(57)【要約】  本発明は、イオン交換膜燃料電池スタックの制御方法であって、このスタックが、液体冷却回路と、冷却液を循環させる冷却ポンプとをさらに備えたシステム内に設置され、方法は、燃料電池スタックを始動させる始動段階を含み、この始動段階が、  ・燃料電池スタックの内部温度を判定するステップと、  ・液体冷却回路の温度を測定するステップと、  ・燃料電池スタックに始動電流を付与すると同時に、    ・スタックの内部温度が第１の所定の閾値を上回っており、冷却回路の温度が第２の所定の閾値を下回っている場合、冷却ポンプにパルスモードで動作するように命令し、    ・冷却回路の温度が第２の所定の閾値を上回っている場合、冷却ポンプに連続モードで動作するように命令するステップと、を含む方法に関する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜燃料電池スタックの制御方法であって、前記スタックは、液体冷却回路と、冷却液を循環させる冷却ポンプとをさらに備えたシステム内に設置され、前記方法は、前記燃料電池スタックを始動させる始動段階を含み、該始動段階は、
・前記燃料電池スタックの内部温度を判定するステップと、
・前記液体冷却回路の温度を測定するステップと、
・前記燃料電池スタックに始動電流を付与すると同時に、
・前記スタックの前記内部温度が第１の所定の閾値を上回っており、前記冷却回路の前記温度が第２の所定の閾値を下回っている場合、前記冷却ポンプにパルスモードで動作するように命令し、
・前記冷却回路の前記温度が前記第２の所定の閾値を上回っている場合、前記冷却ポンプに連続モードで動作するように命令するステップと、
を含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１の閾値は、大気圧において２０℃に設定される、
請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
前記第２の閾値は、大気圧において５℃に設定される、
請求項１又は２に記載の制御方法。
【請求項４】
前記スタックの前記内部温度は、前記スタックを構成する材料の熱容量及び質量、並びに前記スタックによって放散される熱エネルギーを考慮しながら判定される、
請求項１から３の１項に記載の制御方法。
【請求項５】
前記始動電流は、０．５Ａ／ｃｍ2を限度とする０．０１５Ａ／ｃｍ2／秒からのランプに従って付与される、
請求項１から４の１項に記載の制御方法。
【請求項６】
前記燃料電池スタックの各停止後に前記燃料電池スタックを乾燥させる段階を含む、
請求項１から５の１項に記載の制御方法。
【請求項７】
前記ポンプのパルスモード時の作動頻度は、前記燃料電池スタックの前記内部温度が２つのパルス間で所定値だけ上昇することを保証するように決定される、
請求項１から６の１項に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、排他的な意味ではないが、電解質が高分子膜の形を取る燃料電池スタック（すなわち、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池））に関する。
【０００２】
具体的には、本発明は、特に低温条件下におけるこのような燃料電池スタックの使用、及びこのようなスタックをこれらの条件下で始動させる方策に関する。
【背景技術】
【０００３】
燃料電池スタックでは、機械的エネルギーへの中間変換を伴わずに電気化学的酸化還元反応を介して燃料ガス及び酸化剤ガスから直接電力を生成できることが知られている。この技術は、特に自動車用途にとって有望であるように思われる。燃料電池スタックは、陽極と、陰極と、電解質として機能するイオン交換膜とをそれぞれが有する基本セルのスタックを含む。燃料電池スタックの動作中には、陽極における燃料の酸化と、陰極における酸化剤の還元という２つの電気化学反応が同時に起こる。これらの２つの反応によって陽イオンと陰イオンが生じ、これらが膜において結合して電位差の形で電気を生成する。酸素水素燃料電池スタックの場合には、Ｈ+イオンとＯ-イオンとが結合する。
【０００４】
膜電極接合体又はセルを連続して積み重ね、１つのセルの陽極から隣接セルの陰極に電子を伝導するバイポーラプレートによって分離する。この目的のために、膜電極接合体に接触するバイポーラプレートの両面にわたってチャネルを設ける。各チャネルは、燃料又は酸化剤が入り込む入口と、過剰ガスと電気化学反応によって生じた水とが排出される出口とを有する。
【０００５】
燃料電池スタックは、数多くの潜在的用途に応用され、特にモバイル用途に応用される。この場合、これらの燃料電池スタックは、極端な温度条件下で動作するように求められることがある。従って、外部温度が例えば約−２０℃などの実質的にゼロ未満に落ち込むと、燃料電池スタックの内部温度も、場合によっては大気圧において０℃未満の温度に達するまで低下する。燃料電池スタックの低温始動手順の目的は、燃料電池スタックが電気化学反応によって生じた水を排出し始める前に燃料電池スタックの内部温度を水の氷点よりも高く上昇させることである。
【０００６】
従って、低温での使用時においてもスタックの完全性を保証できるようにする燃料電池スタックの制御方法を実装することが有利である。燃料電池スタックの回路内に残った水を除去するために、始動前の停止後に乾燥動作を実行する制御方法も知られている。これにより、燃料電池スタックの停止段階中に回路が凍結するのを完全に回避することができる。
【０００７】
しかしながら、温度が実質的にゼロ未満の場合、この乾燥動作は、スタックへの損傷を防ぐのに不十分である。具体的には、前以て乾燥させる以外の支援を何も行わずにスタックを始動させた場合には、燃料電池スタックからの熱損失を使用してスタック自体の温度を上昇させることしかできない。しかしながら、燃料電池スタック及びその冷却回路の熱慣性は非常に高いため、熱損失の使用のみを通じてこれに打ち勝つことはできない。
【０００８】
これを改善するために、既知の解決策では、スタックに含まれている水分量のみを暖めて、とりわけパイプ、冷却ポンプ及び温度調整弁を含む燃料電池スタックの一次冷却回路の外側部分に含まれている水分量を暖める必要がないように、冷却液の循環の開始を遅らせる。
【０００９】
しかしながら、この解決策には複数の短所がある。まず第１に、冷却液の循環の開始を遅らせると、冷却されていない燃料電池スタックの局所的過熱が生じる。第２に、このような解決策では、燃料電池スタックの内部温度を判定することができない。具体的に言えば、一般に温度センサは、燃料電池スタックの冷却回路内に配置される。しかしながら、冷却回路が動作していない場合には、スタックの内部温度の測定を得ることができない。
【００１０】
さらに、先行技術から知られている始動手順では、非常に低温の冷却液を注入すると、燃料電池スタックのセルの端子の電圧が大幅に低下する場合があることが観察されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、燃料電池スタックの完全性を維持するとともに先行技術の短所を改善しながらスタックの低温始動の実行を可能にする方法を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
従って、本発明は、イオン交換膜燃料電池スタックの制御方法であって、スタックが、液体冷却回路と、冷却液を循環させる冷却ポンプとをさらに備えたシステム内に設置され、方法は、燃料電池スタックを始動させる始動段階を含み、この始動段階が、
・燃料電池スタックの内部温度を判定するステップと、
・液体冷却回路の温度を測定するステップと、
・燃料電池スタックに始動電流を付与すると同時に、
・スタックの内部温度が第１の所定の閾値を上回っており、スタックに入る前の冷却液の温度が第２の所定の閾値を下回っている場合、冷却ポンプにパルスモードで動作するように命令し、冷却回路の温度が第２の所定の閾値を上回っている場合、冷却ポンプに連続モードで動作するように命令するステップと、
を含む方法に関する。
【００１３】
スタックの内部温度は、スタック中心部の温度の推定値である。第１の所定の閾値は、冷却液が過度に早く動いて熱衝撃のリスクを、従ってスタック内に生じた未だ低温の水が凍結するリスクを招かないように選択される。第２の閾値は、スタックのセルの端子の電圧の低下を引き起こすことなく未冷却の燃料電池スタックのあらゆる局所的過熱を避けるように選択される。
【００１４】
具体的には、冷却ポンプをパルスモードで作動させることにより、未だ冷たい水を徐々にスタック内に注入し、従って燃料電池スタックのセルの端子の電圧を容認できる状態に保つことができる。
【００１５】
別の実施形態では、パルスモード制御の代わりに非常に流量の低い可変速度の冷却ポンプを使用する。しかしながら、極低温の冷却液は粘性が非常に高く、粘度が低く流量が大幅に大きな液体向けに設計された従来の冷却ポンプを用いて低流量を達成することは困難である。パルスモード制御では、高度に精巧なポンプを使用する必要なく、平均流量の制御における必要レベルの技巧を達成することができる。パルスモード制御では、液体が正しく動き始めることをさらに良好に保証することもできる。
【００１６】
実施形態によれば、第１の閾値が大気圧で２０℃に設定され、第２の閾値が大気圧で５℃に設定される。
【００１７】
１つの有利な実施形態では、スタックの内部温度が、スタックを構成する材料の熱容量及び質量、並びにスタックによって放散される熱エネルギーを考慮しながら判定される。従って、例えば以下のタイプの式が使用される。
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式中、
Ｔｅｔａ＿ＦＣ：ＰＥＭＦＣの推定温度［℃］
ＮｂＣｅｌｌ：スタックを形成するセルの数［１６］
ＵＦＣ：スタック上の総電圧［Ｖ］
ＩＦＣ：スタック電流［Ａ］
Ｍ１：ＰＥＭＦＣ内部の冷却液の質量［ｋｇ］
Ｃ１：冷却液の熱容量［Ｊ／ｋｇＫ］
Ｍ２：バイポーラプレートの質量［ｋｇ］
Ｃ２：バイポーラプレートの熱容量［Ｊ／ｋｇＫ］
である。
【００１８】
１つの特定の実施形態では、付与される始動電流が、０．５Ａ／ｃｍ2を最大値とする０．０１５Ａ／ｃｍ2／秒からのランプである。これは、２００ｃｍ2のスタックでは１００Ａの電流に相当する。しかしながら、状況によっては、このようなランプによって燃料電池スタックのセルの端子の電圧が大幅に落ち込むこともある。このような急減と、そのスタックの動作に及ぼす結果とを避けるために、１つの特定の実施形態では、各セルの端子の電圧が２．０ボルト以上になることを保証するように付与電流を調整する。この調整は、例えばＤＣ−ＤＣ変換器などの、燃料電池スタックによって供給される電力を制御するユニットに最大電流値を伝える調整器を用いて行われる。
【００１９】
さらに別の実施形態では、燃料電池スタックの制御方法が、大気を使用して燃料電池スタックを予め乾燥させる段階を含み、この乾燥段階は、周囲温度が０℃未満に低下する前に行われる。１つの実施形態では、この温度が５℃に設定される。
【００２０】
ポンプは、作動時間が一定になるように制御される。この値は、冷却液が全ての状況下で動き出すことを保証するのに必要な最低値に設定される。この値は、ポンプの動特性、及びスタックの回路の損失水頭に依存する。例えば、動作継続時間を０．６秒に設定する。２つのパルス間のポンプの停止時間は可変である。スタックの温度モデルは、燃料電池スタックの中心温度を徐々に上昇させるように、前回のパルスに対して１℃高い温度値に戻ると予想される。さらに、２つのパルス間の時間は、最小時間の２秒と最大時間の１２秒との間に制限される。別の実施形態では、スタックのセルの端子の平均電圧が、例えば０．６Ｖなどの２つのパルス間の所定値よりも高い値に戻ることを保証するようにポンプの停止時間を決定する。具体的には、各パルスによって未だ冷たい少量の冷却液が導入されることにより、セルの電圧が低下するようになる。
【００２１】
１６個の２００ｃｍ2のセルから成る燃料電池スタックに対応する１つの実施形態では、この空気を用いた乾燥が、以下のパラメータを用いて行われる。
−  乾燥は、コンプレッサによって吹き付けられる大気を用いて実行する。
−  陽極では、毎分１５リットルの流量で空気を吹き付ける。
−  陰極では、毎分８５リットルの流量で空気を吹き付ける。
−  乾燥は、周囲温度が５℃未満に低下した時に実行し、１ｋＨｚで測定したスタックのインピーダンスが４０ミリオームの値に達した時点で停止する。
−  また、乾燥は、スタックの動作期間後の、２．８以上の陰極化学量論比でスタックの動作が停止する直前に、好ましくは湿潤を伴わずに実行されることが好ましい。
−  これらの条件下では、９０秒未満で乾燥を実行する。例えば化学量論比が前回２であった場合などの他の条件下では、乾燥時間は約７分に等しくなる。
【００２２】
以下の図に示す以下の好ましい、ただし非限定的な実施形態についての説明では、本発明の他の目的及び利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】低温始動段階において冷却ポンプを連続モードで作動させた場合の燃料電池スタックのセルの端子の電圧を示す図である。
【図２】低温始動段階において冷却ポンプを遅延後に始動してパルスモードで作動させた場合の燃料電池スタック内の複数の温度の変動を示す図である。
【図３】低温始動段階において冷却ポンプを遅延後に始動してパルスモードで作動させた場合の燃料電池スタックのセルの端子の電圧を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１に、先行技術の方法に従って、すなわち冷却ポンプを連続モードで動作させることによって管理される、−１５℃の低温始動中における燃料電池スタックのセルの端子の電圧の変動を示す。
【００２５】
一連のセルの端子の電圧の緩やかな低下が観察された後に、第１のセルの端子の電圧の急減（グラフの最も下側の曲線）が１３秒において開始し、その直後に第２のセルの端子の電圧が急減する。
【００２６】
この急激な電圧の低下は、燃料電池スタック内に生じた水の凍結に関連する閉塞を示す。この結果、スタックの動作に悪影響が及ぶ。
【００２７】
図２及び図３には、本発明による制御方法を実装した燃料電池スタック内のパラメータの変動を示す。従って、これらの２つのグラフは、最初に冷却液を循環させずにスタックを動作させた後に冷却ポンプをパルスモードで動作させた低温始動にわたる変動を示すものである。
【００２８】
図２では、曲線Ｃ１が燃料電池スタックの推定温度を示し、曲線Ｃ２が冷却ポンプの制御設定点を示し、曲線Ｃ３がスタックの入口における温度を示す。約６５秒後に、曲線Ｃ１によって示す温度が２０℃の値に達する。本発明の１つの実施形態では、この値が第１の所定の閾値に対応する。この時点で、曲線Ｃ２で示すように、冷却ポンプ又は水ポンプをパルスモードで制御する。
【００２９】
動作の１３５秒後には、曲線Ｃ３で示すスタックの入口における冷却液の温度が５℃よりも高くなる。本発明の１つの実施形態では、この値が第２の所定の閾値に対応する。この時点で、冷却ポンプを連続モードで動作させる。この瞬間から後は、冷却液が連続して循環することにより、燃料電池スタックの入口と出口の間の冷却液の温度差がかなり急速に減少した後に消滅する。
【００３０】
同時に、図３には、本発明による方法を実装した際の対応する燃料電池スタックのセルの個々の電圧の変動を示す。この図では、図１とは異なり、冷却ポンプの作動時に、燃料電池スタックの第１のセルが容認できる電圧レベルを保持し、或いは電圧レベルが素早く回復することが観察される。冷却ポンプは、パルスモードで作動する。各冷水の注入によって、図３に波紋の形で示されるように一連の電圧が低下することが観察される。冷却ポンプのパルス、従って冷却液の注入の頻度は、セルの端子の電圧が次の注入前に容認できるレベルに回復する時間を与えるように決定される。この例では、０．６秒毎に１回の注入が行われる。
【００３１】
このような制御方法では、始動段階全体を通じて燃料電池スタックのセルの端子の容認できる電圧を保ちながら冷却回路に含まれる液体を暖めることができる。
【符号の説明】
【００３２】
Ｃ１  燃料電池スタックの推定温度
Ｃ２  冷却ポンプの制御設定点
Ｃ３  スタックの入口温度
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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