JP2007042477A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの状態を精度よく把握し、燃料電池スタックの劣化を抑えて燃料電池スタックの発電を安定的に継続させる。
【解決手段】起動時、コントローラ１５が、拡散分極の大きさに基づいて、燃料電池スタック２内に残存している水や氷の量を把握し、燃料電池スタック２の運転モードを決定する。これにより、燃料電池スタック２の状態を精度よく決定し、燃料電池スタック２の劣化を抑えて燃料電池スタック２の発電を安定的に継続させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。

一般に、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムを氷点下環境において起動する場合、各燃料電池が０［Ｖ］以上の電圧を保持したまま発電を継続できる時間は、各燃料電池の触媒層，ガス拡散層中における水や氷の存在量によって異なる。すなわち、触媒層，ガス拡散層中に水や氷が多く存在している燃料電池では、発電により生成された水が触媒層，ガス拡散層中で凍結し、触媒層，ガス拡散層が短時間のうちに氷で覆い尽くされてしまうために、反応ガスが触媒層に供給されなくなり、発電を継続できる時間は短くなる。一方、触媒層，ガス拡散層中に水や氷が存在していない燃料電池では、発電により生成された水によって触媒層，ガス拡散層が氷で覆い尽くされるまでの時間が長くなるので、発電を継続できる時間は長くなる。

そして、燃料電池の出力電圧が０［Ｖ］以下になり、燃料電池が発電を継続できなくなった場合には、燃料電池は抵抗体となると共に、カソード側では水が発生する代わりに水素が発生するようになるために、カソード側で酸素と水素が反応して過酸化水素が生成され、過酸化水素によって電解質膜の破壊やカーボンの腐蝕等の燃料電池の劣化が生じる。また、燃料電池スタックを構成する大半の燃料電池の出力電圧が０［Ｖ］以下になると、燃料電池スタック全体の出力電圧が０［Ｖ］以下となり、燃料電池スタック全体として発電を継続することができなくなる。

このような背景から従来の燃料電池システムは、氷点下環境において起動する場合、燃料電池スタックの内部温度に基づいて発電開始前の燃料電池スタックの内部状態を把握し、燃料電池スタックの内部状態に応じて燃料電池スタックの加熱量を算出し、算出された加熱量に従って燃料電池スタックを加熱することにより燃料電池スタック内部で水が凍結することを抑制するようにしている（特許文献１を参照）。
特開２００３−３６８７４号公報

しかしながら、燃料電池スタックの内部状態は、上述の通り、燃料電池スタック内部の特に触媒層やガス拡散層中における水や氷の残存度合いによって大きく異なるので、温度のみに基づいて燃料電池スタックの内部状態を把握する従来の方法によれば、燃料電池スタックの内部状態を精度よく決定することはできない。このため、従来の燃料電池システムによれば、燃料電池スタックが発電を継続可能な内部状態でないのにも係わらず発電を開始することにより、燃料電池スタックが劣化することがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの状態を精度よく把握し、燃料電池スタックの劣化を抑えて燃料電池スタックの発電を安定的に継続させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、所定の出力電流値に対する燃料電池スタックの出力電圧値を計測電圧値として算出し、計測電圧値とターフェル式から算出される所定の出力電流値に対する予想電圧値との差（いわゆる拡散分極）に基づいて、電流電圧曲線を予測して燃料電池スタックの運転モードを決定し、決定した運転モードで燃料電池スタックを動作させる。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタック内に残存している水や氷の量に基づいて燃料電池スタックの状態を判断するので、燃料電池スタックの状態を精度よく把握し、燃料電池スタックの劣化を抑えて燃料電池スタックの発電を安定的に継続させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１及び第２の実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムは、自動車等の車両の駆動動力源として使用され、図１に示すように、アノード及びカソードにそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池１が複数積層された燃料電池スタック２を備える。なお、燃料電池スタック２の端部はエンドプレート３により挟持され、エンドプレート３を介して燃料電池１の発電電力を取り出すことができる。そして、エンドプレート３を介して取り出された発電電力はインバータ４によってＤＣ変換された後に負荷量が変更可能な負荷５に供給される。また、アノード及びカソードにおける電気化学反応及び燃料電池スタック２全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔水素系の構成〕
上記燃料電池システムは、水素ボンベ６，加湿器７，及び圧力制御弁８を備え、水素ボンベ６から供給された水素は、圧力制御弁８によって燃料電池スタック２の運転状態に適した圧力に調整されて加湿器７により加湿された後、燃料電池スタック２のアノードに供給される。

〔空気系の構成〕
上記燃料電池システムは、コンプレッサ９，加湿器１０，及び圧力制御弁１１を備え、コンプレッサ９から圧送された空気は、圧力制御弁１１によって燃料電池スタック２の運転状態に適した圧力に調整されて加湿器１０により加湿された後、燃料電池スタック２のカソードに供給される。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システムは、燃料電池スタック２の出力電圧を検出する電圧計１２と、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流計１３と、燃料電池スタック２の内部温度を検出する熱電対等の温度計１４と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ１５とを備える。なお、この実施形態では、コントローラ１５は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用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により構成され、ＣＰＵがプログラムＲＯＭ内に記憶された制御プログラムを実行することにより各種機能を実現する。

〔燃料電池の構成〕
上記燃料電池１は、図２に示すように、固体高分子型電解質膜等の電解質膜２１をアノード２２とカソード２３により挟持した構成を有し、アノード２２及びカソード２３は、カーボン担持白金触媒とナフィオン溶液を混合したペーストを電解質膜２１に塗布することにより形成された触媒層２４と、カーボンペーパで構成されるガス拡散層（ＧＤＬ）２６と、カーボンブラックとＰＴＦＥ溶液を混合したペーストをガス拡散層２６に塗布することにより形成されたマイクロ層２５とを有する。また、各燃料電池１は反応ガスの供給流路となる溝が形成されたカーボングラファイト製のセパレータ２７によって互いに仕切られている。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、起動時、コントローラ１５が以下に示す起動処理を実行することにより、燃料電池スタック２の状態を精度よく決定し、燃料電池スタック２の劣化を抑えて燃料電池スタック２の発電を安定的に継続させる。以下、図３に示すフローチャートを参照して、この起動処理を実行する際のコントローラ１５の動作について説明する。

［起動処理］
図３に示すフローチャートは、コントローラ１５に起動指示が入力されるのに応じて開始となり、起動処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、コントローラ１５が、温度計１４を利用して燃料電池スタック２の内部温度を検出し、検出された内部温度が氷点温度以下であるか否かを判別する。なお、コントローラ１５は、燃料電池スタック２の内部温度の代わりに燃料電池システムの外部温度を検出するようにしても良い。また、コントローラ１５は、燃料電池スタック２の内部温度が負荷電流を取り出した際に水や氷の拡散分極によって電圧が低下する現象が起こりやすい温度（例えば２０［℃］）以下であるか否かを判別したり、触媒層２４中や電解質膜２１中における水の凝固点降下を考慮して燃料電池スタック２の内部温度が氷点よりやや低い温度（例えば−５［℃］）であるか否かを判別するようにしてもよい。なお、上述の拡散分極の詳細については後述する。

そして、判別の結果、検出された内部温度が氷点温度以下でない場合、コントローラ１５は、燃料電池スタック２の内部で水が凍結する可能性はないと判断し、ステップＳ２の処理として燃料電池スタック２から通常の負荷電流を取り出すようにシステムを制御した後、一連の起動処理を終了する。一方、検出された温度が氷点温度以下である場合には、コントローラ１５は、燃料電池スタック２の内部で水が凍結する可能性があると判断し、起動処理をステップＳ３の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、コントローラ１５が、燃料電池スタック２に接続されている負荷５を出力電流が微少電流（例えば１〜５０［ｍＡ／ｃｍ^２］程度）になる負荷に変更し、電圧計１２と電流計１３を利用して燃料電池スタック２の出力電圧と出力電流を計測することにより拡散分極の大きさを算出する。具体的には、一般に、燃料電池スタック２の出力電圧及び出力電流に基づいて求められる出力電流の対数値（Ｌｏｇｉ）と出力電圧（Ｖ）の関係は図４（ｂ）に示す実線の曲線のようになる。

そして、この曲線に対して下記数式１により示されるターフェル式（バトラー・フォルマー式）から求められる傾きｂのる接線を引いた時、接線と曲線の乖離度合い（電圧差）は酸素の触媒層への到達度合いに相当することが知られている。なお、本明細書中では、上記接線と曲線が乖離する現象を拡散分極と定義する。

従って、ある電流密度（例えば２［ｍＡ／ｃｍ^２］）における接線と曲線の乖離度合いが大きい場合、触媒層中やガス拡散層中に氷が存在し、触媒層への反応ガスの供給が妨げられることにより、燃料電池スタック２の発電性能が低下していると判断することができる。具体的には、図５に示すように、曲線Ｌ１と直線の乖離度合いΔＬ１が曲線Ｌ２と直線の乖離度合いΔＬ２より大きい場合、曲線Ｌ２の特性を示す時の燃料電池スタック２の方が曲線Ｌ１の特性を示す時の燃料電池スタック２よりも発電性能が低下していると判断することができる。なお、拡散分極の大きさを求める際には、発電により生成される水の量を少なくするために出力電流は微少にすることが望ましく、またこれにより、多くの電力を浪費せずに出力電流の対数値（Ｌｏｇｉ）と出力電圧（Ｖ）の関係を計測することができる。

そこで、コントローラ１５は、燃料電池スタック２に水素と空気を供給し、微小な電流（例えば１〜５０［ｍＡ／ｃｍ^２］程度）が流れる程度の電流範囲で燃料電池スタック２の出力電圧と出力電流の関係を計測し、Ｌｏｇｉ−Ｖ曲線をプロットする。そして、コントローラ１５は、プロットされた曲線に対して以下の数式１により求まる傾きｂ（の接線を引き、ある電流密度（例えば２［ｍＡ／ｃｍ^２］）における拡散分極の大きさを算出する。なお、下記数式１中のパラメータＲ，Ｔ，α，ｚ，Ｆはそれぞれ、ガス定数，燃料電池温度［Ｋ］，通過係数，反応の価数，ファラデー定数を示す。

なお、拡散分極の大きさを算出する際には、Ｌｏｇｉ−Ｖ曲線を定義するために出力電圧と出力電流のデータが少なくとも２組、又は出力電圧と出力電流のデータが１組と燃料電池スタック２の内部温度のデータが必要になり、また、拡散分極の大きさを求めるためには出力電圧と出力電流のデータが１組必要となる。また、この実施形態では、ある電流密度における直線と曲線の乖離度合いを拡散分極の大きさとして算出したが、ある電圧における電流密度の乖離度合いを拡散分極の大きさとして算出してもよい。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、起動処理はステップＳ４の処理に進む。

ステップＳ４の処理では、コントローラ１５が、ステップＳ３の処理により算出された拡散分極の大きさに応じて燃料電池スタック２から取り出す電流（負荷電流）を制御する。具体的には、拡散分極の大きさが小さい場合、触媒層２４への反応ガスの供給量が十分であることから、コントローラ１５は、燃料電池スタック２を安定的に発電させることができると判断し、通常発電時に近い負荷電流を取り出すように燃料電池スタック２を制御する。一方、拡散分極の大きさが大きい場合には、反応ガスの触媒層２４への供給が不十分であることから、コントローラ１５は、燃料電池スタック２の発電性能が低下していると判断し、燃料電池スタック２から取り出す電流量を小さく制限する。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、一連の起動処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、起動時、コントローラ１５が、拡散分極の大きさに基づいて、燃料電池スタック２内に残存している水や氷の量を把握し、燃料電池スタック２の運転モードを決定するので、燃料電池スタック２の状態を精度よく決定し、燃料電池スタック２の劣化を抑えて燃料電池スタック２の発電を安定的に継続させることができる。

また、本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムによれば、拡散分極の大きさが所定値以上である場合、コントローラ１５が、燃料電池スタック２から取り出す電流値の大きさを通常運転時よりも小さくするので、燃料電池スタック２の出力電圧が低下することを抑制し、発電継続時間を長くすることができる。またこの結果、発電を継続している間に発電で生じた熱により燃料電池スタック２が加熱され、燃料電池スタック２の内部温度を氷点温度以上にすることができるので、燃料電池スタック２が劣化したり、発電不能になることを抑制できる。

なお、上記実施形態では、燃料電池スタック２全体の出力電圧を計測したが、図６に示すようにエンドプレート３に近い側の燃料電池１に可変抵抗１６を抵抗し、この燃料電池１の出力電圧と出力電流の関係を測定するようにしてもよい。また、可変抵抗１６の代わりに定電圧源や定電流源を接続してもよい。エンドプレート３に近い側の燃料電池１の出力電圧と出力電流の関係を測定する理由は以下の通りである。一般に、燃料電池１が発電した電力は全て取り出せるわけではなく、取り出されない電力は熱に変換される。また、エンドプレート３に近い側の燃料電池１において発生した熱はエンドプレート３を介して外部に放熱されるのに対して、燃料電池スタック２の中央部付近の燃料電池１において発生した熱は放熱されにくい。

従って、燃料電池スタック２の中央部付近の燃料電池１は発電に伴い高温になりやすいのに対して、エンドプレート３に近い側の燃料電池１は比較的温度が低い。このため、燃料電池システムの起動直後や燃料電池スタック２の内部温度が氷点温度以下である場合には、エンドプレート３に近い側の燃料電池１において凍結の問題が生じやすい。従って、上記のようにエンドプレート３に近い側の燃料電池１の出力電圧と出力電流を検出することにより、より確実に燃料電池１の凍結を検出することができる。

本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムは、図７に示すように、上記第１の実施形態となる燃料電池システムの構成に加えて、冷却水流路３１を介して燃料電池スタック２に冷却水を供給する冷却水循環ポンプ３２と、燃料電池スタック２から排出された冷却水を加熱するためのヒータ３３と、エンドプレート３に設けられ、燃料電池１が発電した電力を利用して燃料電池スタック２を加熱するヒータ３４とを備える。なお、冷却水は、エチレングリコール等の凝固点降下物質を混ぜることにより、氷点温度以下でも凍結しないようにされている。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、起動時、コントローラ１５が以下に示す起動処理を実行することにより、燃料電池スタック２の状態を精度よく決定し、燃料電池スタック２の劣化を抑えて燃料電池スタック２の発電を安定的に継続させる。以下、図８に示すフローチャートを参照して、この起動処理を実行する際のコントローラ１５の動作について説明する。

［起動処理］
図８に示すフローチャートは、コントローラ１５に起動指示が入力されるのに応じて開始となり、起動処理はステップＳ１１の処理に進む。なお、ステップＳ１１〜Ｓ１３の処理は、図３に示すステップＳ１〜Ｓ３の処理と同じであるので、以下ではその説明を省略し、ステップＳ１４の処理から説明を始める。

ステップＳ１４の処理では、コントローラ１５が、ステップＳ１３の処理により算出された拡散分極の大きさに応じて運転モードを制御する。具体的には、拡散分極の大きさが小さい場合、触媒層２４への反応ガスの供給量が十分であることから、コントローラ１５は、燃料電池スタック２を安定的に発電させることができると判断し、燃料電池スタック２に冷却水を供給しない、又は少量の冷却水をヒータ３３により加熱することなく燃料電池スタック２に供給する。また、コントローラ１５は、ヒータ３４を作動させずに通常時に近い大きさの電流値を燃料電池スタック２から取り出す。

一方、拡散分極の大きさが大きい場合には、反応ガスの触媒層２４への供給が不十分であることから、コントローラ１５は、ヒータ３３を作動させて冷却水を加熱し、加熱された冷却水を燃料電池スタック２に供給する。また、コントローラ１５は、ヒータ３４を作動させることにより燃料電池スタック２を暖めると共に、燃料電池スタック２の内部温度が所定温度に達するまで電流の取出を待機したり、取出電流を段階的に上げていくようにする。これにより、ステップＳ１４の処理は完了し、一連の起動処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、拡散分極の大きさが所定値以上である場合、コントローラ１５が、燃料電池スタック２を加熱するヒータ３４の発熱量を通常運転時よりも大きくするので、燃料電池スタック２の出力電圧が低下する前に燃料電池スタック２の内部温度を氷点温度以上にすることにより、燃料電池スタック２が劣化したり、発電不能になることを抑制できる。

また、本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムによれば、拡散分極の大きさが所定値以上である場合、コントローラ１５が、燃料電池スタック２に供給する冷却水の流量又は温度を通常運転時よりも大きくするので、燃料電池スタック２の出力電圧が低下する前に燃料電池スタック２の内部温度を氷点温度以上にすることにより、燃料電池スタック２が劣化したり、発電不能になることを抑制できる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば、コントローラ１５は、拡散分極の大きさに基づいて燃料電池スタック２の運転モードを１種類以上決定し、決定した運転モードで燃料電池スタックを動作させるようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の第１の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 図１に示す燃料電池の内部構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態となる起動処理の流れを示すフローチャート図である。 拡散分極の定義を説明するための図である。 燃料電池スタックの状態の違いに伴う拡散分極の大きさの違いを説明するための図である。 図１に示す燃料電池システムの応用例の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態となる起動処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１：燃料電池
２：燃料電池スタック
３：エンドプレート
４：インバータ
５：負荷
６：水素ボンベ
７，１０：加湿器
８，１１：圧力制御弁
９：コンプレッサ
１２：電圧計
１３：電流計
１４：温度計
１５：コントローラ

Claims (7)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
   反応ガスの供給開始後、前記燃料電池スタックに所定の負荷を掛けて燃料電池スタック又は所定の燃料電池の出力電圧と出力電流の関係を測定する測定手段と、
   前記測定手段の測定結果に基づいて所定の出力電流値に対する前記出力電圧値を計測電圧値として算出し、計測電圧値と計測電圧値をもとにターフェル式から算出される所定の出力電流値に対する予想電圧値との差に基づいて前記燃料電池スタックの運転モードを決定し、決定した運転モードで燃料電池スタックを動作させる制御手段と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記測定手段は、少なくとも３点以上の出力電圧と出力電流の関係を測定し、
   前記制御手段は、第１の出力電流値及び出力電圧値と第２の出力電流値及び出力電圧値から第３の出力電流値に対する出力電圧値を予想電圧値として予想し、第３の出力電流値に対する計測電圧値と予想電圧値との差に基づいて、前記燃料電池スタックの運転モードを決定することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   燃料電池スタック又は所定の燃料電池の温度を測定する温度測定手段を備え、
   前記測定手段は、少なくとも２点以上の出力電圧と出力電流の関係を測定し、
   前記制御手段は、第１の出力電流値及び出力電圧値と前記温度測定手段により測定された温度から第２の出力電流値に対する出力電圧値を予想電圧値として予想し、第２の出力電流値に対する計測電圧値と予想電圧値との差に基づいて、前記燃料電池スタックの運転モードを決定することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   計測電圧値と予想電圧値の差が所定値以上である場合、前記制御手段は、前記燃料電池スタックから取り出す電流値の大きさを通常運転時よりも小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   発熱することにより前記燃料電池スタックを加熱する加熱手段を備え、
   計測電圧値と予想電圧値の差が所定値以上である場合、前記制御手段は、前記加熱手段の発熱量を通常運転時よりも大きくすることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックに加熱媒体を供給することにより燃料電池スタックを加熱する加熱媒体供給手段を備え、
   計測電圧値と予想電圧値の差が所定値以上である場合、前記制御手段は、前記加熱媒体供給手段が燃料電池スタックに供給する加熱媒体の流量又は温度を通常運転時よりも大きくすることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックの始動時の温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記温度検出手段により検出された燃料電池スタックの始動時の温度が氷点温度以下である場合、前記制御手段は、計測電圧値と予想電圧値の差に基づいて燃料電池スタックの運転モードを１種類以上決定し、決定した運転モードで燃料電池スタックを動作させることを特徴とする燃料電池システム。

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