JP5741922B2 - 燃料電池の乾燥抑制方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の乾燥抑制方法に関する。

燃料電池の高温運転時は、空気入口の乾燥によりドライアップによる負電圧で性能が低下し、または出力の低下によるドライバビリティ（いわゆるドラビリ）の悪化が生じる。

このように乾燥してしまうことを抑制する手法の一つとして、水分不足の場合には燃料電池の運転電流を増加させて生成水を増加させ、電解質膜の含水量を増加させるというものがある（例えば特許文献１参照）。

また、セル内の乾燥しやすい部位の局所電流が所定範囲になるよう、温度や加湿量や圧力を制御するという手法もある（例えば特許文献２参照）。

さらに、温度が所定以上ならエア圧力を上げて膜含水量を制御するという手法もある（例えば特許文献３参照）。

特開２００４−２６５８６２号公報 特開２００５−１９０９９７号公報 特開２００８−１３０４７１号公報

しかしながら、特許文献１の場合、燃料電池車の走行に必要なパワーを供給するための電流以上の電流で発電することになるため、燃費が悪化する。また、電流を増加させることで余剰パワーを２次電池に充電せざるを得ず、２次電池のＳＯＣ（State of Charge：バッテリー蓄電状態）が高い時には実施することができない（電流を増加させることができない）。

また、特許文献２の場合、外気温が高くラジエータの冷却能力が不足している場合に温度を制御できない。さらに、加湿量を増やすには加湿するための部品が別途必要でありコスト高となる。また、圧力を増やすとエアコンプレッサの消費電力が増加して燃費が悪化する。

さらに、特許文献３の場合、圧力を増やすとエアコンプレッサの消費電力が増加して燃費が悪化する。

本発明は、総電流を増やすことなく乾燥部分の生成水量を増やすことができる燃料電池の乾燥抑制方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく、本発明者は種々の検討を行った。上述の特許文献１の場合、乾燥していない部分の電流は増加させる必要がないのに、総電流を増加させる手段をとっているため、乾燥していない部分の電流も増加させてしまっていることが上記課題の理由となっている。また、特許文献２の場合、冷却能力に頼った制御をしていること、外部からの加湿に頼った制御をしていること、乾燥抑制手段として、生成水増加でなく蒸気持ち去り量の低減をしていること等が上記課題の理由となっている。さらに、特許文献３の場合、乾燥抑制手段として、生成水増加でなく蒸気持ち去り量の低減をしていることが上記課題の理由となっている。これらに着目した本発明者は、課題の解決に結び付く知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくもので、燃料電池の乾燥を抑制する方法であって、当該燃料電池におけるエアストイキ比を絞るか、または燃料電池電圧を下げることにより、当該燃料電池において乾燥が生じやすい空気入口に発電を偏らせ、当該乾燥部分を発電させた際の生成水で乾燥を抑制し、さらに、燃料電池電圧を下げた場合には、当該燃料電池電圧を下げることによる耐久性や発熱量増加を考慮し、乾燥度に応じて燃料電池電圧の下げ幅を制御する、というものである。

本発明によれば、総電流を増やすことなく乾燥部分の生成水量を増やすことができる。

本発明の一実施形態を示すフローチャートである。 燃料電池における電流密度とセル電圧の関係を示すグラフである。 燃料電池における容量成分と電圧との関係を示すグラフである。 本発明の他の実施形態を示すフローチャートである。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載されることが予定された燃料電池（またはこれを含む燃料電池システム）に本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

ここで、本発明が適用される燃料電池システムは、燃料電池のほか、エアストイキ比を制御する手段、燃料電池（ＦＣ）電圧を制御する手段、乾燥度を推定する手段（燃料電池の容量成分を測定、またはＦＣ温度を測定する手段）等を備えている。

本実施形態では、制御装置により、燃料電池の乾燥を抑制する。以下、乾燥抑制方法を例示する（図１参照）。

本実施形態では、乾燥抑制制御処理の開始後（ステップＳＰ１）、まず、燃料電池車のＩＧ（イグニッション）がＯＮ（オン）かどうかを確認する（ステップＳＰ２）。ＮＯであれば一連の乾燥抑制制御を終了する（ステップＳＰ８）。ＹＥＳならばステップＳＰ３に移行する。

ステップＳＰ３では、図２に示すように電圧降下した場合の燃料電池の容量成分を計算する。なお、燃料電池の容量成分が小さいほどセルが乾燥している。尚かつ、燃料電池のエア入口ほど乾燥しやすい。図２は、燃料電池におけるエア入口の乾燥度を表している。

次に、計算して求められた容量成分が所定値以下かどうかを判断する（ステップＳＰ４）。これにより、乾燥度が一定以上かどうかを判断することができる。ＮＯであれば通常発電を行う（ステップＳＰ７）が、ＹＥＳならばステップＳＰ５にて乾燥抑制処理をする。

ステップＳＰ５では、燃料電池が乾燥しているため乾燥抑制が必要であると判断し、容量成分に応じて、エアストイキ比を絞る、またはＦＣ（燃料電池）電圧を下げるといった処理を実施する（ステップＳＰ５）。容量成分が小さければエア入口の乾燥度が大きいため、エア入口の生成水量をより増やす（＝エア入口に発電を偏らせる）ために、エアストイキ比を絞り、ＦＣ電圧を下げる。また、白金溶出防止のため電圧の変動を少なくしたいので、乾燥度が小さいほどＦＣ電圧の下げ幅を小さくすることが好ましい（図３参照）。なお、エアストイキ比が１ならエア出口は発電せず、エア入口または中央で発電されていることがわかる。ここで、さらにＦＣ電圧を下げると、エア入口側に発電が偏る。

次に、上記処理（ステップＳＰ５）後、所定時間が経過したかどうか、または、再計測した容量成分が所定値以上になっているかどうかを判断する（ステップＳＰ６）。要は、ここでは乾燥抑制ができたかどうかを判断する。

ステップＳＰ６にてＮＯであればステップＳＰ５を繰り返す。ステップＳＰ６にてＹＥＳであれば通常発電をし（ステップＳＰ７）、ステップＳＰ２に戻る。

ここまで説明した本実施形態の乾燥抑制方法によれば、セル内の乾燥していない部分の電流密度を減らし、乾燥した部分の電流密度を増やすことで、総電流を増やすことなく、乾燥部分の生成水量を増やすことができる。

また、本実施形態の乾燥抑制方法は、冷却能力には頼らない方法なので、外気温が高く冷却能力が不足する場合でも実施することができる。

また、本実施形態の乾燥抑制方法は、外部加湿装置を必要としないため、コスト増を招かない。

さらに、本実施形態の乾燥抑制方法は、圧力を増やす必要がないため、エアコンプレッサ消費電力の増加を招かない。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。以下では、ＦＣ温度をパラメータとした乾燥抑制処理の一例を示す（図４参照）。

乾燥抑制制御処理の開始後（ステップＳＰ１１）、まず、燃料電池車のＩＧ（イグニッション）がＯＮ（オン）かどうかを確認する（ステップＳＰ１２）。ＮＯであれば一連の乾燥抑制制御を終了する（ステップＳＰ１８）。ＹＥＳならばステップＳＰ１３に移行する。

ステップＳＰ１３では、ＦＣ温度が所定値以上かどうかを判断する（ステップＳＰ１３）。これにより、乾燥度が一定以上かどうかを判断することができる。ＮＯであればステップＳＰ１２に戻るが、ＹＥＳなら（ＦＣ温度が所定値以上なら）乾燥していると判断してステップＳＰ１４に進む。

ステップＳＰ１４では、前回実施した乾燥抑制制御から所定時間が経過しているかどうかを判断する。ＮＯであればステップＳＰ１２に戻るが、ＹＥＳなら（一定時間が経っていたら）再び乾燥していると判断してステップＳＰ１５に進む。

ステップＳＰ１５では、ＦＣ温度に応じて乾燥抑制処理を実施する。具体的には、エアストイキを絞るか、またはＦＣ電圧を下げる。ここでは、ＦＣ温度が高いほどエア入口が乾燥していると判断し、ＦＣ温度が高い場合ほどエア入口に発電を偏らせてエア入口の生成水量を増やすようにする。

次に、上記処理（ステップＳＰ１５）後、所定時間が経過したかどうかを判断する（ステップＳＰ１６）。所定時間が経っていなければステップＳＰ１５に戻る。所定時間が経っていたら乾燥を抑制することができたと判断し（ステップＳＰ１６でＹＥＳ）、通常発電に戻し（ステップＳＰ１７）、その後ステップＳＰ１２に戻る。

本発明は、燃料電池車等の燃料電池に適用して好適である。

Claims (1)

1. 燃料電池の乾燥を抑制する方法であって、
   前記燃料電池の電圧降下が生じた場合に当該燃料電池の容量成分を計算し、
   該計算した容量成分が所定値以下の場合、当該燃料電池におけるエアストイキ比を絞ることにより、当該燃料電池において乾燥が生じやすい空気入口に発電を偏らせ、当該乾燥部分を発電させた際の生成水で乾燥を抑制し、
   さらに、燃料電池電圧を下げた場合には、当該燃料電池電圧を下げることによる耐久性や発熱量増加を考慮し、乾燥度に応じて燃料電池電圧の下げ幅を制御する、燃料電池の乾燥抑制方法。
   

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