JP5266782B2

JP5266782B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

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Publication number: JP5266782B2
Application number: JP2008035100A
Authority: JP
Inventors: 温荻野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2028-02-15
Also published as: JP2009193885A

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池の最小単位に相当する、一般的な単セル（燃料電池単セルとも称する）の構成について、特に電極部分を含む要部の構成の概略について説明する。図５に例示するように、酸化極触媒層１２（酸化極またはカソード触媒層とも称する）と燃料極触媒層１４（燃料極またはアノード触媒層とも称する）を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）３０が構成されている。また、酸化極触媒層１２の外側には酸化極拡散層１６が、燃料極触媒層１４の外側には燃料極拡散層１８が、それぞれ設けられている。さらに、酸化極拡散層１６の外側には、酸化ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成された酸化極側セパレータ２６が、燃料極拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成された燃料極側セパレータ２８が、それぞれ設けられており、これらを例えば、接着や圧着などにより一体化させて、単セル５０が形成される。

得られた単セル５０を、所望の起電力が得られるように複数枚積層させたセルスタック（燃料電池スタックとも称する）を備える燃料電池がさまざまな分野において適用されている。燃料電池は一般に、酸化極触媒層１２に酸素ガスや空気等の酸化ガスを、燃料極触媒層１４に水素ガスや改質ガス等の燃料ガスを、それぞれ供給して発電する。このような燃料電池は一般に、発電時には化学反応に伴う熱を発生するが、安定した発電を維持するためには例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御することが必要であるため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体（冷媒）を各単セルに設けられたセル冷媒流路２２に流通させて燃料電池の過熱を防止している。このように燃料極および酸化極を含む電極部分において化学反応が起こり、電荷が発生して電池として機能する。

このような燃料電池を、例えば家庭用分散型発電に供する燃料電池システムとして、商用電源などの集中型発電システムと併用することができる。かかる場合など、燃料電池システムからの逆潮を防止する設計が要求されることがある。

燃料電池システムからの逆潮防止のために、例えば、特許文献１〜３に記載されたような技術が開示されている。

特許文献１には、負荷変動に追従させて燃料電池の発電を変化させる燃料電池発電システムについて記載されている。

特許文献２には、余剰電力で貯湯タンク内の水を加熱する電気ヒータが設けられている燃料電池発電システムについて記載されている。

特許文献３には、家庭内負荷に供給される電力に応じてエア供給量を制御する一方、余った改質ガスを燃焼器内で燃焼させる家庭用燃料電池システムについて記載されている。

特開２００３−１９７２３３号公報特開２００１−６８１２５号公報特開２００２−２８１６７２号公報

本発明は、簡便な構成で逆潮を防止することの可能な燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法を提供する。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）燃料極と酸化極とを備え、前記燃料極に燃料ガスを供給し、前記酸化極に酸化ガスを供給して発電する燃料電池からの電力を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、前記燃料電池の過熱を防止するための冷却媒体を流通させる冷媒流通経路と、前記燃料電池との熱交換により加熱された前記冷却媒体を介して蓄熱するための蓄熱手段と、前記燃料電池からの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を超過すると、前記燃料電池の低効率運転制御を行う制御部と、を備え、制御部は、前記燃料電池における発電量が前記外部負荷の要求電力量を超過すると、前記酸化ガスの供給量を低減させて前記燃料電池における発電量を前記外部負荷の要求電力量以下にする酸化ガス低減部と、前記外部負荷の要求電力量に応じて前記改質器が発生させる改質ガス量を低減させる改質ガス低減部と、前記改質ガスの供給量が前記外部負荷の要求電力量に応じた所定量以下になると、前記酸化ガスの供給量を低減された前記改質ガスの供給量に対応する通常時の酸化ガス供給量にする供給量復帰部と、を含む、燃料電池システム。

（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記低効率運転制御が、前記燃料電池の作動電圧を低下させる制御である、燃料電池システム。

（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池システムにおいて、前記蓄熱手段が、加温された水を蓄えるための貯湯槽であり、前記加熱された冷却媒体と水とを熱交換するための熱交換器をさらに備える、燃料電池システム。

（１０）燃料極と酸化極とを備え、改質器を用いて発生させた改質ガスを前記燃料極に供給し、酸化ガスを前記酸化極に供給して発電する燃料電池からの電力を外部負荷に供給する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の過熱を防止するための冷却媒体を流通させる冷媒流通工程と、前記燃料電池との熱交換により加熱された前記冷却媒体を介して蓄熱する蓄熱工程と、前記燃料電池における発電量が前記外部負荷の要求電力量を超過すると、前記酸化ガスの供給量を低減させて前記燃料電池における発電量を前記外部負荷の要求電力量以下にする低効率運転工程と、前記外部負荷の要求電力量に応じて前記改質器が発生させる改質ガス量を低減させる工程と、前記改質ガスの供給量が前記外部負荷の要求電力量に応じた所定量以下になると、前記酸化ガスの供給量を低減された前記改質ガスの供給量に対応する通常時の酸化ガス供給量にする工程と、を含む、制御方法。
また、制御方法において、前記低効率運転が、前記燃料電池の作動電圧を低下させる運転であることが好ましい。

本発明によれば、簡便な構成で逆潮を防止することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの、構成の概略を示す模式図である。図１において、燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１５０と、燃料ガス流通経路と、酸化ガス流通経路と、冷媒流通流路３６と、制御部５２と、を備えている。

図１において、燃料電池スタック１５０は、例えば図５に示すような単セル５０が複数積層された構成を有している。

一方、燃料ガス流路は、燃料電池スタック１５０の各単セル内の燃料極に、改質器などの燃料ガス供給源４６からの水素を含む燃料ガスを供給するための燃料ガス供給配管３２と、各単セル内からの燃料ガスのオフガスを外部に排出するための図示しない燃料ガス排出配管とを含み、図５に示す燃料ガス流路２４を介して連通している。また、酸化ガス流路は、燃料電池スタック１５０の各単セル内の酸化極に、エアポンプ（ブロワ）や酸素ボンベなどの酸化ガス供給源４８からの酸素を含む酸化ガスを供給するための酸化ガス供給配管３４と、各単セル内からの酸化ガスのオフガスを外部に排出するための図示しない酸化ガス排出配管とを含み、図５に示す酸化ガス流路２０を介して連通している。

図５に示すセル冷媒流路２２を流通し、燃料電池スタック１５０として積層された各単セルの冷却に供され、加熱された冷却媒体は、図１に示す冷媒流通流路３６から燃料電池スタック１５０の外部へ排出された後、熱交換器３８内において、貯湯用水流路４４を流通する、例えば０〜３０℃程度の冷水との熱交換が行われる。その後、再び燃料電池スタック１５０の冷却媒体として用いられ、もしくは外部へ排出される。このとき、貯湯用水流路４４を流通し、熱交換器３８内での熱交換により加熱された水は、例えば給湯システムや空気調和システムなどの熱エネルギー源とすべく、例えば５０〜１００℃程度の温水として貯湯槽４２（蓄熱手段）内に蓄えられる。必要に応じて、貯湯用水循環流路４０を設けて貯湯槽４２内の貯留水を熱交換器３８内に導入し、再加熱可能な構成とすることも可能である。

また、制御部５２は、燃料電池スタック１５０の運転状態および外部負荷５４の稼動状態を監視し、必要に応じて燃料電池システム１００における所定の運転制御を行うことが可能な構成を有している。

本実施の形態において、燃料電池スタック１５０の通常運転時には一般に、酸化ガスと、燃料ガスとがそれぞれ含有する、酸素および水素の濃度に応じて、過不足の少ない適正な比率にて燃料電池スタック１５０内に酸化ガスおよび燃料ガスを供給して効率よく発電が行われる（この運転状態を高効率運転とも称する）。このとき、燃料電池スタック１５０は直流電源として機能するため、燃料電池システム１００からの電力は必要に応じてＤＣ−ＡＣ変換された後、例えば家庭内電気機器などの外部負荷５４に供給される。燃料電池システム１００から外部負荷５４に供給される電力量は通常、外部負荷５４の要求電力量以下に制御されており、例えば商用電源と併用するなどにより、例えば燃料電池スタック１５０からの供給電力が不足する場合であっても対処可能な構成とすることが好適である。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１５０の発電性能について、その運転状態に応じた、スタック電流とスタック電圧との関係を例示したグラフである。図２に示すように、通常運転時には、例えばスタック電流がＩ_０のとき、スタック電圧がＶ_１であり、このときの発電電力量はＶ_１×Ｉ_０で表すことができる。ここで、図１に示す外部負荷５４の要求電力量が低下し、燃料電池スタック１５０の発電量を下回ると、逆潮が発生し得る状態となる。このとき、制御部５２は、燃料電池スタック１５０に対し、例えば図２に示すような低効率運転制御を指示する。例えばスタック電流がＩ_０のとき、図２に例示するような低効率運転によりスタック電圧はＶ_２となり、このときの発電電力量はＶ_２×Ｉ_０で表すことができる。このような運転制御を実行することにより、燃料電池スタック１５０による発電量を外部負荷５４の要求電力量以下まで低減させ、逆潮の発生を防止することができる。このとき、前述した通常運転時の発電量との差分、（Ｖ_２−Ｖ_１）×Ｉ_０に相当するエネルギーは熱エネルギーに変換され、図１に示す燃料電池システムにおいて、冷却媒体を加熱し、さらに熱交換器３８内で貯留水を加熱することにより、貯湯槽４２内に蓄熱することができる。

次に、図１に示す燃料電池システム１００の制御方法について、図面に基づいてさらに説明する。

図３は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの制御方法として、燃料電池スタックが発電し、外部負荷に対し電力供給を行っている通常運転時における逆潮防止のための制御方法を例示したフローチャートである。なお、本実施の形態における燃料電池システムの構成については、図１を参照のこと。

図１に示す燃料電池スタック１５０の通常運転状態において、外部負荷５４の一部を停止させるなどにより、燃料電池スタック１５０の出力が外部負荷５４の要求電力量を超過した場合には、燃料電池スタック１５０の出力を低下させるべく、その要求電力量に応じた新たな発電電力量の指示が与えられる（ステップＳ１００）。

ステップＳ１０２では、燃料電池スタック１５０への燃料ガスの供給量を低下させるために、改質器４６による水素（改質ガス）発生量の制御を行うための指示を行う。このとき、改質器４６の出力を瞬時に低下させることは一般に困難であるため、この間（例えば数秒から数十分程度）の逆潮発生を防止するために、ステップＳ１０２による改質器４６の制御と並行して以下に説明するようなステップＳ１０４以降の制御を実施する。

ステップＳ１０４では、外部負荷５４の要求電力量（つまり、ここでは、ステップＳ１００において指示した発電電力量に相当する）と、現時点での燃料電池の発電量とを比較し、超過した発電量を算出する。このとき、超過した発電量が逆潮電力に相当する。

次に、ステップＳ１０６に進み、燃料電池スタック１５０への酸化ガスの供給量を算出し、この算出量に基づいて酸化ガス供給源４８を制御する指示を行う。酸化ガスの供給量の算出は、特に限定されるものでなく、いかなる方法を用いてもよいが、例えば図４に示すようなマップを予め用意しておき、これに基づいて実施することが可能である。図４に例示するマップには、酸化ガスの所定の供給量に対し、電流および電圧がどのように推移するかが示されており、このマップに基づき、外部負荷５４の要求電力量に応じて酸化ガスの供給量を決定し、低効率運転を行うことができる。このとき、制御される酸化ガスの供給量は、通常運転時に供給される酸化ガスに比して少ない量となる。酸化ガスの供給の制御は、流量の制御に限らず、例えば流速の制御によるものであっても良く、特に限定されるものではない。なお、図４においては、「低効率運転１」、「低効率運転２」の２種類の低効率運転モードが示されているが、これに限定されるものではなく、さらに細分化したマップを用意してもよい。

本発明の実施の形態において、通常運転から低効率運転への移行は、定電流条件下で実施する必要はない。

次に、ステップＳ１０８に進み、改質器４６での現時点での実際の水素発生量を確認する。上述したステップＳ１００からステップＳ１０６における酸化ガス供給源４８の制御までは、例えば数十〜数百ミリ秒程度で実施可能であるのに対し、ステップＳ１０２における改質器４６の制御は、外部負荷５４の要求電力量の低下の程度により、例えば数秒から数十分程度までばらつきがある。このため、ステップＳ１０８において、改質器４６により発生する改質ガス量の状況を確認し、現時点での実際の水素発生量が、ステップＳ１０２において指示した値に到達しているか否かを判定する。実際の水素発生量が、ステップＳ１０２において指示した値に到達していなければ、改質器４６の制御を継続させるとともに再びステップＳ１０４に戻り、実際の水素発生量が、ステップＳ１０２において指示した値に到達していれば、ステップＳ１１０に進む。なお、他の実施の形態として、ステップＳ１０４に戻る際、ステップＳ１０２についても再度行うことも可能である。

ステップＳ１１０では、燃料電池スタック１５０への酸化ガス供給量を通常運転時の酸化ガス供給量に戻す。これにより、改質器４６からの改質ガス供給量と酸化ガス供給源４８からの酸化ガス供給量とが適正な比率となり、通常運転に戻る。

このように、本実施の形態によれば、逆潮防止のための制御が簡便であるのみならず、逆潮防止のみを目的とする部材が実質的に不要であるため、省スペース化にも寄与し得る。また、外部負荷５４の要求電力量に対して過剰となったエネルギーについても、熱エネルギー源として蓄熱することにより有効に活用することが可能となる。

なお、本発明の実施の形態における燃料電池システムは、単独で用いても上述したように十分に逆潮防止に寄与し得るが、必要に応じて他の逆潮防止機構と組み合わせて用いることも好適である。

本発明は、あらゆる燃料電池システムにおいて好適に利用することができるが、特に、メタンガスや都市ガス・天然ガスなどの改質原料ガスを改質させた改質ガスを燃料ガスとして使用する燃料電池システムにおいて好適に利用することが可能である。

燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。燃料電池スタックの発電性能について、スタック電流とスタック電圧との関係をその運転状態に応じて例示したグラフである。燃料電池システムの制御方法の概略を例示するフローチャートである。酸化ガスの供給量を決定するためのマップの一例である。単セルの構成の概略を示した図である。

符号の説明

１０電解質膜、１２酸化極触媒層、１４燃料極触媒層、１６酸化極拡散層、１８燃料極拡散層、２０酸化ガス流路、２２セル冷媒流路、２４燃料ガス流路、２６酸化極側セパレータ、２８燃料極側セパレータ、３０膜電極接合体（ＭＥＡ）、３２燃料ガス供給配管、３４酸化ガス供給配管、３６冷媒流通流路、３８熱交換器、４０貯湯用水循環流路、４２貯湯槽、４４貯湯用水流路、４６燃料ガス供給源（改質器）、４８酸化ガス供給源、５０単セル、５２制御部、５４外部負荷、１００燃料電池システム、１５０燃料電池スタック。

Claims

燃料極と酸化極とを備え、前記燃料極に燃料ガスを供給し、前記酸化極に酸化ガスを供給して発電する燃料電池からの電力を外部負荷に供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の過熱を防止するための冷却媒体を流通させる冷媒流通経路と、
前記燃料電池との熱交換により加熱された前記冷却媒体を介して蓄熱するための蓄熱手段と、
前記燃料電池からの供給電力量が前記外部負荷の要求電力量を超過すると、前記燃料電池の低効率運転制御を行う制御部と、
を備え、
制御部は、
前記燃料電池における発電量が前記外部負荷の要求電力量を超過すると、前記酸化ガスの供給量を低減させて前記燃料電池における発電量を前記外部負荷の要求電力量以下にする酸化ガス低減部と、
前記外部負荷の要求電力量に応じて前記改質器が発生させる改質ガス量を低減させる改質ガス低減部と、
前記改質ガスの供給量が前記外部負荷の要求電力量に応じた所定量以下になると、前記酸化ガスの供給量を低減された前記改質ガスの供給量に対応する通常時の酸化ガス供給量にする供給量復帰部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記低効率運転制御が、前記燃料電池の作動電圧を低下させる制御であることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記蓄熱手段が、加温された水を蓄えるための貯湯槽であり、
前記加熱された冷却媒体と水とを熱交換するための熱交換器をさらに備えることを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム。
燃料極と酸化極とを備え、改質器を用いて発生させた改質ガスを前記燃料極に供給し、酸化ガスを前記酸化極に供給して発電する燃料電池からの電力を外部負荷に供給する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の過熱を防止するための冷却媒体を流通させる冷媒流通工程と、
前記燃料電池との熱交換により加熱された前記冷却媒体を介して蓄熱する蓄熱工程と、
前記燃料電池における発電量が前記外部負荷の要求電力量を超過すると、前記酸化ガスの供給量を低減させて前記燃料電池における発電量を前記外部負荷の要求電力量以下にする低効率運転工程と、
前記外部負荷の要求電力量に応じて前記改質器が発生させる改質ガス量を低減させる工程と、
前記改質ガスの供給量が前記外部負荷の要求電力量に応じた所定量以下になると、前記酸化ガスの供給量を低減された前記改質ガスの供給量に対応する通常時の酸化ガス供給量にする工程と、
を含むことを特徴とする制御方法。
請求項４に記載の制御方法において、
前記低効率運転が、前記燃料電池の作動電圧を低下させる運転であることを特徴とする制御方法。