JP5120593B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は発電停止時に燃料電池スタックに掃気ガスを供給し、燃料電池スタック内部の水分を排水する燃料電池システムに関する。

近年、環境問題に対する取り組みの一環として、低公害車の開発が進められており、その中の一つに燃料電池システムを車載電源とする燃料電池車両がある。燃料電池システムは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体に反応ガスを供給することで電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池システムは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。

燃料電池スタックのガスチャンネル内部には、反応ガスの電気化学反応で生じた生成水や反応ガスを加湿するための加湿水などが残留しており、この残留水を放置したまま発電を停止すると、低温環境下では、残留水が凍結してしまい、膜−電極接合体への反応ガスの拡散が妨げられ、低温始動性が低下する。

このような問題点に鑑み、従来では、発電停止時に、蓄電装置の電力でエアコンプレッサを駆動し、燃料電池スタック内部のガスチャンネルに残留する水分を排水するための掃気処理が行われている。特開２００３−２９７３９９号公報には、燃料電池スタック内部の残留水量を推定し、残留水量が多い程、掃気時間を増加させる方法が提案されている。
特開２００３−２９７３９９号公報

しかし、燃料電池スタック内部の残留水量は、運転出力、気温、湿度等によって大きく異なるので、特開２００３−２９７３９９号公報の方法では、掃気に要する時間を残留水量に応じてその都度調整しなければならず、掃気制御が複雑なものとなる。

そこで、本発明は、上述の問題を解決し、掃気制御を簡易化できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタック内部から水分を発電停止時に掃気するための掃気手段と、掃気手段に作動電力を供給する蓄電装置と、燃料電池スタック内部から水分を掃気手段によって掃気するために要する時間が一定になるように燃料電池スタックに流出入する水収支を制御する水収支制御手段とを備える。

燃料電池スタック内部から水分を掃気手段によって掃気するために要する時間が略一定になるように、燃料電池スタックに流出入する水収支（生成水量、持ち去り水量、及び加湿水量の収支計算）を制御することで、掃気制御を簡易化できる。

本発明によれば、掃気時間が略一定になるので、掃気制御を簡易化できる。

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両の車載用発電システムとして機能するものであり、複数のセルを積層してなるスタック構造からなる固体高分子電解質型の燃料電池スタック４０を備えている。セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体と、膜−電極接合体に反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を流すためのガスチャンネル（アノードガスチャンネル、カソードガスチャンネル）や冷媒を流すための冷媒流路が形成されたセパレータとから成る。燃料電池スタック４０は、アノード極に水素ガス（燃料ガス）の供給を受けるともに、カソード極に酸素ガス（酸化ガス）の供給を受けて発電する。

燃料電池スタック４０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック４０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池システム１０の酸素ガス供給系には、燃料電池スタック４０に酸素ガスを供給するための酸素ガス供給路１１と、燃料電池スタック４０から排出される酸素オフガスを外部に排気するための酸素オフガス排出路１２とが配設されている。酸素ガス供給路１１には、大気中の酸素ガスに含有されている粉塵等を除去するためのフィルタ１３と、酸素ガスを加圧するためのエアコンプレッサ１４と、エアコンプレッサ１４により加圧される酸素ガスを適度に加湿するための加湿モジュール１５とが配設されている。

加湿モジュール１５は、大気から取り込まれた低湿潤の酸素ガス（ドライガス）と、燃料電池スタック４０のカソード極から排気された高湿潤の酸素オフガス（ウェットガス）との間で水分交換を行う。（２）式に示すように、カソード極では、水分が生成されるので、カソード極から排出される酸素オフガスは、多量の水分を含有している。加湿モジュール１５にて加湿された酸素ガスは、酸素ガス供給路１１を介して燃料電池スタック４０に供給され、燃料電池スタック４０の発電に供される。酸素オフガス排出路１２は、酸素ガスの排出系に設けられた配管であり、加湿モジュール１５と燃料電池スタック４０との間には、燃料電池スタック４０内の酸素ガス圧を調圧する調圧弁１６が配設されている。酸素オフガス排出路１２を流れる酸素オフガスは、調圧弁１６を通って加湿モジュール１５にて水分交換に供された後、排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料電池システム１０の水素ガス供給系には、高圧の水素ガスを貯蔵した水素供給源としての水素タンク２１と、水素タンク２１内に充填されている水素ガスを燃料電池スタック４０に供給する水素ガス供給路２２と、水素タンク２１から水素ガス供給路２２への水素ガス供給／停止を制御する遮断弁２９と、水素ガス供給路２２から燃料電池スタック４０の水素ガス供給／停止を制御する遮断弁２８と、燃料電池スタック４０から排出された水素オフガス（未反応水素ガス）を水素オフガス排出路２２に還流させるための循環路２３と、循環路２３を流れる水素オフガスを水素ガス供給路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環路２３から分岐し、酸素オフガス排出路１２に合流する排出路２５とが配設されている。

水素オフガス排出路２２の上流側には、水素タンク２１から流出される高圧水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７が介設され、レギュレータ２７の下流側に循環路２３が合流している。水素タンク２１から水素ガス供給路２２へ流出する水素ガスと、循環路２３を還流する水素オフガスとは、水素ガス供給路２２と循環路２３との接続点で合流し、混合ガスとなって燃料電池スタック４０に供給される。循環路２３の水素ポンプ２４の下流側には、燃料電池スタック４０に還流する水素オフガスの逆流を抑制するための逆止め弁２６が介設されている。

水素ポンプ２４の上流側には、循環路２３を流れる水素オフガスから水分を分離させるための気液分離器３０が介設されている。循環路２３を流れる流体には、燃料電池スタック４０から排出される水素オフガスと、燃料電池スタック４０での電気化学反応によって生成された生成水とが含まれている。気液分離器３０は、この生成水を水素オフガスから分離する。水分が分離された水素オフガスは、水素ポンプ２４によって燃料電池スタック４０に還流させられる一方、気液分離器３０にて回収された水分は、ドレイン弁３１を介して流体配管３２から酸素オフガス排出路１２に排出される。

流体配管３２は、その上流端が気液分離器３０のドレイン弁３１に接続され、その下流端が酸素オフガス排出路１２に接続されており、気液分離器３０で分離された水分を酸素オフガス排出路１２に流入させる。排出路２５には、これを開閉するシャットバルブとして機能するパージ弁３３が配設されている。パージ弁３３を適宜開閉させることで、水素オフガスに含まれている不純物を水素オフガスと共に排出路２５経由で酸素オフガス排出路１２に排出させることができる。水素オフガスに含まれている不純物を排出路２５から排出することで、水素オフガス中の不純物濃度を下げるとともに燃料電池スタック４０に循環供給される水素オフガス中の水素濃度を高めることができる。

燃料電池システム１０の電力系には、燃料電池スタック４０の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電するための蓄電装置としての二次電池４２と、燃料電池スタック４０の出力電圧を調整して燃料電池スタック４０と二次電池４２との電力供給分配を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、燃料電池スタック４０又は二次電池４２から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ（車両走行モータ）４４に供給するトラクションインバータ４３とが配設されている。

二次電池４２は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。二次電池４２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等が好適である。二次電池４２に替えてキャパシタ等の蓄電装置を搭載してもよい。

燃料電池システム１０の冷却系には、燃料電池スタック４０内を循環する冷媒を流すための冷媒流路５１と、冷媒流路５１に沿って冷媒を圧送するための冷媒ポンプ５４と、冷媒を冷却するためのレジエータ５３と、ラジエータ５３をバイパスさせて冷媒流路５１上に冷媒を流すためのバイパス弁５２とが配設されている。ラジエータ５３をバイパスする冷媒のバイパス量を加減することで、冷媒温度を調整できる。

燃料電池システム１０の制御系には、燃料電池システム１０全体を制御するためのコントローラ６０が配設されている。コントローラ６０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ）、入出力インタフェース等を備える制御ユニット（ＥＣＵ）である。コントローラ６０は、各種センサ類からのセンサ出力を基に運転状態をモニタリングし、燃料電池システム１０を制御する。

センサ類として、起動／停止信号を出力するイグニッションスイッチ７１、車速を検出する車速センサ７２、アクセル開度を検出するアクセルセンサ７３、燃料電池スタック４０を構成する各セルの出力電圧を検出する電圧センサ７４、燃料電池スタック４０の出力電流（ＦＣ電流）を検出する電流センサ７５、燃料電池スタック４０の温度（ＦＣ温度）を検出する温度センサ７６、燃料電池スタック４０のカソード出口から流出するエアの流量を検出するエア流量センサ７７、燃料電池スタック４０のカソード出口から流出するエアの圧力を検出するエア圧力センサ７８、二次電池４２のＳＯＣを検出するＳＯＣ（State of charge）センサ７９等がある。

例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチ７１から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ７３から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ７２から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック４０と二次電池４２の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック４０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ１４の回転数やレギュレータ２７の弁開度を調整し、燃料電池スタック４０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を制御して燃料電池スタック４０の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック４０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をインバータ４３に出力し、トラクションモータ４４の出力トルク、及び回転数を制御する。

次に、図２を参照しながら掃気処理に要する時間を略一定に調整するための水収支制御について概説する。

コントローラ６０は、イグニッションスイッチ７１から出力される起動信号を受信すると、通常運転を実施する（ステップ２０１）。通常運転時には、コントローラ６０は、アクセルセンサ７３から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ７２から出力される車速信号などを基にシステム全体の要求電力を求め、燃料電池スタック４０と二次電池４２の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック４０の発電量が目標電力に一致するように補機類を制御する。

コントローラ６０は、温度センサ７６からのセンサ出力を取り込み、燃料電池スタック４０の温度を計測する（ステップ２０２）。

そして、コントローラ６０は、ステップ２０２で計測したＦＣ温度を基に燃料電池スタック４０の目標交流インピーダンスを算出する（ステップ２０３）。ＦＣ温度を基に目標交流インピーダンスを計測する過程については後述する。

尚、燃料電池スタック４０に交流信号を印加したときの燃料電池スタック４０の応答電圧をＥ、応答電流をＩ、交流インピーダンスをＺとすると、以下の関係式が成立することが知られている。
Ｅ＝Ｅ₀ｅｘｐｊ（ωｔ＋Φ）
Ｉ＝Ｉ₀ｅｘｐｊωｔ
Ｚ＝Ｅ／Ｉ＝（Ｅ₀／Ｉ₀）ｅｘｐｊΦ＝Ｒ＋ｊχ
ここで、Ｅ₀は応答電圧の振幅を示し、Ｉ₀は応答電流の振幅を示す。ωは角周波数を示し、Φは初期位相を示す。Ｒは抵抗成分（実数部分）を示し、χはリアクタンス成分（虚数部分）を示す。ｊは虚数単位を示し、ｔは時間を示す。

コントローラ６０は、燃料電池スタック４０の交流インピーダンスが目標交流インピーダンスに一致するように、燃料電池スタック４０に流出入する水収支を制御する（ステップ２０４）。水収支制御の詳細については後述する。

コントローラ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を制御して燃料電池スタック４０に交流信号を重畳し、その電圧応答を電圧センサ７４によって検出することにより、交流インピーダンスを計測することができる。交流インピーダンスを計測するための他の方法として、コントローラ６０は、内部抵抗計測器を用いて燃料電池スタック４０の交流インピーダンスを計測してもよい。内部抵抗計測器は、燃料電池スタック４０に高周波電流を印加し、その電圧応答を検出することにより燃料電池スタック４０の交流インピーダンスを求めることのできる高周波インピーダンス計測器である。

そして、コントローラ６０は発電停止要求があるか否かを判定する（ステップ２０５）。イグニッションスイッチ７１がオンからオフに切り換えられること、発電停止要求は、コントローラ６０に出力される。発電停止要求がない限り（ステップ２０５；ＮＯ）、コントローラ６０は、ステップ２０１〜ステップ２０４の処理を実行する。

燃料電池スタック４０の温度は、運転状態によって刻々と変動するため、目標交流インピーダンスも運転状態によって刻々と変動する。コントローラ６０は、刻々と変動する目標交流インピーダンスに追従するように、燃料電池スタック４０に流出入する水収支を制御する。

コントローラ６０は、発電停止要求を受けると（ステップ２０５；ＹＥＳ）、二次電池４２に蓄電された電力を用いてエアコンプレッサ１４を駆動し、燃料電池スタック４０内部のガスチャンネルに掃気ガスを供給することで、ガスチャンネル内の水分を掃気する（ステップ２０６）。エアコンプレッサ１４は、燃料電池スタック４０内の水分を掃気するための掃気手段として機能する。

ここで、図３を参照しながら目標交流インピーダンスの計算過程（ステップ２０３）について詳述する。

コントローラ６０は、ステップ２０２で計測したＦＣ温度１０３と、温度−乾燥速度マップデータ（Ｔ−Ｖマップデータ）３０１とを基に、ＦＣ温度１０３に対応する乾燥速度Ｖを算出する。温度−乾燥速度マップデータ３０１は、横軸を温度とし、縦軸を乾燥速度（単位時間あたりに掃気される水分量）とするマップデータであり、それぞれの温度に対応する乾燥速度がプロットされている。

コントローラ６０は、乾燥速度Ｖと、乾燥速度−乾燥量マップデータ（Ｖ−Ｑマップデータ）３０２とを基に、乾燥速度Ｖに対応する乾燥量Ｑを算出する。乾燥速度−乾燥量マップデータ３０２は、横軸を乾燥速度とし、縦軸を乾燥量とするマップデータであり、それぞれの乾燥速度に対応する乾燥量がプロットされている。乾燥量Ｑは、乾燥速度Ｖに掃気時間ΔｔＴを乗じることで算出される。

コントローラ６０は、温度１０３と、温度−目標水量マップデータ（Ｔ−Ｑ_TGTマップデータ）３０３とを基に、温度１０３に対応する目標水量Ｑ_TGTを算出する。温度−目標水量マップデータ３０３は、横軸を温度とし、縦軸を目標水量とするマップデータであり、それぞれの温度に対応する目標水量がプロットされている。目標水量Ｑ_TGTは、乾燥量Ｑと残留水量Ｑ_ENDとを加算したものである。ここで、乾燥量Ｑは、掃気処理時に燃料電池スタック４０から排水される水分量であり、残留水量Ｑ_ENDは、掃気処理後に燃料電池スタック４０に残留する水分量である。

コントローラ６０は、温度１０３と、温度−目標交流インピーダンスマップデータ（Ｔ−Ｚマップデータ）３０４とを基に、温度１０３に対応する目標交流インピーダンス１２３を算出する。温度−目標交流インピーダンスマップデータ３０４は、横軸を温度とし、縦軸を目標交流インピーダンスとするマップデータであり、それぞれの温度に対応する目標交流インピーダンスがプロットされている。交流インピーダンスは、目標水量Ｑ_TGTと相関関係を有していることが知られているので、目標水量Ｑ_TGTから目標交流インピーダンスを求めることができる。

尚、説明の便宜上、温度−乾燥速度マップデータ３０１、乾燥速度−乾燥量マップデータ３０２、温度−目標水量マップデータ３０３、及び温度−目標交流インピーダンスマップデータ３０４を用いて、目標交流インピーダンス１２３を計算する過程を示したが、温度−乾燥速度マップデータ３０１、乾燥速度−乾燥量マップデータ３０２、及び温度−目標水量マップデータ３０３は、温度−目標交流インピーダンスマップデータ３０４を理論的に導出するための物理モデルであるから、実際の運用では、温度−目標交流インピーダンスマップデータ３０４があれば十分である。

ここで、図４を参照しながら燃料電池スタック４０に流出入する水収支の制御過程（ステップ２０４）について詳述する。

コントローラ６０は、電流センサ７５の出力値から計測したＦＣ電流値１０７にゲイン１１０を乗じることで、生成水量Ｗ１[g/sec]を算出する。ゲイン１１０は、セル数／ＬＶＦＦ／２×１８の値を有する定数であり、ＬＶＦＦは、ファラデー定数（９６５００Ｃ／ｍｏｌ）である。更に、コントローラ６０は、温度センサ７６の出力値から計測したＦＣ温度１０３と、水飽和蒸気特性マップデータ１１１とから水蒸気圧Ｕ１を算出し、エア圧力センサ７８の出力値からエア圧力値１０９（以下、エア圧力値Ｕ２と称する。）を計測する。そして、コントローラ６０は、関数１１２に引数Ｕ１，Ｕ２を代入し、水蒸気と空気の分圧比Ｖ１を算出する。

コントローラ６０は、電流センサ７５の出力値から計測したＦＣ電流値１０７にゲイン１１３を乗じることで、エア消費量Ａ１[mol/sec]を算出する。ゲイン１１３は、セル数／ＬＶＦＦ／４の値を有する定数である。コントローラ６０は、エア流量センサ７７の出力値からカソード出口のエア流量値１０８（以下、エア流量値Ａ２[mol/sec]と称する。）を計測する。そして、コントローラ６０は、持ち去り水分に転換したエア流量Ｖ２をエア流量Ａ２−エア消費量Ａ１により算出する。コントローラ６０は、乗算関数１１５に引数Ｖ１，Ｖ２を代入し、その返値にゲイン１１６を乗じることで、持ち去り水量Ｗ２[g/sec]を算出する。ゲイン１１６は、１８の値を有する定数である。持ち去り水量Ｗ２は、−１の値を有するゲイン１１７が乗じられて、符号が−になる。

コントローラ６０は、加湿モジュール水蒸気交換率マップデータ１１８を基に、エア流量Ａ２に対応する水蒸気交換率Ｘ１を算出する。コントローラ６０は、ＭＩＮ関数１１９に引数Ｗ１，Ｗ２を代入し、その返値をＸ２とする。ＭＩＮ関数１１９は、複数の引数のうち最小値をとるものを返値とする関数である。コントローラ６０は、乗算関数１２０に引数Ｘ１，Ｘ２を代入し、その返値を加湿水量Ｗ３[g/sec]とする。コントローラ６０は、加算関数１２１に引数Ｗ１，−Ｗ２，Ｗ３を代入し、その返値を、燃料電池スタック４０に残留する水分量１２２とする。

コントローラ６０は、水分量１２２が目標水量Ｑ_TGTに一致するように、生成水量Ｗ１、持ち去り水量Ｗ２、及び加湿水量Ｗ３を制御する。具体的には、水分量１２２が目標水量Ｑ_TGTよりも少ない場合には、コントローラ６０は、ＦＣ電流１０７を増加させる操作や加湿モジュール１５からの加湿量を増加させたりする操作などを実施することにより、生成水量Ｗ１又は加湿水量Ｗ３を増大させる。一方、水分量１２２が目標水量Ｑ_TGTよりも多い場合には、コントローラ６０は、エア流量値１０８を増大させる操作やエア圧力値１０９を減らす操作などを実施することにより、持ち去り水量Ｗ２を増大させる。

本実施形態によれば、燃料電池スタック４０内部に残留している水分をエアコンプレッサ１４によって掃気するために要する時間が略一定になるように、燃料電池スタック４０に流出入する水収支（生成水量、持ち去り水量、及び加湿水量の収支計算）を制御することで、掃気制御を簡易化できる。

尚、コントローラ６０は、燃料電池スタック４０内部に残留している水分をエアコンプレッサ１４によって掃気するために要する時間が略一定になるように燃料電池スタック４０に流出入する水収支を制御する水収支制御手段（ステップ２０４）として機能する。

本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。 掃気処理に要する時間を略一定に調整するための水収支制御を示すフローチャートである。 目標交流インピーダンスの計算過程を示す説明図である。 水収支の制御過程を示す説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １４…エアコンプレッサ ４０…燃料電池スタック ４２…二次電池 ６０…コントローラ

Claims (4)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタック内部から水分を発電停止時に掃気するための掃気手段と、
   前記掃気手段に作動電力を供給する蓄電装置と、
   前記燃料電池スタック内部から水分を前記掃気手段によって掃気するために要する時間が一定になるように前記燃料電池スタックに流出入する水収支を制御する水収支制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記水収支制御手段は、前記燃料電池スタックの温度に基づいて目標交流インピーダンスを算出し、発電停止時の前記燃料電池スタックの交流インピーダンスが前記目標交流インピーダンスに等しくなるように前記燃料電池スタックに流出入する水収支を制御する、燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記水収支制御手段は、前記燃料電池スタックの発電電流を制御することにより、前記水収支を制御する、燃料電池システム。
4. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記水収支制御手段は、前記燃料電池スタックに加えられる加湿水量を制御することにより、前記水収支を制御する、燃料電池システム。

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