JP2005129252A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 固体高分子電解質を加湿する純水が不足した場合、燃料電池の運転点を変更して水素消費量を増加させることにより、生成水を増加させる。
【解決手段】 純水ポンプ９は、純水タンク８から燃料電池スタック２へ純水を循環させることにより、燃料電池スタック２の固体高分子電解質膜を加湿する。水位センサ１１が検出した純水の水位が所定値より低下したとき、コントローラ１３は、運転温度を低下させて燃料電池スタック２の電流−電圧特性曲線を低電圧側へシフトさせ、取り出す電流を増加させることにより生成水量を増加させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に純水を用いて電解質膜を加湿する燃料電池システムにおける水量の制御に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

固体高分子型燃料電池では、水素イオンが燃料極から酸化剤極へ移動する際に水和状態をとるため、燃料電池に供給する燃料ガスまたは空気を加湿したり、冷却水で直接電解質膜を加湿して、電解質膜の乾燥を防止しイオン導電性を保持しているものがある。

このような加湿用の水は、燃料電池の排気から回収して、水の補給を不要とすることが好ましい。たとえば、燃料電池スタックから排出される空気中の水蒸気を回収する水回収装置を有し、水供給系内の水量が不足しがちになると水回収装置を作動させて反応水を取り込み、系内の水量を増加させる技術が公知である（特許文献１）。
特開２０００−３０７２７号公報（第４頁、図１）

しかしながら、上記従来技術にあっては、乾燥または高温の環境下で燃料電池システムを運転させたり、燃料電池スタックの高分子膜が乾き、加湿のための水を大量に要したりする状況では、燃料電池システムの水供給系内での水の消費量がその回収量を上回り、水が不足して燃料電池スタックの加湿および冷却ができなくなる虞があるという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するため、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池スタックと、前記固体高分子電解質膜を加湿するための純水と、前記純水を貯蔵するための純水タンクと、前記純水タンクと前記燃料電池スタックとの間に純水を循環させる純水ポンプと、を備えた燃料電池システムにおいて、前記純水タンク内の純水量を検出する水量センサと、前記水量センサの検出値に応じて燃料電池スタックの電流−電圧特性上の運転点をより電流値が大きい運転点へ変更する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、純水タンク内の純水量に応じて燃料電池スタックの電流−電圧特性上の運転点をより電流値が大きい運転点へ変更するので、燃料電池スタック内に流れる電流が増えるのに伴って消費される水素が増えることを利用し、水素と酸素の反応によって生じる生成水を増加させるので、水が不足している状況においても、外部から新たに水を補充することなく燃料電池システムの運転を継続することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の各実施例は、純水の補給を不要とすることができる燃料電池車両に好適な燃料電池システムである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。図１において、燃料電池システム１は、固体高分子電解質膜を備えた燃料電池本体である燃料電池スタック２と、燃料電池本体を冷却する冷却液を貯蔵する冷却液タンク３と、冷却液タンク３から燃料電池スタック２の冷却液チャネルへ冷却液を送出する冷却液ポンプ４と、冷却液の熱を系外へ放出するラジエータ５と、ラジエータ５に送風するラジエータファン６と、冷却液タンク３と冷却液ポンプ４と燃料電池スタック２とラジエータ５との間を接続する冷却液配管７と、加湿用の純水を貯蔵する純水タンク８と、純水タンク８から燃料電池スタック２の加湿用水チャネルへ純水を送出する純水ポンプ９と、純水タンク８と純水ポンプ９と燃料電池スタック２とを接続する純水配管１０と、純水タンク８の水位を検出する水位センサ１１と、燃料電池スタック２内部の冷却液温度を検出する冷却液温度センサ１２と、燃料電池システム全体を制御するコントローラ１３と、コンバータ１４と、負荷装置１５と、バッテリ１６とを備えている。

尚、燃料電池スタック２へ水素を含む燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段、及び燃料電池スタック２へ酸素を含む酸化剤ガスを供給する酸化剤供給ガス手段は、当業者周知の構成であり、本発明の要旨に直接関係がないので図示を省略している。

コントローラ１３は、燃料電池システム全体を制御するとともに、純水タンク８の水量に応じて燃料電池スタック２の運転点を電圧−電流特性が異なる運転点へ変更する制御手段である。コントローラ１３は、本実施例においては、ＣＰＵと、プログラム及び制御定数を記憶するＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

コントローラ１３には、入力装置として、純水タンク８の水位を検出する水位センサ１１，燃料電池スタック２の温度を検出する冷却液温度センサ１２が接続され、出力装置として、冷却液ポンプ４，ラジエータファン６、純水ポンプ９が接続されている。

コンバータ１４は、燃料電池スタック２が発電した電力及びバッテリ１６の電力を負荷装置１５へ供給するとともに、燃料電池スタック２の発電電力に余裕があり且つバッテリのＳＯＣが所定の上限に達していなければ、燃料電池スタック２の発電電力の一部または全部でバッテリ１６を充電する機能を備えている。尚、燃料電池システム１を燃料電池車両等に適用した場合、減速時の回生エネルギーで発電した電力を負荷装置から得て、これを整流及び電圧調整してバッテリ１６へ充電することもできる。

燃料電池スタック２内部の固体高分子膜の加湿のために用いる純水は、純水タンク８に蓄えられ、純水配管１０および純水ポンプ９を用いて燃料電池スタック２に供給される。

また、燃料電池スタック２での反応により生成した水は純水配管１０によって再び純水タンク８に貯蔵される。

燃料電池スタック２の温度調整のために用いる冷却液は、冷却液タンク３に蓄えられ、冷却液配管７および冷却液ポンプ４を用いて燃料電池スタック２に供給、循環される。

また供給、循環された冷却液は燃料電池スタック２で発生した熱を受け取り、ラジエータ５によって外気と熱交換して熱を放出し、燃料電池スタック２の温度を適正に保つ。

図２は、燃料電池スタック２の電流−電圧特性を示す図であり、燃料電池スタック２の温度が通常時を実線で、同温度が低温時を破線で示している。例えば、ラジエータ５に送風するラジエータファン６の回転速度を上昇させるなどして、燃料電池スタック２の温度を通常時より下げた場合は、図２の破線に示すように、通常時に対して電流−電圧特性が変化する。この変化は、同一出力電流値でも出力電圧が降下し、その降下の割合は出力電流値が大きいほど大きくなる傾向にある。

このような現象を用いて、意図的に燃料電池スタック２の運転点を変える、つまり、燃料電池スタック２の温度を低下させ、電流−電圧特性を変化させた上で、電流−電圧特性が変化する前と等しい電力（＝電流×電圧）で発電しようとすると、図４に示すように、それぞれ等電力線上の運転点Ａから運転点Ｂへ運転点を変更することになる。運転点Ａから運転点Ｂへ変更すると、電圧が降下した分だけ多くの電流が流れ、それに伴って水素の単位時間当たりの消費量が増え、結果的に水素と酸素との反応によって生じる生成水が増える。

燃料電池システムを乾燥または高温の環境下で運転させたり、燃料電池スタック２の高分子膜が乾き、加湿のための水を大量に要したりする状況では、燃料電池システムの水供給系内での水の蒸発や燃料電池スタック２の加湿によって失われる水の消費量が、燃料電池スタック２内の反応によって生成される水の量を上回り、水が不足しがちになって燃料電池スタック２の加湿ができなくなる可能性がある。

このような状況下において、純水タンク８の水位Ｌが所定値（Ｌ１）を下回ると、上記のように燃料電池システムの運転方法を変更することによって、生成水を増加させ，加湿のための純水を不足させることなく安定して運転を続けることができる。

ただし運転点を変更しても生成水の回収が間に合わず、純水タンク８の水位Ｌが所定値（Ｌ０）を下回ると燃料電池スタック２へのダメージを防ぐため発電を停止する。

図５は、実施例１におけるコントローラ１３が実行する燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。

図５において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１１において、コントローラ１３は、水位センサ１１から純水タンク８の水位Ｌ、冷却液温度センサ１２から燃料電池スタック２内部の冷却液温度Ｔを読み込む。次いでＳ１２で、純水タンク８の水位Ｌが運転停止判定水位Ｌ0 より低いか否かを判定する。水位Ｌが運転停止判定水位Ｌ0 より低ければ、Ｓ１７へ進み、燃料電池システムを停止して終了する。

Ｓ１２の判定で、水位Ｌが運転停止判定水位Ｌ0 以上であれば、Ｓ１３へ進む。Ｓ１３では、純水タンク８の水位Ｌが所定水位Ｌ1 を超えているか否かを判定する。水位Ｌが所定水位Ｌ1 を超えていれば、Ｓ１６へ進み、ラジエータファンの回転速度Ｒを所定の回転速度Ｒ0 とするように制御して、終了する。

Ｓ１３の判定で、水位Ｌが所定水位Ｌ1 以下であれば、Ｓ１４へ進む。Ｓ１４では、冷却液温度センサ１２が検出したスタック冷却液温度Ｔが所定温度Ｔ0 を下回っているか否かを判定する。スタック冷却液温度Ｔが所定温度Ｔ0 を下回っていれば、Ｓ１６へ進む。

Ｓ１４の判定で、スタック冷却液温度Ｔが所定温度Ｔ0 を下回っていなければ、Ｓ１５へ進み、ラジエータファン回転速度Ｒを所定の増分値Ｒαだけ増加させて、終了する。

このように、純水タンクの水位が所定水位Ｌ1 より低い場合、ラジエータファンの回転速度を上昇させてラジエータからの放熱量を増加させ、燃料電池スタック２の温度が電流−電圧特性の変化による生成水増加の効果が得られるＴ０以下まで低下させることにより、生成水の量を増加させて、純水不足状態から回復することができる。

次に、実施例２を説明する。実施例２の燃料電池システムの構成は、図１に示した実施例１と同様である。実施例１では、燃料電池スタック２の運転温度を変化させて純水不足状態から回復する制御を行ったが、実施例２では、過渡的に燃料電池の発電量を変化させる運転により生成水を増加させて純水不足状態から回復している。以下この運転状態を過渡運転状態とも呼ぶこととする。

図３に示すように、コントローラ１３から燃料電池スタック２での発電量指示値を変化させ、通常時に対し燃料電池スタック２からの発電量を過渡的に変化させた場合も、一時的に電流−電圧特性が変化し、電圧が降下する。

このような現象を用いて、意図的に燃料電池スタック２の運転点を変える、つまり、燃料電池スタック２を過渡的に運転させて、電流−電圧特性を変化させた上で、電流−電圧特性が変化する前と等しい平均電力で発電しようとすると、電圧が降下した分多くの電流が流れ、それに伴って水素の消費量が増加する。このため、水素の反応によって生じる生成水が増加し、水が不足している状況においても、外部から新たに水を補充することなく燃料電池システムを運転することができるという効果がある。

図６（ａ）は、通常の車両走行状態やアクセル開度から決まる燃料電池スタックの目標ＮＥＴ発電量Ｐ０に対し、加湿のための純水が不足した場合に、過渡的に発電量増減を繰り返して目標ＮＥＴ発電量を変化させる例を示している。また、燃料電池システムの目標ＧＲＯＳＳ発電量、目標ＮＥＴ発電量の関係を示している。

ここで、ＮＥＴ発電量とは、燃料電池スタック２の総発電量（ＧＲＯＳＳ発電量）から燃料電池の補機、即ち燃料電池スタック２へ空気を供給する送風機やコンプレッサ、冷却液ポンプ４、純水ポンプ９、ラジエータファン６等の消費電力を差し引いた外部へ供給できる電力をＮＥＴ発電量としている。

例えば過渡的に増減させたときの目標発電量Ｐを以下の式（１）と置き、通常時の目標発電量Ｐ０を基準として、平均発電量を目標発電量と同じとしつつ、発電量の正弦波的な増減を繰り返す制御を行うことができる。

（数１）
Ｐ＝Ｐ０＋Ｐ１sin（ωｔ＋θ） …（１）
ここで、Ｐ１は最大増減発電量、ωは増減の角周波数、θは初期位相角である。

但し、燃料電池スタック２で発電した電力を貯蔵するバッテリ１６の充電状態（ＳＯＣ）をチェックし、図６（ｂ）に示すようなバッテリＳＯＣがＣ０以上であれば、バッテリ１６への過充電を防ぐために過渡運転は行わないものとする。また、過渡運転時の発電量増減の角周波数ωは、燃料電池スタック２の熱容量に由来する熱時定数より十分小さな値なので、過渡運転時の燃料電池スタック冷却液の温度変化は、殆ど考慮する必要がない。

図７は、実施例２におけるコントローラ１３が実行する燃料電池システムの運転方法を説明するフローチャートである。

図７において、まずＳ１において、コントローラ１３は、水位センサ１１から純水タンク８の水位Ｌ、コンバータ１４或いは図示しないバッテリ監視装置からバッテリ１６のＳＯＣを読み込む。次いでＳ２で、純水タンク８の水位Ｌが運転停止判定水位Ｌ0 より低いか否かを判定する。水位Ｌが運転停止判定水位Ｌ0 より低ければ、Ｓ７へ進み、燃料電池システムを停止して終了する。

Ｓ２の判定で、水位Ｌが運転停止判定水位Ｌ0 以上であれば、Ｓ３へ進む。Ｓ３では、純水タンク８の水位Ｌが所定水位Ｌ1 を超えているか否かを判定する。水位Ｌが所定水位Ｌ1 を超えていれば、Ｓ６へ進み、燃料電池スタック２の目標発電量Ｐを過渡運転を行わない通常の目標発電量Ｐ０とするように制御して、終了する。

Ｓ３の判定で、水位Ｌが所定水位Ｌ1 以下であれば、Ｓ４へ進む。Ｓ４では、バッテリＳＯＣであるＣが所定ＳＯＣ（Ｃ0 ）を超えているか否かを判定する。所定ＳＯＣ（Ｃ0 ）は、過充電を起こさない充電状態、例えば８０％とする。バッテリＳＯＣ（Ｃ）がＣ0 を超えていれば、Ｓ６へ進む。

Ｓ４の判定で、バッテリＳＯＣ（Ｃ）がＣ0 を超えていなければ、Ｓ５へ進み、式（１）で示したように、スタック目標発電量Ｐを通常運転時の目標発電量Ｐ0 に正弦波的変化を加算したものに変更して終了する。

このように、純水タンクの水位が所定水位Ｌ1 より低い場合、スタック目標発電量Ｐを通常運転時の目標発電量Ｐ0 に正弦的変化を加算したものに変更することにより、生成水の量を増加させて、純水不足状態から回復することができる。

次に、図８を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。上記実施例１，２では、冷却系と加湿系を分離し、それぞれタンク、ポンプ、及び配管を個別に有していたが、燃料電池スタック２の温度調整に用いる冷却液に純水を用い、加湿に用いる純水と冷却液とを統合した構成においても本発明は適用可能である。

図８において、実施例３の燃料電池システム２１は、燃料電池本体である燃料電池スタック２と、燃料電池本体を冷却するとともに燃料電池スタック２を加湿する純水を貯蔵する冷却液タンク３と、冷却液タンク３から燃料電池スタック２の純水チャネルへ冷却液を送出する冷却液ポンプ４と、冷却液の熱を系外へ放出するラジエータ５と、ラジエータ５に送風するラジエータファン６と、冷却液タンク３と冷却液ポンプ４と燃料電池スタック２とラジエータ５との間を接続する冷却液配管７と、冷却液タンク３の水位を検出する水位センサ１１と、燃料電池スタック２内部の冷却液温度を検出する冷却液温度センサ１２と、燃料電池システム全体を制御するコントローラ１３と、コンバータ１４と、負荷装置１５と、バッテリ１６とを備えている。

本実施例の動作は、純水と冷却液とが統合されていること以外は、実施例１，２と同様であり、同様の効果が得られる。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。 燃料電池スタックの電流−電圧特性を示す図であり、燃料電池スタックの温度が通常時を実線で、同温度が低温時を破線で示している。 燃料電池スタックの発電量を過渡的に変化させた場合の電流−電圧特性を示す図である。 等電力線上における燃料電池の運転点変更を説明する図である。 実施例１の動作を説明するフローチャートである。 （ａ）過渡運転状態における発電量の時間変化を説明するタイムチャート、（ｂ）過渡運転状態におけるバッテリＳＯＣの時間変化を説明するタイムチャートである。 実施例２の動作を説明するフローチャートである。 実施例３の構成を説明するシステム構成図である。

符号の説明

１…燃料電池システム
２…燃料電池スタック
３…冷却液タンク
４…冷却液ポンプ
５…ラジエータ
６…ラジエータファン
７…冷却液配管
８…純水タンク
９…純水ポンプ
１０…純水配管
１１…水位センサ
１２…冷却液温度センサ
１３…コントローラ
１４…コンバータ
１５…負荷装置
１６…バッテリ

Claims (6)

1. 固体高分子電解質膜を備えた燃料電池スタックと、
   前記固体高分子電解質膜を加湿するための純水と、
   前記純水を貯蔵するための純水タンクと、
   前記純水タンクと前記燃料電池スタックとの間に純水を循環させる純水ポンプと、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記純水タンク内の純水量を検出する水量センサと、
   前記水量センサの検出値に応じて燃料電池スタックの電流−電圧特性上の運転点をより電流値が大きい運転点へ変更する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記水量センサが検出した純水量が第１の所定値を下回ると、燃料電池スタックの発電電力を一時的に増加させることで、燃料電池スタックの運転点を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムは、前記燃料電池スタックが発電した電力を貯蔵するバッテリを有し、前記制御手段は、前記バッテリの充電量が所定値を超えると前記発電電力の一時的な増加を行わないことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記水量センサが検出した純水量が第１の所定値を下回ると前記燃料電池スタックの温度を低下させることにより、前記運転点を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
5. 前記制御手段は、前記水量センサが検出した純水量が第１の所定値より小さい第２の所定値を下回ると、前記燃料電池システムの運転を停止させることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムは、前記冷却液に純水を用い、加湿のための純水と統合して前記燃料電池スタックの温度調整および燃料電池内の固体高分子膜の加湿を同時に行うことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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