JP2007103370A - 過渡現象中の相対湿度偏移を最少にするようにカソードの化学量論比を制御するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック負荷過度現象中の燃料電池において、相対湿度偏移を最少にするための動的なカソード化学量論比の制御を実現するシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】具体的には、カソード化学量論比の変化が、スタック電流密度の減少または増加に応答して、時間の関数として制御される。すなわち、スタック電流密度が所定の電流密度まで低下する場合には、動的化学量論比の論理回路が低出力条件を監視し、その条件が持続されているか、すなわち、ある長い時間続いているかどうかを判定する。低出力条件が持続されていない場合には、カソード化学量論比は変化しないが、それが持続されている場合には、カソード化学量論比は増大される。カソード化学量論比を変化させる際の遅延と同じ遅延を、低出力条件から高出力条件への移行に対しても与えることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般に燃料電池においてカソードの化学量論比を制御するシステムおよび方法に関し、より詳細には、相対湿度偏移を低減するために、高い燃料電池出力に適用可能なカソード化学量論比を低い燃料電池出力に移行した後も所定の時間維持すること、および低い燃料電池出力に適用可能なカソード化学量論比を高い燃料電池出力に移行した後も所定の時間維持することを含む、燃料電池においてカソード化学量論比を制御するシステムおよび方法に関する。

水素はクリーンであり、燃料電池内で効率的に電気を生み出すために使用することができるので、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、アノードとカソードを含みその間に電解質がある電気化学装置である。このアノードは水素ガスを受け取り、カソードは酸素または空気を受け取る。水素ガスは、アノードで解離されて自由プロトンおよび自由電子を生成する。このプロトンは電解質を通ってカソードに達する。プロトンは、カソードで酸素および電子と反応して水を生成する。アノードからの電子は電解質を通ることができず、したがって負荷を通るように導かれて、カソードまで送り出される前に仕事を行なう。この仕事は、車両を動作させる働きをする。

固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両用の一般的な燃料電池である。このＰＥＭＦＣは一般に、過フルオロスルホン酸膜などの固体高分子電解質プロトン伝導膜を含む。アノードおよびカソードは一般に、炭素粒子上に担持されイオノマーと混合された、微粉砕した触媒粒子、通常は白金（Ｐｔ）を含む。この触媒混合物は、膜の両面に堆積される。これらのアノード触媒混合物、カソード触媒混合物、および膜の組合せが膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）を定義する。燃料電池内の膜は、膜の両面間のイオン抵抗が、プロトンを効果的に伝導させるのに十分な程度に低くなるように、８０％など、ある相対湿度を有する必要がある。

所望の出力を発生させるために、通常いくつかの燃料電池が燃料電池スタックの形に組み合わされる。上述の自動車燃料電池スタックの場合には、そのスタックは２００以上の燃料電池を含むことがある。燃料電池スタックは、カソード反応ガスを、通常は圧縮機によって強制的にスタックを通される空気の流れを、受け取る。スタックによってすべての酸素が消費されずに、空気の一部が、スタックの副生成物としての水を含むことがあるカソード排気ガスとして出力される。燃料電池スタックはまた、スタックのアノード側に流入するアノード水素反応ガスも受け取る。

燃料電池スタックは、スタック内のいくつかのＭＥＡの間に配置された、一連の流れ場すなわちバイポーラ板を含む。このバイポーラ板は、スタック内の隣接する両側の燃料電池に対するアノード面およびカソード面を有する。アノードガスがＭＥＡのアノード面まで流れるようにするアノード反応ガス流チャネルが、バイポーラ板のアノード面に設けられる。カソードガスがＭＥＡのカソード面まで流れるようにするカソード反応ガス流チャネルが、バイポーラ板のカソード面に設けられる。バイポーラ板はまた、冷却流体がその中を流れる、流れチャネルも有する。

カソードの化学量論比は、スタックに加えられるカソード投入空気の体積と、スタックによって発生される電流密度の比に正比例する。典型的なカソード化学量論比は、比較的高い燃料電池スタック電流密度の場合で約２である。アイドル状態中など、スタックの出力が低電力になる場合にも、燃料電池スタックが安定な状態に留まるように、カソード化学量論比を増大させることが従来技術で知られている。特に、副生成物の水により反応ガス流チャネル内に水が蓄積すると、反応ガス流が少ないために電池が機能しなくなり、したがってスタックの安定性に影響を与えることがある。電池電位が１００ｍＶ未満の電圧であると、電池不良とみなされる。低いスタック負荷のときに燃料電池が正常に動作するカソード化学量論比を得るための投入空気の体積および速度は、水を強制的に反応ガス流チャネルから外に出すのに十分な大きさでない。したがって、空気流を、したがってスタックの安定性を増大させるために、低スタック出力時にカソード化学量論比が増大されることがある。したがって、所望の膜相対湿度を維持するため、増大した空気流による膜乾燥効果を低減させるために、カソード化学量論比を増大させる場合には、燃料電池スタックの動作温度を下げる必要がある。

図１は、横軸がスタック電流密度、左の縦軸がカソード化学量論比、右の縦軸が温度である、上記で論じたスタック電力とカソード化学量論比および燃料電池温度との関係を示すグラフである。グラフの線１０は、カソード化学量論比とスタック電流密度の関係を示し、グラフの線１２は、スタック温度とスタック電流密度の関係を示す。スタックから見ると、約１．８の低出力化学量論比が持続されると、反応ガス流チャネル内に水が蓄積する結果として不安定性が生じ、化学量論比が４または５まで増大されると安定性がよくなる。したがって、所望の膜相対湿度を維持するために、スタックの動作温度を下げる必要がある。システムから見ると、低出力を持続しながら高い温度を維持することは、熱損失のために困難である。

上記で論じたように、一部の既知の燃料電池システムでは、カソード化学量論比が増大するにつれて、その制御器がスタックの温度を下げる。しかし、化学量論比の変化に比べて遅い熱的挙動によって、温度応答時間は制限される。言い換えれば、温度は十分な速さで下がらない。熱的挙動のこの不整合のために、膜の相対湿度は約５０％まで低下する。同様に、負荷が増大し、カソード化学量論比が低減されるにつれて、スタック温度は上昇する。しかし、空気流と熱的挙動の不整合のために、相対湿度は１２０％より高くまで上昇し、温度が応答すると所望の８０％にまで減少する。すなわち、負荷移行の際に相対湿度の望ましくない偏移が生じる。

本発明の教示によれば、スタック負荷の移行中の燃料電池において動的なカソード化学量論比の制御を実現するシステムおよび方法が開示される。具体的には、カソード化学量論比の変化が、スタック電流密度の減少または増加に応答して、時間の関数として制御される。すなわち、スタック電流密度が所定の電流密度まで低下する場合には、動的化学量論比の論理回路が低出力条件を監視し、その条件が持続されているか、すなわち、ある長い時間続いているかどうかを判定する。低出力条件が持続されていない場合には、カソード化学量論比は低減されないが、それが持続されている場合には、カソード化学量論比は増大される。カソード化学量論比を変化させる際の遅延と同じ遅延を、低出力条件から高出力条件への移行に対しても与えることができる。

本発明のさらなる特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲を添付の図面と併せ読めば明らかになるであろう。

燃料電池システムのカソード化学量論比を動的に制御する方法を対象とする本発明の実施形態についての以下の議論は、例示的な性質のものにすぎず、本発明、あるいはその応用例または用途を限定するものでは全くない。

図２は、燃料電池スタック２２、制御器２４、および圧縮機２６を含む燃料電池システム２０の、簡略化したブロック図である。圧縮機２６は、スタック２２のカソード側の入力部に空気流を加える。以下で詳細に論じるように、制御器２４は、スタック２２によって発生される電流密度を監視し、またスタック２２の特定の動作条件に対して所望のカソード化学量論比を設定するように、圧縮機２６の速度を制御する。具体的には、制御器２４は、スタック２２によって発生される電流密度、および時間に基づき、スタック２２内の膜の大幅な相対湿度の変化を低減させるように、スタック２２のカソード化学量論比を動的に制御する。

本発明によれば、制御器２４は、所望の相対湿度を可能な限り長い間維持するようにスタック２２のカソード化学量論比を制御する。具体的には、カソード化学量論比の変更は、スタック負荷の変化が所定の時間持続された後にだけ行なわれる。上記に論じたように、スタック２２が低出力で持続されている場合には、そうしなければスタックの安定性に影響を与える恐れのある流れチャネル内での水の蓄積を防ぐために、カソード化学量論比が増大される必要がある。しかし、低いスタック負荷のときにカソード化学量論比が増大されると、増大された空気流が膜を乾燥させるので、相対湿度は低下する。膜の乾燥を低減させ、また所望の相対湿度を維持するためにスタックの動作温度が下げられる場合にも、温度変化の応答が遅いので相対湿度はなお変化する。

流れチャネル内での水の蓄積は、低いスタック負荷のとき直ちには発生しない。したがって、本発明は、膜の相対湿度の偏移を低減させるために、低いスタック負荷の短い期間、高いスタック負荷のときと同じカソード化学量論比を維持することを提案する。というのは、流れチャネル内での水の蓄積は、スタックの安定性に影響を与えるのに十分なほどには速くないからである。これは、化学量論比の遅延フィルタを使用することとは異なることに留意されたい。本発明のアルゴリズムは短期間の過渡現象を「無視する」のに対して、遅延フィルタは化学量論比を瞬時に変化させる。

図３は、上記で論じた、スタック出力（電流密度）および時間に対するカソード化学量論比の動的制御を示す流れ図である。低出力位置３２では、スタック２２は、０〜０．３Ａ／ｃｍ^２の範囲で持続される電流密度Ｊであり、カソード化学量論比は６である。中出力位置３４では、スタック２２は、０．３〜０．６Ａ／ｃｍ^２の範囲で持続される電流密度Ｊであり、カソード化学量論比は４である。高出力位置３６では、スタック２２は、０．６〜２Ａ／ｃｍ^２の範囲で持続される電流密度Ｊであり、カソード化学量論比は２である。これらの電流密度およびカソード化学量論比は、例示的なものにすぎず、本発明の範囲内で別の応用例には別の電流密度および化学量論比の値を使用することができる。

電流密度が低出力位置３２にあり、この電流密度が中出力位置３４まで増大される場合には、制御器２４は、カソード化学量論比を６から４に低減する前に所定の時間待機する。非限定的な一実施形態では、この時間は約３０秒である。この時間は、それぞれ異なるシステムに合わせて較正される。同様に、スタック２２によって発生される電流密度が、中出力位置３４から低出力位置３２に移行する場合には、制御器２４は、化学量論比を所定の時間、４に維持する。

スタック２２の電流密度が、中出力位置３４と高出力位置３６の間で移行する場合にも同じ論理が適用される。具体的には、電流密度が中出力位置３４から高出力位置３６に移行する場合、制御器２４は、カソード化学量論比を４から２に変化させる前に所定の時間待機し、逆も同様である。さらに、低出力位置３２と高出力位置３６の間の移行も同じ論理に従い、ある化学量論比から別の化学量論比への移行は、電流密度の変化が所定の時間持続されるまで行なわれない。したがって、スタック２２の電流密度がある時間持続して低減または増大されるまでカソード化学量論比を変化させないことによって、燃料電池内の膜の相対湿度の変化を低減させることができる。

また、低出力条件から高出力条件に移行する場合に、圧縮機の制限のために、圧縮機２６が化学量論比を維持することが可能でないこともある。例えば、電流密度が低出力位置３２から中出力位置３４まで移行する場合、上記の議論は、スタック２２が中出力である所定の時間、制御器２４が、カソード化学量論比を６に維持することを必要とする。しかし、中出力でカソード化学量論比が６であるには、低出力でカソード化学量論比が６である場合よりもかなり多くの空気流を必要とする。したがって、圧縮機２４は、この量の空気流を所定の時間供給することができないことがある。この場合には、圧縮機２４はこの時間、最大カソード化学量論比を与える最大空気流を供給する。低出力位置３２から高出力位置３６へと移行する場合、および中出力位置３４から高出力位置３６へと移行する場合にも、同じ論理が当てはまる。

図４は、横軸が電流密度、縦軸が定常状態の化学量論比であり、上記で論じた各電流密度範囲に対する２、４および６の３つのカソード化学量論比を示すグラフである。
以上の議論は、本発明の単に例示的な実施形態を開示し、説明するものである。このような議論から、また添付の図面および特許請求の範囲から、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上述の実施形態に様々な変更、修正、変形を加えることができることが、当業者には容易に理解されよう。

横軸が電流密度、縦軸がカソード化学量論比および温度である、既知の燃料電池システムの、電流密度に対するカソード化学量論比およびスタック温度を示すグラフである。 本発明の一実施形態による、圧縮機と、カソード化学量論比を制御する制御器とを含む燃料電池システムのブロック図である。 本発明の一実施形態による、様々なスタック電流密度においてカソード化学量論比を制御する方法を示す、流れ図である。 横軸が電流密度、縦軸がカソード化学量論比である、本発明による、様々なスタック電流密度に対するカソード化学量論比を示すグラフである。

符号の説明

２０ 燃料電池システム
２２ 燃料電池スタック
２４ 制御器
２６ 圧縮機
３２ 低出力位置
３４ 中出力位置
３６ 高出力位置

Claims (19)

1. 燃料電池スタックのカソードの化学量論比を制御する方法であって、
   燃料電池スタックによって発生される電流密度を監視するステップと、
   前記電流密度が所定の範囲より上に、または下に移行する場合に、時間を監視するステップと、
   前記電流密度が前記所定の範囲より下に移行した後、所定の時間、前記カソード化学量論比を一定に維持するステップと、
   前記電流密度が前記所定の範囲より下に前記所定の時間留まった後に、前記カソード化学量論比を増大させるステップとを含む、方法。
2. 前記所定の時間が約３０秒である、請求項１に記載の方法。
3. 前記カソード化学量論比を増大させる前記ステップが、前記カソード化学量論比を約６まで増大させる、請求項１に記載の方法。
4. 燃料電池スタックのカソードの化学量論比を制御する方法であって、
   前記燃料電池スタックによって発生される電流密度の、それぞれ異なる動作範囲を定義するステップと、
   低出力範囲、中出力範囲、および高出力範囲のそれぞれに対する所望のカソード化学量論比を識別するステップと、
   前記スタックによって発生される電流密度がどの範囲に入っているかを判定するステップと、
   前記スタックによって発生される電流密度が、ある長い時間、ある範囲から別の範囲へと変化したと判定するステップと、
   前記スタックによって発生される電流密度が前記別の範囲へと変化した後、所定の時間、前記ある範囲に対するカソード化学量論比を維持するステップとを含む、方法。
5. それぞれ異なる動作範囲を定義する前記ステップが、低出力範囲、中出力範囲、および高出力範囲を定義するステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記低出力範囲が０〜０．３Ａ／ｃｍ^２、前記中出力範囲が０．３〜０．６Ａ／ｃｍ^２、前記高出力範囲が０．６〜２Ａ／ｃｍ^２である、請求項５に記載の方法。
7. 前記低出力範囲のカソード化学量論比が約６、前記中出力範囲のカソード化学量論比が約４、前記高出力範囲のカソード化学量論比が約２である、請求項５に記載の方法。
8. 前記所定の時間が約３０秒である、請求項４に記載の方法。
9. 前記カソード化学量論比を維持する前記ステップが、前記スタックの電流密度が、低い方の電流密度範囲から高い方の電流密度範囲へと移行するとき、圧縮機の諸制限に基づく最大カソード化学量論比を維持するステップを含む、請求項４に記載の方法。
10. ある電流密度を発生させる燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに空気流を供給する圧縮機と、
    望ましいカソード化学量論比をもたらすように圧縮機を制御する制御器とを備える、燃料電池システムであって、前記制御器が、前記スタックによって発生される電流密度がある電流密度範囲から別の電流密度範囲へと変化したと判定し、前記スタックによって発生される電流密度が別の範囲に変化した後、所定の時間、前記ある範囲にとって望ましいカソード化学量論比を維持し、次いで、前記カソード化学量論比を前記別の範囲にとって望ましい値にまで増大させる、システム。
11. 前記所定の時間が約３０秒である、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記スタックの電流密度が、低い方の電流密度範囲から高い方の電流密度範囲に移行するとき、前記制御器が、圧縮機の諸制限に基づく最大カソード化学量論比を維持する、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記燃料電池システムが車載型である、請求項９に記載のシステム。
14. ある電流密度を発生させる燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックに空気流を供給する圧縮機と、
    望ましいカソード化学量論比をもたらすように圧縮機を制御する制御器とを備え、前記制御器が、燃料電池スタックによって発生される電流密度の低出力範囲、中出力範囲および高出力範囲を定義し、また前記低出力範囲、前記中出力範囲および前記高出力範囲のそれぞれに望ましいカソード化学量論比を識別する、燃料電池システムであって、前記制御器が、前記スタックによって発生される電流密度が現在どの範囲で動作しているかを判定し、前記スタックによって発生される電流密度がある範囲から別の範囲へと変化したと判定し、また前記スタックによって発生される電流密度が前記別の範囲に変化した後、所定の時間、前記ある範囲に対するカソード化学量論比を維持する、システム。
15. 前記低出力範囲が０〜０．３Ａ／ｃｍ^２、前記中出力範囲が０．３〜０．６Ａ／ｃｍ^２、前記高出力範囲が０．６〜２Ａ／ｃｍ^２である、請求項１４に記載のシステム。
16. 前記低出力範囲のカソード化学量論比が約６、前記中出力範囲のカソード化学量論比が約４、前記高出力範囲のカソード化学量論比が約２である、請求項１４に記載のシステム。
17. 前記所定の時間が約３０秒である、請求項１４に記載のシステム。
18. 前記スタックの電流密度が、低い方の電流密度範囲から高い方の電流密度範囲に移行するとき、前記制御器が、圧縮機の諸制限に基づく最大カソード化学量論比を維持する、請求項１４に記載のシステム。
19. 前記燃料電池システムが車載型である、請求項９に記載のシステム。

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