JP4467415B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）を、他方の面にカソード（空気極）を接合一体化してセル（膜電極接合体）を形成し、アノードに対向する面に凹溝状の燃料流路を設けたプレートと、カソードに対向する面に凹溝状の酸化剤流路を設けたプレートとでセルを挟んで複数積層し、両端部にエンドプレートを添えて通しボルトで締め付けることにより燃料電池スタックが構成される。そして、燃料流路には燃料（水素又は水素主体の改質ガス）を流通させると共に、酸化剤流路には酸化剤（通常は空気）を流通させ、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応を起こさせることにより直流電力を発電する。

このような固体高分子形燃料電池において、固体高分子電解質膜は飽和湿潤状態で適正に機能するため、反応ガス（燃料及び／又は酸化剤）を加湿器等で加湿した後にプレートの流路を流通させ、これにより固体高分子電解質膜を飽和湿潤状態に保持するようにしている。また、固体高分子形燃料電池の作動温度は約８０℃であるが、電気化学反応は発熱反応であるため発電中に温度が上昇する。これを防止するために燃料電池スタック内に冷却プレートを組み込んでそのチャンネルに冷却水を流通させ、燃料電池スタックを作動温度に保持するようにしているのが一般的である。

固体高分子形燃料電池を作動させる従来の燃料電池システムでは、システム停止時に冷却水の流れを停止させていた（特許文献１参照）。
特開２００４−２９６３４０号公報

システム停止時に冷却水の流れを止めて、燃料電池スタックを自然冷却させると、燃料電池スタックはその外側から順に冷えていくため、燃料電池スタック内に温度差が生じる。燃料電池スタック内の水蒸気は、温度が低い場所から先に結露するため、自然冷却の過程で各セル内の水分布が変化する。これにより、次回起動時に各セルへの反応ガスの分配が不均一になり、発電時の各セル電圧が不安定になる。また、配管で接続されている燃料加湿器または空気加湿器の温度（水温）が電池温度より高い場合、反応ガスを止めていても燃料加湿器または空気加湿器から蒸気が電池に拡散して、電池内で結露するため、これによっても電池内の水分布が変化する。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池システムを起動したときの出力を安定化させる技術の提供にある。

本発明のある態様は、電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含む燃料電池スタックと、前記熱媒体との熱交換により前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、前記熱媒体との熱交換により前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に燃料加湿手段及び酸化剤加湿手段と熱交換して前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、システム停止時に、負荷電流の遮断を行ったのち、所定の冷却停止条件が成立するまで前記熱媒体の循環を継続させる制御手段と、を備え、前記熱媒体を循環させる手段は、前記負荷電流の遮断の後、前記熱媒体が循環することで燃料加湿手段の温度または酸化剤加湿手段の温度と、燃料電池スタックの温度とを同等にすることを特徴とする。

なお、燃料流路プレート、酸化剤流路プレートおよび熱媒体流路プレートはそれぞれが別部材であるとは限られず、たとえば、バイポーラプレートの一方の面に燃料流路を設け、他方の面に熱媒体流路を設けることにより、燃料流路プレートと熱媒体流路プレートとがひとつの部材で実現された構成も本発明に含まれる。

上記構成によれば、システム停止後にも熱媒体を燃料電池スタックに流通させることにより、各セルの温度分布にばらつきが生じることが抑制されるため、各セルの水分布のばらつきが抑制される。この結果、次回起動時の各セルの発電量が均一化し、出力の安定化が実現される。

本発明の他の態様は、電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含む燃料電池スタックと、前記熱媒体との熱交換により前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、前記熱媒体との熱交換により前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に燃料加湿手段及び酸化剤加湿手段と熱交換して前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、システム停止時に、所定の冷却停止条件が成立するまで前記熱媒体の循環を継続させるとともに、前記燃料または前記酸化剤の少なくとも一方の供給を継続させ、負荷電流をシステム停止から徐々に減少させて、所定の冷却停止条件が成立したときに前記負荷電流を遮断する制御手段と、を備え、前記熱媒体を循環させる手段は、前記負荷電流の遮断の後、前記熱媒体が循環することで燃料加湿手段の温度または酸化剤加湿手段の温度と、燃料電池スタックの温度とを同等にすることを備えることを特徴とする。

上記構成によれば、システム停止後に電極が酸化することが抑制されるので、燃料電池の耐久性および出力の安定性を向上させることができる。

上記構成において、制御手段は、システム停止から所定の冷却停止条件の成立時までの間に、燃料電池スタックから排出される熱媒体の温度と、燃料電池スタックに投入される熱媒体の温度との温度差が所定の範囲になるように、熱媒体の循環量を調節してもよい。これによれば、燃料電池スタック内の各セルの水分布をより均一化させることができる。

上記構成において、制御手段は、燃料電池スタックから排出される熱媒体の温度が外気温度の関数で定まる値より低くなったことを冷却停止条件として定めてもよい。また、制御手段は、システム停止後から所定時間を経過したことを冷却停止条件として定めてもよい。これによれば、熱媒体の循環を適度な期間で終了させることにより、電力消費を低減させることができる。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、燃料電池システム起動時の出力安定性を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック２０、燃料供給手段３０、燃料加湿器４０、空気供給手段５０、空気加湿器６０、熱媒体用熱交換器７０、配管８０、制御バルブ８６、循環ポンプ９０および制御部１００を備える。

燃料電池スタック２０は、高分子電解質膜の一方の面にアノードが接合され、電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含む。燃料電池スタック２０は、公知の構成とすることができ、その典型例として、特開２００４−１８５９３８の図１および図２に示された構成、あるいは特開２００４−１８５９３４号の図１に示された構成が挙げられる。本実施形態の燃料電池スタック２０において、発電に用いられる燃料および空気、ならびにアノードおよび／またはカソードの冷却に用いられる熱媒体の流れの方向は、重力方向の並行流とする。本実施形態では、熱媒体として水が用いられるが、熱の受け渡しが可能であれば、他の液体や気体を用いることができる。以下、熱媒体として用いられる水を冷却水とよぶ。

燃料供給手段３０は、燃料となる水素を供給する手段である。たとえば、燃料供給手段３０は、天然ガスやメタンガス等の炭化水素系ガスを貯留する燃料タンク、燃料タンクから供給される炭化水素系ガスから硫黄成分を除去する脱硫器、および脱硫後の炭化水素系ガスを改質して水素を取り出す改質装置で主に構成される。

燃料加湿器４０は、燃料供給手段３０から供給される燃料を加湿する。具体的には、燃料加湿器４０は、燃料加湿タンク４２および燃料用熱交換器４４を含み、燃料加湿タンク４２に入れられ、燃料用熱交換器４４によって昇温された水を用いて、バブリング方式により燃料を加湿して、燃料の相対湿度を１００％ＲＨにする。

空気供給手段５０は、酸化剤となる酸素を含む空気を供給する手段である。たとえば、空気供給手段５０は、外気を取り込むブロア、および必要に応じて設けられるエアフィルタで構成される。

空気加湿器６０は、空気供給手段５０から供給される空気を加湿する。具体的には、空気加湿器６０は、空気加湿タンク６２を含み、空気加湿タンク６２に入れられた水を用いて、バブリング方式により空気を加湿して、空気の相対湿度を１００％ＲＨにする。

熱媒体用熱交換器７０は、外気などとの熱交換により、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の温度を下げる。熱媒体用熱交換器７０により、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の温度を効率的に下げることができる。

配管８０は、燃料電池スタック２０に設けられた熱媒体流路を流通して排出された冷却水が再び熱媒体流路に供給されるような冷却水の循環が可能な構成を備える。具体的には、燃料電池スタック２０から排出された冷却水は、熱媒体用熱交換器７０にまず導かれ、熱媒体用熱交換器７０の下流に設けられた分岐点８２において、燃料加湿器４０に向かうラインと、空気加湿器６０に向かうラインとに所定の分配比で分岐する。燃料電池スタック２０から排出された冷却水の一部は、燃料加湿器４０が有する燃料用熱交換器４４を流通し、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の残りは、空気加湿器６０に直接供給される。燃料用熱交換器４４を流通した後の冷却水は、空気加湿器６０の上流で上述した空気加湿器６０に向かうラインを流れる冷却水と合流点８４で合流する。合流後の冷却水は、空気加湿器６０の空気加湿タンク６２を流通した後、空気加湿器６０から排出される。循環ポンプ９０は、空気加湿器６０から排出された冷却水を汲み上げて、所定の水量の冷却水として燃料電池スタック２０に送り込む。

制御バルブ８６は、分岐点８２の合流点８４との間に設けられた開閉度が可変のバルブである。制御バルブ８６の開度を調節することにより、冷却水の分配比を補正することができる。なお、制御バルブ８６の設置は不可欠ではなく、運転条件によって冷却水の分配比を補正する必要がない場合には不要である。

制御部１００は、燃料電池スタック２０による発電量を制御する他、制御バルブ８６の開度や、循環ポンプ９０を調節して冷却水の水量を制御する。また、制御部１００は、必要に応じて、燃料供給手段３０からの燃料供給量および空気供給手段５０からの空気供給量を制御する。

（システム停止時の動作）
燃料電池システム１０におけるシステム停止時の動作について説明する。以下の説明では、燃料電池スタック２０に設けられた冷却水の入口付近の温度を、冷却水入口温度（Ｔ１）と呼び、燃料電池スタック２０に設けられた冷却水の出口付近の温度を、冷却水出口温度（Ｔ２）と呼ぶ。また、燃料加湿器４０で加湿された燃料の温度を加湿燃料温度（Ｔ３）と呼び、空気加湿器６０で加湿された空気の温度を加湿空気温度（Ｔ４）と呼ぶ。さらに、燃料電池スタック２０に設けられた燃料の入口付近の露点を燃料露点（Ｔ５）と呼び、燃料電池スタック２０に設けられた空気の入口付近の露点を空気露点（Ｔ６）と呼ぶ。なお、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４、Ｔ５およびＴ６は、必要に応じて図示しない温度センサにより計測され、計測された値は制御部１００に送信される。

制御部１００は、システム停止時に、循環ポンプ９０による冷却水の循環を継続したまま、負荷電流を遮断する。冷却水の循環は、後述する冷却停止条件が成立するまで続けられる。次に、制御部１００は、燃料供給手段３０からの燃料の供給および空気供給手段５０からの空気の供給を停止させる。燃料の供給停止と空気の供給停止の順番はどちらが先でもよく、両者を同時に停止させてもよい。制御部１００は、負荷電流遮断後に冷却停止条件が成立するか否かを判定する。冷却停止条件としては、たとえば、電池温度、冷却水出口温度（Ｔ２）、加湿燃料温度（Ｔ３）、または加湿空気温度（Ｔ５）のいずれかが設定温度になったことが挙げられる。この場合、設定温度は、たとえば、（外気温度＋５）℃のような外気温度の関数で定められる。このほか、冷却停止条件として、負荷電流遮断後から一定時間が経過したこと採用してもよい。このような冷却停止条件の成立をもって冷却水の循環を停止することにより、各セルの水分布の均一化を図りつつ、電力消費を低減させることができる。

なお、制御部１００は、負荷電流遮断後の冷却水循環時に、冷却水出口温度（Ｔ２）と冷却水入口温度（Ｔ１）との差が所定温度、たとえば２℃以下になるように、循環ポンプ９０を用いて冷却水の水量を調節してもよい。これによれば、燃料電池スタック２０内の冷却水の流れ方向の温度分布がなだらかになるため、各セル内における水分布に差が生じにくくすることができる。

図２は、負荷遮断後に冷却水循環を継続したとき（以下、強制冷却と呼ぶ）の温度変化を示すグラフである。また、図４は、負荷遮断と同時に冷却水循環を停止して自然冷却を行ったとき（以下、自然冷却と呼ぶ）の温度変化（比較例）を示すグラフである。温度の計測は、電池表面の２カ所、燃料加湿器４０の表面、および空気加湿器６０の表面の計４点で行った。この結果、強制冷却時には、負荷電流遮断後から１時間以内に各温度がばらつくことなく、速やかに４０℃以下に低下することが確認された。一方、自然冷却時には、システム停止後から４時間以上経過しても、各温度は４０℃以上を保ち、かつ各温度にばらつきが見られることがわかる。

図３は、強制冷却後にシステムを起動したときの、セル電流および各セルの電圧の変化を示すグラフである。また、図５は、自然冷却後にシステムを起動したときの、セル電流および各セルの電圧の変化（比較例）を示すグラフである。自然冷却後のシステム起動後の各セル電圧には、ばらつきが見られる。自然冷却時には、燃料電池スタック２０の外側から順に冷えていくため、燃料電池スタック２０内に温度差が生じる。燃料電池スタック２０内の水蒸気は、温度が低い場所から先に結露するため、自然冷却の過程で各セル内の水分布が変化する。これにより、次回起動時に各セルへの反応ガスの分配が不均一になり、発電時の各セル電圧が不安定になる。また、配管８０で接続されている燃料加湿器４０または空気加湿器６０の温度（水温）が電池温度より高い場合、反応ガスを止めていても燃料加湿器４０または空気加湿器６０から蒸気が燃料電池スタック２０に拡散して、燃料電池スタック２０内で結露するため、これによっても燃料電池スタック２０内の水分布が変化する。

一方、強制冷却後のシステム起動後の各セル電圧には、比較例のようなばらつきが見られず、出力が安定していることが確認された。これは、負荷遮断後にも冷却水循環を継続したことによって、冷却の過程において燃料電池スタック２０内に温度差が生じることが抑制された結果、燃料電池スタック２０内の水分布が一様になったためであると考えられる。また、負荷遮断後にも冷却水循環を継続したことによって、燃料加湿器４０または空気加湿器６０と燃料電池スタック２０の温度が同等に推移するため、燃料加湿器４０または空気加湿器６０から燃料電池スタック２０に蒸気が拡散することが抑制されることも出力安定化の要因となっている。

本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

例えば、上述の実施の形態では、負荷電流遮断後に燃料および空気の供給も遮断されているが、燃料および空気の少なくとも一方の供給停止は、冷却停止条件が成立したことを条件としてもよい。負荷電流遮断後の燃料または空気の供給量は、運転時と同じでもよく、徐々に減少させてもよい。負荷電流遮断後に燃料の供給を継続することにより、アノード電極が酸化することが抑制される。この際に、燃料供給手段３０が燃料を窒素で置換して供給することにより、酸素を混入させることなく、燃料電池スタック２０と燃料供給用の配管から燃料を追い出すことができるので、アノード電極の酸化が抑制されるとともに、次回起動時の燃料濃度の適切に保つことができ、出力の安定性をより向上させることができる。また、空気供給手段５０が空気を窒素で置換して供給することにより、燃料電池スタック２０と空気供給用の配管から酸素を追い出すことができるので、カソード電極の酸化が抑制され、燃料電池の耐久性および出力の安定性をより向上させることができる。

燃料および空気の少なくとも一方の供給停止を、冷却停止条件が成立したことを条件とすることに加えて、システム停止時には、負荷電流を徐々に下げていき、冷却停止条件が成立したことを条件として、負荷電流を遮断してもよい。これによれば、燃料電池スタック２０内の酸素が速やかに消費されるため、電極の酸化がより迅速に抑制される。

実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図である。 強制冷却時の温度変化を示すグラフである。 強制冷却後にシステムを起動したときの、セル電流および各セルの電圧の変化を示すグラフである。 自然冷却時の温度変化（比較例）を示すグラフである。 自然冷却後にシステムを起動したときの、セル電流および各セルの電圧の変化（比較例）を示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池スタック、３０ 燃料供給手段、４０ 燃料加湿器、５０ 空気供給手段、６０ 空気加湿器、７０ 熱媒体用熱交換器、８０ 配管、８６ 制御バルブ、９０ 循環ポンプ、１００ 制御部。

Claims (6)

1. 電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含む燃料電池スタックと、
   前記熱媒体との熱交換により前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、
   前記熱媒体との熱交換により前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、
   前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に燃料加湿手段及び酸化剤加湿手段と熱交換して前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、
   システム停止時に、負荷電流の遮断を行ったのち、所定の冷却停止条件が成立するまで前記熱媒体の循環を継続させる制御手段と、を備え、
   前記熱媒体を循環させる手段は、前記負荷電流の遮断の後、前記熱媒体が循環することで燃料加湿手段の温度または酸化剤加湿手段の温度と、燃料電池スタックの温度とを同等にすることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記負荷電流の遮断の後、前記所定の冷却停止条件が成立するまで前記燃料または前記酸化剤の少なくとも一方の供給を継続することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 電解質膜の一方の面にアノードが接合され、前記電解質膜の他方の面にカソードが接合された膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路プレート、前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路が設けられた酸化剤流路プレート、熱媒体が流通する熱媒体流路が設けられた熱媒体流路プレートとが組み合わされた積層体を含む燃料電池スタックと、
   前記熱媒体との熱交換により前記燃料を加湿する燃料加湿手段と、
   前記熱媒体との熱交換により前記酸化剤を加湿する酸化剤加湿手段と、
   前記燃料電池スタックから排出された熱媒体を冷却後に燃料加湿手段及び酸化剤加湿手段と熱交換して前記燃料電池スタックに投入して熱媒体を循環させる手段と、
   システム停止時に、所定の冷却停止条件が成立するまで前記熱媒体の循環を継続させるとともに、前記燃料または前記酸化剤の少なくとも一方の供給を継続させ、負荷電流をシステム停止から徐々に減少させて、所定の冷却停止条件が成立したときに前記負荷電流を遮断する制御手段と、を備え、
   前記熱媒体を循環させる手段は、前記負荷電流の遮断の後、前記熱媒体が循環することで燃料加湿手段の温度または酸化剤加湿手段の温度と、燃料電池スタックの温度とを同等にすることを備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記システム停止から所定の冷却停止条件の成立時までの間に、前記燃料電池スタックから排出される熱媒体の温度と、燃料電池スタックに投入される熱媒体の温度との温度差が所定の範囲になるように、熱媒体の循環量を調節することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記燃料電池スタックから排出される熱媒体の温度が外気温度の関数で定まる値より低くなったことを前記冷却停止条件として定めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、システム停止後から所定時間を経過したことを前記冷却停止条件として定めることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システム
   

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