JP2018073621A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの劣化が進行したり水素欠状態を誤検知することを防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に給排出される燃料ガスが通るガス流路と、ガス流路における燃料ガスの水素濃度に相関する電気抵抗値を検出するセンサ７０と、センサ７０により検出された電気抵抗値に基づいて、その電気抵抗値と閾値を比較することにより水素欠状態を判定する制御装置１３と、を有する。閾値Ｄは、燃料電池スタック１０の高負荷運転領域と低負荷運転領域とで異なる値であり、高負荷運転領域における閾値Ｄが低負荷運転領域と比較して低く設定されている。【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

いわゆる燃料電池車両には、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池システムが搭載されている。燃料電池システムは、燃料電池スタックを有し、この燃料電池スタックにおいて発電が行われている。

燃料電池スタックの発電は、燃料電池スタックの燃料ガスの主成分である水素ガスの濃度が低下する（水素欠状態となる）と、発電出力が低下する。この水素欠状態を検出するため、燃料電池システムには、水素濃度を検出するセンサが設けられている。水素濃度を検出するセンサとして、水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加する素子が用いられている（特許文献１、２、３参照）。

そして、上記水素欠状態は、センサの抵抗値が一定の基準閾値より大きいか否かで判断している（特許文献１参照）。

特開２０１２−２１２６６５号公報 特開２０１２−２５２９８６号公報 特開２００６−２６９３３７号公報

ところで、近年の燃料ガス等のガス流路のファインピッチ化や薄膜化による出力密度の向上により、燃料電池スタックの高負荷（高出力）の運転領域まで、燃料電池スタックの使用範囲が拡大している。図４に示すように発電電流が大きい高負荷の運転領域では、水素欠状態となるセンサの抵抗値が小さくなるため、従来の発電電流が小さい低負荷運転時を基準に設定した閾値（比較的大きい値の閾値）では、センサの抵抗値が簡単には閾値を超えなくなり、燃料電池スタックが水素欠状態に曝される時間が長くなり燃料電池スタックの構成要素である電極や電解質膜等の様々な構成要素の劣化が進んでしまう。一方、高負荷運転時を基準に閾値（比較的小さい値）を設定すると、発電電流の小さい低負荷の運転領域では、水素欠ではない状態（通常の状態）であったとしても、閾値を超える可能性が高く、水素欠状態を誤検知する可能性がある。

本出願はかかる点に鑑みてなされたものであり、水素濃度の低下に伴って電気抵抗が増加するセンサを用いて水素欠状態を判定する場合において、燃料電池スタックの劣化が進行したり水素欠状態を誤検知することを防止できる燃料電池システムを提供することをその目的の一つとする。

本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックに給排出される燃料ガスが通るガス流路と、前記ガス流路における燃料ガスの水素濃度に相関する電気抵抗値を検出するセンサと、前記センサにより検出された電気抵抗値に基づいて、該電気抵抗値と閾値を比較することにより水素欠状態を判定する水素欠状態判定装置と、を有し、前記閾値は、燃料電池スタックの高負荷運転領域と低負荷運転領域とで異なる値であり、高負荷運転領域における閾値が低負荷運転領域と比較して低く設定されている。

本態様によれば、燃料電池スタックの運転領域に応じてセンサの閾値を変動させるので、燃料電池スタックの劣化が進行したり水素欠状態を誤検知することを防止できる。

本発明によれば、燃料電池スタックの劣化が進行したり水素欠状態を誤検知することを防止できる燃料電池システムを提供することができる。

燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。 単セルの構造を示す断面図である。 水素欠状態を検出するセンサの閾値の一例を示すグラフである。 水素欠状態及び通常状態におけるセンサの抵抗値と負荷との関係を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１の構成の概略を示す模式図である。燃料電池システム１は、燃料電池車両などの移動体等の発電システムに適用される。

燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池スタック１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２と、水素欠状態判定装置としての制御装置１３等を備えている。

燃料電池スタック１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単セル５０を複数積層した構造を有している。燃料電池スタック１０の構造の詳細は後述する。

酸化ガス配管系１１は、例えば加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池スタック１０に供給するガス供給流路２１と、燃料電池スタック１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送りその後外部に排出するガス排出流路２２を備えている。ガス供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２３等が設けられている。

水素ガス配管系１２は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するためのガス供給流路３１と、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

ガス供給流路３１には、例えば水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池スタック１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池スタック１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。

循環流路３２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。

燃料電池スタック１０は、積層された複数の単セル５０を有している。複数の単セル５０の積層方向Ｘの両側には、例えば集電板５１、絶縁板５２及びエンドプレート５３が内側から外側に向けてこの順番で設けられている。

燃料電池スタック１０には、各単セル５０を積層方向に貫通する水素ガス供給マニホールド６０と、水素ガス排出マニホールド６１が設けられている。水素ガス供給マニホールド６０は、ガス供給流路３１に接続されており、ガス供給流路３１の水素ガスを各単セル５０に供給する。水素ガス排出マニホールド６１は、循環流路３２に接続されており、各単セル５０から排出された水素オフガスを集めて循環流路３２に排出する。また、燃料電池スタック１０には、ガス供給流路２１の酸化ガスを各単セル５０に供給するための図示しない酸化ガス供給マニホールドと、各単セル５０から排出された酸化オフガスを集めてガス排出流路２２に排出するための図示しない酸化ガス排出マニホールドが設けられている。

図２に示すように単セル５０は、ＭＥＡ（膜―電極アッセンブリ）７０及び一対のセパレータ７１Ａ、７１Ｂを備えている。ＭＥＡ７０は、イオン交換膜からなる電解質膜８０と、電解質膜８０を挟んだアノード電極８１及びカソード電極８２とで構成されている。アノード電極８１には、セパレータ７１Ａの水素ガスが流れるアノード流路８３が面し、カソード電極８２には、セパレータ７１Ｂの酸化ガスが流れるカソード流路８４が面している。また、隣り合う単セル５０のセパレータ７１Ａ、７１Ｂの間には、冷媒流路８５が形成されている。例えば単セル５０には、セル５０の発電電圧を検出する電圧計８６が設けられている。電圧計８６により検出された発電電圧は、制御装置１３に出力される。なお、本実施の形態において、「燃料ガスが通るガス流路」には、ガス供給流路３１、循環流路３２、水素ガス供給マニホールド６０、水素ガス排出マニホールド６１、アノード流路８３が含まれる。

図１に示すように例えば水素ガス排出マニホールド６１には、水素ガスの水素濃度を検出するセンサ７０が設けられている。センサ７０には、プロトン（Ｈ⁺）の受容により電気抵抗が低下する特性を有する素子が用いられる。センサ７０は、水素ガス排出マニホールド６１の水素ガスに曝された部分の電気抵抗を検出することで、水素ガス排出マニホールド６１における水素濃度を検出できる。センサ７０により検出された電気抵抗値は、制御装置１３に出力される。
なお、センサ７０は燃料電池スタックの電気抵抗が検出できる位置に任意に設けられる。

制御装置１３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を総合的に制御する。具体的には、制御装置１３は、自動車の回転数検知センサやアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池スタック１０の出力要求電力を算出する。そして、制御装置１３は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように、酸化ガス配管系１１及び水素ガス配管系１２のエアコンプレッサ２３や水素ポンプ３７などを制御し、燃料電池スタック１０の出力電圧及び出力電流を制御する。

制御装置１３は、センサ７０により検出された電気抵抗値に基づいて、その電気抵抗値と閾値を比較することにより水素欠状態を判定する。図３に示すように閾値Ｄは、燃料電池スタック１０の運転領域によって変動し、高負荷運転領域では低く、低負荷運転領域では高くなる曲線状に設定されている。

センサ７０の電気抵抗値の閾値Ｄは、例えば次式（１）のように設定されている。
閾値Ｄ＝Ａ÷（負荷Ｘ）×Ｂ・・・（１）
Ａ：燃料電池スタック１０の運転領域の最大負荷（定数）
Ｂ：最大負荷時の水素欠状態の抵抗値（定数）
なお、最大負荷Ａや、水素欠状態の抵抗値Ｂは、実験や計算等により求めることができる。

制御装置１３は、例えば電圧計８６から出力された燃料電池スタック１０の発電電圧に基づいて燃料電池スタック１０の負荷（電流）を算出し、式（１）によりその負荷時の閾値Ｄを算出する。そして、制御装置１３は、センサ７０により出力された電気抵抗値が、その閾値Ｄを超えている場合には、水素欠状態と判定し、閾値Ｄ以下の場合には、水素欠状態でない（通常状態）と判定する。例えば制御装置１３は、水素欠状態と判定した場合には、例えば燃料電池スタック１０への水素ガスの供給量を増加させて、水素欠状態を解消する。

本実施の形態によれば、燃料電池システム１が、水素ガス排出マニホールド６１における燃料ガスの水素濃度に相関する電気抵抗値を検出するセンサ７０と、センサ７０により検出した電気抵抗値に基づいて、その電気抵抗値と閾値Ｄを比較することにより水素欠状態を判定する制御装置１３と、を有し、電気抵抗値の閾値Ｄが、燃料電池スタック１０の運転領域によって変動し、高負荷運転領域では低く、低負荷運転領域では高くなるように設定されている。この結果、高負荷運転の場合に、水素欠状態になったら直ちにその水素欠状態を検出できる。また低負荷運転においては、通常状態時にわずかに上がる抵抗値により水素欠状態が誤検知されることがなくなる。よって、本実施の形態によれば、閾値が一定の場合のように燃料電池スタック１０の劣化が進行したり水素欠状態を誤検知することを防止できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば上記実施の形態において、センサ７０は、水素ガス排出マニホールド６１に設けられていたが、ガス流路の燃料ガスの水素濃度を検出できれば、単セル５０のアノード流路８３などの他のガス流路に設けられていてもよい。また、センサ７０の設置数についても任意に選択できる。電気抵抗値の閾値Ｄは、式（１）のように設定されていたが、燃料電池スタック１０の運転領域により変動し、高負荷運転領域では低く、低負荷運転領域では高くなるように設定されていれば、これに限られない。

燃料電池システム１の構成や燃料電池スタック１０の構成もこれに限られるものではない。電圧計８６により燃料電池スタック１０の運転領域を示す負荷を把握していたが他の手段により把握してもよい。

本発明は、燃料電池スタック燃料電池スタックの劣化が進行したり水素欠状態を誤検知することを防止する際に有用である。

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池スタック
１３ 制御装置
５０ 単セル
６１ 水素ガス排出マニホールド
７０ センサ
Ｄ 閾値

Claims (1)

1. 燃料電池スタックと、
   燃料電池スタックに給排出される燃料ガスが通るガス流路と、
   前記ガス流路における燃料ガスの水素濃度に相関する電気抵抗値を検出するセンサと、
   前記センサにより検出された電気抵抗値に基づいて、該電気抵抗値と閾値を比較することにより水素欠状態を判定する水素欠状態判定装置と、を有し、
   前記閾値は、燃料電池スタックの高負荷運転領域と低負荷運転領域とで異なる値であり、高負荷運転領域における閾値が低負荷運転領域と比較して低く設定されている、燃料電池システム。

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