WO2009005161A1 - 燃料電池の制御装置および燃料電池システム - Google Patents

燃料電池の制御装置および燃料電池システム Download PDF

Info

Publication number
WO2009005161A1
WO2009005161A1 PCT/JP2008/062249 JP2008062249W WO2009005161A1 WO 2009005161 A1 WO2009005161 A1 WO 2009005161A1 JP 2008062249 W JP2008062249 W JP 2008062249W WO 2009005161 A1 WO2009005161 A1 WO 2009005161A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
fuel
electrode
gas
oxidant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2008/062249
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Takuya Hashimoto
Hideki Kubo
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to CN2008800204196A priority Critical patent/CN101730955B/zh
Priority to DE112008001711.5T priority patent/DE112008001711B4/de
Priority to US12/598,572 priority patent/US20100136440A1/en
Publication of WO2009005161A1 publication Critical patent/WO2009005161A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to US14/173,279 priority patent/US9147900B2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/0441—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04432—Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04492—Humidity; Ambient humidity; Water content
    • H01M8/04529—Humidity; Ambient humidity; Water content of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04604—Power, energy, capacity or load
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell control device and a fuel cell system.
  • an oxidant gas such as air containing oxygen supplied to the oxidant electrode;
  • fuel cells that generate electricity using fuel gas containing hydrogen supplied to the fuel electrode (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-4 7 3 94, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 0 4 1 2 7 9 1 4 And Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 04-2 2 0 7 94).
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-4 7 3 94 discloses a technique for maintaining the water content of the solid polymer electrolyte of the fuel cell in an optimum state and enabling stable battery operation. Specifically, when the current-voltage characteristics of the fuel cell are reduced and the conductivity of the solid polymer electrolyte is increased, the amount of moisture in the reaction gas for supply is decreased, and the current of the fuel cell is reduced. It has been disclosed that when the voltage characteristics are lowered and the conductivity of the solid polymer electrolyte is low, the moisture humidification amount is increased.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2000-0 1 2 7 9 14 discloses that the pressure difference between the pressure of the oxidant gas and the pressure of the fuel gas is controlled according to the diagnosis result of the moisture state of the fuel cell.
  • Technology is disclosed. Specifically, in Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 0 4 _ 1 2 7 9 1 4, when it is diagnosed that moisture is excessive, the pressure of the fuel gas is higher than the pressure of the oxidant gas. The pressure difference is controlled so that the water becomes less diffused from the air electrode side to the fuel electrode side, and water stays at the electrode part of the fuel electrode.
  • Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 4-2 2 0 7 9 4 uses a fact that the current-voltage characteristics of a fuel cell change due to excess or shortage of hydrogen or air supply or pressure, A technique is disclosed in which the pressure difference between the anode pressure and the force sword pressure is made constant without using a pressure sensor and a cathode pressure sensor. Specifically, in Japanese Patent Laid-Open No.
  • the present invention provides a control device for a fuel cell that can reduce a decrease in the output of the fuel cell due to a high water concentration at the oxidant electrode.
  • the fuel cell control device comprises: an electrolyte membrane; an oxidant electrode provided on one side of the electrolyte membrane; and a fuel electrode provided on the other side of the electrolyte membrane, the oxidant
  • a control device for a fuel cell that generates electricity using an oxidant gas supplied to an electrode and a fuel gas supplied to the fuel electrode, wherein a current-voltage characteristic of the fuel cell is lower than a predetermined reference, and Control is performed to increase the gas pressure of the oxidizer electrode when the electrolyte membrane is not dried from a predetermined standard.
  • the first control is performed to increase the gas pressure of the oxidant electrode after the end of the high load operation when shifting from the high load operation to the low load operation. Further, in one aspect of the present invention, when the first control cannot sufficiently reduce the decrease in the current-voltage characteristics, the control is performed as a high load operation when shifting from a low load operation to a high load operation. Before starting, a second control for increasing the gas pressure of the oxidizer electrode is performed.
  • the fuel cell system includes an electrolyte membrane, an oxidizer electrode provided on one side of the electrolyte membrane, and a fuel electrode provided on the other side of the electrolyte membrane, and the oxidizer electrode includes And a fuel cell that generates electric power using the supplied oxidant gas and the fuel gas supplied to the fuel electrode, and any one of the control devices that controls the fuel cell.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell.
  • FIG. 3 is a time chart showing an example of cathode back pressure and output current in the first control.
  • FIG. 4 is a time chart showing an example of cathode back pressure and output current in the second control.
  • FIG. 5 is a time chart showing an example of cathode back pressure and output current during low-load operation and high-load operation.
  • FIG. 6 is a flowchart showing processing executed by the control device. Explanation of symbols
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell system 1 according to the present embodiment.
  • the fuel cell system 1 is a system that generates electric power using an oxidant gas and a fuel gas, and is mounted on a fuel cell vehicle in the present embodiment.
  • the fuel cell system 1 may be applied to other than fuel cell vehicles.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell 10.
  • the fuel cell 10 generates power upon receiving supply of oxidant gas and fuel gas.
  • the oxidant gas is a gas such as air containing oxygen
  • the fuel gas is a gas containing hydrogen
  • the fuel cell 10 generates power using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • the fuel cell 10 is, for example, a solid polymer electrolyte type fuel cell.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the fuel cell 10.
  • the fuel cell 10 has a stack structure in which a large number of single cells are stacked.
  • a single cell is shown for convenience.
  • the fuel cell 10 includes an electrolyte membrane 1 1, an oxidant electrode (referred to as a force sword) 1 2 provided on one surface of the electrolyte membrane 1 1, and the other surface of the electrolyte membrane 1 1. And a fuel electrode (referred to as an anode) 1 3 provided.
  • the fuel cell 10 includes a membrane electrode assembly (MEA) in which an oxidizer electrode 12 and a fuel electrode 13 are joined to an electrolyte membrane 11.
  • MEA membrane electrode assembly
  • an oxidant gas flow path 1 4 for supplying an oxidant gas to the oxidant electrode 1 2 along the surface of the oxidant electrode 1 2 is provided on the outer surface side of 3 .
  • a fuel gas flow path 15 for supplying fuel gas to the fuel electrode 13 along the surface of the fuel electrode 13 is provided on the outer surface side of the oxidizer electrode 1 2, the diffusion layer 1 6 is interposed.
  • a separator with an oxidant gas flow path 14 is provided, and a separator with a fuel gas flow path 15 is provided on the outer surface side of the fuel electrode 13 via a diffusion layer 17. It is .
  • Oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path 14 through the inlet 14 A, and thereby, the oxidant gas is supplied to the oxidant electrode 12.
  • the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path 15 via its inlet 15 A, whereby the fuel gas is supplied to the fuel electrode 13.
  • the fuel cell 10 generates power using the oxidant gas supplied to the oxidant electrode 12 and the fuel gas supplied to the fuel electrode 13. Specifically, due to the catalytic action of platinum, the reaction shown by the following formula (1) occurs on the fuel electrode 1 3 side, and the reaction shown by the following formula (2) occurs on the oxidizer electrode 1 2 side. As a result, an electromotive reaction represented by the following formula (3) occurs.
  • the power sword off gas is discharged from the oxidant gas flow path 14 through the outlet 14 B, and the anode off gas is discharged from the fuel gas flow path 15 through the outlet 15 B.
  • an oxidant supply flow path 2 2 for connecting the air supplied from the compressor 2 1 to the oxidant gas flow path 14 is connected to the inlet of the oxidant gas flow path 14.
  • the outlet of the oxidant gas flow path 14 is connected to an oxidant discharge flow path 23 that guides the sword-off gas discharged from the oxidant gas flow path 14 to the outside.
  • the oxidant discharge flow path 23 is provided with a pressure adjusting valve 24 for adjusting the pressure of the gas in the flow path (that is, the force sword back pressure).
  • a pressure sensor for measuring the pressure of the gas in the flow path
  • a flow sensor that measures the flow rate of the gas in the flow path
  • a valve air shut valve for opening and closing the flow path
  • a humidification module etc.
  • a hydrogen tank 3 1 for storing high-pressure hydrogen gas
  • a fuel supply flow path 3 2 for guiding hydrogen supplied from the fuel gas flow path 15 to the fuel gas flow path 15 is connected, and an outlet from the fuel gas flow path 15 is connected to an outlet of the fuel gas flow path 15.
  • a circulation flow path 3 3 for returning the dooff gas to the fuel supply flow path 3 2 is connected.
  • the fuel supply flow path 3 2 is provided with a pressure adjustment valve 3 4 for adjusting the pressure of the gas in the flow path.
  • the circulation flow path 33 is provided with a hydrogen pump 38 for circulating hydrogen.
  • the circulation flow path 3 3 is connected to a fuel discharge flow path 3 5 that guides the anode off gas discharged from the fuel gas flow path 15 to the outside.
  • a purge valve 36 that opens and closes the flow path is provided.
  • An external load 41 is electrically connected to the fuel cell 10.
  • the external load 41 is, for example, a DC ZD C converter or a load (for example, a secondary battery, a capacitor, an auxiliary machine, a resistor, etc.) connected to the fuel cell 10 through the DC ZD C converter. is there.
  • the fuel cell system 1 includes a voltage sensor 4 2 that measures the output voltage of the fuel cell 10, a current sensor 4 3 that measures the output current of the fuel cell, and an impedance that measures the impedance of the fuel cell 10. It has a measuring unit 44 and a control device 50 that controls the entire fuel cell system 1. Specifically, the control device 50 is based on various input information (voltage sensor 4 2, current sensor 4 3, output value of impedance measurement unit 4 4, etc.) and the controlled device (compressor 2 1, pressure Controls regulating valve 2 4, hydrogen pump 3 8, pressure regulating valve 3 4, etc.).
  • the control device 50 can be realized by an appropriate configuration.
  • the control device 50 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a main memory, and the like. Is realized by the CPU executing a control program stored in a storage medium such as ROM.
  • Such an event appears, for example, when a continuous operation is performed at a cathode pressure of a low pressure (for example, 140 kPa or less). In particular, it appears prominently when low load operation and high load operation are repeated. Therefore, in fuel cell vehicles, it appears prominently when the idle and WO T (Wide Open Throttle) are repeated. Specifically, when low-load operation and high-load operation are repeated, the output of the fuel cell gradually decreases.
  • a cathode pressure of a low pressure for example, 140 kPa or less.
  • the current-voltage characteristics of the fuel cell 10 are degraded and the electrolyte membrane 11 is not dry, the current-voltage characteristics may be degraded due to the above phenomenon.
  • the applicant of the present application reduces output reduction (recovery or recovery) by increasing the gas pressure of the oxidant electrode 12 when a decrease in the output of the fuel cell due to a high water concentration at the oxidant electrode 12 occurs. It was found that it can be suppressed.
  • One speculation is that when the gas pressure at the oxidizer electrode 1.2 increases, the water vapor concentration at the oxidizer electrode 12 decreases, thereby reducing the amount of water adsorbed on the catalyst and the water from the catalyst. Desorption, suppression of hydroxyl group formation, and desorption of hydroxyl groups from the catalyst.
  • the control device 50 in order to cope with the decrease in the output of the fuel cell 10 due to the high water concentration at the oxidizer electrode 12, the control device 50 performs the following control. Do. That is, the control device 50 has a gas pressure of the oxidant electrode 12 when the current-voltage characteristic of the fuel cell 10 is lower than a predetermined reference and the electrolyte membrane 11 is not dried from the predetermined reference. Control to raise.
  • the control device 50 acquires an actual measurement value of the current-voltage characteristic of the fuel cell 10 and determines whether or not the current-voltage characteristic of the fuel cell 10 is lower than a predetermined reference based on the actual measurement value. Determine whether. More specifically, the control device 50 compares the measured value of the current-voltage characteristic with the estimated value of the current-voltage characteristic stored in advance, and decreases if the difference between the two is greater than or equal to a predetermined value. If it is not, it is not decreased. It is determined that.
  • the actual measurement value of the current-voltage characteristic is, for example, an actual measurement value of the output voltage at a certain output current or an actual measurement value of the output current at a certain output voltage.
  • the estimated value of the current-voltage characteristic is obtained based on, for example, a current-voltage characteristic map prepared in advance for determining the output voltage corresponding to the required output and the target value of the output current.
  • the decrease in the current-voltage characteristic that is the object of determination in the present embodiment is a decrease in the current-voltage characteristic of the fuel cell 10 itself, and the decrease in the output voltage and output current due to the lack of oxidant gas and fuel gas. is not.
  • the comparison between the measured value and the estimated value of the current-voltage characteristic is performed after matching the operating conditions such as gas pressure and flow rate.
  • the above “electrolyte membrane 11 is not dried from a predetermined standard” will be described.
  • the control device 50 acquires information indicating the wet state of the electrolyte membrane 11 and determines whether or not the electrolyte membrane 11 is dryer than a predetermined reference based on the information.
  • the control device 50 acquires the impedance of the fuel cell 10 and determines that it is dry if the impedance is equal to or higher than a predetermined value, and determines that it is not dry otherwise. To do.
  • whether or not the electrolyte membrane 11 is dry may be determined by another method.
  • control to increase the gas pressure of the oxidizer electrode 12 will be described. Specifically, the control device 50 determines that the current-voltage characteristic of the fuel cell 10 is lower than a predetermined reference, and the electrolyte membrane 11 is dried from the predetermined reference. If it is determined that there is not, control is performed to increase the gas pressure of the oxidizer electrode 12. For example, the control device 50 controls the pressure regulating valve 24 and the compressor 21 to increase the gas pressure of the oxidizer electrode 12.
  • the “gas pressure of the oxidant electrode 12” is specifically the pressure of the gas in the oxidant gas flow path 14.
  • increasing the gas pressure of the oxidizer electrode 12 means that the gas pressure of the oxidizer electrode 12 is increased more than the gas pressure of the oxidizer electrode 12 during normal control. . Specifically, this means that the gas pressure is increased with reference to a gas pressure set in advance according to the target output, for example, a gas pressure corresponding to the target output in a control map prepared in advance.
  • the control device 50 performs the above control after the end of the high load operation when shifting from the high load operation to the low load operation. 1 Perform the first control to increase the gas pressure of 2. Specifically, as shown in FIG. 3, the control device 50 temporarily closes the opening of the pressure regulating valve 24, for example, immediately after the end of the high load operation (in one embodiment, it is fully closed). Increase the force sword back pressure. In one aspect of a fuel cell vehicle, when the accelerator is closed, the opening of the pressure regulating valve 24 is closed for several seconds, and the power sword back pressure is temporarily increased during idle operation or intermittent operation immediately after the accelerator is closed. Let
  • the control device 50 When the first control cannot sufficiently reduce the decrease in current-voltage characteristics, the control device 50 performs the above control before starting the high load operation when shifting from the low load operation to the high load operation.
  • the second control for increasing the gas pressure of the oxidizer electrode 12 is performed. This second control is inferior in terms of energy efficiency compared to the first control, but can provide a high reduction effect against a decrease in current-voltage characteristics.
  • the control device 50 determines whether or not the decrease in the current-voltage characteristic can be sufficiently reduced by the first control based on a predetermined determination criterion, and determines that the decrease has not been achieved. If so, the second control is performed.
  • the control device 50 may perform the second control when the current-voltage characteristic cannot be sufficiently recovered by the first control, or the current-voltage characteristic is sufficiently lowered by the first control. The second control may be performed when it cannot be suppressed to the minimum.
  • the control device 50 when the measured value of the current-voltage characteristic falls below the estimated value by a predetermined value or more, the control device 50 first performs the first control, and then the measured value again corresponds to the estimated value with respect to the estimated value. If the value falls below the specified value, perform the second control.
  • the control device 50 temporarily restricts, for example, the opening degree of the pressure regulating valve 24 immediately before the start of a high load operation such as when a high output is requested (one In one embodiment, the force sword back pressure is increased.
  • the opening of the pressure regulating valve 24 is closed and the force sword back pressure is temporarily increased.
  • the timing for increasing the gas pressure of the oxidizer electrode 12 is not limited to the timing in the first control or the timing in the second control.
  • low-load operation such as when idling
  • the gas pressure may be increased at a time (for example, period A in FIG. 5), or may be increased at the time of high load operation such as WO T (for example, period B in FIG. 5).
  • the control device 50 determines target values for the output voltage and the output current based on a preset current-voltage characteristic map (I-V characteristic map) of the fuel cell 10 according to the required output. Then, the control device 50 determines the pressure and flow rate of the air supplied to the oxidant electrode 12 and the fuel electrode 1 3 based on the control map set in advance according to the target values of the output voltage and output current. Determine the target values for the pressure and flow rate of the hydrogen supplied to the. The control device 50 then adjusts the pressure regulating valve so that the pressure and flow rate of air supplied to the oxidizer electrode 12 and the pressure and flow rate of hydrogen supplied to the fuel electrode 13 become target values, respectively.
  • I-V characteristic map current-voltage characteristic map
  • a pressure sensor is used to control the pressure to a target value.
  • a flow rate sensor is used when controlling the flow rate to a target value.
  • the power sword off gas is discharged from the oxidant gas flow path 14, and the power sword off gas is discharged to the outside through the oxidant discharge flow path 23.
  • control device 50 performs the process shown in FIG. 6 in order to cope with the decrease in the output of the fuel cell 10 due to the high water concentration at the oxidant electrode 12.
  • the processing shown in FIG. 6 is repeated as appropriate.
  • the control device 50 uses the voltage sensor 4 2 and the current sensor 4 3 to obtain an actual measurement value of the current-voltage characteristic of the fuel cell 10 (S 1).
  • control device 50 acquires the impedance of the fuel cell 10 measured by the impedance measuring unit 44 (S 2).
  • control device 50 determines whether or not the actually measured value of the acquired current-voltage characteristic is lower than the estimated value by a predetermined value or more and the acquired impedance is not more than the predetermined value (S 3).
  • step S3 If the determination result in step S3 is “N ⁇ ”, the process ends.
  • step S3 determines whether the first control is currently being executed (S
  • the control device 50 starts the first control for increasing the gas pressure of the oxidant electrode 12 after the end of the high load operation (S 4: N 2 O).
  • control is started temporarily (about 20 seconds) to close the pressure regulating valve 24 and increase the power sword back pressure.
  • the control device 50 starts the second control for increasing the gas pressure of the oxidizer electrode 12 before starting the high load operation ( S4: YES).
  • first and second controls are ended when, for example, the current-voltage characteristics are restored to a predetermined level or more.
  • the present embodiment includes an electrolyte membrane, an oxidant electrode provided on one side of the electrolyte membrane, and a fuel electrode provided on the other side of the electrolyte membrane, and is supplied to the oxidant electrode.
  • a fuel cell that generates electricity using oxidant gas and fuel gas supplied to the fuel electrode
  • control is performed to increase the gas pressure of the oxidizer electrode. Therefore, according to the present embodiment, the fuel due to the high water concentration at the oxidizer electrode It is possible to reduce a decrease in battery output.
  • the first control for increasing the gas pressure of the oxidant electrode is performed after the end of the high load operation when shifting from the high load operation to the low load operation.
  • the above control can be performed with good energy efficiency.
  • the above control when the first control cannot sufficiently reduce the decrease in current-voltage characteristics, the above control is performed before the start of high load operation when shifting from low load operation to high load operation.
  • the second control is performed to increase the gas pressure at the oxidizer electrode. According to this aspect, when the first control cannot sufficiently recover or suppress the decrease in the current-voltage characteristics, sufficient recovery or suppression can be achieved.
  • an injector may be provided instead of the pressure regulating valve 34, and the pressure of the fuel gas may be adjusted by controlling on / off of the injector.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本発明は、酸化剤極での水分濃度が高いことによる燃料電池の出力の低下を低減する。電解質膜１１と、電解質膜１１の一方側に設けられた酸化剤極と、電解質膜１１の他方側に設けられた燃料極とを備え、酸化剤極に供給される酸化剤ガスと燃料極に供給される燃料ガスとにより発電する燃料電池１０の制御装置５０は、燃料電池１０の電流電圧特性が所定の基準より低下し、且つ、電解質膜１１が所定の基準より乾燥していない場合に、酸化剤極のガス圧を上昇させる制御を行う。

Description

明 細 書 燃料電池の制御装置および燃料電池システム 技術分野
本発明は、 燃料電池の制御装置および燃料電池システムに関する。 背景技術
電解質膜と、 当該電解質膜の一方側に設けられた酸化剤極と、 他方側に設けら れた燃料極とを備え、 酸化剤極に供給される酸素を含む空気等の酸化剤ガスと、 燃料極に供給される水素を含む燃料ガスとにより発電する燃料電池がある （例え ば、 特開平 5— 4 7 3 9 4号公報、 特開 2 0 0 4— 1 2 7 9 1 4号公報、 および 特開 2 0 0 4— 2 2 0 7 9 4号公報を参照） 。
特開平 5— 4 7 3 9 4号公報には、 燃料電池の固体高分子電解質の含水状態を 最適状態に維持し、 安定した電池の運転を可能にする技術が開示されている。 具 体的には、 燃料電池の電流電圧特性が低下し、 且つ、 固体高分子電解質の電導度 が増大した場合には、 供給用反応ガス中の水分加湿量を減少させ、 燃料電池の電 流電圧特性が低下し、 且つ、 固体高分子電解質の電導度が低い場合には、 水分加 湿量を増加させるものが開示されている。
また、 特開 2 0 0 4— 1 2 7 9 1 4号公報には、 燃料電池の水分状態の診断結 果に応じて、 酸化剤ガスの圧力と燃料ガスの圧力との圧力差を制御する技術が開 示されている。 具体的には、 特開 2 0 0 4 _ 1 2 7 9 1 4号公報では、 水分が過 剰であると診断された場合には、 燃料ガスの圧力が酸化剤ガスの圧力に対して高 くなるように圧力差を制御し、 これにより、 空気極側から燃料極側への水の拡散 を抑制し、 燃料極の電極部位での水の滞留を防止している。 一方、 水分が不足で あると診断された場合には、 燃料ガスの圧力が酸化剤ガスの圧力に対して低くな るように圧力差を制御し、 これにより、 空気極側から燃料極側への水の移動を促 進させ、 電解質膜への含水が迅速に行われるようにしている。 また、 特開 2 0 0 4— 2 2 0 7 9 4号公報には、 水素あるいは空気の供給量や 圧力の過不足によって燃料電池の電流電圧特性が変化することを利用して、 ァノ ード圧力センサおよびカソード圧力センサを用いることなく、 ァノ一ド圧力と力 ソード圧力との圧力差を一定にする技術が開示されている。 具体的には、 特開 2 0 0 4 - 2 2 0 7 9 4号公報では、 実電圧値が予め記憶された電流電圧特性に基 づく基準電圧値より小さかった場合に、 燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力を増加 するように補正するものが開示されている。 この技術では、 実電圧値と基準電圧 値とを照合することにより、 水素または空気の供給が不足しているか否かを判定 できることを利用している。 発明の開示
ところで、 燃料電池においては、 酸化剤極での水分濃度が高いと、 酸化剤極の 触媒の表面に水が吸着する現象または酸化剤極の触媒の表面に水酸基が生成され る現象が生じ、 これにより触媒の ¾性が下がり、 燃料電池の出力が低下してしま ラ。
このような酸化剤極での水分濃度が高いことによる燃料電池の出力の低下に対 する対策は、 上記いずれの文献にも開示されていない。
そこで、 本発明は、 酸化剤極での水分濃度が高いことによる燃料電池の出力の 低下を低減することが可能な燃料電池の制御装置を提供する。
本発明に係る燃料電池の制御装置は、 電解質膜と、 前記電解質膜の一方側に設 けられた酸化剤極と、 前記電解質膜の他方側に設けられた燃料極とを備え、 前記 酸化剤極に供給される酸化剤ガスと前記燃料極に供給される燃料ガスとにより発 電する燃料電池の制御装置であって、 前記燃料電池の電流電圧特性が所定の基準 より低下し、 且つ、 前記電解質膜が所定の基準より乾燥していない場合に、 前記 酸化剤極のガス圧を上昇させる制御を行うことを特徴とする。
本発明の一態様では、 前記制御として、 高負荷運転から低負荷運転に移行する 際の高負荷運転終了後に、 前記酸化剤極のガス圧を上昇させる第 1の制御を行う また、 本発明の一態様では、 前記第 1の制御では前記電流電圧特性の低下を十 分に低減できない場合に、 前記制御として、 低負荷運転から高負荷運転に移行す る際の高負荷運転開始前に、 前記酸化剤極のガス圧を上昇させる第 2の制御を行 う。
本発明に係る燃料電池システムは、 電解質膜と、 前記電解質膜の一方側に設け られた酸化剤極と、 前記電解質膜の他方側に設けられた燃料極とを備え、 前記酸 化剤極に供給される酸化剤ガスと前記燃料極に供給される燃料ガスとにより発電 する燃料電池と、 前記燃料電池を制御する上記いずれかの制御装置と、 を有する ことを特徴とする。
本発明によれば、 酸化剤極での水分濃度が高いことによる燃料電池の出力の低 下を低減することが可能な燃料電池の制御装置を提供することができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 図 2は、 燃料電池の構成を示す概略断面図である。
図 3は、 第 1の制御におけるカソード背圧および出力電流の一例を示すタイム チャートである。
図 4は、 第 2の制御におけるカソード背圧および出力電流の一例を示すタイム チャートである。
図 5は、 低負荷運転時および高負荷運転時におけるカソード背圧および出力電 流の一例を示すタイムチャートである。
図 6は、 制御装置により実行される処理を示すフローチャートである。 符号の説明
1 燃料電池システム、 1 0 燃料電池、 1 1 ' 電解質膜、 1 2 酸化剤極、 1 3 燃料極、 1 4 酸化剤ガス流路、 1 5 燃料ガス流路、 1 6 , 1 7 拡散 層、 2 1 コンプレッサ、 2 2 酸化剤供給流路、 2 3 酸化剤排出流路、 2 4 圧力調整弁、 3 1 水素タンク、 3 2 燃料供給流路、 3 3 循環流路、 3 4 圧力調整弁、 3 5 燃料排出流路、 3 6 パージ弁、 3 8 水素ポンプ、 4 1 外部負荷、 4 2 電圧センサ、 4 3 電流センサ、 4 4 インピーダンス測定部 、 5 0 制御装置。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図 1は、 本実施の形態に係る燃料電池システム 1の構成を示す概略図である。 この燃料電池システム 1は、 酸化剤ガスと燃料ガスを用いて発電するシステムで あり、 本実施の形態では、 燃料電池自動車に搭載されるものである。 ただし、 燃 料電池システム 1は、 燃料電池自動車以外に適用されてもよい。
図 1において、 燃料電池システム 1は、 燃料電池 1 0を有する。 この燃料電池 1 0は、 酸化剤ガスと燃料ガスとの供給を受けて発電する。 具体的には、 酸化剤 ガスは、 酸素を含む空気等のガスであり、 燃料ガスは、 水素を含むガスであり、 燃料電池 1 0は、 水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する。 燃料電池 1 0は、 例えば、 固体高分子電解質型の燃料電池である。
図 2は、 燃料電池 1 0の構成を示す概略断面図である。 以下、 図 2を参照して 、 燃料電池 1 0の構成について説明する。 なお、 本実施の形態では、 燃料電池 1 0は、 多数の単セルが積層されたスタック構造を有するものであるが、 図 2では 、 便宜上、 単一のセルが示されている。
図 2において、 燃料電池 1 0は、 電解質膜 1 1と、 電解質膜 1 1の一方の面に 設けられた酸化剤極 （力ソードと呼ばれる） 1 2と、 電解質膜 1 1の他方の面に 設けられた燃料極 （アノードと呼ばれる） 1 3とを含む。 具体的には、 燃料電池 1 0は、 電解質膜 1 1に酸化剤極 1 2および燃料極 1 3が接合されてなる膜電極 接合体 (MEA: Membrane Electrode Assembly) を含む。
酸化剤極 1 2の外面側には、 酸^剤極 1 2の面に沿って酸化剤極 1 2に酸化剤 ガスを供給する酸化剤ガス流路 1 4が設けられており、 燃料極 1 3の外面側には 、 燃料極 1 3の面に沿って燃料極 1 3に燃料ガスを供給する燃料ガス流路 1 5が 設けられている。 具体的には、 酸化剤極 1 2の外面側には、 拡散層 1 6を介して 、 酸化剤ガス流路 1 4が形成されたセパレー夕が設けられ、 燃料極 1 3の外面側 には、 拡散層 1 7を介して、 燃料ガス流路 1 5が形成されたセパレー夕が設けら れる。 .
ここで、 燃料電池 1 0の発電作用について説明する。 酸化剤ガス流路 1 4には 、 その入口 1 4 Aを介して酸化剤ガスが供給され、 これにより酸化剤極 1 2に酸 化剤ガスが供給される。 一方、 燃料ガス流路 1 5には、 その入口 1 5 Aを介して 燃料ガスが供給され、 これにより燃料極 1 3に燃料ガスが供給される。 燃料電池 1 0は、 酸化剤極 1 2に供給される酸化剤ガスと燃料極 1 3に供給される燃料ガ スとを用いて発電を行う。 具体的には、 白金の触媒作用などにより、 燃料極 1 3 側では下記式 （1 ) に示される反応が起こり、 酸化剤極 1 2側では下記式 （2) に示される反応が起こり、 全体としては下記式 （3) に示される起電反応が起こ る。
H2 → 2 H + + 2 e— · · · ( 1 )
2H + + ( 1/2) O2+ 2 e " → H20 · · · (2)
H2+ (1/2) 〇2 → H20 · · · (3)
そして、 酸化剤ガス流路 1 4からは、 その出口 1 4 Bを介して力ソードオフガ スが排出され、 燃料ガス流路 1 5からは、 その出口 1 5 Bを介してアノードオフ ガスが排出される。
再び図 1を参照すると、 酸化剤ガス流路 1 4の入口には、 コンプレッサ 2 1か ら供給される空気を酸化剤ガス流路 1 4に導く酸化剤供給流路 2 2が接続されて おり、 酸化剤ガス流路 1 4の出口には、 当該酸化剤ガス流路 1 4から排出される 力ソードオフガスを外部に導く酸化剤排出流路 2 3が接続されている。 酸化剤排 出流路 2 3には、 当該流路内のガスの圧力 （すなわち力ソード背圧） を調整する ための圧力調整弁 24が設けられている。 なお、 図 1には示されていないが、 酸 化剤ガス流路 1 4に接続される流路 2 2, 2 3には、 適宜、 流路内のガスの圧力 を測定する圧力センサや、 流路内のガスの流量を測定する流量センサ、 流路を開 閉するための弁 （エアシャットバルブ） 、 加湿モジュールなどが設けられる。 一方、 燃料ガス流路 1 5の入口には、 高圧水素ガスを貯蔵する水素タンク 3 1 から供給される水素を燃料ガス流路 1 5に導く燃料供給流路 3 2が接続されてお り、 燃料ガス流路 1 5の出口には、 当該燃料ガス流路 1 5から排出されるァノー ドオフガスを燃料供給流路 3 2に戻す循環流.路 3 3が接続されている。 燃料供給 流路 3 2には、 当該流路内のガスの圧力を調整する圧力調整弁 3 4が設けられて いる。 循環流路 3 3には、 水素を循環させるための水素ポンプ 3 8が設けられて いる。 また、 循環流路 3 3には、 燃料ガス流路 1 5から排出されたアノードオフ ガスを外部に導く燃料排出流路 3 5が接続されており、 この燃料排出流路 3 5に は、 当該流路を開閉するパージ弁 3 6が設けられている。 なお、 図 1には示され ていないが、 燃料ガス流路 1 5に接続される流路 3 2 , 3 3には、 適宜、 流路内 の圧力を測定する圧力センサや、 流路内のガスの流量を測定する流量センサ、 流 路を開閉するための弁 （エアシャットバルブ） などが設けられる。
燃料電池 1 0には、 外部負荷 4 1が電気的に接続される。 外部負荷 4 1は、 例 えば、 D C ZD Cコンバータや、 当該 D C ZD Cコンバータを介して燃料電池 1 0に接続される負荷 （例えば、 二次電池、 キャパシ夕、 補機、 抵抗体など） であ る。
さらに、 燃料電池システム 1は、 燃料電池 1 0の出力電圧を測定する電圧セン サ 4 2と、 燃料電池の出力電流を測定する電流センサ 4 3と、 燃料電池 1 0のィ ンピーダンスを測定するインピーダンス測定部 4 4と、 燃料電池システム 1全体 を制御する制御装置 5 0とを有する。 制御装置 5 0は、 具体的には、 各種の入力 情報 （電圧センサ 4 2、 電流センサ 4 3、 およびインピーダンス測定部 4 4の出 力値など） に基づき、 被制御装置 （コンプレッサ 2 1、 圧力調整弁 2 4、 水素ポ ンプ 3 8、 圧力調整弁 3 4など） を制御する。
制御装置 5 0は、 適宜の構成により実現可能であるが、 本実施の形態では、 C P U (Central Process ing Uni t) 、 R O M (Read Only Memory) 、 メインメモ リなどを含んで構成され、 その機能は、 R O M等の記憶媒体に記憶された制御プ ログラムが C P Uにより実行されることによって実現される。
上記構成において、 酸化剤極 1 2での水分濃度が高いと、 酸化剤極 1 2の触媒 の表面に水が物理吸着する現象、 または酸化剤極 1 2の触媒の表面に水酸基が生 成される現象が生じ、 これにより触媒の活性が下がり、 燃料電池 1 0の出力が低 下してしまう。
このような事象は、 例えば、 低圧 （例えば 1 4 0 k P a a b s以下） のカソ ード圧で連続運転される際に現れる。 また、 特に、 低負荷運転と高負荷運転とが 繰り返される際に顕著に現れる。 したがって、 燃料電池自動車においては、 アイ ドルと WO T (Wide Open Throt t le) とが繰り返される際に顕著に現れる。 具体 的には、 低負荷運転と高負荷運転が繰り返されると、 燃料電池の出力は次第に低 下していく。
燃料電池 1 0の電流電圧特性が低下している場合であって、 且つ、 電解質膜 1 1が乾燥していない場合には、 上記現象により電流電圧特性が低下している可能 性がある。
本願出願人は、 酸化剤極 1 2での水分濃度が高いことによる燃料電池の出力低 下が生じた場合、 酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させることによって、 出力低下を 低減 （回復または抑制） することができることを見出した。 一つの推測では、 酸 化剤極 1 .2のガス圧が上昇すると、 酸化剤極 1 2での水蒸気濃度が低下し、 これ により、 触媒への水の吸着量の低下や、 触媒からの水の脱離、 水酸基の生成の抑 制、 触媒からの水酸基の脱離が生じるものと考えられる。
以上より、 本実施の形態では、 上記酸化剤極 1 2での水分濃度が高いことによ る燃料電池 1 0の出力の低下に対処するため、 制御装置 5 0は、 次のような制御 を行う。 すなわち、 制御装置 5 0は、 燃料電池 1 0の電流電圧特性が所定の基準 より低下し、 且つ、 電解質膜 1 1が所定の基準より乾燥していない場合に、 酸化 剤極 1 2のガス圧を上昇させる制御を行う。
上記 「燃料電池 1 0の電流電圧特性が所定の基準より低下し」 について説明す る。 具体的には、 制御装置 5 0は、 燃料電池 1 0の電流電圧特性の実測値を取得 し、 当該実測値に基づき燃料電池 1 0の電流電圧特性が所定の基準よりも低下し ているか否かを判定する。 より具体的には、 制御装置 5 0は、 電流電圧特性の実 測値と、 予め記憶されている電流電圧特性の推定値とを比較し、 両者の差が所定 値以上である場合には低下していると判定し、 そうでない場合には低下していな いと判定する。 電流電圧特性の実測値は、 例えば、 ある出力電流における出力電 圧の実測値や、 ある出力電圧における出力電流の実測値である。 電流電圧特性の 推定値は、 例えば、 要求出力に対応する出力電圧および出力電流の目標値を決定 するために予め用意された電流電圧特性マップに基づいて求められる。 本実施の 形態において判定の対象とされる電流電圧特性の低下は、 燃料電池 1 0の電流電 圧特性自体の低下であって、 酸化剤ガスや燃料ガスの不足による出力電圧や出力 電流の低下ではない。 したがって、 本実施の形態では、 電流電圧特性の実測値と 推定値との比較は、 ガスの圧力や流量等の運転条件を整合させた上で行われる。 上記 「電解質膜 1 1が所定の基準より乾燥していない」 について説明する。 具 体的には、 制御装置 5 0は、 電解質膜 1 1の湿潤状態を表す情報を取得し、 当該 情報に基づき電解質膜 1 1が所定の基準よりも乾燥しているか否かを判定する。 例えば、 制御装置 5 0は、 燃料電池 1 0のインピーダンスを取得し、 当該インピ 一ダンスが所定値以上である場合には乾燥していると判定し、 そうでない場合に は乾燥していないと判定する。 ただし、 電解質膜 1 1が乾燥しているか否かは、 別の方法で判定されてもよい。
上記 「酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる制御を行う」 について説明する。 具 体的には、 制御装置 5 0は、 燃料電池 1 0の電流電圧特性が所定の基準よりも低 下していると判定され、 且つ、 電解質膜 1 1が所定の基準よりも乾燥していない と判定された場合には、 酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる制御を行う。 例えば 、 制御装置 5 0は、 圧力調整弁 2 4やコンプレッサ 2 1を^御して、 酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる。 ここで、 「酸化剤極 1 2のガス圧」 は、 具体的には、 酸化剤ガス流路 1 4内のガスの圧力である。 また、 「酸化剤極 1 2のガス圧を上 昇させる」 とは、 通常制御時の酸化剤極 1 2のガス圧よりも、 酸化剤極 1 2のガ ス圧を上昇させることを意味する。 具体的には、 目標出力に応じた予め設定され たガス圧、 例えば予め用意された制御マップにおいて目標出力に対応するガス圧 を基準として、 ガス圧を上昇させることを意味する。
本実施の形態では、 制御装置 5 0は、 エネルギー効率の観点より、 上記制御と して、 高負荷運転から低負荷運転に移行する際の高負荷運転終了後に、 酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる第 1の制御を行う。 具体的には、 制御装置 5 0は、 図 3に示されるように、 高負荷運転終了直後、 一時的に、 例えば圧力調整弁 2 4の 開度を絞る （一つの態様では全閉する） ことにより、 力ソード背圧を上げる。 燃 料電池自動車における一態様では、 アクセル閉時に、 圧力調整弁 2 4の開度を数 秒間閉側にして、 アクセル閉直後のアイドル運転時または間欠運転時の力ソード 背圧を一時的に昇圧させる。
そして、 制御装置 5 0は、 上記第 1の制御では電流電圧特性の低下を十分に低 減できない場合に、 上記制御として、 低負荷運転から高負荷運転に移行する際の 高負荷運転開始前に、 酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる第 2の制御を行う。 こ の第 2の制御は、 第 1の制御と比較して、 エネルギー効率の面では劣るが、 電流 電圧特性の低下に対して高い低減効果が得られるものである。
上記 「第 1の制御では電流電圧特性の低下を十分に低減できない場合」 につい て説明する。 具体的には、 制御装置 5 0は、 所定の判定基準に基づいて、 上記第 1の制御により電流電圧特性の低下を十分に低減できているか否かを判定し、 低 減できていないと判定された場合に、 上記第 2の制御を行う。 ここで、 制御装置 5 0は、 第 1の制御では電流電圧特性を十分に回復させることができない場合に 第 2の制御を行ってもよいし、 第 1の制御では電流電圧特性の低下を十分に抑制 できない場合に第 2の制御を行ってもよい。 一つの態様では、 制御装置 5 0は、 電流電圧特性の実測値が推定値に対し所定値以上下回った場合、 まずは第 1の制 御を行い、 その後、 再度実測値が推定値に対し上記所定値以上下回った場合、 第 2の制御を行う。
上記 「第 2の制御」 について説明する。 具体的には、 制御装置 5 0は、 図 4に 示されるように、 高出力要求時等の高負荷運転開始直前に、 一時的に、 例えば圧 力調整弁 2 4の開度を絞る （一つの態様では全閉する） ことにより、 力ソード背 圧を上げる。 燃料電池自動車における一態様では、 アクセル開時に、 圧力調整弁 2 4の開度を閉側にして、 力ソード背圧を一時的に昇圧させる。
なお、 酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる時期は、 上記第 1の制御における時 期や第 2の制御における時期に限られない。 例えば、 アイドル時等の低負荷運転 時 （例えば図 5の期間 A) にガス圧を上昇させてもよいし、 WO T 等の高負荷 運転時 （例えば図 5の期間 B ) にガス圧を上昇させてもよい。
以下、 本実施の形態に係る燃料電池システム 1の 作を具体的に説明する。 制御装置 5 0は、 要求出力に応じて、 予め設定された燃料電池 1 0の電流電圧 特性マップ （ I一 V特性マップ） に基づき、 出力電圧および出力電流の目標値を 決定する。 そして、 制御装置 5 0は、 出力電圧および出力電流の目標値に応じて 、 予め設定された制御マップに基づき、 酸化剤極 1 2に供給される空気の圧力お よび流量、 ならびに燃料極 1 3に供給される水素の圧力および流量の目標値を決 定する。 そして、 制御装置 5 0は、 酸化剤極 1 2に供給される空気の圧力および 流量、 ならびに燃料極 1 3に供給される水素の圧力および流量が、 それぞれ目標 値となるように、 圧力調整弁 2 4、 コンプレッサ 2 1、 圧力調整弁 3 4、 水素ポ ンプ 3 8を制御する。 好適な一態様では、 圧力を目標値に制御する際、 圧力セン ザが用いられる。 また、 好適な一態様では、 流量を目標値に制御する際、 流量セ ンサが用いられる。
上記制御装置 5 0の制御により、 水素タンク 3 1から燃料供給流路 3 2を介し て水素が燃料ガス流路 1 5に供給され、 コンプレッサ 2 1から酸化剤供給流路 2 2を介して空気が酸化剤ガス流路 1 4に供給され、 燃料電池 1 0が発電する。 燃料ガス流路 1 5からは、 反応に寄与しなかった水素を含むアノードオフガス が排出され、 当該アノードオフガスは循環流路 3 3を通って再び燃料ガス流路 1 5に供給される。 このとき、 アノードオフガスには、 水素以外の不純物が含まれ ているため、 循環するうちに当該アノードオフガス中の水素濃度が低下していく 。 そこで、 適宜のタイミングでパージ弁 3 6が開かれ、 水素濃度が低下したァノ ―ドオフガスが燃料排出流路 3 5を通って外部に排気される。
一方、 酸化剤ガス流路 1 4からは力ソードオフガスが排出され、 当該力ソード オフガスは酸化剤排出流路 2 3を通って外部に排出される。
本実施の形態では、 酸化剤極 1 2での水分濃度が高いことによる燃料電池 1 0 の出力の低下に対処するため、 制御装置 5 0は、 図 6に示される処理を行う。 当 該図 6に示される処理は、 適宜繰り返し行われる。 図 6において、 制御装置 5 0は、 電圧センサ 4 2および電流センサ 4 3を用い て、 燃料電池 1 0の電流電圧特性の実測値を取得する （S 1 ) 。
また、 制御装置 5 0は、 インピーダンス測定部 4 4により測定された燃料電池 1 0のインピーダンスを取得する （S 2 ) 。
そして、 制御装置 5 0は、 取得された電流電圧特性の実測値が推定値より所定 値以上低く、 且つ、 取得されたインピーダンスが所定値以下であるか否かを判定 する （S 3 ) 。
ステップ S 3の判定結果が 「N〇」 である場合、 処理は終了する。
一方.、 ステップ S 3の判定結果が 「Y E S」 である場合、 すなわち実測値が推 定値より所定値以上低く、 且つ、 インピーダンスが所定値以下であると判定され た場合、 制御装置 5 0は、 現在第 1の制御を実行中であるか否かを判断する （S
4 ) 。
そして、 第 1の制御を実行中でない場合 （S 4 ： N O) 、 制御装置 5 0は、 高 負荷運転終了後に酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる第 1の制御を開始する （S
5 ) 。 具体的には、 アクセルオフ直後、 一時的に （2 0秒程度） 、 圧力調整弁 2 4を閉じて力ソード背圧を上げる制御を開始する。
一方、 第 1の制御を実行中である場合 （S 4 ： Y E S ) 、 制御装置 5 0は、 高 負荷運転開始前に酸化剤極 1 2のガス圧を上昇させる第 2の制御を開始する （S
6 ) 。 具体的には、 高出力要求時に最初に圧力調整弁 2 4を閉じて力ソード背圧 を上げる制御を開始する。
なお、 上記第 1および第 2の制御は、 例えば、 電流電圧特性が所定以上回復し た場合に終了する。
以上のとおり、 本実施の形態では、 電解質膜と、 電解質膜の一方側に設けられ た酸化剤極と、 電解質膜の他方側に設けられた燃料極とを備え、 酸化剤極に供給 される酸化剤ガスと燃料極に供給される燃料ガスとにより発電する燃料電池につ いて、 燃料電池の電流電圧特性が所定の基準より低下し、 且つ、 電解質膜が所定 の基準より乾燥していない場合に、 酸化剤極のガス圧を上昇させる制御を行う。 このため、 本実施の形態によれば、 酸化剤極での水分濃度が高いことによる燃料 電池の出力の低下を低減することが可能となる。
また、 本実施の形態では、 上記制御として、 高負荷運転から低負荷運転に移行 する際の高負荷運転終了後に、 酸化剤極のガス圧を上昇させる第 1の制御を行う
。 この態様によれば、 上記制御をエネルギー効率良ぐ行うことが可能となる。 また、 本実施の形態では、 上記第 1の制御では電流電圧特性の低下を十分に低 減できない場合に、 上記制御として、 低負荷運転から高負荷運転に移行する際の 高負荷運転開始前に、 酸化剤極のガス圧を上昇させる第 2の制御を行う。 この態 様によれば、 第 1の制御では電流電圧特性の低下を十分に回復または抑制できな い場合に、 十分な回復や抑制を図ることが可能となる。
なお、 本発明は、 上記実施の形態に限定されるものではなく、 本発明の要旨を 逸脱しない範囲内で種々変更することができる。
例えば、 上記圧力調整弁 3 4の代わりにインジェクタが設けられ、 燃料ガスの 圧力は、 インジェク夕のオンオフを制御することにより調整されてもよい。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 電解質膜と、 前記電解質膜の一方側に設けられた酸化剤極と、 前記電解質膜 の^!方側に設けられた燃料極とを備え、 前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスと 前記燃料極に供給される燃料ガスとにより発電する燃料電池の制御装置であって 前記燃料電池の電流電圧特性が所定の基準より低下し、 且つ、 前記電解質膜が 所定の基準より乾燥していない場合に、 前記酸化剤極のガス圧を上昇させる制御 を行うことを特徴とする燃料電池の制御装置。
2 . 請求の範囲 1に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記制御として、 高負荷運転から低負荷運転に移行する際の高負荷運転終了後 に、 前記酸化剤極のガス圧を上昇させる第 1の制御を行うことを特徴とする燃料 電池の制御装置。
3 . 請求の範囲 2に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記第 1の制御では前記電流電圧特性の低下を十分に低減できない場合に、 前 記制御として、 低負荷運転から高負荷運転に移行する際の高負荷運転開始前に、 前記酸化剤極のガス圧を上昇させる第 2の制御を行うことを特徴とする燃料電池 の制御装置。
4 . 電解質膜と、 前記電解質膜の一方側に設けられた酸化剤極と、 前記電解質膜 の他方側に設けられた燃料極とを備え、 前記酸化剤極に供給される酸化剤ガスと 前記燃料極に供給される燃料ガスとにより発電する燃料電池と、
前記燃料電池を制御する請求の範囲 1から 3のいずれか 1項に記載の制御装置 と、
を有することを特徴とする燃料電池システム。
PCT/JP2008/062249 2007-07-04 2008-06-30 燃料電池の制御装置および燃料電池システム Ceased WO2009005161A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2008800204196A CN101730955B (zh) 2007-07-04 2008-06-30 燃料电池的控制装置及燃料电池系统
DE112008001711.5T DE112008001711B4 (de) 2007-07-04 2008-06-30 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Steuern desselben
US12/598,572 US20100136440A1 (en) 2007-07-04 2008-06-30 Fuel cell apparatus and fuel cell system
US14/173,279 US9147900B2 (en) 2007-07-04 2014-02-05 Fuel cell apparatus and fuel cell system

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007175968A JP2009016155A (ja) 2007-07-04 2007-07-04 燃料電池の制御装置および燃料電池システム
JP2007-175968 2007-07-04

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US12/598,572 A-371-Of-International US20100136440A1 (en) 2007-07-04 2008-06-30 Fuel cell apparatus and fuel cell system
US14/173,279 Division US9147900B2 (en) 2007-07-04 2014-02-05 Fuel cell apparatus and fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009005161A1 true WO2009005161A1 (ja) 2009-01-08

Family

ID=40226196

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2008/062249 Ceased WO2009005161A1 (ja) 2007-07-04 2008-06-30 燃料電池の制御装置および燃料電池システム

Country Status (5)

Country Link
US (2) US20100136440A1 (ja)
JP (1) JP2009016155A (ja)
CN (1) CN101730955B (ja)
DE (1) DE112008001711B4 (ja)
WO (1) WO2009005161A1 (ja)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4530176B2 (ja) * 2006-10-26 2010-08-25 トヨタ自動車株式会社 燃料電池車両
JP2012205330A (ja) * 2011-03-24 2012-10-22 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5383737B2 (ja) * 2011-04-08 2014-01-08 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその発電停止方法
DE102014201335A1 (de) * 2014-01-24 2015-07-30 Volkswagen Ag Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenvorrichtung
KR101592682B1 (ko) 2014-04-10 2016-02-15 현대자동차주식회사 연료 전지 스택 제어 방법
JP7211129B2 (ja) * 2019-02-06 2023-01-24 三菱自動車工業株式会社 燃料電池システム及び燃料電池の運転方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002352827A (ja) * 2001-05-22 2002-12-06 Denso Corp 燃料電池システム
JP2006032092A (ja) * 2004-07-15 2006-02-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007042305A (ja) * 2005-07-29 2007-02-15 Equos Research Co Ltd 燃料電池システム

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0547394A (ja) 1991-08-08 1993-02-26 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法
KR0171207B1 (ko) * 1994-11-11 1999-03-30 와다 아키히로 고분자 전해질형 연료 전지와 그 운전 제어 방법
JP3584511B2 (ja) * 1994-12-12 2004-11-04 トヨタ自動車株式会社 高分子電解質型燃料電池の運転制御方法
JP2002227799A (ja) * 2001-02-02 2002-08-14 Honda Motor Co Ltd 可変流量エゼクタおよび該可変流量エゼクタを備えた燃料電池システム
US6586123B1 (en) * 2001-02-07 2003-07-01 Utc Fuel Cells, Llc Variable stochiometry fuel cell
JP3852362B2 (ja) 2002-04-15 2006-11-29 日産自動車株式会社 燃料電池の燃料ガス制御装置
JP4745603B2 (ja) 2002-07-29 2011-08-10 株式会社デンソー 燃料電池システム
DE10246168A1 (de) * 2002-10-02 2004-04-15 Daimlerchrysler Ag Brennstoffzelle mit Regulierung des Wassergehalts der Reaktanden
JP2004220794A (ja) 2003-01-09 2004-08-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池の制御装置
CN1706065A (zh) * 2003-02-20 2005-12-07 日产自动车株式会社 燃料电池系统及其控制方法
JP4742486B2 (ja) * 2003-04-10 2011-08-10 日産自動車株式会社 燃料電池の発電量制御装置
DE102004012332A1 (de) * 2004-03-11 2005-09-29 Masterflex Ag Brennstoffzellenanordnung
JP4715103B2 (ja) * 2004-03-26 2011-07-06 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4687023B2 (ja) * 2004-07-06 2011-05-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4982977B2 (ja) 2005-07-04 2012-07-25 日産自動車株式会社 燃料電池システム

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002352827A (ja) * 2001-05-22 2002-12-06 Denso Corp 燃料電池システム
JP2006032092A (ja) * 2004-07-15 2006-02-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2007042305A (ja) * 2005-07-29 2007-02-15 Equos Research Co Ltd 燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
US9147900B2 (en) 2015-09-29
DE112008001711T5 (de) 2010-06-10
CN101730955A (zh) 2010-06-09
DE112008001711B4 (de) 2014-10-23
CN101730955B (zh) 2013-10-30
US20140154603A1 (en) 2014-06-05
JP2009016155A (ja) 2009-01-22
US20100136440A1 (en) 2010-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102664278B (zh) 燃料电池系统
JP4548453B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御装置
CN101529633B (zh) 燃料电池系统和用于调节聚合物电解质膜内含水量的方法
KR101719674B1 (ko) 연료전지 시스템
CN101578732A (zh) 燃料电池系统
JP5596758B2 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
JP2020017420A (ja) 燃料電池システム
JP4644064B2 (ja) 燃料電池システム
CN101454934A (zh) 燃料电池系统
JP5186794B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムにおけるガス圧力調節方法
US9147900B2 (en) Fuel cell apparatus and fuel cell system
CN103582970B (zh) 燃料电池系统
US10290888B2 (en) Method of operating fuel cell system with performance recovery control
CN104956534A (zh) 燃料电池系统以及燃料电池汽车
JP5239201B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムにおける不純物排出方法
JP2007048507A (ja) 燃料電池システム
JP2012038455A (ja) 燃料電池システム
WO2008007690A1 (en) Fuel cell system
JP2007172971A (ja) 燃料電池システム
JP5273032B2 (ja) 燃料電池の制御装置および燃料電池システム
JP4956489B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2011210511A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200880020419.6

Country of ref document: CN

DPE2 Request for preliminary examination filed before expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 08777925

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 12598572

Country of ref document: US

RET De translation (de og part 6b)

Ref document number: 112008001711

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20100610

Kind code of ref document: P

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 08777925

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1