JPH04115468A - 液体電解質型燃料電池の起動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、液体電解質型燃料電池発電装置、ことに燃
料電池の起動時に保管温度から運転温度に昇温する起動
制御装置を備えた燃料電池発電装置に関する。

〔従来の技術〕

この種の燃料電池は、液体電解質として例えば水酸化カ
リウム水溶液を満たした電解液室と、この電解液室を挟
んでその両側に対向するよう配された燃料電極、酸化剤
電極と、各電極に対応する反応ガス室とからなり、かつ
各反応ガス室を通じて各電極へ燃料ガス　（水素）およ
び酸化剤ガス（空気）を供給することにより、電極内部
での起電反応で発電することは周知の遺りである。また
、この起電反応は発熱反応であり、かつ水素と酸素が反
応して燃料電極側に水を生成する。

上記の生成水がこのまま電池内部に溜まって液体電解質
中に溶は込むと、電解液が希釈され、起電反応が徐々に
低下する。このために、電解液１度の適正維持を図る管
理方式として、反応ガスを適量循環送風させ、生成水を
水蒸気として燃料電池の外部に取り出し、燃料電池の出
口に股！したＩ／に縮器により凝縮１分離する方法が知
られている。

また前記反応ガスの循環量は、生成水量と凝縮水量がほ
ぼ一致するよう、演算制御部により適正値を求め、制御
する方法がとられている。

ところで、燃料電池は起電反応に適する運転温度（通常
１００℃以下）があり、起動時には保管状態の温度から
前記運転温度に昇温する必要がある。

従来、この方法としては、燃料電池が電気ヒータを内蔵
し、起動時にバフテリーなどの電源より電流を供給して
加熱する方法、または、燃料電池の電気出力側に負荷抵
抗を接続して通電させ、燃料電池自体の起電反応生成熱
により昇温する方法等がとられている。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、前述した従来の燃料電池の起動方法には次の
ような問題点がある。

（１）加熱手段としての電気ヒータ、補助バッテリー等
の付属装置が必要であり、これが原因で装置が大型化す
る。

（２）負荷抵抗による発電昇温時にも前記生成水が発生
しており、燃料電池温度が低い状態では飽和水蒸気圧も
低く、Ｉｋ縮器で分離できる除去水量が少ないため、循
環送風量だけを増やしただけでは生成水を除去しきれず
、電解液の希釈を回避できない。

（３）上記問題点（２）を回避するため、抵抗負荷に流
す電流を極端に小さくして生成水の発生量を抑制する方
法も知られているが、この方法では起動に要する時間が
長くなり、発電装置そのものの使い勝手が悪くなる。

この発明の目的は、凝縮器や送風機の能力を十分活用し
て電解液の希釈を生ずることなく燃料電池を速やかに昇
温できる起動制御装置を得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、この発明によれば、液体電
解質を満たした電解液室と、この電解液室を挟んでその
両側に対向して配された多孔質の燃料電極および酸化副
電極と、画電極に反応ガスとしての水素および酸化剤を
給排する反応ガス室とを有する単位セル複数層の積層体
からなり、前記燃料電極側に反応ガスの強制循環路と、
この強制循環路に設けられ反応ガス中に含まれる発電生
成水を分離する凝縮器とを備えたものにおいて、燃料電
池の出力側に設けられた電流センサ、および可変抵抗器
、開閉器を有する短絡回路と、前記凝縮器入口、出口の
反応ガス温度の検出センサと、前記電流センサの検出電
流を含む所定の算式に基づいて得られる発電生成水量と
、前記一対の温度センサの検出温度に対応して得られる
前記凝縮器の除去水量と、この除去水量と等量の生成水
を生ずる電流値とを求め、得られた電流値を前記短絡回
路に流すよう前記可変抵抗器を制御する信号を検出する
演算制御部とを備えてなるものとする。

〔作用〕

この発明の構成において、演算制御部が出力電流に比例
する発電生成水量と、凝縮器人口、出口の温度差に対応
する生成水の除去水量と、両者が互いに等しくなる電流
値とを求め、この電流値に基づいて短絡回路に流れる電
流を制御するよう構成したことにより、短絡回路に配さ
れた可変抵抗器の消費電力に対応して生ずる生成水を凝
縮器の除去水量とが常にバランスするとともに、燃料電
池の温度が上昇するに伴って生成水の除去量も増加し、
かつこれに伴って可変抵抗の消費電力を増加させられる
ので、凝縮器およびこれに反応ガスを環流する送風器の
能力をフルに活用して燃料電池をその保管温度から運転
温度まで効率よく昇温させる機能が得られると同時に、
生成水によって液状電解質が希釈され、かつこれが原因
で燃料電池の発電性能が低下する事態を未然に防止する
ことができる。

〔実施例〕

以下この発明を実施例に基づいて説明する。

第１図はこの発明の実施例になる燃料電池発電装置を示
すシステムフロー図である。図において、１は液体電解
質型燃料電池であり、液体電解質を満たした電解液室２
と、この電解液室２を挟んでその両側に対向する多孔質
の水素電極３．酸化剤電極４と、各電極３，４の両側に
例えばリブ付きセパレート板で画成した水素室５、酸化
剤室６とで構成される。水素室５の入口には、図示され
ていない水素ガスボンベなどのガス源から引き出した燃
料ガス供給管路ｌＯが接続配管され、さらに、水素室５
の出口と入口の間にまたがり送風機１１を介装した燃料
ガス循環路１２が配管されており、この循環路１２の水
素室出口側には凝縮器１３が設置しである。なお、１８
は酸化剤室６に接続配管した酸化剤例えば空気の供給管
路、９は燃料電池の冷却ファン、２０は＃縮器１３の冷
却ファンである。

一方、燃料電池の出力回路７，８の極間には遮断スイッ
チ２９．可変抵抗器３ｏを含む短絡回路１９が設けられ
ており、また燃料電池の電気出方回路には出力検出用の
電流センサ２４が、さらに燃料ガス循環路１２における
ａ縮器１３の前後には反応ガス温度を検出する温度セン
サ２５．２６を備え、電流センサ２４．温度センサ２５
．２６の検出信号は演算制御部２７に人力され、短絡回
路１９側に配された可変抵抗器３０の抵抗値を制御する
信号２７Ｓを得るための演算が行われる。すなわち、電
流センサ２４で検出された燃料電池１の出力電流を■、
燃料電池１における単位セルの積層数をＮとした場合、
運転時に燃料電池１で生ずる生成水の発生量■１はファ
ラデーの法則に基づき次式で求められる。

Ｖ、　＝　Ｉ　Ｘ　（６０／９６４８０）Ｘ　（１８，
０２／２）　ＸＮ　　・−（１１一方、送風機１１によ
る水素の循環量をＱ、そのモル数をｍ、１モルの完全ガ
スの体積を■。、凝縮器出口における水蒸気の飽和度を
Ｋとした場合、飽和状態にある循環ガス中の水蒸気分圧
比（水蒸気分圧／水素分圧）は循環ガスの温度に依存す
るので、凝縮器１３で分離される生成水の除去量ｖ２は
次式によって算出される。

ｍ　　　　　入口水蒸気分圧 Ｖｏ　　　　　入口水素分圧 出口水素分圧 ・・−−（２） したがって、演算制御部２７が電流センサ２４の検出信
号を受けて上記！１１式に基づいて生成水量■を求める
と同時に、温度センサ２５．２６の検出温度に基づいて
上記（２）式の演算を行って除去水量■８を求め、かつ
生成水量ｖ１と除去水量ｖ２とが互いに等しくなるよう
な電流Ｉを算出して、この電流Ｉを短絡回路１９に流す
よう可変抵抗器３ｏの抵抗値を制御する信号２７Ｓを出
力することにより、起動時に燃料電池１で生じた生成水
量Ｖ、と凝縮器１３で凝縮１分離される除去水量■、と
が常にバランスした状態で起動することができる。また
、上記演算を所定の時間間隔で繰り返し行い、更新され
た制御信号に基づいて可変抵抗器３ｏを制御するよう構
成すれば、燃料電池１の温度上昇および循環ガスの温度
上昇に伴って演算結果は徐々に上昇し、これに基づいて
短絡回路１９に流す電流も徐々に増加するので、送風機
による循環ガス量Ｑと凝縮器の凝縮性能をフルに活用し
て、燃料電池を自己発熱によってその保管温度から運転
温度に向けて最短時間で昇温できる起動制御装置を得る
ことができる。

なお、短絡回路１９の開閉器２９は、演算制御部２７が
発する起動指令信号によって閉路し、燃料電池１が所定
の運転温度に到達した時点で発する起動の終了信号によ
って開路するよう構成される。

上述の実施例になる起動制御装置を設けたことにより、
燃料電池の温度条件に対応して、生成水発生量と電池外
部に排出する生成水除去量とを常にバランスさせながら
自己発熱により昇温するので、起動・停止回数に関係な
く、電解液濃度を一定に維持することが可能になり、し
たがって生成水が電解液を希釈することによって生ずる
燃料電池の発電性能の低下をほぼ完全に回避することが
できる。

また、燃料電池の生成水量と凝縮器の除去水量とがほぼ
一致するよう、ガス循ｍ路の循環ガス量を制御する従来
方式とは異なり、短絡回路に流す電流を制御することに
よって生成水量そのものを除去水量に対応して制御する
ので、電解質溶液の濃度管理を精度よ（行えるとともに
、（２）式において凝縮器出口側の水蒸気の飽和度にの
選択の仕方によって電解質溶液の濃度そのものをｍ御す
ることが可能になるという利点も得られる。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように、電流センサおよび温度センサ
の検出信号に基づき、演冨制御部が凝縮器による除去水
量と等価な生成水を生ずる電流値を求め、短絡回路に流
す電流値を計算結果に基づいて制御する信号を可変抵抗
器に向けて出力するよう構成した。その結果、燃料電池
の起動時における生成水の発生量と凝縮器による除去水
量とを常にバランスさせながら自己発熱により燃料電池
をその保管温度から運転温度に向けて昇温できるととも
に、温度上昇とともに増加する除去水量に克合って電流
値を増すよう制御することが可能になり、凝縮器および
循環送風機の能力をフルに活用巳て電池の昇温を効率よ
く、かつ生成水により液体電解質の希釈を生ずることな
く行える起動間ｍ装置を備えた液体電解質型燃料電池を
提供することができる。

また、生成水量と除去水量とがほぼ一致するよう、反応
ガスの循環量を制御する従来技術において問題となった
起動初期の低温時における生成水の悪影響も、生成と除
去を常にバランスさせるこの発明によってほぼ完全に回
避することができる。

さらに、燃料電池に電気ヒータを埋設し、バッテリー電
源から電力を供給して燃料電池を加温する従来技術に比
べ、この発明は自己発熱によって加温を行うために内蔵
電気ヒータやバッテリー電源などの機器を必要とせず、
したがって装置の構成を簡素化できるとともに、バッテ
リーの充電作業などを必要としないので保守管理を容易
化でき、かつ起動、停止の繰り返しに関わりなく短時間
で昇温できるので使い勝手がよいなどの利点が得られる
。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例になる液体電解質型燃料電池
の起動制ｍ装置を簡略化して示すシステムフロー図であ
る。 １：燃料電池、２：電解液室、３，４：１掻、５．６；
反応ガス室、７，８：出力回路、９，１１２０：送風機
、１０．１８：反応ガスの供給系、１２：ガス循環路、
１３：凝縮器、１９：短絡回路、２４：電流センサ、２
５．２６：温度センサ、２７：演夏制御部、２９；開閉
器、３０：可変抵抗器、２７Ｓ：制御信号、Ｉ：出力電
流。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）液体電解質を満たした電解液室と、この電解液室を
   挟んでその両側に対向して配された多孔質の燃料電極お
   よび酸化剤電極と、両電極に反応ガスとしての水素およ
   び酸化剤を給排する反応ガス室とを有する単位セル複数
   層の積層体からなり、前記燃料電極側に反応ガスの強制
   循環路と、この強制循環路に設けられ反応ガス中に含ま
   れる発電生成水を分離する凝縮器とを備えたものにおい
   て、燃料電池の出力側に設けられた電流センサ、および
   可変抵抗器、開閉器を有する短絡回路と、前記凝縮器入
   口、出口の反応ガス温度の検出センサと、前記電流セン
   サの検出電流を含む所定の算式に基づいて得られる発電
   生成水量と、前記一対の温度センサの検出温度に対応し
   て得られる前記凝縮器の除去水量と、この除去水量と等
   量の生成水を生ずる電流値とを求め、得られた電流値を
   前記短絡回路に流すよう前記可変抵抗器を制御する信号
   を検出する演算制御部とを備えてなることを特徴とする
   液体電解質型燃料電池の起動制御装置。