JP5477141B2 - 燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システム及び制御方法に関し、特に、スタック積層方向における湿潤状態のばらつき抑制に関する。

従来から、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化ガスが供給され、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。

特許文献１には、燃料電池における温度の分布を検出し、温度の分布が所定の不均一状態にあると判定したときに、冷却液制御手段を制御して燃料電池に供給する冷却液の単位時間当たりの液量を増加させることが開示されている。温度分布としては、燃料電池内に流入する冷却液の温度と、燃料電池から排出される冷却液の温度との差を検出することが開示されている。

特許文献２には、スタックを構成するセル間の湿潤状態のばらつきを検出し、あるセルが別のセルよりも所定レベル以上乾燥している場合に、燃料電池を加湿する制御を行うことが開示されている。具体的には、燃料ガス加湿器及び酸化ガス加湿器を制御して、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化ガスの加湿量を通常よりも増大させることが開示されている。

特許文献３には、燃料電池の異なる計測箇所において計測された電圧の差から水分の偏在状況を推定し、燃料電池に供給されるガスの湿度、ガスの流量及びガス圧のうち少なくともいずれかを調整することで水分の偏在状況を制御することが開示されている。

特開平１０−３４０７３４号公報 特開２００８−２１４４８号公報 特開２００９−１９３８１７号公報

ところで、燃料電池の各セルに冷却液あるいは燃料ガス／酸化ガスを供給し排出するマニホールドは、当該燃料電池を車両等の移動体に搭載する場合には、搭載に必要なサイズや重量の制約上、マニホールドを必要以上に大きくすることはできない。また、マニホールド内の水分排出等を考慮すると、マニホールド内の流量確保のため、マニホールドの径はある程度小さくする必要がある。このため、マニホールドには圧力損失が必ず存在することとなり、この圧力損失のため冷却液や燃料ガス／酸化ガスの分配ばらつきが生じることとなる。このような分配ばらつきは、ガスによる水分の持ち去り量の相違や冷却液流量の相違、セル間の温度分布を生じる。このため、スタックの積層方向でセル間に湿潤状態のばらつきが生じ、セル電圧低下や出力制限等が生じ得る。

上記の特許文献３に開示されているように、ガスの湿度、ガスの流量、ガス圧を調整することで湿潤状態をある程度制御することが可能であるが、さらに効率的に湿潤状態のばらつきを抑制する技術が望まれている。

本発明の目的は、冷却媒体や燃料ガス／酸化ガスを供給、排出するマニホールドの圧力損失による冷却液や燃料ガス／酸化ガスの分配ばらつきに起因する湿潤状態のばらつきを抑制することにある。

本発明は、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の積層方向におけるセル間の湿潤状態のばらつきを検出する検出手段と、前記湿潤状態のばらつきが閾値以上ある場合に前記湿潤状態のばらつきを抑制する制御手段であって、前記セルを冷却する冷却媒体の流量を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制し、前記冷却媒体の流量の制御では不足する場合に、さらに、前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス流量及び／又はガス圧力を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制する制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記制御手段は、前記燃料電池の積層方向におけるセルのうち、燃料ガスと酸化ガス及び冷却媒体の入口側のセルの湿度とその反対側のエンドセルの湿度が等しくなるように制御することを特徴とする。

また、本発明は、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムの制御方法であって、（ａ）前記燃料電池の積層方向におけるセル間の湿潤状態のばらつきを検出する検出ステップと、（ｂ）前記湿潤状態のばらつきが閾値以上ある場合に、前記セルを冷却する冷却媒体の流量を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制し、前記冷却媒体の流量の制御では不足する場合に、さらに、前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス流量及び／又はガス圧力を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制する抑制ステップとを備え、前記湿潤状態のばらつきが前記閾値より小さくなるまで前記（ｂ）ステップを繰り返し実行することを特徴とする。

本発明の他の実施形態では、前記（ｂ）ステップは、（ｂ１）現在の冷却媒体の流量が許容最大流量より小さいか否かを判定するステップと、（ｂ２）現在の冷却媒体の流量が前記許容最大流量より小さいと判定された場合に前記冷却媒体の流量を制御し、現在の冷却媒体の流量が前記許容最大流量に達している判定された場合に前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス流量及び／又は前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス圧力を制御するステップとを備える。

本発明によれば、冷却媒体や燃料ガス／酸化ガスを供給、排出するマニホールドの圧力損失による冷却液や燃料ガス／酸化ガスの分配ばらつきに起因する湿潤状態のばらつきを抑制することができる。

燃料電池システムの構成図である。 燃料電池システムにおけるセルの構成図である。 実施形態の処理フローチャートである。 温度Ｔと飽和水蒸気圧との関係を示すグラフ図である。 冷却水とガスの分配ばらつきを示す説明図である。 ばらつき抑制の一例を示す詳細フローチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

１．燃料電池システムの基本構成
まず、燃料電池システムの基本構成について説明する。図１に、燃料電池システムの構成を示す。燃料電池システムは、燃料電池１と、燃料ガスを貯蔵するガスタンク２１と、燃料ガス通路２２と、循環通路２５と、燃料オフガス通路３０と、空気ブロワ５１と、酸化ガス通路５２と、酸化オフガス通路５３と、計測装置６０と、加湿器７０と、冷却水供給部８０と、電子制御ユニットＥＣＵ９０を備える。燃料電池システムは、ガスタンク２１より燃料ガス通路２２を通って供給される燃料ガスと、空気ブロワ５１より酸化ガス通路５２を通って供給される酸化ガスによる電気化学的反応を燃料電池１内で進行させて発電する。

燃料ガス通路２２には、減圧弁２３及び流量制御弁２４が設けられる。ガスタンク２１から燃料電池１に供給される燃料ガスは、減圧弁２３により所定の圧力に減圧され、流量制御弁２４により流量が調整され、燃料ガス通路２２を通って燃料電池１に供給される。燃料電池１内を通過した燃料ガスは、循環通路２５に排出される。

循環通路２５には、循環ポンプ２６が設けられる。循環ポンプ２６により、燃料電池１から排出された燃料ガスを燃料ガス通路２２に戻し、燃料電池１に単位時間当たりに供給される燃料ガス流量を増大させることができる。

燃料オフガス通路３０には、パージ弁３１が設けられる。燃料ガスは、循環によりガス内のガス濃度（水素ガス濃度）が低下するため、パージ弁３１を制御することによりガス濃度の低い燃料オフガスを循環通路２５から燃料オフガス通路３０に排出し、流量制御弁２４を制御することにより、ガスタンク２１からガス濃度の高い燃料ガスを供給する。

計測装置６０は、燃料電池１の各セルの電圧等の各種状態を計測する。計測装置６０により計測された各セルの電圧等は、ＥＣＵ９０に供給される。

冷却水供給部８０は、燃料電池１に冷却液としての冷却水を循環供給する。冷却水供給部８０は、循環ポンプやラジエータを備える。冷却水は、例えばエチレングリコース等の不凍水が用いられる。

ＥＣＵ９０は、燃料電池システム全体を制御する。ＥＣＵ９０は、パージ弁３１、減圧弁２３、流量調整弁２４を制御する。ＥＣＵ９０は、燃料電池内の湿潤状態に基づいて、燃料電池の発電効率が最適となるようにこれらの弁を制御する。具体的には、ＥＣＵ９０は、計測装置６０により検出された各セルの電圧等に基づいて燃料電池１のスタックの積層方向における湿潤状態のばらつきを判定し、この判定結果に応じて、湿潤状態のばらつきを抑制ないし解消するように冷却水の流量、ガス流量、及びガス圧力を調整する。調整方法の詳細については後述する。

図２に、燃料電池１を構成するセルの断面図を示す。燃料電池１は、セル１０が複数個積層されることで構成されるスタックを備え、各セル１０は、酸化ガス流路（酸化ガスマニホールド）１６及び冷却水流路（冷却水マニホールド）を内面に有するカソード側セパレータ１１、カソード側ガス拡散層１２、膜電極接合体ＭＥＡ１３、アノード側ガス拡散層１４、燃料ガス流路（燃料ガスマニホールド）１７及び冷却水流路（冷却水マニホールド）を内面に有するアノード側セパレータ１５が順に積層されて構成される。燃料電池１は、供給される反応ガスによる電気化学反応を、カソード側触媒層１３ｃ、電解質膜１３ｂ、アノード側触媒層１３ａが積層された膜電極接合体１３において進行させることで発電する。酸化ガスはカソード側ガス拡散層１２に供給され、燃料ガスはアノード側ガス拡散層１４に供給される。なお、酸化ガス及び燃料ガスは、それぞれセルの面上を蛇行するように形成された流路を通ってガス拡散層へ拡散され、酸化ガス流路１６と燃料ガス流路１７は、酸化ガスと燃料ガスが互いに対向する方向に流れるように配置される。

このような構成において、酸化ガス流路１６、カソード側ガス拡散層１２、燃料ガス流路１７及びアノード側ガス拡散層１４は、膜電極接合体ＭＥＡ１３に対して均一に酸化ガス及び燃料ガスが拡散されるように考慮された形状をなしているが、既述したようにそれぞれの流路には圧力損失があるため不均一が生じる。このため、スタックの積層方向において各セルに湿潤状態のばらつきが生じる。より具体的には、スタックは、両端に設けられたエンドプレートにより挟まれており、ガスは片方のエンド（供給・排出エンド）から供給され、スタック内の全てのセル１０に分配され、セル１０から排出されたガスは同エンドから排出される。供給・排出エンドの反対側のエンドでは供給排出口を有するエンドに比べてガスの流れが弱まること、エンドプレート近傍のセル（端セル）はスタック中央付近のセル（中央セル）よりも放熱の影響により温度が低く、水が液化しやすいことにより水の偏在が生じる。

そこで、本実施形態では、ＥＣＵ９０が各セルの湿潤状態のばらつきを検出すると、冷却水流量、ガス流量、ガス圧力を総合的に制御して湿潤状態のばらつきを抑制ないし解消する。

２．実施形態の制御方法
次に、ＥＣＵ９０における制御の内容について説明する。

図３に、本実施形態における制御のフローチャートを示す。図において、ＥＣＵ９０は、酸化ガス、燃料ガス及び冷却水を燃料電池１に供給して通常運転の制御を実行する（Ｓ１０１）。そして、通常運転の制御を実行している間の所定のタイミング（割り込み処理）で、燃料電池１のスタックの積層方向の湿潤状態、すなわち水分布を推定する（Ｓ１０２）。この水分布の推定は公知の任意の方法を用いることができる。例えば、スタックの端セルの電圧と中央セルの電圧の差を演算する。そして、電圧差が所定しきい値以上となった場合に湿潤状態にばらつきがある、すなわち水分布に偏在があると判定する（Ｓ１０３）。一般には、燃料電池１の運転開始時点においては、端セルが湿潤状態にあり、中央セルが若干乾燥している状態であり、運転が継続されるに従って中央セルの含水量が上昇して発電効率が上昇し、その後、中央セルが湿潤となるとともに、徐々に端セルへの水分の偏在が発生し、端セルと中央セルの電圧差が所定の電圧以上に至る。なお、この状態を放置して運転をそのまま継続すると、セル間の電圧差がさらに増大し、フラッディングの発生によるセル落ちや出力低下を招くことになる。

電圧差がしきい値以上であって湿潤状態のばらつき（乾湿のばらつき）があると判定された場合(Ｓ１０３でＹＥＳ)、湿潤状態のばらつき（乾湿のばらつき）を抑制する制御に移行する（Ｓ１０４）。この抑制処理は、電圧差がしきい値より小さくなるまで実行する。そして、電圧差がしきい値より小さくなると（Ｓ１０３でＮＯ）、乾燥制御及び水排出制御を行い（Ｓ１０５）、燃料電池１の出力が回復し、含水量が回復し、かつ、水が排出されるまで実行する（Ｓ１０６）。

以下、Ｓ１０４における湿潤状態のばらつきを抑制する方法について説明する。まず、冷却水と温度との関係について考察する。燃料電池１の電流Ｉ、標準起電圧Ｖ０、実際の起電圧Ｖ、冷却水流量Ｑｆｃｃ、温度Ｔとの間には、
Ｉ・（Ｖ０−Ｖ）＝ｋ・Ｇｆｃｃ・ｄＴ／ｄｔ＋放熱
の関係がある。すなわち、燃料電池１の温度ＴはＱｆｃｃの関数であり、
Ｔ＝ｆ（Ｑｆｃｃ） ・・・（１）
の関係にある。

一方、ガスによる水の持ち去り量Ｑｗａｔは、ガス流量Ｑｄｒｙ、ガス全圧力Ｐａｌｌ、水蒸気分圧Ｐｗａｔから、
Ｑｗａｔ＝｛Ｐｗａｔ／（Ｐａｌｌ−Ｐｗａｔ）｝・Ｑｄｒｙ ・・・（２）
の関係にある。

また、飽和水蒸気圧Ｐｓａｔは、図４に示すように温度Ｔに依存して決定されるから、
Ｐｓａｔ＝ｇ（Ｔ） ・・・（３）
と規定することができる。（１）式と（３）式から、関数ｈを用いて
Ｐｓａｔ＝ｈ（Ｑｆｃｃ） ・・・（４）
と表すことができる。

また、飽和水蒸気圧Ｐｓａｔと水蒸気分圧Ｐｗｅｔと湿度（％ＲＨ）との間には、
％ＲＨ＝（Ｐｗｅｔ／Ｐｓａｔ）・１００ ・・・（５）
の関係があるから、（２）式、（４）式、（５）式を用いて、
Ｐｗａｔ＝％ＲＨ・ｈ（Ｑｆｃｃ）／１００ ・・・（６）
と表することができる。

図５（ａ）に、燃料電池の各セルに供給されるガス、冷却水の分配比率を模式的に示す。図において、ガスや冷却水は図の右側の入口から供給され、出口から排出されるものとする。このとき、入口側（分配管側）ではガスや冷却水の流量は相対的に多く、その反対側のエンドセル側ではガスや冷却水の流量は相対的に少ない。いま、入口側（分配管側）の流量を１と規格化した場合に、エンドセル側の相対的なガス流量をｘ、冷却水流量をｙとする（ｘ＜１、ｙ＜１）。また、図５（ｂ）に、燃料電池の各セルのガス全圧力を示す。入口側（分配管側）の圧力を１と規格化した場合に、エンドセル側の相対的なガス圧力をｚとする。すなわち、分配管側のガス流量、冷却水流量、ガス圧力をそれぞれＱｄｒｙ、Ｑｗａｔ、Ｐａｌｌとすると、エンドセル側のガス流量、冷却水流量、ガス圧力は、それぞれｘ・Ｑｄｒｙ、ｙ・Ｑｗａｔ、ｚ・Ｐａｌｌとなる。ここで、（ｘ，ｙ，ｚ）の値は、Ｓ１０２の水分布推定により得られる。

このとき、（２）式、（６）式より、エンドセル側において、
Ｑｗａｔ＝｛（％ＲＨ・ｈ（ｙ・Ｑｆｃｃ）／１００）／（ｚ・Ｐａｌｌ−％ＲＨ・ｈ（Ｑｆｃｃ）／１００）｝・ｘ・Ｑｄｒｙ ・・・（７）
であり、分配管側において、
Ｑｗａｔ＝（％ＲＨ・ｈ（Ｑｆｃｃ）／１００）／（Ｐａｌｌ−％ＲＨ・ｈ（Ｑｆｃｃ）／１００） ・・・（８）
が成り立つ。従って、エンドセル側において、湿度％ＲＨは、
％ＲＨ＝（１００Ｑｗａｔ・ｚ・Ｐａｌｌ）／（（ｈ（ｙＱｆｃｃ）・（ｘ・Ｑｄｒｙ＋Ｑｗａｔ）） ・・・（９）
であり、分配管側において、湿度％ＲＨは、
％ＲＨ＝（１００Ｑｗａｔ・Ｐａｌｌ）／（ｈ（Ｑｆｃｃ）（Ｑｄｒｙ＋Ｑｗａｔ） ・・・（１０）
である。湿潤状態のばらつきを抑制するためには、分配管側の湿度と、エンドセル側の湿度が等しくなるように制御すればよいから、（９）式と（１０）式の湿度％ＲＨが等しくなるように冷却水流量Ｑｆｃｃ、ガス流量Ｑｄｒｙ、ガス圧力Ｐａｌｌを調整すればよい。ＥＣＵ８０は、このような原理に基づいて、（９）式の値と（１０）式の値がほぼ等しくなるように、推定された（ｘ，ｙ，ｚ）に基づいて冷却水流量Ｑｆｃｃ、ガス流量Ｑｄｒｙ、ガス圧力Ｐａｌｌを調整する。すなわち、ＥＣＵ９０は、
（１００Ｑｗａｔ・ｚ・Ｐａｌｌ）／（（ｈ（ｙＱｆｃｃ）・（ｘ・Ｑｄｒｙ＋Ｑｗａｔ））＝（１００Ｑｗａｔ・Ｐａｌｌ）／（ｈ（Ｑｆｃｃ）（Ｑｄｒｙ＋Ｑｗａｔ） ・・・（１１）
が成り立つように、冷却水流量Ｑｆｃｃ、ガス流量Ｑｄｒｙ、ガス圧力Ｐａｌｌを(ｘ，ｙ，ｚ)に応じて調整する。関数ｈ（Ｑｆｃｃ）は、予め実験で求めてＥＣＵ９０のメモリにテーブルあるいは関数として記憶しておく。

具体的に一例を挙げると以下のようである。すなわち、Ｓ１０３で湿潤状態のばらつきが閾値以上であると判定された場合、ＥＣＵは、冷却水流量Ｑｆｃｃを優先的に制御すべく、図６に示すように、まず、現在の冷却水流量Ｑｆｃｃが冷却水ポンプの最大回転数から定まる最大冷却水流量αよりも小さいか否かを判定する(Ｓ１０４１)。そして、現在の冷却水流量Ｑｆｃｃがポンプの最大回転数から定まる最大冷却水流量αよりも小さい場合には、冷却水流量Ｑｆｃｃを増大させる余地があるものとして、冷却水流量Ｑｆｃｃを制御する(Ｓ１０４２)。一方、現在の冷却水流量Ｑｆｃｃがポンプの最大回転数から定まる最大冷却水流量αに既に達している場合には、冷却水流量Ｑｆｃｃを調整する余地がないので、他のパラメータ、具体的にはガス流量Ｑｄｒｙを制御する(Ｓ１０４３)。一般に、エアコンプレッサよりも冷却水ポンプの動力損の方が小さいため、冷却水ポンプによる冷却水流量の制御が可能な範囲ではこちらを優先的に制御する方が効率的である。

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るものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態において、図３のＳ１０２における水分布の推定方法として任意の方法を使用できるが、積層された各セルの電流値を測定することで水分布を推定してもよく、あるいは各セルの抵抗値を測定することで水分布を推定してもよい。

また、本実施形態において、ＥＣＵ９０は、冷却水流量Ｑｆｃｃ、ガス流量Ｑｄｒｙ，ガス圧力Ｐａｌｌの全てを制御してもよく、冷却水流量Ｑｆｃｃを制御するとともに、さらにガス流量とガス圧力の少なくともいずれかを制御してもよい。また、冷却水流量Ｑｆｃｃ、ガス流量Ｑｄｒｙ，ガス圧力Ｐａｌｌの中で優先順位を設定し、この優先順位に従って制御してもよい。好適には、まず冷却水流量Ｑｆｃｃを制御し、その後にガス流量Ｑｄｒｙあるいはガス圧力Ｐａｌｌを制御するのがよい。この意味で、ＥＣＵ９０は、少なくとも冷却水流量Ｑｆｃｃを制御することで湿潤状態のばらつきを抑制するといえる。冷却水は冷却媒体の一例であるから、ＥＣＵ９０は、少なくとも冷却媒体流量Ｑｆｃｃを制御することで湿潤状態のばらつきを抑制するといえる。

また、本実施形態では、図３の処理フローチャートに示すように、スタックの水バランスを制御する機構（Ｓ１０５，Ｓ１０６の処理）と組み合わせて湿潤状態のばらつきを抑制しているが、Ｓ１０５、Ｓ１０６の処理を行うことなく、Ｓ１０４の処理を繰り返し実行して湿潤状態を制御することもできる。

さらに、本実施形態では、基本的に（１１）式が成立するように冷却水の流量等を制御しているが、（１１）式以外の式を用いてもよく、あるいは湿潤状態のばらつきが閾値以上となった場合に、冷却水流量を所定量ずつ増大制御してその都度湿潤状態のばらつきを監視し、閾値より小さくなるまで冷却水の増大制御を繰り返し実行する制御を行ってもよい。要するに、湿潤状態のばらつきが検出された場合に、このばらつきが許容範囲まで小さくなるまで冷却水流量を優先的に制御すればよい。

１ 燃料電池、１０ セル、６０ 計測装置、７０ 加湿器、８０ 冷却媒体供給部、９０ ＥＣＵ（電子制御装置）。

Claims (5)

1. 燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の積層方向におけるセル間の湿潤状態のばらつきを検出する検出手段と、
   前記湿潤状態のばらつきが閾値以上ある場合に前記湿潤状態のばらつきを抑制する制御手段であって、前記セルを冷却する冷却媒体の流量を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制し、前記冷却媒体の流量の制御では不足する場合に、さらに、前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス流量及び／又はガス圧力を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、前記燃料電池の積層方向におけるセルのうち、燃料ガスと酸化ガス及び冷却媒体の入口側のセルの湿度とその反対側のエンドセルの湿度が等しくなるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池システムの制御方法であって、
   （ａ）前記燃料電池の積層方向におけるセル間の湿潤状態のばらつきを検出する検出ステップと、
   （ｂ）前記湿潤状態のばらつきが閾値以上ある場合に、前記セルを冷却する冷却媒体の流量を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制し、前記冷却媒体の流量の制御では不足する場合に、さらに、前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス流量及び／又はガス圧力を制御することで前記湿潤状態のばらつきを抑制する抑制ステップと、
   を備え、前記湿潤状態のばらつきが前記閾値より小さくなるまで前記（ｂ）ステップを繰り返し実行することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
4. 請求項３記載の制御方法において、
   前記（ｂ）ステップは、
   （ｂ１）現在の冷却媒体の流量が許容最大流量より小さいか否かを判定するステップと、
   （ｂ２）現在の冷却媒体の流量が前記許容最大流量より小さいと判定された場合に前記冷却媒体の流量を制御し、現在の冷却媒体の流量が前記許容最大流量に達していると判定された場合に前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス流量及び／又は前記燃料ガスと前記酸化ガスのガス圧力を制御するステップと、
   を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項３，４のいずれかに記載の制御方法において、
   前記（ｂ）ステップでは、前記燃料電池の積層方向におけるセルのうち、燃料ガスと酸化ガス及び冷却媒体の入口側のセルの湿度とその反対側のエンドセルの湿度が等しくなるように制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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