JP2021128866A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】新たに測定装置等を設けることなく、部分水素欠によるカソードでのカーボンの酸化を検知することができ、燃料電池の発電性能維持に寄与できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を有する燃料電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、燃料ガス排出部と、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス排出部と、制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、所定の時間毎に前記燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出部のガス圧力を計測し、当該ガス圧力から圧力損失を算出し、前記制御部は、前記圧力損失が所定の閾値を超える場合に前記酸化剤ガス排出部のガス温度を計測し、前記制御部は、前記ガス温度が所定の閾値を超える場合に前記燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図４

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層した燃料電池スタックに、酸素を含有する酸化剤ガスと水素を含有する燃料ガスを供給して化学反応させることにより電気エネルギーを発生させる。基本単位となるセルは、一般に、固体高分子電解質膜の両面に電極触媒層を形成したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜電極接合体）を備え、その外側に拡散層、さらにその外側にガス流路とガスセパレータが配置されている。
燃料極（アノード）では、流路・拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水は拡散層を透過して、流路を通って系外へと排出される。

燃料電池のセルの内部に形成された燃料ガス流路の一部が生成水の滞留によって閉塞すると、セル面内の一部において燃料ガスが欠乏した状態（以下、部分水素欠）となることがある。セル面内において部分水素欠が生ずると、燃料電池の出力が低下してしまうという問題がある。

上記問題を解決するために、例えば、特許文献１には、燃料電池のセル面内における少なくとも一箇所の局所部位を流れる局所電流を測定可能な局所電流測定装置と、セル面内の一部において水素が欠乏した部分欠乏状態である否かを診断する制御装置と、を備える燃料電池システムが開示されている。

また、特許文献２には、実質的に純粋な水素の存在に対応する基準信号を、スタック内の単一の複数の燃料電池全体の局部水素値に対応する信号と比較することができるセンサから構成される水素欠乏検出デバイスを持つ燃料電池のスタックと、コントローラと、を有する移動燃料電池システムが開示されている。

特開２０１８−１５２２３４号公報 特開２０１７−０２７９４３号公報

上記従来技術では、運転制御装置とは別に、局所部位を流れる局所電流を測定可能な局所電流測定装置と、局所電流測定装置の測定結果に負電流が含まれる場合に、セル面内の一部において燃料ガスが欠乏した部分欠乏状態であると診断する部分欠乏診断部と、を備える必要がある。また局所電流を測定するための電流センサをセル内の多数箇所に配置する必要があり、燃料電池システムとしては著しく複雑かつ高コストなシステムとなるため、車両搭載は困難であるという問題がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、新たに測定装置等を設けることなく、部分水素欠によるカソードでのカーボンの酸化を検知することができ、燃料電池の発電性能維持に寄与できる燃料電池システムを提供することを主目的とする。

本開示においては、酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を有する燃料電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、燃料ガス排出部と、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス排出部と、制御部と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、所定の時間毎に前記燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出部のガス圧力を計測し、当該ガス圧力から圧力損失を算出し、
前記制御部は、前記圧力損失が所定の閾値を超える場合に前記酸化剤ガス排出部のガス温度を計測し、
前記制御部は、前記ガス温度が所定の閾値を超える場合に前記燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システムを提供する。

本開示は、新たに測定装置等を設けることなく、部分水素欠によるカソードでのカーボンの酸化を検知することができ、燃料電池の発電性能維持に寄与できる燃料電池システムを提供することができる。

燃料電池スタックの運転時間経過に伴う燃料ガス流量とアノード圧損と酸化剤ガス排出流路のＣＯ_２濃度と酸化剤ガス排出流路の温度との関係の一例を示す図である。 燃料電池スタックの運転時間経過に伴う燃料ガス流量とアノード圧損と酸化剤ガス排出流路のＣＯ_２濃度と酸化剤ガス排出流路の温度との関係の別の一例を示す図である。 本開示の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。 本開示において用いられる制御部が実行する燃料電池の制御の一例を示すフローチャートである。

本開示においては、酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を有する燃料電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、燃料ガス排出部と、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス排出部と、制御部と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、所定の時間毎に前記燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出部のガス圧力を計測し、当該ガス圧力から圧力損失を算出し、
前記制御部は、前記圧力損失が所定の閾値を超える場合に前記酸化剤ガス排出部のガス温度を計測し、
前記制御部は、前記ガス温度が所定の閾値を超える場合に前記燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システムを提供する。

図１は、燃料電池（セル）スタックの運転時間経過に伴う燃料ガス流量とアノード圧力損失（Ａｎ圧損）と酸化剤ガス排出流路（Ｃａ出口）のＣＯ_２濃度と酸化剤ガス排出流路のＣＯ_２ガスの温度との関係の一例を示す図である。図１に示すように、アノード圧損が増加し、酸化剤ガス排出流路のＣＯ_２ガスの温度が上昇していると、酸化剤ガス排出流路よりＣＯ_２を検出する。その後、水素ストイキ（Ｓｔ）比を増加させるとアノード圧損が安定し、酸化剤ガス排出流路の温度が低下すると、酸化剤ガス排出流路からのＣＯ_２の発生がなくなる。

図２は、燃料電池スタックの運転時間経過に伴う燃料ガス流量とアノード圧損と酸化剤ガス排出流路のＣＯ_２濃度と酸化剤ガス排出流路の温度との関係の別の一例を示す図である。図２において、排水性良好な燃料ガス排出流路を用いて図１に示す条件と同じ条件で燃料電池スタックの運転を実施すると、アノード圧損が安定し、酸化剤ガス排出流路のＣＯ_２ガスの温度も変化がない。この時酸化剤ガス排出流路からのＣＯ_２の発生は見られない。

本研究者は、部分水素欠時には、アノードで液水が生じ、並行してカソードで担体のカーボンが酸化して発熱するという現象を知見し、燃料電池スタックの通常の運転の際に、アノードの圧損の増減挙動、及びカソードガス排出流路のガスの温度をモニタすることで、新たにセンサや測定装置を設けることなく、アノードでの水滴詰まりによる部分水素欠によるカソードでのカーボンの酸化を検知することができ、燃料電池の発電性能維持に寄与できる燃料電池システムを提供することができることを見出した。

図３は、本開示の燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
図３に示す燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、燃料ガス供給部として燃料ガス供給装置２及び燃料ガス供給流路３と、燃料ガス排出部として燃料ガス排出流路４及び燃料ガス排出弁５と、酸化剤ガス供給部として酸化剤ガス供給装置６及び酸化剤ガス供給流路７と、酸化剤ガス排出部として酸化剤ガス排出流路８と、制御部９と、を備える。

本開示の燃料電池システムは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を有する燃料電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、燃料ガス排出部と、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス排出部と、制御部と、を備える。
燃料電池スタックは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を有する燃料電池を複数積層して構成される。
酸化剤極、燃料極、及び、電解質膜は、特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。

燃料電池システムは、通常、燃料ガス供給部として燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給流路と、燃料ガス排出部として燃料ガス排出流路及び燃料ガス排出弁と、酸化剤ガス供給部として酸化剤ガス供給装置及び酸化剤ガス供給流路と、酸化剤ガス排出部として酸化剤ガス排出流路を備える。

燃料ガス供給部は、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置及び燃料ガス供給流路を有する。燃料ガス供給装置としては、例えば、液体水素タンク、圧縮水素タンク等を用いることができる。
燃料ガス排出部は、少なくとも燃料電池から排出される燃料ガスの排出流量を調整する燃料ガス排出弁を有し、必要に応じ、燃料ガス排出流路を有する。
燃料電池システムは、燃料ガス排出流路及び燃料ガス供給流路を連結し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路及び燃料ガス循環流路上に配置された燃料ガス循環装置を有する燃料ガス循環部が設けられていてもよい。燃料ガス循環装置としては、循環用ポンプ等が挙げられる。

酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路を有し、必要に応じ、酸化剤ガス供給装置を有する。酸化剤ガス供給装置としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス排出部は、燃料電池から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路を有する。

制御部は、燃料電池システムの制御を行う。
制御部は、燃料電池、電圧センサ、圧力センサ、温度センサ、酸化剤ガス供給装置、燃料ガス供給装置、及び燃料ガス排出弁等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。
制御部は、燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部のガス圧力の計測、当該ガス圧力が閾値を超えるか否かの判断、酸化剤ガス排出部のガス温度の計測、当該ガス温度が閾値を超えるか否かの判断、燃料ガス排出弁の開閉、及び、燃料ガス供給流量の調整等を行う。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。

図４は、本開示において用いられる制御部が実行する燃料電池の制御の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。

（１）燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部のガス圧力の計測及び圧力損失の算出
制御部は、所定の時間毎に前記燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出部のガス圧力を計測し、当該ガス圧力から圧力損失を算出する。
燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部のガス圧力を計測する方法は、特に限定されず、例えば、従来公知の圧力センサを燃料電池システム内に設置し、圧力センサを用いて当該ガス圧力を測定してもよい。
ガス圧力を計測するタイミングは特に限定されず、燃料電池の始動時から所定の時間経過毎に行ってもよいし、燃料電池の始動時にも行ってもよく適宜計測時期を設定することができる。

（２）圧力損失が所定の閾値を超えるか否かの判断
制御部は、算出した圧力損失が所定の閾値を超えるか否か判断する。
圧力損失の閾値は、予め実験等で圧力損失と燃料電池の電圧との相関関係を示すデータ群を用意しそのデータ群から燃料電池の性能等により適宜設定することができる。
燃料電池の電圧の計測方法は特に限定されず、例えば、従来公知の電圧センサを燃料電池システム内に設置し、電圧センサを用いて当該電圧を測定してもよい。
また、別の設定方法として、予め実験等で、圧力損失と酸化剤ガス排出部のＣＯ_２濃度との相関関係を示すデータ群を用意し、そのデータ群から燃料電池の性能等により適宜設定することができる。
圧力損失が所定の閾値を超えている場合は、燃料極での水滴詰まりによる部分水素欠が発生していることを意味する。

（３）酸化剤ガス排出部のガス温度の計測
そして、制御部は、計測した前記圧力損失が所定の閾値を超える場合には、前記酸化剤ガス排出部のガス温度を計測する。一方、制御部は、計測した前記圧力損失が所定の閾値以下である場合は、制御を終了する。
酸化剤ガス排出部のガス温度の計測方法は特に限定されず、例えば、従来公知の温度センサを燃料電池システム内に設置し、温度センサを用いて当該ガス温度を測定してもよい。

（４）前記ガス温度が所定の閾値を超えるか否かの判断
そして、制御部は、計測したガス温度が所定の閾値を超えるか否か判断する。
ガス温度の閾値は、例えば、予め実験等で圧力損失と酸化剤ガス排出部のガス温度との相関関係を示すデータ群を用意しそのデータ群から燃料電池の性能等により適宜設定することができる。
また、ガス温度の閾値は、例えば、予め実験等で圧力損失と酸化剤ガス排出部のＣＯ_２濃度との相関関係を示すデータ群を用意しそのデータ群から燃料電池の性能等により適宜設定することができる。

（５）燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの供給量の調整
そして、制御部は、前記ガス温度が所定の閾値を超える場合には、前記燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの供給量を増加させる。一方、制御部は、前記ガス温度が所定の閾値以下である場合には、制御を終了する。
燃料ガスの供給量の調整方法は、特に限定されず、制御部が燃料ガス供給部に信号を送ることで調整してもよい。
ガス温度が所定の閾値を超えていることは、燃料電池の部分水素欠による酸化剤極での担体としてのカーボンが酸化し、燃料電池の発電性能が低下していることを意味する。
燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの供給量を増加させることにより、燃料電池の部分水素欠状態が改善され、燃料電池の所望の発電性能を維持することができる。

なお、制御部の一回目の制御の終了後、２回目以降の制御を行う場合の開始時期は、特に限定されず、一回目の制御の終了後間断なく連続して行ってもよいし、一定の時間、間隔をあけて行ってもよい。

１ 燃料電池スタック
２ 燃料ガス供給装置
３ 燃料ガス供給流路
４ 燃料ガス排出流路
５ 燃料ガス排出弁
６ 酸化剤ガス供給装置
７ 酸化剤ガス供給流路
８ 酸化剤ガス排出流路
９ 制御部
１００ 燃料電池システム

Claims (1)

1. 酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を有する燃料電池を複数積層して構成される燃料電池スタックと、燃料ガス供給部と、燃料ガス排出部と、酸化剤ガス供給部と、酸化剤ガス排出部と、制御部と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、所定の時間毎に前記燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出部のガス圧力を計測し、当該ガス圧力から圧力損失を算出し、
   前記制御部は、前記圧力損失が所定の閾値を超える場合に前記酸化剤ガス排出部のガス温度を計測し、
   前記制御部は、前記ガス温度が所定の閾値を超える場合に前記燃料ガス供給部から供給される燃料ガスの供給量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。

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