JP2005085532A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】反応ガスの加湿を適切に行うことができる内部加湿型の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】膜電極接合体１１１と、膜電極接合体１１１に対峙する面にガス流路１１５、１１６を有し、膜電極接合体１１１を外側から狭持する導電性の加湿水透過体１１２ａ、１１２ｃと、加湿水透過体１１２ａ、１１２ｃを介してガス流路１１５、１１６を流通する反応ガスを加湿する純水を流通する純水流路１１７と、を有する燃料電池を備える。さらに、燃料電池への加湿水の導入部または排出部の少なくとも一方における加湿水の圧力を検出する純水出口圧力センサを備える。燃料電池の負荷と、純水出口圧力センサの出力に応じて反応ガスの目標ガス圧力を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。特に、燃料電池に供給する反応ガスの圧力制御に関する。
従来の燃料電池システムとして、純水流路を流通する純水により、反応ガスの加湿および燃料電池の冷却を行うものが知られている。
例えば、燃料電池のプロトン交換膜の一方の面に、燃料ガスを流通させる流路を持った加湿水透過体で構成したセパレータで燃料極を構成する。プロトン交換膜の他方の面に、酸化剤ガスを流通する流路を持った加湿水透過体で構成したセパレータで酸化剤極を構成する。加湿水透過体のガスとは反対側に、加湿と冷却を担う純水流路を設け、加湿水透過体を透過する水分で、酸化剤ガスと燃料ガスを加湿する。加湿用純水と、酸化剤ガスや燃料ガスと、の差圧を制御することにより反応ガスの加湿の度合いを適切に保っている（例えば、特許文献１、参照。）。
特開平８−２５０１３０号公報
しかしながら、実際の燃料電池では、運転状態に応じて反応ガス流路および加湿純水流路内に圧力分布が生じる。従って、燃料電池に供給する純水と反応ガスの圧力差を設定するだけではガスの加湿を良好に行うのは困難である。また、圧力分布により差圧が過大／過小の部位があると、その部分における加湿が不適切になり、燃料電池内部での加湿不足による効率低下、また、加湿過剰によるフラッディングの発生による発電不良が生じるという問題があった。
そこで本発明は、上記の問題を鑑みて、反応ガスの加湿を適切に行うことができる内部加湿型の燃料電池を備えた燃料電池制御システムを提供することを目的とする。
本発明は、電解質膜の両面に電極を配置することにより構成した電極層と、前記電極層に対峙する面に反応ガスを流通する反応ガス流路を有し、前記電極を外側から狭持する導電性の多孔質体と、前記多孔質体を介して前記反応ガス流路を流通する反応ガスを加湿する加湿水を流通する加湿水流路と、を有する燃料電池を備える。さらに、さらに、前記燃料電池への加湿水の導入部、または、前記燃料電池からの加湿水の排出部の少なくとも一方における加湿水の圧力と、前記燃料電池の負荷に応じて反応ガスの目標ガス圧力を算出する目標ガス圧力算出手段と、前記目標ガス圧力に応じて反応ガスの圧力を調整するガス圧力調整手段と、を備える。
燃料電池への加湿水の導入部、または、燃料電池からの加湿水の排出部の少なくとも一方における加湿水の圧力と、燃料電池の負荷に応じて反応ガスの目標ガス圧力を算出する。これにより、様々な運転圧力において、燃料電池の加湿度合いを所望の範囲に制御できる。その結果、反応ガスの加湿を適切に行うことができる内部加湿型の燃料電池を備えた燃料電池制御システムを提供することができる。
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの構成を図１に示す。
燃料電池１に、酸化剤ガスとしての空気が流通されるカソード１ｃ、燃料ガスとしての水素が流通されるアノード１ａ、加湿および冷却を行う純水が流通する純水流路１ｂを備える。燃料電池１内の各流路１ａ、１ｃ、１ｂを、空気および水素を略平行に、純水をそれに略対向して流れるように構成する。また、カソード１ｃの入口側の圧力（以下、空気入口圧力ＰAi）を測定する空気入口圧力センサ２ａ、純水流路１ｂの出口側圧力（以下、純水出口圧力ＰWo）を測定する純水出口圧力センサ３ａ、アノード１ａの入口側の圧力（以下、水素入口圧力ＰHi）を測定する水素入口圧力センサ４ａを備える。また、カソード１ｃの下流側に備え、カソード１ｃ内の空気圧力ＰAを調整する空気圧力制御弁５を備える。また、アノード１ａの下流側に備え、アノード１ａ内の水素圧力ＰHを調整する水素圧力制御弁６を備える。さらに、純水流路１ｂに純水を供給する純水ポンプ７と、純水流路１ｂに流通させる純水を貯水する純水タンク８を備える。さらに、純水圧力ＰWを調整する純水圧力設定用オリフィス９を備える。
また、コンプレッサ等の図示しない空気供給手段により圧送された空気をカソード１ｃに流通する空気配管１０を備える。また、純水を、純水タンク８から純水ポンプ７を介して純水流路１ｂに流通させ、さらに、純水流路１ｂにおいて加湿に用いられずに排出された純水を純水タンク８に回収する純水配管１１を備える。また、燃料ポンプ等の図示しない燃料供給手段により水素をアノード１ａに流通する水素配管１２を備える。
このような燃料電池システムを制御するコントローラ１３を備える。ここでは、空気入口圧力センサ２ａ、純水出口圧力センサ３ａ、水素入口圧力センサ４ａの測定結果を用いて、空気圧力制御弁５、水素圧力制御弁６、および、純水ポンプ７を調整することにより、燃料電池１内の反応ガスと加湿水の圧力差、ひいては、反応ガスの加湿量を調整する。
カソード１ｃ、アノード１ａに供給された空気および水素を用いて発電を行うには、燃料電池１に備えた電解質膜が加湿されている必要がある。ここでは空気および水素を加湿することにより電解質膜を加湿する。なお、空気および水素の一方を加湿することにより電解質膜を加湿してもよい。また、発電に伴って燃料電池１では熱が生じるので、運転に適した温度に維持するために燃料電池１の冷却を行う必要がある。このような反応ガスの加湿、および燃料電池１の冷却を行うために、燃料電池１の純水流路１ｂに純水を流通させる。ここでは、純水タンク８から純水ポンプ７を用いて純水流路１ｂに純水を供給する。ここで、純水の一部は反応ガスの加湿に用いられる。加湿に用いられなかった純水は、燃料電池１において熱交換を行ってから、純水圧力設定用の純水圧力設定オリフィス９を経て純水タンク８に回収される。
次に、燃料電池１内における加湿作用について、図２、図３を用いて説明する。図２は、燃料電池１の一部を拡大して図示したものである。
燃料電池１を、複数の燃料電池セルを積層することにより構成する。ここでは、燃料電池セルを、膜電極接合体１１１と、アノード１ａに相当する加湿水透過体１１２ａ、カソード１ｃに相当する加湿水透過体１１２ｃから構成する。膜電極接合体１１１を、触媒層、ガス拡散層とからなる電極により固体高分子電解質膜を狭持することにより構成する。また、加湿水透過体１１２を、導電性の多孔質体により構成する。
加湿水透過体１１２ａには、膜電極接合体１１１に対峙する面に、水素が流通する水素流路１１６を形成する。また、加湿水透過体１１２ｃには、膜電極接合体１１１に対峙する面に、空気が流通する空気流路１１５を形成する。さらに、加湿水透過体１１２ｃの空気流路１１５を形成した反対の面には、純水流路１ｂに相当する純水流路１１７を形成する。このような燃料電池セルを複数積層することにより燃料電池１を構成する。
次に、純水流路１１７を中心に見た場合の概略を図３に示す。なお、図３には、図２に示した各流路１１５、１１６、１１７の、ガスおよび純水の流通方向に沿った断面を示す。
純水流路１１７に、加湿水透過体１１２ｃを介して空気流路１１５を隣接して構成する。図３では、純水流路１１７の上に加湿水透過体１１２ｃを介して空気流路１１５を示す。また、純水流路１１７に、加湿水透過体１１２ａを介して水素流路１１６を隣接して構成する。図３では、純水流路１１７の下に加湿水透過体１１２ａを介して水素流路１１６を示す。純水流路１１７内を流れる純水に略対峙して、空気流路１１５に空気を流通させる。また、純水流路１１７内を流れる純水に略対峙して、水素流路１１６に水素を流通させる。
純水流路１１７を流れる純水は、加湿水透過体１１２ｃを透過して空気１１５表面に到達する。例えば、加湿水透過体１１２ｃを多孔質プレート等で構成した場合には、毛細管現象により純水流路１１７を流れる純水が、空気流路１１５表面に達する。ここで、燃料電池１へはドライ状態で空気が供給されるので、空気流路１１５表面に達した純水が蒸発して空気が加湿される。また、燃料電池１における反応（Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ）に伴い、カソード１ｃには生成水が発生する。空気の相対湿度が１００％に達して凝縮水が生じた場合には、凝縮水は加湿水透過体１１２ｃに吸収され、さらに純水流路１１７に浸透し、ここを流れる純水と一緒になって燃料電池１から排出される。なお、この場合には、空気流路１１５と純水流路１１７には所定の圧力差を生じさせる必要がる。
また、アノード１ａでは生成水は発生しないが、水素流路１１６の上流で加湿水透過体１１２ａを介して純水流路１１７を流れる純水の供給を受けて加湿された水素が、発電に伴って消費されることで、水分が徐々に凝縮する。凝縮した水分は、加湿水透過体１１２ｃを介して純水流路１１７に浸透し、ここを流れる純水と一緒になって燃料電池１から排出される。この場合にも、水素流路１１６と純水流路１１７には所定の圧力差を生じさせる必要がある。
このように、純水と空気、水素は、加湿水透過体１１２を介して水分のやり取りを行う。このとき、発電反応や加湿による物質量の変化により各流路内では圧力分布が生じている。そのため、良好な水分の交換を行うために、純水と空気、水素の差圧は、その流路全域について所定の差圧許容範囲内に制御する必要がある。しかしながら、各流路１１５、１１６、１１７内の全領域の圧力差を検討することは困難である。そこで、流路１１５、１１６、１１７の入口側と出口側の純水と空気、水素との差圧を許容差圧範囲Ｐlimに設定することにより、各流路１１５、１１６、１１７の全領域における圧力差が良好であることを推測する。言い換えれば、燃料電池１内の良好な水分交換を維持するために、流路１１５、１１６、１１７の入口と出口における純水と空気、水素の差圧を制御する。なお、ここでは、純水の入口側は空気および水素における出口側、純水の出口側は空気および水素における入口側に隣接する。
ここで、反応ガス（空気または水素）と純水の圧力差許容範囲Ｐlimについて説明する。
加湿水圧力ＰWとガス圧力ＰGの圧力差（＝ＰG−ＰW）の最小値ΔＰminを、反応ガスの過剰加湿限界圧力差とする。つまり、ガス圧力ＰGに対して加湿水圧力ＰWがそれ以上大きくなったらガス流路（１１５、１１６）内に凝縮水が生じる可能性があると判断される圧力差とする。また、加湿水圧力ＰWとガス圧力ＰGの圧力差（＝ＰG−ＰW）の最大値ΔＰmaxを、反応ガスの加湿不足限界圧力差とする。つまり、ガス圧力ＰGに対して加湿水圧力ＰWがそれ以上小さくなったら、加湿水がガス流路（１１５、１１６）まで到達しない可能性があると判断される圧力差とする。例えば、反応ガスが純水流路１１７中に流入する可能性があると判断される圧力差とする。ガス流路（１１５、１１６）と加湿水流路１１７の圧力差が、ΔＰmin以上、ΔＰmax以下となるように圧力調整を行うことで、反応ガスの適切な加湿を行うことができる。
次に、圧力差が上述した圧力差許容範囲Ｐlim内となるような反応ガスの圧力ＰGの条件を求める。
反応ガスの入口圧力（以下、ガス入口圧力）ＰGiと純水出口圧力ＰWoの圧力差（＝ＰGi−ＰWo）、および、ガス出口圧力ＰGoと純水入口圧力ＰWiの圧力差（＝ＰGo−ＰWi）を圧力差許容範囲Ｐlimにする必要がある。
ここで、燃料電池１内における純水の、発電量に応じた圧力損失ΔＰW、燃料電池１内におけるガスの、発電量に応じた圧力損失ΔＰGを用いて、入口または出口圧力のうち測定が行われていない方の圧力を推定することができる。つまり、ＰWo＝ＰWi−ΔＰW、ＰGo＝ＰGi−ΔＰGと推測することができる。
よって、圧力差ＰGi−ＰWoは、
ΔＰmin≦ＰGi―ＰWo≦ΔＰmax
∴ＰWo＋ΔＰmin≦ＰGi≦ＰWo＋ΔＰmax・・・（式１）
と展開することができる。
また、圧力差ＰGo−ＰWiは、
ΔＰmin≦ΔＰWo―ＰGo≦ΔＰmax
∴ＰWi＋ΔＰmin＋ΔＰG≦ＰGi≦ＰWi＋ΔＰmax＋ΔＰmin・・・（式２）
と、展開することができる。
（式１）、（式２）それぞれの上限と下限の大小を比較すると、ガス入口圧力ＰGiが以下の制限範囲以内の場合に、純水とガスの入口および出口における差圧がそれぞれ許容差圧範囲内となる。つまり、
ＰWi＋ΔＰmax＋ΔＰG≦ＰGi≦ＰWo＋ΔＰmax
となる。よって、ガス入口圧力ＰGiの上限値ＰGiuはＰWo＋ΔＰmax、下限値ＰGilは、ＰWi＋ΔＰmin＋ΔＰGとなる。ここで、ＰWi＝ＰWo＋ΔＰWなので、下限値ＰGilをＰWo＋ΔＰmin＋ΔＰG＋ΔＰWとしてもよい。
ガス入口圧力ＰGiを、上述したような下限および上限値内となるように制御することで加湿水と反応ガスの圧力差を適切に設定することができ、ひいては、適切な加湿を行うことができる。
次に、上述したような圧力差を実現するための制御方法について説明する。図４にガス圧力制御方法のブロック図を示す。ここでは、図４にコントローラ１３で行う制御を示す。
ここでは、圧力制御を行うための算出部として、目標ガス圧力設定部１３−１、水素圧力損失推定部１３−２、純水圧力損失推定部１３−３、空気圧力損失推定部１３−４を備える。さらに、目標水素圧力上限下限設定部１３−５、目標空気圧力上限下限設定部１３−６、目標水素圧力設定部１３−７、目標空気圧力設定部１３−８、目標純水ポンプ回転数設定部１３−９を備える。
ここでは、目標取り出し電流Ｉtに応じて予め燃料電池１を適した温度に維持するのに必要な純水流量、ひいては純水ポンプ７の目標回転数Ｒtを設定し、図５に示すようなマップとして記憶しておく。図示しない目標取り出し電流設定部の出力である目標取り出し電流Ｉtを図５のマップに用いることにより目標純水ポンプ回転数Ｒtを算出し、純水ポンプ７を調整する（１３−９）。または、ガス圧力制御のフローにおいて、後述するステップＳ１４０の後に、純水ポンプ７の負荷を設定してもよい。つまり、ステップＳ１５０において計測する純水出口圧力ＰWoは、目標取り出し電流Ｉtに応じた純水流量に設定したときの圧力とする。
ガス圧力制御の流れを、図６に示したフローチャートを用いて説明する。本フローは、運転開始後、所定時間毎に繰り返し行う。または、目標取り出し電流Ｉtに所定値より大きな、例えば０より大きな変化があった場合に行う。
ステップＳ１００において、図示しない目標取り出し電流設定部の出力である目標取り出し電流Ｉtを読み込む。ステップＳ１１０において、目標取り出し電流Ｉtから目標ガス圧力Ｐt0を設定する（１３−１）。ここでは、図９に示すような目標取り出し電流Ｉtに対する目標ガス圧力Ｐt0のマップを予め記憶しておき、これを用いることにより、燃料電池１の目標ガス圧力Ｐt0を求める。つまり、燃料電池１の負荷に応じて反応ガスの目標ガス圧力Ｐt0を設定する。
ステップＳ１２０において、目標取り出し電流Ｉtに応じて燃料電池１での水素の圧力損失ΔＰHを求める（１３−２）。つまり、燃料電池１内での発電により水素消費されることにより低下した圧力ΔＰHを求める。ここでは、図１０に示すような目標取り出し電流Ｉtに対する水素の圧力損失ΔＰHのマップを予め記憶しておき、これを用いることにより、燃料電池１での水素の圧力損失ΔＰHを求める。
ステップＳ１３０において、目標取り出し電流Ｉtに応じて燃料電池１での純水の圧力損失ΔＰWを求める（１３−３）。つまり、燃料電池１の加湿および冷却により低下した圧力ΔＰWを求める。ここでは、図１１に示すような目標取り出し電流Ｉtに対する純水の圧力損失ΔＰWのマップを予め記憶しておき、これを用いることにより、燃料電池１での純水の圧力損失ΔＰWを求める。
ステップＳ１４０において、目標取り出し電流Ｉtに応じて燃料電池１での空気の圧力損失ΔＰAを求める（１３−４）。つまり、燃料電池１内での発電により酸素消費されることにより低下した圧力ΔＰAを求める。ここでは、図１２に示すような目標取り出し電流Ｉtに対する空気の圧力損失ΔＰAのマップを予め記憶しておき、これを用いることにより、燃料電池１での空気の圧力損失ΔＰAを求める。
ステップＳ１５０において、燃料電池１からの純水出口圧力ＰWoを検出する純水出口圧力センサ３ａの出力を読み込む。ステップＳ１６０において、目標水素入口圧力ＰHtiの上限値ＰHiu、下限値ＰHilを算出する（１３−５）。ここでは、上述したように求めた式に従って上限値ＰHiu、下限値ＰHilを算出する。ここでは、測定誤差、制御誤差を考慮して、
ＰHiu＝ＰWo−センサ誤差＋ΔＰmax−水素圧力制御誤差
ＰHil＝ＰWo＋センサ誤差＋ΔＰmin＋ΔＰH＋ΔＰW＋水素圧力制御誤差
と、表すことができる。
さらに、ステップＳ１７０において、目標空気入口圧力ＰAtiの上限値ＰAiu、下限値ＰAilを算出する（１３−６）。ここでは、水素と同様に、
ＰAiu＝ＰWo−センサ誤差＋ΔＰmax−空気圧力制御誤差
ＰAil＝ＰWo＋センサ誤差＋ΔＰmin＋ΔＰA＋ΔＰW＋空気圧力制御誤差
と、示すことができる。
次に、ステップＳ１８０において、目標水素入口圧力ＰHtiを設定する（１３−７）。ここでは、図７に示すようなフローを用いて目標水素入口圧力ＰHtiを設定する。
ステップＳ１８１において、ステップＳ１１０で求めた目標ガス圧力Ｐt0を読み込む。ステップＳ１８２において、ステップＳ１６０で求めた目標水素入口圧力ＰHtiの上限値ＰHiu、下限値ＰHilを読み込む。ステップＳ１８３において、目標水素圧力ＰHt、ここでは目標水素入口圧力ＰHtiに目標ガス圧力Ｐt0を設定する。つまり、ＰHti＝Ｐt0。
次に、ステップＳ１８４において、目標水素入口圧力ＰHtiが下限値ＰHilより小さいか否かを判断する。目標水素入口圧力ＰHtiが下限値ＰHilより小さい場合には、ステップＳ１８５に進み、目標水素入口圧力ＰHtiに下限値ＰHilを設定する。つまり、ＰHti＝ＰHil。
目標水素入口圧力ＰHtiが下限値ＰHil以上の場合、または、ステップＳ１８５において目標水素入口圧力ＰHtiを設定したら、ステップＳ１８６に進む。ステップＳ１８６において、目標水素入口圧力ＰHtiが上限値ＰHiuより大きいか否かを判断する。目標水素入口圧力ＰHtiが上限値ＰHiuより大きい場合には、ステップＳ１８７に進み、目標水素入口圧力ＰHtiに上限値ＰHiuを設定する。つまり、ＰHti＝ＰHiu。例えば下限値ＰHilが上限値ＰHiuより大きい場合には、上限値ＰHiuを目標水素入口圧力ＰHtiに設定する。
上述したように制御することにより、目標ガス圧力Ｐt0が制限範囲以内、つまり、ＰHil≦Ｐt0≦ＰHiuの場合には、目標水素入口圧力ＰHti＝目標ガス圧力Ｐt0と設定する。制限範囲より大きい場合、つまり、Ｐt0＞ＰHiuの場合には、目標水素入口圧力ＰHti＝上限値ＰHiuと設定する。制限範囲より小さい場合、つまり、Ｐt0＜ＰHilの場合には、目標水素入口圧力ＰHti＝下限値ＰHilと設定する。
このように、目標水素入口圧力ＰHtiを設定したら、ステップＳ１９０に進む。ステップＳ１９０において、目標空気圧力ＰAt、ここでは目標空気入口圧力ＰAtiを設定する（１３−８）。図８に示すようなフローを用いて目標空気入口圧力ＰAtiを設定する。なお、図８のフローは、図７に示したフローにおいて、水素圧力を空気圧力に置き換えたものである。以下、簡単に説明する。
ステップＳ１９１において、ステップＳ１１０で求めた目標ガス圧力Ｐt0を読み込み、ステップＳ１９２において、ステップＳ１７０で求めた目標空気入口圧力ＰAtiの上限値ＰAiu、下限値ＰAilを読み込む。ステップＳ１９３では、目標空気圧力ＰAt、ここでは目標空気入口圧力ＰAtiに、目標ガス圧力Ｐt0を設定する（ＰAti＝Ｐt0）。
ステップＳ１９４において、目標空気入口圧力ＰAtiが下限値ＰAilより小さいか否かを判断し、小さい場合にはステップＳ１９５において、目標空気入口圧力ＰAtiに下限値ＰAilを設定する。つまり、ＰAti＝ＰAil。
次に、ステップＳ１９６において、目標空気入口圧力ＰAtiが上限値ＰAiuより大きいか否かを判断し、大きい場合にはステップＳ１９７において、目標空気入口圧力ＰAtiに上限値ＰAiuを設定する。つまり、ＰAti＝ＰAiu。以上のように、目標空気入口圧力ＰAtiを設定する。
上述したように制御することにより、目標ガス圧力Ｐt0が許容範囲以内、つまり、ＰAil≦Ｐt0≦ＰAiuの場合には、目標空気入口圧力ＰAti＝目標ガス圧力Ｐt0と設定する。許容範囲より大きい場合、つまり、Ｐt0＞ＰAiuの場合には、目標空気入口圧力ＰAti＝上限値ＰAiuと設定する。許容範囲より小さい場合、つまり、Ｐt0＜ＰAilの場合には、目標空気入口圧力ＰAti＝下限値ＰAilと設定する。
これにより、水素および空気の圧力を設定し、水素入口圧力センサ４ａ、空気入口圧力センサ２ａがこの設定値ＰHti、ＰAtiとなるように水素圧力制御弁６、空気圧力制御弁５を調整する。ここでは、空気入口圧力センサ２ａ、水素入口圧力センサ４ａをモニタすることにより、カソード１ｃおよびアノード１ａの圧力を所望の圧力に調整する。
なお、図１０、図１２に示すマップは、水素や空気以外、例えば水蒸気などの混入量に応じて補正してもよい。
また、本実施形態では、反応ガスの入口側の圧力ＰGi（ＰHi、ＰAi）を制御するために目標ガス入口圧力ＰGti（ＰHti、ＰAti）を求めているがこの限りではない。例えば、目標ガス出口圧力ＰGto（ＰHto、ＰAto）を求めて、反応ガスの出口側の圧力ＰGo（ＰHo、ＰAo）を制御してもよい。この場合には、ガス出口圧力ＰGoの制限範囲を求める必要があり、上限値ＰGou、下限値ＰGolは、
ＰGou＝ＰWo−センサ誤差＋ΔＰmax−ΔＰG−ガス圧力制御誤差
ＰGol＝ＰWo＋センサ誤差＋ΔＰmin＋ΔＰW＋ガス圧力制御誤差
と、求めることができる。
また、純水出口圧力ＰWoを測定しているが、純水入口圧力ＰWiの測定値を用いてもよい。この場合には、各式にＰWo＝ＰWi−ΔＰWを代入した式により、同様に制御することができる。
さらに、目標取り出し電流Ｉtに応じて目標ガス圧力Ｐt0を算出しているが、この限りではない。例えば、燃料電池１に対する目標発電量や、燃料電池１の発電量、運転状態等、燃料電池１の負荷に応じて求めることができる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
電解質膜の両面に電極を配置することにより構成した膜電極接合体１１１と、膜電極接合体１１１に対峙する面に反応ガスを流通するガス流路１１５、１１６を有し、膜電極接合体１１１を外側から狭持する導電性の加湿水透過体１１２と、加湿水透過体１１２を介してガス流路１１５、１１６を流通する反応ガスを加湿する純水を流通する純水流路１１７と、を有する燃料電池１を備える。さらに、燃料電池１への加湿水の導入部または排出部の少なくとも一方における加湿水の圧力と、燃料電池１の負荷と、に応じて反応ガスの目標ガス圧力ＰGtを算出する目標ガス圧力算出手段（１３−７、１３−８）と、目標ガス圧力ＰGtに応じて反応ガスの圧力を調整する純水ポンプ７を備える。ここでは、燃料電池１からの加湿水の排出部の加湿水圧力を検出する純水出口圧力センサ３ａを備える。また、燃料電池１の負荷として、例えば図示しない制御手段により運転状態より算出した目標取り出し電流Ｉtを用いる。このように、燃料電池１の負荷と、純水圧力に応じて反応ガスの目標ガス圧力ＰGtを算出することで、様々な運転圧力において、燃料電池１の加湿度合いを所望の範囲に制御できる。
また、ガス流路１１５、１１６内の反応ガスの流れと純水流路１１７内の加湿水の流れが、互いに略対峙するように構成する。加湿水の燃料電池１への純水入口圧力ＰWiと、反応ガスの燃料電池１からのガス出口圧力ＰGoとの圧力差（ＰGo−ＰWi）と、加湿水の燃料電池１からの純水出口圧力ＰWoと、反応ガスの燃料電池１へのガス入口圧力ＰGiとの圧力差（ＰGi−ＰWo）と、加湿水透過体１１２の諸元に基づいた反応ガスと加湿水の圧力差許容範囲Ｐlimと、に応じて、目標ガス圧力ＰGtの制限を設定する目標ガス圧力制限手段（１３−５、１３−６）を備える。このように、入口部分と出口部分の反応ガスと純水の圧力差に応じて、反応ガスの圧力制限を行うことで、ガス流路１１５、１１６全体に渡って加湿状態を設定することができる。そのため、様々な運転圧力において、燃料電池１の加湿度合いを所望の範囲に制御できる。
ここでは、目標ガス圧力算出手段を、反応ガスの燃料電池１への導入部における目標ガス圧力ＰGtiを算出する目標ガス導入圧力算出手段とする。目標ガス圧力制限手段（１３−５、１３−６）は、加湿水の燃料電池１への純水入口圧力ＰWiと、圧力差許容範囲Ｐlimと、燃料電池１の負荷（目標取り出し電流Ｉt）に基づいた反応ガスの圧力損失ΔＰGと、から目標ガス圧力の下限値ＰGilを、加湿水の燃料電池１からの純水出口圧力ＰWoと、圧力差許容範囲Ｐlimと、から目標ガス圧力の上限値ＰGiuを算出する。これにより、ガス入口圧力ＰGiを調整することにより、ガス流路１１５、１１６内の加湿状態を制御する燃料電池１において、目標反応ガス圧力ＰGtiの上限および下限制限を容易に行うことができる。
または、目標ガス圧力算出手段は、反応ガスの前記燃料電池１からの排出部における目標ガス圧力ＰGtoを算出する目標ガス排出圧力算出手段としてもよい。この場合には、目標ガス圧力制限手段は、純水出口圧力ＰWiと、圧力差許容範囲Ｐlimと、から目標ガス圧力の下限値ＰGolを、純水出口圧力ＰWoと、圧力差許容範囲Ｐlimと、燃料電池１の負荷（目標取り出し電流Ｉt）に基づいた反応ガスの圧力損失ΔＰGと、から目標ガス圧力の上限値ＰGouを、算出する。これにより、ガス出口圧力ＰGoを調整することにより、ガス流路１１５、１１６内の加湿状態を制御する燃料電池１において、目標反応ガス圧力ＰGtoの上限および下限制限を容易に行うことができる。
なお、下限値ＰGil、ＰGolが上限値ＰGiu、ＰGouを上回った場合は、上限値ＰGiu、ＰGouを目標ガス圧力ＰGti、ＰGtoとする。これにより、いかなる場合でも、加湿水透過体１１２を介して反応ガスが純水流路１１７に浸透することなく燃料電池１を運転することができる。
下限値ＰGil、ＰGolを算出する際に、圧力差許容範囲Ｐlimとして用いる値を、燃料電池１における加湿過剰限界圧力差Ｐminとする。これにより、反応ガスの過剰な加湿によりフラッディングが生じるのを抑制することができる。このとき、予めオフラインで計測できるパラメータを使用することができるので、簡単に実施することができる。
上限値ＰGiu、ＰGouを算出する際に、圧力差許容範囲Ｐlimとして用いる値を、燃料電池１における加湿不足限界圧力差Ｐmaxとする。これにより、予めオフラインで計測することができるパラメータを使用することができるので、簡単に実施することができる。また、反応ガスの乾燥に伴う電解質膜の乾燥による、燃料電池１の発電効率低下を抑制することができる。
加湿水の燃料電池１への導入部または燃料電池１からの排出部のうち一方の圧力と、燃料電池１の運転状態とから、他方の圧力を推定する。ここでは、例えば、加湿水の燃料電池１からの排出部の圧力ＰWoと燃料電池１の運転状態(ΔＰW)とから、加湿水の燃料電池１への導入部の圧力ＰWiを推定する。つまり、ＰWo＝ＰWi−ΔＰW。これにより、測定する必要のある加湿水圧力を半減することができ、ひいては、圧力センサ等の検出手段を半減することができるので、低コスト化することができる。なお、加湿水の流量は燃料電池１の負荷に応じて設定する。
また、反応ガスの燃料電池１への導入部または燃料電池１からの排出部のうち一方の圧力と、燃料電池１の運転状態とから、他方の圧力を推定する。ここでは、例えば、反応ガスの燃料電池１への導入部の圧力ＰGiと燃料電池１の運転状態(ΔＰG)とから、反応ガスの燃料電池１からの排出部の圧力ＰGoを推定する。つまり、ＰGi＝ＰGo＋ΔＰG。これにより、このような推測によりガス出口圧力ＰGoを適切な加湿を行うことができる範囲とするための条件を、ガス入口圧力ＰGiで示しているので、入口側の反応ガス圧力のみを制御することで、反応ガス全体の制御を行うことができる。また、測定する必要のある反応ガスを半減することができ、ひいては圧力センサ等の検出手段を半減することができるので、低コスト化することができる。
ここで、燃料電池１の運転状態を、燃料電池１の負荷（目標取り出し電流Ｉt）に基づいた圧力損失ΔＰW、ΔＰGとする。これにより、予めオフラインで計測することができるパラメータを使用することができるので、簡単に実施することができる。ここでは、燃料電池１の負荷に応じた圧力損しＴΔＰW、ΔＰGをパラメータとすることにより、反応ガスおよび加湿水の流れ方向に関する圧力変化を考慮して加湿状態を調整することができる。これにより、ガス流路１１５、１１６全体に渡って反応ガスの加湿状態を制御することができ、局所的な加湿不足や凝縮水の生成を抑制することができる。
また、目標ガス圧力算出手段により、燃料電池１からの加湿水の排出部における加湿水の圧力ＰWoと、燃料電池１の負荷に応じて反応ガスの目標ガス圧力（ＰGti）を算出し、バルブ５、６により、目標ガス圧力（ＰGti）に応じて、燃料電池１への反応ガスの導入部における反応ガスの圧力ＰGiを調整する。これにより、反応ガスの圧力を上限値ＰGuと下限値ＰGlとの間に精度よく制御することができる。
次に、第２の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１３に示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
ここでは、水素循環流路１４とエゼクタ１５を備える。燃料電池１から排出された未使用水素を、水素循環流路１４を通ってエゼクタ１５を介して水素配管１２に戻すことで、水素を再度発電に利用する。なお、アノード１ａの圧力調整は、水素配管１２に備えた水素圧力制御弁１６により行う。つまり、水素圧力制御弁１６により、水素供給側と、水素循環流路１４およびアノード１ａ側との圧力差を制御し、ひいてはアノード１ａの圧力を制御する。
さらに、燃料電池１を流通する空気、水素、純水の入口と出口の圧力を測定する圧力センサを備える。ここでは、空気の圧力を測定する空気入口圧力センサ２ａと空気出口圧力センサ２ｂを備える。また、純水の圧力を測定する純水入口圧力センサ３ｂと純水出口圧力センサ３ａを備える。さらに、水素の圧力を測定する水素入口圧力センサ４ａと水素出口圧力センサ３ｂを備える。
ここで、一般に燃料電池１から大きな出力を取り出す場合には、燃料電池１に供給するガスの圧力を高く設定する。反対に、出力を小さくする場合には、燃料電池１内のガス圧力を小さく設定する。しかしながら、このような構成の燃料電池システムにおいては、燃料電池１の出力を急激に下げる際に、以下のような問題を生じる。
燃料電池１からの出力を下げる場合には、図９に示すように、燃料電池１の運転圧力を下げることになる。ここでは、水素循環流路１４を持つ閉鎖系となっているので、アノード１ａ内の圧力を下げるためには、水素圧力制御弁１６を閉じることにより水素の供給を停止し、発電を行うことによりアノード１ａ内の水素を消費する必要がある。ところが、燃料電池１の出力を下げるということは、アノード１ａ内の水素消費量が少なくなることを意味しているので、アノード１ａの内圧低下は非常にゆっくりしたものとなる。これに対して、純水ポンプ７の回転数は、図５に示すようなマップにより設定される。その結果、水素入口圧力センサ４ａで検出される水素入口圧力ＰHiと、純水出口圧力センサ３ａで検出される純水出口圧力ＰWoと、の圧力差が小さくなり、適切な加湿を行うのが難しくなる。言い換えれば、燃料電池１の出力に応じて設定される純水圧力ＰWに対してアノード１ａにおける水素圧力ＰHが大きくなり過ぎる傾向がある。そこで、本実施形態では、ガス圧力ＰG、特に水素圧力ＰHの変化速度に合わせて、純水流量の変化速度を制限することにより、適切な差圧を維持する。なお、ここでは水素圧力ＰHの変化速度にあわせているが、水素圧力の応答速度、または、酸化剤ガス圧力の応答速度のいずれか遅い方にあわせて純水の変化速度を制限すればよい。
燃料電池システムにおける燃料電池１内の空気、水素、純水圧力を制御するコントローラ１３の構成を、図１４に示す。
第１の実施形態と同様の設定を行う、目標ガス圧力設定部１３−１、目標水素圧力上限下限設定部１３−５、目標空気圧力上限下限設定部１３−６、目標水素圧力設定部１３−７、目標空気圧力設定部１３−８を備える。
さらに、水素圧力損失演算部１３−１０、純水圧力損失演算部１３−１１、空気圧力損失演算部１３−１２を備える。ここでは、燃料電池１の入口側、出口側の空気、水素、純水それぞれの圧力を測定する検出手段を備えている。そこで、各圧力損失演算部１３−１０、１３−１１、１３−１２では、入口側の圧力と出口側の圧力差から圧力損失とする。つまり、水素の圧力損失ΔＰHをＰHi−ＰHo、純水の圧力損失ΔＰWをＰWi−ＰWo、空気の圧力損失ΔＰAをＰAi−ＰAoとする。
さらに目標純水ポンプ回転数設定部１３−１３を備える。以下、図１５のフローチャートを用いて、純水ポンプ７の目標回転数Ｒtの設定方法を説明する。本フローは、目標取り出し電流Ｉtの変化が検知されたら開始する。
ステップＳ２００において、図示しない取り出し電流設定部の出力である取り出し電流Ｉtを読み込む。ステップＳ２１０において、目標取り出し電流Ｉtと図５に示すようなマップを用いて目標純水ポンプ回転数Ｒt1を算出する。次にステップＳ２２０において、目標取り出し電流Ｉtが増加方向か減少方向かを判断する。例えば、今回と前回の目標取り出し電流Ｉtの差ΔＩt（＝Ｉt[今回]−Ｉt[前回]）が０以上の場合には増加方向に、０より小さい場合には減少方向に変化したと判断する。取り出し電流Ｉtが減少方向に変化したと判断される場合には、ステップＳ２３０に進み、現在の純水ポンプ７の回転数Ｒを読み込む。次に、ステップＳ２４０において、目標純水ポンプ回転数Ｒtを算出する。ここでは、現在の純水ポンプ回転数Ｒから所定値ΔＲを減じた値（Ｒ−ΔＲ）を目標純水ポンプ回転数Ｒtとする。なお、所定値ΔＲは、例えば、最小負荷時のアノード１ａの圧力低下速度に合わせて設定される。ここではアノード１ａの圧力低下速度が大きい場合には、ΔＲを大きく、言い換えれば、純水圧力の減少速度を大きく設定する。
次に、ステップＳ２５０において、ステップＳ２４０で設定した目標純水ポンプ回転数ＲｔがステップＳ２１０で求めた目標取り出し電流Ｉtに基づいて設定される目標純水ポンプ回転Ｒt1であるか否かを判断する。ここでは、Ｒt1＜Ｒtか否かを判断する。Ｒt1＜Ｒtの場合には、純水ポンプ７の回転数は、目標取り出し電流Ｉtに応じた回転数まで低減されていないと判断できるので、ステップＳ２６０において所定時間待機してから、ステップＳ２４０に戻り、再び目標純水ポンプ回転数Ｒtを設定する。一方、ステップＳ２５０において、Ｒt1＜Ｒtではない、つまり、純水ポンプ７の回転数を目標取り出し電流Ｉtに応じた回転数まで低減することができたと判断されたら、本フローを終了する。
一方、ステップＳ２２０において、目標取り出し電流Ｉtが増加方向に変化していると判断されたら、ステップＳ２７０に進む。ステップＳ２７０では、目標純水ポンプ回転数Ｒtを、ステップＳ２１０で求めた目標純水ポンプ回転数Ｒt1に設定する。
このように制御することにより、燃料電池１の出力が低減した場合にも、純水と水素の圧力差を適切に維持することができる。
なお、水素および空気の圧力設定方法は、第１の実施形態と同様とする。このとき、反応ガス圧力を所定時間毎に設定することにより、純水流量の変化に応じて反応ガス圧力を設定することができる。または、純水流量の低減を行っている間に、加湿水の過剰または不足による発電効率の低下が起こらないと推測される場合には、純水ポンプ７の回転数Ｒを目標純水ポンプ回転数Ｒt1に設定した後、反応ガスの圧力設定を行っても良い。
さらに、図１５に示したフローでは、フロー実行中に目標取り出し電流Ｉtの変化が生じたら、フローを中止して、新たにステップＳ２００からフローを再開するのが好ましい。
次に、本実施形態の効果について説明する。以下、第１の実施形態と異なる効果のみを説明する。
加湿水の流量を燃料電池１の負荷(目標取り出し電流Ｉt)に応じて制御する純水ポンプ７と、燃料電池１の負荷に応じた反応ガス圧力の変化速度に応じて、加湿水の流量変化に制限を加える加湿水変動制限手段（Ｓ２４０、Ｓ２５０、Ｓ２６０）と、を備える。ここでは、加湿水流量の変化速度を、水素圧力の応答速度、または、酸化剤ガス圧力の応答速度のいずれか遅い方にあわせて設定する。これにより、広範囲の圧力条件で動作する燃料電池１であっても、加湿度合いを良好に維持することができる。
なお、上記実施の形態においては、加湿水により水素および空気を加湿しているが、この限りではない。例えば、水素のみを加湿する燃料電池にも適用することができる。
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が為し得ることは言うまでもない。
固体高分子電解質型燃料電池における内部加湿手段として適用することができる。また、ガス流路中の反応ガス漏れを防ぐシール機能に適用することもできる。
第１の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池の一部の拡大図である。 第１の実施形態に用いる燃料電池の純水流路を中心に拡大した図である。 第１の実施形態に用いるコントローラにおける制御ブロック図である。 取り出し電流に対する目標純水ポンプ回転数を示すマップである。 第１の実施形態におけるガス圧力制御のメインルーチンである。 第１の実施形態における水素圧力設定方法を示すサブルーチンである。 第１の実施形態における空気圧力設定方法を示すサブルーチンである。 取り出し電流に対する目標ガス圧力を示すマップである。 取り出し電流に対する水素の圧力損失を示すマップである。 取り出し電流に対する純水の圧力損失を示すマップである。 取り出し電流に対する空気の圧力損失を示すマップである。 第２の実施形態に用いる燃料電池システムの概略構成図である。 第２の実施形態に用いるコントローラにおける制御ブロック図である。 第２の実施形態における純水ポンプ回転数制御のフローチャートである。
符号の説明
１ 燃料電池
２ａ 空気入口圧力センサ（ガス圧力検出手段）
３ａ 純水出口圧力センサ（加湿水圧力検出手段）
４ａ 水素入口圧力センサ（ガス圧力検出手段）
５ 空気圧力制御弁（ガス圧力調整手段）
６ 水素圧力制御弁（ガス圧力調整手段）
７ 純水ポンプ（加湿水流量調整手段）
１３−５ 目標水素圧上限下限設定部（目標ガス圧力制限手段）
１３−６ 目標空気圧上限下限設定部（目標ガス圧力制限手段）
１３−７ 目標水素圧設定部（目標ガス圧力算出手段）
１３−８ 目標空気圧設定部（目標ガス圧力算出手段）
１１１ 膜電極接合体（電極層）
１１２ 加湿水透過体（多孔湿体）
１１５ 空気流路
１１６ 水素流路
１１７ 純水流路
Ｓ２４０〜Ｓ２６０ 加湿水変動制限手段

Claims (12)

  1. 電解質膜の両面に電極を配置することにより構成した電極層と、
    前記電極層に対峙する面に反応ガスを流通する反応ガス流路を有し、前記電極を外側から狭持する導電性の多孔質体と、
    前記多孔質体を介して前記反応ガス流路を流通する反応ガスを加湿する加湿水を流通する加湿水流路と、を有する燃料電池を備え、
    さらに、前記燃料電池への加湿水の導入部、または、前記燃料電池からの加湿水の排出部の少なくとも一方における加湿水の圧力と、前記燃料電池の負荷に応じて反応ガスの目標ガス圧力を算出する目標ガス圧力算出手段と、
    前記目標ガス圧力に応じて反応ガスの圧力を調整するガス圧力調整手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記反応ガス流路内の反応ガスの流れと前記加湿水流路内の加湿水の流れが、互いに略対峙するように構成し、
    加湿水の前記燃料電池への導入部圧力と、反応ガスの前記燃料電池からの排出部圧力との圧力差と、
    加湿水の前記燃料電池からの排出部圧力と、反応ガスの前記燃料電池への導入部圧力との圧力差と、
    前記多孔質体の諸元に基づいた反応ガスと加湿水の圧力差許容範囲と、に応じて、
    前記目標ガス圧力の制限を設定する目標ガス圧力制限手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記目標ガス圧力算出手段は、反応ガスの前記燃料電池への導入部における目標ガス圧力を算出する目標ガス導入圧力算出手段であり、
    前記目標ガス圧力制限手段は、加湿水の前記燃料電池への導入部圧力と、前記圧力差許容範囲と、前記燃料電池の負荷に基づいた反応ガスの圧力損失と、から目標ガス圧力の下限値を、
    加湿水の前記燃料電池からの排出部圧力と、前記圧力差許容範囲と、から目標ガス圧力の上限値を算出する請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記目標ガス圧力算出手段は、反応ガスの前記燃料電池からの排出部における目標ガス圧力を算出する目標ガス排出圧力算出手段であり、
    前記目標ガス圧力制限手段は、加湿水の前記燃料電池への導入部圧力と、前記圧力差許容範囲と、から目標ガス圧力の下限値を、
    加湿水の前記燃料電池からの排出部圧力と、前記圧力差許容範囲と、前記燃料電池の負荷に基づいた反応ガスの圧力損失と、から目標ガス圧力の上限値を、算出する請求項３に記載の燃料電池システム。
  5. 前記下限値が前記上限値を上回った場合は、前記上限値を目標ガス圧力とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
  6. 前記下限値を算出する際に、前記圧力差許容範囲として用いる値を、前記燃料電池における加湿過剰限界圧力差とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
  7. 前記上限値を算出する際に、前記圧力差許容範囲として用いる値を、前記燃料電池における加湿不足限界圧力差とする請求項３または４に記載の燃料電池システム。
  8. 加湿水の前記燃料電池への導入部または前記燃料電池からの排出部のうち一方の圧力と、前記燃料電池の運転状態とから、他方の圧力を推定する請求項３または４に記載の燃料電池システム。
  9. 反応ガスの前記燃料電池への導入部または前記燃料電池からの排出部のうち一方の圧力と、前記燃料電池の運転状態とから、他方の圧力を推定する請求項２に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池の運転状態を、前記燃料電池の負荷に基づいた圧力損失とする請求項８または９に記載の燃料電池システム。
  11. 加湿水の流量を前記燃料電池の負荷に応じて制御する加湿水流量調整手段と、
    前記燃料電池の負荷に応じた反応ガス圧力の変化速度に合わせて、加湿水の流量変化に制限を加える加湿水変動制限手段と、を備える請求項１に記載の燃料電池システム。
  12. 前記目標ガス圧力算出手段により、前記燃料電池からの加湿水の排出部における加湿水の圧力と、前記燃料電池の負荷に応じて反応ガスの目標ガス圧力を算出し、
    前記ガス圧力調整手段により、前記目標ガス圧力に応じて、前記燃料電池への反応ガスの導入部における反応ガスの圧力を調整する請求項１に記載の燃料電池システム。
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