WO2009005158A1

WO2009005158A1 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置

Info

Publication number: WO2009005158A1
Application number: PCT/JP2008/062242
Authority: WO
Inventors: Takuya Hashimoto; Hideki Kubo
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-07-04
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-01-08
Also published as: US20110008699A1; CN101689665A; DE112008001769T5; JP2009016170A; JP4548453B2; US8309261B2; CN101689665B

Abstract

　本発明は、燃料ガスの圧力を下げずに、電解質膜の水分分布の均一化を図る。電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面に設けられた酸化剤極と、電解質膜１１の他方の面に設けられた燃料極とを備え、酸化剤極の面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路１４と、燃料極の面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路１５とが、酸化剤ガスの流通方向と燃料ガスの流通方向とが対向するように設けられている燃料電池システム１において、制御装置５０は、電解質膜１１が乾燥している場合に、燃料ガス流路１５を流れる燃料ガスの流量を増加させる制御を行う。

Description

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置技術分野

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置に関する。背景技術

電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極と、他方の面に設けられた燃料極とを備え、酸化剤極に供明給される酸素を含む空気等の酸化剤ガスと、燃料極に供給される水素を含む燃料ガスとを用いて発電する燃料電池システムがある（例えば、特開 2004— 1 279 14号公報および特開 2000— 3 書

40241号公報を参照）。

このような燃料電池システムでは、電解質膜の含水量が不足すると、電解質膜のインピーダンスが高くなり、電池の出力が低下してしまう。

当該電解質膜の含水量の不足による電池の出力低下を防止する技術として、特開 2004— 1 279 14号公報には、燃料電池の内部の水分が不足していると診断される場合に、水素圧力を空気圧力よりも低くして、酸化剤極側から電解質膜を介して燃料極側へ水が移動するのを促進するものが提案されている。

なお、特開 2000— 34024 1号公報には、燃料極に供給される水素含有ガスより高い圧力で酸化剤極に酸素含有ガスを供給することにより、酸化剤極側で生じる生成水を圧力差をもって燃料極側に排除するとともに、燃料極側で必要な水を補う技術が開示されている。発明の開示

しかし、上記特開 2004- 1 279 14号公報に記載の技術では、水素圧を下げることにより、発電に必要な水素が不足する状態、すなわち水素欠状態になつてしまう恐れがある。

そこで、本発明は、燃料ガスの圧力を下げずに、電解質膜の水分分布の均一化を図ることが可能な燃料電池システムを提供する。

本発明に係る燃料電池システムは、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた燃料極とを備え、前記酸化剤極の面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記燃料極の面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路とが、酸化剤ガスの流通方向と燃料ガスの流通方向とが対向するように設けられている燃料電池システムであって、前記電解質膜が乾燥している場合に、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を増加させる制御を行う制御手段を有することを特徴とする。

本発明の一態様では、前記制御手段は、前記電解質膜が乾燥しており、且つ、前記燃料電池システムの運転状態が所定の高負荷状態である場合には、前記燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を低下させる制御を行う。

本発明に係る燃料電池システムの制御装置は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた燃料極とを備え、前記酸化剤極の面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記燃料極の面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路とが、酸化剤ガスの流通方向と燃料ガスの流通方向とが対向するように設けられている燃料電池システムの制御装置であって、前記電解質膜が乾燥している場合に、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を増加させる制御を行うことを特徴とする。

本発明の一態様では、前記電解質膜が乾燥しており、且つ、前記燃料電池システムの運転状態が所定の高負荷状態である場合には、前記燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を低下させる制御を行う。

本発明によれば、燃料ガスの圧力を下げずに、電解質膜の水分分布の均一化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することができる。図面の簡単な説明

図 1は、実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。図 2は、燃料電池の構成を示す概略断面図である。

図 3は、制御装置により実行される処理を示すフローチヤ一トである。

図 4は、電解質膜が乾燥している場合を示す模式図である。図 5は、水素の流量を増加させた場合を示す模式図である。発明を実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図 1は、本実施の形態に係る燃料電池システム 1の構成を示す概略図である。この燃料電池システム 1は、酸化剤ガスと燃料ガスを用いて発電するシステムであり、本実施の形態では、燃料電池自動車に搭載されるものである。ただし、燃料電池システム 1は、燃料電池自動車以外に適用されてもよい。

図 1において、燃料電池システム 1は、燃料電池 1 0を有する。この燃料電池 1 0は、酸化剤ガスと燃料ガスとの供給を受けて発電する。具体的には、酸化剤ガスは、酸素を含む空気等のガスであり、燃料ガスは、水素を含むガスであり、燃料電池 1 0は、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する。燃料電池 1 0は、例えば、固体高分子電解質型の燃料電池である。

図 2は、燃料電池 1 0の構成を示す概略断面図である。以下、図 2を参照して、燃料電池 1 0の構成について説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池 1 0は、多数の単セルが積層されたスタック構造を有するものであるが、図 2では、便宜上、単一のセルが示されている。

図 2において、燃料電池 1 0は、電解質膜 1 1と、電解質膜 1 1の一方の面に設けられた酸化剤極（力ソードと呼ばれる） 1 2と、電解質膜 1 1の他方の面に設けられた燃料極（アノードと呼ばれる） 1 3とを含む。具体的には、燃料電池 1 0は、電解質膜 1 1に酸化剤極 1 2および燃料極 1 3が接合されてなる膜電極接合体 (MEA : Membrane Electrode Assembly) ¾ra'む。

酸化剤極 1 2の外面側には、酸化剤極 1 2の面に沿って酸化剤極 1 2に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路 1 4が設けられており、燃料極 1 3の外面側には、燃料極 1 3の面に沿って燃料極 1 3に燃料ガスを供給する燃料ガス流路 1 5が設けられている。具体的には、酸化剤極 1 2の外面側には、拡散層 1 6を介して、酸化剤ガス流路 1 4が形成されたセパレータが設けられ、燃料極 1 3の外面側には、拡散層 1 7を介して、燃料ガス流路 1 5が形成されたセパレータが設けられる。本実施の形態では、酸化剤ガス流路 14および燃料ガス流路 1 5とは、酸化剤ガス流路 14内の酸化剤ガスの流通方向と燃料ガス流路 1 5内の燃料ガスの流通方向とが互いに対向するように設けられている。ここで、酸化剤ガスの流通方向と燃料ガスの流通方向とは、燃料電池 1 0の面内の少なくとも一部の領域で対向していればよく、また、斜めに対向していてもよい。

ここで、燃料電池 1 0の発電作用について説明する。酸化剤ガス流路 14には、その入口 14 Aを介して酸化剤ガスが供給され、これにより酸化剤極 1 2に酸化剤ガスが供給される。一方、燃料ガス流路 1 5には、その入口 1 5 Aを介して燃料ガスが供給され、これにより燃料極 1 3に燃料ガスが供給される。燃料電池 1 0は、酸化剤極 1 2に供給される酸化剤ガスと燃料極 1 3に供給される燃料ガスとを用いて発電を行う。具体的には、白金の触媒作用などにより、燃料極 1 3 側では下記式（1) に示される反応が起こり、酸化剤極 1 2側では下記式（2) に示される反応が起こり、全体としては下記式（3) に示される起電反応が起こる。

H₂ → 2 H + + 2 e— · · · ( 1 )

2H + + (1/2) O₂+ 2 e - → H₂0 · · · (2)

H₂+ (1/2) O₂ → H₂0 · · · (3)

そして、酸化剤ガス流路 14からは、その出口 14 Bを介して力ソードオフガスが排出され、燃料ガス流路 1 5からは、その出口 1 5 Bを介してアノードオフガスが排出される。

再び図 1を参照すると、酸化剤ガス流路 14の入口には、コンプレッサ 2 1から供給される空気を酸化剤ガス流路 14に導く酸化剤供給流路 22が接続されており、酸化剤ガス流路 14の出口には、当該酸化剤ガス流路 14から排出されるカソードオフガスを外部に導く酸化剤排出流路 23が接続されている。酸化剤排出流路 23には、当該流路内のガスの圧力を調整するための圧力調整弁 24が設けられている。なお、図 1には示されていないが、酸化剤ガス流路 14に接続される流路 22， 23には、適宜、流路内のガスの圧力を測定する圧力センサや、流路を開閉するための弁（エアシャットバルブ）、加湿モジュールなどが設けられる。一方、燃料ガス流路 1 5の入口には、高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク 3 1 から供給される水素を燃料ガス流路 1 5に導く燃料供給流路 3 2が接続されており、燃料ガス流路 1 5の出口には、当該燃料ガス流路 1 5から排出されるァノードオフガスを燃料供給流路 3 2に戻す循環流路 3 3が接続されている。燃料供給流路 3 2には、当該流路内のガスの圧力を調整する圧力調整弁 3 4が設けられている。循環流路 3 3には、水素を循環させるための水素ポンプ 3 8が設けられている。また、循環流路 3 3には、燃料ガス流路 1 5から排出されたアノードオフガスを外部に導く燃料排出流路 3 5が接続されており、この燃料排出流路 3 5には、当該流路を開閉するパージ弁 3 6が設けられている。なお、図 1には示されていないが、燃料ガス流路 1 5に接続される流路 3 2， 3 3には、適宜、流路内の圧力を測定する圧力センサや、流路を開閉するための弁（エアシャットバルブ ) などが設けられる。

燃料電池 1 0には、外部負荷 4 1が電気的に接続される。外部負荷 4 1は、例えば、 D C /D Cコンバータや、当該 D C ZD Cコンバータを介して燃料電池 1 0に接続される負荷（例えば、二次電池、キャパシタ、補機、抵抗体など）である。

さらに、燃料電池システム 1は、燃料電池 1 0のインピーダンスを測定するィンピーダンス測定部 4 3と、燃料電池システム 1全体を制御する制御装置 5 0とを有する。制御装置 5 0は、具体的には、各種の入力情報（インピーダンス測定部 4 3の出力値など）に基づき、被制御装置（コンプレッサ 2 1、圧力調整弁 2 4、水素ポンプ 3 8、圧力調整弁 3 4など）を制御する。

制御装置 5 0は、適宜の構成により実現可能であるが、本実施の形態では、 C P U (Central Processing Unit) 、 R O M (Read Only Memory) 、メインメモリなどを含んで構成され、その機能は、 R OM等の記憶媒体に記憶された制御プログラムが C P Uにより実行されることによって実現される。

上記構成において、電解質膜 1 1が乾燥すると、電解質膜 1 1のインピーダンスが上昇し、燃料電池 1 0の出力が低下する。

そこで、上記電解質膜 1 1の乾燥による燃料電池 1 0の出力の低下を防止する観点より、制御装置 5 0は、次のような制御を行う。すなわち、制御装置 5 0は、電解質膜 1 1が乾燥している場合に、燃料ガス流路 1 5を流れる燃料ガスの流量を增加させる制御を行う。具体的には、制御装置 5 0は、電解質膜 1 1が乾燥しているか否かを判定し、乾燥していると判定された場合に、燃料ガス流路 1 5 を流れる燃料ガスの流量を増加させる制御を行う。

ここで、「燃料ガスの流量を増加させる」とは、通常時の燃料ガスの流量よりも、燃料ガスの流量を増加させることを意味する。具体的には、目標出力に応じた予め設定された燃料ガスの流量、例えば予め用意された制御マップにおいて目標出力に対応する燃料ガスの流量を基準として、燃料ガスの流量を増加させることを意味する。

本実施の形態では、制御装置 5 0は、インピーダンス測定部 4 3により測定されたインピーダンスに基づき、電解質膜 1 1が乾燥しているか否かを判定する。ただし、電解質膜 1 1が乾燥しているか否かは、別の方法で判定されてもよい。また、本実施の形態では、制御装置 5 0は、燃料ガスの流量を増加させる制御として、水素ポンプ 3 8の回転数を上げる制御を行う。ただし、燃料ガスの流量の増加は、別の方法で実現されてもよい。

また、本実施の形態では、制御装置 5 0は、電解質膜 1 1が乾燥しており、且つ、燃料電池システム 1の運転状態が所定の高負荷状態である場合には、燃料ガス流路 1 5内の燃料ガスの圧力を低下させる制御を行い、これにより酸化剤極 1 2側から燃料極 1 3側への水分の移動を促進させる。

一つの態様では、高負荷になるほど燃料ガスの流量が増大し、燃料ガスの流量には上限がある観点より、制御装置 5 0は、燃料ガスの流量を増加させることができなレ、程の高負荷状態である場合には、燃料ガスの圧力を低下させる制御を行う。具体的には、水素ポンプ 3 8の回転数には上限がある観点より、制御装置 5 0は、水素ポンプ 3 8の回転数が所定回転数に達している場合には、水素を低下させる制御を行う。

また、別の一つの態様では、高負荷になるほど燃料ガスの圧力が増大し、燃料ガスの圧力を低下させることによる燃料ガス不足の発生の恐れが少ないという観点より、制御装置 5 0は、燃料ガスの圧力を低下させることができる程の高負荷状態である場合には、燃料ガスの圧力を低下させる制御を行う。具体的には、水素圧が高い場合には水素欠状態になる可能性が低い観点より、制御装置 5 0は、水素圧が所定値以上である場合には、水素圧を下げる制御を行う。

さらに、別の一^ 3の態様では、制御装置 5 0は、要求出力が所定値以上である場合には、燃料ガスの圧力を低下させる制御を行う。

以下、上記構成を有する燃料電池システム 1の動作を具体的に説明する。制御装置 5 0は、要求出力に応じて、予め設定された燃料電池 1 0の電流ー電圧特性マップ（I一 V特性マップ）に基づき、出力電圧および出力電流の目標値を決定する。そして、制御装置 5 0は、出力電圧および出力電流の目標値に応じて、予め設定された制御マップに基づき、酸化剤極 1 2に供給される空気の圧力および流量、ならびに燃料極 1 3に供給される水素の圧力および流量の目標値を決定する。そして、制御装置 5 0は、酸化剤極 1 2に供給される空気の圧力および流量、ならびに燃料極 1 3に供給される水素の圧力および流量が、それぞれ目標値となるように、圧力調整弁 2 4、コンプレッサ 2 1、圧力調整弁 3 4、水素ポンプ 3 8を制御する。このとき、圧力や流量を目標値に制御する際、圧力センサゃ流量センサが用いられてもよい。

上記制御装置 5 0の制御により、水素タンク 3 1から燃料供給流路 3 2を介して水素が燃料ガス流路 1 5に供給され、コンプレッサ 2 1から酸化剤供給流路 2 2を介して空気が酸化剤ガス流路 1 4に供給され、燃料電池 1 0が発電する。燃料ガス流路 1 5からは、反応に寄与しなかった水素を含むアノードオフガスが排出され、当該アノードオフガスは循環流路 3 3を通って再び燃料ガス流路 1 5に供給される。このとき、アノードオフガスには、水素以外の不純物が含まれているため、循環するうちに当該アノードオフガス中の水素濃度が低下していく。そこで、適宜のタイミングでパージ弁 3 6が開かれ、水素濃度が低下したァノードオフガスが燃料排出流路 3 5を通って外部に排気される。

一方、酸化剤ガス流路 1 4からは力ソードオフガスが排出され、当該力ソードオフガスは酸化剤排出流路 2 3を通って外部に排出される。

本実施の形態では、電解質膜 1 1の乾燥による電池出力の低下を防止するため、制御装置 5 0は、図 3に示される処理を行う。当該図 3に示される処理は、適宜繰り返し行われる。図 3において、制御装置 50は、インピーダンス測定部 43により測定された燃料電池 1 0のインピーダンスを取得する（S 1) 。

ついで、制御装置 50は、取得されたインピーダンスが所定の閾値以上であるか否かを判定する（S 2) 。

インピーダンスが所定の閾値以上でないと判定された場合（S 2 ： NO) 、制御装置 50は、圧力や流量等の運転条件の変更を行わない（S 3) 。

一方、インピーダンスが所定の閾値以上であると判定された場合（S 2 ： YE S) 、制御装置 50は、燃料電池システム 1の運転状態が所定の高負荷状態にあるか否かを判定する（S 4) 。例えば、制御装置 50は、水素ポンプ 38の回転数が上限に達しているか否かを判定する。

所定の高負荷状態でないと判定された場合（S 4 ： NO) 、すなわち低負荷運転（例えば常用域運転）の場合、制御装置 50は、水素ポンプ 38の回転数を所定回転数だけ上げる（S 5) 。これにより、燃料ガス流路 1 5内の水素の流量が増加し、燃料電池 1 0内の水分の移動が促進され（すなわち内部加湿効果が高められ）、燃料電池 10における水分分布が均一化され、燃料電池 10のインピーダンスが低下する。

一方、所定の高負荷状態であると判定された場合（S 4 ： YE S) 、すなわち高負荷運転（例えば最大出力要求時等）の場合、制御装置 50は、圧力調整弁 3 4を制御して、水素圧を下げる（S 6) 。これにより、燃料極 1 3側の水素の圧力（アノード圧）が、酸化剤極 1 2側の空気の圧力（力ソード圧）よりも低くなり、この圧力差により、酸化剤極 1 2側から燃料極 1 3側への水の透過が促進され、燃料電池 10のインピーダンスが低下する。

図 4は、電解質膜 1 1が乾燥している場合を示す模式図である。図 5は、水素の流量を増加させた場合を示す模式図である。以下、図 4， 5を参照して、水素流量の増加による電解質膜 1 1の水分分布の均一化について説明する。なお、図 4, 5において、破線の矢印は水の移動を表す。

図 4に示されるように、乾燥時は、電解質膜 1 1のうち、空気の流れの上流側が乾燥状態となり、下流側が湿潤状態となる。これは、酸化剤極 1 2で生成された水が、空気の流れによって移動するからである。電解質膜 1 1において、酸化剤極 1 2側の水は、燃料極 1 3側に透過する。本実施の形態では、空気の流通方向と水素の流通方向とは互いに対向関係にあり、空気の下流側が水素の上流側に対応し、空気の上流側が水素の下流側に対応するので、燃料極 1 3側においては、水素の上流側が湿潤状態となり、水素の下流側が乾燥状態となる。

図 4に示される状態になると、空気の上流側では電解質膜 1 1の乾燥により発電性能が低下し、下流側に発電が集中し、燃料電池 1 0全体では出力が低下する。このような乾燥状態は、例えば、低負荷での運転や高温での運転等で生じる。このような場合において、図 5に示されるように、水素流量を増加させると、燃料電池 1 0の面内の燃料極 1 3側において、水素の上流側から下流側への水の移動量が増加する。図 4の乾燥状態では水素の上流側が湿潤状態であり下流側が乾燥状態であるので、水素流量の増加により、燃料極 1 3側の面内における水分分布の均一化が促進されることとなる。これに伴い、空気の下流側（水素の上流側）における酸化剤極 1 2側から燃料極 1 3側への水分の移動量も増加し、空気の上流側（水素の下流側）における燃料極 1 3側から酸化剤極 1 2側への水分の移動量も増加する。これにより、電解質膜 1 1の水分分布が均一化され、発電分布も均一化され、燃料電池 1 0のインピーダンスが低下し、燃料電池 1 0の出力が向上する。

以上のとおり、本実施の形態では、電解質膜と、電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極と、電解質膜の他方の面に設けられた燃料極とを備え、酸化剤極の面に沿つて酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、燃料極の面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路とが、酸化剤ガスの流通方向と燃料ガスの流通方向とが対向するように設けられている燃料電池システムにおいて、電解質膜が乾燥している場合に、燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を増加させる制御を行う。このため、本実施の形態によれば、燃料ガスの流量の増加により水分の移動を促進することができ、燃料ガスの圧力を下げずに、電解質膜の水分分布の均一化を図ることが可能となる。これにより、燃料ガスの圧力低下による燃料ガスの不足状態（具体的には水素圧低下による水素欠状態）の発生を回避または軽減しつつ、電解質膜の乾燥による電池の出力低下を回避または軽減することが可能となるまた、本実施の形態では、電解質膜が乾燥しており、且つ、燃料電池システムの運転状態が所定の高負荷状態である場合には、燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を低下させる制御を行う。このため、高負荷状態において燃料ガスの流量を増加させることができなレ、場合に、燃料ガスの圧力を低下させることにより電解質膜の水分分布の均一化を図ることが可能となる。または、高負荷状態において燃料ガスの圧力を低下させても燃料ガスの不足状態（具体的には水素欠状態）の発生の恐れがない場合に、燃料ガスの圧力を低下させることにより効率的に電解質膜の水分分布の均一化を図ることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変更することができる。

例えば、上記圧力調整弁 3 4の代わりにインジュクタが設けられ、燃料ガスの圧力は、インジェクタのオンオフを制御することにより調整されてもよい。また、上記実施の形態では、高負荷状態において、燃料ガスの圧力を下げることで水の移動を促進させているが、酸化剤ガスの圧力を上げることで水の移動を促進させてもよい。ただし、エネルギー効率（具体的には補機損）の観点より、燃料ガスの圧力を下げる方が好ましい。

Claims

請求の範囲

1 . 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた燃料極とを備え、前記酸化剤極の面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記燃料極の面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路とが、酸化剤ガスの流通方向と燃料ガスの流通方向とが対向するように設けられている燃料電池システムであって、

前記電解質膜が乾燥している場合に、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を増加させる制御を行う制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム

2 . 請求の範囲 1に記載の燃料電池システムであって、

前記制御手段は、前記電解質膜が乾燥しており、且つ、前記燃料電池システムの運転状態が所定の高負荷状態である場合には、前記燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を低下させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。

3 . 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に設けられた酸化剤極と、前記電解質膜の他方の面に設けられた燃料極とを備え、前記酸化剤極の面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、前記燃料極の面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路とが、酸化剤ガスの流通方向と燃料ガスの流通方向とが対向するように設けられている燃料電池システムの制御装置であって、

前記電解質膜が乾燥している場合に、前記燃料ガス流路を流れる燃料ガスの流量を増加させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。

4 . 請求の範囲 3に記載の燃料電池システムの制御装置であって、

前記電解質膜が乾燥しており、且つ、前記燃料電池システムの運転状態が所定の高負荷状態である場合には、前記燃料ガス流路内の燃料ガスの圧力を低下させる制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。