JP3378081B2

JP3378081B2 - 燃料電池システムの制御装置

Info

Publication number: JP3378081B2
Application number: JP06073994A
Authority: JP
Inventors: 義博桐木; 正五渡辺; 泰明長谷川; 肇山根
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1994-03-30
Publication date: 2003-02-17
Anticipated expiration: 2018-02-17
Also published as: JPH07272736A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池システムの制
御装置に関し、より詳しくは、固体高分子電解質型燃料
電池の損傷を未然に防止するようにしたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】近時の環境問題すなわち大気汚染に対し
て電気自動車が注目され、蓄電池を搭載した電気自動車
にあっては既に実用化の段階に入っている。しかし、蓄
電池式車両は、電池の蓄電能力との関係で走行距離が比
較的短く、また充電時間が長い等の解決に困難な問題を
有しているため、これを解消し得る電気自動車として燃
料電池式車両の出現が待たれている（特開平２ー１６８
８０３号公報参照）。

【０００３】燃料電池のなかには、米国特許第 4,988,5
83号明細書に見られるように、固体高分子電解質型燃料
電池（ＰＥＦＣ）が知られており、自動車用燃料電池の
今後の展開を考えると、液状電解質の流出を回避できる
点から高分子電解質型燃料電池の採用が望ましいと考え
られる。

【０００４】ところで、固体高分子電解質は、その高分
子膜中に存在する水分子とイオン導電率とが密接な関係
を有し、高分子膜中に水分を含んでいないとイオン伝導
体として機能しないことが知られている。例えば、過フ
ッ素スルホン酸ポリマの電荷担体は水和プロトン（ H⁺
・xH₂O : x=3 程度が有効) である。このため、固体高
分子電解質に水分を供給する手法として、供給ガスを加
湿することが行われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】自動車用動力源として
燃料電池を用いる場合、低負荷から高負荷まで広い範囲
の使用状態に対応できるようにする必要があるが、ここ
で問題となるのが、燃料電池に無理を与えて、燃料電池
を損傷してしまうことである。例えば高分子電解質膜に
含まれる水分量が不足したときには、薄膜電極組立体つ
まり電解質膜と触媒とからなる組立体の性能が劣化して
しまう。この水分量の不足は、例えば低温時あるいは冷
間時に発生し易い。

【０００６】低温時には、その飽和蒸気圧が低いことに
伴って、必要十分な水分を供給ガスに与えることが難し
くなる。燃料電池が所定温度よりも低い冷間時において
も同様に十分な水分量を電解質膜に供給することが難し
くなる。特に、自動車の場合には、使用状況が常に高負
荷で使用されるとは限らず低負荷で使用することが多い
こと、および／又は、燃料電池はエネルギ変換効率が高
いため発電ロスによる発熱量が小さいことから、燃料電
池が所定温度まで昇温するのに時間を必要とするため、
上述した問題に対して何らかの対策が必要となる。

【０００７】そこで、本発明の主なる目的は、燃料電池
の損傷を未然に防止するようにした燃料電池システムの
制御装置を提供することにある。本発明の他の目的は、
水分量不足による燃料電池の損傷を未然に防止するよう
にした燃料電池システムの制御装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を達成するための手段】かかる技術的課題を達成
すべく、第１の発明にあっては、固体高分子電解質型燃
料電池と、該燃料電池の発電状態を監視する発電状態モ
ニタ手段と、該発電状態モニタ手段からの信号を受け、
前記燃料電池の発電電圧が所定値よりも小さいときに、
負荷に供給する電流を制限する電流制限手段とを備え、
前記発電状態モニタ手段が、前記燃料電池の反応温度を
検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電電圧を検
出する電圧検出手段とを含み、前記電流制限手段が、前
記燃料電池の反応温度をパラメータとして保存された最
低電圧値と、前記電圧検出手段が検出した燃料電池の発
電電圧とを比較して、該燃料電池の発電電圧が前記最低
電圧値よりも小さいときに、負荷に供給する電流を制限
する構成としてある。

【０００９】また、負荷変動に伴う発電電圧の変化量
は、燃料電池の温度によって異なる。また、燃料電池に
異常が発生したときには、電圧の変化量が大きなものと
なる。この点に着目して、第２の発明にあっては、固体
高分子電解質型燃料電池と、該燃料電池の温度を検出す
る温度検出手段と、前記燃料電池の発電電圧の変化量を
検出する電圧変化量検出手段と、負荷の消費電流値を検
出する電流検出手段と、前記温度検出手段、前記電圧変
化量検出手段および前記電流検出手段からの信号を受
け、前記燃料電池の温度と前記燃料電池の発電電圧の変
化量とをパラメータとして保存された最大許容電流値に
基づいて電流しきい値を設定し、該電流しきい値と、前
記電流検出手段が検出した消費電流値とを比較して、負
荷の消費電流値が前記電流しきい値よりも大きいとき
に、負荷に供給する電流を制限する構成としてある。

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【作用】第１の発明によれば、前記燃料電池の発電電圧
が所定値よりも小さいときに、負荷に供給する電流を制
限する電流制限手段が設けらえているため、燃料電池の
電圧が異常低下して燃料電池の損傷の問題が発生しまう
のを未然に防止することが可能になる。

【００１３】また、第２の発明について説明すれば、燃
料電池の温度と前記燃料電池の発電電圧の変化量とをパ
ラメータとして保存された最大許容電流値に基づいて電
流しきい値を設定し、該電流しきい値と消費電流値とを
比較して、負荷の消費電流値が前記電流しきい値よりも
大きいときに、負荷に供給する電流を制限するようにし
てあるため、燃料電池が何らかの原因で能力低下をした
としても、それに応じて電流制限が行われるため、燃料
電池の損傷を未然に防止することができる。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【実施例】以下に本発明の実施例を添付した図面に基づ
いて説明する。図１は、車両（図示せず）に搭載された
燃料電池システムの概略を示す。燃料電池システム１０
は燃料電池１２を含み、この燃料電池１２は、水素イオ
ン伝導体を用いた固体高分子電解質型燃料電池が採用さ
れている。燃料電池１２は、ポート１２ａ〜１２ｄを有
し、これらポートのうち、対をなすポート１２ａ、１２
ｂは酸化剤としての空気を供給する空気系１４に接続さ
れ、ポート１２ｃ、１２ｄは燃料としての水素ガスを供
給する水素循環系１６に接続されている。

【００１７】空気系１４は、エアコンプレッサ１８およ
び脱イオンフィルタ２０を有し、エアコンプレッサ１８
で所定圧に加圧された空気はフィルタ２０を通過して浄
化された後にポート１２ａを通って燃料電池１２に供給
され、反応水を含む余剰空気はポート１２ｂから排出さ
れる。水素循環系１６は、ポート１２ｃに接続された供
給管２２と、ポート１２ｄに接続された還流管２４とを
有し、供給管２２の上流端には例えば水素吸蔵合金タン
クのような水素ガス源（図示せず）が接続されて、水素
ガスは図外のガス源から供給管２２、ポート１２ｃを通
って燃料電池１２に供給される。還流管２４は、他端が
供給管２２に接続され、またその途中部分に脱イオンフ
ィルタ２６が介装されて、ポート１２ｄから排出された
余剰水素は還流管２４を通り脱イオンフィルタ２６で浄
化された後に供給管２２に戻される。

【００１８】尚、上述した水素循環系１６には、図示を
省略したが、燃料電池１２に供給する水素ガスを加湿す
る加湿装置例えば純水タンクが配設され、このタンク内
の純水中に水素ガスを通すことにより、水素ガスの加湿
が行われる。また、燃料電池１２は、図示を省略した一
対のポートを有し、この一対のポートを通じて温調水の
循環が行われ、この温調水によって燃料電池１２は所定
温度に維持されるようになっている。

【００１９】図１に示す参照符号３０は制御ユニットを
示し、制御ユニット３０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｒ
ＡＭを備えたマイクロコンピュータで構成されている。
制御ユニット３０には、センサ３２、３４、３６からの
信号が入力される。センサ３２は負荷に与えられている
電流値を検出するものである。センサ３４は、燃料電池
１２（各セル）の発電電圧をモニタするものである。セ
ンサ３６は、燃料電池１２の反応温度を検出するもので
あり、ここでは、水素ガス還流管２６に設けられて、燃
料電池１２から排出された直後の水素ガスの温度を検出
することにより、間接的に燃料電池１２の反応温度の検
出が行われる。尚、センサ３６を空気系１４に設けて、
燃料電池１２から排出された直後の酸素の温度を検出す
るようにしてもよい。他方、制御ユニット３０からは、
電流制限手段３８に向けて制御信号が出力される。

【００２０】制御ユニット３０による制御内容について
説明すると、セル電圧が異常に低いときには、負荷に与
える電流（消費電流）のカットが電流制限手段３８によ
り行われる。より具体的に説明すると、制御ユニット３
０は、燃料電池の反応温度（排出水素ガスの温度）をパ
ラメータとして、許容することのできる最低電圧を各温
度毎に保存したテーブルを用いて、『最低電圧しきい
値』が設定され、この『最低電圧しきい値』とモニタ電
圧とを比較することによって、電流カット制御が行われ
る。すなわち、モニタ電圧が『最低電圧しきい値』より
小さいときには、水分量が不足しているとして、燃料電
池１２を保護するために電流制限手段３８による電流カ
ットが行われ（負荷に供給する電流を遮断）、他方、モ
ニタ電圧が『最低電圧しきい値』以上であるときには、
十分な水分量を含んでおり燃料電池１２の損傷の問題は
発生しないとして、電流制限手段３８による電流カット
の解除が行われる。

【００２１】この制御について、より詳しく説明する
と、水素ガスの加湿量は飽和水蒸気圧によって規制を受
けるため、低温時においては加湿量が不足し易い。加湿
量が不足すると、薄膜電極組立体中に、イオンが流れ易
い部分と流れ難い部分とができ、電流を流し続けると、
結果として薄膜電極組立体を損傷してしまう可能性があ
る。

【００２２】図４は、電流を一定としたときの温度ー電
圧特性を示す。同図において、電流が一定のときには
（Ｉ₃）、温度がＴ₃以下で発電効率が著しく低下す
る。また、電流がＩ₂のときには、温度がＴ₂以下で発
電効率が著しく低下する。また、電流がＩ₁のときに
は、温度がＴ₁以下で発電効率が著しく低下する。した
がって、予め、温度をパラメータとする次のようなテー
ブルを作成し、検出温度に対応する許容最低電圧よりも
低い発電電圧となったときには、電流を制限して、燃料
電池１２を保護するようにしたものである。

【００２３】制御用テーブル温度・・Ｔ₁・・Ｔ₂・・Ｔ₃・・・許容最低電圧・・Ｖ₁・・Ｖ₂・・Ｖ₃・・・

【００２４】他の制御例として、燃料電池の温度（排出
水素ガス温度）と電圧変化量とをパラメータとする最大
許容電流値マップを用いて、『最大電流しきい値』が設
定され、検出した電流値が『最大電流しきい値』以上で
あるときには、燃料電池１２を保護するために電流制限
手段３８により消費電流を『最大電流しきい値』に抑え
る電流制限が行われる。他方、検出した電流値が『最大
電流しきい値』より小さいときには、電流制限手段３８
による電流制限の解除が行われる。

【００２５】この制御について詳しく説明すると、図５
は温度一定のときの電流ー電圧特性を示すものである。
同図から分かるように、一定の負荷変動に伴う電圧変化
量は温度によって異なる。特性線Ａは、高温であって十
分な水分量を含んでいるときのものである（正常）。特
性線Ｂは、低温であって十分な水分量を含んでいるとき
のものである（正常）。また、燃料電池の異常は、発電
電圧に現れる。ちなみに、特性線Ｃは、高温であって水
分量が不足しているときのものである。以上のことか
ら、温度Ｔと電圧変化量ΔＶとをパラメータとした最大
許容電流マップによって、『最大電流しきい値』を設定
し、このしきい値を越えたときには、電流制限を行うよ
うにしたものである。この電流制限に関し、走行中にい
きなり電流の供給を遮断したときには、大きなトルクシ
ョックが発生することになるため、燃料電池１２に損傷
を与えない範囲つまり『最大電流しきい値』に抑える電
流制限を行うようにしたものである。

【００２６】図２、図３は、本発明の第２実施例を示す
もので、本実施例において、上記第１実施例と同一の要
素には同一の参照符号を付すことにより、その説明を省
略し、以下に、本実施例の特徴部分を説明する。本実施
例にあっては、水素循環系１６に直接加湿装置４０を含
み、この加湿装置４０は、水素供給管２２における燃料
電池１２の近傍に配設されている。加湿装置４０は、図
３に示すように、超音波発生器４２とインジェクタ４４
とヒータ４６とで構成されている。超音波発生器４２は
振動子としてのホーン４２ａを有し、インジェクタ４４
はその噴射口４４ａがホーン４２ａに臨ませて配置され
ている。インジェクタ４４には、導水管４８を介して純
水が供給され、このインジェクタ４４の直上流にヒータ
４６が設けられている。ヒータ４６で温められた純水は
インジェクタ４４に供給され、インジェクタ４４からホ
ーン４２ａに向けて純水が噴射される。ここにインジェ
クタ４４は、デュテイ制御によりその噴射量が制御され
る等、現在自動車の燃料噴射に多用されているものと基
本的には同一の構成であるので、その詳細な説明は省略
する。

【００２７】制御ユニット３０から加湿装置４０に向け
て制御信号が出力される。制御ユニット３０による加湿
装置４０の制御内容について説明すると、先ず、ヒータ
４６は、インジェクタ４４に送り込む純水の温度を燃料
電池１２内部の温度と等しくすうように制御される。ま
た、インジェクタ４４は、その噴射量が燃料電池１２の
負荷（センサ３２で検出された消費電流値）に応じた要
求水分量となるようにデュテイ制御される。この制御
は、電流値をパラメータとして保存されている要求水分
量のテーブルを用いて行われる。

【００２８】以上の構成により、燃料電池１２の内部温
度と等しい温度まで温められた純水は、燃料電池１２の
要求水分量がインジェクタ４４から噴射されることか
ら、燃料電池１２の水分不足の発生を抑えることができ
る。また、この噴射された純水は、超音波発生器４２に
よって、その霧化が促進される。そして、霧化状態の純
水は水素ガス供給管２２に導入され、この純水によっ
て、供給管２２を通過する水素ガスが加湿される。

【００２９】以上、本発明の実施例を説明したが、本発
明はこれに限定されることなく、次の変形例を包含する
ものである。すなわち、燃料電池１２の温調水の温度を
検出し、この温調水の温度が所定温度よりも低いときに
は、燃料電池１２が冷間状態にあるとして、電流制限手
段３８により、負荷に与える電流を制限するようにして
もよい。この場合、温調水の温度に応じて、温調水の温
度が高くなるに従って、徐々に負荷に与える電流の制限
量を小さくするようにしてもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、燃料電池の損傷を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の制御に用いられる燃料電
池システムの全体系統図。

【図２】本発明の他の実施例の制御に用いられる燃料電
池システムの全体系統図。

【図３】図２に示す直接加熱装置の拡大断面図。

【図４】第１制御例の理解を助けるための説明図であっ
て、燃料電池の温度と電圧との関係を示す特性図。

【図５】第２制御例の理解を助けるための説明図であっ
て、燃料電池の電流と電圧との関係を示す特性図。

【符号の説明】

１０燃料電池システム１２固体高分子電解質型燃料電池３０制御ユニット３２消費電流検出用センサ３４発電電圧検出用センサ３６反応温度検出用センサ３８電流制限手段４４純水噴射用インジェクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者山根肇広島県安芸郡府中町新地３番１号マツダ株式会社内 (56)参考文献特開昭63−264876（ＪＰ，Ａ) 特開平３−102774（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06 H01M 8/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質型燃料電池と、該燃料電池の発電状態を監視する発電状態モニタ手段
と、該発電状態モニタ手段からの信号を受け、前記燃料電池
の発電電圧が所定値よりも小さいときに、負荷に供給す
る電流を制限する電流制限手段とを備え、前記発電状態モニタ手段が、前記燃料電池の反応温度を
検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電電圧を検
出する電圧検出手段とを含み、前記電流制限手段が、前記燃料電池の反応温度をパラメ
ータとして保存された最低電圧値と、前記電圧検出手段
が検出した燃料電池の発電電圧とを比較して、該燃料電
池の発電電圧が前記最低電圧値よりも小さいときに、負
荷に供給する電流を制限する、ことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】固体高分子電解質型燃料電池と、該燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の発電電圧の変化量を検出する電圧変化量
検出手段と、負荷の消費電流値を検出する電流検出手段と、前記温度検出手段、前記電圧変化量検出手段および前記
電流検出手段からの信号を受け、前記燃料電池の温度と
前記燃料電池の発電電圧の変化量とをパラメータとして
保存された最大許容電流値に基づいて電流しきい値を設
定し、該電流しきい値と、前記電流検出手段が検出した
消費電流値とを比較して、負荷の消費電流値が前記電流
しきい値よりも大きいときに、負荷に供給する電流を制
限する、ことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。