JP5045735B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents
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Description
を備える、燃料電池システム制御方法。
A1.システム構成:
図1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。本実施例において、燃料電池システム100は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、電気自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム100は、燃料電池スタック110と、水素タンク40と、電磁バルブ41と、循環ポンプ42と、燃焼ガス供給路93と、燃焼ガス排出路94と、エアコンプレッサー50と、酸化剤ガス供給路91と、酸化剤ガス排出路92と、電流測定部71と、インピーダンス測定部72と、電圧測定部73と、温度測定部74と、制御ユニット20とを備えている。
図6は、燃料電池システム100において実行される始動処理の手順を示すフローチャートである。図示しない電気自動車のイグニッションがオンされると、燃料電池システム100において、始動処理が開始される。
図9は、第2実施例における始動処理の手順を示すフローチャートである。第2実施例の燃料電池システム100は、始動処理においてステップS152を追加した点と、ステップS155に代えてステップS155aを実行する点とにおいて、第1実施例の燃料電池システム100と異なり、他の構成は第1実施例と同じである。
図11は、第3実施例における燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図12は、第3実施例における始動処理の手順を示すフローチャートである。図13は、第3実施例におけるカソード流入水量算出処理の手順を示すフローチャートである。第3実施例の燃料電池システム100aは、メモリ220aがカソード流入水量テーブル格納部225を備えている点と、始動処理においてステップS127を追加する点と、カソード流入量算出処理においてカソード流入水量テーブルに基づきカソード流入水量を求める点とにおいて、第1実施例の燃料電池システム100と異なり、他の構成は、第1実施例と同じである。
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
カソード流入水量を得るために、第1,2実施例では、電気浸透水量(Qe)及び逆拡散水量(Qi)をそれぞれ算出して、これらに基づきカソード流入水量を算出していた。また、第3の実施例では、膜抵抗値の変化から膜含水量差を求め、この膜含水量差に基づきカソード流入水量テーブルを参照してカソード流入水量を得ていた。しかしながら、本発明は、これらの例に限定されるものではない。例えば、電解質膜12の寸法の変化に基づき、カソード流入水量を得ることもできる。
各実施例では、閉塞状態の燃料電池10の有無を判定するために、電圧測定部73を用いて、各燃料電池10の電圧値を測定していたが、本発明は、これに限定されるものではない。具体的には、例えば、以下の構成を採用することができる。電圧測定部73に代えて、隣接する複数の燃料電池10(以下、「燃料電池群」と呼ぶ)の電圧を測定可能な電圧測定部を配置し、燃料電池スタック110を同じ数の燃料電池から成る複数の燃料電池群に分けて、各燃料電池群の電圧を測定する。そして、いずれかの燃料電池群の電圧が、他の燃料電池群の電圧に比べて、所定量だけ低い場合には、かかる燃料電池群に閉塞状態の燃料電池10が含まれていると判定することもできる。このような構成により、各燃料電池10について閉塞状態であるか否かを判定する必要がないので、閉塞状態の燃料電池10の有無を短時間で判定することができる。
各実施例では、始動処理において、いずれかの燃料電池10が閉塞状態にあるか否かを、燃料電池10の電圧が0Vよりも低い値となっているか否かにより判定していたが、0Vに代えて、任意の電圧値を採用することもできる。例えば、電圧が0.5Vよりも低い場合に、燃料電池10が閉塞状態であると判定することもできる。また、始動処理において、ステップS115,120(電圧値の取得,及び電圧値による閉塞状態の有無の判定)を省略することもできる。具体的には、燃料電池スタック110の温度が0℃よりも低い場合には、閉塞状態の燃料電池10が存在するという想定の下、各燃料電池10の電圧の測定(ステップS115)及び閉塞状態の燃料電池10の有無の判定(ステップS120)を省略することもできる。このような構成により、始動処理をシンプルにでき、制御ユニット20の処理負担を軽減できると共に、電圧測定部73を省略できるので、燃料電池システム100の製造コストを低廉化できる。
第1,2実施例では、膜含水量(λ)を求める方法として、測定した膜抵抗値に基づき、膜含水量テーブルを参照していたが、これに代えて、膜含水量として予め定数を設定してメモリ220に格納しておき、かかる定数をメモリ220から読み出すことにより取得することもできる。たとえば、拡散係数テーブル及び電気浸透係数テーブルを参照する際に用いる膜含水量(λ)として、「8」を設定しておき、式7(両極の水濃度を求めるための式)において用いる膜含水量として、アノード側膜含水量として「2」を、カソード側膜含水量として「14」を、それぞれ設定することもできる。このような構成により、カソード側触媒層13c及びアノード側触媒層13aの水濃度をそれぞれ求める際に、電解質膜12における膜含水量(λ)に代えて、各極の特性(アノード側は乾燥状態であり、カソード側は湿潤状態である)を考慮した実測値に近い値を膜含水量として用いることができる。したがって、水濃度を、より正確に求めることができる。加えて、制御ユニット20の処理負担を軽減できると共に、インピーダンス測定部72を省略できるので、燃料電池システム100の製造コストを低廉化できる。なお、定数として設定する膜含水量は、前述の値に限らず、任意の値を設定することができる。ただし、アノード側は乾燥状態にあり、カソード側は湿潤状態であるので、アノード側膜含水量がカソード側膜含水量よりも小さい範囲となるように、各極の膜含水量を設定することが好ましい。
第1,2実施例において、定数として予め定められていた値について、定数に代えて、変数とすることもできる。例えば、細孔合計体積(Vc)を、変数とすることもできる。カソード側触媒層13cを構成するカーボン粒子は、酸化による経年劣化が起こり得る。具体的には、カーボン粒子(2次粒子)が、生成水により腐食されて互いに結着することにより、カーボン粒子間の空隙(すなわち、細孔)が消失し得る。そこで、細孔合計体積として、燃料電池システム100の設置からの経過期間に応じて異なる値(経過期間が長いほど小さな値)を、予め設定しておき、ステップS135において、経過期間を取得し、取得した経過期間に応じた細孔合計体積を取得することもできる。
第1,2実施例において、拡散係数テーブルは、図4に示すように、温度に応じて複数設定されていたが、温度に加えて、燃料電池システム100の設置からの経過期間に応じて複数設定しておくこともできる。電解質膜12には、運転期間の経過に従って、より多くの不純物が混入し得る。その結果、電解質膜12における水の自己拡散係数(D)は、次第に減少することとなる。そこで、拡散係数テーブルとして、燃料電池システム100の設置からの経過期間に応じて異なる拡散係数テーブルを予め設定しておき、ステップS225において、経過期間を取得し、取得した経過期間に応じた拡散係数テーブルを参照して自己拡散係数(D)を取得することもできる。この場合、自己拡散係数(D)が次第に小さくなるので、上記式8からも理解できるように、逆拡散水量Qiは、次第に少なくなる。それゆえ、カソード流入水量Qcは次第に多くなり、前述の図16と同様に、同じ電流密度における限界期間tLは、次第に短くなる。
各実施例において、ステップS145で取得する起動後期間は、燃料電池システム100が起動してからの期間であったが、これに代えて、ステップS120において、いずれかの燃料電池10において電圧が0よりも低いと判定してからの期間とすることもできる。このような構成により、燃料電池システム100起動後において燃料電池10が閉塞した場合に、閉塞が発生してからの正確な期間を求めることができるため、カソード流入水量を正確に求めることができる。
各実施例では、燃料電池スタック110の温度が0℃よりも低いか否かを判定し、0℃よりも低い場合に、ステップS115以降の処理を実行していたが、これに代えて、燃料電池スタック110の温度に関わらずステップS115以降の処理を実行することもできる。この場合、燃料電池スタック110の温度取得(ステップS105)及び判定(ステップS110)の各処理を省略することができる。燃料電池スタック110の温度が0℃以上であっても、0℃に近い低温環境下では、凍結していた残留水が溶解せずに凍結状態を維持している可能性もある。そこで、燃料電池スタック110の温度に関わらず、閉塞した燃料電池10の有無により、ステップS130以降の処理を行うことで、閉塞した燃料電池10が存在する場合に、確実にステップS130以降の処理を行うことができる。したがって、カソード側触媒層13cの電解質膜12からの剥離を確実に抑制することができる。なお、かかる構成では、例えば、燃料電池システム100,100aの起動から所定の期間経過後に始動処理を終了し、通常運転に移行することもできる。
各実施例では、起動後期間tnが限界期間tLに達した後に、電流値を低下させていたが、これに代えて、起動後期間tnが限界期間tLに達する前に、電流値を低下させることもできる。例えば、起動後期間tnが、限界期間tLよりも所定期間だけオフセットした期間(時刻)に達した場合に、電流値を低下させることもできる。このような構成により、起動後期間tnが限界期間tLに達したことを判定してから、実際に電気浸透水量が減少するまでの時間差を縮めることができ、カソード流入水量が細孔合計体積を超えてしまうことを確実に抑制することができる。
各実施例では、燃料電池システム100,100aは、電気自動車に搭載されて用いられていたが、これに代えて、ハイブリッド自動車,船舶,ロボットなどの各種移動体に適用することもできる。また、移動体に搭載するのに代えて、定置型電源や携帯型電源として適用することもできる。
各実施例では、起動後期間tnが限界期間tLを超えた場合に、電流値を低下させていたが(ステップS155,S155a)、これに代えて、電流値を上げることもできる。例えば、電流値を上昇させた後の動作点が、少なくとも、図8に示す領域A1内に存在するように電流値を上昇させる構成とすることができる。このような構成により、カソード流入水量が細孔合計体積を上回ることを抑制できると共に、燃料電池スタック110の発電性能を向上させることができる。
各実施例において、ソフトウェアによって実現されていた構成の一部をハードウェアに置き換えるようにしてもよい。また、各機能部を、さらに細かな機能部に分けて実現することもできる。例えば、カソード流入水量決定部211を、電気浸透水量を決定する電気浸透水量決定部と、逆拡散水量を決定する逆拡散水量決定部とを含むように構成することもできる。
Claims (12)
- 燃料電池システムであって、
電解質膜と、複数の細孔を有し前記電解質膜に接して配置されたカソード側触媒層及びアノード側触媒層と、の組合せを少なくとも1つ有する燃料電池と、
前記燃料電池の発電に伴って生じる水の、前記燃料電池の起動後における前記電解質膜を介した前記カソード側触媒層への流入量であるカソード流入水量を決定するカソード流入水量決定部と、
前記カソード側触媒層の前記複数の細孔の体積である細孔合計体積を取得する細孔体積取得部と、
前記カソード流入水量が前記細孔合計体積以下の範囲となるための、前記燃料電池を流れる電流の電流値及び前記電流が前記燃料電池に流れる期間の上限値を含む前記燃料電池の動作条件を、前記決定されたカソード流入水量と前記取得された細孔合計体積とに基づき決定する動作条件決定部と、
前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流値の電流を流す期間を調整する電流調整部と、
を備える、燃料電池システム。 - 請求項1に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池には、アノード側反応ガスとして水素を含むガスが供給され、
前記カソード流入水量決定部は、
前記電解質膜のアノード側からカソード側への水素イオンの移動に伴って前記電解質膜をアノード側からカソード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層への流入量である電気浸透水量を決定する電気浸透水量決定部と、
前記カソード側触媒層と前記アノード側触媒層との間の水濃度差により前記電解質膜をカソード側からアノード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層からの流出量である逆拡散水量を決定する逆拡散水量決定部と、
を有し、前記電気浸透水量から前記逆拡散水量を減ずることにより、前記カソード流入水量を決定する、燃料電池システム。 - 請求項2に記載の燃料電池システムにおいて、
前記カソード側触媒層は、スルホン酸基を含むアイオノマを有し、
前記逆拡散水量決定部は、式2を用いて前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層のそれぞれの水濃度を求めることにより、前記カソード側触媒層及び前記アノード側触媒層の水濃度差を求め、式3を用いて前記逆拡散水量を決定する、燃料電池システム。
- 請求項4に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記カソード側触媒層における前記膜含水量(λ)及び前記アノード側触媒層における前記膜含水量(λ)として、それぞれ予め定められた値を記憶する記憶部を備える、燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記電流値を計測する電流値計測部と、
前記燃料電池の起動後の経過期間を計測する期間計測部と、
を備え、
前記電流調整部は、前記計測された経過期間が、前記計測された電流値に対応する前記動作条件における前記上限期間に達する以前に、前記電流値を低下させる、燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池には、アノード側反応ガスとして水素を含むガスが供給され、
前記カソード流入水量は、前記電解質膜のアノード側からカソード側への水素イオンの移動に伴って前記電解質膜をアノード側からカソード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層への流入量である電気浸透水量から、前記カソード側触媒層と前記アノード側触媒層との間の水濃度差により前記電解質膜をカソード側からアノード側に移動する水の、前記燃料電池の起動後における前記カソード側触媒層からの流出量である逆拡散水量を減じて得られる水量であり、
前記動作条件は、前記カソード流入水量が0よりも少ない動作条件である、燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項7のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池の温度を取得する温度取得部を備え、
前記電流調整部は、前記取得された温度が0℃よりも低い場合に、前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流を流す期間を調整する、燃料電池システム。 - 請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池が、発電を行うことができない状態である閉塞状態であるか否かを検知する閉塞状態検知部を備え、
前記電流調整部は、前記燃料電池が前記閉塞状態であると検知された場合に、前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流を流す期間を調整する、燃料電池システム。 - 請求項9に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
前記燃料電池における電圧を測定する電圧測定部を備え、
前記閉塞状態検知は、前記測定された電圧が0Vよりも低い場合に、前記燃料電池が前記閉塞状態であると検知する、燃料電池システム。 - 請求項9に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、
複数の前記燃料電池からなる第1の燃料電池群の電圧値である第1電圧値と、前記第1の燃料電池群の燃料電池の数と同数の前記燃料電池からなる第2の燃料電池群の電圧値である第2電圧値とを比較する電圧値比較部を備え、
前記閉塞状態検知部は、前記第1電圧値が前記第2電圧値よりも低い場合に、前記第1の燃料電池群のいずれかの燃料電池が前記閉塞状態であると検知する、燃料電池システム。 - 電解質膜と、複数の細孔を有し前記電解質膜に接して配置されたカソード側触媒層及びアノード側触媒層と、の組合せを少なくとも1つ有する燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
(a)前記燃料電池の発電に伴って生じる水の、前記燃料電池の起動後における前記電解質膜を介した前記カソード側触媒層への流入量であるカソード流入水量を決定する工程と、
(b)前記カソード側触媒層の前記複数の細孔の体積である細孔合計体積を取得する工程と、
(c)前記カソード流入水量が前記細孔合計体積以下の範囲となるための、前記燃料電池を流れる電流の電流値及び前記電流が前記燃料電池に流れる期間の上限値を含む前記燃料電池の動作条件を、前記決定されたカソード流入水量と前記取得された細孔合計体積とに基づき決定する工程と、
(d)前記決定された動作条件となるように、前記電流値及び前記電流値の電流を流す期間を調整する工程と、
を備える、燃料電池システム制御方法。
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