(57)【要約】【課題】  燃料電池からの排出ガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁の制御精度を向上させ、燃料電池の破損を有効に防止する。【解決手段】  燃料電池から排出されるエアオフガスの背圧を制御可能な背圧調整弁２８と、該背圧調整弁２８の弁開度を制御することにより燃料電池の入口側のガス圧力を目標空気流量に応じた目標ガス圧力に制御する制御装置１００とを備えた燃料電池システムにおいて、背圧調整弁２８の弁開度を燃料電池に供給されるエアの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定する。【選択図】  図２
2006100152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池から排出されるガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁と、該エア圧力制御弁の弁開度を制御することにより燃料電池入口側のガス圧力を目標空気流量に応じた目標ガス圧力に制御するガス圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記エア圧力制御弁の弁開度は、燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定される燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方を用いて前記エア圧力制御弁の弁開度を設定するフィードフォワード制御と、前記背圧の測定値と目標値との差分に応じて前記エア圧力制御弁の弁開度を設定するフィードバック制御とが所定条件下で切替可能な請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池から排出されるガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁と、該エア圧力制御弁の弁開度を制御することにより燃料電池入口側のガス圧力を目標空気流量に応じた目標ガス圧力に制御するガス圧力制御手段とを備え、
前記エア圧力制御弁の弁開度が燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定されるものであり、このガスの条件を様々に変更することによって燃料電池を検査する燃料電池の検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及び燃料電池の検査システムに係り、特に、極間差圧に起因する燃料電池の破損防止に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆる固体高分子電解質型の燃料電池は、電解質膜の両側にアノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備え、アノードに水素ガスに代表される燃料ガスが供給され、カソードに空気に代表される酸化ガスが供給されることで、電気を外部に取り出す。一般に、燃料ガスは、例えば高圧タンクに貯留されており、レギュレータで所定の圧力に調整されてアノードに供給され、酸化ガスはコンプレッサにより大気中の空気が圧送されることでカソードに供給される。
【０００３】
ところで、かかる燃料電池においては、実際に発電を行わせて不具合の有無を検査することがある。この検査は、例えば燃料電池への供給ガスを任意の流量，温度，湿度に調整する等して行われる（特許文献１，２参照）。
【特許文献１】特開２００２−３７２２６２号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２１１５号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、検査時にこれら供給ガスの温度や湿度等の条件を変えると、温度や湿度は圧力（背圧）に影響する要因であるため背圧が変動してしまい、極間差圧によって電解質膜が損傷し、燃料電池の破損に繋がるおそれがある。また、燃料電池システムの運転時においても、周辺環境の変化に伴い供給ガスの温度や湿度等の条件が変わり得るので、同様のおそれがある。さらに、背圧が上昇すると、コンプレッサの消費電力が増大し、燃料電池システムの発電効率が低下してしまうという課題もある。
【０００５】
そこで、本発明は、燃料電池からの排出ガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁の制御精度を向上させることにより、上記課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池から排出されるガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁と、該エア圧力制御弁の弁開度を制御することにより燃料電池入口側のガス圧力を目標空気流量に応じた目標ガス圧力に制御するガス圧力制御手段とを備えた燃料電池システムにおいて、前記エア圧力制御弁の弁開度は、燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定されるものである。
【０００７】
この構成によれば、周辺環境が変化する等して燃料電池に導入されるガスの条件が変わっても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、エア圧力制御弁の高精度な制御が可能となる。
【０００８】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方を用いて前記エア圧力制御弁の弁開度を設定するフィードフォワード制御と、前記背圧の測定値と目標値との差分に応じて前記エア圧力制御弁の弁開度を設定するフィードバック制御とが所定条件下で切替可能な構成でもよい。
【０００９】
この構成によれば、人の操作等に対して高い応答性が求められているときには、前者のフィードフォワード制御によって、電解質膜破損のおそれを招来することなく可及的速やかにエア圧力制御弁の弁開度を目標値に近づけることができる。また、かかるフィードフォワード制御を実行した後は、後者のフィードバック制御によって、背圧の目標値に現在値を精度良く一致させることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池の検査システムは、燃料電池から排出されるガスの背圧を制御可能なエア圧力制御弁と、該エア圧力制御弁の弁開度を制御することにより燃料電池入口側のガス圧力を目標空気流量に応じた目標ガス圧力に制御するガス圧力制御手段とを備え、前記エア圧力制御弁の弁開度が燃料電池入口側のガスの温度と湿度のうち少なくとも一方に応じて決定されるものであり、このガスの条件を様々に変更することによって燃料電池を検査するものである。
【００１１】
この構成によれば、検査のために燃料電池に導入するガスの条件を変えても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、電解質膜破損のおそれを招来することなく様々なガス条件での検査が可能となる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池に導入されるガスの条件が変わっても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、エア圧力制御弁の制御精度、言い換えれば、エア圧力の制御精度が向上し、燃料電池の破損を有効に防止することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料電池の検査システムによれば、燃料電池に導入するガスの条件を変えても、該ガスの温度や湿度の変化に対応してエア圧力制御弁の弁開度が調整されるので、電解質膜の破損のおそれを招来することなく様々なガス条件での検査が可能となり、検査精度が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００１５】
図１に示すように、この燃料電池システム１は、酸化ガスとしてのエア（空気）および燃料ガスとしての水素ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２にエアを供給するエア供給系３と、燃料電池２に水素ガスを供給する水素ガス供給系４と、燃料電池２へのエア及び水素ガスにスチームを供給するスチーム供給系５と、これら供給系３〜５の構成部品などシステム全体を統括制御する制御装置（ガス圧力制御手段）１００とを備えている。
【００１６】
燃料電池２は、基本単位となる単セルを多数積層したスタック構造として構成されている。単セルは、いずれも図示省略したが、イオン交換膜からなる電解質膜と、電解質膜を両面から挟んだ一対の電極（アノードおよびカソード）とで構成されている。
【００１７】
エア供給系３は、エアを燃料電池２に供給するための供給流路１１と、燃料電池２から排出されたエアオフガスを外部に排出するための排出流路１２とを備えている。そして、供給流路１１には、その上流側から順に、エア供給源２１、流量センサ２２、流量調整弁２３、ヒーター２４、温度センサ２５及び湿度センサ２６が配設されている。また、排出流路１２には、上流側から順に、圧力センサ２７及び背圧調整弁（エア圧力制御弁）２８が配設されている。
【００１８】
水素ガス供給系４は、水素ガスを燃料電池２に供給するための供給流路１５と、燃料電池２から排出された水素オフガスを外部に排出するための排出流路１６とを備えている。そして、供給流路１５には、その上流側から順に、水素供給源４１、流量センサ４２、流量調整弁４３、ヒータ４４、温度センサ４５及び湿度センサ４６が配設されている。また、排出流路１６には、上流側から順に、圧力センサ４７及び背圧調整弁４８が配設されている。
【００１９】
スチーム供給系５は、エア供給源２１からのエア及び水素供給源４１からの水素ガスにスチームを供給することによって、燃料電池２に供給されるエア及び水素ガスを加湿するものであり、スチーム供給源５１と、流量調整弁５２，５３とを備えている。流量調整弁５２は当該スチーム供給系５からエア供給系３への接続流路に配設され、流量調整弁５３は当該スチーム供給系５から水素ガス供給系４への接続流路に配設されている。
【００２０】
エア供給源２１からのエアは、流量調整弁２３で所定流量に調整され、スチーム供給源（加湿器）５１からのスチームの供給を受けて加湿された後、ヒーター２４で所定温度に加熱され、燃料電池２のカソード側に供給される。一方、水素供給源４１からの水素ガスは、流量調整弁４３で所定流量（圧力）に調整され、スチーム供給源５１からのスチームの供給を受けて加湿された後、ヒーター４４で所定温度に加熱され、燃料電池２のアノード側に供給される。燃料電池２では、エアと水素ガスとの電気化学反応により発電が行われる。なお、スチーム供給源５１、ヒーター２４，４４は省略してもよい。
【００２１】
エア供給系３における燃料電池２出口側のガス圧力は、排出流路１２に配設された背圧調整弁２８の弁開度を制御することによって、目標エア流量に応じた目標ガス圧力に制御される。一方、水素供給系４における燃料電池２出口側のガス圧力は、排出流路１６に配設された背圧調整弁４８の弁開度を制御することによって、一定圧力となるように制御される。これら背圧調整弁２８，４８は、制御装置１００から出力される制御信号によって弁開度が制御される。
【００２２】
図２は、背圧調整弁２８の制御系に係るブロック図である。
制御装置１００は、目標背圧設定部３０，背圧差分検出部３１，背圧フィードバック部３２，背圧調整弁開度演算部３３，変化検出部３４，背圧制御切替部３５，及び背圧調整弁直線補正部３８を備えてなり、圧力センサ２７，流量センサ２２，湿度センサ２６，及び温度センサ２５からの出力信号が入力されて、背圧調整弁２８に対する制御信号を出力する。
【００２３】
次に、信号の流れに従い、背圧調整弁２８の制御に係る制御装置１００の機能を説明する。まず、背圧調整弁２８で制御される背圧の目標値が、人の操作や他装置からの信号に基づき目標背圧設定部３０で設定され、背圧差分検出部３１と背圧フィードバック部３２と変化検出部３４とに入力される。他方、背圧の現在値（測定値）は、圧力センサ２７により検出され、背圧差分検出部３１と背圧フィードバック部３２とに入力される。
【００２４】
背圧差分検出部３１では、圧力センサ２７からの現在値と目標背圧設定部３０からの目標値とを比較し、演算値制御（フィードフォワード制御）とフィードバック制御との切替信号を背圧制御切替部３５へ出力する。フィードバック制御で設定される背圧調整弁２８の弁開度は、圧力センサ２７からの現在値と目標背圧設定部３０からの目標値に基づき、背圧フィードバック部３２で演算処理される。
【００２５】
他方、演算値制御で設定される背圧調整弁２８の弁開度は、流量センサ２２，湿度センサ２６，及び温度センサ２５からの各信号に基づき、背圧調整弁開度演算部３３にて演算処理される。この背圧調整弁開度演算部３３での演算は、実験から求めた下記式を用いて行う。
Ｙ  ＝  ｆ１（ｘ１）＋ｆ２（ｘ１，ｘ２）＋ｆ３（ｘ３）＋ｄ  ・・・（式）
ここで、Ｙ：弁開度，ｘ１：流量，ｘ２：湿度，ｘ３：温度，ｄ：定数であり、ｆ１（ｘ１）はｘ１を変数とする弁開度設定の関数，ｆ２（ｘ１，ｘ２）はｘ１及びｘ２を変数とする弁開度設定の関数，ｆ３（ｘ３）はｘ３を変数とする弁開度設定の関数である。
【００２６】
なお、背圧調整弁開度演算部３３では、上記式による数値演算に代えて、例えば図３に示すマップを参照して弁開度を設定することも可能である。この図３のマップにおいては、燃料電池２に供給されるエア流量が増大するに従い、背圧調整弁２８の弁開度も曲線的（非線形）に増大し、かつ、同一のエア流量でもエアオフガスの湿度が高くなるに従い背圧調整弁２８の弁開度が増大するように設定されている。
【００２７】
変化検出部３４は、目標背圧設定部３０で設定された目標背圧を記憶し、新たに設定された目標背圧（以下、今回値）と、その前に設定されていた目標背圧（以下、前回値）との差分、あるいはその差分に基づく切替信号を背圧制御切替部３５に出力する。フィードバック制御と演算値制御との切り替えは背圧制御切替部３５で行われる。この切り替えは、背圧差分検出部３１と変化検出部３４からの信号に基づき、所定の条件に従い行われる。
【００２８】
例えば、演算値制御からフィードバック制御への切り替えは、図４に示すように、背圧の現在値と目標値との差（以下、差分背圧）が、予め設定しておいたフィードバック差分範囲の二分の一以下になった後、その背圧差分が所定範囲に収束するまでの時間（以下、安定時間）が経過したときに行われる。この安定時間は、予め設定されている。一方、フィードバック制御から演算値制御への切り替えは、例えば、変化検出部３４からの目標背圧変化量（目標背圧の前回値と今回値との差分）が所定範囲を超えたときに行われる。
【００２９】
ところで、フィードバック制御と演算値制御は、入力及び出力機器の特性が直線であるときに最適となる。本実施の形態では、入力機器である各センサ２２，２５〜２７は直線特性（線形）であるので補正の必要はないが、出力機器である背圧調整弁２８は非直線（非線形）がほとんどであるため、直線特性に補正しておくことが好ましい。そこで、この制御装置１００からの出力信号は、背圧調整弁直線補正部３８にて直線特性に補正された上で、背圧調整弁２８に出力されるようになっている。
【００３０】
以上説明したとおり、本実施形態によれば、背圧調整弁２８の弁開度を設定する際に、燃料電池２に供給されるエア流量だけでなく、そのエアの湿度と温度の変化も考慮されて背圧調整弁２８の弁開度が制御される。このため、エア流量だけで弁開度を制御する場合（図５参照）のように、エア流量が一定である間にエアの湿度が上昇して背圧が過剰に上昇する、ということはない。
【００３１】
したがって、弁開度の制御精度、言い換えれば、ガス圧力の制御精度が向上し、電解質膜の破損を有効に防止することができ、燃料電池システムの信頼性も向上する。また、エア供給系３にコンプレッサを備える場合には、背圧の余計な上昇を回避することができる結果、コンプレッサの消費電力削減、ひいては燃料電池システムの発電効率の向上を図ることができる。
【００３２】
さらに、各センサ２２，２５，２６からの出力を用いて弁開度を設定する演算値制御と、差分背圧に基づき弁開度を設定するフィードバック制御とを切り替え可能にし、目標背圧の変化量が大きいとき、言い換えれば、人の操作等に対して高い応答性が求められているときには、前者の演算値制御を行うことによって、電解質膜の破損のおそれなく、できるだけ早く背圧調整弁２８の弁開度を目標値に近づける一方、かかる演算値制御を実行した後は、後者のフィードバック制御を行うことによって、背圧の目標値に現在値を精度良く一致させるようにしているので、信頼性向上と応答性向上との両立を図ることができる。
【００３３】
以上は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態を説明したものであるが、同様のシステム構成を燃料電池の検査システムに適用してもよい。
つまり、上記燃料電池システムと同様、燃料電池２入口側のエアの温度と湿度のうち少なく一方に応じて、背圧調整弁２８の弁開度が制御されるようにしておき、当該エアの条件を様々に変更することにより、燃料電池２に不具合があるか否かの検査を行う。
かかる構成の検査システムによれば、電解質膜を破損することなく様々なガス条件で検査を行えるので、検査精度の向上を図ることができる。
【００３４】
また、本発明のエア圧力制御弁は、要するに燃料電池２から排出されるエアオフガスの背圧を制御することが可能なものであれば、その構造や配置は上記背圧調整弁２８の形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】同実施形態に係る背圧調整弁の制御ブロック図である。
【図３】弁開度を設定する際に用いられるマップ図の一例である。
【図４】同実施形態によって弁開度を制御したときの背圧波形を示す図である。
【図５】流量変化だけで弁開度を制御したときの背圧波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…エア供給系、４…水素ガス供給系、  ２８…背圧調整弁（圧力制御弁）、  １００…制御装置（ガス圧力制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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