JP2018500728A - 燃料電池を制御する方法および関連する燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は燃料電池の制御方法に関する。該方法は、燃料電池のアノードからの第１室および前記カソード室の流体圧力を測定する段階と、燃料電池の第２室の流体圧力に対する第１の目標圧力を計算する段階であって、該第１の目標圧力が第１室において測定された流体圧力に依存する、計算する段階と、第２室の流体圧力を測定する段階と、第１室において測定された流体圧力に対する第２の目標圧力を計算する段階であって、該第２の目標圧力が第２室において測定された流体圧力に依存する、計算する段階と、第１室の流体圧力を第２の目標圧力で安定化する段階と、を含む。

Description

本発明は、燃料電池を制御する方法に関するものであり、該燃料電池は燃料電池のカソード室に流れる酸化流体と燃料電池のアノード室に流れる還元流体の反応によって電流を発生させる少なくとも１つの電気化学セルを備え、該方法は、
アノード室およびカソード室からの第１室の流体圧力を測定する段階と、
第２室の流体圧力に対する第１の目標圧力を計算する段階であって、前記第１の目標圧力が第１室において測定された流体圧力に依存する、計算する段階と、
第２室の流体圧力を第１の目標圧力で安定化する段階と、を含むものである。

本発明はさらに燃料電池システムに関するものであり、
カソード室と、
アノード室と、
カソード室に流れる酸化流体とアノード室に流れる還元流体の反応によって電流を発生させる少なくとも１つの電気化学セルと、
アノード室およびカソード室からの第１室の流体圧力を測定する第１の圧力センサと、
第２室の流体圧力を調節する第１の圧力調節器と、
第１のセンサによって測定された圧力から第１の目標圧力を計算する第１の計算モジュールと、
第２室の流体圧力を第１の目標圧力で安定化するのに適した第１の調節器の第１の制御法則を生成する第１の生成モジュールと、
を含む制御モジュールと、
第２室の流体圧力を測定する第２の圧力センサと、
第１室の流体圧力を調節する第２の圧力調節器と、
を備える燃料電池システムに関する。

電気化学セルは、酸化流体と還元流体との間の酸化還元反応を通して電気を生成することができることが知られている。特に、燃料電池は、水素を含む燃料と酸素を含む酸化剤との間の酸化還元反応を通して電気を生成することができることが知られている。燃料はセルのアノード管へと注入され、酸化剤はカソード管へと注入され、電解質層は、これらの２つの管の間にシーリングをもたらす一方でイオン交換は可能にする。これらのイオン交換に起因して、燃料に含まれる水素が酸化剤に含まれる酸素と反応して水を生成し、一方ではアノードで電子を発生させる。セルを作動している間、電解質の２つの側の間で電位差が生じ、この電位差を使用して電流を発生させることができる。

しかしながら、燃料電池内に形成される電位差はおよそ０．６から１．０Ｖと依然として小さい。結果として、使用可能な出力電圧を得るためには、多くの場合、セルを積層し、互いに電気的に接続している。電気化学セルのアノード管は、互いに流体連結されて燃料電池のアノード室を形成し、電化化学セルのカソード管は互いに流体連結されて燃料電池のカソード室を形成する。

セルの電解質層の損傷を防止するために、アノード室とカソード室との間の圧力差を制限する必要がある。そのために、アノード室およびカソード室の一方における流体圧力は、例えば拡張器を使用して、他方の室の流体圧力に基づいて制御される。

特許文献ＷＯ２０１１／０８３５０２には、セルの膜の破壊を防止するために、カソード室の流体圧力をアノード室の圧力に依存する圧力閾値よりも低い目標圧力に維持する燃料電池の制御方法が開示されている。

しかしながら、他方の室の流体圧力を制御するために基準として使用される室の流体圧力は、制御されずに自由に上昇する。この燃料電池の流体圧力の非制御の上昇は、燃料電池が破損するリスクを大きく上昇させるため、燃料電池を停止しなければならない。その結果、膜に繰り返し非制御の機械的応力がもたらされ、これは膜を損傷し得る。

国際公開第２０１１／０８３５０２号

本発明の１つの目的は、燃料電池の安全停止を制限する一方で、燃料電池の電気化学セルの電解質層の寿命を保証することである。

したがって、本発明は、前述のタイプの燃料電池を制御する方法に関するものであり、
第２室の流体圧力を測定する段階と、
第１室の流体圧力に対する第２の目標圧力を計算する段階であって、前記第２の目標圧力が第２室において測定された流体圧力に依存する、計算する段階と、
第１室の流体圧力を第２の目標圧力で安定化する段階と、をさらに含む方法に関する。

本発明の特定の実施形態によると、制御方法は、１つまたは複数の以下の特徴を単独でまたは任意の技術的に可能な組み合わせに従って有する。
‐各室の流体圧力を安定化する段階をバルブ、例えばソレノイドバルブを使用して実施する。
‐第１の目標圧力が、第１室において測定された流体圧力の合計に等しく第１の定数であり、第２の目標圧力が、第２室において測定された流体圧力の合計に等しく第２の定数である。
‐該制御方法が、
第２室の流体圧力と第１の目標圧力との間の第１の圧力差を算出する段階と、
第１の圧力差を第１の閾値と比較する段階と、
第１の圧力差が第１の閾値を超えた場合に、第２室の流体圧力の第１の目標圧力での安定化を停止し、かつ第１室の流体圧力の第２の目標圧力での安定化を開始する段階と、
を含む。
‐該制御方法が、
第１室の流体圧力と第２の目標圧力との間の第２の圧力差を算出する段階と、
第２の圧力差を第２の閾値と比較する段階と、
第２の圧力差が第２の閾値を超えた場合に、第１室の流体圧力の第２の目標圧力での安定化を停止し、かつ第２室の流体圧力の第１の目標圧力での安定化を開始する段階と、
を含む。

本発明はさらに前述のタイプの燃料電池システムに関するものであり、制御モジュールは、第２の圧力センサによって測定された圧力から第２の目標圧力を計算する第２の計算モジュールと、第１室の流体圧力を第２の目標圧力で安定化するのに適した第２の圧力調節器の第２の制御法則を生成する第２の生成モジュールと、をさらに備える。

本発明の特定の実施形態によると、該制御方法は、１つまたは複数の以下の特徴を単独でまたは任意の技術的に可能な組み合わせに従って有する。
‐圧力調節器の各々がバルブ、例えばソレノイドバルブである。
‐第１の目標圧力が第１のセンサによって測定された流体圧力の合計に等しく第１の定数であり、第２の目標圧力が第２のセンサによって測定された流体圧力の合計に等しく第２の定数である。
‐該制御モジュールが、
第２のセンサによって測定された流体圧力と第１の目標圧力との間の第１の圧力差を算出する第１の算出モジュールと、
第１の圧力差を第１の閾値と比較する第１の比較モジュールと、
第１の圧力差が第１の閾値を超えた場合に第１の生成モジュールを停止する第１の停止モジュールと、
第１の圧力差が第１の閾値を超えた場合に第２の生成モジュールを開始する第１の開始モジュールと、
を備える。
‐該制御モジュールが、
第１のセンサによって測定された流体圧力と第２の目標圧力との間の第２の圧力差を算出する第２の算出モジュールと、
第２の圧力差を第２の閾値と比較する第２の比較モジュールと、
第２の圧力差が第２の閾値を超えた場合に第２の生成モジュールを停止する第２の停止モジュールと、
第２の圧力差が第２の閾値を超えた場合に第１の生成モジュールを開始する第２の開始モジュールと、
を備える。

本発明のその他の特徴および利点は、単に実施例として提供され、添付の図面を参照してなされた以下の説明を読むことで明らかになるであろう。

本発明による燃料電池システムの図である。 図１の燃料電池のプロダクションシステムの電気化学セルの概略断面図である。

図１に示す燃料電池システム１０は、電気化学セル１５の積層体によって形成された燃料電池１２を備える。
燃料電池１２のセル１５を図２に示す。該セル１５は、アノード板１８とカソード板２２との間に挿入された膜‐電極アセンブリ１６を備える。
膜‐電極アセンブリ１６は、アノード２８ａとカソード２８ｂとの間に挟持されたイオン交換膜２６を備える。

膜２６は、アノード２８ａをカソード２８ｂから電気的に絶縁する。
膜２６は、荷電イオン、好ましくはカチオンのみを通過させるのに好適である。膜２６は、一般的に、プロトン交換膜であり、プロトンのみを通過させるのに好適である。膜２６は、典型的に、ポリマー材料で作製される。
アノード２８ａおよびカソード２８ｂの各々は、反応を促進するために、典型的に白金または白金合金から作製された触媒を含む。

アノード板１８は、還元ガスがそこに沿って流れてアノード２８ａと接触するためのアノードチャネル２０を画定する。そのため、板１８には、膜‐電極アセンブリ１６に面する板の面に配置され、かつ該膜‐電極アセンブリ１６によって閉鎖された少なくとも１つのチャネルが設けられる。アノード板１８は、導電材料、典型的にはグラファイトから形成される。使用される還元ガスは、二水素を含むガス、例えば純二水素である。

カソード板２２は、酸化ガスがそこに沿って流れてカソード２８ｂと接触するためのカソードチャネル２４を画定する。そのため、板２２には、膜‐電極アセンブリ１６に面する板の面に配置され、かつ該膜‐電極アセンブリ１６によって閉鎖された少なくとも１つのチャネルが設けられる。カソード板２２は、導電材料、典型的にはグラファイトから形成される。使用される酸化ガスは、酸素を含むガス、例えば純酸素、空気、または二酸素と窒素もしくは二酸化炭素などの中性ガスとの再構成混合物である。

膜２６は、酸化ガスおよび還元ガスを分離する。該膜は、セル１５のアノード板１８とカソード板２２との間に配置され、両者を互いに電気的に絶縁する。
アノード２８ａは、アノード板１８と電気的に接続している。カソード２８ｂは、カソード板２２と電気的に接続している。燃料電池を作動する間、アノード２８ａで還元ガスの酸化が起こり、電子及びプロトンが発生する。次いで、電子がセル１５のアノード板１８を通ってカソード２８ｂへ、または別のセルのカソードへと移動し、酸化ガスの還元に関与する。
したがって、セル１５は２つの電気端子を備え、負の電気端子はアノード板１８によって形成され、正の電気端子はカソード板２２によって形成される。

セル１５は、他の類似したセルと積層され、そこで各セルのアノード板１８は隣接するセルのカソード板２２と連結されている。こうして、アノード板１８およびカソード板２２は、１つのセルに流れる還元ガスから別のセルに流れる酸化ガスへの電子の移動を保証する。積層体の２つの隣接するセルのアノード板１８およびカソード板２２は、好ましくは一体であり、共にバイポーラ板を形成する。積層体の別々のセル１５のアノード管２０は、互いに流体連結されて積層体１２のアノード室（図示せず）を形成し、積層体の別々のセル１５のカソード管２４は、互いに流体連結されて積層体１２のカソード室（図示せず）を形成する。

燃料電池システム１０はまた、アノード室に還元流体を供給する第１の供給管３０と、カソード室に酸化流体を供給する第２の供給管３２と、アノード室の流体圧力を測定する第１の圧力センサ３４と、カソード室の流体圧力を測定する第２の圧力センサ３６と、カソード室の流体圧力を調節する第１の圧力調節器３８と、アノード室の流体圧力を調節する第２の圧力調節器３９と、圧力調節器３８，３９を制御するためのモジュール４０とを備える。

第１の管３０は、還元流体源（図示せず）および燃料電池１２のアノード室の流体入口と流体連結される。
第２の管３２は、酸化流体源（図示せず）および燃料電池１２のカソード室の流体入口と流体連結される。

第１のセンサ３４は、アノード室の入口付近で第１の管３０の流体圧力を測定するのに好適である。アノード室の入口付近の第１の管３０の流体圧力は、アノード室の流体圧力と実質的に等しく、アノード室の流体圧力を測定することになることに留意すべきである。
第２のセンサ３６は、カソード室の入口付近で第２の管３２の流体圧力を測定するのに好適である。カソード室の入口付近の第２の管３２の流体圧力は、カソード室の流体圧力と実質的に等しく、カソード室の流体圧力を測定することになることに留意すべきである。

第１の圧力調節器３８は、第２のセンサ３６の圧力測定点より上流で第２の管３２に連結される。第１の圧力調節器３８は、酸化流体源とカソード室の入口との間に流体的に挿入される。第１の調節器３８は、好ましくはバルブ、例えばソレノイドバルブである。
第２の圧力調節器３９は、第１のセンサ３４の圧力測定点より上流で第１の管３０に連結される。第２の圧力調節器３９は、還元流体源とアノード室の入口との間に流体的に挿入される。第２の調節器３９は、好ましくはバルブ、例えばソレノイドバルブである。

制御モジュール４０は、第１の計算モジュール４２と、第１の生成モジュール４３と、第１の算出モジュール４５と、第１の比較モジュール４６と、第１の停止モジュール４８と、第１の開始モジュール４９と、第２の計算モジュール５２と、第２の生成モジュール５３と、第２の算出モジュール５５と、第２の比較モジュール５６と、第２の停止モジュール５８と、第２の開始モジュール５９とを含む。

第１の計算モジュール４２は、第１のセンサ３４によって測定された圧力から第１の目標圧力を計算するのに好適である。該第１の目標圧力は、例えば第１のセンサ３４によって測定された流体圧力の合計に等しく、第１の定数である。第１の定数は、例えば１から５００ｍＢａｒの間を含む。

第１の生成モジュール４４は、第２室の流体圧力を第１の目標圧力で安定化するのに適した第１の調節器３８の第１の制御法則を生成するのに好適である。
第１の算出モジュール４５は、第２のセンサ３６によって測定された流体圧力と第１の目標圧力との間の第１の圧力差を算出するのに好適である。
第１の比較モジュール４６は、第１の閾値と第１の圧力差を比較するのに好適である。第１の閾値は、例えば１から５００ｍＢａｒの間を含む。

第１の停止モジュール４８は、第１の圧力差が第１の閾値を超えた場合に第１の生成モジュール４３を停止するのに好適である。
第１の開始モジュール４９は、第１の圧力差が第１の圧力差閾値を超えた場合に第２の生成モジュール５３を開始するのに好適である。

第２の計算モジュール５２は、第２のセンサ３６によって測定された圧力から第２の目標圧力を計算するのに好適である。該第２の目標圧力は、例えば第２のセンサ３６によって測定された流体圧力の合計に等しく、第２の定数である。第２の定数は、例えば１から５００ｍＢａｒの間を含む。

第２の生成モジュール４３は、第１の室の流体圧力を第２の目標圧力に安定化するのに適した第２の調節器３９の第２の制御法則を生成するのに好適である。
第２の算出モジュール５５は、第１のセンサ３４によって測定された流体圧力と第２の目標圧力との間の第２の圧力差を算出するのに好適である。
第２の比較モジュール５６は、第２の閾値と第２の圧力差を比較するのに好適である。第２の閾値は、例えば１から５００ｍＢａｒの間を含む。

第２の停止モジュール５８は、第２の圧力差が第２の閾値を超えた場合に第２の生成モジュール５３を停止するのに好適である。
第２の開始モジュール５９は、第２の圧力差が第２の圧力差閾値を超えた場合に第１の生成モジュール４３を開始するのに好適である。

ここで、図１を参照して、燃料電池システム１０を制御する方法について説明する。
初めに、カソード室の流体圧力は、アノード室の流体圧力に基づいて一般的に制御される。このため、アノード室の流体圧力が第１のセンサ３４によって測定され、第１の目標圧力が第１の計算モジュール４２によって計算され、カソード室の流体圧力を第１の目標圧力で安定化するのに適した制御法則が第１の生成モジュール４３によって生成される。次いで、カソード室の流体圧力は、第１の圧力調節器３８によって第１の目標圧力で安定化される。

同時に、第２のセンサ３６によって測定された圧力と第１の目標圧力との間の第１の圧力差が第１の算出モジュール４５によって算出され、比較モジュール４６によって該第１の圧力差が第１の閾値と比較される。

第１の圧力差が第１の閾値を超えている場合、第１の比較モジュール４６は、第１の停止モジュール４８と開始モジュール４９に信号を送信する。次いで、第１の停止モジュール４８は第１の生成モジュール４３の停止を命令し、第１の開始モジュール４９は第２の生成モジュール５３の開始を命令する。こうして、カソード室の流体圧力は第１の目標圧力で安定化され、アノード室の流体圧力は、第２の圧力調節器３９によって第２の目標圧力で安定化され始める。

特に、第２の生成モジュール５３の開始後、カソード室の流体圧力が第２のセンサ３６によって測定され、第２の計算モジュール５２によって第２の目標圧力が計算され、カソード室の流体圧力を第２の目標圧力で安定化するのに適した制御法則が第２の生成モジュール５３によって生成される。

同時に、第１のセンサ３４によって測定された圧力と第２の目標圧力との間の第２の圧力差が第２の算出モジュール５５によって算出され、該第２の圧力差が比較モジュール５６によって第２の閾値と比較される。

第２の圧力差が第２の閾値を超えている場合、第２の比較モジュール４６は、第２の停止モジュール５８と開始モジュール５９に信号を送信する。次いで、第２の停止モジュール４８は第２の生成モジュール５３の停止を命令し、第２の開始モジュール５９は第１の生成モジュール４３の開始を命令する。こうして、アノード室の流体圧力は第２の目標圧力で安定化され、カソード室の流体圧力は、第１の圧力調節器３８によって第１の目標圧力で安定化され始め、燃料電池システム１は初期状態に戻る。
前述のステップは、燃料電池システム１０が停止するまで繰り返される。

上述の発明によって、燃料電池の各室の間の圧力差がより制御される。したがって、安全停止を制限する一方で、燃料電池１２のセル１５の膜２６の長寿命が保証される。

１０ 燃料電池システム
１２ 燃料電池
１５ 電気化学セル
１６ 膜‐電極アセンブリ
１８ アノード板
２０ アノードチャネル
２２ カソード板
２４ カソードチャネル
２６イオン交換膜
２８ａ アノード
２８ｂ カソード
３０ 第１の供給管
３２ 第２の供給管
３４ 第１の圧力センサ
３６ 第２の圧力センサ
３８ 第１の圧力調節器
３９ 第２の圧力調節器
４０ 制御モジュール

Claims (10)

1. 燃料電池（１２）のカソード室に流れる酸化流体と前記燃料電池（１２）のアノード室に流れる還元流体の反応によって電流を発生させる少なくとも１つの電気化学セル（１５）を備える燃料電池（１２）の制御方法であって、前記方法が、
   前記アノード室および前記カソード室からの第１室の流体圧力を測定する段階と、
   第２室の流体圧力に対する第１の目標圧力を計算する段階であって、前記第１の目標圧力が前記第１室において測定された流体圧力に依存する、計算する段階と、
   前記第２室の流体圧力を前記第１の目標圧力で安定化する段階と、を含み、前記方法がさらに、
   前記第２室の流体圧力を測定する段階と、
   前記第１室の流体圧力に対する第２の目標圧力を計算する段階であって、前記第２の目標圧力が前記第２室において測定された流体圧力に依存する、計算する段階と、
   前記第１室の流体圧力を前記第２の目標圧力で安定化する段階と、を含む、制御方法。
2. 各室の流体圧力を安定化する段階をバルブ（３８）、例えばソレノイドバルブを使用して実施する、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記第１の目標圧力が、前記第１室において測定された流体圧力の合計に等しく第１の定数であり、前記第２の目標圧力が、前記第２室において測定された流体圧力の合計に等しく第２の定数である、請求項１または２に記載の制御方法。
4. 前記第２室の流体圧力と前記第１の目標圧力との間の第１の圧力差を算出する段階と、
   前記第１の圧力差を第１の閾値と比較する段階と、
   前記第１の圧力差が前記第１の閾値を超えた場合に、前記第２室の流体圧力の前記第１の目標圧力での安定化を停止し、かつ前記第１室の流体圧力の前記第２の目標圧力での安定化を開始する段階と、
   を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御方法。
5. 前記第１室の流体圧力と前記第２の目標圧力との間の第２の圧力差を算出する段階と、
   前記第２の圧力差を第２の閾値と比較する段階と、
   前記第２の圧力差が前記第２の閾値を超えた場合に、前記第１室の流体圧力の前記第２の目標圧力での安定化を停止し、かつ前記第２室の流体圧力の前記第１の目標圧力での安定化を開始する段階と、
   を含む、請求項４に記載の制御方法。
6. カソード室と、
   アノード室と、
   前記カソード室に流れる酸化流体と前記アノード室に流れる還元流体の反応によって電流を発生させる少なくとも１つの電気化学セル（１５）と、
   前記アノード室および前記カソード室からの第１室の流体圧力を測定する第１の圧力センサ（３４）と、
   第２室の流体圧力を調節する第１の圧力調節器（３８）と、
   第１のセンサ（３４）によって測定された圧力から第１の目標圧力を計算する第１の計算モジュール（４２）と、
   前記第２室の流体圧力を前記第１の目標圧力で安定化するのに適した前記第１の圧力調節器（３８）の第１の制御法則を生成する第１の生成モジュール（４３）と、
   を含む制御モジュール（４０）と、
   前記第２室の流体圧力を測定する第２の圧力センサ（３６）と、
   前記第１室の流体圧力を調節する第２の圧力調節器（３９）と、
   を備える燃料電池システム（１０）であって、
   前記制御モジュール（４０）が、前記第２の圧力センサ（３６）によって測定された圧力から第２の目標圧力を計算する第２の計算モジュール（５２）と、前記第１室の流体圧力を前記第２の目標圧力で安定化するのに適した前記第２の圧力調節器（３９）の第２の制御法則を生成する第２の生成モジュール（５３）と、をさらに備える燃料電池システム（１０）。
7. 前記圧力調節器（３８，３９）の各々がバルブ、例えばソレノイドバルブである、請求項６に記載の燃料電池システム（１０）。
8. 前記第１の目標圧力が第１のセンサ（３４）によって測定された流体圧力の合計に等しく第１の定数であり、前記第２の目標圧力が第２のセンサ（３６）によって測定された流体圧力の合計に等しく第２の定数である、請求項６または７に記載の燃料電池システム（１０）。
9. 前記制御モジュール（４０）が、
   第２のセンサ（３６）によって測定された流体圧力と前記第１の目標圧力との間の第１の圧力差を算出する第１の算出モジュール（４５）と、
   前記第１の圧力差を第１の閾値と比較する第１の比較モジュール（４６）と、
   前記第１の圧力差が前記第１の閾値を超えた場合に前記第１の生成モジュール（４３）を停止する第１の停止モジュール（４８）と、
   前記第１の圧力差が前記第１の閾値を超えた場合に前記第２の生成モジュール（５３）を開始する第１の開始モジュール（４９）と、
   を備える、請求項６から８のいずれか一項に記載の燃料電池システム（１０）。
10. 前記制御モジュール（４０）が、
    第１のセンサ（３４）によって測定された流体圧力と前記第２の目標圧力との間の第２の圧力差を算出する第２の算出モジュール（５５）と、
    前記第２の圧力差を第２の閾値と比較する第２の比較モジュール（５６）と、
    前記第２の圧力差が前記第２の閾値を超えた場合に前記第２の生成モジュール（５３）を停止する第２の停止モジュール（５８）と、
    前記第２の圧力差が前記第２の閾値を超えた場合に前記第１の生成モジュール（４３）を開始する第２の開始モジュール（５９）と、
    を備える、請求項９に記載の燃料電池システム（１０）。

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