JP2007213995A

JP2007213995A - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法

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Publication number: JP2007213995A
Application number: JP2006033076A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Inai; 滋稲井; Hiromichi Yoshida; 弘道吉田; Akira Jinba; 亮神馬
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2026-02-09
Also published as: JP5101024B2; US20070184313A1; US8216731B2

Abstract

【課題】燃料電池を構成する電極の一部が発電に利用できない状態であっても、この燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池ステムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システムは、膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備える燃料電池と、当該燃料電池に反応ガスを供給する供給装置と、当該供給装置を制御する制御装置３０と、を備える。制御装置３０は、電極のうち発電に利用できる領域を発電有効面積として算出する発電有効面積算出手段４１と、燃料電池に要求される電力量に基づいて、発電有効面積算出手段で算出した発電有効面積についての電流密度を算出する電流密度算出手段４２と、電流密度に応じて燃料電池に供給する反応ガス量を決定するガス供給量決定手段４３と、この決定された反応ガス量を燃料電池に供給するように、供給装置を制御するガス供給制御手段４４と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

ところで、以上の燃料電池システムでは、低温起動時において、燃料電池の内部で生成水が凝縮する現象（フラッディング）が生じるおそれがある。
そこで、この問題を解決するため、低温起動時には、燃料電池が自己発熱により暖機されるまで、標準流量より過大な流量の酸化ガスを燃料電池に供給する方法が提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１の燃料電池システムによれば、酸化ガスを過大に供給することで、生成水の多くを燃料電池から排出するので、低温起動時においても、フラッディングを防止して、安定してシステムを起動させることができる。
特開２００５−１１６２５７号公報

ところで、ＭＥＡ内部の細孔には、０℃でも凍結しない不凍水が含まれているが、氷点下４０℃程度の極低温環境では、この不凍水が凍結する可能性がある。この場合、反応ガス供給路からＭＥＡ内部に至る細孔が氷で閉ざされてしまい、供給された反応ガスが、ＭＥＡ内部の反応部位（触媒表面）まで到達できなくなる。
この不凍水が凍結して氷になると、この氷の挙動は通常の氷と同様になるため、反応部位までのガス供給経路を回復させるためには、０℃を超えるまでＭＥＡ内部を暖機して、凍結した不凍水を再び融解する必要がある。

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムを氷点下（０℃以下）で起動しようとしても、この燃料電池が極低温環境に晒されて、ＭＥＡ内部の不凍水が凍結した状態であった場合は、ＭＥＡ内部の氷が形成された領域を発電に利用できなくなり、ＭＥＡのうち発電に利用できる領域が減少することになる。
このようにＭＥＡ内部の不凍水が凍結した状態にもかかわらず、燃料電池は要求される出力電圧を発電しようとするため、発電に利用できる領域では、局所的に電流密度が高くなることになる。したがって、ＭＥＡの一部の電流密度が過大になり、この部分でＭＥＡの劣化が促進されるおそれがあった。

本発明は、燃料電池を構成する電極の一部が発電に利用できない状態であっても、この燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池ステムおよび燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。

（１）膜（例えば、実施の形態における固体高分子膜１２３）と、この膜を挟んで設けられたアノード電極（例えば、実施の形態におけるアノード電極１２１）およびカソード電極（例えば、実施の形態におけるカソード電極１２２）と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、当該燃料電池に反応ガスを供給する供給手段（例えば、実施の形態における供給装置２０）と、当該供給手段を制御する制御手段（例えば、実施の形態における制御装置３０）と、を備える燃料電池システムであって、前記制御手段は、前記電極のうち発電に利用できる領域を発電有効面積として算出する発電有効面積算出手段（例えば、実施の形態における発電有効面積算出手段４１）と、前記燃料電池に要求される電力量に基づいて、前記発電有効面積算出手段で算出した発電有効面積についての電流密度を算出する電流密度算出手段（例えば、実施の形態における電流密度算出手段４２）と、前記電流密度に応じて、前記燃料電池に供給する反応ガス量を決定するガス供給量決定手段（例えば、実施の形態におけるガス供給量決定手段４３）と、当該ガス供給量決定手段で決定された反応ガス量を前記燃料電池に供給するように、前記供給手段を制御するガス供給制御手段（例えば、実施の形態におけるガス供給制御手段４４）と、を備えることを特徴とする燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）。

ここで、反応ガスとしては、例えば、水素ガスや、酸素を含む空気が挙げられる。

（１）の発明によれば、燃料電池システムに、発電有効面積算出手段、電流密度算出手段、ガス供給量決定手段、およびガス供給制御手段を設けた。
これにより、燃料電池を構成する電極の発電有効面積を算出して、この算出した発電有効面積の電流密度を算出する。さらに、この電流密度に応じて反応ガスの供給量を決定し、この決定に従って、燃料電池に対する反応ガス供給量を制御する。
よって、燃料電池を構成する電極の一部が発電に利用できない状態であっても、反応ガスの供給量を制限することにより、電極の残る部分の電流密度が高くなるのを防いで、膜の劣化を抑制し、燃料電池の劣化を抑制できる。

また、電極のうち発電に利用できない領域では、反応ガスの供給量が不足し、例えば、触媒に含まれる物質を消費して、触媒が劣化するおそれがある。
しかしながら、この発明によれば、極低温環境において、電極のうち発電に利用できる領域のみに反応ガスを供給できるから、触媒に含まれる物質が消費されるのを回避でき、燃料電池を保護しながら、氷点下環境で発電することが可能になる。

（２）前記発電有効面積算出手段は、前記燃料電池の停止期間中の最低温度が前記電極内部の水分が凍結したと判断できる温度以下である場合に、前記燃料電池の温度に基づいて、前記電極の発電有効面積を算出することを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

上述のように、燃料電池が極低温環境に晒されて不凍水が凍結すると、その後、０℃を超えるまで温度が上昇しない限り、凍結した不凍水は完全に融解しない。
そこで、（２）の発明によれば、発電有効面積算出手段により、前記燃料電池の停止期間中の最低温度が前記電極内部の水分が凍結したと判断できる温度以下である場合に、燃料電池の温度に基づいて、電極の発電有効面積を算出した。よって、燃料電池を氷点下で起動しても、燃料電池の温度に基づいて、凍結した不凍水の融解状況を把握することで、電極の発電面積を有効に算出できる。

（３）膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池の制御方法であって、前記電極のうち発電に利用できる領域を発電有効面積として算出し、前記燃料電池に要求される電力量に基づいて、算出した発電有効面積についての電流密度を算出し、前記電流密度に応じて、前記燃料電池に供給する反応ガス量を決定し、この決定された反応ガス量を前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池の制御方法。

（３）の発明によれば、上述の（１）と同様の効果がある。

本発明によれば、燃料電池を構成する電極の発電有効面積を算出して、この算出した発電有効面積の電流密度を算出する。さらに、この電流密度に応じて反応ガスの供給量を決定し、この決定に従って、燃料電池に対する反応ガス供給量を制御する。よって、燃料電池を構成する電極の一部が発電に利用できない状態であっても、反応ガスの供給量を制限することにより、電極の残る部分の電流密度が高くなるのを防いで、膜の劣化を抑制し、燃料電池の劣化を抑制できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや空気を供給する供給手段としての供給装置２０と、この供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０とを有する。

図２は、燃料電池１０を構成するセル１１の断面図である。
すなわち、燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセル１１が積層されたスタック構造である。各セル１１は、膜電極構造体（ＭＥＡ）１２を一対のセパレータ１３Ａ、１３Ｂで挟持して構成される。ＭＥＡ１２は、固体高分子膜１２３と、この固体高分子膜１２３を挟持するアノード電極（陽極）１２１およびカソード電極（陰極）１２２と、で構成される。
両電極１２１、１２２は、固体高分子膜１２３に接して酸化・還元反応を行う触媒層１２１Ａ、１２２Ａと、この触媒層１２１Ａ、１２２Ａに接するガス拡散層１２１Ｂ、１２２Ｂとから形成される。
拡散層１２１Ｂに接合されたセパレータ１３Ａには、水素流通溝１３１が形成され、また、拡散層１２２Ｂとセパレータ１３Ｂとの間には、空気流通溝１３２が形成されている。

図１に戻って、このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に反応ガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
この燃料電池１０には、負荷１４が接続され、負荷１４と燃料電池１０との間には、電流センサ３２が設けられている。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク２２およびエゼクタ２８と、を含んで構成される。

コンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端側には、背圧弁２４１が設けられる。

水素タンク２２は、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、上述のエゼクタ２８が設けられている。水素供給路２５のうち水素タンク２２とエゼクタ２８との間には、圧力調整弁２５１が設けられている。

また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６の先端側には、パージ弁２６１が設けられている。この水素排出路２６のうち燃料電池１０の近傍には、温度センサ３１が設けられている。また、水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。

エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。

また、上述のコンプレッサ２１、背圧弁２４１、パージ弁２６１、および圧力調整弁２５１は、後述の制御装置３０により制御される。また、この制御装置３０には、上述の温度センサ３１および電流センサ３２が接続されている。

燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、水素タンク２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、コンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。
その後、パージ弁２６１および背圧弁２４１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。

図３は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、発電有効面積算出手段４１、電流密度算出手段４２、ガス供給量決定手段４３、およびガス供給制御手段４４を備える。

温度センサ３１は、水素排出路２６を通る水素ガスの温度を測定して、燃料電池１０内部の温度として制御装置３０に送信する。この温度センサ３１は、燃料電池１０が発電している期間に限らず、停止（ソーク）している期間も、継続して温度を測定する。
電流センサ３２は、燃料電池１０で発電した電流値を計測して、負荷１４から要求される出力電流として制御装置３０に送信する。

また、制御装置３０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従ってオン／オフ信号を制御装置３０に送信する。制御装置３０は、イグニッションスイッチのオン／オフに従って、燃料電池１０の発電を行う。

発電有効面積算出手段４１は、燃料電池１０の始動後、電極１２１、１２２のうち発電に有効な面積を算出する。

図４は、監視中の燃料電池の最低温度と電極１２１、１２２の発電有効面積との関係を示す図（発電有効面積推定マップ）である。
上述したように、極低温環境では、ＭＥＡに含まれる不凍水が凍結する。この不凍水が凍結してしまうと、その不凍水からなる氷の挙動は、通常の氷と同様になるため、ＭＥＡ内部の温度が０℃を超えるまで、凍結した不凍水は完全に融解しない。
具体的には、図４に示すように、例えば、燃料電池１０を停止することにより、燃料電池１０の温度が低下すると、電極１２１、１２２の発電有効面積は、経路Ａに沿って低下する。その後、燃料電池１０を起動することにより、燃料電池１０の温度が上昇すると、電極１２１、１２２の発電有効面積は、経路Ａ´、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆに沿って増加する。
ここで、燃料電池１０の温度が極低温に達することなく上昇に転じた場合には、不凍水が凍結しないため、発電有効面積は、経路Ａ´に沿って増加する。すなわち、発電有効面積は、燃料電池１０の温度が低下する場合でも、上昇する場合でも、同一の経路に沿って変化する。
一方、燃料電池１０の温度が極低温に達した後に上昇に転じた場合には、不凍水が凍結するため、発電有効面積は、経路Ｂ〜Ｆに沿って増加する。すなわち、発電有効面積は、燃料電池１０の温度が低下する場合と、上昇する場合とで、異なる経路に沿って変化する（ヒステリシス特性）。

以上より、発電有効面積算出手段４１は、温度センサ３１で測定された燃料電池１０内部の温度のうち最低温度を記憶しておき、この監視中の燃料電池１０の最低温度が極低温以下であるか否か、すなわち、電極１２１、１２２内部の不凍水が凍結したと判断できる温度以下であるか否かを判定する。監視中の燃料電池１０の最低温度が極低温以下であると判定した場合には、図４の発電有効面積推定マップに従い、アノード電極１２１およびカソード電極１２２の発電有効面積を推定する。

電流密度算出手段４２は、発電有効面積算出手段４１で算出された発電有効面積と、電流センサ３２で計測された負荷１４の要求出力電流とに基づいて、電流密度を算出する。具体的には、電流センサ３２で計測された電流値を発電有効面積で除算することで、電極の１２１、１２２電流密度を算出する。

ガス供給量決定手段４３は、電流密度算出手段４２で算出した電流密度に応じて、燃料電池１０に供給する反応ガスの量を決定する。

ガス供給制御手段４４は、ガス供給量決定手段４３で決定された反応ガス量を燃料電池１０に供給するように、圧力調整弁２５１を制御する。

以上の燃料電池システム１の動作について、図５のフローチャートを参照しながら説明する。
最初は、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオフされた状態である（ＳＴ１）。この状態では、温度センサ３１により燃料電池１０の温度を測定し、発電有効面積算出手段４１によりこの燃料電池１０の最低温度を記憶して、燃料電池１０の温度を監視している。（ＳＴ２）。

その後、イグニッションスイッチ（ＩＧ）がオンされると（ＳＴ３）、発電有効面積算出手段４１により、記憶した監視中の燃料電池１０の最低温度が極低温以下であるか否かを判定する（ＳＴ４）。この判定が“ＮＯ”のときは、後述のＳＴ１０に移る。

一方、この判定が“ＹＥＳ”のときは、発電有効面積算出手段４１により、電極１２１、１２２の発電有効面積を算出する（ＳＴ５）。続いて、電流密度算出手段４２では、電流センサ３２により負荷１４の要求出力電流を把握し（ＳＴ６）、電極１２１、１２２の電流密度を算出する（ＳＴ７）。次に、ガス供給量決定手段４３により、反応ガス供給量を決定し、ガス供給量制御手段により、燃料電池に供給する反応ガス量を制御する（ＳＴ８）。
続いて、温度センサ３１で計測した燃料電池１０内部の温度が０℃を超えている否かを判定する（ＳＴ９）。この判定が“ＮＯ”のときは、凍結した不凍水が完全に融解していないから、ＳＴ５に戻って、引き続き、燃料電池１０に供給する反応ガス量を調整する。一方、この判定が“ＹＥＳ”のときは、凍結した不凍水がほぼ融解したと考えられるので、通常の発電制御を行う（ＳＴ１０）。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池システム１に、発電有効面積算出手段４１、電流密度算出手段４２、ガス供給量決定手段４３、およびガス供給制御手段４４を設けた。
これにより、アノード電極１２１およびカソード電極１２２の発電有効面積を算出して、この算出した発電有効面積の電流密度を算出する。さらに、この電流密度に応じて反応ガスの供給量を決定し、この決定に従って、燃料電池１０に対する反応ガス供給量を制御する。
よって、燃料電池１０を構成するアノード電極１２１およびカソード電極１２２の一部が発電に利用できない状態であっても、反応ガスの供給量を制限することにより、電極１２１、１２２の残る部分の電流密度が高くなるのを防いで、電極１２１、１２２の劣化を抑制し、燃料電池１０の劣化を抑制できる。

また、極低温環境において、電極１２１、１２２のうち発電に利用できる領域のみに反応ガスを供給して、触媒層１２１Ａ、１２２Ａに含まれる物質を消費するのを回避できるので、燃料電池１０を保護しながら、氷点下環境で発電することが可能になる。

（２）発電有効面積算出手段４１により、監視中の燃料電池１０の最低温度が極低温以下である場合には、燃料電池１０の温度に基づいて、電極１２１、１２２の発電有効面積を算出した。よって、燃料電池１０を氷点下で起動しても、燃料電池１０の温度に基づいて、凍結した不凍水の融解状況を把握することで、発電面積を有効に算出できる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池を構成するセルの断面図である。前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池の監視中の最低温度と電極の発電有効面積との関係を示す図である。前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…供給装置（供給手段）
３０…制御装置（制御手段）
４１…発電有効面積算出手段
４２…電流密度算出手段
４３…ガス供給量決定手段
４４…ガス供給制御手段
１２１…アノード電極
１２２…カソード電極
１２３…固体高分子膜（膜）

Claims

膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池と、当該燃料電池に反応ガスを供給する供給手段と、当該供給手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記電極のうち発電に利用できる領域を発電有効面積として算出する発電有効面積算出手段と、
前記燃料電池に要求される電力量に基づいて、前記発電有効面積算出手段で算出した発電有効面積についての電流密度を算出する電流密度算出手段と、
前記電流密度に応じて、前記燃料電池に供給する反応ガス量を決定するガス供給量決定手段と、
当該ガス供給量決定手段で決定された反応ガス量を前記燃料電池に供給するように、前記供給手段を制御するガス供給制御手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記発電有効面積算出手段は、前記燃料電池の停止期間中の最低温度が前記電極内部の水分が凍結したと判断できる温度以下である場合に、前記燃料電池の温度に基づいて、前記電極の発電有効面積を算出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。
膜と、この膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、を備え、前記アノード電極およびカソード電極にそれぞれ反応ガスが供給されると、これらの反応ガスが前記膜を介して反応して発電する燃料電池の制御方法であって、
前記電極のうち発電に利用できる領域を発電有効面積として算出し、
前記燃料電池に要求される電力量に基づいて、算出した発電有効面積についての電流密度を算出し、
前記電流密度に応じて、前記燃料電池に供給する反応ガス量を決定し、
この決定された反応ガス量を前記燃料電池に供給することを特徴とする燃料電池の制御方法。