JP2007280645A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの経年時間劣化の影響を受けず、所望の発電性能を維持することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、該燃料電池の運転状態を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、燃料電池の製造日から現時点までの運転および停止履歴に基づいて、燃料電池の性能低下分を予測し、目標とする電池性能を得るため、前記性能低下分を補正して、燃料電池の運転を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に車両等に使用される固体高分子型燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと、酸素を含む酸化剤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ーを取り出す発電システムである。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。

固体高分子型燃料電池は、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置されたアノード電極および電解質膜の他面に配置されたカソード電極とからなる膜／電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、両電極にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための流路を形成するセパレータとで構成され、通常はこれらのモジュールを複数層重ねてセル積層体として利用される。

通常、ＭＥＡを構成するアノード電極とカソード電極には、電極反応促進用の白金触媒を担持するため、カーボン粒子が塗布される。カーボン粒子は、撥水性を有するため、組み立て初期の燃料電池のＭＥＡは、このカーボン粒子の効果により撥水性を示す。従って、燃料電池運転時に電気化学反応により電池内で生じた水は、ＭＥＡ内には停滞しにくく、生成後速やかにセパレータの流路を介して電池本体外部に排出される。

しかしながら、燃料電池を長期間運転すると、使用部材の劣化等により、発電性能の低下が生じる。例えば、前述の白金担持カーボンは、生成水との化学反応や流体による機械的損耗等によって、時間とともにその量が減少する。このため白金担持カーボンの撥水性は、時間とともに低下し、これに伴って、電気化学反応によって生じた生成水がＭＥＡから排出されにくくなり、ＭＥＡの含水量が徐々に増大する。このような含水量の増大は、例えばＭＥＡのカソード電極内の酸化剤ガスの反応場を減少させるため、酸化剤ガス供給量が一定であっても、発電性能の低下が生じる場合がある（フラッディングという）。

このような問題を解決するため、燃料電池の作動運転時間または積算電流値等に基づいて、発電性能維持のために必要な反応ガス供給量を算定することにより、電池性能低下を抑制する方法が提案されている（特許文献１、２参照）。
特開２００５−５６７６０号公報 特開平６−２６７５７７号公報

しかしながら、燃料電池の性能低下は、発電中にのみ生じるものではなく、燃料電池の停止中あるいは、燃料電池の保管中にも生じ得る。これは、主として燃料電池システムに使用される使用部材が、システム運転時以外にも経時劣化することによる。例えば、前述の白金担持カーボンは、通常用いられる一般的な方法で電池を保管していても、環境中の酸素等によって表面が改質され、撥水性が低下する。すなわち、保管期間が長期に及ぶ場合には、燃料電池システムの運転時間が短い場合であっても、フラッディングの問題は生じ得る。従って、前述のような燃料電池の作動運転時間を考慮した制御だけでは、使用部材の劣化等による発電性能低下、さらには発電不良等の不具合を解消することは難しい。

本発明では、使用部材の経年時間劣化を考慮して、燃料電池温度、ガス供給量等の運転条件を制御し、運転および停止履歴に影響されることなく、例えば、長期間連続運転中の燃料電池システム、あるいは製造後長期間使用されなかった燃料電池システム等においても、発電性能を適正に維持することが可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明では、燃料電池と、該燃料電池の運転状態を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、燃料電池の製造日から現時点までの運転および停止履歴に基づいて、燃料電池の性能低下分を予測し、目標とする電池性能を得るため、前記性能低下分を補正して、燃料電池の運転を制御することを特徴とする燃料電池システムが提供される。

このように、燃料電池の経年時間劣化を考慮して、燃料電池の運転を制御することにより、例えば、燃料電池システムの製造後停止時間および運転時間に関わらず、常時適正な発電性能を維持することが可能となる。なお本願において使用される、使用部材または燃料電池の「経年時間劣化」という用語は、燃料電池システムの運転によって生じる使用部材または燃料電池の劣化（以下「作動期間内劣化」という）と、燃料電池システム製造後の停止状態において時間とともに進行するこれらの劣化（以下「停止期間内劣化」という）の両方を含むことに留意する必要がある。

また本発明では、燃料電池と、該燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池を冷却する冷媒を供給する冷媒供給手段と、制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、燃料電池の製造日からの運転および停止履歴に基づいて、現時点での燃料電池の性能低下分を予測し、目標とする電池性能を得るため、前記性能低下分を補正して、燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料ガスおよび／または冷媒の供給量を定めることを特徴とする燃料電池システムが提供される。これにより、燃料電池システムの製造後停止時間および運転時間に関わらず、燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料ガスおよび／または冷媒の供給量を適正に制御して、所望の発電性能を維持することが可能となる。

本発明の燃料電池システムでは、使用部材の経年時間劣化を考慮して、運転条件を制御するため、長時間経過後も、所望の発電性能を維持することができ、発電性能低下等の問題が生じにくく、システムの信頼性が向上する。

本発明では、燃料電池の経年時間劣化を考慮して、燃料電池の各運転パラメータを定めることを特徴とする。従来のような燃料電池の作動時間または積算発電量等の指標値ではなく、経年時間を基にして各運転パラメータを制御するのは、前述のように、使用部材の劣化は、燃料電池の運転中のみならず、燃料電池の停止中あるいは未使用期間にも進行するためである。例えば、ＭＥＡに含まれる白金担持用カーボンは、燃料電池を使用せず保管している間も、異物の付着あるいは環境側酸素との反応等により劣化が生じる。従って、通常のような燃料電池の運転時間のみを考慮し、使用部材の劣化状態を予測して、運転パラメータ制御を行っても、所望の性能が得られなくなってしまう。しかしながら、本発明では、燃料電池システムに使用される部材の経年時間劣化を考慮して、運転条件を定めるため、常時所望の発電性能を維持することが可能となる。

以下図面により本発明の一形態を説明する。

図１には、本発明による燃料電池システムの構成例を示す。このシステムは、燃料電池本体１を有し、この燃料電池本体１で発生した電力を、例えば車両等の駆動源として利用することができる。またこの燃料電池システムは、システム内で燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２と、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路３と、燃料電池本体１を冷却する冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４と、制御部５とを備えている。なお以下の説明では、一例として、燃料電池に供給する燃料ガスとして水素ガスを使用し、酸化剤ガスとして空気（以下エアともいう）を使用し、冷却媒体として水を使用するシステムを例に説明する。

燃料ガス流路（以下水素ガス流路ともいう）２は、例えば高圧水素タンク２００のような水素燃料源からの燃料ガスを燃料電池本体１に供給するための燃料ガス供給流路２０１と、燃料電池本体１から燃料オフガスを排出するための燃料オフガス排出流路２０３とを備えている。ただし燃料オフガス排出流路２０３は、実質的には循環流路となっており、水素ポンプ２１０を介して燃料ガス供給流路２０１に接続されている。以降この燃料オフガス排出流路２０３を循環流路２０３とも呼ぶ。循環流路２０３には、燃料電池本体１と水素ポンプ２１０との間に、水素排気弁２０５が設置された分岐流路２０７が接続されている。

一方、酸化剤ガス流路３は、燃料電池本体に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路３０１と、燃料電池本体１から酸化剤オフガスを排出するための酸化剤オフガス排出流路３０３とを備えている。

酸化剤ガス供給流路３０１には、エアポンプ３０５と加湿器３２５とが配置されている。また酸化剤オフガス排出流路３０３には、前述の加湿器３２５が設置され、加湿器３２５と燃料電池本体１の間にはエア調圧弁３０９が配置されている。

冷却媒体流路４（以下冷却水流路４という）は、燃料電池本体１に冷却水を供給するための冷却水供給流路４０１と、燃料電池本体１から冷却水を排出するための冷却水排出流路４０３とを備えている。ただし冷却水流路４は、循環流路となっており、冷却水供給流路４０１と冷却水排出流路４０３は、それぞれの一端をラジエータファン４０２に接続されている。また、冷却水排出流路４０３において、ラジエータファン４０２の一端（入口側）は、ロータリーバルブ４０４の一端（出口側）と接続され、ロータリーバルブ４０４の他端（入口側）は、燃料電池本体１に接続されている。このロータリーバルブ４０４の別の出口側端部は、冷却水供給流路４０１に接続されている。冷却水供給流路４０１と冷却水排出流路４０３には、燃料電池本体１の冷却水入口側近傍と冷却水出口側近傍の位置に、それぞれ水温センサ４０５および４０６が設置されている。

制御部５は、前述の各流路の所定の箇所（例えば、燃料ガス供給流路２０１、循環流路２０３、酸化剤ガス供給流路３０１および酸化剤オフガス排出流路３０３の燃料電池本体１近傍等に設置された圧力センサと温度センサ、さらには水温センサ４０５および４０６等）からの圧力測定結果、温度測定結果を受けて、水素ポンプ２１０、水素排気弁２０５、エアポンプ３０５、エア調圧弁３０９、ラジエータファン４０２およびロータリーバルブ４０４をそれぞれ制御する。

ここで、酸化剤ガスの流量制御法について簡単に説明する。燃料電池システムの運転時には、制御部５によって、エアポンプ３０５を駆動させることにより、大気中の空気が酸化剤ガスとして取り込まれ、この酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給流路３０１を通り、加湿器３２５を介して燃料電池１に供給される。供給された酸化剤ガスは、燃料電池１内において電気化学反応により消費された後、酸化剤オフガスとして排出される。必要に応じて、制御部５からの指令によって、エア調圧弁３０９が開閉され、これにより燃料電池本体１に供給される酸化剤ガスの圧力（さらには流量）が制御される。

次に水素ガスの流量制御法について説明する。運転時には、高圧水素タンク２００から水素ガスが放出され、その放出された水素ガスは、燃料ガス供給流路２０１を通って、燃料電池本体１に供給される。供給された水素ガスは、燃料電池１内で電気化学反応に消費された後、水素オフガスとして排出される。排出された水素オフガスは、循環流路２０３を通り、水素ポンプ２１０を介して燃料ガス供給流路２０１に戻され、再び燃料電池本体１に供給される。なお通常は、分岐流路２０７の水素排気弁２０５は閉じているが、必要に応じて、制御部５からの指令によりこの弁が開かれると、分岐流路２０７から、水素オフガスが排出される。従って、水素排気弁２０５の開閉を制御することにより、燃料電池本体1に供給される新鮮な水素量と、循環利用される水素量の割合が制御される。より具体的には、水素排気弁２０５を開くことにより、燃料電池本体１に供給されるガス中の水素濃度は高まり、逆に水素排気弁２０５を閉じたままにしておくと、燃料電池本体１に供給される水素濃度は徐々に低下する。

次に冷却水の流量制御法について説明する。運転時には、制御部５によってラジエータファン４０２が駆動され、冷却水が冷却水供給流路４０１を介して燃料電池本体１に供給される。燃料電池本体１から排出される冷却水は、冷却水排出流路４０３を通って、ロータリーバルブ４０４に導入され、冷却水の一部は、そのまま再び冷却水供給流路４０１を通って燃料電池本体1に供給される。制御部５は、燃料電池本体１の温度を所定の温度に維持するため、水温センサ４０５および４０６からの温度情報を基に、ロータリーバルブ４０４の開閉を制御し、これによりロータリーバルブ４０４を介して直接燃料電池本体1に導入される冷却水の量が制御される。

次に、本発明の燃料電池システムの制御方法についてより具体的に説明する。

図２には、制御部５において実行される燃料電池システムの制御フロー図を示す。まず、ステップS１０１において、燃料電池の目標温度が決定される。

次にステップS１０５では、後続ステップで燃料電池の経年時間劣化による性能低下を補正するための温度補正項１１が算出される。この温度補正項１１は、フラッシュＲＯＭ等の媒体内に予め記憶されている、経年時間と補正項１１の関係を示したマップにより算出される。なお経年時間は、現時点の日時と、燃料電池の製造日時との差によって算出される。また燃料電池の製造日時に関する情報は、例えば燃料電池の製造時に前述のＲＯＭ等に記憶された情報を読み出すことにより入手できる。このＲＯＭは、例えば制御部５内に設置される。補正項１１は、前述の「停止期間内劣化」と「作動期間内劣化」の影響を総合した、単一の補正項として取得される。

ここで、このような経年時間劣化の影響を考慮した補正を行うのは、燃料電池使用部材の経年時間劣化のため、燃料電池システムに対して同じ冷却または昇温操作を行っても、燃料電池温度が常に一定温度になるとは限られないからである。例えば、ＭＥＡの電極表面に設置される白金触媒担持用カーボン粒子は、化学的な反応、機械的磨耗等によって時間とともにその量が減少する傾向にあり、このため、触媒の活性も時間とともに低下する。触媒の活性の低下は、燃料電池内での触媒反応（発熱反応）によって生じる熱量を低下させる。従って、例えば運転時間が長い場合、あるいは運転時間が同等でも、製造から長時間経過している燃料電池を所定の温度に制御するためには、運転時間が短い場合あるいは製造後あまり期間が経過していない燃料電池に比べて、より多くの熱源を提供することが必要になる。

次に、ステップＳ１１０では、ステップＳ１０１で設定された温度目標値とステップＳ１０５で得られた温度補正項１１を考慮して、補正後温度目標値が設定される。Ｓ１１５では、燃料電池本体１の温度がステップＳ１１０で定めた補正後温度目標値となるように、制御器５によってラジエータファン４０２とロータリーバルブ４０４が制御され、燃料電池本体１に適正量の冷却水が供給される。

次に、ステップＳ１２０では、燃料電池本体１での目標電流値が決定される。この電流値は、車両の運転状態、例えば走行速度や運転者のアクセル操作状況等によって定められる。

次にステップＳ１２５では、ステップＳ１０１で決定された燃料電池温度目標値と、ステップＳ１２０で決定された目標電流値に基づいて、燃料電池本体１への酸化剤ガスの供給量が算定される。またステップＳ１３０では、燃料電池の経年時間を基に、燃料電池本体１への酸化剤ガス供給量の補正項２１が算出される。このような補正を行うのは、補正を行わなかった場合、酸化剤ガス流路３に設置された各種バルブおよび／または装置および／またはシール部材等の経年時間劣化によって、ステップＳ１２５で定めた酸化剤ガス量が燃料電池本体１に適正に供給されない可能性があるためである。また、前述のような白金触媒カーボンの劣化は、ＭＥＡの撥水性を低下させるため、ＭＥＡ内に含まれる水分量は、時間とともに増大する。このような水分量の増大によって、電極内での酸化剤ガスの反応サイトが減少すると、酸化剤ガスの供給量が一定でも、電池性能が低下する可能性があるからである。なお燃料電池の経年時間および補正項２１に関する情報は、ステップＳ１０５の場合と同様、ＲＯＭ内に予め記憶されている燃料電池の製造年月日の情報および燃料電池の経年時間と補正項２１の関係を示したマップにより算出される。補正項２１は、「停止期間内劣化」と「作動期間内劣化」の影響を総合した、単一の補正項として取得される。次にステップＳ１３５では、ステップＳ１２５で設定された目標酸化剤ガス供給量とステップＳ１３０で得られた補正項２１を考慮して、補正後酸化剤ガス供給量が決定される。ステップＳ１４０では、制御器５によってエアポンプ３０５とエア調圧弁３０９を制御することにより、ステップＳ１３５で定めた補正後酸化剤ガス量が燃料電池本体１に供給される。

次に、ステップＳ１４５では、ステップＳ１０１で決定された燃料電池温度目標値と、ステップＳ１２０で決定された目標電流値に基づいて、燃料電池本体１に導入される水素濃度が算定される。より具体的には、このステップでは、燃料ガス流路２から循環水素ガスを排出するための、水素排気弁２０５を開く頻度が算定される。またステップＳ１５０では、燃料電池の経年時間を基に、水素排気頻度の補正項３１が算出される。このような補正を行うのは、補正を行わなかった場合、水素ガス流路２に設置された各種バルブおよび／または装置および／またはシール部材等の経年劣化によって、ステップＳ１４５で定めた水素排気頻度で水素オフガスを系外に排出させても、燃料電池本体１に供給される水素濃度が適正値とはならない可能性があるためである。なお燃料電池の経年時間および補正項３１に関する情報は、ステップＳ１０５、ステップＳ１３０の場合と同様、ＲＯＭ内に予め記憶されている燃料電池の製造年月日の情報および燃料電池の経年時間と補正項３１の関係を示すマップにより取得される。なお補正項３１は、「停止期間内劣化」と「作動期間内劣化」の影響を総合した、単一の補正項として取得される。

次にステップＳ１５５では、ステップＳ１４５で設定された水素排気頻度とステップＳ１５０で得られた補正項３１を考慮して、補正後水素排気頻度が決定される。ステップＳ１６０では、制御器５によって、水素排気弁２０５の開閉頻度がステップＳ１５５で定められた補正後水素排気頻度で制御され、適正な濃度の水素ガスが燃料電池本体１に供給される。

このように、本発明の制御フローでは、燃料電池の経年時間劣化の影響を考慮した制御が行われるため、冷却水供給量、酸化剤ガス供給量および水素ガス供給量が適正に制御され、燃料電池温度および電流値を設定通りの値に維持して、燃料電池の運転を行うことが可能となる。従って、長期間停止後あるいは長期運転後に、燃料電池システムの使用部材の経年時間劣化によって、所望の発電性能が得られなくなるという問題を回避することが可能となる。

次に、本発明による燃料電池システムの他の実施例について説明する。

図３には、制御部５において実行される図２とは別の制御フロー図を示す。この図の例は、基本的には、図２に示すものと同様である。ただし、図３の場合、図２のステップＳ１０５、ステップＳ１１０がステップＳ１０５’、ステップＳ１１０’に、ステップＳ１３０、ステップＳ１３５がステップＳ１３０’、ステップＳ１３５’に、およびステップＳ１５０、ステップＳ１５５がステップＳ１５０’、ステップＳ１５５’に変更されている。

ステップＳ１０５’では、後続のステップＳ１１０’において燃料電池の経年時間劣化による性能低下分を補正するために使用される温度補正項が算出される。ただし、本例では、この温度補正項は、「停止期間内劣化」と「作動期間内劣化」の影響を別々に考慮して算出される。具体的には、フラッシュＲＯＭ等の媒体内には、「停止期間内劣化」に基づく停止時間と温度補正項１２の関係、並びに「作動期間内劣化」に基づく作動時間および／または積算電流値と温度補正項１３の関係を示す、それぞれのマップが予め記憶されている。従ってこのステップでは、ＲＯＭ等の媒体から、停止時間および作動時間または積算電流値に関する情報が読み出されるとともに、それぞれのマップに基づいて温度補正項１２、１３が算定される。

次に、ステップＳ１１０’では、ステップＳ１０１で設定された温度目標値とステップＳ１０５’で得られた温度補正項１２、１３を考慮して、補正後温度目標値が設定される。

同様にステップＳ１３０’では、補正後の酸化剤ガス供給量を定めるための酸化剤ガス供給量補正項が、「停止期間内劣化」と「作動期間内劣化」の影響を別々に考慮して算出される。すなわち、「停止期間内劣化」に基づく停止時間と酸化剤ガス供給量補正項の関係、並びに「作動期間内劣化」に基づく作動時間および／または積算電流値と補正項の関係に基づいて、酸化剤ガス供給量補正項２２、２３が算定される。

さらに、ステップＳ１５０’では、補正後の水素排気頻度を定めるための補正項が、「停止期間内劣化」と「作動期間内劣化」の影響を別々に考慮して算出される。すなわち、「停止期間内劣化」に基づく停止時間と水素排気頻度補正項の関係、並びに「作動期間内劣化」に基づく作動時間および／または積算電流値と水素排気頻度補正項の関係から、水素排気頻度補正項３２、３３が算定される。

このように本発明では、燃料電池システムに使用される部材の経年時間、すなわち製造時からの経過期間をもとに各部材の劣化状態を判断し、各運転パラメータの補正を行うため、燃料電池システムのより的確な制御が可能となる。

なお、本発明の説明のために使用した燃料電池システムの構成は一例であって、本発明を限定するものではない。例えば、実際の燃料電池システムでは、示されていない箇所にも、電磁弁や配管等他の構成部品が配設される場合があることに留意する必要がある。

本発明は、例えば燃料電池自動車等に適用することができる。

本発明の燃料電池システムの構成例の概略図である。 図１の制御部５にて実行される制御処理のフロー図である。 図１の制御部５にて実行される別の制御処理のフロー図である。

符号の説明

１ 燃料電池本体
２ 燃料ガス流路
３ 酸化剤ガス流路
４ 冷却水流路
５ 制御部
２００ 高圧水素タンク
２０１ 燃料ガス供給流路
２０３ 循環流路
２０５ 水素排気弁
２０７ 分岐流路
２１０ 水素ポンプ
３０１ 酸化剤ガス供給流路
３０３ 酸化剤オフガス排出流路
３０５ エアポンプ
３０９ エア調圧弁
３２５ 加湿器
４０１ 冷却水供給流路
４０２ ラジエータファン
４０３ 冷却水排出流路
４０４ ロータリーバルブ
４０５、４０６ 水温センサ。

Claims (2)

1. 燃料電池と、該燃料電池の運転状態を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、燃料電池の製造日から現時点までの運転および停止履歴に基づいて、燃料電池の性能低下分を予測し、目標とする電池性能を得るため、前記性能低下分を補正して、燃料電池の運転を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 燃料電池と、該燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池を冷却する冷媒を供給する冷媒供給手段と、制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、燃料電池の製造日からの運転および停止履歴に基づいて、現時点での燃料電池の性能低下分を予測し、目標とする電池性能を得るため、前記性能低下分を補正して、燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料ガスおよび／または冷媒の供給量を定めることを特徴とする燃料電池システム。

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