JP5114825B2 - 燃料電池システムの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に低温時の起動性を改善した燃料電池システムの運転方法に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

固体高分子型燃料電池の固体高分子電解質が十分な水素イオン導電性を発揮するためには、十分な含水状態を必要とする。このため、燃料電池に供給する燃料ガスまたは酸化剤ガスに加湿することが行われている。

このような燃料電池を氷点下に放置した場合、電解質膜や触媒層中の水分が凍結する。凍結した燃料電池を起動する従来技術としては、電気ヒータや水素燃焼器等により加熱した熱媒体を燃料電池に循環させて、燃料電池温度が設定温度を超えたときに、供給ガスの加湿を始めるという運転方法が公知である（例えば、特許文献１）。
特開２００４−１０３３６７号公報（第５頁、図２）

しかしながら、上記従来の運転方法では、燃料電池凍結時にはヒータで燃料電池を暖機するようにしているので、凍結状態の燃料電池を解凍した場合、燃料電池内部に解けた水分が滞留して水溢れ状態が生じたり、あるいは解けた水分が再凍結することにより、燃料電池のガス通路を閉塞して運転継続できなくなるという問題点があった。

更に解けた水分が燃料電池内部から排出されるのを促進するためには、水分が気体になる程度まで温度を上昇させるのが効果的であるが、外部からヒータなどでスタック内部温度をそのような温度まで昇温するには時間が掛かる。車両のような移動体ではヒータ電力はバッテリから供給するがこのようにヒータで消費し続けるとバッテリ電力が枯渇して、起動できなくなるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、凍結した燃料電池の解凍中に、前記燃料電池から暖機のための発電電流を取り出す燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池システムの起動時に、燃料電池の温度に基づいて燃料電池内部の氷の量の推定値を求め、この氷の量の推定値が大きいほど、前記燃料電池の解凍開始後の発電電流の取り出し開始時期を早め、且つ、この氷の量の推定値が大きいほど、発電電流を小さくすることを要旨とする燃料電池システムの運転方法である。

本発明によれば、燃料電池システムの起動時に、燃料電池暖機が十分でない時に、発電生成水が多く発生して、燃料電池内部に滞留または滞留した水分が凍結して発電継続不能となることを防止できるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

［実施例の構成］
図１は、本発明に係る燃料電池システムの運転方法が適用される燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。

図１において、燃料電池システムは、固体高分子電解質を備えた燃料電池スタック（単に燃料電池、またはスタックとも呼ぶ）４を備えている。水素タンク２に貯蔵された高圧水素は、水素圧力調整弁３で燃料電池の運転圧力まで減圧されて燃料電池スタック４の水素極へ供給される。

酸化剤としての空気は、コンプレッサ等の空気供給装置１から燃料電池スタック４へ供給される。燃料電池スタック４は、水素と空気中の酸素とを電解質を介して電気化学反応させて発電し、発電した電力を電力変換装置９で変換して負荷装置１０または二次電池１３へ供給する。

燃料電池スタック４は水素循環経路をもつ構成である。燃料電池スタック４の水素極入口には、発電に必要な量を超える水素が供給され、未反応の水素は、燃料電池スタック４の水素極出口から排出される。この排出水素は、水素循環路２５と水素循環ポンプ５により燃料電池スタック４の水素極入口に戻して再利用される（循環水素と記す）。燃料電池スタック４の水素極には、水素タンク２から供給される水素と循環水素との混合水素が供給される。循環水素は水蒸気を多く含んでおり、水素タンク２の乾燥した水素と混合して、燃料電池の水素極に供給する水素を加湿するようにしている。この混合水素を供給することにより、燃料電池スタック４の固体高分子電解質を十分加湿できる。

また、本実施例においては、特に限定されないが燃料電池スタック４の解凍手段として、燃料電池スタック４の表面に電気ヒータ２６を設けている。燃料電池スタック４の凍結状態からの起動時には、電気ヒータ２６は、二次電池１３の電力で発熱して燃料電池スタック４を解凍する。

本実施例では電力変換装置９として、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータとを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、燃料電池スタック４の発電電圧から、二次電池１３の充電電圧、またはＤＣ／ＡＣインバータの入力電圧に変換する。ＤＣ／ＡＣインバータは、入力された直流電力を交流電力にエネルギー変換して負荷装置１０へ交流電力を供給する。燃料電池システムを車両に適用した場合には、負荷装置１０は、車両走行用の駆動モータである。

本実施例では電力変換装置９に電力取り出し量を設定して、燃料電池スタック４から負荷電流を取り出すようにしている。電圧センサ６は燃料電池スタック４の電圧を計測するセンサ、電流センサ７は燃料電池スタック４から電力変換装置９に向かって流れる発電電流を測定する電流センサである。

空気圧力調整弁１１は、空気極の圧力を調節する弁、パージ弁１２は水素循環系に蓄積した水や窒素等の不純物を排出するための弁である。

圧力センサ１６、温度センサ１７は、それぞれ水素極入口の圧力、温度を計測する。圧力センサ１８、温度センサ１９は、それぞれ空気極入口の圧力、温度を計測する。

冷却液ポンプ２０は冷却液を循環するポンプ、温度センサ２１、２３は、それぞれ燃料電池の出口、入口の冷却液温度を計測するセンサである。

電流センサ１４，電圧センサ１５はそれぞれ二次電池１３の電流と電圧を計測するセンサ、温度センサ２４は、二次電池１３近傍の温度を計測するセンサである。

また、燃料電池システムを制御するとともに、本発明に係る燃料電池システムの運転方法を実現するコントローラ２７が設けられている。特に限定されないが、本実施例では、コントローラ２７は、ＣＰＵと、プログラム及び制御データを記憶するＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力ポートとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

コントローラ２７の入力ポートには、電圧センサ６，１４，電流センサ７，１５，セル電圧センサ８，圧力センサ１６，１６，温度センサ２１，２２，２３，２４が接続されている。またコントローラ２７の出力ポートには、空気供給装置１，水素圧力調整弁３，水素循環ポンプ５，電力変換装置９，空気圧力調整弁１１，パージ弁１２，冷却液ポンプ２０，及び電気ヒータ２６が接続されている。

コントローラ２７は、これら入力ポートに接続されたセンサ類の検出信号を入力して、燃料電池スタック４及び燃料電池システムの状態を認識し、燃料電池システム全体を制御するとともに、燃料電池スタック４の状態に基づいて燃料電池スタック４の内部の氷の量を推定し、この氷の量の推定値に応じて、燃料電池システムの運転条件を変更する制御を行うものである。

［動作説明］
次に図２の制御フローチャートを参照して、本実施例におけるコントローラの動作を説明する。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０では、温度センサ２３，２１の検出値であるスタック入口、スタック出口の冷却液温度値を読み込み、Ｓ１２で、入口、出口の二つの温度値を比較し、低い方を代表温度とする。次いで、Ｓ１４で、代表温度が所定値（例えば、０℃）より低いか否かを判定することにより、燃料電池スタック４が凍結しているか否かを判定する。

本実施例ではこの段階では、まだ冷却液ポンプ２０は停止しており、燃料電池スタック４に冷却液を流さないとする。このためスタック温度を推定するためにスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度が所定値以下かどうかで判断するようにした。

燃料電池システム停止状態で冷却液を流さない時は、スタック内部と外部で冷却液の移動は無視できる。このため外気に触れるスタック入口冷却液配管とスタック出口の冷却液配管内の冷却液温度のほうがスタック内部温度よりも早く低下する。本実施例ではこのような現象を利用して、スタック冷却液を流さない状態でスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度が所定値以下かどうかでスタック凍結かどうかを判断するようにした。

Ｓ１４の判定で、スタックが凍結していると判定しなかった場合、Ｓ３８へ進み、解凍せずに燃料電池を起動する通常の燃料電池の起動を行う。

Ｓ１４の判定で、スタックが凍結していると判定した場合、Ｓ１６へ進み、代表温度から燃料電池スタック４内部の氷の量を推定して推定値を求める。

Ｓ１６では、まず通常停止後にスタックに残留する水分量からデフォルト値としてスタック内部の氷の量をスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度を参照して求める。本実施例では通常停止後にスタックに残留する水分量は予め実験して見積もっておいたデータを使っている。およびスタック入口とスタック出口の冷却液温度のどちらか低い方の温度と、水分凍結量の関係も予め実験して見積もっておいたデータを使っている。

図３は、氷の量を推定するテーブル値の例である。０℃付近はセンサ誤差等があるので徐々にに氷の量が増えるようにしている。ある程度以下の温度になると氷の量は一定値に落ち着くようにした。本実施例ではこの氷の量の推定値をデフォルト値として、Ｓ１８で氷の量推定値に補正を加えている。

図４は、氷の量推定値を補正するサブルーチンを説明する詳細フローチャートである。図４のＳ５０では、前回停止時の燃料電池出口冷却液温度が所定値以下であったか否かを判定する。温度が所定値以下であった場合、燃料電池スタック内部に多くの水分を含んだ状態で凍結したと判断し、Ｓ５２へ進む。Ｓ５２では、前回の停止温度が低いほど補正値Ｃ１が大きくなるようにＣ１を算出し、Ｓ５６へ進む。図５（ａ）は、Ｓ５２で補正値Ｃ１の算出に用いる関数、またはマップの例を示す図である。Ｓ５０の判定で、前回停止時の温度が所定値を超えていれば、Ｓ５４で補正値Ｃ１に０を設定し、前回停止時の温度による氷の量推定値を補正しないこととし、Ｓ５６へ進む。

図４のＳ５６では 前回停止時に燃料電池出口冷却液温度が所定値以下の時間が所定時間以上継続していたか否かを判定する。前回の停止前に温度が所定値以下で継続した時間が長いほどスタック内部に多くの水分を含んだ状態で凍結したと判断する。Ｓ５６の判定がＹｅｓの場合、Ｓ５８へ進み、継続時間が長いほど氷の量推定値の補正値Ｃ２が大きくなるように算出する。Ｓ５６の判定がＮｏの場合、Ｓ６０へ進み、補正値Ｃ２に０を設定して、Ｓ６２へ進む。

図４のＳ６２では 前回停止時の水飛ばしパージ時間が所定値以下であったか否かを判定する。水飛ばしパージは、燃料電池スタック４内部のガス流路等に滞留する水滴を吹き飛ばすために、燃料ガス流量を大きくして燃料ガスと共に水滴をスタック外へ排出する運転操作である。前回の停止前に水飛ばしパージ時間を継続した時間が短いほどスタック内部に多くの水分を含んだ状態で凍結したと判断する。Ｓ６２の判定がＹｅｓの場合、Ｓ６４へ進み、パージ継続時間が短いほど補正値Ｃ３が大きくなるように算出して、Ｓ６８へ進む。Ｓ６２の判定がＮｏの場合、Ｓ６６で補正値Ｃ３に０を設定して、Ｓ６８へ進む。

図４のＳ６８では、燃料電池システムの運用開始時からこれまでに燃料電池スタック４が凍結したと判定された回数が多いほど、氷の量推定値の補正値Ｃ４が大きくなるように算出する。燃料電池スタック４内部の触媒層が凍結すると、氷が膨張して触媒層に歪を生じる。その後氷が溶けても歪は完全に元に戻らないため、触媒層中に水分が滞留しやすい“穴”が多く生じる。このため燃料電池スタック４が凍結したと判定された回数が多いほど、スタック内部に多くの水分を含んだ状態で今回凍結していると判断することができる。図５（ｂ）は、Ｓ６８で補正値Ｃ４の算出に用いる関数、またはマップの例を示す図である。

図４のＳ７０では、前回の停止時から今回の起動までに、スタック冷却液温度（スタック入口と出口との温度の低い方の代表値）が所定温度以下となった状態が所定時間以上継続したか否かを判定する。低温環境で燃料電池の運転を停止した場合には、燃料電池スタック４内部の熱容量の影響でスタック内部温度はスタック冷却液温度よりも温度低下が遅いのでスタック内部温度が水分凍結温度まで低下するのに時間がかかる。外部温度が０℃付近の場合、燃料電池内部温度が０℃付近を継続した時間が長いほど燃料電池内部の隅々の水分が凍結する。外部温度が０℃以下の場合で現在の燃料電池内部温度も０℃以下の場合、燃料電池内部温度が０℃付近を継続した時間が長いほど燃料電池内部に多量の水分が存在してその水分凍結が凍結状態となる。この液体の水分が多いと固相と液相が共存する０℃付近で温度が維持される時間が長くなる。

このような現象を考慮して、Ｓ７０の判定がＹｅｓの場合Ｓ７２へ進み、所定温度以下となった状態が継続した時間が長いほど補正値Ｃ５が大きくなるように算出する。図５（ｃ）は、Ｓ７２で補正値Ｃ５の算出に用いる関数、またはマップの例を示す図である。

Ｓ７０の判定がＮｏの場合、Ｓ７４で補正値Ｃ５に０を設定して、Ｓ７６へ進む。

図４のＳ７６では、補正値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５を図２のＳ１６で推定した氷の量推定値に加算して氷の量を補正し、メインルーチンへリターンする。

図２のＳ１８で氷の量を補正した後、Ｓ２０で、氷の量に基づいて、半解凍状態で発電を開始するまでに解凍手段から燃料電池スタック４に与える熱量を算出する。図６は、Ｓ２０で算出する発電開始熱量の算出テーブル例である。氷の量が多いほど、解凍手段（電気ヒータ２６）で燃料電池スタックに与えた熱量が少ない量で発電電流取り出しを開始するように設定する。言い換えれば、スタック内部の氷の量が多いほど目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするようにしたので、目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするほど発電による生成水が少なくなり、氷で邪魔されて生成水が排出されずスタック内部で滞留して水溢れ状態になることを防止できるという効果がある。

次いでＳ２２で、発電開始した時に燃料電池スタック４から取り出す目標暖機電流の大きさを算出する。図７は、この目標暖機電流の大きさを算出するテーブルの例である。氷の量が多いほど、目標暖機電流を小さい値に設定する。前述したＳ２０では、スタック内部の氷の量が多いほど目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするようにしたので、Ｓ２２の結果は、目標発電電流取り出し開始タイミングを早くするほど目標発電電流を小さくすることになり、氷で邪魔されて生成水が排出されずスタック内部で滞留して水溢れ状態になることを防止できるという効果がある。

次いで、Ｓ２４で、解凍手段により燃料電池スタック４の解凍を開始する。本実施例では、解凍手段として、燃料電池スタック４の表面に電気ヒータ２６を設けている。電気ヒータ２６の電源は、二次電池１３を用い、コントローラ２７の制御により電気ヒータ２６への通電を開始することで燃料電池スタック４の解凍を開始する。

次いでＳ２６で、解凍のために電気ヒータ２６から燃料電池スタック４に加えた熱量の積算を行う。本実施例では、電気ヒータ２６から燃料電池スタック４へ与えた熱量積算値によって、どの程度氷が融けた状態かを推定するようにして、解凍中の氷の量を推定するようにした。

次いで、Ｓ２８において、積算熱量がＳ２０で算出した発電開始熱量以上となったか否かを判定し、積算熱量が発電開始熱量以上となった場合、Ｓ３０へ進み、燃料ガス圧力の増減タイミングを設定する。発電電流を取り出すとスタック内部が暖められるため氷として存在していた水分が液体となってガス流路などに出てくるようになる。このままの状態では水溢れ状態となるので、ガス圧力を一気に高圧から低圧にして流速の急減な変化を生じさせてスタック内部に滞留する水分をスタック外へ排出するようにする。

本実施例では燃料ガス圧力を増減する制御周期を設けて、高い圧力を維持する時間を制御周期に対する％で与えるようにした。１００％と与えると高い圧力のままでガス圧力を下げる場面は起きない。８０％と与えると制御周期を例えば６０［ｓ］とすると４８［ｓ］高い圧力を維持し、１２［ｓ］低い圧力を維持するようになる。具体例は図９に示す。本実施例では目標暖機電流取り出し時の目標運転圧力が高いので制御周期毎に一時的に低い目標圧力に運転圧力を下げるようにした。さらに図８に示すように氷の量が多いほど燃料ガス圧力を増減する制御周期が短くなるようにした。水分の排出がきめ細かくできるようにするためである。

次いでＳ３２で、燃料ガス流量の増減タイミングを設定する。発電電流を取り出すとスタック内部が暖められるため氷として存在していた水分が液体となってガス流路などに出てくるようになる。このままでは水溢れ状態となるので、ガス流量を一気に低流量から高流量にして流速の急減な変化を生じさせてスタック内部に滞留する水分をスタック外へ排出するようにする。

本実施例では燃料ガス流量を増減する制御周期を設けて、低い流量を維持する時間を制御周期に対する％で与えるようにした。１００％と与えると低い流量のままで流量を上げる場面は起きない。８０％と与えると制御周期を例えば６０［ｓ］とすると４８［ｓ］低い流量を維持し、１２［ｓ］高い流量を維持するようになる。具体例は図１１に示す。

本実施例では目標暖機電流取り出し時の目標運転流量が低いので制御周期毎に一時的に高い目標流量へ上げるようにした。さらに図１０に示すように氷の量が多いほど燃料ガス流量を増減する制御周期が短くなるようにした。水分の排出がきめ細かくできるようにするためである。

Ｓ３４では、Ｓ３０で設定した燃料ガス圧力増減タイミングまたはＳ３２で設定した燃料ガス流量増減タイミングで燃料ガス（水素）及び空気の供給を開始すると共に、燃料電池スタック４から電力変換装置９へ目標暖機電流の取り出しを開始する。これにより、燃料電池スタック４の内部では、目標暖機電流の発電のための反応熱が発生し、スタック内部からも暖機を行うことができるようになる。このとき取り出した電力は、主として起動のために消費した二次電池１３の電力を充電するために使用される。

次いで、Ｓ３６で燃料電池スタック４の暖機が完了したか否かを判定する。この判定は、例えばスタック出口温度センサ２１の検出値が所定温度（例えば、１℃）以上になったか否かにより判定する。Ｓ３６の判定で暖機が完了していない場合、Ｓ３４へ戻り目標暖機電流の取り出しを継続する。Ｓ３６の判定で暖機が完了した場合、通常運転へ移行する。

本発明に係る運転方法が適用される燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。 本発明に係る燃料電池システムの運転方法を説明する制御フローチャートである。 燃料電池スタックの冷却液出入口の温度に対する燃料電池スタック内部の氷の量推定値を算出するマップの例である。 氷の量補正サブルーチンを説明する詳細フローチャートである。 氷の量補正値の算出マップの例である。 氷の量に対する発電開始する解凍熱量積算値のマップ例である。 氷の量に対する目標暖機電流のマップ例である。 氷の量に対する燃料ガス圧力制御周期のマップ例である。 暖機時の燃料ガス圧力のタイムチャート例である。 氷の量に対する燃料ガス流量制御周期のマップ例である。 暖機時の燃料ガス流量のタイムチャート例である。

符号の説明

１：空気供給装置
２：水素タンク
３：水素圧力調整弁
４：燃料電池スタック
５：水素循環ポンプ
６：電圧センサ
７：電流センサ
８：セル電圧センサ
９：電力変換装置
１０：負荷装置
１１：空気圧力調整弁
１２：パージ弁
１３：二次電池
１４：電圧センサ
１５：電流センサ
１６、１８：圧力センサ
１７，１９：温度センサ
２０：冷却液ポンプ
２１〜２４：温度センサ
２５：水素循環路
２６：電気ヒータ
２７：コントローラ

Claims (6)

1. 凍結した燃料電池の解凍中に、前記燃料電池から暖機のための発電電流を取り出す燃料電池システムの運転方法であって、
   燃料電池システムの起動時に、燃料電池の温度に基づいて燃料電池内部の氷の量の推定値を求め、この氷の量の推定値が大きいほど、前記燃料電池の解凍開始後の発電電流の取り出し開始時期を早め、且つ、この氷の量の推定値が大きいほど、発電電流を小さくすることを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
2. 燃料電池システムの前回停止時の温度が低いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正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の運転方法。
3. 燃料電池温度が所定温度以下の状態を継続した時間が長いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正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の運転方法。
4. 燃料電池が凍結した回数が多いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正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の運転方法。
5. 前回停止時に水飛ばしパージを行った時間が短いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正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の運転方法。
6. 前回の停止から今回の起動までに燃料電池温度が所定温度以下である状態を継続した時間が長いほど、前記氷の量の推定値が大きくなるように補正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の運転方法。

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