JP5051982B2 - 電流密度分布計測装置を用いた燃料電池の制御 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の電流密度分布を計測する技術に関する。

従来から、燃料電池の流路設計評価や故障検知、品質保証といった種々の目的のためにその電極における電流密度分布の計測を行う方法が提案されている。たとえば特許文献１には、複数の電極をカーボンターミナルを介してセパレータに導通させるとともに、各電極に流れる電流を計測することによってセパレータの電流密度分布を計測する方法が開示されている。さらに、計測された電流密度分布を用いて、異常を検知する技術（特許文献２）や過度に部分的な反応状態を抑制する技術（特許文献３）も提案されている。

特開２００４−１５２５０１号公報 特開２００４−９５３０１号公報 特開平９−２５９９１３号公報

しかし、従来は、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの個体差や経年変化を吸収して、各燃料電池セルにおける電気化学反応制御を最適化することは検討されていなかった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、電流密度分布を計測する計測装置を備えた燃料電池システムにおいて、最適な制御を実現する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために、燃料電池システムの制御装置を提供する。本発明の制御装置において、
前記燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックを備え、
前記制御装置は、前記計測された電流密度分布に基づいて前記燃料電池スタックの内部状態を観測するとともに、前記観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布を均一化するように制御し、
前記流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と前記酸化剤ガスの加湿量のうちの少なくとも１つの操作を含むことを特徴とする。

本発明の制御装置では、計測された電流密度分布に基づいて燃料電池スタックの内部状態を観測するとともに、観測された内部状態に応じて前記燃料電池スタックに供給される流体を操作して前記燃料電池スタックにおける出力電流分布が均一化されるので、燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの個体差や経年変化を吸収して、各燃料電池セルにおける電気化学反応制御の最適化を図ることができる。

上記制御装置において、
前記燃料電池スタックは、固体高分子型燃料電池であり、
前記制御装置は、比較的に上流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてドライアウトを検出するとともに、比較的に下流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてフラッディングを検出し、前記ドライアウトの検出に応じてドライアウト軽減処理を実行し、前記フラッディングの検出に応じてフラッディング軽減処理を実行し、
前記ドライアウト軽減処理は、前記酸化剤ガスの加湿量と前記冷却媒体の流量のうちの少なくとも一方を増大させて、前記ドライアウトを軽減させる処理であり、
前記フラッディング軽減処理は、前記酸化剤ガスの流量の増大と前記酸化剤ガスの加湿量の低減の少なくとも一方を実行して、前記フラッディングを軽減させる処理であるようにしても良い。なお、ドライアウトやフラッディングの検出は、燃料電池スタックから排出されるガスの湿度を計測することによって、より精密に検出するようにしても良い。

なお、本発明は、燃料電池制御方法や、燃料電池スタックの状態観測装置あるいは方法、燃料電池制御のためのコンピュータプログラム、このプログラムを格納する記録媒体、あるいは、この燃料電池システムを搭載した車両などの装置その他の種々の態様で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
Ｂ．変形例：

Ａ．本発明の実施例における燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に酸化ガスとしての空気を供給する空気供給系統３０と、燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを循環させる水素ガス循環系統２０と、水素ガス循環系統２０に水素ガスを供給する水素ガス供給系統４０と、制御部５０とを備えている。制御部５０は、空気供給系統３０、水素ガス供給系統４０、および水素ガス循環系統２０を制御する。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル２００と後述する複数の電流分布測定センサとを複数積層したスタック構造を有する燃料電池である。燃料電池セル２００の各々は、燃料電池内空気流路３５と燃料電池内水素流路２５とを内部に備える。

空気供給系統３０は、燃料電池内空気流路３５に加湿された空気を供給するための系統である。空気供給系統３０は、外気を吸入するブロワ３１と、吸入された空気を加湿する加湿器３９と、この加湿された空気を燃料電池内空気流路３５に供給する加湿空気供給配管３４と、燃料電池内空気流路３５から排気するための排気管３６とを備える。

水素ガス循環系統２０は、水素ガス循環系統２０の内部に水素ガスを循環させるための循環ポンプ２８と、循環ポンプ２８から吐出された水素ガスを燃料電池内水素流路２５に供給する水素ガス供給配管２４と、燃料電池内水素流路２５から水を含んだ水素ガスを気液分離部２９に供給する排ガス配管２６と、水と水素ガスを分離して循環ポンプ２８に水素ガスを供給する気液分離部２９とを備える。水素ガス供給系統４０は、水素ガスを貯蔵する水素タンク４２と、水素ガス循環系統２０への水素ガスの供給を制御する水素バルブ４１とを備える。

図２は、本発明の実施例における燃料電池スタック１０の構成を示す説明図である。燃料電池スタック１０は、固体高分子電解質型の燃料電池である。燃料電池スタック１０は、５枚の燃料電池セル２００を有するサブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄと、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの両端に配置された５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅとを備えている。５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃは、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの境界面における出力電流分布を計測することができる。

各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、空気流量、加湿量、および水素ガス流量を独立して制御できるように構成されている。すなわち、空気供給系統３０やや水素ガス循環系統２０は、空気流量、加湿量、および水素ガス流量を各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ毎に独立して制御できるように構成されている。

本実施例で行われる制御は、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの膜抵抗に関する個体差を吸収して、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの内部において均一な状態で発電できるようにすることを目的の１つとする。膜抵抗に関する個体差とは、フラッディングやドライアウトの発生のし易さを意味している。フラッディングとは、図示しない電解質膜付近での水分が過多となり、ガスの拡散を阻害することで、電池の性能を下げてしまう現象をいう。一方、ドライアウトとは、図示しない電解質膜に供給される水分が不足し、イオン伝導度が下がることで、電池の性能が下がる現象をいう。

固体高分子電解質型の燃料電池は、反応ガス流路における膜抵抗を流路全体に渡って均一に小さくすることが困難である。一般に、流路入口ではドライアウトが生じやすく、流路出口では生成水によってフラッディングが発生しやすいという性質に加えて、燃料電池セル２００の個体差も存在するからである。

図３は、本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の計測方法を示す説明図である。図３では、燃料電池スタック１０は、図が煩雑とならないように電流分布測定センサ１２５ｂ以外の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅの図示が省略されている。燃料電池スタック１０は、さらに、電力を出力するためのエンドプレート１０９、１１１と、エンドプレート１０９と燃料電池セル２００との間に配置されたターミナルプレート１０７と、エンドプレート１１１と燃料電池セル２００との間に配置された図示しないターミナルプレートと、を備えている。エンドプレート１０９、１１１は、負荷１１０に接続されている。

燃料電池セル２００は、本実施例では、膜電極接合体２０２と、膜電極接合体２０２を両側から挟むカーボン製の２つのセパレータ２０３、２０４と、を備えている。２つのセパレータ２０３、２０４には、膜電極接合体２０２側に反応ガスが流れるガス流路（図示せず）が形成されている。燃料電池セル２００は、かかる反応ガスの反応によって電力を生成し、２つのセパレータ２０３、２０４を介して外部に出力する。

図４は、電流分布測定センサ１２５ｂの拡大図である。電流分布測定センサ１２５ｂは、複数の測定用電極１２０を備えている。測定用電極１２０の各々は、ロッド１２８と、ロッド１２８の両端に接続された２つの集電電極１２４、１２７と、電流センサ１２６と、を備えている。５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅは、全て同一の構成を有している。

電流センサ１２６は、本実施例では、磁場の変化を高感度で計測可能なホール素子を利用したセンサである。電流センサ１２６は、ロッド１２８に流れる電流に応じて変化する磁場に応じた電気信号を出力する。制御部５０は、出力された電気信号に基づいて電流密度分布を計測する。ただし、本実施例では、各燃料電池セル２００の全体における均一な運転の実現の目的のために計測が行われるので、電流密度分布の相対的な値が計測されることになる。

なお、燃料電池の電流密度分布の計測は、上述の方法に限られず、たとえば特開２００４−１５２５０１号公報（特許文献１）や特開２００４−９５３０１号公報（特許文献２）、特開平９−２５９９１３号公報（特許文献３）といった他の技術文献に開示された方法を利用することもできる。

図５は、本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の一例を示す説明図である。図５において、横軸と縦軸は、それぞれ燃料電池スタック１０の積層方向における計測位置と電流密度分布とを示している。白丸と黒丸は、それぞれ酸化剤ガス流路における入口側と出口側の流路近傍における電流密度分布の計測値を正規化してプロットしたものである。

この例では、各燃料電池セル２００が最適な状態で制御されている、すなわち、各燃料電池セル２００において、酸化剤ガス入口側流路（図示せず）の近傍と酸化剤ガス出口側流路（図示せず）の近傍とで均一の電流密度分布が計測されている。

図６は、燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でドライアウトが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図である。この例では、酸化剤ガス入口側流路の近傍における電流密度分布が低下している。この低下は、酸化剤ガス入口側流路においてドライアウトが発生していることに起因するものである。

このような場合には、制御部５０（図１）は、たとえば加湿器３９を制御して加湿量を増加することによって、ドライアウトを軽減することができる。

図７は、燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でフラッディングが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図である。この例では、酸化剤ガス出口側流路の近傍における電流密度分布が低下している。この低下は、酸化剤ガス出口側流路において過剰な生成水の発生によるフラッディングが発生していることに起因するものである。

このような場合には、制御部５０（図１）は、たとえば空気供給系統３０を制御して酸化剤ガスとしての空気供給量増加することによって、過剰な生成水をパージしてフラッディングを軽減することができる。さらに、パージ後においては、加湿器３９を制御して加湿量を低減することによって、フラッディングの発生を抑制することができる。

図８は、燃料電池スタック１０でドライアウトとフラッディングの双方が発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図である。この例では、サブスタック１０ａ（図２）でドライアウトが発生するとともに、サブスタック１０ｃでフラッディングが発生している。このように、本実施例では、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの両端に５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅとが備えられているので、各サブスタック１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ毎の内部状態を推定することができる。

このような場合には、制御部５０は、サブスタック１０ａに対しては、ドライアウトを抑制するような制御を行うとともに、サブスタック１０ｃに対しては、フラッディングの解消と、再発生の抑制とを実現するような制御を行うことができる。

このように、本発明の実施例では、燃料電池スタック１０の全体について三次元的に電流密度分布を計測することによって、ドライアウトやフラッディングを検出するとともに、これらを解消するための制御系が実現されている。これにより、燃料電池スタック１０を構成する燃料電池セル２００の個体差や経年変化を吸収して、燃料電池セル２００の全体を効率的に運転することができる。

なお、本実施例では、説明を分かりやすくするために固体高分子電解質型燃料電池におけるドライアウトやフラッディングに着目して、燃料電池スタック１０の内部状態の観測や、この観測に基づく燃料電池システム１００の制御の方法が説明されている。しかし、固体高分子電解質型燃料電池に限られず、他のタイプの燃料電池においても部分的な運転状態を監視することによって、燃料電池セル２００の全体を効率的に運転するような制御系を構成することができる。

Ｂ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｂ−１．上記実施例では、酸化剤ガスの流量と酸化剤ガスの加湿量とが操作されているが、冷却媒体の流量や燃料ガスの流量の流量を操作するように構成しても良い。一般に、本発明における流体の操作は、燃料ガスの流量と酸化剤ガスの流量と冷却媒体の流量と酸化剤ガスの加湿量のうちの少なくとも１つの操作を含めば良い。

冷却媒体の流量操作には、たとえば冷却媒体の流量を少なくして燃料電池スタックの温度を上昇させてフラッディングの発生を抑制させる操作や、冷却媒体の流量を多くして燃料電池スタックの温度を下降させてドライアウトの発生を抑制させる操作が実現可能である。燃料ガスの流量操作には、たとえば燃料ガスの流量を多くして燃料ガス流路の下流における電気化学反応の低下を抑制させる操作や、たとえば燃料ガスの流量を少なくして燃料ガスの利用効率を高める操作が実現可能である。

Ｂ−２．上記実施例では、５枚の電流分布測定センサ１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅを用いて燃料電池スタックの５個所で電流密度分布が計測されているが、電流分布測定センサは１つでも良い。本発明で使用する燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、この積層された燃料電池セルの間に積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する少なくとも１つの電流密度センサを有する燃料電池スタックであれば良い。

Ｂ−３．上記実施例では、流体流路が分割された構成が開示されていないが、たとえば各流体流体の流路を分割して、分割された流体流路毎に最適な制御を行うように構成しても良い。

本発明の実施例における燃料電池システム１００の構成を示すブロック図。 本発明の実施例における燃料電池スタック１０の構成を示す説明図。 本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の計測方法を示す説明図。 電流分布測定センサ１２５ｂの拡大図。 本発明の実施例における燃料電池スタック１０の電流密度分布の一例を示す説明図。 燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でドライアウトが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図。 燃料電池スタック１０の全ての燃料電池セル２００でフラッディングが発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図。 燃料電池スタック１０でドライアウトとフラッディングの双方が発生した状態における電流密度分布の例を示す説明図。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ…サブスタック
２０…水素ガス循環系統
２４…水素ガス供給配管
２５…燃料電池内水素流路
２６…排ガス配管
２８…循環ポンプ
２９…気液分離部
３０…空気供給系統
３１…ブロワ
３４…加湿空気供給配管
３５…燃料電池内空気流路
３６…排気管
３９…加湿器
４０…水素ガス供給系統
４１…水素バルブ
４２…水素タンク
５０…制御部
１００…燃料電池システム
１０７…ターミナルプレート
１０９…エンドプレート
１１０…負荷
１１１…エンドプレート
１２０…測定用電極
１２４…集電電極
１２５ａ、１２５ｂ、１２５ｃ、１２５ｄ、１２５ｅ…電流分布測定センサ
１２６…電流センサ
１２８…ロッド
２００…燃料電池セル
２０２…膜電極接合体
２０３、２０４…セパレータ

Claims (5)

1. 燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料電池システムは、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する複数の電流密度センサが、前記積層方向にわたって所定の間隔で配置された燃料電池スタックを備え、
   前記制御装置は、前記複数の電流密度センサによって計測された前記垂直な面における電流密度分布と、前記積層方向における電流密度分布とに基づいて前記垂直な面内および前記積層方向における前記燃料電池スタック内部の水分状態の不均一性を検出する、制御装置。
2. 請求項１記載の制御装置であって、
   前記燃料電池スタックは、固体高分子型燃料電池であり、
   前記制御装置は、比較的に上流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてドライアウトを検出するとともに、比較的に下流側に近い部位における電流密度分布の低下に応じてフラッディングを検出し、前記ドライアウトの検出に応じてドライアウト軽減処理を実行し、前記フラッディングの検出に応じてフラッディング軽減処理を実行し、
   前記ドライアウト軽減処理は、酸化剤ガスの加湿量と冷却媒体の流量のうちの少なくとも一方を増大させて、前記ドライアウトを軽減させる処理であり、
   前記フラッディング軽減処理は、前記酸化剤ガスの流量の増大と前記酸化剤ガスの加湿量の低減の少なくとも一方を実行して、前記フラッディングを軽減させる処理である、制御装置。
3. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する複数の電流密度センサが、前記積層方向にわたって所定の間隔で配置された燃料電池スタックと、
   請求項１または２に記載の制御装置と、
   を備えることを特徴とする、燃料電池システム。
4. 燃料電池システムの制御方法であって、
   （ａ）コンピュータが、複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する複数の電流密度センサが、前記積層方向にわたって所定の間隔で配置された燃料電池スタックを準備する準備工程と、
   （ｂ）前記コンピュータが、前記複数の電流密度センサによって計測された前記垂直な面における電流密度分布と、前記積層方向における電流密度分布とに基づいて前記垂直な面内および前記積層方向における前記燃料電池スタック内部の水分状態の不均一性を検出する水分状態検出工程と、
   を備える、制御方法。
5. 複数の燃料電池セルが積層されるとともに、前記積層された燃料電池セルの間に前記積層方向に垂直な面における電流密度分布を計測する複数の電流密度センサが、前記積層方向にわたって所定の間隔で配置された燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御をコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムであって、
   前記複数の電流密度センサによって計測された前記垂直な面における電流密度分布と、前記積層方向における電流密度分布とに基づいて前記垂直な面内および前記積層方向における前記燃料電池スタック内部の水分状態の不均一性を検出する水分状態検出機能を前記コンピュータに実現させることを特徴とする、コンピュータプログラム。

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