JP5469047B2

JP5469047B2 - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP5469047B2
Application number: JP2010276306A
Authority: JP
Inventors: 裕嗣松本; 卓也白坂; 幸一郎宮田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: US20110171548A1; JP2011165655A; US9166239B2; EP2357700A1; EP2357700B1

Description

本発明は、起動時に燃料電池の劣化を抑制するための処理を行う燃料電池装置に関する。

近時、電力源として水素と酸素とを用いる燃料電池が注目されている。この燃料電池の起動時には、アノード流路への水素の供給が開始されて、アノード流路内の空気が水素に置換される。そして、このようにアノード流路内の空気が水素に置換される過程において、アノード流路の入口側の水素が充満した領域Ａと出口側の空気が充満した領域Ｂで酸化還元反応が生じる。

そして、この酸化還元反応により領域Ａと領域Ｂで起電力が生じ、領域Ａと領域Ｂの電位差によって、カソードの触媒層の白金が高電位になり、白金の溶出が助長されて電解質膜が劣化する。

そこで、燃料電池の起動時に、アノード流路内が水素で充満されたことを検知したときに、カソードの電位を一定時間以上０．６Ｖ以下に維持することで、カソードの触媒層から流出した白金を再析出させ、これにより電解質膜の劣化を抑制する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−６４６８１号公報

上記特許文献１に記載された手法においては、燃料電池の起動時にアノード流路内に水素が充満されたことを、燃料電池のセル電圧が０．９Ｖを超えたか否かにより判断している。そのため、セル電圧が０．９Ｖ付近まで上昇したときには、すでに電解質膜の劣化が生じているおそれがある。また、アノード流路内に水素が充満された後にカソードの電位を０．６Ｖ以下に維持した場合に、燃料電池の出力電流が不安定になるおそれがある。

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、燃料電池の起動時に電解質膜の劣化が生じること、及び燃料電池の出力電流が不安定になることを抑制した燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置した複数の膜電極構造体により構成された燃料電池スタックと、アノード電極への燃料ガスの供給流量を調整する燃料ガス調節手段と、カソード電力への酸化剤ガスの供給流量を調節する酸化剤ガス調節手段と、前記燃料電池スタックから、前記燃料電池スタックに接続された電気負荷への供給電流を調節する電流調節手段と、燃料電池スタックの起動制御を行うと共に、該起動制御が終了した後に、所定の目標電流が前記燃料電池スタックから電気負荷に供給されるように、アノード電極への燃料ガスの供給流量及びカソード電極への酸化剤ガスの供給流量を制御する通常配電制御を実行する制御手段とを備えた燃料電池装置に関する。

そして、前記制御手段は、前記起動制御において、アノード電極への燃料ガスの供給を開始してからアノード電極のガス流路に燃料ガスが満たされるまでの間、前記電流調節手段により、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記通常配電制御における前記燃料電池スタックの発電動作に必要な最小電流よりも大きい電流が供給される状態とすることを特徴とする（第１発明）。

第１発明によれば、前記制御手段は、前記起動制御において、アノード電極のガス流路に燃料ガスが満たされるまでの間、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記通常配電制御の実行時に前記電気負荷に供給される前記最小電流よりも大きい電流が供給される状態とする。そして、このように、燃料電池スタックから電気負荷に対して、前記通常配電制御の実行時に前記電気負荷に供給される最小電流よりも大きい電流が供給される状態とすることによって、燃料電池スタックのセル電圧が高電圧になることを防止して、起動時における前記燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。

また、前記制御手段は、前記起動制御において、アノード電極のガス流路に燃料ガスが満たされた時から、アノード電極のガス流路の出口部と入口部を連通したアノード出口流路にまで燃料ガスが満たされる時間を想定して決定された待ち時間が経過した時に、前記電流調節手段により、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記最小電流よりも大きい電流が供給される状態とする処理を終了して、前記通常配電制御に移行することを特徴とする（第２発明）。

第２発明によれば、前記アノード出口流路に燃料ガスが満たされるまで、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記最小電流よりも大きい電流が供給される状態を維持することによって、前記アノード電極内で燃料ガスと酸化剤ガスとの酸化還元反応が生じることをより確実に防止して、電解質膜の劣化を抑制することができる。

また、前記燃料電池スタックの温度を認識するスタック温度認識手段を備え、前記制御手段は、前記起動制御において、前記燃料電池スタックの温度が氷点よりも高いときに限定して、前記電流調節手段により、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記通常配電制御における前記燃料電池スタックの発電動作に必要な最小電流よりも大きい電流が供給される状態とすることを特徴とする（第３発明）。

第３発明において、前記燃料電池スタックの温度が氷点以下であるときに、前記燃料電池スタックを起動するときには、前記燃料電池スタック内部の水分の凍結により、前記燃料電池スタックの本来の発電性能が発揮され難い状況になっている場合がある。そして、このような状況下では、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して大きい電流を供給したときの発電安定性の確保が困難になる。

そこで、前記制御手段は、前記起動制御において、前記燃料電池スタックの温度が氷点よりも高いときに限定して、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記通常配電制御における前記燃料電池スタックの発電動作に必要な最小電流よりも大きい電流が供給される状態とする。そして、これにより、低温状況で前記燃料電池スタックを起動するときの発電安定性を確保することができる。

また、前記制御手段は、前記制御手段は、前記起動制御の実行中は、前記カソード電極に供給される酸化剤ガスの流量を一定流量に維持することを特徴とする（第４発明）。

第４発明によれば、前記カソード電極に供給される酸化剤ガスの流量を一定流量に維持することで、前記燃料電池スタックの出力電圧が不安定になることを抑制することができる。

本発明の燃料電池装置の全体構成図。燃料電池スタックの起動制御及び通常配電制御のフローチャート。燃料電池スタックの起動時のタイミングチャート。

本発明の実施形態の一例について、図１〜３を参照して説明する。図１を参照して、本実施形態の燃料電池装置は、燃料電池スタック２０、燃料電池スタック２０に燃料ガスとして水素を供給するためのアノード入口流路４０、燃料電池スタック２０に酸化剤ガスとして空気を供給するためのカソード入口流路５１、燃料電池スタック２０のアノード電極２２及びカソード電極２３と接続されて、燃料電池スタック２０から電気負荷３１に供給される電流を調節する電流調節素子（トランジスタ、ＦＥＴ等。本発明の電流調節手段に相当する）３０、及び、燃料電池装置の全体的な制御を行うＥＣＵ（Electronic Control Unit、本発明の制御手段に相当する）６０を備えている。

燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質膜２１をアノード電極２２とカソード電極２３で挟んだ電解質膜・電極構造部（膜電極構造体）を有し、この電解質膜・電極構造部を図示しないセパレータと交互に積層してスタックを構成している。この場合、電解質膜・電極構造部とセパレータの間にガス流路が形成される。

アノード入口流路４０は図示しない水素タンクと接続され、遮断弁４３、レギュレータ４４、及びイジェクタ４５が設けられている。そして、ＥＣＵ６０から出力される制御信号によって、遮断弁４３及びレギュレータ４４の作動が制御されて、アノード電極２２への水素の供給流量が調節される。

また、アノード電極２２の出口とイジェクタ４５間は、アノード出口流路４１で接続され、これにより、使用されずにアノード電極２２から排気された水素が、イジェクタ４５からアノード電極２２に再供給される。また、アノード出口流路４１にはパージ弁４６が接続されている。

アノード出口流路４１のアノード電極２２との接続箇所の付近には、アノード出口流路４１に排出されるガス（アノード排出ガス）の温度を検出するアノード排気温度センサ４２が設けられている。ここで、アノード排出ガスの温度は、燃焼電池スタック２０の温度とほぼ同一であり、両温度は比例関係にある。そのため、ＥＣＵ６０は、アノード排気温度センサ４２の温度検出信号から、燃料電池スタック２０の温度を認識することができる。

なお、ＥＣＵ６０が、このように、アノード排気温度センサ４２の検出温度に基づいて燃料電池スタック２０の温度を認識する構成が、本発明のスタック温度認識手段に相当する。また、スタック温度認識手段を、燃料電池スタック２０の内部に温度センサを設けて、燃料電池スタック２０の温度を直接検出する構成としてもよい。或いは、スタック温度認識手段を、燃料電池スタック２０を構成する複数のセルの発電状況から特定群のセルの温度を推定し、この推定温度に基づいて燃料電池スタック２０の温度を認識する構成としてもよい。

カソード入口流路５１にはエアポンプ５０が接続されている。そして、ＥＣＵ６０から出力される制御信号によりエアポンプ５０の回転数が制御されて、カソード入口流路５１からカソード電極２３に供給される空気の流量が調節される。

ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等により構成された電子ユニットであり、該ＣＰＵに燃料電池装置の制御用プログラムを実行させることによって、ＥＣＵ６０は本発明の制御手段として機能する。ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック２０を起動（発電運転の開始）するときに後述する起動制御を実行し、起動制御を完了すると、電気負荷３１からの要求電流に応じて設定された目標電流が、燃料電池スタック２０から電気負荷３１に供給されるように、アノード電極２２への水素の供給流量とカソード電極２３への空気の供給流量とを制御する通常配電制御に移行する。

次に、図２に示したフローチャートに従って、ＥＣＵ６０による燃料電池スタック２０の起動制御と通常配電制御の処理について説明する。

ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック２０の起動操作（燃料電池装置が燃料電池車両に搭載されたものであるときは、運転者によるスタートスイッチの操作等）がなされると、ＳＴＥＰ１で、遮断弁４３を開弁すると共にレギュレータ４４により水素の供給圧力を調節して、アノード電極２２に水素を供給する起動パージを開始する。

続くＳＴＥＰ２で、ＥＣＵ６０は、起動パージが完了したか、即ちアノード電極２２内が水素で満たされたか否かを判断する。なお、起動パージの完了は、水素の供給を開始した時からの経過時間や燃料電池スタック２０のセル電圧の変化等によって判断する。そして、起動パージが完了しているときはＳＴＥＰ３に進み、起動パージ完了後の経過時間を計時してＳＴＥＰ４に進む。一方、起動パージが完了していないときにはＳＴＥＰ３に進まず、ＳＴＥＰ４に分岐する。

ＳＴＥＰ４で、ＥＣＵ６０は、アノード排気温度センサ４２の温度検出信号に基づいて燃料電池スタック２０の温度を認識する。続くＳＴＥＰ５で、ＥＣＵ６０は、燃料電池スタック２０の温度が氷点よりも高いか否かを判断する。そして、燃料電池スタック２０の温度が氷点よりも高いときはＳＴＥＰ６に進み、燃料電池スタック２０の温度が氷点以下であるときにはＳＴＥＰ２０に分岐する。

ＳＴＥＰ２０で、ＥＣＵ６０は低温起動処理を実行してＳＴＥＰ９に進む。低温起動処理は、発電安定性を優先して燃料電池スタック２０を作動させる処理である。また、ＳＴＥＰ６で、ＥＣＵ６０は、起動パージ完了時からの経過時間が所定時間（起動パージが完了した時から、アノード出口流路４１内まで水素が満たされるまでに要する時間を想定して設定される）以上となったか否かを判断する。

そして、起動パージ完了時からの経過時間が所定時間以上となったときは、アノード電極２２内に水素の層と空気の層が存在することにより生じる酸化還元反応によって、電解質膜２１の劣化が生じるおそれがない。そのため、この場合には、ＳＴＥＰ３０に分岐し、ＥＣＵ６０は、電流指令値に応じて設定される発電指令により、水素と酸素の供給流量を決定する通常配電制御を実行する。

それに対して、ＳＴＥＰ６で、起動パージ完了時からの経過時間が所定時間に達していないとき、ＳＴＥＰ７に進む。そして、ＥＣＵ６０は、電気負荷３１への配電準備が完了しているか否か（電気負荷３１側が受電可能な状態となっているか否か）を判断する。

ＳＴＥＰ７で配電準備が完了していないときには、ＳＴＥＰ４０に分岐し、ＥＣＵ６０は、電流制御素子３０に対する電流指令値をゼロ（電流供給停止）とし、カソード電極２３への空気の供給流量を所定空気流量（一定流量）とする。

また、ＳＴＥＰ７で配電準備が完了していたときには、ＳＴＥＰ８に進み、ＥＣＵ６０は、電流調節素子３０に対する電流指令値を所定電流値とし、カソード電極２３への空気の供給流量を所定空気流量（一定流量）とする。

ここで、所定電流値は、燃料電池スタック２０のアイドリング時の電流値、すなわち、燃料電池スタック２０がアイドリング状態であるときに、燃料電池スタック２０から電気負荷３１に供給される電流値（燃料電池スタック２０の発電運転に必要な最小電流値、例えば燃料電池２０の発電運転に使用される電装補機の作動に必要な電流値）よりも大きい電流値に設定される。

このように、起動パージの実行時及び起動パージが完了してから所定時間が経過するまでの間に、燃料電池スタック２０から電気負荷３１にアイドリング時よりも大きな電流を供給することによって、カソード電極２３が高電位となって電解質膜２１が劣化することを抑制することができる。

次に、図３は、起動制御が実行されているときの燃料電池スタック２０のセル電圧、燃料電池２０から電気負荷３１への供給電流、及びカソード電極２３への空気の供給流量の推移を、横軸を時間（ｔ）として表したタイミングチャートである。図３において、ｔ_０が起動指示がなされた時点、ｔ_１が配電準備が完了して燃料電池スタック２０から電気負荷３１への電流供給が開始された時点、ｔ_２はアノード電極２２及びアノード出口流路４１内に水素が満たされて、起動制御から通常配電制御に移行した時点を示している。

図３から、ｔ_１〜ｔ_２の期間での燃料スタック２０から電気負荷３１への電流供給により、燃料電池２０のセル電圧の上昇が抑えられて、電解質膜２１の劣化が抑制されていることがわかる。また、カソード電極２３への空気の供給流量を一定とすることで、燃料電池２０から電気負荷３１に供給される電流が、安定性ＯＫ電流閾値以下で安定している。

なお、本実施の形態では、図２のＳＴＥＰ３〜６で起動パージの完了時から所定時間が経過した時に、起動制御から通常配電制御に移行したが、起動パージの完了時に起動制御から通常配電制御に移行するようにしてもよい。

また、起動制御を行っているときに、カソード電極への空気の供給流量を一定としたが、該供給流量を変更する場合であっても本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、図２のＳＴＥＰ５で燃料電池スタック２０の温度Ｔfcが氷点よりも高いか否かを判断し、燃料電池スタック２０の温度Ｔfcが氷点よりも高いときに限定して、ＳＴＥＰ８の燃料電池スタック２０から電気負荷３１にアイドリング時よりも大きな電流を供給する処理を実行したが、この判断を行わずにＳＴＥＰ８の処理を実行する場合にも本発明の効果を得ることができる。

１０…燃料電池システム、２０…燃料電池スタック、２１…電解質膜、２２…アノード電極、２３…カソード電極、３０…電流調節素子、３１…電気負荷、４２…アノード排気温度センサ、４４…レギュレータ、５０…エアポンプ、６０…ＥＣＵ。

Claims

ガス流路を有するアノード電極及びカソード電極を、電解質膜を挟んで配置した複数の膜電極構造体により構成された燃料電池スタックと、
アノード電極への燃料ガスの供給流量を調整する燃料ガス調節手段と、
カソード電力への酸化剤ガスの供給流量を調節する酸化剤ガス調節手段と、
前記燃料電池スタックから、前記燃料電池スタックに接続された電気負荷への供給電流を調節する電流調節手段と、
燃料電池スタックの起動制御を行うと共に、該起動制御が終了した後に、所定の目標電流が前記燃料電池スタックから電気負荷に供給されるように、アノード電極への燃料ガスの供給流量及びカソード電極への酸化剤ガスの供給流量を制御する通常配電制御を実行する制御手段とを備えた燃料電池装置であって、
前記制御手段は、前記起動制御において、アノード電極への燃料ガスの供給を開始してからアノード電極のガス流路に燃料ガスが満たされるまでの間、前記電流調節手段により、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記通常配電制御における前記燃料電池スタックの発電動作に必要な最小電流よりも大きい電流が供給される状態とすることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１記載の燃料電池装置において、
前記制御手段は、前記起動制御において、アノード電極のガス流路に燃料ガスが満たされた時から、アノード電極のガス流路の出口部と入口部を連通したアノード出口流路にまで燃料ガスが満たされる時間を想定して決定された待ち時間が経過した時に、前記電流調節手段により、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記最小電流よりも大きい電流が供給される状態とする処理を終了して、前記通常配電制御に移行することを特徴とする燃料電池装置。
請求項１記載の燃料電池装置において、
前記燃料電池スタックの温度を認識するスタック温度認識手段を備え、
前記制御手段は、前記起動制御において、前記燃料電池スタックの温度が氷点よりも高いときに限定して、前記電流調節手段により、前記燃料電池スタックから前記電気負荷に対して、前記通常配電制御における前記燃料電池スタックの発電動作に必要な最小電流よりも大きい電流が供給される状態とすることを特徴とする燃料電池装置。
請求項１から請求項３のうちいずれか１項記載の燃料電池装置において、
前記制御手段は、前記起動制御の実行中は、前記カソード電極に供給される酸化剤ガスの流量を一定流量に維持することを特徴とする燃料電池装置。