JP2008108612A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の電解質膜の異常を確実に判定可能な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】電圧センサ５８で燃料電池の出力電圧を検出し、検出電圧を制御部６４に出力し、制御部６４は、電圧センサ５８の検出電圧を基に燃料電池１０の開回路電圧を測定し、測定結果から開回路電圧の低下速度が正常値よりも速く、開回路電圧の低下率が異常を示している可能性があると判定したときには、燃料電池１０の乾燥運転を実施し、乾燥運転後の燃料電池１０の開回路電圧を再度測定し、この測定値が電解質膜に異常がある可能性を示す場合は、電解質膜の異常が真のものと判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜を有する燃料電池の異常の有無を検出する技術に関する。

燃料電池自動車等に搭載される燃料電池には、例えば、固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込み、その外側を一対のセパレータで挟持して形成されたセルを複数積層して構成されたスタックからなるものがある。セパレータには、燃料ガスである水素ガスを各セル供給するための水素ガス通路、酸化剤ガスである酸素を含む空気を各セルに供給するための空気通路、各セルに冷却液を供給するための冷却液通路が設けられている。

この種の燃料電池内において、水素が空気通路に漏洩すると、可燃性ガスである水素と空気通路内の酸素とが反応して発熱し、燃料電池に悪影響を及ぼす虞がある。そこで、燃料電池のアノードに供給する燃料ガスの圧力をカソードに供給するガス（酸素）の圧力よりも高く維持した状態で、活性化過電圧領域で燃料電池の出力電圧、すなわち、電流が流れない状態での出力電圧（いわゆる開回路電圧：ＯＣＶ）を測定し、出力電圧が所定の電圧値以下であった場合にはガスが漏れていると判定し、電解質膜の損傷・劣化に伴うガス漏れを検知するものが提案された（特許文献１参照）。

特開２００３−４５４６６号公報

燃料電池の電解質膜の損傷・劣化に伴うガス漏れを検知するに際して、燃料電池のアノードに供給する燃料ガスの圧力をカソードに供給するガス（酸素）の圧力よりも高く維持した状態で、燃料電池の出力電圧として、開回路電圧（ＯＣＶ）を測定しても、電解質膜の劣化を確実に判定できないことがある。すなわち、電解質膜の含水量が多いと、それに応じて開回路電圧（ＯＣＶ）の低下が大きくなるので、電解質膜の乾燥度との兼ね合いで開回路電圧（ＯＣＶ）を判定しないと、電解質膜の損傷・劣化に伴う燃料電池の異常を正確に判定できないことになる。

そこで、本発明は、燃料電池の電解質膜の異常を確実に判定可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、燃料電池の電解質膜に異常の可能性があるときには、燃料電池に対する乾燥運転を実施したことを条件に燃料電池の開回路電圧を測定し、この測定結果から、電解質膜の損傷・劣化に伴う燃料電池の異常の有無を判定することとしている。

具体的には、本発明は、電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、該燃料電池の開回路電圧に基づいて該電解質膜に異常があるか否かを検出し、該電解質膜に異常がある可能性を検出した場合に、該燃料電池の乾燥運転を実施し、該乾燥運転後の該燃料電池の開回路電圧に基づいて該電解質膜に異常があるか否かを検出し、再び該電解質膜に異常がある可能性を検出した場合に、該電解質膜の異常が真のものであると判定することを特徴とする。

係る構成によれば、燃料電池の開回路電圧の検出値が、電解質膜に異常がある可能性を示す場合に、燃料電池の乾燥運転を実施して、電解質膜の含水量が開回路電圧の低下に影響するのを取り除くようにしているため、乾燥運転後の燃料電池の開回路電圧の検出値が、再度、電解質膜に異常がある可能性を示す場合は、電解質膜の異常が真のものと判定することができ、電解質膜の損傷・劣化に伴う燃料電池の異常を確実に判定できる。

電解質膜の損傷・劣化に伴う燃料電池の異常を判定するに際して、好適には、前記燃料電池の開回路電圧を検出する電圧検出装置と、前記燃料電池に酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給装置（コンプレッサ）と、前記燃料電池システムを制御する制御部とを備え、該制御部は、該開回路電圧の低下率を観測可能に構成されており、該開回路電圧の低下率が異常を示している場合に、該酸化ガス供給装置に該酸化ガスを供給させて前記燃料電池の電解質膜を所定時間乾燥させ、前記燃料電池の電解質膜の乾燥後に、再度該開回路電圧の低下率を測定し、再度測定した該開回路電圧の低下率が再び異常を示していた場合に、前記燃料電池の電解質膜に異常があると判定するものを設けることができる。

係る構成によれば、燃料電池の開回路電圧を電圧検出装置で検出し、この検出電圧の低下率が異常を示している場合に、酸化ガス供給装置から燃料電池に酸化ガスを供給させて、燃料電池の電解質膜を所定時間乾燥させて、電解質膜の含水量が開回路電圧の低下に影響するのを取り除くようにしているため、燃料電池の電解質膜の乾燥後に、再度、燃料電池の開回路電圧の低下率を測定し、測定した開回路電圧の低下率が再び異常を示していた場合に、燃料電池の電解質膜に異常があると判定することができ、電解質膜の損傷・劣化に伴う燃料電池の異常を確実に判定できる。

本発明によれば、電解質膜の損傷・劣化に伴う燃料電池の異常を確実に判定できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す燃料電池システムの全体構成図である。図１において、燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、車両走行用のモータジェネレータ１２、二次電池１４、補機１６等の電気機器に電力を供給するように構成されている。

燃料電池１０では、以下のように水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギーが発生する。
（水素極側） Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（酸素極側） ２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０は、本実施例では、固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。各セルは、電解質膜が一対の電極（アノード電極、カソード電極）で挟まれた構成となっており、一対の電極は、その両側がセパレータで挟持されている。

燃料電池システムには、燃料電池１０の各セルに連なる経路として、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化ガス）を供給するための空気供給経路１８と、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０と、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路２２と、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路２４とが設けられている。

空気供給経路１８には、空気圧送用の送風機２６が設けられており、送風機２６は電動モータ２８によって駆動される。送風機２６と電動モータ２８は、燃料電池１０に酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給装置（コンプレッサ）として構成されている。空気排出経路２０には、空気排出経路２０を開閉する空気排出経路用開閉弁３０が設けられている。この開閉弁３０は、電動モータ２８によって送風機２６を駆動して、燃料電池１０に空気を供給する際に、開弁される。

空気供給経路１８と空気排出経路２０には、加湿器３２が設けられている。この加湿器３２は、燃料電池１０から排出される、湿った排気空気に含まれる水分を用いて、送風機２６の吐出による空気を加湿するようになっている。送風機２６の吐出による空気が加湿器３２によって加湿されると、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応を良好に保つことができる。

水素供給経路２２には、水素ガスが充填された水素ボンベ３４、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３６、水素供給経路２２を開閉する水素供給経路用開閉弁３８が設けられている。水素排出経路２４には、水素排出経路２４を開閉する水素排出経路用開閉弁４０が設けられている。開閉弁３８は、燃料電池１０に水素を供給する際に開弁され、このとき、水素調圧弁３６によって、燃料電池１０に供給される水素の圧力が所望の圧力に調整される。開閉弁４０は、運転状態に応じて開閉されるようになっており、開閉弁４０が開弁されたときには、水素排出経路２４からは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などが排出される。

燃料電池１０は、発電に伴って熱を発生するところから、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度、例えば、８０℃となるようにする冷却システムが設けられている。

この冷却システムは、例えば、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４２と、冷却水を循環させるウォータポンプ４４と、ウォータポンプ４４を駆動する電動モータ４６と、ファン４８を備えたラジエータ５０とから構成されている。この冷却システムでは、燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ５０から系外に排出される。この冷却システムにおいては、ウォータポンプ４４による冷却水の流量制御とファン４８による風量制御を実行することで、燃料電池１０の冷却量を制御することができる。

燃料電池１０と二次電池１４との間および二次電池１４とモータジェネレータ１２との間には、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ５２が配置されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ５２は、燃料電池１０から二次電池１４あるいは二次電池１４から燃料電池１０への電力の流れを制御することができる。

燃料電池１０および二次電池１４とモータジェネレータ１２との間にはインバータ５４が配置されている。モータジェネレータ１２は、インバータ５４によってその機能が切換えられ、電動機または発電機として機能するようになっている。

ここで、急加速時などに急激に電力が必要になった場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２とインバータ５４を駆動することで、燃料電池１０からだけでなく、二次電池１４からもモータジェネレータ１２に電力を供給することができる。また、発電時に余った電力や、モータジェネレータ１２によって回生された電力を二次電池１４に蓄えることができる。なお、補機１６は、電動モータ２８、４６を含み、インバータ５６を介して二次電池１４に接続されている。

また、燃料電池１０には、各セルの電圧を検出する電圧センサ（電圧検出装置）５８、燃料電池１０の温度を検出する温度センサ６０、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ６２が設けられており、各センサは制御部（ＥＣＵ）６４に接続されている。

制御部６４は、例えば、マイクロコンピュータで構成されており、各種負荷から要求電力信号を取り込むとともに、電圧センサ５８から電圧信号、温度センサ６０から温度信号、電流センサ６２から電流信号を取り込み、取り込んだ信号を基に各種の演算を行って制御対象を制御するための制御信号を生成するようになっている。制御部６４によって生成された制御信号は、二次電池１４、ＤＣ−ＤＣコンバータ５２、インバータ５４、５６、電動モータ２８、４６、水素調圧弁３６、開閉弁３０、３８、４０に出力される。なお、制御部６４には警報器６６が接続されている。

ここで、制御部６４は、燃料電池１０の異常の有無を判定するに際して、電圧センサ５８から電圧信号として、例えば、燃料電池１０の開回路電圧を取り込み、この開回路電圧に基づいて、燃料電池１０の電解質膜に異常があるか否かを検出し、電解質膜に異常がある可能性を検出した場合に、燃料電池１０の乾燥運転を実施し、乾燥運転後の燃料電池１０の開回路電圧に基づいて、電解質膜に異常があるか否かを検出し、再び、電解質膜に異常がある可能性を検出した場合に、電解質膜の異常が真のものであると判定することとしている。

本実施例では、燃料電池１０は、電解質膜が劣化したり、損傷したりすると、開回路電圧が所定電圧値以下に低下する傾向を示すところから、制御部６４によって開回路電圧の低下率または開回路電圧の低下速度を観測することとしている。

この場合、制御部６４は、燃料電池１０の開回路電圧の低下率または開回路電圧の低下速度を測定し、開回路電圧の低下率または開回路電圧の低下速度が異常を示している場合には、電動モータ２８によって送風機２６を駆動して、燃料電池１０に酸化ガス（空気）を供給し、燃料電池１０の電解質膜を所定時間乾燥させ、燃料電池１０の電解質膜の乾燥後に、再度、燃料電池１０の開回路電圧の低下率または開回路電圧の低下速度を測定し、再度測定した開回路電圧の低下率または開回路電圧の低下速度が再び異常を示していた場合に、燃料電池１０の電解質膜に異常があると判定することとしている。

燃料電池１０の開回路電圧を測定するに際しては、例えば、開閉弁３０、４０を全開にして、燃料電池１０に供給する酸化ガス（空気）と燃料ガス（水素）に背圧をかけない状態にしたときの、セルの電圧を開回路電圧とすることができる。

一方、燃料電池１０の開回路電圧は、図２に示すように、セル内の水分が増加するに伴って増加し、セル内の水分がある程度まで多くなると略一定になる特性を示す。ここで、セル内の水分が最適範囲での最低電圧をＶ１、セル内の水分が最適範囲での最高電圧をＶ２とすると、燃料電池１０の開回路電圧がＶ１以下のときには、セルが乾燥状態にあるとすることができる。すなわち、燃料電池１０の開回路電圧がＶ１以下になったことで、燃料電池１０内が乾燥状態にあると判定することができる。

次に、本実施例の作用を図３のフローチャートに従って説明する。
まず、制御部６４は、電圧センサ５８からの電圧信号を基に開回路電圧を測定し、開回路電圧の低下速度が正常値よりも速く、開回路電圧の低下率が異常を示している可能性があることを観測したときには（Ｓ１）、ドライ運転を開始する（Ｓ２）。このドライ運転時には、制御部６４は、電動モータ２８を駆動して、送風機２６から燃料電池１０に酸化ガス（空気）を多量に供給し、燃料電池１０の電解質膜を所定時間乾燥させる（Ｓ３）。

燃料電池１０の電解質膜を所定時間乾燥させた後は、制御部６４は、ドライ運転後の開回路電圧を再度測定し、開回路電圧が最低電圧Ｖ１以下であることを条件に（乾燥状態にあることを条件に）、開回路電圧の低下速度が正常値にあるか否かを判定する（Ｓ４）。

そして、ステップＳ４において開回路電圧の低下速度が正常値にあるときには（ＹＥＳ）、開回路電圧の低下率が正常であるとして、すなわち、電解質膜の含水量が多かったと判断し（Ｓ５）、このルーチンでの処理を終了する。

一方、制御部６４は、ステップＳ４で開回路電圧の低下速度が異常値を示し、開回路電圧の低下率が異常であると判定したときには（ＮＯ）、電解質膜に劣化の可能性があると判断し（Ｓ６）、警報器６６に駆動指令を与えて、ドライバ（運転者）に電解質膜に劣化の可能性がある旨を警告し（Ｓ７）、このルーチンでの処理を終了する。

本実施例によれば、開回路電圧の低下速度が正常値よりも速く、開回路電圧の低下率が異常を示している可能性があることを観測したときには、燃料電池１０の乾燥運転を実施して、電解質膜の含水量が開回路電圧の低下に影響するのを取り除くようにしているため、乾燥運転後の燃料電池１０の開回路電圧の測定値（検出値）が、再度、電解質膜に異常がある可能性を示す場合は、電解質膜の異常が真のものと判定することができ、電解質膜の損傷・劣化に伴う燃料電池１０の異常を確実に判定できる。

（変形例）
本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々に変形して適用することが可能である。
例えば、上記実施例では、燃料電池１０内を乾燥状態にするに際して、電動モータ２８と送風機２６を酸化ガス供給装置（コンプレッサ）として用いていたが、これらの機器の代わりに、例えば、加湿器３２の作動を停止するとともに、ウォータポンプ４４の回転数を下げて冷却水の流量を最小にして、燃料電池１０からの熱の流出を抑えて燃料電池１０の温度を上げる構成を採用しても、燃料電池１０から排出される空気の温度も高くなるので、燃料電池１０内から排出される水分の量が増加し、燃料電池１０内を乾燥させることができる。すなわち、燃料電池１０の湿度を低下させることができる公知のあらゆる技術を本発明の乾燥化手段として用いることができる。

また、上記実施例では、燃料電池の開回路電圧（ＯＣＶ）の低下率により電解質膜に異常のある可能性を検知していたが、これに限定されない。例えば、低下率の代わりに、開回路電圧の絶対値を、電解質膜に異常のある場合の電圧値と比べて、電解質に異常があるか否かを判定させてもよい。また、電解質膜の異常に対応して変化し、検出可能な物理量であれば、開回路電圧以外のパラメータ、例えば電流値、電力値、温度等を検出して異常検出するようにしてもよい。

また、上記実施例では、警報器６６により、ドライバに電解質膜に異常のある可能性を報知していたがこれに限定されない。例えば、コックピット内の各種表示ランプ、表示装置に電解質膜の異常を表示させたり、または、音源データを用いた音声・音響により電解質膜の異常を報知したりするように構成してもよい。

本発明の一実施例を示す燃料電池システムの全体構成図である。 燃料電池におけるセルの開回路電圧とセル内水分との関係を示す特性図である。 本発明に係る燃料電池システムの作用を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池、１２ モータジェネレータ、１８ 空気供給経路、２０ 空気排出経路、２２ 水素供給経路、２４ 水素排出経路、２６ 送風機、２８ 電動モータ、３０ 開閉弁、３２ 加湿器 、３８、４０ 開閉弁、４４ ウォータポンプ、４６ 電動モータ、５８ 電圧センサ、６４ 制御部

Claims (2)

1. 電解質膜を有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   該燃料電池の開回路電圧に基づいて該電解質膜に異常があるか否かを検出し、
   該電解質膜に異常がある可能性を検出した場合に、該燃料電池の乾燥運転を実施し、
   該乾燥運転後の該燃料電池の開回路電圧に基づいて該電解質膜に異常があるか否かを検出し、
   再び該電解質膜に異常がある可能性を検出した場合に、該電解質膜の異常が真のものであると判定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の開回路電圧を検出する電圧検出装置と、
   前記燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
   前記燃料電池システムを制御する制御部とを備え、
   該制御部は、該開回路電圧の低下率を観測可能に構成されており、
   該開回路電圧の低下率が異常を示している場合に、
   該酸化ガス供給装置に該酸化ガスを供給させて前記燃料電池の電解質膜を所定時間乾燥させ、
   前記燃料電池の電解質膜の乾燥後に、再度該開回路電圧の低下率を測定し、
   再度測定した該開回路電圧の低下率が再び異常を示していた場合に、前記燃料電池の電解質膜に異常があると判定することを特徴とする燃料電池システム。

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