JP4410965B2 - 燃料電池発電システムによる発電方法及び燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムによる発電方法及び燃料電池発電システムに関し、特に性能低下や局所的な材料劣化の生じにくい、また構成機器に広いターンダウン比を要しない燃料電池発電システムによる発電方法及び燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用など数ｋＷクラス以下の小型の燃料電池発電システムにおいては、安全上の観点から、また補機動力の削減による効率向上を狙って、常圧乃至は低圧でガス供給を行う常圧作動型燃料電池発電システムが主流となっている。こうしたシステムにはコストダウンの可能性に鑑みて、また動作範囲が低温（６０〜８０℃）であることなどから、固体高分子型燃料電池が用いられることが多い。
【０００３】
固体高分子型燃料電池発電システムにおいては、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスをそれぞれ燃料電池の燃料極、酸化剤極に供給し、両極間のガスを電気化学的に反応させて直流電力を発生させる。供給されるガスのうち実際に反応で消費されるガスの割合を利用率といい、この利用率が低い場合無駄になるガスが増えてシステムの発電効率は低くなり、また利用率が高すぎる場合には電池構成材料の劣化を引き起こす可能性があるため、燃料、酸化剤のそれぞれについてそれぞれ適正な値に制御される。
【０００４】
従来の燃料電池発電システムにおいては、利用率は図９に示すように一定に制御されていた。すなわち、燃料および酸化剤供給量は、
供給燃料ガス流量＝燃料ガス消費量÷設定燃料利用率（一定値） 供給酸化剤ガス流量＝酸化剤ガス消費量÷設定酸化剤利用率（一定値）という関係になるよう制御されてきた。この場合供給燃料ガス流量あるいは供給酸化剤ガス流量と直流負荷電流との関係は図１０に示すようになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような従来の燃料電池発電システムでは、特にガス供給が低圧で行われる場合、燃料電池の設計定格運転点に比べて低い出力の運転を行うとき、性能低下が起こったり、局所的な材料劣化を引き起こすことがあった。
【０００６】
また、低出力運転のためには構成機器に広いターンダウン比が要求され、コスト増が余儀なくされていた。こうしたことから低圧動作固体高分子型燃料電池発電システムにおいては低負荷へのターンダウン比は限定され、狭い運転範囲となっていた。
【０００７】
そこで本発明は、性能低下や局所的な材料劣化の生じにくい、また構成機器に広いターンダウン比を要しない燃料電池発電システムによる発電方法及び燃料電池発電システムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システムによる発電方法は、図３に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａを有し、固体高分子膜１１ａの一方の面側に燃料極２１及び燃料極２１に水素を主成分とする燃料ガス１４ａを供給する燃料ガス通過路１４を有し、他方の面側に酸化剤極２２を有する燃料電池発電システムによる発電方法であって；燃料ガス１４ａを燃料極２１に燃料ガス通過路１４を通じて低圧で供給する工程と；酸化剤極２２に酸化剤ガス１５ａを低圧で供給する工程と；前記供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行う工程と；燃料極２１における燃料利用率を燃料ガス通過路１４に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する工程とを備え；前記制御する工程は、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記燃料利用率が低い状態で、燃料極２１に供給する燃料ガス１４ａの流量を一定とするように構成されている。なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池発電システムによる発電方法では、前記制御する工程は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記燃料利用率が一定となるように制御するとよい。
【０００９】
ここで、酸化剤ガスは典型的には空気であり、燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないような制御とは、典型的には低出力運転時に燃料利用率を定格運転時のそれよりも低く制御することである。
【００１０】
このように構成すると、燃料極に水素を主成分とする燃料ガスを燃料ガス通過路を通じて低圧で供給し、又酸化剤極に酸化剤ガスを低圧で供給するので、例えば家庭でも使用し易く、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うので電気を発生することができ、燃料極における燃料利用率を燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御するので、燃料電池発電システムの性能低下や局所的な材料の劣化を防止することができる。ここで低圧とは、燃料ガスについても酸化剤ガスについても、典型的には、０．１ＭＰａ以下の圧力である。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項３に係る発明による燃料電池発電システムによる発電方法は、図３に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａを有し、固体高分子膜１１ａの一方の面側に燃料極２１を有し、他方の面側に酸化剤極２２及び酸化剤極２２に酸化剤ガス１５ａを供給する酸化剤ガス通過路１５を有する燃料電池システムによる発電方法であって；燃料極２１に水素を主成分とする燃料ガス１４ａを低圧で供給する工程と；酸化剤ガス１５ａを酸化剤極２２に酸化剤ガス通過路１５を通じて低圧で供給する工程と；前記供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行う工程と；酸化剤極２２における酸化剤利用率を酸化剤ガス通過路１５に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する工程とを備え；前記制御する工程は、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記酸化剤利用率が低い状態で、酸化剤極２２に供給する酸化剤ガス１５ａの流量を一定とするように構成されている。なお、請求項４に記載のように、請求項３に記載の燃料電池発電システムによる発電方法では、前記制御する工程は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記酸化剤利用率が一定となるように制御するとよい。
【００１２】
酸化剤ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないような制御とは、典型的には低負荷時の酸化剤利用率を定格運転時のそれよりも低く制御することである。
【００１３】
さらに、水素を主成分とする燃料ガスを燃料極に供給する燃料ガス通過路が形成されており、また酸化剤ガスを酸化剤極に供給する酸化剤ガス通過路が形成されており、前記燃料ガス通過路における燃料利用率を前記燃料ガス通過路を閉塞させないように制御し、且つ前記酸化剤ガス通過路における酸化剤利用率を前記酸化剤ガス通過路を閉塞させないように制御するのが好ましい。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項５に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図３及び図１に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａと；固体高分子膜１１ａの一方の面側に設けられた燃料極２１と；燃料極２１に隣接して設けられた、水素を主成分とする燃料ガス１４ａを燃料極２１に低圧で供給する燃料ガス通過路１４と；固体高分子膜１１ａの他方の面側に設けられた、酸化剤ガス１５ａを低圧で供給される酸化剤極２２と；燃料極２１における燃料利用率を燃料ガス通過路１５に水による閉塞を生じさせないように制御する制御器５３とを備え；前記供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行うように構成され；制御器５３が、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記燃料利用率が低い状態で、燃料極２１に供給する燃料ガス１４ａの流量を一定とするように構成される。また、請求項６に記載のように、請求項５に記載の燃料電池発電システムでは、制御器５３は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記燃料利用率が一定となるように制御するとよい。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項７に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図３及び図１に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａと；固体高分子膜１１ａの一方の面側に設けられた、水素を主成分とする燃料ガス１４ａを低圧で供給される燃料極２１と；固体高分子膜１１ａの他方の面側に設けられた酸化剤極２２と；酸化剤極２２に隣接して設けられた、酸化剤ガス１５ａを酸化剤極２２に低圧で供給する酸化剤ガス通過路１５と；酸化剤極２２における酸化剤利用率を酸化剤ガス通過路１５に水による閉塞を生じさせないように制御する制御器５４とを備え；供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行うように構成され；制御器５４が、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記酸化剤利用率が低い状態で、酸化剤極２２に供給する酸化剤ガス１５ａの流量を一定とするように構成されている。また、請求項８に記載のように、請求項７に記載の燃料電池発電システムでは、制御器５４は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記酸化剤利用率が一定となるように制御するとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
【００１７】
図１、図２のフローチャートで、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する前に、図３の斜視図と断面図を参照して、本発明の実施の形態で使用する燃料電池スタックの基本的構造を説明する。
【００１８】
図３は、燃料電池スタック１０の構造を示す斜視図である。図中、複数の固体高分子膜１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３とその一方の面側に設けられた燃料極（アノード）２１と他方の面側に設けられた酸化剤極（カソード）２２とを有する複数の膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３（本図（ａ）には１枚だけ（ｂ）には３枚を図示）が備えられている。膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、セパレータ１２−２、１２−３（本図（ａ）（ｂ）には２枚だけ図示）で隔てられている。（以下特に固体分子膜に個別に言及する必要がないときは符号は単に１１ａと、同様に膜電極接合体は１１と、セパレータは１２とする。）セパレータ１２の一方の面、燃料極側の面には燃料ガス通過路１４が、他方の面、酸化剤極側には酸化剤ガス通過路１５が細い溝としてそれぞれ形成されている。各ガス通過路の溝は、それぞれが形成された面を満遍なくカバーするように形成されている。本固体分子型燃料電池は、このように膜電極接合体１１とセパレータ１２が交互に配列され多層構造をなしている。
【００１９】
表面に溝の形成されたセパレータ１２が、固体高分子膜１１に密着して重ねられると、前記溝と固体高分子膜１１の表面とで燃料ガスを通すことのできる通路、即ち燃料ガス通過路１４が形成される。酸化剤ガス通過路１５についても同様である。
【００２０】
ここで、燃料極２１、酸化剤極２２は、それぞれ例えばカーボンペーパーのような多孔質導電性材料に白金等の触媒を保持させて作られるガス拡散電極であり、これをホットプレス等の方法により固体高分子膜１１ａに接合して膜電極接合体１１を形成する。
【００２１】
またセパレータ１２はカーボンなどの導電性材料を用いて作られており、切削、プレス等によりその両面に燃料ガス通路１４及び酸化剤ガス通路１５が設けられる。
【００２２】
膜電極接合体１１内の固体高分子膜１１ａは水分を含んで電解質を形成しており、イオン化した水素を選択的に透過する。燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給した場合、膜１１ａの表面に設けられた燃料極２１と他方の表面上に設けられた酸化剤極２２との間に起電力が生じ、さらに両極が外部負荷に接続された場合、前記燃料極上において燃料ガス中の水素は電子を放出してイオン化し、この水素イオンは前記固体分子膜１１ａを透過し、前記酸化剤極２２上において電極２２から供給される電子及び酸化剤ガス中の酸素Ｏ２ と反応して水を生成し、同時に外部負荷には電流が流れる。
【００２３】
斜視図では、セパレータ１２の片面しか見えないので、燃料ガス通過路１４だけが図示されているが、セパレータ１２の反対側の面には、酸化剤ガス通路１５がほぼ同様に形成されている。
【００２４】
以上説明したような構造を有する装置では、電子は燃料極で放出され酸化剤極でとり込まれるので、燃料極２１を負極、酸化剤極２２を正極とする電池を構成することになる。また複数の膜電極接合体１１（固体高分子膜１１ａ）とセパレータ１２とを交互に重ねて多層構造とすることにより、全体として所望の電圧の燃料電池を構成することができる。
【００２５】
固体高分子型燃料電池においては、酸化剤極２２では前記のような電気化学的反応の結果水が生じ、この水は固体高分子膜１１ａを透過して燃料極２１側にも拡散する。また固体高分子膜１１ａの水素イオン透過性を保持するため、供給する各ガスは適度な水分を保つように加湿されるのが一般的である。電池内の水分は、一般的に電池運転温度において飽和となる程度に制御されており、過剰な水は各ガス流通路へと運ばれて電池反応に使われなかったガスによって外部に取り除かれる。
【００２６】
しかしながら、低圧における運転では、特にガスの流速が遅くなる低負荷運転時において、水分の除去がうまく行かずにガス通過路を閉塞することがある。通過路が閉塞された単電池（セル）には、十分な燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されなくなるため、前記単電池の電圧は低下して出力が小さくなる。またそうした状況が放置されれば、電極などの電池構成材料が腐食される虞がある。本発明の実施の形態によれば、そのような性能低下や局所的な材料の劣化を防止することができる。
【００２７】
図１のフローシートに戻って、第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する。図中、燃料電池スタック１０の燃料極２１に通じる燃料ガス入口孔１３−１（図３参照）には、燃料ガス供給管３１が接続されている。燃料ガス供給管３１の途中には燃料ガスブロワが挿入配置されている。燃料ガス出口孔１３−３（図３参照）には、燃料ガス排出管３２が接続されている。
【００２８】
全く同様に、酸化剤極２２に通じる酸化剤ガス入口孔１３−２（図３参照）には、酸化剤ガス（空気）供給管３３が接続されている。空気供給管３３の途中には空気ブロワが挿入配置されている。空気出口孔１３−４（図３参照）には、空気排出管３４が接続されている。
【００２９】
燃料極２１と酸化剤極２２とは、直流電流回路４１で接続され、直流電流回路４１の途中には、直交流変換器４３が挿入配置されている。直交流変換器４３には、交流電流回路４２が接続されている。また直流電流回路４１には電流検出器５１が設けられている。但し、電流検出器は、交流電流回路４２に設けてもよい。
【００３０】
一方、燃料ガスブロワ３５の回転数を調節することにより、燃料ガス１４ａの流量を制御する流量コントローラ５３と、空気ブロワ３６の回転数を調節することにより、空気１５ａの流量を制御する流量コントローラ５４が備えられている。電流検出器５１からの信号回路は、流量コントローラ５３及び５４に接続されている。
流量コントローラ５３、５４は、演算制御を行うものであり、電流値に応じて、適切な燃料流量、適切な空気流量を演算し、そのような流量になるようにブロワ３５、３６を回転数制御する。
【００３１】
図２のフローチャートを参照して、本発明の第２の実施の形態の燃料電池発電システムを説明する。この実施の形態では、第１の実施の形態に対して、加圧燃料ガス及び加圧空気が供給される場合である。
加圧燃料ガス供給管３１の燃料電池スタック１０上流側にコントロールバルブ３７を設置し、燃料電池スタック１０とコントロールバルブ３７との間の燃料ガス供給管３１に、燃料ガス流量検知器６１を設置してある。同様に、加圧空気供給管３３に、コントロールバルブ３８と空気流量検知器６２とを設けてある。
【００３２】
ここで加圧燃料ガスと加圧空気が供給される場合としたが、供給されるのが燃料電池スタック１０で利用するには圧力の不足する低圧の燃料ガスであって、燃料ガスコントロールバルブ３７の上流側の燃料ガス供給管３１に不図示の燃料ガスブロワ３５を設置するものとしてもよい。同様に低圧の空気が供給される場合は、コントロールバルブ３８の上流側の空気供給管３３に不図示の空気ブロワ３６を設置すればよい。
【００３３】
本実施の形態では、電流検出器５１で検出した電流値に応じて、演算制御器６３で必要な燃料流量を演算し、流量検知器６１で検知した流量が、前記演算された流量になるように、コントロールバルブ３７を開閉して制御する。すなわち、流量コントロールの設定値が電流検出器５１と演算制御器６３の演算結果により定まり、その設定値に演算制御器６３が制御する。いわゆるカスケード制御である。このようにして、第１の実施の形態と違って、さらに正確に所望の燃料流量に制御することができる。空気についても全く同様である。
【００３４】
なお第１の実施の形態でも、流量検知器６１、６２を設け、ブロワの回転数を調節するようにすることもでき、そのようにすれば第２の実施の形態と同様に正確な燃料流量、又は空気流量に制御することができる。
【００３５】
次に、図４、図５、図６、図７の線図を参照して、図１、図２に示す構成の実施の形態の燃料電池発電システムの作用を説明する。発生直流電流を電流検出器５１により検出し、コントローラ（演算制御器）５３により、検出電流値から演算される流量の燃料を供給するようにブロワ３５の回転数を制御する。同様に、検出電流値から演算される流量の空気を供給するようにブロワ３６の回転数を制御する。
【００３６】
このとき、図４の負荷対水素利用率の線図、図６の負荷対空気利用率の線図に示されるように、各ガスの供給量は、水素即ち燃料ガス利用率と空気即ち酸化剤ガス利用率の一方または両方が、低出力時は低く定格運転点近傍では高くなるように設定される。
【００３７】
水素利用率は、負荷１００％から４０〜７５％までは一定とする。その際の水素利用率は６０〜９０％、好ましくは７０〜８０％とする。また負荷が１０〜５０％から０％の領域では燃料流量を一定とする。その際の燃料流量は定格時の２０〜６０％、好ましくは３０〜４０％とする。この際の利用率は０〜６０％、好ましくは０〜４０％とする。
【００３８】
酸化剤ガスとしての空気利用率については、負荷１００％から４０〜７５％までは一定とする。その際の利用率は３０〜６０％、好ましくは４０〜５５％、さらに好ましくは４５〜５０％とする。また負荷が１０〜５０％から０％の領域では、空気流量を一定とする。その際の流量は定格時の２０〜６０％、好ましくは２５〜５０％、さらに好ましくは３０〜４０％とする。この際の利用率は０〜４０％、好ましくは０〜２５％とする。
【００３９】
また図５の負荷対水素流量の線図、図７の負荷対空気流量の線図に示されるように、燃料ガス流量と酸化剤ガス流量の一方または両方について最低値を設け、低負荷運転時に出力が低下しても燃料流量と酸化剤流量の一方または両方が減少せずに一定となるように演算制御器の設定を行うようにしてもよい。
【００４０】
また図４、図６に示すように、燃料利用率と酸化剤利用率について、高出力時の一定水素利用率または一定酸化剤利用率と、低出力時の逓減利用率との間に、逓減率が低出力時よりも小さい領域を設けてもよい。
【００４１】
これは、図５、図７の負荷対流量の線図では、高出力時の水素流量逓減率一定の領域と低出力時の水素流量一定の領域との間に、水素流量逓減率のゆるやかな領域があることに相当する。空気流量についても同様である。
【００４２】
以上の制御においては、図４の負荷対水素利用率のカーブを予め設定して、演算制御器内のメモリーに保存しておき、検出された電流値に応じて水素利用率を演算するようにしてもよいし、図５の負荷対水素流量のカーブを予め設定して、同様に検出された電流値に応じて水素流量を演算するようにしてもよい。空気についても、同様に図６、図７のカーブを予め設定して演算するようにする。
【００４３】
以上説明したように、本発明の実施の形態においては、あらかじめ目標値として設定する燃料ガス利用率と酸化剤ガス利用率の一方または両方が、低出力時は低く、定格運転点近傍では高くなるよう設定されることを特徴とする。場合によっては燃料流量と酸化剤流量の一方または両方について最低値を設け、出力が低下しても燃料と酸化剤の一方または両方が減少せずに一定となるように各目標利用率を設定する。
【００４４】
このように制御すれば、低負荷になっても極端に燃料の流量が減少することがなく、図３を参照して説明した、燃料ガス通過路１４あるいは酸化剤ガス通過路１５に、水分が凝縮してこれらのガス通過路を閉塞することが回避できる。したがって、ガス通過路の閉塞によって引き起こされる電池の損傷を防止することができる。
【００４５】
またブロワで制御すべきガス流量の範囲が広くなりすぎないので、このような機器の設計及び運転が容易となる。
【００４６】
このように、本発明の実施の形態では燃料電池への供給ガスの利用率を適切に制御することにより低出力運転時における安定性を保証し、より広い範囲での運転を可能とする燃料電池発電システムを提供することができる。これは低負荷時において燃料利用率と酸化剤利用率のいずれかまたは両方を定格運転時と比較して低い値に制御することによって実現される。また上記手段の実施に際し、低負荷時において燃料と酸化剤のいずれかまたは両方の供給流量に最低値を設け、出力が下がっても供給流量一定にすることで、供給ブロワや流量制御機器のターンダウン比を限定することができるため、これらの機器のコスト低減が実現される。
【００４７】
以下具体的な実施例を説明する。本実施例は、セル積層数60枚、定格運転点を30A、1.25kWDCに設定した固体高分子型燃料電池発電システムである。燃料電池発電における燃料（ここでは水素）および酸化剤ガス（ここでは空気）の消費量は、化学量論比を考えることにより測定直流電流値より次のように求められる。
消費水素量（NL/min）＝ 電流値 (A) × 22.4 NL/mol× 60 (sec/min) × セル数／（ 2 × 96500(C/mol)）
消費空気量（NL/min）＝ 電流値 (A) × 22.4 NL/mol× 60 (sec/min) × セル数 ／（ 4 × 96500(C/mol) × 0.21 ）
【００４８】
ここで理想気体の標準状態での体積を22.4 L/molとし、標準状態換算体積をNLで表している。またファラデー定数を96500(C/mol)、空気中の酸素濃度を21％とした。したがってセル数60枚の場合、水素および空気の消費量は
消費水素量 ＝ 電流値 (A) × 0.418（NL/min A）
消費空気量 ＝ 電流値 (A) ×1.00（NL/min A）
と算出できる。
【００４９】
本実施例においては、低負荷領域で燃料および空気の利用率を低くすることを特徴としており、例えば負荷毎に水素および空気の利用率とガス流量を以下のように設定する。
a) 0-20％（ 0 〜 6A）
投入水素量 ＝ 6.3 L/min(Normal) 一定 … 利用率 0 〜 40％
投入空気量 ＝ 24 L/min(Normal) 一定 … 利用率 0 〜 25％
b) 20-60％（ 6 〜 18A）
投入水素量 ＝ 電流値 (A) × 0.2625 + 4.725 （L/min(Normal)） … 利用率40 〜 80％
投入空気量 ＝ 電流値 (A) × 1.00 + 18.0 （L/min(Normal)） … 利用率 25 〜 50％
c) 60-100％ （ 18 〜 30A）
投入水素量 ＝ 電流値 (A) × 0.525（L/min(Normal)） … 利用率 80％
投入空気量 ＝ 電流値 (A) × 2.00 （L/min(Normal)） … 利用率 50％
【００５０】
各負荷に対応する水素および空気の利用率設定値は、それぞれ図４、図６に、水素および空気流量設定値をそれぞれ図５、図７に表す通りである。
実施にあたって二つの事例を考える。まずシステムが図１の構成の場合、あらかじめブロワ回転数と供給ガス流量との関係のテーブルを用意するなどして、前述のとおり各負荷電流値に対して定めた水素流量および空気流量を供給するように各ブロワを制御する。
【００５１】
図８の線図を参照して、電流密度対電池セル電圧の関係を説明する。図中破線で示すカーブは従来技術の場合の電池セル電圧の変化を、また実線は本発明の実施の形態の電池セル電圧の変化を表わす。本図に示されるように、本発明の実施の形態では、低負荷時において燃料利用率、又は空気利用率が従来技術と比べて低いので、電池セル電圧が低負荷時において従来技術よりも高くなっている。
【００５２】
またシステムが図２の構成の場合、負荷電流値と水素供給量あるいは空気供給量から算出する水素利用率あるいは空気利用率が前述のとおり各負荷電流値に対して定めた水素利用率および空気利用率設定値と等しくなるように各ガス流量を調節するか、あるいは出力電流を直交変換器への負荷指令によって調節する。このようにして本発明の特徴である低出力時に定格時よりも低い燃料あるいは空気利用率となるようなシステムが実現される。
【００５３】
以上説明したように、低圧（典型的には０．１ＭＰａ以下の圧力）で燃料ガスと酸化剤ガスを供給するいわゆる非加圧型の固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、低負荷運転時の燃料利用率と酸化剤利用率の一方あるいは両方を低くすることにより、ガス拡散を均一化し、また水分凝縮による流路閉塞を防止して電池損傷を防ぎ、安定した低負荷運転を実現し、広い運転範囲をもった燃料電池発電システムによる発電方法と燃料電池発電システムの提供が可能となった。同時に構成機器に要求されるターンダウン比を小さくすることにより、発電システム補機の選択の自由度が増し、コストダウンが可能となった。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料極に水素を主成分とする燃料ガスを燃料ガス通過路を通じて低圧で供給し、又酸化剤極に酸化剤ガスを低圧で供給するので、例えば家庭でも使用し易く、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うので電気を発生することができ、燃料極における燃料利用率を燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御するので、燃料電池発電システムの性能低下や局所的な材料の劣化を防止することができる燃料電池発電システムによる発電方法を提供することが可能となる。
【００５５】
また、燃料ガスを燃料ガス通過路に低圧で供給し、又酸化剤極に酸化剤ガスを低圧で供給するので、例えば家庭でも使用し易く、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うので電気を発生することができ、燃料極における燃料利用率を燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する制御器を備えるので、性能低下や材料の劣化を防止することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態である燃料電池発電システムのフローチャートである。
【図２】第２の実施の形態である燃料電池発電システムのフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態で用いる燃料電池スタックの基本構造を示す斜視図と断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対水素利用率の関係を示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対水素流量の関係を示す線図である。
【図６】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対空気利用率の関係を示す線図である。
【図７】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対空気流量の関係を示す線図である。
【図８】従来技術と本発明の実施の形態における電流密度対電池セル電圧の関係を説明する線図である。
【図９】従来の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対ガス利用率の関係を示す線図である。
【図１０】従来の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対ガス流量の関係を示す線図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池本体
１１ 固体高分子膜
１２ セパレータ
１３−１ 燃料ガス入口孔
１３−２ 空気入口孔
１４ 燃料ガス通過路
１４ａ 燃料ガス
１５ 空気通過路
１５ａ 空気
２１ 燃料極
２２ 酸化剤極
３１ 燃料ガス供給管
３３ 空気供給管
３５ 燃料ガスブロワ
３６ 空気ブロワ
３７、３８ コントロールバルブ
４１ 直流電流回路
４３ 直交変換器
５１ 電流検出器
５３、５４、６３、６４ コントローラ
６１、６２ 流量検知器
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電システムによる発電方法及び燃料電池発電システムに関し、特に性能低下や局所的な材料劣化の生じにくい、また構成機器に広いターンダウン比を要しない燃料電池発電システムによる発電方法及び燃料電池発電システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
家庭用など数ｋＷクラス以下の小型の燃料電池発電システムにおいては、安全上の観点から、また補機動力の削減による効率向上を狙って、常圧乃至は低圧でガス供給を行う常圧作動型燃料電池発電システムが主流となっている。こうしたシステムにはコストダウンの可能性に鑑みて、また動作範囲が低温（６０〜８０℃）であることなどから、固体高分子型燃料電池が用いられることが多い。
【０００３】
固体高分子型燃料電池発電システムにおいては、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスをそれぞれ燃料電池の燃料極、酸化剤極に供給し、両極間のガスを電気化学的に反応させて直流電力を発生させる。供給されるガスのうち実際に反応で消費されるガスの割合を利用率といい、この利用率が低い場合無駄になるガスが増えてシステムの発電効率は低くなり、また利用率が高すぎる場合には電池構成材料の劣化を引き起こす可能性があるため、燃料、酸化剤のそれぞれについてそれぞれ適正な値に制御される。
【０００４】
従来の燃料電池発電システムにおいては、利用率は図９に示すように一定に制御されていた。すなわち、燃料および酸化剤供給量は、
供給燃料ガス流量＝燃料ガス消費量÷設定燃料利用率（一定値） 供給酸化剤ガス流量＝酸化剤ガス消費量÷設定酸化剤利用率（一定値）という関係になるよう制御されてきた。この場合供給燃料ガス流量あるいは供給酸化剤ガス流量と直流負荷電流との関係は図１０に示すようになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような従来の燃料電池発電システムでは、特にガス供給が低圧で行われる場合、燃料電池の設計定格運転点に比べて低い出力の運転を行うとき、性能低下が起こったり、局所的な材料劣化を引き起こすことがあった。
【０００６】
また、低出力運転のためには構成機器に広いターンダウン比が要求され、コスト増が余儀なくされていた。こうしたことから低圧動作固体高分子型燃料電池発電システムにおいては低負荷へのターンダウン比は限定され、狭い運転範囲となっていた。
【０００７】
そこで本発明は、性能低下や局所的な材料劣化の生じにくい、また構成機器に広いターンダウン比を要しない燃料電池発電システムによる発電方法及び燃料電池発電システムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明による燃料電池発電システムによる発電方法は、図３に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａを有し、固体高分子膜１１ａの一方の面側に燃料極２１及び燃料極２１に水素を主成分とする燃料ガス１４ａを供給する燃料ガス通過路１４を有し、他方の面側に酸化剤極２２を有する燃料電池発電システムによる発電方法であって；燃料ガス１４ａを燃料極２１に燃料ガス通過路１４を通じて低圧で供給する工程と；酸化剤極２２に酸化剤ガス１５ａを低圧で供給する工程と；前記供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行う工程と；燃料極２１における燃料利用率を燃料ガス通過路１４に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する工程とを備え；前記制御する工程は、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記燃料利用率が低い状態で、燃料極２１に供給する燃料ガス１４ａの流量を一定とするように構成されている。なお、請求項２に記載のように、請求項１に記載の燃料電池発電システムによる発電方法では、前記制御する工程は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記燃料利用率が一定となるように制御するとよい。
【０００９】
ここで、酸化剤ガスは典型的には空気であり、燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないような制御とは、典型的には低出力運転時に燃料利用率を定格運転時のそれよりも低く制御することである。
【００１０】
このように構成すると、燃料極に水素を主成分とする燃料ガスを燃料ガス通過路を通じて低圧で供給し、又酸化剤極に酸化剤ガスを低圧で供給するので、例えば家庭でも使用し易く、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うので電気を発生することができ、燃料極における燃料利用率を燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御するので、燃料電池発電システムの性能低下や局所的な材料の劣化を防止することができる。ここで低圧とは、燃料ガスについても酸化剤ガスについても、典型的には、０．１ＭＰａ以下の圧力である。
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項３に係る発明による燃料電池発電システムによる発電方法は、図３に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａを有し、固体高分子膜１１ａの一方の面側に燃料極２１を有し、他方の面側に酸化剤極２２及び酸化剤極２２に酸化剤ガス１５ａを供給する酸化剤ガス通過路１５を有する燃料電池システムによる発電方法であって；燃料極２１に水素を主成分とする燃料ガス１４ａを低圧で供給する工程と；酸化剤ガス１５ａを酸化剤極２２に酸化剤ガス通過路１５を通じて低圧で供給する工程と；前記供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行う工程と；酸化剤極２２における酸化剤利用率を酸化剤ガス通過路１５に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する工程とを備え；前記制御する工程は、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記酸化剤利用率が低い状態で、酸化剤極２２に供給する酸化剤ガス１５ａの流量を一定とするように構成されている。なお、請求項４に記載のように、請求項３に記載の燃料電池発電システムによる発電方法では、前記制御する工程は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記酸化剤利用率が一定となるように制御するとよい。
【００１２】
酸化剤ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないような制御とは、典型的には低負荷時の酸化剤利用率を定格運転時のそれよりも低く制御することである。
【００１３】
さらに、水素を主成分とする燃料ガスを燃料極に供給する燃料ガス通過路が形成されており、また酸化剤ガスを酸化剤極に供給する酸化剤ガス通過路が形成されており、前記燃料ガス通過路における燃料利用率を前記燃料ガス通過路を閉塞させないように制御し、且つ前記酸化剤ガス通過路における酸化剤利用率を前記酸化剤ガス通過路を閉塞させないように制御するのが好ましい。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項５に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図３及び図１に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａと；固体高分子膜１１ａの一方の面側に設けられた燃料極２１と；燃料極２１に隣接して設けられた、水素を主成分とする燃料ガス１４ａを燃料極２１に低圧で供給する燃料ガス通過路１４と；固体高分子膜１１ａの他方の面側に設けられた、酸化剤ガス１５ａを低圧で供給される酸化剤極２２と；燃料極２１における燃料利用率を燃料ガス通過路１５に水による閉塞を生じさせないように制御する制御器５３とを備え；前記供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行うように構成され；制御器５３が、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記燃料利用率が低い状態で、燃料極２１に供給する燃料ガス１４ａの流量を一定とするように構成される。また、請求項６に記載のように、請求項５に記載の燃料電池発電システムでは、制御器５３は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記燃料利用率が一定となるように制御するとよい。
【００１５】
上記目的を達成するために、請求項７に係る発明による燃料電池発電システムは、例えば図３及び図１に示すように、電解質を構成する固体高分子膜１１ａと；固体高分子膜１１ａの一方の面側に設けられた、水素を主成分とする燃料ガス１４ａを低圧で供給される燃料極２１と；固体高分子膜１１ａの他方の面側に設けられた酸化剤極２２と；酸化剤極２２に隣接して設けられた、酸化剤ガス１５ａを酸化剤極２２に低圧で供給する酸化剤ガス通過路１５と；酸化剤極２２における酸化剤利用率を酸化剤ガス通過路１５に水による閉塞を生じさせないように制御する制御器５４とを備え；供給された燃料ガス１４ａと酸化剤ガス１５ａとを電気化学的に反応させて発電を行うように構成され；制御器５４が、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記酸化剤利用率が低い状態で、酸化剤極２２に供給する酸化剤ガス１５ａの流量を一定とするように構成されている。また、請求項８に記載のように、請求項７に記載の燃料電池発電システムでは、制御器５４は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記酸化剤利用率が一定となるように制御するとよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似記号を付し、重複した説明は省略する。
【００１７】
図１、図２のフローチャートで、本発明による第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する前に、図３の斜視図と断面図を参照して、本発明の実施の形態で使用する燃料電池スタックの基本的構造を説明する。
【００１８】
図３は、燃料電池スタック１０の構造を示す斜視図である。図中、複数の固体高分子膜１１ａ−１、１１ａ−２、１１ａ−３とその一方の面側に設けられた燃料極（アノード）２１と他方の面側に設けられた酸化剤極（カソード）２２とを有する複数の膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３（本図（ａ）には１枚だけ（ｂ）には３枚を図示）が備えられている。膜電極接合体１１−１、１１−２、１１−３は、セパレータ１２−２、１２−３（本図（ａ）（ｂ）には２枚だけ図示）で隔てられている。（以下特に固体分子膜に個別に言及する必要がないときは符号は単に１１ａと、同様に膜電極接合体は１１と、セパレータは１２とする。）セパレータ１２の一方の面、燃料極側の面には燃料ガス通過路１４が、他方の面、酸化剤極側には酸化剤ガス通過路１５が細い溝としてそれぞれ形成されている。各ガス通過路の溝は、それぞれが形成された面を満遍なくカバーするように形成されている。本固体分子型燃料電池は、このように膜電極接合体１１とセパレータ１２が交互に配列され多層構造をなしている。
【００１９】
表面に溝の形成されたセパレータ１２が、固体高分子膜１１に密着して重ねられると、前記溝と固体高分子膜１１の表面とで燃料ガスを通すことのできる通路、即ち燃料ガス通過路１４が形成される。酸化剤ガス通過路１５についても同様である。
【００２０】
ここで、燃料極２１、酸化剤極２２は、それぞれ例えばカーボンペーパーのような多孔質導電性材料に白金等の触媒を保持させて作られるガス拡散電極であり、これをホットプレス等の方法により固体高分子膜１１ａに接合して膜電極接合体１１を形成する。
【００２１】
またセパレータ１２はカーボンなどの導電性材料を用いて作られており、切削、プレス等によりその両面に燃料ガス通路１４及び酸化剤ガス通路１５が設けられる。
【００２２】
膜電極接合体１１内の固体高分子膜１１ａは水分を含んで電解質を形成しており、イオン化した水素を選択的に透過する。燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給した場合、膜１１ａの表面に設けられた燃料極２１と他方の表面上に設けられた酸化剤極２２との間に起電力が生じ、さらに両極が外部負荷に接続された場合、前記燃料極上において燃料ガス中の水素は電子を放出してイオン化し、この水素イオンは前記固体分子膜１１ａを透過し、前記酸化剤極２２上において電極２２から供給される電子及び酸化剤ガス中の酸素Ｏ２ と反応して水を生成し、同時に外部負荷には電流が流れる。
【００２３】
斜視図では、セパレータ１２の片面しか見えないので、燃料ガス通過路１４だけが図示されているが、セパレータ１２の反対側の面には、酸化剤ガス通路１５がほぼ同様に形成されている。
【００２４】
以上説明したような構造を有する装置では、電子は燃料極で放出され酸化剤極でとり込まれるので、燃料極２１を負極、酸化剤極２２を正極とする電池を構成することになる。また複数の膜電極接合体１１（固体高分子膜１１ａ）とセパレータ１２とを交互に重ねて多層構造とすることにより、全体として所望の電圧の燃料電池を構成することができる。
【００２５】
固体高分子型燃料電池においては、酸化剤極２２では前記のような電気化学的反応の結果水が生じ、この水は固体高分子膜１１ａを透過して燃料極２１側にも拡散する。また固体高分子膜１１ａの水素イオン透過性を保持するため、供給する各ガスは適度な水分を保つように加湿されるのが一般的である。電池内の水分は、一般的に電池運転温度において飽和となる程度に制御されており、過剰な水は各ガス流通路へと運ばれて電池反応に使われなかったガスによって外部に取り除かれる。
【００２６】
しかしながら、低圧における運転では、特にガスの流速が遅くなる低負荷運転時において、水分の除去がうまく行かずにガス通過路を閉塞することがある。通過路が閉塞された単電池（セル）には、十分な燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されなくなるため、前記単電池の電圧は低下して出力が小さくなる。またそうした状況が放置されれば、電極などの電池構成材料が腐食される虞がある。本発明の実施の形態によれば、そのような性能低下や局所的な材料の劣化を防止することができる。
【００２７】
図１のフローシートに戻って、第１の実施の形態である燃料電池発電システムを説明する。図中、燃料電池スタック１０の燃料極２１に通じる燃料ガス入口孔１３−１（図３参照）には、燃料ガス供給管３１が接続されている。燃料ガス供給管３１の途中には燃料ガスブロワが挿入配置されている。燃料ガス出口孔１３−３（図３参照）には、燃料ガス排出管３２が接続されている。
【００２８】
全く同様に、酸化剤極２２に通じる酸化剤ガス入口孔１３−２（図３参照）には、酸化剤ガス（空気）供給管３３が接続されている。空気供給管３３の途中には空気ブロワが挿入配置されている。空気出口孔１３−４（図３参照）には、空気排出管３４が接続されている。
【００２９】
燃料極２１と酸化剤極２２とは、直流電流回路４１で接続され、直流電流回路４１の途中には、直交流変換器４３が挿入配置されている。直交流変換器４３には、交流電流回路４２が接続されている。また直流電流回路４１には電流検出器５１が設けられている。但し、電流検出器は、交流電流回路４２に設けてもよい。
【００３０】
一方、燃料ガスブロワ３５の回転数を調節することにより、燃料ガス１４ａの流量を制御する流量コントローラ５３と、空気ブロワ３６の回転数を調節することにより、空気１５ａの流量を制御する流量コントローラ５４が備えられている。電流検出器５１からの信号回路は、流量コントローラ５３及び５４に接続されている。
流量コントローラ５３、５４は、演算制御を行うものであり、電流値に応じて、適切な燃料流量、適切な空気流量を演算し、そのような流量になるようにブロワ３５、３６を回転数制御する。
【００３１】
図２のフローチャートを参照して、本発明の第２の実施の形態の燃料電池発電システムを説明する。この実施の形態では、第１の実施の形態に対して、加圧燃料ガス及び加圧空気が供給される場合である。
加圧燃料ガス供給管３１の燃料電池スタック１０上流側にコントロールバルブ３７を設置し、燃料電池スタック１０とコントロールバルブ３７との間の燃料ガス供給管３１に、燃料ガス流量検知器６１を設置してある。同様に、加圧空気供給管３３に、コントロールバルブ３８と空気流量検知器６２とを設けてある。
【００３２】
ここで加圧燃料ガスと加圧空気が供給される場合としたが、供給されるのが燃料電池スタック１０で利用するには圧力の不足する低圧の燃料ガスであって、燃料ガスコントロールバルブ３７の上流側の燃料ガス供給管３１に不図示の燃料ガスブロワ３５を設置するものとしてもよい。同様に低圧の空気が供給される場合は、コントロールバルブ３８の上流側の空気供給管３３に不図示の空気ブロワ３６を設置すればよい。
【００３３】
本実施の形態では、電流検出器５１で検出した電流値に応じて、演算制御器６３で必要な燃料流量を演算し、流量検知器６１で検知した流量が、前記演算された流量になるように、コントロールバルブ３７を開閉して制御する。すなわち、流量コントロールの設定値が電流検出器５１と演算制御器６３の演算結果により定まり、その設定値に演算制御器６３が制御する。いわゆるカスケード制御である。このようにして、第１の実施の形態と違って、さらに正確に所望の燃料流量に制御することができる。空気についても全く同様である。
【００３４】
なお第１の実施の形態でも、流量検知器６１、６２を設け、ブロワの回転数を調節するようにすることもでき、そのようにすれば第２の実施の形態と同様に正確な燃料流量、又は空気流量に制御することができる。
【００３５】
次に、図４、図５、図６、図７の線図を参照して、図１、図２に示す構成の実施の形態の燃料電池発電システムの作用を説明する。発生直流電流を電流検出器５１により検出し、コントローラ（演算制御器）５３により、検出電流値から演算される流量の燃料を供給するようにブロワ３５の回転数を制御する。同様に、検出電流値から演算される流量の空気を供給するようにブロワ３６の回転数を制御する。
【００３６】
このとき、図４の負荷対水素利用率の線図、図６の負荷対空気利用率の線図に示されるように、各ガスの供給量は、水素即ち燃料ガス利用率と空気即ち酸化剤ガス利用率の一方または両方が、低出力時は低く定格運転点近傍では高くなるように設定される。
【００３７】
水素利用率は、負荷１００％から４０〜７５％までは一定とする。その際の水素利用率は６０〜９０％、好ましくは７０〜８０％とする。また負荷が１０〜５０％から０％の領域では燃料流量を一定とする。その際の燃料流量は定格時の２０〜６０％、好ましくは３０〜４０％とする。この際の利用率は０〜６０％、好ましくは０〜４０％とする。
【００３８】
酸化剤ガスとしての空気利用率については、負荷１００％から４０〜７５％までは一定とする。その際の利用率は３０〜６０％、好ましくは４０〜５５％、さらに好ましくは４５〜５０％とする。また負荷が１０〜５０％から０％の領域では、空気流量を一定とする。その際の流量は定格時の２０〜６０％、好ましくは２５〜５０％、さらに好ましくは３０〜４０％とする。この際の利用率は０〜４０％、好ましくは０〜２５％とする。
【００３９】
また図５の負荷対水素流量の線図、図７の負荷対空気流量の線図に示されるように、燃料ガス流量と酸化剤ガス流量の一方または両方について最低値を設け、低負荷運転時に出力が低下しても燃料流量と酸化剤流量の一方または両方が減少せずに一定となるように演算制御器の設定を行うようにしてもよい。
【００４０】
また図４、図６に示すように、燃料利用率と酸化剤利用率について、高出力時の一定水素利用率または一定酸化剤利用率と、低出力時の逓減利用率との間に、逓減率が低出力時よりも小さい領域を設けてもよい。
【００４１】
これは、図５、図７の負荷対流量の線図では、高出力時の水素流量逓減率一定の領域と低出力時の水素流量一定の領域との間に、水素流量逓減率のゆるやかな領域があることに相当する。空気流量についても同様である。
【００４２】
以上の制御においては、図４の負荷対水素利用率のカーブを予め設定して、演算制御器内のメモリーに保存しておき、検出された電流値に応じて水素利用率を演算するようにしてもよいし、図５の負荷対水素流量のカーブを予め設定して、同様に検出された電流値に応じて水素流量を演算するようにしてもよい。空気についても、同様に図６、図７のカーブを予め設定して演算するようにする。
【００４３】
以上説明したように、本発明の実施の形態においては、あらかじめ目標値として設定する燃料ガス利用率と酸化剤ガス利用率の一方または両方が、低出力時は低く、定格運転点近傍では高くなるよう設定されることを特徴とする。場合によっては燃料流量と酸化剤流量の一方または両方について最低値を設け、出力が低下しても燃料と酸化剤の一方または両方が減少せずに一定となるように各目標利用率を設定する。
【００４４】
このように制御すれば、低負荷になっても極端に燃料の流量が減少することがなく、図３を参照して説明した、燃料ガス通過路１４あるいは酸化剤ガス通過路１５に、水分が凝縮してこれらのガス通過路を閉塞することが回避できる。したがって、ガス通過路の閉塞によって引き起こされる電池の損傷を防止することができる。
【００４５】
またブロワで制御すべきガス流量の範囲が広くなりすぎないので、このような機器の設計及び運転が容易となる。
【００４６】
このように、本発明の実施の形態では燃料電池への供給ガスの利用率を適切に制御することにより低出力運転時における安定性を保証し、より広い範囲での運転を可能とする燃料電池発電システムを提供することができる。これは低負荷時において燃料利用率と酸化剤利用率のいずれかまたは両方を定格運転時と比較して低い値に制御することによって実現される。また上記手段の実施に際し、低負荷時において燃料と酸化剤のいずれかまたは両方の供給流量に最低値を設け、出力が下がっても供給流量一定にすることで、供給ブロワや流量制御機器のターンダウン比を限定することができるため、これらの機器のコスト低減が実現される。
【００４７】
以下具体的な実施例を説明する。本実施例は、セル積層数60枚、定格運転点を30A、1.25kWDCに設定した固体高分子型燃料電池発電システムである。燃料電池発電における燃料（ここでは水素）および酸化剤ガス（ここでは空気）の消費量は、化学量論比を考えることにより測定直流電流値より次のように求められる。
消費水素量（NL/min）＝ 電流値 (A) × 22.4 NL/mol× 60 (sec/min) × セル数／（ 2 × 96500(C/mol)）
消費空気量（NL/min）＝ 電流値 (A) × 22.4 NL/mol× 60 (sec/min) × セル数 ／（ 4 × 96500(C/mol) × 0.21 ）
【００４８】
ここで理想気体の標準状態での体積を22.4 L/molとし、標準状態換算体積をNLで表している。またファラデー定数を96500(C/mol)、空気中の酸素濃度を21％とした。したがってセル数60枚の場合、水素および空気の消費量は
消費水素量 ＝ 電流値 (A) × 0.418（NL/min A）
消費空気量 ＝ 電流値 (A) ×1.00（NL/min A）
と算出できる。
【００４９】
本実施例においては、低負荷領域で燃料および空気の利用率を低くすることを特徴としており、例えば負荷毎に水素および空気の利用率とガス流量を以下のように設定する。
a) 0-20％（ 0 〜 6A）
投入水素量 ＝ 6.3 L/min(Normal) 一定 … 利用率 0 〜 40％
投入空気量 ＝ 24 L/min(Normal) 一定 … 利用率 0 〜 25％
b) 20-60％（ 6 〜 18A）
投入水素量 ＝ 電流値 (A) × 0.2625 + 4.725 （L/min(Normal)） … 利用率40 〜 80％
投入空気量 ＝ 電流値 (A) × 1.00 + 18.0 （L/min(Normal)） … 利用率 25 〜 50％
c) 60-100％ （ 18 〜 30A）
投入水素量 ＝ 電流値 (A) × 0.525（L/min(Normal)） … 利用率 80％
投入空気量 ＝ 電流値 (A) × 2.00 （L/min(Normal)） … 利用率 50％
【００５０】
各負荷に対応する水素および空気の利用率設定値は、それぞれ図４、図６に、水素および空気流量設定値をそれぞれ図５、図７に表す通りである。
実施にあたって二つの事例を考える。まずシステムが図１の構成の場合、あらかじめブロワ回転数と供給ガス流量との関係のテーブルを用意するなどして、前述のとおり各負荷電流値に対して定めた水素流量および空気流量を供給するように各ブロワを制御する。
【００５１】
図８の線図を参照して、電流密度対電池セル電圧の関係を説明する。図中破線で示すカーブは従来技術の場合の電池セル電圧の変化を、また実線は本発明の実施の形態の電池セル電圧の変化を表わす。本図に示されるように、本発明の実施の形態では、低負荷時において燃料利用率、又は空気利用率が従来技術と比べて低いので、電池セル電圧が低負荷時において従来技術よりも高くなっている。
【００５２】
またシステムが図２の構成の場合、負荷電流値と水素供給量あるいは空気供給量から算出する水素利用率あるいは空気利用率が前述のとおり各負荷電流値に対して定めた水素利用率および空気利用率設定値と等しくなるように各ガス流量を調節するか、あるいは出力電流を直交変換器への負荷指令によって調節する。このようにして本発明の特徴である低出力時に定格時よりも低い燃料あるいは空気利用率となるようなシステムが実現される。
【００５３】
以上説明したように、低圧（典型的には０．１ＭＰａ以下の圧力）で燃料ガスと酸化剤ガスを供給するいわゆる非加圧型の固体高分子型燃料電池発電システムにおいて、低負荷運転時の燃料利用率と酸化剤利用率の一方あるいは両方を低くすることにより、ガス拡散を均一化し、また水分凝縮による流路閉塞を防止して電池損傷を防ぎ、安定した低負荷運転を実現し、広い運転範囲をもった燃料電池発電システムによる発電方法と燃料電池発電システムの提供が可能となった。同時に構成機器に要求されるターンダウン比を小さくすることにより、発電システム補機の選択の自由度が増し、コストダウンが可能となった。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料極に水素を主成分とする燃料ガスを燃料ガス通過路を通じて低圧で供給し、又酸化剤極に酸化剤ガスを低圧で供給するので、例えば家庭でも使用し易く、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うので電気を発生することができ、燃料極における燃料利用率を燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御するので、燃料電池発電システムの性能低下や局所的な材料の劣化を防止することができる燃料電池発電システムによる発電方法を提供することが可能となる。
【００５５】
また、燃料ガスを燃料ガス通過路に低圧で供給し、又酸化剤極に酸化剤ガスを低圧で供給するので、例えば家庭でも使用し易く、供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うので電気を発生することができ、燃料極における燃料利用率を燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する制御器を備えるので、性能低下や材料の劣化を防止することができる燃料電池発電システムを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態である燃料電池発電システムのフローチャートである。
【図２】第２の実施の形態である燃料電池発電システムのフローチャートである。
【図３】本発明の実施の形態で用いる燃料電池スタックの基本構造を示す斜視図と断面図である。
【図４】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対水素利用率の関係を示す線図である。
【図５】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対水素流量の関係を示す線図である。
【図６】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対空気利用率の関係を示す線図である。
【図７】本発明の実施の形態の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対空気流量の関係を示す線図である。
【図８】従来技術と本発明の実施の形態における電流密度対電池セル電圧の関係を説明する線図である。
【図９】従来の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対ガス利用率の関係を示す線図である。
【図１０】従来の燃料電池発電システムによる発電方法における負荷対ガス流量の関係を示す線図である。
【符号の説明】
１０ 燃料電池本体
１１ 固体高分子膜
１２ セパレータ
１３−１ 燃料ガス入口孔
１３−２ 空気入口孔
１４ 燃料ガス通過路
１４ａ 燃料ガス
１５ 空気通過路
１５ａ 空気
２１ 燃料極
２２ 酸化剤極
３１ 燃料ガス供給管
３３ 空気供給管
３５ 燃料ガスブロワ
３６ 空気ブロワ
３７、３８ コントロールバルブ
４１ 直流電流回路
４３ 直交変換器
５１ 電流検出器
５３、５４、６３、６４ コントローラ
６１、６２ 流量検知器
Claims (8)
- 電解質を構成する固体高分子膜を有し、該固体高分子膜の一方の面側に燃料極及び該燃料極に水素を主成分とする燃料ガスを供給する燃料ガス通過路を有し、他方の面側に酸化剤極を有する燃料電池発電システムによる発電方法であって；
前記燃料ガスを前記燃料極に前記燃料ガス通過路を通じて低圧で供給する工程と；
前記酸化剤極に酸化剤ガスを低圧で供給する工程と；
前記供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う工程と；
前記燃料極における燃料利用率を前記燃料ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する工程とを備え；
前記制御する工程は、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記燃料利用率が低い状態で、前記燃料極に供給する前記燃料ガスの流量を一定とするように構成された；
燃料電池発電システムによる発電方法。 - 前記制御する工程は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記燃料利用率が一定となるように制御する；
請求項１に記載の燃料電池発電システムによる発電方法。 - 電解質を構成する固体高分子膜を有し、該固体高分子膜の一方の面側に燃料極を有し、他方の面側に酸化剤極及び該酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通過路を有する燃料電池システムによる発電方法であって；
前記燃料極に水素を主成分とする燃料ガスを低圧で供給する工程と；
前記酸化剤ガスを前記酸化剤極に前記酸化剤ガス通過路を通じて低圧で供給する工程と；
前記供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う工程と；
前記酸化剤極における酸化剤利用率を前記酸化剤ガス通過路に水の凝縮による閉塞を生じさせないように制御する工程とを備え；
前記制御する工程は、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記酸化剤利用率が低い状態で、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの流量を一定とするように構成された；
燃料電池発電システムによる発電方法。 - 前記制御する工程は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記酸化剤利用率が一定となるように制御する；
請求項３に記載の燃料電池発電システムによる発電方法。 - 電解質を構成する固体高分子膜と；
前記固体高分子膜の一方の面側に設けられた燃料極と；
前記燃料極に隣接して設けられた、水素を主成分とする燃料ガスを前記燃料極に低圧で供給する燃料ガス通過路と；
前記固体高分子膜の他方の面側に設けられた、酸化剤ガスを低圧で供給される酸化剤極と；
前記燃料極における燃料利用率を前記燃料ガス通過路に水による閉塞を生じさせないように制御する制御器とを備え；
前記供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うように構成され；
前記制御器が、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記燃料利用率が低い状態で、前記燃料極に供給する前記燃料ガスの流量を一定とするように構成された；
燃料電池発電システム。 - 前記制御器は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記燃料利用率が一定となるように制御する；
請求項５に記載の燃料電池発電システム。 - 電解質を構成する固体高分子膜と；
前記固体高分子膜の一方の面側に設けられた、水素を主成分とする燃料ガスを低圧で供給される燃料極と；
前記固体高分子膜の他方の面側に設けられた酸化剤極と；
前記酸化剤極に隣接して設けられた、酸化剤ガスを前記酸化剤極に低圧で供給する酸化剤ガス通過路と；
前記酸化剤極における酸化剤利用率を前記酸化剤ガス通過路に水による閉塞を生じさせないように制御する制御器とを備え；
前記供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電を行うように構成され；
前記制御器が、前記発電が定格出力の０〜２０％のときに、前記発電が定格出力のときよりも前記酸化剤利用率が低い状態で、前記酸化剤極に供給する前記酸化剤ガスの流量を一定とするように構成された；
燃料電池発電システム。 - 前記制御器は、前記発電が定格出力の７５〜１００％のときに、前記酸化剤利用率が一定となるように制御する；
請求項７に記載の燃料電池発電システム。
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