JP5783334B2 - 燃料電池の制御装置、燃料電池システム、および、燃料電池の制御方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池の制御に関する。
燃料電池に備えられた電解質膜の劣化を抑制するため、例えば、特許文献1に記載の技術では、電解質膜の温度又は湿度から電解質膜のクリープ変形量とその累積値を算出して、累積値が予め定められた値を超えた場合に警告を発するようにしている。特許文献1に記載の技術では、このように警告を発することで、電解質膜が乾燥することによって裂けてしまうことを抑制している。
しかし、燃料電池の劣化は様々な原因によって生じ得る。例えば、電解質膜は、湿度が高い状態が継続すると膨潤して変形(座屈)することがある。そうすると、電解質膜に接合する触媒層にストレスが生じて触媒層に割れが生じる場合がある。また、触媒層に割れが生じると、その割れた部分によって、電解質膜の収縮時に電解質膜に引っ張り応力が発生し、電解質膜に伸びが生じて電解質膜の一部が薄くなってしまうことがある。よって、電解質膜に限らず触媒層の劣化も抑制可能な技術が望まれている。このような問題は、特に、低コスト化の為に薄い電解質膜を採用する燃料電池において顕著になる。また、従来の燃料電池においては、製造コストの低減や小型化、発電の効率化等が望まれている。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の第1の形態は、燃料電池の制御装置であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが5〜10μmであり、前記電解質膜の湿度が95〜98%RHの場合には、前記電解質膜の湿度が95%RH未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と、
前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる、制御装置である。その他、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
本発明の第1の形態は、燃料電池の制御装置であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが5〜10μmであり、前記電解質膜の湿度が95〜98%RHの場合には、前記電解質膜の湿度が95%RH未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と、
前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる、制御装置である。その他、本発明は、以下の形態として実現することも可能である。
(1)本発明の一形態によれば、燃料電池の制御装置が提供される。この制御装置は、要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と;前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが5〜10μmであり、前記電解質膜の湿度が95〜98%RHの場合には、前記電解質膜の湿度が95%未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と;を備える。このような形態の制御装置であれば、5〜10μmという薄い電解質膜が、95〜98%RHという湿度において膨潤したとしても、燃料電池の発電量を低下させることで、電解質膜の乾燥を促進することができる。よって、電解質膜に接合する触媒層に割れが生じることや、触媒層の割れに伴って電解質膜が薄くなりクロスリークが発生してしまうことを抑制することができる。
(2)上記燃料電池の制御装置において、前記制御部は、前記要求された電力量に応じて、前記燃料電池による発電量を制御すると共に二次電池から供給する電力量も制御してもよく、前記制御部は、前記発電量低下部によって前記燃料電池の発電量を低下させた場合に、前記要求された電力量のうち、前記発電量の低下によって不足となる電力量を、前記二次電池から供給してもよい。このような形態の制御装置であれば、燃料電池の発電量を低下させた際に、不足する電力量を二次電池から供給するので、必要な電力量を適切に供給することができる。
(3)上記燃料電池の制御装置は、更に、前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部を備えてもよく、前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせてもよい。このような形態の燃料電池であれば、触媒層に割れが生じた場合には、電解質膜を膨潤させることができるので、電解質膜が収縮することがない。よって、電解質膜の収縮時に触媒層の割れた部分によって電解質膜が伸びて薄くなることを抑制することができる。この結果、触媒層が割れた場合において、電解質膜にクロスリークが生じることを抑制することができる。
(4)上記燃料電池の制御装置において、前記割れ検出部は、前記電解質膜の湿度に基づいて、前記触媒層の歪みの回数を計測し、該回数に基づいて、前記触媒層の割れを検出してもよい。このような形態の制御装置であれば、電解質膜の膨潤と触媒層の割れと、をどちらも燃料電池の湿度に基づいて推定できる。
(5)上記燃料電池の制御装置は、更に、前記燃料電池の電流値に基づいて前記湿度を推定する湿度推定部を備えても良い。このような形態の制御装置であれば、電流値によって湿度を推定できるので、システムの構成を簡略化することができる。
(6)上記燃料電池の制御装置において、前記発電量低下部は、前記燃料電池の発電量を低下させる際に、前記燃料電池の発電量の電流を0.1A/cm2としてもよい。このような形態の制御装置であれば、燃料電池が必要以上に高い電位になることを抑制しつつ、電解質膜を迅速に乾燥させることができる。
(7)本発明の他の形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、前記燃料電池と、前記制御装置と、を備える。このような形態の燃料電池システムであれば、上述した制御装置と同様の効果を奏することができる。
本発明は、上述した燃料電池の制御装置や燃料電池システムだけではなく、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを備える車両や、燃料電池の制御方法、その制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。
図1は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム100の概略構成を示す図である。燃料電池システム100は、燃料電池車両などに搭載され、運転者からの要求に応じて、モータ200に電力を供給するシステムである。燃料電池システム100は、燃料電池10と、電流センサ15と、制御部20と、二次電池40と、SOC検出部45と、DC/DCコンバータ50と、DC/ACインバータ60と、を備える。制御部20は、本願の「制御装置」に相当する。
燃料電池10は、モータ200への電力供給源として機能する。本実施形態における燃料電池10は、反応ガスとして水素(アノードガス)と空気(カソードガス)の供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池10は、単セルとも呼ばれる複数の発電体11が積層されたスタック構造を有する。周知のように、各発電体11は、電解質膜の両面に触媒層が接合された膜電極接合体(MEA)と、膜電極接合体のそれぞれの面に配置されたガス拡散層と、ガス拡散層を介して膜電極接合体を狭持する2枚のセパレータと、を有する。本実施形態では、電解質膜の厚みは5〜10μmである。なお、燃料電池10は周知の構成のため、図1には、燃料電池10に反応ガスを供給するための流路等については示していない。燃料電池10への反応ガスの供給量は燃料電池10によって制御される。
燃料電池10は、直流配線30を介してDC/ACインバータ60に接続されている。DC/ACインバータ60には、モータ200が接続されている。直流配線30には、電流センサ15が接続されている。電流センサ15は、燃料電池10が出力する電流値を計測して、制御部20に送信する。
二次電池40は、DC/DCコンバータ50を介して、直流配線30に接続されている。二次電池40は、燃料電池10とともにモータ200への電力供給源として機能する。二次電池40は、例えば、リチウムイオン電池で構成することができる。制御部20は、DC/DCコンバータ50を制御することにより、燃料電池10を発電させる電流値および電圧値と、二次電池40の充放電とを制御する。
二次電池40には、SOC検出部45が接続されている。SOC検出部45は、二次電池40の充電状態であるSOC(State of Charge)を検出し、制御部20に送信する。二次電池40のSOCとは、二次電池40の充電容量に対する二次電池40の充電残量(蓄電量)の比率を意味する。SOC検出部45は、二次電池40の温度や電力、電流を計測することにより、二次電池40のSOCを検出する。
DC/ACインバータ60は、燃料電池10と二次電池40とから得られた直流電力を交流電力へと変換し、モータ200に供給する。モータ200によって回生電力が発生する場合には、DC/ACインバータ60が、その回生電力を直流電力に変換する。直流電力に変換された回生電力は、DC/DCコンバータ50を介して二次電池40に蓄電される。
制御部20は、CPUとメモリとを備えるコンピュータによって構成されている。制御部20は、モータ200を駆動するために運転者から要求された出力(電力量)に応じて、燃料電池システム100全体からモータ200に供給する電力量を制御する。制御部20は、要求された出力に対する燃料電池10による発電量と二次電池40から供給する電力量との配分をそれぞれ調整する。制御部20は、例えば、燃料電池10による発電量を低下させた場合には、発電量の低下によって不足となる電力量を二次電池40から供給させる。
制御部20は、CPUがメモリに記憶された所定のプログラムを実行することで、湿度推定部21、膨潤判定部22、割れ検出部23、発電量低下部24としても機能する。
湿度推定部21は、電流センサ15によって検出された燃料電池10の電流値に基づき、燃料電池10に備えられた電解質膜の湿度を推定する。制御部20のメモリには、燃料電池10の電流値と電解質膜の湿度との対応関係が予め定められたマップが記憶されている。湿度推定部21は、このマップを参照することで、燃料電池10の電流値から電解質膜の湿度を推定する。
膨潤判定部22は、湿度推定部21によって推定された電解質膜の湿度に基づき、電解質膜が膨潤しているか否かを判定する。本実施形態では、膨潤判定部22は、推定された電解質膜の湿度が、95%RH以上となる場合に、電解質膜が膨潤していると判定する。判定の基準を95%RHとした理由は後述する。
発電量低下部24は、電解質膜が膨潤していると判断される場合に、電解質膜が膨潤していない場合の発電量よりも、燃料電池10の発電量を低下させる。
割れ検出部23は、湿度推定部21によって推定された電解質膜の湿度に基づき、触媒層の歪みの回数を推定する。割れ検出部23は、さらに、推定された触媒層の歪みの回数に基づいて、触媒層に割れが生じたか否かを推定する。つまり、割れ検出部23は、湿度推定部21によって推定された電解質膜の湿度に基づいて、触媒層に割れが生じたか否かを推定する。電解質膜の湿度に基づいて触媒層に割れが生じたか否かを推定する具体的な方法を説明するにあたり、まず、触媒層に割れが生じるメカニズムについて以下説明する。
図2は、触媒層に割れが生じるメカニズムを示す説明図である。図2(A)には、燃料電池10を構成する発電体11を示している。上述のように、発電体11は、厚みが5〜10μmの電解質膜12と、触媒層13と、ガス拡散層14とを備えている。電解質膜12の発電に伴って電解質膜12が膨潤すると、図2(B)に示すように、ガス拡散層14(あるいはマイクロポーラス層)による拘束が弱い部分において、電解質膜12が伸びて座屈してしまう。そうすると、電解質膜12の両面に配置された触媒層13にも歪みが生じ、図2(C)に示すように、触媒層13に割れが生じる。その後、図2(D)に示すように、触媒層13に割れが生じた状態で電解質膜12が乾燥して収縮すると、触媒層13の割れた部分に接する電解質膜12に引張応力が加わる。このようにして、電解質膜の膨潤と乾燥とが繰り返されると、図2(E)に示すように、触媒層13の割れた部分において電解質膜12が伸びて薄くなる。このように電解質膜12が薄くなると、その薄くなった部分を通じてガスのクロスリークが増大してしまう。よって、本実施形態の制御部20は、後述する制御処理を実行して電解質膜12の膨潤を抑制することで、触媒層13の割れや、電解質膜12が伸びて薄くなることを抑制する。
次に、電解質膜12が膨潤しているか否かを判定するための基準値について説明する。
図3は、電解質膜12と触媒層13のヤング率の測定結果の例を示す図である。図3に示すように、電解質膜12は、湿度が高くなるとほぼ一定の割合でヤング率が下がる傾向がある。しかし、触媒層13は、液水状態、すなわち、100%RHに近付くと、急激にヤング率が低下する。これは、触媒層13に含まれる電解質が水分を吸収すると膨潤して電解質の体積率が高くなり、電解質が軟らかくなることに起因する。このような触媒層13の物性に基づき、電解質膜12の湿潤に伴う触媒層13の応力解析(シミュレーション)を行い、電解質膜12の湿度と触媒層13の歪みの関係を調べた。
図3は、電解質膜12と触媒層13のヤング率の測定結果の例を示す図である。図3に示すように、電解質膜12は、湿度が高くなるとほぼ一定の割合でヤング率が下がる傾向がある。しかし、触媒層13は、液水状態、すなわち、100%RHに近付くと、急激にヤング率が低下する。これは、触媒層13に含まれる電解質が水分を吸収すると膨潤して電解質の体積率が高くなり、電解質が軟らかくなることに起因する。このような触媒層13の物性に基づき、電解質膜12の湿潤に伴う触媒層13の応力解析(シミュレーション)を行い、電解質膜12の湿度と触媒層13の歪みの関係を調べた。
図4および図5は、電解質膜12の湿度と触媒層13の歪みの関係を示す図である。図4は、電解質膜12の湿度に応じた触媒層13の相当塑性歪みを示し、図5は、電解質膜12の湿度に応じた触媒層13の全歪みを示している。図4に示すように、電解質膜12の湿度が97%RHよりも大きい場合には、電解質膜12に座屈が起こることにより(図2(B)参照)、触媒層13に塑性歪みが発生することがわかる。これに対して、電解質膜12の湿度が97%以下であれば、塑性歪みは発生していない。この結果は、図3に示したヤング率の測定結果とも整合する。よって、触媒層13に歪みが生じているか否か、つまり、電解質膜12に座屈が生じるほど電解質膜12が膨潤しているか否か、は、電解質膜12の湿度が97%RH以上であるか否かに応じて判断することができる。しかし、実際の電解質膜12には温度分布があり、推定された湿度よりも実際の湿度が高くなる部分も生じ得る。よって、本実施形態では、電解質膜12が膨潤しているか否かの判断基準である湿度を、95%RHとした。
上述したように、シミュレーション上、触媒層13の塑性歪みは、電解質膜12の湿度が97%RH以下であれば生じない。しかし、図5に示すように、全歪みについては、湿度が97%RH以下であっても発生する。全歪みには、塑性歪みだけではなく、弾性歪みも含まれるからである。この弾性歪みによる影響について以下説明する。
図6は、触媒層13の疲労線図である。横軸は触媒層13に割れが生じた歪みの回数Nを示し、縦軸は全歪みΔεを示している。この疲労線図は、図4,5の解析結果が得られた環境と同一の環境下で実験を行い、触媒層13に割れが起こる回数を測定することで得られた。この疲労線図によれば、触媒層13に割れが起こる歪みの回数と、触媒層13の全歪みとの間に一定の関係があることがわかる。例えば、図6に示した例では、湿度100%RHに対応する全歪みが10回起こると、触媒層13に割れが発生している。これに対して、湿度95%RHに対応する全歪みについては、10000回もの回数が起こった場合に触媒層13に割れが発生する。つまり、電解質膜12の湿度が97%RH以下であっても、膨潤と乾燥が長期間に亘って繰り返された場合には、触媒層13が弾性歪みによって疲労して割れてしまうことがわかる。全歪みと破損が起こる回数は、一般的に、以下の式(1)によって表すことができる。
Δε・Nf α=C ・・・(1)
(Δεは全歪み、Nfは破損が起こる回数、αおよびCは定数)
(Δεは全歪み、Nfは破損が起こる回数、αおよびCは定数)
以上で説明したように、触媒層13の全歪みは、電解質膜12の湿度に応じて決まる。そのため、割れ検出部23は、湿度推定部21によって推定された電解質膜12の湿度が、膨潤と判断される湿度(97%RH)に到達する回数を計測し、その回数が、図6に示した疲労線図に基づいて予め定められた閾値(回数)に達した場合に、触媒層13に割れが生じたと推定することができる。ただし、膨潤と判断される湿度はシミュレーション上は97%RHであるが、上記のように、本実施形態では、95%RHとしている。よって、本実施形態では、割れ検出部23は、電解質膜12の湿度が95%以上になる回数が、図6において97%RHに対応する回数に達した場合に、触媒層13に割れが生じたと推定する。
図7は、燃料電池10の制御処理のフローチャートである。この制御処理は、燃料電池システム100が運転されている間、制御部20が繰り返し実行する処理である。制御部20は、この制御処理を開始すると、まず、二次電池40のSOCが上限値以下であるか否かを判断する(ステップS10)。この上限値は、二次電池40の寿命や性能に基づいて予め設定されている。二次電池40のSOCが上限値を超えていれば(ステップS10:NO)、制御部20は、後述するステップS80に処理を移行させて、二次電池40により電力供給を行う。
二次電池40のSOCが上限値以下と判断した場合には(ステップS10:YES)、制御部20は、更に、二次電池40のSOCが下限値よりも大きいか否かを判断する(ステップS20)。下限値は、例えば、20〜30%とすることができる。制御部20は、二次電池40のSOCが下限値以下であると判断すると(ステップS20:NO)、燃料電池10に発電を行わせる(ステップS30)。このとき、アイドリング運転時には、アイドリング運転に必要な電力量よりも大きな発電量となるように燃料電池10の電流値を設定して発電を行わせる。こうすることで、アイドリング運転に用いられない余剰電力を二次電池に積極的に充電することができる。
制御部20によって、二次電池40のSOCが下限値よりも大きいと判断されると(ステップS20:YES)、まず、湿度推定部21が、燃料電池10の電流値に基づいて、電解質膜12の湿度を推定する(ステップS40)。そして、割れ検出部23が、予測された湿度に基づいて触媒層13の割れを推定する(ステップS50)。湿度の推定方法や割れの推定方法は既に説明したとおりである。
触媒層13に割れが生じていないと推定された場合には(ステップS60:NO)、膨潤判定部22が、電解質膜12が膨潤しているか否かを判定する(ステップS70)。本実施形態では、膨潤判定部22は、ステップS40で予測された湿度が95%RH以上の場合に、電解質膜12が膨潤していると判定する。つまり、本実施形態では、一般的に膨潤状態になり得る99〜100%RHという高い湿度に限らず、95〜98%RHという比較的低い湿度においても、電解質膜12が膨潤していると判断される。膨潤判定部22によって、電解質膜12が膨潤していると判定されると(ステップS70:YES)、発電量低下部24が、燃料電池の電流値(電流密度)を、電解質膜12が膨潤していると判定される前の電流値(つまり、電解質膜12の湿度が95%未満の場合の電流値)、よりも低い電流値である0.1A/cm2に設定して発電量を低下させる(ステップS80)。このステップS80によれば、電解質膜12が膨潤していると推定される場合に、燃料電池10による発電量が抑制されるので、電解質膜12の乾燥が促進される。その結果、図2(C)に示したように、触媒層13に割れが生じてしまうことを抑制することができる。なお、制御部20は、燃料電池10の発電量を抑制することで不足となる電力を、二次電池40から供給する。本実施形態では、上記ステップS30において、アイドリング運転時に余剰電力が二次電池40に蓄電されているため、ステップS80において燃料電池10の発電量を抑制しても、その不足分を二次電池40から供給することができる。ステップS80において設定する電流値を0A/cm2としないのは、燃料電池10が高電位になることを回避して白金等の触媒が劣化してしまうことを抑制するためである。
制御部20は、ステップS70において、電解質膜12が膨潤していないと判定すると(ステップS70:NO)、上述したステップS30に処理を移行させて燃料電池10による発電を継続させる。ステップS30では、上述のように、アイドリング運転時に、燃料電池10によって積極的に発電が行われ、二次電池40に余剰電力が充電される。
また、ステップS50において、触媒層13に割れが発生していると推定された場合には(ステップS60:YES)、制御部20は、電解質膜12が膨潤しているか否かにかかわらず、処理をステップS30に移行させる。触媒層13に割れが発生している場合に電解質膜12が乾燥すると、図3(E)に示したように、電解質膜12の一部が伸びて薄くなり、クロスリークが増大するおそれがある。そのため、制御部20は、触媒層13に割れが発生していると推定された場合には、燃料電池10に積極的に発電を行わせることで、電解質膜12を極力膨潤させて、電解質膜12に伸びが生じないようにする。
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム100では、厚みが5〜10μmの薄い電解質膜12を採用しているため、95〜98%RHという比較的低い湿度であっても電解質膜12が膨潤し、座屈してしまう。しかし、本実施形態では、電解質膜12が膨潤していると推定される場合には、燃料電池10による発電量を低下させることで、電解質膜12を乾燥させる。そのため、薄い電解質膜12の膨潤に伴って生じる電解質膜12の変形(図2(B)参照)や、電解質膜12の変形に伴う触媒層13の割れ(図2(C)参照)、触媒層13の割れに伴う電解質膜12の伸び(図2(E)参照)、電解質膜12の伸びに伴うクロスリークの発生(図2(E)参照)、をすべて抑制することができる。この結果、燃料電池10に薄い電解質膜12を採用することが可能になるので、燃料電池10の小型化や低コスト化を図ることができる。また、本実施形態では、燃料電池10による発電量を低下させても、それまで積極的に余剰電力を充電していた二次電池40から電力を供給することができるので、要求される電力量を適切に供給することができる。
また、本実施形態では、電解質膜12の温度分布を考慮し、電解質膜の湿度が95%RH以上である場合に、電解質膜12が膨潤していると判定する。そのため、電解質膜12が膨潤しているか否かを適切に判断することができる。なお、膨潤しているか否かの判定基準となる湿度は、95%RHに限らず、燃料電池10の特性や耐久性に応じて他の値とすることも可能である。
また、本実施形態では、電解質膜12の湿度を、湿度センサ等を用いることなく燃料電池の電流値に基づいて推定するので、システムの構成を簡略化することができる。
また、本実施形態では、電解質膜12が膨潤していると判定された場合に、燃料電池10の発電量の電流値を0.1A/cm2とする。そのため、燃料電池10が必要以上に高い電位になることを抑制しつつ、電解質膜12を迅速に乾燥させることができる。なお、電流値は、燃料電池10が高電位になることを回避しつつ発電を抑制可能であれば、0.1A/cm2に限らず、他の電流値であってもよい。
また、本実施形態では、触媒層13に割れが生じていると推定される場合には、電解質膜12が膨潤しているか否かにかかわらず、燃料電池10に発電を行わせる。つまり、触媒層13に割れが生じていると推定される場合には、電解質膜12が既に膨潤した状態であっても、燃料電池10に発電を行わせる。本実施形態では、電解質膜12が膨潤していると判定された場合には、原則として、電解質膜12を乾燥させる制御を行うため、触媒層に割れが発生することが抑制される。しかし、図6に示したように、電解質膜12が、膨潤と判断される湿度より低い湿度であっても、弾性歪みによって触媒層13に割れが生じる場合がある。そのため、触媒層13に割れが生じていると推定される場合には、電解質膜12が膨潤した状態であっても、燃料電池10に発電を行わせることで、その膨潤状態を継続させる。このように、電解質膜12を膨潤させておけば、図2(E)に示したように、電解質膜12の乾燥によって電解質膜12が伸びて薄くなることを抑制することができる。この結果、電解質膜12にクロスリークが生じることを抑制することが可能になる。
また、本実施形態では、電解質膜12の湿度を燃料電池10の電流値に基づき推定し、その湿度に基づき触媒層13の歪みの回数を計測し、更に、その回数に基づいて触媒層13の割れを推定する。つまり、電解質膜12の膨潤と、触媒層13の割れと、をどちらも燃料電池10の電流値に基づいて推定することができる。よって、各種センサが不要となり、システムの構成を簡略化することができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されず、以下のような変形も可能である。
上記実施形態では、図7のステップS80に示したように、燃料電池10の電流値(発電量)を低下させることで、電解質膜12の湿度を低下させている。これに対して、電流値を維持したまま、燃料電池10の温度を高くしても良い。また、電流値を維持したまま、カソードの背圧を低下させても良い。また、電流値を維持したまま、アノードストイキを低下させても良い。これらの制御を行っても、電解質膜12の湿度を低下させることが可能である。ただし、上記実施形態のように燃料電池10の発電量を低下させれば、他の手法よりも素早く電解質膜12の湿度を低下させることができるので、クロスリークの発生を迅速に抑制することが可能になる。
上記実施形態では、図7のステップS80に示したように、燃料電池10の電流値(発電量)を低下させることで、電解質膜12の湿度を低下させている。これに対して、電流値を維持したまま、燃料電池10の温度を高くしても良い。また、電流値を維持したまま、カソードの背圧を低下させても良い。また、電流値を維持したまま、アノードストイキを低下させても良い。これらの制御を行っても、電解質膜12の湿度を低下させることが可能である。ただし、上記実施形態のように燃料電池10の発電量を低下させれば、他の手法よりも素早く電解質膜12の湿度を低下させることができるので、クロスリークの発生を迅速に抑制することが可能になる。
上記実施形態では、電解質膜12の湿度が95%RHと推定された場合に、即座に、電流値を下げる制御を行っている。これに対して、電解質膜12の湿度が、所定時間(例えば、5秒)、継続して95%RH以上であると推定された場合に、電流値を下げることとしても良い。
上記実施形態では、燃料電池10の湿度や触媒層13の歪み、触媒層13の割れを、燃料電池10の電流値に基づいて推定しているが、各種センサを用いて検出しても良い。
上記実施形態では、電解質膜12の厚みを5〜10μmとしたが、電解質膜12の厚みはこれに限られず、種々の厚みを採用することが可能である。
上記実施形態の図7のステップS60で示した処理は必須ではない。すなわち、触媒層13に割れが生じた場合に、発電を継続する処理は省略可能である。この場合、割れが生じたか否かを推定する処理(ステップS50)も省略することができる。
上記実施形態において、燃料電池10の発電量の制御は、電流値によって制御しても良いし、電圧によって制御しても良い。
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
10…燃料電池
11…発電体
12…電解質膜
13…触媒層
14…ガス拡散層
15…電流センサ
20…制御部
21…湿度推定部
22…膨潤判定部
23…割れ検出部
24…発電量低下部
30…直流配線
40…二次電池
45…SOC検出部
50…DC/DCコンバータ
60…DC/ACインバータ
100…燃料電池システム
200…モータ
11…発電体
12…電解質膜
13…触媒層
14…ガス拡散層
15…電流センサ
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21…湿度推定部
22…膨潤判定部
23…割れ検出部
24…発電量低下部
30…直流配線
40…二次電池
45…SOC検出部
50…DC/DCコンバータ
60…DC/ACインバータ
100…燃料電池システム
200…モータ
Claims (7)
- 燃料電池の制御装置であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する制御部と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが5〜10μmであり、前記電解質膜の湿度が95〜98%RHの場合には、前記電解質膜の湿度が95%RH未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる発電量低下部と、
前記燃料電池の触媒層の割れを検出する割れ検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる、
制御装置。 - 請求項1に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記制御部は、前記要求された電力量に応じて、前記燃料電池による発電量を制御すると共に二次電池から供給する電力量も制御し、
前記制御部は、前記発電量低下部によって前記燃料電池の発電量を低下させた場合に、前記要求された電力量のうち、前記発電量の低下によって不足となる電力量を、前記二次電池から供給する、制御装置。 - 請求項1または請求項2に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記割れ検出部は、前記電解質膜の湿度に基づいて、前記触媒層の歪みの回数を計測し、該回数に基づいて、前記触媒層の割れを検出する、制御装置。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の燃料電池の制御装置であって、更に、
前記燃料電池の電流値に基づいて前記湿度を推定する湿度推定部を備える、制御装置。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記発電量低下部は、前記燃料電池の発電量を低下させる際に、前記燃料電池の発電量の電流を0.1A/cm2とする、制御装置。 - 前記燃料電池と、
請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の制御装置と、
を備える燃料電池システム。 - 燃料電池の制御方法であって、
要求された電力量に応じて前記燃料電池による発電量を制御する工程と、
前記燃料電池が備える電解質膜の厚みが5〜10μmであり、前記電解質膜の湿度が95〜98%RHの場合には、前記電解質膜の湿度が95%RH未満の場合の発電量よりも前記燃料電池の発電量を低下させる工程と、
前記燃料電池の触媒層の割れを検出する工程と、
前記触媒層の割れが検出された場合に、前記電解質膜の湿度にかかわらず、前記要求された電力量に応じた発電を前記燃料電池に行わせる工程と、
を備える制御方法。
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