JP6766782B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

複数の単セルが積層された燃料電池スタックが知られている。このような燃料電池スタックには冷却水流路が形成されている。例えば冷却水流路内に気泡が存在していると、燃料電池スタックへの冷却効率が低下する場合がある。例えば特許文献１では、複数の単セルのうち出力電圧が低下している単セルを特定し、冷却水を循環させるポンプの出力を増大させることにより上述した出力電圧が上昇した場合には、冷却水流路内に気泡が存在していたと判断できることが記載されている。

特開２００７−２６５９５６号公報

上記の特許文献１での燃料電池スタックは、単セルの積層方向が水平方向となる姿勢で配置されているが、単セルの積層方向が略鉛直方向に沿った姿勢で燃料電池スタックが配置される場合もある。このような姿勢で配置された場合においても、燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を精度よく判定できることが望まれる。

本発明は、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を精度よく判定できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的は、複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、前記冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、前記燃料電池スタックは、複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第１セルと、前記第1セルから複数の前記単セルの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルと、前記第１セルと前記第２セルとの間にある第３セルと、を含み、前記判定部は、前記第２セルの出力電圧が複数の前記単セルのうち最も低く、且つ複数の前記単セルの平均出力電圧と前記第２セルの出力電圧との差分が第１閾値よりも大きく、且つ前記第３セルの出力電圧は前記第１セルの出力電圧未満であり前記第２セルの出力電圧を超えている、前記第２セルの温度が複数の前記単セルのうち最も高く、且つ複数の前記単セルの平均温度と前記第２セルの温度との差分が第２閾値よりも大きく、且つ前記第３セルの温度は前記第１セルの温度を超えており前記第２セルの温度未満である、前記第２セルのインピーダンスが複数の前記単セルのうち最も高く、且つ複数の前記単セルの平均インピーダンスと前記第２セルのインピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きく、且つ前記第３セルのインピーダンスは前記第１セルのインピーダンスを超えており前記第２セルのインピーダンス未満である、の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、燃料電池システムによって達成できる。

本発明によれば、複数の単セルの積層方向が略鉛直方向に沿うような姿勢で配置された燃料電池スタックの冷却水流路内での気泡の有無を精度よく判定できる燃料電池システムを提供できる。

図１Ａは、燃料電池システムの概略図であり、図１Ｂは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。 図２Ａ及び図２Ｂは、燃料電池スタックの冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度及びインピーダンスをそれぞれ示したグラフである。

図１Ａは、燃料電池システム（以下、システムと称する）１の概略図である。システム１は、たとえば、車両に搭載される。システム１は、燃料電池スタック（以下、スタックと称する）１０、冷却系２０、単セルモニタ３０、制御装置５０等を備える。制御装置５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えたコンピュータであり、後述する各機器と電気的に接続され、システム１全体を制御する。尚、システム１は、スタック１０にアノードガスである水素ガスを供給する不図示の水素ガス供給系、スタック１０にカソードガスである酸素を含む空気を供給する不図示の空気供給系、及びスタック１０の発電電力を制御する不図示の電力制御系を含む。

スタック１０では、複数の単セル１０−１、１０−２…１０−ｎが積層されており、これらの単セルの積層された方向が略鉛直方向に沿う姿勢で配置されている。これらの単セルはｎ枚積層されている。単セル１０−１は、これら複数の単セルのうち最も鉛直上方側に位置している。単セル１０―ｎは、これら複数の単セルのうち最も鉛直下方側に位置している。各単セルは、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）、ＭＥＧＡを支持する絶縁部材、及びＭＥＧＡと絶縁部材を挟持する一対のセパレータを有している。ＭＥＧＡは、電解質膜と、電解質膜の両面にそれぞれ形成された触媒層と、触媒層にそれぞれ接合された一対のガス拡散層とを有している。尚、図示はしていないが、これらの複数の単セルを挟持するように、一対の集電板、一対の絶縁板、及び一対のエンドプレートが配置されている。また、スタック１０には冷却水流路が形成されている。

冷却系２０は、冷却水を所定の経路を経て循環させることにより、スタック１０を冷却するものである。冷却水は循環ポンプ２２により循環経路２１を流通し、ラジエータ２４で熱交換されて冷却されて、スタック１０に供給される。循環ポンプ２２は、制御装置５０に電気的に接続されて制御されている。

スタック１０の内部には、冷却水供給マニホールド１２及び冷却水排出マニホールド１４（以下、共にマニホールドと称する）が形成されており、マニホールド１２及び１４は共に、複数の単セルを貫通して形成されている。マニホールド１２及び１４は循環経路２１に連通している。冷却水は、循環経路２１からマニホールド１２に供給され、マニホールド１２から隣接する単セルのセパレータの間を通過してマニホールド１４へと流れる。これにより複数の単セルは冷却される。マニホールド１２及び１４は、単セル１０―ｎ側に配置されている集電板、絶縁板、及びエンドプレートを貫通して形成されている。尚、本明細書では、マニホールド１２及び１４と隣接する単セル間に形成された流路とを全て含めて、スタック１０の冷却水流路と称する。

単セルモニタ３０は、制御装置５０に電気的に接続されており、各単セルの出力電圧を検出する。制御装置５０は、各単セルの出力電圧に基づいて、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について判定する気泡判定制御を実行する。気泡判定制御は、制御装置５０のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により機能的に実現される判定部により実行される。

次に、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧の特性について説明する。図１Ｂは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの出力電圧を示したグラフである。図１Ｂにおいて、縦軸は出力電圧を示し、横軸は各単セルを示しており、横軸の左側から右側にかけて鉛直上方側から順に単セルを示している。従って、横軸の最も左側の単セルが、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１である。また、図１Ｂには、単セルの総数がｎである場合に、鉛直上方側からの単セルの枚数がｎ／１０枚目に相当する単セル１０−（ｎ／１０）の位置を示している。図１Ｂは、単セル１０―４の出力電圧が最も低い場合を示している。

スタック１０の冷却水流路内に気泡が混入すると、気泡は鉛直上方側に浮上して、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１付近に滞留する。具体的には、気泡の大きさや量にもよるが、マニホールド１２又は１４内の単セル１０−１〜１０―４の近傍や、単セル１０−１〜１０−４の各単セル間に気泡が滞留する。気泡の存在により気泡周辺の単セルが十分に冷却されずに、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇する。このため、気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して乾燥が進行する。これにより、気泡周辺の単セルの出力電圧はそれ以外の単セルの出力電圧よりも低下する。ここで、図１Ｂに示すように、最も鉛直上方側に位置する単セル１０−１の出力電圧が最も低いのではなく、それよりも下方側にある単セル１０−４の出力電圧が最も低くなっている。この理由は、単セル１０−１は、スタック１０の最も外側に位置しているため、スタック１０の外部に放熱されて冷却されやすく、これに伴って単セル１０−１に隣接した単セル１０−２や単セル１０―２に隣接した単セル１０−３も冷却されやすいからと考えられる。尚、単セル１０−４以降の単セルの出力電圧が回復している理由は、単セル１０−４以降の単セル周辺には気泡が存在しておらず、冷却水による放熱効果が徐々に増大しているからと考えられる。尚、このような気泡周辺の単セルの電解質膜の乾燥は、時間が経過するほど進行するため、気泡周辺の単セルの出力電圧は時間が経過するほど低下すると考えられる。

制御装置５０は、上記のような各単セルの出力電圧の特性を考慮して、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には、以下のようにして判定する。最初に、単セルモニタ３０により各単セルの出力電圧が取得され、取得された各単セルの出力電圧のうち出力電圧が最も低い単セルが特定され、特定された単セルが単セル１０−１から上述した単セル１０−（ｎ／１０）までの間に位置するか否かが判定される。肯定判定の場合には、全単セルの平均出力電圧と特定された単セルの出力電圧との差分が第１閾値よりも大きいか否かが判定される。肯定判定の場合には、単セル１０−１と特定された単セルとの間に位置する単セルの出力電圧が、単セル１０−１の出力電圧未満であり特定された単セルの出力電圧を超えているか否かが判定される。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定される。

上述した判定処理の何れかで否定判定の場合には、気泡は存在していないものとして本制御は終了する。図１Ｂの例では、出力電圧が最も低い単セルとして単セル１０−４が特定され、上述した差分が第１閾値より大きく、単セル１０−１と単セル１０−４との間の単セル１０―２及び１０―３の少なくとも一方の出力電圧が単セル１０−１の出力電圧未満であり単セル１０−４の出力電圧を超えているとして、気泡が存在していると判定される。単セル１０−１は、最も鉛直上方側に配置された第１セルの一例である。単セル１０−４は、複数の単セルのうち出力電圧が最も低い、温度が最も高い、又はインピーダンスが最も高い第２セルの一例である。単セル１０−２及び１０−３は、単セル１０−１と単セル１０−４との間にある第３セルの一例である。

上記のようにスタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していると判定された場合には、循環ポンプ２２の出力を増大させて気泡をスタック１０の冷却水流路内から排出してもよいし、ダイアグ表示又はモニター表示によりスタック１０の冷却水流路内に気泡が存在していることを報知してもよい。

尚、スタック１０内に形成されたカソードガス及びアノードガスをそれぞれ供給及び排出するマニホールドも、複数の単セルを貫通するように略鉛直方向に延びて形成されているため、スタック１０内で発生した生成水を、重力の作用により上記のマニホールドを介してスタック１０の外部へと排出される。

次に第１変形例の気泡判定制御について説明する。第１変形例の気泡判定制御は、各単セルの出力電圧ではなく、各単セルの温度に基づいて実行される。制御装置５０は、各単セルの温度を検出する温度センサにより、各単セルの温度を取得する。図２Ａは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルの温度を示したグラフであり、図１Ｂに対応している。図２Ａは、単セル１０―４の温度が最も高い場合を示している。上述したように、気泡周辺の単セルの温度はそれ以外の単セルの温度と比較して上昇するが、スタック１０の外側に配置された単セル１０−１や単セル１０−２、１０−３は、冷却されやすいため、単セル１０−４の温度が最も高くなっている。

制御装置５０は、上記のような各単セルの温度の特性を考慮して、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には、上記実施例で出力電圧の代わりに温度を用いて第１変形例の気泡判定制御が実行される。詳細には、各単セルの温度が取得され、取得された各単セルの温度のうち温度が最も高い単セルが特定され、特定された単セルが単セル１０−１から上述した単セル１０−（ｎ／１０）までの間に位置する単セルであるか否かが判定される。肯定判定の場合には、全単セルの平均温度と特定された単セルの温度との差分が第２閾値よりも大きいか否かが判定される。肯定判定の場合には、単セル１０−１と特定された単セルとの間の単セルの温度が、単セル１０−１の温度を超えており特定された単セルの温度未満であるか否かが判定される。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していると判定される。

上述した判定処理の何れかで否定判定の場合には、気泡は存在していないとして本制御は終了する。図２Ａの例では、温度が最も高い単セルとして単セル１０−４が特定され、上述した差分が第２閾値より大きく、単セル１０−１と単セル１０−４との間の単セル１０―２及び１０―３の少なくとも一方の温度が単セル１０−１の温度を超えており単セル１０−４の温度未満であるとして、気泡は存在していると判定される。

次に第２変形例の気泡判定制御について説明する。第２変形例の気泡判定制御は、各単セルの出力電圧や温度ではなく、各単セルのインピーダンスに基づいて実行される。制御装置５０は、各単セルのインピーダンスを検出するセンサにより、各単セルのインピーダンスを取得する。各単セルのインピーダンスは、例えば交流インピーダンス法を用いて各単セルのインピーダンスの抵抗成分を測定する。図２Ｂは、スタック１０の冷却水流路内に気泡が存在している場合での各単セルのインピーダンスを示したグラフであり、図１Ｂに対応している。上述したように気泡周辺の単セルの電解質膜は、それ以外の単セルの電解質膜と比較して湿度が低下する。これにより、気泡周辺の単セルのインピーダンスは、それ以外の単セルのインピーダンスと比較して増大する。尚、上述した場合と同様の理由により、単セル１０−１や単セル１０−２、１０−３の各インピーダンスが、単セル１０−４のインピーダンスほどは増大していない。

制御装置５０は、上記のような各単セルのインピーダンスの特性を考慮して、スタック１０の冷却水流路内での気泡の有無について精度よく判定する。具体的には、上記実施例で出力電圧の代わりにインピーダンスを用いて第２変形例の気泡判定制御が実行される。詳細には、各単セルのインピーダンスが取得され、取得された各単セルのインピーダンスのうちインピーダンスが最も高い単セルが特定され、特定された単セルが単セル１０−１から上述した単セル１０−（ｎ／１０）までの間に位置する単セルであるか否かが判定される。肯定判定の場合には、全単セルの平均インピーダンスと特定された単セルのインピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きいか否かが判定される。肯定判定の場合には、単セル１０−１と特定された単セルとの間の単セルのインピーダンスが、単セル１０−１のインピーダンスを超えており特定された単セルのインピーダンス未満であるか否かが判定される。肯定判定の場合には、スタック１０の冷却水流路内に気泡は存在していると判定される。

上述した判定処理の何れかで否定判定の場合には、気泡は存在していないとして本制御は終了する。図２Ｂの例では、インピーダンスが最も大きい単セルとして単セル１０−４が特定され、上述した差分が第３閾値より大きく、単セル１０−１と単セル１０−４との間の単セル単セル１０―２及び１０―３の少なくとも一方のインピーダンスは単セル１０−１のインピーダンスを超えており単セル１０−４のインピーダンス未満であるとして、気泡は存在していると判定される。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

尚、スタック１０は、単セルの積層方向が必ずしも鉛直方向と一致している必要はなく、本出願での「略鉛直方向に沿って」には、単セルの積層方向が鉛直方向から２０度程度までの範囲で傾いているものを含む。

１０ 燃料電池スタック
１０−１〜１０−ｎ 単セル
１２ 冷却水供給マニホールド（冷却水流路）
１４ 冷却水排出マニホールド（冷却水流路）
２０ 冷却系
５０ 制御装置（判定部）

Claims (1)

1. 複数の単セルが積層された方向が略鉛直方向に沿った姿勢で配置された燃料電池スタックと、
   少なくとも一部が複数の前記単セルを貫通するように前記燃料電池スタックに形成された冷却水流路と、
   前記冷却水流路内での気泡の有無を判定する判定部と、を備え、
   前記燃料電池スタックは、複数の前記単セルのうち最も鉛直上方側に配置された第１セルと、前記第1セルから複数の前記単セルの総数の１０分の１枚目までの間の何れかにある第２セルと、前記第１セルと前記第２セルとの間にある第３セルと、を含み、
   前記判定部は、
   前記第２セルの出力電圧が複数の前記単セルのうち最も低く、且つ複数の前記単セルの平均出力電圧と前記第２セルの出力電圧との差分が第１閾値よりも大きく、且つ前記第３セルの出力電圧は前記第１セルの出力電圧未満であり前記第２セルの出力電圧を超えている、
   前記第２セルの温度が複数の前記単セルのうち最も高く、且つ複数の前記単セルの平均温度と前記第２セルの温度との差分が第２閾値よりも大きく、且つ前記第３セルの温度は前記第１セルの温度を超えており前記第２セルの温度未満である、
   前記第２セルのインピーダンスが複数の前記単セルのうち最も高く、且つ複数の前記単セルの平均インピーダンスと前記第２セルのインピーダンスとの差分が第３閾値よりも大きく、且つ前記第３セルのインピーダンスは前記第１セルのインピーダンスを超えており前記第２セルのインピーダンス未満である、
   の何れかを充足する場合に前記冷却水流路内に気泡が有ると判定する、燃料電池システム。

Images