(57)【要約】【課題】水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池の温度制御を適正に行えるようにする。【解決手段】燃料電池１のカソード極５に、空気供給通路１７を通して空気を供給するとともに、水ポンプ４１により水３５を供給し、水の気化潜熱により冷却を行うと同時に、水蒸気により空気の加湿を行う。この際、燃料電池１におけるカソード極５の反応ガス出口部付近の水蒸気分圧が、燃料電池１を温度制御する際の目標温度における飽和水蒸気圧になるよう制御する。燃料電池１の反応ガス出口での水蒸気分圧は、この反応ガス出口での水蒸気量、非凝縮性のガスの量、ガス圧力によって決まるので、燃料電池１の反応ガス出口における非凝縮性のガス（反応ガス）の量を制御することにより、燃料電池１の温度を目標温度に制御できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給し、前記水の気化潜熱により冷却を行うとともに、前記水の蒸気により前記反応ガスの加湿を行う燃料電池の温度制御方法において、前記燃料電池の反応ガスが流出する反応ガス出口部付近の水蒸気分圧によって前記燃料電池の温度を制御することを特徴とする燃料電池の温度制御方法。
【請求項２】
前記水蒸気分圧を、前記反応ガスの流量を変化させることで変化させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の温度制御方法。
【請求項３】
前記水蒸気分圧を、前記反応ガスの圧力を変化させることで変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池の温度制御方法。
【請求項４】
前記制御する燃料電池の温度は、前記反応ガスの出口温度とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池の温度制御方法。
【請求項５】
前記制御する燃料電池の温度は、燃料電池から流出するガス流量が多いほうの反応ガスの出口温度とすることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の温度制御方法。
【請求項６】
前記反応ガスとともに水を供給した電極からの反応ガス出口付近に、水の排出口を設け、前記制御する燃料電池の温度は、前記水の排出口温度とすることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池の温度制御方法。
【請求項７】
燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給し、前記水の気化潜熱により冷却を行うとともに、前記水の蒸気により前記反応ガスの加湿を行う燃料電池の温度制御装置において、前記燃料電池の反応ガスが流出する反応ガス出口部付近の水蒸気分圧を変化させることで、前記燃料電池の温度を制御する制御手段を設けたことを特徴とする燃料電池の温度制御装置。
【請求項８】
前記制御手段は、前記反応ガスを前記燃料電池の電極に供給する反応ガス供給手段の駆動を制御することで、前記反応ガスの流量を変化させ、前記反応ガス出口部付近の水蒸気分圧を変化させることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の温度制御装置。
【請求項９】
前記制御手段は、前記反応ガスの出口圧力を変化させる圧力調整手段を駆動制御することで、前記反応ガス出口部付近の水蒸気分圧を変化させることを特徴とする請求項７または８に記載の燃料電池の温度制御装置。
【請求項１０】
前記反応ガス出口部付近に反応ガスの温度を検出する温度検出手段を設け、前記制御手段は、前記温度検出手段の検出温度と目標とする燃料電池の温度とを比較して、前記燃料電池の温度を制御することを特徴とする請求項７ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池の温度制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給し、水の気化潜熱により冷却を行うとともに、水の蒸気により反応ガスの加湿を行う燃料電池の温度制御方法および温度制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分子固体電解質膜を利用した燃料電池では、一般的には高分子固体電解質膜のイオン伝導度を維持するために加湿が必要である。また、燃料電池の発電に伴う温度上昇を抑えるためには、一般的には燃料電池内に冷却水を導入し、熱を冷却水に伝熱させ、受熱後の冷却水を外部に排出する。
【０００３】
このため、燃料電池の外部には加湿器が、燃料電池の内部には冷却水を流す空間が、それぞれ必要になり、燃料電池本体の内外で、加湿および冷却のためのスペースが必要となって燃料電池装置全体の大型化を招くという不具合がある。
【０００４】
このような不具合を解消するものとして、例えば下記特許文献１に記載されているように、燃料電池内に、反応ガスと水とを同時に供給し、水の気化潜熱により冷却を行うとともに、気化した水蒸気により反応ガスを加湿する燃料電池が知られている。
【特許文献１】特開平８−３０６３７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、燃料電池内に反応ガスと水とを同時に供給し、水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池にあっては、燃料電池内に設けた冷却水通路に冷却水を流して冷却を行う燃料電池に比較すると、温度制御の自由度が低く、燃料電池の温度を適正に確保できず、安定した運転が確保できないという不具合が発生する。
【０００６】
そこで、本発明は、水の気化潜熱により冷却を行う燃料電池の温度制御を適正に行えるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、燃料電池の電極に反応ガスとともに水を供給し、前記水の気化潜熱により冷却を行うとともに、前記水の蒸気により前記反応ガスの加湿を行う燃料電池の温度制御方法において、前記燃料電池の反応ガスが流出する反応ガス出口部付近の水蒸気分圧によって前記燃料電池の温度を制御することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の反応ガスが排出される反応ガス出口部付近の水蒸気分圧によって燃料電池の温度を制御するようにしたため、水蒸気分圧が、燃料電池を温度制御する際の目標温度における飽和水蒸気圧になるよう制御することで、燃料電池の温度を目標温度となるよう適正に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１０】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の温度制御装置を含む燃料電池システム全体の構成図である。燃料電池１は、高分子固体電解質膜３の両側に、カソード極５およびアノード極７をそれぞれ設けた膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。実際には、図２に断面図として示すように、一つの電池セル９が、高分子固体電解質膜３を挟持するようにその両面に位置するカソード極５およびアノード極７の外側に、電池セル９相互間の隔壁を成すバイポーラプレート１１，１３を備えており、通常は、この電池セル９を複数積層することで燃料電池スタックを構成している。
【００１１】
高分子固体電解質膜３は、フッ素系樹脂などの固体高分子材料により、プロトン伝導性の膜として形成している。この高分子固体電解質膜３の両面のカソード極５およびアノード極７は、白金または、白金とその他の金属とからなる触媒を担持するカーボン微粒子を塗布したカーボンクロス、またはカーボンペーパからなり、触媒の存在する塗布面が高分子固体電解質膜３と接触している。
【００１２】
バイポーラプレート１１，１３は、ガス不透過である緻密性カーボン材で構成している。一方のバイポーラプレート１１は、カソード極５に対向する面に、反応ガスである酸素を含む空気が流通する空気流路１１ａを形成している。他方のバイポーラプレート１３は、アノード極７に対向する面に、燃料ガスとして水素が流通する水素流路１３ａを形成している。
【００１３】
上記したような燃料電池１に対し、カソード極５には、反応ガス供給手段としての空気ブロア１５により空気供給通路１７を通して空気を圧送し、アノード極７には、水素タンク１９から、水素供給通路２１に設けた水素圧力調整弁２３およびエジェクタ２５を通して水素を導入する。
【００１４】
空気および水素の供給を受けて発電する燃料電池１は、カソード極５から排出される空気を、空気排出通路２７に設けた空気圧力センサ２８，温度検出手段としての空気温度センサ２９および圧力調整手段としての空気圧力調整弁３１を通して外部に放出し、またアノード極７から排出される余剰の水素を、水素循環通路３３に流出させてエジェクタ２５により吸引して再度アノード極７に供給する。
【００１５】
燃料電池１を蒸発潜熱により冷却しかつ反応ガス（ここでは空気）を蒸気により加湿するための水３５は、水タンク３７から、水配管３９に設けた水ポンプ４１で圧送し、水圧力調整弁４３を通してカソード極５に、前記した空気とともに供給する。
【００１６】
また、制御手段としてのコントローラ４５は、上記した空気圧力センサ２８や空気温度センサ２９の検出信号を取り込み、空気ブロア１５，空気圧力調整弁３１，水素圧力調整弁２３，水ポンプ４１，水圧力調整弁４３に対する駆動制御を行って燃料電池１の温度制御を行う。
【００１７】
上記した構成の燃料電池１においては、カソード極５に空気を、アノード極７に水素をそれぞれ供給して発電し、また発電とともに発熱する。その際、カソード極５に水３５を供給することで、水の蒸発潜熱によって燃料電池１を冷却すると同時に、蒸発した水蒸気によって反応ガスである空気を加湿する。
【００１８】
燃料電池１を冷却することで高温化を抑える一方、空気を加湿することで高分子固体電解質膜３のイオン伝導度を維持し、これにより燃料電池１は安定した運転が可能となる。
【００１９】
次に、本発明における水蒸気分圧を利用した燃料電池の温度制御について説明する。
【００２０】
次式（１）は、カソード極５に供給した水３５の燃料電池１内で蒸発する水蒸気量ＮH2O,evpを求める式である。
【００２１】
ＮH2O,evp＝Ｈeat／Ｌ……（１）
燃料電池１の発熱量Ｈeatを水の蒸発潜熱Ｌで除することで、燃料電池１内で蒸発する水蒸気量ＮH2O,evpが求まる。厳密には、発熱量Ｈeatの一部は非凝縮性ガス（空気中に含まれる窒素など）にも伝熱されるが、大まかには上記の式（１）で予測できる。
【００２２】
なお、発熱量Ｈeatの算出については、以下のようにして行う。燃料電池１における一つの電池セル９の発生電圧を、該電池セル９固有の定格電圧（１．２５Ｖ：電圧換算した発熱量に相当）で割った数値が燃料電池１の発電効率ηになるので、その効率ηと発電量Ｐから、以下のようになる。
【００２３】
Ｈeat＝Ｐ（１／η−１）
つまり、水素の持つエネルギと発電量との差分が発熱量Ｈeatとなる。
【００２４】
なお、上記式での発熱量Ｈeatの算出は、簡易的な方法であり、実際にはカソードガス（空気）の顕熱の影響を考慮する必要がある。
【００２５】
また、次式（２）は、カソード極５の空気排出通路２７への空気出口部での水蒸気量ＮH2Oを求める式である。
【００２６】
ＮH2O＝ＮH2O,evp＋ＮH2O,gen……（２）
この水蒸気量ＮH2Oは、前記した燃料電池１内の水蒸気量ＮH2O,evpに、燃料電池１の発電で生じた生成水（蒸気）量ＮH2O,genを加えたものである。厳密には、燃料電池１内で蒸発する水蒸気量ＮH2O,evpの一部は、高分子固体電解質膜３を透過してアノード極７に流れるが、大まかには上記の式（２）で予測できる。
【００２７】
なお、生成水量ＮH2O,genは、燃料電池１で消費された水素量と同じなので、この消費水素量から求めることができる。もしくは、電池セル９の個数ｎと電流値Ｉとファラディ定数Ｆから、以下の式で求めることができる。
【００２８】
ＮH2O,gen＝ｎＩ／２Ｆ
次式（３）は、カソード極５から空気排出通路２７への空気出口部での水蒸気分圧ＰH2Oを求める式である。
【００２９】
ＰH2O＝{（ＮH2O／（ＮH2O＋Ｎdry））×Ｐ＝Ｐsat（Ｔset）……（３）
水蒸気分圧ＰH2Oは、空気排出通路２７に排出される空気中の水蒸気分率（ＮH2O／（ＮH2O＋Ｎdry）に、空気圧力センサ２８で検出したガス圧力Ｐを乗じて求める。なお、Ｎdryは排出空気中の非凝縮性ガスの量である。
【００３０】
図３は、燃料電池１の目標とする温度Ｔsetにおける飽和水蒸気圧Ｐsat（Ｔset）［Ｐａ］と、燃料電池１の温度［Ｋ］との関係を示す図で、この関係のマップを、前記したコントローラ４５が内蔵するメモリに格納しており、上記した飽和水蒸気圧Ｐsat（Ｔset）となるように、水蒸気分圧ＰH2Oを調整する。
【００３１】
次に動作を説明する。燃料電池１の目標温度Ｔsetに該当する飽和水蒸気圧Ｐsat（Ｔset）を、図３のマップよりコントローラ４５が算出する。一方で、コントローラ４５は、燃料電池１の出口水蒸気量ＮH2Oを、前記した式（１）および（２）から算出する。
【００３２】
続いてコントローラ４５は、前記した式（３）の関係が成り立つように、つまり式（３）での非凝縮性ガス量Ｎdryと出口ガス圧力Ｐとの関係が成り立つように、空気ブロア１５と空気圧力調整弁３１を駆動制御する。
【００３３】
そして、このようにして決定したカソード極５の出口ガス圧力Ｐに追随するように、コントローラ４５は、水圧力調整弁４３により水の圧力を、水素圧力調整弁２３によりアノード極７の圧力をそれぞれ制御する。
【００３４】
図４は、上記のようにして目標温度Ｔsetに対応する水蒸気分圧ＰH2Oを算出したコントローラ４５が、制御する燃料電池１の温度となる空気温度センサ２９の検出値を参照してフィードバック制御する際のフローチャートである。
【００３５】
まず、目標温度Ｔsetと空気温度センサ２９の検出温度Ｔsenとの差が、閾値ε以下か否かを判断し（ステップ１０１）、閾値εを超える場合（ステップ１０１でＮＯ）には、検出温度Ｔsenが目標温度Ｔsetより低いか否かを判断する（ステップ１０３）。
【００３６】
ここで、検出温度Ｔsenが目標温度Ｔsetより低い場合（ステップ１０３でＹＥＳ）には、非凝縮性ガス（反応ガスである空気）の流量を減らすように空気ブロア１５を駆動制御する（ステップ１０５）。非凝縮性ガスの流量を減らすことで、水の気化潜熱による燃料電池１に対する冷却作用を抑える。逆に、検出温度Ｔsenが目標温度Ｔset以上の場合（ステップ１０３でＮＯ）には、非凝縮性ガス（反応ガス）の流量を増やすように空気ブロア１５を駆動制御する。非凝縮性ガスの流量を増やすことで、水の気化潜熱による燃料電池１に対する冷却作用を増大させる。
【００３７】
すなわち、燃料電池１の定常運転時では発熱量が固定しているので、蒸発量が殆ど変化せず、このため非凝縮性ガスの量を増やすと、水蒸気分圧が下がる。特に過渡運転状態では、非凝縮性ガスの量を増やすと、その温度の飽和水蒸気圧を維持しようと非凝縮性ガス量を増加させる前よりも、蒸発量が増える。蒸発量が増えるということは、今まで、発熱量と蒸発量（冷却量）とが釣り合っていた状態が、冷却量が発熱量を上回る状態となり、これにより冷却が進み温度が下がる。つまり、蒸発量が発熱量にバランスする温度に収まることとなる。
【００３８】
前記ステップ１０１で、目標温度Ｔsetと検出温度Ｔsenとの差が、閾値ε以下の場合（ステップ１０１でＹＥＳ）には、非凝縮性ガスの流量の増減制御は実施しない。
【００３９】
これにより、空気温度センサ２９の検出温度Ｔsenと目標温度Ｔsetとの差が閾値ε以下になるように制御できる。
【００４０】
このように、本実施形態によれば、燃料電池１の反応ガスである空気が流出する反応ガス（空気）出口部付近の水蒸気分圧によって燃料電池１の温度を制御しており、この際水蒸気分圧が、燃料電池１を温度制御する際の目標温度Ｔsetでの飽和水蒸気圧Ｐsat（Ｔset）になるよう制御することで、燃料電池１の温度を目標温度Ｔsetとなるよう適正に制御することができ、安定した運転を確保することができる。
【００４１】
また、本実施形態によれば、前記した水蒸気分圧を、燃料電池１の反応ガス（空気）流量を変化させることで変化させている。ここで、燃料電池１の反応ガス出口におけるガスの水蒸気分圧ＰH2Oは、前記した式（３）で示したように、燃料電池１の反応ガス出口における水蒸気量ＮH2O、非凝縮性のガスの量Ｎdry、ガス圧力Ｐによって決まるので、燃料電池１の反応ガス出口における非凝縮性のガス（反応ガス）の量Ｎdryを制御することにより、燃料電池１の温度を目標温度Ｔsetに制御できる。
【００４２】
また、本実施形態では、前記制御する燃料電池１の温度を、反応ガス出口付近としている。フィードバック系制御を組む場合の参照温度をとる場合、最高温度と予測される燃料電池セル９内の部位である固体高分子電解質膜３とすることが望ましく、この際上記した反応ガス出口付近の温度は、高分子固体電解質膜３に極めて近いことから、より精度よくの燃料電池１の最高温度を制御できるという利点がある。
【００４３】
この際、本実施形態では、前記制御する燃料電池１の温度を、燃料電池１から流出するガス流量が多いほうの反応ガスである空気の出口温度としている。フィードバック系制御を組む場合の参照温度をとる場合、反応ガス流量の多いほうのガス出口温度が、燃料電池１の最高ガス温度となるので、燃料電池１の最高温度をより的確に制御できる。これは、反応ガス流量の多い空気側のほうが、少ない水素側より熱量の収支が大きく、温度変化がより明確となることによる。
【００４４】
本発明の第２の実施形態として、上記第１の実施形態における非凝縮性のガス（反応ガス）の量を制御する代わりに、燃料電池１の反応ガス圧力である、前記式（３）における出口ガス圧力Ｐを制御する。これにより、第１の実施形態と同様に、燃料電池１の温度を目標温度Ｔsetに制御できる。
【００４５】
なお、第３の実施形態として、前記した水蒸気分圧を、第１の実施形態における非凝縮性のガス（反応ガス）の量Ｎdryを制御するとともに、燃料電池１の反応ガス圧力である出口ガス圧力Ｐを制御することで、変化させるようにしてもよい。反応ガス流量、反応ガス圧力を変化させると、反応ガスの圧力損失も変化するため、反応ガス出口の流量と圧力の一方を制御しただけでは、入口の圧力も変化してしまうが、圧力と流量を同時に制御することにより、燃料電池１の温度を目標温度Ｔsetに制御する際に、入口の圧力変化を抑えることができる。入口の圧力変化を抑えることで、空気ブロア１５の消費電力を安定化させるなどにより、結果として燃料電池１の発電効率を高めることができる。
【００４６】
本発明の第４の実施形態として、カソード極５に供給した水の排出口を、図１における反応ガスである空気の出口付近とし、前記制御する燃料電池１の温度を、前記水の排出口温度とする。
【００４７】
図５は、空気流路１１ａを表面に備えるバイポーラプレート１１を平面図として示しており、図５中の左側端部にて紙面に直交する方向、すなわち燃料電池１の各構成部品の積層方向に沿って、燃料電池１を貫通する反応ガス入口となる空気入口マニホールド４７を設け、同右側端部にて紙面に直交する方向に沿って、燃料電池１を貫通する反応ガス出口となる空気出口マニホールド４９を設け、これら各空気入口，出口マニホールド４７，４９相互を、前記した空気流路１１ａにより連通している。
【００４８】
すなわち、上記した空気入口マニホールド４７を流れる空気が、前記図２に示した各電池セル９の空気流路１１ａにそれぞれ分配供給される。
【００４９】
同様にして、上記した空気入口，出口マニホールド４７，４９にそれぞれ隣接して、水素入口，出口マニホールド５１，５３を、図５中の紙面に直交する方向に貫通して設けている。そして、この水素においても、上記した空気と同様に、各電池セル９の水素流路１３ａに分配供給される。
【００５０】
そして、本実施形態では、上記した空気出口マニホールド４９における鉛直方向下方位置を、図５中で紙面に直交する方向に貫通する水の排出口となる水排出マニホールド５５とし、この水排出マニホールド５５に、水排出通路５７を接続する。水排出通路５７には開閉弁５９を設け、排出した水は前記図１に示してある水タンク３７に戻す。
【００５１】
本実施形態によれば、フィードバック系制御を組む場合の参照温度をとる場合、水排出通路５７を反応ガス流量の多いほうの反応ガス出口に近接させることにより、水の温度もそのガス温度にほぼ等しくなり、水温度を参照することにより燃料電池１の最高温度を制御できる。この際、水はガスより熱容量が大きいため、ガスを対象とするよりも水を対象とした方が、温度計測が容易になるという利点がある。
【００５２】
なお、本発明の前記した実施形態では、温度算出の手立てとして、式（１）〜（３）および図５のマップを利用しているが、当然ながら、上記の式およびマップに加え、顕熱を含めた算出手段を利用してもよい。
【００５３】
また、前記した実施形態では水の供給手段として、水ポンプ４１を利用しているが、当然ながら他の圧力源の利用を排除するものではない。
【００５４】
また、前記した実施形態では、緻密性のバイポーラプレートに気液２相流として水を供給しているが、多孔性のバイポーラプレートから水を供給する方式を排除するものではない。
【００５５】
さらに、前記した実施形態では、カソード極５に空気とともに水を供給する例を示しているが、これは非凝縮性ガスの流量が一般にカソードの方が大きいためであり、当然ながら非凝縮性ガスの流量がアノード側で大きい場合には、アノード極７に、水素とともに水を供給することになる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の温度制御装置を含む燃料電池システム全体の構成図である。
【図２】燃料電池における電池セル１個分の断面図である。
【図３】燃料電池の目標温度における飽和水蒸気圧と燃料電池の温度との相関図である。
【図４】燃料電池の温度となる空気温度センサの検出値を参照してフィードバック制御する際のフローチャートである。
【図５】空気流路を表面に備えるバイポーラプレートの平面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  燃料電池
５  カソード極（燃料電池の電極）
７  アノード極（燃料電池の電極）
１５  空気ブロア（反応ガス供給手段）
２９  空気温度センサ（温度検出手段）
３１  空気圧力調整弁（圧力調整手段）
３５  水
５５  水排出マニホールド（水の排出口）
【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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