JP4590819B2

JP4590819B2 - 燃料電池システム及び燃料電池運転方法

Info

Publication number: JP4590819B2
Application number: JP2002360193A
Authority: JP
Inventors: 和利野本; 敏之松野
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2002-12-12
Filing date: 2002-12-12
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2022-12-12
Also published as: JP2004192973A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池運転方法に関し、特に空気の供給と排気を制御するための燃料電池システム及び運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料気体を供給することで発電体に電力を発生させる手段であり、自動車などの車両に搭載して電気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にある。燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である水素側電極（アノード）では触媒と高分子電解質の接触界面において、Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である酸素側電極（カソード）では同様に１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＝Ｈ_２Ｏの如き反応が起こり水が生成される。
【０００３】
このような燃料電池では、化学反応に伴うプロトンの伝導を高分子電解質層が行うため、効率の良い発電反応を継続して行うためには高分子電解質層の湿潤状態や温度状態を管理する必要がある。高分子電解質層の湿潤状態を保つために、加湿手段を用いて燃料電池に供給される燃料気体の湿度を制御する方法が採られる場合もあるが、燃料電池装置全体の小型化を図る上では加湿器は無いほうが望ましい。
【０００４】
加湿器を設けずに燃料電池の高分子電解質層の湿潤状態を保持する技術として、燃料電池から発生する電流に基づいて燃料電池が生成する生成水量を算出し、アノード側とカソード側の排気部における排気ガスを合計した流量・圧力・温度を測定して排気ガス中の飽和水蒸気量を算出し、算出した生成水量と飽和水蒸気量との比率が１：１になるように燃料電池の運転を制御するものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
上記特許文献１に記載された燃料電池システム及び燃料電池運転方法では、燃料電池の発電反応によって発生した生成水と、排気側での排気ガス中に含まれる水分量とを等しくするように燃料電池の運転を制御する。このため、燃料電池の発電反応によって発生した生成水の量が大きい場合には、燃料電池に流入してくる気体内に含まれている水分量が小さいので、生成水量と排ガス中に含まれる水分量とが等しいと考えても問題ない。
【０００６】
しかしながら、携帯可能な機器に用いられるような小型化された燃料電池においては、燃料電池によって発電される電気量が小さく、生成される水分量に対して燃料電池に流入してくる空気に含まれる水分量が無視できないために、特許文献１に記載された燃料電池システムや燃料電池運転方法では、高分子電解質層の湿潤状態を保持する制御を実現することが困難である。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２５６９８８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって本願発明は、小型化された燃料電池においても燃料電池内部に存在する水分量を正確に把握し、高分子電解質層の湿潤状態を望ましい状態に制御することが可能な燃料電池システム及び燃料電池運転方法を提供することを課題とする。
【００１１】
また、吸気水分量と排気水分量と生成水分量とを、時間経過に応じて積算して算出し、一定期間経過する毎に、積算して算出された吸気水分量と排気水分量とを初期化し、燃料電池に含まれている初期水分量を測定して、所定の水分量と初期水分量との差を前記生成水分量と設定する。これにより、定期的に高分子電解質層の湿潤状態を計測して、積算された生成水分量と排出水分量の初期値を設定しなおすため、繰り返して制御ルーチンを実行するうちに積算された生成水分量排出水分量に誤差が蓄積されていったとしても、実測した高分子電解質層の湿潤状態を制御ルーチン内で反映させて、誤差の蓄積を解消して精密な制御を行うことができる。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本願発明の燃料電池システムは、空気中の酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から供給される電流によって駆動される負荷を有すると共に、加湿手段を有しない燃料電池システムであって、前記燃料電池に流入気体を供給する空気供給手段と、前記燃料電池に流入する前記流入気体の温度である吸気温度、前記流入気体の湿度である吸気湿度、および前記流入気体の流量である吸気流量を測定する吸気側計測手段と、前記燃料電池から排出される排出気体の温度である排気温度、前記排出気体の湿度である排気湿度、および前記排出気体の流量である排気流量を測定する排気側計測手段と、前記負荷に流れる電流値を計測する電流計と、前記吸気温度、前記吸気湿度および前記吸気流量から前記燃料電池に流入する水分量である吸気水分量を算出し、前記排気温度、前記排気湿度および前記排気流量から前記燃料電池から排出される水分量である排気水分量を算出し、前記電流値から前記燃料電池によって生成される水分量である生成水分量を算出し、前記吸気水分量と前記生成水分量との和が前記排気水分量と等しくなるように、前記空気供給手段が前記燃料電池に対して供給する前記流入気体の流量を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
【００１３】
吸気側計測手段と排気側計測手段と電流計とを用いて、吸気温度・吸気湿度・吸気流量・排気温度・排気湿度・排気流量・電流値を測定し、制御装置で吸気水分量と排気水分量と生成水分量とを算出し、吸気水分量と生成水分量との和が排気水分量と等しくなるように燃料電池に流入する空気の流量をフィードバック制御することにより、燃料電池で単位時間当たりに生成される水分量が少なく、空気中に含まれる水分量を無視できない状況においても、燃料電池内部の水分量が一定に保たれ、高分子電解質層の湿潤状態を発電に適したものとすることができる。また、燃料電池内部に残留する水分量を一定に保つことができるため、燃料電池内部で流路が水滴によって閉塞される不具合を低減することができる。
【００１４】
また、上記課題を解決するために本願発明の燃料電池運転方法は、加湿手段を設けることなく空気中の酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、前記燃料電池に流入する流入気体の温度である吸気温度、前記流入気体の湿度である吸気湿度、および前記流入気体の流量である吸気流量を測定し、前記燃料電池から排出される排出気体の温度である排気温度、前記排出気体の湿度である排気湿度、および前記排出気体の流量である排気流量を測定し、前記負荷に流れる電流値を計測し、前記吸気温度、前記吸気湿度および前記吸気流量から前記燃料電池に流入する水分量である吸気水分量を算出し、前記排気温度、前記排気湿度および前記排気流量から前記燃料電池から排出される水分量である排気水分量を算出し、前記電流値から前記燃料電池によって生成される水分量である生成水分量を算出し、前記吸気水分量と前記生成水分量との和が前記排気水分量と等しくなるように前記流入気体の流量を制御することを特徴とする。
【００１５】
吸気水分量と生成水分量との和が排気水分量と等しくなるように燃料電池に流入する空気の流量をフィードバック制御することにより、燃料電池で単位時間当たりに生成される水分量が少なく、空気中に含まれる水分量を無視できない状況においても、燃料電池内部の水分量が一定に保たれ、高分子電解質層の湿潤状態を発電に適したものとすることができる。また、燃料電池内部に残留する水分量を一定に保つことができるため、燃料電池内部で流路が水滴によって閉塞される不具合を低減することができる。
【００１６】
またフィードバック制御に、ＰＩ制御またはＰＩＤ制御を、初期水分量の測定に電流遮断法を用いることで、効率よくフィードバック制御と初期水分量の測定を行うことが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
［第一の実施の形態］
以下、本願発明を適用した燃料電池システム及び燃料電池運転方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお本願発明は、以下の記述に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。
【００１８】
図１は、本願発明における実施の形態としての燃料電池システムの構成を示す概略構成図である。燃料電池システム１は発電を行う燃料電池２と、燃料電池２に流入気体である空気を供給する空気供給手段としてのポンプ３と、燃料電池２に水素等の燃料を供給する水素供給手段としての水素タンク４と、ポンプ３の空気流量を制御する制御手段５と、燃料電池２からの電力により駆動する負荷６とを備えている。
【００１９】
また、ポンプ３から燃料電池２に対して流入する空気についての情報を計測する吸気側計測手段７として、空気の流量を測定する吸気側流量計７ａと、空気の温度を測定する吸気側温度計７ｂと、空気の相対湿度を測定する吸気側湿度計７ｃとを備えている。また、燃料電池２から外部に流出していく排出気体としての空気についての情報を計測する排気側計測手段８として、空気の流量を測定する排気側流量計８ａと、空気の温度を測定する排気側温度計８ｂと、空気の相対湿度を測定する排気側湿度計８ｃとを備えている。また、燃料電池２が負荷６に対して供給する電流を測定する電流計９を備えている。
【００２０】
ここでは、吸気側計測手段７と排気側計測手段８のそれぞれに、吸気側流量計７ａと排気側流量計８ａとを設けた例を示したが、燃料電池２に流入する流入気体の流量と燃料電池２から流出する排出気体との流量が実質的に同一とみなせる状況下では、どちらか一方に流量計を設けてその測定値を吸気側計測手段７と排気側計測手段８の双方に適用して、吸気側流量計７ａと排気側流量計８ａの二つの測定であるとしても良い。
【００２１】
吸気側計測手段７は、流入気体である空気の温度、湿度および流量を測定して、測定結果を増幅器１０を介して制御手段５に伝達する。排気側計測手段８は、排出気体である空気の温度、湿度および流量を測定して、測定結果を増幅器１１を介して制御手段５に伝達する。電流計９は、測定した電流値を増幅器１２を介して制御手段５に伝達する。
【００２２】
燃料電池２は、高分子電解質層とこれを挟む水素側電極と酸素側電極が発電体となり、その各電極側に起電力を取り出すための集電体が形成される。このような燃料電池２の構造例と発電の様子を図２に示す。高分子電解質層２１は水素側電極２２と酸素側電極２３に挟持され、解離したプロトン（Ｈ^＋）は図面矢印方向に沿って水素側電極２２から酸素側電極２３に向かって高分子電解質層２１の膜中を移動する。水素側電極２２と高分子電解質層２１の間には、触媒層２２ａが形成され、酸素側電極２３と高分子電解質層２１の間には、触媒層２３ａが形成される。使用時には、水素側電極２２では導入口２４から水素ガス（Ｈ_２）が燃料気体として供給され、排出口２５から水素が排出される。燃料気体である水素ガス（Ｈ_２）が気体流路２６を通過する間にプロトンを発生し、このプロトンは酸素側電極２３に移動する。この移動したプロトンは、導入口２７から気体流路２８に供給されて排出口２９に向かう酸素（空気）と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。ここでは、単層構造の燃料電池２を示したが、同様の構造を複数積層して構成されるとしても良い。
【００２３】
ポンプ３は、発電のために必要な酸素を含んだ空気を燃料電池２の気体流路２８に対して送出するための手段であり、他の手段としては送風ファンなどを用いても良い。また、制御手段５からの制御信号に基づいて電流制御などにより空気の送出量を制御することが可能な手段である。図１では、ポンプ３を燃料電池２の空気取入れ側である導入口２７に設けた例を示したが、燃料電池２の空気排出側である排出口２９に排気用ファンなどを設けて燃料電池２からの排気を行うことで導入口２７から空気が流入し、実質的に空気を燃料電池２に対して供給する構成としても良い。
【００２４】
水素タンク４は、発電のために必要な燃料である水素等を燃料電池２の気体流路２６に対して送出するための手段であり、他の手段としては水素が充填された水素吸蔵合金などを用いても良い。
【００２５】
制御手段５は、情報処理を行うＣＰＵ５１と、情報を記憶するための記憶手段としてのメモリ５２と、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤコンバータ５３（ａｎａｌｏｇｔｏｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）とを備える情報処理手段である。ＡＤコンバータ５３は、吸気側計測手段７である吸気側流量計７ａと吸気側温度計７ｂと吸気側湿度計７ｃ、排気側計測手段８である排気側流量計８ａと排気側温度計８ｂと排気側湿度計８ｃ、および電流計９が測定した情報をデジタル信号に変換し、メモリ５２に記録されているプログラムに基づいてＣＰＵ５１がデジタル信号の情報処理を行い、制御信号を算出する。得られた制御信号を増幅器１３を介してポンプ３に対して送出して、ポンプ３が燃料電池２に送出する空気の流量を制御する。
【００２６】
負荷６は、燃料電池２から生じる電力によって駆動する回路であり、本願発明の燃料電池システム１が搭載される電子機器を指す。また、燃料電池２が供給する電流により駆動する回路群全体を負荷６とするため、前述した本願発明の燃料電池システムの各要素を燃料電池２からの電力によって駆動する場合には、ポンプ３、水素タンク４、制御手段５、吸気側計測手段７、排気側計測手段８も負荷６の一部として考える。
【００２７】
次に、本実施の形態の燃料電池運転方法として、ポンプ３が燃料電池２に供給する空気の流量を制御する方法について詳細に説明する。図３は上述した本願発明の燃料電池システム１での制御手段５によって実行されるポンプ３の制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。なお、制御ルーチンは制御手段５のＣＰＵ５１が実行可能な形式でメモリ５２に記録されていて、随時ＣＰＵ５１が呼び出して実行するものとしてもよく、ＣＰＵ５１自体が制御ルーチンを実行するために設計されたＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）であるとしてもよい。
【００２８】
ステップ１はポンプ３を制御する制御信号を生成するための制御ルーチンの開始であり、制御手段５のＣＰＵ５１により実行され、自動的にステップ２に移行する。
【００２９】
ステップ２は計測ステップであり、燃料電池２に流入してくる空気に関して、吸気側計測手段７である吸気側流量計７ａが吸気流量Ｖ_ｉｎ［ｍ^３／ｓ］を測定し、吸気側温度計７ｂが吸気温度Ｔ_ｉｎ［℃］を測定し、吸気側湿度計７ｃが吸気湿度Ｒｈ_ｉｎ［％］を測定する。また、燃料電池２から流出してくる空気に関して、排気側計測手段８である排気側流量計８ａが排気流量Ｖ_ｏｕｔ［ｍ^３／ｓ］を測定し、排気側温度計８ｂが排気温度Ｔ_ｏｕｔ［℃］を測定し、排気側湿度計８ｃが排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔ［％］を測定する。また、電流計９が負荷６に流れる出力電流Ｉ_ｏｕｔを測定する。制御手段５のＡＤコンバータ５３は、計測結果をＣＰＵ５１で処理可能なデジタル信号のデータに変換し、メモリ５２に記録する。計測結果が記録された後、制御ルーチンはステップ３に移行する。
【００３０】
ステップ３は飽和水蒸気圧を求めるステップであり、ＣＰＵ５１はＴｅｎｔｅｎｓの式として知られる近似式である式１に基づいて、式１中のＴに吸気温度Ｔ_ｉｎを代入して吸気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｉｎ}を算出し、式１中のＴに排気温度Ｔ_ｏｕｔを代入して排気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｏｕｔ}を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。計算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ４に移行する。
【式１】

【００３１】
ステップ４は水蒸気圧を求めるステップであり、ＣＰＵ５１はメモリ５２に記録されているデータを用いて式２に示す飽和水蒸気圧と相対湿度との乗算を行う。具体的には、Ｐ_ｓａｔに吸気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｉｎ}を代入し、Ｒｈに吸気湿度Ｒｈ_ｉｎを代入して吸気水蒸気圧Ｐ_ｓ，ｉｎを算出し、Ｐ_ｓａｔに排気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｏｕｔ}を代入し、Ｒｈに排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔを代入して排気水蒸気圧Ｐ_{ｓ，ｏｕｔ}を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。計算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ５に移行する。
【式２】

【００３２】
ステップ５は空気中に水蒸気の形態で混入している水分量である絶対湿度を求めるステップである。ＣＰＵ５１はメモリ５２に記録されているデータを用いて、水の分子量と気体の状態方程式から得られる式３に示す計算を行う。具体的には、Ｐ_ｓに吸気水蒸気圧Ｐ_ｓ，ｉｎを代入し、Ｔに吸気温度Ｔ_ｉｎを代入して吸気絶対湿度Ｈ_ｉｎ［ｇ／ｍ^３］を算出し、Ｐ_ｓに排気水蒸気圧Ｐ_{ｓ，ｏｕｔ}を代入し、Ｔに排気温度Ｔ_ｏｕｔを代入して排気絶対湿度Ｈ_ｏｕｔ［ｇ／ｍ^３］を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。計算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ６に移行する。
【式３】

【００３３】
ステップ６は空気の供給・排出に伴って単位時間当たりに水蒸気の形態で燃料電池２外部に持ち出される水分量である排出水分量を求めるステップである。ＣＰＵ５１はメモリ５２に記録されている排気絶対湿度Ｈ_ｏｕｔ、吸気絶対湿度Ｈ_ｉｎ、排気流量Ｖ_ｏｕｔ、吸気流量Ｖ_ｉｎを用いて式４に示す計算を行って排出水分量Ｗｏ［ｇ／ｓ］を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。Ｈ_ｉｎ×Ｖ_ｉｎによって燃料電池２内部に流入する空気に含まれている吸気水分量が計算され、Ｈ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔによって燃料電池２内部から排出される空気に含まれている排気水分量が計算され、その差を求めることで排出水分量Ｗｏが求められる。吸気水分量と排気水分量と排出水分量の計算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ７に移行する。
【式４】

【００３４】
ステップ７は燃料電池の電極反応に伴い生成される単位時間あたりの水分量である生成水分量を求めるステップである。ＣＰＵ５１はファラデー定数をＦ、水の分子量を１８、燃料電池２のセル数をｎとして、出力電流Ｉ_ｏｕｔを用いて式５に示す計算を行って生成水分量Ｗｇ［ｇ／ｓ］を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。積算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ８に移行する。
【式５】

【００３５】
ステップ８はポンプ３を制御し駆動する制御信号を算出するステップである。
ＣＰＵ５１は、ステップ２乃至ステップ７から算出した単位時間当たりの排出水分量Ｗｏと生成水分量Ｗｇとを比較し、生成水分量Ｗｇと排出水分量Ｗｏが等しくなる方向にポンプ３が供給する空気量を制御する制御信号を生成する。
【００３６】
具体的には、生成水分量Ｗｇが排出水分量Ｗｏよりも大きい場合には、燃料電池２内部に留まっている水分を外部に排出する方向に運転する制御信号をポンプ３に送出して、ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量を多くする。逆に、生成水分量Ｗｇが排出水分量Ｗｏよりも小さい場合には、燃料電池２内部から外部に排出される水分量を減少させる方向に運転する制御信号をポンプ３に送出して、ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量を少なくする。
【００３７】
換言すると、燃料電池２に流入する空気に含まれる水分量である吸気水分量と、燃料電池２の発電に伴って生成される水分量である生成水分量の和が、燃料電池２から排出される空気に含まれる水分量である排気水分量と等しくなる方向に、ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量を制御する。ポンプ３に対する制御信号が更新されるまで、ポンプ３はステップ８で計算した送出量となる制御信号による駆動が継続される。
【００３８】
ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量の制御をフィードバック制御とするため、ステップ８で生成水分量Ｗｇと排出水分量Ｗｏが等しくなる方向にポンプ３を制御した後に、再び制御ルーチンがステップ２から実行される。燃料電池２に流入する空気量の制御に際しては、メモリ５２に経時的に記録されている生成水分量Ｗｇおよび排出水分量Ｗｏのデータに基づいて、排出水分量Ｗｏの値を生成水分量Ｗｇと等しくなるように、ＰＩ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌ）制御やＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御等を動作特性に応じて用いる。
【００３９】
上述した様に、本実施の形態における燃料電池運転方法では、ポンプ３が燃料電池２に対して供給する空気と、燃料電池２から外部に排出される空気の双方における温度、湿度、流量を測定し、燃料電池２内部に流入する空気に含まれている水分量と、燃料電池２内部から排出される空気に含まれている水分量とを求めて、単位時間当たりの排出水分量Ｗｏを求める。また、燃料電池２が供給する出力電流Ｉ_ｏｕｔを測定することで、燃料電池２の電極反応に伴い生成される単位時間当たりの生成水分量Ｗｇを求める。
【００４０】
排出水分量Ｗｏと生成水分量Ｗｇとを等しくするようにポンプ３の駆動をフィードバック制御することにより、燃料電池２燃料電池２内部の水分量が一定に保たれ、高分子電解質層２１の湿潤状態を発電に適したものとすることができる。
また、燃料電池２内部に残留する水分量を一定に保つことができるため、燃料電池２内部で流路が水滴によって閉塞される不具合を低減することができる。
【００４１】
燃料電池２に流入してくる空気に含まれる水分量も考慮した空気の供給量に制御することで、燃料電池２で単位時間当たりに生成される水分量が少なく、空気中に含まれる水分量を無視できない状況においても、精度良く燃料電池２内部に残留する水分量を調整して、高分子電解質層２１の湿潤状態を発電に適したものとすることができる。また、ポンプ３から燃料電池２に対して送出される空気の流量を制御するだけで、燃料電池２内部に残留する水分量を調整することができるため、加湿手段や乾燥手段を別途設ける必要が無く、燃料電池システムの小型軽量化を図ることができる。
【００４２】
上述した説明では、ステップ３乃至ステップ７において制御手段５のＣＰＵ５１が式１乃至式５の演算を行うとしたが、各ステップで式に入力される値と演算結果について、複数の入力値による演算結果を予め算出して配列データとして記憶手段５２に記録しておき、配列データを参照することで演算結果を得るとしてもよい。これにより、ＣＰＵ５１の処理速度が遅い場合には、配列データの参照により演算結果を得るほうが制御手段５の制御動作を高速化することが可能となる。
【００４３】
［第二の実施の形態］
次に本願発明の他の実施の形態を、図面を参照して説明する。本実施の形態の燃料電池システムの構成は、第一の実施の形態において図１及び図２を用いて説明したものと同様であるため、重複を避けるために説明を省略する。本実施の形態が第一の実施の形態と異なる点は、燃料電池駆動方法でのフィードバック制御に関する部分であり、排出水分量Ｗｏと生成水分量Ｗｇとを積算して空気の流量制御を行うという点である。
【００４４】
図４は、本実施の形態の燃料電池運転方法であるポンプ３が燃料電池２に供給する空気の流量を制御する方法について説明する制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。なお、制御ルーチンは制御手段５のＣＰＵ５１が実行可能な形式でメモリ５２に記録されていて、随時ＣＰＵ５１が呼び出して実行するものとしてもよく、ＣＰＵ５１自体が制御ルーチンを実行するために設計されたＤＳＰ（ｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）であるとしてもよい。
【００４５】
ステップ１１はポンプ３を制御する制御信号を生成するための制御ルーチンの開始であり、制御手段５のＣＰＵ５１により実行され、自動的にステップ１２に移行する。
【００４６】
ステップ１２は初期化ステップであり、以前に制御ルーチンが実行された際にメモリ５２に記録されているデータを初期化する。このステップでは、電流遮断法を用いて高分子電解質層２１の湿潤状態を計測して、燃料電池２内部に存在する水分量である初期水分量を算出し、高分子電解質層２１にとって好適な湿潤状態となる水分量と初期水分量との差を、積算された生成水分量ΣＷｇの初期値に設定してメモリ５２に記録する。また、以前の制御ルーチン実行時にメモリ５２に記録されている積算された排出水分量ΣＷｏをゼロに設定し、積算されている吸気水分量と排気水分量を初期値に設定してメモリ５２に記録する。積算された生成水分量ΣＷｇと吸気水分量と排気水分量と積算された排出水分量ΣＷｏの初期値がメモリ５２に記録された後、制御ルーチンはステップ１３に移行する。この初期化ステップは、後述するように一定期間が経過する毎に実行されるため、定期的に積算された生成水分量ΣＷｇと吸気水分量と排気水分量と積算された排出水分量ΣＷｏの初期化が実行されることになる。
【００４７】
ステップ１３は計測ステップであり、燃料電池２に流入してくる空気に関して、吸気側計測手段７である吸気側流量計７ａが吸気流量Ｖ_ｉｎ［ｍ^３／ｓ］を測定し、吸気側温度計７ｂが吸気温度Ｔ_ｉｎ［℃］を測定し、吸気側湿度計７ｃが吸気湿度Ｒｈ_ｉｎ［％］を測定する。また、燃料電池２から流出してくる空気に関して、排気側計測手段８である排気側流量計８ａが排気流量Ｖ_ｏｕｔ［ｍ^３／ｓ］を測定し、排気側温度計８ｂが排気温度Ｔ_ｏｕｔ［℃］を測定し、排気側湿度計８ｃが排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔ［％］を測定する。また、電流計９が負荷６に流れる出力電流Ｉ_ｏｕｔを測定する。制御手段５のＡＤコンバータ５３は、計測結果をＣＰＵ５１で処理可能なデジタル信号のデータに変換し、メモリ５２に記録する。計測結果が記録された後、制御ルーチンはステップ１４に移行する。
【００４８】
ステップ１４は飽和水蒸気圧を求めるステップであり、ＣＰＵ５１はＴｅｎｔｅｎｓの式として知られる近似式である式１に基づいて、式１中のＴに吸気温度Ｔ_ｉｎを代入して吸気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｉｎ}を算出し、式１中のＴに排気温度Ｔ_ｏｕｔを代入して排気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｏｕｔ}を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。計算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ１５に移行する。
【００４９】
ステップ１５は水蒸気圧を求めるステップであり、ＣＰＵ５１はメモリ５２に記録されているデータを用いて式２に示した飽和水蒸気圧と相対湿度との乗算を行う。具体的には、Ｐ_ｓａｔに吸気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｉｎ}を代入し、Ｒｈに吸気湿度Ｒｈ_ｉｎを代入して吸気水蒸気圧Ｐ_ｓ，ｉｎを算出し、Ｐ_ｓａｔに排気飽和水蒸気圧Ｐ_{ｓａｔ，ｏｕｔ}を代入し、Ｒｈに排気湿度Ｒｈ_ｏｕｔを代入して排気水蒸気圧Ｐ_{ｓ，ｏｕｔ}を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。計算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ１６に移行する。
【００５０】
ステップ１６は空気中に水蒸気の形態で混入している水分量である絶対湿度を求めるステップである。ＣＰＵ５１はメモリ５２に記録されているデータを用いて、水の分子量と気体の状態方程式から得られる式３に示した計算を行う。具体的には、Ｐ_ｓに吸気水蒸気圧Ｐ_ｓ，ｉｎを代入し、Ｔに吸気温度Ｔ_ｉｎを代入して吸気絶対湿度Ｈ_ｉｎ［ｇ／ｍ^３］を算出し、Ｐ_ｓに排気水蒸気圧Ｐ_{ｓ，ｏｕｔ}を代入し、Ｔに排気温度Ｔ_ｏｕｔを代入して排気絶対湿度Ｈ_ｏｕｔ［ｇ／ｍ^３］を算出し、計算結果をメモリ５２に記録する。計算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ１７に移行する。
【００５１】
ステップ１７は空気の供給・排出に伴って単位時間当たりに水蒸気の形態で燃料電池２外部に持ち出される水分量である排出水分量を求めて、積算された排出水分量を算出するステップである。ＣＰＵ５１はメモリ５２に記録されている排気絶対湿度Ｈ_ｏｕｔ、吸気絶対湿度Ｈ_ｉｎ、排気流量Ｖ_ｏｕｔ、吸気流量Ｖ_ｉｎを用いて式４に示した計算を行って排出水分量Ｗｏ［ｇ／ｓ］を算出する。Ｈ_ｉｎ×Ｖ_ｉｎによって燃料電池２内部に流入する空気に含まれている吸気水分量が計算され、Ｈ_ｏｕｔ×Ｖ_ｏｕｔによって燃料電池２内部から排出される空気に含まれている排気水分量が計算され、その差を求めることで排出水分量Ｗｏが求められる。前回の制御ルーチン実行時からメモリ５２に記録されている吸気水分量と排気水分量と排出水分量の積算値に今回の計算結果を積算して、積算された排出水分量ΣＷｏと吸気水分量と排気水分量を計算メモリ５２に記録する。積算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ１８に移行する。
【００５２】
ステップ１８は燃料電池の電極反応に伴い生成される単位時間あたりの水分量である生成水分量を求めて、積算された生成水分量を算出するステップである。ＣＰＵ５１はファラデー定数をＦ、水の分子量を１８、燃料電池２のセル数をｎとして、出力電流Ｉ_ｏｕｔを用いて式５に示した計算を行って生成水分量Ｗｇ［ｇ／ｓ］を算出し、前回の制御ルーチン実行時からメモリ５２に記録されている生成水分量の積算値に今回の計算結果を積算してメモリ５２に積算された生成水分量ΣＷｇを記録する。積算結果が記録された後、制御ルーチンはステップ１９に移行する。
【００５３】
ステップ１９はポンプ３に対する制御信号を算出するステップである。ＣＰＵ５１は、ステップ１３乃至ステップ１８から算出した積算された排出水分量ΣＷｏと積算された生成水分量ΣＷｇとを比較し、積算された排出水分量ΣＷｏと積算された生成水分量ΣＷｇが等しくなる方向にポンプ３が供給する空気量を制御する制御信号を生成する。
【００５４】
具体的には、積算された生成水分量ΣＷｇが積算された排出水分量ΣＷｏよりも大きい場合には、燃料電池２内部に留まっている水分を外部に排出する方向に運転する制御信号をポンプ３に送出して、ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量を多くする。逆に、積算された生成水分量ΣＷｇが積算された排出水分量ΣＷｏよりも小さい場合には、燃料電池２内部から外部に排出される水分量を減少させる方向に運転する制御信号をポンプ３に送出して、ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量を少なくする。
【００５５】
換言すると、燃料電池２に流入する空気に含まれる水分量である吸気水分量の積算値と、燃料電池２の発電に伴って生成される水分量である生成水分量の積算値との和が、燃料電池２から排出される空気に含まれる水分量である排気水分量の積算値と等しくなる方向に、ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量を制御する。ポンプ３に対する制御信号が更新されるまで、ポンプ３はステップ１９で計算した送出量となる制御信号による駆動が継続される。
【００５６】
燃料電池２に流入する空気量の制御に際しては、メモリ５２に経時的に記録されている積算された生成水分量ΣＷｇおよび積算された排出水分量ΣＷｏのデータに基づいて、積算された生成水分量ΣＷｇを目標値として、積算された排出水分量ΣＷｏとの偏差を基にポンプ３の流量にフィードバック制御をかける。制御方法は、ＰＩ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌ）制御やＰＩＤ（ＰｒｏｐｏｒｔｉｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）制御等を動作特性に応じて用いる。ポンプ３が燃料電池２に供給する空気量の制御をフィードバック制御とするため、ステップ１９で積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏが等しくなる方向にポンプ３を制御した後に、ステップ２０に移行する。
【００５７】
ステップ２０は条件分岐ステップであり、積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏの初期化を行うかどうかを判断するステップである。制御ルーチンのステップ１２において、積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏの初期化が行われてから一定期間が経過している場合には、再びステップ１２に移行し、積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏの初期化を再度行ってからのフィードバック制御を行う。積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏの初期化が行われてから一定期間が経過していない場合には、再びステップ１４に移行して、ステップ１７とステップ１８で算出した積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏを用いてのフィードバック制御を行う。
【００５８】
上述した様に、本実施の形態における燃料電池運転方法では、ポンプ３が燃料電池２に対して供給する空気と、燃料電池２から外部に排出される空気の双方における温度、湿度、流量を測定し、燃料電池２内部に流入する空気に含まれている水分量と、燃料電池２内部から排出される空気に含まれている水分量とを求めて、積算された排出水分量ΣＷｏを求める。また、燃料電池２が供給する出力電流Ｉ_ｏｕｔを測定することで、燃料電池２の電極反応に伴い生成される積算された生成水分量ΣＷｇを求める。
【００５９】
積算された排出水分量ΣＷｏと積算された生成水分量ΣＷｇとを等しくするようにポンプ３の駆動をフィードバック制御することにより、燃料電池２内部の水分量が一定に保たれ、高分子電解質層２１の湿潤状態を発電に適したものとすることができる。また、燃料電池２内部に残留する水分量を一定に保つことができるため、燃料電池２内部で流路が水滴によって閉塞される不具合を低減することができる。
【００６０】
燃料電池２に流入してくる空気に含まれる水分量も考慮した空気の供給量に制御することで、燃料電池２で単位時間当たりに生成される水分量が少なく、空気中に含まれる水分量を無視できない状況においても、精度良く燃料電池２内部に残留する水分量を調整して、高分子電解質層２１の湿潤状態を発電に適したものとすることができる。また、ポンプ３から燃料電池２に対して送出される空気の流量を制御するだけで、燃料電池２内部に残留する水分量を調整することができるため、加湿手段や乾燥手段を別途設ける必要が無く、燃料電池システムの小型軽量化を図ることができる。
【００６１】
また、定期的に高分子電解質層２１の湿潤状態を計測して、積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏの初期値を設定しなおすため、繰り返して制御ルーチンを実行するうちに積算された生成水分量ΣＷｇと積算された排出水分量ΣＷｏに誤差が蓄積されていったとしても、実測した高分子電解質層２１の湿潤状態を制御ルーチン内で反映させて、誤差の蓄積を解消して精密な制御を行うことができる。
【００６２】
上述した説明では、ステップ１４乃至ステップ１８において制御手段５のＣＰＵ５１が式１乃至式５の演算を行うとしたが、各ステップで式に入力される値と演算結果について、複数の入力値による演算結果を予め算出して配列データとして記憶手段５２に記録しておき、配列データを参照することで演算結果を得るとしてもよい。これにより、ＣＰＵ５１の処理速度が遅い場合には、配列データの参照により演算結果を得るほうが制御手段５の制御動作を高速化することが可能となる。
【００６３】
【発明の効果】
吸気水分量と生成水分量との和が排気水分量と等しくなるように燃料電池に流入する空気の流量をフィードバック制御することにより、燃料電池で単位時間当たりに生成される水分量が少なく、空気中に含まれる水分量を無視できない状況においても、燃料電池内部の水分量が一定に保たれ、高分子電解質層の湿潤状態を発電に適したものとすることができる。また、燃料電池内部に残留する水分量を一定に保つことができるため、燃料電池内部で流路が水滴によって閉塞される不具合を低減することができる。
【００６４】
また、吸気水分量と排気水分量と生成水分量とを、時間経過に応じて積算して算出し、一定期間経過する毎に、積算して算出された吸気水分量と排気水分量とを初期化し、燃料電池に含まれている初期水分量を測定して、所定の水分量と初期水分量との差を前記生成水分量と設定する。これにより、定期的に高分子電解質層の湿潤状態を計測して、積算された生成水分量と排出水分量の初期値を設定しなおすため、繰り返して制御ルーチンを実行するうちに積算された生成水分量排出水分量に誤差が蓄積されていったとしても、実測した高分子電解質層の湿潤状態を制御ルーチン内で反映させて、誤差の蓄積を解消して精密な制御を行うことができる。
【００６５】
またフィードバック制御に、ＰＩ制御またはＰＩＤ制御を、初期水分量の測定に電流遮断法を用いることで、効率よくフィードバック制御と初期水分量の測定を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。
【図２】燃料電池の内部構造の一例を示す模式図である。
【図３】第一の実施の形態における燃料電池システムのフィードバック制御の手順を説明するためのフローチャートである。
【図４】第二の実施の形態における燃料電池システムのフィードバック制御の手順を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１燃料電池システム、２燃料電池、３ポンプ、４水素タンク、５制御手段、６負荷、７吸気側計測手段、７ａ吸気側流量計、７ｂ吸気側温度計、７ｃ吸気側湿度計、８排気側計測手段、８ａ排気側流量計、８ｂ排気側温度計、８ｃ排気側湿度計、９電流計、１０，１１，１２，１３増幅器、２１高分子電解質層、２２水素側電極、２３酸素側電極、２２ａ，２３ａ触媒層、２４導入口、２５排出口、２６気体流路、２７導入口、２８気体流路、２９排出口、５１ＣＰＵ、５２記憶手段、５３コンバータ、Ｈ_ｉｎ吸気絶対湿度、Ｈ_ｏｕｔ排気絶対湿度、Ｉ_ｏｕｔ出力電流、Ｐ_ｓ，ｉｎ吸気水蒸気圧、Ｐ_{ｓ，ｏｕｔ} 排気水蒸気圧、Ｐ_{ｓａｔ，ｉｎ} 吸気飽和水蒸気圧、Ｐ_{ｓａｔ，ｏｕｔ} 排気飽和水蒸気圧、Ｒｈ_ｉｎ吸気湿度、Ｒｈ_ｏｕｔ排気湿度、Ｔ_ｉｎ吸気温度、Ｔ_ｏｕｔ排気温度、Ｖ_ｉｎ吸気流量、Ｖ_ｏｕｔ排気流量、Ｗｇ生成水分量、Ｗｏ排出水分量、ΣＷｇ積算された生成水分量、ΣＷｏ積算された排出水分量

Claims

空気中の酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から供給される電流によって駆動される負荷を有すると共に、加湿手段を有しない燃料電池システムであって、
前記燃料電池に流入気体を供給する空気供給手段と、
前記燃料電池に流入する前記流入気体の温度である吸気温度、前記流入気体の湿度である吸気湿度、および前記流入気体の流量である吸気流量を測定する吸気側計測手段と、
前記燃料電池から排出される排出気体の温度である排気温度、前記排出気体の湿度である排気湿度、および前記排出気体の流量である排気流量を測定する排気側計測手段と、
前記負荷に流れる電流値を計測する電流計と、
前記吸気温度、前記吸気湿度および前記吸気流量から前記燃料電池に流入する水分量である吸気水分量を算出し、前記排気温度、前記排気湿度および前記排気流量から前記燃料電池から排出される水分量である排気水分量を算出し、前記電流値から前記燃料電池によって生成される水分量である生成水分量を算出し、前記吸気水分量と前記生成水分量との和が前記排気水分量と等しくなるように、前記空気供給手段が前記燃料電池に対して供給する前記流入気体の流量を制御する制御手段と
を有する燃料電池システム。
前記制御手段が記憶手段を有し、算出した前記吸気水分量と前記排気水分量と前記生成水分量とを積算して前記記憶手段に記録し、
前記流入気体の流量の制御を前記記憶手段に記録されている積算された前記吸気水分量と前記排気水分量と前記生成水分量に基づいて実行する、請求項１記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、一定期間経過する毎に、前記記憶手段に記録されている積算された前記吸気水分量と前記排気水分量とを初期化し、前記燃料電池に含まれている初期水分量を測定して、所定の水分量と前記初期水分量との差を前記記憶手段に前記生成水分量として記録する、請求項２記載の燃料電池システム。
前記制御手段が記憶手段を有し、前記吸気水分量の算出または前記排出水分量の算出または前記生成水分量の算出を、前記記憶手段に予め記録されたデータを参照することにより行う、請求項１記載の燃料電池システム。
加湿手段を設けることなく空気中の酸素と燃料気体とを反応させて発電を行う燃料電池の運転方法であって、
前記燃料電池に流入する流入気体の温度である吸気温度、前記流入気体の湿度である吸気湿度、および前記流入気体の流量である吸気流量を測定し、
前記燃料電池から排出される排出気体の温度である排気温度、前記排出気体の湿度である排気湿度、および前記排出気体の流量である排気流量を測定し、
前記負荷に流れる電流値を計測し、
前記吸気温度、前記吸気湿度および前記吸気流量から前記燃料電池に流入する水分量である吸気水分量を算出し、前記排気温度、前記排気湿度および前記排気流量から前記燃料電池から排出される水分量である排気水分量を算出し、前記電流値から前記燃料電池によって生成される水分量である生成水分量を算出し、
前記吸気水分量と前記生成水分量との和が前記排気水分量と等しくなるように前記流入気体の流量を制御する、燃料電池運転方法。
前記吸気水分量と前記排気水分量と前記生成水分量とを、時間経過に応じて積算して算出する、請求項５記載の燃料電池運転方法。
前記流入気体の流量の制御は、一定期間経過する毎に、積算して算出された前記吸気水分量と前記排気水分量とを初期化し、前記燃料電池に含まれている初期水分量を測定して、所定の水分量と前記初期水分量との差を前記生成水分量と設定する、請求項６記載の燃料電池運転方法。
前記制御に、ＰＩ制御またはＰＩＤ制御を用いる、請求項５記載の燃料電池運転方法。