JP5212880B2

JP5212880B2 - 燃料電池の発電制御装置

Info

Publication number: JP5212880B2
Application number: JP2007037262A
Authority: JP
Inventors: 大輔山崎; 伸浩友定; 篤史木村; 幸弘新谷
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-02-19
Also published as: JP2008204672A

Description

本発明は、水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の発電制御装置に関し、特に安定した発電状態を保つことが可能な燃料電池の発電制御装置に関する。

従来の水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００３−０５１３１８号公報特開２００４−１４６２６７号公報特開２００６−３１８７８４号公報

図５は従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。図５において１は電解質膜、２及び３は触媒層・拡散層である。電解質膜１の両面には触媒層・拡散層２及び触媒層・拡散層３がそれぞれ形成される。

図５中”ＦＧ０１”に示すように燃料ガス（例えば、水素等）が触媒層・拡散層２に供給され、図５中”ＯＧ０１”に示すように酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が触媒層・拡散層３に供給される。

ここで、図５に示す従来例の動作を説明する。触媒層・拡散層２側（アノード側）では水素が水素イオン（Ｈ^＋）になり電子（ｅ⁻ ）を放出し、一方、触媒層・拡散層３側（カソード側）では電解質膜１を伝播してきた水素イオン（Ｈ^＋）と酸素原子が電子（ｅ⁻ ）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

この時、触媒層・拡散層２（アノード側）及び触媒層・拡散層３（カソード側）間の外部負荷を接続することにより、触媒層・拡散層２側（アノード側）で発生した電子（ｅ⁻ ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。

また、図６及び図７はより具体的な従来の燃料電池の一例を示す断面図である。図６は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図７は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。

図６において４は電解質膜、５はアノード側の触媒層・拡散層、６はカソード側の触媒層・拡散層、７はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、８はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、９はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、１０はカソード側に形成された導電性を有するセパレータである。

電解質膜４の両面には触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層６がそれぞれ形成される。また、触媒層・拡散層５の上には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路７が形成され、触媒層・拡散層６の上には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路８が形成される。

例えば、ガス流路７及びガス流路８は図７中”ＧＴ１１”に示すように触媒層・拡散層５及び触媒層・拡散層６上を蛇行するように形成されている。

さらに、ガス流路７が形成されていない触媒層・拡散層５及びガス流路７の上にはセパレータ９が形成され、ガス流路８が形成されていない触媒層・拡散層６及びガス流路８の上にはセパレータ１０が形成される。

ここで、図６及び図７に示す従来例の動作を説明する。ガス流路７には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路８には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図７中”ＩＮ１１”に示す供給口から各ガスが供給され、図７中”ＯＴ１１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。

アノード側の触媒層・拡散層５では水素が水素イオン（Ｈ^＋）になり電子（ｅ⁻ ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層６側では電解質膜４を伝播してきた水素イオン（Ｈ^＋）と酸素原子が電子（ｅ⁻ ）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

この時、アノード側の触媒層・拡散層５及びカソード側の触媒層・拡散層６（具体的には、セパレータ９とセパレータ１０）と間の外部負荷を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層５で発生した電子（ｅ⁻ ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。

また、このような個々の燃料電池（以下、燃料電池セルと呼ぶ。）を複数枚積層（電気的に直列接続）したものを燃料電池スタックと呼び、燃料電池スタックにすることで取り出せる電圧を高くすることができる。

また、”特許文献３”には、燃料電池スタックの一部に電流密度センサを挿入した構造を有する燃料電池発電システムが記載されており、燃料電池の発電状態において、電流密度分布を測定し、当該電流密度分布に基づいて燃料電池（燃料電池セル）の状態を把握し、燃料電池（燃料電池セル）への供給ガス量、供給加湿量、燃料電池セル温度や圧力等を制御することにより、安定した発電を可能にしている。

しかし、”特許文献３”に示すような従来例では、電流密度分布を測定することは制御上有効であるものの、電流密度センサの構造が複雑であり、燃料電池（燃料電池セル）への供給ガス量、供給加湿量、燃料電池セル温度や圧力等の制御が必要で、尚且つ、当該制御は無駄なエネルギーロスを伴う制御になってしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、容易でエネルギーロスがなく安定した発電状態を保つことが可能な燃料電池の安定発電制御装置を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の発電制御装置において、複数の分割電池に分割され燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給することにより発電する燃料電池と、複数の前記分割電池に接続される直流負荷と、複数の前記分割電池に接続され、前記直流負荷に供給される直流電流に交流電流をそれぞれ重畳させることで前記分割電池内部のフラッディングを抑制するための複数の交流負荷手段と、を備えたことにより、容易でエネルギーロスがなく安定した発電状態を保つことが可能になる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である発電装置において、
複数の前記交流負荷手段により重畳される前記交流電流を制御する負荷制御手段を備え、この負荷制御手段が、測定手段により測定された複数の前記分割電池間の電圧のばらつきが所定の閾値を超過した場合に、前記分割電池に前記交流電流を重畳させることにより、容易でエネルギーロスがなく安定した発電状態を保つことが可能になる。

請求項３記載の発明は、
請求項１または２に記載の発明である発電制御装置において、
前記交流電流の周波数が５０ｋＨｚ〜０．１Ｈｚであることにより、容易でエネルギーロスがなく安定した発電状態を保つことが可能になる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１，２，３，４及び請求項５の発明によれば、電気的に複数に分割された燃料電池の個々の出力を直流負荷手段に接続すると共に個々の分割電池に直流負荷手段に並列に交流負荷手段を接続して直流負荷に並列に僅かな交流負荷を印加することにより、容易でエネルギーロスがなく安定した発電状態を保つことが可能になる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１及び図２は本発明に係る安定発電制御装置に用いられる燃料電池の一実施例を示す断面図である。図１は燃料電池の電解質膜に対して垂直な面における断面図、図２は燃料電池におけるガス流路に平行な面における断面図である。

図１において、１１は電解質膜、１２，１４，１６及び１８は４分割されたアノード側の触媒層・拡散層、１３，１５，１７及び１９は４分割されたカソード側の触媒層・拡散層、２０はアノード側に形成された燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路、２１はカソード側に形成された酸化ガス（酸素や空気等）のガス流路、２２，２４，２６及び２８はアノード側に形成された導電性を有するセパレータ、２３，２５，２７及び２９はカソード側に形成された導電性を有するセパレータ、３０，３１，３２，３３，３４及び３５は絶縁部材である。

電解質膜１１のアノード側には触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８が互いに接することなくそれぞれ形成され、電解質膜１１のカソード側には触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９が互いに接することなくそれぞれ形成される。

また、触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８の上、並びに、触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８が形成されていないアノード側の電解質膜１１の上（触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８のそれぞれの境界部分）には燃料ガス（例えば、水素等）のガス流路２０が形成される。

同様に、触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９の上、並びに、触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９が形成されていないカソード側の電解質膜１１の上（触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９のそれぞれの境界部分）には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）のガス流路２１が形成される。

例えば、ガス流路２０は図２中”ＧＴ２１”に示すように触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８上、並びに、触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８が形成されていないアノード側の電解質膜１１の上（触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８のそれぞれの境界部分）を蛇行するように形成されている。

また、例えば、ガス流路２１は図２中”ＧＴ２１”に示すように触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９上、並びに、触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９が形成されていないカソード側の電解質膜１１の上（触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９のそれぞれの境界部分）を蛇行するように形成されている。

さらに、ガス流路２０が形成されていない触媒層・拡散層１２及びガス流路２０の上にはセパレータ２２が形成され、ガス流路２０が形成されていない触媒層・拡散層１４及びガス流路２０の上にはセパレータ２４が形成される。

ガス流路２０が形成されていない触媒層・拡散層１６及びガス流路２０の上にはセパレータ２６が形成され、ガス流路２０が形成されていない触媒層・拡散層１８及びガス流路２０の上にはセパレータ２８が形成される。

セパレータ２２及びセパレータ２４の境界部分には絶縁部材３０が、セパレータ２４及びセパレータ２６の境界部分には絶縁部材３２が、セパレータ２６及びセパレータ２８の境界部分には絶縁部材３４がそれぞれ設けられる。

一方、ガス流路２１が形成されていない触媒層・拡散層１３及びガス流路２１の上にはセパレータ２３が形成され、ガス流路２１が形成されていない触媒層・拡散層１５及びガス流路２１の上にはセパレータ２５が形成される。

ガス流路２１が形成されていない触媒層・拡散層１７及びガス流路２１の上にはセパレータ２７が形成され、ガス流路２１が形成されていない触媒層・拡散層１９及びガス流路２１の上にはセパレータ２９が形成される。

セパレータ２３及びセパレータ２５の境界部分には絶縁部材３１が、セパレータ２５及びセパレータ２７の境界部分には絶縁部材３３が、セパレータ２７及びセパレータ２９の境界部分には絶縁部材３５がそれぞれ設けられる。

また、燃料電池は各絶縁部材等によって電気的に４分割されており、１１，１２，１３，２０，２１，２２及び２３から構成される第１の分割された燃料電池（以下、単に分割電池と呼ぶ。）、１１，１４，１５，２０，２１，２４及び２５から構成される第２の分割電池、１１，１６，１７，２０，２１，２６及び２７から構成される第３の分割電池、１１，１８，１９，２０，２１，２８及び２９から構成される第４の分割電池に分かれる。

ここで、図１に示す実施例の動作を図３及び図４を用いて説明する。図３は燃料電池を安定して発電させる発電制御装置の一実施例を示す構成ブロック図、図４は分割電池から取り出される電流値の時間的変化を示す特性曲線図である。

図３において３６は図１に示す電気的に４分割された燃料電池、３７は燃料電池３６に対して直流負荷を印加する直流負荷手段、３８，３９，４０及び４１は燃料電池の分割電池に対してそれぞれ交流負荷を印加する交流負荷手段、４２は直流負荷手段３７と交流負荷手段３８，３９，４０及び４１が印加する直流負荷及び交流負荷の値を制御する負荷制御手段である。但し、図１に示す符号と同一の符号に関しては図３では記載を省略している。

第１，第２，第３及び第４の分割電池には直流負荷手段３７が接続されると共に、第１の分割電池には交流負荷手段３８が並列に接続される。同様に、第２，第３及び第４の分割電池には交流負荷手段３９，４０及び４１がそれぞれ並列に接続される。

また、負荷制御手段４２の直流負荷及び交流負荷の値を制御する制御信号は直流負荷手段３７と交流負荷手段３８，３９，４０及び４１にそれぞれ接続される。

ガス流路２０には燃料ガス（例えば、水素等）が供給され、ガス流路２１には酸化ガス（例えば、酸素や空気等）が供給される。例えば、図２中”ＩＮ２１”に示す供給口から各ガスが供給され、図２中”ＯＴ２１”に示す排気口から反応しなかったガス等が放出される。

アノード側の触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８では水素が水素イオン（Ｈ^＋）になり電子（ｅ⁻ ）を放出し、一方、カソード側の触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９側では電解質膜１１を伝播してきた水素イオン（Ｈ^＋）と酸素原子が電子（ｅ⁻ ）と反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。

この時、図３に示すように、アノード側の触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８とカソード側の触媒層・拡散層１３，１５，１７及び触媒層・拡散層１９（具体的には、図３に示すように互いに対向するセパレータ２２とセパレータ２３、セパレータ２４とセパレータ２５、セパレータ２６とセパレータ２７、並びに、セパレータ２８とセパレータ２９）と間の直流負荷手段３７を接続することにより、アノード側の触媒層・拡散層１２，１４，１６及び触媒層・拡散層１８で発生した電子（ｅ⁻ ）を取り出す、言い換えれば、直流電流を取り出すことが可能になる。

すなわち、第１、第２、第３及び第４の分割電池はそれぞれ独立した燃料電池として動作することになる。

このような動作（発電）状態において、取り出される電圧を”Ｖｄｃ”、直流負荷手段３７を流れる直流電流を”Ｉｄｃ”とした場合、燃料電池３６で発電された発電電力”Ｐ”は、
Ｐ＝Ｖｄｃ×Ｉｄｃ（１）
となる。

但し、第１、第２、第３及び第４の分割電池から流れる電流値を”Ｉｄｃ１”、”Ｉｄｃ２”、”Ｉｄｃ３”及び”Ｉｄｃ４”とした場合、直流電流”Ｉｄｃ”は、
Ｉｄｃ＝Ｉｄｃ１＋Ｉｄｃ２＋Ｉｄｃ３＋Ｉｄｃ４（２）
である。

また、通常の動作（発電）状態では、燃料電池（分割電池）内部のフラッディングによって、燃料電池（分割電池）の電圧のばらつきが大きくなったり、燃料電池（分割電池）の電圧の低下を引き起こす場合がある。

このため、図３に示す実施例では、燃料電池（分割電池）内部のフラッディングを防止するために直流負荷に並列に僅かな交流負荷を印加している。

ここで、図４に示すように、直流負荷に並列に僅かな交流負荷を印加することにより、電流値は図４中”Ｉｄｃ”に示す直流成分に対して、図４中”Ｉａｃ”に示す交流成分が重畳された状態になっている。

図４に示すように、電流値が直流成分”Ｉｄｃ”よりもプラス側に遷移している状態は、ガス流量が不足（流量変動）すると共に分圧が低下（圧力変動）することと等価になる。

一方、図４に示すように、電流値が直流成分”Ｉｄｃ”よりもマイナス側に遷移している状態は、ガス流量が増加（流量変動）すると共に分圧が上昇（圧力変動）することと等価になる。

すなわち、電流の直流成分に対して僅かな交流成分を重畳させることは、燃料電池（分割電池）３６に対して、僅かな流量変動及び圧力変動を加えることと等価になり、このような流量変動及び圧力変動に起因して燃料電池（分割電池）３６内部の生成水の排水性を向上させることになる。

また、従来例のように複雑な構造の電流密度センサを用いることが不要で、燃料電池（燃料電池セル）への供給ガス量、供給加湿量、燃料電池セル温度や圧力等の制御は必要ないのでエネルギーロスがなくなる。

この結果、電気的に４分割された燃料電池の個々の出力を直流負荷手段に接続すると共に個々の分割電池に直流負荷手段に並列に交流負荷手段を接続して直流負荷に並列に僅かな交流負荷を印加することにより、容易でエネルギーロスがなく安定した発電状態を保つことが可能になる。

なお、図１（或いは、図３）に示す実施例では、電気的に４分割された燃料電池を例示しているが、勿論、４分割に限定されるわけではなく、分割数は複数であれば良い。

また、図３に示す実施例では、負荷制御手段で直流負荷手段及び交流負荷手段の直流負荷及び交流負荷を制御しているが、直流負荷手段及び交流負荷手段自身で直流負荷及び交流負荷を決定するものであってもよく、負荷制御手段は必須の構成要素ではない。

また、図３に示す実施例では、直流負荷に並列に僅かな交流負荷を印加する旨説明しているが、直流負荷の値に応じて交流負荷の値（図４における”Ｉａｃ”に示す重畳された交流成分の振幅）を可変しても構わない。この場合には、適切な変動を燃料電池に与えることが可能になり、燃料電池特性への影響を抑えることができる。

また、図３に示す実施例では、交流負荷の周波数に関しては特に例示していないが、例えば、交流負荷の周波数としては”５０ｋＨｚ”〜”０．１Ｈｚ”であることが望ましい。

また、図３に示す実施例では、直流負荷に並列に交流負荷を印加する旨説明しているが、交流負荷の値（図４における”Ｉａｃ”に示す重畳された交流成分の振幅）を直流負荷の値の所定割合（例えば、５％以下）以下に制限しても構わない。この場合には、適切な変動を燃料電池に与えることが可能になり、燃料電池特性への影響を抑えることができる。

また、図３に示す実施例では、直流負荷に並列に交流負荷を印加する旨説明しているが、通常動作では交流負荷を印加せず、測定手段により分割電池の電圧を測定し、測定された分割電池の電圧のばらつきが所定の閾値を超過した場合に、交流負荷を印加しても構わない。この場合には、無駄なエネルギーの消費を抑えることが可能になる。

本発明に係る安定発電制御装置に用いられる燃料電池の一実施例を示す断面図である。本発明に係る安定発電制御装置に用いられる燃料電池の一実施例を示す断面図である。発電制御装置の一実施例を示す構成ブロック図である。分割電池から取り出される電流値の時間的変化を示す特性曲線図である。従来の燃料電池システムの一例を示す構成ブロック図である。具体的な従来の燃料電池の一例を示す断面図である。具体的な従来の燃料電池の一例を示す断面図である。

符号の説明

１，４，１１電解質膜
２，３，５，６，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９触媒層・拡散層
７，８，２０，２１ガス流路
９，１０，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９セパレータ
３０，３１，３２，３３，３４，３５絶縁部材
３６燃料電池
３７直流負荷手段
３８，３９，４０，４１交流負荷手段
４２負荷制御手段

Claims

水素と酸素とを化学反応させることにより発電を行う燃料電池の発電制御装置において、
複数の分割電池に分割され燃料ガス及び酸化ガスをそれぞれ供給することにより発電する燃料電池と、
複数の前記分割電池に接続される直流負荷と、
複数の前記分割電池に接続され、前記直流負荷に供給される直流電流に交流電流をそれぞれ重畳させることで前記分割電池内部のフラッディングを抑制するための複数の交流負荷手段と、
を備えたことを特徴とする発電制御装置。
複数の前記交流負荷手段により重畳される前記交流電流を制御する負荷制御手段を備え、
この負荷制御手段が、測定手段により測定された複数の前記分割電池間の電圧のばらつきが所定の閾値を超過した場合に、前記分割電池に前記交流電流を重畳させることを特徴とする
請求項１記載の発電制御装置。
前記交流電流の周波数が５０ｋＨｚ〜０．１Ｈｚであることを特徴とする
請求項１または２に記載の発電制御装置。