JP2006244821A - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタック２の経時劣化を確認した際に燃費や航続距離に影響の少ない酸化ガス側のストイキを上昇させて、燃料電池スタックの使用期間を延長する燃料電池システム及びその制御方法を提供する。
【解決手段】酸素を含有する酸化ガス及び水素を含有する燃料ガスを反応させて電力を生成する燃料電池スタック２と、燃料電池スタック２の運転状態から燃料電池スタック２の電流・電圧性能の劣化度合いを検出する運転状態検出部１４と、運転状態検出部１４が検出した劣化度合いが規定値以上に達した場合に、燃料電池スタック２が定格出力を生成している時の酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を増加させるコントローラ１７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システム及びその制御方法に関し、特に、燃料電池の経時劣化対する酸化ガスのストイキ制御技術に関する。

近年の環境問題、特に、自動車の排気ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対して、クリーンな排気及び高いエネルギー効率を可能とする電力源、あるいは動力源として、燃料電池技術が注目されている。

燃料電池システムは、その燃料となる水素ガスあるいは水素濃度の高いガスと、酸化剤となる酸素ガスあるいは酸素を含んだ空気とを電解質と電極触媒との複合体である燃料電池に供給し、電気化学反応を起こして、化学エネルギーを電気エネルギーに変えるエネルギー変換システムである。

しかし、燃料電池システムでは、電解質の導電率、電極触媒の活性等が経時的に低下するため、当初設定された条件ではセルスタックから所定の出力を得られなくなる。これに対して、経時劣化した際の燃料電池システム効率の低下を最小限に抑えることを目的とした技術開発が盛んに行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１では、アノード（水素極）側又はカソード（空気極）側の触媒に劣化が認められる場合、水素流量又は空気流量を増加させて過剰にガスを供給し、出力低下を最小限に抑える制御を行っている。即ち、水素又は空気のストイキを上げる方向に制御することにより、燃料電池性能を向上させ、且つ補器部品の消費電力増加による効率低下を最小限に抑えている。
特開２００４−１６４９０９号公報（特に、図７及びその関連記載を参照）

しかし、特許文献１では、特定領域のストイキを下げて効率向上や劣化防止を行うところまでは論じられておらず、補器消費電力の増加や空気極側の触媒の活性低下等でシステムとしての効率が低下する可能性があった。

また、ガス供給量或いは供給圧の増加に伴いブロアやコンプレッサ等の補器類の消費電力が増加し、これによりシステム効率が低下し、酸化ガスが過剰に供給されることにより低負荷領域において空気極側の触媒の活性低下が促進される等の可能性があった。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、本発明の特徴は、酸素を含有する酸化ガス及び水素を含有する燃料ガスを反応させて電力を生成する燃料電池と、燃料電池の運転状態から燃料電池の電流・電圧性能の劣化度合いを検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段が検出した劣化度合いが規定値以上に達した場合に、燃料電池が定格出力を生成している時の酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を増加させる制御手段とを備える燃料電池システムであることを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池の経時劣化を確認した際に燃費や航続距離に影響の少ない酸化ガス側のストイキを上昇させて、燃料電池の使用期間を延長する燃料電池システム及びその制御方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

[構成]
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムは、酸素を含有する酸化ガス及び水素を含有する燃料ガスが供給されて電力を生成する燃料電池スタック（燃料電池）２と、燃料電池スタック２の運転状態から燃料電池スタック２の電流・電圧性能の劣化度合いを検出する運転状態検出部（運転状態検出手段）１４と、運転状態検出部１４が検出した劣化度合いが規定値以上に達した場合に、燃料電池スタック２が定格出力を生成している時の酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を増加させるコントローラ（制御手段）１７とを備える。

燃料電池スタック２は、燃料が有するエネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極（アノード）６に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方の陰極（カソード）１２に酸素を含有する酸化ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる（１）式及び（２）式の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギーを取り出すものである。

アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ （１）
カソード反応：２Ｈ⁺＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）

アノード６に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置３から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。ここでは例として、水素貯蔵装置３に貯蔵された高圧状態の水素ガスが減圧弁４及び水素調圧弁５を介して減圧されて燃料電池スタック２のアノード６に供給される場合を示す。アノード６から排出された排水素ガスは、アノード６のガス排出口とガス供給口を接続する水素循環流路９を通り、水素循環ポンプ８によりアノード６のガス供給口へ再び供給される。また、アノード６のガス排出口にはパージ弁１０が接続されている。パージ弁１０の開閉操作により、アノード６及び水素ガスライン内の窒素ガスや生成水などの発電効率を下げ得るものが装置外部に排出される。

カソード１２に供給する酸化ガスとしては、一般的に空気が利用されている。空気は、コンプレッサ１３により圧縮されてカソード１２に供給される。カソード１２のガス排出口には空気調圧弁１１が接続されている。コンプレッサ１３の回転数及び空気調圧弁１１の開度を調整することにより、カソード１２に供給される空気の圧力及び流量が調整される。

なお、燃料電池スタック２内には、燃料電池スタック２を冷却する冷却水の温度を測定する温度センサ１８が設けられている。

運転状態検出部１４は、燃料電池スタック２の運転状態から燃料電池スタック２の劣化度合いを検出してコントローラ１７へ転送する。

コントローラ１７は、燃料電池スタック２の劣化度合いが規定値以上に達したか否かを判定する定格出力時劣化判定部２０と、温度センサ１８が測定する冷却水の温度が所定値以上に達したか否かを判断する冷却水温度判定部２１とを備える。

定格出力時劣化判定部２０によって燃料電池スタック２の劣化度合いが規定値以上に達したと判断された場合に、コントローラ１７は、コンプレッサ１３の回転数や空気調圧弁１１の開度を操作して、燃料電池スタック２が定格出力を生成している時の酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を増加させる。

具体的には、コントローラ１７は、燃料電池システムで予め設定した電流・電圧（ＩＶ）性能測定プログラムを実行する機能とＩＶ性能閾値に基づく劣化診断機能を具備する。システム起動後の劣化診断で定格出力付近での出力がＩＶ性能閾値を下回ると判断された場合、コントローラ１７は、定格出力付近の酸化ガスの流量或いは圧力を上昇せしめる。そして、起動停止サイクル等でカソード１２側電極のマストランスファ機能が低下した燃料電池スタック２の定格出力付近での電圧降下を最小限に留める制御を行う。

上述した制御を行うことで経時劣化した燃料電池スタック２の定格出力付近に特有のＩＶ性能閾値超過によるフェール発生を防止し、見かけの燃料電池スタック２の寿命を延長できる。

また、上記した酸化ガス側ストイキの制御を定格出力付近のみに限定することにより実施頻度を低下させ、弊害として現れるコンプレッサ１３及び空気調圧弁１１等の補記電力増加を最小限に留めることができる。

また、コントローラ１７は、劣化度合いが規定値以上に達した場合に、定格出力よりも低出力側における酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を低下させる。即ち、低負荷領域（低出力側）の酸化ガス側ストイキを低下させることにより、コンプレッサ１３の消費電力を低減し、且つ低負荷領域で過剰な酸素をカソード１２に供給することによる電極触媒の酸化を防止し、触媒活性低下による劣化を防止する。したがって、定格出力付近の酸化ガスの流量或いは圧力を上昇せしめる場合における燃料電池システム全体の効率維持を実現し、低負荷領域での酸化極触媒を低減することができる。

なお、低負荷領域で酸化ガス側ストイキを低下させることによる燃料電池スタック２の温度上昇が発生しすぎないように、温度センサ１８を用いて測定された燃料電池スタック２の冷却水出口の温度データをフィードバックする。

[動作]
図２を参照して、図１の燃料電池システムの制御方法を説明する。

（イ）先ずＳ１段階において燃料電池システムを起動する。Ｓ２段階において運転状態検出部１４は、燃料電池スタック２の運転状態を検出し、その運転状態から燃料電池スタック２の劣化度合いを検出する。その結果はコントローラ１７へ転送される。Ｓ３段階において、コントローラ１７の定格出力時劣化判定部２０は、燃料電池スタック２の電流・電圧性能の劣化度合いが規定値以上に達したか否かを判断する。劣化度合いが規定値以上に達したと判断した場合（Ｓ３段階においてＮＧ）、Ｓ４段階に進み、劣化度合いが規定値以上に達していないと判断した場合（Ｓ３段階においてＯＧ）、Ｓ９段階に進む。

（ロ）Ｓ４段階において、コントローラ１７は、定格出力付近のみ酸化ガスの圧力或いは流量の少なくとも一方を増加させ、酸化ガス側ストイキを相対的に上げる方向で制御せしめる。また、これと同時に、コントローラ１７は、定格出力よりも低出力側の酸化ガスの圧力或いは流量の少なくとも一方を低下させ、酸化ガス側ストイキを相対的に下げる方向で制御せしめる。このとき、燃料電池スタック２の低負荷領域運転時に酸化ガス側ストイキを限界まで下げても構わない。例えば、酸化ガス側ストイキを１．２５まで下げても構わない（通常は１．５である）。なお、酸化ガス側ストイキの制御は、コンプレッサ１３の回転数或いは空気調圧弁１１の開度により行われる。

（ハ）Ｓ５段階において、コントローラ１７は、温度センサ１８を用いて、定格出力よりも低出力側の酸化ガス側ストイキを相対的に下げた時の燃料電池スタック２の冷却水の温度を測定する。

（ニ）Ｓ６段階において、温度センサ１８により得られた冷却水の温度が所定値以上である場合（Ｓ６段階においてＮＧ）、Ｓ７段階に進み、コントローラ１７は、酸化ガス側ストイキを相対的に下げる制御をキャンセルする。その後、Ｓ８段階に進む。

（ホ）一方、温度センサ１８により得られた冷却水の温度が所定値未満である場合（Ｓ６段階においてＯＫ）、Ｓ８段階に直接進み、Ｓ４段階と同様にして、定格出力付近の酸化ガス側ストイキを上昇させ、低負荷領域での酸化ガス側ストイキを低下させる制御を行う。

（ヘ）Ｓ３段階においてＯＫの場合、Ｓ９段階に進み、コントローラ１７は、酸化ガスの流量及び圧力を通常の値に設定して酸化ガス側ストイキを通常とする。

[効果]
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、燃料電池スタック２の劣化度合いが規定値以上に達した場合に、コントローラ１７は燃料電池スタック２が定格出力を生成している時の酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を増加させる。これにより、燃料電池スタック２の経時劣化を確認した際に燃費や航続距離に影響の少ない酸化ガス側のストイキを上昇させることができ、燃料電池スタック２の使用期間を延長することが可能となる。また、同ストイキ上昇実施領域を燃料電池スタック２の経時劣化時に懸念となる定格出力付近に限定することによりシステムの簡素化、補器電力の増加の最小化が可能となる。＜請求項１及び３の効果＞
また、本発明の実施の形態によれば、燃料電池スタック２の劣化度合いが規定値以上に達した場合に、定格出力よりも低出力側における酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を低下させる。これにより、定格出力付近のストイキ上昇による補器電力増加を補うため、酸化ガス側ストイキによる出力増減感度が低く、燃料電池スタック２の劣化に対する危険性の少ない低負荷領域（低出力側）の酸化ガスストイキを相対的に下げることができ、補器電力の低減を行うことができる。加えて低負荷領域で過剰な酸化ガスの供給を抑えることにより、空気極触媒の活性低下を最小限に抑制することが期待できる。＜請求項２及び４の効果＞
その他、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムによれば、以下の作用効果が得られる。

図１の燃料電池システムは、燃料電池スタック２の運転条件、劣化状態をモニタし、同条件によりバリアブルにカソードストイキ（酸化ガス側ストイキ）を変動させうる機能を有する。酸化ガス側ストイキを燃料電池スタック２の運転条件、燃料電池スタック２の劣化状態によりバリアブルに変動させることにより、燃料電池システムのエネルギー効率を向上させることができる。

上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムを示す模式図である。 図１の燃料電池システムの制御手順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
２…燃料電池スタック
３…水素貯蔵装置
４…減圧弁
５…水素調圧弁
６…アノード
８…水素循環ポンプ
９…水素循環流路
１０…パージ弁
１１…空気調圧弁
１２…カソード
１３…コンプレッサ
１４…運転状態検出部（運転状態検出手段）
１７…コントローラ（制御手段）
１８…温度センサ
２０…定格出力時劣化判定部
２１…冷却水温度判定部

Claims (4)

1. 酸素を含有する酸化ガス及び水素を含有する燃料ガスを反応させて電力を生成する燃料電池と、
   前記燃料電池の運転状態から前記燃料電池の電流・電圧性能の劣化度合いを検出する運転状態検出手段と、
   前記運転状態検出手段が検出した前記劣化度合いが規定値以上に達した場合に、前記燃料電池が定格出力を生成している時の前記酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を増加させる制御手段
   とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記運転状態検出手段が検出した前記劣化度合いが規定値以上に達した場合に、前記定格出力よりも低出力側における前記酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を低下させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 酸素を含有する酸化ガス及び水素を含有する燃料ガスを反応させて電力を生成する燃料電池の運転状態から前記燃料電池の電流・電圧性能の劣化度合いを検出し、
   前記劣化度合いが規定値以上に達した場合に、前記燃料電池が定格出力を生成している時の前記酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を増加させる
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 前記劣化度合いが規定値以上に達した場合に、前記定格出力よりも低出力側における前記酸化ガスの流量又は圧力の少なくとも一方を低下させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システムの制御方法。

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