JP5142004B2

JP5142004B2 - 燃料電池システム及びその制御方法

Info

Publication number: JP5142004B2
Application number: JP2005305018A
Authority: JP
Inventors: 朋能小林
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-10-19
Filing date: 2005-10-19
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2025-10-19
Also published as: JP2007115492A

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、生成される水を除去する機能を備えた燃料電池システム及びその制御方法に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギー源とした燃料電池システムが注目されている。この種の燃料電池システムでは、電気化学反応により水が生成されるため、燃料電池の内部状態に応じた量のパージガスを送り込んで生成された水を排出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−７１３０７号公報

上記技術により、システムの運転時においては水分を排出することができるが、運転停止後においては水分が完全に除去仕切れずに残留することがある。特に、温度が低い場合は、ガスの飽和水蒸気量が小さくガスパージでは水分を十分に取りきることができず、このため、低温環境下では残留した水分が凍結し、ガス流路におけるガスの流れに影響し、発電効率が低下する恐れがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、システムの運転停止後にも効率的に水分を除去して高い発電効率を得ることが可能な燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、複数のセルを積層させた燃料電池スタック内のガス流路に反応ガスを供給し、この反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、前記燃料電池スタックのセル積層方向の締付荷重を調節可能な圧力制御機構と、運転停止時に、前記圧力制御機構によって前記燃料電池スタックの締付荷重を調節しつつ前記ガス流路へ前記ガスを供給して掃気するガス供給処理を行う制御部と、を備える。

この燃料電池システムによれば、運転停止時にて燃料電池スタックの締付荷重を調節することにより、生成水をガス流路へ円滑に導き出しつつガス流路内に供給したガスによって水を円滑に排出させることができる。具体的には、運転停止時にて締付荷重を減少させることにより、セル内におけるセル構成要素間の接触面圧を低減させて排水性を向上させ、生成水の排出の円滑化を図ることができる。

これにより、運転停止後においても水分を効率的に除去することができ、低温環境下における残留水の凍結によるガス流路のガスの流れへの影響を抑え、その後の運転時における高い発電効率を確保することができる。

また、前記セルは、その構成要素に、拡散層と、一面側に形成されたガス流路溝を前記拡散層側に向けて配置されたセパレータとを含むことが望ましい。

これにより、運転停止時にて締付荷重を減少させることにより、セル内における拡散層（一のセル構成要素）とセパレータ（他のセル構成要素）間の接触面圧を低減させて拡散層の排水性を向上させ、生成水の排出の円滑化を図ることができる。

そして、前記制御部は、前記燃料電池スタックの状態に応じて前記圧力制御機構を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記燃料電池スタック内の水分の含有量に応じて前記圧力制御機構を制御することが好ましい。

また、前記制御部は、前記燃料電池スタックの温度に応じて前記圧力制御機構を制御することが好ましい。

さらに、前記制御部は、前記燃料電池スタックの状態に応じてガス供給処理の処理時間を求めることが望ましい。

本発明の燃料電池システムの制御方法は、複数のセルを積層させた燃料電池スタック内のガス流路に反応ガスを供給し、この反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池スタックの締付荷重を調節しつつ前記ガス流路へ前記ガスを供給して掃気するガス供給処理を行う。

この燃料電池システムの制御方法によれば、運転停止時にて燃料電池スタックの締付荷重を調節することにより、生成水をガス流路へ円滑に導き出しつつガス流路内に供給したガスによって水を円滑に排出させることができる。具体的には、運転停止時にて締付荷重を減少させることにより、セル内におけるセルの構成要素間の接触面圧を低減させて排水性を向上させ、生成水の排出の円滑化を図ることができる。

この場合、前記燃料電池スタックの状態に応じて前記燃料電池スタックの締付荷重を調節することが好ましい。

本発明によれば、運転停止時にて締付荷重を減少させ、セル内におけるセル構成要素間の接触面圧を低減させて排水性を向上させることにより、生成水をガス流路へ円滑に導き出しつつこの生成水を円滑に排出させることができ、その後の運転時における高い発電効率を確保することができる。

以下、本発明に係る燃料電池システム及びその制御方法の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、燃料電池システムの要部のシステム構成図を示すものである。図に示す燃料電池１０は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。

図に示すように、燃料電池システムは、燃料電池１０に燃料ガス（反応ガス）である水素ガスを供給する水素供給配管１１、燃料電池１０から排出された水素オフガスを案内する水素循環配管１２、酸化ガス（反応ガス）としての空気を供給する空気供給配管１３および燃料電池１０から排出され空気オフガスを外部に排出する空気排出配管１４と、燃料電池１０を冷却するための図示略の冷却系配管を備えて構成されている。

空気供給配管１３には、エアクリーナ２１が設けられており、このエアクリーナ２１と燃料電池１０との間位置にエアコンプレッサ２２が設けられている。これにより、エアコンプレッサ２２が駆動されると、空気供給配管１３は、外気を吸い込みエアクリーナ２１でダスト等を捕捉した後に燃料電池１０に導入する。

燃料ガスとしての水素ガスは、図示しない水素供給源から開閉制御弁２３を介して水素供給配管１１に送り込まれ、燃料電池１０に供給される。そして、燃料電池１０で消費されなかった水素ガスは水素オフガスとして水素循環配管１２に排出され、水素供給配管１１に戻されて再利用される。

水素循環配管１２には、水素オフガスから水分を回収する気液分離器２４、水素オフガスを加圧する水素ポンプ２５及び水素供給配管１１からの水素ガスの水素循環配管１２側への逆流を防止する逆止弁２６が設けられている。また、水素循環配管１２には、排出制御弁２７を有するパージ流路２８が接続されており、水素ガスの不純物濃度の増加を抑えるべく間欠的に排出制御弁２７が開かれ、水素循環配管１２内の水素オフガスが外部に排出される。

燃料電池１０は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電するセルを所要数積層してなる複数の燃料電池スタック３１を有しており、これら燃料電池スタック３１には、その一端側に端板３２が設けられている。また、これら燃料電池スタック３１の他端側には、それぞれの燃料電池スタック３１を構成するセルの積層方向へ締付荷重（スラスト方向の荷重）を付与するとともに、その荷重を調整するアクチュエータ（圧力制御機構）３３が設けられている。

燃料電池スタック３１は、図２に示すように、導電性を有しガス不透過の材料からなるセパレータ４１と、一対のセパレータ４１で挟み込まれたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）４２とから構成されるセルを複数積層したスタック構造を備えている。水素ガス、空気、冷却水の流路を有する

ＭＥＡ４２は、電解質膜４３及びその両面に配置した一対の電極４４からなり、電極４４は、電解質膜４３側から触媒層４４ａ及び拡散層４４ｂを積層した構造とされている。

触媒層は４４ａ、電解質膜４３に隣接配置され、例えば、固体電解質と、炭素粒子と、その炭素粒子に担持された触媒とを備えている。触媒としては、例えば、白金又は白金合金等が好適に用いられる。一方、拡散層４４ｂは、流体（燃料ガス、酸化ガス、生成水）を通過させる機能と、触媒層４４ａ及びセパレータ４１を導通させる機能とを有する導電体である。

つまり、燃料電池スタック３１を構成するセルは、ＭＥＡ４２を構成する電解質膜４３，触媒層４４ａ及び拡散層４４ｂと、一面側に形成されたガス流路溝（燃料ガス流路、酸化ガス流路）をＭＥＡ４２の拡散層４４ｂ側に向けて配置されたセパレータ４１を構成要素として構成されている。

この燃料電池スタック３１には、ＭＥＡ４２を介した両面側に、拡散層４４ｂとセパレータ４１とによって区画されたガス流路４５が形成されており、このガス流路４５に燃料ガスである水素ガス及び酸化ガスとして空気が流され、水素ガスと空気中の酸素とがＭＥＡ４２を介して電気化学反応することにより発電する。

上記構造の燃料電池システムは、制御部５１を備えている。この制御部５１は、エアコンプレッサ２２、開閉制御弁２３、排出制御弁２７、水素ポンプ２５及びアクチュエータ３３に接続されており、これらの駆動を制御する。また、燃料電池１０には、燃料電池スタック３１内の冷却水の温度を検出する温度センサ５２が設けられており、この温度センサ５２は、制御部５１に接続され、検出信号を制御部５１に送信する。

そして、この燃料電池システムでは、温度センサ５２からの検出信号に基づいて、燃料電池スタック３１内に残留した水の排出動作を行う。

次に、この制御部５１による水の排出動作について図３のフローチャートに沿って説明する。

運転者によってイグニッションスイッチがオフされて、燃料電池システムに運転停止が指令されると（ステップＳ０１）、制御部５１は、温度センサ５２からの検出信号に基づいて、燃料電池スタック３１のスタック温度ｔを求める。

そして、制御部５１は、求めた燃料電池スタック３１のスタック温度ｔが、所定の閾値以下である場合に（ステップＳ０２：ＹＥＳ）、燃料電池スタック３１の締付荷重であるスタッキング圧Ｐの決定処理を行う（ステップＳ０３）。

このスタッキング圧Ｐの決定処理では、制御部５１は、例えば図４に示すように、予め求められているスタック温度ｔとスタッキング圧Ｐとを関係付けたマップデータより、求めたスタック温度ｔに対応したスタッキング圧Ｐを割り出す。

また、制御部５１は、例えば図５に示すように、水素側及び酸素側の両者にてそれぞれ予め求められているスタック温度ｔとパージガスの流量Ｑとを関係付けたマップデータより、求めたスタック温度ｔに対応したガス流量Ｑを決定する。

さらに、制御部５１は、例えば図６に示すように、決定したパージガス流量Ｑによる掃気時間Ｔを、予め求められているスタック温度ｔと掃気時間Ｔとを関係付けたマップデータより、掃気時間Ｔを決定する。

次に、制御部５１は、アクチュエータ３３へ制御信号を出力し、燃料電池スタック３１におけるスタッキング圧を、スタック温度ｔに基づいてマップデータより求めたスタッキング圧Ｐに変更する（ステップＳ０４）。

このように、燃料電池スタック３１の締付荷重が通常よりも低いスタッキング圧Ｐとされると、セルにおける構成要素同士の接触面圧が低減され、図７に示すように、セパレータ４１によって圧縮されていた拡散層４４ｂは、図８に示すように、圧縮状態が弱められる。

これにより、セパレータ４１からの圧縮によって水分の拡散性が低下していた拡散層４４ｂは、当該セパレータ４１からの圧縮が弱められることにより排水性が高められ、より円滑に生成水がガス流路４５に送り出される。

また、制御部５１は、エアコンプレッサ２２、水素ポンプ２５、開閉制御弁２３及び排出制御弁２７を制御し、スタック温度ｔに基づいてマップデータより求めたパージガス流量Ｑにて、燃料電池スタック３１内に空気及び水素ガスを流して掃気するガス供給処理を含む停止処理を開始する（ステップＳ０４）。

このようにすると、燃料電池スタック３１のガス流路４５内に流出した生成水が空気及び水素ガスによって燃料電池スタック３１から流されて排出される。

そして、制御部５１は、停止処理を開始してから、スタック温度ｔに基づいてマップデータより求めた所定の掃気時間Ｔの経過後（ステップＳ０５：ＹＥＳ）、エアコンプレッサ２２、水素ポンプ２５、開閉制御弁２３及び排出制御弁２７を制御して空気及び水素ガスによって生成水を排出させる停止処理を終了し、さらに、アクチュエータ３３を制御して燃料電池スタック３１におけるスタッキング圧Ｐを、運転時における所定の圧力に復帰させる（ステップＳ０６）。

このように、上記実施形態に係る燃料電池システム及びその制御方法によれば、運転停止時にて燃料電池スタック３１の締付荷重を調節することにより、生成水をガス流路４５へ円滑に導き出しつつガス流路４５内に供給したガスによって水を円滑に排出させることができる。

具体的には、運転停止時にて締付荷重を減少させることにより、セル内におけるセルの構成要素である拡散層４４ｂとセパレータ４１との接触面圧を低減させて拡散層４４ｂの排水性を向上させ、生成水の排出の円滑化を図ることができる。

これにより、運転停止後においても水分を効率的に除去することができ、低温環境下における残留水の凍結によるガス流路４５のガスの流れへの影響を抑え、その後の運転時における高い発電効率を確保することができる。

なお、上記実施形態では、燃料電池スタック３１に設けた温度センサ５２からの検出信号に基づいて制御部５１が燃料電池スタック３１の温度を求め、アクチュエータ３３を制御したが、このアクチュエータ３３の制御のパラメータとなる燃料電池スタック３１の状態としては、燃料電池スタック３１の温度に限定されない。

例えば、燃料電池スタック３１に露点計を設け、この露点計によってガス流路４５内における水分の含有量を検出し、この水分の含有量をパラメータとしてアクチュエータ３３を制御しても良い。

なお、上記実施形態における水の排出動作は、イグニッションスイッチのオフによる運転停止時以外にも、通常運転時にて行われる燃料電池システムの間欠運転での運転停止時にも行えることは勿論である。ここで、間欠運転とは、例えばアイドリング時、低速走行時、又は回生制動時等の低負荷運転時に燃料電池の発電を一時休止し、バッテリやキャパシタ等の蓄電手段から負荷（車両モータおよび補機類等）への電力供給を行う運転モードをいう。

本実施形態に係る燃料電池システムを示すシステム構成図である。燃料電池スタックの構造を説明する概略断面図である。水の排出動作について説明するフローチャートである。水の排出動作にて用いられるマップデータを示すグラフ図である。水の排出動作にて用いられるマップデータを示すグラフ図である。水の排出動作にて用いられるマップデータを示すグラフ図である。燃料電池スタックにおけるセルの状態を示す断面図である。燃料電池スタックにおけるセルの状態を示す断面図である。

符号の説明

３１…燃料電池スタック、３３…アクチュエータ（圧力制御機構）、４１…セパレータ（セル構成要素）、４２…ＭＥＡ（セル構成要素）、４３…電解質膜（セル構成要素）、４４…電極（セル構成要素）、４４ａ…触媒層（セル構成要素）、４４ｂ…拡散層（セル構成要素）、４５…ガス流路、５１…制御部、５２…温度センサ。

Claims

複数のセルを積層させた燃料電池スタック内のガス流路に反応ガスを供給し、この反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池スタックのセル積層方向の締付荷重を調節可能な圧力制御機構と、
運転停止時に、前記圧力制御機構によって前記燃料電池スタックの締付荷重を通常運転時の締付荷重よりも減少させて前記セル内の構成要素間の接触面圧を低減させつつ前記ガス流路へ前記ガスを供給して掃気するガス供給処理を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記運転停止時の前記燃料電池スタックの状態に応じて前記ガス供給処理の処理時間を求め、前記運転停止時の前記燃料電池スタック内の水分の含有量に応じて前記圧力制御機構を制御する、燃料電池システム。
前記セルは、前記構成要素に、拡散層と、一面側に形成されたガス流路溝を前記拡散層側に向けて配置されたセパレータとを含む請求項１に記載の燃料電池システム。
複数のセルを積層させた燃料電池スタック内のガス流路に反応ガスを供給し、この反応ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池システムの制御方法であって、
運転停止時に、前記燃料電池スタックの締付荷重を通常運転時の締付荷重よりも減少させて前記セル内の構成要素間の接触面圧を低減させつつ前記ガス流路へ前記ガスを供給して掃気するガス供給処理を行い、前記ガス供給処理は、前記運転停止時の前記燃料電池スタックの状態に応じて求めたガス供給処理の処理時間にわたって実施され、前記運転停止時の前記燃料電池スタック内の水分の含有量に応じて前記燃料電池スタックの締付荷重を調整する、燃料電池システムの制御方法。