JP5239577B2

JP5239577B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法

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Publication number: JP5239577B2
Application number: JP2008189089A
Authority: JP
Inventors: 弘明竹内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2028-07-22
Also published as: JP2010027468A

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。

燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質が触媒層によって挟持された膜−電極接合体が、さらにガス拡散層によって挟持された構造を有する。燃料電池は、アノード側にアノードガスが供給され、カソード側にカソードガスが供給されて発電するとともに水を生成する。このような燃料電池においては、氷点下起動時に継続して発電することが困難になる場合がある。

特許文献１には、燃料電池の放熱分を補うために必要な発熱量が得られる最低電流以上の出力電流が得られるように燃料電池の出力を制御する低温起動方法が開示されている。

特開２００５−８５５７８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、発電により生成された水が凍結して、有効発電面積が低下するおそれがある。

本発明は、氷点下起動時における有効発電面積低下を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の氷点下起動時において、発電電流密度が第１のしきい値以下になるように燃料電池の発電量を制御する制御手段を備え、制御手段は、氷点下起動時における発電電流密度の上昇速度が第２のしきい値以下になった場合に、発電電流密度を、上昇速度が第２のしきい値以下になる前に比較して減少させることによって、発電電流密度が第１のしきい値以下になるように燃料電池の発電量を制御することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、発電電流密度に上限が設けられていることから、氷点下起動時における有効発電面積低下を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池の起動方法は、燃料電池の氷点下起動時において、発電電流密度が第１のしきい値以下になるように燃料電池の発電量を制御する制御ステップを含み、制御ステップは、氷点下起動時における発電電流密度の上昇速度が第２のしきい値以下になった場合に、発電電流密度を、上昇速度が第２のしきい値以下になる前に比較して減少させることによって、発電電流密度が第１のしきい値以下になるように燃料電池の発電量を制御するステップであることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の起動方法によれば、発電電流密度に上限が設けられていることから、氷点下起動時における有効発電面積低下を抑制することができる。

本発明によれば、氷点下起動時における有効発電面積低下を抑制することができる燃料電池システムおよび燃料電池の起動方法を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明の実施例１に係る燃料電池システム８０について説明する。図１は、燃料電池システム８０の模式図である。燃料電池システム８０は、燃料電池１０と、カソードガス供給手段２０と、アノードガス供給手段３０と、負荷４０と、電流検出手段５０と、温度検出手段６０と、制御手段７０と、を備える。燃料電池１０は、水素および酸素の化学反応を利用して発電する燃料電池である。燃料電池１０の詳細については後述する。

カソードガス供給手段２０は、制御手段７０の指示に従って、酸素（Ｏ_２）を含むカソードガスを燃料電池１０のカソード側に供給する。アノードガス供給手段３０は、制御手段７０の指示に従って、水素（Ｈ_２）を含むアノードガスを燃料電池１０のアノード側に供給する。

負荷４０は、燃料電池１０のカソード側およびアノード側に電気的に接続されている。負荷４０として、例えばモータ、補機等が用いられる。

電流検出手段５０は、燃料電池１０の発電によって生じた電流を検出して、制御手段７０に伝える。それにより、制御手段７０は電流量を取得することができる。

温度検出手段６０は、燃料電池１０の温度を検出して、制御手段７０に伝える。それにより、制御手段７０は燃料電池１０の温度を取得することができる。本実施例においては、温度検出手段６０は、燃料電池１０の温度として、燃料電池１０の内部を流動する冷却水の温度を検出する。

制御手段７０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）７１、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）７２、ＲＡＭ（ＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）７３等、を備えるマイクロコンピュータである。制御手段７０は、電流検出手段５０および温度検出手段６０の取得結果を受けて、カソードガス供給手段２０およびアノードガス供給手段３０を制御する。また、制御手段７０は、電流検出手段５０の検出結果を受けて電流量を取得し、その電流量に基づいて電流密度を計算する。制御手段７０の制御の詳細については後述する。

続いて、燃料電池１０について説明する。図２は、燃料電池１０の模式的断面図である。燃料電池１０は、膜−電極接合体１１と、撥水層１５と、撥水層１６と、ガス拡散層１７と、ガス拡散層１８と、を備える。膜−電極接合体１１は、電解質膜１２と、カソード触媒層１３と、アノード触媒層１４と、を備える。

電解質膜１２は、例えば、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質からなる。カソード触媒層１３は電解質膜１２の一方の面に配置され、アノード触媒層１４は電解質膜１２の他方の面に配置されている。カソード触媒層１３は、プロトンと酸素との反応を促進するための触媒を含有する導電性材料からなる。アノード触媒層１４は、水素のプロトン化を促進するための触媒を含有する導電性材料からなる。カソード触媒層１３およびアノード触媒層１４として、例えば白金を担持したカーボンが用いられる。

撥水層１５は、カソード触媒層１３の電解質膜１２と反対側の面に配置されている。撥水層１６は、アノード触媒層１４の電解質膜１２と反対側の面に配置されている。撥水層１５および撥水層１６は、撥水性、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。

ガス拡散層１７は、撥水層１５のカソード触媒層１３と反対側の面に配置されている。ガス拡散層１８は、撥水層１６のアノード触媒層１４と反対側の面に配置されている。ガス拡散層１７およびガス拡散層１８は、導電性およびガス透過性を備えた材料からなる。導電性およびガス透過性を備えた材料として、例えばカーボンペーパー、カーボンクロス等が用いられる。なお、撥水層１５および撥水層１６は、それぞれガス拡散層１７およびガス拡散層１８の一部に撥水処理を施したものであってもよい。

燃料電池１０は、以下のように発電する。まず、ガス拡散層１８にはアノードガス供給手段３０からアノードガスが供給され、ガス拡散層１７にはカソードガス供給手段２０からカソードガスが供給される。ガス拡散層１８に供給されたアノードガスに含まれる水素は、ガス拡散層１８を拡散して、アノード触媒層１４に到達する。アノード触媒層１４において、水素は電子を放出してプロトンになる。放出された電子は、負荷４０において電気的な仕事をした後に、カソード触媒層１３に供給される。プロトンは、電解質膜１２を伝導してカソード触媒層１３側に移動する。

ガス拡散層１７に供給されたカソードガスに含まれる酸素は、ガス拡散層１７を拡散して、カソード触媒層１３に到達する。カソード触媒層１３においては、酸素と電子とプロトンとが反応して水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。以上のように、発電が行われる。

ここで、燃料電池１０の氷点下起動時においては、生成水が凍結して発電の継続性が困難になるおそれがある。そこで、特許文献１に係る技術においては、燃料電池１０の発熱量を多くするため、多くの電流を引いて燃料電池１０の発電量を高くしている。しかしながら、以下に説明するように、電流密度を高くして発熱量を多くしたからといって、必ずしも発電の継続性が向上するとは限らない。

図３は、氷点下起動時において燃料電池１０の電流密度と燃料電池１０の含水量との関係を示す実験結果である。縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示し、横軸は含水量（ｇ）を示している。曲線１００は、氷点下起動時において電流密度の上限を設けなかった場合の電流密度と含水量との関係を示すグラフである。曲線１００において、電流密度は、氷点下起動時から所定の含水量に至るまで上昇している。しかし、電流密度はピークを迎えた後に、含水量の増加とともに下降している。これは、発電を継続することが困難になったことを意味している。一方、曲線１０１は、電流密度に上限を設けた場合の電流密度と含水量との関係を示すグラフである。この場合、比較的多い含水量に至るまで発電が継続した。したがって、電流密度に上限を設けると、発電の継続性が高くなった。

ここで、電流密度が高い場合に発電の継続性が悪化するメカニズムについて考察する。まず、生成水の生成速度と電流密度との関係について説明する。水素１ｍｏｌが反応して生成される水は１８ｇである。また、水素１ｍｏｌが反応して流れる電荷は、水素１ｍｏｌからプロトンが２個発生することから、２×９６４８５（Ｃ）である。したがって、生成水の生成速度をＱ（ｇ／ｓ）とし、電流密度をＩ（Ａ／ｃｍ^２）とし、膜−電極接合体１１の面積をＳ（ｃｍ^２）とした場合、下記式（１）が成立する。
Ｑ（ｇ／ｓ）＝１８（ｇ／ｍｏｌ）÷（２×９４６８５（Ｃ／ｍｏｌ））×Ｉ（Ａ／ｃｍ^２）×Ｓ（ｃｍ^２）・・・（１）

ここで、Ｉ（Ａ／ｃｍ^２）×Ｓ（ｃｍ^２）は、電流値（Ａ）を表している。また、電流値の単位であるアンペア（Ａ）は、単位時間当たりのクーロン量（Ｃ／ｓ）で表される。よって、式（１）は下記式（２）のように変形される。式（２）から、生成水の生成速度Ｑは、電流密度Ｉに比例することが判る。
Ｑ（ｇ／ｓ）＝Ｉ（Ａ／ｃｍ^２）×Ｓ（ｃｍ^２）×１８（ｇ／ｍｏｌ）÷（２×９４６８５（Ｃ／ｍｏｌ））・・・（２）

図４は、カソード触媒層１３、撥水層１５およびガス拡散層１７付近の拡大断面図である。水が生成されると、特に撥水層１５において絞りが生じる。それにより、所定量以上の水が生成されると、排水が妨げられるとともに、カソードガスの供給が抑制される。特に、氷点下においては、生成される水の粘性が高いため、撥水層１５における絞りが生じやすくなる。その結果、有効発電面積が低下しやすくなる。そこで、水生成速度を所定値以下に制御することによって、排水性低下を抑制しつつ、カソードガスの供給を促進することができる。その結果、有効発電面積低下を抑制することができる。

以上のことから、電流密度を所定のしきい値以下に制御することによって、氷点下起動時における有効発電面積低下を抑制することができる。そこで、本実施例においては、制御手段７０は、氷点下起動時において電流密度がしきい値以下になるように燃料電池１０の発電量を制御する。ただし、電流密度のしきい値は、燃料電池１０の起動温度によって異なることが考えられる。生成水の粘性が起動温度によって異なるからである。そこで、電流密度のしきい値を燃料電池１０の起動温度に応じて求めることにした。

図５は、電流密度のしきい値を求めるためのグラフである。縦軸は、ある時間までの積算生成水量（ｇ）を示し、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示している。曲線１０２は、起動温度が−３０℃の場合を示し、曲線１０３は、起動温度が−２０℃の場合を示している。図５に示すように、積算生成水量は、所定の電流密度まではほぼ一定となる。そこで、例えば、積算生成水量が低下し始める電流密度をしきい値に設定することができる。

図５に示すような曲線から起動温度毎の電流密度のしきい値をあらかじめ求めておき、制御手段７０の例えばＲＯＭ７２に記憶させておく。制御手段７０は、氷点下起動時における燃料電池１０の電流密度が起動温度に応じてあらかじめ得られたしきい値以下になるように電流密度を制御する。なお、電流密度と発電量とは相関関係があることから、電流密度が制御されると、発電量も制御される。

なお、制御手段７０による電流密度の制御方法としては、例えばカソードガスのストイキ（電流生成に必要な酸素量に対する供給酸素量の割合）を制御する方法を用いることができる。カソードガスのストイキを制御する方法としては、カソードガス供給手段２０のカソードガス供給量を制御する方法が用いられる。

図６は、カソードガス供給量を変化させたときの、電圧と電流密度との関係を示すグラフである。縦軸は電圧（Ｖ）を示し、横軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示している。曲線１０４は、カソードガス供給量を減少させる前の電圧と電流密度との関係を示すグラフである。曲線１０５は、カソードガス供給量を減少させた後の電圧と電流密度との関係を示すグラフである。曲線１０４と曲線１０５とを比較すると、電圧が一定の場合、曲線１０５の電流密度の方が曲線１０４の電流密度に比較して小さいことが判る。したがって、図６から、カソードガス供給量を制御することによって、電流密度の制御が可能であることがわかる。

続いて、制御手段７０の氷点下起動時におけるフローチャートについて説明する。図７は、制御手段７０の氷点下起動時におけるフローチャートの一例を示す図である。制御手段７０は、図７のフローチャートを所定の周期で実行する。まず制御手段７０は、電流検出手段５０の検出結果に基づいて電流密度を取得するとともに、温度検出手段６０の検出結果に基づいて温度を取得する（ステップＳ１０）。

次いで、制御手段７０は、電流密度が起動温度に応じてあらかじめ得られた電流密度のしきい値より大きいか否かを判定する（ステップＳ２０）。

ステップＳ２０において電流密度がしきい値より大きいと判定された場合、制御手段７０は、電流密度を減少させる（ステップＳ３０）。なお、電流密度が減少すると発電量も減少する。次いで、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。制御手段７０が図７のフローチャートを所定の周期で実行することによって、電流密度がしきい値以下になるように発電量は制御される。

ステップ２０において電流密度がしきい値より大きいと判定されなかった場合、制御手段７０は、フローチャートの実行を終了する。それにより、電流密度はしきい値以下に制御される。なお、ステップＳ１０において取得した温度が氷点下でない場合にも、制御手段７０はフローチャートの実行を終了してもよい。

本実施例に係る燃料電池システム８０によれば、電流密度をしきい値以下にすることによって、生成水の生成速度を低下させることができる。それにより、氷点下起動時における有効発電面積低下を抑制することができる。

なお、本実施例において制御手段７０は、電流検出手段５０の検出結果に基づいて電流密度を取得しているが、これに限られない。例えば、制御手段７０は、電流値以外の値（例えばカソードガスのストイキ等）から電流密度を取得するためのマップを記憶しておき、そのマップに基づいて電流密度を取得してもよい。この場合、燃料電池システム８０は、電流検出手段５０を備えていなくてもよい。

本実施例においては、電流検出手段５０および制御手段７０が電流密度取得手段に相当し、図７のステップＳ１０が電流密度取得ステップに相当し、図７のステップＳ２０およびステップＳ３０が制御ステップに相当する。

続いて本発明の実施例２に係る燃料電池システム８０ａ（図示せず）について説明する。燃料電池システム８０ａは、制御手段７０の代わりに制御手段７０ａ（図示せず）を備える点で、実施例１に係る燃料電池システム８０と異なる。制御手段７０ａは、氷点下起動時において電流密度の上昇速度を取得し、その上昇速度に基づいて燃料電池１０の発電量を制御する点で、実施例１に係る制御手段７０と異なる。

図８（ａ）は、氷点下起動時における電流密度の時間変化を示すグラフである。縦軸は電流密度（Ａ／ｃｍ^２）を示し、横軸は氷点下起動時からの時間（ｓ）を示している。曲線１０６は、電流密度の時間変化を示す電流密度曲線である。氷点下起動時においては、膜−電極接合体１１がある程度乾燥した状態から起動する。したがって、電流密度は、起動開始とともに増加する。その後、電流密度の上昇速度は徐々に小さくなる。その後、電流密度は極大値を迎えた後に減少する。それにより、有効発電面積が低下したと推測される。したがって、曲線１０６の傾きの変化、すなわち電流密度の上昇速度の変化を取得することによって、有効発電面積の低下の可能性を判定することができる。

そこで、制御手段７０ａは、氷点下起動時の電流密度の上昇速度を取得し、その上昇速度が所定のしきい値以下になった場合には、電流密度が減少するようにカソードガスのストイキを減少させる。それにより、図８（ｂ）に示すように、電流密度が所定値以下に制御される。その結果、氷点下起動時における有効発電面積の低下を抑制することができる。

図９は、制御手段７０ａの氷点下起動時におけるフローチャートの一例を示す図である。制御手段７０ａは、図９のフローチャートを所定の周期で実行する。図９は、ステップＳ１０の後にステップＳ１５をさらに備える点と、ステップＳ２０の代わりにステップＳ２０ａを備える点と、において、図７と異なる。その他の構成は図７と同様のため、説明を省略する。

ステップＳ１５において、制御手段７０ａは、電流密度の上昇速度を取得する。具体的には、制御手段７０ａは、ステップＳ１０で取得した電流密度の単位時間当たりの増加量を求めることによって、電流密度の上昇速度を取得することができる。

次いで、ステップＳ２０ａにおいて、制御手段７０ａは、電流密度の上昇速度がしきい値以下であるか否かを判定する。ステップＳ２０ａにおいて、電流密度の上昇速度がしきい値以下であると判定された場合には、制御手段７０ａは電流密度を減少させる（ステップＳ３０）。なお、電流密度が減少すると発電量は低下する。制御手段７０ａが図９のフローチャートを所定の周期で実行することによって、電流密度の上昇速度がしきい値以下になるように発電量は制御される。一方、ステップＳ２０ａにおいて、電流密度の上昇速度がしきい値以下であると判定されなかった場合には、制御手段７０ａは、フローチャートの実行を終了する。

本実施例に係る燃料電池システム８０ａによれば、電流密度の上昇速度がしきい値以下になると燃料電池１０の発電量を低下させることから、電流密度の上昇が抑制される。それにより、氷点下起動時における有効発電面積低下を抑制することができる。

本実施例においては、電流検出手段５０および制御手段７０ａが電流密度取得手段に相当し、制御手段７０ａが速度取得手段に相当し、図９のステップＳ１０が電流密度取得ステップに相当し、図９のステップＳ１５が速度取得ステップに相当し、図９のステップＳ２０ａおよびステップＳ３０が制御ステップに相当する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム８０の模式図である。図２は、実施例１に係る燃料電池１０の模式的断面図である。図３は、氷点下起動時において燃料電池１０の電流密度と燃料電池１０の含水量との関係を示す実験結果である。図４は、カソード触媒層１３、撥水層１５およびガス拡散層１７付近の拡大断面図である。図５は、電流密度のしきい値を求めるためのグラフである。図６は、カソードガス供給量を変化させたときの、電圧と電流密度との関係を示すグラフである。図７は、実施例１に係る制御手段７０の氷点下起動時におけるフローチャートの一例を示す図である。図８（ａ）は、実施例２に係る氷点下起動時における電流密度の時間変化を示すグラフである。図８（ｂ）は、電流密度の上昇速度に基づいて電流密度を制御した場合の電流密度の時間変化を示すグラフである。図９は、実施例２に係る制御手段７０ａの氷点下起動時におけるフローチャートの一例を示す図である。

符号の説明

１０燃料電池
１１膜−電極接合体
１２電解質膜
１３カソード触媒層
１４アノード触媒層
１５，１６撥水層
１７，１８ガス拡散層
２０カソードガス供給手段
３０アノードガス供給手段
４０負荷
５０電流検出手段
６０温度検出手段
７０制御手段
７１ＣＰＵ
７２ＲＯＭ
７３ＲＡＭ
８０燃料電池システム

Claims

燃料電池の氷点下起動時において、発電電流密度が第１のしきい値以下になるように前記燃料電池の発電量を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記氷点下起動時における前記発電電流密度の上昇速度が第２のしきい値以下になった場合に、前記発電電流密度を、前記上昇速度が前記第２のしきい値以下になる前に比較して減少させることによって、前記発電電流密度が前記第１のしきい値以下になるように前記燃料電池の前記発電量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池の氷点下起動時において、発電電流密度が第１のしきい値以下になるように前記燃料電池の発電量を制御する制御ステップを含み、
前記制御ステップは、前記氷点下起動時における前記発電電流密度の上昇速度が第２のしきい値以下になった場合に、前記発電電流密度を、前記上昇速度が前記第２のしきい値以下になる前に比較して減少させることによって、前記発電電流密度が前記第１のしきい値以下になるように前記燃料電池の前記発電量を制御するステップであることを特徴とする燃料電池の起動方法。