JP2008130471A

JP2008130471A - 燃料電池運転システム

Info

Publication number: JP2008130471A
Application number: JP2006316491A
Authority: JP
Inventors: Tomotaka Ishikawa; 智隆石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-11-24
Filing date: 2006-11-24
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2026-11-24
Also published as: JP5061594B2

Abstract

【課題】燃料電池運転システムにおいて、事前に電解質膜の乾燥を予測して、電解質膜の含水量を制御することである。
【解決手段】燃料電池運転システムにおいて、膜乾燥防止含水量制御の手順は次のように行われる。まず、冷却水温度θが予め設定された閾値水温θ₀以下の範囲にあるか否かが判断される（Ｓ１０）。冷却水温度θが、閾値水温θ₀以下の範囲であると判断されると、酸化ガス圧は、予め定められた圧力Ｐ₁に設定される（Ｓ１２）。なお、酸化ガス圧力によって、ＭＥＡの含水率を制御できる。一方、冷却水温度θが、閾値水温θ₀を超えると判断されると、含水量が低下し膜乾燥が予測されると判断され（Ｓ１４）、酸化ガス圧は、Ｓ１２における圧力Ｐ₁よりも高い圧力Ｐ₂に設定される（Ｓ１６）。冷却水温度に代えて、外気温度、膜インピーダンスを用いることもできる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池運転システムに係り、特に、燃料ガスと酸化ガスとが供給され燃料電池化学反応によって発電する燃料電池スタックの含水量の制御を行う燃料電池運転システムに関する。

環境に与える影響が少ないことから、車両に燃料電池の搭載が行われている。燃料電池は、例えば燃料電池スタックのアノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む反応ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって必要な電力を取り出す。

この電気化学反応においては、電解質膜の中をプロトン（Ｈ⁺）が移動し、その際、水を随伴して水和状態で移動する。したがって、アノード等の電極基材が乾燥しすぎると、随伴する水分子が不足し、電池化学反応が進まず、燃料電池の出力が低下する。そこで、例えば、加湿装置等が設けられ、電解質膜の含水量が適度となるように監視される。

例えば、特許文献１には、バブラ、ミスト発生器等の補機による加湿を不要とする燃料電池システムとして、燃料電池の空気極側の内部圧力と含水率監視変数との関係を用いて、含水率監視変数の変化に応じて空気極側の背圧弁を制御することが開示されている。ここで、含水率監視変数は、燃料電池の内部温度、出力電圧、内部抵抗、オフガス相対湿度を用いることができ、含水率監視変数と背圧弁の開度との関係は、制御マップまたは関係式を用いることが述べられている。

特開２００２−１７５８２１号公報

特許文献１には、燃料電池の含水率監視変数の変化に応じて背圧弁の開度を調整して、含水率を制御することが述べられている。しかしながら、燃料電池は、電気化学反応の程度によって燃料電池の内部温度、出力電圧、内部抵抗、オフガス相対湿度等が変化するので、これらの変化に応じて対応しても、そのときには既にこれらの状態が変化してしまっていることも多く、事後的な対応を繰り返すことになる。

本発明の目的は、事前に電解質膜の乾燥を予測して、電解質膜の含水量を制御できる燃料電池運転システムを提供することである。

本発明に係る燃料電池運転システムは、燃料ガスと酸化ガスとが供給され燃料電池化学反応によって発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力を制御する制御弁と、燃料電池スタックの含水量に関連する観測量の検出に基づき制御弁の設定圧力を変更する制御部であって、検出された観測量が任意に設定された設定観測量の範囲内のときには制御弁の設定を酸化ガス第１圧力とし、設定観測量の範囲を超えるときには、燃料電池スタックの含水量の変化が予測されるとして、予測される含水量の変化に応じて制御弁の設定を酸化ガス第１圧力よりも高い高圧の酸化ガス圧力とする制御部と、を備えることを特徴とする。

また、制御部は、設定観測量の範囲を超えるときには、制御弁の設定を酸化ガス第１圧力よりも任意に設定される圧力差だけ高い酸化ガス第２圧力とすることが好ましい。

また、制御部は、燃料電池スタックの冷却水温または燃料電池スタックに関する外気温度を観測量とすることが好ましい。

また、制御部は、燃料電池スタックの膜インピーダンスを観測量とすることが好ましい。

上記構成により、燃料電池運転システムは、燃料電池スタックの含水量に関連する観測量を検出し、検出された観測量が設定観測量の範囲内のときには制御弁の設定を酸化ガス第１圧力とし、設定観測量の範囲を超えるときには、燃料電池スタックの含水量の変化が予測されるとして、予測される含水量の変化に応じて制御弁の設定を酸化ガス第１圧力よりも高い高圧の酸化ガス圧力とする。酸化ガス圧力によって、燃料電池スタックの含水量は制御できるので、設定観測量の範囲を、事前に電解質膜の含水量の変化による乾燥が予測できる範囲とすることで、事後的な対応を繰り返すことなく、電解質膜が乾燥する前に、電解質膜の含水量を適度なものに制御できる。

また、検出観測量が設定観測量の範囲を超えるときには、制御弁の設定を酸化ガス第１圧力よりも任意に設定される圧力差だけ高い酸化ガス第２圧力とする。酸化ガス第１圧力と酸化ガス第２圧力とは、所定の圧力差があるので、検出観測量が設定観測量の範囲を超えると、酸化ガス圧力は、ステップ状に変更される。これにより、電解質膜の乾燥を先取りして含水量を制御することができる。

また、観測量として燃料電池スタックの冷却水温または燃料電池スタックに関する外気温度を用いる。冷却水温が高くなると電解質膜は乾燥しやすくなり、また、外気温度が高くなる場合も電解質膜は乾燥しやすくなることが知られている。したがって、これらを観測量として、設定観測量の範囲を、事前に電解質膜の含水量の変化による乾燥が予測できる範囲とすることで、事後的な対応を繰り返すことなく、電解質膜が乾燥する前に、電解質膜の含水量を適度なものに制御できる。

また、観測量として燃料電池スタックの膜インピーダンスを用いる。電解質膜が乾燥気味になると膜インピーダンスが高くなることが知られている。そこでこれを観測量として、設定観測量の範囲を、事前に電解質膜の含水量の変化による乾燥が予測できる範囲とすることで、事後的な対応を繰り返すことなく、電解質膜が乾燥する前に、電解質膜の含水量を適度なものに制御できる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１は、燃料電池運転システム１０の構成図である。燃料電池運転システム１０は、運転システム本体部２０と、運転システム本体部２０の各要素をシステム全体として制御する制御部７０とを含んで構成されている。

運転システム本体部２０は、燃料電池セルが複数積層されて燃料電池スタック２２と呼ばれる燃料電池本体及び、燃料電池スタック２２のアノード側に配置される水素ガス供給のための各要素と、カソード側に配置される空気供給のための各要素を含んで構成される。

燃料電池スタック２２は、電解質膜の両側に触媒電極層を配置したＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）の両外側にセパレータを配置して挟持した単電池を複数個組み合わせて積層したものである。燃料電池スタック２２は、アノード側に水素等の燃料ガスを供給し、カソード側に酸素を含む酸化ガス、例えば空気を供給し、電解質膜を通しての電池化学反応によって発電し、必要な電力を取り出す機能を有する。なお、発電された電力は、ＦＣ発電電力検出部６８によって検出され、検出された発電電力のデータは、制御部７０に伝送される。

アノード側の水素ガス源２４は、燃料ガスとしての水素を供給するタンクである。水素ガス源２４に接続されるレギュレータ２６は、水素ガス源２４からのガスを適当な圧力と流量に調整する機能を有する。レギュレータ２６の出力口に設けられる圧力計２８は、供給水素圧力を検出する測定器である。レギュレータ２６の出力口は燃料電池スタック２２のアノード側入口に接続され、適当な圧力と流量に調整された燃料ガスが燃料電池スタック２２に供給される。

燃料電池スタック２２のアノード側出口に接続される分流器３２は、アノード側出口からの排出ガスの不純物ガス濃度が高まってきたときに、排気バルブ３４を通して希釈器６４に流すためのものである。このときの排気ガスは、窒素の他に反応生成物の水も含む水素ガスである。また、分流器３２の後でさらにアノード側入口との間に設けられる循環昇圧器３０は、アノード側出口から戻ってくるガスの水素分圧を高めて再びアノード側入口に戻し再利用する機能を有する水素ポンプである。

カソード側の酸化ガス源４０は、実際には大気を用いることができる。酸化ガス源４０である大気はフィルタ４２を通してからカソード側に供給される。フィルタ４２の後に設けられる流量計４４は、酸化ガス源４０からの全供給流量を検出するフローメータである。また、フィルタ４２の後に設けられる酸化ガス温度計４６は、酸化ガス源４０からのガスの温度を検出する機能を有する。

エアコンプレッサ（ＡＣＰ）４８は、モータ５０によって酸化ガスを容積圧縮してその圧力を高める気体昇圧機である。またＡＣＰ４８は、制御部７０の制御の下で、その回転速度（毎分当りの回転数）を可変して、所定量の酸化ガスを提供する機能を有する。すなわち、酸化ガスの所要流量が大きいときは、モータ５０の回転速度を上げ、逆に酸化ガスの所要流量が小さいときは、モータ５０の回転速度を下げる。ＡＣＰ消費電力検出部５２は、ＡＣＰ４８の消費電力、具体的にはモータ５０の消費電力を検出する機能を有する測定器である。モータ５０は、回転速度を上げると消費電力が大きくなり、回転速度を下げると消費電力が小さくなるので、消費電力は、モータの回転速度、あるいは酸化ガス流量に密接に関連する。

加湿器５４は、酸化ガスを適度に湿らせ、燃料電池スタック２２での燃料電池反応を効率よく行わせる機能を有するものである。加湿器５４により適度に湿らせられた酸化ガスは、燃料電池スタック２２のカソード側入口に供給され、カソード側出口から排気される。このときに、排気とともに反応生成物である水も排出される。燃料電池スタック２２は反応により高温になるので、排出される水は水蒸気となっており、この水蒸気が加湿器５４に供給され、酸化ガスを適度に湿らせる。このように、加湿器５４は、酸化ガスに水蒸気の水分を適当に与える機能を有するもので、いわゆる中空糸を用いたガス交換器を用いることができる。

ここで、上記の酸化ガス源４０と、燃料電池スタック２２のカソード側入口とを接続する流路のことを入口側流路と呼ぶことができる。これに対応して、燃料電池スタック２２のカソード側出口から排気側へ接続される流路を出口側流路と呼ぶことができる。酸化ガスの経路である酸化ガス経路６６は、酸化ガス源４０から加湿器５４を経由して入口側流路より燃料電池スタック２２の内部に入り、出口側流路から加湿器５４を経由して外気へと延びる。

出口側流路のカソード側出口に設けられる圧力計５６は、カソード側出口のガス圧を検出する機能を有する。また出口側流路に設けられる調圧弁６０は、背圧弁とも呼ばれるが、カソード側出口のガス圧を調整し、燃料電池スタック２２への酸化ガスの流量を調整する機能を有する弁で、例えばバタフライ弁のように流路の実効開口を調整できる弁を用いることができる。調圧弁６０の出力口は、上記の加湿器５４に接続されるので、調圧弁６０を出たガスは加湿器５４に水蒸気を供給した後、再び戻って、希釈器６４に入り、その後外部に排出される。

希釈器６４は、アノード側の排気バルブ３４からの水素混じりの排水、及び、カソード側の水蒸気混じりでさらにＭＥＡを通して漏れてくる水素混じりの排気を集め、適当な水素濃度として外部に排出するためのバッファ容器である。

また、図１には、燃料電池スタック２２の冷却のための冷却水流路８０が破線で示されている。冷却水流路８０は、図示されていないラジエータと燃料電池スタック２２との間に冷却水を循環させるための流路で、流路中に循環ポンプが設けられている。

冷却水温度計８２は、冷却水流路８０を流れる冷却水の温度を検出する温度検出手段である。冷却水温度計８２は、冷却水流路８０において、燃料電池スタックの下流側で、図示されていないラジエータの上流側のところに設けられている。冷却水温度計８２の検出データは、ＭＥＡの膜乾燥予測のための観測量として、制御部７０に伝送される。

また、外気温度計８４は、燃料電池スタック２２の周辺の外気温度Ｔを検出する温度検出手段である。燃料電池スタック２２の外気温度Ｔの検出は、ＭＥＡの膜乾燥予測に用いられるので、膜乾燥に影響する箇所に外気温度計８４を設けることが好ましい。例えば、燃料電池スタック２２におけるガス出入口等の近くに設けることができる。また、複数の箇所に外気温度計８４を配置するものとしてもよい。外気温度計８４の検出データは、ＭＥＡの膜乾燥予測のための観測量として、制御部７０に伝送される。

制御部７０は、運転システム本体部２０の上記の各要素をシステム全体として制御するもので、いわゆる燃料電池ＣＰＵと呼ばれることがある。例えば、制御部７０は、要求発電量と、ＦＣ発電電力検出部６８から伝送される発電電力のデータとに基づいて、ＡＣＰ４８の回転数制御を行い、また、調圧弁６０の制御を行う機能を有する。ここでは、特に、観測量の検出結果に基づいてＭＥＡの膜乾燥を予測し、調圧弁６０の開度を調節する膜乾燥防止含水量制御の機能を有する。これらの機能はソフトウェアで実現でき、具体的には、対応する燃料電池運転プログラム等を実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。

上記構成の作用、特に制御部７０の膜乾燥防止含水量制御の機能に付き、図２から図５を用いて説明する。なお、以下では、図１の符号を用いて説明する。図２は、膜乾燥防止含水量制御の手順を示すフローチャートである。各手順は、燃料電池運転プログラムの膜乾燥防止含水量制御部分の各処理手順に対応する。

膜乾燥防止含水量制御のための手順は、まず、観測量である冷却水温度θが予め設定された閾値水温θ₀以下の範囲にあるか否かが判断される（Ｓ１０）。冷却水温度θは、冷却水温度計８２の検出データから得られる。閾値水温θ₀は、ＭＥＡの含水量が低下して膜乾燥が予測できる温度に設定される。燃料電池スタック２２の運転が進んで、発電電流が増加すると冷却水温度θが上昇し、含水量が低下し膜乾燥が予測されるので、発電電流が予め定めた目標値に達する少し前の値となるときの冷却水温度を閾値水温θ₀とすることができる。発電効率がよい範囲であって発電電流が予め定めた目標値のときの水温を、例えば６５℃とすると、閾値水温θ₀を６０℃とすることができる。もちろん、これ以外の水温を閾値水温θ₀とすることができる。

そして、冷却水温度θが、閾値水温θ₀以下の範囲であると判断されると、酸化ガス圧は、予め定められた圧力Ｐ₁に設定される（Ｓ１２）。一般的に、燃料電池スタック２２に供給される酸化ガス圧力が低いほど、ＭＥＡの含水量が高くなり膜乾燥が生じにくいことが知られている。すなわち、酸化ガス圧力によって、ＭＥＡの含水率を制御できる。そこで、酸化ガス圧力Ｐ₁は、閾値水温θ₀の冷却水温度において、ＭＥＡの含水量が高く膜乾燥が生じることのない十分低い圧力に設定される。酸化ガス圧力の設定は、図１に関連して説明した調圧弁６０の開度設定によって行われる。

一方、冷却水温度θが、閾値水温θ₀を超えると判断されると、含水量が低下し膜乾燥が予測されると判断され（Ｓ１４）、酸化ガス圧力は、Ｓ１２における圧力Ｐ₁よりも高い圧力Ｐ₂に設定される（Ｓ１６）。酸化ガス圧力Ｐ₁を酸化ガス第１圧力と呼ぶことにすれば、酸化ガス圧力Ｐ₂を酸化ガス第２圧力と呼ぶことができる。酸化ガス第２圧力Ｐ₂は、冷却水温度θが閾値水温θ₀をかなり超えても、ＭＥＡの含水量を適度な範囲に維持でき膜乾燥が生じることのない圧力に設定される。したがって、酸化ガス第２圧力Ｐ₂は、酸化ガス第１圧力Ｐ₁からステップ状に高い圧力に設定され、これによって、ＭＥＡの含水量が低下し膜乾燥の恐れのある冷却水温度をさらに高めに移動させ、膜乾燥予防に十分余裕を持たせることができる。

図３は、図２の処理の様子を示す図である。図３は、横軸に冷却水温度をとり、縦軸に酸化ガス圧力をとってある。図３には、冷却水温度が閾値水温θ₀以下の範囲では酸化ガス圧力がＰ₁で、冷却水温度が閾値水温θ₀を超えると、酸化ガス圧力がステップ状に高くなってＰ₂となることが示される。

これらの値の一例を示すと、閾値水温θ₀は上記の例のように、６０℃で、Ｐ₁＝１４０ｋＰａ、Ｐ₂＝２００ｋＰａである。この例では、Ｐ₁＝１４０ｋＰａの酸化ガス圧力においては、冷却水温度が６５℃まで燃料電池スタック２２の発電効率が低下する程度の膜乾燥が生じない含水量を有し、また、Ｐ₁＝２００ｋＰａの酸化ガス圧力においては、冷却水温度が７５℃まで燃料電池スタック２２の発電効率が低下する程度の膜乾燥が生じない含水量を有するように、θ₀、Ｐ₁、Ｐ₂の値が選ばれる。つまり、閾値水温θ₀は、酸化ガス第１圧力Ｐ₁の下で、膜乾燥に至る含水量の変化を予測する観測量の閾値で、まだその水温では、燃料電池スタック２２が膜乾燥を生じない程度の含水量を有している状態の冷却水温度である。そして、酸化ガス第２圧力Ｐ₂は、冷却水温度が閾値水温θ₀に達した場合に、膜乾燥に至る含水量の変化を予測し、それに応じて、膜乾燥に至る含水量になることをさらに先送りにするために高めに設定された酸化ガス圧力である。したがって、酸化ガス第２圧力Ｐ₂と酸化ガス第１圧力Ｐ₁との圧力差＝Ｐ₂−Ｐ₁は、含水量の変化による膜乾燥の予測に基づき、膜乾燥に至る含水量となる状態をどの程度先送りするかの基準で設定することができる。上記の例では、冷却水温度が７５℃まで燃料電池スタック２２の発電効率の低下がないように設定が行われていることになる。これらの値は説明のための例示であって、もちろんこれら以外の値にすることができる。

上記では、燃料電池スタック２２のＭＥＡの含水量に関連する観測量として、冷却水温度を用いている。ＭＥＡの含水量に関連する観測量として、冷却水温度に代えて、燃料電池スタック２２に関する外気温度を用いることができる。燃料電池スタック２２に関する外気温度としては、外気温度計８４によって検出された外気温度Ｔを用いることができる。

図４は、ＭＥＡの含水量に関連する観測量として外気温度を用いるときの、膜乾燥防止含水量制御のための酸化ガス圧力制御の様子を示す図である。図４の縦軸は図３と同じで、横軸は外気温度である。図４に示されるように、外気温度についての閾値気温Ｔ₀が設定され、外気温度が閾値気温Ｔ₀以下の範囲では酸化ガス圧力がＰ₁で、外気温度が閾値気温Ｔ₀を超えると、酸化ガス圧力がステップ状に高くなってＰ₂となることが示される。

閾値気温Ｔ₀、酸化ガス圧力Ｐ₁、酸化ガス圧力Ｐ₂の設定の仕方は、観測量が冷却水温度の場合と同様で、冷却水温度を外気温度に置き換えればよいので、詳細な説明を省略する。なお、酸化ガス圧力Ｐ₁、Ｐ₂は、冷却水温度の場合の値と異なるものとしてもよい。

また、ＭＥＡの含水量に関連する観測量として、冷却水温度、外気温度に代えて、燃料電池スタック２２のＭＥＡの膜インピーダンスを用いることができる。膜インピーダンス測定には、公知の交流インピーダンス法を用いることができる。例えば、動作している燃料電池スタック２２に対し、その出力電流に任意の正弦波信号を加え、出力電流と出力電圧とについてＦＦＴ変換を行って膜インピーダンスを算出することができる。インピーダンスは、実部、すなわち抵抗成分のみを算出してもよく、あるいは実部と虚部の二乗和の平方根である実効値で算出してもよい。

図５は、ＭＥＡの含水量に関連する観測量として膜インピーダンスを用いるときの、膜乾燥防止含水量制御のための酸化ガス圧力制御の様子を示す図である。図５の縦軸は図３、図４と同じで、横軸は膜インピーダンスである。図５に示されるように、膜インピーダンスについての閾値インピーダンスＲ₀が設定され、外気温度が閾値インピーダンスＲ₀以下の範囲では酸化ガス圧力がＰ₁で、外気温度が閾値インピーダンスＲ₀を超えると、酸化ガス圧力がステップ状に高くなってＰ₂となることが示される。

閾値インピーダンスＲ₀、酸化ガス圧力Ｐ₁、酸化ガス圧力Ｐ₂の設定の仕方は、観測量が冷却水温度または外気温度の場合と同様で、冷却水温度または外気温度を膜インピーダンスに置き換えればよいので、詳細な説明を省略する。なお、酸化ガス圧力Ｐ₁、Ｐ₂は、冷却水温度の場合の値と異なるものとしてもよい。

本発明に係る実施の形態における燃料電池運転システムの構成図である。本発明に係る実施の形態において、膜乾燥防止含水量制御の手順を示すフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、ＭＥＡの含水量に関連する観測量として冷却水温度を用いるときの、膜乾燥防止含水量制御のための酸化ガス圧力制御の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、ＭＥＡの含水量に関連する観測量として外気温度を用いるときの、膜乾燥防止含水量制御のための酸化ガス圧力制御の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、ＭＥＡの含水量に関連する観測量として膜インピーダンスを用いるときの、膜乾燥防止含水量制御のための酸化ガス圧力制御の様子を示す図である。

符号の説明

１０燃料電池運転システム、２０運転システム本体部、２２燃料電池スタック、２４水素ガス源、２６レギュレータ、２８圧力計、３０循環昇圧器、３２分流器、３４排気バルブ、４０酸化ガス源、４２フィルタ、４４流量計、４６酸化ガス温度計、４８ＡＣＰ、５０モータ、５２ＡＣＰ消費電力検出部、５４加湿器、５６圧力計、６０調圧弁、６４希釈器、６６酸化ガス経路、６８ＦＣ発電電力検出部、７０制御部、８０冷却水流路、８２冷却水温度計、８４外気温度計。

Claims

燃料ガスと酸化ガスとが供給され燃料電池化学反応によって発電する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックに供給する酸化ガスの圧力を制御する制御弁と、
燃料電池スタックの含水量に関連する観測量の検出に基づき制御弁の設定圧力を変更する制御部であって、検出された観測量が任意に設定された設定観測量の範囲内のときには制御弁の設定を酸化ガス第１圧力とし、設定観測量の範囲を超えるときには、燃料電池スタックの含水量の変化が予測されるとして、予測される含水量の変化に応じて制御弁の設定を酸化ガス第１圧力よりも高い高圧の酸化ガス圧力とする制御部と、
を備えることを特徴とする燃料電池運転システム。
請求項１に記載の燃料電池運転システムにおいて、
制御部は、設定観測量の範囲を超えるときには、制御弁の設定を酸化ガス第１圧力よりも任意に設定される圧力差だけ高い酸化ガス第２圧力とすることを特徴とする燃料電池運転システム。
請求項１に記載の燃料電池運転システムにおいて、
制御部は、燃料電池スタックの冷却水温または燃料電池スタックに関する外気温度を観測量とすることを特徴とする燃料電池運転システム。
請求項１に記載の燃料電池運転システムにおいて、
制御部は、燃料電池スタックの膜インピーダンスを観測量とすることを特徴とする燃料電池運転システム。