JPH09266002A - 燃料電池発電装置およびその運転方法 - Google Patents

燃料電池発電装置およびその運転方法

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JPH09266002A
JPH09266002A JP8103883A JP10388396A JPH09266002A JP H09266002 A JPH09266002 A JP H09266002A JP 8103883 A JP8103883 A JP 8103883A JP 10388396 A JP10388396 A JP 10388396A JP H09266002 A JPH09266002 A JP H09266002A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高分子固体電解質膜を湿潤させるための加湿
器およびその周辺機器を不要化し、小型且つ軽量で車載
に適した燃料電池発電装置を提供する。 【構成】 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃料極
とが配されてなる燃料電池１０を用いた発電装置におい
て、空気極の吸気側と排気側とに接続される循環経路１
５と、系外より空気極に空気を導入するべく該循環経路
に接続される吸気口２１と、空気極から排出される反応
生成水を含む排出ガスを系外に排出するべく該循環経路
に接続される排気口１６と、該排出ガスの温度を測定す
る温度測定手段１８と、燃料電池からの出力電流値を測
定する電流測定手段１９と、これら測定手段により測定
される排出ガス温度および出力電流値に基づいて排気口
および吸気口の少なくとも一方の開度を調整する制御手
段１７とを有する。好適には、排出ガスに水蒸気として
含まれている反応生成水を冷却凝結させる冷却手段２０
が設けられ、その含水量を低減させた状態にして排気バ
ルブより系外に排出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池発電装置、
特に高分子固体電解質型燃料電池を用いた発電装置およ
びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子固体電解質型燃料電池においては
電解質としてイオン導電膜が用いられ、該燃料電池の燃
料極にて得られる水素イオンをプロトンの形態で電解質
膜中を空気極側に伝達することにより起電力が得られる
ものであるが、安定した高出力を得るためには、この電
解質膜を常に最適な水分を均一に含んだ状態に保持して
おくことが重要である。
【０００３】このために、従来は、燃料ガス（水素）ま
たは酸化剤ガス（空気または酸素）をバブリング装置等
の加湿器を用いて加湿し、この加湿されたガスを電解質
膜に通すことによって電解質膜を加湿する方法が一般に
採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たような従来技術によるときは、加湿器および水貯蔵タ
ンク等の周辺機器を備えるために燃料電池の大型化、重
量化が避けられない。このことは特に車載を意図する場
合には致命的な不利欠点となる。
【０００５】さらに、加湿器による加湿量を制御して電
解質膜を最適な湿潤状態に保持する必要があるが、電解
質膜乾燥の原因となる酸化剤ガスの流量およびセル温度
との兼ね合いが難しく、かかる制御は困難であった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】そこで本発明は、高分子
固体電解質膜を湿潤させるための加湿器およびその周辺
機器を不要化し、小型且つ軽量で車載に適した燃料電池
発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】すなわち本発明は、高分子固体電解質膜の
両側に空気極と燃料極とが配されてなる燃料電池を用い
た発電装置において、空気極の吸気側と排気側とに接続
される循環経路と、系外より空気極に空気を導入するべ
く該循環経路に接続される吸気口と、空気極から排出さ
れる反応生成水を含む排出ガスを系外に排出するべく該
循環経路に接続される排気口と、該排出ガスの温度を測
定する温度測定手段と、燃料電池からの出力電流値を測
定する電流測定手段と、これら測定手段により測定され
る排出ガス温度および出力電流値に基づいて前記排気口
および吸気口の少なくとも一方の開度を調整する制御手
段と、を有してなることを特徴とする。
【０００８】制御手段には、Ａ＝燃料電池の出力電流値
と燃料電池内部での生成水量との相関データ、Ｂ＝燃料
電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量との相関
データおよびＣ＝排気口および吸気口の少なくとも一方
の開度と循環経路より系外に排出される排出ガス量との
相関データが記憶されており、Ａ＝α・Ｂ×Ｃ（αは定
数）となるように、排出ガス温度と出力電流値とをモニ
タしながら排気口および吸気口の少なくとも一方の開度
を調整する。
【０００９】排出ガスに水蒸気として含まれている反応
生成水を冷却凝結させ、その含水量を低減させた状態に
して排気口より系外に排出させるための冷却手段を設け
ることができる。
【００１０】また、本発明による燃料電池発電装置の運
転方法は、排気口および吸気口の少なくとも一方を閉じ
た状態で起動運転することにより循環経路内の湿度を高
めると共に平均化させた後、閉じていた排気口および／
または吸気口を開けて燃料電池の空気極に供給されるガ
スの酸素分圧を上げ、その後は排出ガス温度と出力電流
値とをモニターしながら排気口および吸気口の少なくと
も一方の開度を調整することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は本発明による高分子固体電
解質型燃料電池発電装置の構成を示す概略図であり、燃
料電池１０は空気極（カソード）の側から見た側面図と
して示されている。公知のように、この燃料電池におい
ては高分子固体電解質膜を挟んで空気極と反対側に、水
素等の燃料ガスが導入される燃料極（アノード）が配さ
れている。
【００１２】空気極には酸化剤ガスとしての空気が空気
導入部１１から空気導入路１２およびファン１３を介し
て導入される。
【００１３】公知のように、燃料電池の燃料極に水素ガ
ス、空気極に空気が供給されることにより、高分子固体
電解質膜の中を水素イオンがプロトンの形で移動し、電
池反応が行われる。このとき、空気極では、供給された
酸素が移動してきた水素イオンおよび電子と反応して水
を生成する。
【００１４】したがって、空気極から排出される排出ガ
スには、未反応の酸素に加えて空気極における反応生成
水（蒸気）が含まれている。
【００１５】この排出ガスは空気排出路１４に送り込ま
れるが、空気排出路１４は空気導入路１２に合流して循
環路１５を形成しているため、反応生成水を含んだ排出
ガスを空気極に導入することが可能とされる。
【００１６】循環路１５には排気バルブ１６が設けら
れ、空気極からの排気ガスは、そのうちの排気バルブ１
６の開度に応じた一定量が系外に排出され、残量は循環
路１５および空気導入路１２を介して空気極に再導入さ
れる。
【００１７】図１の構成において、循環路１５に接続し
て吸気バルブ２１を設けることができ、この構成を図２
に示す。この構成においては、吸気バルブ２１の開度に
応じた一定量の空気が系外より空気極に導入されると、
排出ガスの一部は循環路１５を経由して空気極に再導入
され、残量が排出バルブ１６を介して系外に排出される
ことになる。
【００１８】このようにして反応生成水を含んだ排出ガ
スが燃料電池１０の空気極に再導入されることにより、
反応生成水（水蒸気）が濃度差により電解質膜に浸透し
て燃料極側に移動し、さらに燃料極側に移動した水分は
電気浸透水として空気極側へと移動することとなり、こ
れら水分の往復移動によって電解質膜の加湿が効率的且
つ平均的に行われる。
【００１９】排気バルブ１６または吸気バルブ２１の開
度、あるいはこれら双方のバルブ開度は、燃料電池１０
の出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関
によって決定され、燃料電池１０に最適な水バランス条
件を与えるよう制御手段（ＣＰＵ）１７により制御され
る。
【００２０】すなわち、ＣＰＵ１７には次の３つの相関
データが記憶されており、＝α・Ｂ×Ｃとなるように、
排出ガス温度と電流値とをモニタしながら、排気バルブ
１６の開度を調整する（図３参照）。
【００２１】Ａ＝燃料電池の出力電流値と燃料電池内部
での生成水量との相関データ Ｂ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量
との相関データ Ｃ＝排気バルブ開度と排気バルブを通る排出ガス量との
相関データ 排出ガス温度と電流値をモニターするために温度センサ
１８および電流計１９が設けられる。なお、図示実施例
において排出ガス温度は排気バルブ１６の手前に設けら
れる温度センサ１８によりモニタされるが、場合によっ
てはセル温度を測定してこれを排出ガス温度として代表
させることも可能である。
【００２２】次に、この燃料電池発電装置の起動手順に
ついて説明すると、起動直後には、排気バルブ１６また
は吸気バルブ２１を完全に閉じて、燃料電池１０の空気
極からの排出ガスを空気排出路１４、循環路１５および
空気導入路１２を介してファン１３により空気極に再導
入するように循環させる。これにより、循環系内の湿度
が十分に上がり且つ平均化する。なお、上述の式におけ
るαはこの平均化操作に影響するファクターで、便宜上
平均化係数と称する。平均化係数αは、燃料電池１０を
含めた循環系の容積と循環回数すなわち総容積により定
まるものである。
【００２３】以下、排気バルブ１６のみを循環路１５に
接続した図１の構成について、その運転方法を説明す
る。
【００２４】上述の平均化操作の後、閉じていた排気バ
ルブ１６を開けて、排出ガスを系外に排出させると共に
外気を空気導入部１１から供給して、空気極に導入され
るガスの酸素分圧を高める。
【００２５】その後は、温度センサ１８および電流計１
９による検出結果としての排気ガス温度と出力電流値と
をモニタしながら、ＣＰＵ１７は上述の式により決定さ
れる開度となるように排気バルブ１６開度を調整する。
【００２６】このようにして排気バルブ１６の開度を制
御することにより、外部からの水供給の必要なしに、セ
ル温度とガス流量との相関によって定められる最適な水
バランス条件（図４において斜線で示される範囲）で燃
料電池１０を運転することができる。
【００２７】図１に併せて示されるように、循環路１５
との分岐点と排気バルブ１６との間に冷却手段２０を設
けることができる。冷却手段２０は、例えば、この部分
の空気排出路の周囲に冷却水を流動または吹き付けるも
のとして構成することができる。このような冷却手段２
０により、排出ガス中に水蒸気として含まれている反応
生成水の少なくとも一部が凝結するため、排気バルブ１
６を通して系外に排出される排出ガス中に含まれる反応
生成水量が減少し、したがって循環系内（特にセル内）
に保持される水分量が相対的に増大する。
【００２８】このように、冷却手段２０を設けた場合に
はセル内の保持水分量が増大するため、このままでは、
図４に示される最適な水バランス範囲からウェット側に
外れた条件で燃料電池が運転されることとなってしま
う。そこで、図５に示すように、ガス流量を増大させ
て、最適な水バランス条件で燃料電池１０を運転する。
【００２９】上記したところから明らかなように、冷却
手段２０によりセル内の保持水分量を増大させること
は、その必然的な結果として、ガス流量を増大させて燃
料電池１０を運転することとなる。すなわち、空気導入
部１１から導入される空気量が増大し、燃料電池１０の
空気極に供給される空気中の酸素濃度が上昇するため、
発電効率および出力が向上されると共に、燃料電池１０
の作動温度の上限を上げることが可能となる。
【００３０】
【発明の効果】本発明によれば、燃料電池の空気極から
排出される反応生成水を含む排出ガスの一部を酸化剤ガ
ス供給ラインに循環させて電解質膜を加湿させるもので
あるため、外部からの水供給が不要となり、従来必要と
されていた加湿器やその周辺機器を設ける必要がない。
このため、燃料電池発電装置を小型軽量化することがで
き、特に車載に適したものを提供することができる。
【００３１】また、酸化剤ガスを循環させることで、燃
料電池スタックを通過するガス流量が多くなり、流量分
布ムラが解消される。
【００３２】さらに、ガス流量が多くなることから、発
電効率および出力が向上されると共に、セルスタック温
度の上限を上げて燃料電池を稼動させることができる。
【００３３】また、起動時には排出ガスを系外に排出さ
せる排気バルブを閉じた状態として排出ガスの全量を循
環させることにより、燃料電池の電解質膜が短時間内に
均一に加湿され、温度上昇も迅速になされるため、起動
性がきわめて良好である。
【００３４】その後の通常運転時には、排気ガス温度と
電流値とをモニタしながら排気バルブまたは吸気バルブ
の開度、あるいはこれら双方の開度を調整して最適な水
バランス条件を保持するものであるが、負荷変動に応じ
て変化する電流値をモニタするため、負荷変動に対して
迅速に応答することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電
装置の概略構成を示す模式図である。
【図２】図１の変形構成例を示す模式図である。
【図３】排気バルブ開度を制御する制御手段（ＣＰＵ）
における相関式を示す説明図である。
【図４】燃料電池の稼動における最適な水バランス範囲
をガス流量とセル温度との相関で示す図である。
【図５】排気バルブに前置して冷却手段を設けた場合に
おける最適水バランス範囲を示す図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池 １１ 空気導入部 １２ 空気導入路 １３ ファン １４ 空気排出路 １５ 循環路 １６ 排気バルブ １７ 制御手段（ＣＰＵ） １８ 温度センサ １９ 電流計 ２０ 冷却手段 ２１ 吸気バルブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 白石 剛一 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内 (72)発明者 冨岡 憲浩 愛知県安城市藤井町高根10番地 アイシ ン・エィ・ダブリュ株式会社内 (72)発明者 泉澤 さ紀 東京都千代田区外神田２丁目19番12号 株 式会社エクォス・リサーチ内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃
    料極とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置におい
    て、空気極の吸気側と排気側とに接続される循環経路
    と、系外より空気極に空気を導入するべく該循環経路に
    接続される吸気口と、空気極から排出される反応生成水
    を含む排出ガスを系外に排出するべく該循環経路に接続
    される排気口と、該排出ガスの温度を測定する温度測定
    手段と、燃料電池からの出力電流値を測定する電流測定
    手段と、これら測定手段により測定される排出ガス温度
    および出力電流値に基づいて前記排気口および吸気口の
    少なくとも一方の開度を調整する制御手段と、を有して
    なることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項２】 前記制御手段には、Ａ＝燃料電池の出力
    電流値と燃料電池内部での生成水量との相関データ、Ｂ
    ＝燃料電池空気極からの排出ガス温度と飽和水蒸気量と
    の相関データおよびＣ＝排気口および吸気口の少なくと
    も一方の開度と前記循環経路より系外に排出される排出
    ガス量との相関データが記憶されており、Ａ＝α・Ｂ×
    Ｃ（αは定数）となるように、排出ガス温度と出力電流
    値とをモニタしながら前記排気口および吸気口の少なく
    とも一方の開度を調整することを特徴とする請求項１の
    燃料電池発電装置。
  3. 【請求項３】 排出ガスに水蒸気として含まれている反
    応生成水を冷却凝結させ、その含水量を低減させた状態
    にして前記排気口より系外に排出させるための冷却手段
    が設けられることを特徴とする請求項１の燃料電池発電
    装置。
  4. 【請求項４】 請求項１の燃料電池発電装置の運転方法
    であって、前記排気口および吸気口の少なくとも一方を
    閉じた状態で起動運転することにより循環経路内の湿度
    を高めると共に平均化させた後、閉じていた排気口およ
    び／または吸気口を開けて燃料電池の空気極に供給され
    るガスの酸素分圧を上げ、その後は排出ガス温度と出力
    電流値とをモニタしながら前記排気口および吸気口の少
    なくとも一方の開度を調整することを特徴とする燃料電
    池発電装置の運転方法。
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Cited By (16)

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