WO2007018312A1

WO2007018312A1 - 燃料電池システム

Info

Publication number: WO2007018312A1
Application number: PCT/JP2006/316058
Authority: WO
Inventors: Shinji Hocho; Yasushi Matsuhiro; Keiichi Nakata
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2005-08-08
Filing date: 2006-08-07
Publication date: 2007-02-15
Anticipated expiration: 2008-02-08
Also published as: CN101233643B; CN101233643A; US20100167152A1; JP2007048507A

Abstract

　固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システム１００において、燃料電池スタック１０のカソードから排出される、水分を含むカソードオフガスを循環させてカソードに供給する。さらに、燃料電池スタック１０において、フラッディングが発生したときには、空気ポンプ４２や、循環用スロットル４４や、供給用スロットル４６や、背圧制御弁３８を制御し、カソードオフガスの循環量を増大させて過剰な水分を排出する。これにより、燃料電池システムにおいて、電解質膜の湿潤状態を確保しつつ、フラッディングを解消する。

Description

明細書燃料電池システム技術分野

本発明は、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池シス亍ムに関するものである。背景技術

従来、水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池がエネルギ源として注目されている。この燃料電池には、電解質膜として固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池がある。そして、この固体高分子型燃料電池では、所望の発電性能を得るために、電解質膜を適正な湿潤状態に維持し、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保つ必要がある。このため、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムでは、運転中に、電解質膜の加湿が必要となる。

近年では、燃料電池における発電、すなわち、水素と酸素との電気化学反応によつて生成された生成水を、電解質膜の加湿に再利用することによって、燃料電池システムのエネルギ効率を向上させる技術が提案されている。例えば、特表平 8— 5 0 0 9 3 1号公報または特開平 9一 3 1 2 1 6 4号公報には、燃料電池の力ソードから排出された生成水を含む力ソードオフガスを再度力ソードに循環させて供給し、電解質膜を加湿する技術が記載されている。

—方、電解質膜近傍で水分が過剰になると、フラッデイングが発生する。すなわち、過剰な水分によって電解質膜への反応ガスの拡散が妨げられ、燃料電池の発電性能が低下する。このフラッデイングを解消するための技術として、例えば、特開 2 0 0 4 - 1 5 2 5 3 2号公報には、.フラッデイングが発生したときに、外部から燃料電池に供給するガスの流量を増加させて、過剰な水分を排出する技術が記載されている。上記の特表平 8— 5 0 0 9 3 1号公報または特開平 9一 3 1 2 1 6 4号公報に記載されたような、燃料電池のカソードから排出された生成水を含むカソードオフガスを再度カソードに循環させて供給し、電解質膜を加湿する燃料電池システムにおいて、上述したフラッデイングを解消するために、この燃料電池システムに、上記の特開 2 0 0 4— 1 5 2 5 3 2号公報に記載された技術を適用することは可能である。しかし、この場合、単に外部から燃料電池に供給するガスの流量を増加させるだけでは、電解質膜を乾燥させ過ぎてしまい、燃料電池の発電性能を低下させるおそれがあった。そこで、電解質膜の乾燥を抑制して湿潤状態を確保しつつ、フラッデイングを解消すること力《要求されていた。発明の開示

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、電解質膜の湿潤状態を確保しつつ、フラッデイングを解消することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。本発明の燃料電池システムは、

電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、

前記燃料電池の力ソードに酸化剤ガスを供給する供給配管と、

前記カソードから排出されたカソードオフガスを、前記供給配管に循環させる循環配管と、

前記循環配管を通って循環するカソードオフガスの流量を調整する循環ガス流量調整部と、

前記燃料電池において、フラッデイングが発生したことを検出するフラッデイング検出部と、

前記循環ガス流量調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、

前記フラッデイング検出部によって、フラッディングが発生したと検出されたときに、前記循環配管を通って循環する力ソードオフガスの流量が、フラッデイングが発生していないときよりも増大するように、前記循環ガス流量調整部を制御することを要旨とする。

こうすることによって、水分を含む力ソードオフガスを利用するとともに、その循環量を適切に制御して電解質膜の加湿を行いつつ、燃料電池においてフラッディングが生じたときに、燃料電池から過剰な水分を排出することができる。したがって、固体高分子型燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、電解質膜の湿潤状態を確保しつつ、過剰な水分を排出し、フラッデイングを解消することができる。

上記燃料電池システムにおいて、

前記循環ガス流量調整部は、

前記循環配管に設けられ、該循環配管を通って循環するカソードオフガスの流量を調整する第 1の流量調整バルブと、

前記供給配管と前記循環配管との合流部の下流の前記供給配管に設けられたポンプと、を備え、

前記制御部は、

前記フラッデイング検出部によって、フラッデイングが発生したと検出されたときに、フ,ラッデイングが発生していないときよりも、前記ポンプの回転数を増加させるとともに、前記第 1の流量調整バルブの開度を大きくするようにしてもよい。

上記燃料電池システムにおいて、

前記循環ガス流量調整部は、さらに、

前記供給配管と前記循環配管との合流部の上流の前記供給配管に設けられ、前記酸化剤ガスの流量を調整する第 2の流量調整バルブを備え、

前記制御部は、前記フラッデイング検出部によって、フラッデイングが発生したと検出されたときに、さらに、フラッデイングが発生していないときよりも、前記第 2の流量調整バルブの開度を小さくするようにしてもよい。

こうすることによって、燃料電池においてフラッデイングが発生したときに、水分を含む力ソードオフガスの循環量を増大させることができる。

本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。また、これらを実現するコンピュータプログラム、およびそのプログラムを記録した記録媒体、そのプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号など種々の態様で実現することが可能である。なお、それぞれの態様において、先に示した種々の付加的要素を適用することが可能である。

本発明をコンピュータプログラムまたはそのプログラムを記録した記録媒体等として構成する場合には、燃料電池システムの動作を制御するプログラム全体として構成するものとしてもよいし、本発明の機能を果たす部分のみを構成するものとしてもよし、。また、記録媒体としては、フレキシブルディスクや C D— R O M、 D V D - R O M、光磁気ディスク、 I Cカード、 R O Mカートリッジ、パンチカード、バーコードなどの符号が印刷された印刷物、コンピュータの内部記憶装置（R A Mや R O Mなどのメモリ）および外部記憶装置などコンピュータが読み取リ可能な種々の媒体を利用できる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施例としての燃料電池システム 1 0 0の概略構成を示す説明図である。

図 2は、フラッディング解消制御の流れを示すフローチヤ一トである。

図 3は、変形例としての燃料電池システム 1 0 O Aの概略構成を示す説明図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。

に燃料電池システムの構成：

B . 運転制御：

C . 変形例：

A . 燃料電池システムの構成：

図 1は、本発明の一実施例としての燃料電池システム 1 0 0の概略構成を示す説明図である。燃料電池（F C ) スタック 1 0は、水素と酸素との電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、プロトン伝導性を有する電解質膜を挟んで、水素極（以下、アノードと呼ぶ）と、酸素極（以下、力ソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている。本実施例では、ナフイオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとした。燃料電池スタック 1 0には、セル電圧を測定するための電圧センサ 1 2が設置されている。

燃料電池スタック 1 0のアノードには、配管 2 2を介して、水素ボンべ 2 0から、燃料ガスとしての水素が供給される。水素ボンべ 2 0の代わりに、アルコールや、炭化水素や、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

アノードから排出される排気ガス（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管 2 4 を通じて外部に排出される。また、配管 2 2、および、配管 2 4には、アノードオフガスを循環させるための配管 2 6が接続されている。この配管 2 6には、循環用ポンプ 4 0が設置されており、これを駆動することによって、アノードオフガスを循環させ、. アノードオフガスに含まれる燃料電池スタック 1 0で未消費の水素を再利用することができる。なお、図示、および、説明は省略しているが、各配管には、必要に応じて、各種バルブや、圧力センサ等が設置されている。

燃料電池スタック 1 0の力ソードには、フィルタ 3 0、および、配管 3 2を介して、酸素を含有した酸化剤ガスとしての空気が供給される。配管 3 2には、空気ポンプ 4 2が設置されており、これを駆動することによって、空気は、力ソードに供給される。配管 3 2は、本発明における供給配管に相当する。

力ソードから排出された排気ガス（以下、力ソードオフガスと呼ぶ）は、配管 3 4、背圧制御弁 3 8を介して、外部に排出される。また、配管 3 2、および、配管 3 4には、力ソードオフガスを循環させるための配管 3 6が接続されている。先に説明したように、本実施例の燃料電池スタック 1 0は、固体高分子膜を電解質膜として利用しているため、電解質膜のプロトン伝導性を適正に保ち、所望の発電性能を得るために、電解質膜の加湿が必要である。力ソードオフガスには、燃料電池スタック 1 0で発電によって生成された生成水が含まれているので、この力ソードオフガスを循環させて力ソードに供給することによって、電解質膜の加湿を行うことができる。配管 3 6は、本発明における循環配管に相当する。

なお、図示するように、配管 3 2の配管 3 6との合流部の上流には、燃料電池スタック 1 0への空気の供給量を制御するための供給用スロットル 4 6が設置されている。また、配管 3 2のフィルタ 3 0と供給用スロットル 4 6との間には、フィルタ 3 0と供給用スロットル 4 6との間の配管 3 2内の圧力を測定するための圧力センサ 5 2が設置されている。また、配管 3 2の配管 3 6との合流部と空気ポンプ 4 2との間にも、圧力センサ 5 0が設置されている。また、配管 3 4には、背圧を測定するための圧力センサ 5 4が設置されている。また、配管 3 6には、力ソードオフガスの循環量を制御するための循環用スロットル 4 4が設置されている。空気ポンプ 4 2の回転数や、循環用スロットル 4 4の開度や、供給用スロッ卜ル 4 6の開度を制御することによつて、力ソードオフガスの循環量を制御することができる、空気ポンプ 4 2と、循環用スロットル 4 4と、供給用スロットル 4 6とは、本発明における循環ガス流量調整部に相当する。

燃料電池システム 1 00の運転は、制御ュニッ卜 60によって制御される。制御ュニット 60は、内部に CPU、 RAM. ROMを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、 ROMに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット 60に入出力される信号の一例を破線で示した。入力信号としては、例えば、圧力センサ 50, 52, 54や、電圧センサ 1 2の検出信号などが挙げられる。出力信号としては、例えば、背圧制御弁 3 8や、空気ポンプ 42や、循環用スロットル 44や、供給用スロットル 46などの制御信号が挙げられる。制御ユニット 60は、本発明における制御部に相当する。

B. 運転制御：

以下、燃料電池スタック 1 0において、フラッデイングが発生したときに、これを解消するために実行するフラッデイング解消制御について説明する。フラッディングとは、電解質膜近傍で生成水が凝縮し、過剰な水分によって電解質膜への反応ガスの拡散が妨げられ、燃料電池の発電性能が低下する現象である。

図 2は、フラッデイング解消制御の流れを示すフローチャートである。この制御は、燃料電池システム 1 00の運転中に、制御ュニット 60の C P Uが、随時行う制御でめる

まず、 CPUは、電圧センサ 1 2によって、燃料電池スタック 1 0のセル電圧を測定する（ステップ S 1 00) 。そして、その電圧値に基づいて、燃料電池スタック 1 0において、フラッデイングが発生したか否かを判断する（ステップ S 1 1 0) 。例えば、セル電圧が所定値以下の場合に、フラッデイングが発生したと判断する。

ステップ S 1 1 0において、フラッデイングが発生したと判断した場合には、 CP Uは、循環用スロットル 44の開度を増加させるとともに、空気ポンプ 42の回転数を増加させる（ステップ S 1 20) 。こうすることによって、力ソードオフガスの循環量を増大させて、流速を増大させ、燃料電池スタック 1 0の電解質膜近傍の過剰な水分の排出を促進することができる。このとき、 CPUは、圧力センサ 52の出力が一定になるように、循環用スロットル 44の開度、および、空気ポンプ 42の回転数を制御する。また、 CPUは、圧力センサ 54の出力をモニタし、背圧が一定になるように、背圧制御弁 38の開度を制御する。背圧制御弁 38の開度を大きくして、背圧を低く制御すれば、燃料電池スタック 1 0からの水分の排出をさらに促進することができる。

次に、 CPUは、電圧センサ 1 2によって、燃料電池スタック 1 0のセル電圧を測定し、ステップ S 1 1 0と同様にして、フラッデイングが解消したか否かを判断する (ステップ S 1 30) 。フラッデイングが解消した場合には（ステップ S 1 30 ： Y ES) 、フラッデイング解消制御を終了する。

ステップ S 1 30において、フラッデイングが解消していない場合には（ステップ S 1 30 ： NO) 、 CPUは、供給用スロットル 46の開度を減少させるとともに、空気ポンプ 42の回転数をさらに増加させる（ステップ S 1 40) 。こうすることによって、酸化剤ガスとしての空気の供給量を減少させずに、力ソードオフガスの循環量を増大させて、総量として流速を増大させ、燃料電池スタック 1 0の電解質膜近傍の過剰な水分の排出を、さらに促進することができる。このとき、 CPUは、圧力センサ 52の出力が一定になるように、供給用スロットル 46の開度、および、空気ポンプ 42の回転数を制御する。また、 CP Uは、圧力センサ 54の出力をモニタし、背圧が一定になるように、背圧制御弁 38の開度を制御する。

そして、 CPUは、再度、電圧センサ 1 2によって、燃料電池スタック 1 0のセル電圧を測定し、ステップ S 1 1 0と同様にして、フラッデイングが解消したか否かを判断する（ステップ S 1 50) 。フラッデイングが解消していない場合には、解消するまでカソードオフガスの循環量を増大させた運転を継続する（ステップ S 1 50 : NO) 。フラッデイングが解消した場合には（ステップ S 1 50 ： YES) 、フラッディング解消制御を終了する。以上説明した本実施例の燃料電池システム 1 0 0によれば、水分を含む力ソードォフガスを循環させて力ソードに供給することによって、燃料電池スタック 1 0電解質膜の加湿を行いつつ、燃料電池スタック 1 0においてフラッデイングが生じたときに、カソードオフガスの循環量を増大させて過剰な水分を排出し、フラッデイングを解消することができる。

C . 変形例：

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

C 1 . 変形例 1 ：

図 3は、変形例としての燃料電池システム 1 0 O Aの概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム 1 0 0 Aは、上記実施例の燃料電池システム 1 0 0における供給用スロットル 4 6、および、圧力センサ 5 2を備えていないこと以外は、燃料電池システム 1 0 0と同じである。そして、本変形例におけるフラッデイング解消制御では、図 2に示したフローチャートにおいて、ステップ S 1 3 0、および、ステップ S 1 4 0の各処理を省略するようにする。

本変形例の燃料電池システム 1 0 0 Aによっても、上記実施例の燃料電池システム 1 0 0と同様に、水分を含む力ソードオフガスを循環させて力ソードに供給することによって、燃料電池スタック 1 0電解質膜の加湿を行いつつ、燃料電池スタック 1 0 においてフラッデイングが生じたときに、力ソードオフガスの循環量を増大させて過剰な水分を排出し、フラッディングを解消することができる。

C 2 . 変形例 2 ：

上記変形例の燃料電池システム 1 0 0 Aにおいて、循環用スロットル 4 4の代わりに、循環用ポンプを設置し、これを制御するようにしてもよい。すなわち、フラッデイングが発生したと判断した場合には、 C P Uは、空気ポンプ 4 2の回転数を増加させる他、循環用ポンプの回転数も増加させるようにする。こうすることによって、力ソードオフガスの循環量を増大させて、流速を増大させ、燃料電池スタック 1 0の電解質膜近傍の過剰な水分の排出を促進することができる。

C 3 . 変形例 3 ：

上記実施例では、図 2に示したフラッディング解消制御のステップ S 1 5 0において、フラッデイングが解消してない場合には、そのまま力ソードオフガスの循環量を増大させた運転を継続するものとしたが、本発明は、これに限るものではない。例えば、ステップ S 1 2 0に戻り、循環用スロットル 4 4の開度をさらに増加させ、空気ポンプ 4 2の回転数をさらに増加させるようにしてもよい。また、ステップ S 1 4 0 に戻り、供給用スロットル 4 6の開度をさらに減少させ、空気ポンプ 4 2の回転数をさらに増加させるようにしてもよい。

C 4 . 変形例 4 ：

上記実施例では、電圧センサ 1 2によって検出されたセル電圧に基づいて、燃料電池スタック 1 0においてフラッデイングが発生したか否かを判断するものとしたが、これに限られない。例えば、インピーダンスメータを用いて、燃料電池スタック 1 0 の交流インピーダンスを測定し、その測定値に基づいて、判断するようにしてもよし、。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池システムであって、

電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、

前記燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する供給配管と、

前記力ソードから排出された力ソードオフガスを、前記供給配管に循環させる循環配管と、

前記燃料電池において、フラッディングが発生したことを検出するフラッデイング検出部と、

前記循環ガス流量調整部を制御する制御部と、を備え、

前記制御部は、

前記フラッディング検出部によって、フラッディングが発生したと検出されたときに、前記循環配管を通って循環する力ソードオフガスの流量が、フラッデイングが発生していないときよりも増大するように、前記循環ガス流量調整部を制御する、燃料電池システム。

2 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記循環ガス流量調整部は、

前記制御部は、前記フラッデイング検出部によって、フラッデイングが発生したと検出されたときに、フラッデイングが発生していないときよりも、前記ポンプの回転数を増加させるとともに、前記第 "Iの流量調整バルブの開度を大きくする、

燃料電池システム。

3 . 請求の範囲第 1項に記載の燃料電池システムであって、

前記循環ガス流量調整部は、

前記循環配管に設けられた第 1のポンプと、

前記供給配管と前記循環配管との合流部の下流の前記供給配管に設けられた第 2のポンプと、を備え、

前記制御部は、

前記フラッデイング検出部によって、フラッデイングが発生したと検出されたときに、フラッデイングが発生していないときよりも、前記第 1および第 2のポンプの回転数を増加させる、

燃料電池システム。

4. 請求の範囲第 2項または第 3項に記載の燃料電池システムであって、前記循環ガス流量調整部は、さらに、

前記制御部は、

前記フラッデイング検出部によって、フラッデイングが発生したと検出されたときに、さらに、フラッデイングが発生していないときよりも、前記第 2の流量調整バルブの開度を小さくする、

燃料電池システム。

5 . 請求の範囲第 1項ないし第 4項のうちの任意の 1つに記載の燃料電池システムであって、

前記カソードから排出された力ソードオフガスを外部に排出する排出配管と、該排出配管に設けられ、背圧を制御する背圧制御弁と、

をさらに備え、

前記制御部は、

前記フラッディング検出部によって、フラッディングが発生したと検出されたときに、フラッデイングが発生していないときよりも、前記背圧制御弁の開度を大きくする、

燃料電池システム。

6 . 請求の範囲第 1項ないし第 5項のうちの任意の 1つに記載の燃料電池システムであって、

前記フラッデイング検出部は、前記燃料電池のセル電圧を検出する電圧センサを含む、

燃料電池システム。

7 . 請求の範囲第 1項ないし第 5項のうちの任意の 1つに記載の燃料電池システムであって、

前記フラッデイング検出部は、前記燃料電池の交流インピーダンスを測定するインピーダンスメータを含む、

燃料電池システム。

8 . 燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、

電解質膜として固体高分子膜を用いた燃料電池と、

前記力ソードから排出された力ソードオフガスを、前記供給配管に循環させる循環配管と、を備えており、

前記制御方法は、

( a ) 前記燃料電池において、フラッデイングが発生したことを検出する工程と、

( b ) 前記フラッデイングが発生したと検出されたときに、前記循環配管を通って循環する力ソードオフガスの流量を、フラッディングが発生していないときよりも増大させる工程と、

を備える制御方法。

9 . 請求の範囲第 8項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは、

前記力ソードから排出された力ソードオフガスを外部に排出する排出配管をさらに備えており、

前記制御方法は、

( d ) 前記フラッデイングが発生したと検出されたときに、前記排出配管内の背圧を、フラッデイングが発生していないときよりも低くさせる工程

をさらに備える制御方法。