(57)【要約】【課題】燃料ガスを節約し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】燃料電池セルの燃料極の乾燥の程度と相関する電気的特性値を測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを判断し、測定値が、許容範囲外であると判断された場合に、測定値を許容範囲内にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出し、要求燃料ガス流量が燃料ガス供給部の最大供給流量以下である場合に、燃料ガス排出弁を閉じた状態で、要求燃料ガス流量以上の流量で燃料ガスを供給し、要求燃料ガス流量が燃料ガス供給部の最大供給流量を超える場合に、要求燃料ガス流量と最大供給流量との差分流量を算出し、燃料ガス排出弁を開くことによって、差分流量以上の排出流量で燃料ガスを排出することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。【選択図】図２
2015220195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを複数備えるセル集合部と、該セル集合部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料ガスの排出流量を調整する燃料ガス排出弁を有し、該セル集合部から燃料ガスを排出する燃料ガス排出部と、を備える燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池セルの燃料極の乾燥の程度と相関する電気的特性値を測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを判断する、判断工程と、
前記判断工程において前記測定値が、許容範囲外であると判断された場合に、前記測定値を許容範囲内にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出する、算出工程と、
前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量以下である場合に、前記燃料ガス排出弁を閉じた状態で、前記要求燃料ガス流量以上の流量で前記燃料ガスを供給し、
前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量を超える場合に、前記要求燃料ガス流量と前記最大供給流量との差分流量を算出し、前記燃料ガス排出弁を開くことによって、前記差分流量以上の排出流量で前記燃料ガスを排出する、流量調整工程と、を有することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を電気的に接続された２つの電極に供給し、電気化学的に燃料の酸化を起こさせることで、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する。そのため、燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けないので、高いエネルギー変換効率を示す。燃料電池は、通常、電解質膜を一対の電極で挟持した膜電極接合体を基本構造とする単セルを複数積層して構成されている。
【０００３】
特許文献１には、無加湿条件か高温条件の、少なくともいずれか一方の条件下で運転される燃料電池システムであって、燃料電池は、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路が、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置され、且つ、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量の判定手段と、判定手段において酸化剤ガス流路入口近傍の水分量が不足していると判定された場合に、燃料ガス流量を増加させるか、又は燃料ガス圧力を減少させるかの少なくともいずれか一方の操作によって、酸化剤ガス流路入口近傍の水分量を増加させる燃料ガス制御手段を備えることを特徴とする、燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２５９７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す従来の燃料電池システムでは、乾燥による燃料電池性能の低下時に、燃料極側で、燃料ガス排出弁の開閉による圧力の制御を行い燃料電池の性能を回復させているが、燃料ガス排出弁を開けることにより燃料ガスの無駄が発生することを考慮しておらず、燃費が悪いという問題がある。
本発明は上記実情を鑑みて成し遂げられたものであり、本発明の目的は、燃料ガスを節約し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる燃料電池システムの制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池セルを複数備えるセル集合部と、該セル集合部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料ガスの排出流量を調整する燃料ガス排出弁を有し、該セル集合部から燃料ガスを排出する燃料ガス排出部と、を備える燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池セルの燃料極の乾燥の程度と相関する電気的特性値を測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを判断する、判断工程と、
前記判断工程において前記測定値が、許容範囲外であると判断された場合に、前記測定値を許容範囲内にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出する、算出工程と、
前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量以下である場合に、前記燃料ガス排出弁を閉じた状態で、前記要求燃料ガス流量以上の流量で前記燃料ガスを供給し、
前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量を超える場合に、前記要求燃料ガス流量と前記最大供給流量との差分流量を算出し、前記燃料ガス排出弁を開くことによって、前記差分流量以上の排出流量で前記燃料ガスを排出する、流量調整工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料ガスを節約し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明に用いる燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。
【図３】要求燃料ガス流量と燃料電池セルの抵抗値との関係を示す検量線の一例を示す図である。
【図４】制御の概要を示す図である。
【図５】燃料電池セルの抵抗値の経時的変化の記録の一例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、燃料電池セルを複数備えるセル集合部と、該セル集合部に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、燃料ガスの排出流量を調整する燃料ガス排出弁を有し、該セル集合部から燃料ガスを排出する燃料ガス排出部と、を備える燃料電池システムの制御方法において、
前記燃料電池セルの燃料極の乾燥の程度と相関する電気的特性値を測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを判断する、判断工程と、
前記判断工程において前記測定値が、許容範囲外であると判断された場合に、前記測定値を許容範囲内にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出する、算出工程と、
前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量以下である場合に、前記燃料ガス排出弁を閉じた状態で、前記要求燃料ガス流量以上の流量で前記燃料ガスを供給し、
前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量を超える場合に、前記要求燃料ガス流量と前記最大供給流量との差分流量を算出し、前記燃料ガス排出弁を開くことによって、前記差分流量以上の排出流量で前記燃料ガスを排出する、流量調整工程と、を有することを特徴とする。
【００１０】
得られた測定値を許容範囲内にするために必要とされる要求燃料ガス流量が燃料ガス供給部の最大供給流量以下である場合は、燃料ガス排出弁を閉じた状態で燃料ガス供給部により燃料ガスを供給することにより、燃料ガスを排出することなく燃料電池の性能を回復させることができる。
また、得られた測定値を許容範囲内にするために必要とされる要求燃料ガス流量が燃料ガス供給部の最大供給流量を超えた場合にのみ燃料ガス排出弁を開き、燃料ガスを排出することにより、従来は無駄に排出していた燃料ガスを節約し、かつ、燃料電池の性能を回復させることができる。
さらに、本発明は、セル集合部と燃料ガス供給部との間で燃料ガスを循環させる燃料ガス循環部がなくても行うことができるため、コスト及び搭載面で優れている。
【００１１】
図１は、本発明に用いる燃料電池システムの構成の一例を示す図である。
図１に示す燃料電池システム１００は、セル集合部１と、燃料ガス供給部として燃料ガス供給装置２及び燃料ガス供給流路３と、燃料ガス排出部として燃料ガス排出流路４及び燃料ガス排出弁５と、酸化剤ガス供給部として酸化剤ガス供給装置６及び酸化剤ガス供給流路７と、酸化剤ガス排出部として酸化剤ガス排出流路８と、制御部９と、を備える。
【００１２】
セル集合部１は、酸化剤極と、燃料極と、酸化剤極及び燃料極に挟持される電解質膜を備える膜電極接合体を備える燃料電池セルを複数備える。セル集合部１は、空気や酸素等の酸化剤ガス及び水素ガス等の燃料ガスの供給を受けて電力を発生する。
燃料電池セルは、膜電極接合体の燃料極側に燃料ガス流路を、酸化剤極側に酸化剤ガス流路を有する。燃料電池セルの燃料ガス流路と酸化剤ガス流路は、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向が互いに対向するようにそれぞれ配置されていることが好ましい。燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向を対向させることにより、酸化剤極での電極反応で生じた水が、酸化剤ガスにより酸化剤ガス流路出口付近まで流された後、電解質膜を通じて燃料極側に流れ、当該水が燃料ガスにより燃料ガス流路入口付近から出口付近まで流される、いわゆるカウンターフロー効果が得られ、燃料電池セル内部の水循環を効率よく行い、燃料極側の電解質膜の乾燥を抑制することができるからである。
酸化剤極、燃料極、電解質膜は、特に限定されず、従来公知のものを用いることができる。
【００１３】
燃料ガス供給部は、セル集合部１に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置２及び燃料ガス供給流路３を有する。燃料ガス供給装置２としては、例えば、液体水素タンク、圧縮水素タンク等を用いることができる。
燃料ガス排出部は、少なくともセル集合部１から排出される燃料ガスの排出流量を調整する燃料ガス排出弁５を有し、必要に応じ、燃料ガス排出流路４を有する。燃料ガス排出流路４を有することにより、燃料ガス供給部の最大供給流量を向上させることができる。燃料ガス排出部が燃料ガス排出弁５のみで構成される場合、燃料ガス排出弁５はセル集合部１の燃料ガス排出口に直接配置することができる。
なお、燃料電池システム１００は、燃料ガス排出流路４及び燃料ガス供給流路３を連結し、燃料ガスを循環させる燃料ガス循環流路及び燃料ガス循環流路上に配置された燃料ガス循環装置を有する燃料ガス循環部が設けられていてもよい。燃料ガス循環装置としては、循環用ポンプ等が挙げられる。
【００１４】
酸化剤ガス供給部は、少なくともセル集合部１に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路７を有し、必要に応じ、酸化剤ガス供給装置６を有する。酸化剤ガス供給装置６としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。
酸化剤ガス排出部は、セル集合部１から酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出流路８を有する。
【００１５】
制御部９は、燃料電池システムの制御を行う。制御部９は、セル集合部１、燃料ガス供給装置２、燃料ガス排出弁５と入出力インターフェースを介して接続されている。
制御部９は、燃料電池セルの電気的特性値の測定、要求燃料ガス流量の算出、要求燃料ガス流量と燃料ガス供給部の最大供給流量との差分流量の算出、燃料ガス排出弁５の開閉、燃料ガス供給流量の調整等を行う。
制御部９は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。
【００１６】
図２は、本発明の燃料電池システムの制御方法の典型例を示したフローチャートである。なお、本発明は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
まず、燃料電池セルの燃料極の乾燥の程度と相関する電気的特性値として燃料電池セルの抵抗値を測定し、測定された抵抗値が所定値以上（許容範囲外）か否か判断する。
そして、抵抗値が所定値未満（許容範囲内）である場合には、制御を終了する。一方、測定された抵抗値が所定値以上である場合には、抵抗値を所定値未満にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出する。
算出した要求燃料ガス流量が、燃料ガス供給部の最大供給流量以下である場合には、燃料ガス排出弁を閉じた状態で、要求燃料ガス流量以上の流量でセル集合部に燃料ガスを供給する。そして、再度燃料電池セルの抵抗値を測定し、測定された抵抗値が所定値以上か否か判断する。測定された抵抗値が所定値以上である場合には、再度抵抗値を所定値未満にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出する。一方、抵抗値が所定値未満である場合には、制御を終了する。
算出した要求燃料ガス流量が、燃料ガス供給部の最大供給流量を超える場合には、要求燃料ガス流量と燃料ガス供給部の最大供給流量との差分流量を算出し、燃料ガス排出弁を開くことによって、差分流量以上の排出流量でセル集合部から燃料ガスを排出する。その後、燃料ガス排出弁を閉じた状態で、セル集合部に燃料ガスを供給する。そして、再度燃料電池セルの抵抗値を測定し、測定された抵抗値が所定値以上か否か判断する。測定された抵抗値が所定値以上である場合には、再度抵抗値を所定値未満にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出する。一方、抵抗値が所定値未満である場合には、制御を終了する。
なお、燃料電池システムの一回目の制御の終了後、２回目以降の制御を行う場合の開始時期は、特に限定されず、一回目の制御の終了後間断なく連続して行ってもよいし、一定の時間、間隔をあけて行ってもよい。
【００１７】
本発明の燃料電池システムの制御方法は、少なくとも（１）判断工程、（２）算出工程、（３）流量調整工程を有する。
以下、各工程について説明する。
【００１８】
（１）判断工程
判断工程は、前記燃料電池セルの燃料極の乾燥の程度と相関する電気的特性値を測定し、得られた測定値が、所定値によって定められた許容範囲外であるか否かを判断する工程である。
【００１９】
燃料電池セルの燃料極の乾燥の程度と相関する電気的特性値としては、燃料電池セルの抵抗値、電圧値、電流値等が挙げられ、抵抗値が好ましい。
燃料電池セルの抵抗値、電圧値、電流値を測定する方法は、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。
電気的特性値の所定値及び所定値によって定められた許容範囲は、燃料電池セルの性能等により適宜設定することができる。
【００２０】
（２）算出工程
算出工程は、前記判断工程において前記測定値が、許容範囲外であると判断された場合に、前記測定値を許容範囲内にするために必要とされる要求燃料ガス流量を算出する工程である。
【００２１】
要求燃料ガス流量の算出方法は、特に限定されないが、予め実験等で、電気的特性値と要求燃料ガス流量との関係を示すデータ群を用意し、そのデータ群と測定された電気的特性値とを照合することによって要求燃料ガス流量を算出することが好ましい。
図３は、要求燃料ガス流量と燃料電池セルの抵抗値との関係を示す検量線の一例を示す図である。
図３に示すように、燃料電池セルの抵抗値が増加すると、要求燃料ガス流量は増大する。
【００２２】
（３）流量調整工程
流量調整工程は、前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量以下である場合に、前記燃料ガス排出弁を閉じた状態で、前記要求燃料ガス流量以上の流量で前記燃料ガスを供給し、
前記要求燃料ガス流量が前記燃料ガス供給部の最大供給流量を超える場合に、前記要求燃料ガス流量と前記最大供給流量との差分流量を算出し、前記燃料ガス排出弁を開くことによって、前記差分流量以上の排出流量で前記燃料ガスを排出する工程である。
【００２３】
燃料ガスの供給は、連続的、間欠的のいずれの方法で行ってもよいが、瞬間的に大流量で供給して短時間で燃料電池の性能を回復させる観点から間欠的に行うことが好ましい。
燃料ガスの供給流量は、要求燃料ガス流量以上の流量であれば特に限定されない。
燃料ガス供給部の最大供給流量は、燃料ガス供給部に用いる燃料ガス供給装置の種類や大きさ、燃料ガス供給流路の容積、燃料ガス排出部に用いる燃料ガス排出流路の容積等により変動するものであり、燃料電池セルの耐圧限界等を考慮し、適宜設定することができる。
燃料ガスの排出は、連続的、間欠的のいずれの方法で行ってもよいが、燃料ガスを節約する観点、及び、瞬間的に大流量で排出して短時間で燃料電池の性能を回復させる観点から間欠的に行うことが好ましい。
また、燃料ガス排出時は、燃料ガスの供給を行っても行わなくてもよいが、カウンターフロー効果を高める観点から、燃料ガスの供給を行うことが好ましい。
燃料ガスの排出流量は、要求燃料ガス流量と燃料ガス供給部の最大供給流量との差分流量以上の流量であれば特に限定されないが、燃料ガスを節約する観点から差分流量であることが好ましい。
【００２４】
図４は、制御の概要を示すため、要求燃料ガス流量と燃料電池セルの抵抗値との関係が直線で規定された場合の一例を示す図である。実際の関係は実験等によって決定されるのが好ましく、図４の例に限定されない。
図４に示すように、要求燃料ガス流量と燃料電池セルの抵抗値との関係を示す検量線と、測定した燃料電池セルの抵抗値とを照合することにより、測定値が最大供給流量に対応する抵抗値を超えた場合に、要求燃料ガス流量と最大供給流量との差分流量（排出流量）を容易に算出することができる。
【００２５】
図５は、燃料電池セルの抵抗値の経時的変化の記録の一例を示した図である。
図５に示すように、燃料電池セルの抵抗値が所定値以上である場合に、燃料ガス排出弁を間欠的に短時間（例えば、０．１〜２．０秒）開くことにより、燃料ガス排出弁を開いた瞬間に燃料電池セルの抵抗値を低下させることができることがわかる。
【符号の説明】
【００２６】
１  セル集合部
２  燃料ガス供給装置
３  燃料ガス供給流路
４  燃料ガス排出流路
５  燃料ガス排出弁
６  酸化剤ガス供給装置
７  酸化剤ガス供給流路
８  酸化剤ガス排出流路
９  制御部
１００  燃料電池システム
【図１】
2015220195.tif 000003
【図４】
2015220195.tif 000004
【図２】
2015220195.tif 000005
【図３】
2015220195.tif 000006
【図５】
2015220195.tif 000007