JP3724332B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子膜型燃料電池が乾燥状態にあった場合でも、最適な起動制御を行うことができる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、出力密度が高く低温作動が可能な固体高分子膜型燃料電池を発電システムとして車両に搭載するための研究開発が活発化している。
【０００３】
この固体高分子膜型燃料電池は、固体高分子膜の一方の面にアノード極、他方の面にカソード極を接合して接合体を構成し、これをセパレータで挟む構造をとっている。
【０００４】
そして、従来の燃料電池システムでは、加湿器により加湿された燃料ガスおよび空気を供給して固体高分子膜が乾燥しないように加湿状態を適正に保って運転していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムにあっては、スタック製造時や、長期間に渡り使用されず固体高分子膜が極乾燥状態にあった場合でも、通常時と同様の加湿方法を用いて起動を開始していた。
【０００６】
このため、固体高分子膜が十分に加湿されるまでにある程度の時間が必要となるので、この間にはスタックから安定して出力を取り出せないことや、大出力を取り出そうとしたときに急激な電圧降下を発生してシステムが停止してしまうといったことが考えられる。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、固体高分子膜型燃料電池が乾燥状態にあった場合でも、最適な起動制御を行うことができる燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料ガスおよび空気を加湿する加湿器と、固体高分子膜の湿潤状態及びセパレータに対する熱により膨張する複数の燃料電池セルを積層方向に伸縮自在に固定され、前記加湿された燃料ガスおよび空気を用いて電力を発電するスタックと、前記スタックの積層方向の長さの変位量を検出する変位検出手段と、前記スタックの温度を検出する温度検出手段と、前記検出されたスタックの積層方向の長さの変位量、前記検出されたスタックの温度に基づいて、スタックを構成する固体高分子膜の乾燥状態を判断する乾燥状態判断手段と、起動時において前記スタックの固体高分子膜が乾燥状態にある場合にはスタックが湿潤状態になるように前記加湿器を制御しつつ起動し、前記スタックの固体高分子膜が湿潤状態にある場合には通常の起動手順に切り替えて起動するように制御する制御手段とを備えたことを要旨とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、起動時に、スタックの固体高分子膜が乾燥状態にあると判断された場合には、加湿された空気のみを所定時間だけスタックに供給するように加湿器を制御することを要旨とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記制御手段は、加湿された空気のみを所定時間だけスタックに供給した後に、スタックに燃料ガスを供給するように加湿器を制御し、固体高分子膜が十分湿潤したと判断されるまでスタックの出力を所定値以下に制限するように制御することを要旨とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記加湿器は、燃料ガスおよび空気を加熱する加熱手段を備え、前記制御手段は、前記加熱手段を作動するように制御することを要旨とする。
【００１２】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、スタックの積層方向の長さの変位量とスタックの温度を検出するようにしておき、検出されたスタックの積層方向の長さの変位量とスタックの温度に基づいて、スタックを構成する固体高分子膜の乾燥状態を判断し、スタックの固体高分子膜が乾燥状態にある場合にはスタックが湿潤状態になるように加湿器を制御し、スタックの固体高分子膜が湿潤状態にある場合には通常の起動手順に切り替えて起動するように制御しているので、固体高分子膜が乾燥状態にあった場合でも加湿でき、湿潤状態にある場合には通常の起動手順で起動でき、最適な起動制御を行うことができる。
【００１３】
また、請求項２記載の本発明によれば、起動時に、スタックの固体高分子膜が乾燥状態にあると判断された場合には、加湿された空気のみを所定時間だけスタックに供給するように加湿器を制御することで、スタックの固体高分子膜を加湿することができる。
【００１４】
また、請求項３記載の本発明によれば、加湿された空気のみを所定時間だけスタックに供給した後に、スタックに燃料ガスを供給するように加湿器を制御し、固体高分子膜が十分湿潤したと判断されるまでスタックの出力を所定値以下に制限するように制御することで、急激な電圧降下によるシステム停止を抑制することができる。
【００１５】
また、請求項４記載の本発明によれば、加湿器内の燃料ガスおよび空気を加熱するように制御することで、更に過剰に加湿された燃料ガスおよび空気をスタックの固体高分子膜に供給することができ、固体高分子膜の湿潤に必要な動作時間を短縮することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、燃料電池システムに用いられる固体高分子型燃料電池のセル構造を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池セル１１は、固体高分子膜１３の一方の面にアノード極１５、他方の面にカソード極１７を接合して接合体（ＭＥＡ）を構成し、これをセパレータ１９で挟む構造をとっている。
【００１９】
次に、図２は、複数の燃料電池セルが積層されたスタックの固定方法の一例を示す図である。
【００２０】
燃料電池セル１１を多数積層してスタック２１を構成するため、スタック２１は加湿水により固体高分子膜１３が膨潤し、セパレータ１９が熱膨張して積層方向に伸縮する。
【００２１】
このため、スタック２１の一方の端面は動かないように固定部２３により例えば車体２５に固定され、他方の端面が天地方向には動かずセル積層方向に伸縮自在に固定される。また、他方の端面側には変位センサ２７が設置されており、変位センサ２７により製造時のスタック２１の長さを基準とした現在の変位量が検出され、後述するコントローラ６１に検出信号が送られる。
【００２２】
次に、図３は、スタック２１の湿潤状態の違いによるスタック２１のセル積層方向の長さの変位特性を示した図である。
【００２３】
スタック２１は、製造直後や、長期に使用されずに固体高分子膜１３がほとんど水分を含まず、極めて乾燥している状態の場合には、長さが最も短くなる極乾燥位置Ｐ１にある。
【００２４】
一方、スタック２１は、適正に加湿されながら最大出力で定常運転している場合には、膨潤と熱膨張により長さが最も長くなる発電時湿潤適正状態位置Ｐ５にある。また、適度に運転が繰返されている場合、固体高分子膜１３が水分を保持しているため、運転停止状態でも最大長さに近い状態となる通常停止時湿潤状態位置Ｐ３にある。
【００２５】
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置３１の構成を示す図である。まず、図３に示す燃料電池システムの起動装置３１の構成を説明する。
【００２６】
燃料ガス３３は、例えば改質器（図示せず）から供給される水素ガスあるいは改質ガスであり、加湿器３５で加湿された後に遮断弁３７を介してスタック２１に供給される。また、空気３９は、例えばコンプレッサ（図示せず）から供給され、加湿器３５で加湿された後に遮断弁４１を介してスタック２１に供給される。
【００２７】
スタック２１では、加湿器３５で加湿された燃料ガスと空気を反応させて電力を発電し、未反応分の排気ガス４３が排気され、未反応分の空気４５がコンデンサ４７を介して排空気４９となって排気される。また、スタック２１には、スタックの温度を検出する温度センサ２８が取り付けられており、この検出値がコントローラ６１に出力される。
【００２８】
コンデンサ４７では、スタック２１から排出された空気４５を冷媒５１が循環するフィンの間を通過させ、空気４５に含まれる余分な水分を凝縮して回収し、回収された純水５３を純水タンク５５に送る。
【００２９】
純水タンク５５は、純水５３に含まれるイオンをイオンフィルタで除去して貯蓄し、ポンプ５７で加圧された純水５９を加湿器３５に供給する。
【００３０】
コントローラ６１は、制御データを記憶するＲＡＭ（図示せず）と、制御プログラムを記憶するＲＯＭ（図示せず）と、制御プログラムに従ってシステムを制御するＣＰＵ（図示せず）と、設定された時間を計時して割り込み信号ＩＮＴを発生しＣＰＵに出力するタイマ（図示せず）とから構成されている。
【００３１】
コントローラ６１は、スタック２１に取り付けたれた温度センサ２８と変位センサ２７で検出された検出値に基づいて、スタック２１に設けられた固体高分子膜が極乾燥状態か湿潤状態かを判断し、遮断弁３７，４１およびポンプ５７に対して、極乾燥状態の場合には乾燥時の起動手順、湿潤状態の場合には通常の起動手順に切り替えて制御して起動する。
【００３２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ６３には、スタック２１の発電出力が供給され、コントローラ６１からの要求指令に応じて昇圧変換または降圧変換してスタック２１から取出し可能な出力を制限するように制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６３から負荷となるバッテリ（図示せず）や負荷機器（図示せず）に供給する。
【００３３】
次に、図５に示すフローチャートを参照して、第１の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置３１の動作を説明する。なお、図５に示すフローチャートは、コントロールユニット６１の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００３４】
今、燃料電池システムの起動装置３１に電源が投入され、コントローラ６１が起動したこととする。このとき、コントローラ６１は、ＲＯＭに記憶された制御プログラムを読み出して以下の制御を開始する。
【００３５】
まず、ステップＳ１０では、スタック２１には、変位センサ２７と温度センサ２８により常にスタックの長さの変位量Ｌと温度Ｔとが監視されている。
【００３６】
なお、スタック２１の変位量Ｌは、製造時のスタック２１の長さを基準値としてコントローラに設けられたＲＡＭに予め記憶されている。また、スタック２１が交換された場合にはこの基準値を更新する必要がある。さらに、コントローラに設けられたＲＡＭには、スタック温度Ｔに対する熱膨張による変位量の関係も予め記憶されている。
【００３７】
ここで、ステップＳ２０では、変位センサと温度センサ２８から検出されたスタックの長さの変位量Ｌと温度Ｔに基づいて、固体高分子膜の湿潤状態を判断する。以下、固体高分子膜の湿潤状態の判断方法について詳細に説明する。
【００３８】
例えば、スタックの製造時の長さＡ、適当な湿潤状態で停止している時（例えば、常温）の長さＢ、最大出力で定常運転を行った時の長さＣ、熱膨張による変位の変化量の最大値ｄとから、セパレータが例えばカーボンの場合、
【数１】
Ａ＋ｄ＜Ｂ−ｄ
の関係が成り立つ。
【００３９】
また、スタックが熱膨張により変位した時の変化量の最大値ｄは、スタックの積層方向の線膨張率βと、温度Ｔ、スタック製造時の０℃での長さＡ′とに基づいて、
【数２】
ｄ＝β×Ｔ×Ａ′
となり、式（１）は、
【数３】
Ａ＋β×Ｔ×Ａ′＜Ｂ−β×Ｔ×Ａ′
となる。
【００４０】
式（１）が成立する理由は、例えはカーボンからなるセパレータの熱膨張係数は１０＾−６程度であるが、固体高分子膜の湿潤による膨潤は（膜厚、固体高分子膜の化学組成にもよるが）１０＾−１程度となる。
【００４１】
このため、スタックの熱膨張は、固体高分子膜が極乾燥状態でスタック温度が高温である場合よりも、適当な湿潤状態にあってスタック温度が低い場合の方が常に大きくなる。
【００４２】
従って、起動時に変位センサ２７によって検出されたスタックの長さＬが、
【数４】
Ｌ＜Ｂ−ｄ＝Ｂ−β×Ｔ×Ａ′
となる場合、すなわち、スタックの長さＬが、適当な湿潤状態で停止している時（例えば、常温）の長さＢから熱膨張による変位の変化量の最大値ｄを引いた値未満の場合には、固体高分子膜が極乾燥状態になっていると判断することができる。
【００４３】
そして、ステップＳ２０において、コントローラ６１は変位センサ２７と温度センサ２８の検出値に基づいて、固体高分子膜が極乾燥状態にあると判断した場合にはステップＳ３０に進む。
【００４４】
ステップＳ３０では、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁３７に閉制御信号を送ってスタック２１への燃料ガスの供給を断ち、同時に、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁４１に開制御信号を送ってスタック２１へ空気を供給できる状態に設定し、ポンプ５７の回転数が最大になるように指令制御信号を送って純水タンク５５から加湿器３５に供給される純水５９の循環量を増加する。同時に、コントローラ６１に設けられたタイマを作動して計時動作を開始する。この結果、加湿器３５により過剰に加湿された空気が遮断弁４１を通過してスタック２１に供給される。
【００４５】
そして、ステップＳ４０では、タイマから計時時間を読み出し、加湿時間が所定の時間Ｓｈに達するまで、スタック２１の固体高分子膜を加湿する。
【００４６】
そして、所定の時間Ｓｈに達した場合には、ステップＳ５０に進み、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁３７に開制御信号を送ってスタック２１への燃料ガスの供給を開始し、ポンプ５７の流量を通常値に戻すように指令制御信号を送り、スタック２１による発電を開始する。
【００４７】
そして、ステップＳ６０では、上述したステップＳ１０と同様に、変位センサ２７と温度センサ２８によりスタックの長さの変位量Ｌと温度Ｔとを検出する。
【００４８】
そして、ステップＳ７０では、上述したステップＳ２０と同様に、コントローラ６１は変位センサ２７と温度センサ２８の検出値に基づいて、固体高分子膜が乾燥状態にあると判断した場合にはステップＳ８０に進む。
【００４９】
ステップＳ８０では、スタック２１から取出し可能な出力を所定の値Ｐｈ以下に制限する。すなわち、スタック２１の発電出力はＤＣ／ＤＣコンバータ６３に供給され、コントローラ６１からの要求指令に応じて昇圧変換または降圧変換してスタック２１から取出し可能な出力を所定の値Ｐｈ以下に制限するように制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６３から負荷となるバッテリ（図示せず）や負荷機器（図示せず）に供給する。そして、ステップＳ６０に戻り、上述した処理を繰り返す。
【００５０】
一方、ステップＳ７０において、固体高分子膜が乾燥状態になく十分な湿潤状態になったと判断した場合にはステップＳ９０に進み、通常の発電制御に移行する。すなわち、コントローラ６１からＤＣ／ＤＣコンバータ６３に送る要求指令を通常レベルまで戻し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６３の昇圧変換または降圧変換の制限を緩和するように制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６３から負荷となるバッテリ（図示せず）や負荷機器（図示せず）に通常の電力を供給する。
【００５１】
このように、スタックの長さＬとスタック温度Ｔに基づいて、スタック２１に設けられた固体高分子膜が十分に湿潤したと判断でき、大出力を取り出せるまでは取出し可能な出力を所定の値Ｐｈに制限する。この結果、急激な電圧降下等によるシステムの停止等を抑制することができる。
【００５２】
一方、ステップＳ２０において、コントローラ６１は変位センサ２７と温度センサ２８の検出値に基づいて、スタック２１に設けられた固体高分子膜が極乾燥状態ではなく湿潤状態にあると判断した場合にはステップＳ１００に進む。
【００５３】
ステップＳ１００では、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁３７，４１に開制御信号を送ってスタック２１への燃料ガスの供給を開始し、ポンプ５７の流量が通常値になるように指令制御信号を送り、スタック２１による発電を開始する。
【００５４】
ここで、ステップＳ１１０では、コントローラ６１は温度センサ２８の検出値を読み出し、スタック温度Ｔが規定温度Ｔｄ以上になったかどうかを判断する。スタック温度Ｔが規定温度Ｔｄ未満の場合にはステップＳ１２０に進み、ステップＳ８０と同様に、スタック２１から取出し可能な出力を所定の値Ｐｈ以下に制限する。
【００５５】
一方、ステップＳ１１０において、スタック温度Ｔが規定温度Ｔｄ以上になったと判断された場合には、ステップＳ９０に進み、上述した通常の発電制御に移行する。
【００５６】
本発明の第１の実施の形態に関する効果としては、スタックに設けられた固体高分子膜の湿潤状態を検知し、固体高分子膜が非常に乾燥している場合でも湿潤状態を回復してからスタックを運転するので、安定して出力を取り出すことができ、従来技術のような大出力時の急激な電圧降下によってシステムが停止してしまう等の問題を回避することができ、常にスムーズに燃料電池システムを起動することができる。
【００５７】
また、一般的な燃料電池システムに対して、スタックに変位センサを増設するだけの簡便な構成で実現可能となるという効果がある。また、上記効果により、既存のシステムに対してこの起動方法を追加することも比較的簡単に実現可能という効果もある。
【００５８】
さらに、スタックの湿潤状態を検知できるため、スタックに何らかの問題が発生した場合のトラブルシューティングにかける時間を節約できるという効果がある。
【００５９】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置７１の構成を示す図である。なお、第２の実施の形態は、図４に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００６０】
本実施の形態の特徴は、第１の実施の形態に対し、加湿器７３の内部にヒータ７５を設けたことにある。
【００６１】
次に、図７に示すフローチャートを参照して、第２の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置７１の動作を説明する。なお、図７に示すフローチャートは、コントロールユニット６１の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。また、第２の実施の形態では、図５に示す第１の実施の形態に対応するフローチャートと同様の基本的ステップを有しており、同一のステップには同一の符号を付し、その説明を省略することとする。
【００６２】
ステップＳ１３０では、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁３７に閉制御信号を送ってスタック２１への燃料ガスの供給を断ち、同時に、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁４１に開制御信号を送ってスタック２１へ空気を供給できる状態に設定し、さらに、加湿器７３に設けられたヒータに電力を供給して通電し、ポンプ５７の回転数が最大になるように指令制御信号を送って純水タンク５５から加湿器３５に供給される純水５９の循環量を増加する。同時に、コントローラ６１に設けられたタイマを作動して計時動作を開始する。
【００６３】
この結果、起動時にスタック２１に設けられた固体高分子膜が極乾燥状態にある場合でも、加湿器３５に設けられたヒータが加熱して更に過剰に加湿された空気が遮断弁４１を通過してスタック２１に供給され、固体高分子膜の湿潤に必要な動作時間を短縮することができる。
【００６４】
また、ステップＳ１５０では、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁３７に開制御信号を送ってスタック２１への燃料ガスの供給を開始し、さらに、加湿器７３に設けられたヒータに電力を供給して通電し、ポンプ５７の流量を通常値に戻すように指令制御信号を送り、スタック２１による発電を開始する。
【００６５】
この結果、起動時にスタック２１に設けられた固体高分子膜が極乾燥状態から所定時間だけ一旦加湿された後でも、加湿器３５に設けられたヒータが加熱して更に過剰に加湿された空気が遮断弁４１を通過してスタック２１に供給され、固体高分子膜の湿潤に必要な動作時間を短縮することができる。
【００６６】
また、ステップＳ１７０では、加湿器３５とスタック２１の間に設けられた遮断弁３７，４１に開制御信号を送ってスタック２１への燃料ガスの供給を開始し、さらに、加湿器７３に設けられたヒータに電力を供給して通電し、ポンプ５７の流量が通常値になるように指令制御信号を送り、スタック２１による発電を開始する。
【００６７】
この結果、起動時にスタック２１に設けられた固体高分子膜が通常の湿潤状態にある場合でも、加湿器３５に設けられたヒータが加熱して更に過剰に加湿された空気が遮断弁４１を通過してスタック２１に供給され、固体高分子膜の湿潤に必要な動作時間を短縮することができる。
【００６８】
本発明の第２の実施の形態に関する効果としては、加湿量が増加するため固体高分子膜が湿潤するまでの待機時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池システムに用いられる固体高分子型燃料電池のセル構造を示す図である。
【図２】複数の燃料電池セルが積層されたスタックの固定方法の一例を示す図である。
【図３】スタックの湿潤状態の違いによるスタックのセル積層方向の長さの変位特性を示した図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置３１の構成を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置３１の動作を説明するためのフローチャートである。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置７１の構成を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの起動装置７１の動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
２１ スタック
２７ 変位センサ
２８ 温度センサ
３３ 燃料ガス
３５ 加湿器
３７，４１ 遮断弁
３９ 空気
５５ 純水タンク
５７ ポンプ
６１ コントローラ
６３ ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims (4)

  1. 燃料ガスおよび空気を加湿する加湿器と、
    固体高分子膜の湿潤状態及びセパレータに対する熱により膨張する複数の燃料電池セルを積層方向に伸縮自在に固定され、前記加湿された燃料ガスおよび空気を用いて電力を発電するスタックと、
    前記スタックの積層方向の長さの変位量を検出する変位検出手段と、
    前記スタックの温度を検出する温度検出手段と、
    前記検出されたスタックの積層方向の長さの変位量、前記検出されたスタックの温度に基づいて、スタックを構成する固体高分子膜の乾燥状態を判断する乾燥状態判断手段と、
    起動時において前記スタックの固体高分子膜が乾燥状態にある場合にはスタックが湿潤状態になるように前記加湿器を制御しつつ起動し、前記スタックの固体高分子膜が湿潤状態にある場合には通常の起動手順に切り替えて起動するように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、
    起動時に、スタックの固体高分子膜が乾燥状態にあると判断された場合には、加湿された空気のみを所定時間だけスタックに供給するように加湿器を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御手段は、
    加湿された空気のみを所定時間だけスタックに供給した後に、スタックに燃料ガスを供給するように加湿器を制御し、固体高分子膜が十分湿潤したと判断されるまでスタックの出力を所定値以下に制限するように制御することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記加湿器は、
    燃料ガスおよび空気を加熱する加熱手段を備え、
    前記制御手段は、
    前記加熱手段を作動するように制御することを特徴とする請求項２又は３項に記載の燃料電池システム。
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