JP2017152113A - 燃料電池システムの低温起動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温起動時に水分の結露を可及的に抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池１２と、燃料電池１２内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、燃料電池１２内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、燃料電池１２内に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８と、を備える燃料電池システム１０の低温時起動方法であって、起動初期に燃料電池１２内の乾燥を促進させる乾燥処理を所定時間だけ行なう。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置、及び冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置を備える燃料電池システムの低温起動方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれている。

この燃料電池では、水素ガス（燃料ガス）と酸素ガス（酸化剤ガス）との電気化学反応により発電（運転）を行うため、カソード側には、生成水が発生している。一方、アノード側には、生成水が電解質膜を透過（逆拡散）して水分が存在している。電解質膜自体は、所望の湿潤状態に維持することが必要であるものの、滞留水は反応ガスの流れを阻害するおそれがあり、過剰な水を排除するために種々の工夫がなされている。

例えば、特許文献１には、電極付近の生成水の排除を応答性よく行うことにより、効率よく連続的に起電力を得ることを目的とする、燃料電池の駆動装置が開示されている。この駆動装置は、電圧計で検出された出力電圧とインピーダンス計で検出されたインピーダンスとから燃料電池のカソード表面の濡れすぎを検知している。そして、カソード表面の濡れすぎが検知されると、バイパス配管における電動弁の開度を大きくする制御を行っている。

このため、バイパス配管の流量が増加されて、燃料電池のカソード側に供給される酸素ガスの流量が増加され、前記カソードの表面で凝結し付着した水滴は、酸素ガスの動圧により吹き飛ばされる。この結果、カソード表面の細孔が水滴により閉塞されるのを防ぐことができる、としている。

特開平０７−２３５３２４号公報

しかしながら、燃料電池の低温起動時（０℃未満）には、電極面内の温度が安定しない場合が多く、前記電極面内に温度分布が発生し易い。このため、上記の特許文献１のように、インピーダンス計で検出されたインピーダンスに応じて、燃料電池の乾燥及び加湿制御を行うと、電極面内の一部（面内温度の低い部分）で結露が惹起される場合がある。従って、発電安定性が低下するという問題がある。

本発明は、この種の課題を解決するものであり、簡単な制御で、低温起動時に水分の結露を可及的に抑制することができ、発電安定性を良好に確保することが可能な燃料電池システムの低温起動方法を提供することを目的とする。

本発明に係る低温起動方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、を備えている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により、発電する。この低温起動方法では、低温起動時には、通常起動時の制御よりも乾燥を促進させる乾燥制御が、所定時間だけ行われている。

また、この低温起動方法では、乾燥制御は、燃料電池内を流通する冷却媒体の温度が、所定温度を上回るまで継続されることが好ましい。

さらに、この低温起動方法では、乾燥制御は、燃料電池内を流通する冷却媒体の流量を、通常起動時の前記冷却媒体の流量よりも低減させることにより行われることが好ましい。

さらにまた、酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガスを加湿して燃料電池に供給する加湿器と、前記酸化剤ガスが前記加湿器をバイパスして前記燃料電池に供給されるバイパス流路と、を備えることが好ましい。その際、バイパス流路には、該バイパス流路を流通する酸化剤ガスの流量を調整するバイパス弁が配置されており、乾燥制御は、前記バイパス弁の開度を大きくすることにより行われることが好ましい。

本発明によれば、低温起動時には、通常起動時の制御よりも乾燥を促進させる乾燥制御が、所定時間だけ行われている。このため、低温起動時には、例えば、インピーダンス値等を考慮することがなく、常に乾燥制御が遂行されている。従って、簡単な制御で、低温起動時に水分の結露を可及的に抑制することができ、発電安定性を良好に確保することが可能になる。

本発明の実施形態に係る低温起動方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記低温起動方法を説明するタイムチャートである。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る低温起動方法が適用される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とが設けられる。

燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部（ＥＣＵ）２２と、インピーダンス測定部２３とを備える。インピーダンス測定部２３は、後述する電解質膜・電極構造体２６から測定されたインピーダンス値に基づいて湿度又は抵抗値を推定し、制御部２２は、その推定値に基づいて前記電解質膜・電極構造体２６の含水量を測定する。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。

燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。

空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。

冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。

水素ガス供給路５２には、インジェクタ５４及びエゼクタ５６が直列に設けられるとともに、前記インジェクタ５４及び前記エゼクタ５６を跨いでバイパス供給路５８が接続される。バイパス供給路５８には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ６０が設けられる。ＢＰインジェクタ６０は、燃料電池スタック１２の始動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ５４は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。

燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路（オフガス配管）６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。

水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ７８を備え、前記エアポンプ７８が空気供給路８０に配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する。

空気供給路８０は、エアポンプ７８の下流側に位置して供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４を配設するとともに、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する。空気供給路８０には、加湿器８４を跨いでバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、前記バイパス供給路８６を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁８８（バイパス弁）が配設される。

燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路９０が連通する。空気排出路９０には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器８４、排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続され、希釈部を構成する。

空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、バイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側及び排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環させる。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口３８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口３８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。冷却媒体排出路１０８には、冷却媒体出口温度を検出するための温度センサ１１０が配設される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置１４では、水素タンク５０から水素ガス供給路５２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。水素ガスは、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ７８の回転作用下に、空気供給路８０に空気が送られる。この空気は、加湿器８４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入され、前記空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガス（水素排気ガス）は、水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入され、エゼクタ５６の吸引作用下に水素ガス供給路５２に循環される。水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。

同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気（排出空気）は、空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。排出空気は、加湿器８４を通って空気供給路８０から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整された後、希釈部に排出される。なお、空気排出路９０に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環する。

次いで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の低温起動方法について、図２に示すタイムチャートに沿って、以下に説明する。

低温雰囲気、例えば、氷点下雰囲気で、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされると、燃料電池システム１０の暖機運転が開始される。その際、酸化剤ガス供給装置１６では、インピーダンス測定部２３により検出されるインピーダンス値に係わらず、ＢＰ流量調整弁８８の開度が大きく設定されている。このため、インピーダンス測定部２３では、電解質膜・電極構造体２６が乾燥していると判断しているものの、制御部２２では、加湿器８４に供給される空気量を削減して乾燥空気を燃料電池スタック１２に供給するように制御（乾燥制御）している。

冷却媒体供給装置１８では、温度センサ１１０により冷却媒体出口温度を検出している。冷却媒体出口温度では、電極面内の温度が０℃を超えると判定できる温度が、予めテスト等により設定されている。例えば、急激加速された場合における冷却媒体出口温度と電極面内温度との相関と、アイドル発電の場合における前記冷却媒体出口温度と前記電極面内温度との相関とは、互いに異なるため、この種の相関を考慮して判定温度が設定される。

そこで、温度センサ１１０を介して、電極面内の温度が、０℃を超えると判定されると、制御部２２によるフィードバック制御が行われる。制御部２２では、インピーダンス測定部２３により測定されたインピーダンス値と温度センサ１１０により検出された冷却媒体出口温度（すなわち、電極面内温度）とを監視している。そして、ＢＰ流量調整弁８８の開度を調整することにより、電解質膜・電極構造体２６の過乾燥を防止している。

次に、測定されたインピーダンス値が、ＩＭＰ（インピーダンス）目標値の制御範囲下限まで上昇すると（温度Ｔｗ℃）、電解質膜・電極構造体２６が乾燥側に移行しているため、制御部２２は、ＢＰ流量調整弁８８の開度を閉じる方向に操作する。このため、燃料電池スタック１２に供給される空気は、加湿器８４側に増量されて加湿され、電解質膜・電極構造体２６の過乾燥が防止される。従って、測定されるインピーダンス値は、１ＭＰ目標値の制御範囲内に維持される。

また、低温起動時には、ＩＭＰ劣化抑制上限値が設定されている。ＩＭＰ劣化抑制上限値は、過乾燥であると判断する閾値であり、インピーダンス値がＩＭＰ劣化抑制上限値に至ると、固体高分子電解質膜３２が破断する場合がある。

そこで、測定されたインピーダンス値が、ＩＭＰ劣化抑制上限値に至る際、制御部２２によるフィードバック制御に移行し、加湿制御が行われる。なお、制御部２２は、燃料電池スタック１２のセル電圧の状態を監視し、電解質膜・電極構造体２６の乾燥状態を判断してＢＰ流量調整弁８８の開度を調整してもよい。

この場合、本実施形態では、低温起動時には、通常起動時の制御よりも乾燥を促進させる乾燥制御が、所定時間だけ行われている。具体的には、氷点下雰囲気において、酸化剤ガス供給装置１６では、検出されるインピーダンス値に係わらず、ＢＰ流量調整弁８８の開度が大きく設定されている（図２参照）。

通常、低温起動直後に、インピーダンス値が制御範囲上限を上回ると、空気の加湿量を低減させるために、前記インピーダンス値の上昇変化に追従してＢＰ流量調整弁８８の開度が変化するように制御される（図２中、破線で示す通常弁制御参照）。しかしながら、低温起動時には、まだ電極面内の温度が０℃未満であるため、加湿空気が供給されると、結露し易くなり、湿度が高い状態が維持されてしまう。

このため、本実施形態では、０℃未満の低温起動時には、インピーダンス値を考慮することがなく、ＢＰ流量調整弁８８を、通常起動時の開度よりも大きく開弁させて、常に乾燥制御を行っている。従って、簡単な制御で、低温起動時に水分の結露を可及的に抑制することができ、発電安定性を良好に確保することが可能になるという効果が得られる。

さらに、本実施形態では、乾燥制御は、燃料電池スタック１２内を流通する冷却媒体の温度が、所定温度を上回るまで、具体的には、電極面内の温度が、０℃を上回ると判断されるまで、継続されている。これにより、燃料電池スタック１２の発電安定性を有効に確保することができる。

また、本実施形態では、乾燥制御として、ＢＰ流量調整弁８８の開度を調整して燃料電池スタック１２に供給される空気の加湿量を調整しているが、これに限定されるものではない。例えば、図１に示すように、酸化剤ガス供給装置１６を構成するエアポンプ７８の回転数を、通常起動時の回転数よりも上げることにより、通常起動時よりも空気の供給量を増量してもよい。このため、燃料電池スタック１２内を乾燥制御することができ、前記燃料電池スタック１２の発電安定性を向上させることが可能になる。

さらにまた、乾燥制御として、冷却媒体供給装置１８を構成する水ポンプ１０４の回転数を、通常起動時の回転数よりも下げることにより、通常起動時よりも冷却媒体の供給量を低減させてもよい。従って、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口温度と冷却媒体出口温度とに温度差を発生させることができ、水蒸気の排出が促進され、より乾燥状態を確実に形成することが可能になる。

なお、電極面内の温度のばらつきが大きくなり過ぎるのを防止するために、冷却媒体の最低流量を確保する必要がある。また、所定時間毎に、オン／オフを切り替えることによって、冷却媒体の供給を間欠運転により行ってもよい。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…制御部 ２３…インピーダンス測定部
２４…発電セル ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…セパレータ ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード電極 ３６…カソード電極
３８…水素ガス流路 ４０…空気流路
５０…水素タンク ５２…水素ガス供給路
７８…エアポンプ ８０…空気供給路
８２ａ…供給側開閉弁 ８２ｂ…排出側開閉弁
８４…加湿器 ８８、９６…ＢＰ流量調整弁
９０…空気排出路 ９２…背圧弁
９４…バイパス流路 ９８…空気循環流路
１００…循環ポンプ １１０…温度センサ

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池内に冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置と、
   を備える燃料電池システムの低温時起動方法であって、
   低温起動時には、通常起動時の制御よりも乾燥を促進させる乾燥制御が、所定時間だけ行われることを特徴とする燃料電池システムの低温起動方法。
2. 請求項１記載の低温起動方法であって、前記乾燥制御は、前記燃料電池内を流通する前記冷却媒体の温度が、所定温度を上回るまで継続されることを特徴とする燃料電池システムの低温起動方法。
3. 請求項１又は２記載の低温起動方法であって、前記乾燥制御は、前記燃料電池内を流通する前記冷却媒体の流量を、前記通常起動時の前記冷却媒体の流量よりも低減させることにより行われることを特徴とする燃料電池システムの低温起動方法。
4. 請求項１記載の低温起動方法であって、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガスを加湿して前記燃料電池に供給する加湿器と、前記酸化剤ガスが前記加湿器をバイパスして前記燃料電池に供給されるバイパス流路と、を備え、前記バイパス流路には、該バイパス流路を流通する前記酸化剤ガスの流量を調整するバイパス弁が配置されており、
   前記乾燥制御は、前記バイパス弁の開度を大きくすることにより行われることを特徴とする燃料電池システムの低温起動方法。

Images