JP2002093443A

JP2002093443A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002093443A
Application number: JP2000275312A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Saito; 齋藤　　友宏; Haruhiko Kato; 晴彦加藤; Tomonori Imamura; 朋範今村; Kunio Okamoto; 邦夫岡本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2002-03-29
Anticipated expiration: 2020-09-11
Also published as: JP4967182B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される余剰水素を有効に発電
し、余剰水素の排出量を低減することが可能な燃料電池
システムを提供する。【解決手段】水素と酸素の供給により電力を発生する
燃料電池１０を備え、負荷１９に電力を供給する燃料電
池システムに、燃料電池１０と並行に接続された２次電
池３２と、２次電池の充電量を検出するＳＯＣセンサ２
１と、燃料電池１０への供給水素量を検出する水素流量
計１３と、燃料電池１０の水素流入側か排出側の少なく
とも一方に、燃料電池１０への水素供給量を調整する水
素バルブ１４、１５を設ける。燃料電池１０の発電量
を、水素流量計１３で検出した水素量に基づいて算出さ
れた燃料電池１０の発電可能電力と、２次電池２０の充
電量と、負荷１９の要求電力とに基づいて制御する。燃
料電池１０の発電量の制御は、水素バルブ１４、１５に
より燃料電池１０への水素供給量を制御して行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素と酸素との化
学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池から
なる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及び
ポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。

【０００２】

【従来の技術】例えば電気自動車に搭載される燃焼電池
システムでは、走行用モータ（負荷）の要求電力量に応
じて燃料電池に対する水素と酸素の供給量を調整し、発
電量を調整するように構成されている。

【０００３】燃料電池の必要水素量に対して燃料電池へ
の水素供給の応答遅れがある場合に、負荷の要求電力量
が変動して燃料電池の必要水素量が変動すると、燃料電
池に必要水素量以上の余剰水素が供給されることとな
る。このように燃料電池に供給された余剰水素は、例え
ば特開２０００−３６３０８号公報記載の燃料電池シス
テムのように発電に用いられ、これにより得られた電力
は電力貯蔵用の２次電池に充電される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、２次電池が
既に満充電状態であって充電が不可能な場合には、燃料
電池では負荷の要求電力に対して過剰な電力を発電する
ことができないため、余剰水素を発電に用いることがで
きず、未反応のままスタックから排出されることとな
る。このため、燃料電池の効率が低下するとともに、燃
料電池から排出される未反応水素を処理するために大容
量の燃焼器が必要であるといった問題があった。

【０００５】本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池に
供給される余剰水素を有効に発電し、余剰水素の排出量
を低減することが可能な燃料電池システムを提供するこ
とを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明では、水素と酸素の供給によ
り電力を発生する燃料電池（１０）を備え、負荷（１
９）に電力を供給する燃料電池システムであって、燃料
電池（１０）と並列に接続された２次電池（３２）と、
２次電池の充電量を検出する充電量検出手段（２１）
と、燃料電池（１０）に供給される水素量を検出する水
素供給量検出手段（１３）とを備え、水素供給量検出手
段（１３）により検出される水素量に基づいて算出され
た燃料電池（１０）の発電可能電力と、充電量検出手段
（２１）により検出した２次電池（２０）の充電量と、
負荷（１９）の要求電力とに基づいて燃料電池（１０）
の発電量を制御することを特徴としている。

【０００７】このように、燃料電池（１０）の発電可能
電力と、充電量検出手段（２１）により検出した２次電
池（２０）の充電量と、負荷（１９）の要求電力とに基
づいて燃料電池（１０）の発電量を制御することによ
り、燃料電池（１０）にて水素を有効に発電させること
ができ、燃料電池（１０）から排出される水素量を低減
することができる。これにより、燃料電池（１０）から
排出される水素を燃焼させるための燃焼器を小型化する
ことができる。

【０００８】また、請求項２に記載の発明では、燃料電
池（１０）の水素流入側若しくは水素排出側の少なくと
も一方に、燃料電池（１０）への水素の供給量を調整す
る水素バルブ（１４、１５）を備え、燃料電池（１０）
の発電量の制御は、水素バルブ（１４、１５）による燃
料電池（１０）への水素の供給量を制御することにより
行うことを特徴としている。水素バルブとして、具体的
にはシャット機能を備えるとともに、連続的にバルブ開
度を調整できるロータリバルブを用いることができる。

【０００９】また、請求項３に記載の発明では、燃料電
池（１０）から出力される電圧を調整して、負荷（１
９）と２次電池（２０）にそれぞれ印加する電圧調整手
段（１６）を備え、燃料電池（１０）の発電量と２次電
池（２０）の充電量と負荷（１９）の要求電力に応じて
電圧調整手段（１６）の制御を行うことを特徴としてい
る。電圧調整手段としては、ＤＣ／ＤＣコンバータを好
適に用いることができる。

【００１０】また、請求項４に記載の発明では、負荷
（１９）が発電状態である場合に、燃料電池（１０）の
発電可能電力と２次電池（２０）の充電可能電力とに基
づいて負荷（１９）の発電量の制御を行うことを特徴と
している。

【００１１】このように、負荷（１９）の発電量を制御
することにより、燃料電池（１０）にて発電される電力
を優先して２次電池（２０）に供給することができ、さ
らに燃料電池（１０）において水素を有効に発電させる
ことができる。

【００１２】なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述
する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すも
のである。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）以下、本発明を
適用した第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明す
る。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電
池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に
適用したものである。図１は本実施形態の燃料電池シス
テムの概略構成を示している。

【００１４】図１に示すように、本第１実施形態の燃料
電池システムは、燃料電池（ＦＣスタック）１０、改質
器１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）１６、
インバータ１８、バッテリ（２次電池）２０、制御部２
２等を備えている。

【００１５】燃料電池１０は、水素と酸素との化学反応
を利用して電力を発生し、走行用電動モータ（負荷）１
９やバッテリ（２次電池）２０等の電気機器に電力を供
給するものである。本実施形態の燃料電池１は固体高分
子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセル
が複数積層されて構成されている。

【００１６】燃料電池１０には、空気（酸素）および水
素が供給される。本第１実施形態の燃料電池システムに
は、水素リッチガスを生成する改質器１１と、燃料電池
１０から排出される未反応水素を燃焼する燃焼器１２が
設けられている。改質器１１は、水とメタノールとの混
合溶液から水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造
し、水素供給路を介して燃料電池１０に水素リッチガス
を供給するように構成されている。なお、図１では燃料
電池１０に空気を供給する空気供給部の図示を省略して
いる。

【００１７】改質器１１と燃料電池１０との間には、燃
料電池１０に供給される水素量を検出する水素流量計
（水素供給量検出手段）１３が設けられている。また、
燃料電池１０の水素流入側および水素排気側には、燃料
電池１０への水素の供給量を調整する水素供給量調整手
段である第１水素バルブ１４と第２水素バルブ１５が設
けられている。水素流量計１３で検出された水素量信号
は、制御部２２に出力される。なお、本第１実施形態で
は水素バルブ１４、１５として、シャット機能を備える
とともに、連続的にバルブ開度を調整できるロータリバ
ルブを用いている。

【００１８】燃料電池１０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ
１６を介してバッテリ１７とインバータ１８とが並列に
接続されている。燃料電池１０にて発電した電力は、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ１７を介してインバータ１８に供給
されるとともに、バッテリ１７にも供給される。

【００１９】ＤＣ／ＤＣコンバータ１６とインバータ１
８との間にはダイオード１７が設けられており、これに
よりＤＣ／ＤＣコンバータ１６からインバータ１８およ
びバッテリ２０方向にのみ電流が流れるようなってい
る。

【００２０】インバータ１８は、燃料電池１０やバッテ
リ２０から供給された直流電流を交流電流に変換してモ
ータ１９に供給して、モータ１９を駆動している。本実
施形態の電気自動車では、車両減速時に走行用モータ１
９を発電機として作動させて発電を行うとともにブレー
キ力を得る回生ブレーキ（回生制動）を行い、回生ブレ
ーキによって発電された電力はインバータ１８を介して
バッテリ２０に充電できるように構成されている。

【００２１】バッテリ２０は、燃料電池１０から供給さ
れる電力やモータ１９からインバータ１８を介して回生
された電力を充電したり、充電されている電力をインバ
ータ１８に供給する。バッテリ２０としては、例えば一
般的な鉛蓄電池を用いることができる。バッテリ２０に
は、バッテリ２０の充電量（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ
センサ（充電量検出手段）２１が設けられている。な
お、ＳＯＣセンサ２１にて検出したＳＯＣ信号は、制御
部２２に出力される。

【００２２】本実施形態の燃料電池システムには、各種
制御を行う制御部２２が設けられている。制御部２２に
は、水素流量信号、ＳＯＣ信号、走行要求電力（インバ
ータ要求電力）等が入力され、水素バルブ１４、１５、
ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、インバータ１８の制御を行
うように構成されている。

【００２３】インバータ要求電力Ａは、車両を走行させ
るためにモータ１９が要求とする電力（車両要求出力）
であって、運転者によって操作されるアクセル（図示せ
ず）の開度やブレーキに基づいて算出される。インバー
タ要求電力Ａの符号（＋または−）は、モータ１９が駆
動状態の場合には「＋」となり、回生状態（発電状態）
の場合には「−」となる。

【００２４】次に、上記構成の燃料電池システムの作動
を図２に基づいて説明する。図２は本実施形態の燃料電
池システムの作動を示すフローチャートである。

【００２５】まず、インバータ要求電力Ａを算出する
（ステップＳ１００）。次に燃料電池１０に供給される
水素量を検出して（ステップＳ１０１）、これに基づき
燃料電池１０の発電可能電力Ｂを算出する（ステップＳ
１０２）。次にバッテリ２０の充電状態を検出して（ス
テップＳ１０３）、バッテリ２０に充電可能な電力Ｃを
算出する（ステップＳ１０４）。

【００２６】モータ１９が回生状態にあり、インバータ
要求電力（インバータから供給される電力）Ａがバッテ
リ２０に充電できる電力Ｂより大きいか否かを判定する
（ステップＳ１０５）。インバータ要求電力Ａがバッテ
リ２０に充電可能な電力Ｂより大きい場合には、インバ
ータ１８にて発電するインバータ電力Ａｏをバッテリ１
０に充電できる電力に設定する（ステップＳ１０６）。
同時に、燃料電池１０での発電電力Ｂｏをゼロとするた
めに水素バルブ１４、１５の開度Ｄを全閉に設定（ステ
ップＳ１０７、Ｓ１０８）。

【００２７】一方、インバータ要求電力Ａがバッテリ２
０に充電可能な電力Ｂより小さい場合には、インバータ
要求電力Ａと燃料電池１０の発電可能電力Ｂとの合計が
バッテリ１０の充電可能電力Ｂより大きいか否かを判定
する（ステップＳ１０９）。

【００２８】インバータ要求電力Ａと燃料電池１０の発
電可能電力Ｂとの合計がバッテリ１０の充電可能電力Ｂ
より大きい場合には、燃料電池１０の発電電力Ｂｏを、
バッテリ２０の充電可能電力Ｂに対してインバータ要求
電力Ａで足りない電力量と設定し（ステップＳ１１
０）、燃料電池１０の発電電力Ｂｏに必要な水素を燃料
電池１０に供給するために水素バルブ１４、１５の開度
Ｄを算出する（ステップＳ１１１）。

【００２９】一方、インバータ要求電力Ａと燃料電池１
０の発電可能電力Ｂとの合計がバッテリ１０の充電可能
電力Ｂより小さい場合には、燃料電池１０の発電電力Ｂ
ｏを、燃料電池１０で発電可能な全電力量として、水素
バルブ１４、１５の開度Ｄを全開に設定する（ステップ
Ｓ１１２）。

【００３０】最後に、上記過程で算出したインバータ電
力Ａｏおよび燃料電池の発電電力Ｂｏに基づいてＤＣ／
ＤＣコンバータ１６における電圧調整量Ｅを算出する
（ステップＳ１１３）。そして、上記過程で決定したイ
ンバータ電力Ａｏ、燃料電池発電電力Ｂｏ、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ電圧調整量Ｅに基づいてインバータ１８、水
素バルブ１４、１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の制御
を行う。

【００３１】次に、本第１実施形態の燃料電池システム
の水素バルブ１４、１５の作動を図３に基づいて説明す
る。図３はインバータ要求電力、燃料電池発電量、バッ
テリ充放電量、水素バルブ開度の関係を示すタイムチャ
ートである。

【００３２】まず、図３中ｔ１では、モータ１９が駆動
状態にあり、インバータ要求電力Ａに対して燃料電池１
０の発電電力だけでは足りず、バッテリ２０からもイン
バータ１８に対して電力が供給される。このとき、燃料
電池１０では、燃料電池の発電可能電力をフルに発電さ
せるために水素バルブ１４、１５は全開になっている。

【００３３】次にｔ２では、モータ１９が駆動状態にあ
り、インバータ要求電力に対して燃料電池１０の発電電
力が上回っており、燃料電池１０の発電電力のうち余剰
な電力がバッテリ２０の充電に用いられる。このときに
も、水素バルブ１４、１５は全開になっている。

【００３４】次にｔ３では、モータ１９が回生状態にあ
り、インバータ要求電力（インバータ１８から供給され
る電力）がバッテリ２０の充電可能電力を上回ってい
る。このため、燃料電池１０の発電量をゼロにするため
に、水素バルブ１４、１５は全閉となっている。

【００３５】次にｔ４では、モータ１９が回生状態にあ
り、インバータ要求電力と燃料電池１０の発電可能電力
の合計がバッテリ２０の充電可能電力を上回っている状
態にある。そこで、燃料電池１０の発電量をバッテリ２
０の充電可能電力に対してインバータ要求電力で足りな
い電力量と設定し、水素バルブ１４、１５の開度を連続
的に制御する。

【００３６】次にｔ５では、モータ１９が回生状態にあ
り、インバータ要求電力と燃料電池１０の発電可能電力
の合計がバッテリの充電可能電力を下回っている状態に
ある。そこで、燃料電池１０では、燃料電池の発電可能
電力をフルに発電させるために水素バルブ１４、１５は
全開になっている。

【００３７】以上、本第１実施形態の燃料電池システム
によれば、２次電池２０の充電状態に応じて、水素バル
ブ１４、１５により燃料電池１０に供給される水素量を
連続的に制御することで、水素を有効に発電させて２次
電池に充電することができるとともに、燃料電池１０か
ら排出される水素量を低減することができる。これによ
り、燃料電池１０から排出される水素を燃焼させるため
の燃焼器１２を小型化することができる。

【００３８】（第２実施形態）次に、本発明を適用した
第２実施形態について図４に基づいて説明する。本第２
実施形態は、上記第１実施形態に比較して、燃料電池シ
ステムが回生ブレーキ制御を抑制することが許容され
る、すなわちモータ１９が回生状態にある場合にモータ
１９にて発電する電力を制御できる点が異なるものであ
る。

【００３９】燃料電池システムの構成は、上記第１実施
形態と同様である。本第２実施形態の燃料電池システム
の作動を図４のフローチャートに基づいて説明する。

【００４０】まず、上記第１実施形態のステップＳ１０
０〜Ｓ１０４と同様にインバータ要求電力Ａ、燃料電池
１０の発電可能電力Ｂ、バッテリ２０の充電可能電力Ｃ
を算出する（ステップＳ２００〜Ｓ２０４）。

【００４１】モータ１９が回生状態であるか否か、ずな
わちインバータ１９からバッテリ２０に電力を供給可能
か否かを判定する（ステップＳ２０５）。

【００４２】モータ１９が駆動状態の場合には、上記第
１実施形態のステップＳ１０９〜Ｓ１１２と同様に燃料
電池１０の発電電力Ｂｏ、水素バルブ１４、１５の開度
Ｄを算出する（ステップＳ２０６〜２０７）。

【００４３】モータ１９が回生状態の場合には、まず燃
料電池１０の発電可能電力Ｂがバッテリ２０の充電可能
電力Ｃより小さいか否かを判定する（ステップＳ２１
０）。燃料電池１０の発電可能電力Ｂがバッテリ２０の
充電可能電力Ｃより小さい場合には、燃料電池１０の発
電電力Ｂｏをバッテリ２０の充電可能電力Ｃに設定し
（ステップＳ２１１）、水素バルブ１４、１５の開度Ｄ
を算出し（ステップＳ２１２）、インバータ電力Ａｏを
ゼロに設定する（ステップＳ２１３）。

【００４４】燃料電池１０の発電可能電力Ｂがバッテリ
２０の充電可能電力Ｃより大きい場合には、燃料電池１
０を発電可能電力でフルに発電させるために水素バルブ
１４、１５は全開に設定する（ステップＳ２１４）。次
に、燃料電池１０の発電可能電力Ｂとインバータ要求電
力Ａの合計が、バッテリ２０の充電可能電力Ｃより大き
いか否かを判定する（ステップＳ２１５）。大きい場合
には、インバータ電力Ａｏを、バッテリ２０の充電可能
電力Ｃに対して燃料電池１０の発電可能電力Ｂで足りな
い電力量に設定する（ステップＳ２１６）。

【００４５】最後に、上記過程で算出したインバータ電
力Ａｏおよび燃料電池の発電電力Ｂｏに基づいてＤＣ／
ＤＣコンバータ１６における電圧調整量Ｅを算出する
（ステップＳ２１７）。そして、上記過程で決定したイ
ンバータ電力Ａｏ、燃料電池発電電力Ｂｏ、ＤＣ／ＤＣ
コンバータ電圧調整量Ｅに基づいてインバータ１８、水
素バルブ１４、１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の制御
を行う。

【００４６】以上、本第２実施形態によれば、モータ１
９の発電量を制御することにより、すなわちインバータ
１９から供給される電力を制御することにより、インバ
ータ１９から供給される電力より燃料電池１０にて発電
される電力を優先して２次電池２０に供給することがで
き、第１実施形態の燃料電池システムに比較して、さら
に燃料電池１０において水素を有効に発電させることが
できる。

【００４７】（他の実施形態）なお、上記各実施形態で
は、電圧調整手段であるＤＣ／ＤＣコンバータを燃料電
池側に設けているが、これに限らず、図５に示すように
ＤＣ／ＤＣコンバータを２次電池側に設けるように構成
してもよい。

【００４８】また、上記各実施形態では、燃料電池１０
の水素供給側と水素排出側のそれぞれに、燃料電池１０
への水素供給を調整する水素バルブ１４、１５を設けた
が、これに限らず、燃料電池１０の水素供給側と水素排
出側のいずれか一方のみに水素バルブ１４、１５を設け
るようにしてもよい。

【００４９】また、上記各実施形態では、本発明を電気
自動車に適用したが、本発明はこれに限定されるもので
はなく、家庭用等据え置き型の燃料電池システムにも適
用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を
示す模式図である。

【図２】図１の燃料電池システムの作動を示すフローチ
ャートである。

【図３】図１の燃料電池システムのバルブの作動を示す
タイムチャートである。

【図４】第２実施形態の燃料電池システムの作動を示す
フローチャートである。

【図５】本発明の変形例を示す燃料電池システムのブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１３…水素流量計
（水素量検出手段）、１４、１５…水素バルブ（水素供
給量調整手段）、１６…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調
整手段）、２０…バッテリ（２次電池）、１８…インバ
ータ、１９…モータ（負荷）、２２…制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者今村朋範愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者岡本邦夫愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 5H027 AA06 BA01 DD03 KK25 KK51 MM08 MM09 MM26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素と酸素の供給により電力を発生する
燃料電池（１０）を備え、負荷（１９）に電力を供給す
る燃料電池システムであって、前記燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（３
２）と、前記２次電池の充電量を検出する充電量検出手段（２
１）と、前記燃料電池（１０）に供給される水素量を検出する水
素供給量検出手段（１３）とを備え、前記水素供給量検出手段（１３）により検出される水素
量に基づいて算出される前記燃料電池（１０）の発電可
能電力と、前記充電量検出手段（２１）により検出した
前記２次電池（２０）の充電量と、前記負荷（１９）の
要求電力とに基づいて前記燃料電池（１０）の発電量を
制御することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記燃料電池（１０）の水素流入側若し
くは水素排出側の少なくとも一方に、前記燃料電池（１
０）への水素の供給量を調整する水素バルブ（１４、１
５）を備え、前記燃料電池（１０）の発電量の制御は、前記水素バル
ブ（１４、１５）による前記燃料電池（１０）への水素
の供給量を制御することにより行うことを特徴とする請
求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記燃料電池（１０）から出力される電
圧を調整して、前記負荷（１９）と前記２次電池（２
０）にそれぞれ印加する電圧調整手段（１６）を備え、前記燃料電池（１０）の発電量と前記２次電池（２０）
の充電量と前記負荷（１９）の要求電力に応じて前記電
圧調整手段（１６）の制御を行うことを特徴とする請求
項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記負荷（１９）が発電状態である場合
に、前記燃料電池（１０）の発電可能電力と前記２次電
池（２０）の充電可能電力とに基づいて前記負荷（１
９）の発電量の制御を行うことを特徴とする請求項１な
いし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。