JP5212881B2

JP5212881B2 - 燃料電池の発電制御装置

Info

Publication number: JP5212881B2
Application number: JP2007037264A
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: JP2008204673A

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２００４−３４２４７３号公報特表２００６−３５１５０６号公報

図３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３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３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３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３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。

但し、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⁻ ）と反応して生成される水（Ｈ_２Ｏ）の水分量は燃料電池の特性に大きく影響を及ぼすものであり、当該水分量を測定することが重要になる。

図４及び図５は従来の水分量を静電容量として測定することが可能な燃料電池の一例を示す断面図である。図４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５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４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。

また、１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９及び２０は各ガス流路内であってセパレータ９、若しくは、セパレータ１０に接する面に図４中”ＩＬ１１”に示すような絶縁膜が形成され静電容量を測定するための電極である。

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５中”ＧＴ２１”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。

また、ガス流路７内であってセパレータ９に接する面の一部に静電容量を測定するための電極１１，１３，１５，１７及び１９がそれぞれ形成され、ガス流路８内であってセパレータ１０に接する面の一部に静電容量を測定するための電極１２，１４，１６，１８及び２０がそれぞれ形成される。

但し、各電極１１〜２０は、セパレータ９、若しくは、セパレータ１０に接する面に図４中”ＩＬ１１”に示すような絶縁膜が形成されている。

例えば、電極１１，１３，１５，１７及び１９は図５中”ＥＤ２１”、”ＥＤ２２”、”ＥＤ２３”、”ＥＤ２４”及び”ＥＤ２５”に示すように図５中”ＧＴ２１”に示すガス流路内に直線状に形成されている。

同様に、例えば、電極１２，１４，１６，１８及び２０は図５中”ＥＤ２１”、”ＥＤ２２”、”ＥＤ２３”、”ＥＤ２４”及び”ＥＤ２５”に示すように図５中”ＧＴ２１”に示すガス流路内に直線状に形成されている。

そして、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４及び図５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５中”ＩＮ２１”に示す供給口から燃料ガスや酸化ガスが供給され、図５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。

このような燃料電池の動作状態において、アノード側の任意の電極間の静電容量を静電容量測定手段（図示せず。）で測定することにより、アノード側の任意の電極間のガス流路７の水分量を測定することができる。

同様に、カソード側の任意の電極間の静電容量を静電容量測定手段（図示せず。）で測定することにより、カソード側の任意の電極間のガス流路８の水分量を測定することができる。

また、互いに対向する任意の電極間の静電容量を静電容量測定手段（図示せず。）で測定することにより、互いに対向する任意の電極間のガス流路７、電解質膜４及びガス流路８の水分量を測定することができる。

この結果、燃料ガス及び酸化ガスを供給するガス流路内に静電容量測定用の電極を設けると共に、静電容量測定手段（図示せず。）で、各ガス流路等の静電容量を測定することにより、ガス流路等の水分量を静電容量として測定することが可能になる。

また、”特許文献４”では、空気ガスの流量、圧力、温度の検出値に基づいて排気空気ガスから供給空気ガスへの水収支を算出し、この水収支の値に基づいて燃料電池スタックの電解質膜が乾燥しているか否かを判定し、乾燥していると判定された場合には電解質膜が湿潤状態に復帰するように制御する燃料電池システムが記載されている。

さらに、”特許文献３”では、要求発電量、空気流量に基づきカソードに蓄積される生成水の量の変化率を推定し、生成水の蓄積量が大きな変化率で増大する場合には、空気流量の増加、出口圧力の低減を行なう制御をすることにより生成水の排水性を向上させる燃料電池システムが記載されている。

しかし、”特許文献３”及び”特許文献４”に示すような従来例では、水収支を算出することが煩雑であるといった問題点があった。

また、”特許文献３”及び”特許文献４”に示すような従来例において、空気流量の増加、出口圧力の低減を行なう制御や電解質膜が湿潤状態に復帰するような制御は、最適な燃料電池の運定状態に対して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、
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、前記燃料電池に接続される直流負荷と、前記燃料電池に接続され、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燃料電池内部のフラッディングを抑制するための交流負荷手段と、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、
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、前記燃料電池を構成する複数の燃料電池セル間の電圧のばらつきが所定の閾値を超過した場合に、前記燃料電池セル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、燃料電池スタック（燃料電池）の出力を直流負荷手段に接続すると共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は本発明に係る燃料電池の安定発電制御装置の一実施例を示す構成ブロック図である。

図１において、２１は燃料電池（燃料電池セル）を複数枚積層（電気的に直列接続）した燃料電池スタック、２２は燃料電池スタック２１に対して直流負荷を印加する直流負荷手段、２３は燃料電池スタック２１に対して交流負荷を印加する交流負荷手段、２４は直流負荷手段２２及び交流負荷手段２３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。

燃料電池スタック２１の出力は直流負荷手段２２に接続されると共に交流負荷手段２３に並列に接続される。負荷制御手段２４の直流負荷及び交流負荷の値を制御する制御信号はそれぞれ直流負荷手段２２及び交流負荷手段２３に接続される。

また、図１中”ＦＧ３１”及び”ＳＧ３１”に示すように燃料ガス（例えば、水素等）及び酸化ガス（例えば、酸素や空気等）がそれぞれ燃料電池スタック２１に供給され、図１中”ＦＧ３２”及び”ＳＧ３２”に示すように燃料電池スタック２１から燃料ガスの排気ガス及び酸化ガスの排気ガスがそれぞれ放出される。

ここで、図１に示す実施例の動作を説明する。負荷制御手段２４は予め設定された負荷の値が燃料電池スタック２１に印加されるように直流負荷手段２２及び交流負荷手段２３を制御する。

そして、燃料電池スタック２１には、図１中”ＦＧ３１”及び”ＳＧ３１”に示すように動作（発電）に必要な量の燃料ガス（例えば、水素等）及び酸化ガス（例えば、酸素や空気等）がそれぞれ供給される。

この時、従来例の説明のように各燃料電池（燃料電池セル）では直流電流が取り出され、これらの燃料電池（燃料電池セル）を複数枚積層（電気的に直列接続）することにより、燃料電池スタックでは高い電圧を取り出すことを可能にする。

このように、燃料電池スタック２１で発電された電圧は、負荷制御手段２４で負荷を制御された直流負荷手段２２及び交流負荷手段２３に印加されて消費される。

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２２を流れる直流電流を”Ｉｄｃ”とした場合、燃料電池スタック２１で発電された発電電力”Ｐ”は、
Ｐ＝Ｖｄｃ×Ｉｄｃ（１）
となる。

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

このため、図１に示す実施例では、燃料電池スタック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２は燃料電池スタック２１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り、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２中”Ｉｄｃ”に示す直流成分に対して、図２中”Ｉａｃ”に示す交流成分が重畳された状態になっている。

図２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２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、燃料電池スタック２１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、”特許文献３”に記載されているように、このような流量変動及び圧力変動に起因して燃料電池スタック２１内部の生成水の排水性を向上させることになる。

また、従来例のように水収支を計算する必要性もなく容易であり、空気流量の増加、出口圧力の低減を行なう制御や電解質膜が湿潤状態に復帰するような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、燃料電池スタックの出力を直流負荷手段に接続すると共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に示す実施例では、安定発電させる対象として燃料電池スタックを例示しているが、勿論、燃料電池単体（燃料電池セル）を対象として安定発電させても構わない。

また、図１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１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２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１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１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２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１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、測定手段により燃料電池セルの電圧を測定し、測定された燃料電池セル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。

本発明に係る燃料電池の安定発電制御装置の一実施例を示す構成ブロック図である。燃料電池スタック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。従来の水分量を静電容量として測定することが可能な燃料電池の一例を示す断面図である。従来の水分量を静電容量として測定することが可能な燃料電池の一例を示す断面図である。

符号の説明

１，４電解質膜
２，３，５，６触媒層・拡散層
７，８ガス流路
９，１０セパレータ
１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９，２０電極
２１燃料電池スタック
２２直流負荷手段
２３交流負荷手段
２４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、
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、
前記燃料電池に接続される直流負荷と、
前記燃料電池に接続され、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燃料電池内部のフラッディングを抑制するための交流負荷手段と、
を備えたことを特徴とする発電制御装置。
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、前記燃料電池を構成する複数の燃料電池セル間の電圧のばらつきが所定の閾値を超過した場合に、前記燃料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。