JP5099580B2

JP5099580B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5099580B2
Application number: JP2006315868A
Authority: JP
Inventors: 康宏野々部
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008130443A

Description

本発明は燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。

近年、環境問題に対する取り組みの一環として、低公害車の開発が進められており、その中の一つに燃料電池スタックを車載電源とする燃料電池車両がある。燃料電池スタックは、複数のセルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に燃料ガス及び酸化ガスを供給することで電気化学反応が生じ、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。

燃料電池システムにおける電池反応では、水分が生成されるため、水分の凝縮などによりセルの有効電極面積が減少し、膜−電極接合体への反応ガスの拡散が妨げられる虞がある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じ、最も電圧の低いセルが０Ｖ以下まで到達して過放電する虞がある。燃料電池システムを運転する際には、このようなフラッディングや何等かの原因で局所的に発生する反応ガス不足等の状態悪化を検出して、過電流による燃料電池の損傷を事前に防止し、十分な出力が取り出せるように燃料電池の状態を回復させる必要がある。特に、氷点下などの低温始動時においては、セル温度が低下しているため、セルの活性が不安定になりやすく、定格起電力を出力できない場合がある。特開２００４−１６５０５８号公報には、燃料電池起動時の電圧低下要因を特定し、セル電圧回復処理を実施する方法が開示されている。
特開２００４−１６５０５８号公報

しかし、特開２００４−１６５０５８号公報に記載の方法では、予め用意した燃料電池の温度に応じた電流−電圧特性マップを用いて、燃料電池の出力電流に対応する出力電圧（理論値）を算出するとともに、燃料電池の出力電圧（実測値）を電圧センサによって検出し、出力電圧の論理値と実測値とを比較して燃料電池の状態が正常か否かを判定し、異常であると判定されたならば、電圧低下原因が温度に起因するか否かを推定するという方法を採用している。このように、複数の処理ステップを経て電圧低下要因を特定しているので、セル電圧回復処理に長時間を要するという不都合がある。

そこで、本発明は簡便な手法によりセル電圧低下要因を特定することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、複数のセルのそれぞれの出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、燃料電池スタックの出力電流及び出力電圧を制御する電圧変換手段であって、複数のセルのうち何れかのセルが下限閾値電圧を下回ったときに燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増する、電圧変換手段と、掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度を計測する計測手段と、掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度が所定の閾値未満である場合に、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足であると判定する判定手段と、を備える。

本発明の他の観点に係わる燃料電池システムは、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、複数のセルのそれぞれの出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、燃料電池スタックの出力電流及び出力電圧を制御する電圧変換手段であって、複数のセルのうち何れかのセルが下限閾値電圧を下回ったときに燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増する、電圧変換手段と、掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度を計測する計測手段と、掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度が所定の閾値以上である場合に、セル電圧低下要因が燃料ガス供給不足であると判定する判定手段と、を備える。

ここで、判定手段は、燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度が所定の閾値未満である場合に、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足であると判定し、燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度が所定の閾値以上である場合に、セル電圧低下要因が燃料ガス供給不足であると判定する。

本出願人の実験により、燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増させたときの燃料電池スタックの出力電圧の低下速度は、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足の場合よりも、燃料ガス供給不足の場合の方が大きいことが確認されている。かかる実験結果を踏まえれば、燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度と所定の閾値とを比較することにより、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足であるのか、或いは燃料ガス供給不足であるのかを判別できる。

所定の閾値としては、燃料ガス供給不足の状態下において燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増したときの燃料電池スタックの出力電圧低下速度の最小値を用いるのが好適である。

本発明によれば、燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増させたときの燃料電池スタックの出力電圧の低下速度を計測することにより、セル電圧低下要因を判別できるので、簡易な処理でセル電圧低下要因を特定できる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム１０のシステム構成を示す。

燃料電池システム１０は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する燃料ガス配管系３０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給する酸化ガス配管系４０と、電力の充放電を制御する電力系６０と、システム全体を統括制御するコントローラ７０と、を備えている。

燃料電池スタック２０は、例えば、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、更にカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池スタック２０は発電する。

燃料電池スタック２０には、セル電圧検出手段としてのセルモニタ２１が取り付けられている。セルモニタ２１は、燃料電池スタック２０を構成するそれぞれのセルの出力電圧を検出する。

燃料ガス配管系３０は、燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガス（水素ガス）が流れる燃料ガス供給流路３５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を燃料ガス供給流路３５に還流させるための循環流路３６と、循環流路３６内の燃料オフガスを燃料ガス供給流路３５に圧送する循環ポンプ３７と、循環流路３６に分岐接続される排気流路３９とを有している。

燃料ガス供給源３１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば、３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留する。遮断弁３２を開くと、燃料ガス供給源３１から燃料ガス供給流路３５に水素ガスが流出する。水素ガスは、レギュレータ３３やインジェクタ３４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源３１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から構成してもよい。

インジェクタ３４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。

循環流路３６には、排気弁３８を介して、排気流路３９が接続されている。排気弁３８は、コントローラ７０からの指令によって開弁することにより、循環流路３６内の不純物を含む燃料オフガスと水分を外部に排出する。これにより、循環流路３６内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される燃料オフガス中の水素濃度が上がる。

希釈器５０には、排気弁３８及び排気流路３９を介して排出される燃料オフガスと、排出流路４５を流れる酸化オフガスとが流入し、燃料オフガスを希釈する。希釈化された燃料オフガスの排出音は、マフラー５１によって消音され、テールパイプ５２を流れて車外に排気される。

酸化ガス配管系４０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス供給流路４４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる排出流路４５と、を有している。酸化ガス供給流路４４には、フィルタ４１を介して酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ４２と、エアコンプレッサ４２により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器４３と、が設けられている。排出流路４５には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁４６と、加湿器４３とが設けられている。

加湿器４３は、電池反応により生じた水分を多量に含む高湿潤の酸化オフガス（ウェットガス）と、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガス（ドライガス）との間で水分交換をすることにより、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガスを加湿する。

電力系６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、電流センサ６５、及び電圧センサ６６を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、燃料電池車両がトラクションモータ６４により力行走行するときには、バッテリ６２の出力電圧を昇圧してトラクションインバータ６３に直流電力を供給する一方、燃料電池車両がトラクションモータ６４により回生制動するときには、回生した直流電圧を降圧してバッテリ６２を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、燃料電池スタック２０の余剰発電力を蓄電するために燃料電池スタック２０の出力電圧を降圧してバッテリ６２を充電する機能も有する。

バッテリ６２は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ６２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチ（図示せず）から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ（図示せず）から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ（図示せず）から出力される車速信号などを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ６２の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ４２の回転数やインジェクタ３４の弁開度を調整し、燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御して燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ６３に出力し、トラクションモータ６４の出力トルク、及び回転数を制御する。

次に、図２乃至図３を参照しながらセル電圧低下要因の判別方法について概説する。ここで、図２は燃料電池スタック２０の掃引電流Ｉ_SELをステップ状に急増したときの燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖ_SELの変化を示すグラフである。図３は燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性（電流−電圧特性）を示すグラフである。

コントローラ７０は、セルモニタ２１の検出値を一定周期間隔で監視する。そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０の始動時又は運転中において、燃料電池スタック２０を構成する一部のセルのセル電圧が所定の下限閾値電圧を下回ったことを検出すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御し、時刻ｔ₀のタイミングで燃料電池スタック２０の掃引電流Ｉ_SELをＩ₀からＩ₁へステップ状に急増させる。このとき、セル電圧低下要因が反応ガス供給不足にある場合には、図２の実線に示すように、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖ_SELは、時刻ｔ₀のタイミングでＶ₀から急激に低下し始め、やがて上昇に転じて時刻ｔ₂付近でＶ₂に落ち着くことが本出願人の実験により確認されている。

尚、燃料電池スタック２０の発電状態が正常な場合（燃料電池スタック２０に十分な反応ガスが供給されており、セル電圧低下が生じてない場合）には、時刻ｔ₀のタイミングで燃料電池スタック２０の掃引電流Ｉ_SELをＩ₀からＩ₁へステップ状に急増させると、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖ_NOMALは、図２の一点鎖線に示すように、時刻ｔ₀のタイミングでＶ₀から緩やかに低下し、やがて時刻ｔ₁付近でＶ₁に落ち着くことが本出願人の実験により確認されている。

ところで、燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性は、図３に示すような出力特性を有し、このＩ−Ｖ特性は、燃料電池スタック２０の運転状態（例えば、インピーダンスや温度など）に応じて変化することが知られている。コントローラ７０は、燃料電池スタック２０のそれぞれの運転状態に応じてＩ−Ｖ特性をマップデータとして予め保持することにより、ある運転状態におけるＩ−Ｖ特性と出力電流とを基に出力電圧を求めることができる。このＩ−Ｖ特性に示すように出力電流Ｉ₀に対応する出力電圧はＶ₀であり、出力電流Ｉ₁に対応する出力電圧はＶ₁である。この電流−電圧の対応関係は、図２に示すＶ_NOMALの特性曲線に一致している。

さて、本出願人の実験により、燃料電池スタック２０の掃引電流をステップ状に急増させたときの燃料電池スタック２０の出力電圧の低下速度は、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足の場合よりも燃料ガス供給不足の場合の方が大きいことが確認されている。更に燃料ガス供給不足の場合には、セル電圧はゼロ電位を下回ってマイナス電位まで落ち込むが、酸化ガス供給不足の場合には、セル電圧はゼロ電位までしか落ち込まないことが判明している。

酸化ガス供給不足の場合における燃料電池スタック２０の出力電圧低下速度の最低値をＸ₀とし、燃料ガス供給不足の場合における燃料電池スタック２０の出力電圧低下速度の最低値をＸ₁とすると、酸化ガス供給不足の場合には、（１）式が成立し、燃料ガス供給不足の場合には、（２）式が成立する。
Ｘ₀≦ｄＶ_SEL／ｄｔ＜Ｘ₁ …（１）
Ｘ₁≦ｄＶ_SEL／ｄＴ …（２）
尚、ｄＶ_SEL／ｄｔは、燃料電池スタック２０の掃引電流をステップ状に急増させたときの燃料電池スタック２０の出力電圧低下速度を示し、これは、図２において、時刻ｔ₀以降のＶ_SELの下り勾配（単位時間あたりの電圧低下）に相当する。

尚、燃料ガス供給不足の場合には、セル電圧はゼロ電位を下回ってマイナス電位まで落ち込むが、酸化ガス供給不足の場合には、セル電圧はゼロ電位までしか落ち込まないという燃料電池スタック２０の発電特性を加味すると、酸化ガス供給不足の場合には、（３）式が成立し、燃料ガス供給不足の場合には、（４）式が成立する。
Ｘ₀≦ｄＶ_SEL／ｄｔ＜Ｘ₁ 且つＶ_NOMAL−Ｖ_SEL≦Ｙ …（３）
Ｘ₁≦ｄＶ_SEL／ｄＴ且つＹ＜Ｖ_NOMAL−Ｖ_SEL…（４）
尚、Ｙは、酸化ガス供給不足の場合におけるＶ_NOMALとＶ_SELとの電圧差の最大値である。

コントローラ７０は、（１）式及び（２）式の組み合わせ、又は（３）式及び（４）式の組み合わせを用いることにより、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足にあるのか、或いは燃料ガス供給不足にあるのかを判定できる。

図４はセル電圧低下要因判定処理を示すフローチャートである。
コントローラ７０は、セルモニタ２１の検出値を一定周期間隔で読み込むことにより燃料電池スタック２０を構成する一部のセルのセル電圧が所定の下限閾値電圧を下回ったことを検出すると（ステップ４０１；ＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御することにより、燃料電池スタック２０の掃引電流Ｉ_SELをＩ₀からＩ₁へステップ状に急増させる（ステップ４０２）。

そして、コントローラ７０は、電圧センサ６６の検出値を読み込み、燃料電池スタック２０の出力電圧低下速度ｄＶ_SEL／ｄｔを計測する（ステップ４０３）。

コントローラ７０は、上記の（１）式が成立するか否かを判定する（ステップ４０４）。ここで、（１）式が成立するならば（ステップ４０４；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足にあるものと判定する（ステップ４０６）。

（１）式が成立しないならば（ステップ４０４；ＮＯ）、コントローラ７０は、上記の（２）式が成立するか否かを判定する（ステップ４０５）。ここで、（２）式が成立するならば（ステップ４０５；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、セル電圧低下要因が燃料ガス供給不足にあるものと判定する（ステップ４０７）。

（２）式が成立しないならば（ステップ４０４；ＮＯ）、コントローラ７０は、セル電圧低下要因が反応ガス供給不足以外の要因にあるものと判定する（ステップ４０８）。

本実施形態によれば、燃料電池スタック２０の掃引電流Ｉ_SELをステップ状に急増させたときの燃料電池スタック２０の出力電圧低下速度ｄＶ_SEL／ｄｔを計測することにより、セル電圧低下要因を判別できるので、簡易な処理でセル電圧低下要因を特定できる。

尚、本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１及びコントローラ７０は、燃料電池スタック２０の掃引電流Ｉ_SELをＩ₀からＩ₁へステップ状に急増させるための掃引電流制御手段として機能する。電圧センサ６６及びコントローラ７０は、燃料電池スタック２０の出力電圧低下速度ｄＶ_SEL／ｄｔを計測するための計測手段として機能する。コントローラ７０は出力電圧低下速度ｄＶ_SEL／ｄｔに基づいてセル電圧低下要因を判定するための判定手段として機能する。

尚、発明の実施形態を通じて説明された実施例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載の記載に限定されるものではない。例えば、図４に示すフローチャートにおいて、（１）式に替えて（３）式を適用し、（２）式に替えて（４）式を適用してもよい。

また、セル電圧低下要因が燃料ガス供給不足にあるものと判定したならば、コントローラ７０は、燃料ガス供給不足を解消するための処理（例えば、燃料ガス供給圧の昇圧、燃料ガス供給量の増量など）を実行し、セル電圧回復を試みるのが好ましい。燃料ガス供給不足を解消するための処理として、例えば、インジェクタ３４を制御することにより、燃料電池スタック２０へ供給される燃料ガス供給圧を昇圧したり、或いは循環ポンプ３７の回転数を制御することにより、燃料電池スタック２０に流入する燃料ガス流量を増量したりする等の処理を実行する。

一方、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足にあるものと判定したならば、コントローラ７０は、酸化ガス供給不足を解消するための処理（例えば、酸化ガス供給量の増量など）を実行し、セル電圧回復を試みるのが好ましい。酸化ガス供給不足を解消するための処理として、例えば、エアコンプレッサ４２の回転数を制御し、燃料電池スタック２０に流入する酸化ガス供給量を増量する等の処理を実行する。

本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増したときのセル電圧の変化を示すグラフである。燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性を示すグラフである。セル電圧低下要因を判別するための処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム２１…セルモニタ６１…ＤＣ／ＤＣコンバータ６５…電圧センサ６６…電流センサ７０…コントローラ

Claims

複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記複数のセルのそれぞれの出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記燃料電池スタックの出力電流及び出力電圧を制御する電圧変換手段であって、前記複数のセルのうち何れかのセルが下限閾値電圧を下回ったときに前記燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増する、電圧変換手段と、
前記掃引電流をステップ状に急増したときの前記燃料電池スタックの出力電圧低下速度を計測する計測手段と、
前記掃引電流をステップ状に急増したときの前記燃料電池スタックの出力電圧低下速度が所定の閾値未満である場合に、セル電圧低下要因が酸化ガス供給不足であると判定する判定手段と、
を備える燃料電池システム。
複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
前記複数のセルのそれぞれの出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記燃料電池スタックの出力電流及び出力電圧を制御する電圧変換手段であって、前記複数のセルのうち何れかのセルが下限閾値電圧を下回ったときに前記燃料電池スタックの掃引電流をステップ状に急増する、電圧変換手段と、
前記掃引電流をステップ状に急増したときの前記燃料電池スタックの出力電圧低下速度を計測する計測手段と、
前記掃引電流をステップ状に急増したときの前記燃料電池スタックの出力電圧低下速度が所定の閾値以上である場合に、セル電圧低下要因が燃料ガス供給不足であると判定する判定手段と、
を備える燃料電池システム
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記所定の閾値は、燃料ガス供給不足の状態下において前記掃引電流をステップ状に急増したときの前記燃料電池スタックの出力電圧低下速度の最小値である、燃料電池システム。