JP2006190571A - 燃料電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アノード−カソード間の流路切替無しに、アノード側でのフラッディングを解消する。
【解決手段】 膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤が供給されて発電する燃料電池２０の制御装置であって、燃料電池２０の運転中に、アノード側にフラッディングが生じていると判定された場合には、目標発電量に対応する空気供給量よりも実際の空気供給量を低減させた状態で燃料電池２０を発電させる。このとき、燃料電池２０のカソード側には水素が発生するので、この水素をアノード側へ還流させてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池の制御装置に係り、特に、アノード側でのフラッディングの解消に有効な技術に関する。

例えば固体高分子電解質型の燃料電池では、アノード側で水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜を通ってカソード側に移動し、カソード側で酸素と水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行われる。この生成水が電解質膜を通ってアノード側に拡散（移動）し、アノード側の拡散水が過量（フラッディング）になると、特にセル積層方向端部側のセル電圧が低下して発電不能となる。特許文献１には、再起動に最適な水分分布をアノードとカソードとの間に形成する技術が開示されている。
特開２００４−１７９０８６号公報

この特許文献１の技術は、水素イオンの移動に伴う電気随伴水の移動を利用して、カソード側の生成水をアノード側に移動させるものであるから、燃料電池への燃料ガス供給を通常運転時のアノード側からカソード側へと切り替えるための管路や弁が必要となり、燃料電池システムの構成が複雑になるという課題がある。

そこで、本発明は、アノード−カソード間の流路切替無しに、アノード側でのフラッディングを解消することのできる燃料電池の制御装置を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池の制御装置は、膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤が供給されて発電する燃料電池の制御装置であって、燃料電池がその運転中に所定の状態にあると判定された場合に、目標発電量に対応する酸化剤供給量よりも実際の酸化剤供給量を低減させた状態で燃料電池を発電させる。

また、本発明に係る他の燃料電池の制御装置は、膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤が供給されて発電する燃料電池の制御装置であって、燃料電池がその停止中に所定の状態にあると判定された場合に、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が運転時の設定よりも低くなるように酸化剤供給量を低減させた状態で燃料電池を発電させる。

これらの構成において、所定の状態とは、例えば、燃料電池のアノード側にフラッディングが生じている状態、あるいは、フラッディングが生じていると予想される状態である。アノード側にフラッディングが生じている状態は、例えば、燃料電池の測定電圧（セル電圧）が所定値以下に低下したときや、所定値を超える振幅の電圧変化が不規則に繰り返されているとき等に判定される。

一方、アノード側にフラッディングが生じていると予想される状態は、例えば、燃料電池の運転停止から所定時間以上経過しているとき等に判定される。燃料電池がこれら所定の状態にあると判定された場合は、カソード側への酸化剤供給を減らすだけでなく、酸化剤供給を完全に断ってもよい。燃料電池のアノード側に供給される燃料ガスの量（絶対量）は、前記判定の結果にかかわらず同じとしてもよい。

以上の構成によれば、アノード−カソード間の流路切替無しに、アノード側に存在する水（例えば、カソード側の生成水がカソード側に拡散してきた拡散水）を電気随伴水としてカソード側に移動させることが可能となる。例えば、燃料ガスとして水素ガスを用いた場合には、図２に示すように、アノード側では水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンが膜−電極接合体を通ってカソード側に移動する。その際の電気随伴水として、アノード側の水はカソード側へと移動する。

本発明に係る燃料電池の制御装置においては、酸化剤供給量を低減させた状態での発電に伴い燃料電池のカソード側で発生した水素をアノード側へ還流させてもよい。

燃料ガスとして水素ガスを用いた場合には、上述したとおり、アノード側では水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンが膜−電極接合体を通ってカソード側に移動する。このカソード側においては、図３に示す通常の燃料電池反応であれば、水素イオンと酸化剤と電子とから水を生成する反応が行われるが、本発明では、目標発電量に対応する酸化剤供給量よりも実際の酸化剤供給量を減らしているので、余剰水素イオンと電子が反応して水素が発生する。よって、この水素をアノード側に還流すれば、燃料電池の運転中にあっては、アノード側に供給した水素の一部を再利用することが可能となり、燃料電池の停止中にあっては、無駄な水素消費を抑制することが可能となる。

本発明に係る燃料電池の制御装置は、膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池の制御装置であって、アノード極側の水分量が所定の量よりも多いか否かを判定し、前記判定結果が否定的な場合には、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が第１の比となるよう酸化剤および燃料ガスを供給し、前記判定結果が肯定的な場合には、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が第１の比よりも小なる第２の比にて酸化剤および燃料ガスを供給する構成としてもよい。

このような構成によっても、アノード−カソード間の流路切替無しに、アノード極側に存在する水を電気随伴水としてカソード極側に移動させることが可能となる。

本発明によれば、アノード−カソード間の流路切替無しに、アノード側に存在する水を電気随伴水としてカソード側に移動させることが可能となる。これにより、アノード側でのフラッディングが解消し、発電性能の低下が未然に防止される。

図１は、本発明の一実施の形態による燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムを示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用が可能である。

同図に示すように、酸化ガス（酸化剤）としての例えば空気（外気）は、空気供給路１１を介して燃料電池２０のカソード入口側に供給される。空気供給路１１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタ、空気を加圧するコンプレッサ１２、燃料電池２０に空気を供給しあるいは供給を停止する空気供給バルブ１３等が設けられている。コンプレッサ１２は、補機モータ（負荷）によって駆動される。排気路１５には、排気圧を検出する圧力センサ、及び圧力調整弁等が設けられている。

燃料ガスとしての例えば水素ガスは、水素供給源３０から燃料供給路３１を介して燃料電池２０のアノード入口側に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。

燃料供給路３１には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する水素供給バルブ、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する少なくとも１つの調圧弁、燃料電池２０のアノード側入口と燃料供給路３１とを連通／遮断するＦＣ入口弁等が設けられている。

燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガスとして水素循環路３５に排出され、燃料供給路３１に戻される。水素循環路３５には、燃料電池２０のアノード側出口と水素循環路３５を連通／遮断するＦＣ出口弁、水素オフガスから水分を回収する気液分離器、水素オフガスを加圧する水素ポンプ３６等が設けられている。水素循環路３５は、パージ弁を介して排気路に接続されており、水素オフガスは適宜外部に排出（パージ）される。

水素循環路３５には、排気路１５中に含まれる水素ガスを燃料電池２０のアノード側に還流させるための還流路４１が接続されている。燃料電池２０のカソード側からのオフガスは、図示しない流路切替弁によって、排気路１５を通ってそのまま外部に排出される場合と、還流路４１から水素循環路３５に合流して燃料供給路３１に還流される場合とがある。この流路切替弁は、制御部６０によって制御される。

燃料電池２０は、燃料ガスと酸化ガスが供給されると下記式１，２の電気化学反応（図３参照）により発電するセルを所要数積層した燃料電池スタックとして構成されている。セルは、ＭＥＡ（膜−電極接合体）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとを備えて構成されている。ＭＥＡは、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜を両面から挟んだ一対の電極（アノードおよびカソード）とで構成されている。

アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ- …式１
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ …式２
燃料電池２０には、各セルあるいは所定数のセル群ごとのセル電圧をするためのセル電圧モニタ５０が設けられている。セル電圧モニタ５０の検出信号は、制御部６０に送られる。

燃料電池２０が発生した電力は、図示しないパワーコントロールユニットに供給される。パワーコントロールユニットは車両の駆動モータ（負荷）を駆動するインバータと、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類（負荷）を駆動するインバータと、二次電池への充電や二次電池からのモータ類への電力供給を行うＤＣ−ＤＣコンバータなどが備えられている。図１では、これらの負荷を一纏めにして負荷７１として図示しており、遮断スイッチ７２により燃料電池２０と接続される。

制御部（制御装置）６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの制御コンピュータシステムによって構成されている。制御部６０は、出力要求に応じて燃料電池２０とバッテリとの出力配分を決定し、燃料電池２０の目標発電量に対応する空気及び水素ガスが当該燃料電池２０に供給されるよう、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。

この制御部６０は、セル電圧モニタ５０の検出信号に基づいて、アノード側にフラッディングが生じていることを検知した場合、あるいは、例えば運転を停止して長時間放置した時のように、フラッディングによるセル電圧低下が予想される場合には、空気供給バルブ１３を閉じ、コンプレッサ１２から燃料電池２０のカソード側への空気供給を停止する。燃料電池２０のアノード側については、目標発電量に対応する水素ガスの燃料電池２０への供給を引き続き維持する。

すると、燃料電池２０のアノード側では、上記式１の反応によって水素イオンが生成される。アノード側には、定常運転時に上記式２の反応によって生成されたカソード側の水が電解質膜中を移動してアノード側に拡散しており、アノード側の水素イオンは、このカソード側からアノード側に拡散した拡散水を電気随伴水として、電解質膜を通ってカソード側に移動する。

一方、カソード側では、電解質膜を通ってアノード側から移動してきた水素イオンと、負荷７１を含む外部回路７３を通ってアノード側から移動してきた電子とによる下記式３の反応によって水素が生成され、発電が行われる。

カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ-→Ｈ₂ …式３
このとき、カソード側には空気が供給されていないため（図２参照）、上記式２の反応は起きず、カソード側に水が生成されることはない。つまり、定常運転時のように、濃度差によるカソード側からアノード側への生成水の拡散（移動）はないので、燃料電池２０内では、アノード側の生成水が電気随伴水としてカソード側に順次移動する。

制御部６０は、セル電圧モニタ５０の出力信号を監視しながら、アノード側の拡散水がフラッディングによる電圧低下の原因とならない程度にまで、燃料電池２０に上記式３の反応（発電）を継続させる。これにより、セル電圧の低下を未然に防ぐことが可能となる。また、発電に伴い発生した電力は、車両内の二次バッテリに充電したり、家のガレージに車両を駐車させておく場合には家庭用電源として供給してもよい。

なお、制御部６０からの制御指令に基づき不図示の流路切替弁を切り替えることによって、燃料電池２０のカソード側からのオフガス、つまり、上記式３の反応により発生した水素を含有するオフガスを還流路４１から水素循環路３５に合流させ、燃料供給路３１から燃料電池２０のアノードへと還流させてもよい。かかる場合には、水素消費量の低減を図ることができる。

＜他の実施形態＞
上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態では、アノード側の拡散水を電気随伴水としてカソード側に移動させるために、カソードへの空気供給を完全に断っているが、カソードへの実際の空気供給量を燃料電池２０の目標発電量に対応する空気供給量よりも減らすこととしてもよい。

かかる構成においては、上記式２によってカソード側に水が生成されるものの、カソードに供給する空気供給量を減らせば、カソード側における生成水の量も減るため、アノード側に存在する拡散水を電気随伴水としてカソード側に移動させることができる。カソードへの空気供給量を減らす代わりに、供給酸素濃度（酸化剤濃度）を低くしても同様である。

また、上記実施形態は、燃料電池２０がその運転中に所定の状態にあると判定された場合に、目標発電量に対応する空気供給量よりも実際の空気供給量を低減させた状態で発電させるようにしていたが、燃料電池がその停止中に同様の状態にあると判定された場合に、燃料ガスを燃料電池のアノード側に供給しつつ、カソード側には酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が運転時の設定よりも低くなるように酸化剤を供給するか、あるいは全く供給しない状態で、燃料電池を発電させるようにしてもよい。

さらに、空気供給バルブ１３は必ずしも必須の構成ではなく、空気供給バルブ１３を備えない構成下においては、コンプレッサ１２を停止させることにより、カソードへの空気供給を停止してもよい。また、空気供給バルブ１３を設ける代わりに、酸化剤濃度を低下させる膜やフィルタ等を備えたバイパス流路を空気供給路１１に設け、酸化剤供給源からの酸化剤をこのバイパス流路に流通させて燃料電池に供給してもよい。

さらにまた、制御部（制御装置）６０は、アノード極側の水分量が所定の量よりも多いか否かを例えばセル電圧モニタ５０の検出信号等に基づき判定し、該判定結果が否定的な場合には、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が第１の比となるよう酸化剤および燃料ガスを供給し、前記判定結果が肯定的な場合には、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が第１の比よりも小なる第２の比にて酸化剤および燃料ガスを供給する構成としてもよい。この構成において、前記判定結果にかかわらず、燃料電池のアノード極側に供給される燃料ガスの量（絶対量）は同じであってもよい。

本発明の一実施の形態による燃料電池の制御装置を含む燃料電池システムの概略構成図。 本発明によってアノード側のフラッディングを解消することができる原理を説明する模式図。 定常運転時における燃料電池の電気化学的反応を示す模式図。

符号の説明

２０…燃料電池、１２…コンプレッサ、１３…空気供給バルブ、３０…水素供給源、４１…還流路、５０…セル電圧モニタ、６０…制御部

Claims (5)

1. 膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤が供給されて発電する燃料電池の制御装置であって、
   燃料電池がその運転中に所定の状態にあると判定された場合に、目標発電量に対応する酸化剤供給量よりも実際の酸化剤供給量を低減させた状態で燃料電池を発電させる燃料電池の制御装置。
2. 膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤が供給されて発電する燃料電池の制御装置であって、
   燃料電池がその停止中に所定の状態にあると判定された場合に、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が運転時の設定よりも低くなるように酸化剤供給量を低減させた状態で燃料電池を発電させる燃料電池の制御装置。
3. 前記所定の状態とは、燃料電池のアノード側にフラッディングが生じている状態、あるいは、フラッディングが生じていると予想される状態である請求項１又は２に記載の燃料電池の制御装置。
4. 前記発電に伴い燃料電池のカソード側で発生した水素をアノード側へ還流させる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池の制御装置。
5. 膜−電極接合体のアノード側に燃料ガス、カソード側に酸化剤の供給を受けて発電する燃料電池の制御装置であって、
   アノード極側の水分量が所定の量よりも多いか否かを判定し、
   前記判定結果が否定的な場合には、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が第１の比となるよう酸化剤および燃料ガスを供給し、
   前記判定結果が肯定的な場合には、酸化剤供給量／燃料ガス供給量の比が第１の比よりも小なる第２の比にて酸化剤および燃料ガスを供給する
   燃料電池の制御装置。