JP4682512B2

JP4682512B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4682512B2
Application number: JP2003404766A
Authority: JP
Inventors: 朋範今村; 信也坂口; 英嗣伊豆原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-12-03
Filing date: 2003-12-03
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2023-12-03
Also published as: JP2005166498A

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムにおいては、反応に用いられなかった未反応水素（未反応燃料ガス）等を水素循環流路を介して水素供給流路に循環させる循環方式と、未反応水素等を水素排出流路を介して系外に排出する非循環方式とが知られている。

そして、いずれの方式においても、水素循環流路や水素排出流路を閉塞もしくは閉塞に近い状態で運転すると、正極側（酸素極側）から透過する窒素や水蒸気によって、特にセル内における水素出口部近傍で水素濃度が著しく低下する。これは、透過してきた窒素や水蒸気により水素の流動が妨げられるためである。

このようなセル内における水素出口部に水素が行き渡らない状態で運転を継続すると、セル電圧が低下し効率が低下するのみならず、水素が不足している部分の電極が劣化する。これは、水素供給過剰率を増加させたり、定期的に水素を系外に排出することで回避可能であるが、やみくもに水素を系外に捨てることは効率悪化につながるだけでなく、安全性の低下にもつながる。そのため、セル内における水素出口部の濃度を下限値以下にしないことと、水素の排出量低減とを両立させる制御法が必要となる。

そこで、水素循環流路の水素濃度を水素濃度センサにて検出し、水素循環流路の水素濃度が低下した場合に、水素を大気中に排出させるようにしたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−２４３４１７号公報

しかしながら、特許文献１に記載のシステムでは、水素濃度センサに充分にガスが接触することが必要であることから、ある程度水素循環量を確保する必要があるため、水素ガスを循環させるためのポンプの負荷が大きくなってしまうという問題がある。

また、非循環方式においては、水素の流れがほとんどないことから水素濃度を正しく測定することは困難である。そして、非循環方式において、水素濃度を正しく測定するために水素を系外に排出する頻度を増加させると、系外への水素排出量が増加してしまうという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、未反応燃料ガス循環量または未反応燃料ガス排出量を極力少なくしつつ、セル内での水素不足を防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセルが複数積層されて構成された燃料電池（１）と、燃料電池（１）の基本単位となる各セル内において水素不足が発生しやすい部位である水素出口部（１１２）近傍を流れる局所電流を測定する電流測定手段（６）と、局所電流が所定電流値未満のときに各セル内の水素出口部（１１２）近傍の水素濃度を上昇させる制御手段（５）と、燃料ガスを供給流路（２２）を介して燃料電池（１）に供給するとともに、未反応燃料ガスを循環流路（２５）を介して供給流路（２２）に循環させる水素供給装置（２）と、循環流路（２５）を通る未反応燃料ガスを系外に排出させる排出弁（２４）を備え、制御手段（５）は、局所電流が所定電流値未満のときに、未反応燃料ガスが系外に排出されるように排出弁を開作動させ、局所電流が所定電流値以上のときに、未反応燃料ガスが系外に排出されないように排出弁を閉作動させることを特徴とする。

これによると、局所電流とセル内の水素濃度とは相関があるため、局所電流が所定電流値未満のときにセル内の水素濃度を上昇させることにより、未反応燃料ガス循環量を極力少なくしつつ、セル内での水素不足を防止することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態は、燃料電池システムを、燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。

図１は、本第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１、水素供給装置２、空気供給装置３、加熱冷却システム４、制御部５等を備えている。

燃料電池（ＦＣスタック）１は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本第１実施形態では燃料電池１として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極で挟まれた構成となっている。燃料電池１では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（水素極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
発電した電力は、図示しないインバータを介して、図示しない走行用モータを駆動するための負荷電力、あるいは図示しない２次電池の充電等に用いられる。

燃料電池１には、水素供給装置２より水素が供給され、空気供給装置３から酸素を含んだ空気が供給されるように構成されている。

水素供給装置２は、例えば改質装置あるいは水素貯蔵タンク等からなる水素供給源２１を備え、水素供給源２１から水素供給流路２２を介して燃料電池１に水素が供給可能になっており、燃料電池１に供給された水素のうち反応に用いられなかった未反応水素は、水素排出流路２３を介して系外の大気中に排出可能になっている。水素排出流路２３中には、水素排出流路２３を開閉する水素排出弁２４が配置されている。なお、水素供給流路２２は本発明の供給流路に相当し、水素排出流路２３は本発明の排出流路に相当する。

空気供給装置３は、例えば断熱圧縮機であるエアコンプレッサからなる空気供給源３１を備え、空気供給源３１から空気供給流路３２を介して燃料電池１に空気が供給され、燃料電池１に供給された空気のうち反応に用いられなかった未反応空気は、空気排出流路３３を介して排ガスとして燃料電池１より排出される。

燃料電池１では、発電の際の化学反応により水分および熱が発生する。燃料電池１は高い発電効率を得るために運転中は所定の温度（例えば８０℃程度）に維持する必要がある。このため、燃料電池システムには、熱媒体を用いて燃料電池１で発生した熱を系外に放出する冷却システム４が設けられている。なお、本第１実施形態では、熱媒体として低温環境下で凍結しない不凍液冷却水を用いている。

冷却システム４は、冷却水を燃料電池１に循環させるための熱媒体経路４１中に、冷却水を冷却するための熱交換手段であるラジエータ４２と、冷却水流を発生させるウォータポンプ４３が設けられている。燃料電池１を通過した冷却水は熱媒体流路４１を介してラジエータ４２に循環し、ここで外気（大気）と熱交換され冷却される。冷却水は、燃料電池１を構成する各セルの内部を循環するように構成されている。

また、冷却システム４は、ラジエータ４２をバイパスして冷却水を流すためのバイパス流路４４、ラジエータ４２へ循環される冷却水の流量とラジエータ４２をバイパスされる冷却水の流量の割合を連続的に調整可能な三方弁４５、ラジエータ４２に送風するファン４６を備えている。

制御部（ＥＣＵ）５は、本発明の制御手段に相当し、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、制御部５には、後述する電流センサからの信号が入力される。また、制御部５は、演算結果に基づいて、水素排出弁２４、空気供給源３１、ウォータポンプ４３、三方弁４５、ファン４６に制御信号を出力する。

燃料電池１の単セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータおよび水素側セパレータを備えている。

図２は水素側セパレータ１１の構成を示すもので、水素側セパレータ１１は、水素供給流路２２に接続される水素入口部１１１と、水素排出流路２３に接続される水素出口部１１２と、水素入口部１１１から水素出口部１１２に向かって水素を流すための水素流路溝１１３が形成されている。

水素側セパレータ１１は板状になっており、水素入口部１１１および水素出口部１１２は、図２の紙面に対して垂直方向に貫通し、水素流路溝１１３は溝が掘って形成されるとともに蛇行した形状になっている。

水素流路溝１１３における水素流れ下流域、より詳細には、水素流路溝１１３における水素出口部１１２近傍には、セルの局所電流を測定する電流センサ６が配置されている。ところで、正極側（酸素極側）から透過する窒素や水蒸気によって、水素流路溝１１３における水素出口部１１２近傍で水素濃度が低下する。したがって、本例の電流センサ６は、セル内において水素不足が発生しやすい部位を流れる局所電流を測定している。なお、水素流路溝１１３は本発明の燃料ガス流路に相当し、電流センサ６は本発明の電流測定手段に相当する。

次に、上記構成の燃料電池システムの作動について図３、図４に基づいて説明する。図３は、制御部５にて実行される制御処理のうち、セルの局所電流に基づいてセル内の水素濃度を調節する制御のフローチャートである。また、図４は、水素出口部１１２の局所電流値と水素排出弁２４による未反応水素排出量の関係を示すものである。

図３において、まず、セルの局所電流を電流センサ６にて測定し（Ｓ１０１）、局所電流が所定電流Ｉ_０（図４参照）よりも小さいか否かを判定する（Ｓ１０２）。

局所電流が所定電流Ｉ_０未満の場合は（Ｓ１０２がＹＥＳ）、水素出口部１１２近傍で水素不足が発生していると推定される。よって、この場合は、水素排出弁２４を開弁させて、水素出口部１１２に滞留した窒素や水蒸気を未反応水素とともに大気中に排出させる（Ｓ１０３）。これにより、窒素や水蒸気が排出されて水素出口部１１２の水素濃度が上昇するため、水素出口部１１２の局所電流が増加する。

局所電流が所定電流Ｉ_０以上の場合は（Ｓ１０２がＮＯ）、水素出口部１１２に必要最小限の水素量が確保されていると推定されるため、水素排出弁２４を閉弁させて、未反応水素等の排出を停止させる（Ｓ１０４）。これら一連の動作により、水素出口部１１２では必要最小限近傍の水素量が確保され、未反応水素の排出量も最少化されるため、電極の劣化防止と効率低下防止を両立することが可能となる。

本実施形態では、局所電流が所定電流Ｉ_０未満になると未反応水素等を排出させてセル内の水素濃度を上昇させ、局所電流が所定電流Ｉ_０以上になると未反応水素等の排出を停止することにより、未反応水素排出量を極力少なくしつつ、セル内での水素不足を防止することができる。

なお、本実施形態では、水素排出弁２４にて水素排出流路２３を全開または全閉するようにしたが、未反応水素等の排出量を可変制御可能な水素排出弁２４を用い、局所電流が所定電流Ｉ_０以上のときには未反応水素等を少量排出させ、局所電流が所定電流Ｉ_０未満のときには、未反応水素等の排出量を局所電流が所定電流Ｉ_０以上のときよりも増加させるようにしてもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態では、燃料電池１での反応に用いられなかった未反応水素等を水素排出流路２３を介して系外に排出する非循環方式の燃料電池システムに本発明を適用したが、本第２実施形態は、反応に用いられなかった未反応水素等を水素循環流路を介して水素供給流路に循環させる循環方式の燃料電池システムに本発明を適用したものである。図５は、本第２実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す図である。なお、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

図５に示すように、水素供給装置２は、燃料電池１に供給された水素のうち反応に用いられなかった未反応水素等が、水素循環流路２５を介して水素供給流路２２に循環されるようになっている。水素循環流路２５には、未反応水素等を水素供給流路２２に圧送する水素循環ポンプ２６が設けられ、この水素循環ポンプ２６の作動を制御部５によって制御することにより、未反応水素等の循環量が制御されるようになっている。なお、水素循環流路２５は本発明の循環流路に相当する。

水素排出流路２３は水素循環流路２５から分岐しており、水素排出流路２３中に水素排出弁２４が配置されている。なお、水素排出弁２４は本発明の排出弁に相当する。水素供給流路２２には、水素供給源２１から燃料電池１に供給される水素の量を調整する水素流量制御弁２７が設けられている。

上記構成において、局所電流が所定電流Ｉ_０未満の場合は、水素排出弁２４を開弁させて水素出口部１１２に滞留した窒素や水蒸気を未反応水素とともに大気中に排出させ、これにより、水素出口部１１２の水素濃度を上昇させる。一方、局所電流が所定電流Ｉ_０以上の場合は、水素排出弁２４を閉弁させて未反応水素等の排出を停止させる。

これら一連の動作により、水素出口部１１２では必要最小限近傍の水素量が確保され、未反応水素の排出量も最少化されるため、電極の劣化防止と効率低下防止を両立することが可能となる。したがって、上記した本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本実施形態では、局所電流が所定電流Ｉ_０未満の場合は、水素排出弁２４を開弁させることにより水素出口部１１２の水素濃度を上昇させるようにしたが、局所電流が所定電流Ｉ_０以上のときには未反応水素等を少量循環させ、局所電流が所定電流Ｉ_０未満のときには、未反応水素等の循環量を局所電流が所定電流Ｉ_０以上のときよりも増加させることにより、水素出口部１１２に滞留した窒素や水蒸気を確実に循環させて水素出口部１１２の水素濃度を上昇させるようにしてもよい。あるいは、局所電流が所定電流Ｉ_０以上の場合は未反応水素等を循環させず、局所電流が所定電流Ｉ_０未満のときには未反応水素等を循環させることにより、水素出口部１１２に滞留した窒素や水蒸気を循環させて水素出口部１１２の水素濃度を上昇させるようにしてもよい。

また、水素循環ポンプ２６としては、コンプレッサや、エジェクタポンプ等を用いることができる。因みに、エジェクタポンプは、高速で噴出する作動流体のエネルギ交換作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであり、具体的には、水素供給源２１から供給される水素の流体エネルギを利用して、未反応水素等を吸引して循環させるものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。図１の燃料電池１における水素側セパレータの構成を示す図である。第１実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。局所電流値と未反応水素排出量の関係を示す図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池、５…制御部（制御手段）、６…電流センサ（電流測定手段）。

Claims

酸素を主成分とする酸化ガスと水素を主成分とする燃料ガスとを電気化学反応させて電気エネルギを発生させるセルが複数積層されて構成された燃料電池（１）と、
前記燃料電池（１）の基本単位となる各セル内において水素不足が発生しやすい部位である水素出口部（１１２）近傍を流れる局所電流を測定する電流測定手段（６）と、
前記局所電流が所定電流値未満のときに前記各セル内の水素出口部（１１２）近傍の水素濃度を上昇させる制御手段（５）と、
前記燃料ガスを供給流路（２２）を介して前記燃料電池（１）に供給するとともに、未反応燃料ガスを循環流路（２５）を介して前記供給流路（２２）に循環させる水素供給装置（２）と、
前記循環流路（２５）を通る前記未反応燃料ガスを系外に排出させる排出弁（２４）を備え、
前記制御手段（５）は、前記局所電流が所定電流値未満のときに、前記未反応燃料ガスが系外に排出されるように前記排出弁を開作動させ、前記局所電流が前記所定電流値以上のときに、前記未反応燃料ガスが系外に排出されないように前記排出弁を閉作動させることを特徴とする燃料電池システム。