JP6389835B2 - 燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、及び前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を備える燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、燃料電池スタックを構成し、前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムが、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に搭載されている。

燃料電池システムは、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置を備えている。燃料電池システムでは、一般的に、燃料電池スタック内のアノード流路側の圧力（以下、アノード圧力ともいう）が、カソード流路側の圧力（以下、カソード圧力ともいう）よりも高くなるように設定されている。そこで、燃料電池スタック内のアノード圧力とカソード圧力との膜間差圧（極間差圧）を適切に管理し、燃料電池の劣化を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。

この燃料電池システムでは、燃料電池に供給される酸化剤ガス（カソードガス）の流量を調節するコンプレッサと、コンプレッサから吐出された酸化剤ガスを加湿する加湿器と、加湿器より上流に設けられて酸化剤ガスの圧力を検出する圧力検出手段を備えている。そして、加湿器の圧力損失が所定値となるコンプレッサの供給流量を上限流量として設定し、この上限流量を超えることがないようにコンプレッサの流量を制御することを特徴としている。このため、加湿器の圧力損失が所定値以上になるのを抑制でき、実際の圧力損失が設定した所定値よりも大きくなるのを抑制できる、としている。

特開２０１５−０７２７３５号公報

上記の燃料電池システムにおいて、例えば、コンプレッサとしてターボ型コンプレッサが使用される場合がある。その際、酸化剤ガスの圧力と流量の調整を同時に行うことができない。従って、膜間差圧を保持するために、カソード圧力をアノード圧力の上昇に合わせて上げる必要があり、酸化剤ガスの流量を迅速に上昇させることができないおそれがある。これにより、燃料電池システムの出力加速時に、所望の電流を取り出すことができず、出力加速が良好に遂行されないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な制御で、出力加速時に電流値を迅速に上げることが可能な燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る出力加速時における圧力制御方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池と、燃料ガスをアノード流路に供給する燃料ガス供給装置と、酸化剤ガスをカソード流路に供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えている。燃料電池は、アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスと、カソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により、発電する。

燃料電池システムでは、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力とが個別に制御されている。そして、この圧力制御方法は、燃料電池システムの始動完了後の発電中に出力加速要求がなされた際、前記燃料ガスの供給圧力を上昇させる前記燃料ガス供給装置の昇圧制御と、前記酸化剤ガスの供給圧力を上昇させる前記酸化剤ガス供給装置の昇圧制御とを同時に開始し、且つ燃料ガスの昇圧速度が酸化剤ガスの昇圧速度よりも速くなるように制御している。

また、酸化剤ガス供給装置は、酸化剤ガスをカソード流路に供給するエアポンプを備えることが好ましい。その際、この圧力制御方法は、エアポンプの回転数を、出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることにより、酸化剤ガスの供給量を増量させた後、前記酸化剤ガスの供給圧力を上昇させることが好ましい。

さらに、この圧力制御方法では、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、規定圧力以上になった際、前記燃料ガスの供給圧力の上限値を制限することが好ましい。

さらにまた、本発明に係る圧力制御方法は、燃料電池システムの始動完了後の発電中に出力加速要求がなされた際、前記燃料ガスの供給圧力を上昇させる前記燃料ガス供給装置の昇圧制御と、前記酸化剤ガスの供給圧力を上昇させる前記酸化剤ガス供給装置の昇圧制御とを同時に開始し、且つ燃料ガスの供給圧力が酸化剤ガスの供給圧力よりも高くなるように、それぞれの供給圧力が昇圧されている。しかも、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、出力加速開始時よりも出力加速途上で大きくなるように制御している。

本発明によれば、出力加速時に、燃料ガスの供給圧力が酸化剤ガスの供給圧力よりも迅速に昇圧されている。このため、燃料ガスのストイキを急速に上げることができ、所望の電流値まで素早く上げることが可能になる。

また、本発明によれば、出力加速時に、燃料ガスの供給圧力と酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、出力加速開始時よりも出力加速途上で大きくなっている。従って、極間差圧の増大を許容して燃料ガスの供給圧力が昇圧されるため、所望の電流値まで素早く上げることができる。

本発明の実施形態に係る出力加速時における圧力制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記圧力制御方法において、アノード圧力の昇圧状態及びカソード圧力の昇圧状態の説明図である。 前記圧力制御方法において、空気流量とＦＣ電流の説明図である。 前記圧力制御方法において、空気流量、カソード圧力、エアポンプの回転数及びＦＣ電流の説明図である。 前記圧力制御方法において、前記アノード圧力の上限値を制限する際の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る出力加速時における圧力制御方法が適用される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とが設けられる。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路（燃料ガス流路）３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。

燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。水素ガス流路３８、水素ガス入口４４ａ及び水素ガス出口４４ｂにより、アノード流路が構成される。

空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。空気流路４０、空気入口４６ａ及び空気出口４６ｂにより、カソード流路が構成される。

冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路（燃料ガス供給路）５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。

水素ガス供給路５２には、インジェクタ５４及びエゼクタ５６が直列に設けられるとともに、前記インジェクタ５４及び前記エゼクタ５６を跨いでバイパス供給路５８が接続される。バイパス供給路５８には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ６０が設けられる。ＢＰインジェクタ６０は、燃料電池スタック１２の始動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ５４は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。

燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路（オフガス配管）６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。

水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。

燃料ガス供給装置１４は、アノード流路の水素ガス圧力を検出するために、例えば、水素ガス供給路５２に水素ガス入口４４ａの近傍に位置してアノード圧力センサ７７を設ける。アノード圧力センサ７７の検出信号は、制御部２２に送られる。

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ（例えば、ターボ型コンプレッサ）７８を備え、前記エアポンプ７８が空気供給路（酸化剤ガス供給路）８０に配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する。

空気供給路８０は、エアポンプ７８の下流側に位置して供給側開閉弁（入口封止弁）８２ａ及び加湿器８４を配設するとともに、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する。空気供給路８０には、加湿器８４を跨いでバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、開閉弁８８が設けられる。

燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路（酸化剤ガス排出路）９０が連通する。空気排出路９０には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器８４、排出側開閉弁（出口封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続され、希釈部を構成する。

空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、バイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁９６が配設される。空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側及び排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環させる。

酸化剤ガス供給装置１６は、カソード流路の空気圧力を検出するために、例えば、空気供給路８０の任意の位置に、又は、空気排出路９０の任意の位置に、カソード圧力センサ１０１を設ける。カソード圧力センサ１０１の検出信号は、制御部２２に送られる。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置１４では、水素タンク５０から水素ガス供給路５２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。水素ガスは、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ７８の回転作用下に、空気供給路８０に空気が送られる。この空気は、加湿器８４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入され、前記空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガス（水素排ガス）は、水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入され、エゼクタ５６の吸引作用下に水素ガス供給路５２に循環される。水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。

同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気は、空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。排出空気は、加湿器８４を通って空気供給路８０から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整された後、希釈部に排出される。なお、空気排出路９０に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環する。

次いで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の出力加速時における圧力制御方法について、以下に説明する。

エアポンプ７８は、通常、同一の回転数に維持されている際、空気供給圧力と空気流量とが反比例するとともに、前記エアポンプ７８の回転数が上昇されるのに比例して、前記空気供給圧力及び前記空気流量が大きくなる。

燃料電池システム１０では、燃料ガス供給装置１４からアノード流路に供給される水素ガスの供給圧力（以下、アノード圧力ともいう）と、酸化剤ガス供給装置１６からカソード流路に供給される空気の供給圧力（以下、カソード圧力ともいう）とが、個別に制御されている。そこで、例えば、図示しないアクセルが踏み込まれて、燃料電池システム１０の出力加速要求がなされると、水素ガスの昇圧速度が空気の昇圧速度よりも速くなるように制御される。出力加速要求とは、例えば、燃料電池車両を加速させる要求であり、燃料電池スタック１２の出力（取り出される電流値）を急激に上げる場合等をいう。

具体的には、図２に示すように、アノード圧力は、カソード圧力よりも高くなるように制御される。通常、アノード圧力の昇圧速度は、カソード圧力の昇圧速度と同一になるように制御されるのに対し（図２中、二点鎖線参照）、本実施形態では、アノード圧力の昇圧速度が、カソード圧力の昇圧速度よりも速くなるように制御される（図２中、実線参照）。換言すれば、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、出力加速開始時（極間差圧Ｐｓｔ）よりも出力加速途上（極間差圧Ｐｈａ）で大きくなるように制御される（Ｐｓｔ＜Ｐｈａ）。

アノード圧力は、ＦＣ電流に応じて昇圧されている。アノード圧力は、具体的には、インジェクタ５４の開度調整又はインジェクタ５４の開度調整により、燃料電池スタック１２に供給される水素ガスの圧力を上げることによって、昇圧される。その際、アノード圧力は、アノード圧力センサ７７により検出されており、制御部２２により前記アノード圧力が制御されている。

カソード圧力は、エアポンプ７８の制御により昇圧されている。その際、カソード流路では、まず、エアポンプ７８の回転数を、出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることによって、通常運転時よりも空気の供給量が増量されている（図３参照）。

次いで、図４に示すように、エアポンプ７８の回転作用下に、カソード圧力を上昇させている。空気流量は、エアポンプ７８の回転数に追随して調整され、燃料電池スタック１２の出力電流（以下、ＦＣ電流ともいう）は、前記空気流量の増加に伴って増加している。

さらに、図５に示すように、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、規定圧力Ｐｍａｘ以上になった際、前記アノード圧力の上限値を制限している。すなわち、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、規定圧力Ｐｍａｘを下回るように、アノード圧力が制限されている。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、燃料電池システム１０の出力加速時に、アノード圧力がカソード圧力よりも迅速に昇圧されている。このため、燃料ガスのストイキを急速に上げることができ、所望のＦＣ電流（電流値）まで素早く上げることが可能になる（図２中、ＦＣ電流を示す二点鎖線から実線参照）。

また、本実施形態では、燃料電池システム１０の出力加速時に、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、出力加速開始時（極間差圧Ｐｓｔ）よりも出力加速途上（極間差圧Ｐｈａ）で大きくなるように制御されている。従って、燃料電池スタック１２では、極間差圧の増大を許容してアノード圧力が昇圧されるため、所望の電流値まで素早く上げることができる。

さらに、図３及び図４に示すように、まず、エアポンプ７８の回転数を、出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることによって、通常運転時よりも空気の供給量を増量させている。次いで、エアポンプ７８の回転作用下に、カソード圧力を昇圧させている。

これにより、空気流量を迅速に確保することができ、アノード圧力の昇圧に合わせて電流値を上げても、空気のストイキが不足することを阻止することが可能になる。このため、所望の出力電流を早急に取り出すことができる。しかも、エアポンプ７８は、圧力を上げないため、回転数を抑えることが可能になり、消費電力の削減が容易に図られる。

さらにまた、図５に示すように、アノード圧力とカソード圧力との極間差圧が、規定圧力Ｐｍａｘ以上になった際、前記アノード圧力の上限値が制限されている。従って、カソード圧力の減圧を避けて昇圧させることができ、例えば、背圧弁９２が急に閉じられることがなく、エアポンプ７８の制御性が低下することを確実に抑制することができる。しかも、低負荷発電時には、アノード圧力及びカソード圧力をできるだけ低く設定している。これにより、水素ガス及び空気の消費量を有効に削減することが可能になり、燃費の向上が容易に図られる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…制御部 ２４…発電セル
２６…電解質膜・電極構造体 ２８、３０…セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８…水素ガス流路
４０…空気流路 ５０…水素タンク
５２…水素ガス供給路 ７７、１０１…圧力センサ
７８…エアポンプ ８０…空気供給路
８２ａ…供給側開閉弁 ８２ｂ…排出側開閉弁
８４…加湿器 ８６、９４…バイパス流路
９０…空気排出路 ９２…背圧弁
９６…ＢＰ流量調整弁 ９８…空気循環流路
１００…循環ポンプ

Claims (4)

1. アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスとカソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを前記アノード流路に供給する燃料ガス供給装置と、
   前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備え、前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力とが個別に制御される燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法であって、
   前記燃料電池システムの始動完了後の発電中に出力加速要求がなされた際、前記燃料ガスの供給圧力を上昇させる前記燃料ガス供給装置の昇圧制御と、前記酸化剤ガスの供給圧力を上昇させる前記酸化剤ガス供給装置の昇圧制御とを同時に開始し、且つ前記燃料ガスの昇圧速度が前記酸化剤ガスの昇圧速度よりも速くなるように制御することを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。
2. 請求項１記載の圧力制御方法であって、前記酸化剤ガス供給装置は、前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給するエアポンプを備え、
   前記エアポンプの回転数を、前記出力加速要求時の通常運転における回転数よりも上げることにより、前記酸化剤ガスの供給量を増量させた後、該酸化剤ガスの供給圧力を上昇させることを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。
3. 請求項１又は２記載の圧力制御方法であって、前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、規定圧力以上になった際、前記燃料ガスの供給圧力の上限値を制限することを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。
4. アノード流路を介してアノード電極に供給される燃料ガスとカソード流路を介してカソード電極に供給される酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料ガスを前記アノード流路に供給する燃料ガス供給装置と、
   前記酸化剤ガスを前記カソード流路に供給する酸化剤ガス供給装置と、
   を備え、前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力とが個別に制御される燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法であって、
   前記燃料電池システムの始動完了後の発電中に出力加速要求がなされた際、前記燃料ガスの供給圧力を上昇させる前記燃料ガス供給装置の昇圧制御と、前記酸化剤ガスの供給圧力を上昇させる前記酸化剤ガス供給装置の昇圧制御とを同時に開始し、且つ前記燃料ガスの供給圧力が前記酸化剤ガスの供給圧力よりも高くなるように、それぞれの供給圧力が昇圧されるとともに、
   前記燃料ガスの供給圧力と前記酸化剤ガスの供給圧力との極間差圧が、出力加速開始時よりも出力加速途上で大きくなるように制御することを特徴とする燃料電池システムの出力加速時における圧力制御方法。

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