(57)【要約】【課題】極間差圧が増大することを抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックにおけるアノードガス圧力とカソードガス圧力との差分である極間差圧を計測する計測部と、極間差圧を予測する予測部と、燃料電池スタックの電流を掃引することで燃料電池スタックの電圧を予め定めた目標電圧まで低下させるリフレッシュ運転を行うリフレッシュ部と、を備える。リフレッシュ部は、リフレッシュ運転の実行中およびリフレッシュ運転の準備中において、予測部が予測した極間差圧が予め定めた閾値以上の場合に極間差圧が増大する制御を行わない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおけるアノードガス圧力とカソードガス圧力との差分である極間差圧を計測する計測部と、
前記極間差圧を予測する予測部と、
前記燃料電池スタックの電流を掃引することで前記燃料電池スタックの電圧を予め定めた目標電圧まで低下させるリフレッシュ運転を行うリフレッシュ部と、を備え、
前記リフレッシュ部は、前記リフレッシュ運転の実行中および前記リフレッシュ運転の準備中において、前記予測部が予測した前記極間差圧が予め定めた閾値以上の場合に前記極間差圧が増大する制御を行わない、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、例えば、特許文献１に記載されているように、燃料電池に用いられるカソード側の触媒に生じた酸化皮膜を除去するために、燃料電池スタックの電流を掃引することで燃料電池スタックの電圧を予め定めた目標電圧まで低下させる、リフレッシュ運転を行うものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８５９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、リフレッシュ運転において、燃料電池のセル内におけるアノード側とカソード側との圧力の差である極間差圧が大きくなりすぎる場合、セルの電解質膜が劣化するおそれがある。そのため、極間差圧が増大することを抑制できる技術が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックにおけるアノードガス圧力とカソードガス圧力との差分である極間差圧を計測する計測部と、前記極間差圧を予測する予測部と、前記燃料電池スタックの電流を掃引することで前記燃料電池スタックの電圧を予め定めた目標電圧まで低下させるリフレッシュ運転を行うリフレッシュ部と、を備える。前記リフレッシュ部は、前記リフレッシュ運転の実行中および前記リフレッシュ運転の準備中において、前記予測部が予測した前記極間差圧が予め定めた閾値以上の場合に前記極間差圧が増大する制御を行わない。この形態の燃料電池システムによれば、リフレッシュ運転の実行中およびリフレッシュ運転の準備中において、予測した極間差圧が閾値以上の場合に極間差圧が増大する制御を行わないため、極間差圧が増大することを抑制できる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。
【図２】リフレッシュ運転制御処理の手順の一例を表わすフローチャートである。
【図３】電解質膜の極間差圧に対する耐力を示すグラフである。
【図４】スタック電流とスタック電圧と予測極間差圧との関係の一例を示したタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、ＥＣＵ２１と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）８１と、負荷８２と、電圧検出部８３と、電流計８４と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
【００１０】
燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１が積層されて構成されている。各燃料電池セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。
【００１１】
制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。制御部２０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２１の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部２０は、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、リフレッシュ部２２と計測部２３と予測部２４としての機能を実現する。リフレッシュ部２２は、後述するリフレッシュ運転制御処理を実現する。リフレッシュ運転とは、燃料電池スタック１０の電流を掃引することで燃料電池スタック１０の電圧を予め定めた目標電圧まで低下させる制御である。計測部２３および予測部２４については後述する。なお、制御部２０は、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。
【００１２】
ＥＣＵ２１は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２１が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２１は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。
【００１３】
カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、カソード圧力計３５と、カソードガス排出配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。
【００１４】
エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ３３は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３４は、コンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられている。カソード圧力計３５は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口の圧力（以下「カソードガス圧力」という）を測定し、計測部２３に送信する。
【００１５】
カソードガス排出配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。燃料電池スタック１０から排出されたカソードガスをカソードオフガスともいう。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。
【００１６】
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノード圧力計５６と、アノードガス排出配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。
【００１７】
アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。
【００１８】
第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガスの圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの流量を制御する。アノード圧力計５６は、燃料電池スタック１０のアノードガス入口の圧力を測定し、計測部２３に送信する。なお、アノード圧力計５６を燃料電池スタック１０のアノードガス出口側に設けてもよい。その場合、上述したカソード圧力計３５も燃料電池スタック１０のカソードガス出口側に設けることが好ましい。これらいずれの場合も、アノード圧力計５６で測定される圧力を「アノードガス圧力」と呼ぶことができる。
【００１９】
アノードガス排出配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器６２とを接続する配管である。アノードガス排出配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２へと誘導する。
【００２０】
気液分離器６２は、循環流路６６のアノードガス排出配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、循環流路６６内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。
【００２１】
排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６３は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３は、カソードガス排出配管４１に接続されており、排気排水弁６３によって排出された水および不要なガスは、カソードガス排出配管４１を通じて外部へ排出される。
【００２２】
循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５が設けられている。気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。
【００２４】
電圧検出部８３は、燃料電池スタック１０の電圧を検出する。本実施形態において電圧検出部８３は、燃料電池スタック１０の電圧から平均セル電圧を算出する。「平均セル電圧」とは、燃料電池スタック１０の両端電圧を燃料電池セル１１の数で除算した値である。電流計８４は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定する。
【００２５】
計測部２３は、カソード圧力計３５が検出したカソードガス圧力とアノード圧力計５６が検出したアノードガス圧力とを用いて、極間差圧を求める。計測部２３は、カソード圧力とアノードガス圧力との差分を極間差圧として求めてもよく、アノードガスとカソードガスとの流れ方向が並行流であるか対向流であるか、また、カソード圧力計３５やアノード圧力計５６の位置に応じた圧損等を考慮して、極間差圧を推定してもよい。
【００２６】
予測部２４は、例えば、未来の極間差圧を予測する。本実施形態において、予測部が予測した極間差圧を「予測極間差圧」という。予測部２４は、例えば、電力要求に対する水素供給量に基づいて予測極間差圧を求めることができ、水素供給量に比例して予測極間差圧の値が大きくなると予測する。また、空気供給量と水素供給量との関係に応じて予測してもよい。
【００２７】
燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、上述したコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５および各種弁に、供給される。
【００２８】
図２は、本実施形態における、リフレッシュ運転制御処理の手順の一例を表わすフローチャートである。リフレッシュ運転制御処理は、リフレッシュ運転の実行中およびリフレッシュ運転の準備中において、予測極間差圧が予め定めた閾値以上の場合に、極間差圧が増大する制御を行わないよう制御を行う処理である。この処理は、リフレッシュ運転を行う必要があると判断された場合に開始される処理である。また、この処理は、燃料電池システム１００の起動中に繰り返し行われる処理である。
【００２９】
まず、リフレッシュ部２２は、ステップＳ１００で、予測部２４が予測した予測極間差圧Ｐｐが予め定められた第１閾値Ｐｔｈ１以上か否かを判定する。第１閾値Ｐｔｈ１は、燃料電池スタック１０のライフサイクルにおけるリフレッシュ運転を行う総回数と、リフレッシュ運転における極間差圧である電解質膜への応力との関係である、燃料電池セル１１の電解質膜の極間差圧に対する耐力に応じて定める事ができ、電解質膜が破断しない極間差圧の値である。第１閾値Ｐｔｈ１は、予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１以上の場合、リフレッシュ運転制御処理を終了する。つまり、リフレッシュ運転を行わない。一方、予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１よりも小さい場合、ステップＳ１１０に進み、リフレッシュ運転を開始する。
【００３０】
次に、リフレッシュ部２２は、ステップＳ１２０で、再度、予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１以上か否かを判定する。予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１よりも小さい場合、ステップＳ１９０に進む。ステップＳ１９０の処理については後述する。一方、予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１以上の場合、ステップＳ１３０に進み、リフレッシュ運転における最大電流を、現在の燃料電池スタック１０の電流値で維持するよう設定する。これにより、極間差圧が第１閾値Ｐｔｈ１以上になる事を抑制しつつ、リフレッシュ運転を行うことができる。
【００３１】
続いて、リフレッシュ部２２は、ステップＳ１４０において、リフレッシュ運転を行う時間Ｔ１を通常のリフレッシュ運転を行う時間Ｔ１よりも延長する。つまり、時間Ｔ１を時間Ｔ１＋時間αに設定する。これにより、ステップＳ１３０で設定した通常よりも低い最大電流で行うリフレッシュ運転であっても、通常のリフレッシュ運転と同等の効果を得ることができる。時間Ｔ１および延長する時間αは、予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。
【００３２】
続いて、リフレッシュ部２２は、ステップＳ１５０において、計測部が計測した極間差圧Ｐｍが予め定められた第２閾値Ｐｔｈ２より大きいか否かを判定する。第２閾値Ｐｔｈ２は、第１閾値Ｐｔｈ１と同様に、予めシミュレーションや実験を行うことにより定める事ができる、電解質膜が破断しない極間差圧の値であり、第１閾値Ｐｔｈ１よりも大きい値である。極間差圧Ｐｍが第２閾値Ｐｔｈ２以下の場合、ステップＳ１９０の処理に進む。極間差圧Ｐｍが第２閾値Ｐｔｈ２よりも大きい場合、ステップＳ１６０に進み、リフレッシュ部２２は、水素供給を停止するようアノードガス供給部５０を制御する。これにより、リフレッシュ運転における燃料電池スタック１０の水素消費を促し、積極的にアノードガス圧力を下げることができるため、極間差圧Ｐｍを下げることができる。
【００３３】
続いて、リフレッシュ部２２は、ステップＳ１７０において、ステップＳ１６０で水素供給を停止してから予め定めた時間Ｔ２が経過したか否かを判定する。時間Ｔ２は時間Ｔ１よりも短い時間である。時間Ｔ２が経過している場合、リフレッシュ部２２は、ステップＳ１８０に進み、リフレッシュ運転における燃料電池スタック１０の電流を増加するよう制御する。これにより、リフレッシュ運転における燃料電池スタック１０の水素消費を増加させるため、より積極的にアノードガス圧力を下げることができ、極間差圧Ｐｍを下げることができる。一方、時間Ｔ２が経過していない場合、ステップＳ１９０の処理に進み、ステップＳ１１０でリフレッシュ運転を開始してから時間Ｔ１が経過したか否かを判定する。時間Ｔ１が経過している場合、リフレッシュ部２２は、ステップＳ２００に進み、リフレッシュ運転を終了し、リフレッシュ運転制御処理を終了する。一方、時間Ｔ１が経過していない場合、リフレッシュ部２２は、ステップＳ１２０の処理に戻る。つまり、リフレッシュ運転を時間Ｔ１行うまで、ステップＳ１２０〜Ｓ１９０の処理を繰り返す。なお、再度リフレッシュ運転制御処理を行う場合、リフレッシュ部２２は、リフレッシュ運転における最大電流の値および時間Ｔ１を通常の値に再設定してリフレッシュ運転を行うことが好ましい。
【００３４】
図３は、電解質膜の極間差圧に対する耐力を示すグラフである。横軸は、燃料電池スタック１０のライフサイクルにおけるリフレッシュ運転を行う総回数であり、縦軸は、リフレッシュ運転における燃料電池セル１１の電解質膜への応力である。電解質膜への応力は、極間差圧Ｐｍとほぼ等しい。図３に示すように、第１閾値Ｐｔｈ１は、ライフサイクルにおけるリフレッシュ総回数がＮ回の場合に、燃料電池セル１１の電解質膜が極間差圧Ｐｍに対する耐力である応力Ｐ１以下とすることが好ましい。また、第２閾値Ｐｔｈ２は、応力Ｐ１よりも大きい応力Ｐ２以下であり、かつ応力Ｐ１以上であることが好ましい。
【００３５】
図４は、リフレッシュ運転におけるスタック電流とスタック電圧と予測極間差圧との関係の一例を示したタイミングチャートである。図４において、実線は本実施形態におけるリフレッシュ運転制御処理を行った場合のグラフを示し、一点鎖線は通常のリフレッシュ運転を行った場合のグラフを示す。また、図４には、タイミングｔ１においてリフレッシュ運転を開始し、タイミングｔ４においてリフレッシュ運転を終了する例を示している。下段に示すように、タイミングｔ２において、予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１まで上昇しているため、上段に示すように、リフレッシュ運転における燃料電池スタック１０の最大電流を現在の電流Ｉｔへと維持する（図２、ステップＳ１３０）。そのため、下段に示すように予測極間差圧Ｐｐが上昇することを抑制できる。また、中段に示すように、通常のリフレッシュ運転において目標とする電圧Ｖｔには、通常のリフレッシュ運転を終了するタイミングｔ３で到達しているが、本実施形態では、リフレッシュ運転を実行する時間Ｔ１をタイミングｔ４まで延長するため（図２、ステップＳ１４０）、電圧Ｖｔでリフレッシュ運転を行うことができ、通常のリフレッシュ運転と同等の効果を得ることができる。
【００３６】
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、リフレッシュ部２２は、リフレッシュ運転の準備中に予測部２４が予測した予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１以上である場合に、リフレッシュ運転を行わない。また、リフレッシュ部２２は、リフレッシュ運転の実行中に予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１以上である場合に、最大電流を維持して通常よりも長い時間リフレッシュ運転を行う。従って、リフレッシュ部２２は、リフレッシュ運転の実行中およびリフレッシュ運転の準備中において、予測極間差圧Ｐｐが第１閾値Ｐｔｈ１以上の場合に極間差圧Ｐｍが増大する制御を行わないため、極間差圧Ｐｍが増大することを抑制できる。そのため、燃料電池セル１１の電解質膜が劣化することを抑制できる。
【００３７】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３８】
１０…燃料電池スタック、１１…燃料電池セル、２０…制御部、２１…ＥＣＵ、２２…リフレッシュ部、２３…計測部、２４…予測部、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…コンプレッサ、３４…第１開閉弁、３５…カソード圧力計、４１…カソードガス排出配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、５６…アノード圧力計、６１…アノードガス排出配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、６６…循環流路、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…電圧検出部、８４…電流計、１００…燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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