JP2017183027A - 燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力が過度に増大するのを防止しつつ、燃料電池の乾燥を抑制する。
【解決手段】燃料電池の制御方法は、第１アノードポンプ回転数と第１カソードポンプ回転数と第１カソード背圧とを含む通常運転条件で通常運転を実行しているときに、燃料電池のインピーダンス又はその上昇率を測定する工程と、インピーダンス又はその上昇率が予め定められた閾値以上となった場合に、第１アノードポンプ回転数よりも高い第２アノードポンプ回転数と、第１カソード背圧よりも高い第２カソード背圧とを含む湿潤運転条件で湿潤運転を実行する工程と、を備え、湿潤運転条件として、第２アノードポンプ回転数及び第２カソード背圧の組み合わせとして採用し得る第１の組み合わせと第２の組み合わせのうち、消費電力のより低い組み合わせを選択する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池の制御方法に関するものである。

一般に、燃料電池は、複数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。動力源として車両に搭載されている燃料電池は、例えば車両が登坂走行や高速走行などの高負荷走行時に、セルスタックの温度（スタック温度）が上昇すると、セルスタックが乾燥してしまう。特許文献１には、スタック温度を用いて燃料電池のカソードガスの背圧を調整することで、セルスタックの乾燥を抑制する燃料電池の制御方法が記載されている。

特開２０１５−１７９６２０号公報

しかしながら、セルスタックの乾燥を抑制すると、そのための消費電力が増大してしまい、燃料電池の効率が悪化するという問題があった。

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、燃料電池の制御方法が提供される。この燃料電池の制御方法は、第１アノードポンプ回転数と第１カソードポンプ回転数と第１カソード背圧とを含む通常運転条件で通常運転を実行しているときに、前記燃料電池のインピーダンス又はその上昇率を測定する工程と、前記インピーダンス又はその上昇率が予め定められた閾値以上となった場合に、前記第１アノードポンプ回転数よりも高い第２アノードポンプ回転数と、前記第１カソード背圧よりも高い第２カソード背圧とを含む湿潤運転条件で湿潤運転を実行する工程とを備える。前記湿潤運転条件として、前記第２アノードポンプ回転数及び前記第２カソード背圧の組み合わせとして採用し得る第１の組み合わせと第２の組み合わせのうち、消費電力のより低い組み合わせを選択する。

この形態の燃料電池の制御方法によれば、燃料電池のセルスタックが乾燥している際、消費電力のより低い湿潤条件で湿潤運転を実施することで、消費電力が過度に増大するのを防止しつつ、セルスタックの乾燥を抑制することができる。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。

本発明の第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。 第１実施形態における燃料電池の制御方法を説明するためのフローチャートである。 燃料電池のインピーダンスとアノードポンプの回転数およびカソード背圧との関係を示す説明図である。 燃料電池におけるアノードポンプの回転数およびカソード背圧と消費電力との関係を示す説明図である。 第２実施形態における燃料電池の制御方法を説明するためのフローチャートである。

・第１実施形態：
図１は、車両に搭載される燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池ＦＣと、酸化剤ガス供給排出系１００と、燃料ガス供給系２００と、冷却系５００と、インピーダンスセンサ６００と、制御装置７００と、を備える。本実施形態では、一例として燃料電池車両に適用する燃料電池システムについて説明する。燃料電池車両は、燃料電池ＦＣにより発電した電気によりモータを駆動し、走行する。但し、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池車両用途に限定されるものではなく、他の用途に適用することもできる。

燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質型燃料電池であり、複数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。各単セルは、高分子電解質膜が一対の電極に挟持されて構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、それを両側から挟む一対のセパレータとを有している。燃料電池は、カソード側のセパレータを介して供給された空気中の酸素ガス（カソードガス）と、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガス（アノードガス）との酸化還元反応により発電する。具体的には、アノード電極では、式（１）の酸化反応が生じており、カソード電極では、式（２）の還元反応が生じている。そして、燃料電池ＦＣ全体として、式（３）の化学反応が生じている。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ ・・・（３）

酸化剤ガス供給排出系１００は、酸化剤ガス供給管１１０と酸化剤ガス排出管１２０とを備えている。酸化剤ガス供給管１１０は、酸化剤ガス（カソードガス）である空気中の酸素ガスを燃料電池に供給するための配管である。酸化剤ガス供給管１１０上には、エアコンプレッサ（カソードポンプ）ＡＣＰとガス流量センサ１５０とが設けられている。エアコンプレッサＡＣＰは、システム外から取り込んだ空気を駆動し、燃料電池ＦＣへ送出する。ガス流量センサ１５０は、酸化剤ガスの流量を測定する。酸化剤ガス排出管１２０は、燃料電池ＦＣから反応後の酸化剤ガスを排出するための配管である。酸化剤ガス排出管１２０上には、圧力センサ１３０と調圧弁１４０とが設けられている。調圧弁１４０は、燃料電池ＦＣにおけるカソード背圧を調整する。圧力センサ１３０は、燃料電池ＦＣの酸化剤ガス排出口と調圧弁１４０との間に設けられており、カソード背圧を測定する。

ここで、燃料電池ＦＣから排出される反応後の酸化剤ガスには、式（２）に示されるように生成水が含まれる。この生成水は酸化剤ガス排出管１２０中に水蒸気として存在するため、カソード背圧が増加すると、水蒸気の分圧が増加し、水蒸気の蒸発量が減少する。すなわち、調圧弁１４０を調整してカソード背圧を増加すれば、燃料電池ＦＣのセルスタックの乾燥を抑制できる。なお、カソード背圧を増加する際に、酸化剤ガスの流量を一定に維持するために、エアコンプレッサＡＣＰの回転数を増加することが好ましい。

燃料ガス供給系２００は、燃料ガスタンク２１０と、燃料ガス供給管２２０と、燃料ガス還流管２３０と、主止弁２５０と、調圧弁２６０と、圧力センサ２７０と、アノードポンプＨＰと、を備えている。燃料ガスタンク２１０は、例えば燃料ガス（アノードガス）である高圧の水素ガスを貯蔵している。燃料ガスタンク２１０と、燃料電池ＦＣとは、燃料ガス供給管２２０で接続されている。燃料ガス供給管２２０上には、燃料ガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、調圧弁２６０とが設けられている。主止弁２５０は、燃料ガスタンク２１０からの燃料ガスの供給をオン、オフする。調圧弁２６０は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの圧力を調整する。圧力センサ２７０は、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの圧力を測定する。燃料ガス還流管２３０は、燃料電池ＦＣに消費されなかった燃料ガスを燃料ガス供給管２２０へ戻すための配管である。燃料ガス還流管２３０上に設けられたアノードポンプＨＰは、燃料電池ＦＣから排出された燃料ガスを駆動し、燃料ガス供給管２２０へ送出する。アノードポンプＨＰとしては、例えば、可変エゼクタやロータリーポンプ等の各種のポンプを使用することができる。

ここで、燃料電池ＦＣから排出された燃料ガスには、燃料電池ＦＣの発電によって生成した生成水による水蒸気が含まれている。この水蒸気又は液水は、燃料ガスとともにアノードポンプＨＰによって燃料ガス供給管２２０へ戻されて再び燃料電池ＦＣに供給される。従って、アノードポンプＨＰの回転数が増加すると、燃料電池に供給される水分が増加し、燃料電池ＦＣのセルスタックの乾燥を抑制できる。

冷却系５００は、冷却水供給管５１０と、冷却水排出管５１５と、ラジエータ管５２０と、冷却水ポンプ５２５と、バイパス管５４０と、三方弁５４５と、ラジエータ５３０と、を備える。冷却水供給管５１０は、燃料電池ＦＣに冷却水を供給するための配管であり、冷却水供給管５１０上に設けられた冷却水ポンプ５２５によって冷却水が駆動される。冷却水排出管５１５は、燃料電池ＦＣから冷却水を排出するための配管である。冷却水排出管５１５の下流部は、三方弁５４５を介して、ラジエータ管５２０と、バイパス管５４０と、に接続されている。ラジエータ管５２０には、ラジエータ５３０が設けられている。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に風を送り、ラジエータ５３０からの放熱を促進する。ラジエータ管５２０の下流部と、バイパス管５４０の下流部とは、冷却水供給管５１０に接続されている。

インピーダンスセンサ６００は、燃料電池ＦＣに取り付けられており、例えば交流インピーダンス法を用いて燃料電池ＦＣのインピーダンスを測定する。例えば、特開２００９−２５２７０６によれば、印加する電流の周波数が大きい場合（ω＝∞）、インピーダンスとして電解質膜抵抗を取得でき、印加する電流の周波数が小さい場合（ω＝０）インピーダンスとして電解質膜抵抗と電気化学反応による反応抵抗との和を取得できる。燃料電池ＦＣのインピーダンスは、特開２００９−２５２７０６に示されているように、燃料電池ＦＣの電解質膜（図示せず）の水分量（湿潤状態）に依存する。すなわち、インピーダンスが小さい場合には、電解質膜が十分に湿潤しており、インピーダンスが一定の閾値以上である場合には、電解質膜が乾燥している恐れがある。また、インピーダンスセンサ６００は、燃料電池ＦＣのインピーダンスの上昇率を測定することも可能であり、インピーダンスの上昇率が一定の閾値以上である場合には、電解質膜の乾燥度が上昇する恐れがある。

制御装置７００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成され、燃料電池システム１０内の各種機器の動作を制御する。制御装置７００は、インピーダンスセンサ６００によって測定された燃料電池ＦＣのインピーダンスまたはその上昇率を判定し、以下のようにアノードポンプＨＰとエアコンプレッサＡＣＰと調圧弁１４０との動作を制御する。

図２は、第１実施形態における燃料電池システム１０の制御方法を説明するためのフローチャートである。スタート時点では、燃料電池ＦＣは通常運転をしている。「通常運転」とは、燃料電池ＦＣは乾燥しておらず、運転良好の状態を意味する。ここで、スタート時点の通常運転条件は、アノードポンプＨＰの回転数が１０００ｒｐｍ（第１アノードポンプ回転数）であり、カソード背圧が１００ｋｐａ（第１カソード背圧）であり、エアコンプレッサＡＣＰの回転数がカソードガス流量を一定に維持するために第１カソード背圧に応じた値（第１カソードポンプ回転数）であるものと仮定する。この際、インピーダンスセンサ６００は、燃料電池ＦＣのインピーダンスまたはその上昇率を測定する。

ステップＳ１００において、制御装置７００は、燃料電池ＦＣのインピーダンスまたはその上昇率が予め定められた閾値以上になったか否かを判定する。ここの「閾値」は、燃料電池ＦＣが過度の乾燥状態になる寸前の閾値であり、この閾値を超えると、燃料電池ＦＣのセルスタックが過度に乾燥してしまう値として予め設定される。燃料電池ＦＣのインピーダンスまたはその上昇率が予め定められた閾値以上になっていない場合は、燃料電池ＦＣは通常運転を続ける。一方、燃料電池ＦＣのインピーダンスまたはその上昇率が予め定められた閾値以上になった場合は、燃料電池ＦＣの湿潤運転を実行する必要がある。この際、まず、ステップＳ１１０において、制御装置７００は燃料電池ＦＣの効率を重視するか否かを判定する。

効率重視する場合は、ステップＳ１２０において、制御装置７００はアノードポンプＨＰの回転数として効率重視用の第２アノードポンプ回転数（例えば４５００ｒｐｍ）を選択し、カソード背圧としてこれに応じた第２カソード背圧（例えば１３０ｋｐａ）を選択する。一方、効率重視しない場合は、ステップＳ１３０において、アノードポンプＨＰの回転数として効率非重視用の第２アノードポンプ回転数（例えば２０００ｒｐｍ）を選択し、カソード背圧としてこれに応じた第２カソード背圧（例えば１４４ｋｐａ）を選択する。なお、効率重視の場合には、アノードポンプＨＰの回転数が極めて高いため、アノードポンプＨＰの寿命を考慮すると、常に効率重視を選択するのは好ましくない。この意味では、効率重視と効率非重視を予め定めた割合で選択することが好ましい。ここで、ステップＳ１２０又はステップＳ１３０で選択される第２アノードポンプ回転数および第２カソード背圧は、スタート時点における第１アノードポンプ回転数および第１カソード背圧よりもいずれも高い値である。ステップＳ１４０では、制御装置７００は、カソード背圧の増加に応じて、通常運転時のカソードガス流量を維持するようにエアコンプレッサＡＣＰの回転数と調圧弁１４０の開度とを設定する。

ステップＳ１５０では、ステップＳ１２０〜Ｓ１４０で選択された設定値を用いて、アノードポンプＨＰとエアコンプレッサＡＣＰと調圧弁１４０とをそれぞれ駆動する。燃料電池ＦＣがこの湿潤運転を実行すると、燃料電池ＦＣのインピーダンスが降下する。ステップＳ１６０において、制御装置７００はインピーダンスが予め定められた閾値以下となってから所定時間を経過したか否かを判定する。インピーダンスが予め定められた閾値以下となってから所定時間を経過していない場合は、制御装置７００はアノードポンプＨＰとエアコンプレッサＡＣＰと調圧弁１４０それぞれの駆動を維持し、燃料電池ＦＣは湿潤運転を続ける。一方、インピーダンスが予め定められた閾値以下となってから所定時間を経過した場合は、制御装置７００は湿潤運転の制御を終了し、燃料電池ＦＣは通常運転に戻る。

図３は、湿潤運転の際、燃料電池ＦＣのインピーダンスとアノードポンプＨＰの回転数およびカソード背圧との関係を示す説明図である。ここで、燃料電池ＦＣは、温度が８０℃、電流が５０Ａで発電しており、湿潤運転を行う場合を想定している。湿潤運転条件として、第１の組み合わせはアノードポンプ回転数４５００ｒｐｍおよびカソード背圧１３０ｋｐａであり、第２の組み合わせはアノードポンプ回転数２０００ｒｐｍおよびカソード背圧１４４ｋｐａである。また、実線はアノードポンプ回転数を４５００ｒｐｍ一定とし、カソード背圧を変えたときのインピーダンスの変化を示す。図３に示すように、燃料電池ＦＣのインピーダンスはカソード背圧の増加につれて減少するが、第１の組み合わせ（４５００ｒｐｍ，１３０ｋｐａ）と第２の組み合わせ（２０００ｒｐｍ，１４４ｋｐａ）において、燃料電池ＦＣのインピーダンスは同様であり、燃料電池ＦＣを同様の湿潤状態にすることができる。

図４は、燃料電池ＦＣにおけるアノードポンプＨＰの回転数およびカソード背圧と消費電力との関係を示す説明図である。図４に示すように、燃料電池ＦＣの湿潤運転条件として、第１の組み合わせ（４５００ｒｐｍ，１３０ｋｐａ）は、第２の組み合わせ（２０００ｒｐｍ，１４４ｋｐａ）よりも消費電力が１６％低く、燃料電池ＦＣの効率がよい。このため、本実施形態では、燃料電池ＦＣの湿潤運転を実行する際、湿潤運転条件の第２の組み合わせよりも第１の組み合わせを選択することが好ましい。

以上のように、燃料電池ＦＣのセルスタックが乾燥している際、アノードポンプＨＰの回転数を４５００ｒｐｍに増加するとともに、カソード背圧を１３０ｋｐａに増加することで、消費電力が過度に増大するのを防止しつつ、セルスタックの乾燥を抑制することができる。

なお、湿潤運転条件の２つの組み合わせの数値は例示であり、これ以外の様々な数値を採用してもよい。また、湿潤運転条件は、その直前の通常運転における通常運転条件に応じて変更するようにしてもよい。

・第２実施形態：
図５は、第２実施形態における燃料電池システム１０の制御方法を説明するためのフローチャートである。図２に示した第１実施形態との違いは、ステップＳ１６０の後にステップＳ１７０〜Ｓ２１０を加えた点であり、これ以外の構成は第１実施形態と同様である。なお、ステップＳ１００〜Ｓ１６０は第１実施形態と同じなので図示を簡略化している。

第２実施形態では、ステップＳ１６０において、インピーダンスが予め定められた閾値以下となってから所定時間（第１所定時間）を経過した場合は、制御装置７００は湿潤運転の制御を終了し、燃料電池ＦＣは通常運転に戻る。一方、インピーダンスが予め定められた閾値以下となってから所定時間を経過していない場合は、ステップ１７０において、制御装置７００は、ステップＳ１５０における湿潤運転の開始から所定時間（第２所定時間）を経過したか否かを判定する。なお、ステップＳ１７０で用いられる所定時間は、ステップＳ１６０で用いられる所定時間と同じでもよく、異なってもよい。

ステップＳ１７０において、ステップＳ１５０から所定時間を経過していない場合は、制御装置７００はアノードポンプＨＰとエアコンプレッサＡＣＰと調圧弁１４０それぞれの駆動を維持する。一方、ステップＳ１５０から所定時間を経過した場合は、ステップＳ１８０において、制御装置７００は、更に湿潤度の高い運転条件としてのアノードポンプ回転数（例えば４５００ｒｐｍ）とカソード背圧（例えば１４４ｋｐａ）を選択する（高湿潤条件）。ここで、ステップＳ１５０から所定時間を経過した場合は、ステップＳ１５０における湿潤運転を開始して所定時間を経過しても、燃料電池ＦＣのインピーダンスが予め定められた閾値以下にならず、燃料電池ＦＣが十分な湿潤状態に至っていない。この場合、更に湿潤度の高い運転条件としてのアノードポンプ回転数及びカソード背圧を選択することによって、インピーダンスを素早く閾値以下にすることができ、燃料電池ＦＣを迅速に湿潤状態にすることができる。

なお、ステップＳ１８０は、図２のステップＳ１２０又はステップＳ１３０で選択された運転条件に従って所定時間（第２所定時間）運転しても十分に湿潤状態に至らなかった場合に実行されるので、ステップＳ１８０では、それ以前にステップＳ１２０又はステップＳ１３０で選択された運転条件よりも更に湿潤度の高い運転条件が選択される。すなわち、ステップＳ１８０で選択されるアノードポンプ回転数とカソード背圧は、そのうちの一方がステップＳ１２０又はステップＳ１３０で選択された値よりも高く、他方がステップＳ１２０又はステップＳ１３０で選択された値以上の値に設定される。例えば、ステップＳ１８０の前にステップＳ１２０を実行していた場合には、ステップＳ１８０では、アノードポンプ回転数をステップＳ１２０における第２アノードポンプ回転数（４５００ｒｐｍ）よりも高い値（例えば４６００ｒｐｍ）に設定し、カソード背圧をステップＳ１２０における第２カソード背圧（１３０ｋｐａ）と同一値に設定してもよい。あるいは、ステップＳ１８０では、アノードポンプ回転数をステップＳ１２０における第２アノードポンプ回転数（４５００ｒｐｍ）と同一値に設定し、カソード背圧をステップＳ１２０における第２カソード背圧（１３０ｋｐａ）よりも高い値（例えば１４０ｋｐａ）に設定してもよい。ステップＳ１８０の前にステップＳ１３０を実行していた場合も同様である。なお、ステップＳ１８０で選択されるアノードポンプ回転数およびカソード背圧は、ステップＳ１２０およびＳ１３０における第２アノードポンプ回転数の最高値（４５００ｒｐｍ）以上の値、および、第２カソード背圧の最高値（１４４ｋｐａ）以上の値とすることが更に好ましい。

ステップＳ１９０では、制御装置７００は、ステップＳ１８０で設定された運転条件に応じて、通常運転時のカソードガス流量を維持するようにエアコンプレッサＡＣＰの回転数と調圧弁１４０の開度とを設定する。ステップＳ２００では、ステップＳ１８０，Ｓ１９０で選択された設定値を用いて、アノードポンプＨＰとエアコンプレッサＡＣＰと調圧弁１４０とをそれぞれ駆動する。この後のステップＳ２１０は、第１実施形態におけるステップＳ１６０と同様である。なお、ステップＳ１８０において、高湿潤運転条件の最終目標値を一回で設定する代わりに、ステップＳ１８０〜Ｓ２００を複数回繰り返し実行するとともにステップＳ１８０を実行する度に運転条件の湿潤度を少しずつ上昇させるようにしてもよい。例えば、最終的な高湿潤運転条件のアノードポンプ回転数が４５００ｒｐｍで、カソード背圧が１４４ｋｐａのとき、ステップＳ１８０の前にステップＳ１２０で４５００ｒｐｍ，１３０ｋｐａを選択していた場合は、ステップＳ１８０においてカソード背圧を一定幅（例えば２ｋｐａ）だけ上昇させてステップＳ１９０，Ｓ２００を実行してもよい。そして、ステップＳ２００の後にステップＳ１８０に戻り、ステップＳ１８０を実行する度にカソード背圧を目標圧力（１４４ｋｐａ）まで徐々に上昇させるようにしてもよい。

本発明は、上述の実施形態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。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム
１００…酸化剤ガス供給排出系
１１０…酸化剤ガス供給管
１２０…酸化剤ガス排出管
１３０…圧力センサ
１４０…調圧弁
１５０…ガス流量センサ
２００…燃料ガス供給系
２１０…燃料ガスタンク
２２０…燃料ガス供給管
２３０…燃料ガス還流管
２５０…主止弁
２６０…調圧弁
２７０…圧力センサ
５００…冷却系
５１０…冷却水供給管
５１５…冷却水排出管
５２０…ラジエータ管
５２５…冷却水ポンプ
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５４０…バイパス管
５４５…三方弁
６００…インピーダンスセンサ
７００…制御装置
ＡＣＰ…エアコンプレッサ
ＦＣ…燃料電池
ＨＰ…アノードポンプ

Claims (1)

1. アノードガスを駆動するアノードポンプと、カソードガスを駆動するカソードポンプと、カソード背圧を調整する調圧弁と、燃料電池のインピーダンスまたはその上昇率を測定するインピーダンスセンサと、前記インピーダンスセンサの測定値を用いて前記アノードポンプと前記カソードポンプと前記調圧弁との動作を制御する制御装置と、を備える燃料電池の制御方法であって、
   第１アノードポンプ回転数と第１カソードポンプ回転数と第１カソード背圧とを含む通常運転条件で通常運転を実行しているときに、前記燃料電池のインピーダンス又はその上昇率を測定する工程と、
   前記インピーダンス又はその上昇率が予め定められた閾値以上となった場合に、前記第１アノードポンプ回転数よりも高い第２アノードポンプ回転数と、前記第１カソード背圧よりも高い第２カソード背圧とを含む湿潤運転条件で湿潤運転を実行する工程と、
   を備え、
   前記湿潤運転条件として、前記第２アノードポンプ回転数及び前記第２カソード背圧の組み合わせとして採用し得る第１の組み合わせと第２の組み合わせのうち、消費電力のより低い組み合わせを選択する、
   燃料電池の制御方法。

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