JP5105222B2

JP5105222B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5105222B2
Application number: JP2006315876A
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: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008130444A

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に、燃料電池スタックのセル電圧管理に関するものである。

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。

燃料電池システムを運転する際には、フラッディングによる反応ガス供給不足や膜−電極接合体の乾燥などに起因する発電異常を検出し、十分な出力が取り出せるようにセルの状態を回復させる必要がある。特開２００４−１６５０５８号公報には、セル電圧低下を監視し、セル電圧がある一定の下限電圧閾値を下回ると、出力制限をしつつ、セル電圧回復処理を実行する技術が提案されている。
特開２００４−１６５０５８号公報

しかし、複数のセルを積層してなる燃料電池スタックにおいては、セルの配置場所によって、電圧低下要因が異なるので、全てのセルに対して同一の下限電圧閾値を以ってセル電圧制御を行うと、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることにより運転効率を低下させてしまう虞がある。

そこで、本発明は、このような問題に鑑み、セルの配置場所に応じて、下限電圧閾値、及び下限電圧許容時間閾値を適切に設定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、セル電圧が下限電圧閾値を下回るセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行うセル電圧制御手段と、を備え、燃料電池スタックの略中央部に配置されるセル群の下限電圧閾値は、燃料電池スタックの端部に配置されるセル群の下限電圧閾値よりも低電圧である。セル電圧制御手段は、セル電圧が下限電圧閾値を下回っている時間が下限電圧許容時間閾値を越えているセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行ってもよい。

セルスタック端部（アノード極側端部、及びカソード極側端部）に配置されるセル群の方がセルスタック略中央部に配置されるセル群よりも、セル内、セル間、極間での温度差が生じやすく、フラッディング等に起因する反応ガス供給不足によるセル電圧低下が生じやすい。特に、低温始動時では、燃料ガス供給不足によるセルの損傷を回避する必要性が高いので、セルスタック端部のセル電圧管理を厳重に行う必要がある。

一方、セルスタック略中央部に配置されるセル群では、そのようなフラッディングを起こすことは稀であり、セル電圧低下要因は、主として、電解質膜の乾燥による抵抗増加によるものである。電解質膜の乾燥がセルに与えるダメージは、燃料ガス供給不足がセルに与えるダメージよりも小さいので、セルスタック略中央部に配置されるセル群のセル電圧管理は、セルスタック端部に配置されるセル群のセル電圧管理よりも緩やかにすることができる。

以上の理由から、セルスタック略中央部に配置されるセル群の下限電圧閾値を、セルスタック端部に配置されるセル群の下限電圧閾値よりも低電圧に設定してセル電圧管理を行うことにより、セルスタック略中央部に配置されるセル群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。

また、セルスタック略中央部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値を、セルスタック端部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値よりも長時間に設定してセル電圧管理を行うことにより、セルスタック略中央部に配置されるセル群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。

本発明によれば、セルスタック略中央部に配置されるセル群のセル電圧管理を、セルスタック端部に配置されるセル群のセル電圧管理よりも緩やかにすることで、セルスタック略中央部に配置されるセル群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。

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では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

セルモニタ８０は、燃料電池スタック２０を構成する複数のセルのそれぞれの電圧を検出するためのセル電圧検出手段である。

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に還流せしめるための循環流路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作動することにより、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。排気弁３８の開弁により、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、排気流路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（消音器）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気流路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コンプレッサ４２と、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。排気流路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、多数本の中空糸膜から成る中空糸膜束を収容している。中空糸膜の内部には、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）が流れる一方で、中空糸膜の外部には、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガス（ドライガス）が流れる。酸化ガスと酸化オフガスとの間で中空糸膜を隔てて水分交換が行われることにより、酸化ガスを加湿することができる。

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、及びトラクションモータ６４を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２からの直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６３に出力する機能と、燃料電池スタック２０又はトラクションモータ６４からの直流電圧を降圧してバッテリ６２に充電する機能と、を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

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、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。

コントローラ７０は、セルモニタ８０が検出する各セルのセル電圧を基に、燃料電池スタック２０の発電異常の有無を監視し、発電異常が生じていると判定すると、セル電圧回復処理を実行したり、或いは出力制限をしたりする。セル電圧監視の詳細については、後述する。

図２は燃料電池スタック２０の構造を示す模式図である。
同図に示すように、Ｎ個（Ｎは２以上の整数とする。）のセル２１を積層してなるセルスタックの両端には、電力取り出し用の一対のターミナルプレート２２Ａ，２２Ｂが配置されている。ターミナルプレート２２Ａはアノード極であり、ターミナルプレート２２Ｂはカソード極である。ターミナルプレート２２Ａ，２２Ｂの外側は絶縁プレート２３Ａ，２３Ｂを介して一対のエンドプレート２４Ａ，２４Ｂによって挟持固定されている。それぞれのセル２１には、セル番号が割り当てられており、ターミナルプレート２２Ａからターミナルプレート２２Ｂへ向かってセル番号が増加している。例えば、ターミナルプレート２２Ａに一番に近いセル２１のセル番号は１であり、ターミナルプレート２２Ｂに一番に近いセル２１のセル番号はＮである。

図３は燃料電池スタック２０のセル電圧分布を示すグラフである。
同図において、横軸はセル番号を示し、縦軸はセル電圧を示している。燃料電池スタック２０では、外気に接するエンドプレート２４Ａ，２４Ｂから熱が奪われることにより、セルスタック端部（アノード極側端部、及びカソード極側端部）に配置されるセル群（以下、説明の便宜上、Ａ群と称する。）の方がセルスタック略中央部に配置されるセル群（以下、説明の便宜上、Ｂ群と称する。）よりも、セル内、セル間、極間での温度差が生じやすい。このため、Ａ群では、セルスタック端部に近づく程、セル電圧が低下する傾向が見られる。これは、セル内の温度の低い部分で水分が凝縮し、そこを起点としてフラッディングが発生し、セル電圧低下を引き起こしやすいためである。特に、電池運転を停止してから長時間放置された燃料電池スタック２０内部では、カソード極から電解質膜を介してアノード極に水分が移動するため、低温始動時では、フラッディングによる燃料ガス供給不足が生じる虞がある。燃料ガス供給不足での発電は、セル２１にダメージを与えることが判明しているため、Ａ群では、厳密なセル電圧管理が必要となる。

一方、Ｂ群においては、上記のようなフラッディングを起こすことは稀であり、セル電圧低下要因は、主として、電解質膜の乾燥による抵抗増加（プロトン伝導性低下）によるものである。Ｂ群では、セル内、セル間、極間の温度が少ないので、どのセルも同程度のセル電圧を有している。電解質膜の乾燥がセル２１に与えるダメージは、燃料ガス供給不足がセル２１に与えるダメージよりも小さいので、Ｂ群のセル電圧管理は、Ａ群のセル電圧管理よりも緩やかにすることができる。具体的には、Ｂ群の下限電圧閾値Ｖｔｈ２は、Ａ群の下限電圧閾値Ｖｔｈ１よりも低電圧に設定できる。また、Ｂ群下限電圧許容時間閾値Ｔ２は、Ａ群の下限電圧許容時間閾値Ｔ１よりも長時間に設定できる。ここで、下限電圧閾値とは、発電異常によってセル２１が受けるダメージの観点から、セル電圧の低下を許容し得る最低電圧をいい、下限電圧許容時間閾値とは、発電異常によってセル２１が受けるダメージの観点から、セル電圧が下限電圧閾値を下回った状態を許容し得る最長時間をいう。

図４はセル電圧管理テーブル９０を示す。
セル電圧管理テーブル９０は、Ａ群及びＢ群それぞれの下限電圧閾値、及び下限電圧許容時間閾値を格納するものである。コントローラ７０は、セル電圧管理テーブル９０を保持しており、セルモニタ８０から出力されるセル電圧を基にセル電圧を管理するセル電圧制御手段として機能する。具体的には、コントローラ７０は、Ａ群及びＢ群それぞれのセル電圧が下限電圧閾値を下回っているか否か、セル電圧が下限電圧閾値を下回っている場合には、その時間が下限電圧許容時間閾値を越えているか否かをチェックする。そしてセル電圧が下限電圧閾値を下回っている時間が下限電圧許容時間閾値を越えている場合には、セル電圧回復処理を実行したり、或いは出力電流制限処理を実行したりする。

このように、Ｂ群の下限電圧閾値Ｖｔｈ２を、Ａ群の下限電圧閾値Ｖｔｈ１よりも低電圧に設定してセル電圧管理を行うことにより、Ｂ群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。

また、Ｂ群の下限電圧許容時間閾値Ｔ２を、Ａ群の下限電圧許容時間閾値Ｔ１よりも長時間に設定してセル電圧管理を行うことにより、Ｂ群に対して、必要以上にセル電圧回復処理を実行したり、或いは過度に出力制限をしたりすることによる運転効率低下を回避できる。

また、本実施形態に係わるセル電圧管理によれば、燃料電池スタック２０の出力制限（電流制限）を最小限に抑えることができるので、運転効率の向上を期待できる。また、図３に示すセル電圧分布は、低温始動時に限らず、電池運転中にも見られるものであるから、本実施形態に係わる電圧管理は、低温始動時に限らず、電池運転中にも有効である。

発明の実施形態を通じて説明された実施例や応用例は、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。そのような組み合わせ又は変更若しくは改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが特許請求の範囲から明らかであろう。

例えば、上述の実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態はこの例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。

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構造を示す模式図である。燃料電池スタックのセル電圧分布を示すグラフである。セル電圧管理テーブルの説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム２０…燃料電池スタック７０…コントローラ８０…セルモニタ９０…セル電圧管理テーブル

Claims

複数のセルを積層してなる燃料電池スタックと、
セル電圧が下限電圧閾値を下回るセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行うセル電圧制御手段と、を備え、
前記燃料電池スタックの略中央部に配置されるセル群の下限電圧閾値は、前記燃料電池スタックの端部に配置されるセル群の下限電圧閾値よりも低電圧である、燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記セル電圧制御手段は、セル電圧が前記下限電圧閾値を下回っている時間が下限電圧許容時間閾値を越えているセル群のセル電圧回復処理又は出力電流制限処理を行い、
前記燃料電池スタックの略中央部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値は、前記燃料電池スタックの端部に配置されるセル群の下限電圧許容時間閾値よりも長時間である、燃料電池システム。