JP4852854B2

JP4852854B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4852854B2
Application number: JP2005062218A
Authority: JP
Inventors: 雄一郎田渕
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2012-01-11
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: US20080131741A1; WO2006095242A3; CA2597570A1; WO2006095242A8; US8080342B2; JP2006244952A; EP1869722A2; WO2006095242A2; CA2597570C; EP1869722B1

Description

本発明は、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関する。

従来より、水詰まりによってセル電圧が最も低下しやすい燃料電池の水素出口近傍又は空気出口近傍の少なくとも一箇所に電圧検出装置を設け、この電圧検出装置により検出されたセル電圧が所定電圧以下であるか否かを判別することにより、燃料電池の水詰まりを検出する燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。
特開２００２−３１３３９６号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムは、燃料電池の水素出口近傍又は空気出口近傍の少なくとも一箇所に設けられた電圧検出装置によって燃料電池の水詰まりを検出する構成になっているために、燃料電池の燃料極（アノード）側又は酸化剤極（カソード）側のどちらにおいて水詰まりが発生したのかを正確に判断することができない。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池の燃料極側又は酸化剤極側のどちらにおいて水詰まりが発生したのかを正確に判断することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、各燃料電池の燃料ガス出口及び酸化剤ガス出口に設けられ、燃料電池の出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記セル電圧検出手段の検出結果に基づいて、各燃料電池の水詰まり又は燃料電池を構成する固体電解質膜の乾燥状態を検出する制御手段とを備え、前記燃料ガス及び酸化剤ガスは、各燃料電池の両面側においてそれぞれ互いに対向する方向に流れることにより供給され、前記制御手段は、燃料電池の出力電圧が所定電圧以下である場合、酸化剤ガス出口側の電位と燃料ガス出口側の電位との差分を検出し、酸化剤ガス出口側の電位より燃料ガス出口側の電位が低い場合、燃料極側の水詰まりと判断し、燃料ガス出口側の電位より酸化剤ガス出口側の電位が低い場合には、酸化剤極側の水詰まりと判断すると、前記セル電圧検出手段の検出結果に基づいて、各燃料電池の水詰まり又は燃料電池を構成する固体電解質膜の乾燥状態を検出する制御手段とを備え、前記燃料ガス及び酸化剤ガスは、各燃料電池の両面側においてそれぞれ対向する方向に流れることにより供給され、前記制御手段は、燃料電池の出力電圧が所定電圧以下である場合、酸化剤ガス出口側の電位と燃料ガス出口側の電位との差分を検出し、酸化剤ガス出口側の電位より燃料ガス出口側の電位が低い場合、燃料極側の水詰まりと判断し、燃料ガス出口側の電位より酸化剤ガス出口側の電位が低い場合には、酸化剤極側の水詰まりと判断する。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料ガス出口及び酸化剤ガス出口の両方に燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段を有するので、燃料電池の燃料極側又は酸化剤極側のどちらにおいて水詰まりが発生したのかを正確に判断することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システムは、車両に搭載され、図１に示すように、燃料極（アノード）及び酸化剤極（カソード）にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスとしての水素及び空気の供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタック１を備える。なお、この実施形態では、燃料電池は、燃料極及び酸化剤極により固体電解質膜を挟持する固体高分子型燃料電池により構成され、燃料極及び酸化剤極における電気化学反応及び燃料電池スタック１全体としての電気化学反応は以下に示す式（１）〜（３）による。

〔化１〕
〔燃料極〕Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔酸化剤極〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
また、上記燃料電池スタック１は、図２に示すように、燃料電池２を挟持し、燃料極及び酸化剤極にそれぞれ水素及び空気を供給するセパレータ３ａ，３ｂのガス出口部分にセル電圧計測端子４ａ，４ｂを備え、セル電圧計測端子４ａ，４ｂは図１に示す電圧検出装置５に接続されている。そして、電圧検出装置５は、セル電圧計測端子４ａ，４ｂを介して、燃料電池２の水素出口側電圧，空気出口側電圧，セル面内電位（水素出口側電圧と空気出口側電圧の差分），及び燃料電池スタック１の総電圧を検出する。

また、この燃料電池システムでは、水素供給装置６及び空気供給装置７がそれぞれ水素及び空気を燃料電池スタック１に供給すると共に、燃料電池スタック１は加湿装置８によって発電に適した加湿状態に保持される。また、水素供給装置６及び空気供給装置７が燃料電池スタック１に供給するガスの圧力は調圧装置９によって調整されると共に、燃料電池スタック１の運転温度は温調装置１０によって制御される。

また、この燃料電池システムでは、制御システム１１が燃料電池システム全体の動作を制御する。具体的には、制御システム１１は、電圧検出装置５の検出結果に基づいて、水素供給装置６，空気供給装置７，加湿装置８，調圧装置９，及び温調装置１０の動作を制御する。また、制御システム１１は、燃料電池スタック１が発電した直流電源を交流電源に変換するインバータ１２を制御することにより、車両を駆動するモータ１３の駆動電流を制御する。また、制御システム１１は、車両に搭載されている二次電池１４の充放電を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ１５の動作を制御する。

そして、このような構成を有する燃料電池システムでは、制御システム１１が以下に示す駆動制御処理を実施することにより、燃料電池２の燃料極側又は酸化剤極側のどちらにおいて水詰まりが発生したのかを正確に判断する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、この駆動制御処理を実行する際の制御システム１１の動作について説明する。

〔駆動制御処理〕
図３に示すフローチャートは、制御システム１１が、アクセル開度等の情報に基づいて設定された水素流量，空気流量，電流，作動圧力，作動温度に従って燃料電池スタック１の発電を開始するのに応じて開始となり、駆動制御処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、制御システム１１が、電圧検出装置５を介して燃料電池スタック１を構成する各燃料電池２の出力電圧（セル電圧）を検出する。これにより、このステップＳ１の処理は完了し、この制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、制御システム１１が、セル電圧が所定電圧以下の燃料電池２があるか否かを判別する。そして、判別の結果、セル電圧が所定電圧以下の燃料電池２がない場合、制御システム１１はこの制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、セル電圧が所定電圧以下の燃料電池２がある場合には、制御システム１１はこの制御処理をステップＳ３の処理に進める。

ステップＳ３の処理では、制御システム１１が、電圧検出装置５を介してセル電圧が所定電圧以下の燃料電池２の水素出口側電圧を検出し、水素出口側電圧が所定電圧以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、水素出口側電圧が所定電圧以下でない場合、制御システム１１は、この制御処理をステップＳ５の処理に進める。一方、水素出口側電圧が所定電圧以下である場合には、制御システム１１は、燃料極側で水詰まりが発生していると判断し、ステップＳ４の処理として水素供給装置６を制御して水素流量を増加させることにより水素出口側電圧が所定電圧以上になるように制御した後、この制御処理をステップＳ５の処理に進める。なお、制御システム１１は、セル面内電位を検出し、燃料電池２の水素側出口の電位が空気側出口の電位よりも低い場合、燃料極側で水詰まりが発生していると判断するようにしてもよい。

ステップＳ５の処理では、制御システム１１が、電圧検出装置５を介してセル電圧が所定電圧以下の燃料電池２の空気出口側電圧を検出し、空気出口側電圧が所定電圧以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、空気出口側電圧が所定電圧以下でない場合、制御システム１１はこの制御処理をステップＳ７の処理に進める。一方、空気出口側電圧が所定電圧以下である場合には、制御システム１１は、酸化剤極側で水詰まりが発生していると判断し、ステップＳ６の処理として空気供給装置７を制御して空気流量を増加させることにより空気出口側電圧が所定電圧以上になるように制御した後、この制御処理をステップＳ７の処理に進める。

なお、制御システム１１は、セル面内電位を検出し、空気側出口の電位が水素側出口の電位よりも低い場合、酸化剤極側で水詰まりが発生していると判断するようにしてもよい。また、上記ステップＳ４，Ｓ５の処理において、所定電圧を境にして脈動する電圧降下が検出された場合、制御システム１１は、調圧装置９を制御することにより燃料電池スタック１の作動圧力を下げる（大気圧にする）、又は、温調装置１０を制御することにより燃料電池スタック１の作動温度を上昇させることにより、セル電圧を安定させることが望ましい。

ステップＳ７の処理では、制御システム１１が、燃料電池スタック１の総電圧が時間経過と共に所定電圧以下になったか否かを判別する。そして、判別の結果、総電圧が所定電圧以下でない場合、制御システム１１は、この制御処理をステップＳ１の処理に戻す。一方、総電圧が所定電圧以下である場合には、制御システム１１は、燃料電池２を構成する固体電解質膜が乾燥状態にあると判断し、この制御処理をステップＳ８の処理に進める。

ステップＳ８の処理では、制御システム１１が、空気供給装置７を制御することにより空気流量を下げる、加湿装置８を制御することにより燃料電池２のガス入口側の相対湿度を上げる、温調装置１０を制御することにより燃料電池スタック１の作動温度を下げる、又は、調圧装置９を制御することにより燃料電池スタック１の作動圧力を上げることにより、総電圧が所定電圧以上になるように制御する。なお、これにより、このステップＳ８の処理は完了し、この制御処理はステップＳ１の処理に戻る。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、各燃料電池の水素出口及び空気出口にセル電圧計測端子４ａ，４ｂが設けられ、電圧検出装置５が、セル電圧計測端子４ａ，４ｂを介して、燃料電池２の水素出口側電圧，空気出口側電圧，セル面内電位，及び燃料電池スタック１の総電圧を検出するので、燃料電池２の燃料極側又は酸化剤極側のどちらにおいて水詰まりが発生したのかを正確に判断することができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、制御システム１１が、電圧検出装置５の検出結果に基づいて、各燃料電池の水詰まり又は燃料電池を構成する固体電解質膜の乾燥状態を検出するので、速やかに復帰処理を実行すると共に、固体電解質膜の劣化を最小限に抑えることにより、安定した出力性能を発揮することができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、セル電圧が所定電圧以下である場合、制御システム１１が、セル電圧が所定電圧以下である箇所が水素出口又は空気出口のどちらであるかを判別することにより、燃料極側又は酸化剤極側の水詰まりを検出するので、より速く、且つ、正確に燃料電池２の燃料極側又は酸化剤極側のどちらにおいて水詰まりが発生したのかを判断することができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、セル電圧が所定電圧以下である場合、制御システム１１が、燃料電池の面内電位を検出し、空気出口側の電位より水素出口側の電位が低い場合、燃料極側の水詰まりと判断し、水素出口側の電位より空気出口側の電位が低い場合には、酸化剤極側の水詰まりと判断するので、より速く、且つ、正確に燃料電池２の燃料極側又は酸化剤極側のどちらにおいて水詰まりが発生したのかを判断することができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、制御システム１１が、水詰まりが生じている極に供給するガス流量を増大させることにより、燃料電池のセル電圧を所定電圧以上に制御するので、より早く、且つ、正確にセル電圧を復帰，安定化させることができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、制御システム１１が、所定電圧を境としてセル電圧が脈動する燃料電池がある場合、燃料電池の作動圧力を低下させる又は作動温度を上昇させることにより、燃料電池の出力電圧を増加させるので、より早く、且つ、正確にセル電圧を復帰，安定化させることができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、制御システム１１が、燃料電池スタック１の出力電圧が時間経過と共に減少している場合、燃料電池を構成する固体電解質膜が乾燥状態にあると判断するので、水詰まりと共に、固体電解質膜の乾燥状態も同時に検出することができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システムによれば、制御システム１１が、燃料電池の作動温度を下げる、燃料電池の燃料極側及び酸化剤極側に供給するガスの少なくとも一方を減らす、燃料電池の作動圧力を上げる、又は燃料電池の空気極側の相対湿度を上げることにより、固体電解質膜が乾燥状態にある燃料電池の出力電圧を増加させるので、水詰まりと同時に、固体電解質膜の乾燥状態も解消することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明の実施形態となる燃料電池の構成を示す模式図である。本発明の実施形態となる駆動制御処理の流れを示すフローチャート図である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
２：燃料電池
３ａ，３ｂ：セパレータ
４ａ，４ｂ：セル電圧計測端子
５：電圧検出装置
６：水素供給装置
７：空気供給装置
８：加湿装置
９：調圧装置
１０：温調装置
１１：制御システム
１２：インバータ
１３：モータ
１４：二次電池
１５：ＤＣ／ＤＣコンバータ

Claims

燃料極及び酸化剤極にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池が複数積層された燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、
各燃料電池の燃料ガス出口及び酸化剤ガス出口に設けられ、燃料電池の出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記セル電圧検出手段の検出結果に基づいて、各燃料電池の水詰まり又は燃料電池を構成する固体電解質膜の乾燥状態を検出する制御手段とを備え、
前記燃料ガス及び酸化剤ガスは、各燃料電池の両面側においてそれぞれ対向する方向に流れることにより供給され、
前記制御手段は、燃料電池の出力電圧が所定電圧以下である場合、酸化剤ガス出口側の電位と燃料ガス出口側の電位との差分を検出し、酸化剤ガス出口側の電位より燃料ガス出口側の電位が低い場合、燃料極側の水詰まりと判断し、燃料ガス出口側の電位より酸化剤ガス出口側の電位が低い場合には、酸化剤極側の水詰まりと判断することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、水詰まりが生じている極に供給するガス流量を増大させることにより、燃料電池の出力電圧を所定電圧以上に制御することを特徴とする燃料電池システム。
請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、所定電圧を境として出力電圧が脈動する燃料電池がある場合、当該燃料電池の作動圧力を低下させる又は作動温度を上昇させることにより、燃料電池の出力電圧を安定させることを特徴とする燃料電池システム。
請求項１乃至請求項３のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記燃料電池スタックの出力電圧が時間経過と共に減少している場合、燃料電池を構成する固体電解質膜が乾燥状態にあると判断することを特徴とする燃料電池システム。
請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記制御手段は、燃料電池の作動温度を下げる、燃料電池の燃料極側及び酸化剤極側に供給するガスの少なくとも一方を減らす、燃料電池の作動圧力を上げる、又は燃料電池の空気極側の相対湿度を上げることにより、固体電解質膜が乾燥状態にある燃料電池の出力電圧を増加させることを特徴とする燃料電池システム。