JP5060185B2 - スタック端部電池ヒーター制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して、分割燃料電池スタック内の端部電池ヒーターへの電流を制御するためのシステム及び方法に係り、より詳しくは、端部電池内の所定の温度を燃料電池スタックの作動温度を超えた状態に維持するように端部ヒーターが制御される、分割燃料電池スタック内の端部電池ヒーターへの電流を制御するためのシステム及び方法に関する。

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。

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。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。スタックは冷却流体が流れるところの流れチャンネルを備えている。

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、スタックの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。

自動車の用途に関して、所望のパワーを提供するため、典型的には約４００個の燃料電池を採用する。自動車の燃料電池システムの設計においてそれほど多くの燃料電池がスタックのために必要とされるので、スタックは、２つのサブスタックへと分割され、各サブスタックは、約２００個の燃料電池を備える。４００個の燃料電池を通して等しい流れの水素ガスを並列に有効に提供することが困難であるからである。

燃料電池内の膜は、膜を横切るイオン抵抗が陽子を有効に伝達するのに十分に低くなるように、一定の相対湿度を有する必要がある。この湿度は、スタックの水副産物又は外部湿度に由来し得る。流れチャンネルを通した反応ガスの流れは、膜上に、最も顕著には流れチャンネルの入口において乾燥効果を有する。また、膜の相対湿度及び水の副産物から流れチャンネル内の水滴の蓄積は、反応ガスが流れチャンネルを通って流れることを防止しかねず、燃料電池を故障させ、かくして、スタックの安定性に影響を及ぼす。反応ガス流れチャンネル内の水の蓄積は、低いスタック出力負荷において特に問題となる。

燃料電池スタック内の端部電池は、典型的には、スタックの他の電池よりも低い性能しか持っていない。特に、端部電池は、周囲の温度にさらされ、かくして、対流熱損失の結果としてより低い温度でそれらを作動させる温度勾配を有する。端部電池は、スタック内の残りの電池と比べて、典型的には低温であるので、気体状の水は、より容易に液体水へと凝結し、それにより、端部電池はより高い相対湿度を持ち、端部電池の流れチャンネル内でより容易に水滴を形成させる。更には、低いスタック負荷では、水を流れチャンネルから押し出すため利用可能な反応ガス流れの量は、かなり減少される。また、低いスタック負荷では、冷却流体の温度が低下され、これがスタックの温度を低下させて、反応ガス流れの相対湿度を典型的に増大させる。

対流熱損失を補償するように、単極式プレートと膜電極アッセンブリとの間に配置された抵抗性ヒーターを用いて端部電池を加熱することが当該技術分野で知られている。これらの既知のシステムは、典型的には、スタックから出る冷却流体の温度を監視することによって、端部電池の温度をスタック内の他の電池の温度と同じに維持しようとする。しかし、端部電池に関するより低い電池電圧は、そのようなヒーターを追加した場合でさえもなおも問題となる。

本発明の教えによれば、燃料電池システム内の燃料電池スタックの端部電池内に端部電池ヒーターを用い、端部電池内の水を減少させるように該端部電池の温度をスタックの作動温度を超えて首尾一貫して維持する燃料電池システムが開示される。一実施例では、端部電池の温度は、燃料電池スタックの全出力パワー範囲に亘って８０℃〜８５℃の範囲内に維持される。本発明の別の実施例によれば、端部電池は電気的に直列に接続され、端部電池ヒーターを制御するための制御信号が、最も暖かい端部電池を所望の温度に加熱するため選択される。

本発明の追加の特徴は、添付図面を参照して、次の説明及び添付された請求の範囲から明らかとなろう。

分割燃料電池スタック内の端部電池ヒーターを制御するための技術を用いる燃料電池システムに関する本発明の実施例についての次の説明は、その本質上単なる例示であり、本発明、その用途又はその使用方法を制限するものではない。

図１は、第１の分割燃料電池スタック１２と第２の分割燃料電池スタック１４とを備える燃料電池システム１０の概略ブロック図である。分割スタック１２は、ライン１６上でカソード入力空気流れを受け取り、分割スタック１４は、ライン１８上で、典型的にはコンプレッサ（図示せず）からのカソード入力空気流れを受け取る。カソード排気物は、分割スタック１２及び１４の両方から、ライン２０上で出力される。分割スタック１２及び１４は、アノード反応ガス流れが、所定のサイクルで分割スタック電池１２及び１４を通して前後に流れるアノード流れシフトを用いている。従って、アノード反応ガスは、ライン２２上で分割スタック１２に流出入し、ライン２４上で分割スタック１４に流出入する。アノード接続ライン２６は、分割スタック１２及び１４内のアノードチャンネルを接続する。

分割スタック１２は、分割スタック１２の端部電池内に配置された、端部電池ヒーター２８及び３０を備えている。同様に、分割スタック１４は、分割スタック１４の端部電池内に配置された端部電池ヒーター３２及び３４を備えている。端部電池ヒーター２８〜３４は、分割スタック１２及び１４の各々が２つの端部電池ヒーターを備えるように、例えば、単極式プレートと膜電極アッセンブリとの間等、分割スタック１２及び１４の端部電池内の適切な位置に配置されている。ヒーター２８〜３４は、この目的のための任意の適切なヒーター、例えば抵抗性ヒーターとすることができる。冷却流体は、当該技術分野で十分に理解されているように、冷却剤ループ３６を通して及び分割スタック１２及び１４内の冷却流体流れチャンネルを通して流れ、それらの作動温度を制御する。

本発明によれば、端部電池ヒーター２８〜３４は、燃料電池システム１０の作動温度よりも高い所定の温度で維持されるように、制御される。特に、分割スタック１２及び１４の作動温度は、冷却剤ループ３６を通って流れる冷却流体の温度によって制御される。低いスタック負荷では、冷却流体の温度は、６０℃程度まで低く低下し、高いスタック負荷では、冷却流体の温度は８０℃まで上昇し得る。本発明によれば、端部電池ヒーター２８〜３４により提供された温度は、冷却流体温度に拘束されず、全パワー範囲及びシステム１０の冷却流体温度を通して上昇した温度に維持される。

燃料電池のための幾つかの膜のガラス転移温度が約９０℃であることが当該技術分野で知られている。本発明の一実施例によれば、端部電池ヒーター２８〜３４は、分割スタック１２及び１４の端部電池の温度は、８０℃〜８５℃の範囲、特に８２℃であるように制御される。端部電池をこの範囲の所定の温度にまで加熱することは、分割スタック１２及び１４の電流密度が０．２Ａ／ｃｍ^２より小さい場合には、有効となる。端部電池ヒーター２８〜３４が、そのような低い負荷では有効ではなく、寄生的な負荷を単に追加するだけであるからである。更には、この範囲において端部電池を加熱することは、冷却流体温度が６０℃より低下した場合に特に有効となる。低い温度では大量の水が存在し、端部電池内の流れチャンネルを容易に遮断しかねないからである。また、ヒーター２８〜３４は、システム始動において理想的な作動温度にまで可能な限り迅速にシステム１０を暖める際に有用となる負荷をシステムに追加する。

典型的には、端部電池ヒーター２８〜３４は、直列に電気的に接続されている。本システム１０が分割スタック１２及び１４内のアノード流れチャンネルの間で流れシフトを用いているので、分割スタック１２及び１４は、新鮮な水素がどのスタックに送られているかに応じて、湿った端部及び乾燥した端部を有する。分割スタック１２及び１４の湿った端部電池は、分割スタック１２及び１４の乾燥した端部電池ほどには迅速に加熱しない傾向にある。これは、電池ヒーターにより加熱されなければならない湿った端部に存在する余剰水の結果であり、湿った端部を加熱するためより多くのエネルギーを必要とさせる。

直列に接続された端部電池ヒーターに関してこの問題を克服するため、本発明は、端部電池の温度を検知し、端部電池のうち最も暖かい電池に対して適切な電流を提供し、任意の時点で所望の温度に維持する、各工程を備える。

図２は、端部電池ヒーター２８〜３４を代表する端部電池ヒーター４８の温度を制御するための制御システム４０のブロック図である。端部電池ヒーター４８のための所望の温度設定信号は、入力ライン４２においてコンパレータ４４に提供される。コンパレータ４４の出力信号は、比例積分微分（PID）コントローラに送られ、該コントローラは、当該設定信号を、端部電池ヒーター４８を制御するのに適したパルス幅変調（PWD）信号に変換する。PWD信号は、端部ヒーター４８を、高いパルスの間に熱を提供させ、低いパルスの間に停止させる。端部電池ヒーター２８〜３４の各々は、端部電池の温度を示す信号を提供する、熱電対等の温度センサを備えている。例えば、出力ライン５０は、分割スタック１２の乾燥端部の温度信号を提供し、出力ライン５２は、分割スタック１２の湿った端部の温度信号を提供し、出力ライン５４は、分割スタック１４の乾燥端部の温度信号を提供し、出力ライン５６は、分割スタック１４の湿った端部の温度信号を提供する。これらの信号の全ては、最大プロセッサ５８に提供され、該プロセッサは、ライン６０上のコンパレータ４４に供給される最も暖かい端部電池の温度を示す最大温度信号を選択する。コンパレータ４４は、端部電池ヒーター４８の全てが最も暖かい端部電池の温度へと制御されるように、温度設定ポイントと実際の温度との間の差異であるPIDコントローラ４６の誤差信号を提供する。

他の実施例では、端部電池ヒーター２８〜３４は、直列に接続されなくてもよいが、独立に制御される。本実施例では、制御システムは、各端部電池ヒーターのためのPIDコントローラを、それらが互いに独立に制御されるように備えることができる。更には、端部電池ヒーターの温度を制御することは、２つの端部電池ヒーターを備える単一のスタック設計のための用途を有する。

上記説明は、本発明の一例としての実施例を開示し説明したに過ぎない。当業者は、添付された請求の範囲で画定される本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、様々な変更、改良及び変形をなすことができることを、上記説明、添付図面及び請求の範囲から容易に認識するであろう。

図１は、端部電池ヒーターを有する分割スタックを備える燃料電池システムの概略的なブロック図である。 図２は、本発明の一実施例に係る、図１に示された燃料電池システムの分割スタック内で端部電池ヒーターを制御するための制御システムのブロック図である。

Claims (17)

1. 燃料電池システムであって、
   第１の端部電池及び第２の端部電池を備える燃料電池スタックと、
   前記第１の端部電池内に配置された第１の端部電池ヒーター及び前記第２の端部電池内に配置された第２の端部電池ヒーターと、
   コントローラであって、該コントローラは、前記第１及び第２の端部電池の温度が、前記燃料電池スタックの作動温度を超えた温度に維持されるように、前記第１及び第２の端部電池ヒーターに制御信号を提供する、前記コントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記端部電池の温度を８０℃乃至８５℃の範囲内となるように制御する、燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、前記端部電池の温度を８２℃となるように制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１及び第２の端部電池ヒーターは、電気的に直列に連結され、前記コントローラは、最も暖かい端部電池のための所望の温度に前記端部電池を加熱する、前記第１及び第２の端部電池ヒーターのための制御信号を選択する、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１及び第２の端部電池は温度センサを備え、該温度センサは、前記コントローラが最も暖かい端部電池の温度に基づいて前記端部電池を加熱することができるように、該端部電池の温度を示す温度信号を前記コントローラに提供する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記コントローラは、前記スタックを冷却する冷却流体の温度が６０℃以下である場合に、前記冷却流体の温度より２０℃以上超えた温度にまで前記端部電池を加熱するため前記第１及び第２の端部電池ヒーターを制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記コントローラは、前記スタックの電流密度が０．２Ａ／ｃｍ^２以下である場合に、前記スタックを冷却する冷却流体の温度より２０℃以上超えた温度にまで前記端部電池を加熱するため前記第１及び第２の端部電池ヒーターを制御する、請求項１に記載の燃料電池システム。
7. 前記コントローラは、前記スタックの全パワー範囲に亘って前記端部電池の温度を前記燃料電池スタックの作動温度を超えた温度に維持する、請求項１に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池システムであって、
   第１の端部電池及び第２の端部電池を備える第１の分割スタックと、
   第３の端部電池及び第４の端部電池を備える第２の分割スタックと、
   前記第１の端部電池に配置された第１の端部電池ヒーター、前記第２の端部電池に配置された第２の端部電池ヒーター、前記第３の端部電池に配置された第３の端部電池ヒーター及び前記第４の端部電池に配置された第４の端部電池ヒーターと、
   前記第１、第２、第３及び第４の端部電池の温度を制御するため前記第１、第２、第３及び第４の端部電池ヒーターを制御するためのコントローラであって、該コントローラは、前記第１、第２、第３及び第４の端部電池の温度が前記第１及び第２の分割スタックの作動温度を超えた温度に首尾一貫して維持されるように、前記第１、第２、第３及び第４の端部電池ヒーターに制御信号を提供する、前記コントローラと、
   を備え、
   前記コントローラは、前記端部電池の温度を８０℃乃至８５℃の範囲内となるように制御する、燃料電池システム。
9. 前記コントローラは、前記第１及び第２の分割スタックを冷却する冷却流体の温度が６０℃以下であり、又は、前記第１及び第２の分割スタック上の負荷が０．２Ａ／ｃｍ^２以下であるとき、前記第１、第２、第３及び第４の端部電池の温度を、前記冷却流体の温度より２０℃以上超えた温度にまで加熱する、請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 前記コントローラは、前記端部電池の温度を８２℃となるように制御する、請求項８に記載の燃料電池システム。
11. 前記第１、第２、第３及び第４の端部電池ヒーターは、電気的に直列に連結され、前記コントローラは、最も暖かい端部電池のための所望の温度に前記端部電池を加熱する、前記第１、第２、第３及び第４の端部電池ヒーターのための制御信号を選択する、請求項８に記載の燃料電池システム。
12. 前記第１、第２、第３及び第４の端部電池は、温度センサを備え、該温度センサは、コントローラが最も暖かい端部電池の温度に基づいて前記端部電池を加熱することができるように、前記端部電池の温度を示す温度信号を前記コントローラに提供する、請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 燃料電池スタック内の端部電池の温度を制御するための方法であって、
    前記燃料電池スタックの前記端部電池内に端部ヒーターを提供し、
    前記端部電池の温度が前記燃料電池スタックの作動温度よりも高くなるように、前記端部電池ヒーターを制御する、各工程を備え、
    前記端部電池ヒーターを制御する工程は、該端部電池ヒーターを８０℃乃至８５℃の範囲内の温度を有するように制御する工程を備える、方法。
14. 前記端部電池ヒーターを制御する工程は、該端部電池ヒーターを８２℃の温度を有するように制御する工程を備える、請求項１３に記載の方法。
15. 前記端部電池の温度を測定し、最も暖かい端部電池に基づいて前記端部電池の温度を制御する、請求項１３に記載の方法。
16. 前記冷却流体の温度が６０℃以下であり、又は、前記燃料電池スタック上の負荷が０．２Ａ／ｃｍ^２以下であるとき、前記端部電池の温度が、前記燃料電池スタックを冷却する冷却流体の温度より２０℃以上超えた温度となるように、前記端部電池ヒーターを制御する工程を備える、請求項１３に記載の方法。
17. 前記端部電池の温度が前記燃料電池スタックの作動温度より高くなるように前記端部電池ヒーターを制御する工程は、前記スタックの全パワー範囲に亘って前記燃料電池スタックの作動温度を超えて前記端部電池の温度を維持する工程を備える、請求項１３に記載の方法。

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