】
燃料電池スタック４の種類によっては空気極側で生成された水分が電解質膜を通じて燃料極側に移動する場合もあるが、その場合はそれを考慮するべきであることは言うまでもない。この燃料及び空気それぞれのガス流量及び水分流量から水分流量比が求められる。
【００４３】
さて、Ｓ３２３で検出されたガスの圧力、及びＳ３２４で得られた水分流量比から、Ｓ３２５では水蒸気の分圧を算出する。この水蒸気分圧が飽和蒸気圧より高ければ、過剰な水分は凝結して液相となり、セル内部のガス流路に溜まる恐れがある。このため、Ｓ３２７で、水蒸気分圧が飽和蒸気圧より高くなるだけ、ガス圧力目標を高い方向に補正するための補正値算出を行う。一方水蒸気分圧が飽和蒸気圧より低ければ、水分は気相で存在するので、ガス圧力を高める必要はないと判断し、ガス圧力目標補正値を算出せずに終了する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの第１の実施形態の構成を示す全体構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの第２の実施形態の構成を示す全体構成図である。
【図３】第１の実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図４】第２の実施形態の動作を説明するフローチャートである。
【図５】燃料電池の動作温度と最大出力との関係の一例を示すグラフである。
【図６】温度に対する相対湿度の関係の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１燃料供給部
２空気供給部
３加湿器
４燃料電池スタック
５燃料循環ポンプ
６逆止弁
７冷却水ポンプ
８ラジエータ
１０温度計
１１制御装置
１２圧力制御バルブ

Claims

イオン伝導体として固体電解質膜を備えた燃料電池と、
該燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
該燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
前記燃料ガスおよび前記酸化ガスを加湿する加湿手段と、
前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
前記固体電解質膜の湿潤状態を推定する湿潤状態推定手段と、
前記推定された湿潤状態に基づいて前記燃料電池の発生し得る出力である最大可能出力を算出する最大可能出力算出手段と、
前記最大可能出力に基づいて燃料電池の目標運転温度を算出する目標運転温度算出手段と、
前記燃料電池の温度が前記目標運転温度となるように前記冷却手段を制御する温度制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記最大可能出力が平常時の最大出力未満であるとき、前記最大可能出力と燃料電池の運転温度との関係から定まる第１の目標運転温度を算出し、燃料電池の定格運転温度から第１の目標運転温度への移行による燃料電池の最大出力の低下を補う分だけ、第１の目標運転温度より温度の高い第２の目標運転温度に目標温度を切り替える出力補償手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
前記冷却手段は、
冷却液の熱を外部へ放熱する熱交換手段と、
燃料電池に設けられた冷却液通路と前記熱交換手段との間に冷却液を循環させる循環手段と、を備え、
前記目標運転温度は、冷却液温度であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
前記燃料電池の燃料ガス及び酸化ガスのそれぞれの飽和蒸気圧を算出する飽和蒸気圧算出手段と、
燃料ガス及び酸化ガスのそれぞれの水蒸気分圧を算出する水蒸気分圧算出手段と、
燃料ガスあるいは酸化ガス、あるいは双方の飽和水蒸気圧が水蒸気分圧より低い場合、燃料電池へ供給する当該ガスの圧力をより高い方へ補正する圧力補正手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池システム。
前記飽和蒸気圧算出手段は、燃料ガス及び酸化ガスのそれぞれの燃料電池出口温度から飽和蒸気圧を算出し、
前記水蒸気分圧算出手段は、燃料ガス及び酸化ガス供給手段により検出、あるいは制御されたそれぞれのガス流量と、燃料電池内で消費されたそれぞれのガス流量と、燃料電池内で生成された水分量と、に基づいて水蒸気分圧を算出することを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
イオン伝導体として固体電解質膜を備えた燃料電池と、該燃料電池へ燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記燃料電池へ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料ガスおよび前記酸化ガスを加湿する加湿手段と、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、を備えた燃料電池システムの運転方法であって、
前記固体電解質膜の湿潤状態を推定する湿潤状態推定過程と、
前記湿潤状態に基づいて燃料電池の発生し得る出力である最大可能出力を算出する最大可能出力算出過程と、
前記最大可能出力に基づいて燃料電池の目標運転温度を算出する目標運転温度算出過程と、
燃料電池の温度が前記目標運転温度となるように冷却手段を制御する温度制御過程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。