JP4334517B2 - 燃料電池システム及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池を備える燃料電池システム及びその運転方法に関する。

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電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータにより挟んで構成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体とセパレータとを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動する。その移動の間に生じた電子は、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

この種の燃料電池では、周囲の圧力によって効率が変動し易く、例えば、前記燃料電池が高圧力で作動する際には、前記燃料電池はより効率的に発電することができる。一方、カソード電極に空気を供給するコンプレッサは、規定の圧縮比の範囲内で高効率となるように設定されており、大気圧が低下する高地では、空気の密度が低いために圧縮率を上げる必要があり、前記コンプレッサの効率が低下してしまう。

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、図６に示すように、燃料電池１と、前記燃料電池１のアノード電極（図示せず）に水素を供給する燃料プロセッサ２と、前記燃料電池１のカソード電極（図示せず）に酸素を供給するコンプレッサ３と、カソードテイルガスの背圧を変化させるように調整可能な圧力レギュレータ４と、圧力を検出する圧力センサ５ａ〜５ｄと、コントローラ６とを備えている。

圧力センサ５ａは、コンプレッサ３の入口圧力を検出し、圧力センサ５ｂは、前記コンプレッサ３の出口圧力、すなわち、ライン７上の圧力を検出し、圧力センサ５ｃは、圧力レギュレータ４によりシステム上に印加された背圧であるライン８上の圧力を検出し、圧力センサ５ｄは、燃料電池システムを取り囲む周囲圧力（大気圧力）を検出している。

このような構成において、コンプレッサ３の出力圧力は、周囲圧力にかかわらず実質的に一定レベルに維持することが望ましい。このため、例えば、燃料電池システムが山頂にあるとき、圧力センサ５ｂがライン７上の圧力を監視し、このライン７上の圧力が標高の増加に伴って低下し始める際、前記圧力センサ５ｂは、コントローラ６に信号を出力している。そして、コントローラ６は、ライン７上の圧力が所望の圧力に至るまでシステム上の背圧を増加させるため、圧力レギュレータ４に信号を送出している。

特開２００１−３４５１１２号公報（図１）

しかしながら、特許文献１では、圧力レギュレータ４を備えるとともに、この圧力レギュレータ４の開度を大気圧力の変動に応じて調整しなければならない。これにより、コントローラ６による圧力レギュレータ４の制御が相当に煩雑化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、周囲圧力の変動に影響されることがなく、簡単な工程及び構成で、燃料電池の発電効率を良好に向上させることが可能な燃料電池システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

本発明は、アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池を備える燃料電池システムである。

この燃料電池システムは、カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値を大気圧力との相対圧力で設定するとともに、アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値を絶対圧力で設定し、前記相対圧力及び前記絶対圧力を指令値として前記燃料電池の発電電流を制御する制御装置を備えている。

また、燃料電池システムは、カソード電極に供給される酸化剤ガスの作動圧力を、相対圧力として検出する相対圧検出部と、アノード電極に供給される燃料ガスの作動圧力を、絶対圧力として検出する絶対圧検出部とを備えることが好ましい。

さらに、燃料電池システムは、大気圧力を検出する大気圧検出部と、アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値とカソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値との差圧を検出する差圧検出部と、前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値、前記大気圧力及び前記差圧に基づいて、前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力上限値を設定する上限値設定部とを備えることが好ましい。

さらにまた、本発明は、アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法である。

この運転方法は、目標発電電流に基づいて、カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値を大気圧力との相対圧力として設定する一方、アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値を絶対圧力として設定し、前記相対圧力及び前記絶対圧力を指令値として前記燃料電池の発電電流を制御している。

また、アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値とカソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値との差圧を検出し、前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値、大気圧力及び前記差圧に基づいて、前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力上限値を設定することが好ましい。

本発明によれば、カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値が大気圧力との相対圧力で設定されている。このため、大気圧力が下がった際に、カソード電極側の作動圧力を維持するために、例えば、酸化剤ガス供給用のコンプレッサの圧縮比を上げる必要がない。これにより、コンプレッサは、高効率の領域で用いることが可能になる。

従って、コンプレッサの消費電力を良好に抑えることができ、燃料電池システム全体の出力効率（ＮＥＴ出力）が有効に向上する。このため、周囲圧力(大気圧力)の変動に影響されることがなく、簡単な工程及び構成で、燃料電池の発電効率を良好に向上させることが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成図である。

燃料電池システム１０は、燃料電池１２を有し、この燃料電池１２は、複数の発電セル１４を矢印Ａ方向に積層したスタックとして構成される。燃料電池１２の積層方向両端部には、エンドプレート１６ａ、１６ｂが設けられ、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂが図示しないタイロッド等によって締め付けられることにより、燃料電池１２が組み付けられる。

各発電セル１４は、電解質膜・電極構造体２０と、この電解質膜・電極構造体２０を挟持する金属製又はカーボン製のセパレータ２２、２４とを備える。電解質膜・電極構造体２０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜２０ａと、この固体高分子電解質膜２０ａを挟んで保持するアノード電極２０ｂ及びカソード電極２０ｃとを設ける。

セパレータ２２と電解質膜・電極構造体２０との間には、燃料ガス流路２６が設けられるとともに、セパレータ２４と前記電解質膜・電極構造体２０との間には、酸化剤ガス流路２８が形成される。互いに隣接するセパレータ２２、２４間には、冷却媒体流路３０が形成される。

エンドプレート１６ａには、各燃料ガス流路２６に燃料ガス、例えば、水素ガスを供給するための燃料ガス入口３２ａ、各酸化剤ガス流路２８に酸化剤ガス、例えば、空気を供給するための酸化剤ガス入口３４ａ、及び各冷却媒体流路３０に冷却媒体を供給するための冷却媒体入口３６ａが設けられる。

エンドプレート１６ｂには、各燃料ガス流路２６から導出される未使用の水素ガスを含む排ガスをスタック外部に排出すための燃料ガス出口３２ｂ、各酸化剤ガス流路２８から導出される空気をスタック外部に排出するための酸化剤ガス出口３４ｂ、及び各冷却媒体流路３０から導出される冷却媒体をスタック外部に排出するための冷却媒体出口３６ｂが設けられる。

燃料電池１２には、燃料ガス供給系３８、酸化剤ガス供給系４０及び冷却媒体供給系４２が接続される。燃料ガス供給系３８は、水素タンク４４を設ける水素供給装置４６を備え、この水素供給装置４６と燃料電池１２の燃料ガス入口３２ａとは、水素循環装置４８を介装する水素供給流路５０により接続される。この水素循環装置４８は、例えば、エゼクタ（図示せず）を備える。

水素循環装置４８と燃料ガス入口３２ａとの間には、アノード電極２０ｂに供給される燃料ガスの作動圧力を、絶対圧力として検出するために、第１圧力センサ５２が配設される。第１圧力センサ５２は、燃料ガスの作動圧力をゲージ圧として検出し、後述する大気圧センサ８０により検出される大気圧力と前記ゲージ圧とから絶対圧力を検出する。すなわち、絶対圧力＝ゲージ圧＋大気圧力であり、例えば、ゲージ圧＝０では、絶対圧力＝大気圧力である。

燃料電池１２の燃料ガス出口３２ｂには、水素循環流路５４が接続されるとともに、この水素循環流路５４は、水素循環装置４８を介して水素供給流路５０に合流される。この水素循環流路５４から分岐する水素排出流路５６には、パージ弁５８が接続される。

酸化剤ガス供給系４０は、エアコンプレッサ（又はスーパーチャージャ）６０と燃料電池１２の酸化剤ガス入口３４ａとに接続される空気供給流路６２を備える。この空気供給流路６２には、カソード電極２０ｃに供給される空気の作動圧力を、大気圧力との相対圧力として、すなわち、ゲージ圧として検出する第２圧力センサ６４が配設される。ゲージ圧は、大気圧からの差圧であり、ゲージ圧＝０は、大気圧である。

燃料電池１２の酸化剤ガス出口３４ｂには、空気排出流路６６が接続され、前記空気排出流路６６には、必要に応じて背圧調整用の圧力調整弁６８が配設される。

冷却媒体供給系４２は、燃料電池１２の冷却媒体入口３６ａと冷却媒体出口３６ｂとに接続される冷却媒体循環流路７０を備える。この冷却媒体循環流路７０には、冷却媒体を冷却媒体流路３０に循環供給するための循環ポンプ７２が配設される。

燃料電池システム１０は、カソード電極２０ｃ側の酸化剤ガス作動圧力目標値（以下、カソード目標圧という）を、大気圧力との相対圧力で設定するとともに、アノード電極２０ｂ側の燃料ガス作動圧力目標値（以下、アノード目標圧という）を、絶対圧力で設定し、前記相対圧力及び前記絶対圧力を指令値として燃料電池１２の発電電流を制御する制御装置７４を備える。

制御装置７４は、燃料電池システム１０全体を駆動制御するとともに、後述するカソード電極２０ｃ側の第１作動圧力算出テーブル９０及びアノード電極２０ｂ側の第２作動圧力算出テーブル９２等を記憶するメモリ７６を設けている。

制御装置７４は、第２圧力センサ６４からの検出信号により、カソード電極２０ｃに供給される空気の作動圧力をゲージ圧として検出する相対圧検出部７８と、大気圧センサ８０からの検出信号により、大気圧力ＰＡを検出する大気圧検出部８２と、第１圧力センサ５２からの検出信号と前記大気圧力とにより、アノード電極２０ｂに供給される燃料ガスの作動圧力を、絶対圧力として検出する絶対圧検出部８４とを備える。

制御装置７４は、さらにアノード電極２０ｂ側のアノード目標圧とカソード電極２０ｃ側のカソード目標圧との差圧を検出する差圧検出部８６と、前記カソード目標圧、大気圧力ＰＡ及び前記差圧に基づいて、アノード目標圧上限値（燃料ガス作動圧力上限値）を絶対圧として設定する上限値設定部８８とを備える。

図２に示すように、制御装置７４は、メモリ７６にカソード電極２０ｃ側の第１作動圧力算出テーブル９０と、アノード電極２０ｂ側の第２作動圧力算出テーブル９２とが記憶されている。第１作動圧力算出テーブル９０から算出されたカソード目標圧は、カソード作動圧指令値（ゲージ圧）として出力されるとともに、第１加算器９４に送られる。

第１加算器９４には、カソード目標圧とアノード目標圧との差圧許容値が入力され、前記第１加算器９４でアノード電極２０ｂのアノード目標圧上限値（ゲージ圧）が得られる。差圧許容値は、図３に示すように設定される。アノード目標圧は、絶対圧で設定される一方、カソード目標圧は、大気圧力との相対圧力で設定されている。このため、大気圧力が低い場合に、カソード目標圧が低下してアノード目標圧とカソード目標圧との差圧が大きくなる。ここで、差圧の増加により、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの損傷等を惹起することを阻止するために、差圧許容値が設定される。

図２に示すように、アノード目標圧上限値（ゲージ圧）は、第２加算器９６に送られ、この第２加算器９６では、前記アノード目標圧上限値（ゲージ圧）と大気圧ＰＡとが入力されることによって、アノード電極２０ｂのアノード目標圧上限値（絶対圧）が得られる。アノード目標圧上限値（絶対圧）は、上限作動圧制限部９８に送られるとともに、この上限作動圧制限部９８には、第２作動圧力算出テーブル９２からアノード電極２０ｂのアノード目標圧が入力される。上限作動圧制限部９８では、アノード電極２０ｂのアノード作動圧指令値（絶対圧）が得られる。

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、本発明の運転方法との関連で、図４に示すフローチャートに沿って以下に説明する。

燃料電池システム１０は、図示していないが、車載用として燃料電池自動車等の車両に搭載されている。そこで、先ず、制御装置７４に目標発電電流が入力されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進む。ステップＳ２では、目標発電電流に対応して第１作動圧力算出テーブル９０からカソード目標圧Ｐｃａが算出される一方、第２作動圧力算出テーブル９２からアノード目標圧Ｐａｎが算出される。

さらに、ステップＳ３に進んで、カソード目標圧Ｐｃａと差圧許容値とが第１加算器９４で加算され、アノード目標圧上限値（ゲージ圧）が得られる。このゲージ圧は、第２加算器９６に送られるとともに、この第２加算器９６に大気圧ＰＡが入力されることによって、アノード目標圧上限値Ｐａｎｌ（絶対圧）が得られる。

次いで、ステップＳ４において、上限作動圧制限部９８では、第２作動圧力算出テーブル９２から得られたアノード目標圧Ｐａｎがアノード目標圧上限値Ｐａｎｌより大きいと判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、アノード目標圧上限値Ｐａｎｌがアノード作動圧力に設定される。

一方、ステップＳ４において、アノード目標圧Ｐａｎがアノード目標圧上限値Ｐａｎｌよりも小さいと判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、ステップＳ６に進んで、アノード目標圧Ｐａｎがアノード作動圧力として設定される。

制御装置７４は、上記のカソード目標圧（カソード作動圧力）Ｐｃａが得られるように、酸化剤ガス供給系４０を駆動制御するとともに、アノード作動圧力が得られるように、燃料ガス供給系３８を駆動制御する。さらに、燃料電池１２を所定の温度に維持するために、冷却媒体供給系４２の駆動制御を行う。

燃料ガス供給系３８では、図１に示すように、水素供給装置４６を構成する水素タンク４４から供給される水素ガスが、水素循環装置４８を介して水素供給流路５０を通り、燃料電池１２の燃料ガス入口３２ａに導入される。この水素ガスは、アノード目標圧に調整されており、各発電セル１４の構成する燃料ガス流路２６に導入されてアノード電極２０ｂに供給される。

一方、酸化剤ガス供給系４０では、エアコンプレッサ６０を介して所定圧力（カソード目標圧）に加圧された空気が、空気供給流路６２を通って燃料電池１２の酸化剤ガス入口３４ａに導入される。この空気は、各発電セル１４を構成する酸化剤ガス流路２８に供給されてカソード電極２０ｃに送られる。従って、各電解質膜・電極構造体２０では、アノード電極２０ｂに供給される水素ガスと、カソード電極２０ｃに供給される空気とが、電気化学反応により消費され、発電が行われる。

アノード電極２０ｂから排出された未使用の水素ガスを含む排ガスは、燃料電池１２の燃料ガス出口３２ｂから水素循環流路５４に排出される。この排ガスは、水素循環流路５４を通って水素循環装置４８から水素供給流路５０に供給され、再度、燃料電池１２に燃料ガスとして供給される。

また、カソード電極２０ｃで消費された空気は、燃料電池１２の酸化剤ガス出口３４ｂから空気排出流路６６に排出される。一方、燃料電池１２内では、冷却媒体供給系４２を構成する循環ポンプ７２の作用下に、冷却媒体流路３０に冷却媒体が循環供給されている。

この場合、本実施形態では、アノード電極２０ｂ側のアノード目標圧を絶対圧力で設定する一方、カソード電極２０ｃ側のカソード目標圧を大気圧力との相対圧力で設定している。このため、燃料電池システム１０は、例えば、高地で使用する際に、カソード目標圧を維持するために、エアコンプレッサ６０の圧縮比を上げる必要がない。

エアコンプレッサ６０は、通常、平地で高効率になるように設定されており、空気密度の低い高地使用に際して圧縮比を上げると、効率の低い領域で使用されることになる。従って、カソード目標圧を相対圧で設定する本実施形態では、エアコンプレッサ６０を高効率の領域で使用することができ、前記エアコンプレッサ６０の消費電力を良好に抑えることが可能になる。

ここで、図５は、平地での燃料電池（ＦＣ）出力、高地での燃料電池出力（比較例）及び高地での燃料電池出力（本実施形態）を比較した結果が示されている。平地での燃料電池出力では、エアコンプレッサ６０が高効率で使用されるために、このエアコンプレッサ６０の消費電力が抑えられ、燃料電池システム１０の出力（ＮＥＴ出力）が効率的に得られた。

一方、高地においてエアコンプレッサ６０を絶対圧で駆動制御する比較例では、平地での燃料電池出力と同等の総出力（ＧＲＯＳＳ出力）が得られるものの、エアコンプレッサ６０の消費電力が大幅に増加し、ＮＥＴ出力が著しく低下した。

これに対して、本実施形態では、高地においてエアコンプレッサ６０によるカソード作動圧力が低下するのに伴って、燃料電池出力の総出力（ＧＲＯＳＳ出力）は、平地での燃料電池出力に比べて低下するものの、前記エアコンプレッサ６０の消費電力が良好に抑制される。このため、ＮＥＴ出力は、比較例に比べて有効に増加するという結果が得られた。

従って、燃料電池システム１０では、高地等の周囲圧力の変動に影響されることがなく、簡単な工程及び構成で、燃料電池１２の発電効率を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、従来のように、カソード圧力調整弁（圧力調整弁６８）の制御が不要になるとともに、このカソード圧力調整弁を省略することができ、燃料電池システム１０の構成及び工程の簡素化が図られる。さらにまた、燃料ガスのストイキ低下を最小限にして発電の安定性を確保することが可能になる。

また、図３に示すように、アノード目標圧とカソード目標圧との差圧許容値を設定することにより、燃料電池１２に許容値以上の差圧が付与することがない。これにより、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの損傷を阻止することができるという利点がある。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。 アノード目標圧とカソード目標圧との差圧許容値の説明図である。 前記燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。 平地での燃料電池出力、比較例の燃料電池出力及び本実施形態の燃料電池出力の比較説明図である。 特許文献１に開示された燃料電池システムの概略構成図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １２…燃料電池
１４…発電セル ２０…電解質膜・電極構造体
２０ａ…固体高分子電解質膜 ２０ｂ…アノード電極
２０ｃ…カソード電極 ２２、２４…セパレータ
２６…燃料ガス流路 ２８…酸化剤ガス流路
３０…冷却媒体流路 ３２ａ…燃料ガス入口
３２ｂ…燃料ガス出口 ３４ａ…酸化剤ガス入口
３４ｂ…酸化剤ガス出口 ３６ａ…冷却媒体入口
３６ｂ…冷却媒体出口 ３８…燃料ガス供給系
４０…酸化剤ガス供給系 ４２…冷却媒体供給系
４６…水素供給装置 ４８…水素循環装置
５０…水素供給流路 ５２、６４…圧力センサ
５４…水素循環流路 ５６…水素排出流路
６０…エアコンプレッサ ６２…空気供給流路
６６…空気排出流路 ７０…冷却媒体循環流路
７４…制御装置 ７６…メモリ
７８…相対圧検出部 ８０…大気圧センサ
８２…大気圧検出部 ８４…絶対圧検出部
８６…差圧検出部 ８８…上限値設定部

Claims (4)

1. アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池を備える燃料電池システムであって、
   前記カソード電極に供給される前記酸化剤ガスの作動圧力を、大気圧力との相対圧力として検出する相対圧検出部と、前記アノード電極に供給される前記燃料ガスの作動圧力を、絶対圧力として検出する絶対圧検出部と、を有し、
   目標発電電流に基づいて、前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値を前記相対圧力で設定するとともに、前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値を前記絶対圧力で設定し、前記相対圧力及び前記絶対圧力を指令値として前記燃料電池の発電電流を制御する制御装置を備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記大気圧力を検出する大気圧検出部と、
   前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値と前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値との差圧を検出する差圧検出部と、
   前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値、前記大気圧力及び前記差圧に基づいて、前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力上限値を設定する上限値設定部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. アノード電極に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極に酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
   前記燃料電池システムは、さらに、前記カソード電極に供給される前記酸化剤ガスの作動圧力を、大気圧力との相対圧力として検出する相対圧検出部と、前記アノード電極に供給される前記燃料ガスの作動圧力を、絶対圧力として検出する絶対圧検出部と、を備え、
   目標発電電流に基づいて、前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値を前記相対圧力として設定する一方、前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値を前記絶対圧力として設定し、前記相対圧力及び前記絶対圧力を指令値として前記燃料電池の発電電流を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
4. 請求項３記載の運転方法において、前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力目標値と前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値との差圧を検出し、前記カソード電極側の酸化剤ガス作動圧力目標値、前記大気圧力及び前記差圧に基づいて、前記アノード電極側の燃料ガス作動圧力上限値を設定する
   ことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。

Images