JPS5887771A - 燃料電池の空気流量制御装置 - Google Patents
燃料電池の空気流量制御装置Info
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- JPS5887771A JPS5887771A JP56184687A JP18468781A JPS5887771A JP S5887771 A JPS5887771 A JP S5887771A JP 56184687 A JP56184687 A JP 56184687A JP 18468781 A JP18468781 A JP 18468781A JP S5887771 A JPS5887771 A JP S5887771A
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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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
（１） 発明の技術分計
この発明は、燃料電池に供給される空気流１に量制御す
る空気流量制御装置に関する。
る空気流量制御装置に関する。
一般に燃料電池は酸素源としての空気と、燃料ガスとを
供給して陽極と陰極および陽極と陰極との間に配置され
た水性電解質との間で反応させて化学反応をおこし、こ
の反応を電力として取り出すよりにしている。
供給して陽極と陰極および陽極と陰極との間に配置され
た水性電解質との間で反応させて化学反応をおこし、こ
の反応を電力として取り出すよりにしている。
ま九燃料電池は、上記のようにして構成された一体燃料
電池を導電性板を介して直列に結ぎ全体として燃料電池
スタックを形成することにより構成されている。
電池を導電性板を介して直列に結ぎ全体として燃料電池
スタックを形成することにより構成されている。
この燃料電池スタックへの供給空気量は、適正な直とな
るように制御されるが、一般には燃料電池の出力電流を
検出して、この電流の大きさに応じて空気供給流量およ
び排気空気中からの再循環流量を制御している。
るように制御されるが、一般には燃料電池の出力電流を
検出して、この電流の大きさに応じて空気供給流量およ
び排気空気中からの再循環流量を制御している。
（２）従来技術
第１図は、従来の燃料電池の空気流量制御装置全示し九
ものでψる。燃料電池４には、空気Ｘと燃料ガスＹとが
°供給されており、燃焼電池４内での化学反応終了後の
空気Ｘと燃料ガスτとはそれぞれ排気空気ｘ′、排気燃
料ガスＹ′、として放出される。
ものでψる。燃料電池４には、空気Ｘと燃料ガスＹとが
°供給されており、燃焼電池４内での化学反応終了後の
空気Ｘと燃料ガスτとはそれぞれ排気空気ｘ′、排気燃
料ガスＹ′、として放出される。
排気空気ｒの一部は、分配器５を介して再循環するよう
になっている。燃料電池４には、出方電流を検出するた
めの電流検出器ｌが取り付けられており、この電流検出
器ｌからの検出信号に応答して演算制御装置８が最適空
気供給量と排気空気循環量とを算出し、それぞれブロア
２１Ｌ、２１）を介して制御するように構成されてｈる
。
になっている。燃料電池４には、出方電流を検出するた
めの電流検出器ｌが取り付けられており、この電流検出
器ｌからの検出信号に応答して演算制御装置８が最適空
気供給量と排気空気循環量とを算出し、それぞれブロア
２１Ｌ、２１）を介して制御するように構成されてｈる
。
（８）従来技術の問題点
しかしこのよりな従来の空気流量制御装置では、燃料電
池スタックの電解質中から、排気空気ｒ中へ取り去られ
た水の量がわからなｈので、電解質中に含まれる水の量
を制御することができなかった。
池スタックの電解質中から、排気空気ｒ中へ取り去られ
た水の量がわからなｈので、電解質中に含まれる水の量
を制御することができなかった。
一般に１燃料電池に於ては、電解質中に含まれる水の量
が過少の場合、電解質保持層の体積にくらぺて電解質の
体積が小さくなるため、電解質保持層に空気ができ、こ
の結果酸化性ガス（空気）と還元性ガス（燃料ガス）と
が直接交わり、燃料電池の燃料利用効率を著しく下げる
。また、電解液と′Ｉｔｌｊ板との間に隙間が生じ、こ
の結果、電極の有効面積が低下して電池の内部抵抗が大
きくなる。したがって、電極の劣化を早めるという欠点
もめった。
が過少の場合、電解質保持層の体積にくらぺて電解質の
体積が小さくなるため、電解質保持層に空気ができ、こ
の結果酸化性ガス（空気）と還元性ガス（燃料ガス）と
が直接交わり、燃料電池の燃料利用効率を著しく下げる
。また、電解液と′Ｉｔｌｊ板との間に隙間が生じ、こ
の結果、電極の有効面積が低下して電池の内部抵抗が大
きくなる。したがって、電極の劣化を早めるという欠点
もめった。
一方、電解質中に含まれる水の量が過多の場合には、電
解質保持層の体積に比べて′ｔ１！解質の体積が大きく
なるため電極を通過して、酸化剤ガスおよび環元剤ガス
を通すガス流路に電解液が溢れる。
解質保持層の体積に比べて′ｔ１！解質の体積が大きく
なるため電極を通過して、酸化剤ガスおよび環元剤ガス
を通すガス流路に電解液が溢れる。
このため電極の一部を電解液が、膜状に覆い、有効ｉｔ
ｓ面積が小さくなってしまう。
ｓ面積が小さくなってしまう。
また一部の電解液は、酸化剤ガスにより運ばれて燃料電
池から失われ、電池内の電解液も不均質となってしまう
ため、安定した電力の供給を困難にするという欠点を有
していた。
池から失われ、電池内の電解液も不均質となってしまう
ため、安定した電力の供給を困難にするという欠点を有
していた。
（４）発明の目的
この発明の目的は、燃料電池の燃料利用効率を向上させ
、かつξ期間安定し九電力を供給できる燃料電池の空気
゛流量制御装置を提供するにある。
、かつξ期間安定し九電力を供給できる燃料電池の空気
゛流量制御装置を提供するにある。
（５）発明の構成
この発明では、燃料電池スタック内の電解質の濃度が常
に一定となるように空気供給流量を制御することによシ
上記目的を達成した。
に一定となるように空気供給流量を制御することによシ
上記目的を達成した。
（６）発明の実施例
以下、この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。
る。
なお、図面中間一部分は同一符号を付して示した。第２
図は、この発明の一実施例を示す空気流量制御装置の臂
成図でるる。
図は、この発明の一実施例を示す空気流量制御装置の臂
成図でるる。
空気Ｘｉブロア２ａｉ介して、燃料電池４に供給し、酸
化剤として使用した後、排気ガとして放出するが、この
排気Ｘ′の一部は分配器５に一部てブロア２）により、
再度燃料電池に循環供給されている。
化剤として使用した後、排気ガとして放出するが、この
排気Ｘ′の一部は分配器５に一部てブロア２）により、
再度燃料電池に循環供給されている。
また燃料ガスＹも、燃料電池４内に供給され、反応後は
燃料排気ガス１として放出される。燃料電池４には、電
流検出器１の他に空気極の温度を検出するための空気極
温度検出５６ａおよび燃料極の温度を検出するための燃
料層温度検出器６ｂ１：設ける。この２つの検出器の測
定部は、例えば熱電対音用いて嘴成し、それぞれ空気極
および燃料極にはりつければよい。
燃料排気ガス１として放出される。燃料電池４には、電
流検出器１の他に空気極の温度を検出するための空気極
温度検出５６ａおよび燃料極の温度を検出するための燃
料層温度検出器６ｂ１：設ける。この２つの検出器の測
定部は、例えば熱電対音用いて嘴成し、それぞれ空気極
および燃料極にはりつければよい。
さらに、？ｉｐ気空気Ｘ′の湿度全検出するための２屁
度検出器７色と燃料排ガスＹ′中の湿度を検出する丸め
の湿度検出器７ｂと排気空気流量を検出するための流量
検出器Ｓとが取り付けられている。
度検出器７色と燃料排ガスＹ′中の湿度を検出する丸め
の湿度検出器７ｂと排気空気流量を検出するための流量
検出器Ｓとが取り付けられている。
演算制御装置８は、温度検出器６ａ、６ｂおよび湿度検
出器７ａ、？’ｂおよび空気ｆｉ墳積検出器からの信号
によって燃料電池４内の電解質中のリン酸濃度を演算し
、出力電流の大きさによって定まる所定の目標濃度との
過不足ｔを求め、この過不ａｔｔ−補償するようにブロ
ア２ａとブロア２ｂと量制御して空気Ｘの適正流ｔを求
めている。
出器７ａ、？’ｂおよび空気ｆｉ墳積検出器からの信号
によって燃料電池４内の電解質中のリン酸濃度を演算し
、出力電流の大きさによって定まる所定の目標濃度との
過不足ｔを求め、この過不ａｔｔ−補償するようにブロ
ア２ａとブロア２ｂと量制御して空気Ｘの適正流ｔを求
めている。
第８図は、演算制御装置８の構成を示すブロック図であ
る。演算制御装置８は、演算部【０と比例積分（Ｐ工）
調節部１１とブロア駆動電＃部１２とからなっている。
る。演算制御装置８は、演算部【０と比例積分（Ｐ工）
調節部１１とブロア駆動電＃部１２とからなっている。
演算部ＩＯは、Ｊ流検出器１１空気極温度検出器６ａ、
燃料極温′度検出器６１１．排２空気湿度検出器７ａ、
排気燃料湿度検出器７１１、および排気空気流量検出器
８からの各検出信号を受は職シ、以下に説明する式によ
り空気供給量の過不足量１４ｉ演算し出力する。
燃料極温′度検出器６１１．排２空気湿度検出器７ａ、
排気燃料湿度検出器７１１、および排気空気流量検出器
８からの各検出信号を受は職シ、以下に説明する式によ
り空気供給量の過不足量１４ｉ演算し出力する。
Ｐ工尚節計１１は、空気供給量の過不足量１４を受は取
シ、ブロア２ａとブロア２ｂの出力を指示する信号１５
′ｆｔ出す。
シ、ブロア２ａとブロア２ｂの出力を指示する信号１５
′ｆｔ出す。
なお、ｐｒ調節計１１の比例、積分制御定数は燃料電池
４の大きさ、特性等により異なるのでそれぞれに応じて
適正な＠を決定する必要がめる。
４の大きさ、特性等により異なるのでそれぞれに応じて
適正な＠を決定する必要がめる。
また、ブロア駆動電源部１２は、プロア出カ指示信％）
１５をこれに比例した電力に変換して、ブロア２ａとブ
ロア２ｂの駆動出力１６．１７として供給する。
１５をこれに比例した電力に変換して、ブロア２ａとブ
ロア２ｂの駆動出力１６．１７として供給する。
第４図は演算部【０の演算内容を示すプ費ツク図である
。演算部１ｏは、空気極の電解質濃度計算部１８ａと燃
料極のｍ解′Ｘ濃度計算部１８ｂと二つの電解質の平均
濃度を計算する平均ａｒｔ、計算部１９と空気供給量の
１差計算をおこなう偏差計算都加とがらなっている。
。演算部１ｏは、空気極の電解質濃度計算部１８ａと燃
料極のｍ解′Ｘ濃度計算部１８ｂと二つの電解質の平均
濃度を計算する平均ａｒｔ、計算部１９と空気供給量の
１差計算をおこなう偏差計算都加とがらなっている。
ｇ！見極と燃料極の各電解質濃＃、ｃｏｎｃは各電層に
取り付けられ九温度演出５６ａ、６ｂがらの検出信号２
１、ｕと湿度検出器７ａ、Ｗｂがらの検出信号２２．２
５とを用いて１出される。
取り付けられ九温度演出５６ａ、６ｂがらの検出信号２
１、ｕと湿度検出器７ａ、Ｗｂがらの検出信号２２．２
５とを用いて１出される。
排気空気でと燃料排ガスＹ′中に含まれる水蒸気圧と電
層の温度との関係は、実験値の表から補間法により求め
る。
層の温度との関係は、実験値の表から補間法により求め
る。
し九がって、各湿度検出器７ａ、７ｂからの検出信号２
２．２５によって前記水蒸気圧は求めることができるの
で、各電解質濃度ｃｏｎｅは算出することができる。
２．２５によって前記水蒸気圧は求めることができるの
で、各電解質濃度ｃｏｎｅは算出することができる。
また、電解質平均濃度０ｏｎｃは空気他電解質濃度圀と
燃料極電瑯質Ｓ度Ｎとの平均１直としては出する。
燃料極電瑯質Ｓ度Ｎとの平均１直としては出する。
このようにして算出し九電解質平均濃度ｄｏｎｅと空気
供給３１ＧＡｉｎとの間には次式の関係がある。
供給３１ＧＡｉｎとの間には次式の関係がある。
０ｏｎａｘｆｌ（Ｇムｉｎ、工、ａｙｌｍ ）−・・（
１）ここで工は負荷電流の大きさ金、ＧＮＰｉｎは燃料
ガスＹの供給量よ示す。（１）式に示した関数ｆ１の状
！１金第５図に゛示す。第５図において、横軸は空気供
給量ＧＡｉｎ 、縦軸は電解質平均濃度５ｉを示してい
る。
１）ここで工は負荷電流の大きさ金、ＧＮＰｉｎは燃料
ガスＹの供給量よ示す。（１）式に示した関数ｆ１の状
！１金第５図に゛示す。第５図において、横軸は空気供
給量ＧＡｉｎ 、縦軸は電解質平均濃度５ｉを示してい
る。
さらに第（１）式７ｉ−ＧＡｉｎにつき解いて電解質平
均濃度６ｉの微少変化Δτｉ了に対する空気供給量の変
化ΔＧＡｉｎを求めると次式を得る。
均濃度６ｉの微少変化Δτｉ了に対する空気供給量の変
化ΔＧＡｉｎを求めると次式を得る。
ΔＧＡ１ｎ ＝ ｆ 、 （ＧＡｏｕｔ、工、Δ５罰）
−（ｇ）ここでＧＡｏｕｅは乾燥空気排気流量である
。
−（ｇ）ここでＧＡｏｕｅは乾燥空気排気流量である
。
第（２）式に示した関ａ／ｌの状態上第６図に示す。
第６図において横軸は電解質平均濃度の微少変化ΔＣｏ
ｎｃ 、縦軸は空気供給量の変化ΔＧＡｉｎ ｔそれぞ
れ示している。このようにして第（２）式から電解質平
均濃度の標準値からのずれ八５■を用いて空気供給量の
過不足量であるΔＧム１ｎが演算される。
ｎｃ 、縦軸は空気供給量の変化ΔＧＡｉｎ ｔそれぞ
れ示している。このようにして第（２）式から電解質平
均濃度の標準値からのずれ八５■を用いて空気供給量の
過不足量であるΔＧム１ｎが演算される。
なお、電解質濃度の標準値は、電解液中の電解質の量、
電Ｗ４′Ｊｉｉ保持体の体積および出力電流の大きさ等
によって定まる。
電Ｗ４′Ｊｉｉ保持体の体積および出力電流の大きさ等
によって定まる。
以上説明したように各検出器６ａ、６ｂ、７ａ。
７ｂ％Ｂ、１からの検出信号を用いて空気供給量の過不
足量１４が算出できる。
足量１４が算出できる。
このようにして構成された空気流量制御装置においては
燃料電池４内の電解液が多すぎる場合には、電解質濃度
が低下するので、この電解質濃度が空気Ｘと燃料ガスＹ
の極温度と排気空気ガと燃料排ガスＹ′中の温度から算
出され、し九がって空気供給１差として負のＩｉ！ｔ−
得る。この直にしたがって、ブロア２ｍ、２ｂの出力を
上げ、空気供給量を増大させる。
燃料電池４内の電解液が多すぎる場合には、電解質濃度
が低下するので、この電解質濃度が空気Ｘと燃料ガスＹ
の極温度と排気空気ガと燃料排ガスＹ′中の温度から算
出され、し九がって空気供給１差として負のＩｉ！ｔ−
得る。この直にしたがって、ブロア２ｍ、２ｂの出力を
上げ、空気供給量を増大させる。
逆に燃料電池４内の電解液が少い場合には％解質濃度が
高くなる。この場合には、空気供給偏差として正の［を
得る。この値にしたがい、ブロア２ａ、２ｂの出力金子
げて空気供給ｔｉ減少させる。
高くなる。この場合には、空気供給偏差として正の［を
得る。この値にしたがい、ブロア２ａ、２ｂの出力金子
げて空気供給ｔｉ減少させる。
以上のようにして富に一定の′［１ｃ解質濃度を保ち、
電解液の量を最適に保つことができる。
電解液の量を最適に保つことができる。
なお、空気の排ガスＸ′の流量は、空気Ｘの供給量から
消費し九酸素の量を引いても求めることができる。
消費し九酸素の量を引いても求めることができる。
（７） 発明の効果、
以上説明したようにこの発明では、燃料電池の極の温度
と排気中の湿度とを測定し、これらの測定陵から燃料電
池内部の電解質の濃度を求め、この濃度が一定になるよ
うに空気ｆｌｔ、ｔを制御することにより、燃料電池の
燃料利用効４ｃｔ向上させ、ま走電解質の損失を減らし
、特性の安定化と長寿命化を達成することができるとい
う利点がある。
と排気中の湿度とを測定し、これらの測定陵から燃料電
池内部の電解質の濃度を求め、この濃度が一定になるよ
うに空気ｆｌｔ、ｔを制御することにより、燃料電池の
燃料利用効４ｃｔ向上させ、ま走電解質の損失を減らし
、特性の安定化と長寿命化を達成することができるとい
う利点がある。
さらに燃料電池の電流、電圧特性が向上するので余裕金
もった運転ができ、燃料電池内における出力密度の分布
が平担化できるので、電極の劣化が少くなるという利点
もめる。
もった運転ができ、燃料電池内における出力密度の分布
が平担化できるので、電極の劣化が少くなるという利点
もめる。
１８１図は、従来の燃料電池空気流量制御装置を示す構
成図、第２図は、この発明の一実施例を示す構成図、第
８図は第２図に使用された演算制御装置の詳細を示す構
成図、第４図は第８図に示した演算部の詳細を示すブロ
ック図Ｃ籐ｓｍは空気供給量（ＧＡｉｎ）Ｋ対する電解
質平均濃度（Ｃｏｎｅ）を示す図、第６！！は電解質平
均濃度の微少変化（ΔＣｏｎｃ） に対する空気供給
量の変化（ΔＧＡｌｎ）を示す図である。 １・・・電流検出器、２ｍ 、 ２ｂ申プロア、３・・
・演算制御装置、４・・・燃料電池、６ａ・・・空気極
温度検出器、６ｂ・・・燃料極温度検出器、７ｍ・・・
排気空気湿度検出器、７ｂ・・・排気燃料湿度検出器、
８・・・流量検出器、１４・・・空気供給量の過不足量
、１６．１７・・・プロア駆動出力。
成図、第２図は、この発明の一実施例を示す構成図、第
８図は第２図に使用された演算制御装置の詳細を示す構
成図、第４図は第８図に示した演算部の詳細を示すブロ
ック図Ｃ籐ｓｍは空気供給量（ＧＡｉｎ）Ｋ対する電解
質平均濃度（Ｃｏｎｅ）を示す図、第６！！は電解質平
均濃度の微少変化（ΔＣｏｎｃ） に対する空気供給
量の変化（ΔＧＡｌｎ）を示す図である。 １・・・電流検出器、２ｍ 、 ２ｂ申プロア、３・・
・演算制御装置、４・・・燃料電池、６ａ・・・空気極
温度検出器、６ｂ・・・燃料極温度検出器、７ｍ・・・
排気空気湿度検出器、７ｂ・・・排気燃料湿度検出器、
８・・・流量検出器、１４・・・空気供給量の過不足量
、１６．１７・・・プロア駆動出力。
Claims (1)
- 燃料を池スタックに供給する空気流量全燃料電池からの
出力電流の大きさに応じて制御する燃料電池の空気流量
制御装置におｈて、前記燃料電池スタックの空気極の温
度を検出する空気層温度検出器と、燃料極の温度を検出
する燃料極温度検出器と、排気空気流量を検出する流量
検出器と、排気空気中の湿度を検出する排気空気湿度検
出器と、燃料排気中の湿度を検出する排気燃料湿度検出
器と、前記各検出器からの出力信号から前記燃料電池ス
タック内のｔ解質の濃度と前記出力電流の大きさに従っ
て定まる所定の目標濃度との過不足量を算出し、この過
不足ｔを補償するよ５に前記空気流ｔを制御する演は制
御装置とを具備したことを特徴とする燃料電池の空気流
量制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56184687A JPS5887771A (ja) | 1981-11-18 | 1981-11-18 | 燃料電池の空気流量制御装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56184687A JPS5887771A (ja) | 1981-11-18 | 1981-11-18 | 燃料電池の空気流量制御装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5887771A true JPS5887771A (ja) | 1983-05-25 |
Family
ID=16157609
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56184687A Pending JPS5887771A (ja) | 1981-11-18 | 1981-11-18 | 燃料電池の空気流量制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS5887771A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63181267A (ja) * | 1987-01-21 | 1988-07-26 | Toshiba Corp | 燃料電池発電装置 |
| WO2001041243A1 (de) * | 1999-11-29 | 2001-06-07 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Brennstoffzelle mit kreislauf des oxidationsmittels |
| EP1168474A2 (en) * | 2000-06-29 | 2002-01-02 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Method of operating a phosphoric acid fuel cell |
| EP1372205A2 (en) * | 2002-06-14 | 2003-12-17 | Honda Giken Kabushiki Kaisha | Method of operating phosphoric acid fuel cell |
| US6698278B2 (en) * | 2001-12-19 | 2004-03-02 | Ballard Power Systems Inc. | Indirect measurement of fuel concentration in a liquid feed fuel cell |
-
1981
- 1981-11-18 JP JP56184687A patent/JPS5887771A/ja active Pending
Cited By (8)
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