JP5818160B2

JP5818160B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5818160B2
Application number: JP2012036348A
Authority: JP
Inventors: 成孝浜田; 裕司石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2032-02-22
Also published as: JP2013171786A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

石油依存の車社会の将来像が懸念されている現代では、水素を燃料とする燃料電池を搭載した自動車の普及が期待されている。燃料電池はセルを直列に積層したスタック構造を有しており、アノードに供給される水素を含む燃料ガスとカソードに供給される酸素を酸化ガスの電気化学反応を利用して発電を行っている。

燃料電池を備えた燃料電池システムにおいては、例えばアイドル運転時など、燃料電池に対する反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を供給、停止を間欠的に繰り返す、といった制御（いわゆる間欠運転）が行われることがある。
間欠運転が行われると、酸化ガスの供給も間欠的となるため酸化ガスが欠乏した状態（以下、「酸化ガス欠乏状態」という。）が生じるが、このような状態で、例えばアクセルの踏み込みなどが行われ、燃料電池に対する電力要求が生じると、この要求に応じて燃料電池は発電を行うことになる。この際、燃料電池は、耐久性向上等の観点から、予め設定された高電位回避基準電圧以下となるように出力電圧が設定されるが（例えば、特許文献１参照）、このような設定が行われることにより、余剰電力が生ずる。この余剰電力は、負荷（バッテリや補機類など）によって吸収される。

ところで、間欠運転が行われ、酸化ガス欠乏状態が生じている場合には、以下に示すようなポンピング水素が発生する。図４Ａ及び図４Ｂは、ポンピング水素の発生メカニズムを説明するための図であり、図４Ａは、ポンピング水素が発生しない場合の反応状態を示す図、図４Ｂは、ポンピング水素が発生する場合の反応状態を示す図である。
燃料電池を構成する各セル４は、電解質膜４ａと、この電解質膜４ａを挟持するアノード電極及びカソード電極を備えている。水素（Ｈ2）を含む燃料ガスはアノードに供給され、酸素（Ｏ2）を含む酸化ガスはカソードに供給される。アノードへ燃料ガスが供給されると下記式（Ａ）の反応が進行して水素が水素イオンと電子に乖離する。アノードで生成した水素イオンは電解質膜４ａを透過してカソードへ移動する一方、電子はアノードから外部回路を通ってカソードへ移動する。

ここで、カソードへの酸化ガスの供給が十分な場合には（例えばエアストイキ比≧１．０）、下記式（Ｂ）が進行して酸素、水素イオン及び電子から水が生成される（図４Ａ参照）。一方、カソードへの酸化ガスの供給が不足している場合には（例えばエアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（Ｃ）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される（図４Ｂ参照）。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。なお、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。
アノード：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- ・・・（Ａ）
カソード：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ・・・（Ｂ）
カソード：２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2 ・・・（Ｃ）

特表２００３−５０４８０７号

このように、間欠運転が行われ、酸化ガス欠乏状態が生じている場合には、カソードにおいてポンピング水素が発生することになるが、アノードにおいては、ポンピング水素の発生有無によらず、水素濃度が低下する。
よって、このような場合には、アノード側の水素濃度を高めるために、水素を含む燃料ガスの供給を増やすことが考えられるが、燃料ガスの供給が過大となると、燃料電池を構成する電解質膜がドライアップしてしまう、という問題が生じる。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、間欠運転の際に燃料電池の水素濃度を適正に制御することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の間欠運転時に、前記燃料電池の水素濃度を検知する水素濃度センサと、前記水素濃度センサによって検知される水素濃度が、設定された水素濃度閾値を下回っている場合に、前記燃料電池の出力電流、出力電圧に基づき前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、前記インピーダンス測定手段によって測定されるインピーダンスから、前記燃料電池に補充すべき水素を含む燃料ガスの流量を決定する補充流量決定手段と、前記補充流量決定手段によって決定される前記補充流量に基づき、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を調整する調整手段と、を具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、間欠運転の際、水素濃度センサによって測定される水素濃度が水素濃度閾値を下回ったことを検知すると、燃料電池のインピーダンスを測定し、燃料電池に補充すべき水素を含む燃料ガスの流量を決定する。そして、決定した燃料ガスの流量となるように、燃料ガスの流量が調整されるため、間欠運転の際にも燃料電池の水素濃度を適正に制御することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記水素濃度センサは、前記燃料電池を構成する複数のセルのうち、水素濃度が最も低下する総＋側の一番端のセルに設置される態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記水素濃度センサは、前記燃料電池の間欠運転時であって、かつ、前記燃料電池について高電位回避制御が行われている場合に、前記燃料電池の水素濃度を検知する態様も好ましい。

さらにまた、前記燃料電池のインピーダンスと、前記燃料電池に補充すべき水素を含む燃料ガスの流量との対応関係をあらわす補充流量決定情報を記憶した記憶手段をさらに備え、前記調整手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されるインピーダンスと、前記記憶手段に記憶された前記補充流量決定情報とを利用して前記燃料ガスの流量を決定する態様も好ましい。

本発明によれば、間欠運転の際に燃料電池の水素濃度を適正に制御することが可能となる。

本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。同実施形態に係る水素補充流量マップを例示した図である。同実施形態に係る水素濃度制御処理を示すフローチャートである。ポンピング水素が発生しない場合の反応状態を示す図である。ポンピング水素が発生する場合の反応状態を示す図である。

Ａ．本実施形態
（１）実施形態の構成
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

この車両は、車に連結された同期モータを駆動力源として走行する。同期モータの電源は、燃料電池システム１であり、燃料電池システム１から出力される直流は、図示せぬインバータで三相交流に変換され、同期モータに供給される。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜を備え、高分子電解質膜の表面にはＰｔ触媒（電極触媒）が塗布されている。なお、高分子電解質膜に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜の両面にアノード極とカソード極とを
スクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。

この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０のアノード極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、カソード極（カソード）には、酸化ガス供給源８０から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクなどから構成され、燃料ガス調整弁７１の弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数や酸化ガス調整弁８１などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

水素濃度計（水素濃度センサ）６０は、セルの水素濃度を逐次検出するセンサであり、例えば燃料電池４０を構成する複数のセルのうち、水素濃度が最も低下する一番端のセル（総＋側）の水素濃度を検知できる位置に設置されている。なお、設置する箇所や設置数（例えば２以上）については、水素濃度計の精度等を考慮して適宜設定すればよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、燃料電池４０のＦＣ電圧等を制御する電圧変換器であり、例えば三相ブリッジコンバータ等の回路構成を備えている。説明の便宜上、その他の構成は割愛するが、燃料電池システム１は、ニッケル水素バッテリなどにより構成されたバッテリや、直流電力を三相交流電力に変換し、車両補機やＦＣ補機などに電力を供給するインバータなどを備えている。

上述した各要素の運転は制御装置１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた燃料ガス調整弁７１や酸化ガス通路に設けられた酸化ガス調整弁８１、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０など、システム各部を制御する。
この制御装置１０には、例えば水素濃度計６０によって検知される燃料電池４０の水素濃度や、電圧センサ１４０によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ１５０によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流など、種々のセンサ信号が入力される。この制御装置１０は、入力される燃料電池４０のＦＣ電圧やＦＣ電流などを利用して燃料電池４０のインピーダンスを計測する機能を備えている。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、間欠運転の際、水素濃度計６０によって測定される水素濃度（測定水素濃度）と、制御装置１０によって計測される燃料電池４０のインピーダンス（計測インピーダンス）とを利用して、燃料電池４０に供給される燃料ガス（水素ガス）の濃度を適正に制御する点に特徴がある。以下、図１を参照しながら、間欠運転時における燃料電池システム１の動作について詳細に説明する。

＜水素濃度の判定＞
制御装置１０は、水素濃度計６０から測定水素濃度を受け取ると、メモリ１０ａに格納されている水素濃度閾値と比較する。ここで、水素濃度閾値は、燃料電池４０が正常な状態を保つために必要な水素濃度の下限値を示すものであり、予め実験などにより求められる。制御装置１０は、水素濃度計６０から受け取った測定水素濃度が、水素濃度閾値を下回っていると判断すると、以下に示すインピーダンス測定を行う。なお、水素濃度閾値を固定値とする代わりに、燃料電池４０の温度と水素濃度閾値との対応関係を示すマップをメモリ１０ａに格納し、温度センサ（図示略）などによって検知される燃料電池４０の温度から、水素濃度閾値を特定するようにしても良い。

＜インピーダンス測定＞
制御装置（インピーダンス測定手段）１０は、電圧センサ１４０によって検出される燃料電池４０のＦＣ電圧及び電流センサ１５０によって検出される燃料電池４０のＦＣ電流を所定のサンプリングレートでサンプリングし、フーリエ変換処理（ＦＦＴ演算処理やＤＦＴ演算処理）などを施す。制御装置（インピーダンス測定手段）１０は、フーリエ変換処理後のＦＣ電圧信号をフーリエ変換処理後のＦＣ電流信号で除するなどして燃料電池４０の計測インピーダンスを求める。
制御装置１０は、計測インピーダンスを求めると、メモリ１０ｂに格納されている水素補充流量マップ（補充流量決定情報）を参照する。図２は、水素補充流量マップを示す図であり、横軸に計測インピーダンス、縦軸に水素補充流量を示す。この水素補充流量マップは、計測インピーダンスと水素補充流量との関係を示すものであり、計測インピーダンスから、最適な水素濃度を保持するために必要な水素補充流量を決定するために利用される。
制御装置（補充流量決定手段、調整手段）１０は、この水素補充流量マップを参照することで、計測インピーダンスに対応する水素補充流量を求めると、この水素補充流量が得られるように燃料ガス調整弁（調整手段）７１等を調整する。なお、水素補充流量マップを固定的なものとするのではなく、例えば燃料電池４０の温度ごとに、水素補充量マップを作成・保持するようにしても良い。かかる構成によれば、より精緻な水素濃度の制御が可能となる。

（２）実施形態の動作
図３は、間欠運転時に制御装置１０によって実行される水素濃度制御処理を示すフローチャートである。
制御装置１０は、燃料電池４０に対する燃料ガスや酸化ガスの供給・停止が一定期間、間欠的に繰り返されることにより、例えば通常運転モード（または停止モード）から間欠運転モードに移行したと判断すると、図３に示す処理フローを開始する。ここで、間欠運転モードへの移行を検知する方法は、上記に限る趣旨ではなく、システム設計などに応じて適宜決定すればよい。

制御装置１０は、ステップＳ１０に進むと、メモリ１０ａに格納されている水素濃度閾値（目標値）を読み出し、読み出した水素濃度閾値と、水素濃度計６０から供給される測定水素濃度とを比較する。制御装置１０は、測定水素濃度が、読み出した水素濃度閾値以上である場合には（ステップＳ１０；ＮＯ）、燃料電池４０に供給する水素（すなわち燃料ガス）を補充する必要はないと判断し、処理を終了する。

一方、制御装置１０は、測定水素濃度が、読み出した水素濃度閾値を下回っていると判断すると（ステップＳ１０；ＹＥＳ）、燃料電池４０のインピーダンスの計測を開始する（ステップＳ２０）。具体的には、制御装置１０は、電圧センサ１４０によって検出される燃料電池４０のＦＣ電圧及び電流センサ１５０によって検出される燃料電池４０のＦＣ電流を利用することで、燃料電池４０の計測インピーダンスを求める。

制御装置１０は、計測インピーダンスを求めると、メモリ１０ｂに格納されている水素補充流量マップ（図２参照）を参照する。上述したように、水素補充流量マップは、計測インピーダンスから、最適な水素濃度を保持するために必要な水素補充流量を決定するためのマップである。制御装置１０は、この水素補充流量マップを参照することで、計測インピーダンスに対応する水素補充流量を求めると（ステップＳ３０）、この水素補充流量が得られるように燃料ガス調整弁７１等を調整する（ステップＳ４０）。

制御装置１０は、ステップＳ１０に戻り、メモリ１０ａに格納されている水素濃度閾値（目標値）を読み出し、読み出した水素濃度閾値と、水素濃度計６０から供給される測定水素濃度とを比較する。測定水素濃度が、未だ水素濃度閾値を下回っていると判断した場合には、ステップＳ１０→ステップＳ２０→ステップＳ３０→ステップＳ４０といった一連の処理を繰り返し実行する。

一方、制御装置１０は、上記一連の処理を繰り返し実行することにより、十分な水素が燃料電池４０に補充され、当該時点における測定水素濃度が、水素濃度閾値以上になったことを検知すると（ステップＳ１０；ＮＯ）、以上説明した処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムによれば、間欠運転の際、水素濃度計によって測定される水素濃度が水素濃度閾値を下回ったことを検知すると、燃料電池のインピーダンスを測定し、燃料電池に補充すべき水素を含む燃料ガスの流量を決定する。そして、決定した燃料ガスの流量となるように、燃料ガスの流量が調整されるため、間欠運転の際にも燃料電池の水素濃度を適正に制御することが可能となる。

Ｂ．その他
上述した本実施形態では、燃料電池４０の間欠運転時を想定して説明したが、例えば燃料電池４０の間欠運転時であって、かつ、燃料電池４０について高電位回避制御が行われる場合に、水素濃度制御処理（図３参照）を実行するようにしても良い。ここで、高電位回避制御とは、背景技術の項において説明したように、燃料電池の出力電圧が、予め設定された高電位回避基準電圧以下となるように燃料電池４０の出力電圧を制御することをいう。このように、水素濃度制御処理の実行タイミングを制限することで、水素濃度を適正に保つための制御をより簡易に実現することが可能となる。なお、燃料電池４０の水素濃度を適正に保つという点では、燃料電池４０の間欠運転時に限らず、通常運転時などに水素濃度制御処理（図３参照）を実行しても良い。

上述した本実施形態では、水素流量マップ（図２参照）を利用することで、計測インピーダンスから、最適な水素濃度を保持するために必要な水素補充流量を決定したが、計測インピーダンスから水素補充流量を決定できる情報であれば、どのような情報であっても良い。例えば、計測インピーダンスから水素補充流量を一意に決定できる関数（補充流量決定情報）など利用しても良い。

１・・・燃料電池システム、１０・・・制御装置、１０ａ，１０ｂ・・・メモリ、４０・・・燃料電池、５０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、６０・・・水素濃度計、１４０・・・電圧センサ、１５０・・・電流センサ、７０・・・燃料ガス供給源、７１・・・燃料ガス調整弁、８０・・・酸化ガス供給源、８１・・・酸化ガス調整弁。

Claims

燃料電池の間欠運転時に、前記燃料電池の水素濃度を検知する水素濃度センサと、
前記水素濃度センサによって検知される水素濃度が、設定された水素濃度閾値を下回っている場合に、前記燃料電池の出力電流、出力電圧に基づき前記燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、
前記インピーダンス測定手段によって測定されるインピーダンスから、前記燃料電池に補充すべき水素を含む燃料ガスの流量を決定する補充流量決定手段と、
前記補充流量決定手段によって決定される前記補充流量に基づき、前記燃料電池への前記燃料ガスの供給を調整する調整手段と、を備えた燃料電池システム。
前記水素濃度センサは、前記燃料電池を構成する複数のセルのうち、水素濃度が最も低下する総＋側の一番端のセルに設置される、請求項１に記載の燃料電池システム。
前記水素濃度センサは、前記燃料電池の間欠運転時であって、かつ、前記燃料電池について高電位回避制御が行われている場合に、前記燃料電池の水素濃度を検知する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池のインピーダンスと、前記燃料電池に補充すべき水素を含む燃料ガスの流量との対応関係をあらわす補充流量決定情報を記憶した記憶手段をさらに備え、
前記調整手段は、前記インピーダンス測定手段によって測定されるインピーダンスと、前記記憶手段に記憶された前記補充流量決定情報とを利用して前記燃料ガスの流量を決定する、請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。