JPH09312165A - 燃料電池発電装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 運転中スタック内の水分量を適切に自動調整
し、一定出力を保持する、高分子固体電解質膜型燃料電
池発電装置。 【解決手段】 燃料電池のスタック内の温度Ｔｓを測定
する第１の温度測定手段１と、燃料電池の空気極におけ
る酸化剤ガスマニホールド内の温度Ｔｍを測定する第２
の温度測定手段２と、スタック温度Ｔｓおよび酸化剤ガ
スマニホールド温度Ｔｍの少なくともいずれか一方を加
熱または冷却する温度調節手段５、７と、第１および第
２の温度測定手段により測定されるスタック温度Ｔｓお
よび酸化ガスマニホールド温度Ｔｍを比較してその比較
結果に基づいて温度調節手段の作動を制御する制御手段
３とを有する、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。

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、燃料電
池スタックの運転中においては、スタック内部の温度Ｔ
ｓ（スタックを代表する温度として、たとえばスタック
のほぼ中央セルに設置した温度センサにより検知する）
がスタック外部の温度すなわちガスマニホールド内部の
温度Ｔｍ（たとえば酸化剤ガス排出側または供給側マニ
ホールドの少なくとも一方に設置した温度センサにより
検知する）よりも高くなる、すなわちＴｓ＞Ｔｍとなる
ことが多い。

【０００５】Ｔｓ＞Ｔｍとなると、ガス供給マニホール
ド内で水分が凝結して電解質膜の加湿が不十分となり、
膜抵抗が上昇して、電池出力が低下するという問題があ
った。

【０００６】一方、ガス供給または排出マニホールド内
においてガスが冷却され、ガス中の水分が凝結して水滴
を生じると、この凝結水が電極上のガス流路を閉塞して
セル電圧を低下させるという問題があった。

【０００７】特に、空気極では電池反応により水が生成
されるため、空気マニホールド内において上記現象が顕
著に発生していた。

【０００８】発電装置の運転を停止する場合は、供給ガ
スによる加湿ならびに電池反応の生成水によるスタック
への水供給が停止するため、スタックが乾燥し、運転再
開時において電解質膜の膜抵抗が上昇して十分な出力が
得られない。

【０００９】また、運転停止後はスタック温度が下がる
ため、加湿のための供給水または生成水がガス流路に停
滞し、運転再開時にガス流路を閉塞する可能性がある。

【００１０】さらに、発電装置の運転が長時間停止され
る場合は、スタック内の水分保持状態が外気温度に左右
される。たとえば夏期のように外気温が高温である場合
には、スタック内保持水が蒸発により不足し、電解質膜
が乾燥した状態となっているため、起動後、再度加湿器
により電解質膜を適度な湿潤状態とするまでは十分な出
力が得られない。

【００１１】逆に、冬季のように外気温が低い場合に
は、電極上のガス流路に水分が過剰に保持されているこ
とがあり、起動後スタック温度Ｔｓが十分に上昇するま
でに時間を要し、その間にガス流路を閉塞する可能性が
ある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、高分子
固体電解質膜型燃料電池発電装置において、その運転中
スタック内の水分量を適切に自動調整し、一定出力を保
持することを目的とする。

【００１３】また、燃料電池発電装置の停止時において
もスタック内に適量の水分を保持させて、起動性を向上
させることを目的とする。

【００１４】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、燃料電池のスタック内の温度Ｔｓ
を測定する第１の温度測定手段と、燃料電池の空気極に
おける酸化剤ガスマニホールド内の温度Ｔｍを測定する
第２の温度測定手段と、スタック温度Ｔｓおよび酸化剤
ガスマニホールド温度Ｔｍの少なくともいずれか一方を
加熱または冷却する温度調節手段と、第１および第２の
温度測定手段により測定されるスタック温度Ｔｓおよび
酸化剤ガスマニホールド温度Ｔｍを比較してその比較結
果に基づいて温度調節手段の作動を制御する制御手段
と、を有してなることを特徴とする燃料電池発電装置で
ある。

【００１５】温度調節手段は、燃料電池スタックを冷却
するスタック冷却手段および酸化剤ガスマニホールドを
加温する酸化剤ガスマニホールド加温手段を含むものと
することが好適である。

【００１６】また、本発明は、上記構成の燃料電池発電
装置の運転方法をも提供するものであって、燃料電池発
電装置の稼動中においては、スタック温度Ｔｓと酸化剤
ガスマニホールド温度Ｔｍとの温度差を所定範囲に維持
するように制御手段が温度調節手段を制御することを特
徴とする。

【００１７】燃料電池発電装置の停止時においては、ス
タック温度Ｔｓと酸化剤ガスマニホールド温度Ｔｍを比
較してその比較結果に基づいて制御手段が温度調節手段
を制御する。

【００１８】

【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における制御システムを示す図
である。

【００１９】スタック温度センサ１は、燃料電池スタッ
ク温度Ｔｓを測定するべくスタックの略中央のセルに設
置される。また、空気マニホールド温度センサ２は、空
気マニホールド内の温度Ｔｍを測定するべく空気マニホ
ールドに設置される。

【００２０】これら温度センサ１、２により測定される
スタック温度Ｔｓおよび空気マニホールド温度ＴｍはＣ
ＰＵ３に入力される。

【００２１】ＣＰＵ３はスタック温度Ｔｓと空気マニホ
ールド温度Ｔｍとを比較し、その比較結果に基づいて、
空気を空気供給マニホールドに導入するための送風ファ
ン４、スタックを冷却するための冷却手段５、空気供給
マニホールドを加温する加温手段６、空気排出マニホー
ルドを加温する加温手段７等の温度調節手段の作動を選
択的に制御する。

【００２２】すなわち、燃料電池の運転中においては一
般にＴｓ＞Ｔｍとなるが、この状態を放置すると、スタ
ックよりも低温となっている空気マニホールド内で水が
凝縮して、空気極側の電極上のガス流路が閉塞されると
共に、電解質膜が乾燥して膜抵抗が上昇するため、出力
電圧が低下してしまう。そこで、センサ１、２による測
定結果からＴｓ＞Ｔｍであることが判明した場合には、
ＣＰＵ３は、送風ファン４をオン、スタック冷却手段５
をオン、空気供給マニホールド加温手段６をオフ、空気
排出マニホールド加温手段７をオンとして、実質的にＴ
ｓ＝Ｔｍとする。これにより、空気マニホールド内での
凝縮水量が減少し、空気極側のガス流路閉塞が防止され
ると共に、電解質膜が加湿される。

【００２３】また、燃料電池の運転中にＴｓ＜Ｔｍとな
った場合には、スタック内で水の凝縮が生じることとな
る。スタック内での凝縮水は、その一部が電解質膜に吸
収されて電解質膜を加湿することに役立つが、スタック
内で水の凝縮が過剰に生ずると、電極上のガス流路を閉
塞する。そこで、センサ１、２による測定結果からＴｓ
＜Ｔｍであることが判明した場合には、ＣＰＵ３は、送
風ファン４をオン、スタック冷却手段５をオフ、空気供
給マニホールド加温手段６をオン、空気排出マニホール
ド加温手段７をオフとして、実質的にＴｓ＝Ｔｍとす
る。これにより、スタック内での凝縮水量が減少し、空
気極側のガス流路閉塞が防止される。

【００２４】なお、上記のようにスタック内の凝縮水は
ある程度電解質膜に吸収されるため、Ｔｓ＜Ｔｍの場合
には５℃程度までの温度差が許容されるが、Ｔｓ＞Ｔｍ
の場合にはマニホールド内の凝縮水がガス流路閉塞に与
える悪影響が大きいため、温度差を３℃以下に抑える。
ＣＰＵ３は、燃料電池の運転中、ＴｓとＴｍとがこのよ
うな温度差範囲内に収まるように制御する。

【００２５】また、燃料電池の運転停止の場合には、そ
の連続停止時間が短期間（たとえば１〜２昼夜程度）で
あり且つ春期や秋期のようにスタック内の保持水温度を
大きく変動させないような外気温であるときは、Ｔｓと
Ｔｍとが所定の温度差範囲内（たとえば６０〜９０℃に
おいて温度差３℃以下）となるよう、負荷遮断時および
負荷遮断直後に、上記した運転中におけると同様の制御
を行う。

【００２６】連続停止時間が数日もしくはそれ以上のよ
うな長期間にわたる場合や、夏期のように外気温が高い
ことにより短時間の運転停止でもスタック内の保持水が
蒸発して電解質膜を乾燥させてしまう場合、あるいは冬
期のように外気温が低いことにより起動時の昇温に時間
を要する場合には、以下のように制御する。

【００２７】夏期には、負荷遮断後送風ファン４を停止
した後も、スタック冷却手段５をしばらくの間作動し、
スタック温度Ｔｓが空気排出マニホールド温度Ｔｍより
も低くなるようにする。これによりスタック内において
水の凝縮が生じ、スタック内の保持水が運転中よりも過
剰となるため、停止期間中においても電解質膜の湿潤状
態が保持され、次回の起動時間が短縮される。

【００２８】一方、冬期には、負荷遮断後送風ファン４
を起動すると共に、空気排出マニホールド加温手段７を
起動し、スタック冷却手段５はオフとする。これによ
り、空気排出マニホールド温度Ｔｍがスタック温度Ｔｓ
よりも低くなるため、停止中の燃料電池の電極上のガス
流路にある水分が排出され、次回起動時のスタック温度
昇温中にガス流路中の水分によって流路が閉塞されるこ
とを防止することができる。

【００２９】なお、スタック冷却手段５、空気供給マニ
ホールド加温手段および空気排出マニホールド加温手段
には任意の構成を採用することができる。たとえば、ス
タック冷却手段５は冷却ファン等の空冷手段でも、冷却
水を用いた水冷手段であってもよい。また、空気供給マ
ニホールド加温手段および空気排出マニホールド加温手
段は一般に各種ヒータとして構成されるが、燃料電池発
電装置が車載される場合には、ラジエータ水にて加温す
るように構成することも可能である。

【００３０】図２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１
０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。なお、実際にはこのような燃料電池セルが多数積層
されたスタックとして実用に供されるものである。

【００３１】酸化剤ガスとしての空気が空気導入路１１
から送風ファン１２により空気供給マニホールド１３に
供給され、空気極に供給される。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】この排出ガスは空気排出マニホールド１４
から空気排出路１５に送入されるが、空気排出路は循環
路１６を介して空気導入路１１と接続されているため、
反応生成水を伴った排出ガスを空気極に再導入すること
ができる。

【００３５】すなわち、循環路１６に接続して排気バル
ブ１７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１７の開度に応じた一定量が系外に排出さ
れ、残量が循環路１６および空気導入路１１を介して空
気極に再導入される。

【００３６】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。

【００３７】排気バルブ１７の開度は、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）１８により制御される
が、この制御は本発明の主題に直接関連しないので、説
明を省略する。

【００３８】本発明においては、図示されるように、燃
料電池スタック温度Ｔｓをモニタするためのスタック温
度センサ１９および空気排出マニホールド温度Ｔｍをモ
ニタするための空気排出マニホールド温度センサ２０が
設けられる。また、燃料電池スタックを冷却するための
冷却手段としての冷却ファン２１、空気供給マニホール
ド１３を加温するための加温手段としてのヒータ２２、
および空気排出マニホールド１４を加温するための加温
手段としてのヒータ２３が備えられる。

【００３９】これらの冷却ファン２１、ヒータ２２およ
びヒータ２３は、温度センサ１９および２０によりモニ
タされるスタック温度Ｔｓおよび空気排出マニホールド
温度Ｔｍの比較結果に基づいて、図１に関して既述した
ような要領にて、ＣＰＵ１８によりそれらの作動が制御
される。

【００４０】図２のように空気極から排出される空気を
循環路１６を介して空気極に再導入するように燃料電池
発電装置を構成した場合には、空気排出マニホールド用
ヒータ２３で加温された排出空気の少なくとも一部が空
気極に導入されるので、空気供給マニホールド１３を加
温するための手段（ヒータ２２）は割愛することができ
る。

【００４１】なお、空気マニホールド１３、１４、特に
空気排出マニホールド１４には、内部の余分な水分を吸
収する吸湿材を設置することができる。吸湿材としては
任意のものを用いることができるが、たとえば、繊維状
のシートまたは多孔質粒子を空気排出マニホールド１４
に内蔵して、凝縮した余剰水を吸収させる。

【００４２】また、空気供給マニホールド１３には、燃
料電池スタックに供給される空気を浄化するためにイオ
ン交換樹脂を内蔵することが好ましい。イオン交換樹脂
は一般に吸水性を有しているので、ガス流路閉塞を防止
する効果も期待できる。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、高分子固体電解質型燃
料電池スタックにおいてスタック温度と空気マニホール
ド温度とをモニタしつつそれらの温度差を所定範囲に収
めるように制御するものであるため、燃料電池の運転
中、スタック内の水分保持量が最適範囲に保持され、し
たがって出力が一定に保たれる。

【００４４】特に、空気マニホールド内での水の凝縮が
防止されるため、排出空気中の水蒸気量の損失量が減少
し、排出空気を空気極に再導入するように構成すること
によって、加湿装置を設ける必要なしに、電解質膜を一
定の湿潤状態に保持することができる。

【００４５】さらに、燃料電池の停止時においても、ス
タック内に適量の水分を保持させるように制御すること
で、次回起動性が向上される。かかる制御は、夏期、冬
期あるいは長期停止等の場合においても外気温に応じて
スタックの水分保持量を適切に調節するように行われる
ため、起動時間を大幅に短縮することができる。

【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
装置による制御システムを示すブロック図である。

【図２】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。

【符号の説明】

１ スタック温度センサ ２ 空気マニホールド温度センサ ３ ＣＰＵ ４ 送風ファン ５ スタック冷却手段 ６ 空気供給マニホールド加温手段 ７ 空気排出マニホールド加温手段 １０ 燃料電池 １１ 空気導入路 １２ 送風ファン １３ 空気供給マニホールド １４ 空気排出マニホールド １５ 空気排出路 １６ 循環路 １７ 排気バルブ １８ 制御手段（ＣＰＵ） １９ スタック温度センサ ２０ 空気排出マニホールド温度センサ ２１ スタック冷却ファン ２２ 空気供給マニホールド用ヒータ ２３ 空気排出マニホールド用ヒータ

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、燃料電池のスタック内の温度Ｔｓを測定する第１の
   温度測定手段と、燃料電池の空気極における酸化剤ガス
   マニホールド内の温度Ｔｍを測定する第２の温度測定手
   段と、スタック温度Ｔｓおよび酸化剤ガスマニホールド
   温度Ｔｍの少なくともいずれか一方を加熱または冷却す
   る温度調節手段と、前記第１および第２の温度測定手段
   により測定されるスタック温度Ｔｓおよび酸化剤ガスマ
   ニホールド温度Ｔｍを比較してその比較結果に基づいて
   前記温度調節手段の作動を制御する制御手段と、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】 前記温度調節手段は、燃料電池スタック
   を冷却するスタック冷却手段および酸化剤ガスマニホー
   ルドを加温する酸化剤ガスマニホールド加温手段を含む
   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】 請求項１の燃料電池発電装置の運転方法
   であって、燃料電池発電装置の稼動中においては、スタ
   ック温度Ｔｓと酸化剤ガスマニホールド温度Ｔｍとの温
   度差を所定範囲に維持するように制御手段が温度調節手
   段を制御することを特徴とする燃料電池発電装置の運転
   方法。
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、燃料電池発電装置の停止時においては、スタ
   ック温度Ｔｓと酸化剤ガスマニホールド温度Ｔｍを比較
   してその比較結果に基づいて制御手段が温度調節手段を
   制御することを特徴とする燃料電池発電装置の運転方
   法。