(57)【要約】【課題】燃料または酸化剤となるガスの供給量を正確に制御し、外気温度によらずに安定した電力供給を実現する。【解決手段】ポンプ出力演算部５は、燃料電池の負荷電流Ｉの計測値Ｋに対応するポンプ出力制御量の基準値Ｓを、空気ポンプ６の取り入れ口付近等の外気温度の測定値（外気温Ｔ）に基づき、空気の体積変化による影響を考慮して補正することにより空気ポンプ６を制御するための出力制御量Ｐを得て、空気ポンプ６に送出する。空気ポンプ６では、この出力制御量Ｐに基づいてポンプ出力を制御して空気極１１に空気Ａ（酸化剤）を供給する。これにより、負荷が必要とする電力は、空気ポンプ６の取り入れ口付近等の外気温度に影響されずに安定して供給される。【選択図】      図１
2004207133.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、該燃料電池へ燃料または酸化剤となるガスを供給するガス供給手段と、外気温度を測定する外気温度測定手段と、前記燃料電池の出力電流を測定する電流測定手段とを備え、
前記ガス供給手段は、前記外気温度測定手段により測定された外気温度および前記電流測定手段により測定された出力電流に基づいて前記ガスの供給量を調整するように構成されたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガス供給手段は；
出力電流および該出力電流に対応して必要となる前記ガスの供給量の関係に関するデータと、前記電流測定手段により測定された出力電流とに基づいて、前記出力電流に対応して必要となるガス量を算定する算定部と、
前記ガス量を、前記外気温度測定手段により測定された外気温度による体積変化を考慮して補正する補正部と、
を含むことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ガスは、酸化剤となる空気であり、
前記ガス供給手段は、前記燃料電池の酸化剤極に前記空気を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
燃料または酸化剤となるガスを供給する量を制御しながら燃料電池を運転する方法であって、
外気温度を測定するステップと、
前記燃料電池の出力電流を測定するステップと、
前記外気温度および前記出力電流に基づいて供給量を調整しつつ前記燃料電池へ前記ガスを供給するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池の運転方法において、
前記ガスを供給するステップは、
出力電流および該出力電流に対応して必要となる前記ガスの供給量の関係に関するデータと、前記電流測定手段により測定された出力電流とに基づいて、前記出力電流に対応して必要となるガス量を算定するステップと、
前記ガス量を、前記外気温度による体積変化を考慮して補正するステップと、
補正された前記ガス量を前記燃料電池に供給するステップと、
を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項６】
請求項４または５に記載の燃料電池の運転方法において、
前記ガスは、酸化剤となる空気であり、該空気を前記燃料電池の酸化剤極に供給することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システムおよび燃料電池運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ発電反応により有害物質を発生しない電源として、燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
図３は、従来の一般的な固体高分子型燃料電池の原理を説明するための説明図である。
【０００４】
固体高分子型燃料電池は、図３に示すように、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素、空気極に酸素を供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００５】
燃料極：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                  （１）
空気極：１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ     （２）
燃料極および空気極は、触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸素や水素の通過経路となる。発電反応は、触媒層における触媒、イオン交換樹脂および水素のいわゆる三相界面において進行する。
【０００６】
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を酸素極に向かって移動し、電子は外部回路を通って酸化剤極（空気極）に移動する。一方、酸化剤極においては、酸素極（空気極）に供給された酸化剤（空気）に含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００７】
近年、このような固体高分子電解質型燃料電池を家庭用電源として用いたコジェネシステムの開発が進んでいる。特許文献１には、こうした家庭用燃料電池のコジェネシステムの例が記載されている。同文献には、固体高分子電解質型燃料電池を含む燃料電池電源装置が屋外に設置され、都市ガス等の原燃料ガスを供給して発電し、インバータＢで直流を交流に変換して屋内の電気機器に電力が供給されるシステムが記載されている。
【０００８】
こうした家庭用燃料電池のコジェネシステムにおいて、改質器から供給される燃料は、通常、質量換算の流量が測定できる流量計測手段によりその供給量が制御されていた。供給される燃料の質量換算の流量を計測して供給量を制御しているので、その供給量を的確にコントロールすることが可能であり、周囲温度等の影響は受けないことになる。一方、空気極に供給する酸化剤（すなわち空気）の供給量の制御方法については、従来は、外気温度を考慮せず、燃料電池の負荷電流に対応した空気供給量の制御を行うことだけで済ませていた。
【０００９】
図４は、従来の燃料電池システムを模式的に示したブロック図である。図４に示す従来の燃料電池システムは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１から出力される負荷電流Ｉの電流値を測定するための負荷電流測定部２と、負荷電流Ｉの計測値（負荷電流計測値Ｋ）に対応する基準のポンプ出力制御量（基準値Ｓ）を設定する基準値設定部３と、基準値設定部３が設定する基準値Ｓに基づいて出力制御される空気ポンプ６とを具備して構成されている。
【００１０】
燃料電池本体１の内部には、空気極１１と、燃料極１２とが形成されている。この両電極間の負荷電流の経路は、正しくは図３に示す負荷電流の経路と同じ経路をとるが、図４では模式的に示している。
【００１１】
負荷電流測定部２は、空気極１１と燃料極１２との間を流れる負荷電流Ｉの電流値（負荷電流計測値Ｋ）を計測し、この負荷電流計測値Ｋを基準値設定部３に送出する。
【００１２】
基準値設定部３は、上記負荷電流計測値Ｋに対応するポンプ出力制御量の基準値Ｓを設定する。この負荷電流計測値Ｋと基準値Ｓとの対応は、例えば、負荷電流計測値Ｋの適当な区間別に基準値Ｓの値を記録したテーブルを予め設定しておき、必要に応じてこのテーブルを参照することにより達成している。
【００１３】
空気ポンプ６は、この基準値Ｓをポンプ出力制御量として参照し、空気極１１に空気Ａ（酸化剤）を供給すると共に、この基準値Ｓに基づいてその供給量を調整する。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８１０号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来の燃料電池にあっては、前述のとおり、図４に示す空気極１１に供給する空気Ａの供給量については、燃料電池の負荷電流Ｉに対応した空気量の制御を行うことで済ませているので、その空気供給量は、空気取り入れ口等の外気温度の影響を受けて質量換算の必要供給量に誤差が生じるという問題点があった。すなわち、空気取り入れ口等の外気温度により、供給される空気の体積が変化し、例えば、季節の夏と冬とで、３０℃と０℃の温度差があれば、体積に１割程度の変化が生じる（夏期には体積膨張が生じる）。従って、単位体積当たりの酸素量も１割程度の変化を受けることになる。前述の燃料電池の空気ポンプ６の出力、すなわち、負荷電流Ｉの測定値Ｋに対応して空気極１１に供給される空気量は、従来、この単位体積当たりの酸素量の変化が補正されていない空気量であった。
【００１６】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであって、燃料または酸化剤となるガスの供給量を正確に制御し、外気温度によらずに安定した電力供給を実現することを目的とする。
【００１７】
また本発明の他の目的は、上記ガスの供給量を外気温によらず一定にし、燃料電池を最適な条件で安定的に運転することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料電池と、該燃料電池へ燃料または酸化剤となるガスを供給するガス供給手段と、外気温度を測定する外気温度測定手段と、前記燃料電池の出力電流を測定する電流測定手段とを備え、前記ガス供給手段は、前記外気温度測定手段により測定された外気温度および前記電流測定手段により測定された出力電流に基づいて前記ガスの供給量を調整するように構成されたことを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【００１９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記ガス供給手段は、出力電流および該出力電流に対応して必要となる前記ガスの供給量の関係に関するデータと、前記電流測定手段により測定された出力電流とに基づいて、前記出力電流に対応して必要となるガス量を算定する算定部と、前記ガス量を、前記外気温度測定手段により測定された外気温度による体積変化を考慮して補正する補正部と、を含む構成とすることができる。
【００２０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記ガスは、酸化剤となる空気であり、前記ガス供給手段は、前記燃料電池の酸化剤極に前記空気を供給する構成とすることができる。
【００２１】
また本発明によれば、燃料または酸化剤となるガスを供給する量を制御しながら燃料電池を運転する方法であって、外気温度を測定するステップと、前記燃料電池の出力電流を測定するステップと、前記外気温度および前記出力電流に基づいて供給量を調整しつつ前記燃料電池へ前記ガスを供給するステップと、を含むことを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。
【００２２】
本発明の燃料電池の運転方法において、前記ガスを供給するステップは、出力電流および該出力電流に対応して必要となる前記ガスの供給量の関係に関するデータと、前記電流測定手段により測定された出力電流とに基づいて、前記出力電流に対応して必要となるガス量を算定するステップと、前記ガス量を、前記外気温度による体積変化を考慮して補正するステップと、補正された前記ガス量を前記燃料電池に供給するステップと、を含む構成とすることができる。
【００２３】
本発明の燃料電池の運転方法において、前記ガスは、酸化剤となる空気であり、該空気を前記燃料電池の酸化剤極に供給する構成とすることができる。
【００２４】
本発明によれば、外気温度の変動に対応して燃料または酸化剤となるガスの供給量を補正するようにしているので、外気温度によらずに安定した電力供給を得ることができる。また、外気温度によらず燃料電池を最適な条件で安定的に運転することができる。
【００２５】
また、本発明を空気極への空気の供給に適用した場合、空気極の酸化剤利用率を一定に維持することが可能となるため燃料電池本体の耐久性を向上させることができる。
【００２６】
この発明は、特に、家庭用燃料電池コジェネシステムとして使用される燃料電池システムおよび燃料電池の運転方法に適用した場合、効果的である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池システムの実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２８】
図１は、本発明に係る実施形態の燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。同図において、図４（従来例）と重複する部分には同一の符号を付す。
【００２９】
同図において、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１から出力される負荷電流Ｉの電流値を測定するための負荷電流測定部２と、負荷電流Ｉの計測値（負荷電流計測値Ｋ）に対応する基準のポンプ出力制御量（基準値Ｓ）を設定する基準値設定部３と、空気取り入れ口等の外気温度を測定するための外気温測定部４と、基準値設定部３が設定する基準値Ｓを外気温測定部４で測定された外気温度Ｔに基づいて補正するポンプ出力演算部５と、外気温度Ｔによる変位が補正された出力制御量Ｐに基づいて出力制御される空気ポンプ６とを具備して構成されている。
【００３０】
燃料電池本体１の内部には、空気極１１と、燃料極１２とを配して成る膜電極接合体が、一般に複数個集積されている（図１では模式的に１つとしている）。この両電極間の負荷電流の経路は、正しくは図３に示す負荷電流の経路と同じ経路をとるが、図１では模式的に示している。
【００３１】
負荷電流測定部２は、空気極１１と燃料極１２との間を流れる負荷電流Ｉの電流値（負荷電流計測値Ｋ）を計測し、この負荷電流計測値Ｋを基準値設定部３に送出する。
【００３２】
基準値設定部３は、上記負荷電流計測値Ｋに対応するポンプ出力制御量の基準値Ｓを設定する。この負荷電流計測値Ｋと基準値Ｓとの対応付けは、例えば、負荷電流計測値Ｋの適当な区間別に基準値Ｓの値を記録したテーブルを予め設定しておき、必要に応じてこのテーブルを参照することにより達成することができる。基準値設定部３内に記憶部を設けておき、この記憶部に上記テーブルを格納しておいてもよい。
【００３３】
外気温測定部４は、空気ポンプの空気取り入れ口付近等の外気温度を測定し、その計測値（外気温度Ｔ）をポンプ出力演算部５に送出する。
【００３４】
ポンプ出力演算部５は、基準値設定部３が設定する基準値Ｓを外気温測定部４で測定された外気温度Ｔに基づいて補正する。以下、この補正の手順について説明する。
【００３５】
図２は、燃料電池の負荷電流と、該負荷電流に対応するポンプ出力との関係を示すグラフである。図２（ａ）は、燃料電池の負荷電流と該負荷電流に対応して必要となる質量換算所定空気量を供給するために必要なポンプ出力との関係を示し、図２（ｂ）は、燃料電池の負荷電流と上記質量換算所定空気量に相当する空気量を得るために必要となる季節毎のポンプ出力との関係を概念的に示し、図２（ｃ）は、図２（ｂ）のグラフ及び該グラフから求めた電流値ａに対応して必要となる季節（冬、春、夏）毎のポンプ出力の値（ｐ１，ｐ２，ｐ３）を示す。図示したように、ある負荷電流を得るために必要となる空気の量は、季節により変動する。これは、外気温度により供給される空気の体積が変化することによる。
【００３６】
こうした体積変化を考慮し、ポンプ出力演算部５では、気体の状態方程式に基づいて基準値Ｓを補正する。すなわち、基準値Ｓを算定した際の外気温度をＴ０とし、燃料電池運転時の外気温度をＴ１として、
Ｓ’＝Ｓ×（Ｔ１／Ｔ０）
の式により補正を行う。ここで、Ｔ０およびＴ１は絶対温度である。
【００３７】
補正の方法として、他の方法を採用することもできる。例えば、ポンプ出力演算部５には、予め、外気温度Ｔの具体的な値または値域毎に、図２に示すような負荷電流と必要ポンプ出力との関係を記録しておき、ポンプ出力演算部５では、この記録を参照して出力制御量Ｐを得ることができる。
【００３８】
空気ポンプ６は、この出力制御量Ｐをポンプ出力制御量として参照して出力を調整し、空気極１１に空気Ａ（酸化剤）を供給する。
【００３９】
この実施の形態によれば、ポンプ出力演算部５は、燃料電池の負荷電流Ｉの計測値Ｋに対応するポンプ出力制御量の基準値Ｓを、空気ポンプ６の取り入れ口付近等の外気温度の測定値である外気温Ｔに基づいて補正することにより、空気ポンプ６を制御するための出力制御量Ｐが空気ポンプ６に送出される。空気ポンプ６では、この出力制御量Ｐに基づいてポンプ出力を調整して空気極１１に空気Ａ（酸化剤）を供給する。これにより、負荷が必要とする電力を発電することができる空気量（酸素量）を、空気ポンプ６の取り入れ口付近等の外気温度に影響されずに安定して空気極１１に供給することができる。
【００４０】
このようにポンプ出力値に対し外気温度により補正を行うため、外気温度の変化による供給空気量の変動を抑制することができる。この結果、年間を通し、安定した燃料電池システムの運転を行うことが可能となる。また、空気極の酸化剤利用率を一定に維持することが可能となるため燃料電池本体の耐久性を向上させることができる。
【００４１】
以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。たとえば、上記実施形態では空気極側に上記システムを適用したが、燃料極側に適用してもよい。また、基準値Ｓの補正の方法は上記以外の様々な方法を採用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、外気温度の変動に対応して燃料または酸化剤となるガスの供給量を補正するようにしているので、外気温度によらずに安定した電力供給を得ることができる。また、外気温度によらず燃料電池を最適な条件で安定的に運転することができる。具体的には、年間を通し、安定した燃料電池システムの運転を行うことが可能となる。また、本発明を空気極への空気の供給に適用した場合、空気極の酸化剤利用率を一定に維持することが可能となるため燃料電池本体の耐久性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る実施形態の燃料電池システムの構成を模式的に示したブロック図である。
【図２】燃料電池の負荷電流と、該負荷電流に対応するポンプ出力との関係を示すグラフである。
【図３】従来の一般的な固体高分子型燃料電池の原理を説明するための説明図である。
【図４】従来の燃料電池システムを模式的に示したブロック図である。
【符号の説明】
１  燃料電池本体、  ２  負荷電流測定部、  ３  基準値設定部、  ４  外気温測定部、  ５  ポンプ出力演算部、  ６  空気ポンプ、  １１  空気極、  １２燃料極、  Ａ  空気、  Ｉ  負荷電流、  Ｋ  負荷電流計測値、  Ｐ  出力制御量、  Ｓ  基準値、  Ｔ  外気温度Ｔ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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