[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP5164014B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよびその制御方法 Download PDF

Info

Publication number
JP5164014B2
JP5164014B2 JP2006089023A JP2006089023A JP5164014B2 JP 5164014 B2 JP5164014 B2 JP 5164014B2 JP 2006089023 A JP2006089023 A JP 2006089023A JP 2006089023 A JP2006089023 A JP 2006089023A JP 5164014 B2 JP5164014 B2 JP 5164014B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
hydrogen
fuel
gas supply
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2006089023A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2007265786A (ja
JP2007265786A5 (ja
Inventor
信行 折橋
昌広 竹下
浩之 弓矢
隆士 山本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2006089023A priority Critical patent/JP5164014B2/ja
Priority to PCT/JP2007/057002 priority patent/WO2007116814A1/ja
Priority to US12/293,466 priority patent/US8916306B2/en
Priority to DE112007000681.1T priority patent/DE112007000681B4/de
Priority to CN200780011843XA priority patent/CN101416339B/zh
Publication of JP2007265786A publication Critical patent/JP2007265786A/ja
Publication of JP2007265786A5 publication Critical patent/JP2007265786A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5164014B2 publication Critical patent/JP5164014B2/ja
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04238—Depolarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04388—Pressure; Ambient pressure; Flow of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438—Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395—Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2457—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with both reactants being gaseous or vaporised
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04328—Temperature; Ambient temperature of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04335—Temperature; Ambient temperature of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムの運転技術の改良に関する。
従来、燃料電池システムを放置状態にしておく場合には、燃料電池の運転を停止させておく場合がある。また、燃料電池の発電効率が低い状態の時には当該燃料電池による発電を停止させることもある。そして、このようにシステムを放置状態にしている間においては、水素圧力が所定値以下になった場合に水素を供給するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１７２０２８号公報
しかしながら、燃料電池システムを放置した状態にしておくと例えばカソード側触媒における担持カーボンが酸化されることがある。また、これによってセル電圧が恒常的に低下する等の発電性能の低下に至ることもある。さらには、過剰な水素が供給されてしまっている場合もある。
そこで、本発明は、システム放置時において、カソード側触媒における担持カーボンが酸化されて発電性能が低下するに至るのを抑制し、さらには過剰な水素の消費をも抑制できるようにした燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。システムの運転停止中は、カソード出口側から空気が吸い込まれる等して燃料電池の内部に入り込み、当該空気がカソード側からアノード側へと拡散することがある。そうすると、当該空気中の酸素が電気化学反応に関わる結果、停止状態にあるにもかかわらず電圧が生じ（本明細書ではこれを異常電位という）、そのことが担持カーボンの酸化に関与する。本発明者は、このようなメカニズムによって発電性能の低下が引き起こされているものと考え、かかるメカニズムに着目してさらに検討を重ねた結果、先述の課題を解決しうる技術を知見するに至った。
本発明はかかる知見に基づくものであり、燃料電池に対する燃料ガス給排系および酸化ガス給排系における水素および酸素のモル量を算出する算出手段を有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の停止時、前記燃料ガス中および前記酸化ガス中の化学反応可能な水素と酸素のモル比が２またはそれ以上になるように制御する制御手段を有することを特徴とするものである。
上述のごとき検討から得られた知見からすれば、燃料電池中の担持カーボンが酸化してしまうのを極力防止するためには、必要時以外において水素と酸素が電気化学反応を起こすのを極力防止することが肝要だといえる。この点、水素と酸素とが燃料電池にて電気化学反応を起こすときの反応は、アノード側、カソード側ではそれぞれ
[化１]
２Ｈ2 → ４Ｈ+＋４ｅ-
[化２]
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ- → ２Ｈ2Ｏ
であるから、燃料電池における全反応は
[化３]
２Ｈ2＋Ｏ2 → ２Ｈ2Ｏ
と表すことができる。つまり、このような理論式に基づけば水素と酸素はモル比２：１の割合で反応するということになるから、これをひとつの目安とし、本発明では燃料ガス中および酸化ガス中の化学反応可能な水素と酸素のモル比が２またはそれ以上になるように制御する。こうした場合、化学反応可能な領域中では酸素よりも水素の方が潤沢に存在するいわば水素リッチな状態となるから、酸素が一定量を超えてまで消費されることはない状態を形成することができる。例えば、上記のモル比が一定値以上となるように水素を供給して水素の圧力（分圧）を高めるようにすれば通常状態よりも水素が潤沢な状態とすることができる。このように制御を行うようにした本発明によれば、水素リッチな条件にすることで電極触媒の酸化を抑制することができるとともに、運転停止時における水素と酸素のモル比を正確に計算して調節することで、過剰な水素の消費を抑制することができる。
かかる燃料電池システムにおいては、前記燃料電池におけるセル電圧の大きさに応じ、前記モル比が維持されるように前記水素を供給することが好ましい。システム放置時に異常電位が生じないようにし、これによってカーボン酸化と恒常的な発電性能低下を抑制するというのが本発明の目的であるから、このように当該セルの電圧をモニタし、その大きさに応じて制御することは手段として好適である。また、本発明ではモル比を維持するために水素を供給し、水素が潤沢な状態とする。
本発明において、前記算出手段は、前記燃料ガス給排系および前記酸化ガス給排系におけるガス流路の所定区間の容積と、前記水素または酸素の圧力とから算出するものである。この算出手段によれば、これらから燃料ガス給排系および酸化ガス給排系における水素および酸素のモル量を算出し、かかる算出結果に基づいて水素と酸素のモル比を制御することができる。
また、本発明にかかる燃料電池システムにおいて、前記酸化ガス給排系におけるガス流路に当該酸化ガスを前記ガス流路内に封止するための入口バルブおよび出口バルブが設けられていることが好ましい。さらに本発明では、前記燃料ガス給排系におけるガス流路に当該燃料ガスの供給バルブを設けることとしている。当該バルブを利用すれば、例えば酸化ガス給排系の出口側から酸化ガス（代表例として空気）が燃料電池へと流れ込むのを極力抑えることが可能となるから、当該酸化ガスがカソード側からアノード側へと拡散して酸素が電気化学反応に関わるのを抑えることができるようになる。これによれば、燃料電池の運転停止中（発電停止中）において異常電位が生じるのを抑制することが可能である。
さらに、上述のごとくバルブが設けられている場合、前記算出手段は、前記バルブと前記燃料電池との間に位置する前記ガス流路の所定区間の容積と、前記水素または酸素の圧力とから算出するものとすることができる。当該バルブによってガスが所定の流路内に封止されている状態においては、既知の値（区切られた所定区間の容積）に基づいて水素および酸素のモル量を算出することができる。また、燃料電池からみて直近のバルブで区切られた区間を対象とすれば当該対象区間の容積が最小になるから、水素や酸素のモル量を比較的精度よく算出しうるという点で好ましい。
また、当該燃料電池の停止時間に応じて前記水素を供給することも好ましい。外部からの空気流入を完全に抑えでもしない限り酸素が電気化学反応を起こすのを完全に防止することは難しい。この点、当該停止時間をひとつのパラメータとして扱い、モル比が所定値以上となるように例えば定期的に制御することによって異常電位が生じるのを抑制することも可能である。
さらに、本発明にかかる燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に対する燃料ガス給排系および酸化ガス給排系における水素および酸素のモル量を算出し、当該燃料電池の停止時における前記燃料ガス中および前記酸化ガス中の化学反応可能な水素と酸素のモル比が２またはそれ以上になるように制御するというものである。
本発明によれば、システム放置時にカソード側触媒における担持カーボンが酸化されて発電性能が低下するに至るのを抑制することができるようになる。また、過剰な水素消費をも抑制することができる。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１は、燃料電池２と、該燃料電池２に対する燃料ガス給排系および酸化ガス給排系と、これら燃料ガス給排系および酸化ガス給排系における水素および酸素のモル量を算出する算出手段と、燃料電池２の停止時、燃料ガス中および酸化ガス中の化学反応可能な水素と酸素のモル比が２またはそれ以上になるように制御する制御手段（以下、制御部ともいう）７と、を有しているものである。そして、これにより、システム放置時にカソード側触媒における担持カーボンが酸化されて発電性能が低下するに至る、という現象を抑制することとしている。
以下においては、まず燃料電池システム１の全体構成について説明し、その後、担持カーボン酸化や発電性能低下を抑制するための上述のような構成について説明することとする。
図１に本実施形態における燃料電池システム１の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１は、燃料電池２と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池２に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４と、燃料電池２に冷媒を供給して燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単セルを積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる供給路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排出路１２と、を有している。供給路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排出路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１４は、モータ１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。
燃料ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる供給路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路２２の合流点Ａに戻すための循環路２３と、循環路２３内の水素オフガスを供給路２２に圧送するポンプ２４と、循環路２３に分岐接続された排出路２５と、を有している。
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源２１の元弁２６を開くと、供給路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。
供給路２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁２８が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ２４は、モータ２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
排出路２５には、遮断弁であるパージ弁３３が設けられている。パージ弁３３が燃料電池システム１の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁３３の開弁により、循環路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。
冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、ラジエータ４３をバイパスするバイパス流路４４と、ラジエータ４３及びバイパス流路４４への冷却水の通流を設定する切替え弁４５と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ４２ａの駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。
電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、及び各種の補機インバータ６５，６６，６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。
補機インバータ６５，６６，６７は、それぞれ、対応するモータ１４ａ，２４ａ，４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ６５，６６，６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１４ａ，２４ａ，４２ａに供給する。補機インバータ６５，６６，６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１４ａ，２４ａ，４２ａで発生する回転トルクを制御する。
制御部７は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述するポンプ２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御部７は、ガス系統（３，４）や冷媒系統５に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。
続いて、本実施形態において、担持カーボン酸化や発電性能低下を抑制するための燃料電池システム１の構成ないしは機能について説明する（図２等参照）。
上述したように、この燃料電池システム１は、システム放置時（燃料電池２の運転停止時）、カソード側触媒における担持カーボンが酸化されて発電性能が低下するに至る、という現象を抑制することとしている。そして、これを実現するために、燃料ガス配管系４および酸化ガス配管系３における水素および酸素のモル量を算出し、燃料電池２の停止時、燃料ガス中および酸化ガス中の化学反応可能な水素と酸素のモル比を制御することとしている。
燃料ガス配管系４および酸化ガス配管系３における水素および酸素のモル量を算出するための算出手段は、特に図示はしていないが、例えば、ガス圧力計、ガス分析計、温度センサ、水素センサなどによって構成される。また、計測された各パラメータ値に基づく計算は、例えば上述した制御部７で行うことができる。ちなみに、水素センサは水素に感応して光学的あるいは電気的物性変化を検出するもので、一般には半導体式、燃焼式、光学式、抵抗式のものが用いられる。
ここで、水素および酸素のモル量を算出する際の基本的な考え方について概略的に説明しておくと以下のとおりである。すなわち、例えば燃料ガス（水素）に関していえば、当該燃料ガスの圧力（分圧）をＰH2、容積をＶH2、温度をＴH2、気体定数をＲとすれば、状態方程式から、そのモル量ｎH2は
[化４]
ｎH2 ＝ ＰH2ＶH2／ＲＴH2
で求めることができる。同様に、酸化ガスに関していえば、当該酸化ガスの圧力（分圧）をＰo2、容積をＶo2、温度をＴo2、気体定数をＲとすれば、そのモル量ｎo2は
[化５]
ｎo2 ＝ Ｐo2Ｖo2／ＲＴo2
で求めることができる。
なお、以上の基本的な考え方は上述したとおり理論式（状態方程式）に基づくものであり、実際に適用する場合には他の要素も考慮して適宜修正を加えることが好ましい。例えば、空気に含まれている水蒸気に関しては、当該状態下での水蒸気圧を考慮する一手段として飽和水蒸気圧をいわば近似値として扱うことができる。また、本実施形態では以上の理論式に基づいてモル比を２またはそれ以上に制御するが、これはしきい値（目標値）の最小の目安が２であるということであり、状況に応じて２を超える値を設定し、担持カーボンの酸化や発電性能の低下を十分に抑制するためのマージンをとるようにすることもできる。
また、本実施形態では、燃料電池２におけるセル電圧の大きさに応じて燃料ガス（水素）を供給することとしている。そもそも、本実施形態においてはシステム放置時（燃料電池２の運転停止時）に異常電位が生じないようにし、これによって触媒のカーボン酸化と恒常的な発電性能低下を抑制することを目的にしているから、セルの電圧を実際にモニタし、その大きさに応じて燃料ガスを適宜供給することは異常電位を効果的に抑えることを可能にするという点で好ましい。また、単に燃料ガスを供給するような場合と比較して、セルの状況を踏まえて制御する本実施形態によれば燃料ガスの過剰な消費を抑制できるという点でも好ましい。
さらに、本実施形態では、酸化ガス配管系３の供給路１１およびに排出路１２にそれぞれ入口バルブ１７および出口バルブ１８を設け、酸化ガスをガス流路内の所定区間に封止できるようにしている（図２参照）。これによれば、システム放置時、これらバルブ１７，１８にて区切られた燃料電池２側の所定区間内に酸化ガスを封止しておくことができるし、また、例えば酸化ガス配管系３の出口側（排出路１２側）から酸化ガスが流れ込む（逆流する）のを極力抑えることもできるから、当該酸化ガスがカソード側からアノード側へと拡散して酸素が電気化学反応に関わるのを効果的に抑制することが可能である。
また、燃料ガス配管系４におけるガス流路には燃料ガスを供給するための供給バルブが設けられている。例えば本実施形態の場合であれば、上述した遮断弁２８（さらには調圧弁２７）をここでいう供給バルブとして用いている（図１、図２参照）。この場合であれば、当該供給バルブで区切られた燃料電池２側の所定区間の容積を化学式４におけるＶH2としてモル量算出時に用いることができる。
なお、図２に示しているように、本実施形態ではこれら入口バルブ１７、出口バルブ１８を燃料電池２に隣り合う位置に配置することとしている。この場合、さらに好ましくは、システム放置時において燃料ガスと酸化ガスとのモル比が２またはそれ以上となるようにこれら入口バルブ１７、出口バルブ１８を配置することである。例えば、入口バルブ１７と出口バルブ１８を燃料電池２の直近に配置すれば、酸化ガス側の所定区間容積がその分だけ小さくなるため、より大きな値のモル比にすることが可能となる。
ここまで説明した本実施形態の燃料電池システム１によれば、システム放置時、カソード側触媒における担持カーボンが酸化されて発電性能が低下するに至るのを抑制することが可能である（図３、図４参照。図中の電位差として示す１Ｖは一例）。すなわち、例えばカソード出口側から吸い込まれる等した酸化ガスが燃料電池２に入り込み、当該ガスがカソード側からアノード側へと拡散すると酸素が電気化学反応に関わり、システム放置時に異常電位が生じることがあるというのは先述のとおりだが（図４参照）、これに対し、本実施形態では、電気化学反応に供されるガスの存する領域内を水素リッチな状態とすることによって異常電位を抑制するようにしている（図３参照）。つまり、理論式に基づくモル比を目安とし、これを上回るように水素を供給することで、化学反応可能な領域中では酸素よりも水素の方が潤沢に存在するいわば水素リッチな状態を形成する。こうした場合、燃料電池２のアノード、カソードともに近傍に酸素がない（あるいは殆ど存在しない）状態とすることが可能となるから、化学反応が起こらないようにして異常電位を抑制することができる。この場合、状況に応じてはアノード、カソードとも水素雰囲気下にある状態となって両極が同電位となりうる。
また、上述したように燃料ガス（水素）を供給することにより、システム停止状況下で水素圧力を高めることが可能であり、以下のような利点もある。すなわち、例えば本実施形態では酸化ガス配管系３に入口バルブ１７、出口バルブ１８を設けているが（図２参照）、仮にこれらバルブ１７，１８から酸化ガス（空気）が漏れ入ってくるようなおそれがある場合にも、このように水素圧力を高めた状態としておけば当該空気の漏れを抑制することが可能だし、仮に漏れ入ったとしても、カソード側からアノード側へと拡散して酸素が電気化学反応に関わるのを抑えることが可能である。したがって、例えばシステム放置状態が長時間にわたるような状況下においても、入口バルブ１７や出口バルブ１８における漏れ量をある程度まで許容することが可能となる。換言すれば、上記のような状態をも見込んで燃料ガス（水素）をやや多目に供給することも好ましい。
しかも、本実施形態の燃料電池システム１によれば、過剰な燃料ガス（水素）の消費を抑制することも可能だという利点がある。すなわち、燃料ガス（水素）を過剰に供給した場合、燃費が低下したり、再始動時におけるカソードからの排出水素量が増加したりしてしまうが、本実施形態の燃料電池１においては、セル電圧の大きさに応じてモル比が維持されるように水素供給を行うから過剰な消費を抑制することも可能である。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態ではセル電圧をモニタし、その大きさに応じて燃料ガスを適宜供給するようにしたがこれは好適な一例に過ぎず、例えばセル電圧のモニタが難しい場合、あるいはシステム放置が長時間に及ぶような場合には、当該放置時間（燃料電池２の停止時間）に応じて水素を供給するという手段をとることも可能である。例示すれば、ある一定時間が経過するごとに一定量の水素を供給するといったものである。また、配管系にバルブ（入口バルブ１７、出口バルブ１８）等を備えていると外部からの空気流入を完全に抑えることが困難な場合があるが、このようにシステム停止時間をひとつのパラメータとして扱い、モル比が所定値以上となるように例えば定期的に制御することによって異常電位が生じるのを抑制することが可能である。また、水素を定期的に供給する場合にも当該水素の過剰な消費を抑えることが可能であるので燃費向上を図ることもできる。
本実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池システムにおける燃料電池の周辺部分の構成を示す図である。 本実施形態における燃料電池システムのセル電圧変動モデルの一例を示すグラフである。 従来の燃料電池システムにおけるセル電圧変動モデルの一例を示すグラフである。
符号の説明
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系（酸化ガス給排系）、４…燃料ガス配管系（燃料ガス給排系）、７…制御部（制御手段）、１７…入口バルブ、１８…出口バルブ、２８…遮断弁（供給バルブ）

Claims (3)

  1. 燃料電池、および該燃料電池に対する燃料ガス給排系および酸化ガス給排系を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記酸化ガス給排系におけるガス流路内に酸化ガスを封止することを目的として、当該ガス流路のうち酸化ガス供給路側に設けられている入口バルブおよび酸化ガス排出路側に設けられている出口バルブと、
    前記燃料ガス給排系のうち燃料ガス供給路側に設けられている当該燃料ガスの供給バルブと、
    前記燃料電池の運転停止時、前記燃料ガス給排系における前記燃料ガスのうち当該燃料電池において化学反応可能な水素と、前記入口バルブおよび前記出口バルブによって封止された前記ガス流路内の酸化ガス中の化学反応可能な酸素とのモル比が最小目安の２またはそれ以上になるように制御する制御手段と、
    前記燃料ガス給排系における化学反応可能な水素および前記酸化ガス給排系における化学反応可能な酸素のモル量を算出する算出手段と、
    を有し、
    前記燃料電池におけるセル電圧の大きさに応じて前記水素と酸素のモル比が最小目安の２またはそれ以上に維持されるように前記水素を供給し、前記燃料電池のアノードおよびカソードをともに水素雰囲気下にある状態とする
    燃料電池システム。
  2. 前記算出手段は、前記燃料電池を含む前記酸化ガス給排系および前記燃料ガス給排系におけるガス流路の所定区間の容積と、前記水素または酸素の圧力とから算出するものである請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記算出手段は、前記バルブと前記燃料電池との間に位置する前記ガス流路の所定区間の容積と、前記水素または酸素の圧力とから算出するものである請求項２に記載の燃料電池システム。
JP2006089023A 2006-03-28 2006-03-28 燃料電池システムおよびその制御方法 Expired - Fee Related JP5164014B2 (ja)

Priority Applications (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006089023A JP5164014B2 (ja) 2006-03-28 2006-03-28 燃料電池システムおよびその制御方法
PCT/JP2007/057002 WO2007116814A1 (ja) 2006-03-28 2007-03-23 燃料電池システムおよびその制御方法
US12/293,466 US8916306B2 (en) 2006-03-28 2007-03-23 Fuel cell system and control method thereof
DE112007000681.1T DE112007000681B4 (de) 2006-03-28 2007-03-23 Steuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem
CN200780011843XA CN101416339B (zh) 2006-03-28 2007-03-23 燃料电池系统及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2006089023A JP5164014B2 (ja) 2006-03-28 2006-03-28 燃料電池システムおよびその制御方法

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2007265786A JP2007265786A (ja) 2007-10-11
JP2007265786A5 JP2007265786A5 (ja) 2009-04-30
JP5164014B2 true JP5164014B2 (ja) 2013-03-13

Family

ID=38581108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2006089023A Expired - Fee Related JP5164014B2 (ja) 2006-03-28 2006-03-28 燃料電池システムおよびその制御方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US8916306B2 (ja)
JP (1) JP5164014B2 (ja)
CN (1) CN101416339B (ja)
DE (1) DE112007000681B4 (ja)
WO (1) WO2007116814A1 (ja)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5353558B2 (ja) * 2009-08-21 2013-11-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池スタック
US8232014B2 (en) * 2009-12-11 2012-07-31 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell operational methods for hydrogen addition after shutdown
JP5557579B2 (ja) * 2010-04-02 2014-07-23 本田技研工業株式会社 燃料電池システム
JP5605106B2 (ja) * 2010-09-13 2014-10-15 パナソニック株式会社 燃料電池発電装置
WO2018020675A1 (ja) * 2016-07-29 2018-02-01 日産自動車株式会社 車両システム
KR20200133093A (ko) * 2019-05-16 2020-11-26 현대자동차주식회사 연료전지의 운전 제어시스템 및 제어방법
KR20210041971A (ko) * 2019-10-08 2021-04-16 현대자동차주식회사 연료전지의 수소 농도 추정시스템 및 추정방법

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05251102A (ja) * 1992-03-05 1993-09-28 Toshiba Corp リン酸型燃料電池発電プラント
JPH09199151A (ja) * 1996-01-12 1997-07-31 Toshiba Corp 燃料電池およびその触媒処理方法
DE19953614A1 (de) * 1999-11-08 2001-05-17 Siemens Ag Brennstoffzellenanlage
US6399231B1 (en) 2000-06-22 2002-06-04 Utc Fuel Cells, Llc Method and apparatus for regenerating the performance of a PEM fuel cell
US6881508B2 (en) * 2002-05-30 2005-04-19 Plug Power, Inc. Apparatus and method for controlling a fuel cell system
JP2004006166A (ja) * 2002-06-03 2004-01-08 Fuji Electric Holdings Co Ltd 固体高分子電解質形燃料電池とその運転方法
JP2004158274A (ja) * 2002-11-06 2004-06-03 Toyota Motor Corp 燃料電池の水分状態推定装置および燃料電池システム
JP4182732B2 (ja) * 2002-11-22 2008-11-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム、およびこれを搭載した移動体、および燃料電池システムの制御方法
JP4028363B2 (ja) * 2002-11-28 2007-12-26 本田技研工業株式会社 燃料電池システムの発電停止方法
US7205058B2 (en) * 2003-11-13 2007-04-17 General Motors Corporation Residual stack shutdown energy storage and usage for a fuel cell power system
JP4581382B2 (ja) 2003-11-27 2010-11-17 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4661055B2 (ja) * 2004-02-03 2011-03-30 パナソニック株式会社 燃料電池システムおよび運転方法
JP4629351B2 (ja) 2004-03-19 2011-02-09 株式会社日立製作所 固体高分子形燃料電池システム

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007116814A1 (ja) 2007-10-18
CN101416339B (zh) 2012-05-16
JP2007265786A (ja) 2007-10-11
US8916306B2 (en) 2014-12-23
CN101416339A (zh) 2009-04-22
DE112007000681T5 (de) 2009-02-12
DE112007000681B4 (de) 2015-01-15
US20090092868A1 (en) 2009-04-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5007927B2 (ja) 燃料電池システム
JP4868251B2 (ja) 燃料電池システム、アノードガス生成量推定装置及びアノードガス生成量の推定方法
JP5120594B2 (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
US8361667B2 (en) Fuel cell system and its control method
JP4993293B2 (ja) 燃料電池システム及び移動体
JP5224082B2 (ja) 燃料電池システム及びその排水制御方法
US20100266920A1 (en) Fuel cell system
EP3070773B1 (en) Fuel cell system
JP5435320B2 (ja) 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法
JP5164014B2 (ja) 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2008047353A (ja) 燃料電池システム
JP5229528B2 (ja) 燃料電池システム
WO2013105590A1 (ja) 燃料電池システム
JP2005032652A (ja) 燃料電池システム
JP5070794B2 (ja) 燃料電池システム
JP5077636B2 (ja) 燃料電池システム
JP2008084603A (ja) 燃料電池システム及びそのパージ方法
JP5109280B2 (ja) 燃料電池システム
JP6304366B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007141744A (ja) 燃料電池システム
JP2005174757A (ja) 燃料電池システム
JP6287010B2 (ja) 燃料電池システム
JP2013164938A (ja) 燃料電池システム及びその運転方法
JP2015125911A (ja) 燃料電池システム
JP2007317474A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20090317

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20090317

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120326

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120523

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20121126

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151228

Year of fee payment: 3

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5164014

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20121209

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151228

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees