JP2008529228A

JP2008529228A - 燃料電池システムおよび関連する制御方法

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Publication number: JP2008529228A
Application number: JP2007552686A
Authority: JP
Inventors: ナタリコルネ; セスィルベルネイ
Original assignee: ルノー・エス・アー・エス
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2008-07-31
Also published as: FR2881577A1; FR2881577B1; EP1846972A1; US20080131743A1; WO2006082331A1

Abstract

本発明は、燃料電池（１）のアノード（Ａ）への水素供給手段（２）と、燃料電池（１）のカソード（Ｃ）への酸素供給手段（４）と、制御装置（９）とを含む燃料電池システムに関する。本発明の燃料電池システムは、燃料電池（１）のアノード（Ａ）への水素の供給を制御するための第１制御手段（４４）と、燃料電池（１）のカソード（Ｃ）への酸素の供給を制御するための第２制御手段（４５）も含み、更にアノードの酸化半反応の過化学量論水素を決定するための第１決定手段と、カソードの還元半反応の過化学量論酸素を決定するための第２決定手段とを含む。第１制御手段（４４）と第２制御手段（４５）は、それぞれ、燃料電池（１）に要求される出力に応じて、燃料電池（１）の過化学量論水素と過化学量論酸素を適合化させることができる。

Description

本発明は燃料電池システムおよび関連する制御方法に関する。

燃料電池は、固定設備のためにも、航空または自動車の分野においても、エネルギを供給するために使用されている。

ＰＥＭ（ＰｒｏｔｏｎＥｘｃｈａｎｇｅＭｅｍｂｒａｎｅ（陽子交換膜））型の標準的な燃料電池は、２極板と、ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれる電極／膜組立体とから作られた個々のセルからなる。

燃料電池の中で展開する電気化学反応は、電気エネルギを発生することを可能にする。このような燃料電池は、例えば改質装置または水素タンクから、アノードに水素を供給され、一般に空気コンプレッサから、カソードに酸素を供給される。

燃料電池システムの燃料消費量と、２酸化炭素の排出量を最小化するために、燃料電池システムの可能な最良の効率を得ることが探求されている。このような燃料電池システムの効率の最適化は、様々な補助要素によって発生される出力損失を減少させることと、様々な装置の作動の効率を最適化することによって求められる。

特に、燃料電池システムの効率は、燃料電池の最大出力に対して選択される作動電圧の初期選択に直接依存する。一般に、燃料電池の最大出力に対して選ばれる作動電圧は、燃料電池のコンパクトさとコストとの妥協から、約０．６Ｖである。

燃料電池のアノードの出口とカソードの出口には、凝縮器が配置され、燃料電池から排出されるガスを凝縮することを可能にする。

燃料電池の出口における凝縮後温度を増加させることが可能であることが重要である。凝縮後温度は、燃料電池の出口に配置されたアノードの凝縮器とカソードの凝縮器の出口における温度を表す平均温度を意味する。

これは、凝縮後温度と燃料電池システムの循環ループの冷却液の温度との差が大であるほど、冷却液によって吸収される熱の量が大きくなり、凝縮器の容積は小さくすることができるからである。

アノードの酸化半反応（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）の過化学量論水素Ｒａと、カソードの還元半反応（（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）の過化学量論酸素Ｒｃは、燃料電池全体の性能と、燃料電池の作動の安定性の問題から免れることを可能にする。

用語、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃは、考慮対象の反応のために厳密に必要な量（化学量論１）を超えて供給される反応剤の量を意味する。

アノードの還元半反応の過化学量論水素とカソードの酸化半反応の過化学量論酸素との少なくとも一方の増加は、燃料電池システム全体の効率の低下をもたらす。

しかしながら、燃料電池の許容可能な性能と安定性に関連して、過化学量論水素と過化学量論酸素の減少の限度が存在する。これは、過化学量論水素と過化学量論酸素の減少が過ぎると、セルの幾つかの電圧が極めて大きく低下し、逆の符号の電圧にさえなり、燃料電池の非可逆的な損傷のリスクがもたらされるからである。

特許ＵＳ６５８６１２３（ＵＴＣ燃料電池）には、アノードの還元半反応の過化学量論水素とカソードの酸化半反応の過化学量論酸素を、高電流密度における燃料電池の性能を維持するように、燃料電池によって発生される閾値０．６Ａ／ｃｍ^２以上の電流密度に応じて増加させることが記載されている。

しかしながら、低電流密度については、燃料電池の効率と、アノードとカソードの凝縮後温度は最適化されない。

用語、電流密度は、単位面積当たりの局部的な電流の値を意味する。電流密度は、燃料電池によって発生される電流を、燃料電池のセルの活性な面の面積によって割り算した値に相当する。燃料電池によって発生される出力が小さいほど、燃料電池によって発生される電流密度は小さい。
ＵＳ６５８６１２３

本発明の目的は、燃料電池によって発生される電流密度の小さい値に対して、燃料電池の作動と、アノードとカソードの凝縮後温度を最適化することにある。

本発明の１局面によれば、燃料電池のアノードへの水素供給手段と、上記燃料電池のカソードへの酸素供給手段と、制御装置とを含む燃料電池システムが供給される。上記燃料電池システムは、更に、上記燃料電池の上記アノードへの水素の供給を制御するための第１制御手段と、上記燃料電池の上記カソードへの酸素の供給を制御するための第２制御手段とを含む。上記燃料電池システムは、更に、上記アノードの酸化半反応の過化学量論水素を決定するための第１決定手段と、上記カソードの還元半反応の過化学量論酸素を決定するための第２決定手段とを含む。上記第１制御手段と上記第２制御手段は、それぞれ、上記燃料電池に要求される出力に応じて、上記燃料電池の上記過化学量論水素と上記過化学量論酸素を適合化させることができる。

したがって、燃料電池の出口に設けられた凝縮器の出口における温度はより高くなり、このことは、凝縮器の容積を減少させ、燃料電池システムの効率を改良することを可能にする。

有利に、上記燃料電池に要求される上記出力は、上記燃料電池に要求される電流密度の関数である。

燃料電池によって発生される電流密度は、容易に操作可能なパラメータであり、出力の要求は、電流または電流密度の制御を介して変化する。

望ましい実施の形態においては、上記第１制御手段は、上記燃料電池に要求される上記電流密度が第１の値よりも低いときには、上記過化学量論水素を一定に維持し、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第１の値よりも大きい第２の値よりも低いときには、上記過化学量論水素を、上記燃料電池に要求される上記電流密度の関数として増加させるように適合化される。更に、上記第２制御手段は、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素を一定に維持し、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素を、上記燃料電池に要求される上記電流密度の関数として増加させるように適合化される。

有利な１実施の形態においては、上記第１決定手段は、上記燃料電池の上記アノードの入り口に設けられた第１流量計に接続された第１計算手段からなり、上記第２決定手段は、上記燃料電池の上記カソードの入り口に設けられた第２流量計に接続された第２計算手段からなる。

したがって、アノードとカソードへの供給流量を適切に制御することが可能であり、これによって過化学量論量を適切に制御することが可能になる。

望ましい１実施の形態においては、上記燃料電池システムは、上記燃料電池によって発生される電流を測定するための電流センサを含む。

対応する電流密度はこの電流測定値と、燃料電池のセルの活性面積とに基づいて計算される。

このようなセンサの存在は、燃料電池に要求される電流密度、したがって燃料電池に要求される出力が、燃料電池の出力端から実際に発生していることを確認することを可能にする。

有利な１実施の形態においては、上記第１の値は、０．２Ａ／ｃｍ^２に略等しく、上記第２の値は、０．６Ａ／ｃｍ^２に略等しい。

また、上記第１制御手段は、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論水素が、上記燃料電池に要求される上記電流密度の関数として直線的に増加させるように適合化される。また、上記第２制御手段は、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素が、上記燃料電池に要求される上記電流密度の関数として直線的に増加させるように適合化される。

本発明の他の１局面によれば、アノードの酸化半反応の過化学量論水素と、カソードの還元半反応の過化学量論酸素を、それぞれ、燃料電池に要求される出力に応じて適合化させるように、上記燃料電池の上記アノードへ水素が供給され、上記燃料電池の上記カソードへ酸素が供給されることを特徴とする、燃料電池システムの制御方法が提供される。

１実施の形態においては、上記燃料電池に要求される上記出力は、上記燃料電池に要求される電流密度の関数である。

有利な１実施の形態においては、上記燃料電池に要求される上記電流密度が第１の値よりも低いときには、上記過化学量論水素は一定に維持され、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、第２の値よりも低いときには、上記過化学量論水素は、上記燃料電池に要求される上記電流密度の関数として増加される。また、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素は一定に維持され、上記燃料電池に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素は、上記燃料電池に要求される上記電流密度の関数として増加される。

本発明のその他の目的、特徴及び利点は、非限定的な幾つかの例の以下の説明を添付図面を参照して読むことによって明らかとなるであろう。これらの図面において：
−図１は、本発明の１つの面による燃料電池システムのブロック図であり；
−図２は、本発明の１つの面による燃料電池システムの制御方法を示す流れ図であり；
−図３は、本発明の１つの面によるアノードの過化学量論水素とカソードの過化学量論酸素の適用を表す図である。

図１は、自動車に搭載される、本発明による燃料電池システムを示す。この燃料電池システムは、アノードＡとカソードＣからなる燃料電池１と、燃料電池１へ水素を供給する改質装置（水素供給手段）２を含む。また、燃料電池システムは、始動過程における燃料電池システム全体の加熱と、通常の作動時における温度の調整を可能にする燃焼器３も含む。この燃料電池１は、最大出力に対して選択された電圧が０．７Ｖであるように設計される。燃焼器３は、改質反応に必要なエネルギも供給し、燃料電池１のアノードから排出されるガスを改質反応に再使用する際の水素の酸化を可能にする。また、燃焼器３は、改質装置２に必要な水と燃料の蒸発に必要なエネルギを供給することも可能にする。

燃料電池システムは、それぞれ導管５と導管６を経由して、一般に圧縮空気の形の酸素を燃料電池１と燃焼器３へ供給する空気コンプレッサ（酸素供給手段）４も含む。また、空気コンプレッサ４は、導管８を経由して、優先酸化反応器７へ空気を供給する。さらに、燃料電池システムは、電子制御装置９を含む。電子制御装置９は、自動車の安定性または制動のような他の目的にも使用され、改質装置２、燃焼器３、燃料電池１、空気コンプレッサ４へ、それぞれ接続１０、接続１１、接続１２、接続１３を介して接続される。

燃料電池システムは、接続１５を介して電子制御装置９へ接続された、燃料タンクからなる燃料供給装置１４も含む。燃料供給装置１４は、燃焼器３と蒸発器１６へ燃料を供給する。蒸発器１６は、改質装置２の上流において水と燃料を蒸発させる。燃焼器３と蒸発器１６は、それぞれ導管１７と導管１８を介して燃料を供給される。改質装置２の下流には、それぞれ高温と低温で作動する、ガスから水への反応のための、反応器１９と反応器２０がある。反応器１９と反応器２０は、優先酸化反応器７とともに、燃料電池１へ供給される改質ガソリンの１酸化炭素ＣＯの含有量を大きく減少させることを可能にする。１酸化炭素ＣＯは、燃料電池を被毒させるからである。様々な熱交換器２１、２２、２３が、ガス流を冷却するために存在する。燃料電池システムは、水を回収して、それぞれ導管２７、２８、２９を経由して水供給装置３０へ送るための、様々な凝縮器２４、２５、２６も含む。水供給装置３０は水タンクからなり、特に導管３１を経由して蒸発器１６へ水を供給する。燃焼器３から出るガスは、導管３３を経由して改質装置２へ供給される水と燃料の蒸発に必要なエネルギを供給するために、導管３２を経由して蒸発器１６へ送られる。次いで、改質ガソリンは、導管３４、３５、３６を経由して、逐次、反応器１９、反応器２０、優先酸化反応器７へ送られ、１酸化炭素ＣＯが大きく減らされる。最後に、優先酸化反応器７から出る改質ガソリンは、導管３７を経由して凝縮器２４へ送られる。凝縮器２４から出る改質ガソリンは、導管３８を経由して燃料電池１のアノード部Ａへ供給される。

アノード部Ａから出るガスは、導管３９を経由して、凝縮器２５へ送られる。凝縮器２５から出るガスは、次いで、導管４０を経由して燃焼器３へ供給される。燃料電池１のカソード部Ｃから出るガスは、導管４１を経由して凝縮器２６へ送られる。凝縮器２６から出るガスは、導管４２を経由して、熱交換器２３から出るガスと混合され、混合されたガスは、空気コンプレッサ４のタービンへ送られる。水供給装置３０も、接続４３を介して電子制御装置９によって制御される。

電子制御装置９は、例えば改質装置２を操作して燃料電池の中への水素の供給を制御する第１モジュール（第１制御手段）４４と、例えば空気コンプレッサ４を操作して燃料電池のカソードの酸素の供給を制御する第２モジュール（第２制御手段）４５を含む。

電子制御装置９は、アノードの酸化半反応の過化学量論水素Ｒａを決定するための第１決定モジュール（第１決定手段、第１計算手段）４６と、カソードの還元半反応の過化学量論酸素Ｒｃを決定するための第２決定モジュール（第２決定手段、第２計算手段）４７を含む。第１決定モジュール４６と第２決定モジュール４７は、例えば流量計４８、４９からそれぞれ供給される、燃料電池１へ供給されるガスのさまざまな流量の関数として、それぞれ過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃを決定する。流量計（第１流量計）４８は、燃料電池１のアノードの水素供給口に設けられ、流量計（第２流量計）４９は、燃料電池１のカソードの酸素供給口に設けられる。流量計４８、４９は、それぞれ接続５０、５１を介して電子制御装置９へ接続される。さらに、出力ケーブル５２を通して燃料電池から供給される電気エネルギは、接続５４を介して電子制御装置９へ接続された電流センサ５３によって測定される。電子制御装置９は、電流センサ５３から供給される電流に対応する電流密度を計算する。

本発明の１つの面による燃料電池システムの制御方法を、図２に基づいて説明する。燃料電池１に要求される出力は、例えば、燃料電池１に要求される電流密度の関数である。第１制御手段４４と第２制御手段４５は、燃料電池１に要求される電流密度が第１の値よりも小さいか否かをテストする（ステップ６０）。

燃料電池１に要求される電流密度が第１の値よりも小さいなら、第１制御手段４４と第２制御手段４５は、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃを、燃料電池１に要求される電流密度の関数として、一定値に維持する（ステップ６１）。

燃料電池１に要求される電流密度が第１の値以上であれば、第１制御手段４４と第２制御手段４５は、燃料電池１に要求される電流密度が第２の値よりも小さいか否かをテストする（ステップ６２）。

燃料電池１に要求される電流密度が第１の値以上で、第２の値よりも小さいなら、第１制御手段４４と第２制御手段４５は、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃを、燃料電池１に要求される電流密度の関数として、連続して増加させる（ステップ６３）。

燃料電池１に要求される電流密度が第２の値以上であれば、第１制御手段４４と第２制御手段４５は、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃを、燃料電池１に要求される電流密度の関数として、一定値に維持する（ステップ６４）。

従来は、アノードの酸化半反応の過化学量論水素Ｒａは、１．３０の値を有し、カソードの還元半反応の過化学量論酸素Ｒｃは、１．８の値を有する。

本発明は、それぞれ過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃを、燃料電池によって発生される電流密度に応じて適合化させることを可能にする。

燃料電池に要求される電流密度の関数としての過化学量論量の適合化の１例を、図３に示す。

この例において、電流密度の第１の値は０．２Ａ／ｃｍ^２であり、電流密度の第２の値は０．６Ａ／ｃｍ^２であ
０と０．２Ａ／ｃｍ^２との間の電流密度に対しては、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃは、燃料電池１に要求される電流密度の関数として、Ｒａ＝１．１５とＲｃ＝１．４の、一定値に維持される（ステップ６１）。

０．２Ａ／ｃｍ^２と０．６Ａ／ｃｍ^２との間の電流密度に対しては、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃは、燃料電池１に要求される電流密度の関数として、連続して増加される（ステップ６３）。ここに、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃは、燃料電池１に要求される電流密度の関数として、それぞれ式、Ｒａ＝０．３７５ｊ＋１．０７５とＲｃ＝ｊ＋１．２にしたがって直線的に増加する。ここに、ｊは、燃料電池１に要求される電流密度に相当する変数である。

最後に、０．６Ａ／ｃｍ^２以上の電流密度に対しては、過化学量論水素Ｒａと過化学量論酸素Ｒｃは、燃料電池１に要求される電流密度の関数として、それぞれのＲａ＝１．３とＲｃ＝１．８の値の、一定値に維持される（ステップ６４）。

このような燃料電池システムにおいては、燃焼器３へ燃料電池１のアノードの出口から出るガスのみを供給することができるが、改質装置２がより大きい熱エネルギを必要とするときには、燃焼器３へ更に燃料を供給することができる。したがって、燃料電池システムの効率の表示は、燃焼器３に対する燃料の供給に応じて変化する。

本発明は、燃料電池に低出力が要求される場合における燃料電池システムの効率を２〜５％増加し、燃料電池システムの空気供給装置のエネルギ消費を２〜４％減少することを可能にする。

更に、凝縮後温度は、４〜８℃増加され、このことは、燃料電池の出口における凝縮器の容積を減少させることを可能にする。

本発明の１つの面による燃料電池システムのブロック図である。本発明の１つの面による燃料電池システムの制御方法を示す流れ図である。本発明の１つの面によるアノードの過化学量論水素とカソードの過化学量論酸素の適用を表す図である。

Claims

燃料電池（１）のアノード（Ａ）への水素供給手段（２）と、上記燃料電池（１）のカソード（Ｃ）への酸素供給手段（４）と、制御装置（９）とを含む燃料電池システムであって、上記燃料電池システムは、上記燃料電池（１）の上記アノード（Ａ）への水素の供給を制御するための第１制御手段（４４）と、上記燃料電池（１）の上記カソード（Ｃ）への酸素の供給を制御するための第２制御手段（４５）とを含む、燃料電池システムにおいて、上記燃料電池システムは、
−上記アノードの酸化半反応の過化学量論水素を決定するための第１決定手段と、
−上記カソードの還元半反応の過化学量論酸素を決定するための第２決定手段と、を含み、
上記第１制御手段（４４）と上記第２制御手段（４５）は、それぞれ、上記燃料電池（１）に要求される出力に応じて、上記燃料電池（１）の上記過化学量論水素と上記過化学量論酸素を適合化させることを特徴とする、燃料電池システム。
上記燃料電池（１）に要求される上記出力は、上記燃料電池（１）に要求される電流密度の関数であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
−上記第１制御手段（４４）は、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が第１の値よりも低いときには、上記過化学量論水素を一定に維持し、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第１の値よりも大きい第２の値よりも低いときには、上記過化学量論水素を、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度の関数として増加させるように適合化され、
−上記第２制御手段（４５）は、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素を一定に維持し、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素を、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度の関数として増加させるように適合化される、
ことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
上記第１決定手段は、上記燃料電池（１）の上記アノード（Ａ）の入り口に設けられた第１流量計（４８）に接続された第１計算手段（４６）からなり、上記第２決定手段は、上記燃料電池（１）の上記カソード（Ｃ）の入り口に設けられた第２流量計（４８）に接続された第２計算手段（４７）からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの１つに記載の燃料電池システム。
上記燃料電池（１）によって発生される電流を測定するための電流センサ（５３）を含むことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの１つに記載の燃料電池システム。
上記第１の値は、０．２Ａ／ｃｍ^２に略等しく、上記第２の値は、０．６Ａ／ｃｍ^２に略等しいことを特徴とする、請求項３、または請求項３に従属する場合の請求項４または５に記載の燃料電池システム。
−上記第１制御手段（４４）は、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論水素が、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度の関数として直線的に増加させるように適合化され、
−上記第２制御手段（４５）は、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素が、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度の関数として直線的に増加させるように適合化される、
ことを特徴とする、請求項３、または請求項３に従属する場合の請求項４または５に記載の燃料電池システム。
アノードの酸化半反応の過化学量論水素と、カソードの還元半反応の過化学量論酸素を、それぞれ、燃料電池（１）に要求される出力に応じて適合化させるように、上記燃料電池（１）の上記アノード（Ａ）へ水素が供給され、上記燃料電池（１）の上記カソード（Ｃ）へ酸素が供給されることを特徴とする、燃料電池システムの制御方法。
上記燃料電池（１）に要求される上記出力は、上記燃料電池（１）に要求される電流密度の関数であることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が第１の値よりも低いときには、上記過化学量論水素は一定に維持され、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、第２の値よりも低いときには、上記過化学量論水素は、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度の関数として増加され、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素は一定に維持され、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度が上記第１の値以上で、上記第２の値よりも低いときには、上記過化学量論酸素は、上記燃料電池（１）に要求される上記電流密度の関数として増加されることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システムの制御方法。