JP2008527648A - 再充電可能な蓄電装置の使用による電圧サイクリングにより引き起こされる電圧損失の減少 - Google Patents

Abstract

【解決手段】燃料電池システム（１０）は、燃料電池スタック（１２）と、バッテリ又はスーパーキャパシタ等の増補の電源（１４）と、を用いる。電源（１４）は、高い負荷要求に対する燃料電池スタック（１２）の出力パワーに加えて増補のパワーを提供する。燃料電池システム（１０）は、燃料電池スタック（１２）の要求が変化したとき、増補の電源（１４）及び燃料電池スタック（１２）からのパワー出力を制御するパワー管理コントローラ（１６）を備えている。燃料電池スタック（１２）の電圧が、スタック内の燃料電池内の白金触媒粒子の酸化を引き起こし得る電位を超えて増大しかねない低い負荷条件の間、パワー管理コントローラ（１６）は、スタックの電圧を減少させるように燃料電池スタック（１２）に電源（１４）を充電させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、概して、増補の電源を用いる燃料電池システムに係り、より詳しくは、燃料電池システムがパワー制御計画を使用する増補の電源を用いる燃料電池システムであって、該パワー制御計画では、スタックの電位が電圧サイクリングを引き起こす所定の電圧を超えることを防止するか又はその回数を減少させるため、燃料電池システムからの低負荷要求の間にバッテリが燃料電池スタックからパワーを引き出す燃料電池システムに関する。

水素は、クリーンで燃料電池内に電気を効率的に生成するため使用することができるため、非常に魅力的な燃料である。自動車産業は、車両のための電源として水素燃料電池の開発に相当の資源を費やしている。そのような車両は、より効率的であり、内燃エンジンを用いる今日の車両よりも少ない排気物を発生する。

水素燃料電池は、アノード及びカソードを備え、それらの間に電解質を備える電気化学式装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由な水素陽子及び電子を発生するためアノード内で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードへと至る。水素陽子は、カソードにおいて、酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、よって、カソードに送られる前に仕事を実施するため負荷を通るように差し向けられる。当該仕事は車両を作動させるように機能する。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両のための人気のある燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、過フッ化スルホン酸等の固体ポリマー電解質陽子伝達膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、通常ではプラチナ（Ｐｔ）等の細かく分割された触媒粒子を含んでおり、これらの粒子は、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合されている。触媒混合物は、膜の両側に配置されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。膜電極アッセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため幾つかの条件を必要としている。これらの条件には、適切な水管理及び加湿、並びに、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）等の触媒に有毒な成分の制御が含まれている。

幾つかの燃料電池は、典型的には、所望の電力を発生させるため燃料電池内に結合されている。燃料電池スタックは、カソード入力ガス、典型的には、コンプレッサによりスタックを通して流された空気の流れを受け取る。酸素の必ずしも全てが、スタックにより消費されるわけではなく、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、アノード水素入力ガスを受け取り、該ガスは、スタックのアノード側部へと流れていく。

一定数の燃料電池車両は、燃料電池スタックに加えて、例えばＤＣバッテリー又はスーパーキャパシタ等の、増補の電源を用いるハイブリッド車両である。燃料電池スタックは、車両の作動のため、ＤＣ電圧バスラインを通して牽引モータにパワーを提供する。バッテリは、スタックが提供することができるパワーを超えて追加のパワーが必要となっている間、例えば加速の間等に、電圧バスラインに増補のパワーを提供する。例えば、燃料電池スタックは、７０ｋＷのパワーを提供することができる。しかし、車両の加速は、１００ｋＷのパワーを必要とすることができる。回生ブレーキ動作の間に牽引モータから利用可能な発電機パワーは、典型的に、バッテリを再充電するために使用される。

典型的な燃料電池スタックは、スタックの寿命に亘って、電圧損失又は劣化を被ることが発見された。燃料電池スタックの劣化は、とりわけ、スタックの電圧サイクリングの結果である。白金触媒粒子が酸化状態と非酸化状態との間の電気化学的反応遷移を向上させるため使用されるとき、電圧サイクリングが発生し、粒子の分解を引き起こす。燃料電池スタックの電圧が約０．８ボルトよりも低い場合、白金粒子は、酸化されず、金属のままである。燃料電池スタックの電圧が約０．８ボルトを超えたとき、白金触媒が酸化し始める。スタックにかかる低い負荷は、燃料電池スタックの電圧出力を０．８ボルトを超えた状態にする。０．８ボルトは、膜電極アッセンブリのパワー密度に応じて、０．２Ａ／ｃｍ^２の電流密度に対応しており、この値を超える電流密度は、白金酸化状態を変化させない。酸化電圧閾値は、異なるスタック及び異なる触媒に対して異なり得る。

白金粒子が金属状態と酸化状態との間を遷移するとき、白金中の酸化イオンは、膜電極アッセンブリの表面から膜に向かって、おそらくは膜内へと移動することができる。粒子が金属状態へと転化するとき、それらは、電気化学的反応を援助する状態にはなく、活性触媒表面を減少させ、スタックの電圧低下をもたらす。

図１は、水平軸上で電圧サイクルの数、垂直軸上で正規化された白金表面積を示すグラフであり、酸化及び金属状態の間の電圧サイクルの数が増加するとき、白金表面積は減少して、スタックの電圧低下を引き起こすことを示している。当該電圧低下は、粒子サイズ、濃度及び組成が異なる触媒など、異なる種類の触媒に対して異なっている。

本発明の教えによれば、燃料電池のスタックと、例えばバッテリ、スーパーキャパシタ又は他の任意の再充電可能な電気エネルギー源等の増補の電源と、を用いる燃料電池システムが開示される。増補の電源は、例えば車両加速の間等、高い負荷要求に対する燃料電池スタックの出力パワーに加えて増補のパワーを提供する。燃料電池システムは、燃料電池スタックの要求が変化したとき、増補の電源及び燃料電池スタックからのパワー出力を制御するパワー管理コントローラを備えている。燃料電池スタックの電圧が、スタック内の燃料電池内の白金触媒粒子の酸化を引き起こし得る電位を超えて増大しかねない低い負荷条件の間、パワー管理コントローラは、電圧サイクリングを防止し、従って電圧低下を防止するため、スタックにかかる負荷を増大させ、スタックの電圧を減少させるように燃料電池スタックに電源を充電させる。

一実施態様では、パワー管理コントローラは、電源の充電状態が低負荷条件の間に燃料電池スタックからパワーを引き出すため使用されるのに十分に低くなるように、パワー要求の開始時に車両の牽引システムのためのパワーを提供するため電源を使用することができる制御計画を提供する。

本発明の追加の利点及び特徴は、添付図面と連係される次の説明及び添付した請求の範囲から明らかとなる。

増補電源を用いる燃料電池システムを制御するための方法に関する本発明の実施例のついての次の説明は、その本質上、単なる例示にしか過ぎず、本発明又はその用途又はその使用方法を制限するものではない。例えば、燃料電池システムのための以下の議論は、燃料電池ハイブリッド車両においてパワーを提供するための特定の用途を有する。しかし、本発明の燃料電池システムは、他の使用法及び用途を持つことができる。

図１は、車両のための燃料電池システム１０のブロック図である。車両は、燃料電池スタック１２及び増補の電源１４の両方を持つ点で燃料電池ハイブリッド車両である。増補の電源１４は、再充電可能であり、燃料電池スタック１２にかかる負荷が例えば加速の間等でそのパワー能力を超えたとき、車両を駆動するため追加のパワーを提供する、例えばバッテリ、スーパーキャパシタ等の任意の適切な電源であってもよい。燃料電池システム１０は、電源１４からの充電状態の情報と、燃料電池スタック１２内の各燃料電池からの出力電圧とを受け取る、パワー管理コントローラ１６を備えている。パワー管理コントローラ１６は、車両システムからの負荷要求も受け取り、該要求に合致させるため、電源１４及び燃料電池スタック１２から適切なパワー出力を提供する。

増補の電源１４及び燃料電池スタック１２は、電圧バス２２上で車両電気牽引システム２０に出力パワーを提供する。牽引システム２０は、車輪２４及び２６に回転を提供する。電気牽引システム２０は、この種の車両のための任意の適切な牽引システムであってもよく、当業者に十分に理解されるように、ＡＣシンクロナスモータと、パワーインバータと、を備える可能性が高い。パワー管理コントローラ１６は、燃料電池スタック１２及び電源１４を電圧バス２２から断絶することができるように、燃料電池スタック１２と電圧バス２２との間のスイッチ２８と、電源１４と電圧バス２２との間のスイッチ３０とを、制御する。従って、電気牽引システム２０が、回生ブレーキ作動の間に電源１４を再充電するように使用される場合、燃料電池スタック１２をバス２２から断絶することができる。同様に、電源１４が十分に充電されている場合、回生ブレーキ作動の間に電源１４をバス２２から断絶することができる。パワーを牽引システム２０に提供することは、燃料電池システム１０にとっての応用の一例にしか過ぎない。燃料電池システム１０は、任意の適切な装置にパワーを提供することができる。

燃料電池システム１０は、水素貯蔵タンク３２を更に備え、該タンクは、当該技術分野で十分に理解されているように、アノード入力として燃料電池スタック１２のための水素を提供する。水素貯蔵タンク３２は、液体水素を貯蔵する低温タンクか、又は、圧縮水素ガスを貯蔵する圧縮ガスタンクとすることができる。代替例として、水素貯蔵タンク３２を、水素を生成する改質器で置き換えることができる。

本発明によれば、パワー管理コントローラ１６は、スタック電圧サイクリングを減少するか又は無くすため、燃料電池スタック１２及び増補の電源１４を組み合わせて制御する。特に、コントローラ１６は、スタック１２内の幾つかの燃料電池の膜電極アッセンブリ内の白金触媒粒子が酸化する電位閾値を燃料電池スタック１２の出力電圧が超えることを防止することを試みる。一実施例では、粒子が酸化し始めるこの電位は、約０．８ボルトであり、この電位は、約０．２Ａ／ｃｍ^２の電池電流密度に対応する。燃料電池スタック１２に関する要求が電位が酸化閾値を超える上で十分に低い場合、パワー管理コントローラ１６は、負荷としての電源１４を再充電するため、燃料電池スタック１２を、増補の電源１４に電気的に連結させる。

勿論、燃料電池スタック１２は、増補の電源１４が既に完全に充電されている場合には、増補の電源１４を充電することができない。従って、パワー管理コントローラ１６は、電源１４の充電状態が充電の完全な状態以下に維持される制御計画を用いている。電源１４が充電の完全な状態付近にあるとき、電源１４の電気的出力は、牽引システム２０を駆動するため使用される。一旦、電源１４が幾つかの充電状態へと放電されたならば、パワー管理コントローラ１６は、当該要求が燃料電池スタック１２の出力電圧に酸化閾値を超えさせている間に、燃料電池スタック１２が電源１４を充電することを可能にする。例えば、車両が最初に加速されているとき、電源１４は、牽引システム２０にパワーを提供するために使用することができる。停止信号等で車両が停止してスタック負荷が低くなるとき、スタック１２にかかる追加の負荷を、スタックの電圧を酸化閾値より低く維持するようにバッテリ１６を充電するため提供することができる。

上記説明は、本発明の一例としての実施例を開示し説明したに過ぎない。当業者は、添付された請求の範囲で画定される本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、様々な変更、改良及び変形をなすことができることを、上記説明、添付図面及び請求の範囲から容易に認識するであろう。

図１は、水平軸上で電圧サイクルの数、垂直軸上で正規化された白金表面積を示すグラフであり、燃料電池スタックにおける、電圧サイクリングと白金表面積の減少との間の関係を示している。 図２は、本発明の実施例に係る、車両のための燃料電池システムのブロック図であり、当該システムは、電圧サイクリングを防止又は減少させるため、低負荷作動の間に燃料電池スタックにより充電された増補の電源を用いる。

Claims (17)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池のスタックを含む燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに電気的に連結された増補の電源と、
   パワーコントローラであって、該コントローラは、前記燃料電池スタックの電圧を所定の酸化閾値より低く維持するため、前記スタックにかかる負荷として前記電源を使用することによって、前記燃料電池スタック及び前記増補の電源のパワー出力を制御する、前記コントローラと、
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記酸化閾値は、前記燃料電池内の白金触媒粒子が酸化し始める閾値である、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化閾値は約０．８ボルトである、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記コントローラは、前記スタックの電圧サイクリングを減少するか又は無くす制御計画を使用する、請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記電源は、バッテリ及びキャパシタからなる群から選択される、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池スタック及び前記増補の電源は、車両上の電気牽引システムを駆動するため出力パワーを提供する、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 燃料電池システムであって、
   燃料電池のスタックを含む燃料電池スタックと、
   増補の電源と、
   前記燃料電池スタック及び前記増補の電源のパワー出力を制御するためのコントローラであって、該コントローラは、前記燃料電池スタックの電圧サイクリングを減少させるか又は防止するように、低い負荷の要求時に前記燃料電池スタックを前記電源に電気的に連結させる、前記コントローラと、
   を備える、燃料電池システム。
8. 前記電圧サイクリングは、前記燃料電池内の白金触媒粒子が酸化し始める電圧として画定される、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 前記酸化電圧は、約０．８ボルトである、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記電源は、バッテリ及びキャパシタからなる群から選択される、請求項７に記載の燃料電池システム。
11. 前記燃料電池スタック及び前記増補の電源は、車両上の電気牽引システムを駆動するため出力パワーを提供する、請求項７に記載の燃料電池システム。
12. 燃料電池システムのパワー出力を制御するための方法であって、
    燃料電池スタックを備える燃料電池スタックから出力パワーを提供し、
    増補の電源から出力パワーを提供し、
    前記燃料電池スタックにかかる電圧を所定の酸化閾値より低く維持するように前記燃料電池スタック及び前記増補の電源のパワー出力を制御する、各工程を備える、方法。
13. 前記酸化閾値は、前記燃料電池内の白金触媒粒子が酸化し始める閾値である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記酸化閾値は、約０．８ボルトである、請求項１２に記載の方法。
15. 前記燃料電池スタック及び前記増補の電源のパワー出力を制御する前記工程は、前記スタックの電圧サイクリングを減少させるか又は無くす工程を備える、請求項１２に記載の方法。
16. 増補の電源から出力パワーを提供する工程は、バッテリ及びキャパシタからなる群から選択された増補の電源から出力パワーを提供する工程を備える、請求項１２に記載の方法。
17. 燃料電池スタック及び増補の電源から出力パワーを提供する前記工程は、車両上の電気牽引システムを駆動するため出力パワーを提供する工程を備える、請求項１２に記載の方法。

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