JP4963010B2

JP4963010B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP4963010B2
Application number: JP2004374393A
Authority: JP
Inventors: 智紀谷内
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: JP2006185595A

Description

本発明は、燃料電池セルに燃料ガスおよび空気を供給して、電気化学反応による起電力を発生する燃料電池装置に関する。

たとえば、固体高分子型燃料電池では、固体高分子膜を両側から挟むように、アノードとカソードとが配設されている。そして、アノードに水素ガスが供給されるとともに、カソードに空気が供給されることによって、電気化学反応が生じ、アノード−カソード間に起電力が発生する。
具体的には、アノードおよびカソードには、それぞれ水素ガス流路および空気流路が設けられており、水素ガス流路を水素ガスが流れると、アノードにおいて、その水素ガス中の水素の還元反応によって、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生成される。そして、そのプロトンが固体高分子膜を透過してカソードに到達すると、カソードにおいて、プロトンと空気流路を流れる空気中の酸素とから水を生成する反応が生じる。その結果、アノードで生成される電子が外部回路を介してカソードに移動し、アノード−カソード間に起電力が発生する。

固体高分子膜には、パーフルオロスルホン酸膜などの陽イオン交換樹脂膜が用いられる。この陽イオン交換樹脂膜は、水素（Ｈ₂）や窒素（Ｎ₂）に対して一定の透過率を有する。そのため、固体高分子型燃料電池では、カソードに供給される空気中の窒素が、固体高分子膜を透過してアノード側に移動する。このような窒素の移動は、アノード側での窒素の分圧とカソード側での窒素の分圧とが平衡に達するまで続く。そして、アノード側に移動した窒素は、アノードでの反応に寄与せずに、アノードに水素ガスを供給するための供給路に蓄積される。

アノード側に窒素が蓄積されると、アノード側における水素の濃度が低下し、出力電圧が低下するという不具合を生じる。そのため、アノード側の水素ガスに不要な気体が混合することによって、アノード側の気体組成が変化した場合に、アノード側の不要な気体が含まれる水素ガスをパージして、その不要な気体を水素ガスとともに排除することが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００４−３９３９８号公報

しかし、そのようなパージを行うと、多量の水素ガスが排出され、水素ガスを浪費することになる。また、パージを行っている間、発電を停止させなければならず、発電効率の低下が不可避である。
そこで、本発明の目的は、燃料ガスの浪費および発電効率の低下を招くことなく、アノード側での水素濃度の低下による出力電圧の低下を防止することができる燃料電池装置を提供することである。

上記の目的を達成するための請求項１記載の発明は、固体高分子膜を挟んでアノードとカソードとが対向配置され、前記アノードに水素を含む燃料ガスが供給されるとともに、前記カソードに空気が供給されることによって、起電力を発生する発電部と、前記固体高分子膜に対して前記アノード側における気体全圧を調節するためのアノード側の全圧調節手段と、前記固体高分子膜に対して前記カソード側における気体全圧を調節するためのカソード側の全圧調節手段と、前記アノード側における水素濃度を検知するための水素濃度検知手段と、前記水素濃度検知手段による検知結果に基づいて、前記アノード側における水素濃度が目標濃度に一致するように、前記アノード側の全圧調節手段および前記カソード側の全圧調節手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記アノード側の全圧調節手段を調節するための係数を所定のゲインＫａ（０≦Ｋａ≦１）とし、前記カソード側の全圧調節手段を調節するための係数を所定のゲインＫｃ（０≦Ｋｃ≦１）として、それらの和が１となるように、前記ゲインＫａおよび前記Ｋａをそれぞれ設定し、前記ゲインＫａに基づいて、前記アノード側の気体全圧が増加するように、前記アノード側の全圧調節手段を制御するとともに、前記ゲインＫｃに基づいて、前記カソード側の気体全圧が減少するように、前記カソード側の全圧調節手段を制御することを特徴とする燃料電池装置である。

請求項１に記載の発明によれば、アノード側における水素濃度が検知され、その検知された水素濃度が目標濃度に一致するように、アノード側における気体全圧およびカソード側における気体全圧が調節される。たとえば、カソードに供給される空気中の窒素が、固体高分子膜を透過してアノード側に移動し、アノード側に蓄積することによって、アノード側における水素濃度が低下すると、その水素濃度を目標濃度に一致させるべく、アノード側における気体全圧が上げられるか、カソード側における気体全圧が下げられるか、または、アノード側における気体全圧を上げるとともに、カソード側における気体全圧が下げられる。これにより、アノード側における水素濃度を目標濃度に保つことができ、出力電圧を一定電圧に安定に保持することができる。しかも、燃料ガスをパージする必要がないので、燃料ガスを浪費することがなく、また、発電を停止させる必要もないので、発電効率の低下を招くこともない。よって、燃料ガスの浪費および発電効率の低下を招くことなく、アノード側での水素濃度の低下による出力電圧の低下を防止することができる。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の全体構成図である。この燃料電池装置は、発電部としての燃料電池１１と、この燃料電池１１に供給される燃料ガスとしての水素ガスを貯留する燃料タンク１２と、燃料電池１１に空気を供給するためのエアコンプレッサ１３と、燃料電池１１への水素ガスおよび空気の供給を制御するための制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）１４とを備えている。

燃料電池１１は、固体高分子型燃料電池が用いられている。この燃料電池１１は、パーフルオロスルホン酸膜などのプロトン導電性の固体高分子膜１５と、白金などの貴金属の触媒が担持されるカーボンなどの多孔質電極からなるアノード１６およびカソード１７と、ガス不透過の導電性材料からなるセパレータ１８，１９と、カーボンペーパなどのガス透過性材料からなる集電体２０とを備えている。

アノード１６およびカソード１７は、固体高分子膜１５を、その両側から挟むようにして配置されており、セパレータ１８，１９は、これらアノード１６およびカソード１７を、さらにその両側から挟むようにして配置されている。そして、アノード１６とセパレータ１８との間およびカソード１７とセパレータ１９との間に、それぞれ集電体２０が介在されている。

セパレータ１８のアノード１６に対向する側の面には、たとえば、アノード１６に水素ガスを供給するための葛折状の水素ガス流路２１が形成されている。この水素ガス流路２１の両端部は、セパレータ１８を厚さ方向に貫通しており、その一方端部は水素ガス供給孔２２をなし、他方端部はガス排出孔２３をなしている。
また、セパレータ１９のカソード１７に対向する側の面には、たとえば、カソード１７に空気を供給するための葛折状の空気流路２４が形成されている。この空気流路２４の両端部は、セパレータ１９を厚さ方向に貫通しており、その一方端部は空気供給孔２５をなし、他方端部は空気排出孔２６をなしている。

水素ガス供給孔２２には、燃料タンク１２から水素ガスが供給される水素ガス供給配管２７が接続され、ガス排出孔２３には、ガス排出配管２８が接続されている。水素ガス供給配管２７の途中部には、水素ガス供給配管２７を流れる水素ガスの流圧（流量）を調節する全圧調節手段としての水素ガス調節バルブ２９が介装されている。
また、空気供給孔２５には、エアコンプレッサ１３から空気が供給される空気供給配管３０が接続され、空気排出孔２６には、空気排出配管３１が接続されている。空気排出配管３１の途中部には、空気排出配管３１を流れる空気の流圧（流量）を調節する全圧調節手段としての空気調節バルブ３２が介装されている。

そして、水素ガス供給配管２７から水素ガス流路２１に水素ガスが供給されるとともに、空気供給配管３０から空気流路２４に空気が供給されると、電気化学反応が生じ、アノード１６とカソード１７との間に起電力が発生する。
具体的には、水素ガス流路２１に水素ガスが供給されると、その水素ガスがアノード１６の全面に供給され、アノード１６において、下記式（１）で示されるように、水素ガス中の水素の還元反応が生じ、プロトン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）とが生成される。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ・・・（１）
この還元反応によって生成されるプロトンは、固体高分子膜１５を透過して、カソード１７に向かう。そして、そのプロトンがカソード１７に到達すると、カソード１７において、下記式（２）で示されるように、プロトンと空気流路２４を流れる空気中の酸素とから水を生成する反応が生じる。

（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
この結果、アノード１６で生成される電子が外部回路（図示せず）を介してカソード１７に移動し、アノード１６とカソード１７との間に起電力が発生する。
なお、カソード１７で生成される水は、空気とともに、空気流路２４を通して、空気排出孔２６から空気排出配管３１に排出される。

電子制御ユニット１４は、たとえば、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを備えるマイクロコンピュータで構成されている。電子制御ユニット１４には、水素ガス流路２１における水素濃度を検知するための水素濃度検知手段としての水素濃度センサ３３と、水素ガス流路２１における気体全圧を検知するためのアノード側圧力センサ３４と、空気流路２４における気体全圧を検知するためのカソード側圧力センサ３５とが接続されている。また、電子制御ユニット１４には、水素ガス調節バルブ２９および空気調節バルブ３２が制御対象として接続されている。そして、電子制御ユニット１４は、水素濃度センサ３３、アノード側圧力センサ３４およびカソード側圧力センサ３５から入力される各検知信号に基づいて、水素ガス調節バルブ２９および空気調節バルブ３２の開度を制御する。

図２は、電子制御ユニット１４によって実行される処理の流れを示すフローチャートである。この処理は、たとえば、図１に示す燃料電池装置が自動車などの車両に搭載される場合、その車両のイグニッションキースイッチがオンにされている間、繰り返し実行される。
図１に示す燃料電池１１のような固体高分子型燃料電池では、カソード１７に供給される空気中の窒素が、固体高分子膜１５を透過してアノード１６側に移動し、水素ガス流路２１に蓄積される。すると、水素ガス流路２１における水素濃度が低下し、その結果、出力電圧が低下するという不具合を生じる。そこで、この燃料電池装置では、水素ガス流路２１における水素濃度が予め定める目標濃度よりも低くなると、水素ガス流路２１における水素濃度を上昇させるべく、水素ガス調節バルブ２９および空気調節バルブ３２の開度が制御される。

具体的には、まず、水素濃度センサ３３の検知信号に基づいて、水素ガス流路２１における水素濃度ＣＨａが検知される（ステップＳ１）。そして、この検知された水素濃度ＣＨａが予め定める目標濃度よりも小さいか否かが判断される（ステップＳ２）。
水素濃度ＣＨａが目標濃度以上であれば（ステップＳ２のＮＯ）、この処理は直ちに終了となる。一方、水素濃度ＣＨａが目標濃度よりも小さい場合には（ステップＳ２のＹＥＳ）、次に、アノード側圧力センサ３４の検知信号に基づいて、水素ガス流路２１における気体全圧Ｐａが検知される。そして、予め定める目標濃度と水素濃度センサ３３の検知信号に基づいて検知された水素濃度との偏差が求められ、この偏差に水素ガス流路２１における気体全圧Ｐａが乗算されることにより、水素ガス流路２１と空気流路２４との間に形成されるべき目標全圧差ΔＰａが求められる（ステップＳ３）。

その後、目標全圧差ΔＰａに所定のゲインＫａ（０≦Ｋａ≦１）が乗じられることにより、水素ガス流路２１における気体全圧の増加目標値が設定される（ステップＳ４）。そして、水素ガス流路２１における気体全圧が増加目標値分だけ増加するように、水素ガス調節バルブ２９の開度が調節される（アノード圧力制御）。
また、目標全圧差ΔＰａに所定のゲインＫｃ（０≦Ｋｃ≦１）が乗じられることにより、空気流路２４における気体全圧の減少目標値が設定される（ステップＳ５）。そして、空気流路２４における気体全圧が減少目標値分だけ減少するように、空気調節バルブ３２の開度が調節される（カソード圧力制御）。

ここで、ゲインＫａ，Ｋｃは、それらの和（Ｋａ＋Ｋｃ）が１となるように、それぞれ設定される。これにより、水素ガス流路２１における気体全圧を、目標全圧差ΔＰａにゲインＫａを乗じて設定される増加目標値分だけ増加させ、その一方で、空気流路２４における気体全圧を、目標全圧差ΔＰａにゲインＫｃを乗じて設定される減少目標値分だけ減少させることにより、水素ガス流路２１と空気流路２４との間に目標全圧差ΔＰａを形成することができる。そして、その結果として、水素ガス流路２１における水素濃度を目標濃度に一致させることができる。

以上のように、水素ガス流路２１における水素濃度が検知され、その検知された水素濃度が目標濃度よりも小さければ、それらの偏差に基づいて、水素ガス流路２１における水素濃度が目標濃度となるように、水素ガス流路２１における気体全圧が上げられるとともに、空気流路２４における気体全圧が下げられる。これにより、水素ガス流路２１における水素濃度を目標濃度に保つことができ、この燃料電池装置の出力電圧を一定電圧に安定に保持することができる。しかも、水素ガス流路２１から窒素を排除するための水素ガスのパージを不要とすることができるので、燃料ガスの浪費を防止することができる。また、発電を停止させる必要もないので、発電効率の低下を招くこともない。よって、燃料ガスの浪費および発電効率の低下を招くことなく、水素ガス流路２１での水素濃度の低下による出力電圧の低下を防止することができる。

なお、この実施形態では、水素ガス流路２１における気体全圧と、空気流路２４における気体全圧との両方を調節する場合を例にとったが、必ずしも両方を調節しなければならないわけではなく、水素ガス流路２１における水素濃度が目標濃度に一致するように、水素ガス流路２１における気体全圧および空気流路２４における気体全圧の少なくとも一方が調節されるとよい。

たとえば、ゲインＫａを１に設定し、ゲインＫｃを零に設定すれば、水素ガス流路２１における気体全圧の増加目標値が目標全圧差ΔＰａに同じ値に設定され、空気流路２４における気体全圧の減少目標値が零に設定されるので、水素ガス流路２１における気体全圧のみが調節される。この場合、図３に示すように、水素ガス流路２１における窒素分圧（アノード窒素分圧）がある程度大きくなり、水素ガス流路２１における水素濃度が目標濃度よりも小さくなった後、その後の窒素分圧の上昇に応じて、水素ガス流路２１における気体全圧（アノード全圧）が上げられる。これにより、水素ガス流路２１における水素分圧を確保することができ、水素ガス流路２１における水素濃度を目標濃度に保持することができる。

また、ゲインＫｃを１に設定し、ゲインＫａを零に設定すれば、空気流路２４における気体全圧の減少目標値が目標全圧差ΔＰａに同じ値に設定され、水素ガス流路２１における気体全圧の増加目標値が零に設定されるので、空気流路２４における気体全圧のみが調節される。この場合、図４に示すように、空気流路２４における気体全圧（カソード全圧）の減少に応じて、水素ガス流路２１における窒素分圧（アノード窒素分圧）が下がる。その結果、水素ガス流路２１における水素分圧を確保することができ、水素ガス流路２１における水素濃度を目標濃度に保持することができる。

以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は他の形態で実施することもできる。たとえば、上記の実施形態では、水素ガス流路２１における水素濃度を検知するための水素濃度センサ３３が設けられているが、これを省略するとともに、燃料電池１１の出力電圧（アノード−カソード間電圧）を検知するための電圧センサを設けて、この電圧センサによって検知される燃料電池１１の出力電圧から、水素ガス流路２１における水素濃度を推定するようにしてもよい。燃料電池１１の出力電圧は、水素ガス流路２１における水素濃度と一定の関係を有するので、燃料電池１１の出力電圧を検知すれば、これに基づいて水素ガス流路２１における水素濃度を推定することができる。

また、電圧センサによって検知される燃料電池１１の出力電圧が予め定める目標電圧値となるように、水素ガス流路２１における気体全圧および空気流路２４における気体全圧の少なくとも一方を制御することによって、実質的に、水素ガス流路２１における水素濃度が目標濃度となるような水素ガス調節バルブ２９および／または空気調節バルブ３２の制御が達成されてもよい。

さらにまた、燃料電池１１は、固体高分子膜１５、アノード１６、カソード１７、セパレータ１８，１９および集電体２０からなる燃料電池セルを１つだけ備える単セル構造をなしていてもよいし、その燃料電池セルを複数積み重ねたスタック構造をなしていてもよい。
また、上記の実施形態では、プロトンが移動するプロトン導電性の固体高分子膜１５を用いたカチオン型燃料電池を備える例を示したが、本発明は、これに限らず、水酸基が移動するアニオン型燃料電池を備える構成にも適用することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料電池装置の全体構成図である。図１に示す電子制御ユニットによって実行される処理の流れを示すフローチャートである。アノード全圧のみを調節する場合について説明するためのグラフである。カソード全圧のみを調節する場合について説明するためのグラフである。

符号の説明

１１燃料電池
１４電子制御ユニット
１５固体高分子膜
１６アノード
１７カソード
２９水素ガス調節バルブ
３２空気調節バルブ
３３水素濃度センサ

Claims

固体高分子膜を挟んでアノードとカソードとが対向配置され、前記アノードに水素を含む燃料ガスが供給されるとともに、前記カソードに空気が供給されることによって、起電力を発生する発電部と、
前記固体高分子膜に対して前記アノード側における気体全圧を調節するためのアノード側の全圧調節手段と、
前記固体高分子膜に対して前記カソード側における気体全圧を調節するためのカソード側の全圧調節手段と、
前記アノード側における水素濃度を検知するための水素濃度検知手段と、
前記水素濃度検知手段による検知結果に基づいて、前記アノード側における水素濃度が目標濃度に一致するように、前記アノード側の全圧調節手段および前記カソード側の全圧調節手段を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記アノード側の全圧調節手段を調節するための係数を所定のゲインＫａ（０≦Ｋａ≦１）とし、前記カソード側の全圧調節手段を調節するための係数を所定のゲインＫｃ（０≦Ｋｃ≦１）として、それらの和が１となるように、前記ゲインＫａおよび前記Ｋａをそれぞれ設定し、
前記ゲインＫａに基づいて、前記アノード側の気体全圧が増加するように、前記アノード側の全圧調節手段を制御するとともに、
前記ゲインＫｃに基づいて、前記カソード側の気体全圧が減少するように、前記カソード側の全圧調節手段を制御することを特徴とする燃料電池装置。