JP2008147139A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの低温起動性能を高める。
【解決手段】燃料電池システム１０は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、燃料電池スタック２０の温度が所定の閾値温度以下であり且つ燃料電池スタック２０の含水量が所定の閾値以下であることを条件として通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタック２０に供給するコントローラ７０とを備える。反応ガス供給圧を高めると、反応ガスによる水分持ち去り量は低下するので、燃料電池スタック内部における水収支は、反応ガスに含まれている水分が膜−電極接合体に蓄積される方向に進行する。しかし、燃料電池スタック２０の含水量が所定の閾値以下であるので、フラッディングを抑制しつつ、低温起動性能を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、複数のセルを直列に積層してなるスタック構造を有しており、各セルは、電解質膜の一方の面にアノード極を配置し、他方の面にカソード極を配置してなる膜−電極接合体を有する。膜−電極接合体に反応ガスを供給することで電気化学反応が進行し、化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池スタックは、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。

ところで、燃料電池システムにおける電池反応では、水分が生成されるため、氷点下等の低温環境下においては、水分が電極触媒やガス拡散層等に凍結している虞がある。またこのような低温環境下では、空気の飽和蒸気圧が低下するので、膜−電極接合体の含水量が多くなる。このような状態になると、電極反応面積が減少して反応ガスの拡散性能が著しく低下するので、定格起電力を出力できない場合がある。このような問題点に鑑み、特開２００５−４４７９５号公報には、氷点下起動時に燃料電池スタックに供給される反応ガスの圧力を通常運転圧力よりも高めに制御することにより、発電特性を向上させることが開示されている。反応ガスの供給圧を高めると、電気化学反応が進行する三相界面に反応ガスを強制供給できるので、触媒活性の低下や生成水の凍結によるガス拡散性能の低下を補うことができる。
特開２００５−４４７９５号公報

しかし、反応ガス供給圧を高めると、反応ガスによる水分持ち去り量は低下するので、燃料電池スタック内部における水収支は、反応ガスに含まれている水分が膜−電極接合体に蓄積される方向に進行する。低温起動時において、発電に必要なプロトン伝導性を確保するために必要十分な水分が膜−電極接合体に含有されているような状態では、反応ガス供給圧を高めてしまうと、フラッディングを惹起していまい、反応ガス拡散性能低下に起因する濃度分極の増大により燃料電池スタックの出力特性低下を招く虞がある。

そこで、本発明はこのような問題を解決し、燃料電池スタックの低温起動性能を高めることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの温度が所定の閾値温度以下であり且つ燃料電池スタックの含水量が所定の閾値以下であることを条件として通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給する反応ガス供給制御手段とを備える。

燃料電池スタックの含水量が所定の閾値以下であるときに、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給することにより、フラッディングを抑制しつつ、燃料電池スタックの低温起動性能を高めることができる。

反応ガス供給制御手段は、燃料電池スタックに対する発電要求電流が、燃料電池スタックから出力できる最大電流を超えていることを条件として、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給する。

燃料電池スタックに対する発電要求電流が、燃料電池スタックから出力できる最大電流を超えているときに、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給することにより、燃料電池スタックの最大出力性能を向上させることができる。

反応ガス供給制御手段は、燃料電池スタックの含水量が少ない程、より高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給する。

燃料電池スタックの含水量が少ない程、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給すると、燃料電池スタックの出力特性が大きく改善されることが本出願人の実験により確認されている。

本発明によれば、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタックに供給することにより、フラッディングを抑制しつつ、燃料電池スタックの低温起動性能を高めることができる。

以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム１０のシステム構成を示す。

燃料電池システム１０は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給する燃料ガス配管系３０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給する酸化ガス配管系４０と、電力の充放電を制御する電力系６０と、システム全体を統括制御するコントローラ７０とを備えている。

燃料電池スタック２０は、例えば、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、更にカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池スタック２０は発電する。

燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料ガス配管系３０は、燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガス（水素ガス）が流れる燃料ガス供給流路３５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガス（水素オフガス）を燃料ガス供給流路３５に還流せしめるための循環流路３６と、循環流路３６内の燃料オフガスを燃料ガス供給流路３５に圧送する循環ポンプ３７と、循環流路３６に分岐接続される排気流路３９とを有している。

燃料ガス供給源３１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば、３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留する。遮断弁３２を開くと、燃料ガス供給源３１から燃料ガス供給流路３５に水素ガスが流出する。水素ガスは、レギュレータ３３やインジェクタ３４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源３１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から構成してもよい。

インジェクタ３４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ３４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。

循環流路３６には、排気弁３８を介して、排気流路３９が接続されている。排気弁３８は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環流路３６内の不純物を含む燃料オフガスと水分を外部に排出する。排気弁３８の開弁により、循環流路３６内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される燃料オフガス中の水素濃度が上がる。

希釈器５０には、排気弁３８及び排気流路３９を介して排出される燃料オフガスと、排出流路４５を流れる酸化オフガスとが流入し、燃料オフガスを希釈する。希釈化された燃料オフガスの排出音は、マフラー（消音器）５１によって消音され、テールパイプ５２を流れて車外に排気される。

酸化ガス配管系４０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス供給流路４４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる排出流路４５とを有している。酸化ガス供給流路４４には、フィルタ４１を介して酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ４２と、エアコンプレッサ４２により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器４３とが設けられている。排出流路４５には、酸化ガス供給圧（酸化ガス背圧）を調圧するための背圧調整弁４６と、加湿器４３とが設けられている。

加湿器４３は、多数本の水蒸気透過膜（中空糸膜）から成る水蒸気透過膜束（中空糸膜束）を収容している。水蒸気透過膜の内部には、電池反応により生じた水分を多量に含む高湿潤の酸化オフガス（ウェットガス）が流れる一方で、水上透過膜の外部には、大気から取り込まれた低湿潤の酸化ガス（ドライガス）が流れる。酸化ガスと酸化オフガスとの間で水蒸気透過膜を隔てて水分交換が行われることにより、酸化ガスを加湿することができる。

電力系６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、及びトラクションモータ６４を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２からの直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６３に出力する機能と、燃料電池スタック２０又はトラクションモータ６４からの直流電圧を降圧してバッテリ６２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ６２は、電力の蓄電及び放電が可能な蓄電装置であり、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ６２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチ（図示せず）から出力される起動信号を受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサ（図示せず）から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ（図示せず）から出力される車速信号などを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、例えば、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ６２の出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、エアコンプレッサ４２の回転数やインジェクタ３４の弁開度を調整し、燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御して燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ６３に出力し、トラクションモータ６４の出力トルク、及び回転数を制御する。

尚、燃料電池スタック２０の運転状態を検出するためのセンサ類として、燃料電池システム１０には、セル電圧を検出するためのセルモニタ８１、スタック温度を検出するための温度センサ８２、酸化ガス背圧を検出するための圧力センサ８３等が配置されている。

次に、本実施形態に係わる低温起動処理の概要について説明する。
図３は低温起動時に反応ガス供給圧を昇圧することによる燃料電池スタック２０の出力特性の改善を示すグラフであり、横軸は燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを示し、縦軸は燃料電池スタック２０の最大出力を示している。電解質膜の陽子伝導度は、電解質膜に含まれている水分量に直接比例することが知られているので、交流インピーダンスは、膜−電極接合体の乾燥度合いを評価するための物理パラメータとして用いることができる。曲線Ａは、反応ガス供給圧が高圧（例えば、２００ｋＰａ）である場合を示し、曲線Ｂは、反応ガス供給圧が低圧（例えば、１４０ｋＰａ）であることを示している。このグラフに示すように、交流インピーダンスが高い程（膜−電極接合体の乾燥度合いが高い程）、通常運転圧力に比して反応ガス供給圧を高めることによって、出力特性を大きく改善できることが分かる。また、スタック温度が低い程、通常運転圧力に比して反応ガス供給圧を高めることによって、燃料電池スタック２０の出力特性を大きく改善できることが確認できた。

但し、スタック温度が所定の閾値温度（例えば、１０℃）を超えると、曲線Ａと曲線Ｂとの差は殆どなくなり、反応ガス供給圧を昇圧することによる燃料電池スタック２０の出力特性の改善は見られなかった。燃料電池スタック２０の出力特性の改善が見られない場合にまで反応ガス供給圧を昇圧させると、補機類（エアコンプレッサ４２など）の消費電力が増加してしまい、燃料電池システム１０全体のエネルギー効率が低下するので、好ましくない。

以上の実験結果より、本実施形態に係わる低温起動処理においては、スタック温度が所定の閾値温度以下であり、且つ膜−電極接合体の含水量が所定の閾値以下である（交流インピーダンスが所定の閾値以上である）ことを条件として、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを燃料電池スタック２０に供給する。反応ガス供給圧を高めると、反応ガスによる水分持ち去り量は低下するので、燃料電池スタック内部における水収支は、反応ガスに含まれている水分が膜−電極接合体に蓄積される方向に進行する。膜−電極接合体が乾燥している状態では、反応ガス供給圧を高めることによって、膜−電極接合体に水分が蓄積されたとしても、フラッディングに起因する濃度分極の増大により燃料電池スタック２０の出力特性の低下を引き起こす虞は生じない。

次に、図２乃至図６を参照しながら本実施形態に係わる低温起動処理の詳細について説明する。
図２は低温起動処理ルーチンを示すフローチャートである。
コントローラ７０は、イグニッションスイッチ（図示せず）がオンになると、低温起動処理ルーチンを呼び出して実行する。コントローラ７０は、まず、温度センサ８２の検出値を読み取り、スタック温度Ｔが所定の閾値温度Ｔ０以下であるか否かを判定する（ステップ２０１）。閾値温度Ｔ０としては、燃料電池スタック２０への反応ガス供給圧を通常運転圧力よりも高めることにより、出力特性の向上が見込まれる温度の上限値（例えば、１０℃程度）に設定するのが望ましい。

スタック温度Ｔが閾値温度Ｔ０を超えている場合には（ステップ２０１；ＮＯ）、コントローラ７０は、低温起動処理ルーチンを抜けて、通常起動処理ルーチン（図示せず）を実行する。

スタック温度Ｔが閾値温度Ｔ０以下である場合には（ステップ２０１；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、要求電流値Ｉ_reqが最大電流値Ｉ_maxを超えているか否かを判定する（ステップ２０２）。ここで、最大電流Ｉ_maxとは、下限電圧電流Ｉ₀と最大電力電流Ｉ₁とのうち何れか小さい方を意味する。下限電圧電流Ｉ₀とは、図４に示すＩ−Ｖ特性曲線において、システム下限電圧Ｖ₀に対応する電流である。最大電力電流Ｉ₁とは、図５に示すＰ−Ｉ特性曲線において、最大電力Ｐ_maxに対応する電流である。

要求電流値Ｉ_reqが最大電流値Ｉ_maxを下回っている場合には（ステップ２０２；ＮＯ）、コントローラ７０は、低温起動処理ルーチンを抜けて、通常起動処理ルーチン（図示せず）を実行する。

要求電流値Ｉ_reqが最大電流値Ｉ_maxを超えている場合には（ステップ２０２；ＹＥＳ）、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０への反応ガス供給圧を昇圧させるための制御を実施する（ステップ２０３）。

反応ガス供給圧を昇圧させるには、少なくとも酸化ガスの供給圧を昇圧させればよく、燃料ガスについては、必ずしも昇圧させる必要はない。酸化ガスの供給圧を昇圧させるには、例えば、図６に示すようなマップデータを用いて、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスに対応する酸化ガス背圧指令値（目標値）を算出し、燃料電池スタック２０の酸化ガス背圧が目標値に一致するように、圧力センサ８３の検出値を読み取りながら、エアコンプレッサ４２の回転数や背圧調整弁４６の弁開度を調整する。

図６に示すマップデータにおいては、交流インピーダンスが所定の閾値Ｚ０未満では、酸化ガス背圧指令値は、通常運転圧力Ｐ０に一致する。交流インピーダンスが所定の閾値Ｚ０以上になると、酸化ガス背圧指令値は、交流インピーダンスの増加に伴って上昇し、ある程度上昇したところで一定値になる。交流インピーダンスがある程度高くなると、酸化ガス背圧指令値が一定値となるのは、エアコンプレッサ４２のガス供給能力や消費電力等を考慮したためである。ここで、閾値Ｚ０としては、電池運転を実施する上で理論上必要な水分が膜−電極接合体に含有されているときの交流インピーダンスを用いるのが望ましい。

尚、燃料電池スタック２０の交流インピーダンスを計測するには、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１を制御して、燃料電池スタック２０に印加される交流信号の周波数を変化させながら、各セルの応答電圧の変化をセルモニタ８１によって検出し、（４）〜（６）式を計算すればよい。燃料電池スタック２０に交流信号を印加したときの燃料電池スタック２０の応答電圧をＥ、応答電流をＩ、交流インピーダンスをＺとすると、（４）〜（６）式が成立する。

Ｅ＝Ｅ_SELｅｘｐｊ（ωｔ＋Φ） …（４）
Ｉ＝Ｉ_SELｅｘｐｊωｔ …（５）
Ｚ＝Ｅ／Ｉ＝（Ｅ_SEL／Ｉ_SEL）ｅｘｐｊΦ＝Ｒ＋ｊχ …（６）
ここで、Ｅ_SELは応答電圧の振幅を示し、Ｉ_SELは応答電流の振幅を示し、ωは角周波数を示し、Φは初期位相を示し、Ｒは抵抗成分（実数部分）を示し、χはリアクタンス成分（虚数部分）を示し、ｊは虚数単位を示し、ｔは時間を示す。

発明の実施形態を通じて説明された実施例は、用途に応じて適宜に組み合わせて、又は変更若しくは改良を加えて用いることができ、本発明は上述した実施形態の記載の記載に限定されるものではない。

本実施形態では、要求電流値Ｉ_reqが最大電流値Ｉ_maxを超えている場合に、通常運転圧力に比して反応ガス供給圧を高める操作について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、要求電流値Ｉ_reqと、スタック温度Ｔと、交流インピーダンスとの関係から求まる酸化ガス背圧指令値を予め実験などによりマップデータとして作成しておき、要求電流値Ｉ_reqと、スタック温度Ｔと、交流インピーダンスとの関係から酸化ガス背圧指令値（目標値）を算出し、酸化ガス供給圧力を制御してもよい。

上述の実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態はこの例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。

本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。 本実施形態に係わる低温起動処理ルーチンを示すフローチャートである。 交流インピーダンスと最大出力との関係を示すグラフである。 燃料電池スタックのＩ−Ｖ特性を示すマップデータである。 燃料電池スタックのＰ−Ｉ特性を示すマップデータである。 酸化ガス背圧指令値と交流インピーダンスとの関係を示すマップデータである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ３０…燃料ガス配管系 ３１…燃料ガス供給源 ３２…遮断弁 ３３…レギュレータ ３４…インジェクタ ３５…燃料ガス供給流路 ４０…酸化ガス配管系 ４１…フィルタ ４２…エアコンプレッサ ４３…加湿器 ４４…酸化ガス供給流路 ６０…電力系 ６１…ＤＣ／ＤＣコンバータ ６２…バッテリ ６３…トラクションインバータ ６４…トラクションモータ ７０…コントローラ

Claims (3)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの温度が所定の閾値温度以下であり、且つ前記燃料電池スタックの含水量が所定の閾値以下であることを条件として、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを前記燃料電池スタックに供給する反応ガス供給制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記反応ガス供給制御手段は、前記燃料電池スタックに対する発電要求電流が、前記燃料電池スタックから出力できる最大電流を超えていることを条件として、通常運転圧力に比して高圧の反応ガスを前記燃料電池スタックに供給する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記反応ガス供給制御手段は、前記燃料電池スタックの含水量が少ない程、より高圧の反応ガスを前記燃料電池スタックに供給する、燃料電池システム。

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