(57)【要約】【課題】  過渡応答時の冷却水出入口の温度差を基に、ガス流量増加幅および時間を制御することにより、最小のガス流量増加でかつ確実に安定した出力を維持できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】  コントローラ３０は、燃料電池システム１全体を制御すると共に、燃料電池スタック２の冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差である出入口温度差が所定範囲以内にある場合は、定常状態、所定範囲を超えた場合は、非定常状態と判定する温度差判定手段３１と、温度差判定手段３１が非定常状態と判定した時にセル電圧安定化処置を実施するセル電圧安定化手段３２と、を備えている。セル電圧安定化手段３２は、例えば、目標空気流量を定常時のストイキ１．６７から非定常時のストイキ２．０に増加させて、非定常時の空気流量を増加させて、セル電圧を安定化させる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気中の酸素及び燃料ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックに供給する空気を加湿する加湿装置と、
前記燃料電池スタックと熱交換器との間で冷却水を循環させて該燃料電池スタックの温度を調整する冷却装置と、
前記燃料電池スタックの冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差である出入口温度差が所定範囲以内にある場合は、定常状態、前記所定範囲を超えた場合は、非定常状態と判定する温度差判定手段と、
該温度差判定手段が非定常状態と判定した時にセル電圧安定化処置を実施するセル電圧安定化手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
冷却水流量を検出または推定する冷却水流量検出手段と、
燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段と、を備え、
前記冷却装置は、燃料電池の出力電流に比例した冷却水流量となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記出入口温度差が冷却水流量と燃料電池の電流密度との関数を用いて推定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記出入口温度差は、
出入口温度差＝（電流密度1.0[A/cm2]時の温度差）×（電流密度[A/cm2]）×（電流密度1.0[A/cm2]時の冷却水流量）／（冷却水流量）という式で演算されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの冷却水入口温度を検出する入口温度検出手段と、
前記燃料電池スタックの冷却水出口温度を検出する出口温度検出手段と、を備え、
前記出入口温度差は、出口温度検出手段の検出値から入口温度検出手段の検出値を減じたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記セル電圧安定化処置は、前記燃料電池スタックへ供給する空気流量を増加、若しくは前記加湿装置による加湿状態を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記空気流量または前記加湿状態は、あらかじめ燃料電池単体で評価された値を使用することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記燃料電池スタックを停止してから次に起動するまでの経過時間に基づいて、起動直後の負荷増加率を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
【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係り、特に燃料電池負荷増加時の過渡状態におけるセル電圧安定性を改善した燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
ところで、酸化剤ガスとして空気を利用する燃料電池では、空気を供給するコンプレッサまたはブロア等の空気供給装置の慣性モーメントと空気供給装置からカソード電極までの空気通路の容積があることから、負荷急増時に、供給空気の質量流量の増加が遅れる場合がある。
【０００４】
このため、燃料電池の出力電圧もしくは出力電流を計測し、所定出力電圧もしくは電流との偏差により負荷増加直後の過渡状態を判定し、過渡状態時に供給ガス流量を増加補正することで、負荷変動に対しても安定した発電を行う燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平９−１４７８９３号公報（第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来技術では、燃料電池スタックを構成する各セルへのガス配流バラツキ等に起因するセル電圧の過渡状態時のバラツキは考慮されず、従来技術のままでは、特定のセル電圧が電圧降下を起こすなどの問題点があった。
【０００６】
また、全てのセル電圧を安定させるためには、必要以上のガス流量を必要時間以上、流さなければならず、燃料電池の発電効率の低下を招くという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題点を解決するために、本発明は、空気中の酸素及び燃料ガスを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに供給する空気を加湿する加湿装置と、前記燃料電池スタックと熱交換器との間で冷却水を循環させて該燃料電池スタックの温度を調整する冷却装置と、前記燃料電池スタックの冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差である出入口温度差が所定範囲以内にある場合は、定常状態、前記所定範囲を超えた場合は、非定常状態と判定する温度差判定手段と、該温度差判定手段が非定常状態と判定した時にセル電圧安定化処置を実施するセル電圧安定化手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池スタックの冷却水出入口温度差に基づいて、定常・非定常判定を実施するので、従来技術より精度よく定常・非定常の判定ができるとともに、非定常時に最小のガス流量増加幅および流量増加時間で高効率かつ安定した発電を可能とする燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、本発明の燃料電池システムを燃料電池車両に適用した実施例であるが、本発明は、これに限定されることはない。
【実施例１】
【００１０】
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を示すシステム構成図である。燃料電池システム１は、固体高分子型の燃料電池スタック２を備えている。燃料電池スタック２のアノード（燃料極）３には、燃料ガスとしての水素が供給され、カソード（酸化剤極、空気極）４には、酸化剤ガスとして空気が供給される。
【００１１】
水素タンク５の高圧水素は、水素圧力調整弁６により圧力が調整されて、加湿装置７へ供給される。加湿装置７は、図示しない純水供給装置から供給される純水を用いて水素を加湿し、加湿した水素をアノード３へ供給する。アノード３で消費されなかった水素は、水素循環路８及び水素循環ポンプ９によりアノード３の入口へ循環される。また水素循環路には、パージ弁１０に至る水素排出路が接続され、アノード３及び水素循環路８に窒素等の不純物が蓄積した場合、パージ弁１０を開いて、不純物を含む水素ガスを系外へ放出可能となっている。
【００１２】
酸化剤ガスとしての空気は、コンプレッサ１１により圧縮され、湿度交換器１２へ送られる。湿度交換器１２には、例えばポリイミド中空糸膜の内外の気体間で湿度交換する湿度交換器が使用可能である。湿度交換器１２は、カソード４へ供給する空気とカソード４から排出された生成水の蒸気を含む排空気との間で湿度交換することにより、カソードへ供給する空気を加湿する加湿装置である。カソード４の出口と湿度交換器１２との間には、三方弁１３が配置され、カソード排気を湿度交換器１２と空気バイパス路１４とに所望の比率で分流させることができる。カソード４から湿度交換器１２への流量を増加させれば、カソード４への供給空気の湿度を上昇させることができ、逆に流量を減少させれば、供給空気の湿度を低下させることができる。湿度交換器１２及び空気バイパス路１４の下流には、空気圧力調整弁１５が配置され、その開度を制御することによりカソード圧力を調整可能となっている。
【００１３】
また燃料電池スタック２の内部には、図示しない内部冷却水流路が設けられ、ラジエータ１７と燃料電池スタック２との間に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１６及び冷却水路１８が設けられている。ラジエータ１７には、停車時または低速走行時の風量不足を補うために、ラジエータファン１９が備えられている。燃料電池スタック２の冷却水入口には、冷却水温度を検出する入口温度センサ２４、冷却水路１８には冷却水流量を検出する流量センサ２６がそれぞれ配置され、各検出値は、コントローラ３０へ入力されている。
【００１４】
燃料電池スタック２の発電出力は、電流センサ２７を介してインバータ２０またはＤＣ／ＤＣコンバータ２２へ送られる。インバータ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧された二次電池２３の電力または燃料電池スタック２の発電電力を交流に変換して駆動モータ２１に供給する。また駆動モータ２１の回生電力はインバータ２０で整流され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２で降圧して二次電池２３へ充電可能となっている。また燃料電池スタック２の発電電力もＤＣ／ＤＣコンバータ２２で降圧して二次電池２３へ充電可能となっている。
【００１５】
コントローラ３０は、燃料電池システム１全体を制御すると共に、燃料電池スタック２の冷却水入口温度と冷却水出口温度との温度差である出入口温度差が所定範囲以内にある場合は、定常状態、所定範囲を超えた場合は、非定常状態と判定する温度差判定手段３１と、温度差判定手段３１が非定常状態と判定した時にセル電圧安定化処置を実施するセル電圧安定化手段３２と、を備えている。
【００１６】
コントローラ３０は、特に限定されないが、本実施例では、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成され、温度差判定手段３１とセル電圧安定化手段３２とは、コントローラ３０が実行するプログラムとして実現されている。また、コントローラ３０は、燃料電池スタック２の冷却水を循環させる冷却水ポンプ１６の流量、及びラジエータファン１９の回転も制御する。冷却水ポンプ１６の流量制御は、燃料電池スタック２の冷却水出入口の温度差を所定の目標値、本実施例では１５［℃］として制御する。
【００１７】
図２は、コントローラ３０が実行する制御フローチャートであり、一定時間毎（例えば、１００［ｍＳ］に実行されるものとする。
【００１８】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池システムに対する要求出力電流を検出する。例えば燃料電池車両であれば、コントローラ３０は、図示しない車両速度センサの検出値と図示しないアクセルペダルの踏み込み量とから要求出力電流を算出する。次いでＳ１２で、要求出力電流に応じた目標水素圧力、目標空気圧力、目標空気質量流量を算出する。ここで、目標空気質量流量は、要求出力電流を燃料電池化学反応式とファラデー定数とを用いて酸素質量流量に換算した値よりも大きい流量、本実施例では１．６７倍（ストイキ＝１／空気利用率＝１．６７）の酸素質量流量を供給可能な空気質量流量である。ここで、空気利用率とは、［発電に消費された酸素の質量流量］／［供給した空気中の酸素の質量流量］であり、ストイキとは、空気利用率の逆数であり、本実施例での定常時のストイキは、１．６７である。
【００１９】
この目標空気質量流量に対して、予め設定された制御マップを索引して、目標水素圧力、目標空気圧力が求められる。これらの制御マップは、予め実験的に燃料電池システムにおいて、目標空気質量流量を供給する場合に必要なカソード入口空気圧力を求めて目標空気圧力とし、またこれに対応して電解質膜の耐圧等を考慮して目標水素圧力が決定され、コントローラ３０に記憶されているものとする。
【００２０】
次いで、Ｓ１４で燃料電池スタック２の冷却水出入口温度差を計算する。この出入口温度差は、電流センサ２７が検出した燃料電池スタック２の出力電流を換算した出力電流密度、及び流量センサ２６が検出した冷却水流量を用いて、次の式（１）で算出される。
【００２１】
出入口温度差＝（電流密度1.0[A/cm2]時の温度差）×（電流密度[A/cm2]）×（電流密度1.0[A/cm2]時の冷却水流量）／（冷却水流量）                      …（１）
次いで、Ｓ１６で出入口温度差が所定範囲内か否かを判定することにより、定常状態か、非定常状態かを判定する。この所定範囲内とは、本実施例では１５［℃］±１［℃］としている。この所定範囲の中央値は、純水を媒体とした冷却水流量と電流密度に対する冷却水出入口温度差の評価結果を基に、燃料電池スタック２の電流密度１．０［A/cm2］時の冷却水出入口温度差を１５［℃］とした。
【００２２】
Ｓ１６の判定で、出入口温度差が１５［℃］±１［℃］以内であれば、定常状態として、Ｓ２０へ進み、Ｓ１２で算出した目標水素圧力、目標空気圧力、目標空気流量で、それぞれ制御マップを参照して、水素圧力調整弁６の開度、コンプレッサ１１の回転数、空気圧力調整弁１５の開度を制御してリターンする。
【００２３】
Ｓ１６の判定で、出入口温度差が１５［℃］±１［℃］の範囲外であれば、非定常状態として、Ｓ１８へ進み、Ｓ１２で算出した目標空気流量を定常時の空気流量よりも大きい流量に、本実施例ではストイキ２．０に増加して、Ｓ２０へ進む。
【００２４】
Ｓ１６において、非定常判定時に増加される空気流量は、燃料電池出力電流に急負荷を与えた時のセル電圧安定性と空気ガス流量との関係を試験用燃料電池スタックで評価し、非定常判定時にストイキにして２．０の空気流量と本実施例では決定した。
【００２５】
尚、Ｓ１８では、非定常時の処置として、目標空気流量を増加する処置を行ったが、これに代えて、カソード４に供給する空気の加湿量が適正になるように、三方弁１３を制御して、排空気が湿度交換器１２に入る量と、空気バイパス路１４に流れる量との比率を変更するようにしてもよい。
【００２６】
また、燃料電池スタックを停止後、長時間が経つと、次の起動直後は、膜電極接合体及びガス拡散層が乾燥し、膜抵抗増加により急負荷時にセル電圧低下が認められるが、停止後の起動までの経過時間に基づいて、負荷増加率を制限することで、長時間放置後の膜電極接合体及びガス拡散層の乾燥程度を制御できる。
【００２７】
図４は、本実施例による効果を説明するタイムチャートであり、試験用スタックにおける測定結果を示す。図４（ａ）は、非定常時に空気流量を増加しない比較例の場合の冷却水出口温度（太破線）、冷却水入口温度（太実線）、セル電圧（細実線）、図４（ｂ）は、非定常時に空気流量を増加する実施例１の場合の冷却水出口温度（太破線）、冷却水入口温度（太実線）、セル電圧（細実線）、をそれぞれ示す。
【００２８】
比較例及び実施例１ともに、電流密度０．００７［Ａ／ｃｍ2］から１．０［Ａ／ｃｍ2］まで２秒で負荷電流を急増した。比較例は、ストイキ１．６７の空気流量を供給した。実施例１は、冷却水出入口温度差が１５℃±１℃に安定するまでの間を非定常状態としてストイキにして２．０に増加させた空気流量を供給し、冷却水出入口温度差安定後、定常と判断し、ストイキにして１．６７相当の空気流量に減らした。セル電圧のばらつきは、図４（ａ）の比較例では、最大０．１３［Ｖ］であったものが、図４（ｂ）の実施例１では、最大０．０５［Ｖ］に縮小し、セル電圧の安定性が改善することを確認した。
【００２９】
以上説明した本実施例によれば、冷却水出入口温度差を基に、定常・非定常判定を実施するので、従来技術より精度よく定常・非定常の判定ができるとともに、安定かつ最小の流量増加幅および流量増加時間で高効率かつ安定した発電を可能とする燃料電池システムを提供することができる。
【００３０】
また本実施例によれば、定常・非定常の判定を冷却水流量および電流密度の関数として定量化した値を基に行うので、電流密度の変化に応じた定常・非定常判定ができるようになり、従来技術より精度よく、定常・非定常の判定が可能な燃料電池システムを提供することができる。
【００３１】
また本実施例によれば、燃料電池スタックの熱伝導や放熱などの伝熱特性および冷却水媒体の冷却性能を把握できれば、特に冷却水出入口の温度を計測することなく、入口側の温度と流量だけで、燃料電池システムの定常・非定常の判定ができるので、簡素なシステムでかつ従来技術より精度よく定常・非定常の判定を可能とすることができる。
【００３２】
また本実施例によれば、冷却水出入口温度差を基に、非定常と検知・判断された場合に、空気ガス流量を増加もしくは空気入口ガスを適正な加湿条件に制御させるので、従来技術より安定かつ最小の流量増加幅および流量増加時間で高効率かつ安定した発電を可能とする燃料電池システムとなる。
【００３３】
また本実施例によれば、あらかじめ燃料電池スタックの単体を用いて非定常時の空気流量増加幅を実験的に求めているので、どのような特性の燃料電池スタックにも本発明を適用することができる。
【００３４】
さらに本実施例によれば、燃料電池スタックを停止後、長時間が経つと、次の起動直後は、膜電極接合体及びガス拡散層が乾燥し、膜抵抗増加により急負荷時にセル電圧低下が認められるが、停止後次の起動までの経過時間に基づいて、起動直後の負荷増加率を制限することで、長時間放置後の膜電極接合体及びガス拡散層の乾燥程度を制御できるので、放置状態に依存せず、安定した発電が可能な燃料電池システムとなる。
【実施例２】
【００３５】
図３は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を示すシステム構成図である。実施例１の構成との相違は、燃料電池スタック２の冷却水出口に出口温度センサ２５を設け、コントローラ３０の温度差判定手段３１は、入口温度センサ２４の検出値と出口温度センサ２５の検出値を用いて、燃料電池スタック２の冷却水出入口温度差を判定していることである。その他の構成は、実施例１と同様である。
【００３６】
また、実施例２の制御フローチャートも図２に示した実施例１と略同様である。但し、Ｓ１４における冷却水出入口温度差の計算に代えて、入口温度センサ２４と出口温度センサ２５の検出値により、出入口温度差を求めている点が異なる。本実施例によれば、実際の出入口温度差を検出して、定常・非定常の判定を行っているので、経年変化等により、燃料電池スタックの熱抵抗等に変化が生じても正確な出入口温度差を検出して、定常・非定常の判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。
【図２】実施例１における制御フローチャートである。
【図３】本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。
【図４】（ａ）比較例における燃料電池出入口温度及びセル電圧の測定結果を示すタイムチャートである。（ｂ）実施例における燃料電池出入口温度及びセル電圧の測定結果を示すタイムチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１：燃料電池システム
２：燃料電池スタック
３：アノード
４：カソード
５：水素タンク
６：水素圧力調整弁
７：加湿装置
８：水素循環路
９：水素循環ポンプ
１０：パージ弁
１１：コンプレッサ
１２：湿度交換器
１３：三方弁
１４：空気バイパス路
１５：空気圧力調整弁
１６：冷却水ポンプ
１７：ラジエータ
１８：冷却水通路
１９：ラジエータファン
２０：インバータ
２１：駆動モータ
２２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３：二次電池
２４：入口温度センサ
２６：流量センサ
２７：電流センサ
３０：コントローラ
３１：温度差判定手段
３２：セル電圧安定化手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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