JPH06243886A - 燃料電池の反応空気供給方法およびその装置 - Google Patents

燃料電池の反応空気供給方法およびその装置

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JPH06243886A
JPH06243886A JP50A JP2586693A JPH06243886A JP H06243886 A JPH06243886 A JP H06243886A JP 50 A JP50 A JP 50A JP 2586693 A JP2586693 A JP 2586693A JP H06243886 A JPH06243886 A JP H06243886A
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atmospheric pressure
reaction air
air
fuel cell
rate
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Hidehiko Ito
英彦 伊藤
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Fuji Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】大気圧の変化に係わりなく空気供給流量を一定
に保ち、酸素高利用率運転およびこれに伴う燃料電池の
特性低下を回避することにある。 【構成】基準となる気圧(例えば1013mb)において酸素
利用率を50%に保って運転する燃料電池において、大
気圧が変化するとき、大気圧の変化を検出し、得られた
大気圧の変化量に逆比例して反応空気の供給量を曲線1
2のように一定値に制御することにより、酸素利用率を
曲線14に示すように大気圧の変化に係わりなく一定値
に保持し、酸素の高利用率運転状態となることを防止す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、大気圧が変化する場
所で使用される燃料電池、ことに車両用電源装置として
車に搭載される燃料電池発電装置などの反応空気供給方
法、およびその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は燃料電池発電装置の一般的なシス
テム構成図であり、単位セルの積層体からなる燃料電池
スタック1を含む燃料電池発電装置は、化石燃料,炭化
水素系燃料を燃料電池用アノ−ドガスとしての水素リッ
チな燃料ガスに改質する燃料処理装置2と、酸化剤とし
ての空気を燃料電池に供給する空気供給装置3と、燃料
電池の出力直流電力を外部負荷が要求する形の電力に変
換する電力変換装置4と、これら各部を連係制御する制
御装置5などで構成される。
【0003】このように構成された燃料電池発電装置の
運転中における外部負荷への供給電力の制御は、制御装
置5が外部負荷変化指令9S等を受けて燃料処理装置2
および空気供給装置3に向けて発する制御信号2S,3
S,電力変換装置4に向けて発する制御信号4S等によ
って制御される。また、燃料電池スタック1の燃料極に
供給する燃料ガス流量は水素利用率を例えば75%前後
に一定に保つよう制御され、酸化剤極に供給する反応空
気流量は、酸素利用率を例えば50%程度に一定に保つ
よう制御されることにより、外部負荷変化指令9Sに対
応する量の電力が電力変換装置4を通して出力される。
【0004】ところで、酸素21%を含む空気を酸化剤
として利用する燃料電池システムの場合、空気供給装置
3は、設定値演算部3Aおよび空気ブロワ−3Bで構成
され、制御信号3sによる指令電力値に対応して設定値
演算部3Aが化学反応式を基に酸素利用率50%を保つ
に必要な反応空気の供給流量を計算し、得られた供給流
量を空気ブロワ−3Bについて予め求めた回転数−吐出
量特性と照合し、ブロワ−の回転数指令3rに変換して
空気ブロワ−3Bの駆動回路に向けて出力することによ
り、空気ブロワ−の吐出側での空気流量の計測システム
を省略した反応空気供給方法が知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】近年、電気自動車用電
源としての燃料電池発電装置、例えばバス搭載型燃料電
池発電装置の開発が進められている。この種の車両はそ
の走行経路に高度差があり、時には1000mを越える
高地を走行することも想定しておく必要がある。大気の
気圧(大気圧)には高度1000m毎に約100mb程度
低下する性質があり、空気を酸化剤に利用する燃料電池
発電装置においては、空気ブロワ−の吸い込み側の気圧
の変化が吐出側の反応空気の気圧に直接影響を影響を及
ぼすため、大気圧の低下に伴って燃料電池の酸化剤極に
供給する反応空気の圧力が低下し、これに伴って供給空
気流量が減少するため、酸素利用率を例えば50%一定
に保持して発電を持続することが困難になり、燃料電池
がガス不足状態となって酸素利用率が上昇し、いわゆる
酸素の高利用率運転状態となる。
【0006】図5は酸素利用率50%における単セルゲ
イン電圧を零とした場合の燃料電池の酸素利用率特性線
図、図6は燃料電池の電流−電圧特性線図であり、酸素
利用率が50%を越える領域では図5に示すように単セ
ルゲイン電圧が急激に低下する性質があり、上述の酸素
高利用率運転を行った場合には燃料電池スタックの出力
電圧が低下する。このため、電力変換器4が要求する指
令電力値を維持するために燃料電池スタック1の出力電
流が増加し、また出力電流が増加すると図6に示すよう
に単セル電圧が低下するために悪循環が生じ、燃料電池
の運転が不安定になるとともに、空気極が担持する白金
触媒のシンタリングに基づいて電極有効面積が低下した
り、あるいは触媒担体が腐食するなどの損傷を受け燃料
電池の寿命特性が低下するという問題が発生する。ま
た、高地に向けて登坂する際最も大きな馬力を必要とす
る車両が、大気圧の低下が原因で燃料電池の出力が低下
することにより、必要な馬力が得られなくなるという事
態が発生することも予想される。
【0007】この発明の目的は、大気圧の変化に係わり
なく空気供給流量を一定に保ち、酸素高利用率運転およ
びこれに伴う燃料電池の特性低下を回避することにあ
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、燃料処理装置から供給される燃
料ガス中の水素利用率,および空気供給装置から供給さ
れる反応空気中の酸素の利用率を、それぞれ一定の利用
率に保持して発電を行う燃料電池において、大気圧の変
化を検出し、得られた大気圧の変化量に逆比例して前記
反応空気の供給量を制御することとする。
【0009】また、大気圧を検出し、得られた検出値を
基準となる気圧と照合して基準となる気圧に対する変化
率を求め、この変化率に逆比例するよう空気供給装置の
反応空気供給量を制御することとする。一方、燃料処理
装置から供給される燃料ガス中の水素利用率,および空
気供給装置から供給される反応空気中の酸素の利用率
を、それぞれ一定の利用率に保持して発電を行う燃料電
池において、反応空気の供給量を制御する空気ブロワ−
と、指令電力に対応する反応空気供給量を求めこれを空
気ブロワ−の回転速度指令に換算して出力する反応空気
系設定演算部と、大気圧センサと、その検出値を基準と
なる気圧と照合して変化率を求め前記反応空気系設定演
算部に反応空気供給量の補正値として出力する補正係数
演算部とを備えてなるものとする。
【0010】
【作用】この発明において、燃料電池の反応空気供給方
法を大気圧の変化を検出し、得られた大気圧の変化量に
逆比例して反応空気の供給流量を制御するよう構成した
ことにより、燃料電池の酸素利用率に及ぼす大気圧の変
化の影響を排除し、酸素消費率を一定に保持できるの
で、大気圧の低下に起因する酸素の高利用率運転状態の
発生を回避する機能が得られる。
【0011】また、大気圧を検出し、得られた検出値を
基準となる気圧と照合し、基準となる気圧に対する変化
率を求め、この変化率に逆比例するよう空気供給装置の
反応空気供給量を制御するよう構成すれば、基準となる
気圧として海面における標準気圧1013.3mbを用い
ることにより、供給空気流量を高度差に比例して制御す
る機能が得られる。
【0012】一方、反応空気の供給量を制御する空気ブ
ロワ−と、指令電力に対応する反応空気供給流量を求
め,これを空気ブロワ−の回転速度指令に換算して出力
する反応空気系設定演算部とからなる空気供給装置に、
大気圧センサと、その検出値を基準となる気圧と照合し
て変化率を求め,前記反応空気系設定値演算部に反応空
気供給流量の補正値として出力する補正係数演算部とを
付加するよう構成すれば、標準となる気圧に基づいて反
応空気系設定演算部が求めた反応空気供給流量に、補正
係数演算部が求めた反応空気供給流量の補正値を掛け算
することにより、大気圧の変化に係わりなく一定流量の
空気を燃料電池に供給することが可能となり、酸素利用
率を一定に保持して発電を行う機能が得られる。
【0013】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図1はこの発明の実施例になる燃料電池の反応空気
供給方法を示す原理的説明図、図2は実施例における反
応空気供給装置の構成を示すブロック図であり、以下、
従来技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことに
より、重複した説明を省略する。実施例になる反応空気
供給装置は図2に示すように、反応空気の供給量を制御
する空気ブロワ−3Bと、負荷電力指令に対応する反応
空気供給流量を求め,これを空気ブロワ−の回転速度指
令3rに換算して出力する反応空気系設定演算部3Aと
からなる空気供給装置3に、大気圧センサ16と、その
検出値を基準となる気圧と照合して変化率を求め、反応
空気系設定演算部3Aに反応空気供給流量の補正指令1
7cとして出力する補正係数演算部17cとが付加され
る。
【0014】実施例になる反応空気の供給方法として
は、図1に示すように、標準となる気圧を海面における
標準気圧1013.3mbとした場合、大気圧の低下に逆
比例して空気ブロワ−3Bの回転数を上昇させることに
より、曲線11に示すように空気ブロワ−3Bの空気吸
入量が大気圧の低下に逆比例して上昇し、これに伴って
空気ブロワ−3Bの吐出量が増加して大気圧低下の影響
を補正するので、燃料電池への反応空気の供給量は曲線
12に示すように大気圧の変化に係わりなく一定流量に
保たれ、比較例曲線13のように大気圧の低下に伴って
反応空気の供給量が低下するという従来の問題点が排除
される。
【0015】また、供給反応空気流量が大気圧の低下に
係わりなく一定に保持されることにより、空気極におけ
る酸素の利用率も曲線14に示すように大気圧の低下に
係わりなく一定値(例えば50%)に保たれる。その結
果、比較例曲線15のように大気圧の低下によって燃料
電池スタック1が酸素の高利用率運転状態となる事態を
回避できる。従って、従来高利用率運転状態となること
によって問題となった、電圧低下と出力電流増加の悪循
環によって生ずる燃料電池の運転状態の不安定性、白金
触媒のシンタリングに基づく電極有効面積の低下、ある
いは触媒担体の腐食などによる電池特性の低下と、これ
に起因する燃料電池の寿命特性の低下などの問題点が排
除される。また、高地に向けて登坂する際最も大きな馬
力を必要とする車両が、大気圧の低下が原因で燃料電池
の出力が低下することにより、必要な馬力が得られなく
なるという事態も回避でき、高地での走行性能に優れた
自動車を提供することに貢献できる利点が得られる。
【0016】図3は反応空気供給方法が燃料電池の長期
運転特性に及ぼす影響を示す特性線図であり、従来の反
応空気供給方法では、大気圧低下の影響を受けて白金触
媒のシンタリングに基づく電極有効面積の低下や、触媒
担体の腐食などによる電池特性の低下が大きくなるた
め、曲線22に示すように運転時間の経過とともに出力
電圧が低下するが、実施例になる反応空気供給方法を用
いることにより、出力電圧の低下を曲線21のように軽
減し寿命特性を改善することができる。
【0017】
【発明の効果】この発明は前述のように、大気圧の変化
を検出し、得られた大気圧の変化量に逆比例して反応空
気の供給流量を制御するよう構成した。その結果、燃料
電池の酸素利用率に及ぼす大気圧の変化の影響を排除
し、酸素消費率を一定に保持できるので、大気圧の変化
に係わりなく空気ブロワ−の回転数を一定に保つ従来の
反応空気供給方法で問題となった高利用率運転状態が排
除され、燃料電池の特性低下が少なく長期運転性能に優
れた燃料電池を提供することができる。
【0018】また、例えば車両搭載型燃料電池発電装置
の場合、その走行経路に高度差があり、その高度差によ
り大気圧が低下しても、その影響を受けることなく所定
の出力電力が得られるので、高所での馬力の低下がなく
走行性能の優れた車両を提供することに貢献できる利点
が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例になる燃料電池の反応空気供
給方法を示す原理的説明図
【図2】実施例における反応空気供給装置の構成を示す
ブロック図
【図3】反応空気供給方法が燃料電池の長期運転特性に
及ぼす影響を示す特性線図
【図4】燃料電池発電装置の一般的なシステム構成図
【図5】酸素利用率50%における単セルゲイン電圧を
零とした場合の燃料電池の酸素利用率特性線図
【図6】燃料電池の電流−電圧特性線図
【符号の説明】
1 燃料電池スタック 2 燃料処理装置 3 空気供給装置 3A 反応空気系設定値演算部 3B 空気ブロワ− 3r 回転数指令 4 電力変換器 5 制御装置 16 気圧センサ 17 補正係数演算部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】燃料処理装置から供給される燃料ガス中の
    水素利用率,および空気供給装置から供給される反応空
    気中の酸素の利用率を、それぞれ一定の利用率に保持し
    て発電を行う燃料電池において、大気圧の変化を検出
    し、得られた大気圧の変化量に逆比例して前記反応空気
    の供給量を制御することを特徴とする燃料電池の反応空
    気供給方法。
  2. 【請求項2】大気圧を検出し、得られた検出値を基準と
    なる気圧と照合して基準となる気圧に対する変化率を求
    め、この変化率に逆比例するよう空気供給装置の反応空
    気供給量を制御することを特徴とする請求項1記載の燃
    料電池の反応空気供給方法。
  3. 【請求項3】燃料処理装置から供給される燃料ガス中の
    水素利用率,および空気供給装置から供給される反応空
    気中の酸素の利用率を、それぞれ一定の利用率に保持し
    て発電を行う燃料電池において、反応空気の供給量を制
    御する空気ブロワ−と、指令電力に対応する反応空気供
    給量を求めこれを空気ブロワ−の回転速度指令に換算し
    て出力する反応空気系設定演算部と、大気圧センサと、
    その検出値を基準となる気圧と照合して変化率を求め前
    記反応空気系設定演算部に反応空気供給量の補正値とし
    て出力する補正係数演算部とを備えてなることを特徴と
    する燃料電池の反応空気供給装置。
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