JP2020202165A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で燃料電池の金属製のセパレータの腐食を抑制できる燃料電池システムの制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】金属製のセパレータを備えた燃料電池と、前記燃料電池内を掃気する掃気装置と、を備えた燃料電池システムの制御装置であって、前記燃料電池の開放電圧が閾値以下か否かを判定する判定部と、開放電圧が前記閾値以下の場合に前記掃気装置により前記燃料電池内を掃気する掃気制御部と、を備えた燃料電池システムの制御装置。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。

燃料電池内の液水のｐＨを検知するｐＨセンサを設けて、液水のｐＨが酸性度合が高いことを示す場合には、燃料電池内の水を増大させることにより、酸による腐食の進行を抑制する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−０４０６１０号公報

ｐＨセンサは、燃料電池の反応ガスの出口に設置されており、燃料電池内での液水のｐＨを直接検知することはできない。従って、燃料電池内の液水が濃縮されていた場合には、燃料電池内の実際の液水のｐＨは、検出したｐＨよりも低い可能性があり、金属製のセパレータの腐食が進行する可能性がある。また、ｐＨが低い場合に燃料電池内の液水を希釈することにより、ｐＨを増大させて金属製のセパレータの腐食を抑制することも考えられるが、燃料電池内に大量の液水が必要となり、現実的には困難である。また、ｐＨセンサを燃料電池内に設けることも考えられるが、ｐＨセンサは校正を頻繁に行う必要があり、現実的ではない。

本発明は、簡易な構成で燃料電池の金属製のセパレータの腐食を抑制できる燃料電池システムの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的は、金属製のセパレータを備えた燃料電池と、前記燃料電池内を掃気する掃気装置と、を備えた燃料電池システムの制御装置であって、前記燃料電池の開放電圧が閾値以下か否かを判定する判定部と、開放電圧が前記閾値以下の場合に前記掃気装置により前記燃料電池内を掃気する掃気制御部と、を備えた燃料電池システムの制御装置によって達成できる。

本発明によれば、簡易な構成で燃料電池の金属製のセパレータの腐食を抑制できる燃料電池システムの制御装置を提供できる。

図１は、車両に搭載された燃料電池システムの概略図である。 図２は、燃料電池を構成する単セルの部分断面図である。 図３は、燃料電池のＯＣＶと燃料電池内の液水のｐＨとの関係を示した実験結果のグラフである。 図４は、制御装置が実行する掃気制御の一例を示したフローチャートである。

［燃料電池システムの概略構成］
図１は、車両に搭載された燃料電池システム１の概略図である。車両は、燃料電池自動車、電気自動車、ハイブリッド自動車などである。ただし、燃料電池システム１は、車両以外の各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボット等）や定置型電源にも適用可能である。燃料電池システム１は、燃料電池スタック２０、制御装置３０、水素ガス供給システム１２０、空気供給システム１４０、及び冷却システム１６０を含む。燃料電池システム１は、燃料電池スタック２０の発電電力を車両走行用のモータ等に供給する。制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等を備えたコンピュータであり、イグニッションスイッチ１０１やアクセルペダルＡＰ等のセンサ入力を受けて燃料電池システム１の種々の制御を実行する。また制御装置３０は、詳しくは後述する掃気制御を実行する。

燃料電池スタック２０は、固体高分子電解質型であり、多数の単電池（セル）が積層され、反応ガスとして燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する。燃料ガスは、具体的には水素ガスであり、酸化剤ガスは、酸素を含む空気である。燃料電池スタック２０の発電電流及び発電電圧は、それぞれ電流センサ１０６及び電圧センサ１０７により計測され、その計測結果が制御装置３０に出力される。燃料電池スタック２０の詳細については後述する。

水素ガス供給システム１２０は、燃料電池スタック２０に発電に供する水素を供給する。具体的には、水素ガス供給システム１２０は、タンク１１０、水素供給経路１２１、循環経路１２２、放出経路１２３、タンク弁１２４、圧力調整弁１２５、噴射弁１２６、循環ポンプ１２７、気液分離器１２８、開閉弁１２９を備えている。

水素ガスは、タンク１１０から水素供給経路１２１を介して燃料電池スタック２０に供給される。タンク弁１２４、圧力調整弁１２５、及び噴射弁１２６は、水素供給経路１２１の上流側から順に設けられている。循環経路１２２は、燃料電池スタック２０から排出されたアノードオフガスを水素供給経路１２１に循環させる。水素ガスの供給量は、アクセルペダルＡＰの操作に基づいて、制御装置３０により各種弁の開閉が制御されることによって調整される。

循環ポンプ１２７及び気液分離器１２８は、循環経路１２２上に設けられ、循環ポンプ１２７は、気液分離器１２８で分離したアノードオフガスを水素供給経路１２１に循環させる。気液分離器１２８で分離した水分と一部のアノードオフガスは、気液分離器１２８から分岐した放出経路１２３及び開閉弁１２９を介して放出経路１４２に放出される。

空気供給システム１４０は、燃料電池スタック２０に空気を供給する。具体的には、空気供給システム１４０は、エアコンプレッサ１３０、空気供給経路１４１、放出経路１４２、バイパス弁１４５、マフラー１４６、インタークーラ１４７、バイパス経路１４８を備えている。

外部からエアークリーナ１４４を経て取り込まれた空気は、空気供給経路１４１を介して、エアコンプレッサ１３０により圧縮され、インタークーラ１４７により冷却されて、燃料電池スタック２０に供給される。

空気供給経路１４１からバイパス経路１４８が分岐した分岐点に、バイパス弁１４５が設けられている。バイパス弁１４５は、燃料電池スタック２０へ供給される空気の流量と、バイパス経路１４８を介して燃料電池スタック２０をバイパスする空気の流量を調整する。放出経路１４２は、燃料電池スタック２０から排出されたカソードオフガスを大気放出するものであり、燃料電池スタック２０から空気が排出される空気出口に接続されている。調圧弁１４３は、カソードオフガスの流量及びカソード側の背圧を調整する。燃料電池スタック２０への空気の供給量も、水素ガスと同様に、アクセルペダルＡＰの操作に基づいて各種機器が制御装置３０に制御されることにより調整される。マフラー１４６は、放出経路１４２に設けられて放出経路１４２を通過する空気により発生する音を低減する。

冷却システム１６０は、冷媒を所定の経路を経て循環させることにより、燃料電池スタック２０を冷却する。具体的には、冷却システム１６０は、ラジエータ１５０、ファン１５２、循環経路１６１、バイパス経路１６２と、三方弁１６３と、循環ポンプ１６４と、イオン交換器１６５と、温度センサ１６８、分配経路１６９とを備える。

循環ポンプ１６４により圧送される冷媒は、循環経路１６１を流通し、ファン１５２による送風によりラジエータ１５０で熱交換されて冷媒が冷却される。冷却された冷媒は、燃料電池スタック２０に供給されて燃料電池スタック２０が冷却される。温度センサ１６８は、燃料電池スタック２０から排出された冷媒の温度を検出する。バイパス経路１６２は、循環経路１６１から分岐してラジエータ１５０をバイパスし、三方弁１６３は、バイパス経路１６２を流通する冷媒の流量を調整する。イオン交換器１６５は、バイパス経路１６２上に、バイパス経路１６２を流れる冷媒の一部が流れるように設けられている。

分配経路１６９は、循環経路１６１から分岐してインタークーラ１４７に接続され再び循環経路１６１に接続されている。これにより、冷媒は分配経路１６９を介してインタークーラ１４７に供給され、インタークーラ１４７を通過する空気がこの冷媒により冷却される。

制御装置３０は、燃料電池スタック２０への要求出力が予め定められた所定値以下となった場合には、燃料電池スタック２０の発電を一時的に休止する間欠運転を実行する。発電の休止は、制御装置３０が目標電流値をゼロに設定して燃料電池スタック２０から掃引される電流値をゼロとなるように、燃料電池スタック２０に取り付けられた不図示のＤＣ／ＤＣコンバータを制御すること、又はＤＣ／ＤＣコンバータ内部に設けられたスイッチにより燃料電池スタック２０と負荷装置との電気的な接続を遮断することにより実現される。また、間欠運転の実行中では、微小な流量で酸化剤ガス及び燃料ガスが燃料電池スタック２０に供給される。また、詳しくは後述するが、制御装置３０は所定の条件が成立した場合に、燃料電池スタック２０内からの液水の排出を促進するための掃気制御を実行する。掃気制御は、制御装置３０のＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される、判定部及び掃気制御部により実現される。詳しくは後述する。

［単セルの構成］
次に、燃料電池スタック２０を構成する複数の単セル１０について説明する。図２は、単セル１０を示す部分断面図である。図２のように、単セル１０は、電解質膜１２の一方の面にアノード触媒層１４ａが形成され、他方の面にカソード触媒層１４ｃが形成された膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１１を備える。

電解質膜１２は、フッ素系樹脂材料又は炭素系樹脂材料で形成された固体高分子膜であり、湿潤状態において良好なプロトン伝導性を有する。アノード触媒層１４ａ及びカソード触媒層１４ｃは、電気化学反応を進行させる触媒（例えば白金や、白金−コバルト合金）を担持したカーボン粒子（例えばカーボンブラック）と、プロトン伝導性を有するアイオノマーと、を含む。

ＭＥＡ１１の両側には、アノードガス拡散層１７ａとカソードガス拡散層１７ｃとが配置されている。ＭＥＡ１１、及び一対のガス拡散層を総称して膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode Gas diffusion layer Assembly）１５と称す。

ＭＥＧＡ１５の両側には、ＭＥＧＡ１５を挟持する一対のセパレータであるアノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃが配置されている。アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃは、ガス遮断性及び電子伝導性を有する部材によって形成されており、プレス成型したステンレス鋼などの金属部材によって形成されている。アノード側セパレータ１８ａとカソード側セパレータ１８ｃは、表面にガスが流通するガス流路を形成するための凹凸を有する。アノード側セパレータ１８ａは、アノードガス拡散層１７ａとの間にアノードガス流路１９ａを形成する。カソード側セパレータ１８ｃは、カソードガス拡散層１７ｃとの間にカソードガス流路１９ｃを形成する。燃料電池の発電中においては、アノードガス流路１９ａを燃料ガスが流通し、カソードガス流路１９ｃを酸化剤ガスが流通する。なお、アノードとカソードの両方にガス拡散層を備える構成を例に示したが、これに限定されない。アノードとカソードの一方又は両方にガス拡散層を備えない構成であってもよい。尚、アノード側セパレータ１８ａのアノードガス流路１９ａが形成された面とは反対側の面、及び、カソード側セパレータ１８ｃのカソードガス流路１９ｃが形成された面とは反対側の面には、冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。

［ＯＣＶとｐＨとの関係］
図３は、燃料電池スタック２０のＯＣＶ（開放電圧）と燃料電池スタック２０内の液水のｐＨとの関係を示した実験結果のグラフである。このグラフは、ＯＣＶが低いほどｐＨは低下する傾向を示している。この理由は、燃料電池スタック２０内の電解質膜１２が劣化して薄膜化すると水素と酸素のガス透過量が増加し、ＯＣＶが低下する。この結果、過酸化水素の発生量が増加し、電解質膜１２が化学劣化を起こしやすくなり、多くの硫酸イオン等の劣化成分が排出されｐＨが低下するためと考えられる。ここで、液水のｐＨが低いほど酸性度合が高いことを示し、例えばこの液水が金属製のセパレータに付着した場合には腐食しやすい。即ち、検出されたＯＣＶが低いほど、金属製のセパレータが腐食する可能性が高いことを示している。

［掃気制御］
図４は、制御装置３０が実行する掃気制御の一例を示したフローチャートである。制御装置３０は、燃料電池スタック２０が間欠運転中であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１でＮｏの場合には本制御は終了される。

ステップＳ１でＹｅｓの場合には、制御装置３０は、ＯＣＶが閾値α以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。ＯＣＶは、電圧センサ１０７によって検出できる。閾値αは、カソード側セパレータ１８ｃが液水のｐＨにより腐食する可能性がある場合でのＯＣＶよりも所定のマージンだけ高い値である。閾値αは、図３に示したように実験結果に基づいて定められており、予め制御装置３０のＲＯＭに記憶されている。ステップＳ２でＮｏの場合には本制御は終了される。

ステップＳ２でＹｅｓの場合には、制御装置３０は発電要求があるか否かを判定する（ステップＳ３）。例えば、アクセルペダルＡＰが操作されて車両に走行指令が出された場合である。ステップＳ３でＮｏの場合には本制御は終了される。

ステップＳ３でＹｅｓの場合には、制御装置３０は、カソードガス流路１９ｃの出口での相対湿度が１００％未満の状態で発電可能が否かを判定する（ステップＳ４）。具体的には、発電要求があった際の燃料電池スタック２０の温度や燃料電池スタック２０への要求出力に基づいて、酸化剤ガスの流量や圧力、加湿度合等を制御することにより、カソードガス流路１９ｃの出口での相対湿度が１００％未満の状態で、要求出力を満たすように発電可能が否かを判定する。即ち、燃料電池スタック２０のカソードガス流路１９ｃ内で液水が生じないように発電可能か否かが判定される。ステップＳ４でＹｅｓの場合には、制御装置３０は、カソードガス流路１９ｃの出口での相対湿度が１００％未満の状態で燃料電池スタック２０の発電を開始して（ステップＳ５）、本制御を終了する。

ここで、ステップＳ４でＮｏの場合には、硫酸イオン、スルホン酸基等の電解質膜１２の劣化物が液水と一緒にＭＥＡ１１から排出されることになり、カソード側セパレータ１８ｃがこれらのｐＨの低い液水により腐食する可能性がある。従ってこの場合には、制御装置３０は燃料電池スタック２０の発電を開始し（ステップＳ６）、その後に、燃料電池スタック２０が間欠運転中であるか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７でＮｏの場合には、再度ステップＳ７の処理が実行される。ステップＳ７でＹｅｓの場合には、制御装置３０は、通常の間欠運転状態の際よりもエアコンプレッサ１３０の回転速度を増大させて、カソードガス流路１９ｃの掃気を実行する（ステップＳ８）。

このように、燃料電池スタック２０のカソードガス流路１９ｃの掃気を実行して排水を促進することにより、カソード側セパレータ１８ｃがｐＨの低い液水によって腐食することを防止できる。エアコンプレッサ１３０は、燃料電池スタック２０のカソードガス流路１９ｃを掃気する掃気装置の一例である。また、電圧センサ１０７によって検出されたＯＣＶに基づいて掃気の実行の可否が決定されるため、ｐＨセンサを用いることなく簡易な構成で金属製のカソード側セパレータ１８ｃの腐食を抑制できる。

上記実施例について、アノードガス流路１９ａの掃気を実行して、アノード側セパレータ１８ａの腐食を防止してもよい。この場合、通常の間欠運転状態よりも噴射弁１２６のデューティ比を増大させて燃料電池スタック２０に供給される燃料ガスの流量を増大させることにより、アノードガス流路１９ａを掃気してもよい。また、通常の間欠運転状態よりも循環ポンプ１２７の回転速度を増大させることにより、アノードガス流路１９ａを掃気してもよい。この場合、噴射弁１２６や循環ポンプ１２７は、燃料電池スタック２０のアノードガス流路１９ａを掃気する掃気装置の一例である。

上記実施例では、ＯＣＶが閾値α以下であって相対湿度が１００％未満で発電可能ではない場合に、発電後の間欠運転中に掃気を実行するが、掃気を実行するタイミングはこれに限定されない。例えば、ＯＣＶが閾値α以下であった場合にその間欠運転中に直ちに掃気を実行してもよい。

上記実施例では、複数の積層された単セル１０から構成される燃料電池スタック２０の電圧を検出する電圧センサ１０７に基づいて、ＯＣＶ、即ち、間欠運転状態での燃料電池スタック２０の電圧を検出したがこれに限定されない。例えば、単セル１０の一枚毎の電圧を検出できるセルモニタを設けて、各単セル１０のＯＣＶ、即ち、間欠運転状態でのセル電圧のうち最小値が閾値未満である場合に、掃気を実行してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上記実施例及び変形例では、掃気処理は、アノードガス流路１９ａ側及びカソードガス流路１９ｃ側の双方に行われるが、何れか一方に対してのみ実行してもよい。また、掃気処理では反応ガスである酸化剤ガス及び燃料ガスを用いたが、これに限定されず、例えば、窒素ガスなどの不活性ガスを掃気ガスとして用いてもよい。

１０ セル
１８ａ アノード側セパレータ
１８ｃ カソード側セパレータ
１９ａ アノードガス流路
１９ｃ カソードガス流路
２０ 燃料電池スタック
３０ 制御装置（判定部、掃気制御部）

Claims (1)

1. 金属製のセパレータを備えた燃料電池と、前記燃料電池内を掃気する掃気装置と、を備えた燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料電池の開放電圧が閾値以下か否かを判定する判定部と、
   開放電圧が前記閾値以下の場合に前記掃気装置により前記燃料電池内を掃気する掃気制御部と、を備えた燃料電池システムの制御装置。

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