JP5043559B2

JP5043559B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5043559B2
Application number: JP2007216728A
Authority: JP
Inventors: 晋二郎森田; 純高野; 弘道吉田; 信基小岩
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-08-23
Filing date: 2007-08-23
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-08-23
Also published as: JP2009048974A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

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、アノード側電極（陽極）およびカソード側電極（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。

燃料電池は、アノード側電極（陽極）に反応ガスとしての燃料ガスを供給し、カソード側電極（陰極）に反応ガスとしての酸化剤ガスを供給すると、電気化学反応により発電する。

ところで、以上の燃料電池は、発電要求により必要とされる燃料ガスの量に対して、実際に供給される燃料ガスの量が不足すると、アノード側電極の絶対電位が上昇し、その結果、燃料電池の劣化が促進されることが判明している。
そこで、電解質膜にグランド電位としての参照極を設け、この参照極とアノード側電極との電位差を監視し、この電位差と所定の基準線とが大きく異なると、燃料ガスが不足していると判断して、燃料ガスの供給量を増加させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３３１８９５号公報

しかしながら、燃料ガスは配管を通して燃料電池に供給されるため、特許文献１のように燃料ガスが不足していると判断した後に燃料ガスの供給量を増加させると、燃料ガスの供給量を増加させてからこの増加した燃料ガスが実際に燃料電池で利用されるまでの時間がかかる可能性があった。つまり、燃料ガス供給系の応答時間に遅れが生じる可能性があった。

この応答時間の遅れを低減するために、燃料ガスが不足していると判断しやすくなる方に基準線を設定し、燃料ガスの不足を早期に判断する手法が考えられるが、燃料電池に対する負荷状況の変化によっては、燃料ガスを過剰に供給してしまうおそれがある。

本発明は、燃料ガス供給系の応答の遅れを低減でき、かつ、燃料ガスを過剰に供給するのを防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜の一方の面に設けられたアノード側電極に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電を行い、燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段（例えば、後述の燃料ガス供給量制御部４１）と、前記アノード側電極と所定の参照極との電位差をアノード電位として検出するアノード電位検出手段（例えば、後述のアノード電位検出部４２）と、前記検出したアノード電位の変化率を算出するアノード電位変化率算出手段（例えば、後述のアノード電位変化率算出部４３）と、を備え、前記燃料ガス供給制御手段は、前記算出したアノード電位の変化率が大きいほど、燃料ガスの供給量を大きく増加させることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池のアノード側電極と所定の参照極との電位差をアノード電位として検出し、このアノード電位の変化率を算出する。そして、算出したアノード電位の変化率が大きいほど、燃料ガスの供給量を大きく増加させる。

したがって、アノード電位の変化率に基づいて燃料ガスの供給量を制御したので、アノード電位に基づいて燃料ガスの供給量を制御した場合に比べて、燃料ガスの不足を速やかに予測できるから、燃料ガス供給系の応答の遅れを低減できるうえに、燃料ガスを過剰に供給するのを防止できる。その結果、燃料電池の劣化を抑制でき、さらに、燃料ガスの利用率を向上できる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池の電解質膜の一方の面に設けられたアノード側電極に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電を行い、前記燃料電池の発電電流を制御する発電電流制御手段（例えば、後述の発電電流制御部４５）と、前記アノード側電極と所定の参照極との電位差をアノード電位として検出するアノード電位検出手段（例えば、後述のアノード電位検出部４２）と、前記検出したアノード電位の変化率を算出するアノード電位変化率算出手段（例えば、後述のアノード電位変化率算出部４３）と、を備え、前記発電電流制御手段は、前記算出したアノード電位の変化率が大きいほど、発電電流を大きく減少させることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池のアノード側電極と所定の参照極との電位差をアノード電位として検出し、このアノード電位の変化率を算出する。そして、算出したアノード電位の変化率が大きいほど、発電電流を大きく減少させる。したがって、この発明によれば、上述と同様の効果がある。

本発明によれば、アノード電位の変化率に基づいて燃料ガスの供給量を制御したので、アノード電位に基づいて燃料ガスの供給量を制御した場合に比べて、燃料ガスの不足を速やかに予測できるから、燃料ガス供給系の応答の遅れを低減できるうえに、燃料ガスを過剰に供給するのを防止できる。その結果、燃料電池の劣化を抑制でき、さらに、燃料ガスの利用率を向上できる。

以下、本発明の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の構成を示す概略図である。
燃料電池システム１は、反応ガスとしての燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に燃料ガスを供給する供給装置５０と、これら燃料電池１０および供給装置５０を制御する制御装置４０と、を有する。

燃料電池１０は、膜電極構造体１４と、この膜電極構造体１４を挟持する一対のセパレータ１６および１８と、を備える。
膜電極構造体１４とセパレータ１６、１８との間には、シール部材１９が介装される。

図２は、膜電極構造体１４の斜視図である。
膜電極構造体１４は、電解質膜２６と、この電解質膜２６を挟んで設けられたアノード側電極２８およびカソード側電極３０と、を備える。

電解質膜２６には、燃料ガス供給孔２４ａおよび燃料ガス排出孔２４ｂが設けられており、この燃料ガス供給孔２４ａを通して、アノード側電極２８に燃料ガスが供給され、燃料ガス排出孔２４ｂを通して、アノード側電極２８から使用済みの燃料ガスが排出される。
電解質膜２６のアノード側電極２８側には、グランド電位となる参照極３２が取り付けられている。この参照極３２には、導線３４が接続されている。

図１に戻って、供給装置５０は、燃料電池１０に燃料ガスを供給する燃料ガスタンク５１、イジェクタ５２、流量制御弁５３、および圧力制御弁５４を含んで構成される。

燃料ガスタンク５１は、燃料ガス供給路６１を介して、燃料ガス供給孔２４ａに接続されている。
イジェクタ５２は、この燃料ガス供給路６１に設けられている。
流量制御弁５３は、燃料ガス供給路６１の燃料ガスタンク５１とイジェクタ５２との間に設けられ、流量制御弁５３により、燃料ガスタンク５１からの燃料ガスの供給量が調整される。

また、燃料ガス排出孔２４ｂには、燃料ガス排出路６２が接続され、この燃料ガス排出路６２は、上述のイジェクタ５２に接続されている。イジェクタ５２は、燃料ガス排出路６２から燃料ガスを回収し、燃料ガス供給路６１に還流する。

圧力制御弁５４は、燃料ガス排出路６２に設けられ、この圧力制御弁５４の開度により、燃料電池１０に供給される燃料ガスの圧力を調整する。

上述の燃料ガスタンク５１、流量制御弁５３、および圧力制御弁５４は、制御装置４０により制御される。
また、参照極３２から延びる導線３４は、制御装置４０に接続される。これにより、参照極３２の電位が制御装置４０に入力される。
さらに、セパレータ１８は、制御装置４０に接続される。このセパレータ１８は、アノード側電極２８と同電位となっており、これにより、アノード側電極２８の電位が制御装置４０に入力される。

図３は、制御装置４０のブロック図である。
制御装置４０は、燃料ガス供給制御手段としての燃料ガス供給量制御部４１と、アノード電位検出手段としてのアノード電位検出部４２と、アノード電位変化率算出手段としてのアノード電位変化率算出部４３と、燃料ガス増加量算出手段としての燃料ガス増加量算出部４４と、発電電流制御手段としての発電電流制御部４５と、発電電流減少量算出手段としての発電電流減少量算出部４６と、を備える。

燃料ガス供給量制御部４１は、上述の流量制御弁５３および圧力制御弁５４の開度を調節することにより、燃料電池１０への燃料ガスの供給量を制御する。具体的には、燃料ガスの供給量を増加させることにより、燃料ガスの供給不足を解消する。

アノード電位検出部４２は、アノード側電極２８と参照極３２との電位差をアノード電位として検出する。ここで、アノード側電極２８の電位が変化しても、参照極３２の電位は変化しないため、アノード電位検出部４２で検出したアノード電位は、アノード側電極２８の絶対電位である。

アノード電位変化率算出部４３は、アノード電位検出部４２により算出したアノード電位に基づいて、検出したアノード電位の変化率としての電位上昇度α_Ｅを算出する。

ここで、アノード電位は、燃料ガスの供給量に応じて、図４のように変化することが判明している。

図４は、所定の電流値における、燃料ガスのストイキとアノード電位との関係を示す図である。
燃料ガスのストイキが低い場合では、燃料電池１０の発電要求に対して燃料ガスの供給量が不足し、アノード電位が高くなっている。この状態から燃料ガスのストイキが上昇すると、アノード電位が低下し、燃料ガスのストイキが高い場合では、燃料電池１０の発電要求に対して十分な燃料ガスが供給されており、アノード電位が低くなっている。

このように、燃料ガスのストイキが低下して燃料ガスが不足すると、アノード電位が上昇する、という性質があるので、アノード電位の変化率である電位上昇度α_Ｅを求め、この電位上昇度α_Ｅに基づいて、燃料ガスの増加量および発電電流の減少量を制御する。

具体例として、図５の時刻ｔ０における電位上昇度α_Ｅを求める。
図５は、アノード電位の経時変化の具体例を示す図である。
時刻ｔ０における微小時間をΔｔとすると、電位上昇度α_Ｅは、この微小時間Δｔにおけるアノード電位の上昇量ΔＥを、微小時間Δｔで除することにより算出される。

燃料ガス増加量算出部４４は、アノード電位変化率算出部４３により算出した電位上昇度α_Ｅに基づいて、燃料ガス供給量制御部４１によって制御される燃料ガスの増加量を図６に従って算出する。

図６は、電位上昇度α_Ｅと、燃料ガス供給量制御部４１に指令する燃料ガスの増加量と、の関係を示す図である。
図６に示すように、電位上昇度α_Ｅが増加するに従って、燃料ガスの増加量が増加している。
したがって、燃料ガス増加量算出部４４は、電位上昇度α_Ｅが大きいほど、燃料ガスの増加量を大きくする。

発電電流制御部４５は、燃料電池１０への燃料ガスの供給量を増加できないと判断された場合に、燃料電池１０による発電電流を制御する。具体的には、発電電流を減少させることにより、必要となる燃料ガスの量を減少させる。

発電電流減少量算出部４６は、アノード電位変化率算出部４３により算出した電位上昇度α_Ｅに基づいて、発電電流制御部４５によって制御される発電電流の減少量を図７に従って算出する。

図７は、上述の電位上昇度α_Ｅと、発電電流制御部４５に指令する発電電流の減少量と、の関係を示す図である。発電電流減少量算出部４６は、電位上昇度α_Ｅが大きいほど、発電電流の減少量を大きく算出する。

図８は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。
Ｓ１では、アノード電位検出部４２により、アノード電位を検出する。
続いて、Ｓ２では、アノード電位変化率算出部４３により、検出されたアノード電位の変化率、すなわち電位上昇度を算出する。

Ｓ３では、燃料ガス増加量算出部４４により、燃料電池１０に供給する燃料ガスの増加量を算出し、Ｓ４では、燃料ガスの増加が必要か否かを判定する。
Ｓ４の判定がＹＥＳの場合はＳ５に移り、この判定がＮＯの場合は燃料ガスを増加する必要がないので、Ｓ１に戻る。

Ｓ５では、燃料ガス供給量制御部４１により、燃料ガスの供給量が増加できるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ６に移り、燃料ガス供給量制御部４１により燃料ガスの供給量を増加させた後、Ｓ１に戻る。一方、この判定がＮＯの場合には、燃料ガスの供給量を増加できないので、Ｓ７に移る。

Ｓ７では、発電電流減少量算出部４６により、燃料電池１０における発電電流の減少量を算出する。
Ｓ８では、発電電流制御部４５により、この算出した減少量だけ発電電流が減少できるか否かを判定する。この判定がＹＥＳの場合には、Ｓ９に移り、発電電流制御部４５により発電電流を減少させた後、Ｓ１に戻る。一方、この判定がＮＯの場合には、燃料ガスの不足を燃料ガスの供給量や発電電流の制御によって解消できないので、Ｓ１０に移り、Ｓ１０では燃料電池システム１を停止する。

図９は、燃料電池システム１のタイミングチャートである。
時刻ｔ０からｔ１までの期間、燃料電池の発電電流に対する要求出力は一定値ｄ１である。したがって、この期間では、必要な燃料ガス量は一定値ｇ１であるため、アノード電位は一定値ｅ１となり、燃料ガス増加量の指令値はゼロとなる。
ここで、燃料ガス増加量の指令値は、必要な燃料ガス量に加えて、さらに供給する増加量を示す指令値である。

時刻ｔ１からｔ２の期間、燃料電池の要求出力がｄ１からｄ２へ増加する。すると、この要求出力の大きさに応じて、必要な燃料ガス量がｇ１からｇ２へ増加するが、この必要な燃料ガス量のみを供給すると、応答の遅れにより、燃料ガスが不足する。
従来では、破線で示すように、燃料ガスが不足しても、燃料ガス増加量の指令値は変化しないため、アノード電位は急激に上昇し、ｅ３にまで達する。その後、燃料ガス量の不足が改善されると、アノード電位は、時刻ｔ２の要求出力ｄ２に見合うアノード電位ｅ２に収束する。

しかしながら、本実施形態では、燃料ガスが不足してアノード電位が大きく上昇すると、このアノード電位の変化率に応じて、実線で示すように、燃料ガス増加量の指令値をｃ１まで上昇させる。その後、燃料ガスの供給量不足が改善されて、アノード電位の上昇率が低下すると、燃料ガス増加量の指令値を低下させる。したがって、アノード電位は、従来に比べて、緩やかにｅ２まで増加することになる。
このように、本実施形態では、アノード電位が大きく上昇するのを事前に察知し、燃料ガスの供給量を増加させる。

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１０のアノード側電極２８と所定の参照極３２との電位差をアノード電位として検出し、このアノード電位の変化率を算出する。そして、算出したアノード電位の変化率が大きいほど、燃料ガスの供給量を大きく増加させる。
したがって、アノード電位の変化率に基づいて燃料ガスの供給量を制御したので、アノード電位に基づいて燃料ガスの供給量を制御した場合に比べて、燃料ガスの不足を速やかに予測できるから、燃料ガス供給系の応答の遅れを低減できるうえに、燃料ガスを過剰に供給するのを防止できる。その結果、燃料電池１０の劣化を抑制でき、さらに、燃料ガスの利用率を向上できる。

（２）燃料電池１０のアノード側電極２８と所定の参照極３２との電位差をアノード電位として検出し、このアノード電位の変化率を算出する。そして、算出したアノード電位の変化率が大きいほど、発電電流を大きく減少させる。したがって、（１）と同様の効果がある。

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構成を示す概略図である。前記実施形態に係る膜電極構造体の斜視図である。前記実施形態に係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ガスのストイキとアノード電位との関係を示す図である。前記実施形態に係るアノード電位の経時変化の具体例を示す図である。前記実施形態に係る電位上昇度と燃料ガスの増加量との関係を示す図である。前記実施形態に係る電位上昇度と発電電流の減少量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動作を示すフローチャートである。前記実施形態に係る燃料電池システムのタイミングチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
２６電解質膜
２８アノード側電極
３０カソード側電極
３２参照極
４０制御装置
４１燃料ガス供給量制御部（燃料ガス供給制御手段）
４２アノード電位検出部（アノード電位検出手段）
４３アノード電位変化率算出部（アノード電位変化率算出手段）
４４燃料ガス増加量算出部（燃料ガス増加量算出手段）
４５発電電流制御部（発電電流制御手段）
４６発電電流減少量算出部（発電電流減少量算出手段）

Claims

燃料電池の電解質膜の一方の面に設けられたアノード側電極に燃料ガスを供給するとともに、前記電解質膜の他方の面に設けられたカソード側電極に酸化剤ガスを供給して発電を行う燃料電池システムであって、
燃料電池の発電電流に対する要求出力に応じて燃料ガスの供給量を制御する燃料ガス供給制御手段と、
前記アノード側電極と所定の参照極との電位差をアノード電位として検出するアノード電位検出手段と、
前記検出したアノード電位の上昇率を算出するアノード電位変化率算出手段と、を備え、
前記燃料ガス供給制御手段は、前記算出したアノード電位の上昇率の値が大きいほど、前記供給量に対する燃料ガスの増加量の値を大きく増加させ、当該増加量に応じて増加した燃料ガスの供給に伴い前記上昇率の値が低下すると、前記増加量の値を低下させることを特徴とする燃料電池システム。
前記上昇率の値に応じた前記増加量の分の燃料ガスを増加することができない場合に、前記上昇率の値に基づき発電電流を減少させる発電電流制御手段であって、前記上昇率の値が大きいほど、大きな量の発電電流を減少させ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。