JP2017152292A - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、特にアイドル発電時に固体高分子電解質膜が乾燥することを回避する。【解決手段】燃料電池システム１０の制御部２２は、燃料電池スタック１２のインピーダンスに関する情報をインピーダンス測定部２３から取得するか、又は、水冷インタクーラを流通した冷却水の温度に関する情報を温度センサ８２から取得する。なお、双方を取得することが好ましい。特にアイドル発電時、インピーダンスが所定の閾値に到達したとき、又は冷却水の温度が所定の閾値に到達したとき（好適にはいずれか一方が先に到来したとき）、制御部２２は、燃料電池スタック１２の出力電流を上昇させる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの制御方法に関し、一層詳細には、電解質膜が乾燥することを回避するための燃料電池システムの制御方法に関する。

固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性の高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備える。電解質膜・電極構造体がセパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成される。発電セルは、通常、所定の数で積層され、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に組み込まれる。

燃料電池は、アノード電極に供給された燃料ガス（例えば、水素ガス）と、カソード電極に供給された酸化剤ガス（例えば、圧縮空気）とが電気化学反応を起こすことによって発電する。この際、アノード電極ではプロトンが生成し、該プロトンが電解質膜内を伝導してカソード電極に移動する。一方、カソード電極では、プロトン、電子、酸化剤ガス中の酸素によって水が生成する。

プロトン伝導を生じさせるには、電解質膜を湿潤状態とする必要がある。このため、前記生成水と、酸化剤ガスに付与された湿分とで電解質膜が湿潤状態を維持するようにしている。しかしながら、燃料電池内を過度の湿潤状態とすると燃料電池内に水が滞留する。この滞留水が電極の細孔を閉塞するようになるので、反応ガスが電極に到達することが困難となり、上記の電気化学反応が阻害されることになる。

特許文献１には、このような不具合が惹起されることを回避するべく、燃料電池のインピーダンスに基づいてカソード電極が濡れすぎているか否かを判断し、濡れすぎと判断したときには、加湿器をバイパスした酸化剤ガスをカソード電極に供給することが提案されている。この場合、カソード電極に付着した水滴に対して比較的乾燥した酸化剤ガスを衝突させることにより、該水滴を除去することを試みている。

特開平７−２３５３２４号公報

例えば、燃料電池車両がアイドル状態であるときには、燃料電池はアイドル発電となっており、このために出力電流が小さい。従って、上記の電気化学反応の反応率も小さく、生成水の量が少ない。このために電解質膜に付与される湿分が低減すると、電解質膜が乾燥する傾向となる。特許文献１には、上記のようにカソード電極が濡れすぎたときに如何なる制御を行うかについての記載はあるものの、電解質膜が乾燥する傾向にあるときには如何なる制御をすべきかについての提案は何らなされていない。

本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、電解質膜が乾燥することを回避することが可能な燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構を含む酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが所定の閾値に到達したときに、前記燃料電池の出力電流を上昇させることを特徴とする。

出力電流が上昇することにより、燃料電池の電極における電気化学反応が促進される。その結果、反応率が上昇して生成水の量が増加する。この生成水によって固体高分子電解質膜に湿分が付与されるので、該固体高分子電解質膜が過度に乾燥することを回避することができる。これは、特に、酸化剤ガス供給機構が最低供給流量で酸化剤ガスを供給するアイドル発電時であるにも関わらず固体高分子電解質膜が乾燥する傾向にあるときに有効である。

インピーダンスが高い程、固体高分子電解質膜が乾燥する傾向にある。従って、インピーダンスが高いときには出力電流を大きく上昇させることが好ましい。この場合、電気化学反応が一層活発となるために生成水の量がさらに増加するので、固体高分子電解質膜に十分な湿分を付与することができる。

インピーダンスに代替し、酸化剤ガスを冷却する冷却器を流通する冷却媒体の温度を用いて判断を行うようにしてもよい。すなわち、本発明は、固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、前記酸化剤ガスを冷却媒体で冷却する冷却器とを含む酸化剤ガス供給装置と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記冷却媒体の温度が所定の閾値に到達したときに、前記燃料電池の出力電流を上昇させることを特徴とする。

この場合においても、出力電流が上昇することに伴い、燃料電池の電極における電気化学反応が促進される。従って、固体高分子電解質膜が過度に乾燥することを回避することができる。

冷却媒体の温度が高い程、固体高分子電解質膜が乾燥する傾向にある。従って、冷却媒体の温度が高いときには出力電流を大きく上昇させることが好ましい。この場合においても上記と同様に、電気化学反応が一層活発となるために生成水の量がさらに増加するので、固体高分子電解質膜に十分な湿分を付与することができる。

インピーダンスと、酸化剤ガスを冷却する冷却器を流通する冷却媒体の温度との双方を用い、いずれかが早く到来したことに基づいて判断を行うようにしてもよい。すなわち、本発明は、固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、前記酸化剤ガスを冷却媒体で冷却する冷却器とを含む酸化剤ガス供給装置と、
前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが所定の閾値に到達するか、又は、冷却媒体の温度が所定の閾値に到達するかのいずれかが先に到来したときに、前記燃料電池の出力電流を上昇させることを特徴とする。

この場合、固体高分子電解質膜を乾燥させる可能性がある状況となったときに生成水が増加する制御が行われる。従って、固体高分子電解質膜が乾燥することを一層容易に回避することができる。

この制御を行うに際し、冷却媒体の温度が所定の閾値に到達するよりも先にインピーダンスが所定の閾値に到達したときには、インピーダンスが高い程、燃料電池の出力電流を大きく上昇させればよい。逆に、インピーダンスが所定の閾値に到達するよりも先に冷却媒体の温度が所定の閾値に到達したときには、冷却媒体の温度が高い程、燃料電池の出力電流を大きく上昇させるようにすればよい。

出力電流の増加分は、例えば、蓄電池の充電に用いて消費すればよい。なお、蓄電池が満容量となった後も充電を継続すると、過充電となる。このようなときには充電を終了することが好ましい。

以上において、前記酸化剤ガス供給機構は、燃料電池のアイドル発電時に酸化剤ガスを最低供給流量で供給するものであり、該燃料電池の出力電流（アイドル電流）を上昇させるときに最低供給流量を維持するものであるとよい。換言すれば、出力電流の増加幅は、酸化剤ガス供給機構が最低供給流量を維持する電流値の範囲内とすることが好ましい。

この場合、出力電流を増加させているにも関わらず、酸化剤ガス供給機構からの酸化剤ガスの供給流量が最低供給流量に維持される。従って、酸化剤ガスのカソード電極への供給流量が増加することが回避されるので、固体高分子電解質膜が乾燥することを防止することができる。また、酸化剤ガス供給機構の動作量が変化しないので、ユーザーが違和感を覚えることが防止される。

本発明によれば、燃料電池のインピーダンスに関する情報を取得するか、又は、酸化剤ガスを冷却する冷却器に流通する冷却媒体の温度に関する情報のいずれか、好ましくは双方の情報を取得し、インピーダンスが所定の閾値に到達したとき、又は、冷却媒体の温度が所定の閾値に到達したとき（好ましくはいずれかが先に到来したとき）、燃料電池の出力電流を上昇させるようにしている。このために生成水の量が増加するので、燃料電池を構成する固体高分子電解質膜に湿分が付与される。従って、固体高分子電解質膜が過度に乾燥することを回避することができる。

この制御は、特に、酸化剤ガス供給機構が最低供給流量で酸化剤ガスを供給するアイドル発電時であり、酸化剤ガスの供給流量を低減することができないにも関わらず固体高分子電解質膜が乾燥する傾向にあるときに有効である。

本発明の実施の形態に係る制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。

以下、本発明に係る燃料電池システムの制御方法につき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、この実施の形態では、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載されるものを例示する。

先ず、燃料電池システムにつき、その概略構成説明図である図１を参照して説明する。この燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２（燃料電池）を備える。

燃料電池スタック１２は、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とを備える。本実施の形態では、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして圧縮空気を用いる。燃料電池システム１０は、さらに、エネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０（蓄電池）と、システム制御装置である制御部２２と、インピーダンス測定部２３とを備える。

図１では、理解を容易にするべく制御部２２とインピーダンス測定部２３を個別に示しているが、実際には、インピーダンス測定部２３は制御部２２の一部を構成する。該インピーダンス測定部２３は、後述するように、燃料電池スタック１２（発電セル２４）のインピーダンス値に基づいて固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向であるか湿潤する傾向であるかを判断する。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が図１中の矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層されて構成される。ここで、発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持したものである。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属又はカーボンからなる。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２としては、上記のようなフッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を採用することもできる。

第１セパレータ２８には、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８が設けられる。一方、第２セパレータ３０には、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０が設けられる。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が形成される。

燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。この中の水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。同様に、水素ガス出口４４ｂも各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。

同様に、空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。

さらに、冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素ガスを貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５１（燃料ガス供給流路）を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに接続される。水素ガス供給路５１は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。

水素ガス供給路５１は、主流路５２と水素側バイパス流路５３とを有する。主流路５２には、メインインジェクタ５４とエゼクタ５６が直列に設けられる。前記水素側バイパス流路５３は、メインインジェクタ５４の上流側で主流路５２から分岐し、エゼクタ５６の下流側で主流路５２に合流する。すなわち、水素側バイパス流路５３は、メインインジェクタ５４及びエゼクタ５６を迂回するように設けられている。

水素側バイパス流路５３には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ６０が介装されている。ＢＰインジェクタ６０は、燃料電池スタック１２に高負荷発電が要求された際等に、高濃度の水素ガスを供給するために使用されるサブインジェクタであり、一方、メインインジェクタ５４は、燃料電池スタック１２の定常運転時（通常発電時）に主として使用されるメインインジェクタである。

燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路６２（アノードオフガス配管）が接続される。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである排出水素ガス（アノードオフガス）を、燃料電池スタック１２から導出する。

水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が設けられる。前記気液分離器６４の下流からは水素循環流路６６が分岐し、この水素循環流路６６の下流側が前記エゼクタ５６に接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出されたアノードオフガスを、水素循環流路６６及びエゼクタ５６を介して水素ガス供給路５１に循環させる。

水素ガス排出路６２は、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。燃料ガス供給装置１４は、アノード流路の水素ガス圧力を検出するために、例えば、水素ガス供給路５１に水素ガス入口４４ａの近傍に位置して圧力センサ７７を備え、該圧力センサ７７の検出信号が制御部２２に送られる。

酸化剤ガス供給装置１６は、空気供給路７８（酸化剤ガス供給流路）に配設された、酸化剤ガス供給機構としてのエアポンプ７９を備える。このエアポンプ７９は、大気（空気）を圧縮して供給するべく、回転駆動手段であるモータを内蔵する圧縮機として構成される。すなわち、エアポンプ７９は、モータが回転することに伴って大気を圧縮し、これにより得た圧縮空気を空気供給路７８から燃料電池スタック１２に供給する。

なお、上記したような構成のエアポンプ７９は公知であるため、詳細な説明は省略する。

酸化剤ガス供給装置１６は、さらに、空気供給路７８に介装された水冷インタクーラ８１を備える。なお、図１中では、インタクーラを「Ｉ／Ｃ」で表している。

ここで、燃料電池車両には、駆動輪を駆動する駆動モータ等を含むドライブトレインが搭載される（いずれも図示せず）。水冷インタクーラ８１には、ドライブトレインを冷却するための冷却媒体である冷却水が流通する。圧縮空気は、この冷却水と熱交換を行うことで温度が下降する。以上から諒解される通り、水冷インタクーラ８１は、圧縮空気の温度を下降するための冷却器である。

水冷インタクーラ８１の冷却水出口には、冷却水の温度を検出するための温度センサ８２が設けられている。該温度センサ８２は、冷却水の温度に関する情報を信号として制御部２２に送る。

空気供給路７８は、エアポンプ７９の下流側に位置するとともに燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに接続され、その間に供給側開閉弁（入口封止弁）８３ａ及び加湿器８４が介装される。空気供給路７８には、加湿器８４を迂回するバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、開閉弁８８が設けられる。

燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路（カソードオフガス排出路）９０が接続される。空気排出路９０は、少なくとも一部がカソード電極３６で使用された圧縮空気である排出圧縮空気（カソードオフガス）を、燃料電池スタック１２から排出する。

酸化剤ガス供給装置１６には、カソード流路の圧縮空気の圧力を検出するための圧力センサ９１が、例えば、空気排出路９０における空気出口４６ｂの近傍に設けられる。該圧力センサ９１によって検出された圧力は、検出信号として制御部２２に送られる。

空気排出路９０の下流には前記加湿器８４が配設されており、このため、加湿器８４は、エアポンプ７９から供給された圧縮空気とカソードオフガスとの間で水分及び熱を交換する。さらに、空気排出路９０において、加湿器８４の下流側には排出側開閉弁（出口封止弁）８３ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続されて合流しており、これにより希釈部を構成している。

背圧弁９２は、前記カソード流路に供給される圧縮空気の圧力を制御するために設けられる圧力調整弁である。すなわち、カソード電極３６の内圧は、背圧弁９２によって調節される。

空気供給路７８と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８３ａの上流側と排出側開閉弁８３ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、空気側バイパス流路９４の両端が連通する。空気側バイパス流路９４には、前記空気側バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。

また、空気供給路７８と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８３ａの下流側及び排出側開閉弁８３ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路７８に循環させる。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。

次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１０の制御方法につき、該燃料電池システム１０の動作との関係で説明する。

燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両の運転が開始される際、イグニッションがＯＮとされることに伴って燃料電池スタック１２が起動される。このとき、制御部２２は、燃料ガス供給装置１４からアノード流路に水素ガスを供給するべく、メインインジェクタ５４を開放する指令信号を発する。これにより、水素タンク５０から水素ガス供給路５１に供給された所定量の水素ガスが、主流路５２のメインインジェクタ５４及びエゼクタ５６を通過して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。

水素ガスは、さらに、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動する。これにより、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に水素ガスが供給される。

その一方で、制御部２２は、酸化剤ガス供給装置１６から圧縮空気を供給するべく、エアポンプ７９を付勢する指令信号を発する。これに伴い、エアポンプ７９の回転作用下に大気が圧縮され、空気供給路７８に圧縮空気として送気する。この圧縮空気は、加湿器８４を通過する際に加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。圧縮空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入された後、前記空気流路４０に沿って移動することによって電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される圧縮空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。加湿器８４にて圧縮空気に付与された湿分の一部は、カソード電極３６から固体高分子電解質膜３２に浸透し、アノード電極３４に到達する。

また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。

アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、アノードオフガスとして水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。この際、アノードオフガスは、上記のようにしてアノード電極３４に到達した湿分（水分）を同伴する。すなわち、気液分離器６４に導入されるアノードオフガスは、水分を含んだ湿潤ガスである。

気液分離器６４において、アノードオフガス中の水分の大部分が分離される。液分（水）は、ドレイン弁７６が開放されることによって排水流路７４から排出される。一方、水分が分離されたアノードオフガスは、若干残留したミストを含んだ状態で、水素ポンプ６８の作用下に、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入される。アノードオフガスは、さらに、水素循環流路６６からエゼクタ５６に吸引され、メインインジェクタ５４を通過した新たな水素ガスに合流して水素ガス供給路５１からアノード流路に供給される。このように、アノードオフガスは燃料電池スタック１２に循環供給される。

なお、水素ガス排出路６２に排出されたアノードオフガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。

同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された圧縮空気は、カソードオフガスとして空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。カソードオフガスは、加湿器８４を通って空気供給路７８から供給される新たな圧縮空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整されて希釈部に排出される。なお、空気排出路９０に排出されたカソードオフガスは、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８から空気供給路７８に供給される。この場合、カソードオフガスも燃料電池スタック１２に循環供給される。

以上のようにして燃料電池スタック１２の運転が行われている間、該燃料電池スタック１２、一層具体的には発電セル２４のインピーダンスがインピーダンス測定部２３により測定される。また、水冷インタクーラ８１を流通した冷却水の温度が、温度センサ８２によって検出（測定）される。制御部２２は、インピーダンス及び冷却水温度に関する情報を常時取得している。

燃料電池車両が、例えば、アイドル状態とされるとき、燃料電池スタック１２の負荷、換言すれば、要求出力電流が小さくなる。この場合、燃料電池スタック１２の要求空気流量（要求酸化剤ガス流量）も小さい。そこで、制御部２２は、エアポンプ７９に対して「モータの回転数を低減する」との指令信号を発する。エアポンプ７９がこの信号を受けると、モータの回転数が低減して圧縮空気の供給流量が低減する。特に、アイドル状態では、モータが最低回転数となり、圧縮空気の供給流量が最低供給流量となる。

このため、燃料電池スタック１２における生成水の量が低減する。この分だけ固体高分子電解質膜３２に湿分が付与されなくなるので、プロトン伝導が低減して燃料電池スタック１２（発電セル２４）のインピーダンスが上昇する。

インピーダンスが際限なく上昇すると、固体高分子電解質膜３２が過度に乾燥して湿分を再付与することが困難となる。そこで、本実施の形態では、制御部２２は、燃料電池スタック１２のインピーダンスが所定の閾値となったときが固体高分子電解質膜３２の乾燥限界であると判断し、所定の制御を行う。

すなわち、制御部２２は、燃料電池スタック１２の出力電流を上昇させる。この指令に対応するべく、燃料電池スタック１２では、電解質膜・電極構造体２６での上記の電気化学反応が促進され、その反応率が上昇する。従って、カソード電極３６において、電気化学反応の進行に伴う生成水の量が増加する。

この生成水が、固体高分子電解質膜３２に湿分として付与される。このため、固体高分子電解質膜３２が湿潤状態に保たれる。インピーダンスが高い程、固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向となる。従って、インピーダンスが高い場合には出力電流を大きくすることが好ましい。これにより電気化学反応が一層促進されて生成水の量がさらに増加するので、固体高分子電解質膜３２を湿潤状態に保つことが容易となるからである。

増加した出力電流は、例えば、バッテリ２０の充電に用いられ、これにより消費される。なお、バッテリ２０が満容量となった後もなお充電を継続すると、過充電となる。これを回避するべく、バッテリ２０が満容量となった後はバッテリ２０への電流供給を終了する。

この場合、出力電流の増加幅は、エアポンプ７９が最低供給流量を維持する範囲内とすることが好ましい。すなわち、例えば、エアポンプ７９が、電流が２５Ａ以上となったときに最低供給流量を上回る流量で圧縮空気を供給するものであるときには、出力電流を２５Ａ近傍まで上昇させることができる。

換言すれば、上記の場合、出力電流が２５Ａ以上となるまでは、エアポンプ７９は最低供給流量で圧縮空気を供給する。このため、出力電流の上昇上限を２５Ａ未満とすることで、エアポンプ７９からの圧縮空気の供給流量が増加することを回避することができる。これにより、カソード電極３６に接触する圧縮空気の量が増加することに起因して固体高分子電解質膜３２が乾燥することが防止される。また、酸化剤ガス供給機構の動作量が変化しないので、燃料電池車両のユーザーが違和感を覚えることが防止される。

しかも、以上のようにして出力電流の増加に対応できるために燃料電池スタック１２の出力が変動することがない。このことも相俟って、運転者が違和感を覚えることが一層回避される。

インピーダンスが十分に低下した後、制御部２２は、燃料電池スタック１２に要求する出力電流を元に戻す。その後にインピーダンスが再上昇して前記所定の閾値に到達したときには、上記の制御が再実施される。

以上の制御に代替し、水冷インタクーラ８１を流通した後の冷却水の温度に基づく制御を行うようにしてもよい。この場合につき説明する。

上記したように、水冷インタクーラ８１には、ドライブトレインを冷却するための冷却水が流通する。この冷却水により、エアポンプ７９で得られた高温の圧縮空気が冷却されて温度が下降する。換言すれば、冷却水の温度が高いときには圧縮空気が十分に冷却されず、比較的高温の状態で空気供給路７８を流通する。

圧縮空気は、加湿器８４に導入され、該加湿器８４にてカソードオフガスと熱交換を行う。この際、圧縮空気の温度が高い程、カソードオフガスとの温度差が小さくなるために加湿量が小さくなる。すなわち、この場合、カソード電極３６に対し、十分な湿分が付与されていない圧縮空気が供給されることになる。その結果、固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向となる。

この場合、制御部２２は、水冷インタクーラ８１の冷却水出口に設けられた温度センサ８２で測定した冷却媒体の温度が所定の閾値に到達したか否かを判断している。そして、冷却媒体の温度が所定の閾値となったとき、固体高分子電解質膜３２の乾燥限界であると判断し、所定の制御を行う。すなわち、上記と同様に燃料電池スタック１２の出力電流を上昇させる指令を発する。この指令に対応するべく、電解質膜・電極構造体２６における電気化学反応が促進される。

その結果、生成水の量が増加する。この生成水が固体高分子電解質膜３２に湿分として付与されることにより、固体高分子電解質膜３２が湿潤状態に保たれる。

冷却水の温度が高い程、加湿器８４に導入される圧縮空気の温度が高くなり、固体高分子電解質膜３２が乾燥する傾向となる。従って、冷却水の温度が高い場合には出力電流を大きくすることが好ましい。この場合においても電気化学反応が一層促進されて生成水の量がさらに増加するので、固体高分子電解質膜３２を湿潤状態に保つことが容易となるからである。

増加した出力電流は、上記に準拠し、バッテリ２０を充電することで消費すればよい。

冷却水の温度が十分に低下した後、制御部２２は、燃料電池スタック１２に要求する出力電流を元に戻す。その後に冷却水の温度が再上昇して前記所定の閾値に到達したときには、上記の制御が再実施される。

上記した２つの制御を併用実施するようにしてもよい。この場合、インピーダンスが所定の閾値に到達するか、又は、冷却水の温度が所定の閾値に到達するかのいずれか一方が到来した時点で、燃料電池スタック１２の出力電流を上昇させればよい。

以上のような制御を行うことにより、固体高分子電解質膜３２が過度に乾燥することを回避することができる。

本発明は、上記した実施の形態に特に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

例えば、燃料電池システム１０は、車載用に特に限定されるものではなく、定置用であってもよい。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２２…制御部
２３…インピーダンス測定部 ２４…発電セル
２６…電解質膜・電極構造体 ２８、３０…セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８…水素ガス流路
４０…空気流路 ５０…水素タンク
５１…水素ガス供給路 ５２…主流路
５３…水素側バイパス流路 ５４…メインインジェクタ
５６…エゼクタ ６０…ＢＰイジェクタ
６２…水素ガス排出路 ６６…水素循環流路
６８…水素ポンプ ７７、９１…圧力センサ
７８…空気供給路 ７９…エアポンプ
８１…水冷インタクーラ ８２…温度センサ
８４…加湿器 ９０…空気排出路
９２…背圧弁 ９４…空気側バイパス流路
９６…ＢＰ流量調整弁

Claims (8)

1. 固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構を含む酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが所定の閾値に到達したときに、前記燃料電池の出力電流を上昇させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
2. 請求項１記載の制御方法において、前記インピーダンスが高い程前記出力電流を大きく上昇させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
3. 固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、前記酸化剤ガスを冷却媒体で冷却する冷却器とを含む酸化剤ガス供給装置と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記冷却媒体の温度が所定の閾値に到達したときに、前記燃料電池の出力電流を上昇させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項３記載の制御方法において、前記冷却媒体の温度が高い程前記出力電流を大きく上昇させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
5. 固体高分子電解質膜を有し、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池内に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池内に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給機構と、前記酸化剤ガスを冷却媒体で冷却する冷却器とを含む酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記インピーダンス測定手段によって測定されたインピーダンスが所定の閾値に到達するか、又は、冷却媒体の温度が所定の閾値に到達するかのいずれかが先に到来したときに、前記燃料電池の出力電流を上昇させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項５記載の制御方法において、前記インピーダンスが所定の閾値に到達したときには該インピーダンスが高い程前記出力電流を大きく上昇させ、前記冷却媒体の温度が所定の閾値に到達したときには該冷却媒体の温度が高い程前記出力電流を大きく上昇させることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御方法において、前記出力電流によって蓄電池を充電するとともに、前記蓄電池が満容量となったときには前記蓄電池に対する充電を終了することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の制御方法において、前記酸化剤ガス供給機構は、前記燃料電池のアイドル発電時に前記酸化剤ガスを最低供給流量で供給するものであり、前記出力電流を上昇させるときに前記最低供給流量を維持することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

Images