JP4734963B2

JP4734963B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4734963B2
Application number: JP2005055893A
Authority: JP
Inventors: 信也坂口; 工藤　　弘康
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2011-07-27
Anticipated expiration: 2025-03-01
Also published as: JP2006244758A

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶およびポータブル発電機等の移動体用発電機、あるいは家庭用発電機に適用して有効である。

従来より、燃料電池の発電効率を向上させるために、冷却水の温度を制御して燃料電池の温度を均一化する燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−３４０７３４号公報

ところで、燃料電池は出力状態によって生成水の量が異なり、内部の水分状態が変化する。しかしながら、上記特許文献１に記載の発明では、燃料電池の出力に関係なく燃料電池内が常に一定の温度で均一になるように構成されているため、燃料電池の出力状態によっては燃料電池の温度が適切でなく、発電効率の向上を図れていない場合もあった。

本発明は、上記点に鑑み、燃料電池の出力に応じて、燃料電池の適切な冷却温度制御をすることで、発電効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）を冷却する冷却手段（４０〜４６）と、燃料電池（１０）が目標冷却温度になるように、冷却手段（４０〜４６）による冷却量を調整する冷却量調整手段（４１、４２、４５）と、燃料電池（１０）の出力を検出する出力検出手段（１１、１２）と、燃料電池（１０）の目標冷却温度を設定する目標冷却温度決定手段（５０）と、燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位および燃料電池（１０）内における乾燥しやすい部位の少なくとも一方の局所電流を測定する局所電流測定手段（６０）とを備え、目標冷却温度決定手段（５０）は、局所電流測定手段（６０）が燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定するものである場合において、局所電流測定手段（６０）により測定された電流値が第１所定値を下回ったときに、目標冷却温度を高くする、または、局所電流測定手段（６０）が燃料電池（１０）内における乾燥しやすい部位の局所電流を測定するものである場合において、局所電流測定手段（６０）により測定された電流値が第２所定値を下回ったときに、目標冷却温度を低くすることを特徴としている。

燃料電池（１０）の出力が高いときは生成水が大量に発生しているため、冷却水の温度を高くしても電解質膜の湿潤を保つことができる。よって、燃料電池（１０）の出力が高いときに燃料電池（１０）の温度を高くすることで、電解質膜の湿潤を保ちながら触媒活性を上げることができるため、燃料電池（１０）の発電効率を向上させることが可能となる。また、燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を検出し、検出された局所電流値が所定値を下回っている場合、すなわち燃料電池（１０）内に水分が滞留している場合は、冷却水の目標温度を上げて生成水を蒸発させることができる。このため、フラッディングを防止することが可能となる。また、燃料電池（１０）内における乾燥しやすい部位の局所電流を検出し、検出された局所電流値が所定値を下回っている場合、すなわち燃料電池（１０）内の水分が不足している場合は、目標冷却温度を下げて生成水を凝縮させることができる。このため、電解質膜の乾燥（ドライアップ）を防止することが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、燃料電池（１０）は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数個積層されて構成されており、燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位は、セル（１００）における酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１１２）であることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明では、燃料電池（１０）は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数個積層されて構成されており、燃料電池（１０）内における乾燥しやすい部位は、セル（１００）における酸化剤ガスが流入する酸化剤ガス入口部（１１１）であることを特徴としている。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図３に基づいて説明する。図１は本第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図で、この燃料電池システムは例えば電気自動車に適用される。

図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷（図示せず）等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行駆動源としての電動モータが電気負荷に相当している。

本第１実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セル１００が複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
そして、各セル１００毎の出力電圧を検出する電圧センサ１１と出力電流値を検出する電流センサ１２が設けられている。電圧センサ１１および電流センサ１２は、それぞれのセンサ信号を後述する燃料電池制御部５０に出力する。

燃料電池システムには、燃料電池１０の空気極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気流路２０と、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素流路３０が設けられている。ここで、空気流路２０における燃料電池１０より上流側を空気供給流路２０ａといい、下流側を空気排出流路２０ｂという。また、水素流路３０における燃料電池１０より上流側を水素供給流路３０ａといい、下流側を水素循環流路３０ｂという。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当している。

空気供給流路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための空気ポンプ２１が設けられ、空気供給流路２０ａにおける空気ポンプ２１と燃料電池１０との間には、空気への加湿を行う加湿器２２が設けられている。空気排出流路２０ｂには、燃料電池１０内の空気の圧力を調整するための空気調圧弁２３が設けられている。

水素供給流路３０ａの最上流部には、水素が充填された高圧水素タンク３１が設けられ、水素供給流路３０ａにおける高圧水素タンク３１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整するための水素調圧弁３２が設けられている。

水素循環流路３０ｂは、水素供給流路３０ａにおける水素調圧弁３２の下流側に接続されて閉ループに構成されており、これにより水素流路３０内で水素を循環させて、未反応の水素を燃料電池１０に再供給するようにしている。そして、水素循環流路３０ｂには、水素流路３０内で水素を循環させるための水素ポンプ３３と、燃料電池１０から排出される窒素や水蒸気を含む未反応水素を外部に排出する排気バルブ３４が設けられている。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システム（冷却手段）４０〜４６が設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水循環経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ファン４２を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。冷却水循環経路４０には、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるバイパス経路４４が設けられている。冷却水循環経路４０とバイパス経路４４との合流点には、ラジエータ４３に流れる冷却水とバイパス経路４４に流れる冷却水の流量比を調整する流量調整弁４５が設けられている。冷却水循環経路４０におけるラジエータ４３の上流側には、燃料電池１０の出口側の冷却水温度を検出するための温度センサ４６が設けられている。

ウォータポンプ４１、ラジエータファン４２、流量調整弁４５は後述する燃料電池制御部５０からの制御信号に基づいて作動するように構成されており、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４２、流量調整弁４５が本発明の冷却量調整手段に相当している。

燃料電池制御部（ＦＣ−ＥＣＵ）５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。そして、燃料電池制御部５０には、電圧センサ１１、電流センサ１２、温度センサ４６からのセンサ信号が入力される。また、燃料電池制御部５０は、演算結果に基づいて、空気ポンプ２１、加湿器２２、空気調圧弁２３、水素調圧弁３２、水素ポンプ３３、排気バルブ３４、ウォータポンプ４１、ラジエータファン４２、流量調整弁４５に制御信号を出力する。なお、燃料電池制御部５０が、本発明の目標冷却温度決定手段に相当している。

図２は、本第１実施形態おける燃料電池１０の出力と冷却水の目標温度との関係を示す特性図である。燃料電池制御部５０のＲＯＭには、図２で示す燃料電池１０の出力と冷却水の目標温度とが関連づけられたマップがあらかじめ記憶されている。図２に示すように、燃料電池１０の出力と冷却水の目標温度は比例関係になっており、出力が高いときには冷却水の目標温度を高くして、出力が低いときには目標温度を低くするようになっている。

次に、本第１実施形態の燃料電池システムの温度制御について図３に基づいて説明する。図３は、本第１実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う燃料電池１０の冷却制御を示すフローチャートである。

まず、燃料電池１０の出力を検出する（ステップＳ１００）。本第１実施形態では、電圧センサ１１および電流センサ１２から直接出力を検出するようになっている。

次に、ＲＯＭから燃料電池１０の出力と冷却水の目標温度とが関連づけられたマップを読み出して、ステップＳ１００で検出された燃料電池１０の出力から冷却水の目標温度を決定する（ステップＳ１１０）。

次に、冷却水の温度がステップ１１０において決定された目標温度になるように、燃料電池１０の冷却量を制御する（ステップＳ１２０）。すなわち、冷却水の目標温度に基づいて、ウォータポンプ４１の回転数、ラジエータファン４２の回転数、流量調整弁４５のバルブ開度を制御する。具体的には、ウォータポンプ４１の回転数、ラジエータファン４２の回転数、流量調整弁４５のバルブ開度のうち少なくともひとつを調整することで、冷却水温度を調整する。

例えば、ウォータポンプ４１の回転数を調整することで、冷却水の循環量を調整することができ、これにより冷却水温度を調整することができる。また、ラジエータファン４２の回転数を調整することで、ラジエータ４３への送風量を調整することができ、これによりラジエータ４３の放熱量を調整し、冷却水温度を調整することができる。また、流量調整弁４５のバルブ開度を調整することで、ラジエータ４３に流れる冷却水とバイパス経路４４に流れる冷却水の流量比を調整することができ、これにより冷却水温度を調整することができ、燃料電池１０の温度を調整することができる。

燃料電池１０の温度が高いと燃料電池１０内の水分の蒸発が進むが、燃料電池１０の出力が高いときは生成水が大量に発生しているため、本第１実施形態のように、燃料電池１０の出力が大きいときに燃料電池１０の冷却量を小さくし、燃料電池１０の温度を高くすることで、電解質膜の湿潤を保つことができる。燃料電池１０は、温度が高い方が触媒活性がよいため、電解質膜の湿潤を保ちながら触媒活性を上げることができ、燃料電池１０の発電効率を向上させることが可能となる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図４に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、本第２実施形態おける燃料電池１０の出力と冷却水の目標温度との関係を示す特性図である。上記第１実施形態では、燃料電池１０の出力が高くなるに応じて冷却水の目標温度を直線的に高くするように制御していたが、本第２実施形態では、図４に示すように、冷却水の目標温度を段階的に高くするように制御している。こうすることで、燃料電池１０の出力が所定の範囲内の場合は冷却水の目標温度を変更する必要がないため、温度制御を簡略化することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図５〜図１０に基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態と比較して、局所電流値に基づいて冷却水の目標温度を決定する点が異なるものである。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

図５は本第３実施形態に係る電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図、図６は図５の燃料電池１０の側面図である。

図６に示すように、セル１００は、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）１０１と、このＭＥＡ１０１を挟持する空気側セパレータ１１０および水素側セパレータ１２０で構成されている。セパレータ１１０、１２０は、カーボン材または導電性金属よりなる板状部材からなる。

図６に実線で示すように、空気側セパレータ１１０には、空気を流すための空気流路Ａが形成されており、空気流路Ａを介して酸素が各セル１００に対して並列に供給される。また、図６に一点鎖線で示すように、水素側セパレータ１２０には、水素を流すための水素流路Ｂが形成されており、水素流路Ｂを介して水素が各セル１００に対して並列に供給される。

図５に示すように、積層されたセル１００の両端には端子板１１が配置されている。図５中の斜線で示すように、ある２つのセル１００の間に電流測定装置６０が配置されている。

図７は電流測定装置６０の斜視図であり、図８は図７の電流測定装置６０の要部の正面図である。図７に示すように、電流測定装置６０は板状部材６００を備えている。板状部材６００には、空気入口側通路６００ａ、空気出口側通路６００ｂ、水素入口側通路６００ｃ、水素出口側通路６００ｄが形成されている。

図７、図８に示すように、板状部材６００の紙面右上には、ロの字状の溝６０１によって囲まれた直方体の柱状部６０２が形成され、この柱状部６０２の端部は隣り合うセル１００に接触するようになっている。なお、図７、図８に示す例では溝６０１をロの字状とし、柱状部６０２を直方体状としたが、これに限らず、例えば溝６０１を円状、柱状部６０２を円柱状のような他の形状にすることもできる。

図８に示すように、溝６０１には、柱状部６０２を囲むようにして鉄心６０３が配置され、鉄心６０３の両端部間に磁気センサとしてのホール素子６０４が配置されている。鉄心６０３とホール素子６０４は、局所電流センサを構成している。なお、鉄心６０３とホール素子６０４とが、本発明の局所電流測定手段に相当している。また、磁気センサとしてホール素子の他にＭＲ素子、ＭＩ素子、フラックスゲート等を用いることができる。さらに、シャント抵抗を用いた電流センサ等を用いることもできる。

上記構成において、セル１００における柱状部６０２に対向する部位から放電される局所電流が柱状部６０２に流れると、その電流に比例した磁界が柱状部６０２の周囲に発生する。ホール素子６０４は、局所電流によって発生した磁界を検出し、電圧に変換する。したがって、鉄心６０３部の磁界の強さをホール素子６０４にて測定することにより、柱状部６０２を流れる電流、ひいてはセル１００の局所電流を検出することができる。

図９は、図６の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。図９に示すように、空気側セパレータ１１０は、空気流路Ａに接続される空気入口部１１１および空気出口部１１２と、空気入口部１１１から空気出口部１１２に向かって空気を流すための空気流路溝１１３とを備えている。

上述の図７で示した電流測定装置６０の柱状部６０２は、空気出口部１１２の近傍（図９において符号Ｃで示す領域）に対応する部位に設けられており、図８で示した局所電流センサ６０３、６０４は空気出口部１１２近傍Ｃ（以下、空気出口部分Ｃという）における局所電流を測定できるように構成されている。なお、空気出口部分Ｃが、本発明の水分が滞留しやすい部位に相当している。

次に、本第３実施形態の燃料電池システムの温度制御について図１０に基づいて説明する。図１０は、本第３実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う燃料電池１０の冷却制御を示すフローチャートである。

まず、空気出口部分Ｃの局所電流を検出する（ステップＳ２００）。そして、ステップＳ２００で検出した局所電流値が所定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ２１０）。この結果、空気出口部分Ｃの局所電流値が所定値を下回っている場合は（Ｓ２１０：ＹＥＳ）、空気出口部分Ｃに水分が滞留していると診断し、冷却水の目標温度を上げる（ステップＳ２２０）。これにより、セル１００内に滞留した水分を蒸発させることができる。

一方、空気出口部分Ｃの局所電流値が所定値を下回っていない場合は（Ｓ２１０：ＮＯ）、空気出口部分Ｃに水分は滞留していないと診断し、冷却水の目標温度をそのまま保持する（ステップＳ２３０）。

次に、冷却水の温度がステップＳ２２０もしくはＳ２３０において決定された目標温度になるように、冷却量を制御する（ステップＳ２４０）。

以上説明したように、セル１００内における水分が滞留しやすい部位である空気出口部分Ｃの局所電流を検出し、その局所電流値が所定値を下回っている場合、すなわちセル１００内に水分が滞留している場合は、冷却水の目標温度を上げて生成水を蒸発させることができる。これにより、フラッディングを防止することができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図９および図１１に基づいて説明する。本第４実施形態は、上記第３実施形態と比較して、セル１００内における乾燥しやすい部位の局所電流値に基づいて冷却水の目標温度を決定する点が異なるものである。上記第３実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。

本第４実施形態では、上述の図７で示した電流測定装置６０の柱状部６０２が、空気入口部１１１の近傍（図９において符号Ｄで示す領域）に対応する部位に設けられており、図８で示した局所電流センサ６０３、６０４は空気入口部１１１近傍Ｄ（以下、空気入口部分Ｄという）における局所電流を測定できるように構成されている。なお、空気入口部分Ｄが、本発明の乾燥しやすい部位に相当している。

次に、本第４実施形態の燃料電池システムの温度制御について図１１に基づいて説明する。図１１は、本第４実施形態における燃料電池システムの制御部５０がＲＯＭに格納されたプログラムに従って行う燃料電池１０の冷却制御を示すフローチャートである。

まず、空気入口部分Ｄの局所電流を検出する（ステップＳ３００）。そして、ステップＳ３００で検出した局所電流値が所定値を下回っているか否かを判定する（ステップＳ３１０）。この結果、空気入口部分Ｄの局所電流値が所定値を下回っている場合は（Ｓ３１０：ＹＥＳ）、空気入口部分Ｄが乾燥していると診断し、冷却水の目標温度を下げる（ステップＳ３２０）。これにより、生成水を凝縮させて、セル１００内の乾燥状態を改善することができる。

一方、空気入口部分Ｄの局所電流値が所定値を下回っていない場合は（Ｓ３１０：ＮＯ）、空気入口部分Ｄに水分は滞留していないと診断し、冷却水の目標温度をそのまま保持する（ステップＳ３３０）。

次に、冷却水の温度がステップＳ３２０もしくはＳ３３０において決定された目標温度になるように、冷却量を制御する（ステップＳ３４０）。

以上説明したように、セル１００内における乾燥しやすい部位である空気入口部分Ｄの局所電流を検出し、その局所電流値が所定値を下回っている場合、すなわちセル１００内の水分が不足している場合は、冷却水の目標温度を下げて生成水を凝縮させることができる。これにより、電解質膜のドライアップを防止することができる。

（他の実施形態）
なお、上記第１および第２実施形態では、燃料電池１０の出力を電圧センサ１１および電流センサ１２により直接検出していたが、他の手段により燃料電池１０の出力を検出するように構成してもよい。

燃料電池１０の出力が運転者によるアクセルの操作量に応じて変化するように構成されている場合には、アクセルの開度（操作量）を検出してアクセル開度信号を出力するアクセル開度センサを設け、検出されたアクセル開度から燃料電池１０の出力を間接的に検出してもよい。このとき、燃料電池１０の電圧値および電流値から直接出力を検出する場合よりも早く温度制御を行うことができるため、燃料電池１０の発電効率の向上に寄与できる。なお、アクセル開度センサとともに、車速を検出して車速信号を出力する車速センサを用いてもよい。

または、車両用ナビゲーション装置の道路勾配情報から燃料電池１０の出力を間接的に検出してもよい。このとき、アクセル開度から出力を検出する場合よりも早く温度制御を行うことができるため、さらに燃料電池１０の発電効率の向上に寄与できる。

第１実施形態に係る燃料電池システムを示す模式図である。第１実施形態おける燃料電池１０の出力と冷却水の目標温度との関係を示す特性図である。第１実施形態における燃料電池１０の冷却制御を示すフローチャートである。第２実施形態おける燃料電池１０の出力と冷却水の目標温度との関係を示す特性図である。第３実施形態に係る電流測定装置６０を装着した燃料電池１０の斜視図である。図５の燃料電池１０の側面図である。第３実施形態に係る電流測定装置６０の斜視図である。図７の電流測定装置６０の要部の正面図である。図６の右側から見た空気側セパレータ１１０の透視図である。本第３実施形態における燃料電池１０の冷却制御を示すフローチャートである。第４実施形態における燃料電池１０の冷却制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…電圧センサ（出力検出手段）、１２…電流センサ（出力検出手段）、４０〜４６…冷却システム（冷却手段）、５０…燃料電池制御部（目標冷却温度決定手段）、６０…局所電流測定装置。

Claims

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させる燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）を冷却する冷却手段（４０〜４６）と、
前記燃料電池（１０）が目標冷却温度になるように、前記冷却手段（４０〜４６）による冷却量を調整する冷却量調整手段（４１、４２、４５）と、
前記燃料電池（１０）の出力を検出する出力検出手段（１１、１２）と、
前記燃料電池（１０）の前記目標冷却温度を設定する目標冷却温度決定手段（５０）と、
前記燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位および前記燃料電池（１０）内における乾燥しやすい部位の少なくとも一方の局所電流を測定する局所電流測定手段（６０）とを備え、
前記目標冷却温度決定手段（５０）は、
前記局所電流測定手段（６０）が前記燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位の局所電流を測定するものである場合において、前記局所電流測定手段（６０）により測定された電流値が第１所定値を下回ったときに、前記目標冷却温度を高くする、または、
前記局所電流測定手段（６０）が前記燃料電池（１０）内における乾燥しやすい部位の局所電流を測定するものである場合において、前記局所電流測定手段（６０）により測定された電流値が第２所定値を下回ったときに、前記目標冷却温度を低くすることを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数個積層されて構成されており、
前記燃料電池（１０）内における水分が滞留しやすい部位は、前記セル（１００）における酸化剤ガスが流出する酸化剤ガス出口部（１１２）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）は、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電気エネルギを発生させるセル（１００）が複数個積層されて構成されており、
前記燃料電池（１０）内における乾燥しやすい部位は、前記セル（１００）における酸化剤ガスが流入する酸化剤ガス入口部（１１１）であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。