JP5688002B2

JP5688002B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5688002B2
Application number: JP2011271193A
Authority: JP
Inventors: 柘植　穂高; 穂高柘植; 加藤　崇; 崇加藤; 忠明山田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2015-03-25
Anticipated expiration: 2031-12-12
Also published as: JP2013122873A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

ＰＥＭ（Proton Exchange Membrane）型の燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）を活性化させる方法（発電特性を回復させる方法）として、カソードの電位を周期的に０．６Ｖ以下に低下させる方法が知られている（特許文献１参照）。

特表２００３−５３６２３２号公報

しかしながら、特許文献１では、燃料電池のカソード流路に窒素等の不活性ガスをポンプで供給し、カソードの電位を低下させているので、不活性ガス供給源、ポンプの電源が必要となる。したがって、システムが大型化する。

そこで、本発明は、簡易な構成で燃料電池を活性化可能（発電特性を回復可能）な燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、アノード及びカソードを有する燃料電池と、前記カソードに向かう酸化剤含有ガスが通流するカソードガス流路と、前記カソードからの酸化剤含有オフガスが通流するカソードオフガス流路と、前記カソードガス流路と前記カソードオフガス流路とを接続し、前記カソードオフガス流路から前記カソードガス流路に酸化剤含有オフガスを戻す戻し流路と、前記戻し流路に設けられ、酸化剤含有オフガスを戻す場合に開く戻し弁と、前記燃料電池の出力端子に接続し、前記燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、前記戻し弁及び前記電圧制御手段を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、システム運転中に前記燃料電池を活性化する場合、前記戻し弁を開いて酸化剤含有オフガスを前記カソードガス流路に戻し、前記電圧制御手段を制御して前記燃料電池の電圧を０．３Ｖ以下に低下させ、０．６Ｖ以上に上昇させて前記燃料電池の電圧を変動させることを特徴とする燃料電池システムである。

このような構成は、燃料電池、カソードガス流路、カソードオフガス流路、電圧制御手段、制御手段を一般に備える燃料電池システムに、戻し流路及び戻し弁を追加する構成であるので、システム構成は簡易となり、大型化することはない。

そして、このような構成によれば、制御手段が、システム運転中に燃料電池を活性化する場合、戻し弁を開いて酸化剤含有オフガスをカソードガス流路に戻し、電圧制御手段を制御して燃料電池の電圧を変動させるので、燃料電池が活性化、つまり、燃料電池の発電特性（ＩＶ特性）が回復する。

すなわち、酸化剤含有オフガスがカソードガス流路に戻されると、酸化剤含有ガス（後記する実施形態では新規空気）と、酸化剤含有オフガス（後記する実施形態ではカソードオフガス）とが混合し、酸化剤の濃度（後記する実施形態では酸素濃度）の低下したガスが燃料電池のカソードに供給される。よって、カソードは酸化剤の欠乏状態（後記する実施形態では酸素欠乏状態）に近づき、このような酸化剤の欠乏状態で、燃料電池の電圧を変動させることで、燃料電池を活性化できる。

また、酸化剤の欠乏状態とするには、カソードに向かう酸化剤含有ガスの流量を低減する方法も考えられるが、このように酸化剤含有オフガスを酸化剤含有ガスに混合することで、体積流量を変化させずに、酸化剤の濃度を低下させることでき、酸化剤がカソードの触媒に接触し難くなるので、燃料電池の電圧を効率的に低下させることができる。なお、酸化剤含有オフガスは窒素を多量に含むので、これを酸化剤含有ガスに混合することにより、窒素濃度が増加することになる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記電圧制御手段は、前記燃料電池と負荷とを電気的にＯＮ（接続）／ＯＦＦ（遮断）するコンタクタを備え、前記制御手段は、前記燃料電池の電圧を上昇させる場合、前記コンタクタをＯＦＦすることが好ましい。

このような構成によれば、制御手段が、コンタクタをＯＦＦすることで、燃料電池の電圧を上昇させることができる。

本発明によれば、簡易な構成で燃料電池を活性化可能（発電特性を回復可能）な燃料電池システムを提供できる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。単セルのＩＶ曲線である。本実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

本発明の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

≪燃料電池システムの構成≫
図１に示す燃料電池システム１は、図示しない燃料電池車（車両、移動体）に搭載されている。燃料電池車は、例えば、四輪車、三輪車、二輪車、一輪車、列車等である。ただし、その他の移動体、例えば、船舶、航空機に搭載された構成でもよい。

燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０と、セル電圧モニタ１５と、燃料電池スタック１０のアノードに対して水素（燃料ガス、反応ガス）を給排するアノード系と、燃料電池スタック１０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤含有ガス）を給排するカソード系と、燃料電池スタック１０の発電を制御する電力制御系と、これらを電子制御するＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、電子制御装置）と、を備えている。

＜燃料電池スタック＞
燃料電池スタック１０は、複数（例えば２００〜４００枚）の固体高分子型の単セル１１が積層して構成されたスタックであり、複数の単セル１１は電気的に直列で接続されている。単セル１１は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜電極接合体）と、これを挟む２枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。ＭＥＡは、１価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜（固体高分子膜）と、これを挟むアノード及びカソード（電極）とを備えている。

アノード及びカソードは、カーボンペーパ等の導電性を有する多孔質体と、これに担持され、アノード及びカソードにおける電極反応を生じさせるための触媒（Ｐｔ、Ｒｕ等）と、を含んでいる。

各セパレータには、各ＭＥＡの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路１２（燃料ガス流路）、カソード流路１３（酸化剤ガス流路）として機能している。

そして、アノード流路１２を介して各アノードに水素が供給されると、式（１）の電極反応が起こり、カソード流路１３を介して各カソードに空気が供給されると、式（２）の電極反応が起こり、各単セルで電位差（ＯＣＶ（Open Circuit Voltage）、開回路電圧）が発生するようになっている。次いで、燃料電池スタック１０とモータ４１等の外部回路とが電気的に接続され、電流が取り出されると、燃料電池スタック１０が発電するようになっている。

２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ⁻ …（１）
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）

このような燃料電池スタック１０（単セル１１）は、図２に示すＩＶ曲線（電流−電圧曲線、ＩＶ特性）を有している。すなわち、燃料電池スタック１０（単セル１１）の出力する電流値が増加するにつれて、電圧値が低くなる関係を有している。

＜セル電圧モニタ＞
セル電圧モニタ１５は、燃料電池スタック１０を構成する複数の単セル１１毎のセル電圧を検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備えている。

モニタ本体は、所定周期で全ての単セル１１をスキャニングし、各単セル１１のセル電圧を検出し、平均セル電圧、最低セル電圧を算出するようになっている。そして、モニタ本体（セル電圧モニタ１５）は、平均セル電圧、最低セル電圧をＥＣＵ５０に出力するようになっている。

＜アノード系＞
アノード系は、配管２１ａと配管２１ｂとを備えている。配管２１ａはアノード流路１２の入口に接続されており、配管２１ｂはアノード流路１２の出口に接続されている。

そして、システムの運転中（図示しないＩＧのＯＮ中）、ＥＣＵ５０は配管２１ａに設けられた遮断弁（図示しない）を開き、水素タンク（図示しない）の水素が配管２１ａを通ってアノード流路１２に供給されるようになっている。

アノード流路１２からのアノードオフガスは、配管２１ｂを通って、後記する配管３４ａに設けられた希釈器（図示しない）に排出され、希釈器においてカソードオフガスで希釈された後、車外に排出されるようになっている。

＜カソード系＞
カソード系は、常開型の吸気弁３１と、コンプレッサ３２と、加湿器３３と、常開型の背圧弁３４と、常閉型の戻し弁３５と、を備えている。

車外の空気（酸化剤含有ガス）を吸気する吸気口から順に、配管３１ａ、吸気弁３１、配管３２ａ、加湿器３３、配管３３ａが接続され、配管３３ａの下流端は、カソード流路１３の入口に接続されている。そして、コンプレッサ３２がＥＣＵ５０の指令に従って作動すると、車外の空気が配管３１ａ等を通ってカソード流路１３（カソード）に供給されるようになっている。よって、カソードに向かう空気（酸化剤含有ガス）が通流するカソードガス流路は、配管３１ａと、配管３１ｂと、配管３２ａと、配管３３ａとを備えて構成されている。

吸気弁３１は、例えばバタフライ弁で構成され、その開度はＥＣＵ５０の指令に従って制御されるようになっている。そして、コンプレッサ３２が作動し、戻し弁３５が開いた状態において、吸気弁３１の開度と背圧弁３４に開度とが適宜に制御されることで、配管３１ｂと後記する配管３５ｂとの合流点における車外からの空気（新規空気）とカソードオフガス（酸化剤含有オフガス）との混合比が制御され、カソード流路１３に向かう空気の酸素濃度が制御されるようになっている。

加湿器３３は、複数本の中空糸膜を備えており、中空糸膜を介して、カソード流路１３に向かう空気と、カソード流路１３からのカソードオフガスとの間で水分交換させ、空気を加湿するようになっている。

カソード流路１３の出口には、配管３３ｂ、加湿器３３、配管３３ｃ、背圧弁３４、配管３４ａが順に接続されている。そして、カソード流路１３からのカソードオフガスは、配管３３ｂ等を通って車外に排出されるようになっている。配管３４ａには、希釈器（図示しない）が設けられており、前記した配管２１ｂは希釈器に接続されている。

背圧弁３４は、例えばバタフライ弁で構成され、その開度はＥＣＵ５０の指令に従って制御されるようになっている。

配管３３ｃは、配管３５ａ、常閉型の戻し弁３５、配管３５ｂを介して、配管３１ｂに接続されている。戻し弁３５は、常閉型の例えばゲート弁である。そして、ＥＣＵ５０の指令に従って戻し弁３５が開くと、カソードオフガスが配管３５ａ等を通って配管３１ｂに戻されるようになっている。

したがって、カソードガス流路とカソードオフガス流路とを接続し、カソードオフガス流路からカソードガス流路にカソードオフガス（酸化剤含有オフガス）を戻す戻し流路は、配管３５ａと配管３５ｂとを備えて構成されている。そして、戻し弁３５は、この戻し流路に設けられている。

＜電力制御系＞
電力制御系は、モータ４１と、ＰＤＵ４２（Power Drive Unit）と、電力制御器４３と、コンタクタ４４と、バッテリ４５と、を備えている。モータ４１は、ＰＤＵ４２、電力制御器４３、コンタクタ４４を介して、燃料電池スタック１０の出力端子（図示しない）に接続されており、バッテリ４５は、電力制御器４３に接続されている。

モータ４１は、燃料電池車を走行させるための駆動力を発生する電動機である。

ＰＤＵ４２は、ＥＣＵ５０の指令に従って、電力制御器４３からの直流電力を三相交流電力に変換し、モータ４１に供給するインバータである。

電力制御器４３は、ＥＣＵ５０の指令に従って、（１）燃料電池スタック１０の出力（発電電力、電流値、電圧値）を制御する機能と、（２）バッテリ４５の充放電を制御する機能と、を備えている。このような電力制御器４３は、ＤＣ−ＤＣチョッパ回路等の各種電子回路を備えて構成される。

コンタクタ４４は、ＥＣＵ５０の指令に従って、電力制御器４３と燃料電池スタック１０とを、電気的にＯＮ（接続）／ＯＦＦ（遮断）するものである。なお、コンタクタ４４をＯＦＦすると、燃料電池スタック１０（単セル１１）の電流値は０となり、電圧値は上昇しＯＣＶとなる（図２参照）。

したがって、燃料電池スタック１０（単セル１１）の電圧を制御する電圧制御手段は、電力制御器４３とコンタクタ４４とを備えて構成されている。

バッテリ４５、電力を充電／放電する蓄電装置であり、例えば、リチウムイオン型の単電池が複数組み合わせてなる組電池で構成される。

＜ＥＣＵ＞
ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を電子制御する制御装置であり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機器を制御し、各種処理を実行するようになっている。

≪燃料電池システムの動作≫
次に、図３を参照して、燃料電池システム１の動作を説明する。
なお、初期状態において、燃料電池車は走行しており、燃料電池システム１はシステム運転中である。すなわち、ＩＧ（図示しない）のＯＮ信号を検知するＥＣＵ５０は、アノード流路１２に水素を、カソード流路１３に空気を供給し、電力制御器４３を制御して、燃料電池スタック１０をアクセル開度（発電要求量）に基づいて発電させている。つまり、コンプレッサ３２は作動状態、コンタクタ４４はＯＮ状態であり、戻し弁３５は閉状態である。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５０は、燃料電池スタック１０を活性化（例えば、単セル１１を構成するＰｔ等の触媒を活性化）する必要があるか否か判定する。

例えば、前回の活性化処理からの総発電時間が所定時間以上である場合、活性化する必要があると判定される。その他、平均セル電圧（又は最低セル電圧）が、所定時間連続して所定電圧未満である場合、活性化する必要があると判定される。

燃料電池スタック１０を活性化する必要があると判定した場合（Ｓ１０１・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０２に進む。一方、燃料電池スタック１０を活性化する必要がないと判定した場合（Ｓ１０１・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１２０に進む。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ５０は、燃料電池システム１を通常に制御する。すなわち、燃料電池スタック１０の出力がアクセル開度に対応するように、コンプレッサ３２、背圧弁３４、電力制御器４３等を制御する。なお、吸気弁３１は全開とする。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０１に戻る。

ステップＳ１０２において、ＥＣＵ５０は、戻し弁３５を開く。そうすると、カソードオフガスの一部が、配管３５ａ、配管３５ｂを通って、配管３１ｂに戻される。これにより、新規空気とカソードオフガスとが混合したガスが、カソード流路１３に供給され、カソードは酸素欠乏状態に近づく。

ステップＳ１０３において、ＥＣＵ５０は、吸気弁３１の開度及び背圧弁３４の開度を制御することで、新規空気とカソードオフガスとの混合比を制御し（例えば、約１：４）、カソード流路１３に向かう空気の酸素濃度を調整する。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５０は、コンタクタ４４をＯＦＦする。そうすると、単セル１１の電圧は第２電圧（例えば、０．６Ｖ）以上のＯＣＶに上昇する（図２参照）。第２電圧は、事前試験等により求められ、単セル１１を活性化させるために変動させるセル電圧の上限境界値として設定される。

なお、このようにコンタクタ４４をＯＦＦすると、燃料電池スタック１０の発電が停止するので、ＥＣＵ５０は、電力制御器４３を制御して、不足電力を補うようにバッテリ４５を放電させ、この電力をＰＤＵ４２（モータ４１）に供給する。
この他、コンタクタ４４をＯＦＦせず、電力制御器４３を制御して、単セル１１の電圧を上昇させる構成としてもよい。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５０は、コンタクタ４４のＯＦＦから所定ＯＦＦ時間経過したか否か判定する。所定ＯＦＦ時間は、事前試験等により求められ、例えば、５〜１５秒に設定される。

所定ＯＦＦ時間経過したと判定した場合（Ｓ１０５・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０６に進む。一方、所定ＯＦＦ時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０５・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０はステップＳ１０５の判定を繰り返す。

ステップＳ１０６において、ＥＣＵ５０は、コンタクタ４４をＯＮした後、電力制御器４３を制御して、単セル１１の電圧を第１電圧（例えば、０．３Ｖ）以下に低下させる。第１電圧は、事前試験等により求められ、単セル１１を活性化させるために変動させるセル電圧の下限境界値として設定される。
なお、この場合において、単セル１１（燃料電池スタック１０）の過剰電力は、例えば、バッテリ４５に充電される。

ステップＳ１０７において、ＥＣＵ５０は、コンタクタ４４のＯＮから（詳細には、単セル１１の電圧が第１電圧以下となってから）、所定ＯＮ時間経過したか否か判定する。所定ＯＮ時間は、事前試験等により求められ、例えば、５〜１５秒に設定される。

所定ＯＮ時間経過したと判定した場合（Ｓ１０７・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０８に進む。一方、所定ＯＮ時間経過していないと判定した場合（Ｓ１０７・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０はステップＳ１０７の判定を繰り返す。

ステップＳ１０８において、ＥＣＵ５０は、コンタクタ４４のＯＮ／ＯＦＦを、つまり、ステップＳ１０４〜Ｓ１０７の一連の処理を、所定回数（所定サイクル）にて繰り返したか否か判定する。所定回数は、事前試験等により求められ、例えば、５〜１５回に設定される。

所定回数繰り返したと判定した場合（Ｓ１０８・Ｙｅｓ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０９に進む。一方、所定回数繰り返していないと判定した場合（Ｓ１０８・Ｎｏ）、ＥＣＵ５０の処理はステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０９において、ＥＣＵ５０は、戻し弁３５を閉じる。
その後、ＥＣＵ５０の処理は、ステップＳ１０１に進む。

≪燃料電池システムの効果≫
このような燃料電池システム１によれば次の効果を得る。
コンタクタ４４のＯＮ／ＯＦＦ等を繰り返し（Ｓ１０４、Ｓ１０６）、単セル１１の電圧を変動させることで、単セル１１（燃料電池スタック１０）を活性化できる。また、戻し弁３５を開き、カソードオフガスを混入させ、体積流量を保持しつつ、酸素濃度が低下するので、単セル１１の電圧を大きく低下できる。

また、燃料電池システム１は、一般の燃料電池システムに対して、配管３５ａ、配管３５ｂ、戻し弁３５を追加した簡易な構成であり、不活性ガス供給源や不活性ガス用のポンプ及びその電源を備えない構成であるので、システムが大型化せず、燃料電池車等の車両にも搭載容易である。

≪変形例≫
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、次のように変更できる。

前記した実施形態では、本発明を複数の単セル１１が積層してなる燃料電池スタック１０に適用したが、その他に例えば、１つの単セル１１のみに適用してもよい。

前記した実施形態では、燃料電池システム１が車両に搭載された構成を例示したが、その他に例えば、定置型の燃料電池システムでもよい。

１燃料電池システム
１０燃料電池スタック（燃料電池）
１１単セル（燃料電池）
１２アノード流路
１３カソード流路
３１吸気弁
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３３ａ配管（カソードガス流路）
３３ｂ、３３ｃ、３４ａ配管（カソードオフガス流路）
３５戻し弁
３５ａ、３５ｂ配管（戻し流路）
４３電力制御器（電圧制御手段）
４４コンタクタ（電圧制御手段）
５０ＥＣＵ（制御手段）

Claims

アノード及びカソードを有する燃料電池と、
前記カソードに向かう酸化剤含有ガスが通流するカソードガス流路と、
前記カソードからの酸化剤含有オフガスが通流するカソードオフガス流路と、
前記カソードガス流路と前記カソードオフガス流路とを接続し、前記カソードオフガス流路から前記カソードガス流路に酸化剤含有オフガスを戻す戻し流路と、
前記戻し流路に設けられ、酸化剤含有オフガスを戻す場合に開く戻し弁と、
前記燃料電池の出力端子に接続し、前記燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、
前記戻し弁及び前記電圧制御手段を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、システム運転中に前記燃料電池を活性化する場合、前記戻し弁を開いて酸化剤含有オフガスを前記カソードガス流路に戻し、前記電圧制御手段を制御して前記燃料電池の電圧を０．３Ｖ以下に低下させ、０．６Ｖ以上に上昇させて前記燃料電池の電圧を変動させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
前記電圧制御手段は、前記燃料電池と負荷とを電気的にＯＮ／ＯＦＦするコンタクタを備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の電圧を上昇させる場合、前記コンタクタをＯＦＦする
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。