JP4684576B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池発電システムに関し、特に必要な発電電流を得るために要求される酸化剤ガスの適切な流量を、気体流量計を用いなくても燃料電池に供給することができる燃料電池発電システムに関するものである。

近年の地球環境保全意識の高まりを背景に、高効率で環境にやさしい燃料電池の普及が期待されている。燃料電池は、燃料ガスを燃料極に導入すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを空気極に導入して電気化学的反応により発電するものである。燃料ガスの原料となる原料燃料が都市ガスやＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬ（Ｇａｓ ｔｏ Ｌｉｑｕｉｄ）、灯油等の場合は、原料燃料を燃料処理装置で改質して水素に富む燃料ガスを生成し、生成した燃料ガスを燃料極に導入する。燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換することができるため、高い発電効率が実現可能である。このような燃料電池を備える燃料電池発電システムは、経済性及び信頼性が高く求められている。

ところで、燃料電池発電システムの運転においては、ファラデーの法則に則り、燃料電池の発電電流に応じて燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を調整する必要がある。例えば、燃料電池の発電電流が増加すると、水素との電気化学的反応に利用される酸化剤ガス中の酸素の利用率がほぼ一定となるように、燃料電池に供給する酸化剤ガスの流量を増加する必要がある。このとき、酸化剤ガスの流量を検知する手段としては、熱式気体流量計や差圧式気体流量計等の各種の気体流量計や気体流量センサが用いられるのが一般的であった（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−２４９４２１号公報（第２頁、第１図）

しかしながら、酸化剤ガスの流路に熱式気体流量計や差圧式気体流量計を設置すると、気体流量計による圧力損失のために酸化剤ガスを燃料電池に送る送風機の消費電力が上昇し、燃料電池発電システムの発電効率が低下してしまう。さらに、熱式気体流量計を設置した場合は、運転条件の変化等により発生する酸化剤ガス中の水蒸気の結露水や固形粒子等の異物が熱式気体流量計のセンサ部に付着することがあり、この場合は熱式気体流量計が誤指示することがあった。

本発明は上述の課題に鑑み、燃料電池発電システムの経済性及び信頼性を高めつつ、適正流量の酸化剤ガスを燃料電池に供給することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、水素に富む燃料ガス３ａと酸素を含有する酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発電し水を発生する燃料電池３０であって、燃料ガス３ａを導入し燃料極オフガス２１ａを排出する燃料極３２と酸化剤ガス６１ａを導入し空気極オフガス２２ａを排出する空気極３３とを有する燃料電池３０と；空気極３３に酸化剤ガス６１ａを導入する酸化剤ガス導入流路１４０と；酸化剤ガス導入流路１４０に配置された、酸化剤ガス導入流路１４０を流れる酸化剤ガス６１ａの圧力を検知する圧力検知手段１３１と；圧力検知手段１３１により検知される酸化剤ガス６１ａの圧力が、燃料電池３０の所定の発電電流に対応する第１の所定の圧力となるように酸化剤ガス６１ａの流量を調整する流量調整手段８４とを備える。

このように構成すると、空気極に導入される酸化剤ガスの圧力に基づいて酸化剤ガスの流量を調整することができるので、気体流量計を用いなくても適切な量の酸化剤ガスを燃料電池に供給することができる。なお、本明細書においては特に断りがない限り「流量」とは質量流量をいう。

また、請求項２に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、 請求項１に記載の燃料電池発電システム１において、空気極３３に導入される酸化剤ガス６１ａの温度を検知する第１の温度検知手段１３２及び空気極３３から排出される空気極オフガス２２ａの温度を検知する第２の温度検知手段１３３の少なくとも一方の温度検知手段を備え；少なくとも一方の温度検知手段により検知された温度に基づいて前記第１の所定の圧力が補正される。

このように構成すると、空気極に導入される酸化剤ガスの温度及び空気極から排出される空気極オフガスの温度の少なくとも一方の温度に基づいて第１の所定の圧力が補正されるので、より適切な流量の酸化剤ガスを空気極に供給することができる。

また、上記の燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、燃料電池３０本体を構成する２以上のセルの電圧をそれぞれ検知するセル電圧検知手段１３５と；流量調整手段８４を制御する制御装置１３０であって、セル電圧検知手段１３５により検知された各セルの電圧の平均値である平均セル電圧を算出し、該平均セル電圧に対する最大のセル電圧の偏差が所定の値以上のときに、圧力検知手段１３１により検知される圧力が第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力となるように流量調整手段８４を制御した後、該最大偏差が該所定の値未満になったとき及び所定時間を経過したときの少なくとも一方の条件を具備したときに圧力検知手段１３１により検知される圧力が前記第１の所定の圧力となるように流量調整手段８４を制御する制御装置１３０とを備えていてもよい。

このように構成すると、所定のセルの電圧と平均セル電圧との最大偏差が所定の値以上のときに、圧力検知手段により検知される圧力が第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力となるように流量調整手段を制御するので、空気極に滞留して酸化剤ガスの流れを阻害する、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発生した液体の水を排除することができる。

また、請求項１に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、燃料電池３０本体を構成する２以上のセルの電圧をそれぞれ検知するセル電圧検知手段１３５と；流量調整手段８４を制御する制御装置１３０であって、セル電圧検知手段１３５により検知された各セルの電圧の平均値である平均セル電圧を算出し、該平均セル電圧に対する最大のセル電圧の偏差が所定の値以上のときに、圧力検知手段１３１により検知される圧力が第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力となるように流量調整手段８４を制御した後、該最大偏差が該所定の値未満になったとき及び所定時間を経過したときの少なくとも一方の条件を具備したときに圧力検知手段１３１により検知される圧力が第１の所定の圧力よりも高く且つ第２の所定の圧力よりも低い第３の所定の圧力となるように流量調整手段８４を制御する制御装置１３０とを備える。

このように構成すると、所定のセルの電圧と平均セル電圧との最大偏差が所定の値以上のときに、圧力検知手段により検知される圧力が第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力となるように流量調整手段を制御した後、第１の所定の圧力よりも高く且つ第２の所定の圧力よりも低い第３の所定の圧力となるように流量調整手段を制御するので、圧力損失の増大や圧力検知手段のゼロ点シフト等が生じても必要な流量の酸化剤ガスを空気極に供給することができる。

また、請求項３に記載の発明に係る燃料電池発電システムは、例えば図１に示すように、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム１において、空気極３３に酸化剤ガス６１ａを送る送風機８４と；送風機８４の回転数を制御する制御装置１３０とを備え；流量調整手段は、制御装置１３０により送風機８４の回転数を制御する手段である。

このように構成すると、流量調整手段が制御装置により送風機の回転数を制御する手段であるので、動力の無駄を省くことができる。

本発明によれば、空気極に導入される酸化剤ガスの圧力に基づいて酸化剤ガスの流量を調整することができるので、気体流量計を用いなくても適切な量の酸化剤ガスを燃料電池に供給することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一又は相当する装置には同一符号を付し、重複した説明は省略する。なお、図１中、破線は制御信号を表す。

図１を参照して本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムの構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを説明するブロック図である。燃料電池発電システム１は、燃料ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発電し水を発生する燃料電池３０と、燃料電池３０の燃料極３２に供給する燃料ガス３ａを生成する改質装置７と、燃料電池３０の空気極３３に供給する酸化剤ガス６１ａを加湿・浄化する気液接触塔７０と、酸化剤ガス６１ａを空気極３３に供給するブロワ８４と、制御装置１３０とを備える。

燃料電池３０は、固体高分子形燃料電池であり、冷却水流路３１と燃料極３２と空気極３３とを有する。冷却水流路３１には、ポンプ１０８により圧送される冷却流体としてのスタック冷却水２４ａを導入するノズルと、冷却水２４ａを導出するノズルが配置されている。燃料極３２には、改質装置７で生成され供給される燃料ガス３ａを導入するノズルと、燃料極オフガス２１ａを排出するノズルが配置されている。空気極３３には、気液接触塔７０から送出される酸化剤ガス６１ａを導入するノズルと、空気極オフガス２２ａを排出するノズルが配置されている。

空気極３３の酸化剤ガス６１ａを導入するノズルには、加湿された酸化剤ガス６１ａが流れる酸化剤ガス導入流路１４０が接続されている。酸化剤ガス導入流路１４０が接続された酸化剤ガス６１ａを導入するノズルは、酸化剤ガス導入流路１４０の一部を構成する。空気極３３の空気極オフガス２２ａを排出するノズルには、空気極３３から排出された空気極オフガス２２ａが流れる空気極オフガス配管１４１が接続されている。酸化剤ガス導入流路１４０の燃料電池３０に近接する位置には、酸化剤ガス導入流路１４０内を流れる酸化剤ガス６１ａの圧力を検知可能な圧力検知器１３１が配設され、圧力検知器１３１より上流側には、酸化剤ガス導入流路１４０内を流れる酸化剤ガス６１ａの温度を検知可能な第１の温度検知器１３２が配設されている。空気極オフガス配管１４１には、空気極オフガス配管１４１内を流れる空気極オフガス２２ａの温度を検知可能な第２の温度検知器１３３が配設されている。制御装置１３０と圧力検知器１３１との間、制御装置１３０と第１の温度検知器１３２との間、制御装置１３０と第２の温度検知器１３３との間にはそれぞれ信号ケーブルが敷設されている。

圧力検知器１３１は、酸化剤ガス導入流路１４０から分岐された圧力検知器１３１設置用のタッピング（不図示）に接続され、酸化剤ガス導入流路１４０内を流れる酸化剤ガス６１ａの静圧を検知することができるように構成されている。ここでは酸化剤ガス６１ａの静圧を検知しているため酸化剤ガス導入流路１４０内にセンサ等が突出することがない。このため、センサ等が圧力損失の原因になることがないために酸化剤ガスを燃料電池に送る送風機の消費電力が上昇することがなく、またセンサ等に酸化剤ガス中の水蒸気の結露水や固形粒子等の異物が付着することがないために圧力検知器１３１が誤指示することがない。

燃料電池３０には、燃料電池３０本体を構成する各セルの電圧を検知するセル電圧検知器１３５が設けられている。セル電圧検知器１３５は、各セルにおける酸化剤ガス６１ａと燃料ガス３ａとの電気化学的反応により発電した電気の電圧を検知するように構成されている。制御装置１３０とセル電圧検知器１３５との間には信号ケーブルが敷設されており、セル電圧検知器１３５で検知された各セルの電圧は信号としてケーブルを伝わって制御装置１３０に送信されるように構成されている。

燃料電池３０は、燃料ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は発熱反応であり、燃料電池３０を冷却するために冷却水流路３１にスタック冷却水２４ａが導入されている。電気化学的反応により発生した熱は、スタック冷却水２４ａあるいは排出される排ガス（燃料極オフガス２１ａ、空気極オフガス２２ａ）により燃料電池３０から搬出される。また、固体高分子形燃料電池では、プロトン交換膜（不図示）の電気伝導度を高く維持するために空気極に供給する酸化剤ガス６１ａを加湿する必要がある。

燃料電池３０の空気極３３から排出された空気極オフガス２２ａを搬送する空気極オフガス配管１４１と、改質装置７の燃焼部１０７から排出された燃焼排ガス６ａを搬送する配管１４２とは分岐管にて合流し、排熱及び水分を保有するガスとしての混合排ガス６３ａを搬送する配管１４３となる。配管１４３は、混合排ガス熱交換器８３から気液分離器８９を経て、系外１０２への排気口（不図示）に至る。

燃料電池３０の冷却水流路３１には、スタック冷却水２４ａが流れ、燃料電池３０を冷却しつつ、燃料ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発生した熱を吸収する。冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水２４ａが流れる流路には、冷却水熱交換器１１０とポンプ１０８と燃料ガス熱交換器１１４とが配置され、スタック冷却水２４ａの流路は、冷却流体流路として、これらの機器を経由して冷却水流路３１に戻る循環経路とされる。

冷却水熱交換器１１０は、貯湯タンク１２０に蓄えられる排熱温水４３ａと、スタック冷却水２４ａとを熱交換する熱交換器であり、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行なうためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。冷却水熱交換器１１０により、排熱温水４３ａは加熱され、冷却水２４ａは冷却される。すなわち、排熱温水４３ａによりスタック冷却水２４ａ中の排熱を回収する。冷却水熱交換器１１０の排熱温水４３ａの出口ノズルは、貯湯タンク１２０に接続される。ポンプ１２５により循環させられる排熱温水４３ａが排熱を回収した後に貯湯タンクに貯留されることにより、排熱は貯湯タンク１２０に回収熱として蓄えられる。なお、２つの機器等が「接続される」とは、配管を介して接続される場合を含む。

燃料ガス熱交換器１１４は、スタック冷却水２４ａと、気液接触塔７０から送出される酸化剤ガス６１ａとを熱交換し、さらにスタック冷却水２４ａと、改質装置７から送出される燃料ガス３ａとを熱交換する三流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。燃料ガス熱交換器１１４は、燃料ガス３ａ、酸化剤ガス６１ａ、スタック冷却水２４ａを平行流で熱交換し、これら三つの流体が燃料ガス熱交換器１１４の出口でほぼ等しい温度になるように構成されている。

燃料ガス熱交換器１１４の燃料ガス３ａの出口ノズルは、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２に接続される。燃料ガス熱交換器１１４の酸化剤ガス６１ａの出口ノズルは、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。燃料ガス熱交換器１１４のスタック冷却水２４ａの出口ノズルは、燃料電池３０の冷却水流路３１に接続される。

気液分離器４５は、燃料ガス３ａ中の凝縮水を分離する。気液分離器４５には、分離された回収水４２Ａを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。気液分離器５５は、酸化剤ガス６１ａ中の凝縮水を分離する。気液分離器５５には、分離された回収水４２Ｂを気液接触塔７０に導入する配管が接続される。

改質装置７は、改質に必要な改質熱を得るための燃焼部１０７を有する。また、改質装置７は、天然ガス、ナフサ、メタノール、灯油のような原料燃料２ａを導入するノズルと、純水装置８６から送出される改質用水６５ａを導入するノズルと、改質反応により生成される燃料ガス３ａを導出するノズルとを有する。さらに、燃焼部１０７に、燃料電池３０から排出される燃料極オフガス２１ａを導入するノズルと、支燃剤ガスとしての酸素含有ガスである燃焼用空気４ａを導入するノズルと、燃焼排ガス（燃焼ガス)６ａを排出するノズルとを有し、さらに、改質装置７は、起動時や改質反応に必要な改質熱が不足するときの補助燃料として燃焼用に供給される燃焼燃料５ａを導入するノズルとを有する。改質装置７で生成された燃料ガス３ａを導出するノズルは、燃料ガス熱交換器１１４、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２と接続されている。

気液接触塔７０は、その下部に、気液分離器４５、５５から送出された回収水４２Ａ、４２Ｂが入る回収水入口７３と、導入された回収水４２Ａ、４２Ｂを回収水４２ａとして貯留する貯液部７１と、回収水４２ａが導出される回収水導出口７４と、酸化剤ガス６１ａが導入される酸化剤ガス入口７２とを有する。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口７２は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス６１ａとして用いる。気液接触塔７０の上部には、酸化剤ガス６１ａが燃料電池３０の空気極３３に向けて流れ出る酸化剤ガス出口７７と、混合排ガス熱交換器８３から戻った回収水４２ａが、加湿用水として注入される回収水注入口７８と、回収水注入口７８に注入された回収水４２ａを細かい水滴として気液接触塔７０内に散布する水分散器７９とが設けられている。また、気液接触塔７０の上部と下部の間には、注入された回収水４２ａと酸化剤ガス６１ａとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部８０と、充填部８０を支持する充填物支持板８１とが設けられている。

回収水導出口７４の先は、ポンプ８２、水処理装置９３及び混合排ガス熱交換器８３を経て、気液接触塔７０上部の水分散器７９に接続される。このように、貯液部７１から回収水導出口７４、ポンプ８２、水処理装置９３、混合排ガス熱交換器８３、回収水注入口７８、水分散器７９、充填部８０を経て貯液部７１に回収水４２ａを循環する循環経路が構成される。混合排ガス熱交換器８３は、温度差の比較的少ない、混合排ガス６３ａである気体と回収水４２ａである液体との熱交換をするので、プレート型熱交換器が好適に用いられる。

混合排ガス熱交換器８３の混合排ガス６３ａ流れ方向から見て下流側には気液分離器８９が設置される。気液分離器８９は、混合排ガス熱交換器８３により冷却された混合排ガス６３ａから、凝縮水を分離する。気液分離器８９には、分離された回収水４２Ｃを気液接触塔７０に導入する配管が接続され、回収水４２Ａ、４２Ｂと共に、回収水入口７３から気液接触塔７０に導入される。

気液分離器８９には、凝縮水を回収された混合排ガスである排出ガス６４ａを大気（系外）１０２に放出する配管１０４が接続される。配管１０４には、排ガス温度検知手段として、排出ガス６４ａの温度を検知する温度検知器９０が配設される。温度検知器９０からは、制御装置１３０へ信号ケーブルが敷設される。

回収水導出口７４からポンプ８２への流路中で分岐された配管に、ポンプ８５が接続され、気液接触塔７０内の回収水４２ａの一部が、改質用水６５ａとして純水装置８６に送られる。純水装置８６はイオン交換樹脂充填カラム８７を備えており、改質用水６５ａを純水に精製する。純水装置８６の出口ノズルは、改質装置７に接続されており、純水に精製された改質用水６５ａが改質装置７に送液される。また、イオン交換樹脂が改質用水６５ａに混入することを防止するために、イオン交換樹脂充填カラム８７の下流側にフィルタ８８を設置してもよい。

気液接触塔７０の酸化剤ガス出口７７に、酸化剤ガス６１ａを燃料電池３０に圧送するブロワ８４が接続される。ブロワ８４により気液接触塔７０内の酸化剤ガス６１ａが吸引される。酸化剤ガス入口７２から吸引された酸化剤ガス６１ａと、回収水注入口７８から注入された回収水４２ａとは、充填部８０にて向流接触するように構成されている。ブロワ８４は、インバータを備えており、空気極３３が必要とする酸化剤ガス６１ａの流量に対応した第１乃至第３の所定の圧力に応じてモータを介して回転翼の回転数が増減するように構成されている。

ブロワ８４の出口は、燃料ガス熱交換器１１４、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。ブロワ８４にて酸化剤ガス６１ａを昇圧して、燃料電池３０の空気極３３に供給する。

水処理装置９３は、気液接触塔７０の回収水導出口７４に接続する回収水４２ａの循環経路中のポンプ８２の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム９４を有している。この水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。また、イオン交換樹脂充填カラム９４の下流側にフィルタ９５を設置することで、イオン交換樹脂が回収水４２ａに混入することを防止する。本実施の形態では、回収水４２ａが循環する循環経路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置９３を備えることによって、気液接触塔７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触する回収水４２ａに水酸化イオンＯＨ⁻を常に供給するように構成されている。これにより、循環する回収水４２ａが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス６１ａに含有されるＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。ただし、水処理装置９３は、備えられていなくてもよい。

制御装置１３０は、圧力検知器１３１で検知された圧力を信号として随時受信し、受信した圧力信号の値が所定の値になるように、ブロワ８４に備えられたインバータに対してブロワ８４の回転数を増減させる信号を送信するように構成されている。また、制御装置１３０は、第１の温度検知器１３２及び第２の温度検知器１３３で検知された温度を信号として随時受信し、受信した温度信号に基づいて、第１の所定の圧力の値を補正するように構成されている。さらに制御装置１３０は、第３の温度検知器９０で検知された温度を信号として随時受信し、受信した温度信号に基づいて、第１の所定の圧力の値を補正するように構成されている。さらに制御装置１３０は、セル電圧検知器１３５で検知された各セルの電圧値を信号として随時受信し、取得した各セル電圧の平均値である平均セル電圧を随時算出し、算出した平均セル電圧に対して最大となるセル電圧の偏差が所定の値以上のときに、ブロワ８４に備えられたインバータに対してブロワ８４の回転数を増加させる信号を送信し、所定時間経過後に又は最大セル電圧偏差が所定の値未満になったときにブロワ８４の回転数を減少させる信号を送信するように構成されている。

続いて図１を参照して燃料電池発電システム１の作用について説明する。
改質装置７では、純水装置８６で純水に精製された改質用水６５ａと燃料電池発電システム１の系外から供給される原料燃料２ａとの改質反応により水素に富む燃料ガス（改質ガス）３ａが生成される。

気液接触塔７０では、燃料電池発電システム１の系外から導入される酸化剤ガス６１ａの加湿が行なわれる。水分散器７９から散布される回収水４２ａは、水処理システム９３にて汚染物質が除去された後に混合排ガス熱交換器８３にて混合排ガス６３ａから受熱して、アルカリ性の温水となっている。気液接触塔７０に導入された酸化剤ガス６１ａは、温水である回収水４２ａと充填部８０にて向流接触し、高温多湿の酸化剤ガス６１ａとなる。

改質装置７で生成された燃料ガス３ａと気液接触塔７０にて加湿された酸化剤ガス６１ａとは、燃料電池３０の前置装置である燃料ガス熱交換器１１４に導入され、それぞれのガスの温度が調整される。さらに、燃料ガス熱交換器１１４には、発熱した燃料電池３０を冷却するスタック冷却水２４ａも導入される。燃料ガス熱交換器１１４は、燃料ガス３ａ、酸化剤ガス６１ａ、スタック冷却水２４ａの三つの流体を平行流で熱交換するため、燃料ガス熱交換器１１４出口でのこれら三つの流体の温度はほぼ等しくなっている。さらに、燃料ガス３ａは気液分離器４５にて、酸化剤ガス６１ａは気液分離器５５にて、それぞれ水分が分離回収されるため、燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａは水蒸気飽和したガスになっている。

燃料ガス熱交換器１１４及び気液分離器４５、５５で温度と湿度が調整された燃料ガス３ａ、酸化剤ガス６１ａ、スタック冷却水２４ａは燃料電池３０へ導入される。燃料電池３０へ導入された流体のうち、燃料ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとは電気化学的反応を起こし、電気と水を発生する。反応に利用されなかった燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａは、それぞれ燃料極オフガス２１ａ、空気極オフガス２２ａとして燃料電池３０から排出される。スタック冷却水２４ａは、発熱した燃料電池３０から熱を奪って燃料電池３０を冷却し、奪った熱は冷却水熱交換器１１０にて排熱温水４３ａに放熱する。燃料電池３０から出る燃料極オフガス２１ａ、空気極オフガス２２ａ、スタック冷却水２４ａは、ほぼ等しい温度になっている。

燃料電池３０に導入される燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａの量は、必要な発電電流と、用いる燃料電池３０の特性によって要求される水素及び酸素の利用率とから決定される。すなわち、発電電流は反応する物質の量に比例するというファラデーの法則により、所定の発電電流を得るために必要とする燃料ガス３ａ中の水素分子及び酸化剤ガス６１ａ中の酸素分子の量が把握される。また、燃料電池３０に導入された燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａはすべて電気化学的反応に使われるのではなく、上述のように反応に利用されなかった燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａは、それぞれ燃料極オフガス２１ａ、空気極オフガス２２ａとして燃料電池３０から排出される。そのため、所定の発電電流を得るためにはファラデーの法則から導かれる理論上必要な燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａの流量を燃料電池３０に要求される利用率で除して求められる割増した量の燃料ガス３ａ及び酸化剤ガス６１ａを燃料電池３０に供給する必要がある。

一方、燃料電池発電システム１は、燃料電池３０等の各機器の圧力損失や酸化剤ガス導入流路１４０等の配管の摩擦損失及び局部抵抗による系の抵抗が定まっている。つまり、酸化剤ガス６１ａが流れる機器や流路に抵抗が付加される等により系の抵抗が変わらない限り、酸化剤ガス導入流路１４０を流れる酸化剤ガス６１ａの流量と圧力（静圧）は所定の対応関係にある。そこで、燃料電池発電システム１を試験運転することにより定常運転時（燃料電池３０入口の酸化剤ガス６１ａの温度が例えば６０℃の状態。以下「基準温度」という。）の酸化剤ガス６１ａの流量と圧力との関係をあらかじめ把握して一覧表（テーブル）を作成して制御装置１３０に記憶させておく。そうすると酸化剤ガス６１ａの流量を圧力に置き換えることができるため、気体流量計を用いることなく適正流量の酸化剤ガス６１ａを燃料電池３０に供給することができることとなる。

ところで、燃料電池発電システム１の運転条件は、起動時や負荷変動時等と定常運転時とでは異なっているのが一般的である。そのため、定常運転時における酸化剤ガス６１ａの必要流量に対応する第１の所定の圧力（以下「基準圧力」という。）になるようにブロワ８４の回転数を制御しても、所定の発電電流を得るために必要な酸化剤ガス６１ａの適正量が燃料電池３０に供給されない場合がある。このような場合は第１の温度検知器１３２及び第２の温度検知器１３３により検知された温度に基づいて、一覧表中の基準圧力を補正する。

酸化剤ガス６１ａは、上述のように、気液接触塔７０及び気液分離器５５を経て水蒸気飽和したガスになっている。以降の説明では、水蒸気飽和したガスを「湿ガス」と、観念上湿ガスから水蒸気を除外したガスを「ドライガス」と、それぞれ呼ぶ場合があるものとする。酸化剤ガス６１ａの湿ガスは、ドライガス量が一定でも温度変化により水蒸気量が変動する。水蒸気量の変動は水蒸気分圧の変動を伴うため、酸化剤ガス６１ａの湿ガスは温度変化により流量、そして圧力が変化する。上述のように燃料電池３０における電気化学的反応では酸化剤ガス６１ａ中の酸素分子の量（言い換えるとドライガス流量）が発電電流に対応していればよいため、湿ガスの流量が変動してもドライガスの流量が適切ならば所定の発電電流を得ることができる。

燃料電池３０入口では、例えば、ドライガスの流量が変化しないで酸化剤ガス６１ａの湿ガスの温度が基準温度より上がると水蒸気分圧が上がり酸化剤ガス６１ａの圧力が上がるので、圧力検知器１３１で検知される圧力が基準圧力になるようにブロワ８４の回転数を制御するとドライガスの流量が減少して過少な量のドライガスが燃料電池３０に供給されることとなる。逆に酸化剤ガス６１ａの湿ガスの温度が基準温度より下がると水蒸気の一部が凝縮して水蒸気分圧が下がり酸化剤ガス６１ａの圧力が下がるので、圧力検知器１３１で検知される圧力が基準圧力になるようにブロワ８４の回転数を制御するとドライガスの流量が増加して過剰な量のドライガスが燃料電池３０に供給されることとなる。

燃料電池３０では上述のように電気化学的反応により水が発生し、発生した水が水蒸気となって空気極オフガス２２ａに含まれることにより、空気極オフガス２２ａは水蒸気飽和している。燃料電池３０出口では、例えば、空気極オフガス２２ａの湿ガスの温度が上がると水蒸気分圧が上がり背圧が上がるため、圧力検知器１３１で検知される圧力を基準圧力になるようにブロワ８４の回転数を制御すると過少な量のドライガスが燃料電池３０に供給されることとなる。逆に空気極オフガス２２ａの湿ガスの温度が下がると水蒸気分圧が下がり背圧が下がるため、圧力検知器１３１で検知される圧力を基準圧力になるようにブロワ８４の回転数を制御すると過剰な量のドライガスが燃料電池３０に供給されることとなる。

上記のような不具合を是正するためには、非定常運転時の所定の発電電流に対応する圧力Ｐは、基準圧力Ｐ０に対して定常運転時の湿ガス流量と非定常運転時の湿ガス流量とのずれを補正すればよいことになる。補正は、典型的には次に示す式で表される。なお、次式において圧力は絶対圧力である。

ここで、燃料電池発電システム１は気体流量計を備えていないため、直接的に湿ガス流量を把握することができない。本発明者らは、温度検知器１３２、１３３で検知される温度を用いて定常運転時の湿ガス流量に対応する圧力と非定常運転時の湿ガス流量に対応する圧力とのずれを補正することができることを見出し、本発明に係る燃料電池発電システムの創作に至った。

また、上述のように、湿ガスの流量が変動してもドライガスの流量が適切ならば所定の発電電流を得ることができるが、ドライガス自体も温度変化による体積変化を伴う。この場合はドライガスの質量流量が一定でも体積流量が変化する。例えば、温度が上がると体積流量が増加するため、圧力検知器１３１で検知される圧力を基準圧力になるようにブロワ８４の回転数を制御すると過少な量のドライガスが燃料電池３０に供給されることとなる。逆に温度が下がると体積流量が減少するため、圧力検知器１３１で検知される圧力を基準圧力になるようにブロワ８４の回転数を制御すると過剰な量のドライガスが燃料電池３０に供給されることとなる。

すなわち、上記（１）式における湿ガス流量の偏差に対応する基準圧力からの偏差に替えて、温度検知器１３２、１３３で検知される温度を用いて補正をすることを可能にし、且つ、温度変化によるドライガス自体の体積変化を考慮したより高精度の補正は、典型的には次に示す式で表すことができる。なお、次式において、圧力は絶対圧力、温度は絶対温度である。

上記（２）式におけるＫは温度領域によって値が変わる比例定数である。非定常運転時における湿ガスの温度は通常基準温度からの乖離がそれほど大きくないため、その温度領域における比例定数として表すことができる。温度検知器１３２、１３３で検知される温度は信号として制御装置１３０に送信され、制御装置１３０は、送信された温度信号に基づいて湿ガス流量の偏差に対応する基準圧力からの偏差を（２）式により補正をして圧力検知器１３１で検知される圧力が補正後の圧力Ｐになるようにブロワ８４の回転数を制御する。

また、上述のように圧力検知器１３１で検知される圧力は、空気極オフガス２２ａの圧力（背圧）変動により定常運転時における酸化剤ガス６１ａの流量と圧力との関係からずれを生じる場合がある。空気極オフガス２２ａは燃料極オフガス２１ａと混合して混合排ガス６３ａとなり、混合排ガス熱交換器８３、気液分離器８９を経て排出ガス６４ａとして系外１０２に排出されるが、気液分離器８９を経た排出ガス６４ａは水蒸気飽和している。このため、温度検知器９０で検知される温度を基準温度に対して相対的に補正をすることにより、実用上、燃料電池３０の所定の発電電流に対応するより適切な流量の酸化剤ガス６１ａを燃料電池３０に供給することができることとなる。

すなわち、温度検知器９０で検知された温度は信号として制御装置１３０に送信され、送信された温度信号に基づいて、上記（２）式に対してさらに補正をして、非定常運転時の所定の発電電流に対応する圧力Ｐを基準圧力Ｐ０に対して例えば次式のように補正をして、圧力検知器１３１で検知される圧力が補正後の圧力Ｐになるようにブロワ８４の回転数を制御してもよい。なお、次式において、圧力は絶対圧力、温度は絶対温度である。

ところで、上述のように、燃料電池３０は燃料ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発電し水を発生する。反応により発生した水は、通常は、酸化剤ガス６１ａの流れと共に燃料電池３０の外へ排出されるが、反応により発生した水が燃料電池３０のうちの一つのあるセルの空気極３３に水滴として滞留する（フラッディングが発生する）場合がある。空気極３３に水滴が溜まると酸化剤ガス６１の流れが阻害され、所定の発電電流を得るために必要な酸化剤ガス６１ａがそのセルに供給されなくなる。すると、水滴が溜まっているセルにおける発電電圧が他のセルにおける発電電圧よりも小さくなる。したがって、平均セル電圧と水滴が溜まっているセルの電圧の偏差が大きくなる。以下にセル電圧の最大偏差が所定の値以上になったときの運転について説明する。

図２は、平均セル電圧に対する最大のセル電圧の偏差が所定の値以上になった場合の運転状態を説明するフローチャートである。なお、以下の説明で使用する構成の符号については、適宜図１を参照するものとする。
各セルの電圧は燃料電池３０に備えられたセル電圧検知器１３５により検知され、検知された各セルの電圧は信号として制御装置１３０に送信される（Ｓ２０１）。各セルの電圧信号を受信した制御装置１３０では、各セルの電圧の平均値である平均セル電圧を算出する（Ｓ２０２）。算出した平均セル電圧に対する最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１以上であるか否かを判断し（Ｓ２０３）、所定の値Ｖ１未満であれば再び各セルの電圧を検知するステップ（Ｓ２０１）に戻り、所定の値Ｖ１以上であれば次のステップに進む。

最大セル電圧偏差が所定の値Ｖ１以上であるときは、制御装置１３０からブロワ８４に備えられたインバータに回転数増の信号が送られ、回転数増の信号を受信したインバータは圧力検知器１３１で検知される圧力が第２の所定の圧力になるようにブロワ８４の回転数を増加させる（Ｓ２０４）。ブロワ８４の回転数の増加に伴い酸化剤ガス導入流路１４０内を流れる酸化剤ガス６１ａの流量が増加し、酸化剤ガス６１ａの流量の増加に伴い燃料電池３０入口付近の酸化剤ガス６１ａの圧力が増加する。圧力検知器１３１で検知される圧力が第２の所定の圧力に達すると次のステップに進む。ここで、第２の所定の圧力は、典型的には、フラッディングの発生により空気極に滞留する水滴を酸化剤ガス６１ａの風圧により吹き飛ばして除去することができるときの酸化剤ガス６１ａの圧力である。

ブロワ８４の回転数の増加に伴い圧力検知器１３１で検知される圧力が第２の所定の圧力に達すると、平均セル電圧に対する最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になったか否かを判断する（Ｓ２０５）。所定の値Ｖ１未満でなければ再び平均セル電圧に対する最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になったか否かを判断するステップ（Ｓ２０５）に戻り、所定の値Ｖ１未満であれば次のステップに進む。平均セル電圧に対する最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になったときは、圧力検知器１３１で検知される圧力が第２の所定の圧力に達したときに作動した制御装置１３０内に備えられたタイマーを介して、第２の所定の圧力に達してから所定時間を経過したか否かを判断する（Ｓ２０６）。所定時間が経過していなければ再び第２の所定の圧力に達してから所定時間を経過したか否かを判断するステップ（Ｓ２０６）に戻り、所定の時間が経過していれば次のステップに進む。ここで、所定時間とは、典型的には、燃料電池発電システム１を試験的に運転して圧力検知器１３１で検知される酸化剤ガス６１ａの圧力が第２の所定の圧力になったときにおける、空気極３３に滞留する水滴を酸化剤ガス６１ａの風圧により除去することができる時間である。なお、平均セル電圧に対する最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になったか否かの判断（Ｓ２０５）と所定時間を経過したか否かの判断（Ｓ２０６）とをする順序は逆にすることもできる。

最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になり、且つ所定時間を経過すると、制御装置１３０からブロワ８４に備えられたインバータに回転数減の信号が送られ、回転数減の信号を受信したインバータは圧力検知器１３１で検知される圧力が第１の所定の圧力になるようにブロワ８４の回転数を減少させる（Ｓ２０７）。ブロワ８４の回転数の減少に伴い酸化剤ガス導入流路１４０内を流れる酸化剤ガス６１ａの流量が減少し、酸化剤ガス６１ａの流量の減少に伴い燃料電池３０入口付近の酸化剤ガス６１ａの圧力が低下する。圧力検知器１３１で検知される圧力が第１の所定の圧力に戻っていれば再び各セルの電圧を検知するステップ（２０１）に戻る。

以下、燃料電池発電システム１の運転が停止されるまで上述した運転が継続される。この一連の空気極３３に滞留した水滴の除去動作により、必要な発電電流を得ることができる。

ところで、燃料電池発電システム１を継続運転していると、酸化剤ガス６１ａの流路の圧力損失の増大や圧力検知器１３１のゼロ点シフトなどにより、圧力検知器１３１で検知される圧力が第１の所定の圧力になるように酸化剤ガス６１ａの流量を制御していても必要な発電電流に対応する酸化剤ガス６１ａの流量が燃料電池３０に供給されていない場合がある。この場合は、図２に示す一連のステップにおいて、圧力検知器１３１で検知される酸化剤ガス６１ａの圧力が第２の所定の圧力になるようにブロワ８４の回転数を増加させた後（Ｓ２０４）、最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になり（Ｓ２０５）かつ所定時間を経過したときに（Ｓ２０６）、圧力検知器１３１で検知される酸化剤ガス６１ａの圧力を第１の所定の圧力になるようにブロワ８４の回転数を減少させる替わりに第１の所定の圧力より高く第２の所定の圧力より低い第３の所定の圧力になるようにブロワ８４の回転数を減少させる。

空気極３３に滞留した水滴を除去した後、酸化剤ガス６１ａの圧力を第１の所定の圧力より高い第３の所定の圧力になるようにブロワ８４の回転数を調整すると、圧力損失やゼロ点シフトなどによりずれが生じた酸化剤ガス６１ａの流量と静圧との対応関係を修正することができる。なお、第３の所定の圧力の値は、第２の所定の圧力の値と第１の所定の圧力の値との差のおよそ５％の値を第１の所定の圧力の値に加えた値とするのが好ましい。また、第３の所定の圧力の値は、フラッディング除去運転を繰り返すのに従って増加させるようにしてもよい。このとき、燃料電池発電システム１の経済性の観点から、第３の所定の圧力の値の上限は、第２の所定の圧力の値と第１の所定の圧力の値との差のおよそ５０％の値を第１の所定の圧力の値に加えた値とするのが好ましい。

以上の説明では、燃料電池３０は固体高分子形の燃料電池として説明したが、りん酸形等の固体高分子形以外の燃料電池を用いてもよい。

以上の説明では、酸化剤ガス導入流路１４０の摩擦抵抗による圧力損失の影響を排除する観点から圧力検知器１３１は温度検知器１３２よりも燃料電池３０に近接する側に配置したが、温度検知器１３２の方が圧力検知器１３１よりも燃料電池３０に近くてもよい。

以上の説明では、第１の温度検知器１３２は、酸化剤ガス導入流路１４０に設置することとしたが、空気極３３に導入される酸化剤ガス６１ａの温度を検知することができればよく、例えば空気極３３の酸化剤ガス６１ａを導入するノズルに設置してもよい。また、第２の温度検知器１３３は、空気極オフガス配管１４１に設置することとしたが、空気極３３から排出される空気極オフガス２２ａの温度を検知することができればよく、例えば空気極３３の空気極オフガス２２ａを排出するノズルに設置してもよい。

以上の説明では、補正による精度を向上させる観点から、第１の温度検知器１３２及び第２の温度検知器１３３で検知された温度に基づいて第１の所定の圧力を補正したが、どちらか一方の温度検知器で検知された温度に基づいて第１の所定の圧力を補正してもよいことはいうまでもない。

以上の説明では、酸化剤ガス６１ａの温度を検知して補正をしたが、燃料ガス３ａやスタック冷却水２４ａの温度に基づき補正をしてもよい。燃料ガス３ａ、酸化剤ガス６１ａ、スタック冷却水２４ａの三つの流体は燃料ガス熱交換器１１４内を平行流で流れるので、燃料ガス熱交換器１１４を出て燃料電池３０に入る三つの流体の温度はほぼ同一になるから、酸化剤ガス６１ａの温度を検知した場合と比較して実用上問題ない程度の差に収まる。また、このようにすることにより、温度検知器の取り付け箇所の融通性が高まり、装置をコンパクトにまとめ得る。

以上の説明では、流量調整手段はインバータによってブロワ８４の回転数を調整したが、コントロールバルブを用いて流量を調整してもよい。

以上の説明では、所定のセルの電圧と平均セル電圧との最大偏差が所定の値以上のときに圧力検知器１３１により検知される圧力が第２の所定の圧力となるようにブロワ８４の回転数を制御した後、最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になり且つ所定時間が経過したときに圧力検知器１３１により検知される圧力が第１の所定の圧力又は第３の所定の圧力となるようにブロワ８４の回転数を制御したが、最大のセル電圧偏差が所定の値Ｖ１未満になるか又は所定時間経過後かの一方のみを判断条件としてもよい。

以上の説明では、送風機はブロワを用いたが、必要静圧が１０ｋＰａ未満の場合はファンを用いることもできる。

以上の説明において、セル電圧検知器１３５と制御装置１３０とは同一のケーシングに収容されていてもよいし、別々のケーシングに収容されていてもよい。

本発明の実施の形態に係る燃料電池発電システムを説明するブロック図である。 平均セル電圧に対する最大のセル電圧の偏差が所定の値以上になった場合の燃料電池発電システムの運転状態を説明するフローチャートである。

符号の説明

３ａ 燃料ガス（改質ガス）
２１ａ 燃料極オフガス
２２ａ 空気極オフガス
３０ 燃料電池
３２ 燃料極
３３ 空気極
６１ａ 酸化剤ガス
８４ 送風機
１３０ 制御装置
１３１ 圧力検知器
９０、１３２、１３３ 温度検知器
１３５ セル電圧検知手段
１４０ 酸化剤ガス導入流路

Claims (3)

1. 水素に富む燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し水を発生する燃料電池であって、該燃料ガスを導入し燃料極オフガスを排出する燃料極と該酸化剤ガスを導入し空気極オフガスを排出する空気極とを有する燃料電池と；
   前記空気極に前記酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入流路と；
   前記酸化剤ガス導入流路に配置された、前記酸化剤ガス導入流路を流れる前記酸化剤ガスの圧力を検知する圧力検知手段と；
   前記圧力検知手段により検知される前記酸化剤ガスの圧力が、前記燃料電池の所定の発電電流に対応する第１の所定の圧力となるように前記酸化剤ガスの流量を調整する流量調整手段と；
   前記燃料電池本体を構成する２以上のセルの電圧をそれぞれ検知するセル電圧検知手段と；
   前記流量調整手段を制御する制御装置であって、前記セル電圧検知手段により検知された各セルの電圧の平均値である平均セル電圧を算出し、該平均セル電圧に対する最大のセル電圧の偏差が所定の値以上のときに、前記圧力検知手段により検知される圧力が前記第１の所定の圧力よりも高い第２の所定の圧力となるように前記流量調整手段を制御した後、該最大偏差が該所定の値未満になったとき及び所定時間を経過したときの少なくとも一方の条件を具備したときに前記圧力検知手段により検知される圧力が前記第１の所定の圧力よりも高く且つ前記第２の所定の圧力よりも低い第３の所定の圧力となるように前記流量調整手段を制御する制御装置とを備える；
   燃料電池発電システム。
2. 前記空気極に導入される酸化剤ガスの温度を検知する第１の温度検知手段及び前記空気極から排出される空気極オフガスの温度を検知する第２の温度検知手段の少なくとも一方の温度検知手段を備え；
   前記少なくとも一方の温度検知手段により検知された温度に基づいて前記第１の所定の圧力が補正される；
   請求項１に記載の燃料電池発電システム。
3. 前記空気極に酸化剤ガスを送る送風機と；
   前記送風機の回転数を制御する制御装置とを備え；
   前記流量調整手段は、前記制御装置により前記送風機の回転数を制御する手段である；
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池発電システム。

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