JP2014086131A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムは、燃料電池内の水分布の均一化を図り、高い要求出力を得ることができる。
【解決手段】燃料電池システムは、アノード側がカソード側より冷却され易い構成を有する燃料電池を備え、アノード側の冷却量をカソード側の冷却量よりも増加させること、またはカソード側の圧力を増加させること、のいずれか一方の制御を実行する第１制御部と、アノード側の圧力を減少させること、またはアノードのストイキ比を増加させること、のいずれか一方の制御を実行する第２制御部と、カソードのストイキ比を増加させる制御を実行する第３制御部と、を備え、第１制御部、第２制御部、第３制御部の優先順位にて、発電の要求出力に応じた発電量に制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムのうち固体高分子型燃料電池は、アノードと、カソードと、高分子電解質膜と、触媒層とを備えている。アノードおよびカソードに、触媒層が設けられている。触媒層は、白金などの触媒をカーボン粉末で担持するとともに、高分子電解質で被覆することにより構成されている。こうした燃料電池システムでは、アノードに燃料ガス（例えば、水素）を供給するとともに、カソードに酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給すると、電気化学反応により発電を行なう（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１８７７２７号公報

従来の技術にかかる燃料電池において、発電による熱の影響により、アノードとカソードとの間で温度差（極間温度差）が生じる。極間温度差が生じると、アノードとカソードとの間で、飽和蒸気分圧差による水の移動が起こり、燃料電池の発電性能が低下する場合がある。特に、高い出力の要求があった場合に、アノードが乾燥し易い。こうした課題を解決するために、カソードの背圧を制御したり、アノードの圧力を制御したりする構成が知られている。しかし、いずれの技術も燃料電池内の水分布が不均一になりやすく、高い出力を安定して維持することが難しいという課題があった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムを提供する。燃料電池システムは、アノード側がカソード側より冷却され易い構成を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、上記アノード側の冷却量を上記カソード側の冷却量よりも増加させること、または上記カソード側の圧力を増加させること、のいずれか一方の制御を実行する第１制御部と、上記アノード側の圧力を減少させること、または上記アノードのストイキ比を増加させること、のいずれか一方の制御を実行する第２制御部と、上記カソードのストイキ比を増加させる制御を実行する第３制御部と、を備え、上記第１制御部、上記第２制御部、上記第３制御部の優先順位にて、発電の要求出力に応じた発電量に制御する構成である。

燃料電池システムにおいて、第１制御部、第２制御部、第３制御部の優先順位にて、発電の要求出力に応じて発電量を制御する。すなわち、第１制御部は、アノード側の冷却量をカソード側の冷却量よりも増加させること、またはカソード側の圧力を増加させること、のいずれか一方の制御を実行することで、カソード側からアノード側へ水移動量を増加させる。第２制御部は、アノード側の圧力を減少させること、またはアノードのストイキ比を増加させること、のいずれか一方の制御を実行することで、アノード側の水量を増加させる。第３制御部は、カソードのストイキ比を増加する制御を実行する。したがって、アノード側がカソード側より冷却され易い燃料電池の構成を用いて、その燃料電池の制御を適正な順序で制御することにより、つまり、燃料電池の水分布の均一化を図った上で、カソードのストイキ比制御を実行するので、その発電量が発電の要求出力に速やかに応じる。

本発明の一実施例としての燃料電池スタックを備える燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 燃料電池スタックの内部構成を説明する説明図である。 燃料電池モジュールを分解して説明する説明図である。 燃料電池モジュールの冷却構造を説明する説明図である。 燃料電池システムの出力制御処理を説明するフローチャートである。

（１） 燃料電池システムの全体構成：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０を備える燃料電池システム１の全体構成を示す説明図である。燃料電池システム１は、例えば車両に搭載され、車両の動力源として使用することができる。燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料ガス供給部６０と、酸化ガス供給部７０と、冷却媒体供給部８０と、燃料電池システム１の運転を制御する制御部９０とを備えている。

燃料電池スタック１０は、比較的小型で発電効率に優れる固体高分子型燃料電池を形成する。燃料電池スタック１０は、燃料電池モジュール２０が絶縁体（図示せず）を介して複数積層されたスタック構造を有する。燃料電池モジュール２０は、各燃料電池モジュール２０の厚さ方向に積層され、両側に配置されたエンドプレート５０によって挟持されている。燃料電池スタック１０の内部には、燃料ガスマニホールド６１（６１ａ，６１ｂ）と、酸化ガスマニホールド７１（７１ａ，７１ｂ）と、冷却媒体マニホールド８１（８１ａ，８１ｂ）とが形成されている。

燃料ガス供給部６０は、燃料ガスマニホールド６１に燃料としての水素ガスを供給するとともに燃料ガスマニホールド６１から水素ガスを排出するための配管および弁などを備えている。すなわち、燃料ガス供給部６０は、高圧水素を貯蔵した水素タンク６２と、燃料ガスマニホールド６１に接続された配管６３ａ，６３ｂと、配管６３ａ，６３ｂにそれぞれ設けられた流量調節弁６４ａ，６４ｂとを備えている。また、配管６３ａと配管６３ｂとの間には、配管６３ｃが接続され、さらに配管６３ｃに循環ポンプ６５が接続されており、水素ガスを排出側から供給側へ循環させる循環路を構成している。

酸化ガス供給部７０は、酸化ガスマニホールド７１に酸化ガスとしての空気を供給するとともに酸化ガスマニホールド７１から空気を排出するための配管および弁などを備えている。すなわち、酸化ガス供給部７０は、空気を供給するためのエアーポンプ７２と、酸化ガスマニホールド７１に接続された配管７３ａ，７３ｂと、配管７３ｂに設けられ背圧弁として機能する圧力調整弁７４とを備えている。

冷却媒体供給部８０は、冷却媒体マニホールド８１に冷却媒体としての冷却水を供給するとともに冷却媒体マニホールド８１から冷却水を排出するための配管およびポンプを備えている。すなわち、冷却媒体供給部８０は、冷却媒体マニホールド８１に接続された配管８２ａ，８２ｂと、ラジエータ８３と、循環ポンプ８４とを備えている。冷却水は、ラジエータ８３から配管８２ａおよび冷却媒体マニホールド８１に供給され、循環ポンプ８４によって配管８２ｂからラジエータ８３に送られることで循環する。なお、冷却媒体としては、水だけでなく、エチレングリコール等の不凍液や空気等を用いることができる。

図２は燃料電池スタック１０の内部構成を説明するための説明図である。燃料電池スタック１０は、各構成の面と直交する方向に積層された複数の燃料電池モジュール２０と、隣り合う燃料電池モジュール２０の間に配置された絶縁体２８とを備える。燃料電池モジュール２０は、２つの燃料電池セル２１を備え、燃料電池セル２１の同極同士を対向させるように配置することにより構成されている。各燃料電池セル２１は、膜電極接合体の両側にガス拡散層を接合した膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode&Gas Diffusion Layer Assembly）２３と、ＭＥＧＡの両面を挟むように配置された第１および第２のセパレータ２２，２６とを備える。

ＭＥＧＡ２３は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３０と、ＭＥＡ３０の両面を挟むように配置（接合）されたカソードガス拡散層３６およびアノードガス拡散層３７を備える。ＭＥＡ３０は、電解質膜３２と、カソード３３と、アノード３４とを備える。カソード３３およびアノード３４は、電解質膜３２の両面を挟むように配置されている。

電解質膜３２は、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す固体高分子材料であり、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜である。カソード３３およびアノード３４は、触媒（例えば白金、あるいは白金合金）を備えており、これらの触媒を、導電性を有する担体（例えば、カーボン粒子）上に担持させることによって形成されている。

カソードガス拡散層３６およびアノードガス拡散層３７は、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロスによって形成することができる。ここで、燃料電池モジュール２０は、２つのＭＥＡ３０のカソード３３が対向するように配置されている。

第１および第２のセパレータ２２，２６は、ＭＥＧＡ２３を挟持するように配置されている。第１および第２のセパレータ２２，２６は、ガス不透過な導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンや、焼成カーボン、あるいはステンレス鋼などの金属材料により形成される板状部材である。また、第１および第２のセパレータ２２，２６は、ＭＥＡ３０において発電された電気を集電するための集電体としても機能し、第１および第２のセパレータ２２，２６には、外部回路が電気的に接続されている。

図３は燃料電池モジュール２０を分解して説明する説明図である。図２および図３に示すように、第１および第２のセパレータ２２，２６の両面には、溝２５ａ，２５ｂ，２５ｃが形成されている。第１のセパレータ２２に形成された溝２５ａには、酸化ガスマニホールド７１を流れる空気が流通して、酸素がカソードガス拡散層３６を介してカソード３３に供給される。第２のセパレータ２６に形成された溝２５ｂには、燃料ガスマニホールド６１を流れる水素ガスが流通して、水素がアノードガス拡散層３７を介してアノード３４に供給される。また、第２のセパレータ２６に形成された溝２５ｃには、冷却媒体マニホールド８１（図１）を流れる冷却水が流通する。これにより、燃料電池スタック１０の温度調節が行われる。

図１に示すように、制御部９０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵと、必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭと、ＲＡＭと、入出力ポート等とを備える。この制御部９０は、燃料電池システム１に設けた各種センサ（例えば、温度センサや圧力センサ）の検出信号や、燃料電池スタック１０に対する負荷要求に関する情報などを取得する。また、燃料電池システム１が備える、流量調整弁６４、圧力調整弁７４、エアーポンプ７２、循環ポンプ８４など、燃料電池スタック１０の発電に関わる各部に駆動信号を出力する。

（２） 燃料電池システム１の動作
図１に示す燃料ガス供給部６０において、水素タンク６２に貯蔵される水素ガスは、配管６３ａに放出された後、流量調節弁６４ａによって所定の圧力に調整（減圧）されて、燃料電池スタック１０を構成する各単セルのアノード３４に供給され、電気化学反応に供される。そして、アノード３４から排出されるアノード排ガスは、燃料ガスマニホールド６１から配管６３ｂに導かれる。そして、配管６３ｂのアノード排ガスの一部は、循環ポンプ６５の駆動により配管６３ａへ戻され、残部は、外部へ排出される。

酸化ガス供給部７０において、エアーポンプ７２の駆動により外部から取り込んだ空気は、加圧されて、配管７３ａおよび酸化ガスマニホールド７１を介してカソード３３に供給される。カソード３３から排出されるカソード排ガスは、配管７３ｂを経て、外部に排出される。このとき、配管７３ｂには、圧力調整弁７４が設けられているので、開口面積の制御により、カソード３３に加わる圧力を調節することができる。このとき、圧力調整弁７４の背圧を高めることにより、燃料電池スタック１０の電気化学反応により生じる水分を含むカソード３３の排ガスの排出量が減少し、カソード３３の付近の水量を高めることができる。

こうした燃料電池システム１では、アノード３４に水素ガスを供給するとともに、カソード３３に酸化ガス（例えば、酸素を含む空気）を供給することにより、電気化学反応により発電を行なう。こうした発電制御において、アノードおよびカソードのストイキ比制御が実行される。ここで、アノードおよびカソードのストイキ比制御とは、理論的に発電に必要な量に対する実際の水素または酸素の供給量で除した値をストイキ比と定義すると、ストイキ比をパラメータとして水素ガスおよび酸素の量を増減することにより、燃料電池システム１の出力を制御する方法である。

図４は燃料電池モジュール２０の冷却構造を説明する説明図である。図４において、ＭＥＡ３０の溝２５ｂに水素ガスが流され、一方、溝２５ａに空気が流されるが、このとき、水素ガスと空気の流れる方向は逆方向である。ＭＥＡ３０による電気化学反応で生成した水は、カソード側で生成されるから、カソード側の溝２５ａに流れる空気の水分量が大きく、一方、アノード側の溝２５ｂに流れる水素ガスの水分量が少ない。このため、溝２５ａ，２５ｂに流れる水素ガスと空気に含まれる水分量の濃度差が生じる。こうした濃度差は、特にアノード３４の上流側とカソード３３の下流側で大きくなるから、ＭＥＡ３０の端部にて破線で示すような水移動が生じる。したがって、溝２５ａを流れる空気から、溝２５ｂを流れる水素ガスへ水移動が促進され、水素ガスによってアノード３４に水が供給される。よって、ＭＥＡ３０内の水分布が均一化に向かう。

燃料電池スタック１０は、冷却媒体供給部８０によりＭＥＡ３０を冷却するとともに、この冷却作用に伴ってＭＥＡ３０内の水移動を促進する作用がある。すなわち、冷却水を流す溝２５ｃは、アノード側に配置されているために、アノード３４は、カソード側より冷却水で冷却されやすい。このため、カソード側の温度がアノード側の温度より高くなり、ＭＥＡ３０内に極間温度差を生じる。一方、カソード３３では、電気化学反応により水が生成されるために、カソード３３で生じた水が上述した極間温度差により、１点鎖線で示すようにアノード側へ移動する。よって、ＭＥＡ３０内の水分布が均一化に向かう。

（３）燃料電池システム１の出力制御
以下、燃料電池システム１の出力を要求出力に応じて制御する処理について説明する。図５は燃料電池システム１の出力制御処理を説明するフローチャートである。本処理は、燃料電池システム１の高出力運転時、つまり要求出力が所定値以上の場合に実行される処理である。図５において、ステップＳ１００にて、燃料電池システム１の発電量が発電の要求出力を満たしているか否かが判定される。ステップＳ１００にて否定判定の場合には、ステップＳ１０２，Ｓ１０４にて、カソード側の水量を増大させて、アノード側へ水移動させる処理が実行される。すなわち、ステップＳ１０２にて、冷却水の循環量を増加させる。本処理は、循環ポンプ８４（図１）の駆動出力を増大させることにより実行される。これにより、カソードガスおよびアノードガスの温度が低下して、これらのガスに含まれている露点が下がり、水量が増大する。さらに、アノード３４の冷却能力がカソード側の冷却能力より大きいことから、ＭＥＧＡ２３の極間温度差が大きくなる。これにより、上述したようにカソード側からアノード側への水移動が生じ、ＭＥＡ３０が均一な水分布へ向かう。また、ステップＳ１０４にて、カソードの背圧を増加させる。本処理は、圧力調整弁７４の流路面積を減少させることにより実行する。これにより、燃料電池スタック１０の電気化学反応により生じる水分を含むカソード３３のカソードオフガスの排出量が減少し、カソード３３の付近の水量を高めることができ、さらに上述した極間温度差によりその水をアノード側へ移行させることができる。

ステップＳ１１０にて、ステップＳ１０２，Ｓ１０４の処理を実行した後に、燃料電池システム１の発電量が要求出力を満たしているか否かが判定される。ステップＳ１１０にて否定判定の場合には、アノード側の水量を増大させる処理が実行される。すなわち、ステップＳ１１２にて、アノード側の圧力を低減させる。本処理は、流量調節弁６４ｂの流路面積を増加させることにより実行する。これにより、アノードオフガスの流量が減少して、アノードオフガスとともに排出される水分量が減少するとともに、アノードの下流側にも水が移動する。さらに、カソード側とアノード側との圧力差が大きくなることから、水分がカソード側からアノード側へ移行して、ＭＥＡ３０内が均一な水分量へ向かう。また、ステップＳ１１４にて、アノードのストイキ比を増加させる。本処理は、水素タンク６２の出力を増大させることにより実行する。これにより、燃料電池スタック１０の電気化学反応により生じる水分量を増大させて、アノード側の水量を高めることができる。

ステップＳ１３０にて、ステップＳ１２２，Ｓ１２４のアノード側の処理を実行した後に、燃料電池システム１の発電量が要求出力を満たしているか否かが判定される。ステップＳ１３０にて否定判定の場合には、カソードのストイキ比を増大させる。本処理は、エアーポンプ７２の出力を増大させることにより実行する。これにより、電気化学反応に供する酸素量を増大させて、発電量を増大させる。ステップＳ１３０にて、発電量がまだ要求出力を満たしていないと判定された場合には、ステップＳ１０２に戻り、ステップＳ１２２までの処理を繰り返す。すなわち、冷却水の循環量、カソード圧力などの制御量を増加させるアノード側の処理などを繰り返し実行する。

（４） 本実施例の作用・効果
（４）−１ 燃料電池システム１は、ＭＥＡ３０内の水分布を均一に向かわせる構成を備えている。すなわち、図４に示すように、カソード側の水分を多く含む空気は、アノード側の乾燥し易い水素ガスに対して逆方向に溝２５ａ，２５ｂでそれぞれ流され、空気と水素ガスと水蒸気の濃度差を生じやすくしている。こうした濃度差は、特にアノード３４の上流側とカソード３３の下流側で大きくなるから、ＭＥＡ３０の端部で水移動が促進される。また、冷却水を流す溝２５ｃは、アノード３４側に配置されているために、アノード側がカソード側より溝２５ｃに流れる冷却水により冷却されやすい。このため、カソード側の温度がアノード側の温度より高くなり、ＭＥＡ３０内に極間温度差を生じる。一方、カソード３３では、電気化学反応により水が生成されるために、カソード３３で生じた水が上述した極間温度差により、アノード側へ移動する。よって、上述の２つの作用によりＭＥＡ３０の水分布をより均一化する効果を奏する。

（４）−２ 図５に示すように、ステップＳ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１１２，Ｓ１１４によるカソードの背圧やアノード側の制御などの、ＭＥＡ３０の水分布を均一にするのに有効な制御を優先して実行し、それでも燃料電池システム１の発電量が不十分な場合に、ステップＳ１２２にて、カソードのストイキ比制御を実行する。すなわち、カソードのストイキ比制御は、出力の増大に有効であるが、カソード側の乾燥を招き易いことから、上述した他の処理で、水分量の均一化を図った上で実行する。よって、カソードのストイキ比制御は、ＭＥＡ３０の乾燥を避けるための条件を特に考慮することなく実行することができ、燃料電池システム１の高出力を実現することができる。

（４）−３ アノード側に余剰にある水は、触媒への酸素の供給を阻害する要因になるが、図４に示すように、ＭＥＡ３０内での水移動により、アノード側の余剰水が除去され、触媒に効率的に酸素を供給することができる。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。
上記実施例において、図５のステップＳ１０２の冷却水の循環量の増加およびステップＳ１０４のカソード圧力の増加の処理は、両方の制御を順次実行するほか、いずれか一方の処理を実行してもよい。また、ステップＳ１１２のアノード圧力の低減およびステップＳ１１４のアノードのストイキ比の増加処理は、両方の制御を順次実行するほか、いずれか一方の処理を実行してもよい。

上記実施例にかかる燃料電池モジュール２０において、アノード側をカソード側より冷え易くする構成として、以下の構成であってもよい。
（ａ） 燃料電池セル２１の第１および第２のセパレータ２２，２６が冷却液を導く流路として、冷却液と接液するアノードの溝の表面積をカソードの溝の表面積よりも大きくする構成とする。
（ｂ） アノード側のセパレータの熱伝導率がカソード側のセパレータの熱伝導率に比べて大きい構成とする。

１…燃料電池システム
１０…燃料電池スタック
２０…燃料電池モジュール
２１…燃料電池セル
２２，２６…第１および第２のセパレータ
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ…溝
２８…絶縁体
３０…ＭＥＡ
３２…電解質膜
３３…カソード
３４…アノード
３６…カソードガス拡散層
３７…アノードガス拡散層
５０…エンドプレート
６０…燃料ガス供給部
６１…燃料ガスマニホールド
６２…水素タンク
６３ａ，６３ｂ，６２ｃ…配管
６４…流量調整弁
６５…循環ポンプ
７０…酸化ガス供給部
７１…酸化ガスマニホールド
７２…エアーポンプ
７３ａ，７３ｂ…配管
７４…圧力調整弁
８０…冷却媒体供給部
８１…冷却媒体マニホールド
８２ａ，８２ｂ…配管
８３…ラジエータ
８４…循環ポンプ
９０…制御部

Claims (1)

1. アノード側がカソード側より冷却され易い構成を有する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   上記アノード側の冷却量を上記カソード側の冷却量よりも増加させること、または上記カソード側の圧力を増加させること、のいずれか一方の制御を実行する第１制御部と、
   上記アノード側の圧力を減少させること、または上記アノードのストイキ比を増加させること、のいずれか一方の制御を実行する第２制御部と、
   上記カソードのストイキ比を増加させる制御を実行する第３制御部と、
   を備え、
   上記第１制御部、上記第２制御部、上記第３制御部の優先順位にて、発電の要求出力に応じた発電量に制御する、燃料電池システム。

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