JP2007250280A - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池が極低温環境に晒された場合でも、この燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池ステムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、膜、アノード電極、およびカソード電極を備える燃料電池と、当該燃料電池を制御する制御装置３０と、温度センサ３１と、を備える。制御装置３０は、燃料電池の停止期間中における電極の最低温度が、電極内部の水分が凍結したと判断できる極低温以下になったか否かを判定する凍結判定手段４１と、電極の温度が、凍結した水分が解凍したと判断できる０℃以上になったか否かを判定する解凍判定手段４２と、燃料電池の起動が要求されても、凍結判定手段４１により燃料電池の停止期間中の最低温度が極低温以下になったと判定された場合、解凍判定手段４２により電極の温度が０℃以上になったと判定されるまで、燃料電池の発電を禁止する発電禁止手段４３と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

ところで、以上の燃料電池システムとしては、燃料電池を低温状態から起動させる場合には、燃料電池に熱媒体を循環させて、燃料電池の排出口近傍の空気の流路を加熱する構成が提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、所定温度まで加熱してから、発電を開始する。
この特許文献１の燃料電池システムによれば、空気の流路を加熱することで、燃料電池の発電で生じた生成水が凝縮あるいは凍結するのを防止して、発電を継続することができる。
特開２００３−３０３６０７号公報

ところで、ＭＥＡ内部の細孔には、０℃でも凍結しない不凍水が含まれているが、極低温環境では、この不凍水が凍結する可能性がある。不凍水が凍結して氷になると、この氷の挙動は、通常の氷と同様になる。つまり、不凍水であっても、極低温環境で一旦凍結すると、０℃以上になるまで解凍しない。したがって、極低温環境で不凍水が凍結すると、その後、燃料電池の温度が極低温より上昇して発電可能な温度となっても、電極内部では不凍水が凍結した状態となっている。

このように不凍水が凍結すると、反応ガス供給路からＭＥＡ内部に至る細孔が氷で閉ざされてしまい、供給された反応ガスが、ＭＥＡ内部の反応部位（触媒表面）まで到達できなくなる。このようにＭＥＡ内部の不凍水が凍結した状態にもかかわらず、燃料電池は要求される出力電圧を発電しようとするため、発電に利用できる領域では、局所的に電流密度が高くなることになる。したがって、ＭＥＡの一部の電流密度が過大になり、この部分でＭＥＡの劣化が促進されるおそれがあった。

上述の特許文献１の燃料電池システムは、氷点下（０℃以下）であっても、燃料電池の温度が所定温度に達していれば、発電を開始する。したがって、この燃料電池が一旦極低温環境に晒されて、ＭＥＡ内部の不凍水が凍結した状態であった場合は、ＭＥＡ内部の氷が形成された領域を発電に利用できなくなり、ＭＥＡの劣化が促進されることになる。

本発明は、燃料電池が極低温環境に晒された場合でも、この燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池ステムおよび燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。

（１） 膜（例えば、実施の形態における固体高分子膜１２３）と、この膜を挟んで設けられたアノード電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極１２１）およびカソード電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極１２２）と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極に供給される反応ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、当該燃料電池を制御する制御手段（例えば、実施の形態における制御装置３０）と、を備える燃料電池システムであって、前記電極の温度を検出する温度検出手段（例えば、実施の形態における温度センサ３１）をさらに備え、前記制御手段は、前記燃料電池の停止期間中における前記電極の最低温度が、前記電極内部の水分が凍結したと判断できる第１の温度以下になったか否かを判定する凍結判定手段（例えば、実施の形態における凍結判定手段４１）と、前記電極の温度が、前記凍結した水分が解凍したと判断できる第２の温度以上になったか否かを判定する解凍判定手段（例えば、実施の形態における解凍判定手段４２）と、前記燃料電池の起動が要求されても、前記凍結判定手段により前記燃料電池の停止期間中の最低温度が前記第１の温度以下になったと判定された場合、前記解凍判定手段により前記電極の温度が前記第２の温度以上になったと判定されるまで、前記燃料電池の発電を禁止する発電禁止手段（例えば、実施の形態における発電禁止手段４３）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）。

ここで、反応ガスとしては、例えば、水素ガスや、酸素を含む空気が挙げられる。また、第１の温度としては、例えば、マイナス４０℃程度の極低温であり、第２の温度としては、例えば、０℃である。

（１）の発明によれば、燃料電池システムに温度検出手段を設け、さらに、制御手段に、凍結判定手段、解凍判定手段、および発電禁止手段を設けた。
これにより、燃料電池の停止期間中における電極の最低温度が第１の温度以下になったと判断した場合には、この電極の温度が第２の温度以上になったと判断するまで、燃料電池の発電を禁止する。
よって、例えば、燃料電池が極低温環境に晒されて、電極内部の不凍水が凍結した場合でも、凍結した不凍水が解凍するまで燃料電池の発電を禁止できるので、電極の一部の電流密度が高くなるのを防いで、燃料電池の劣化を抑制できる。

（２） 前記燃料電池を暖機する暖機手段（例えば、実施の形態における外部ヒータ１５）をさらに備え、前記制御手段は、前記発電禁止手段により発電が禁止されている期間、前記暖機手段を作動させる暖機制御手段（例えば、実施の形態における暖機制御手段４４）を備えることを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

（２）の発明によれば、暖機手段を設け、さらに、制御手段に、発電禁止手段により発電が禁止されている期間、暖機手段を作動させる暖機制御手段を設けた。
よって、外気温が低い場合でも、外気温の上昇により凍結した不凍水が自然解凍するのを待つことなく、暖機手段により凍結した不凍水を解凍できるから、外気温に左右されずに燃料電池を起動できる。また、暖機手段を作動することで、燃料電池の発電が禁止される期間を短縮でき、燃料電池を早期に起動できる。

（３） 膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極に供給される反応ガスの反応により発電する燃料電池の制御方法であって、前記燃料電池の停止期間中における前記電極の最低温度が、前記電極内部の水分が凍結したと判断できる第１の温度以下になったか否かを判定し、前記燃料電池の起動が要求されても、前記燃料電池の停止期間中の最低温度が前記第１の温度以下になったと判定した場合、前記燃料電池の発電を禁止し、前記電極の温度が、前記凍結した水分が解凍したと判断できる第２の温度以上になったか否かを判定し、前記電極の温度が前記第２の温度以上になったと判定した場合、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池の制御方法。

（３）の発明によれば、上述の（１）と同様の効果がある。

本発明によれば、燃料電池の停止期間中における電極の最低温度が第１の温度以下になったと判断した場合には、この電極の温度が第２の温度以上になったと判断するまで、燃料電池の発電を禁止する。よって、例えば、燃料電池が極低温環境に晒されて、電極内部の不凍水が凍結した場合でも、凍結した不凍水が解凍するまで燃料電池の発電を禁止できるので、電極の一部の電流密度が高くなるのを防いで、燃料電池の劣化を抑制できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや空気を供給する供給装置２０と、燃料電池１０および供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０とを有する。

図２は、燃料電池１０を構成するセル１１の断面図である。
すなわち、燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセル１１が積層されたスタック構造である。各セル１１は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２を一対のセパレータ１３Ａ、１３Ｂで挟持して構成される。ＭＥＡ１２は、膜としての固体高分子膜１２３と、この固体高分子膜１２３を挟持するアノード電極（陽極）１２１およびカソード電極（陰極）１２２と、で構成される。
両電極１２１、１２２は、固体高分子膜１２３に接して酸化・還元反応を行う触媒層１２１Ａ、１２２Ａと、この触媒層１２１Ａ、１２２Ａに接するガス拡散層１２１Ｂ、１２２Ｂとから形成される。
ガス拡散層１２１Ｂに接合されたセパレータ１３Ａには、水素流通溝１３１が形成され、また、ガス拡散層１２２Ｂとセパレータ１３Ｂとの間には、空気流通溝１３２が形成されている。

図１に戻って、このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に反応ガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
また、燃料電池１０には、暖機手段としての外部ヒータ１５が設けられている。この外部ヒータ１５としては、触媒燃焼ヒータや電気ヒータが挙げられる。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。

コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、背圧弁２４１が設けられる。

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。また水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、圧力調整弁２５１が設けられている。

また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうち燃料電池１０の近傍には、温度検出手段としての温度センサ３１が設けられている。また、水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。

エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。

また、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、外部ヒータ１５、パージ弁２６１、および圧力調整弁２５１は、後述の制御装置３０により制御される。また、この制御装置３０には、上述の温度センサ３１が接続されている。

燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、圧力調整弁２５１を開いて、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。

図３は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、凍結判定手段４１、解凍判定手段４２、発電禁止手段４３、および暖機制御手段４４を備える。

温度センサ３１は、水素排出路２６を通る水素ガスの温度を測定して、電極１２１、１２２の温度として制御装置３０に送信する。この温度センサ３１は、燃料電池１０が発電している期間に限らず、停止している期間も、継続して温度を測定する。

また、制御装置３０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従ってオン／オフ信号を制御装置３０に送信する。制御装置３０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。

図４は、燃料電池の監視中の温度と電極１２１、１２２の発電有効面積との関係を示す図である。
上述したように、極低温環境では、ＭＥＡに含まれる不凍水が凍結する。この不凍水が凍結してしまうと、その不凍水からなる氷の挙動は、通常の氷と同様になるため、ＭＥＡ内部の温度が０℃以上になるまで、凍結した不凍水は完全に融解しない。
具体的には、図４に示すように、例えば、燃料電池１０を停止することにより、燃料電池１０の温度が低下すると、電極１２１、１２２の発電有効面積は、経路Ａに沿って低下する。その後、燃料電池１０を起動することにより、燃料電池１０の温度が上昇すると、電極１２１、１２２の発電有効面積は、経路Ａ´、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに沿って増加する。
ここで、燃料電池１０の温度が極低温に達することなく上昇に転じた場合には、不凍水が凍結しないため、発電有効面積は、経路Ａ´に沿って増加する。すなわち、発電有効面積は、燃料電池１０の温度が低下する場合でも、上昇する場合でも、同一の経路に沿って変化する。
一方、燃料電池１０の温度が極低温に達した後に上昇に転じた場合には、不凍水が凍結するため、発電有効面積は、経路Ｂ〜Ｆに沿って増加する。すなわち、発電有効面積は、燃料電池１０の温度が低下する場合と、上昇する場合とで、異なる経路に沿って変化する（ヒステリシス特性）。

凍結判定手段４１は、温度センサ３１で測定された燃料電池１０の温度のうち最低のものを最低温度として記憶しておき、監視中の燃料電池１０の電極１２１、１２２の最低温度が第１の温度としての極低温以下であるか否か、すなわち、電極１２１、１２２内部の不凍水が凍結したと判断できる温度以下になったか否かを判定する。

解凍判定手段４２は、電極１２１、１２２の温度が第２の温度としての０℃以上であるか否か、すなわち、凍結した水分が解凍したと判断できる温度以上になったか否かを判定する。

発電禁止手段４３は、燃料電池１０の起動が要求されても、凍結判定手段４１により燃料電池１０の停止期間中の最低温度が極低温以下になったと判定された場合、解凍判定手段で電極１２１、１２２の温度が０℃以上になったと判定されるまで、燃料電池１０の発電を禁止する。

暖機制御手段４４は、発電禁止手段４３により発電が禁止されている期間、外部ヒータ１５を作動させる。

以上の燃料電池システム１の動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。
最初は、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされた状態である（ＳＴ１）。この状態では、温度センサ３１により燃料電池１０の温度を測定し、凍結判定手段４１によりこの燃料電池１０の最低温度を記憶して、燃料電池１０の温度を監視している。（ＳＴ２）。

その後、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされると（ＳＴ３）、凍結判定手段４１により、記憶した監視中の燃料電池１０の最低温度が極低温以下であるか否かを判定する（ＳＴ４）。この判定が“ＮＯ”のときは、後述のＳＴ８に移る。

一方、この判定が“ＹＥＳ”のときは、発電禁止手段４３により、燃料電池１０の発電を禁止して（ＳＴ５）、暖機制御手段４４により、外部ヒータ１５を作動する（ＳＴ６）。
続いて、温度センサ３１で計測した燃料電池１０の電極１２１、１２２の温度が０℃以上であるか否かを判定する（ＳＴ７）。この判定が“ＮＯ”のときは、凍結した不凍水が完全に解凍していないので、ＳＴ５、ＳＴ６に戻って、引き続き、燃料電池１０の発電を禁止して外部ヒータ１５を作動する。一方、この判定が“ＹＥＳ”のときは、凍結した不凍水がほぼ解凍したと考えられるので、通常の発電制御を行う（ＳＴ８）。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池システム１に温度センサ３１を設け、さらに、制御装置３０に、凍結判定手段４１、解凍判定手段４２、および発電禁止手段４３を設けた。
これにより、燃料電池１０の停止期間中における電極１２１、１２２の最低温度が極低温以下になったと判断した場合には、この電極１２１、１２２の温度が０℃以上になったと判断するまで、燃料電池１０の発電を禁止する。
よって、例えば、燃料電池１０が極低温環境に晒されて、電極１２１、１２２内部の不凍水が凍結した場合でも、凍結した不凍水が解凍するまで燃料電池１０の発電を禁止できるので、電極１２１、１２２の一部の電流密度が高くなるのを防いで、燃料電池１０の劣化を抑制できる。

（２）外部ヒータ１５を設け、さらに、制御装置３０に、発電禁止手段４３により発電が禁止されている期間、外部ヒータ１５を作動させる暖機制御手段４４を設けた。
よって、外気温が低い場合でも、外気温の上昇により凍結した不凍水が自然解凍するのを待つことなく、外部ヒータ１５により凍結した不凍水を解凍できるから、外気温に左右されずに燃料電池１０を起動できる。また、外部ヒータ１５を作動することで、燃料電池１０の発電が禁止される期間を短縮でき、燃料電池１０を早期に起動できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池を構成するセルの断面図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池の監視中の温度と電極の発電有効面積との関係を示す図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
１５…外部ヒータ
３０…制御装置（制御手段）
３１…温度センサ（温度検出手段）
４１…凍結判定手段
４２…解凍判定手段
４３…発電禁止手段
４４…暖機制御手段
１２１…アノード電極
１２２…カソード電極
１２３…固体高分子膜（膜）

Claims (3)

1. 膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極に供給される反応ガスの反応により発電する燃料電池と、当該燃料電池を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記電極の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
   前記制御手段は、
   前記燃料電池の停止期間中における前記電極の最低温度が、前記電極内部の水分が凍結したと判断できる第１の温度以下になったか否かを判定する凍結判定手段と、
   前記電極の温度が、前記凍結した水分が解凍したと判断できる第２の温度以上になったか否かを判定する解凍判定手段と、
   前記燃料電池の起動が要求されても、前記凍結判定手段により前記燃料電池の停止期間中の最低温度が前記第１の温度以下になったと判定された場合、前記解凍判定手段により前記電極の温度が前記第２の温度以上になったと判定されるまで、前記燃料電池の発電を禁止する発電禁止手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池を暖機する暖機手段をさらに備え、
   前記制御手段は、前記発電禁止手段により発電が禁止されている期間、前記暖機手段を作動させる暖機制御手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極に供給される反応ガスの反応により発電する燃料電池の制御方法であって、
   前記燃料電池の停止期間中における前記電極の最低温度が、前記電極内部の水分が凍結したと判断できる第１の温度以下になったか否かを判定し、
   前記燃料電池の起動が要求されても、前記燃料電池の停止期間中の最低温度が前記第１の温度以下になったと判定した場合、前記燃料電池の発電を禁止し、
   前記電極の温度が、前記凍結した水分が解凍したと判断できる第２の温度以上になったか否かを判定し、
   前記電極の温度が前記第２の温度以上になったと判定した場合、前記燃料電池の発電を開始することを特徴とする燃料電池の制御方法。

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