(57)【要約】【課題】発熱量の変動にも確実に対応することができ、燃料電池内の余分な水分を水蒸気として良好に前記燃料電池の外部に排出することを可能にする。【解決手段】制御装置２０は、空気に混在して燃料電池スタック１２に供給される水分の量を演算する水分量演算部８０と、前記燃料電池スタック１２の出力電流から生成水の量を演算する生成水演算部８２と、前記燃料電池スタック１２内に供給された前記水分及び前記生成水を、全て水蒸気として前記燃料電池スタック１２から排出可能な出口ガスの露点を演算する露点演算部８４と、前記燃料電池スタック１２の発電による発熱量を演算する発熱量演算部８６と、前記発熱量演算部８６により演算された前記発熱量に基づいて、前記出口ガスの温度を前記露点に維持可能な冷却媒体流量に設定する冷却媒体流量設定部８８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池の運転方法であって、
少なくとも前記酸化剤ガスに混在して前記燃料電池に供給される水分の量を演算する工程と、
前記燃料電池の出力電流から生成水の量を演算する工程と、
前記燃料電池内に供給された前記水分及び前記生成水を、全て水蒸気として前記燃料電池から排出可能な出口ガスの露点を演算する工程と、
前記燃料電池の発電による発熱量を演算する工程と、
前記発熱量に基づいて、前記出口ガスの温度を前記露点に維持可能な冷却媒体流量に設定する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の運転方法。
【請求項２】
カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池と、制御装置とを備える燃料電池システムであって、
前記制御装置は、少なくとも前記酸化剤ガスに混在して前記燃料電池に供給される水分の量を演算する水分量演算部と、
前記燃料電池の出力電流から生成水の量を演算する生成水演算部と、
前記燃料電池内に供給された前記水分及び前記生成水を、全て水蒸気として前記燃料電池から排出可能な出口ガスの露点を演算する露点演算部と、
前記燃料電池の発電による発熱量を演算する発熱量演算部と、
前記発熱量演算部により演算された前記発熱量に基づいて、前記出口ガスの温度を前記露点に維持可能な冷却媒体流量に設定する冷却媒体流量設定部と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池の運転方法及び、前記燃料電池と制御装置とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス）をアノード側電極及びカソード側電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。
【０００３】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を設けた電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の発電セルは、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ交互に積層することにより、燃料電池スタックとして、例えば、自動車等の車両に搭載して使用されている。
【０００４】
この種の燃料電池では、所望の発電機能を発揮させるため、電解質膜を湿潤状態に維持する必要がある。従って、通常、酸化剤ガス（及び／又は燃料ガス）を予め加湿した後に燃料電池に供給している。
【０００５】
一方、燃料電池内では、発電反応によりカソード側電極に水が生成されている。このため、燃料電池内に過剰な生成水が存在すると、反応ガス用の通路や電極を構成するガス拡散層の空隙が凝縮水で閉塞されるおそれがある。従って、燃料電池内における水分量を良好に制御することが望まれている。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、燃料電池スタックで発電した電気の電流量、前記燃料電池スタックに供給された酸化ガスの供給量、及び前記燃料電池スタックからの前記酸化ガスの排出量に基づいて、前記燃料電池スタック内における水分の変化量を推定する水分変化量推定手段を備えている。
【０００７】
この水分変化量推定手段は、燃料電池スタックで発電した電気の電流量に基づいて電気化学反応にて生じた生成水量及び前記電気化学反応にて消費された酸化ガス中の酸素量を算出している。そして、生成水量をＷｐ、消費された酸素量をＯｅ、燃料電池スタックに供給された酸化ガス量をＡｓ、及び前記燃料電池スタックから排出された酸化ガス量をＧｓとした場合、前記燃料電池スタック内の水分の変化量Ｗｃを、Ｗｃ＝Ａｓ−Ｇｓ＋Ｗｐ−Ｏｅの式に基づいて計算している。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２２２８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の燃料電池システムでは、燃料電池の発電により発熱するとともに、負荷の変動に伴い発熱量が変動し易い。このため、負荷の変動によって、燃料電池スタック内の水分量が変動してしまい、水分の変化量Ｗｃを正確に計算することができないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、負荷の変動にも確実に対応することができ、燃料電池内の余分な水分を水蒸気として良好に前記燃料電池の外部に排出することが可能な燃料電池の運転方法及び燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池の運転方法に関するものである。
【００１２】
この運転方法は、少なくとも酸化剤ガスに混在して燃料電池に供給される水分の量を演算する工程と、前記燃料電池の出力電流から生成水の量を演算する工程と、前記燃料電池内に供給された前記水分及び前記生成水を、全て水蒸気として前記燃料電池から排出可能な出口ガスの露点を演算する工程と、前記燃料電池の発電による発熱量を演算する工程と、前記発熱量に基づいて、前記出口ガスの温度を前記露点に維持可能な冷却媒体流量に設定する工程とを有している。
【００１３】
また、本発明は、カソード側電極に供給される酸化剤ガス及びアノード側電極に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電するとともに、温度調整用の冷却媒体が供給される燃料電池と、制御装置とを備える燃料電池システムに関するものである。
【００１４】
この制御装置は、少なくとも酸化剤ガスに混在して燃料電池に供給される水分の量を演算する水分量演算部と、前記燃料電池の出力電流から生成水の量を演算する生成水演算部と、前記燃料電池内に供給された前記水分及び前記生成水を、全て水蒸気として前記燃料電池から排出可能な出口ガスの露点を演算する露点演算部と、前記燃料電池の発電による発熱量を演算する発熱量演算部と、前記発熱量演算部により演算された前記発熱量に基づいて、前記出口ガスの温度を前記露点に維持可能な冷却媒体流量に設定する冷却媒体流量設定部とを備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、少なくとも酸化剤ガスに混在して燃料電池に供給される水分及び前記燃料電池内で生成される生成水は、全て水蒸気として前記燃料電池の外部に排出される。特に、燃料電池の発電に伴って変動する負荷に基づいて、冷却媒体流量が設定されている。このため、燃料電池の発電状態に関わらず、所望の排水性を維持することができ、フラッディングの発生を可及的に阻止するとともに、良好な発電を連続して行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システム１０の概略構成図である。
【００１７】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１４と、前記燃料電池スタック１２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１６と、前記燃料電池スタック１２に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８と、制御装置２０とを備える。
【００１８】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池２２を積層して構成される。各燃料電池２２は、固体高分子電解質膜２４をアノード側電極２６とカソード側電極２８とで挟持した電解質膜・電極構造体３０を備え、前記電解質膜・電極構造体３０を一対のセパレータ３２、３４で挟持する。
【００１９】
セパレータ３２には、アノード側電極２６に燃料ガスを供給する燃料ガス流路３６が形成されるとともに、セパレータ３４には、カソード側電極２８に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路３８が形成される。セパレータ３２、３４間には、温度調整用の冷却媒体流路４０が形成される。
【００２０】
燃料電池スタック１２の一端部には、空気（酸素含有ガス）等の酸化剤ガス（以下、単に空気ともいう）を供給するための酸化剤ガス入口連通孔４２ａと、前記空気を排出するための酸化剤ガス出口連通孔４２ｂとが形成される。燃料電池スタック１２の他端部には、水素含有ガス等の燃料ガス（以下、単に水素ガスともいう）を供給するための燃料ガス入口連通孔４４ａと、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔４４ｂとが形成される。
【００２１】
燃料電池スタック１２には、さらに純水やエチレングリコール等の冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔４６ａと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔４６ｂとが形成される。
【００２２】
酸化剤ガス入口連通孔４２ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４２ｂは、各燃料電池２２の酸化剤ガス流路３８に連通し、燃料ガス入口連通孔４４ａ及び燃料ガス出口連通孔４４ｂは、前記各燃料電池２２の燃料ガス流路３６に連通する。冷却媒体入口連通孔４６ａ及び冷却媒体出口連通孔４６ｂは、各燃料電池２２の冷却媒体流路４０に連通する。
【００２３】
酸化剤ガス供給装置１４は、大気からの空気を圧縮して供給するエアコンプレッサ５０を備え、前記エアコンプレッサ５０が空気供給通路５２に配設される。空気供給通路５２は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに連通する。酸化剤ガス供給装置１４は、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに連通する空気排出通路５４を備える。この空気排出通路５４には、排ガスを排出空気と水分とに分離するための気液分離器５６が設けられる。
【００２４】
燃料ガス供給装置１６は、高圧水素（水素含有ガス）を貯留する水素タンク５８を備え、この水素タンク５８は、水素供給通路６０を介して燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４４ａに連通する。この水素供給通路６０には、エゼクタ６２が設けられる。
【００２５】
エゼクタ６２は、水素タンク５８から供給される水素ガスを、水素供給通路６０を通って燃料電池スタック１２に供給するとともに、前記燃料電池スタック１２で使用されなかった未使用の水素ガスを含む排ガスを、燃料ガス出口連通孔４４ｂに連通する水素循環通路６４から吸引して前記燃料電池スタック１２に再度供給する。
【００２６】
冷却媒体供給装置１８は、冷媒用ポンプ６６を備え、このポンプ６６は、冷却媒体供給通路６８を介して燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔４６ａに接続される。燃料電池スタック１２の冷却媒体出口連通孔４６ｂには、冷却媒体排出通路７０が接続される。冷却媒体供給通路６８及び冷却媒体排出通路７０は、図示しない冷却媒体貯留用タンクに接続され、冷却媒体を循環させる。
【００２７】
燃料電池スタック１２には、発電時の電圧及び電流をモニタする電圧・電流モニタ７２が接続される。空気供給通路５２には、燃料電池スタック１２に供給される空気の入口流量を検出する流量計７４と、前記空気に含まれる水分量を得るための湿度計７６とが配設される。
【００２８】
冷却媒体供給通路６８には、燃料電池スタック１２に供給される冷却媒体の入口温度を検出する第１温度計７８ａが配設されるとともに、冷却媒体排出通路７０には、前記燃料電池スタック１２から排出される冷却媒体の出口温度を検出する第２温度計７８ｂが配設される。第２温度計７８ｂは、実質的に、燃料電池スタック１２から排出される空気の出口温度を検出するものであり、空気排出通路５４に設けてもよい。
【００２９】
制御装置２０は、空気供給通路５２に供給される空気に混在して燃料電池スタック１２に供給される水分の量を演算する水分量演算部８０と、前記燃料電池スタック１２の出力電流から生成水の量を演算する生成水演算部８２と、前記燃料電池スタック１２内に供給された前記水分及び前記生成水を、全て水蒸気として前記燃料電池スタック１２から排出可能な出口ガス（排出空気）の露点を演算する露点演算部８４と、前記燃料電池スタック１２の発電による発熱量を演算する発熱量演算部８６と、前記発熱量演算部８６により演算された前記発熱量に基づいて、前記出口ガスの温度を前記露点に維持可能な冷却媒体流量に設定する冷却媒体流量設定部８８とを備える。
【００３０】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３１】
酸化剤ガス供給装置１４では、エアコンプレッサ５０が駆動される。このエアコンプレッサ５０から供給される圧縮空気は、空気供給通路５２を介して燃料電池スタック１２の酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給される。一方、燃料ガス供給装置１６では、水素タンク５８から供給される水素ガスは、エゼクタ６２を介し水素供給通路６０を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス入口連通孔４４ａに供給される。
【００３２】
燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池２２では、酸化剤ガス入口連通孔４２ａに供給された空気は、酸化剤ガス流路３８に導入されてカソード側電極２８の電極面に沿って移動した後、酸化剤ガス出口連通孔４２ｂに排出される。
【００３３】
一方、燃料ガス入口連通孔４４ａに供給された水素ガスは、燃料ガス流路３６に導入されて各燃料電池２２のアノード側電極２６の電極面に沿って移動した後、燃料ガス出口連通孔４４ｂに排出される。従って、各燃料電池２２では、カソード側電極２８に供給される空気中の酸素と、アノード側電極２６に供給される水素とが反応して発電が行われる。
【００３４】
燃料電池スタック１２の燃料ガス出口連通孔４４ｂには、水素循環通路６４が連通している。このため、この水素循環通路６４に排出された排ガス（未使用水素を含む排出燃料ガス）は、エゼクタ６２の吸引作用下に水素供給通路６０の途上に戻された後、再度、燃料ガスとして燃料電池スタック１２に供給される。
【００３５】
また、冷却媒体供給装置１８では、ポンプ６６の作用下に冷却媒体供給通路６８に供給された冷却媒体は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口連通孔４６ａから冷却媒体流路４０に導入される。冷却媒体は、各燃料電池２２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４６ｂから冷却媒体排出通路７０に排出される。
【００３６】
次いで、本発明の実施形態に係る運転方法について、図２に示すフローチャートに沿って以下に説明する。
【００３７】
先ず、制御装置２０では、酸化剤ガス供給装置１４を介して燃料電池スタック１２に供給される空気の入口流量Ｖｉｎ（未加湿ガス）が、流量計７４により検出される。さらに、燃料電池スタック１２に供給される空気の湿度（露点）が湿度計７６により検出され、前記空気中の水蒸気圧Ｐ（Ｈ2Ｏ）が算出される。水分量演算部８０は、入口ガス（供給空気）の水分量（質量）Ｖｉｎ（Ｈ2Ｏ）を、以下の式から算出する（ステップＳ１）。但し、Ｐｉｎは、空気の入口ガス圧力（絶対圧）である。
Ｖｉｎ（Ｈ2Ｏ）＝Ｖｉｎ×Ｐ（Ｈ2Ｏ）／｛Ｐｉｎ−Ｐ（Ｈ2Ｏ）｝
【００３８】
次いで、燃料電池スタック１２の発電により得られた電流値Ｉが、電圧・電流モニタ７２を介して検出される。この電流値Ｉに基づいて、生成水演算部８２は、以下の式から燃料電池スタック１２内の生成水量Ｖｇｅｎを算出する（ステップＳ２）。但し、ｎはセル数であり、Ｆはファラデー定数である。
Ｖｇｅｎ＝ｎ×Ｉ／２／Ｆ
【００３９】
これにより、燃料電池スタック１２の内部から水蒸気として排出される水分量Ｖｆｃ（Ｈ2Ｏ）は、以下の式から得られる（ステップＳ３）。
Ｖｆｃ（Ｈ2Ｏ）＝Ｖｉｎ（Ｈ2Ｏ）＋Ｖｇｅｎ
【００４０】
一方、電流値Ｉに基づいて、燃料電池スタック１２内で電気化学反応により消費される酸素の量Ｖｃｏｎｓが演算される。このため、燃料電池スタック１２から空気排出通路５４に排出される排ガス中の乾燥空気量（質量）Ｖｏｕｔ（Ｇ）は、以下の式から算出される。
Ｖｏｕｔ（Ｇ）＝Ｖｉｎ−Ｖｃｏｎｓ
【００４１】
そして、露点演算部８４では、燃料電池スタック１２の出口ガスの絶対湿度Ｈが、以下の式から算出される。
Ｈ＝Ｖｆｃ（Ｈ2Ｏ）／Ｖｏｕｔ（Ｇ）
【００４２】
この算出された絶対湿度Ｈに基づいて、図３に示す湿度図表から、燃料電池スタック１２の出口ガスの露点Ｔｄ（ｏｕｔ）得られる（ステップＳ４）。
【００４３】
発熱量演算部８６は、燃料電池スタック１２の発電による発熱量Ｑを演算する（ステップＳ５）。この発熱量Ｑは、具体的には、低位発熱量（真発熱量）Ｅ、燃料電池スタック１２の発電時のセル電圧ｖｃｅｌｌ、セル数ｎ及び発電時の電流値Ｉに基づいて、以下の式から演算される。
Ｑ＝（Ｅ−ｖｃｅｌｌ）×ｎ×Ｉ
【００４４】
一方、冷却媒体供給装置１８において、第１温度計７８ａにより検出される冷却媒体の入口温度Ｔｗ（ｉｎ）と露点Ｔｄ（ｏｕｔ）とに基づいて、冷却媒体の必要温度差ΔＴが、以下の式から演算される。
ΔＴ＝Ｔｄ（ｏｕｔ）−Ｔｗ（ｉｎ）
【００４５】
そこで、冷却媒体流量設定部８８では、冷却媒体の流量（質量）ｗが、以下の式から演算される（ステップＳ６）。なお、ｃは、冷却媒体の比熱である。
ｗ＝Ｑ／（ｃ×ΔＴ）
【００４６】
従って、冷却媒体供給装置１８では、冷却媒体が流量ｗとなるように、ポンプ６６の回転数が制御される。具体的には、ポンプ６６の回転数を上げると、冷却媒体の流量ｗが増加して出口温度が低下する一方、前記ポンプ６６の回転数を下げると、前記冷却媒体の流量ｗが減少して出口温度が上昇する。その際、冷却媒体の流量ｗとポンプ６６の回転数との関係は、予めマップとして記憶されている。
【００４７】
上記の処理は、燃料電池システム１０の運転が停止されるまで（ステップＳ７中、ＹＥＳ）、必要に応じて繰り替えされる。
【００４８】
この場合、本実施形態では、空気に混在して燃料電池スタック１２に供給される水分と、前記燃料電池スタック１２の発電による前記燃料電池スタック１２内に生成される生成とは、全て水蒸気として前記燃料電池スタック１２から排出することができる。
【００４９】
しかも、燃料電池スタック１２の負荷に伴って変動する発熱量Ｑに基づいて、冷却媒体の流量ｗが設定されている。このため、燃料電池スタック１２の発電状態に関わらず、所望の排水性を維持することができ、フラッディングの発生を可及的に阻止することが可能になる。これにより、燃料電池システム１０は、高性能な発電状態を長期間にわたって良好に確保することができるという効果が得られる。
【００５０】
なお、本実施形態では、空気（酸化剤ガス）に混在して燃料電池スタック１２に供給される水分及び生成水を、全て水蒸気として前記燃料電池スタック１２の外部に排出させる場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、水素ガス（燃料ガス）に混在して燃料電池スタック１２に供給される水分も含めて、余分な水分を前記燃料電池スタック１２の外部に排出させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の運転方法を実施するための燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】前記運転方法を説明するフローチャートである。
【図３】湿度図表である。
【符号の説明】
【００５２】
１０…燃料電池システム              １２…燃料電池スタック
１４…酸化剤ガス供給装置            １６…燃料ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置              ２０…制御装置
２２…燃料電池                      ２４…固体高分子電解質膜
２６…アノード側電極                ２８…カソード側電極
３６…燃料ガス流路                  ３８…酸化剤ガス流路
４０…冷却媒体流路                  ８０…水分量演算部
８２…生成水演算部                  ８４…露点演算部
８６…発熱量演算部                  ８８…冷却媒体流量設定部
【図１】
2009123472.tif 000003
【図２】
2009123472.tif 000004
【図３】
2009123472.tif 000005