JP5120480B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

燃料電池と、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給するガス供給手段と、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を有する燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスに水素及び酸化剤ガスに酸素を使用し、この電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池が開発され、車両、船舶及び小型の発電機等に適応されている。これらに使用される燃料電池は、電気化学反応により電気エネルギーを発生させると共に反応水を生成する。生成された反応水の大部分は燃料電池外に排出されるが、一部の反応水は燃料電池内部に残留する。特に、車両は氷点下となる低温環境で使用されるため、燃料電池に残留した反応水が凍結し、反応ガスが燃料電池のアノード極及びカソード極まで到達できす、燃料電池の発電ができなくなるという問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１では発電停止時にエアコンプレッサによる掃気動作を実行して燃料電池内部の不要な水分を除去する。具体的には、燃料電池セル内部の水分量を交流インピーダンス法により内部抵抗を測定して間接的に燃料電池セル内部の水分量を把握し、掃気終了時期を判定して燃料電池セル内部の水分を掃気する技術が開示されている。

燃料電池の内部抵抗は、内部の電解質膜の湿潤度に影響することが知られており、燃料電池の水分量が少なく、電解質膜が乾燥している場合には内部抵抗が大きくなり、燃料電池の出力電圧が低下する。一方、燃料電池の水分量が過剰である場合には、燃料電池のアノード極及びカソード極が水膜で覆われてしまうため、同様にして燃料電池の出力電圧が低下する。このため、燃料電池の水分量の管理は重要である。

特開２００７−１４９５７２号公報

上述した特許文献１を用いることにより、一般的には適正な水分量まで掃気することが可能である。しかし、掃気途中に何らかの事情で掃気の強制停止された後のインピーダンス測定において、測定された内部抵抗の異常値により掃気処理が停止することがあった。このような事態が発生する一つの要因としてインピーダンス測定の原理上、燃料電池の発電量が少ない状態では、サイン波重畳能力が低く、サイン波の歪やノイズ等よる誤検出に起因していると考えられている。

このようなことから、特に、間欠運転で発電が停止した状態からイグニッションスイッチをオフして掃気停止となった場合、エアコンプレッサの立ち上がり遅れも起因して、エアの供給が十分に行われず、インピーダンス測定による正確な内部抵抗の測定が行えない場合があった。

そこで、このような問題を解決するために本発明に係る燃料電池システムでは、間欠運転の後であってもインピーダンス測定を正確に実行できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給するガス供給手段と、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を有する燃料電池システムにおいて、酸化剤ガスである空気を燃料電池に供給するエアコンプレッサと、燃料電池システムに起動又は停止を指示するキースイッチと、キースイッチがオフされるとインピーダンス測定により得られた水分量に基づき膜乾燥処理を実行する制御部と、を有し、制御部は、キースイッチがオフされたことを検知すると、燃料電池の運転モードを低出力モードから高出力モードに変更し、運転モードの変更によるエアコンプレッサの立ち上がり見込時間における燃料電池の過渡状態を避け、空気供給が安定したことを検知した後にインピーダンス測定を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、エアコンプレッサの回転数の上昇からエアコンプレッサの回転数が安定するまでの予め定められた時間が経過したことを検知することにより、空気供給が安定したことを検知することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、エアコンプレッサの回転数が予め定められた回転数を超えたことを検知することにより、空気供給が安定したことを検知することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、制御部は、エアコンプレッサによる空気流量が予め定められた流量を超えたことを検知することにより、空気供給が安定したことを検知することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムを用いることにより、間欠運転で発電が停止した状態からイグニッションスイッチをオフして掃気停止となった場合、エアコンプレッサの立ち上がり遅れを考慮してインピーダンス測定を行うことにより正確な内部抵抗の測定が可能となるという効果がある。

また、本発明に係る燃料電池システムを用いることで、システムを複雑化させることなく、燃料電池内部に残留する水分量を精度良く検出することができるので、燃料電池の適正な制御が可能となるという効果がある。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す構成図である。 燃料電池システムのキースイッチオフ後の掃気処理の流れを示すフローチャート図である。 燃料電池システムにおけるインピーダンス測定要求タイミングの一例を説明する説明図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は車両に搭載される燃料電池システム１０の全体構成を示している。燃料電池システム１０は、大きく分けて燃料電池スタック１１と、水素供給系と、酸化剤ガス供給系と、発電された電力を変換・貯蔵する電気系と、車両を駆動する駆動系５０と、を有している。燃料電池スタック１１は最小構成である燃料電池セル（単電池）の積層体で構成されており、燃料電池スタック１１に水素ガスを供給する水素供給系には、水素ガスを貯蔵する水素タンク２２と、水素ガスの供給及び停止を行うバルブ２３と、燃料電池スタック１１から排出される未反応水素ガスを含むオフガスを水素供給流路に循環させる循環ポンプ２０及び循環ポンプ用モータ２１と、オフガスを排出する排出口と、が設けられている。

酸化剤ガス供給系には、燃料電池スタック１１に酸化剤ガスとなる空気をエアフィルタ１９から取り入れて燃料電池スタック１１に供給するエアコンプレッサ１７及びエアコンプレッサ用モータ１８と、燃料電池スタック１１を加湿するための加湿器１６と、空気を排出する排出口と、が設けられている。

電気系は、燃料電池スタック１１で発電された電力を二次電池１５に供給するためのＤＣ／ＤＣコンバータ１４と、燃料電池スタックの電流、温度、空気流量、水素ガス圧及び加湿量を測定してインピーダンス測定部１３と制御部３０とへ出力するセンサ類１２と、燃料電池スタック１１の内部抵抗を測定するインピーダンス測定部１３と、これらを制御する制御部３０と、を含んでいる。

駆動系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４により供給された電力を用いて駆動モータ５２を制御するインバータ５１と、駆動モータ５２の駆動力を車輪５３に伝達する駆動機構と、を含んでいる。

なお、インピーダンス測定部１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４から供給される電力を用いてサイン波による周波数掃引機能を有し、交流インピーダンスの実部と虚部との値を測定することにより、燃料電池セルにおけるセパレータや電解質膜の直流抵抗分であるオーム抵抗と、触媒での化学反応に起因する抵抗分である反応抵抗と、燃料ガス又は酸化剤ガスが触媒へ到達するし難さに起因する抵抗分である拡散抵抗と、の和となる内部抵抗を測定する。

図２には、燃料電池システムのキースイッチオフ後の掃気処理の流れが示されている。本実施形態で特徴的な事項の一つは、間欠運転で発電が停止した状態からイグニッションスイッチ（ＩＧ）をオフして発電停止となった場合、インピーダンス測定部は、空気供給が遅れることによる燃料電池セルの過渡状態を避け、空気供給が安定してからインピーダンス測定を実行することである。

なお、本制御は、制御部３０に記憶されたプログラムによって実行される。最初に、イグニッションスイッチなどのキースイッチがオフ（ＩＧ−ＯＦＦ）されたことを制御部３０が検出すると、ステップＳ１０において、制御部３０は燃料電池スタック１１の発電を停止し、センサ類１２により電圧、電流、燃料電池温度などを測定する。ステップＳ１２において、制御部３０は制御部３０に記憶されている前回のキースイッチオフの時刻と現時刻との差分より間欠運転を判定する。もし、制御部３０が間欠運転であると判定すると、ステップＳ１４においてインピーダンス測定回数を通常の規程回数よりも増加させる。また、ステップＳ１２において直近に間欠運転は無いと判定すると、ステップＳ１６に移り、制御部３０は燃料電池の作動モードを小、中、大出力のうち大出力として作動させる。

制御部３０は、ステップＳ１６において、エアコンプレッサを作動させ、エアコンプレッサの回転数を上昇させる。次に、制御部３０は運転モードが「大出力」であることを確認し、予め決められた時間（回転数が安定するまでの時間、例えば、数秒）経過するまでタイムカウントをする、又は、燃料電池セルが実際に応答するかどうかをステップＳ１８にて判定する。ステップＳ１８において、制御部３０は燃料電池セルの応答を判定すると、ステップＳ２０において、インピーダンス測定を実行する。さらに、制御部３０はインピーダンス測定によって得られた水分量から、膜乾燥時間を推定して膜乾燥処理（ステップＳ２２）を実行する。以上により、キースイッチオフ処理を終了する。なお、ステップＳ１８において、判定に用いるその他の情報として、発電電圧、空気供給量、エアコンプレッサ回転数などを用いても好適に処理可能である。

図３は、燃料電池システムの制御部から出力される燃料電池への出力要求と、インピーダンス測定要求タイミングの一例を示している。前述したように、インピーダンス測定の原理上、燃料電池の発電量が少ない状態では、サイン波重畳能力が低く、サイン波の歪やノイズ等よる誤検出が発生する場合がある。このため、本実施形態では、キースイッチオフ処理において、インピーダンス測定前に燃料電池の作動モードを大出力とし、インピーダンス測定時には、水素供給系のバルブ２３を閉じて循環ポンプ２０により気液分離器により反応水が除かれたオフガスを循環させることで実質的に燃料電池を停止させた後にインピーダンス測定を実行する。

以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池システムを用いることにより、間欠運転で発電が停止した状態からイグニッションスイッチをオフして掃気停止となった場合、エアコンプレッサの立ち上がり遅れを考慮してインピーダンス測定を行うことにより正確な内部抵抗の測定が実行可能となる。

また、本実施形態に係る燃料電池システムを用いることで、システムを複雑化させることなく、燃料電池内部に残留する水分量を精度良く検出することができるので、燃料電池の適正な制御が可能となる。

１０ 燃料電池システム、１１ 燃料電池スタック、１２ センサ類、１３ インピーダンス測定部、１４ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５ 二次電池、１６ 加湿器、１７ エアコンプレッサ、１８ エアコンプレッサ用モータ、１９ エアフィルタ、２０ 循環ポンプ、２１ 循環ポンプ用モータ、２２ 水素タンク、２３ バルブ、３０ 制御部、５０ 駆動系、５１ インバータ、５２ 駆動モータ、５３ 車輪。

Claims (4)

1. 燃料電池と、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給するガス供給手段と、燃料電池のインピーダンスを測定するインピーダンス測定手段と、を有する燃料電池システムにおいて、
   酸化剤ガスである空気を燃料電池に供給するエアコンプレッサと、
   燃料電池システムに起動又は停止を指示するキースイッチと、
   キースイッチがオフされるとインピーダンス測定により得られた水分量に基づき膜乾燥処理を実行する制御部と、
   を有し、
   制御部は、キースイッチがオフされたことを検知すると、燃料電池の運転モードを低出力モードから高出力モードに変更し、運転モードの変更によるエアコンプレッサの立ち上がり見込時間における燃料電池の過渡状態を避け、空気供給が安定したことを検知した後にインピーダンス測定を行うことを特徴とす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において、
   制御部は、エアコンプレッサの回転数の上昇からエアコンプレッサの回転数が安定するまでの予め定められた時間が経過したことを検知することにより、空気供給が安定したことを検知することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   制御部は、エアコンプレッサの回転数が予め定められた回転数を超えたことを検知することにより、空気供給が安定したことを検知することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   制御部は、エアコンプレッサによる空気流量が予め定められた流量を超えたことを検知することにより、空気供給が安定したことを検知することを特徴とする燃料電池システム。

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