JP2011216259A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】エアストイキ不足を抑制して、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】カソードオフガス排出路を流通するオフガス温度を測定する温度センサと、大気圧を測定する大気圧センサと、燃料電池の目標電流指令値Ｉｄを設定する電流値設定手段と、オフガス温度と大気圧とに基づいて燃料電池の目標上限電流値Ｉｈを設定する制御部とを備え、制御部は、目標電流指令値Ｉｄと目標上限電流値Ｉｈとの比較に基づいて、燃料電池の出力電流値Ｉｒを制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池車両等に用いられる燃料電池システムに関するものである。

燃料電池車両等に搭載される燃料電池には、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んで膜電極構造体（ＭＥＡ）を形成し、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置して平板状の単位燃料電池（以下「単位セル」という。）を構成し、この単位セルを複数枚積層して燃料電池スタックとするものが知られている。燃料電池は、アノードにアノードガスとして水素が供給され、カソードにカソードガスとして空気が供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで空気中の酸素と電気化学反応（Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ）を起こして発電するようになっている。

このような燃料電池では、燃料電池車両のアクセル開度や負荷等に基づいて出力電流値が算出され、算出された出力電流値に基づいてアノードガス及びカソードガスが所望の状態量（流量等）で燃料電池に供給されるようになっている。

ところで、燃料電池では、運転状態が変動する過渡状態において、燃料電池に供給されるカソードガスが高流量低圧力、または低流量高圧力となるように要求されると、カソードガス流路内のカソード圧力の制御が難しい。その結果、カソードガスを吐出するエアポンプに過度な負担がかかる。また、カソードとアノードとの間の極間差圧の制御が困難になるため、燃料電池（固体高分子電解質膜）に負担がかかり、燃料電池の信頼性を維持する上で好ましくないという問題があった。

ここで、燃料電池等の信頼性を維持するものとして、特許文献１には、エアポンプに吸入されるカソードガスの吸入温度と、大気圧とに基づいて、エアポンプから吐出されるカソードガスの吐出温度が上限値を超えないように制限する方法が開示されている（第１従来技術）。
しかしながら、第１従来技術では、エアポンプ吐出時点でのカソードガスの温度が上限値を超えていなくとも、燃料電池内を通るカソードガスの温度は燃料電池の発電状況に応じて高くなり、このカソードガスの高温化の程度によってカソードガスの体積流量に変化が生じ、燃料電池内や燃料電池下流に設けられた加湿器等で圧損が大きくなることで、結果的にカソード圧力が大きくなってしまう。この場合、仮に、カソード圧力を制御するために背圧弁を全開にして、カソード圧力の減圧を図っても、カソード圧力が圧力目標値以上になってしまう可能性がある。その結果、燃料電池（固体高分子電解質膜）に負担がかかり、燃料電池（固体高分子電解質膜）が劣化する虞がある。

特開２００５−７１９３９号公報

ここで、燃料電池（固体高分子電解質膜）の負担低減を図るために、カソードガス流量を制御するような技術も考えられる。具体的には、カソード圧力に基づいてカソードガスの流量上限値及び流量下限値を決定し、流量上限値と流量下限値との間の範囲でカソードガス流量を制御する（第２従来技術）。これにより、カソード圧力を圧力目標値に維持して、燃料電池への負担を軽減できると考えられる。

しかしながら第２従来技術では、高温運転中等にカソード圧力が圧力目標値になるように制御（流量上限値で制限）した場合、出力電流値に応じたカソードガス流量が供給できなくなり、出力電流値に対してカソードガスが不足した状態（エアストイキ不足）となる。この場合、燃料電池面内において、特に下流側で局所的にカソードガスが不足することで、カソードガスの上流側のみで発電が集中する。そのため、燃料電池の上流側では高温となり、カソードが劣化する。一方、下流側ではカソード電位が高電位となり、カソードが劣化するとともに、触媒であるＰｔ等の溶出反応が生じる。その結果、燃料電池（固体高分子電解質膜）の劣化に繋がるという問題がある。

そこで、本発明は、エアストイキ不足を抑制して、燃料電池の劣化を抑制できる燃料電池システムを提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、燃料及び酸化剤を供給し、発電を行う燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池２）と、前記燃料電池スタックの酸化剤流路に前記酸化剤を供給する酸化剤供給手段（例えば、実施形態におけるエアポンプ２１）と、前記酸化剤流路から排出されたオフガスが流通する酸化剤オフガス流路（例えば、実施形態におけるカソードオフガス排出路２４）と、前記酸化剤オフガス流路を流通する前記オフガスの温度を測定するオフガス温度測定手段（例えば、実施形態における温度センサ３１）と、大気圧を測定する大気圧測定手段（例えば、実施形態における大気圧センサ３３）と、前記燃料電池スタックの目標電流指令値を設定する燃料電池スタック電流値設定手段（例えば、実施形態における電流値設定手段５２）と、前記オフガスの温度と前記大気圧とに基づいて前記燃料電池スタックの目標上限電流値を設定する制御部（例えば、実施形態における上限電流値設定手段５３及び出力電流値設定手段５４）とを備え、前記制御部は、前記目標電流指令値と前記目標上限電流値との比較に基づいて、前記燃料電池スタックの出力電流値を制御することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、前記制御部は、前記目標電流指令値が前記目標上限電流値以上の場合には、前記目標上限電流値を前記出力電流値とする一方、前記目標電流指令値が前記目標上限電流値より小さい場合には、前記目標電流指令値を前記出力電流値とすることを特徴とする。

請求項３に記載した発明は、前記制御部は、前記オフガスの温度が所定値を超えた場合に、前記出力電流値を制限することを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、目標電流指令値と目標上限電流値との比較に基づいて、燃料電池スタックの出力電流値を制御することで、出力電流値に基づいて酸化剤を所望の状態量に制御できる。
ここで、燃料電池スタックでの圧損は、酸化剤流路内を流通する酸化剤の流量（体積流量）により決定される。そして、酸化剤の流量は、燃料電池スタックの温度と大気圧に依存している。
この場合、本発明の構成によれば、燃料電池スタックの温度と同等になるオフガスの温度と大気圧とから設定された目標上限電流値、及び目標電流指令値の比較に基づいて、出力電流値を制御し、制御された出力電流値に応じた酸化剤の状態量（流量）を決定できる。体積流量を適正に定めたことから、燃料電池スタック（酸化剤流路）等での圧損による圧力の増大を抑制して、酸化剤の目標圧力を守りきることができ、燃料電池スタックにかかる負荷を確実に抑制できる。
しかも、上述した第２従来技術と異なり、出力電流値を制御することで、出力電流値に応じた酸化剤流量が供給されるので、ストイキ不足を防止することができる。すなわち、高温運転中等、比較的高流量を要する場合に、出力電流値を制御することで、出力電流値に対して酸化剤が不足するのを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの劣化促進を抑制できるので、燃料電池スタックの高寿命化を図ることができる。

請求項２に記載した発明によれば、目標電流指令値が目標上限電流値以上の場合に、燃料電池スタックの出力電流値を制限することで、例えば高温運転中等において比較的、高流量高圧力を要する場合に、酸化剤流路での圧力増加を抑制し、燃料電池スタックにかかる負荷を確実に抑制できる。さらに、酸化剤のストイキ不足を抑制して、燃料電池スタックの劣化促進を抑制できるので、燃料電池スタックの高寿命化を図ることができる。

請求項３に記載した発明によれば、高温運転時のみ出力電流値の制限を開始するので、燃料電池システムの制御する場合をより限定し、通常時の制御をシンプルにすることができる。

本発明の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 ＥＣＵのシステムブロック図である。 電流値に対するオフガス温度の関係を各大気圧毎に示したグラフである。 電流制御方法を説明するためのフローチャートである。

次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（燃料電池システム）
図１は、燃料電池システムの概略構成図である。
図１に示すように、燃料電池システム１は、例えば図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック２（以下、燃料電池２という）を備えている。
燃料電池２は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池２が構成されている。そして、アノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応して発電するようになっている。

燃料電池システム１は、アノードガスが充填された水素タンク１１を備えている。水素タンク１１は、アノードガス供給路１２を介して燃料電池２の入口側で、アノードに面するアノードガス流路１５に接続されており、燃料電池２（アノード）に向けてアノードガスを供給可能に構成されている。なお、アノードガス供給路１２における水素タンク１１と燃料電池２との間には、アノードガスを所定圧力に減圧する減圧弁１３と、燃料電池２から排出されるアノードオフガスをアノードガス供給路１２に再び合流させるエゼクタ１４とが設けられている。

一方、アノードガス流路１５の出口側には、アノードオフガス排出路１６が接続されている。アノードオフガス排出路１６からは、アノードオフガス循環路１７が分岐している。アノードオフガス循環路１７の下流側は、エゼクタ１４に接続されており、燃料電池２において消費されなかった未反応のアノードガスは、アノードオフガス循環路１７を通ってエゼクタ１４に吸引され、再び燃料電池２のアノードガス供給路１２に供給される。

また、燃料電池システム１は、カソードガスである空気を所定圧力に加圧した状態で送出するエアポンプ（カソードガス供給手段）２１を備えている。このエアポンプ２１には、燃料電池２にカソードガスを供給するためのカソードガス供給路２２が接続されている。カソードガス供給路２２は、加湿器２３を介して燃料電池２の入口側で、カソードに面するカソードガス流路２５に接続されている。
一方、カソードガス流路２５の出口側には、燃料電池２で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池２で生成された凝縮水が流通するカソードオフガス排出路２４が接続されている。そして、カソードオフガス排出路２４を流通するカソードオフガスは、加湿器２３内を流通した後に燃料電池システム１の外部に向けて排出される。

加湿器２３は、内部に中空糸状の水透過膜（中空糸膜）を多数束ねた状態でハウジング（不図示）に収容されて構成されている。そして、中空糸膜の内部と外部とにそれぞれ水分含量の異なるガスが流通すると、水分含量の多いガス中の水分が中空糸膜を透過して水分含量の少ないガスへと移動する。すなわち、本実施形態では、中空糸膜の内部にエアポンプ２１から送出されるカソードガスが流通し、外部に凝縮水を含んだカソードオフガスが流通することで、燃料電池２で発電に供されて湿潤になったカソードオフガスからカソードガスへと水分が移動するようになっている。これにより、燃料電池２に供給する前段で予めカソードガスを加湿することができる。

カソードオフガス排出路２４における燃料電池２の出口近傍には、燃料電池２から排出されるカソードオフガスの温度（以下、オフガス温度ＴＥという）を検出するための温度センサ３１が接続されている。そして、温度センサ３１で検出されたカソードガスのオフガス温度情報は、後述するＥＣＵ４１に向けて出力される。
カソードオフガス排出路２４の下流側には、燃料電池２内でのカソードガスの圧力（カソード圧力）を調整するための背圧弁３２が設けられている。
また、燃料電池システム１は、大気圧ＰＡを検出するための大気圧センサ３３を備えている。そして、大気圧センサ３３で検出された大気圧情報は、ＥＣＵ４１に向けて出力される。

このような燃料電池システム１の運転は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４１及びＶＣＵ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４２によって制御される。
ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ４１から出力される出力電流値Ｉｒに従って、燃料電池２の発電量（出力電圧）を制御するものである。すなわち、ＶＣＵ４２への出力電流値Ｉｒが大きくなると、燃料電池２で消費されるアノードガス及びカソードガスの消費量が多くなり、燃料電池２から取り出される電流が大きくなる。

図２は、ＥＣＵのブロック図である。
図２に示すように、ＥＣＵ４１は、燃料電池システム１の駆動を統括的に制御するものであり、電流値設定手段（燃料電池スタック電流値設定手段）５２と、上限電流値設定手段（制御部）５３と、出力電流値設定手段（制御部）５４とを備えている。

電流値設定手段５２は、燃料電池２の負荷状態や、燃料電池車両のアクセル開度等に基づいて燃料電池２に要求される目標電流指令値Ｉｄを設定するものである。

上限電流値設定手段５３は、出力電流値Ｉｒの出力制限を行うために、各センサ３１，３３での検出値（オフガス温度ＴＥや大気圧ＰＡ）に基づいて、燃料電池２の目標上限電流値Ｉｈを設定するものである。具体的に、上限電流値設定手段５３には、図３に示すような電流値に対するオフガス温度ＴＥの関係を大気圧ＰＡ毎（例えば、ＰＡ１〜ＰＡ３）に示したグラフが記憶されている。そして、温度センサ３１により検出されたオフガス温度ＴＥと、大気圧センサ３３により検出された大気圧ＰＡ（例えば、ＰＡ２）とのグラフ上での交点を求め、この交点での電流値を目標上限電流値Ｉｈに設定するようになっている。なお、図３中破線Ｔｌは燃料電池２の動作保証温度Ｔｌであり、Ｉｌは定格電流である。

出力電流値設定手段５４は、上述した目標電流指令値Ｉｄと目標上限電流値Ｉｈとに基づいて出力電流値Ｉｒを設定するものである。具体的に、出力電流値設定手段５４は、目標電流指令値Ｉｄが目標上限電流値Ｉｈよりも小さい場合（Ｉｄ＜Ｉｈ）に、電流値設定手段５２で設定された目標電流指令値Ｉｄを、そのまま出力電流値Ｉｒに設定する。一方、目標電流指令値Ｉｄが目標上限電流値Ｉｈ以上の場合（Ｉｄ≧Ｉｈ）に、目標上限電流値Ｉｈを出力電流値Ｉｒに設定する。すなわち、Ｉｄ≧Ｉｈの場合には、出力電流値Ｉｒを目標電流指令値Ｉｄよりも小さい目標上限電流値Ｉｈに補正することで、燃料電池２の発電量に制限をかけている。

そして、ＥＣＵ４１は、出力電流値設定手段５４で設定された出力電流値Ｉｒに基づいてカソードガスや、アノードガスの流量を制御するとともに、この出力電流値ＩｒをＶＣＵ４２に向けて出力するように構成されている。

（燃料電池システムの電流制御方法）
次に、上述した燃料電池システム１における電流制御方法について説明する。図４は、電流制御方法を説明するためのフローチャートである。
まず、図４に示すように、まずステップＳ１において、上限電流値設定手段５３は、温度センサ３１により検出されたオフガス温度ＴＥ、及び大気圧センサ３３により検出された大気圧ＰＡに基づいて目標上限電流値Ｉｈを設定する。例えばオフガス温度ＴＥ、大気圧ＰＡ２の場合における目標上限電流値Ｉｈは、図３に示すように設定される。

次に、ステップＳ２において、電流値設定手段５２により設定された目標電流指令値Ｉｄが、目標上限電流値Ｉｈ以上であるか否かを判定する。

ステップＳ２の判定結果が「ＮＯ」の場合、すなわち目標電流指令値Ｉｄ１（図３参照）が目標上限電流値Ｉｈよりも小さい場合（Ｉｄ１＜Ｉｈ）には、ステップＳ３に進む。そして、ステップＳ３において、目標電流指令値Ｉｄ１をそのまま出力電流値Ｉｒに設定してフローを終了する。

その後、ＥＣＵ４１は上述したフローにより設定された出力電流値Ｉｒ（Ｉｄ１）に基づいて、アノードガス及びカソードガスの状態量（流量）を制御するとともに、出力電流値ＩｒをＶＣＵ４２に出力する。そして、ＶＣＵ４２は、出力電流値Ｉｒに従って燃料電池２の発電量を制御する。

一方、ステップＳ２の判定結果が「ＹＥＳ」の場合、すなわち目標電流指令値Ｉｄ２（図３参照）が目標上限電流値Ｉｈ以上の場合（Ｉｄ２≧Ｉｈ）には、ステップＳ４に進む。そして、ステップＳ４において、目標上限電流値Ｉｈを出力電流値Ｉｒに設定してフローを終了する。すなわち、Ｉｄ２≧Ｉｈの場合、目標電流指令値Ｉｄ２に基づいてカソードガス流量を設定（増大）すると、カソードガス流路２５内での圧損によりカソード圧力が大幅に増大してしまう。その結果、燃料電池２（固体高分子電解質膜）に負担がかかり、燃料電池２（固体高分子電解質膜）が劣化する虞がある。

そこで、Ｉｄ２≧Ｉｈの場合には、出力電流値Ｉｒを制限し、この出力電流値Ｉｒに応じた状態量（流量）でカソードガスを供給することで、カソード圧力の増加を抑制する。そして、ＶＣＵ４２は、ＥＣＵ４１から出力された出力電流値Ｉｒに従って燃料電池２の発電量を制御する。

このように、本実施形態の燃料電池システム１では、オフガス温度ＴＥと大気圧ＰＡとから目標上限電流値Ｉｈを設定し、この目標上限電流値Ｉｈと目標電流指令値Ｉｄとの比較に基づいて出力電流値Ｉｒを設定する構成とした。
この構成によれば、Ｉｄ≧Ｉｈの場合に燃料電池２の出力電流値Ｉｒを、アクセル開度等により要求された目標電流指令値Ｉｄから目標上限電流値Ｉｈに補正することで、出力電流値Ｉｒが制限される。これにより、出力電流値Ｉｒに応じて供給されるカソードガスの流量は、目標電流指令値Ｉｄに応じて供給される流量に比べて制限される。

ここで、燃料電池２（カソードガス流路２５）内での圧損は、カソードガス流路２５内を流通するカソードガスの流量（体積流量）により決定される。そして、カソードガスの流量は、燃料電池２の温度と大気圧に依存している。
この場合、本実施形態では、燃料電池２の温度と同等になるオフガス温度ＴＥと大気圧ＰＡとから設定された目標上限電流値Ｉｈ、及び目標電流指令値Ｉｄの比較に基づいて、出力電流値Ｉｒを制御し、制御された出力電流値Ｉｒに応じたカソードガスの状態量（流量）を決定できる。体積流量を適正に定めたことから、燃料電池２（カソードガス流路２５）等での圧損によるカソード圧力の増大を抑制して、カソードガスの目標圧力を守りきることができ、燃料電池２にかかる負荷を確実に抑制できる。

また、上述した第２従来技術と異なり、出力電流値Ｉｒを制御することで、出力電流値Ｉｒに応じた状態量（流量）のカソードガスが供給されるので、ストイキ不足を防止することができる。すなわち、高温運転中等、比較的高流量を要する場合に、出力電流値Ｉｒを補正することで、出力電流値Ｉｒに対してカソードガスが不足するのを抑制できる。これにより、燃料電池２の劣化促進を抑制できるので、燃料電池２の高寿命化を図ることができる。なお、高温運転とは、外部環境（大気圧等）やシステム、ガス状態量等にも依るが、例えば平地（１気圧（１０１．３ｋｐａ））の場合には、カソードガスのオフガス温度が約８５℃以上の場合等である。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム１を燃料電池車両に搭載した場合を例にして説明したが、これに限らず、例えばオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができる。
また、上述した電流制御方法において、ステップＳ１の前段において温度センサ３１で検出されるオフガス温度ＴＥに基づいて、燃料電池システム１が高温運転しているか否かを判定する高温運転判定ステップを設けても構わない。すなわち、高温運転していると判定された場合に、上述したフローを開始する構成にしても構わない。この構成によれば、電流制限が必要となる高温運転時のみに上述したフローを開始できるので、燃料電池システム１の制御する場合をより限定することで、通常時の制御をシンプルにすることができる。

１…燃料電池システム ２…燃料電池スタック（燃料電池） ２１…エアポンプ２１（酸化剤供給手段） ２４…カソードオフガス排出路 ２５…カソードガス流路（酸化剤流路） ３１…温度センサ（酸化剤排出温度設定手段） ３３…大気圧センサ（大気圧測定手段） ５２…電流値設定手段（燃料電池スタック電流値設定手段） ５３…上限電流値設定手段（制御部） ５４…出力電流値設定手段（制御部）

Claims (3)

1. 燃料及び酸化剤を供給し、発電を行う燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの酸化剤流路に前記酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
   前記酸化剤流路から排出されたオフガスが流通する酸化剤オフガス流路と、
   前記酸化剤オフガス流路を流通する前記オフガスの温度を測定するオフガス温度測定手段と、
   大気圧を測定する大気圧測定手段と、
   前記燃料電池スタックの目標電流指令値を設定する燃料電池スタック電流値設定手段と、
   前記オフガスの温度と前記大気圧とに基づいて前記燃料電池スタックの目標上限電流値を設定する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記目標電流指令値と前記目標上限電流値との比較に基づいて、前記燃料電池スタックの出力電流値を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記目標電流指令値が前記目標上限電流値以上の場合には、前記目標上限電流値を前記出力電流値とする一方、
   前記目標電流指令値が前記目標上限電流値より小さい場合には、前記目標電流指令値を前記出力電流値とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、前記オフガスの温度が所定値を超えた場合に、前記出力電流値を制限することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。

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