JP2006156280A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 急激な負荷変動を伴う運転においても燃料電池の触媒劣化を抑制する。
【解決手段】 燃料電池システムにおいて、急激な発電の低減要求が検出された場合には（ステップＳ３：ＹＥＳ）、かかる発電の低減要求に基づくコンプレッサ駆動量の制御（ステップＳ９）に先立ち、コンプレッサの回転数を下げてカソードへの空気供給量を減らす（ステップＳ５）。そして、カソードでの空気不足を検知したら（ステップＳ７：ＹＥＳ）、低減した発電要求に基づいてコンプレッサの回転数を制御する（ステップＳ９）。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、急激な負荷変動を伴う運転においても燃料電池の触媒劣化を抑制することのできる技術に関する。

例えば車両の駆動力発生源として、燃料電池を使用した燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムにおいては、駆動モータや各種補機の負荷増大に伴い燃料電池の発電要求が増大すると、燃料電池への反応ガス供給量を増加させて反応ガスの消費を補っている。このとき、燃料電池への酸化ガス供給量は、酸化ガス供給系に設けられたエアコンプレッサの駆動量を制御することにより調整される（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１５２６７９号公報

ところで、燃料電池に接続された負荷（駆動モータ）が高負荷から低負荷へとステップ状に負荷変動した場合（図３（ａ）参照）、燃料電池の発電量が大きい高負荷運転では、燃料電池の触媒は高活性化されたままであり、かつ、プロトンの移動が止まっているため、この時、エアコンプレッサのメカニカルな応答遅れ（図３（ｂ）参照）、またはエアの配管内における流動の影響により、余分な酸素をカソードに供給すると、被酸化ガスが不足した状態となる。この余分な酸素と高活性化された触媒とにより、プロトンの代わりにカソード側の触媒担持カーボンが酸化消失し、触媒が劣化する。

そこで、本発明は、急激な負荷変動を伴う運転においても燃料電池の触媒劣化を抑制することのできる燃料電池システムの提供を目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のカソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、燃料電池に対する発電の低減要求を検出する発電要求検出手段と、発電の低減要求が検出された場合に、発電の低減に先立ち燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給量を減少させる酸化ガス供給制御手段と、を備える。

かかる構成では、発電の低減要求が検出された場合には、まず酸化ガスの供給量を減らし、その後に発電を低減させているので、酸化ガス供給手段の応答遅れ等によるカソードへの余分な酸化ガスの供給が未然に抑制される。

酸化ガスが不足すれば、カソードでの触媒劣化が進行しないため、本発明の燃料電池システムにおいては、酸化ガスの不足を検知した後に発電を低減させてもよい。

かかる構成とすることにより、燃料電池の触媒劣化を招くことなく、発電の低減要求に応じた運転への移行が可能となる。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のカソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、燃料電池に対する発電の低減要求を検出する発電要求検出手段と、発電の低減要求が検出された場合に、所定量の燃料ガスを燃料電池のカソードへ供給する燃料ガス供給手段と、を備えた構成でもよい。

かかる構成とすることにより、酸化ガス供給手段の応答遅れ等によってカソードに余分な酸化ガスが供給されても、カソードに供給された燃料ガスによって酸化ガスを還元することが可能となる。

本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池に対する発電の低減要求が検出されると、発電の低減に先立ち燃料電池のカソードへの酸化ガス供給量を予め減少させておいたり、カソードに燃料ガスを供給して酸化ガスを還元させているので、急激な負荷変動を伴う運転においても、燃料電池の触媒劣化を抑制することが可能となり、燃料電池の長寿命化と発電効率の低下防止を図ることができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の燃料電池システムの第１の実施の形態を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池車両の車載発電システムの他に、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池スタック（燃料電池）１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルの積層体である。各セルは、電解質膜を挟んで水素極（以下、アノード）と酸素極（以下、カソード）とが配置された構成となっている。アノード及びカソードは、例えば白金などの触媒を担持した多孔質のカーボン素材等で構成されている。

セルのカソードには、酸化ガスとしての空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ（酸化ガス供給手段）４１で加圧された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガス）は、配管３６、マフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧は、調圧バルブ２７の開度によって制御される。

セルのアノードには、配管３２を介して水素タンク２０に貯蔵された水素が燃料ガスとして供給される。この水素タンク２０に代えて、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成してアノードに供給する燃料改質器や、水素吸蔵合金等であっても良い。

水素タンク２０に高圧で貯蔵された水素は、その出口に設けられたレギュレータ２１、シャットバルブ２２、一次圧を所定圧に減圧する高圧レギュレータバルブ２３及び低圧レギュレータバルブ２４によって圧力および供給量が調整されて、開閉バルブ２５を経てアノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガス）は、配管３３に流出する。アノードの出口には開閉バルブ２６が設けられている。

配管３３は、その途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出するための排出管３４に接続され、他方は逆止弁２８を介して配管３２に接続されている。アノード出口に接続された配管３３と、そこから分岐して配管３２に接続された配管とで構成される水素循環系には、アノードオフガスを昇圧して配管３２に還流させる水素ポンプ４５が設けられている。

排出管３４に設けられた排出バルブ（パージ弁）２７が閉じられている間、アノードオフガスは、配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効活用することができる。

アノードオフガスの循環中、水素は発電に使用される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードからの電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２７が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通って外部に排出（パージ）され、不純物の循環量が低減する。

燃料電池スタック１０には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。配管３７は、ラジエータ３８の上流にて二つに分岐されており、その一方はラジエータ３８をバイパスし、該ラジエータ３８の下流に設けられたバイパスバルブ３９を介してラジエータ配管と合流している。

制御装置（発電要求検出手段、酸化ガス供給制御手段）５０は、制御コンピュータシステムによって構成されていて、燃料電池システムの各部に設けられたセンサ（アクセルセンサ、車速センサ、圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）、各機器（コンプレッサ４１、水素ポンプ４５等）から制御情報を受け取り、これらの制御情報に基づいて、駆動モータ（負荷）や補機の消費電力等の和からなるシステム要求電力を求め、このシステム要求電力から求めた燃料電池スタック１０の発電要求（出力要求、負荷要求）に出力を一致させるように、燃料電池スタック１０の運転状態を制御する。

具体的には、上記補機類を駆動するインバータを制御することによって、コンプレッサ４１を駆動するモータの回転数を調整して燃料電池への空気供給量を調整するとともに、水素ポンプ４５を駆動するモータの回転数を調整して燃料電池への水素ガス供給量を調整する。

また、制御装置５０は、上記アクセルセンサから取得したアクセル開度信号等の制御情報を用いて、燃料電池スタック１０に接続された負荷（駆動モータ）が必要とする電力の低下に伴う出力低減要求、つまり、燃料電池スタック１０に対する発電の低減要求を検出し、この発電の低減要求が検出された場合には、発電の低減に先立ちコンプレッサ４１の駆動量（回転数）を調整し、カソードへの空気供給量を減らす処理を行い、カソードでの空気不足を検知した後に、低減要求に応じた発電を燃料電池スタック１０に実施させる。

以上のように、本実施形態の制御装置５０は、燃料電池スタック（燃料電池）１０に対する発電の低減要求を検出する発電要求検出手段としての機能と、発電の低減要求が検出された場合に、発電の低減に先立ち燃料電池のカソードへの酸化ガス（水素ガス）の供給量を減少させる酸化ガス供給制御手段としての機能をも兼ね備えている。

次に、図２を参照しながら、制御装置５０による制御フローの要部について説明する。

まず、ステップＳ１において、アクセルセンサや車速センサ等の検出値を読み込み、続くステップＳ３において、これらステップＳ１の読み込み値から、燃料電池スタック１０に対する発電の低減要求を検出する。発電の低減要求が検出される場合としては、燃料電池スタック１０に接続された負荷（駆動モータ）が高負荷から低負荷へとステップ状に負荷が変動する場合、例えば運転者がアクセルを離す等して駆動モータによる加速要求が低下する場合のように、アクセル開度のマイナス変化率が所定値以上となったときに発電の低減要求が検出される。

ステップＳ３の判定結果が「ＮＯ」の場合、言い換えれば、発電の低減要求が検出（予測）されなかった場合にはステップＳ９に進み、ステップＳ１で読み込んだアクセル開度や車速等より求めた発電要求（出力要求、負荷要求）に応じて、コンプレッサ４１及び水素ポンプ４５の回転数（補機動作）を制御する。つまり、発電の低減要求が検出されない場合は、発電要求からカソード及びアノードへの空気供給量及び水素供給量を調整する。

一方、ステップＳ３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合にはステップＳ５に進み、コンプレッサ４１の回転数を発電の低減要求に応じて低下させ、カソードへの空気供給量を減らす。つまり、ステップＳ３で発電の低減要求が検出された場合には、図３（ｃ）に示すように、発電要求に基づくステップＳ９の処理に先立ち、コンプレッサ４１の吐出量を燃料電池スタック１０に対する発電要求の低減量に応じて予め絞っておき、当該コンプレッサ４１が制御信号を受け取ってからのメカニカルな動作遅れ（応答遅れ）、または空気の配管３５内における流動の影響に起因するカソードへの余分な空気供給を抑制する。

続くステップＳ７では、カソードで酸素（酸化ガス）が不足しているかを判定する。カソードで酸素不足が検知される場合としては、例えばセル電圧の状態値（各セル電圧の平均値、最大値、最小値等）が所定値以下である場合がある。そして、ステップＳ７の判定結果が「ＮＯ」の場合、つまり、高活性化されたカソード側の触媒の周囲に、触媒担持カーボンを酸化させ得る余分な酸素が存在する場合には、ステップＳ７の判定を繰り返す。

一方、ステップＳ７の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、つまり、高活性化されたカソード側の触媒の周囲に、触媒担持カーボンを酸化させ得る余分な酸素が存在しない場合には、ステップＳ９に進み、ステップＳ１で読み込んだアクセル開度や車速等より求めた発電要求に応じて、コンプレッサ４１及び水素ポンプ４５の回転数（補機動作）を下げる。つまり、発電の低減要求に応じて、燃料電池スタック１０の発電量を低減させる。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムは、常に発電要求に応じたコンプレッサ制御を実施するのではなく、マイナス方向の負荷変動が大きい場合には、予めコンプレッサ４１の回転数を下げてカソードへの空気供給量を減らしておいてから、発電要求に応じたコンプレッサ制御を実施するので、例えば駆動モータが高負荷から低負荷へとステップ状に負荷変動した場合においても、エアコンプレッサ４１のメカニカルな応答遅れや、空気の配管３５内における流動の影響に起因するカソードへの余分な空気供給が抑制される。

これにより、急激な負荷変動を伴う運転においても燃料電池スタック１０の触媒劣化を有効に抑制し得て、燃料電池スタック１０の長寿命化と発電効率の低下防止が可能となる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の燃料電池システムの第２の実施の形態を示す概略構成図である。この図に示すように、当該燃料電池システムは、図１の燃料電池システムの構成に加えて、所定量の水素ガス（燃料ガス）をカソードへ供給するための水素供給手段（燃料ガス供給手段）６０を備えている。また、図１の制御装置５０の代わりに制御装置５１を備えている。以下、第１の実施形態と共通する構成要素については図１と同一の符号を付してその説明を省略し、相違点を中心に説明する。

水素供給手段６０は、配管３５の所定位置（図４では、加湿器４２の上流）に接続された配管６１と、該配管６１に設けられ制御装置５１からの制御指令に基づき開度が制御されて配管３５への水素ガス供給量を調整する調整弁６２と、図示しない水素供給源（燃料供給源）とを備えてなる。なお、この水素供給源は、水素タンク２０と別物でもよいし、水素タンク２０と共用してもよい。

制御装置５１は、燃料電池システムの各部に設けられたセンサや各機器から制御情報を受け取り、この制御情報に基づいて燃料電池スタック１０の発電要求（出力要求、負荷要求）を求め、この発電要求に出力を一致させるように、燃料電池スタック１０の運転状態を制御する点、および、上記アクセルセンサから取得したアクセル開度信号等の制御情報を用いて、燃料電池スタック１０に接続された負荷（駆動モータ）が必要とする電力の低下に伴う、燃料電池スタック１０に対する発電の低減要求を検出する点においては、上記制御装置５０と共通するが、発電の低減要求が検出された場合に実行する処理が制御装置５０と異なる。

図１の制御装置５０では、発電の低減要求が検出された場合に、発電の低減に先立ちコンプレッサ４１の駆動量（回転数）を調整してカソードへの空気供給量を減らし（図２：ステップＳ５）、その後に燃料電池スタック１０の発電量を低減させている（図２：ステップＳ９）のに対し、本実施形態の制御装置５１では、後述するように、発電の低減要求が検出された場合に、燃料電池スタック１０の発電量を低減させると共に、所定量の水素ガスを配管３５に導入してカソードへ供給している（図５：ステップＳ１７）。

このように、本実施形態の制御装置５１は、燃料電池スタック（燃料電池）１０に対する発電の低減要求を検出する発電要求検出手段としての機能と、発電の低減要求が検出された場合に所定量の水素ガスをカソードへ供給する燃料ガス供給手段を制御する機能を兼ね備えている。

次に、図５を参照しながら、制御装置５１による制御フローの要部について説明する。

ただし、制御装置５０による制御フローと同様の処理を実行するステップについては、それとの対応関係を明記してその説明を簡略化する。

まず、ステップＳ１１（図２：ステップＳ１）において、アクセルセンサや車速センサ等の検出値を読み込み、続くステップＳ１３（図２：ステップＳ３）において、これらステップＳ１１の読み込み値から、燃料電池スタック１０に対する発電の低減要求を検出する。ステップＳ１３の判定結果が「ＮＯ」の場合、言い換えれば、発電の低減要求が検出（予測）されなかった場合にはステップＳ２１（図２：ステップＳ９）に進み、ステップＳ１１で読み込んだアクセル開度や車速等より求めた発電要求（出力要求、負荷要求）に応じて、コンプレッサ４１及び水素ポンプ４５の回転数（補機動作）を制御する。

ステップＳ１３の判定結果が「ＹＥＳ」の場合にも、ステップＳ１５（図２：ステップＳ９）に進み、ステップＳ１１で読み込んだアクセル開度や車速等より求めた発電要求（出力要求、負荷要求）に応じて、コンプレッサ４１及び水素ポンプ４５の回転数（補機動作）を制御する。このステップＳ１５の処理は、ステップＳ１３の判定結果が「ＮＯ」である場合に実行されるステップＳ２１の処理と同じである。

続くステップＳ１７では、調整弁６２を開くと共にその開度を調整し、水素供給源からの水素ガスを配管３５に所定量供給する。この所定量は、コンプレッサ４１の応答遅れ、または空気の配管３５内における流動の影響に起因するカソードへの余分な空気供給量を還元するのに十分な量に設定される。これにより、カソードへは、所定量の水素ガスを含有した水素含有空気が供給されることになるので、燃料電池スタック１０における触媒担持カーボンの酸化、つまり、触媒の劣化を防止することができる。

以上説明したとおり、本実施形態の燃料電池システムでは、ステップＳ１３で急激な発電の低減要求が検出された場合でも、通常運転の場合（ステップＳ２１）と同様、発電要求に応じてコンプレッサ４１の回転数を減少させているので（ステップＳ１５）、コンプレッサ４１の応答遅れや、空気の配管３５内における流動の影響に起因してカソードに余分な空気が供給され得るが、かかる余分な空気に水素ガスを含有させているために、燃料電池スタック１０の触媒劣化を有効に抑制し得て、燃料電池スタック１０の長寿命化と発電効率の低下防止が可能となる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明の範囲に含まれるものである。例えば、発電の低減要求を検知した場合に、配管３５に設けた弁を閉じ側に制御する、つまり、全閉ではなく低発電に対応した開度に制御するように構成してもよい。また、この弁あるいはその上流側にて、燃料電池スタック１０への空気（酸化ガス）を外部に開放する、あるいは燃料電池スタック（燃料電池）１０をバイパスさせることにより、燃料電池スタック１０への酸素供給量を低下させてもよい。

本発明に係る燃料電池システムの第１の実施の形態を示す概略構成図。 図１に示す制御装置による制御フローの要部を説明するフローチャート。 負荷変動（低減）とエアコンプレッサ吐出量との関係を示す説明図。 本発明に係る燃料電池システムの第２の実施の形態を示す概略構成図。 図４に示す制御装置による制御フローの要部を説明するフローチャート。

符号の説明

１０…燃料電池スタック（燃料電池）、４１…コンプレッサ（酸化ガス供給手段）、５０，５１…制御装置（発電要求検出手段、酸化ガス供給制御手段）、６０…水素ガス供給手段（燃料ガス供給手段）

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   燃料電池のカソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   燃料電池に対する発電の低減要求を検出する発電要求検出手段と、
   発電の低減要求が検出された場合に、発電の低減に先立ち燃料電池のカソードへの酸化ガスの供給量を減少させる酸化ガス供給制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 酸化ガスの不足を検知した後に発電を低減させる請求項１記載の燃料電池システム。
3. 燃料電池と、
   燃料電池のカソードへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   燃料電池に対する発電の低減要求を検出する発電要求検出手段と、
   発電の低減要求が検出された場合に、所定量の燃料ガスを燃料電池のカソードへ供給する燃料ガス供給手段と、
   を備える燃料電池システム。

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