JP4815666B2

JP4815666B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4815666B2
Application number: JP2000370322A
Authority: JP
Inventors: 昌弥川角; 高司浅野; 友森本; 和生河原; 博史青木; 孝志満津
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: JP2002175821A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、可搬型の小型電源、車載用動力源、コジェネレーションシステム等として好適な燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜の両面に燃料極及び空気極を接合し、その両側を反応ガス流路が形成されたセパレータで挟んだ構造を取る。また、燃料極及び空気極は、一般に、拡散層と触媒層の２層構造になっており、触媒層は、触媒を担持した担体と固体高分子電解質の複合体からなる。固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムは、通常、このような単電池を多数積層した燃料電池スタックと、燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えている。
【０００３】
燃料ガス供給手段及び酸化剤ガス供給手段を用いて、燃料極及び空気極に、それぞれ、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給すると、燃料が酸化され、水が生成する。その際に放出される自由エネルギー変化は、集電体を兼ねたセパレータを介して、直接、電気エネルギーとして取り出すことができる。この時、触媒層に含まれる固体高分子電解質は、三相界面においてプロトンの授受を行い、固体高分子電解質膜は、燃料極で生成したプロトンを空気極側に移動させる役割を果たす。従って、高い出力を安定して得るためには、膜及び電極の双方に含まれる電解質には、高プロトン伝導性が要求される。
【０００４】
一方、固体高分子型燃料電池に用いられる電解質には、種々の材料が知られているが、これらは、いずれもプロトン伝導性を発現するためには水を必要とする。従って、連続的に供給される反応ガスによって電解質に含まれる水分が持ち去られると、電解質のプロトン伝導性が低下し、燃料電池の出力を低下させる原因となる。すなわち、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池システムにおいて、高い出力を安定して得るためには、電解質の含水率を一定に保つ必要がある。
【０００５】
従来の燃料電池システムにおいては、この問題を解決するために、燃料電池の内部圧力を一定とし、かつ、バブラ、ミスト発生器等を用いて反応ガスを加湿したり、あるいは、セパレータ内部に形成された反応ガス流路に直接水分を注入する等、補機を用いて電解質に水分を補給する方法が用いるのが一般的である。
【０００６】
また、反応ガスへの加湿を前提として、固体高分子型燃料電池の内部圧力をコントロールする高圧システムも知られている（例えば、David H.他著、"Fuel Cell Dynamics in Transit Applications, Univ. Calf.参照。）。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、補機を用いた電解質の加湿は、加湿用の水を貯蔵するための水タンク、加湿器、燃料電池から排出される水を回収するための凝縮器等、さまざまなコンポーネントが必要となり、燃料電池システムが複雑かつ大型化するという問題がある。特に、高出力密度で発電を行う場合等、発熱が大きい場合には、燃料電池の温度の上昇によって電解質が乾燥し、電解質の抵抗が極端に上昇するので、大量の水を用いて電解質を加湿する必要がある。従って、このような場合には、大容量の水タンクとその回収システムが必要となり、燃料電池システムがさらに複雑かつ大型化する。
【０００８】
また、補機を用いた電解質の加湿は、余分な補機動力が必要となり、燃料電池システムの発電効率を低下させる原因となる。さらに、車載用動力源への応用を考える場合、冬場に水タンクや燃料電池内部で水が凍結し、起動不能や、電池の故障の原因となることがある。
【０００９】
一方、加湿を前提とした高圧タイプのシステムでは、上述した問題に加え、空気ポンプの動力損失が大きくなり、システム全体の効率を下げるという問題がある。また、電池の温度上昇を避けるために冷却容量を大きくすると、システムが大型化するという問題がある。
【００１０】
本発明が解決しようとする課題は、固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、補機による電解質の加湿を不要化することにある。また、本発明が解決しようとする他の課題は、１００℃付近の高温をもカバーする広い温度範囲においても、安定に作動可能な燃料電池システムを提供することにある。さらに、本発明が解決しようとする他の課題は、発電効率に優れ、出力密度が高く、しかも、コンパクトな燃料電池システムを提供することにある。
【００１１】
【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発明は、固体高分子型燃料電池と、該固体高分子型燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記固体高分子型燃料電池の空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記空気極側の内部圧力を制御することによって、前記固体高分子型燃料電池に備えられる固体高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準に維持する含水率制御手段をさらに備えていることを要旨とするものである。
【００１２】
空気極側の内部圧力を高くすると、空気極側の相対湿度が高くなり、空気極側から持ち去られる水分量が減少する。そのため、固体高分子型燃料電池の内部温度、出力電圧等に応じて空気極側の内部圧力を最適化すれば、反応ガスに対して加湿を行わなくても、固体高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準に維持することができる。また、これによって、１００℃付近の高温においても、固体高分子型燃料電池を安定に作動させることができる。さらに、反応ガスを加湿するための補機が不要となるので、発電効率に優れ、出力密度が高く、しかも、コンパクトな燃料電池システムが得られる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１に、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図を示す。図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０と、燃料ガス供給手段３０と、空気供給手段（酸化剤ガス供給手段）４０と、含水率制御手段５０とを備えている。
【００１４】
本実施の形態において、燃料電池２０には、固体高分子型燃料電池が用いられる。固体高分子型燃料電池は、一般に、固体高分子電解質膜の両面に燃料極及び空気極を接合して膜電極接合体とし、その両側を燃料流路及び空気流路（いずれも図示せず）が形成されたセパレータで挟んだ構造を取る。燃料電池２０には、通常、このような単電池が多数積層されたスタックが用いられる。
【００１５】
燃料ガス供給手段３０は、燃料インガス通路３２と、燃料オフガス通路３４と、水素供給源３６とを備えている。燃料インガス通路３２の一端は、水素供給源３６に接続され、燃料インガス通路３２の他端は、燃料電池２０の燃料流路の一端に接続されている。また、燃料オフガス通路３４の一端は、燃料電池２０の燃料流路の他端に接続され、燃料オフガス通路３４の他端は、排気口（図示せず）に接続されている。なお、水素供給源３６は、純水素を供給する水素ボンベ、あるいは改質ガスを供給する改質器のいずれであっても良く、特に限定されるものではない。
【００１６】
空気供給手段４０は、空気インガス通路４２と、空気オフガス通路４４と、空気ポンプ４６とを備えている。空気インガス通路４２の一端は、空気を取り込むための吸気口（図示せず）に接続され、空気インガス通路４２の他端は、燃料電池２０の空気流路の一端に接続されている。また、空気オフガス通路４４の一端は、燃料電池２０の空気流路の他端に接続され、空気オフガス通路４４の他端は、排気口（図示せず）に接続されている。さらに、空気インガス通路４２には、空気ポンプ４６が設けられ、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池２０の空気流路に送り込むようになっている。
【００１７】
含水率制御手段５０は、第１センサ（第１検出手段）５２と、第２センサ（第２検出手段）５４と、第１背圧弁（第１圧力変動手段）５６と、制御回路（制御手段）５８とを備えている。第１センサ５２は、燃料電池２０の空気極側の内部圧力を検出するためのものであり、本実施の形態では、燃料電池２０内部に設けられている。第１センサ５２により検出される空気極側の内部圧力は、制御回路５８に送信されるようになっている。
【００１８】
第２センサ５４は、含水率監視変数を検出するためのものであり、本実施の形態では、燃料電池２０の内部に設けられる。また、第２センサ５４により検出された含水率監視変数の値は、制御回路５８に送信されるようになっている。
【００１９】
ここで、「含水率監視変数」とは、燃料電池２０の作動状態を表す各種変数の内、固体高分子電解質の含水率と強い相関があるものをいう。含水率監視変数としては、具体的には、燃料電池２０の内部温度、出力電圧、内部抵抗及びオフガス相対湿度が好適な一例として挙げられる。第２センサ５４は、これらの内の少なくとも１以上の含水率監視変数を検出するものが好ましい。
【００２０】
なお、本実施の形態において、含水率監視変数として用いられる「オフガス相対湿度」は、空気極側から排出されるオフガスの相対湿度であっても良く、あるいは、空気極側及び燃料極側の双方から排出されるオフガスの相対湿度の平均値（以下、これを「両極平均オフガス相対湿度」という。）であっても良い。また、図１においては１個の第２センサ５４が示されているが、これは単なる例示であり、２種以上の含水率監視変数を同時に検出する場合には、必要数の第２センサ５４が燃料電池２０内部又はその周辺に設けられる。
【００２１】
第１背圧弁５６は、燃料電池２０の空気極側の内部圧力を変動させるためのものであり、空気オフガス通路４４上に設けられる。空気極側の内部圧力は、第１背圧弁５６の開度を調節することにより制御され、第１背圧弁５６の開度は、制御回路５８から送信される背圧弁制御信号により制御されるようになっている。
【００２２】
制御回路５８は、燃料電池システム１０の制御に必要な情報（例えば、第１センサ５２、第２センサ５４等により検出される燃料電池２０の内部圧力、内部温度、内部抵抗、オフガス相対湿度等。）を受信する信号受信手段（図示せず）と、入力信号に基づいてシステム内にある各装置の制御量を算出する演算手段（図示せず）と、算出された制御量をシステム内の各装置に送信する信号送信手段（図示せず）を備えている。
【００２３】
演算手段は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、ＲＯＭには、第２センサにより検出される含水率監視変数の値に応じて第１背圧弁５６の開度を制御するための制御プログラムや、要求される出力が得られるように燃料流量及び空気流量を制御する制御プログラムなど、燃料電池システム１０全体を制御するための各種の制御プログラムが格納されている。
【００２４】
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の運転方法について説明する。まず、燃料電池システム１０に対して燃料電池２０の出力の増減を指示する制御信号が入力されると、制御回路５８は、要求される出力を得るために必要な燃料流量及び空気流量を算出する。次いで、制御回路５８は、燃料供給源３６及び空気ポンプ４６に対し、それぞれ、燃料流量制御信号及び空気流量制御信号を送信し、算出された燃料流量及び空気流量が得られるように、燃料供給源３６及び空気ポンプ４４を制御する。
【００２５】
制御回路５８は、この状態で燃料電池２０の運転を続けながら、第１センサ５２及び第２センサ５４を用いて、それぞれ、燃料電池２０の内部圧力及び少なくとも１つの含水率監視変数を検出する。検出された含水率監視変数の値に変動がない場合には、現状の内部圧力のまま燃料電池２０の運転が行われる。一方、含水率監視変数の変動が検出された場合には、制御回路５８は、第１背圧弁５６に対して背圧弁制御信号を送信し、第１背圧弁５６の開度を制御する。
【００２６】
第１背圧弁５６の制御方法は、検出される含水率監視変数の種類によって異なる。一般的には、含水率監視変数が固体高分子電解質の含水率の低下傾向を強く示すほど、空気極側の内部圧力が高くなるように、第１背圧弁５６の開度を制御すればよい。
【００２７】
例えば、燃料電池２０の内部温度が高くなるほど、燃料電池２０内部が乾燥するので、固体高分子電解質の含水率は低下する傾向を示す。従って、第２センサ５４により内部温度を検出する場合には、内部温度が高くなるほど第１背圧弁５６の開度を小さくし、空気極側の内部圧力を高くすれば良い。
【００２８】
また、例えば、燃料電池２０の出力電圧が高くなるほど、発熱量が多くなるので、固体高分子電解質の含水率は低下する傾向を示す。従って、第２センサ５４により出力電圧を検出する場合には、出力電圧が高くなるほど第１背圧弁５６の開度を小さくし、空気極側の内部圧力を高くすれば良い。
【００２９】
また、例えば、固体高分子電解質のドライアップが発生すると、一定の電圧に対する電流が減少し、燃料電池２０の内部抵抗の増大となって現れる。従って、第２センサ５４により内部抵抗を検出する場合には、内部抵抗が高くなるほど第１背圧弁５６の開度を小さくし、空気極側の内部圧力を高くすれば良い。
【００３０】
また、例えば、燃料電池２０のオフガス相対湿度が低くなるほど、固体高分子電解質から持ち去られる水分量は増加する傾向を示す。従って、第２センサ５４によりオフガス相対湿度を検出する場合には、オフガス相対湿度が低くなるほど第１背圧弁５６の開度を小さくし、空気極側の内部圧力を高くすれば良い。
【００３１】
さらに、上述した含水率監視変数の内の２種以上を同時に検出し、これらに基づいて固体高分子電解質の含水率が所定の水準に維持されるように、第１背圧弁５６を制御してもよい。
【００３２】
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の作用について説明する。固体高分子型燃料電池の場合、空気極側では、電池反応により水が生成する。また、プロトンが空気極側に移動する際に、電気浸透により水分子も同時に空気極側に移動する。一方、燃料極側においては、水は生成せず、空気極側にある水の一部が、バックディフュージョンにより燃料極側に移動するのみである。
【００３３】
すなわち、固体高分子型燃料電池の内部では、燃料極側よりも空気極側の方がより多くの水分を含んだ状態にある。従って、反応ガスを連続的に流しながら発電を行うと、燃料電池内部の水分の大部分は、オフガスと共に空気極側から外部に排出される。この排出される水分量は、通常、電池反応による生成水量より多いので、反応ガスに対する加湿量が少ないと、固体高分子電解質の含水率が低下し、出力低下を引き起こす。特に、燃料電池の内部温度が１００℃付近の高温になると燃料電池内部が乾燥し易くなるので、反応ガスに対する加湿を行うことなく燃料電池の内部圧力を一定に維持したまま発電を行うと、固体高分子電解質の抵抗が極端に上昇し、発電できなくなる。
【００３４】
これに対し、本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、含水率制御手段５０により空気極側の内部圧力が可変制御されるので、内部圧力の変動に応じて固体高分子電解質の含水率も変動する。これは、空気極側の内部圧力が高くなるほど空気極側の相対湿度が高くなり、膜の含水率が高くなるためである。
【００３５】
従って、含水率制御手段５０を用いて、燃料電池２０の作動状況に応じて空気極側の内部圧力を最適化すれば、補機を用いて反応ガスの加湿を行わなくても、固体高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準に維持することができる。また、１００℃付近の高温域をもカバーする広い温度範囲において、固体高分子電解質の抵抗の上昇が抑えられ、無加湿でも安定に作動させることができる。さらに、反応ガスを加湿するための補機が不要となるので、発電効率に優れ、出力密度が高く、しかも、コンパクトな燃料電池システムが得られる。
【００３６】
次に、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。図２に、本実施の形態に係る燃料電池システム１２の概略構成図を示す。図２において、燃料電池システム１２は、燃料電池２０と、燃料ガス供給手段３０と、空気供給手段４０と、含水率制御手段６０とを備えている。
【００３７】
ここで、燃料電池２０、燃料ガス供給手段３０及び空気供給手段４０は、第１の実施の形態に係る燃料電池システム１０と同一であるので、説明を省略する。
【００３８】
含水率制御手段６０は、第１センサ５２と、第２センサ５４と、第１背圧弁５６と、第３センサ（第３検出手段）６２と、第２背圧弁（第２圧力変動手段）６６と、制御回路６８とを備えている。これらの内、第１センサ５２，第２センサ５４及び第１背圧弁５６は、第１の実施の形態と同様であるので説明を省略する。
【００３９】
第３センサ６２は、燃料電池２０の燃料極側の内部圧力を検出するためのものであり、本実施の形態では、燃料電池２０内部に設けられている。第３センサ６２により検出される燃料極側の内部圧力は、制御回路６８に送信されるようになっている。
【００４０】
第２背圧弁６６は、燃料電池２０の燃料極側の内部圧力を変動させるためのものであり、燃料オフガス通路３４上に設けられる。燃料極側の内部圧力は、第２背圧弁６６の開度を調節することにより制御され、第２背圧弁６６の開度は、制御回路６８から送信される背圧弁制御信号により制御されるようになっている。
【００４１】
制御回路６８は、信号受信手段、演算手段及び信号送信手段を備えている点、並びに、演算手段には、第１背圧弁５６の制御や燃料電池システム１０全体を制御するための各種の制御プログラムが格納されている点は、第１の実施の形態と同様であるが、演算手段には、さらに、第２センサ５４により検出される含水率監視変数の値に応じて第２背圧弁６６の開度を制御するための制御プログラムが格納されている点が異なっている。
【００４２】
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１２の運転方法について説明する。まず、制御回路６８は、要求される出力が得られるように、燃料供給源３６及び空気ポンプ４４を制御する。制御回路６８は、この状態で燃料電池２０の運転を続けながら、第１センサ５２及び第３センサ６２並びに第２センサ５４を用いて、それぞれ、燃料電池２０の空気極側及び燃料極側の内部圧力、並びに、少なくとも１つの含水率監視変数を検出する。検出された含水率監視変数の値に変動がない場合には、現状の内部圧力のまま燃料電池２０の運転が行われる。一方、含水率監視変数の変動が検出された場合には、制御回路６８は、第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６に対して背圧弁制御信号を送信し、第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６の開度を制御する。
【００４３】
この場合、第２背圧弁６６の一般的な制御方法は、第１背圧弁５６と同様である。すなわち、第２センサ５４により検出される含水率監視変数が固体高分子電解質の含水率の低下傾向を強く示すほど、第２背圧弁６６の開度を小さくし、燃料極側の内部圧力を高くすれば良い。なお、空気極側及び燃料極側の内部圧力を同時に制御する場合、第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６は、空気極側及び燃料極側の内部圧力がほぼ等圧となるように制御しても良く、あるいは、両者を独立に制御しても良い。
【００４４】
次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１２の作用について説明する。固体高分子型燃料電池の場合、空気極側からより多くの水が排出されるが、水分の一部は、燃料極側からも排出される。また、燃料極側の内部圧力が変動すれば、燃料極側の相対湿度も変動する。そのため、含水率制御手段６０を用いて、燃料電池２０の作動状況に応じて空気極側及び燃料極側の双方の内部圧力を最適化すれば、加湿を行わなくても、固体高分子電解質の含水率を所定の水準に維持することができる。
【００４５】
また、１００℃付近の高温域をもカバーする広い温度範囲において、燃料電池２０を安定に作動させることができ、発電効率に優れ、出力密度が高く、しかも、コンパクトな燃料電池システムが得られる。さらに、空気極側及び燃料極側の内部圧力を同時に制御することによって、固体高分子電解質膜の両側に発生する差圧が小さくなるので、膜の耐久性も向上する。
【００４６】
次に、本発明に係る燃料電池システムの具体的な制御方法について説明する。上述したように、燃料電池２０の作動状況に応じて燃料電池２０の内部圧力を最適化すると、無加湿下においても固体高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準に維持することができる。燃料電池２０の無加湿運転を可能とする内部圧力の具体的な制御方法としては、以下のような方法がある。
【００４７】
（１）第１の方法は、制御マップを使用する方法である。この方法は、燃料電池２０の内部圧力、含水率監視変数、及び、固体高分子電解質の含水率の間の相関を予め制御マップとして求めておき、この制御マップに従って、燃料電池２０の内部圧力を可変制御する方法である。
【００４８】
図３に、制御マップの一例を示す。図３に例示する制御マップは、空気極側及び燃料極側の内部圧力がほぼ等圧となるように、その内部圧力を可変制御する燃料電池システム１２を想定しているものであり、含水率監視変数として燃料電池２０の内部温度Ｔを用いている。また、固体高分子電解質の含水率を直接、変数として用いる代わりに、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦで代用している。さらに、空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒは、１．２及び１．５の２種類とし、水素ストイキ比Ｓ_Ｈ２は、１．２（一定）と仮定している。
【００４９】
例えば、図３の実線で示す制御曲線は、空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒが１．５である場合において、内部温度Ｔの変動に応じて、空気極側及び燃料極側の実際の内部圧力がシステム圧力Ｐに等しくなるように曲線に沿って内部圧力を可変制御すれば、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦを１００％に維持できることを示している。同様に、図３の破線で示す制御曲線は、空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒが１．５である場合において、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦを９０％に維持するための内部温度Ｔとシステム圧力Ｐの関係を示す。同様に、図３の一点鎖線又は２点差線で示す制御曲線は、空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒが１．２である場合において、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦを、それぞれ、１００％又は９０％に維持するための内部温度Ｔとシステム圧力Ｐの関係を示す。
【００５０】
実際に発電を行う際には、まず、このような１又は２以上の制御マップを燃料電池システム１２の制御回路６８に記憶させる。次に、所定の空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒで発電を行いながら、第２センサ５４を用いて内部温度Ｔを検出する。次いで、検出された内部温度Ｔと制御マップとを対比し、所望の両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦが得られるシステム圧力Ｐを求める。さらに、空気極側及び燃料極側の実際の内部圧力が、それぞれ、システム圧力Ｐに等しくなるように、第１センサ５２及び第３センサ５４で内部圧力を監視しながら、第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６を制御する。これにより、燃料電池２０の作動条件が変動しても、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦを一定の値に維持することができる。また、無加湿下においても、安定して発電を継続することができる。
【００５１】
なお、実際の燃料電池システムにおいて、無加湿で安定に作動させるために必要な両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦは、燃料電池２０の構造に応じて最適な値を用いると良い。具体的には、固体高分子電解質膜の膜厚が５０μｍ以上である場合には、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦが９０％以上となるように、内部圧力を制御するのが好ましい。一方、固体高分子電解質膜の膜厚が５０μｍ未満である場合には、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦが５０％以上となるように、内部圧力を制御するのが好ましい。これは、電解質膜の膜厚が薄くなるほど、バックディフュージョンによる水の移動が容易となり、固体高分子電解質の含水率が安定作動に必要な水準に維持されやすくなるためである。
【００５２】
（２）第２の方法は、関係式を使用する方法である。この方法は、燃料電池２０の内部圧力、含水率監視変数、及び、固体高分子電解質の含水率に関する実験式、理論式等の関係式を予め求めておき、この関係式に従って燃料電池２０の内部圧力を可変制御する方法である。
【００５３】
次の数５〜数８の式に、このような関係式の一例を示す。数５〜数８の式に例示する関係式は、空気極側及び燃料極側の内部圧力がほぼ等圧となるように、その内部圧力を可変制御する燃料電池システム１２を想定しているものであり、含水率監視変数として燃料電池２０の内部温度Ｔを用いている。また、固体高分子電解質の含水率を直接、変数として用いる代わりに、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦで代用している。
【００５４】
【数５】

【００５５】
【数６】

【００５６】
【数７】

【００５７】
【数８】

【００５８】
数５の式は、燃料電池２０の空気極側及び燃料極側の出口近傍での水蒸気分圧の平均値（両極平均水蒸気分圧）Ｐ_ｗを表す関係式である。数５の式においては、両極平均水蒸気分圧Ｐ_ｗに影響を及ぼす変数として、システム圧力Ｐ、空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒ、燃料ストイキ比Ｓ_Ｈ２、空気中の酸素モル分率Ｃ_Ｏ２及び燃料中の水素モル分率Ｃ_Ｈ２が考慮されている。これらの内、空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒ及び燃料ストイキ比Ｓ_Ｈ２は、主に燃料電池２０に要求される出力によって決まる。また、空気中の酸素モル分率Ｃ_Ｏ２及び燃料中の水素モル分率Ｃ_Ｈ２は、使用する反応ガスの種類によって決まり、運転中に変動することはほとんどない。従って、数５の式において、両極平均水蒸気分圧Ｐ_ｗに実質的に影響を及ぼすものは、システム圧力Ｐのみである。
【００５９】
また、数６の式及び数７の式は、水の飽和水蒸気圧Ｐ_ｓを示す理論式である。さらに、数８の式は、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦを定義する関係式であり、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦは、水の飽和水蒸気圧Ｐ_ｓに対する両極平均水蒸気分圧Ｐ_ｗの割合として定義される。従って、反応ガスの種類及び反応ガスの流量が与えられた場合において、内部温度Ｔが検出されると、数５〜数８の式より、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦを一定の水準に維持するためのシステム圧力Ｐを求めることができる。
【００６０】
実際に発電をする際には、まず、このような関係式を燃料電池システム１２の制御回路６８に記憶させる。次に、所定の反応ガス供給条件下で発電を行いながら、第２センサ５４を用いて内部温度Ｔを検出する。次いで、検出された内部温度Ｔと、これとは別に制御回路６８により演算・検出される反応ガス供給条件とを関係式に代入し、所望の両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦが得られるシステム圧力Ｐを算出する。
【００６１】
さらに、空気極側及び燃料極側の実際の内部圧力が、それぞれ、算出されたシステム圧力Ｐに等しくなるように、第１センサ５２及び第３センサ５４で内部圧力を監視しながら、第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６を制御する。これにより、燃料電池２０の作動条件が変動しても、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦを一定の値に維持することができる。また、無加湿下においても、安定して発電を継続することができる。
【００６２】
なお、圧力制御の判断基準となる両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦの値は、燃料電池２０の構造に応じて最適な値を用いれば良い点は、上述した第１の方法と同様である。また、固体高分子電解質膜の膜厚が５０μｍ以上である場合には、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦは９０％以上が好ましい点、及び、固体高分子電解質膜の膜厚が５０μｍ未満である場合には、両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦは５０％以上が好ましい点も第１の実施の形態と同様である。
【００６３】
【実施例】
（実施例１）
図２に示す燃料電池システム１２を用いて、無加湿作動試験を行った。なお、燃料電池２０には、電解質膜として厚さ５０μｍのナフィオン（デュポン社製、登録商標）１１２を用い、この両面に触媒層及び拡散層として、それぞれ、転写電極及びＥ−ｔｅｋ製拡散層を接合し、さらにその両側をカーボン製セパレータで狭持したものを用いた。電極面積は、１３ｃｍ^２とした。
【００６４】
無加湿作動試験の手順は、以下の通りである。すなわち、まず、内部温度Ｔ＝８０℃、空気ストイキ比Ｓ_ａｉｒ＝１．７７、カソード無加湿、水素ストイキ比Ｓ_Ｈ２＝１．２、アノード加湿（バブラ温度：７０℃）の条件で燃料電池２０を起動し、０．５Ａ／ｃｍ^２の定電流条件下で発電を行った。
【００６５】
燃料電池２０の出力電圧が安定した後、アノードの加湿を止め、両極無加湿の状態で内部圧力を可変制御しながら発電を行った。具体的には、上述の数５〜数８の式を用いて、生成水のみによりカソードの両極平均オフガス相対湿度ＲＨ_ＯＦＦが９０％となるシステム圧力Ｐを求め、空気極側及び燃料極側の内部圧力が共にシステム圧力Ｐに等しくなるように第１背圧弁５６及び第２背圧弁６６を制御した。また、３０分ごとに内部温度Ｔを５℃ずつ上昇させ、１００℃までの出力電圧及びセルの内部抵抗を計測した。
【００６６】
（比較例１）
空気極側及び燃料極側の内部圧力を２ａｔａ一定とした以外は、実施例１と同一の条件下で、無加湿作動試験を行った。
【００６７】
実施例１及び比較例１で得られた無加湿作動試験の結果を、図４に示す。内部圧力一定の条件下で作動させた比較例１の場合、燃料電池２０の内部温度Ｔが８０℃の時には、両極無加湿であっても、約０．５（Ｖ）の出力電圧が得られた。しかしながら、内部温度Ｔの上昇に伴い、燃料電池２０の内部抵抗は急激に上昇し、出力電圧は急激に低下した。また、内部温度Ｔが９０℃以上になると、抵抗が大きくなりすぎ、運転できなくなった。
【００６８】
これに対し、内部温度Ｔが８０、８５、９０、９５及び１００℃の時に、内部圧力が、それぞれ、２．２、２．７、３．２、３．９及び４．７ａｔａとなるように内部圧力を可変制御した実施例１の場合、内部抵抗は、内部温度Ｔによらずほぼ一定の値（約０．００９（Ω））を示した。また、出力電圧は、内部温度Ｔが８０℃から１００℃までの広い温度範囲において、０．５（Ｖ）以上を示し、特に、内部温度Ｔが９５℃以下の時には、出力電圧は０．６（Ｖ）以上を示した。図４より、温度に追随した圧力可変制御を行うことにより、高温無加湿の条件下においても安定に作動し、かつ高出力電圧が得られることがわかる。
【００６９】
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施の形態に何ら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内で種々の改変が可能である。
【００７０】
例えば、上記実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いた例について主に説明したが、酸化剤ガスとして酸素を用いてもよい。また、本発明による電解質の無加湿化の手法は、特に固体高分子型燃料電池を備えた燃料電池システムに対して好適であるが、本発明の手法は、電解質の水管理が必須である他の種類の燃料電池（例えば、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等）を備えた燃料電池システムに対しても同様に適用することができる。
【００７１】
また、上記実施の形態では、含水率監視変数として燃料電池２０の内部温度Ｔを用いた制御方法について主に説明したが、出力電圧、内部抵抗又はオフガス相対湿度を含水率監視変数として用いる場合も同様であり、これらの含水率監視変数を含む制御マップあるいは関係式を用いて内部圧力を可変制御することにより、高温無加湿の条件下においても安定に作動し、かつ高出力電圧が得られる燃料電池システムを得ることができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムは、空気極側の内部圧力を制御することによって、固体高分子型燃料電池に備えられる固体高分子電解質の含水率を安定作動に必要な水準に維持する含水率制御手段を備えているので、補機による電解質の加湿を行わなくても、燃料電池が安定に作動するという効果がある。また、１００℃付近の高温をもカバーする広い温度範囲においても、燃料電池が安定に作動するという効果がある。さらに、加湿のための補機が不要となるので、発電効率に優れ、出力密度が高く、しかも、コンパクトな燃料電池システムが得られるという効果がある。
【００７３】
また、空気極側の内部圧力を可変制御すると同時に、燃料極側の内部圧力の可変制御も行うと、燃料電池から排出される総水分量がさらに少なくなり、電解質の無加湿化がさらに容易化するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図３】内部圧力を可変制御するための制御マップの一例である。
【図４】内部圧力が一定の場合及び内部圧力の可変制御を行った場合における内部温度、出力電圧及び内部抵抗の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０、１２燃料電池システム
２０燃料電池（固体高分子型燃料電池）
３０燃料ガス供給手段
４０酸化剤ガス供給手段（空気供給手段）
５０、６０含水率制御手段
５２第１センサ（第１検出手段）
５４第２センサ（第２検出手段）
５６第１背圧弁（第１圧力変動手段）
５８、６８制御回路（制御手段）
６２第３センサ（第３検出手段）
６６第２背圧弁（第２圧力変動手段）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system suitable as a portable compact power source, a vehicle-mounted power source, a cogeneration system, and the like.
[0002]
[Prior art]
In general, a polymer electrolyte fuel cell has a structure in which a fuel electrode and an air electrode are joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and both sides thereof are sandwiched by a separator in which a reaction gas channel is formed. Further, the fuel electrode and the air electrode generally have a two-layer structure of a diffusion layer and a catalyst layer, and the catalyst layer is composed of a composite of a carrier carrying a catalyst and a solid polymer electrolyte. A fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell generally has a fuel cell stack in which a large number of such single cells are stacked, a fuel gas supply means for supplying a fuel gas to the fuel electrode, and an oxidant gas at the air electrode. And an oxidant gas supply means for supplying.
[0003]
When the fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel electrode and the air electrode using the fuel gas supply means and the oxidant gas supply means, respectively, the fuel is oxidized and water is generated. The free energy change released at that time can be directly taken out as electric energy through a separator that also serves as a current collector. At this time, the solid polymer electrolyte contained in the catalyst layer exchanges protons at the three-phase interface, and the solid polymer electrolyte membrane plays a role of moving protons generated at the fuel electrode to the air electrode side. Therefore, in order to obtain a high output stably, the electrolyte contained in both the membrane and the electrode is required to have high proton conductivity.
[0004]
On the other hand, various materials are known for the electrolyte used in the polymer electrolyte fuel cell, and all of these require water in order to exhibit proton conductivity. Therefore, if moisture contained in the electrolyte is taken away by the continuously supplied reaction gas, the proton conductivity of the electrolyte is lowered, which causes a decrease in the output of the fuel cell. That is, in a fuel cell system using a polymer electrolyte fuel cell, in order to stably obtain a high output, it is necessary to keep the water content of the electrolyte constant.
[0005]
In the conventional fuel cell system, in order to solve this problem, the internal pressure of the fuel cell is kept constant, and the reaction gas is humidified using a bubbler, a mist generator or the like, or formed inside the separator. In general, a method of supplying moisture to the electrolyte using an auxiliary machine, such as injecting moisture directly into the reaction gas flow path, is used.
[0006]
A high-pressure system that controls the internal pressure of a polymer electrolyte fuel cell on the premise of humidification of the reaction gas is also known (for example, David H. et al., “Fuel Cell Dynamics in Transit Applications, Univ. Calf .reference.).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, humidifying the electrolyte using auxiliary equipment requires various components such as a water tank for storing water for humidification, a humidifier, and a condenser for collecting water discharged from the fuel cell. There is a problem that the fuel cell system is complicated and large. In particular, when heat generation is large, such as when generating power at a high power density, the electrolyte dries out due to a rise in the temperature of the fuel cell, and the resistance of the electrolyte rises extremely, so humidify the electrolyte using a large amount of water. There is a need to. Therefore, in such a case, a large-capacity water tank and its recovery system are required, and the fuel cell system is further complicated and enlarged.
[0008]
Further, the humidification of the electrolyte using an auxiliary machine requires extra auxiliary machine power, which causes a decrease in power generation efficiency of the fuel cell system. Furthermore, when considering application to an in-vehicle power source, water may freeze inside the water tank or the fuel cell in winter, which may cause inability to start or failure of the battery.
[0009]
On the other hand, in the high-pressure type system premised on humidification, in addition to the above-described problems, there is a problem that the power loss of the air pump increases and the efficiency of the entire system is lowered. Further, if the cooling capacity is increased in order to avoid the temperature rise of the battery, there is a problem that the system becomes larger.
[0010]
The problem to be solved by the present invention is to eliminate the need for electrolyte humidification by an auxiliary machine in a fuel cell system including a solid polymer fuel cell. Another problem to be solved by the present invention is to provide a fuel cell system that can operate stably even in a wide temperature range covering a high temperature around 100 ° C. Furthermore, another problem to be solved by the present invention is to provide a compact fuel cell system having excellent power generation efficiency, high power density, and compactness.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell, fuel gas supply means for supplying a fuel gas to a fuel electrode of the polymer electrolyte fuel cell, and air in the polymer electrolyte fuel cell. In the fuel cell system comprising an oxidant gas supply means for supplying an oxidant gas to the electrode, the solid polymer electrolyte provided in the polymer electrolyte fuel cell is controlled by controlling the internal pressure on the air electrode side. The gist of the invention is that it further comprises a moisture content control means for maintaining the moisture content at a level necessary for stable operation.
[0012]
When the internal pressure on the air electrode side is increased, the relative humidity on the air electrode side increases, and the amount of moisture taken away from the air electrode side decreases. Therefore, if the internal pressure on the air electrode side is optimized according to the internal temperature, output voltage, etc. of the solid polymer fuel cell, the moisture content of the solid polymer electrolyte can be reduced without humidifying the reaction gas. The level required for stable operation can be maintained. This also makes it possible to stably operate the polymer electrolyte fuel cell even at a high temperature around 100 ° C. Further, since an auxiliary device for humidifying the reaction gas is not required, a compact fuel cell system with excellent power generation efficiency, high output density, and a high power density can be obtained.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows a schematic configuration diagram of a fuel cell system 10 according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel cell 20, a fuel gas supply means 30, an air supply means (oxidant gas supply means) 40, and a moisture content control means 50.
[0014]
In the present embodiment, a solid polymer fuel cell is used as the fuel cell 20. In general, a polymer electrolyte fuel cell is obtained by joining a fuel electrode and an air electrode on both sides of a solid polymer electrolyte membrane to form a membrane electrode assembly, and a fuel channel and an air channel (both not shown) on both sides thereof The structure is sandwiched between separators. The fuel cell 20 is usually a stack in which a large number of such single cells are stacked.
[0015]
The fuel gas supply means 30 includes a fuel in gas passage 32, a fuel off gas passage 34, and a hydrogen supply source 36. One end of the fuel in gas passage 32 is connected to the hydrogen supply source 36, and the other end of the fuel in gas passage 32 is connected to one end of the fuel passage of the fuel cell 20. Further, one end of the fuel off-gas passage 34 is connected to the other end of the fuel flow path of the fuel cell 20, and the other end of the fuel off-gas passage 34 is connected to an exhaust port (not shown). The hydrogen supply source 36 may be either a hydrogen cylinder that supplies pure hydrogen or a reformer that supplies reformed gas, and is not particularly limited.
[0016]
The air supply means 40 includes an air-in gas passage 42, an air off-gas passage 44, and an air pump 46. One end of the air-in gas passage 42 is connected to an intake port (not shown) for taking in air, and the other end of the air-in gas passage 42 is connected to one end of the air flow path of the fuel cell 20. One end of the air off-gas passage 44 is connected to the other end of the air flow path of the fuel cell 20, and the other end of the air off-gas passage 44 is connected to an exhaust port (not shown). Further, an air pump 46 is provided in the air-in gas passage 42 so as to send air as an oxidant gas into the air flow path of the fuel cell 20.
[0017]
The moisture content control means 50 includes a first sensor (first detection means) 52, a second sensor (second detection means) 54, a first back pressure valve (first pressure fluctuation means) 56, and a control circuit (control means). 58). The first sensor 52 is for detecting the internal pressure on the air electrode side of the fuel cell 20 and is provided inside the fuel cell 20 in the present embodiment. The internal pressure on the air electrode side detected by the first sensor 52 is transmitted to the control circuit 58.
[0018]
The second sensor 54 is for detecting a moisture content monitoring variable, and is provided inside the fuel cell 20 in the present embodiment. Further, the value of the moisture content monitoring variable detected by the second sensor 54 is transmitted to the control circuit 58.
[0019]
Here, the “moisture content monitoring variable” refers to a variable having a strong correlation with the water content of the solid polymer electrolyte among various variables representing the operating state of the fuel cell 20. Specific examples of the moisture content monitoring variable include the internal temperature, output voltage, internal resistance, and off-gas relative humidity of the fuel cell 20 as suitable examples. The second sensor 54 preferably detects at least one of the moisture content monitoring variables.
[0020]
In the present embodiment, the “off gas relative humidity” used as the moisture content monitoring variable may be the relative humidity of the off gas discharged from the air electrode side, or both the air electrode side and the fuel electrode side. May be an average value of the relative humidity of the off-gas discharged from (hereinafter, referred to as “bipolar average off-gas relative humidity”). In addition, although one second sensor 54 is shown in FIG. 1, this is merely an example, and when detecting two or more types of moisture content monitoring variables at the same time, the required number of second sensors 54. Is provided in or around the fuel cell 20.
[0021]
The first back pressure valve 56 is for changing the internal pressure on the air electrode side of the fuel cell 20, and is provided on the air off-gas passage 44. The internal pressure on the air electrode side is controlled by adjusting the opening of the first back pressure valve 56, and the opening of the first back pressure valve 56 is controlled by a back pressure valve control signal transmitted from the control circuit 58. It has become.
[0022]
The control circuit 58 is information necessary for controlling the fuel cell system 10 (for example, internal pressure, internal temperature, internal resistance, off-gas relative humidity, etc. of the fuel cell 20 detected by the first sensor 52, the second sensor 54, etc.). ) Receiving means (not shown), calculating means (not shown) for calculating the control amount of each device in the system based on the input signal, and calculating the calculated control amount in each system Signal transmitting means (not shown) for transmitting to the apparatus is provided.
[0023]
The calculation means is constituted by a CPU, a ROM, a RAM, and the like. In the ROM, a control program for controlling the opening degree of the first back pressure valve 56 according to the value of the moisture content monitoring variable detected by the second sensor, Various control programs for controlling the entire fuel cell system 10 such as a control program for controlling the fuel flow rate and the air flow rate so as to obtain the required output are stored.
[0024]
Next, an operation method of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described. First, when a control signal that instructs the fuel cell system 10 to increase or decrease the output of the fuel cell 20 is input, the control circuit 58 calculates the fuel flow rate and the air flow rate necessary to obtain the required output. . Next, the control circuit 58 transmits a fuel flow rate control signal and an air flow rate control signal to the fuel supply source 36 and the air pump 46, respectively, so that the calculated fuel flow rate and air flow rate can be obtained. 36 and the air pump 44 are controlled.
[0025]
The control circuit 58 detects the internal pressure of the fuel cell 20 and at least one moisture content monitoring variable using the first sensor 52 and the second sensor 54, respectively, while continuing the operation of the fuel cell 20 in this state. When there is no change in the value of the detected moisture content monitoring variable, the fuel cell 20 is operated with the current internal pressure. On the other hand, when a change in the moisture content monitoring variable is detected, the control circuit 58 transmits a back pressure valve control signal to the first back pressure valve 56 to control the opening degree of the first back pressure valve 56.
[0026]
The control method of the first back pressure valve 56 differs depending on the type of moisture content monitoring variable to be detected. In general, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be controlled so that the internal pressure on the air electrode side increases as the moisture content monitoring variable indicates a tendency to decrease the moisture content of the solid polymer electrolyte. .
[0027]
For example, as the internal temperature of the fuel cell 20 increases, the inside of the fuel cell 20 dries, and therefore the water content of the solid polymer electrolyte tends to decrease. Therefore, when the internal temperature is detected by the second sensor 54, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be reduced and the internal pressure on the air electrode side may be increased as the internal temperature increases.
[0028]
In addition, for example, as the output voltage of the fuel cell 20 increases, the amount of heat generation increases, so the water content of the solid polymer electrolyte tends to decrease. Therefore, when the output voltage is detected by the second sensor 54, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be reduced and the internal pressure on the air electrode side may be increased as the output voltage increases.
[0029]
Further, for example, when the solid polymer electrolyte is dried up, the current with respect to a certain voltage decreases, and the internal resistance of the fuel cell 20 increases. Therefore, when the internal resistance is detected by the second sensor 54, the opening degree of the first back pressure valve 56 may be reduced and the internal pressure on the air electrode side may be increased as the internal resistance increases.
[0030]
Further, for example, the lower the off-gas relative humidity of the fuel cell 20, the higher the amount of water taken away from the solid polymer electrolyte. Therefore, when the off-gas relative humidity is detected by the second sensor 54, the lower the off-gas relative humidity, the smaller the opening degree of the first back pressure valve 56 and the higher the internal pressure on the air electrode side.
[0031]
Further, two or more of the above-described water content monitoring variables are detected simultaneously, and based on these, the first back pressure valve 56 is controlled so that the water content of the solid polymer electrolyte is maintained at a predetermined level. Also good.
[0032]
Next, the operation of the fuel cell system 10 according to the present embodiment will be described. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, water is generated by a cell reaction on the air electrode side. Further, when protons move to the air electrode side, water molecules also move to the air electrode side simultaneously by electroosmosis. On the other hand, on the fuel electrode side, water is not generated, and only a part of the water on the air electrode side moves to the fuel electrode side by back diffusion.
[0033]
That is, inside the polymer electrolyte fuel cell, the air electrode side contains more water than the fuel electrode side. Therefore, when power generation is performed while the reaction gas is continuously flowed, most of the moisture inside the fuel cell is discharged from the air electrode side to the outside together with the off gas. Since the amount of water discharged is usually larger than the amount of water produced by the battery reaction, if the amount of humidification with respect to the reaction gas is small, the water content of the solid polymer electrolyte is lowered, causing a reduction in output. In particular, when the internal temperature of the fuel cell reaches a high temperature around 100 ° C., the inside of the fuel cell is easily dried. Therefore, when power generation is performed while maintaining the internal pressure of the fuel cell without humidifying the reaction gas, The resistance of the polymer electrolyte rises extremely and power generation becomes impossible.
[0034]
In contrast, in the fuel cell system 10 according to the present embodiment, since the internal pressure on the air electrode side is variably controlled by the water content control means 50, the water content of the solid polymer electrolyte also varies depending on the fluctuation of the internal pressure. fluctuate. This is because the higher the internal pressure on the air electrode side, the higher the relative humidity on the air electrode side and the higher the moisture content of the membrane.
[0035]
Therefore, if the moisture content control means 50 is used to optimize the internal pressure on the air electrode side in accordance with the operating state of the fuel cell 20, the solid polymer can be obtained without humidifying the reaction gas using an auxiliary machine. The moisture content of the electrolyte can be maintained at a level necessary for stable operation. In addition, the increase in the resistance of the solid polymer electrolyte is suppressed in a wide temperature range that covers a high temperature region around 100 ° C., and it can be stably operated even without humidification. Further, since an auxiliary device for humidifying the reaction gas is not required, a compact fuel cell system with excellent power generation efficiency, high output density, and a high power density can be obtained.
[0036]
Next, a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 shows a schematic configuration diagram of the fuel cell system 12 according to the present embodiment. In FIG. 2, the fuel cell system 12 includes a fuel cell 20, a fuel gas supply unit 30, an air supply unit 40, and a moisture content control unit 60.
[0037]
Here, since the fuel cell 20, the fuel gas supply means 30, and the air supply means 40 are the same as the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0038]
The moisture content control means 60 includes a first sensor 52, a second sensor 54, a first back pressure valve 56, a third sensor (third detection means) 62, and a second back pressure valve (second pressure fluctuation means) 66. And a control circuit 68. Among these, since the 1st sensor 52, the 2nd sensor 54, and the 1st back pressure valve 56 are the same as that of a 1st embodiment, explanation is omitted.
[0039]
The third sensor 62 is for detecting the internal pressure of the fuel cell 20 on the fuel electrode side, and is provided inside the fuel cell 20 in the present embodiment. The internal pressure on the fuel electrode side detected by the third sensor 62 is transmitted to the control circuit 68.
[0040]
The second back pressure valve 66 is for changing the internal pressure on the fuel electrode side of the fuel cell 20, and is provided on the fuel off gas passage 34. The internal pressure on the fuel electrode side is controlled by adjusting the opening of the second back pressure valve 66, and the opening of the second back pressure valve 66 is controlled by a back pressure valve control signal transmitted from the control circuit 68. It has become.
[0041]
The control circuit 68 includes a signal reception unit, a calculation unit, and a signal transmission unit, and the calculation unit includes various control programs for controlling the first back pressure valve 56 and for controlling the entire fuel cell system 10. Is stored in the same way as in the first embodiment, but the calculation means further includes the second back pressure valve 66 according to the value of the moisture content monitoring variable detected by the second sensor 54. The difference is that a control program for controlling the opening is stored.
[0042]
Next, an operation method of the fuel cell system 12 according to the present embodiment will be described. First, the control circuit 68 controls the fuel supply source 36 and the air pump 44 so as to obtain a required output. The control circuit 68 uses the first sensor 52, the third sensor 62, and the second sensor 54 while continuing the operation of the fuel cell 20 in this state, and uses the first sensor 52, the third sensor 62, and the second sensor 54, respectively. Detect pressure as well as at least one moisture content monitoring variable. When there is no change in the value of the detected moisture content monitoring variable, the fuel cell 20 is operated with the current internal pressure. On the other hand, when a change in the moisture content monitoring variable is detected, the control circuit 68 transmits a back pressure valve control signal to the first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66, and the first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 56. The opening degree of the two back pressure valves 66 is controlled.
[0043]
In this case, the general control method of the second back pressure valve 66 is the same as that of the first back pressure valve 56. That is, the more the moisture content monitoring variable detected by the second sensor 54 shows a tendency to decrease the moisture content of the solid polymer electrolyte, the smaller the opening of the second back pressure valve 66 and the higher the internal pressure on the fuel electrode side. Just do it. When the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are controlled simultaneously, the first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66 are controlled so that the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are substantially equal. Alternatively, both may be controlled independently.
[0044]
Next, the operation of the fuel cell system 12 according to the present embodiment will be described. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, more water is discharged from the air electrode side, but part of the water is also discharged from the fuel electrode side. If the internal pressure on the fuel electrode side changes, the relative humidity on the fuel electrode side also changes. Therefore, if the internal pressure on both the air electrode side and the fuel electrode side is optimized according to the operating state of the fuel cell 20 using the moisture content control means 60, the solid polymer electrolyte can be obtained without humidification. The moisture content can be maintained at a predetermined level.
[0045]
In addition, the fuel cell 20 can be stably operated in a wide temperature range covering a high temperature region near 100 ° C., and a compact fuel cell system with excellent power generation efficiency and high output density can be obtained. Furthermore, by simultaneously controlling the internal pressure on the air electrode side and the fuel electrode side, the differential pressure generated on both sides of the solid polymer electrolyte membrane is reduced, so that the durability of the membrane is also improved.
[0046]
Next, a specific control method of the fuel cell system according to the present invention will be described. As described above, when the internal pressure of the fuel cell 20 is optimized in accordance with the operating state of the fuel cell 20, the moisture content of the solid polymer electrolyte can be maintained at a level necessary for stable operation even under no humidification. . As a specific method for controlling the internal pressure that enables the fuel cell 20 to perform a non-humidifying operation, there are the following methods.
[0047]
(1) The first method is a method using a control map. In this method, a correlation between the internal pressure of the fuel cell 20, the water content monitoring variable, and the water content of the solid polymer electrolyte is obtained in advance as a control map, and the internal pressure of the fuel cell 20 is determined according to this control map. This is a variable control method.
[0048]
FIG. 3 shows an example of the control map. The control map illustrated in FIG. 3 assumes a fuel cell system 12 that variably controls the internal pressure so that the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are substantially equal. The internal temperature T of the fuel cell 20 is used as a monitoring variable. Also, instead of using the water content of the solid polymer electrolyte directly as a variable, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Is substituted. Furthermore, the air stoichiometric ratio S _air Are two types, 1.2 and 1.5, and the hydrogen stoichiometric ratio S _H2 Is assumed to be 1.2 (constant).
[0049]
For example, the control curve indicated by the solid line in FIG. _air When the internal pressure is 1.5, if the internal pressure is variably controlled along the curve so that the actual internal pressure on the air electrode side and the fuel electrode side becomes equal to the system pressure P according to the fluctuation of the internal temperature T , Bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Is maintained at 100%. Similarly, the control curve indicated by the broken line in FIG. _air Is 1.5, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF The relationship between the internal temperature T and the system pressure P for maintaining the pressure at 90% is shown. Similarly, the control curve indicated by the alternate long and short dash line in FIG. _air Is 1.2, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Is a relationship between the internal temperature T and the system pressure P for maintaining the temperature at 100% or 90%, respectively.
[0050]
When actually generating electric power, first, such one or more control maps are stored in the control circuit 68 of the fuel cell system 12. Next, a predetermined air stoichiometric ratio S _air The internal temperature T is detected using the second sensor 54 while generating electric power. Next, the detected internal temperature T is compared with the control map to obtain a desired bipolar average off-gas relative humidity RH. _OFF Is obtained. Further, while monitoring the internal pressure with the first sensor 52 and the third sensor 54 so that the actual internal pressure on the air electrode side and the fuel electrode side is equal to the system pressure P, respectively, the first back pressure valve 56 and The second back pressure valve 66 is controlled. Thereby, even if the operating conditions of the fuel cell 20 fluctuate, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Can be maintained at a constant value. In addition, power generation can be continued stably even without humidification.
[0051]
In an actual fuel cell system, the bipolar average off-gas relative humidity RH required for stable operation without humidification _OFF The optimal value may be used according to the structure of the fuel cell 20. Specifically, when the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is 50 μm or more, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF It is preferable to control the internal pressure so that is 90% or more. On the other hand, when the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is less than 50 μm, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF It is preferable to control the internal pressure so as to be 50% or more. This is because the thinner the electrolyte membrane, the easier the movement of water by back diffusion, and the easier it is to maintain the water content of the solid polymer electrolyte at the level required for stable operation.
[0052]
(2) The second method uses a relational expression. In this method, relational expressions such as an empirical expression and a theoretical expression regarding the internal pressure of the fuel cell 20, the moisture content monitoring variable, and the moisture content of the solid polymer electrolyte are obtained in advance, and the internal structure of the fuel cell 20 is determined according to the relational expression. This is a method of variably controlling the pressure.
[0053]
An example of such a relational expression is shown in the following equations 5 to 8. The relational expressions exemplified in the formulas 5 to 8 assume a fuel cell system 12 that variably controls the internal pressure so that the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side are substantially equal. The internal temperature T of the fuel cell 20 is used as a moisture content monitoring variable. Also, instead of using the water content of the solid polymer electrolyte directly as a variable, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Is substituted.
[0054]
[Equation 5]

[0055]
[Formula 6]

[0056]
[Expression 7]

[0057]
[Equation 8]

[0058]
Equation 5 is an average value of the water vapor partial pressures in the vicinity of the air electrode side and fuel electrode side outlets of the fuel cell 20 (bipolar average water vapor partial pressure) P _w Is a relational expression. In Equation 5, the bipolar average water vapor partial pressure P _w System pressure P, air stoichiometric ratio S _air , Fuel stoichiometric ratio S _H2 , Oxygen mole fraction C in air _O2 And hydrogen mole fraction C in fuel _H2 Has been taken into account. Of these, the air stoichiometric ratio S _air And fuel stoichiometric ratio S _H2 Is mainly determined by the output required for the fuel cell 20. Also, the oxygen mole fraction C in the air _O2 And hydrogen mole fraction C in fuel _H2 Depends on the type of reaction gas used and hardly fluctuates during operation. Therefore, in the formula of Equation 5, the bipolar average water vapor partial pressure P _w It is only the system pressure P that substantially affects
[0059]
In addition, the formulas (6) and (7) are expressed by the saturated water vapor pressure P of water. _s Is a theoretical formula. Furthermore, the equation of Equation 8 is obtained by calculating the bipolar average off-gas relative humidity RH. _OFF Is a relational expression that defines the average relative off-gas relative humidity RH _OFF Is the saturated water vapor pressure P of water _s Bipolar average water vapor partial pressure P _w Is defined as the percentage of Accordingly, when the internal temperature T is detected in the case where the kind of the reaction gas and the flow rate of the reaction gas are given, the bipolar average off-gas relative humidity RH is obtained from the equations (5) to (8). _OFF The system pressure P can be determined to maintain a constant level.
[0060]
When actually generating power, such a relational expression is first stored in the control circuit 68 of the fuel cell system 12. Next, the internal temperature T is detected using the second sensor 54 while generating electric power under predetermined reaction gas supply conditions. Next, the detected internal temperature T and the reaction gas supply condition calculated and detected separately by the control circuit 68 are substituted into the relational expression, and the desired bipolar average off-gas relative humidity RH is substituted. _OFF The system pressure P at which is obtained is calculated.
[0061]
Further, the first sensor 52 and the third sensor 54 monitor the internal pressure so that the actual internal pressure on the air electrode side and the fuel electrode side are equal to the calculated system pressure P, respectively. The pressure valve 56 and the second back pressure valve 66 are controlled. Thereby, even if the operating conditions of the fuel cell 20 fluctuate, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Can be maintained at a constant value. In addition, power generation can be continued stably even without humidification.
[0062]
It should be noted that the bipolar average off-gas relative humidity RH, which is a criterion for pressure control _OFF The value of is similar to the first method described above in that an optimal value may be used according to the structure of the fuel cell 20. When the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is 50 μm or more, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Is preferably 90% or more, and when the thickness of the solid polymer electrolyte membrane is less than 50 μm, the bipolar average off-gas relative humidity RH _OFF Is the same as in the first embodiment in that 50% or more is preferable.
[0063]
【Example】
Example 1
A non-humidifying operation test was performed using the fuel cell system 12 shown in FIG. The fuel cell 20 uses Nafion (registered trademark) 112 having a thickness of 50 μm as an electrolyte membrane, and a transfer electrode and a diffusion layer made of E-tek are used as a catalyst layer and a diffusion layer on both sides, respectively. What was joined and further sandwiched between both sides by a carbon separator was used. The electrode area is 13cm ² It was.
[0064]
The procedure of the non-humidifying operation test is as follows. That is, first, the internal temperature T = 80 ° C., the air stoichiometric ratio S _air = 1.77, cathode non-humidified, hydrogen stoichiometric ratio S _H2 = 1.2, the fuel cell 20 is started under the conditions of anode humidification (bubbler temperature: 70 ° C.), 0.5 A / cm ² Power generation was performed under constant current conditions.
[0065]
After the output voltage of the fuel cell 20 was stabilized, humidification of the anode was stopped, and power generation was performed while the internal pressure was variably controlled in a state where both electrodes were not humidified. Specifically, using the above formulas (5) to (8), the cathode's bipolar average off-gas relative humidity RH with only the generated water. _OFF The system pressure P at which the air pressure reaches 90% was determined, and the first back pressure valve 56 and the second back pressure valve 66 were controlled so that the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side were both equal to the system pressure P. Further, the internal temperature T was increased by 5 ° C. every 30 minutes, and the output voltage up to 100 ° C. and the internal resistance of the cell were measured.
[0066]
(Comparative Example 1)
A non-humidifying operation test was performed under the same conditions as in Example 1 except that the internal pressures on the air electrode side and the fuel electrode side were constant at 2 data.
[0067]
The results of the non-humidifying operation test obtained in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIG. In the case of Comparative Example 1 operated under the condition of a constant internal pressure, when the internal temperature T of the fuel cell 20 is 80 ° C., an output voltage of about 0.5 (V) can be obtained even when both electrodes are not humidified. It was. However, as the internal temperature T increased, the internal resistance of the fuel cell 20 increased rapidly, and the output voltage decreased rapidly. In addition, when the internal temperature T was 90 ° C. or higher, the resistance became too high and operation was impossible.
[0068]
On the other hand, when the internal temperature T is 80, 85, 90, 95 and 100 ° C., the internal pressure becomes 2.2, 2.7, 3.2, 3.9 and 4.7 data, respectively. In Example 1 in which the internal pressure was variably controlled, the internal resistance showed a substantially constant value (about 0.009 (Ω)) regardless of the internal temperature T. The output voltage shows 0.5 (V) or more in a wide temperature range from 80 ° C. to 100 ° C., and when the internal temperature T is 95 ° C. or less, the output voltage is 0.6. (V) The above was shown. From FIG. 4, it can be seen that by performing the variable pressure control following the temperature, it operates stably even under conditions of high temperature and no humidification, and a high output voltage can be obtained.
[0069]
Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
[0070]
For example, in the above embodiment, the example in which air is used as the oxidant gas has been mainly described, but oxygen may be used as the oxidant gas. Further, the non-humidifying technique of the electrolyte according to the present invention is particularly suitable for a fuel cell system provided with a solid polymer fuel cell. However, the technique of the present invention requires water management of the electrolyte. The present invention can be similarly applied to a fuel cell system provided with a fuel cell of this type (for example, a phosphoric acid fuel cell, an alkaline fuel cell, etc.).
[0071]
In the above embodiment, the control method using the internal temperature T of the fuel cell 20 as the moisture content monitoring variable has been mainly described. However, the output voltage, the internal resistance, or the off-gas relative humidity may be used as the moisture content monitoring variable. Similarly, by controlling the internal pressure variably using a control map or relational expression including these moisture content monitoring variables, a fuel that operates stably even under conditions of high temperature and no humidification and that can obtain a high output voltage A battery system can be obtained.
[0072]
【Effect of the invention】
The fuel cell system according to the present invention controls the water content of the solid polymer electrolyte included in the polymer electrolyte fuel cell at a level necessary for stable operation by controlling the internal pressure on the air electrode side. Since the means is provided, there is an effect that the fuel cell operates stably without humidifying the electrolyte by the auxiliary machine. In addition, there is an effect that the fuel cell operates stably even in a wide temperature range covering a high temperature around 100 ° C. Further, since an auxiliary machine for humidification is not required, there is an effect that a power generation efficiency is excellent, a power density is high, and a compact fuel cell system can be obtained.
[0073]
Also, if the internal pressure on the air electrode side is variably controlled at the same time as the internal pressure on the fuel electrode side is also variably controlled, the total amount of water discharged from the fuel cell is further reduced, making it easier to dehumidify the electrolyte. There is an effect of doing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an example of a control map for variably controlling the internal pressure.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship among internal temperature, output voltage, and internal resistance when the internal pressure is constant and when variable control of the internal pressure is performed.
[Explanation of symbols]
10, 12 Fuel cell system
20 Fuel cell (solid polymer fuel cell)
30 Fuel gas supply means
40 Oxidant gas supply means (air supply means)
50, 60 Moisture content control means
52 1st sensor (1st detection means)
54 Second sensor (second detection means)
56 1st back pressure valve (1st pressure fluctuation means)
58, 68 Control circuit (control means)
62 3rd sensor (3rd detection means)
66 Second back pressure valve (second pressure fluctuation means)

Claims

Solid polymer fuel cell, fuel gas supply means for supplying fuel gas to the fuel electrode of the solid polymer fuel cell, and oxidant gas for supplying oxidant gas to the air electrode of the solid polymer fuel cell A fuel cell system comprising a supply means;
First detection means for detecting an internal pressure on the air electrode side;
First pressure changing means for changing the internal pressure on the air electrode side;
Second detection means for detecting an internal temperature of the polymer electrolyte fuel cell;
Third detection means for detecting the internal pressure on the fuel electrode side;
Second pressure variation means for varying the internal pressure on the fuel electrode side;
Using the internal temperature of the polymer electrolyte fuel cell detected by the second detection means and the following equations 1 to 4, the bipolar average off-gas relative humidity RH _{OFF of the} polymer electrolyte fuel cell is within an allowable range. The system pressure P is calculated, and the internal pressure on the air electrode side detected by the first detection means and the internal pressure on the fuel electrode side detected by the third detection means are equal to the system pressure P, respectively. By controlling the first pressure fluctuation means and the second pressure fluctuation means ,
Based on the strong correlation between the internal temperature and the moisture content that the moisture content of the solid polymer electrolyte included in the polymer electrolyte fuel cell decreases as the internal temperature rises, the moisture content is necessary for stable operation. And a control means for controlling to maintain the fuel cell level.