JP2011520228A - Ｐｅｍ燃料電池システムの出力電圧を制限する方法 - Google Patents

Abstract

経時的な性能の劣化を最小にするように、ゼロ負荷状態で、または、ゼロ負荷状態の近くで動作するＰＥＭ燃料電池システムの出力電圧を制限する方法は、水素流を前記燃料電池のアノードに供給すること、酸素流を前記燃料電池のカソードに供給すること、燃料電池の出力電圧を監視すること、燃料電池の水素圧を監視すること、燃料電池の酸素圧を監視すること、出力電圧が０．９０ボルト未満に留まるように、前記水素圧を、前記酸素圧の７０％と１３０％との間に維持しながら、水素および酸素圧を１バール（絶対圧）未満にもたらし維持するように、水素および酸素用の制御可能な再循環ポンプを作動させる間水素流および酸素流を制限することを含む。

Description

本発明は、経時的な性能の劣化を最小にするように、ゼロ負荷状態で、または、ゼロ負荷状態の近くで動作するＰＥＭ燃料電池システムの出力電圧を制限する方法に関する。本発明は、より詳細には、ＰＥＭ燃料電池システムが、燃料として水素を、酸化剤として純粋な酸素を使用するように設計されたタイプであり、システムが、制御可能な水素再循環ポンプおよび制御可能な酸素再循環ポンプを備える方法に関する。

上述したタイプの電気化学的燃料電池は、反応物、すなわち、水素流および酸素流を、電力および水に変換する。プロトン交換膜燃料電池ＰＥＭＦＣ，proton exchange membrane fuel cell）は、一般に、膜電極アセンブリ（ＭＥＡ，membrane electrode assembly）を形成するために、２つの多孔質導電性電極層間に配設された固体ポリマー電解質膜を備える。所望の電気化学的反応を誘発させるために、アノード電極およびカソード電極はそれぞれ、１つまたは複数の触媒を含む。これらの触媒は、通常、膜／電極層界面に配設される。

アノードでは、水素は、多孔質電極層を通り抜け、触媒によって酸化されて、プロトンと電子が生成される。プロトンは、固体ポリマー電解質を通ってカソードの方に移動する。酸素は、その役割のために、多孔質カソードを通り抜け、カソード電極触媒において膜を通してやってくるプロトンと反応する。電子は、アノードから外部回路を通してカソードへ移動し、電流を生成する。

図１は、従来技術のプロトン交換膜燃料電池スタック１０を分解図で示す。スタック１０は、一組の端板アセンブリ１５、２０および複数の燃料電池アセンブリ２５を含む。この特定の例では、電気絶縁性タイ・ロッド３０は、端板アセンブリ１５と２０との間に延在して、締結ナット３２によってその組立てられた状態でスタック・アセンブリ１０を保持し固定する。締結ナット３２と端板２０との間に挿入された、タイ・ロッド３０上を通されたばね３４は、長手方向に弾性圧縮力をスタック１０に加える。反応物および冷却流体流が、端板１５内の入口および出口ポート（図示せず）を介して、スタック１０内の内部多岐管および通路に供給され、また、そこから排出される。

各燃料電池アセンブリ２５は、アノード流路板(flow field plate)３５、カソード流路板４０、および板３５と４０との間に挿入されたＭＥＡ４５を含む。アノードおよびカソード流路板３５および４０は、導電性材料から作られ、集電板として働く。１つの電池のアノード流路板は、隣接する電池のカソード流路板と背中合わせに着座し、電流が、１つの電池から他の電池へ、したがって、スタック１０全体を通して流れうる。他の従来技術の燃料電池スタックが知られており、個々の電池は、別個のアノードおよびカソード流路板によってではなく、単一の双極流路板によって分離される。

流路板３５および４０はさらに、１つの電池のアノードに供給される反応物流体が、別の電池のカソードに供給される反応物流体を汚染しないように、隣接する燃料電池アセンブリ間に流体障壁を提供する。ＭＥＡ４５と、板３５および４０との間の界面において、流体流路５０は、反応物流体を電極へ送る。流体流路５０は、通常、ＭＥＡ４５に面する板３５および４０の主表面に形成される複数の流体流れチャネルを備える。流体流路５０の１つの目的は、反応物流体を、それぞれの電極の表面全体に、すなわち、水素側のアノードおよび酸素側のカソードに分配することである。

ＰＥＭＦＣに関する１つの知られている問題は、経時的で漸進的な性能劣化である。実際には、固体ポリマー燃料電池の長期動作は、証明されているが、比較的理想的な状態においてだけである。対照的に、燃料電池が、特に自動車関連用途でそうであるように、広い範囲の状態で動作しなければならないとき、絶えず変化する状態（負荷サイクリングおよび始動−停止サイクルとしてモデル化されることが多い）は、耐久性および寿命を急激に減少させることが示された。

異なるタイプの理想的でない状態は、文献において特定されている。これらの状態のうちの第１の状態は、「高い電池電圧（high cell voltage）」と呼ばれ、燃料電池を低いまたはゼロ電流状態にさらすことが、平均的な一定電流での動作と比較して、高い劣化レートをもたらすことが知られている。第２の理想的でない状態は、「低い電池電圧（low cell voltage）」であり、燃料電池からピーク電流を引出すこともまた、劣化レートの増加をもたらすことがさらに知られている。上記から、結果として、燃料電池の寿命を維持するために、「高い電池電圧」および「低い電池電圧」の動作状態を回避することが好ましいことになる。換言すれば、燃料電池は、制限された電圧範囲内で動作すべきである。

自動車関連用途について典型的である負荷の急激な変化に対処するために、電池またはスーパーキャパシタなどの電気化学的エネルギー貯蔵ユニットが、通常、燃料電池に連結される。電池は、バッファとして働き、負荷のピークが存在するときに電力を供給し、逆に、低いまたはゼロ負荷状態の場合に、過剰な電力を貯蔵する。原理上、こうした配置構成は、燃料電池を制限された所望の電圧範囲内で動作させることを可能にする。しかし、電池は、完全に充電されると、明らかに、燃料電池によって供給される過剰な電力を貯蔵するために利用可能でなくなる。この最後の問題に対する知られている解決策は、単に、電池の充電レベルが低い閾値に達するまで、燃料電池をシャットダウンすることである。しかし、始動−停止サイクルもまた、経時的な性能劣化の一因となる。

したがって、電気化学的エネルギー貯蔵ユニットがフル充電になると常に燃料電池をシャットダウンし、再始動する必要なしで、電気化学的エネルギー貯蔵ユニットに連結された燃料電池を、制限された所望の電圧範囲内で動作させる方法を提供することが本発明の目的である。

本発明の方法は、添付の請求項１によって規定される。

本発明によれば、水素および酸素再循環ポンプを作動させながら、燃料電池に供給される水素および酸素流を制限することは、出力電圧を所定の上限未満に維持することを可能にする。本発明によれば、上限は０．９０ボルト以下である。さらに、水素圧を酸素圧の７０％と１３０％との間に維持することによって、本発明の方法は、燃料電池の膜の前後の大きな圧力差を回避し、また、水素圧が高い特定の場合に、アノードにおける燃料不足を回避することが理解されるであろう。

本発明の１つの利点は、圧力を制御することによって出力電力を調節することが、電圧に適応するある種の電力管理ユニットを必要とすることなく、燃料電池スタックを電気化学的エネルギー貯蔵ユニットに直接接続することを可能にすることである。

好ましくは、本発明の方法は、燃料電池の出力電圧を０．７０ボルトと０．８５ボルトとの間に維持する。

本発明の方法の特定の実施態様によれば、燃料電池に供給される酸素の圧力は０．２バール（絶対圧）と１バール（絶対圧）との間、好ましくは０．５バール（絶対圧）と１バール（絶対圧）との間の範囲内に維持される。

エネルギー貯蔵ユニットが燃料電池に連結されて使用されるとき、本発明の方法は、燃料電池の出力電圧を所望の範囲内に維持しながら、エネルギー貯蔵ユニットを完全に充電することを回避することを可能にする。

本発明の方法の特に好ましい実施態様によれば、燃料電池システムは、反応物のうちの少なくとも１つの圧力を０．７バール（絶対圧）未満に減少させることによって、平均電池電圧が０．６５ボルトと０．９０ボルトとの間の範囲内に留まりながら、ゼロ負荷状態で、すなわち、アイドリング状態における正味のゼロ出力電力で動作しうる。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面を参照して非制限的な例としてだけ与えられる以下の説明を読むと明らかになるであろう。

従来の燃料電池スタックの分解図である（従来技術）。 乗用車のパワー・トレインであって、純粋な水素および酸素を供給される燃料電池スタックを備える電気エネルギー生成システムを備える、パワー・トレインの略図である。 異なる圧力におけるポリマー電解質燃料電池についての電流／電圧曲線を示す図である。 異なる圧力におけるポリマー電解質燃料電池についての電圧／電力曲線を示す図である。

図２に示す燃料電池スタック１は、燃料として水素を、酸化剤として純粋な酸素を使用するように設計されたタイプである。燃料電池スタック１は、端板１３０、１４０、端板１３０内の水素入口ポート１５０および端板１４０内の酸素入口ポート１５５を含む。スタック１は、さらに、複数の個々の燃料電池に水素流および酸素流を供給するために、それぞれ、水素供給多岐管１６０および酸素供給多岐管１６５を含む。

各燃料電池に連結される水素および酸素流路は、ライン１７０および１７５によって表される。水素排出多岐管１８０および酸素排出多岐管１８５は、枯渇した反応物および反応生成物を、水素出口ポート１９０および酸素出口ポート１９５を通してスタックから取り除く。

示すように、燃料電池システムは、水素供給弁１１０およびエジェクタ・ポンプ１１３を装備する供給ラインによってスタックの水素入口１５０に接続された加圧式水素貯蔵容器６０を備える。水素圧センサ１１１は、燃料電池スタック１に供給される水素の圧力を測定するために、水素入口１５０の近くの供給ライン上に配置される。第１の水素再循環ライン１１Ｒは、スタックの出口ポート１９０を、供給弁１１０の下流の水素供給ラインに接続する。エジェクタ・ポンプ１１３は、残された水素を再循環させ、残された水素を新鮮な水素と混合することを可能にする。

同様に、燃料電池システムは、酸素供給弁１２０および真空エジェクタ・ポンプ１２３を装備する酸素供給ラインによってスタックの酸素入口１５５に接続された加圧式酸素貯蔵容器６５を備える。酸素圧センサ１２１は、燃料電池スタック１に供給される酸素の圧力を測定するために、酸素入口１５５の近くの供給ライン上に配置される。酸素再循環ライン１２Ｒは、スタックの出口ポート１９５を、供給弁１２０の下流の酸素供給ラインに接続する。エジェクタ・ポンプ１２３（または、任意の適切なタイプの真空ポンプ）は、使用済みの酸素を再循環させ、使用済みの酸素を新鮮な酸素と混合することを可能にする。

図２に示す燃料電池システムのスタックは、さらに、第２の水素再循環ライン２１１Ｒによって互いに接続された補助水素入口２００および補助水素出口２１０を備える。ライン２１１Ｒは、エジェクタ・ポンプ１１３を補うために設けられた補助水素ポンプ２１３を装備する。スタック１はまた、第２の酸素再循環ライン２１２Ｒ上に配置された、補助酸素入口２０５、補助酸素出口２１５、および補助酸素ポンプ２２３を備える。補助ポンプ２２３は、エジェクタ・ポンプ１２３を補うために設けられる。図２に示すように、水素貯蔵容器６０および補助ポンプ２１３は、水素供給多岐管１６０の対向端を通して燃料電池に水素を給送するように構成され、同様に、酸素貯蔵容器６５および補助ポンプ２２３は、酸素供給多岐管１６５の対向端を通して燃料電池に酸素を給送するように構成される。この配置構成は、再循環ライン１１Ｒおよび１２Ｒ上の弁をなしで済ますことを可能にするという利点を有する。

燃料電池システムは、さらに、水分管理手段（図示せず）を備える。生成水は、水素イオンと酸素イオンの結合によって燃料電池のカソード側に形成されるにつれて、燃料電池のカソード側から引き離されなければならない。特に、氾濫を回避するために、水分管理手段は、通常、酸素再循環ライン１２Ｒ上に配置された気体−液体分離器を備える。第２の気体−液体分離器もまた、好ましくは、水素再循環ライン１１Ｒ上に配置される。同時に、水分は、膜が乾燥するのを防止することになる量で、電池のアノード側とカソード側の両方に提供されなければならない。

スタック１は、電力ライン１０に接続され、スタック１は、発生する電気を電力ライン１０に送出する。電気負荷１０Ｂが電力ライン１０に接続される。スタックからの電流は、電力管理ユニット１４に送出される。ユニット１４は、一方で、乗用車用の電気運転モジュールに接続され、電気運転モジュールは、本質的に、ＤＣ／ＡＣ変換器１８および乗用車の１つまたは複数のドライブホイール（図示せず）に機械的に結合された電気機器１９からなる。電力管理ユニット１４はまた、電気エネルギー貯蔵デバイス（好ましくは、Ｌｉイオン電池パックまたはスーパーキャパシタ・パック）１７に接続される。示す例では、電力管理ユニット１４は、スタック１と電気エネルギー貯蔵デバイス１７との間に配置される。しかし、あるいは、スタックが、エネルギー貯蔵デバイスに直接接続されうることが理解されるであろう。実際には、本発明は、スタックからの出力電圧を、単に反応ガスの圧力を調整することによって制御することを可能にする。こうして、供給電圧は、ある形態のＤＣ／ＤＣ変圧器を必要とすることなく、電気エネルギー貯蔵デバイスのニーズに対して調整されうる。

したがって、スタック１は、電気運転モジュール１８、１９か、電池パック１７か、またはその両方に電気を供給しうる。電池パックは、電気エネルギーを受取り、それを貯蔵する、または、電気エネルギーを電気運転モジュール１８、１９に送出しうる。後者に関して、電気機器１９は、可逆的であるため、車両を推進している間に電気エネルギーを消費することができ、また、車両の電気制動モードにある間に、電池パック１７を充電するための電気を発生することができる。電力管理ユニット１４は、車両（図示せず）のアクセル・ペダルの位置の関数として、また、電気供給システムにおいて支配的である状態の関数として電力の循環を調節する。

燃料電池スタック１は、コントロール・ユニット１５によって制御される。ユニット１５は、電力管理ユニット１４を介して、水素圧センサ１１１および酸素圧センサ１２１ならびに電圧測定デバイス１３から情報を受信する。示す例によれば、電圧測定デバイス１３は、全体として燃料電池スタック１からの出力電圧を測定する。そのため、測定される出力電圧は、スタック内の全ての個々の燃料電池からの寄与の和となる。燃料電池は全て、実質的に同じ動作状態にさらされるため、ほぼ同じ出力電圧を生成する。したがって、測定されるスタックの出力電圧は、個々の燃料電池についての推定電圧を計算するのに使用されうる。しかし、個々の電池の出力電圧を別々に測定すること、そうでなければ、スタックの個々の電池を、それぞれが出力電圧を有するいくつかのグループに分割することも可能である。

コントロール・ユニット１５は、水素および酸素供給弁１１０、１２０を調整することによって、また、必要である場合、補助再循環ポンプ２１３、２２３の動作を直接制御することによって、燃料電池スタックに供給される水素と酸素の両方の圧力を制御する。燃料電池内の反応物圧力を制御することをコントロール・ユニット１５が可能にするプロセスは、ここで詳細に説明されるであろう。反応物は、接続される負荷に対してスタック１によって供給される電力量に相当するレートで、燃料電池内で消費される。負荷の変化がない状態で、コントロール・ユニット１５が、供給弁１１０、１２０の一方を開放位置の方に調整すると、供給される水素流または酸素流が増加し、燃料電池内で消費される水素または酸素の量を超える。これにより、燃料電池のアノードまたはカソードの圧力も増加する。対照的に、コントロール・ユニット１５が、供給弁１１０、１２０の一方を閉鎖位置の方に調整すると、供給される水素流または酸素流が減少し、燃料電池内で消費される水素または酸素の量を補償するのに十分でなくなる。これにより、燃料電池のアノードまたはカソードの圧力も減少する。先に述べたように、本発明によれば、燃料電池に供給される水素および酸素は、それぞれ、実質的に純粋な水素および実質的に純粋な酸素である。この特徴は、燃料電池内に存在する水素および酸素が、ほぼ完全に消費されることを可能にする。そのため、燃料電池のカソードおよびアノードの圧力が、外部大気圧をはるかに下回るように減少することが可能である。圧力は、０．２バール（絶対圧）の低さにさえなりうる。

「燃料不足（fuel starvation）」として知られる状態を燃料電池内で誘発させないために、水素圧は、酸素圧の少なくとも７０％、好ましくは酸素圧の少なくとも１００％であるという配慮がなされる。燃料不足は、一時的であることを越える場合、燃料電池を劣化させることが知られている。しかし、水素圧が酸素圧の１００％未満である他の動作状態もまた、特に膜の水分量を増加させることが望ましい場合に有利でありうる。さらに、燃料電池のアノードとカソードとの間での大きな圧力差の出現を回避するために、水素圧は、好ましくは、酸素圧に追従するように調整される。任意のレートにおいて、水素圧は、酸素圧の＋／−３０％の範囲に限定される。

図３Ａは、６つの異なる圧力（すなわち、２．５バール（絶対圧）（ｂａｒ_abs）、１．５バール（絶対圧）（ｂａｒ_abs）、１バール（絶対圧）（ｂａｒ_abs）、０．６２バール（絶対圧）（ｂａｒ_abs）、０．４バール（絶対圧）（ｂａｒ_abs）、０．２２バール（絶対圧）（ｂａｒ_abs）の６つの圧力）で動作するポリマー電解質燃料電池についての電流／電圧曲線（２５１〜２５６と呼ぶ）を示す図である。驚くには当たらないが、任意の所与の圧力について、電流が増加すると電圧が減少する、また、その逆が観測されることになる。特に、曲線２５１は、反応ガスの圧力が２．５バール（絶対圧）であるとき、電池電圧が０．８５ボルト未満の所望の範囲内に留まるために、燃料電池が約６０アンペアの電流を供給する必要があることを示す。何らかの理由で、負荷電流が、たとえば２０アンペアまで下がる場合、電池電圧は、０．９０ボルトを超えて上昇する。こうした高い電池電圧は、それを越えると高い劣化レートが観測され始める限界を超える。しかし、曲線２５５は、こうした状況で、燃料電池内部の圧力が、たとえば２．５バール（絶対圧）から０．４バール（絶対圧）に減少する場合、電池電圧が、約０．８ボルトの所望のレベルに戻ることを示す。図３Ｂは、同様な電圧／電力曲線を示す。０．８５ボルトにおいて、スタックが、２．５バールでなく、０．４バールの圧力で動作すると、出力電力が、ほぼ１０倍も減少することが観測されうる。

コントロール・ユニット１５は、水素および酸素供給弁１１０、１２０を部分的にまたは完全に閉鎖することによって、燃料電池スタックに供給される反応ガスの圧力を減少させるように構成される。しかし、供給弁１１０または１２０のいずれかが完全にまたはほぼ完全に閉鎖される場合、対応するエジェクタ・ポンプ１１３または１２３が役に立たなくなり、再循環ライン１１Ｒまたは１２Ｒを通る使用済みガスの流れが停止する。こうした状況では、供給多岐管（１６０または１６５）および排出多岐管（１８０または１８５）内の圧力が、等しくなる傾向があり、流路１７０または１７５に沿って反応ガスを押しやるのに必要とされる圧力降下が消える。供給弁１１０または１２０が閉鎖しているときでも、燃料電池スタックが動作し続けることを可能にするために、コントロール・ユニット１５は、対応する補助ポンプ２１３または２２３をターンオンする。ポンプ２１３または２２３のいずれかは、動作すると、排出多岐管１８０または１８５内に存在する残留反応ガスを、対応する供給多岐管１６０および１６５内に再注入する。補助ポンプ２１３および２２３の使用は、供給多岐管と排出多岐管との間の必要な圧力差を維持することを可能にする。既に述べたように、水素供給弁１１０および補助ポンプ２１３は、供給多岐管１６０の対向端を通して供給多岐管１６０に入るように水素流を制御するように構成され、同様に、酸素供給弁１２０および補助ポンプ２２３は、対向端を通して酸素供給多岐管１６５に入るように酸素流を制御するように構成される。

上述したように、本発明の方法が実施される燃料電池システムは、電子コントロール、コントロール・ユニット１５によって制御される供給弁１１０、１２０、ポンプ２１３、２２３、および気体−液体分離器を備える。燃料電池システムはまた、水ポンプを使用する冷却手段ならびに電気加熱手段を備えうる。これらの要素および他の要素は全て、補助部品と呼ばれるものを形成する。燃料電池システムの補助部品は、動作するために電気を必要とする。したがって、燃料電池システムが働いているとき、アイドリング状態（接続された負荷がゼロの動作状態）にあるときでも、電力需要は決してゼロでない。

燃料電池内の反応物圧を制御することによって、過剰のエネルギーを吸収するために、電気化学的エネルギー貯蔵ユニットが全く利用可能でないときでも、高い電池電圧を回避しながら、低い出力負荷状態に対処することが可能である。さらに、燃料電池内の反応物圧を、実質的に０．７バール（絶対圧）未満に下げることによって、わずか、補助部品に電力供給するのに必要とされる量まで、供給される電力量を低減することさえも可能である。したがって、本発明は、エネルギー貯蔵キャパシタが全く利用可能でない場合でさえも、ゼロ出力負荷の動作状態において、燃料電池システムをシャットダウンすることをなしで済ますことを可能にする。

添付特許請求項によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく本説明の主題を形成する実施形態に対して、当業者に明らかな種々の代替および／または改善が行われうることが理解されるであろう。特に、スタックの対向端に水素主入口１５０および酸素主入口１５５を有する代わりに、両方の主入口は、スタックの第１の端部上にありうる。この場合、補助水素ポンプ２１３および補助酸素ポンプ２２３は、スタックの第２の端部上に共に配置されることになる。この配置構成の利点は、両方の補助ポンプが同じモータによって作動されうることである。

１ 燃料電池スタック； ６０ 加圧式水素貯蔵容器； ６５ 加圧式酸素貯蔵容器；
１１０ 水素供給弁； １１１ 水素圧センサ； １１３ エジェクタ・ポンプ；
１２０ 酸素供給弁； １２１ 酸素圧センサ１２１； １３０，１４０ 端板；
１５０ 水素入口ポート； １５５ 酸素入口ポート； １６０ 水素供給多岐管；
１６５ 酸素供給多岐管； １８０ 水素排出多岐管； １８５ 酸素排出多岐管。

Claims (6)

1. 経時的な性能の劣化を最小にするように、ゼロ負荷またはゼロ負荷近くの状態で動作する、制御可能な水素再循環ポンプおよび制御可能な酸素再循環ポンプを備えるＰＥＭ燃料電池システムの出力電圧を制限する方法であって、
   −実質的に純粋な水素流を前記燃料電池のアノードに供給すること、
   −実質的に純粋な酸素流を前記燃料電池のカソードに供給すること、
   −前記燃料電池の出力電圧を監視すること、
   −前記燃料電池の水素圧を監視すること、
   −前記燃料電池の酸素圧を監視すること、
   −前記出力電圧が０．９０ボルト未満に留まるように、前記水素流および前記酸素流を制限し、前記水素圧を、前記酸素圧の７０％と１３０％との間に維持しながら、前記水素および酸素圧を１バール（絶対圧）未満にもたらし維持するように、前記水素および酸素再循環ポンプを作動させること
   を含む、ＰＥＭ燃料電池システムの出力電圧を制限する方法。
2. 前記出力電圧が０．７０ボルト〜０．８５ボルトの間に留まるように前記水素流および前記酸素流を調整することを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記水素圧および前記酸素圧を、０．２バール（絶対圧）〜１バール（絶対圧）の間に維持することをさらに含む請求項１または２に記載の方法。
4. 前記水素圧および前記酸素圧を、０．５バール（絶対圧）〜１バール（絶対圧）の間に維持することを含む請求項３に記載の方法。
5. 前記燃料電池は燃料電池システムの一部であり、前記燃料電池システムがアイドリング状態（接続された負荷がゼロの状態）にあるときに、前記電池電圧を０．６５ボルト〜０．９０ボルトの間の範囲内に保つように、前記水素圧および前記酸素圧を、実質的に０．７バール（絶対圧）未満に減少させること
   を含む請求項１に記載の方法。
6. 前記制御可能な再循環ポンプは隔膜ポンプである請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。

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