JP4895989B2 - 適応性水素抜き取りの枠組みのためのスタッククロスオーバー率のオンライン検出 - Google Patents

Description

本発明は、概して、燃料電池スタックのアノード側部から窒素を除去するためアノード排気ガスの抜き取りを何時実行するべきかを決定するためのプロセスに係り、より詳しくは、電池膜に形成されたピンホールの結果として起こった該電池膜を通してアノード側部からカソード側部への漏れ速度を考慮して、燃料電池スタックのアノード側部から窒素を除去するためアノード排気ガスの抜き取りを何時実行するべきかを決定するためのプロセスに関する。

水素は、クリーンで燃料電池内に電気を効率的に生成するため使用することができるため、非常に魅力的な燃料である。水素燃料電池は、アノード及びカソードを備え、それらの間に電解質を備える電気化学式装置である。アノードは、水素ガスを受け取り、カソードは、酸素又は空気を受け取る。水素ガスは、自由な水素陽子及び電子を発生するためアノード内で分解される。陽子は、電解質を通ってカソードへと至る。水素陽子は、カソードにおいて、酸素及び電子と反応し、水を発生する。アノードからの電子は、電解質を通過することができず、よって、負荷を通るように差し向けられ、カソードに送られる前に仕事を実施する。

陽子交換膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）は、車両のための人気のある燃料電池である。ＰＥＭ燃料電池は、一般に、過フッ化スルホン酸等の固体ポリマー電解質陽子伝達膜を備えている。アノード及びカソードは、典型的には、通常ではプラチナ（Ｐｔ）等の細かく分割された触媒粒子を含んでおり、これらの粒子は、炭素粒子上に支持され、イオノマーと混合されている。触媒混合物は、膜の両側に配置されている。アノード触媒混合物、カソード触媒混合物及び膜の組み合わせは、膜電極アッセンブリ（ＭＥＡ）を形成する。膜電極アッセンブリは、製造する上で比較的高価であり、効率的な作動のため幾つかの条件を必要としている。

幾つかの燃料電池は、典型的には、所望の電力を発生させるため燃料電池内に結合されている。例えば、車両のための典型的な燃料電池スタックは、２百個以上も積み重ねられた燃料電池を持ち得る。燃料電池スタックは、カソード入力ガス、典型的には、コンプレッサによりスタックを通して流された空気の流れを受け取る。酸素の必ずしも全てが、スタックにより消費されるわけではなく、空気の中には、スタック副産物として水を含み得るカソード排気ガスとして出力されるものがある。燃料電池スタックは、アノード水素入力ガスを受け取り、該ガスは、スタックのアノード側部へと流れていく。当該スタックは冷却流体が流れる流れチャンネルも備えている。

燃料電池スタックは、スタック中の幾つかのＭＥＡの間に配置された、一連の二極式プレートを備える。二極式プレート及び膜電極アッセンブリは２つの端部プレートの間に配置される。二極式プレートは、スタック内の隣接する燃料電池のためアノード側部及びカソード側部を備える。アノードガス流れチャンネルは、二極式プレートのアノード側部に設けられ、アノードガスが各々の膜電極アッセンブリへと流れることを可能にする。カソードガス流れチャンネルは、二極式プレートのカソード側部上に設けられ、カソードガスが各々の膜電極アッセンブリへと流れることを可能にする。一方の端部プレートはアノードガス流れチャンネルを備え、他方の端部プレートはカソードガス流れチャンネルを備えている。二極式プレート及び端部プレートは、例えばステンレス鋼又は導電性複合物等、導電性材料から作られている。端部プレートは、燃料電池により発生された電気をスタックから伝達する。二極式プレートは、流れチャンネルを更に備え、該流れチャンネルを通って、冷却流体が流れる。

膜電極アッセンブリは、透過性を持ち、よって空気中の窒素がスタックのカソード側部から、該アッセンブリを通して透過し、スタックのアノード側部内に集まることを可能にする。これは、当該産業分野において窒素クロスーオーバーと称されている。たとえ、アノード側部の圧力がカソード側部の圧力よりも高かったとしても、カソード側部の分圧は膜を通して空気を透過させる。燃料電池スタックのアノード側部内の窒素は、水素を薄め、それにより、水素濃度が一定のパーセンテージ、例えば５０％を超えて増加した場合、燃料電池スタックは不安定となり、故障しかねない。当該技術分野では、スタックのアノード側部から窒素を除去するため燃料電池スタックのアノード排気ガス出力部に抜き取りバルブを提供することが知られている。

アノード排気ガスの抜き取りを何時トリガーするべきかを知るためスタック作動の間にアノード排気ガス内の窒素濃度のオンライン推定を提供するためのアルゴリズムが典型的に用いられる。当該アルゴリズムは、カソード側部からアノード側部までの透過速度及びアノード排気ガスの周期的抜き取りに基づいてスタックのアノード側部内の時間に関する窒素濃度を追跡する。当該アルゴリズムは、所定の閾値、例えば１０％を超える窒素濃度の増大を計算したとき、抜き取りをトリガーする。当該抜き取りは、ある期間に亘って実行され、多数のスタックアノード体積を抜き取ることを可能にし、かくして、窒素濃度を閾値以下に減少させる。

既知のアノード排気ガスの抜き取りの枠組みは、スタックの寿命を通した膜の透過速度の変化を考慮に入れていない。特に、当該技術分野で良く理解されているように、膜電極アッセンブリは、アノード側部とカソード側部との間の透過速度を増大させる電気化学反応の結果としてスタックの使用期間が増加するにつれてピンホールを連続的に形成していく。典型的にはアノード側部はカソード側部より高い絶対圧力で維持されるので、アノード側部内の窒素の蓄積率は、実際に時間の経過と共に減少し、要求されるアノード排気ガスの抜き取り量又はアノード排気ガスの抜き取りの期間がより少なくなる。特に、窒素は、ピンホールを通した対流によってアノード側部からカソード側部まで逆流する。

本発明の教えによれば、燃料電池スタックの使用期間が増加していくときに燃料電池スタックからアノード排気ガスを何時抜き取るべきかを決定するためのシステム及び方法が開示される。本方法は、燃料電池スタックのカソード側部から燃料電池スタックのアノード側部へと流れる窒素の量を決定する。本方法は、燃料電池スタック内の燃料電池の電圧出力の標準偏差を決定し、燃料電池スタックのアノード側部からカソード側部への前記窒素の漏れ速度を決定するためのモデルとして前記標準偏差を使用することによって、燃料電池スタックのカソード側部から燃料電池スタックのアノード側部へと流れる窒素の量を決定する。当該漏れ速度は、アノード側部からカソード側部への窒素の流量に変換される。本方法は、燃料電池スタックのカソード側部及びアノード側部の間の窒素の流量に基づいて燃料電池スタックのアノード側部内の窒素の濃度を決定し、燃料電池スタックのアノード側部内の窒素の濃度が所定値を超えた場合にアノード排気ガスを抜き取るため抜き取りバルブを開放する。

本発明の更なる特徴は、添付図面を参照しつつ、次の詳細な説明及び添付された請求の範囲から明らかとなろう。

燃料電池スタックの寿命を通して燃料電池システム内のアノード排気ガスの抜き取りを何時提供するべきかを決定するためのプロセスに関する本発明の実施例についての次の説明は、本質的に単なる例示にしか過ぎず、本発明又はその用途若しくは使用法を制限するものではない。

図１は、アノード側部５２と、カソード側部５４と、それらの間の膜５６とを備える燃料電池５０を表している。ライン５８は、カソード側部５４からアノード側部５２までの窒素のクロスオーバーの流れを表し、ライン６０は、アノード排気ガスの抜き取りの間にアノード側部５２からの流れを表し、ライン６２は、膜５６内のピンホールを通してアノード側部５２からの窒素の透過を表している。内部の透過は、膜内のピンホールを通しているので、スタック５０が新しいときアノード側部５２からカソード側部５４までの窒素の流量が非常に低く、かくしてアノード排気ガスの抜き取りモデルは、典型的には、アノード排気ガスの抜き取りを何時提供するべきかを決定するため、この透過を考慮していない。アノード排気ガスの抜き取りモデルがこの透過を考慮していないので、それらはスタックの使用期間が増加していくにつれて、必要とはならないうちにアノード排気ガスの抜き取りをトリガーし、かくして、燃料の効率を減少させる。

膜の漏れ速度は、車両サービスの間にオフラインで決定することができ、アノード排気抜き取りモデルを更新することができる。しかし、燃料電池スタックの使用期間が増加するにつれて抜き取り制御の枠組みと連続的に適応するオンライン技術を有することがより望ましい。

図２は、燃料電池スタック１２を備える燃料電池システム１０の概略ブロック図である。燃料電池システム１０は、アノード排気ガスをアノード入口に戻すように再循環させる燃料電池システム及びアノード流れのシフト機能を備えた分割スタック設計を用いる燃料電池システム等、スタック１２のアノード側部から窒素を除去するためアノード排気ガスの抜き取りを必要とする任意種類の燃料電池システムを一般に表すことが意図されている。水素源１４からの水素ガスは、ライン１８上で燃料電池スタック１２のアノード側部へと提供される。コンプレッサ３０からの空気は、ライン３２上で燃料電池スタック１２のカソード側部へと提供される。アノード排気ガスは、ライン２０上で燃料電池スタック１２から出力され、抜き取りバルブ２６へと送られる。カソード排気ガスは、カソード排気ガスライン３４上で燃料電池スタック１２から出力される。

上述されるように、燃料電池スタック１２のカソード側部からの窒素のクロスオーバーはアノード側部内の水素を希釈させ、スタックの性能に影響を及ぼす。従って、アノードサブシステム内の窒素量を減少させるためアノード排気ガスを周期的に抜き取ることが必要となる。抜き取りバルブ２６が開放されたとき、抜き取られたアノード排気ガスは抜き取りライン２８を通って流れる。本実施例では、ライン２８内の抜き取られたガスは、混合接続部３６内のライン３４でカソード排気ガスと混合される。

アノードサブシステムを監視するため、様々なセンサがシステム１０内で提供される。特に、圧力センサ４０は、抜き取りバルブ２６への入口の圧力を測定し、圧力センサ４２は、抜き取りバルブ２６の出口での圧力を測定し、温度センサ４４は、抜き取りバルブ２６への入口におけるアノード排気ガスの温度を測定する。更には、流量計４６が燃料電池スタック１２のカソード側部に入力された空気の流量を測定する。代替の実施例では、流量計４６を無くすことができ、コンプレッサ空気の流量は、例えばコンプレッサマップ、コンプレッサ速度、入口／出口の圧力、温度等の様々な因子に基づいて導出することができる。

上述されるように、水素の濃度が所定の安全レベル以下に維持されるようにアノード排気ガスのカソード排気ガスライン３４への抜き取りを制御することが必要となる。典型的には、混合されたアノード及びカソードの排気ガス内の水素のパーセンテージを体積にして数パーセント以下に維持することが望ましい。この機能を実行するため、コントローラ４８は、温度センサ４４から温度信号を受け取り、圧力センサ４０から圧力信号を受け取り、圧力センサ４２から圧力信号を受け取り、流量計４６から流量信号を受け取る。コントローラ４８は、抜き取りバルブ２６から抜き取られた水素の濃度を決定するアルゴリズムを使用し、組み合わされた排気ガス内の水素の濃度を所定レベル以下に維持するため、コンプレッサ３０及び抜き取りバルブ２６を制御する。コントローラ４８は、アノード排気ガス内の窒素の濃度を決定し、該窒素の濃度を減少させるためアノード排気ガスの抜き取りが何時必要となるかを決定するためアルゴリズムを使用する。

膜内のピンホールを通って燃料電池スタック内の燃料電池のアノード側部からカソード側部へと流れるアノードガスの漏れ速度即ち透過速度と、燃料電池スタックの遷移窓に亘る燃料電池の電圧範囲の標準偏差σ^Ｔ _Ｒとの間に相関が存在していることが発見された。漏れ速度は、燃料電池スタックの使用期間が増加していくとき、テストから決定することができ、標準偏差σ^Ｔ _Ｒは次式により決定される。

ここで、Ｖ_i ^jは遷移窓におけるｊ番目のサンプルに対するｉ番目の電池の電圧であり、ΔＶ_i＝Ｖ_i ^max−Ｖ_i ^minはｉ番目のサンプルの電圧範囲である。
燃料電池スタック１２内の燃料電池の電圧範囲の標準偏差σ^Ｔ _Ｒは、当該範囲が、画定された期間に亘ってどのくらい変化するかの尺度である。幾つかの電池がピンホールを持っている場合には、それらは、パワー遷移の間に電圧のより大きな揺動を表し、よって、標準偏差σ^Ｔ _Ｒの増大をもたらす。

図３は、水平軸上の時間、左側垂直軸上の漏れ速度と、右側垂直軸上の燃料電池の標準偏差σ^Ｔ _Ｒとのグラフであり、漏れ速度と標準偏差との間の相関を示し、グラフ線７０は漏れ速度、グラフ７２は標準偏差を示している。漏れ速度は、ピンホールのサイズ又はピンホールの数のいずれが増加するにしてもピンホールの面積が増加するときに増加する。漏れ速度がスタック１２の寿命に亘って増加するとき、標準偏差σ^Ｔ _Ｒも増加する。

一実施例では、コントローラ４８は、燃料電池スタック１２が、所定の窓、例えば５分間に亘って、例えば停止及び発進の交通状態の間等、多数のパワー遷移又は変化を表すとき、標準偏差σ^Ｔ _Ｒを計算する。スタックパワー遷移の間の膜電極アッセンブリに亘る圧力降下及び膜加湿サイクルの故に、定常状態の動作の間ではなく遷移窓の間に標準偏差σ^Ｔ _Ｒを計算することが望ましい。

典型的には、アノード排気ガスの抜き取りの間に、カソード排気ガスがアノード排気ガス抜き取りライン２８に入らないように、アノード圧力は、カソード圧力より僅かに高い圧力に維持されている。幾つかのスタック設計に関して、アノード入力部とアノード出力部との間の圧力降下は、カソード入力部とカソード出力部との間の圧力降下に比べて比較的小さく、パワーレベルが増加したとき線形的に増加する。かくして、カソード入口圧力は、より高い負荷で、より大きくなる。更には、カソード圧力が、圧力揺動の結果としてのパワー遷移の間により高くなる瞬間が存在し得る。かくして、スタックパワー遷移の間に、カソード入口がアノード入口より高い圧力を受け取る。従って、ピンホールを有する燃料電池は、アノード内に移動する空気に起因して電圧の揺動が見られ、かくして標準偏差σ^Ｔ _Ｒの増大を引き起こす。更には、相対湿度（ＲＨ）の周期的変動は、遷移の間に、膜を収縮、膨張させる。また、テストは、スタックが相対湿度８０％対相対湿度１１０％にあるとき、漏れ速度診断において遙かに高い漏れ速度が提供されることを示している。

制御アルゴリズムは、一旦、アノードからカソードへの一定の漏れ速度を検知すると、アノード側部からカソード側部へと流れる窒素の量を計算することができる。特にアノード側部からカソード側部へと流れる窒素の量は、比例因子を乗じたアノード側部とカソード側部との間の圧力差に漏れ速度を乗じた量の関数となる。かくして、スタックパワー遷移の間に燃料電池スタックのアノード側部からカソード側部への窒素の流れを連続的に更新するアルゴリズムを提供することができる。当業者は、アノード排気ガスの抜き取りを何時実行するべきかを決定するため、アノード側部内の窒素の濃度を決定するモデルを修正するためアノード側部からカソード側部へと流れる窒素の量を如何に使用するべきかを容易に認識するであろう。この機能を実行するため様々なモデルが当業者には知られている。

前記説明は、本発明の一例としての実施例を単に開示し説明したに過ぎない。当業者は、そのような説明、並びに、添付した図面及び請求の範囲から、請求の範囲により画定されたような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更、修正及び変形をなすことができることを容易に認識するであろう。

図１は、燃料電池のカソード側部からアノード側部までの窒素の透過、燃料電池のアノード側部からカソード側部までの窒素の透過及び燃料電池のアノード側部からの窒素の抜き取りを示す燃料電池の平面図である。 図２は、燃料電池スタックからアノード排気ガスを抜き取るための抜き取りバルブを備える燃料電池システムの概略平面図である。 図３は、水平軸上の時間、燃料電池スタックのアノード側部からカソード側部までの左側垂直軸上の漏れ速度と、右側垂直軸上の燃料電池の標準偏差のグラフであり、クロスオーバーの漏れと燃料電池スタックのための電池電圧標準偏差との間の相関を示している。

Claims (13)

1. 燃料電池スタックからアノード排気ガスを何時抜き取るべきかを決定するための方法であって、
   前記燃料電池スタックのカソード側部から該燃料電池スタックのアノード側部へと流れる窒素の量を決定し、
   前記燃料電池スタックの前記アノード側部から該燃料電池スタックの前記カソード側部へと流れる窒素の量を決定し、
   前記燃料電池スタックの前記カソード側部及び前記アノード側部の間の窒素の流量に基づいて前記燃料電池スタックの前記アノード側部内の窒素の濃度又は水素の濃度を決定し、
   前記燃料電池スタックの前記アノード側部内の前記窒素の濃度が所定値を超えた場合に、アノード排気ガスを抜き取る、各工程を備え、
   前記燃料電池スタックの前記アノード側部から該燃料電池スタックの前記カソード側部へと流れる窒素の量を決定する工程では、
   前記燃料電池スタック内の燃料電池の電圧出力の標準偏差を決定し、
   前記燃料電池スタックの前記アノード側部から前記カソード側部への前記窒素の漏れ速度を決定するためのモデルとして前記標準偏差を使用することにより前記アノード側部から前記カソード側部への窒素の漏れ速度を決定し、
   比例因子を乗じた前記アノード側部と前記カソード側部との間の圧力差に、前記アノード側部から前記カソード側部への前記窒素の漏れ速度を乗じる、方法。
2. 前記燃料電池の前記電圧出力の標準偏差を決定する工程は、前記燃料電池スタックのパワー遷移の間にのみ所定の期間に亘って前記燃料電池の電圧出力の標準偏差を決定する工程を備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記燃料電池スタックの前記アノード側部から前記カソード側部への窒素の流量は、前記スタックの使用期間が増加するにつれて増加する、請求項１に記載の方法。
4. 前記燃料電池スタックの前記アノード側部から該燃料電池スタックの前記カソード側部への窒素の流量は、前記燃料電池スタック内の燃料電池の膜に存在するピンホールの結果である、請求項１に記載の方法。
5. 前記抜き取られたアノード排気ガスを前記燃料電池スタックからのカソード排気ガスと混合する工程を更に備える、請求項１に記載の方法。
6. 燃料電池システムであって、
   燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックからカソード排気ガスを出力するカソード排気ガスラインと、
   前記燃料電池スタックからアノード排気ガスを出力するアノード排気ガスラインと、
   前記アノード排気ガスを抜き取るため前記アノード排気ガスラインに連結された抜き取りバルブと、
   前記抜き取りバルブが開放されているとき前記アノード排気ガスを受け取る、前記抜き取りバルブに連結されたアノード抜き取りラインと、
   何時、前記抜き取りバルブを開放して前記アノード排気ガスラインから前記アノード排気ガスを抜き取るべきかを決定するためのコントローラであって、該コントローラは、前
   記燃料電池スタックのカソード側部から該燃料電池スタックのアノード側部へと流れる窒素の量を決定し、前記燃料電池スタックのアノード側部から該燃料電池スタックのカソード側部へと流れる窒素の量を決定し、前記燃料電池スタックの前記カソード側部及び前記アノード側部の間の窒素の流量に基づいて前記燃料電池スタックの前記アノード側部内の窒素の濃度又は水素の濃度を決定し、前記燃料電池スタックの前記アノード側部内の前記窒素の濃度が所定値を超えた場合に、アノード排気ガスを抜き取る、前記コントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記燃料電池スタック内の燃料電池の電圧出力の標準偏差を決定し、
   前記燃料電池スタックの前記アノード側部から前記カソード側部への前記窒素の漏れ速度を決定するためのモデルとして前記標準偏差を使用することにより前記アノード側部から前記カソード側部への窒素の漏れ速度を決定し、
   比例因子を乗じた前記アノード側部と前記カソード側部との間の圧力差に、前記アノード側部から前記カソード側部への前記窒素の漏れ速度を乗じることによって、前記燃料電池スタックの前記アノード側部から該燃料電池スタックの前記カソード側部へと流れる窒素の量を決定する、燃料電池システム。
7. 前記コントローラは、前記燃料電池スタックのパワー遷移の間にのみ前記燃料電池の電圧出力の標準偏差を決定する、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記アノード抜き取りラインは、前記抜き取られた排気ガスが前記カソード排気ガスと混合されるように前記カソード排気ガスラインに連結されている、請求項６に記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池スタックの前記アノード側部から該燃料電池スタックの前記カソード側部への窒素の流量は、前記燃料電池スタック内の燃料電池の膜に存在するピンホールの発達の結果として、前記スタックの使用期間が増加するにつれて増加する、請求項６に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池システムは、車両に設けられている、請求項６に記載の燃料電池システム。
11. 燃料電池システムであって、
    燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックからカソード排気ガスを出力するカソード排気ガスラインと、
    前記燃料電池スタックからアノード排気ガスを出力するアノード排気ガスラインと、
    前記アノード排気ガスを前記カソード排気ガスライン内へと抜き取るため前記アノード排気ガスライン及び前記カソード排気ガスラインに連結された抜き取りバルブと、
    前記抜き取りバルブが開放されているとき前記アノード排気ガスを受け取る、前記抜き取りバルブに連結されたアノード抜き取りラインと、
    何時、前記抜き取りバルブを開放して前記アノード排気ガスラインから前記アノード排気ガスを抜き取るべきかを決定するためのコントローラであって、該コントローラは、前記燃料電池スタックのカソード側部から該燃料電池スタックのアノード側部へと流れる窒素の量を決定し、前記コントローラは、更に、前記燃料電池スタック内の燃料電池の電圧出力の標準偏差を決定し、前記燃料電池スタックの前記アノード側部から前記カソード側部への前記窒素の漏れ速度を決定するためのモデルとして前記標準偏差を使用することにより前記アノード側部から前記カソード側部への窒素の漏れ速度を決定し、比例因子を乗じた前記アノード側部と前記カソード側部との間の圧力差に、前記アノード側部から前記カソード側部への前記窒素の漏れ速度を乗じることによって、前記燃料電池スタックの前記アノード側部から該燃料電池スタックの前記カソード側部へと流れる窒素の量を決定し、前記コントローラは、前記燃料電池スタックのパワー遷移の間にのみ前記燃料電池の電圧出力の標準偏差を決定し、前記コントローラは、更に、前記燃料電池スタックの前記カソード側部及び前記アノード側部の間の前記窒素の流量に基づいて前記燃料電池スタックの前記アノード側部内の窒素の濃度又は水素の濃度を決定し、前記燃料電池スタックの前記アノード側部内の前記窒素の濃度が所定値を超えた場合に、アノード排気ガスを抜き取る、前記コントローラと、
    を備える、燃料電池システム。
12. 前記燃料電池スタックの前記アノード側部から該燃料電池スタックの前記カソード側部への窒素の流量は、前記燃料電池スタック内の燃料電池の膜に存在するピンホールの発達の結果として、前記スタックの使用期間が増加するにつれて増加する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料電池システムは、車両に設けられている、請求項１１に記載の燃料電池システム。

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