JP2000208161A - 燃料電池の運転方法及び運転装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体高分子電解質型燃料電池システムを効率
よく、かつ安全に運転することができる燃料電池の運転
方法及び運転装置を提供する。 【解決手段】 燃料電池のセル電圧のばらつきの指標と
なる標準偏差を監視し、セル電圧のばらつきが一定の値
以下になるように、負荷電流、空気流量又は空気圧力、
あるいは燃料ガス流量又は燃料ガス圧力のような諸量を
制御しながら燃料電池を運転する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
型燃料電池の運転方法及び運転装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の環境問題、特に自動車の排気ガス
による大気汚染や２酸化炭素による地球温暖化の問題に
対して、クリーンな排気及び高効率のエネルギー効率を
可能とする燃料電池技術が注目されている。

【０００３】燃料電池はその燃料となる水素あるいは水
素リッチな改質ガス、及び空気を供給して電気化学反応
を起こし、化学エネルギーを電気にエネルギーに変換す
るエネルギー変換システムである。そしてその中でも、
高い出力密度を有する固体高分子電解質型燃料電池が自
動車などの移動体用電源として注目されている。

【０００４】ところで、燃料電池システムの効率を最大
とするためには、空気供給源の空気圧縮機の負荷を低減
したり、あるいは燃料ガス流量を必要最小限量の供給と
することが考えられ、その場合、燃料電池に供給される
反応ガスは低圧、低流量となる。しかしながら、ある値
以下の低圧、低流量での運転は、セル電圧の低下、反転
を引き起こして燃料電池に損傷を与えることがあり、安
全な運転には好ましくない。

【０００５】したがって、燃料電池システムの効率を最
適化し、かつ長期間にわたり燃料電池を損傷させずに運
転するためには、低圧力、低流量条件での安全な電流電
池の運転方法を見い出す必要がある。

【０００６】このため、従来の燃料電池の運転方法のひ
とつとして、スタック電圧あるいはセル電圧をモニター
し、これが一定値を下回る場合には燃料電池スタックの
運転を中止したり、あるいはスタック電圧やセル電圧が
回復するように負荷を低減したり、ガス流量、ガス圧力
を増やしたりする制御方法が知られている（特開平７−
２７２７３６号公報、特開平８−１６７４２１号公
報）。なお、ここでスタック電圧とは、燃料ガスと空気
を固体高分子電解質の高分子イオン交換膜を介して電気
化学的に反応させることにより起電力を得る単電池（セ
ル）を複数積層して構成される固体高分子膜型燃料電池
の全体の電圧を意味し、セル電圧の総和である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、スタッ
ク電圧あるいはセル電圧が所定の下限値を下回らない場
合においても、セル電圧のばらつきが大きくなれば、ス
タック電圧が急激に減少する確率が高く、その結果、ス
タックを安全に運転できない場合があるので、単にスタ
ック電圧あるいはセル電圧をモニターするだけでは不十
分な場合がある。

【０００８】また、燃料電池システムを効率よく運転す
るためには空気圧縮機の負荷による電力低下分を考慮
し、なるべく低空気流量と低圧力での燃料電池の運転を
行う必要があるが、そのような要求に対して単にスタッ
ク電圧あるいはセル電圧をモニターするだけでは十分な
指標とはなり得ない。

【０００９】燃料電池においては、水素と酸素が結合し
て生ずる水が燃料電池セル内部でガス流路を詰まらせ、
その結果、ガスの供給不足を招く場合、また、供給ガス
量が負荷として取出す電流値から計算される理論ガス消
費量より少ない場合、さらには、固体高分子膜型燃料電
池に特有な高分子イオン交換膜への加湿が十分でなく、
その結果、膜が乾燥して高抵抗となる場合、またさらに
は、高分子イオン交換膜と電極触媒の経時劣化による場
合など、様々な原因でセル電圧が低下し、そのばらつき
が大きくなる。

【００１０】さらに、セル電圧の低下の態様において
も、複数のセル電圧のうちの１つだけが極端に低下する
場合、あるいは、多くのセル電圧が同時にばらつく場合
など、様々なパターンがあり、それぞれに対して大まか
なセル電圧のばらつきの原因が推定されることもある
が、必ずしも１対１に対応するわけではない。

【００１１】一方、セル電圧のばらつきを解消させる方
法として、負荷電流を低減させる方法、空気圧縮機から
の空気流量を増加させるか、あるいは空気圧力を増加さ
せる方法、さらには、燃料ガス流量を増加させるか、あ
るいは燃料ガス圧力を増加させる方法がある。

【００１２】しかしながら、セル電圧のばらつきの原因
は必ずしも１つではないことがあり、セル電圧のばらつ
きを抑える方法も上記の方法のいずれか１つだけでな
く、２つあるいは３つ全部を組み合わせて用いる方が有
効な場合もある。

【００１３】他方、セル電圧のばらつきの測定では、ス
タックのすべてのセル電圧をモニターし、それの標準偏
差を求めることができるが、燃料電池セルを２つ、３つ
と少数のグループに分け、その２セル電圧あるいは３セ
ル電圧をモニターし、その標準偏差を求め、これを制御
用の指標値とすることができる。またセル電圧信号をい
くつ利用するかは、スタックセル数の数や信号処理回路
の機能に合わせてシステムごとに決めることができる。

【００１４】セル電圧のばらつきを抑制する制御を実現
するためには、セル電圧信号を演算処理回路に入力して
その標準偏差を求め、その値に対してあらかじめ定めた
ある所定値を上回らず、かつその所定値を追従するよう
に電流、ガス流量あるいはガス圧力を制御する方式を採
用することができる。その場合、所定値は、例えば図２
及び図３に示すようなセル電圧標準偏差−空気ストイキ
値の特性グラフから決めることができる。

【００１５】図３から明らかなように、空気ストイキ値
（＝空気供給量／空気消費量）が２〜４程度の範囲では
セル電圧はばらつかず、標準偏差も小さい値であるが、
空気ストイキ値が１．５程度以下になると徐々にセル電
圧はばらつき始め、セル電圧の標準偏差も増加してい
く。このとき、図２に示したように、標準偏差がある所
定値Tctrよりも小さい範囲で燃料電池を運転することに
より、燃料電池を損傷させることなく運転することがで
きる。

【００１６】ここで、空気ストイキ値に対するセル電圧
の標準偏差を選んだ理由は、次による。燃料電池システ
ムの効率は空気圧縮機の負荷に大きく依存するが、空気
流量が小さいほど空気圧縮機の負荷が減少し、その結
果、燃料電池システム全体の効率を増加させることがで
きるので、空気ストイキ値は燃料電池システム効率と相
関付けることができるからである。

【００１７】燃料電池システムは低空気量である程好ま
しいが、低流量である程セル電圧がばらつき、場合によ
ってはセル電圧の反転を起こし、その結果、セル及びス
タックに損傷を与えることになる。しかし、セル電圧の
標準偏差が所定値を上回らないように制御すれば、燃料
電池を損傷することなく安全に運転することが可能であ
り、その上、その所定値に追従するように燃料電池を運
転すれば、燃料電池システムの効率を上げることが可能
である。

【００１８】このような、固体高分子電解質型燃料電池
をそのセル電圧の標準偏差が所定値を上回らず、かつ、
その所定値に追従する運転は、燃料電池から取出す電流
を電流制御手段によって調整し、空気圧縮機からの空気
流量あるいは空気圧力を調整し、あるいは、燃料ガス流
量あるいは燃料ガス圧力を調整することによって達成す
ることができる。

【００１９】本発明はこのような技術的課題に鑑みてな
されたもので、燃料電池のセル電圧のばらつきの指標と
なる標準偏差を監視し、負荷電流、空気流量又は空気圧
力、あるいは燃料ガス流量又は燃料ガス圧力のような諸
指標を制御しながらセル電圧のばらつきが一定の値以下
になるように燃料電池を運転することにより、燃料電池
システムを効率よく、かつ安全に運転することができる
燃料電池の運転方法及び運転装置を提供することを目的
とする。

【００２０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の燃料電
池の運転方法は、固体高分子電解質型燃料電池のセル電
圧を監視し、前記セル電圧の標準偏差を継続的に演算
し、前記セル電圧の標準偏差がある所定値を上回らず、
かつ当該所定値に追従するように、負荷の電流を制御す
るものであり、これにより、固体高分子電解質型燃料電
池システムの効率を高め、かつ燃料電池が損傷を受けな
いで長期間継続して運転できるようにする。

【００２１】請求項２の発明の燃料電池の運転方法は、
固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧を監視し、前記
セル電圧の標準偏差を継続的に演算し、前記セル電圧の
標準偏差がある所定値を上回らず、かつ当該所定値に追
従するように、空気圧縮機からの空気流量又は空気圧力
を制御するものであり、これにより、固体高分子電解質
型燃料電池システムの効率を高め、かつ燃料電池が損傷
を受けないで長期間継続して運転できるようにする。

【００２２】請求項３の発明の燃料電池の運転方法は、
固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧を監視し、前記
セル電圧の標準偏差を継続的に演算し、前記セル電圧の
標準偏差がある所定値を上回らず、かつ当該所定値に追
従するように、燃料ガス流量又は燃料ガス圧力を制御す
るものであり、これにより、固体高分子電解質型燃料電
池システムの効率を高め、かつ燃料電池が損傷を受けな
いで長期間継続して運転できるようにする。

【００２３】請求項４の発明の燃料電池の運転装置は、
固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧を監視する電圧
モニターと、前記電圧モニターの出力する前記セル電圧
の標準偏差を継続的に演算する演算手段と、前記演算手
段の演算する前記セル電圧の標準偏差がある所定値を上
回らず、かつ当該所定値に追従するように、負荷の電流
を制御する制御手段とを備えたものである。

【００２４】請求項４の発明の燃料電池の運転装置で
は、電圧モニターで燃料電池のセル電圧を監視し、演算
手段によってセル電圧の標準偏差を継続的に演算し、制
御手段により、燃料電池のセル電圧のばらつきの指標と
なるセル電圧の標準偏差が一定の値以下になるように、
負荷から取出す電流を制御しながら運転することによ
り、固体高分子電解質型燃料電池システムの効率を高
め、かつ燃料電池が損傷を受けないで長期間継続して運
転できるようにする。

【００２５】請求項５の発明の燃料電池の運転装置は、
固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧を監視する電圧
モニターと、前記電圧モニターの出力する前記セル電圧
の標準偏差を継続的に演算する演算手段と、前記演算手
段の演算する前記セル電圧の標準偏差がある所定値を上
回らず、かつ当該所定値に追従するように、空気圧縮機
からの空気流量又は空気圧力を制御する制御手段とを備
えたものである。

【００２６】請求項５の発明の燃料電池の運転装置で
は、電圧モニターで燃料電池のセル電圧を監視し、演算
手段によってセル電圧の標準偏差を継続的に演算し、制
御手段により、燃料電池のセル電圧のばらつきの指標と
なるセル電圧の標準偏差が一定の値以下になるように、
空気圧縮機からの空気流量又は空気圧力を制御しながら
運転することにより、固体高分子電解質型燃料電池シス
テムの効率を高め、かつ燃料電池が損傷を受けないで長
期間継続して運転できるようにする。

【００２７】請求項６の発明の燃料電池の運転装置は、
固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧を監視する電圧
モニターと、前記電圧モニターの出力する前記セル電圧
の標準偏差を継続的に演算する演算手段と、前記演算手
段の演算する前記セル電圧の標準偏差がある所定値を上
回らず、かつ当該所定値に追従するように、燃料ガス流
量又は燃料ガス圧力を制御する制御手段とを備えたもの
である。

【００２８】請求項６の発明の燃料電池の運転装置で
は、電圧モニターで燃料電池のセル電圧を監視し、演算
手段によってセル電圧の標準偏差を継続的に演算し、制
御手段により、燃料電池のセル電圧のばらつきの指標と
なるセル電圧の標準偏差が一定の値以下になるように、
燃料ガス流量又は燃料ガス圧力を制御しながら運転する
ことにより、固体高分子電解質型燃料電池システムの効
率を高め、かつ燃料電池が損傷を受けないで長期間継続
して運転できるようにする。

【００２９】

【発明の効果】請求項１〜３の発明の燃料電池の運転方
法によれば、燃料電池のセル電圧のばらつきの指標とな
る標準偏差を監視し、セル電圧のばらつきが一定の値以
下になるように、負荷から取出す電流、空気圧縮機から
の空気流量又は空気圧力、あるいは、燃料ガス流量又は
燃料ガス圧力を制御しながら運転するので、固体高分子
電解質型燃料電池システムの効率を高め、かつ燃料電池
が損傷を受けないで長期間継続して運転できる。

【００３０】請求項４〜６の発明の燃料電池の運転装置
によれば、電圧モニターで燃料電池のセル電圧を監視
し、演算手段によってセル電圧の標準偏差を継続的に演
算し、制御手段により、燃料電池のセル電圧のばらつき
の指標となるセル電圧の標準偏差が一定の値以下になる
ように、負荷から取出す電流、空気圧縮機からの空気流
量又は空気圧力、あるいは、燃料ガス流量又は燃料ガス
圧力を制御しながら運転することができ、固体高分子電
解質型燃料電池システムの効率を高め、かつ燃料電池が
損傷を受けないで長期間継続して運転できる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図に
基づいて詳説する。

【００３２】図１は、本発明の１つの実施の形態の燃料
電池の運転装置の構成を示している。固体高分子電解質
型燃料電池の適数体を積層して構成されている燃料電池
スタック１に対して、そのセル電圧を継続的に監視する
セル電圧モニター２と、このセル電圧モニター２の検出
するセル電圧に対する標準偏差を演算し、所定の比較値
と比較して燃料電池スタック１の状態を判断するセル電
圧標準偏差判断部３と、このセル電圧標準偏差判断部３
の判断結果に基づき、負荷５の電流を制御する制御ユニ
ット４が備えられている。

【００３３】また、燃料電池スタック１に対して空気圧
縮機６と燃料供給装置７が設けられていて、これらから
それぞれ、流量計８ａ，８ｂ、遮断弁９ａ，９ｂを介し
て空気と燃料ガスを燃料電池スタック１に供給するよう
に配管されている。さらに、燃料電池スタック１に接続
された排気用配管上には制御弁１２ａ，１２ｂが設けら
れ、これから排燃料ガス、排空気の流量を制御しながら
を排出するように構成されている。１０ａ，１０ｂは圧
力計、１１は温度計である。

【００３４】なお、この実施の形態では、制御ユニット
４は、負荷電流の制御のみならず、遮断弁９ａ，９ｂ、
そして制御弁１２ａ，１２ｂを制御するようにしてあ
る。

【００３５】次に、上記の構成の燃料電池の運転装置の
動作について説明する。ここではまず、本発明の運転制
御の原理を説明する。図２は固体高分子電解質型燃料電
池スタックで得られた空気ストイキ値（＝空気供給量／
空気消費量）と３セル電圧の標準偏差との関係を示した
グラフである。供給ガス圧力１．５ｋｇ／ｃｍ² 、電流
１８０Ａに対して、空気ストイキ値を下げていくと、３
セル電圧はばらつき始め、その標準偏差は次第に増加す
るが、標準偏差値がある値Tctr以下であれば、燃料電池
スタックは安全に、かつ安定して運転することができ
る。この標準偏差に対応する値Tctrを実験的に求め、こ
の値を所定値とする。

【００３６】供給ガス圧力及び電流値に対してこの標準
偏差の値Tctrは変化するが、必要に応じて図２に示すグ
ラフと同様のグラフを実験データに基づいて描き、標準
偏差が急激に立ち上がる近傍の値を標準偏差の所定値Tc
trとすることができる。

【００３７】図３は比較的小さな空気ストイキ値（Ｓ
Ｒ）１．４、水素ストイキ値（ＳＲ）１．２の場合と、
大きな空気ストイキ値（ＳＲ）２．０と、水素ストイキ
値（ＳＲ）１．２の場合における、３セル電圧のばらつ
きの様子を示している。

【００３８】図３（ｂ）に示すように、空気流量が大き
な空気ストイキ値２．０の場合では、大きな電流（電流
値が２４０Ａ）でもセル電圧のばらつきは小さく、また
その標準偏差も小さいが、同図（ａ）に示すように、空
気流量が小さな空気ストイキ値１．４で、かつ電流値が
大きい場合には、セル電圧がばらつき、燃料電池スタッ
クは不安定な運転状態となり、その状態での運転は燃料
電池スタックの損傷につながる恐れがあり、好ましくな
い。

【００３９】そこで、この図２及び図３に示したセル電
圧の標準偏差の空気ストイキ値に対する特性から、次の
制御が可能となる。

【００４０】（１）負荷電流を小さくすれば標準偏差を
抑えることができる。

【００４１】（２）負荷電流が一定であれば、空気流量
を大きくすることによって標準偏差を抑えることができ
る。

【００４２】さらに、ここでは示されていないが、燃料
ガス流量を大きくすることによって標準偏差を抑えるこ
とができる。

【００４３】このような燃料電池の運転制御指針に基づ
き、本発明の燃料電池の運転方法及び運転装置は、次の
ようにして燃料電池スタックの運転を制御し、セル電圧
のばらつきを抑制し、効率的で、かつ、燃料電池を損傷
しない運転を実現するのである。

【００４４】装置燃料電池スタック１はセル電圧モニタ
ー２によってそのセル電圧が監視され、このセル電圧モ
ニター２の出力するセル電圧信号はセル電圧標準偏差判
断部３に与えられ、セル電圧標準偏差判断部３では、セ
ル電圧信号からセル電圧標準偏差を継続的に演算し、そ
の値を所定値Tctrと比較し、標準偏差が所定値を超えて
いないかどうかに基づき、燃料電池スタック１の動作状
態を判断する。

【００４５】一方、燃料電池スタック１には酸化剤とし
て空気が、空気圧縮機６から流量計８ａ、遮断弁９ａを
経て供給され、スタック１で消費された後、その排空気
が制御弁１２ａを経て大気へ開放される。また、燃料電
池スタック１には、燃料として水素あるいは改質ガスが
燃料ガスとして燃料供給装置７から流量計８ｂ、遮断弁
９ｂを経て供給され、スタック１で消費された後、その
排燃料ガスが制御弁１２ｂを経て燃焼器（図示せず）に
導入されて燃やされるか、あるいは大気へ開放される。

【００４６】燃料電池スタック１に供給される空気流量
と燃料ガス流量は流量計８ａ，８ｂで計測され、燃料電
池スタック１に供給される空気圧力と燃料ガス圧力とは
圧力計１０ａ，１０ｂで計測される。燃料電池スタック
１から取り出される電流は、負荷５によって決められ
る。また、燃料電池スタック１への空気及び燃料ガスの
供給は必要な場合、遮断弁９ａ，９ｂによって遮断され
る。

【００４７】セル電圧モニター２の信号を受けて、セル
電圧標準偏差判断部３は継続的にセル電圧標準偏差を演
算し、それが所定値Tctrに対してある値以内まで近づい
ていないかどうか判断し、この判断結果を継続的に制御
ユニット４に伝える。制御ユニット４は、セル電圧標準
偏差が所定値に対してある値以内になるまで近づいた場
合には、電流を減少させるように負荷５へ信号を送り、
また所定値に対してある値以上離れれば電流を増加させ
るように負荷５へ信号を送り、燃料電池スタック１をそ
のセル電圧が所定の標準偏差Tctr以下に収まるように制
御しながら運転する。

【００４８】なお、セル電圧モニター２の信号を受け、
セル電圧標準偏差判断部３がセル電圧標準偏差を継続的
に演算し、それが所定値Tctrに対してある値以内まで近
づいた場合に、制御ユニット４から空気圧縮機６へ空気
流量を増加させるように回転数増加指令を与え、又は圧
力計１０ａが計測する空気供給圧力を一時的に高めるよ
うに制御弁１２ａの開度を小さくさせることにより、セ
ル電圧のばらつきを抑えて所定の標準偏差以下となるよ
うに燃料電池スタック１の運転を制御することもできる
（第２の実施の形態）。

【００４９】さらにまた、セル電圧モニター２の信号を
受け、セル電圧標準偏差判断部３がセル電圧標準偏差を
継続的に演算し、それが所定値Tctrに対してある値以内
まで近づいた場合に、制御ユニット４からの指令信号に
より、負荷５へ取出す電流を０とし、同時に遮断弁９
ａ，９ｂを閉じ、空気及び燃料ガスの供給を停止するこ
とにより燃料電池の損傷を未然に防ぐこともできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施の形態の装置構成を示すブ
ロック図。

【図２】燃料電池スタックの空気ストイキ値と３セル電
圧の標準偏差との関係を示す特性グラフ。

【図３】燃料電池スタックのセル電圧の時間変動特性を
示すグラフ。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック ２ セル電圧モニター ３ セル電圧標準偏差判断部 ４ 制御ユニット ５ 負荷 ６ 空気圧縮機 ７ 燃料供給装置 ８ａ，８ｂ 流量計 ９ａ，９ｂ 遮断弁 １０ａ，１０ｂ 圧力計 １１ 温度計 １２ａ，１２ｂ 制御弁

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧
   を監視し、 前記セル電圧の標準偏差を継続的に演算し、 前記セル電圧の標準偏差がある所定値を上回らず、かつ
   当該所定値に追従するように、負荷の電流を制御するこ
   とを特徴とする燃料電池の運転方法。
2. 【請求項２】 固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧
   を監視し、 前記セル電圧の標準偏差を継続的に演算し、 前記セル電圧の標準偏差がある所定値を上回らず、かつ
   当該所定値に追従するように、空気圧縮機からの空気流
   量又は空気圧力を制御することを特徴とする燃料電池の
   運転方法。
3. 【請求項３】 固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧
   を監視し、 前記セル電圧の標準偏差を継続的に演算し、 前記セル電圧の標準偏差がある所定値を上回らず、かつ
   当該所定値に追従するように、燃料ガス流量又は燃料ガ
   ス圧力を制御することを特徴とする燃料電池の運転方
   法。
4. 【請求項４】固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧を
   監視する電圧モニターと、 前記電圧モニターの出力する前記セル電圧の標準偏差を
   継続的に演算する演算手段と、 前記演算手段の演算する前記セル電圧の標準偏差がある
   所定値を上回らず、かつ当該所定値に追従するように、
   負荷の電流を制御する制御手段とを備えて成る燃料電池
   の運転装置。
5. 【請求項５】 固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧
   を監視する電圧モニターと、 前記電圧モニターの出力する前記セル電圧の標準偏差を
   継続的に演算する演算手段と、 前記演算手段の演算する前記セル電圧の標準偏差がある
   所定値を上回らず、かつ当該所定値に追従するように、
   空気圧縮機からの空気流量又は空気圧力を制御する制御
   手段とを備えて成る燃料電池の運転装置。
6. 【請求項６】 固体高分子電解質型燃料電池のセル電圧
   を監視する電圧モニターと、 前記電圧モニターの出力する前記セル電圧の標準偏差を
   継続的に演算する演算手段と、 前記演算手段の演算する前記セル電圧の標準偏差がある
   所定値を上回らず、かつ当該所定値に追従するように、
   燃料ガス流量又は燃料ガス圧力を制御する制御手段とを
   備えて成る燃料電池の運転装置。