JP4379987B2

JP4379987B2 - 燃料電池の制御装置

Info

Publication number: JP4379987B2
Application number: JP34062699A
Authority: JP
Inventors: 清美永宮; 勝司山下; 岩夫前田; 正明山岡; 誠司水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: DE10057804A1; JP2001155752A; DE10057804B4; US6562501B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、燃料ガスと酸化性ガスとの電気化学的な反応によって電力を得る燃料電池の制御装置に関し、特に燃料電池に対する加湿量を制御する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高分子電解質膜型の燃料電池やリン酸型燃料電池などの燃料電池では、電解質の電気伝導度や活性を維持するために水分を外部から供給する必要があり、また電極の電気抵抗を低下させるためにも湿潤状態に維持する必要がある。例えば前者のイオン交換膜などの高分子電解質膜型燃料電池では、電解質膜の電気伝導度を高くし、かつ各電極の電気抵抗を低く抑えるために、燃料ガス（水素ガス）および酸化性ガス（空気）に水分を含ませて燃料電池に供給し、燃料電池の加湿をおこなっている。
【０００３】
その加湿量は、電気伝導度あるいは電気抵抗の点では可及的に多量であることが望ましい。しかしながら、水分が過剰になって電解質の表面あるいは電極が水滴で覆われると、ガスの反応が阻害されて燃料電池の出力が低下し、また例えば電解質膜を透過した水素イオン（プロトン）がカソード側で電子と結合し、空気に水素ガスが混入する事態が生じることがある。そのため、加湿量には、フラッディングやそれに伴う出力の低下を防止するうえでの制約がある。したがって燃料電池の加湿は、予め定めた目標値に基づいて制御するよりも、電気抵抗や出力に基づいて制御するのが一般的である。
【０００４】
これに対して特開平１０−２５５８２８号公報に記載された発明では、供給ガス流量、供給ガス温度、純水温度、電池負荷および電池内部温度に基づいて、供給ガスに対する純水の噴射量を制御し、加湿をおこなっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば前述した固体高分子膜型燃料電池における電解質および各電極に供給される水分は、ガスと共に供給された水分および湿度差によって浸透する水分ならびに反応によって生じる水分である。これに対して排出される水分は、ガスと共に排出される水分である。この供給側の水分量を、上記の公報に記載された発明では、供給ガス流量、純水温度、電池負荷および電池内部温度に基づいて制御しており、これは燃料電池の運転で要求される水分量の制御である。またこれに加えて、上記の公報に記載された発明では、供給ガス温度に基づいて水分量を制御することにより、水分が相対的に過剰になって結露が生じることを防止している。
【０００６】
しかしながら、燃料電池を運転している状態では、水分の供給と排出とが同時に生じるが、上記の公報に記載された発明では、供給側の水分量を制御しているものの、余剰ガスと共に排出される水分量を制御に取り込んでいない。すなわち、燃料電池の内部の状況を必ずとも正確に反映した加湿制御とはなっていないので、水分の過不足が生じる可能性があった。
【０００７】
この発明は、上記の課題に着目してなされたものであり、燃料電池の内部の状況を、より正確に反映した水分の制御をおこなって安定した高出力発電を可能にする制御装置を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用】
この発明は、燃料電池の内部圧力が高いほど水分の絶対量が多くなって余剰ガスが水分を持ち去ることによる水分の不足が生じにくく、また反対に内部圧力が低い場合には、燃料電池の内部の水分の絶対量が少なくなって余剰ガスが持ち去ることによる水分の不足が生じやすくなることに着目し、加湿量の制御パラメータとして燃料電池内の圧力を取り入れたことを特徴とするものである。
【００１２】
すなわち、請求項１の発明は、上記の目的を達成するために、燃料ガスと酸化性ガスとの反応によって電気的エネルギを発生し、かつアノードとカソードとから出力する燃料電池の制御装置において、前記アノード側に設けられている燃料ガス流路の平均圧力を検出する圧力センサと、前記カソード側に設けられている酸化性ガス流路の平均圧力を検出する圧力センサと、前記燃料ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が高い場合に前記燃料ガスによる前記燃料電池に対する加湿量を少なくするとともに、前記燃料ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が低い場合に前記燃料ガスによる前記燃料電池に対する加湿量を多くし、また前記酸化性ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が高い場合に前記酸化性ガスによって燃料電池に対して供給する水分量である加湿量を少なくすることとともに、前記酸化性ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が低い場合に前記酸化性ガスによる前記燃料電池に対する加湿量を多くする加湿制御手段を備え、その加湿制御手段は、アノード側の加湿量を、余剰ガスと共に排出される水分量と、プロトンの移動に伴ってアノード側からカソード側に移動する水分量とを加え、かつアノード側とカソード側との湿度差（水分量の差）によってカソード側からアノード側に浸透するバックデフュージョン水の水分量を差し引いて決定し、またカソード側の加湿量を、余剰空気と共に排出される水分量から、反応によって生じた生成水量と、ドラッグ水として供給される水分量とを減算し、これに前記バックデフュージョン水として失われる水分量を加えて決定する手段を含み、さらに前記燃料電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、前記加湿制御手段により決定された前記各加湿量を、前記内部抵抗検出手段で検出された内部抵抗が大きい場合には減量し、かつ前記内部抵抗検出手段で検出された内部抵抗が小さい場合には増量する第一加湿量補正手段とを備えていることを特徴とする制御装置である。
【００１３】
したがって請求項１の発明では、内部抵抗を増大させないように加湿をおこなうことができるので、燃料電池の出力を増大させることができる。
【００１４】
そして、請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記酸化性ガス流路はガスの入口部と出口部とを有し、その入口部の圧力を検出する入口圧力検出手段と、前記加湿制御手段により前記燃料電池の内部の状況に応じて決定された加湿量を、前記入口圧力検出手段で検出された前記入口部の圧力に基づいて増量もしくは減量する第二加湿量補正手段とを更に備えていることを特徴とする制御装置である。
【００１５】
したがって請求項２の発明では、燃料電池のガスの入口圧力が高いと、水分を含むガスが燃料電池に入りにくくなるが、その入口圧力に基づいて加湿量を補正するので、燃料電池にガスが入りにくい場合であっても加湿量が不足することを回避でき、また反対にガスが入りやすい場合に過剰に加湿することを回避できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図に示す具体例に基づいて説明する。図３は、この発明で対象とする燃料電池１の単体（単セル）を模式的に示しており、固体電解質２を挟んでアノード（陰極、燃料極）３と、カソード（陽極、空気極）４とが設けられている。その固体電解質２は、要は、イオン透過性のある物質からなるものであって、一例としてプロトン透過性のある高分子膜によって構成されている。また、各電極３，４は、撥水性のある粒子と触媒粒子とからなる多孔質層に集電体を密着させて構成されている。
【００１７】
さらにそのアノード３側には、燃料ガス流路５が形成され、その燃料ガス流路５に燃料ガス供給源の一例である改質器６が接続されている。この改質器６は、メタノールなどの炭化水素の改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成する装置であり、したがって図３に示す例では、改質ガスが燃料ガスとして用いられている。また、この改質器６は、改質反応に必要な水蒸気量以上の水蒸気を供給して改質ガスを適宜の湿潤状態に設定するように構成されている。
【００１８】
前記燃料ガス流路５における圧力を検出するための圧力センサ７が設けられている。これは、例えば、燃料ガス流路５の流入側の圧力と流出側の圧力と平均値としてアノード３側の圧力を検出するように構成されている。
【００１９】
一方、カソード４側には、酸化性ガス流路８が形成されており、この酸化性ガス流路８には、酸化性ガスとして空気を供給するエアポンプ９が接続されている。このエアポンプ９と酸化性ガス流路８との間には、空気に対して水分を付与する加湿アクチュエータ１０が接続されている。さらに、酸化性ガス流路８における圧力を検出するための圧力センサ１１が設けられている。これは、例えば酸化性ガス流路８の流入側の圧力と流出側の圧力との平均値としてカソード４側の圧力を検出するように構成されている。
【００２０】
上記の燃料電池１には、走行用モータなどの適宜の外部負荷１２が接続されており、その回路の途中には、電圧センサ１３と電流センサ１４とが設けられている。さらに、燃料電池１の抵抗値を検出する抵抗値センサ１５と、温度を検出する温度センサ１６が設けられている。そして、上記の各センサ７，１１，１３，１４，１５，１６や図示しない他のセンサから入力されるデータに基づいて演算をおこなって加湿量を制御する制御装置（ＥＣＵ）１７が設けられている。
【００２１】
上記の燃料電池１では、水素リッチな改質ガスを燃料ガスとして、空気中の酸素を酸化性ガスとすることにより、下記の反応が生じて起電力が得られる。すなわちアノード３側では、
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
の反応が生じて電子が放出され、またカソード４側では、
２Ｈ^＋＋１／２・Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
の反応が生じ、水が生成される。
【００２２】
各電極３，４および固体電解質２は上記の生成水と、各ガスと共に供給された水とによって湿潤状態に維持されるが、発電に伴う水分の浸透や余剰ガスによる外部への流出が生じる。そこでこの発明に係る制御装置１７では、図１に示すようにして加湿量（加湿のための水の量）を求めて加湿するように構成されている。
【００２３】
すなわち燃料電池１の内部での水の挙動は以下に述べるように解析できるので、燃料電池１の物理モデルに基づいて各運転状態に応じた加湿量が求められる（ステップＳ１）。先ず、アノード３側の加湿量Ｗain （mol／sec）は、余剰ガスと共に排出される水分量Ｗaout（mol／sec）と、プロトンの移動に伴ってアノード３側からカソード４側に移動する水分量（ドラッグ水の量）Ｗdrag（mol／sec）とを加え、かつアノード３側とカソード４側との湿度差（水分量の差）によってカソード４側からアノード３側に浸透する水分量（バックデフュージョン水の量）Ｗbackdef （mol／sec）を差し引いた量である。
【式１】

【００２４】
これに対してカソード４側の加湿量Ｗcin （mol／sec）は、余剰空気と共に排出される水分量Ｗcout（mol／sec）から、反応によって生じた生成水量Ｗgen （mol／sec）と、ドラッグ水として供給される水分量Ｗdragとを減算し、これにバックデフュージョン水として失われる水分量Ｗbackdef を加えた量である。
【式２】

【００２５】
上記の（１）式における余剰ガスと共に排出される水分および反応によって失われる水分の量と、ドラッグ水およびバックデフュージョン水との相殺分（Ｗdrag−Ｗbackdef ）とは、ファラディーの法則などを用いて近似的に下記の（３）式および（４）式で求まる。
【式３】

【式４】

【００２６】
なお、これら（３）式および（４）式において、Ｐcsはその時点の燃料電池１の温度における飽和水蒸気圧（ata）、Ｐa はアノード３側の圧力（ata）、Ａは電極の面積（ｃｍ^２）、Ｉは電流値（Ａ／ｃｍ^２）、ｓtaは水素ガス過剰率（アノードストイキ）、Ｆはファラディー定数（Ａ・sec／mol）、ｎはバックデフュージョンとドラッグ水とのトータルでプロトン１個につき移動する水分子の数、Ｐc はカソード側の圧力（ata）、ｓtcは酸素過剰率（カソードストイキ）をそれぞれ表している。
【００２７】
したがって各センサ７，１１，１３，１４，１５，１６で得られた電流値や燃料電池１の温度、各電極３，４での圧力、運転時に設定される各ガスの過剰率などのデータを上記の（３）式および（４）式に代入することにより、燃料ガスの加湿量Ｗain および酸化性ガスの加湿量Ｗcin の理論値を求めることができる。その場合、各電極３，４側での圧力を、加湿量を算定するパラメータとして採用し、圧力が高い場合には加湿量を少なくし、低圧の場合には加湿量を多くすることになるので、燃料電池１の内部の状況をより正確に反映した加湿をおこなうことができる。
【００２８】
前述したように、燃料電池１内の水分量は、抵抗値に大きく影響し、水分量が低下した場合には抵抗値が増大する。そして、抵抗値は実測することができるので、上記の物理モデルに基づいて求められた値を抵抗値に基づいて補正する（ステップＳ２）。下記の（５）式および（６）式は、実測された抵抗値Ｒfcに基づいて加湿量Ｗain 、Ｗcin を補正する演算式の一例である。
【式５】

【式６】

【００２９】
なお、これらの（５）式および（６）式で、ＲefRfcは目標抵抗値、Ｋpa、Ｋia、Ｋpc、Ｋicのそれぞれは予め定めた制御パラメータ、シグマ（ＲefRfc−Ｒfc）は目標抵抗値と実測した抵抗値との偏差の積算量である。
【００３０】
このように燃料電池１における物理量の実測値に基づいて加湿量を補正することにより、燃料電池１の内部の状況をより正確に反映した加湿をおこなうことが可能になる。
【００３１】
ところで、酸化性ガスである空気に対して水分を供給する加湿アクチュエータ１０は、一例として電圧に応じて吐出量が増大するタイプの加湿器であり、加湿水量と電圧とはほぼ比例関係にある。図２は、その特性線を示している。
【００３２】
一方、この加湿アクチュエータ１０によって加湿水を吐出する場合、酸化性ガス流路８の圧力が高いほど、相対的な吐出量が少なくなる。したがって目標とする加湿量を吐出するためには指令電圧を、酸化性ガス流路８における圧力に応じて高くする必要がある。このような圧力に応じた補正は、具体的には、酸化性ガス流路８の入口圧力に基づいておこなう（ステップＳ３）。すなわち入口圧力が高いほど、図２における比例定数（勾配）の大きい特性線に基づいた加湿アクチュエータ指令電圧を設定する。このような内部の圧力に基づいた補正をおこなうことにより、燃料電池１の内部の状況をより正確に反映した加湿をおこなうことが可能になる。
【００３３】
そして、上記のようにして求められた指令値を出力する（ステップＳ４）。すなわち加湿アクチュエータ１０に対しては入口圧力によって補正した指令電圧を出力する。また、アノード３側の加湿をおこなうために、改質器６におけるＳ／Ｃ（水蒸気量と炭素量との比）を、算出された加湿量となるように変化させる。
【００３４】
ここで、上記の具体例とこの発明との関係を説明すると、上記のステップＳ１の制御を実行する機能的手段が、請求項１および２の発明における加湿制御手段に相当し、前記抵抗値センサ１５が請求項１の発明における内部抵抗検出手段に相当し、上記のステップＳ２の制御を実行する機能的手段が、請求項１の発明における第一加湿量補正手段に相当し、前記圧力センサ１１が請求項２の発明における入口圧力検出手段に相当し、前記ステップＳ３の制御を実行する機能的手段が、請求項２の発明における第二加湿量補正手段に相当する。
【００３５】
なお、上記の具体例では、高分子電解質膜を使用した燃料電池を例に採って説明したが、この発明は上記の具体例に限定されないのであって、要は、加湿を必要とする燃料電池の制御装置に適用することができる。また、その燃料電池は、水素リッチな改質ガスや空気を使用する型式の燃料電池に限られないのであって、他の適宜のガスを使用する燃料電池であってもよい。したがってこの発明における物理モデルは、それぞれ対象とする燃料電池に応じたものを設定すればよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように請求項１の発明によれば、燃料電池内の水分量に直結して変化する内部抵抗に基づいて加湿量を補正するように構成したので、燃料電池内の水分が不足したり過剰になったりすることを防止でき、その結果、電解質や電極などにおける水分の制御精度が向上し、安定した高出力発電をおこなうことができる。
【００３８】
さらに請求項２の発明によれば、燃料電池の入口圧力に基づいて加湿量を補正するので、燃料電池の実際の状況を正確に反映した加湿をおこなうことが可能になり、この点でも加湿量の過不足を防止して安定した高出力発電をおこなうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による制御装置で実行される制御例を説明するためのフローチャートである。
【図２】加湿アクチュエータにおける加湿水量と指令電圧との関係を示す特性線図である。
【図３】燃料電池およびその制御系統の全体的に構成を模式的に示すブロック図である。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…固体電解質、３…アノード、４…カソード、５…燃料ガス流路、８…酸化性ガス流路、１０…加湿アクチュエータ、１７…制御装置。

Claims

燃料ガスと酸化性ガスとの反応によって電気的エネルギを発生し、かつアノードとカソードとから出力する燃料電池の制御装置において、
前記アノード側に設けられている燃料ガス流路の平均圧力を検出する圧力センサと、
前記カソード側に設けられている酸化性ガス流路の平均圧力を検出する圧力センサと、
前記燃料ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が高い場合に前記燃料ガスによる前記燃料電池に対する加湿量を少なくするとともに、前記燃料ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が低い場合に前記燃料ガスによる前記燃料電池に対する加湿量を多くし、また前記酸化性ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が高い場合に前記酸化性ガスによって燃料電池に対して供給する水分量である加湿量を少なくすることとともに、前記酸化性ガス流路の前記圧力センサで検出された圧力が低い場合に前記酸化性ガスによる前記燃料電池に対する加湿量を多くする加湿制御手段を備え、
その加湿制御手段は、アノード側の加湿量を、余剰ガスと共に排出される水分量と、プロトンの移動に伴ってアノード側からカソード側に移動する水分量とを加え、かつアノード側とカソード側との湿度差（水分量の差）によってカソード側からアノード側に浸透するバックデフュージョン水の水分量を差し引いて決定し、またカソード側の加湿量を、余剰空気と共に排出される水分量から、反応によって生じた生成水量と、ドラッグ水として供給される水分量とを減算し、これに前記バックデフュージョン水として失われる水分量を加えて決定する手段を含み、
さらに前記燃料電池の内部抵抗を検出する内部抵抗検出手段と、前記加湿制御手段により決定された前記各加湿量を、前記内部抵抗検出手段で検出された内部抵抗が大きい場合には減量し、かつ前記内部抵抗検出手段で検出された内部抵抗が小さい場合には増量する第一加湿量補正手段と
を備えていることを特徴とする燃料電池の制御装置。
前記酸化性ガス流路はガスの入口部と出口部とを有し、
その入口部の圧力を検出する入口圧力検出手段と、
前記加湿制御手段により前記燃料電池の内部の状況に応じて決定された加湿量を、前記入口圧力検出手段で検出された前記入口部の圧力に基づいて増量もしくは減量する第二加湿量補正手段と
を更に備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御装置。