JP5204465B2

JP5204465B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5204465B2
Application number: JP2007303176A
Authority: JP
Inventors: 昭博鈴木; 英俊大石; 俊二塚林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2007-11-22
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2027-11-22
Also published as: JP2009129684A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

近年、水素（燃料ガス）がアノードに、酸素（酸化剤ガス）がカソードに、それぞれ供給されることで発電する固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）等の燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、その発電電力によって走行する燃料電池自動車や、家庭用電源など広範囲で適用されつつあり、今後もその適用範囲の拡大が期待されている。

このような燃料電池が発電すると、アノードでは式（１）の電極反応が生じ、水素イオンが生成する。そして、この水素イオンは、電解質膜（固体高分子膜）中を、カソード側に透過する。この水素イオンの透過に伴って、水素イオンに水和する水もカソード側に浸透する（電気浸透）。
一方、カソードでは式（２）の電極反応が生じ、水が生成し、この水が、電解質膜中をアノード側に浸透する（特許文献１参照）。
２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

特開２００５−２５１６９６号公報

ここで、特許文献１には、燃料電池に供給されるガス（水素、空気）の加湿状態に応じて、空気を供給するコンプレッサの応答時間を制御することについて記載されているものの、加湿不足の状態では電解質膜のイオン抵抗が高く、このように加湿不足の状態で、要求された発電電力に応じて、燃料電池を発電させると、電解質膜が分解等し、燃料電池が劣化する虞がある。

そこで、本発明は、燃料電池の劣化を好適に防止可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料電池に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、前記加湿手段で加湿され前記燃料電池に向かう、前記燃料ガス又は酸化剤ガスの湿度を検出する湿度センサと、前記燃料電池の発電電力を制限する発電電力制限手段と、前記湿度センサが検出した湿度が、基準湿度よりも低い場合、前記燃料電池の発電電力を制限するように前記発電電力制限手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、要求発電量に基づいて前記基準湿度を算出することを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、湿度センサによって検出され、加湿手段で加湿され燃料電池に向かう、燃料ガス又は酸化剤ガスの湿度が、基準湿度よりも低い場合、制御手段が、燃料電池の発電電力を制限するように発電電力制限手段を制御する。
このようにして、燃料電池の発電電力が制限、つまり、燃料電池の発電が制限されるので、燃料電池を構成する電解質膜（固体高分子膜）の加湿不足下において、燃料電池の過放電（過負荷）を防止し、燃料電池の劣化を好適に防止できる。
また、このような燃料電池システムによれば、要求発電量に基づいて基準湿度を算出し、燃料電池の発電電力を適切に制限できる。

また、前記燃料電池を補助する補助電力供給手段を備え、前記発電電力制限手段により前記燃料電池の発電電力を制限する場合、前記制御手段は、制限した発電電力を補助するように、前記補助電力供給手段を制御することを特徴とする燃料電池システムである。

このような燃料電池システムによれば、発電電力制限手段により燃料電池の発電電力を制限する場合、制御手段は、この制限した発電電力を補助するように、補助電力供給手段を制御する。これにより、外部に供給される電力が不足になることはない。

本発明によれば、燃料電池の劣化を防止可能な燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図１から図３を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す本実施形態に係る燃料電池システム１は、図示しない燃料電池自動車（移動体）に搭載されている。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系（燃料ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系（酸化剤ガス供給手段）と、燃料電池スタック１０の発電電力を消費・アシスト（補助）する電力消費系と、アクセルペダル５１と、これらを電子制御するＥＣＵ６０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは電気的に直列で接続されている。単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟み２枚の導電性を有するアノードセパレータ及びカソードセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソードとを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体から主に構成されると共に、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）を含んでいる。

アノードセパレータには、各ＭＥＡのアノードに対して水素を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１１（燃料ガス流路）として機能している。
カソードセパレータには、各ＭＥＡのカソードに対して空気を給排するための溝や貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がカソード流路１２（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１１を介して各アノードに水素が供給され、カソード流路１２を介して各カソードに空気が供給されると、電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０と走行モータ４１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。
また、このように燃料電池が発電すると、カソードで水分（水蒸気）が生成し、この水分は電解質膜をアノード側に浸透するので、アノードから排出されるアノードオフガス、カソードから排出されるカソードオフガスは、いずれも多湿となる。

＜アノード系＞
アノード系は、水素タンク２１（燃料ガス源）と、加湿器２２（加湿手段）と、湿度センサ２３とを備えている。
水素タンク２１は、配管２１ａ、加湿器２２、配管２２ａを介して、アノード流路１１の入口に接続されており、水素タンク２１の水素が、配管２１ａ等を介して、アノード流路１１に供給されるようになっている。配管２１ａには、水素供給時に開かれる常閉型の遮断弁（図示しない）が設けられている。
アノード流路１１の出口には、配管２２ｂ、加湿器２２、配管２２ｃが順に接続されており、燃料電池スタック１０のアノードから排出されたアノードオフガスが、配管２２ｂ等を介して車外（外部）に排出されるようになっている。

加湿器２２は、ポリイミド等から形成された中空糸膜２２ｄを複数本備えている。そして、加湿器２２は、この中空糸膜２２ｄを介して、アノードから排出された多湿のアノードオフガスと、アノードに向かう水素との間で水分交換し、アノードに向かう水素を加湿するように構成されている。

湿度センサ２３は、配管２２ａに配置されており、加湿器２２で加湿された後、配管２２ａを介して、アノードに向かう水素の湿度を検出するようになっている。そして、湿度センサ２３は、検出した水素の湿度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。

＜カソード系＞
カソード系は、コンプレッサ３１（酸化剤ガス源）と、加湿器３２と、湿度センサ３３とを備えている。
コンプレッサ３１は、配管３１ａ、加湿器３２、配管３２ａを介して、カソード流路１２の入口に接続されており、ＥＣＵ６０の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、カソード流路１２に供給するようになっている。
カソード流路１２の出口には、配管３２ｂ、加湿器３２、配管３２ｃが順に接続されており、燃料電池スタック１０のカソードから排出されたカソードオフガスが、配管２２ｂ等を介して、車外に排出されるようになっている。

加湿器３２は、加湿器２２と同様に、中空糸膜３２ｄを複数本備えている。そして、加湿器３２は、この中空糸膜３２ｄを介して、カソードから排出された多湿のカソードオフガスと、カソードに向かう空気との間で水分交換し、カソードに向かう空気を加湿するように構成されている。

湿度センサ３３は、配管３２ａに配置されており、加湿器３２で加湿された後、配管３２ａを介して、カソードに向かう空気の湿度を検出するようになっている。そして、湿度センサ３３は、検出した空気の湿度を、ＥＣＵ６０に出力するようになっている。

＜電力消費系＞
電力消費系は、走行モータ４１と、電力分配器４２と、ＶＣＵ４３（Voltage Control Unit、発電電力制限手段）と、高圧バッテリ４４とを備えている。走行モータ４１は、電力分配器４２、ＶＣＵ４３を順に介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されている。高圧バッテリ４４は、電力分配器４２に接続されている。

走行モータ４１は、燃料電池自動車の動力源となる外部負荷である。
ＶＣＵ４３は、ＥＣＵ６０からの指令に従って、燃料電池スタック１０の発電電力を制限する機器であり、ＤＣ／ＤＣチョッパ等の電子回路を備えている。
高圧バッテリ４４は、リチウムイオン型の二次電池から構成され、燃料電池スタック１０の余剰電力を充電したり、燃料電池スタック１０の発電を制限する場合に燃料電池スタック１０をアシストしたりするものである。

電力分配器４２は、スイッチング回路等を備えており、ＶＣＵ４３で燃料電池スタック１０の発電電力を制限する場合、ＥＣＵ６０の指令に従って、高圧バッテリ４４の充電電力を放電させ、制限された燃料電池スタック１０の発電電力を補うように、高圧バッテリ４４を放電させる機能を備えている。そして、電力分配器４２は、燃料電池スタック１０からの電力と、高圧バッテリ４４からの電力とを走行モータ４１に供給するようになっている。
なお、本実施形態において、燃料電池スタック１０を補助する補助電力供給手段は、高圧バッテリ４４と、電力分配器４２とを備えて構成されている。

＜アクセルペダル＞
アクセルペダル５１（Accelerator Pedal：ＡＰ）は、運転者が走行要求に応じて踏み込むペダルであり、運転席の足元に配置されている。そして、アクセルペダル５１は、その踏み込み程度に基づいた信号を、ＥＣＵ６０に送り、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて、運転者からの要求発電電力（要求発電量）を検知するようになっている。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ６０（制御手段）は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。
なお、ＥＣＵ６０による具体的制御内容は、図２のフローチャート等を参照して、以下詳細に説明する。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図２を主に参照して、燃料電池システム１の動作を、ＥＣＵ６０に設定されたプログラム（フローチャート）の流れと共に説明する。
なお、前提として、燃料電池システム１は作動しており、燃料電池スタック１０は発電している。また、ここでは、湿度センサ３３が検出する現在における空気の湿度と、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて算出される基準湿度とに基づいて、ＶＣＵ４３により燃料電池スタック１０の発電を制御する場合を例示する。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ６０は、現在のアクセルペダル５１の踏み込み量と図３のマップとに基づいて、現在における運転者からの要求発電電力と基準湿度とを算出する。なお、図３のマップは、事前試験等により求められ、ＥＣＵ６０に予め記憶されている。

要求発電電力とは、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して、燃料電池スタック１０に要求された要求発電量であり、図３に示すように、アクセルペダル５１の踏み込み量が大きいほど、要求発電電力が大きくなる関係となっている。これに対し、「アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して走行モータ４１に供給される電力」は、「燃料電池スタック１０の実際の発電電力」と、「高圧バッテリ４４の放電電力」との和で示される。

基準湿度とは、加湿不足下で燃料電池スタック１０が発電しないように、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて求められ、燃料電池スタック１０に供給される空気の基準湿度である。すなわち、燃料電池スタック１０の発電電力が大きくなると、燃料電池スタック１０の電解質膜中をカソードに向かって透過する水素イオン及びこれに水和する水の移動量が大きくなるので、電解質膜等が加湿不足とならないように、アクセルペダル５１の踏み込み量が大きく、要求発電電力が大きくなると、図３に示すように、カソードに向かう空気の基準湿度が大きくなる関係となっている。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ６０は、湿度センサ３３を介して、カソードに向かう空気の現在の湿度を検出する。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ６０は、カソードに向かう空気の現在の湿度が、ステップＳ１０１で算出された基準湿度よりも低いか否かを判定する。
現在の空気の湿度が、基準湿度よりも低いと判定された場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０４に進む。一方、現在の空気の湿度が、基準湿度よりも低くないと判定された場合（Ｓ１０３・Ｎｏ）、ＥＣＵ６０の処理はステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０で加湿（水分）不足とならないように、ＶＣＵ４３によって、燃料電池スタック１０の発電電力を制限する。さらに説明すると、現在の湿度と、図３のマップとに基づいて、加湿不足とならないように、燃料電池スタック１０の発電電力を下げる。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ６０は、ステップＳ１０４で制限した燃料電池スタック１０の発電電力をアシスト（補助）するため、低下させた発電電力分が高圧バッテリ４４から放電されるように電力分配器４２を制御する。
これにより、電力分配器４２から走行モータ４１には、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応した要求発電電力（燃料電池スタック１０の発電電力＋高圧バッテリ４４の放電電力）が供給される。その結果、走行モータ４１は、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して回転する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。

次に、ステップＳ１０３の判定結果がＮｏとなって進むステップＳ１０６を説明する。
ステップＳ１０６において、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０を通常に発電させる。すなわち、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック１０の発電電力を制限せず、要求発電電力で燃料電池スタック１０が発電するように、ＶＣＵ４３を制御する。
その後、ＥＣＵ６０の処理は、リターンを介して、スタートに戻る。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば、次の効果を得る。
アクセルペダル５１の踏み込み量に対応した要求発電電力に基づいて判定基準となる基準湿度を算出し、カソードに向かう空気の現在の湿度が、前記基準湿度よりも低い場合（Ｓ１０３・Ｙｅｓ）、燃料電池スタック１０の発電電力を制限するので（Ｓ１０４）、加湿不足下での燃料電池スタック１０の発電が防止されると共に、電解質膜の更なる乾燥を防止できる。これにより、電解質膜の分解等による燃料電池スタック１０の劣化を防止できる。その結果、燃料電池スタック１０の耐久性を高めることができる。

なお、アクセルペダル５１からの要求発電量だけでなく、その他補機類（車両用エアコン等）からの要求発電量や、高圧バッテリ４４のＳＯＣ（State Of Charge）も考慮して、燃料電池スタック１０の発電を制限し、その制限量に対応して高圧バッテリ４４を放電する構成としてもよい。

また、燃料電池スタック１０の発電を制限する場合、高圧バッテリ４４を放電させ、その充電電力を走行モータ４１に供給するので、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して走行モータ４１を回転させ、燃料電池自動車を走行させることができる。

さらに、加湿の程度の判定基準となる基準湿度は、アクセルペダル５１の踏み込み量に対応して算出するので、加湿が十分であるか否かについての判定を、適切に実行すると共に、燃料電池スタック１０の発電電力を適切に制限できる。

さらにまた、低温環境下での起動後等では、加湿器２２、３２の温度が低く、燃料電池スタック１０に向かう水素、空気を適切に加湿できない虞があるが、このように燃料電池スタック１０に向かう水素、空気の湿度を実際に検出し、そして、加湿されているか否かについて判定し、燃料電池スタック１０の発電電力を制限するので、燃料電池スタック１０（電解質膜等）の劣化を好適に防止できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば次のように変更することができる。

前記した実施形態では、湿度センサ３３が検出する空気の現在の湿度と、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づく空気の基準湿度とに基づいて、加湿されているか否かについて判定したが、これに代えて、又は加えて、湿度センサ２３が検出する水素の現在の湿度と、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づく水素の基準湿度とに基づいて、判定する構成としてもよい。

前記した実施形態では、判定基準となる基準湿度を、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて算出する構成としたが、基準湿度は事前試験等により予め定められた固定値（例えば、２０％ＲＨ）である構成でもよい。

この構成について図４を参照して、さらに説明すると、ステップＳ２０１において、ＥＣＵ６０は、アクセルペダル５１の踏み込み量に基づいて、要求発電電力のみを算出する。そして、ステップＳ２０２において、ＥＣＵ６０は、予め内部に記憶されている基準湿度を読み出す。その後、湿度センサ３３を介して空気の現在の湿度を検出し（Ｓ１０２）、ステップＳ２０３で、この空気の現在の湿度が基準湿度よりも低いか否かを判定する。

前記した実施形態では、水素又は空気を加湿する加湿手段が、中空糸膜２２ｄ、３２ｄを備える加湿器２２、３２である場合を例示したが、加湿手段はこれに限定されず、例えば、バブリング方式による加湿器でもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が燃料電池自動車に搭載された場合を例示したが、その他に例えば、自動二輪車、列車、船舶に搭載された燃料電池システムでもよい。また、家庭用の据え置き型の燃料電池システムや、給湯システムに組み込まれた燃料電池システムに、本発明を適用してもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。本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。アクセルペダルの踏み込み量と、要求発電電力（基準湿度）との関係を示すマップである。変形例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。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック
２１水素タンク（燃料ガス供給手段）
２２加湿器（加湿手段）
２３湿度センサ
３１コンプレッサ（酸化剤ガス供給手段）
３２加湿器（加湿手段）
３３湿度センサ
４１走行モータ
４２電力分配器（補助電力供給手段）
４３ＶＣＵ（発電電力制限手段）
４４高圧バッテリ（補助電力供給手段）
６０ＥＣＵ（制御手段）

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
前記燃料電池に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを加湿する加湿手段と、
前記加湿手段で加湿され前記燃料電池に向かう、前記燃料ガス又は酸化剤ガスの湿度を検出する湿度センサと、
前記燃料電池の発電電力を制限する発電電力制限手段と、
前記湿度センサが検出した湿度が、基準湿度よりも低い場合、前記燃料電池の発電電力を制限するように前記発電電力制限手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、要求発電量に基づいて前記基準湿度を算出する
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池を補助する補助電力供給手段を備え、
前記発電電力制限手段により前記燃料電池の発電電力を制限する場合、前記制御手段は、制限した発電電力を補助するように、前記補助電力供給手段を制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。