JP2007311348A - 耐久性を改善するようｒｈサイクルを最小にするための燃料電池の動作 - Google Patents

Abstract

【課題】湿潤動作と乾燥動作との間でカソード出口気体の相対湿度循環運動を低減して膜の有用な寿命を延ばすための支配アルゴリズムを備える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】アルゴリズム２４は燃料電池システム１０の動作パラメータを表すセンサ信号を受け取る。燃料電池システムの動作パラメータがカソード出口気体の相対湿度を第１の所定値よりも大きく維持することができる場合、アルゴリズムはカソード排気気体の相対湿度を湿潤動作モードに維持し、燃料電池システムの動作パラメータがカソード出口気体の相対湿度を第２の所定値よりも小さく維持することができる場合には、アルゴリズムはカソード排気気体の相対湿度を乾燥動作モードに維持する。
【選択図】図１

Description

発明の背景
１．発明の分野
本発明は、一般に、カソード出口気体の湿度を維持するための戦略を提供するアルゴリズムを採用する燃料電池システムに関するもので、特に、膜湿度循環運動を防止するよう湿潤モード又は乾燥モードにおいてカソード出口気体湿度を維持するための支配アルゴリズム（over-arching algorithm）を採用する燃料電池システムに関する。
２．関連技術の検討
水素は、清潔であって燃料電池において電気を効率的に生成するのに用いることができるので、極めて魅力的な燃料である。水素燃料電池はアノードとカソードとそれらの間の電解質とを備える電気化学装置である。アノードは水素気体を受け取り、カソードは酸素又は空気を受け取る。水素気体スはアノードで解離されて水素陽子と電子を生成する。水素陽子は電解質を通ってカソードに至る。水素陽子はカソードで酸素及び電子と反応して水を作る。アノードからの電子は電解質を通過することができないので負荷の方へ向かわされ、仕事をしてからカソードへ送られる。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は車両のためのよく知られた燃料電池である。一般に、ＰＥＭＦＣはペルフルオロスルホン酸膜のような固体ポリマー電解質陽子伝導膜を備える。典型的には、アノードとカソードは、炭素粒子に支持され且つアイオノマーと混合された通常はプラチナ（Ｐｔ）のような微細に分割された触媒粒子を含む。触媒混合物は膜の両面に堆積される。アノード触媒混合物とカソード触媒混合物と膜との組み合わせは膜電極組立体（ＭＥＡ）を画定する。ＭＥＡは製造が比較的高価であり、有効な動作のための或る条件が必要である。

典型的には、燃料電池の中には、所望の電力を生成するために燃料電池スタックの形に組み合わされるものがある。例えば、車両用の典型的な燃料電池スタックは２００個以上のスタックされた燃料電池を有する。燃料電池スタックはカソード入力気体、典型的には、コンプレッサによってスタックを通過するよう強制された空気流を受け取る。酸素の全部がスタックで消費される訳ではなく、空気の一部は、スタックの副産物としての水を含むカソード排気気体として出力される。また、燃料電池スタックはスタックのアノード側へ流入するアノード水素入力気体を受け取る。

燃料電池スタックは、スタックの若干のＭＥＡの間に位置する一連の二極性プレートを備える。それぞれの二極性プレートは、スタックの隣接する燃料電池に対するアノード側面とカソード側面を備える。アノード気体流チャンネルが二極性プレートのアノード側面上に設けられ、それぞれのＭＥＡに対してアノード反応気体が流れることができるようにする。カソード気体流チャンネルが二極性プレートのカソード側面上に設けられ、それぞれのＭＥＡに対してカソード反応気体が流れることができるようにする。二極性プレートはステンレススチールのような導電性の材料で作られているので、燃料電池で生成された電気をスタックの外へ伝える。また、二極性プレートは冷却流体が流れる流れチャンネルを備える。

過度のスタック温度はスタックの膜や他の材料を損傷する。したがって、燃料電池システムは燃料電池スタックの温度を管理するための熱サブシステムを採用する。特に、スタックの余熱を逃がすために、冷却流体はスタックの二極性プレートにおける冷却流体流れチャンネルを通してポンプにより流される。正常な燃料電池スタック動作期間には、ポンプの速度はスタック負荷、周囲温度及び他の因子に基づいて制御されるので、スタックの動作温度は最適温度、例えば８０°Ｃに維持される。典型的には、スタックによって加熱された冷却流体を冷却する放熱器がスタックの外側の冷却ループに設けられ、冷却された冷却流体はスタックを通して戻される。

当該分野においては良く理解されているように、燃料電池の膜は或る相対湿度（ＲＨ）で動作する。燃料電池スタックからのカソード出口気体の相対湿度は、幾つかのスタック動作パラメータ（例えば、スタック圧力、温度、カソード化学量論、スタックに入るカソード空気の相対湿度）を制御することによって膜の相対湿度を管理するよう制御される。スタックの耐久性のためには、膜の相対湿度サイクル数を最小にすることが望ましい。これは、ＲＨ極限値間の循環運動が膜の寿命を極度に制限することが判明したからである。ここで用いられるように、ＲＨの循環運動は膜相対湿度を１００％より上に及び下に変化させることを意味する。膜ＲＨ循環運動により、水の吸収及びその後の乾燥の結果として、膜は膨張、収縮する。膜のこの膨張、収縮は膜にピンホールを生じ、膜を通して酸素と水素が交差してホットスポットが生成されて膜の穴が大きくなり、膜の寿命を縮めてしまう。

カソード出口気体は極めて多くの蒸気を保持することはできないので、燃料電池システムのコールド・スタート期間には、カソード出口気体の相対湿度は典型的には１００％を越える。燃料電池スタックが加熱されるにつれて、スタックの負荷は増大し、典型的には、熱サブシステムの熱除去能力はカソード出口気体の相対湿度を１００％より上に維持するには不十分となる。これは熱サブシステムの大きな冷却能力を必要とするからである。したがって、カソード出口気体の相対湿度を低減するための移行が、乾燥した膜状態へ向かって生じることになる。スタックの負荷、周囲温度及び熱サブシステムの冷却の能力を含む多くの因子が、燃料電池システムが乾燥状態又は湿潤状態で動作しているか否かに関係してくる。

燃料電池システムの動作状態が変わるにつれて、カソード出口気体の相対湿度は、湿潤動作状態と乾燥動作状態との間を循環する。ここで用いられるように、湿潤動作状態はカソード出口気体の相対湿度が１００％よりも大きいことを意味し、乾燥動作状態はカソード出口気体の相対湿度が１００％よりも小さいことを意味する。したがって、スタックの動作期間に膜ＲＨ循環運動を低減してスタックの膜の寿命を延ばすことが望ましい。

発明の概要
本発明の教示にしたがって、湿潤動作と乾燥動作との間でのカソード出口気体の相対湿度循環運動を低減して膜の有用な寿命を延ばす戦略を提供するための支配アルゴリズムを備える燃料電池システムが開示される。燃料電池システムは、センサからのセンサ読み出し値と車両操作者からの電力要求とに基づいて燃料電池システムのバルブ、コンプレッサ等の種々のシステム・コンポーネントを制御するコントローラを備える。支配アルゴリズムはセンサからのセンサ読み出し値を用いてカソード排気気体の所望の相対湿度設定点を提供する。この所望の相対湿度設定点は、ＲＨ循環運動を低減するためにアクチュエータ設定条件を設定するようコントローラによっても使用される。

コールド・スタート時に、アルゴリズムは、システムのそのときの動作状態に基づいて１００％よりも大きい割合でカソード排気気体の相対湿度を維持する湿潤動作モードに対するＲＨ設定点を提供する。燃料電池システムの動作期間には、アルゴリズムはセンサ読み出し値を用いて、システムによって持続可能な最大相対湿度を計算する。次いで、アルゴリズムは、最大相対湿度が所定の割合よりも大きいかどうか、即ち、システムの湿潤動作モードにあるかどうかを決定する。システムのそのときの動作状態が湿潤動作モードを持続することができるならば、アルゴリズムは、コントローラが湿潤動作モードに対してシステム・コンポーネントを制御するよう、相対湿度設定点をコントローラへ提供する。システムが湿潤動作モードを持続することができないことをセンサ信号が示すならば、アルゴリズムは乾燥動作モードに対する相対湿度設定点を提供し、それに応じてコントローラはシステム・コンポーネントを制御して当該相対湿度を維持する。

アルゴリズムが湿潤動作モードから乾燥動作モードへ切り替わってしまうと、アルゴリズムは、センサ信号に基づいてカソード出口気体の最小相対湿度を計算して乾燥動作モードを維持する。システムの動作状態が変化して乾燥動作モードを持続することができない場合には、アルゴリズムは設定点を湿潤動作モードへ切り替える。

本発明の更なる特徴は、添付の図面と関連させた以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかになろう。
実施の形態の詳細な説明
カソード排出気体の相対湿度の循環運動を低減する支配アルゴリズムを採用する燃料電池システムに関する本発明の実施の形態についての以下の説明は、本質的に単なる例示であり、発明、その応用又は使用を制限することを意図してはいない。

図１は、燃料電池スタックを備えた燃料電池システム・コンポーネント１２を含む燃料電池システム１０のブロック図である。上で検討したとおり、燃料電池スタックからのカソード出口気体は、スタックの膜の相対湿度を規定する或る相対湿度を有する。ここで検討するように、湿潤動作状態は、カソード出口気体が１００％よりも大きい相対湿度を有することを意味し、乾燥動作状態は、カソード出口気体が１００％よりも小さい相対湿度を持つことを意味する。電池間の振動と流れの不確実さの結果として、スタックの全部の燃料電池の湿潤動作状態又は乾燥動作状態を保証するために、湿潤動作状態のための公称ＲＨ動作点は１２０％であり、乾燥動作状態のための公称ＲＨ動作点は８０％である。しかし、当業者には理解されるように、他のＲＨ値も等しく適用可能であるから、これらの値は単なる代表である。

燃料電池システム１０は、燃料電池システム・コンポーネント１２を制御するコントローラ１４を備える。また、燃料電池システム１０は、車両操作者からの電力要求信号をライン１８上で提供する電力要求モジュール１６を備える。後に詳述するように、コントローラ１４は、例えば圧力センサ、温度センサ、相対湿度センサ等の燃料電池システム・コンポーネント１２からのライン２２上のセンサ信号と、ライン２８上の相対湿度設定点とに基づいて、システム・コンポーネント１２における種々のアクチュエータ及び他のコンポーネントの位置（例えば、コンプレッサ速度、ポンプ速度、放熱器冷却ファン速度、バルブ位置）を設定するアクチュエータ設定信号をライン２０上で提供する。

本発明によると、燃料電池システム１０は、ライン２８上にＲＨ設定点を提供する支配アルゴリズム２４を備える。アルゴリズム２４は、ライン２２上で提供されるセンサ信号を表すセンサ信号をコントローラ１４からライン２６上で受け取る。センサ信号に基づいて、アルゴリズム２４は、システム１０の動作状態が、システム１０が湿潤動作モードで動作している場合には湿潤動作モードを持続することができるか、又は、システム１０が乾燥動作モードで動作している場合には乾燥動作モードを持続することができるかを決定する。この決定に基づいて、アルゴリズム２４はコントローラ１４に対してライン２８上でＲＨ設定点信号を提供し、コントローラ１４はＲＨ設定点を用いて、ライン１８上の電力要求とライン２２上のセンサ信号とを組み合わせてライン２０上のアクチュエータ設定条件を制御する。こうして、アルゴリズム２４は、燃料電池スタックの膜に対する機械的応力を低減するようカソード排気気体のＲＨ循環運動を低減し、燃料電池スタックの寿命を延ばす。

図２は、燃料電池システム１０の湿潤動作モードを維持しようとする支配アルゴリズム２４の動作を示すフロー図４０である。典型的には、燃料電池システム１０は、カソード排気気体の水蒸気保持能力が低い場合、コールド・スタートする。支配アルゴリズム２４の初期化時に、ボックス４２においてフラグは湿潤動作モードに設定される。次いで、アルゴリズム２４は、前記のセンサを表すセンサ４６からセンサ信号を受け取り、ボックス４４においてカソード排気気体の最大持続可能相対湿度を計算する。放熱器を最大限に利用する等の動作戦略を用いることにより、アルゴリズム２４は、燃料電池システムの始動後に、可能な限り長く湿潤動作モードに留まるよう試みる。アルゴリズム２４はセンサ４６からのセンサ信号を用いて、最大持続可能相対湿度を計算することにより、システム１０がそのときの動作パラメータに対して湿潤動作モードを維持することができるかどうかを決定する。最大相対湿度を計算するのに用いられる式は当業者には周知である。

次いで、判定菱形４８において、アルゴリズム２４は、最大持続可能相対湿度と所定の相対湿度割合とを比較する。この例においては、所定の湿潤相対湿度割合は１０５パーセントである。しかし、これは非限定的な例であり、１００％より大きい他の値を用いることができる。計算された最大持続可能相対湿度が所定の湿潤相対湿度割合よりも大きい場合には、ボックス５０において、アルゴリズム２４は湿潤相対湿度設定点を所定の相対湿度割合設定点、例えば１２０パーセントに設定する。上記のとおり、湿潤動作モードに対する１２０パーセントという相対湿度設定点は非限定的な例であり、湿潤動作モードに対して他の相対湿度設定点を用いることができる。次いで、ボックス５２において、アルゴリズム２４はライン２８を表すライン５４上で相対湿度設定点をコントローラ１４に送る。次いで、ボックス５６において、アルゴリズム２４は所定時間（例えば１秒間）だけ待機し、ボックス４４における、センサ信号を受け取って最大相対湿度を計算するステップへ戻る。

システムの始動後、加速の頻度と程度、アイドリング時間、牽引、走行時間、周囲温度等の多くの因子が、システム１０の動作状態が湿潤動作モードに維持されるかどうかに影響する。しかし、これらの種々の因子により、アルゴリズム２４が判定菱形４８において最大持続可能相対湿度が１０５パーセントよりも小さいと計算するならば、システム１０は乾燥動作モードに切り替わらなければならず、ボックス５８においてフラグは乾燥モードに設定される。また、ＲＨ設定点は乾燥動作モードに対する乾燥相対湿度設定点、例えば８０％に設定され、これがアルゴリズム２４によりボックス５２においてライン５４上で送られる。こうして、アルゴリズム２４はシステム１０の動作モードを乾燥動作モードに維持しようとする。

湿潤動作モードと乾燥動作モードとの切り替えを制御するよう、或る経験則をシステム１０に組み込むことができる。例えば、上で検討した相対湿度閾値とセンサ信号のサンプリング間の待ち時間とを、或る駆動パターン、車両特性及び周囲温度等に対して最適化することができる。更に、過去の所定長さの何分間かにわたって湿潤モードと乾燥モードと間の移行が或る回数行われた場合には、システムは少なくとも所定の長さの何分間かには湿潤動作モードへ戻らない、又は乾燥動作モードへ切り替わるという論理を用いることができる。これらの設定は、スタックの負荷が循環している状況に対して湿潤モードと乾燥モードとの間の反復される循環運動を回避する助けとなる。

アルゴリズム２４が乾燥動作モードへ切り替わってしまうと、アルゴリズム２４は乾燥モード戦略へ切り替わる。図３は、乾燥モード戦略を示すフロー図６０であり、同一のステップは同一の参照数字で指示されている。アルゴリズム２４はボックス６２において乾燥モード戦略を初期化し、フラグは乾燥に設定されている。次いで、ボックス６４において、アルゴリズム２４はセンサ４６からセンサ信号を受け取り、システム１０の動作状態に基づいて最小持続可能相対湿度を計算する。当業者には、最小相対湿度を計算するのに用いる式は公知である。

次いで、判定菱形６６において、アルゴリズム２４は、乾燥モード動作範囲における１００％よりも小さい所定の相対湿度割合よりも最小持続可能相対湿度の方が大きいかどうかを決定する。この実施の形態においては、その相対湿度割合の値は９５％であるが、これは非制限的な例である。ボックス６４における最小持続可能相対湿度の計算により、或る動作状態（例えば、充分に湿ったカソード入力気体）は膜の乾燥を防止するとみなされ、合理的に低いカソード化学量論は高いシステム効率を達成するとみなされる。システム１０のそのときの動作パラメータが９５％よりも小さい相対湿度を持続することができる場合には、アルゴリズム２４はボックス５８において相対湿度設定点を８０％に維持し、ボックス５２におけるＲＨ設定点をライン５４上でコントローラ１４に送る。しかし、判定菱形６６において、最小持続可能相対湿度が９５％よりも大きいならば、アルゴリズム２４は相対湿度設定点を１２０％に設定することによって湿潤動作モードへ切り替わり、ボックス５０においてフラグを湿潤に設定する。次いで、アルゴリズム２４はボックス５２において湿潤モードＲＨ設定点をライン５４上で送出する。

上で検討したように、システム１０に或る経験則を組み込むことができる。例えば、ＲＨ閾値とセンサ信号のサンプリング間の待ち時間とを、駆動標準、車両特性、周囲温度等に対して最適化することができる。更に、過去の所定長さの何分間かにわたって湿潤モードと乾燥モードと間の移行が或る回数行われた場合には、システムは少なくとも所定の長さの何分間かには乾燥動作モードへ戻らない、又は湿潤動作モード戦略へ切り替わるという論理を用いることができる。

周囲の状態や駆動パターン等に基づいて、戦略は湿潤モード又は乾燥モードで動作することができる。そのときの戦略が適切に動作していない場合、例えば、システム１０が湿潤モードにあり、乾燥モードへの移行が頻繁である場合、代替の戦略へ切り替えるよう判定することができる。こうして、湿潤モード動作と乾燥モード動作との間の循環運動を最小にすることができる。

以上の検討は本発明の単なる例示の実施の形態を開示し記述するものである。こうした検討から、また、添付の図面及び特許請求の範囲から、当業者は容易に認識するように、請求項によって定義される発明の精神及び範囲を逸脱することなく、種々の変更、修正及び変形を行うことができる。

本発明の実施の形態に係る、カソード出口気体に対するＲＨ設定点を提供するための支配アルゴリズムを採用する燃料電池システムのブロック図である。 湿潤動作モードに対するカソード排気気体の相対湿度設定点を維持するための支配アルゴリズムの動作を示すフローチャート図である。 乾燥動作モードに対するカソード排気気体の相対湿度設定点を維持するための支配アルゴリズムの動作を示すフローチャート図である。

Claims (19)

1. 燃料電池システムの燃料電池スタックからのカソード排気気体の相対湿度を制御するための方法であって、
   前記燃料電池システムの動作パラメータを示すセンサ信号を提供する工程と、
   前記センサ信号に基づいて前記カソード排気気体の最大持続可能相対湿度を計算する工程と、
   計算された前記最大持続可能相対湿度が所定の割合よりも大きいかどうかを決定する工程と、
   計算された前記最大持続可能相対湿度が前記所定の割合よりも大きいならば、１００％よりも大きい相対湿度設定点を提供する工程と、
   計算された前記最大持続可能相対湿度が前記所定の割合よりも小さいならば、１００％よりも小さい相対湿度設定点を提供する工程と、
   前記相対湿度設定点に基づいて燃料電池システム・コンポーネントを制御して前記カソード排気気体の相対湿度を前記設定点に維持するよう試みる工程と、
   を備える方法。
2. 前記相対湿度設定点が決定された後に所定期間だけ待機して、前記センサ信号を再提供し、前記最大持続可能相対湿度を計算する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
3. 所定期間だけ待機する前記工程が、前記所定の割合と車両駆動パターンと車両特性と周囲温度とに基づく期間だけ待機する工程を含む、請求項２に記載の方法。
4. 燃料電池システム・コンポーネントを制御する前記工程が、スタック電力要求及び前記センサ信号と組み合わされた前記相対湿度設定点に基づいて燃料電池システム・コンポーネントを制御する工程を含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記所定の割合が１０５％である、請求項１に記載の方法。
6. １００％より大きい前記相対湿度設定点が約１２０％である、請求項１に記載の方法。
7. １００％よりも小さい前記相対湿度設定点が約８０％である、請求項１に記載の方法。
8. 燃料電池システムの燃料電池スタックからのカソード排気気体の相対湿度を制御するための方法であって、
   前記燃料電池システムの動作パラメータを示すセンサ信号を提供する工程と、
   前記センサ信号に基づいて前記カソード排気気体の最小持続可能相対湿度を計算する工程と、
   計算された前記最小持続可能相対湿度が所定の割合よりも大きいかどうかを決定する工程と、
   計算された前記最小持続可能相対湿度が前記所定の割合よりも大きいならば、１００％よりも大きい相対湿度設定点を提供する工程と、
   計算された前記最小持続可能相対湿度が前記所定の割合よりも小さいならば、１００％よりも小さい相対湿度設定点を提供する工程と、
   前記相対湿度設定点に基づいて燃料電池システム・コンポーネントを制御して、前記カソード排気気体の相対湿度を維持することを試みる工程と、
   を備える方法。
9. 前記相対湿度設定点が決定された後に所定期間だけ待機して、前記センサ信号を再提供し、前記最小持続可能相対湿度を計算する工程を更に備える、請求項８に記載の方法。
10. 所定期間だけ待機する前記工程が、前記所定の割合と車両駆動パターンと車両特性と周囲温度とに基づく期間だけ待機する工程を含む、請求項９に記載の方法。
11. 燃料電池システム・コンポーネントを制御する前記工程が、スタック電力要求及び前記センサ信号と組み合わされた前記相対湿度設定点に基づいて燃料電池システム・コンポーネントを制御する工程を含む、請求項８に記載の方法。
12. 前記所定の割合が９５％である、請求項８に記載の方法。
13. １００％より大きい前記相対湿度設定点が約１２０％である、請求項８に記載の方法。
14. １００％よりも小さい前記相対湿度設定点が約８０％である、請求項８に記載の方法。
15. 燃料電池システムの燃料電池スタックからのカソード排気気体の相対湿度を制御する方法であって、
    前記燃料電池システムの動作パラメータを示すセンサ信号を提供する工程と、
    前記燃料電池システムの動作パラメータが前記カソード排気気体の相対湿度を第１の所定値よりも大きく維持することができるならば、前記カソード排気気体の相対湿度を湿潤動作モードに維持する工程と、
    前記燃料電池システムの動作パラメータが前記カソード排気気体の相対湿度を第２の所定値よりも小さく維持することができるならば、前記カソード排気気体の相対湿度を乾燥動作モードに維持する工程と、
    を備える方法。
16. 前記燃料電池システムの動作パラメータが前記カソード排気気体の相対湿度を前記第１の所定値よりも大きく維持することができないならば、前記カソード排気気体の相対湿度を湿潤動作モードに維持することへ切り替える工程を更に備える、請求項１５に記載の方法。
17. 前記燃料電池システムの動作パラメータが前記カソード排気気体の相対湿度を前記第２の所定値よりも小さく維持することができないならば、前記カソード排気気体の相対湿度を湿潤動作モードに維持することへ切り替える工程を更に備える、請求項１５に記載の方法。
18. 前記第１の所定値が約１０５％である、請求項１５に記載の方法。
19. 前記第２の所定値が約９５％である、請求項１５に記載の方法。

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