(57)【要約】【課題】燃料電池のカソードに供給する空気の圧力を正確に制御する燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１のカソードに空気を昇圧して供給するコンプレッサ１１と、燃料電池１のカソードから排出された排出空気によって回転するタービン２２によって駆動し、燃料電池１のカソードに空気を昇圧して供給するコンプレッサ１８と、燃料電池１のカソードの圧力を検出する圧力センサ１７と、を備え、圧力センサ１７によって検出した圧力に基づいて、燃料電池１のカソードの圧力を制御する。【選択図】図１
2007280676.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
前記燃料電池のカソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
前記酸化剤ガス供給路に設けられ、前記酸化剤ガスを昇圧するコンプレッサと、
前記コンプレッサをバイパスする第１のバイパス流路と、
前記燃料電池のカソードから排出酸化剤ガスを排出し、前記排出酸化剤ガスによって駆動するタービンを配設する酸化剤ガス排出流路と、
前記第１のバイパス流路に設けられ、前記タービンの回転によって駆動するタービンコンプレッサと、
前記燃料電池のカソードの圧力を検出する圧力検出手段と、
前記圧力検出手段によって検出した圧力に基づいて、少なくとも前記タービンの回転を制御して前記前記燃料電池のカソードの圧力を目標圧力に制御する圧力制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記酸化剤ガス排出流路は、前記燃料電池のカソードから前記タービンまでは略直線形状であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記酸化剤ガス供給路に、前記酸化剤ガスの温度を調整する熱交換手段と、
前記熱交換手段よりも前記酸化剤ガスの流れ方向に対して下流側に配置する前記酸化剤ガスの流量を検出する流量検出手段と、
前記流量検出手段よりも前記酸化剤ガスの流れ方向に対して下流側に配置する前記酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記酸化剤ガスの流れ方向に対して前記タービンより下流側の前記酸化剤ガス排出流路に設けた第１の調圧弁と、
前記タービンと前記第１の調圧弁とをバイパスする第２のバイパス流路と、
前記第２のバイパス流路に設けた第２の調圧弁と、を備え、
前記圧力制御手段は、
前記燃料電池システムの起動時に、前記第１の調圧弁と前記第２の調圧弁とを全閉として前記コンプレッサを起動し、前記圧力検出手段によって検出する圧力が、前記目標圧力になると、前記第１の調圧弁の開度、および前記コンプレッサによって前記カソードの圧力を前記所定圧力に保持することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記圧力制御手段は、
前記燃料電池システムの起動時に、前記第１の調圧弁が全開となると、前記第２の調圧弁の開度、および前記コンプレッサによって前記カソードの圧力を前記目標圧力に保持することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記圧力制御手段は、
前記燃料電池システムの運転時に、前記第１の調圧弁を全開とし、前記第２の調圧弁の開度を制御して、前記カソードの圧力を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池のアノードの圧力を検出する第２の圧力検出手段を備え、
前記圧力制御手段は、
前記燃料電池システムの運転時に、前記カソードと前記アノードとの圧力差が所定差圧よりも大きくなると、前記コンプレッサによって前記カソード前記カソードの圧力を制御することを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池システム。
【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に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池排ガスを利用してタービンを回転させ、そのタービンの回転を伝達することでコンプレッサを駆動させて空気を燃料電池に供給することで、モータ駆動コンプレッサの消費電力を低減、燃料電池システムの効率化を図っていた。また、モータ駆動コンプレッサ下流の酸化剤ガス流路とタービン駆動コンプレッサ下流の酸化剤ガス流路の合流地点と燃料電池との間に流量計を有し、目標流量となるようにモータ駆動コンプレッサの回転速度及びタービン駆動コンプレッサ上流に設置したバイパスを流れる空気流量を調整するものが特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開平１１−６７２４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記の発明では、燃料電池の上流側の酸化剤ガス流路に圧力検出手段を備えておらず、燃料電池のカソードの圧力を検出して燃料電池のカソードへ供給する空気量を制御していない。そのため、カソードの圧力を適切に制御することができず、アノードとカソードとの圧力差が大きくなり、アノードとカソードとに挟持される例えば電解質膜などが劣化するといった問題点がある。特に燃料電池システムの起動時など、燃料電池の出力が過渡的な場合にこのような問題点が生じる。
【０００４】
本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、酸化剤ガス流路に圧力検出手段を設け、検出した圧力に基づいてカソードの圧力を正確に制御することで、アノードとカソードとの圧力差を小さくし、燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、酸化剤ガス供給路に設けられ、酸化剤ガスを昇圧するコンプレッサと、コンプレッサをバイパスする第１のバイパス流路と、燃料電池のカソードから排出酸化剤ガスを排出し、排出酸化剤ガスによって駆動するタービンを配設する酸化剤ガス排出流路と、第１のバイパス流路に設けられ、タービンの回転によって駆動するタービンコンプレッサと、燃料電池のカソードの圧力を検出する圧力検出手段と、圧力検出手段によって検出した圧力に基づいて、少なくともタービンの回転を制御して、燃料電池のカソードの圧力を目標圧力に制御する圧力制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によると、燃料電池のカソードの圧力を圧力検出手段によって検出した値に基づいて、カソードの圧力を正確に制御することで、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の実施形態の燃料電池システムの概略構成を図１の概略図を用いて説明する。この燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料電池１に酸化剤ガスとして空気を供給する空気供給系２と、燃料電池１から燃料電池１の発電反応によって使用されなかった空気を排出する空気排出系３と、燃料電池１に燃料ガスとして水素を供給し、燃料電池１の発電反応によって使用されなかった水素を燃料電池１から排出する水素供給排出系４と、を有する。
【０００８】
空気供給系２は、燃料電池１のカソードへ空気を供給するための空気供給流路（酸化剤ガス供給路）１０と、電動モータによって駆動し燃料電池１のカソードへ供給される空気を昇圧するコンプレッサ１１と、コンプレッサ１１の上流側より空気供給流路１０から分岐し、コンプレッサ１１の直下流で空気供給流路１０に再び合流するバイパス流路１２と、を備える。
【０００９】
バイパス流路１２には、後述するタービン２２によって駆動するコンプレッサ（タービンコンプレッサ）１８と、逆止弁１９と、を備える。
【００１０】
コンプレッサ１８は、後述するタービン２２と連結し、燃料電池１のカソードから排出される空気によって回転するタービン２２の回転が伝達されて回転する。これによって、バイパス流路１２によって外部から空気を昇圧して、燃料電池１のカソードに供給することができる。
【００１１】
逆止弁１９は、コンプレッサ１８から燃料電池１へ空気を流し、空気供給流路１０とバイパス流路１２とが合流する箇所から、バイパス流路１２への空気の流れを防止する。
【００１２】
バイパス流路１２と合流した空気供給流路１０には、空気の流れ方向に対して上流側から、熱交換器（熱交換手段）１３と、エアフローメータ（流量検出手段）１４と、開閉弁１５と、加湿器（加湿手段）１６と、圧力センサ（圧力検出手段）１７と、を備える。
【００１３】
熱交換器１３は、空気の温度を燃料電池１の発電反応に適した温度に調整するものであり、例えば電気ヒータ、水素の一部を燃焼させる燃焼器などである。
【００１４】
加湿器１６は、例えば燃料電池１の電解質膜などの湿潤状態を発電に適した湿潤状態に維持するために燃料電池１に供給する空気の湿度を調整する。
【００１５】
空気排出系３は、燃料電池１のカソードから空気を排出するための空気排出流路（排出酸化剤ガス流路）２０と、空気排出流路２０に配設するタービン２２と、タービン２２よりも下流の空気排出流路２０に設けた調圧弁（第１の調圧弁）２４と、空気排出流路２０から分岐し、タービン２２と調圧弁２４をバイパスするバイパス流路（第２のバイパス流路）２１と、バイパス流路２１に設けた調圧弁（第２の調圧弁）２３と、を備える。なお、バイパス流路２１は調圧弁２３の下流において、再び空気排出流路２０と合流する。
【００１６】
空気排出流路２０は、燃料電池１のカソードの下流から曲部が無く、略直線形状である。
【００１７】
タービン２２は、燃料電池１のカソードから排出された排出空気によって回転し、タービン２２の回転がバイパス流路１２に設けたコンプレッサ１８に伝達されて、バイパス流路１２内で、コンプレッサ１８が駆動し、外部から燃料電池１のカソードへ空気を昇圧して供給する。
【００１８】
水素供給排出系４は、例えば水素タンクなどから燃料電池１のアノードへ水素を供給する水素供給流路３０と、燃料電池１の発電反応に使用されなかった水素を燃料電池１のアノードから排出する排出水素流路３１と、燃料電池１のアノードよりも上流側に、燃料電池１のアノードへ供給される水素の圧力を検出する圧力センサ３２と、を備える。
【００１９】
また、圧力センサ１７によって検出する圧力など、燃料電池１の運転状態によって、コンプレッサ１１、調圧弁２３、２４などを制御するコントローラ４０を備える。
【００２０】
次に燃料電池システムの起動時の制御について図２のフローチャートを用いて説明する。なお、この実施形態では燃料電池システムの燃料電池１の発電量は一定、つまり燃料電池１のアノードへ供給する水素量は一定であり、カソードで必要な空気量も一定である。
【００２１】
燃料電池システムが起動すると、ステップＳ１００では、開閉弁１５を開き、調圧弁２３、２４を全閉とする。また、燃料電池１のアノードへ水素の供給を開始する。燃料電池システムの停止時には、開閉弁１５を閉じることで、エアフローメーター１４の結露、または高湿潤状態となることを抑制することができる。
【００２２】
ステップＳ１０１では、コンプレッサ１１によって燃料電池１のカソードへ供給する空気を昇圧する。これによって、燃料電池１のカソードの圧力が高くなる。調圧弁２３、２４を全閉として空気の供給を開始するので、燃料電池１のカソードの圧力を素早く高くすることができ、燃料電池１のアノードとカソードとの圧力差を小さくすることができる。これによって、アノードとカソードとの圧力差が大きい場合に多く生じ得る水素のクロスオーバーを抑制することができる。
【００２３】
ステップＳ１０２では、圧力センサ１７によって燃料電池１のカソードの圧力が予め設定された目標圧力となったかどうか判定し、燃料電池１のカソードの圧力が目標圧力となるとステップＳ１０３へ進む。目標圧力は、燃料電池１のアノードとカソードとの圧力差が予め設定された所定の圧力差となる圧力である。
【００２４】
ステップＳ１０３では、調圧弁２４の開度を大きくする。調圧弁２４を全閉状態から開くことで、タービン２２が回転し、タービン２２の回転がコンプレッサ１８に伝達され、コンプレッサ１８が駆動する。そしてコンプレッサ１８によって空気を昇圧して、コンプレッサ１８によって燃料電池１のカソードへ空気を供給する。そのため、同一の空気量をコンプレッサ１１によって供給する場合と比較して、コンプレッサ１１による空気の供給量を少なくすることができ、コンプレッサ１１において消費される電力を少なくし、燃料電池システムの消費電力を少なくすることができる。
【００２５】
このときの燃料電池１のカソードへ供給する空気量に対するコンプレッサ１１とコンプレッサ１８との空気量の関係を図３に示す。なお、図３では、燃料電池１の発電量を所定の発電量まで大きくなった場合、つまり燃料電池１のカソードへ供給する空気量が所定の空気量まで多くなる場合の空気量の関係を示す。図３において、コンプレッサ１１だけで燃料電池１のカソードに空気を供給するものを破線で示す。
【００２６】
燃料電池システムを起動し、圧力センサ１７によって検出する圧力が目標圧力よりも低い場合には、調整弁２３、２４を閉じているためにタービン２２は回転せず、コンプレッサ１８によって燃料電池１のカソードへ供給する空気量は略ゼロである。そのため、コンプレッサ１１によって燃料電池１のカソードへ空気が供給される。そして、圧力センサ１７によって検出した圧力が目標圧力よりも高くなると、調圧弁２４を開く。これにより空気排出流路２０を排出空気が流れ、タービン２２が回転し、コンプレッサ１８が駆動し、燃料電池１のカソードへコンプレッサ１８によって空気を供給する。コンプレッサ１８が駆動することで、コンプレッサ１１によって燃料電池１のカソードへ供給する空気量を、コンプレッサ１１だけで燃料電池１のカソードへ空気を供給する場合と比較して少なくすることができる。
【００２７】
この実施形態では、燃料電池１のカソードの圧力は、圧力センサ１７によって検出する圧力が目標圧力を保持するように、コンプレッサ１１によって制御される。これによって、燃料電池１のアノードとカソードとの圧力差を所定の圧力差とすることができ、水素のクロスオーバーを抑制し、燃料電池１の劣化を抑制することができる。
【００２８】
ステップＳ１０４では、調圧弁２４の開度が全開かどうか判定する。そして、調圧弁２４の開度が全開である場合には、ステップＳ１０５へ進む。
【００２９】
ステップＳ１０５では、調圧弁２３を開き、燃料電池１のカソードの圧力を圧力センサ１７によって検出する圧力が目標圧力を保持するように、調圧弁２３、コンプレッサ１１によって制御する（ステップＳ１００からステップＳ１０５が圧力制御手段を構成する）。
【００３０】
ステップＳ１０６では、調圧弁２３の開度が所定開度となると、燃料電池システムの起動制御を終了する。所定開度は、燃料電池１のアノードに供給される水素量に応じて、設定される開度である。
【００３１】
以上の制御により、燃料電池１のカソードの上流側に圧力センサ１７を設け、圧力センサ１７によって検出する圧力に応じて、調圧弁２３、２４の開度、コンプレッサ１１を制御することで、燃料電池１のカソードの圧力を正確に制御し、水素のクロスオーバーを抑制し、燃料電池システムの劣化を抑制することができる。
【００３２】
燃料電池システムの通常運転時には、燃料電池１における発電量など、燃料電池システムの運転状態に応じて、調圧弁２３、２４の開度、またはコンプレッサ１１による空気の昇圧を制御して、燃料電池１のカソードに供給する空気量を制御する。燃料電池１の発電量によって決まる水素と空気の供給量に対して、圧力センサ１７、３２によって検出した燃料電池１のアノードとカソードとの圧力差が所定の圧力差となるように調圧弁２３、２４、またはコンプレッサ１１による空気の昇圧を制御する。
【００３３】
なお、調圧弁２３、２４の制御については調圧弁２４を全開として、調圧弁２３の開度を調整することが望ましい。これにより、タービン２２を回転させて、コンプレッサ１８による空気の昇圧を優先的に利用することで、コンプレッサ１１によって消費される電力を少なくすることができる。
【００３４】
また、例えば燃料電池１による発電電力が小さくなり、コンプレッサ１８による空気の昇圧が小さくなった場合には、コンプレッサ１１によって空気を昇圧することで、燃料電池１のアノードとカソードとの圧力差を所定の圧力差とする。これにより、水素のクロスオーバーを抑制することができ、またクロスオーバーした水素を燃料電池１のカソードから排出することができ、燃料電池１の劣化を抑制することができる。
【００３５】
燃料電池システムの起動時において、コンプレッサ１８を用いて空気を燃料電池１のカソードに供給する場合と、コンプレッサ１８を用いずに空気を燃料電池１のカソードに供給する場合と、におけるコンプレッサ１１の回転速度と、コンプレッサ１８の回転速度と、燃料電池１の発電反応で必要な空気量と、変化を図４のタイムチャートを用いて説明する。なお、コンプレッサ１８を用いずに空気を燃料電池１のカソードに供給する場合を破線で示す。
【００３６】
時間ｔ０において、燃料電池システムが起動すると、コンプレッサ１１によって昇圧した空気を燃料電池１のカソードに供給する。そのためコンプレッサ１１の回転速度が大きくなり、燃料電池１へ供給する空気の供給量が多くなる。
【００３７】
時間ｔ１において、燃料電池１のカソードの圧力が目標圧力となると、調圧弁２４を開き、コンプレッサ１８によって昇圧した空気を燃料電池１のカソードに供給する。そのため、コンプレッサ１１の回転速度は、コンプレッサ１８を用いない場合と比較して、回転速度が小さくなる。
【００３８】
時間ｔ２において、燃料電池１へ供給する空気量が目標空気量となると、コンプレッサ１１、１８の回転速度が一定となる。なお、コンプレッサ１８を用いない場合には、コンプレッサ１１の回転速度を大きくし、燃料電池１への空気の供給量を増加させる。
【００３９】
コンプレッサ１８を用いない場合には、コンプレッサ１１のみによって燃料電池１のカソードへ空気を供給するので、燃料電池１の発電反応に供給する空気量が目標空気量となるまでに時間がかかる。また、コンプレッサ１１の回転速度が大きくなる。
【００４０】
コンプレッサ１８を用いて燃料電池１のカソードへ空気を供給することで、燃料電池システムの起動時の起動時間を短縮し、コンプレッサ１１における消費電力を少なくすることができる。また、燃料電池システムの通常運転時でも、燃料電池１の負荷変動に対する空気供給の追従性を良くし、コンプレッサ１１における消費電力を少なくすることができる。
【００４１】
次の本発明の実施形態の効果について説明する。
【００４２】
この実施形態では、燃料電池１のカソードに供給する空気を昇圧するコンプレッサ１１と、コンプレッサ１１をバイパスするバイパス流路１２に設けられ、燃料電池１のカソードから排出される排出空気によって駆動するコンプレッサ１８と、燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を検出する圧力センサ１７と、を備え、圧力センサ１７によって検出した圧力に基づいて、コンプレッサ１１、またはコンプレッサ１８によって燃料電池１のカソードに供給する空気の圧力を制御する。これにより、燃料電池１のカソードの圧力を正確に制御することができ、燃料電池１のアノードとカソードとの圧力差を正確に制御し、例えば水素のクロスオーバーを抑制し、燃料電池１の劣化を抑制することができる。
【００４３】
燃料電池１のカソードから排出空気を排出する空気排出流路２０を略直線形状とすることで、空気排出流路２０の圧力損失を低減し、空気排出流路２０に設けたタービン２２を効率良く回転させることができる。これにより、タービン２２によって駆動するコンプレッサ１８を効率良く駆動させることができ、コンプレッサ１８による燃料電池１のカソードへ供給する空気量を多くすることができる。そのため、コンプレッサ１１による燃料電池１のカソードへ供給する空気量を少なくすることができ、コンプレッサ１１によって消費される電力を低減することができる。
【００４４】
空気供給流路１０に空気の温度を制御する熱交換器１３と、熱交換器１３よりも空気の流れ方向に対して下流側にエアフローメーター１４と、さらに下流側に空気を加湿する加湿器１６と、を備える。これにより、エアフローメーター１４によって検出する空気の流量を正確に検出することができ、燃料電池システムの運転中の空気流量の測定誤差を低減することができる。
【００４５】
空気排出流路２０のタービン２２よりも排出空気の流れ方向に対して下流側に設けた調圧弁２４と、タービン２２と調圧弁２４をバイパスするバイパス流路２１に設けた調圧弁２３と、を備える。燃料電池システムの起動時に、調圧弁２３、２４を全閉としてコンプレッサ１１を起動し、圧力センサ１７によって検出する圧力が目標圧力となると、調圧弁２４の開度、コンプレッサ１１によって空気の昇圧を制御する。また、調圧弁２４が全開となると、調圧弁２３の開度、コンプレッサ１１によって空気の昇圧を制御する。これにより、燃料電池１のアノードとカソードとの圧力差を所定の圧力差として、水素のクロスオーバーを抑制することができる。また、タービン２２を回転させることで、コンプレッサ１８によって空気を昇圧して燃料電池１のカソードに供給することができ、コンプレッサ１１による電力消費を低減することができる。
【００４６】
タービン２２によってコンプレッサ１８を駆動させて、空気を昇圧し、燃料電池１のカソードに供給するので、燃料電池１の発電量が大きくなると、コンプレッサ１８による空気の昇圧も高くなる。そのため、燃料電池１の発電量の変化に対する空気供給の追従性を良くすることができ、燃料電池システムの負荷変動に対する燃料電池１の出力の追従性を良くすることができる。
【００４７】
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態の燃料電池システム起動時の制御を説明するフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態のコンプレッサによる空気供給量を示す図である。
【図４】本発明の実施形態の燃料電池のカソードの空気量と、コンプレッサの回転速度と、の変化を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００４９】
１      燃料電池
１０    空気供給流路（酸化剤ガス供給流路）
１１    コンプレッサ
１２    バイパス流路
１３    熱交換器（熱交換手段）
１４    エアフローメーター（流量検出手段）
１６    加湿器（加湿手段）
１７    圧力センサ（圧力検出手段）
１８    コンプレッサ（タービンコンプレッサ）
２０    空気排出流路
２１    バイパス流路
２２    タービン
【図１】
2007280676.tif 000003
【図２】
2007280676.tif 000004
【図３】
2007280676.tif 000005
【図４】
2007280676.tif 000006