JP2008159407A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ等の燃料電池以外の電力を使用せず、システム全体の効率低下を抑制しつつ燃料電池内の水を低減する。
【解決手段】カソードに供給される酸化ガスとアノードに供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池２内の水量が所定値以上になったことを検知すると、アノードにおいて燃料ガスの欠乏状態を生じさせることによりアノード側の水を電気分解する制御手段７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、カソードに供給される酸化ガスとアノードに供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特に、燃料電池内の水分を低減する技術に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする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、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を加圧供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。

燃料電池システムでは、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応時にカソード側に水が生成されることになるが、このような燃料電池内の水が例えば低温環境下での始動時に凍結すると発電効率が低下してしまう。このため、低温環境下での始動時に、燃料電池において、発電とバッテリからの電圧印加による水の電気分解とを交互に繰り返すことで、生成水を低減しその凍結を抑制しつつ燃料電池の起動を行う燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−５０７４９号公報

上記の燃料電池システムでは、燃料電池内の水を電気分解して低減するためにバッテリ等の燃料電池以外の電力を使用することから、システム全体の効率が低下するおそれがある。

そこで、本発明は、システム全体の効率低下を抑制しつつ燃料電池内の水を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、カソードに供給される酸化ガスとアノードに供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池内の水量が所定値以上になったことを検知すると、前記アノードにおいて燃料ガスの欠乏状態を生じさせることにより前記アノード側の水を電気分解する制御手段とを備える。

かかる構成によれば、燃料電池において酸化ガスのカソードへの供給と燃料ガスのアノードへの供給とで電気化学反応を生じて発電している状態で、燃料電池内の水量が所定値以上になったことを検知すると、制御手段はアノードにおいて燃料ガスの欠乏状態を強制的に生じさせる。すると、燃料電池においては、カソードで生じアノード側に移動していた水を、アノード側で不足する燃料ガスを補うように、電気分解する状態となる。

これにより、アノード側の水分が減り、それに伴ってカソード側とアノード側との間における水量勾配が増大するので、カソード側からアノード側への水分の移動（拡散）が促進され、カソード側の水分も減ることになる。よって、燃料電池内の水を低減するためにバッテリ等の燃料電池以外の電力を使用しなくても良い。

前記制御手段は、前記燃料電池の発電電流値は当該燃料電池に対する要求電流値通りとする一方、前記燃料電池への燃料ガス供給量は当該燃料電池に対する要求供給量よりも減らす構成としてもよい。

例えば、燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給路に配設される調圧弁、前記供給路に配設される遮断弁、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記供給路に戻す燃料ガスポンプ、のうち少なくともいずれか１つを備える場合には、前記制御手段を、前記調圧弁の調圧値を下げる、前記遮断弁を閉じる、前記燃料ガスポンプの回転数を要求回転数より下げる、のうちいずれか１つを又は複数を組み合わせて実施することにより、前記燃料電池への燃料ガス供給量を要求供給量よりも減らす構成としてもよい。

また、前記制御手段は、前記燃料電池への燃料ガス供給量は当該燃料電池に対する要求供給量通りとする一方、前記燃料電池の発電電流値は当該燃料電池に対する要求電流値よりも増やす構成としてもよい。

例えば、前記燃料電池に接続されるバッテリ、前記燃料電池に酸化ガスを供給する給気ポンプ、前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させる冷却水ポンプ、のうち少なくともいずれか１つを備える場合には、前記制御手段を、前記バッテリに充電する電力量を要求電力量より大きくする、前記給気ポンプの回転数を要求回転数より上げる、前記冷却水ポンプの回転数を要求回転数より上げる、のうちいずれか１つを又は複数を組み合わせて実施することにより、前記燃料電池の発電電流値を要求電流値よりも増やす構成としてもよい。

本発明の燃料電池システムによれば、バッテリ等の燃料電池以外の電力を使用しなくても良いため、システム全体の効率低下を抑制しつつ燃料電池内の水を低減することができる。

以下、添付図１〜図３を参照して、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部（制御手段）７と、を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、図２（ａ）に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜１００の一方の面に空気極であるカソード１０１を有し、他方の面に燃料極であるアノード１０２を有し、さらにカソード１０１及びアノード１０２を両側から挟みこむように図示略の一対のセパレータを有している。

そして、一方のセパレータの燃料ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に空気が供給され、これらのガス供給により燃料電池２は電力を発生する。ここで、カソード１０１は電解質膜１００側の触媒層１０１ａと電解質膜１００とは反対側の拡散層１０１ｂとを備え、アノード１０２も電解質膜１００側の触媒層１０２ａと電解質膜１００とは反対側の拡散層１０２ｂとを備えている。

そして、アノード１０２側に供給された燃料ガスとしての水素Ｈ₂がアノード１０２で水素イオンＨ⁺と電子ｅ^-とになり、水素イオンＨ⁺が図２（ａ）に矢印Ｘ１で示すようにカソード１０１側に移動して空気中の酸素Ｏ₂とカソード１０１側で結びついて水Ｈ₂Ｏをカソード１０１側に生じさせる。

このようにしてカソード１０１側に生じた水は、電解質膜１００を介して、図２（ａ）に矢印Ｘ２で示すように、アノード１０２側にも移動（拡散）する。なお、図２（ｂ）は、燃料電池２の厚さ方向に沿ったカソード１０１からアノード１０２までの各位置における水の量を示すもので、カソード１０１が多く、アノード１０２側に向かうにしたがって次第に少なくなる水量分布特性となっている。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される空気が流れる供給路１１ａと、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２とを有している。供給路１１ａには、フィルタ１３を介して空気を取り込む給気ポンプ１４と、給気ポンプ１４により圧送される空気を加湿する加湿器１５と、が設けられている。

排出路１２には、排気弁１６と、燃料電池２内の酸化オフガスの圧力を計測する圧力計１９と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、排気弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

排出路１２を通じて燃料電池２から排出される酸化オフガスの量は、排気弁１６の開度を全閉から全開まで無段階的に変化させることによって自在に調節可能である。給気ポンプ１４は、インバータ１４ｂで制御されるモータ１４ａの駆動により大気中の空気を取り込む。

燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送する水素ポンプ（燃料ガスポンプ）２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。

水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。

供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、インバータ２４ｂで制御されるモータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。

排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却水ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却水ポンプ４２は、インバータ４２ｂで制御されるモータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。

さらに、燃料電池２は、走行駆動用のトラクションモータ５０ａを制御するインバータ５０ｂに接続されている。そして、このトラクションモータ５０ａを制御するインバータ５０ｂ、給気ポンプ１４用のモータ１４ａを制御するインバータ１４ｂ、水素ポンプ２４のモータ２４ａを制御するインバータ２４ｂ及び冷却水ポンプ４２用のモータ４２ａを制御するインバータ４２ｂは、高圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５１を介して高圧バッテリ５２に接続されている。

制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、トラクションモータ５０ａ、給気ポンプ１４用のモータ１４ａ、水素ポンプ２４用のモータ２４ａ及び冷却水ポンプ４２用のモータ４２ａの運転制御や、排気弁１６及び調圧弁２７の開度制御、さらには元弁２６及び遮断弁２８の開閉制御など、種々の処理や制御を行う。

ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス配管系３，４や冷媒配管系５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

制御部７は、燃料電池２に求められる負荷すなわち要求発電量等に応じて、給気ポンプ１４の単位時間当たりの回転数、及び水素ポンプ２４の単位時間当たりの回転数を制御する。そして、通常運転時においては、水素供給源２１からの水素ガスあるいは水素ポンプ２４を介して戻される水素オフガスを含む水素ガスが供給路２２を介して燃料電池２のアノード１０２に供給されるとともに、加湿器１５で加湿調整された空気が供給路１１ａを介して燃料電池２のカソード１０１に供給されることにより、発電が行われる。

この際、燃料電池２から引き出すべき電力（要求電力）が制御部７で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池２内に供給されるようになっている。また、必要により冷却ポンプ４２を駆動して冷却水を燃料電池２に通水する。

次に、制御部７による燃料電池２内の生成水の低減制御について説明する。

上記したように、燃料電池２には、電気化学反応によりカソード１０１で水が生成され、この水が電解質膜１００を介してアノード１０２にも移動する。ここで、燃料電池２の厚さ方向に沿ったカソード１０１側からアノード１０２側へかけての各位置における水の量は、図２（ｂ）に示すようにアノード１０２側が少なくなる勾配の関係をなしている。

そして、制御部７は、例えばイグニッションスイッチがオンされることで、始動開始信号の入力がなされると（ステップＳＡ１）、燃料電池２から引き出すべき発電量（要求発電量）を演算し、その発電量に応じた量（要求供給量）の水素ガス及び空気を燃料電池２内に供給するように、調圧弁（例えば、インジェクタ）２７、給気ポンプ１４及び水素ポンプ２４等を駆動する。

これにより、燃料電池２は、アノード１０２側に水素ガスが供給され、カソード１０１側に空気が供給されて燃料電池２は正電位での発電状態となる（ステップＳＡ２）。このように燃料電池２で発電が開始されると、カソード１０１側で水が生成されることになる（ステップＳＡ３）。

次に、制御部７は、燃料電池２内の水の量を例えば発電電流の積分値やインピーダンス値から割り出し、この水の量が第１所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳＡ４）。

そして、水の量が第１所定値に達する前はそのままとして正電位での発電状態を維持する一方、水の量が第１所定値以上になったことを検知すると、各インバータ１４ｂ，２４ｂ，４２ｂ，５０ｂの制御上の燃料電池２の発電電流値は要求通りとしたまま、アノード１０２に供給する水素の量を、例えば調圧弁２７の調圧値を下げたり、遮断弁２８を閉じたり、水素ポンプ２４の回転数を要求回転数より下げたり、あるいはこれらを適宜組み合わせたり等して、各要求量に対し強制的に減らし、アノード１０２に水素ガスの欠乏状態を生じさせる（ステップＳＡ５）。

すると、燃料電池２は発電状態を維持しようとして、アノード１０２側で欠乏状態となっている水素を得る（補う）ために、カソード１０１で生じアノード１０２側に移動していた水を電気分解する（ステップＳＡ６）。それに伴い、燃料電池２は逆電位での発電状態となる（ステップＳＡ７）。

上記した水の電気分解でアノード１０２側の水の量が低減されると、それに伴ってカソード１０１側とアノード１０２側との間における水量勾配が増大するので、燃料電池２では、図２（ｂ）に示す平衡状態の勾配を維持するように、カソード１０１側からアノード１０２側への水分の拡散が促進される。その結果、燃料電池２内における各位置での水の量も図２（ｂ）に破線で示すように低減されることになり、カソード１０１側の水の量も低減され、燃料電池２の全体の水の量が低減されることになる。

そして、燃料電池２内の水の量を発電電流の積分値やインピーダンス値から割り出し、水の量が第２所定値（第１所定値＞第２所定値）を下回ったか否かを判定する（ステップＳＡ８）。水の量が第２所定値を下回るまでそのまま逆電位での運転を継続し、水の量が第２所定値を下回ると、アノード１０２に供給する水素の量を増やして必要量に戻し（ステップＳＡ９）、正電位での発電状態に戻す（ステップＳＡ２）。

以上に述べた第１実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池２において空気のカソード１０１への供給と水素ガスのアノード１０２への供給とで電気化学反応を生じて発電している状態で、燃料電池２内の水量が所定値以上になったことを検知すると、制御部７は、燃料電池２の発電電流値は要求通りとする一方、燃料電池２への水素供給量を本来必要な要求供給量に対して減らすことで、アノード１０２において水素ガスの欠乏状態を強制的に生じさせる。

すると、燃料電池２においては、カソード１０１で生じアノード１０２側に移動していた水を、アノード１０２側で不足している水素ガスを補うように、電気分解する状態となる。これにより、アノード１０２側の水分が減り、それに伴ってカソード１０１側の水分も減ることになる。

よって、バッテリ５２等の燃料電池２以外の電力を使用しなくても、発熱しつつ燃料電池２内の水を低減することができる。したがって、システム全体の効率低下を抑制しつつ、凍結を防止しながら燃料電池２内の水を低減することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムについて、主に図４を参照して第１実施形態に係る燃料電池システムに対する相違部分を中心に説明する。
この第２実施形態に係る燃料電池システム１においては、制御部７による燃料電池２内の生成水の低減制御の制御内容が一部相違している。

制御部７は、例えばイグニッションスイッチがオンされることで始動開始がなされると（ステップＳＡ１）、燃料電池２から引き出すべき電力（要求電力）を演算し、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気を燃料電池２内に供給するように調圧弁２７、給気ポンプ１４及び水素ポンプ２４等を駆動する。

これにより、燃料電池２は、アノード１０２側に水素ガスが供給され、カソード１０１側に空気が供給されて燃料電池２は正電位での発電状態となる（ステップＳＡ２）。このように燃料電池２で発電が開始されると、カソード１０１側で水が生成されることになる（ステップＳＡ３）。

次に、制御部７は、燃料電池２内の水の量を発電電流の積分値やインピーダンス値から割り出し、この水の量が第１所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳＡ４）。以上は、第１実施形態と同様である。

そして、制御部７は、水の量が第１所定値に達する前は上記正電位での発電状態を維持する一方、水の量が第１所定値以上になったことを検知すると、第２実施形態においては、調圧弁２７の調圧値及びインバータ２４ｂによる水素ポンプ２４の駆動状態等は維持したまま（つまり、水素ガスの供給量は要求値通り）で、例えば、高圧ＤＣ−ＤＣコンバータ５１でバッテリ５２に充電する電力量を本来の要求電力量より大きくしたり、給気ポンプ１４の回転を本来の要求回転数より上げたり、冷却水ポンプ４２の回転を本来の要求回転数より上げたり、あるいはこれらを適宜組み合わせたり等して、燃料電池２の発電電流値を本来の要求電流値より大きくすることで、アノード１０２に供給する水素の量を、相対的に必要量に対し減らし、アノード１０２に水素ガスの欠乏状態を生じさせる（ステップＳＢ５）。

すると、燃料電池２は発電要求に対して必要な発電状態を得ようとして、、アノード１０２側で欠乏状態となっている水素を得る（補う）ために、カソード１０１で生じアノード１０２側に移動していた水を電気分解する（ステップＳＡ６）。それに伴い、燃料電池２は逆電位での発電状態となる（ステップＳＡ７）。

上記した水の電気分解で、アノード１０２側の水の量が低減されると、第１実施形態と同様に、カソード１０１側の水の量も低減され、燃料電池２の全体の水の量が低減されることになる。

そして、燃料電池２内の水の量を発電電流の積分値やインピーダンス値から割り出し、水の量が第２所定値（第１所定値＞第２所定値）を下回ったか否かを判定する（ステップＳＡ８）。水の量が第２所定値を下回るまで逆電位での運転を継続し、水の量が第２所定値を下回ると、燃料電池２の発電電流値を本来の要求電流値に戻すことで、アノード１０２に供給する水素の量を要求通りの状態に戻し（ステップＳＡ９）、正電位での発電状態に戻す（ステップＳＡ２）。

以上に述べた第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、燃料電池２において空気のカソード１０１への供給と水素ガスのアノード１０２への供給とで電気化学反応を生じて発電している状態で、燃料電池２内の水量が所定値以上になったことを検知すると、制御部７は、水素供給量は要求通りとする一方、燃料電池２の発電電流値を本来必要な要求電流値に対して増やすことで、アノード１０２において水素ガスの欠乏状態を強制的に生じさせる。

すると、燃料電池２はこの電流値を得ようとして、水素を得るためにカソード１０１で生じアノード１０２側に移動していた水を電気分解する。これにより、アノード１０２側の水分が減り、それに伴ってカソード１０１側の水分も減ることになる。よって、第１実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示したシステム構成図である。 （ａ）は本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の要部断面図、（ｂ）は燃料電池の厚さ方向に沿ったカソード側からアノード側へかけての各位置における水量を示す特性線図である。 本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムにおける生成水の低減制御の制御内容を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムにおける生成水の低減制御の制御内容を示すフローチャートである。

符号の説明

２…燃料電池、７…制御部（制御手段）、１４…給気ポンプ、２２…供給路、２４…水素ポンプ（燃料ガスポンプ）、２６…遮断弁、２７…調圧弁、４２…冷却水ポンプ、５２…バッテリ、１０１…カソード、１０２…アノード。

Claims (5)

1. カソードに供給される酸化ガスとアノードに供給される燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池内の水量が所定値以上になったことを検知すると、前記アノードにおいて燃料ガスの欠乏状態を生じさせる制御手段とを備え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、
   前記制御手段は、前記燃料電池の発電電流値は当該燃料電池に対する要求電流値通りとする一方、前記燃料電池への燃料ガス供給量は当該燃料電池に対する要求供給量よりも減らす燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   燃料ガスを前記燃料電池に供給する供給路に配設される調圧弁、前記供給路に配設される遮断弁、前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記供給路に戻す燃料ガスポンプ、のうち少なくともいずれか１つを備え、
   前記制御手段は、前記調圧弁の調圧値を下げる、前記遮断弁を閉じる、前記燃料ガスポンプの回転数を要求回転数より下げる、のうちいずれか１つを又は複数を組み合わせて実施することにより、前記燃料電池への燃料ガス供給量を要求供給量よりも減らす燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記燃料電池への燃料ガス供給量は当該燃料電池に対する要求供給量通りとする一方、前記燃料電池の発電電流値は当該燃料電池に対する要求電流値よりも増やす燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に接続されるバッテリ、前記燃料電池に酸化ガスを供給する給気ポンプ、前記燃料電池を冷却する冷却水を循環させる冷却水ポンプ、のうち少なくともいずれか１つを備え、
   前記制御手段は、前記バッテリに充電する電力量を要求電力量より大きくする、前記給気ポンプの回転数を要求回転数より上げる、前記冷却水ポンプの回転数を要求回転数より上げる、のうちいずれか１つを又は複数を組み合わせて実施することにより、前記燃料電池の発電電流値を要求電流値よりも増やす燃料電池システム。

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