JP2005150006A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、モータに供給する電力を燃料電池で発電する燃料電池システムに関し、特に、燃料電池へのカソードガスの供給系に、酸素濃度の高いカソードガスを生成するための酸素富化装置を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system that generates electric power to be supplied to a motor with a fuel cell, and in particular, a cathode gas supply system for a fuel cell includes an oxygen enrichment device for generating a cathode gas having a high oxygen concentration. The present invention relates to a fuel cell system.
燃料電池は、アノードに水素を含む燃料ガス(アノードガス)が供給され、カソードに酸素を含む酸化ガス(カソードガス)が供給されることで、両電極で電気化学反応が起こり、起電力が発生する仕組みになっている。カソードへのカソードガスの供給は、一般に、圧縮ポンプによって空気を圧送することで行われるが、発電効率を高めるべく、より酸素濃度の高いカソードガスが得られるように、カソードへのカソードガスの供給系に酸素富化装置を配置した技術が提案されている。燃料電池システムに用いられる酸素富化装置としては、例えば、特許文献1に記載されるように、ケーシングとロータとの間に磁界を発生させ、酸素と窒素の磁化率の差を利用して窒素から酸素を分離する磁界式の装置や、特許文献2や特許文献3に記載されるように、空気の供給ラインに酸素富化膜を配置し、酸素と窒素の透過係数の差を利用して窒素から酸素を分離する膜分離式の装置が知られている。
ところで、酸素富化装置によって酸素富化ガスを生成するためには、酸素富化装置を作動させるための電力が必要になる。例えば、磁界式の装置の場合には、ロータを回転させるための電力が必要になる。また、膜分離式の装置の場合には、酸素富化膜が抵抗になって圧力損失が生じるため、この圧力損失を補償するだけの電力を圧縮ポンプに供給する必要がある。 By the way, in order to produce | generate oxygen-enriched gas with an oxygen enrichment apparatus, the electric power for operating an oxygen enrichment apparatus is needed. For example, in the case of a magnetic field type device, electric power for rotating the rotor is required. Further, in the case of a membrane separation type apparatus, the oxygen-enriched membrane becomes a resistance and a pressure loss occurs. Therefore, it is necessary to supply power to the compression pump to compensate for this pressure loss.
燃料電池システムでは、燃料電池で発電した電力を如何に効率よく利用するかは重要な課題である。したがって、酸素富化装置についても単に作動させるのではなく、システム内の電力を効率よく利用できるように作動させるべきである。しかしながら、酸素富化装置を備えた従来の燃料電池システムでは、酸素富化装置の作動状態を制御する上での制御内容については十分に検討されていない。 In a fuel cell system, how to efficiently use the power generated by the fuel cell is an important issue. Therefore, the oxygen enrichment apparatus should not be operated simply, but should be operated so that the power in the system can be used efficiently. However, in the conventional fuel cell system provided with the oxygen enrichment device, the contents of control for controlling the operation state of the oxygen enrichment device have not been sufficiently studied.
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、酸素富化装置を作動させる上で効率の良い電力利用を可能にした燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that enables efficient use of electric power in operating an oxygen enricher.
第1の発明は、上記の目的を達成するため、水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
電力により作動するモータと、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記モータで消費されないシステム内の余剰電力を前記酸素富化装置に供給することを特徴としている。
In order to achieve the above object, a first invention provides a fuel cell that generates electricity by being supplied with an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen;
A motor operated by electric power,
An oxygen enrichment device disposed in a supply system of a cathode gas to the fuel cell and operating with electric power to generate an oxygen enriched gas;
Control means for controlling the operating state of the oxygen enricher,
The control means supplies surplus power in the system that is not consumed by the motor to the oxygen enricher.
さらに、第2の発明は、第1の発明において、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスを貯蔵する貯蔵手段を備えることを特徴としている。 Furthermore, the second invention is characterized in that, in the first invention, a storage means for storing the oxygen-enriched gas generated by the oxygen-enriching device is provided.
さらに、第3の発明は、第2の発明において、前記燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合に、前記貯蔵手段から前記燃料電池に酸素富化ガスが供給されることを特徴としている。 Furthermore, a third invention is characterized in that, in the second invention, when the generated power of the fuel cell is insufficient with respect to the required power, oxygen-enriched gas is supplied from the storage means to the fuel cell. It is said.
さらに、第4の発明は、第2の発明において、前記制御手段は、前記貯蔵手段の貯蔵量が所定値以下の場合には、システム内の電力の余剰状況によらず前記酸素富化装置を作動させることを特徴としている。 Furthermore, a fourth aspect of the present invention is the control device according to the second aspect, wherein when the storage amount of the storage unit is equal to or less than a predetermined value, the control unit controls the oxygen enricher regardless of a surplus state of power in the system. It is characterized by operating.
さらに、第5の発明は、第2乃至第4の何れか1つの発明において、前記制御手段は、所定の条件下では、システム内の電力の余剰状況によらず前記酸素富化装置の作動を停止させることを特徴としている。 Furthermore, a fifth aspect of the present invention is the control device according to any one of the second to fourth aspects, wherein the control means operates the oxygen enricher under a predetermined condition regardless of a surplus state of power in the system. It is characterized by being stopped.
また、第6の発明は、上記の目的を達成するため、車両に搭載される燃料電池システムにおいて、
水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスを貯蔵する貯蔵手段と、
電力により作動して車両を駆動する駆動モータと、
前記車両の減速エネルギを電力として回生する回生手段と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段と、
システム内でのカソードガスの供給ラインを切り換えるライン切換手段とを備え、
前記駆動モータによる力行時には、前記制御手段により前記酸素富化装置の作動が停止されるとともに、前記燃料電池へカソードガスが供給されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられ、
前記回生手段による回生時には、前記制御手段により前記酸素富化装置が作動されるとともに、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスが前記貯蔵手段に貯蔵されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴としている。
A sixth invention provides a fuel cell system mounted on a vehicle in order to achieve the above object.
A fuel cell that generates electricity by supplying an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen;
An oxygen enrichment device disposed in a supply system of a cathode gas to the fuel cell and operating with electric power to generate an oxygen enriched gas;
Storage means for storing the oxygen-enriched gas produced by the oxygen-enriching device;
A drive motor that operates with electric power to drive the vehicle;
Regenerative means for regenerating deceleration energy of the vehicle as electric power;
Control means for controlling the operating state of the oxygen enricher;
Line switching means for switching the cathode gas supply line in the system,
During powering by the drive motor, the operation of the oxygen enrichment device is stopped by the control means, and the supply line is switched by the line switching means so that cathode gas is supplied to the fuel cell,
At the time of regeneration by the regeneration means, the oxygen enrichment apparatus is operated by the control means, and the line switching means allows the oxygen enriched gas generated by the oxygen enrichment apparatus to be stored in the storage means. The supply line can be switched.
さらに、第7の発明は、第6の発明において、前記燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合には、前記貯蔵手段から前記燃料電池に酸素富化ガスが供給されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴としている。 Further, the seventh invention is the sixth invention, wherein the oxygen enriched gas is supplied from the storage means to the fuel cell when the generated power of the fuel cell is insufficient with respect to the required power. The supply line is switched by a line switching means.
さらに、第8の発明は、第6の発明において、前記貯蔵手段の貯蔵量が所定値以下の場合には、前記車両の運転状況によらず前記制御手段により前記酸素富化装置が作動されるとともに、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスの少なくとも一部が前記貯蔵手段に貯蔵されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴としている。 Further, in an eighth aspect based on the sixth aspect, when the storage amount of the storage means is less than or equal to a predetermined value, the oxygen enrichment device is operated by the control means regardless of the driving state of the vehicle. In addition, the supply line is switched by the line switching means so that at least a part of the oxygen-enriched gas generated by the oxygen enrichment apparatus is stored in the storage means.
さらに、第9の発明は、第6乃至第8の何れか1つの発明において、所定の条件下では、前記車両の運転状況によらず前記制御手段により前記酸素富化装置の作動が停止されることを特徴としている。 Furthermore, a ninth invention is the invention according to any one of the sixth to eighth inventions, wherein, under a predetermined condition, the operation of the oxygen enrichment device is stopped by the control means regardless of the driving state of the vehicle. It is characterized by that.
第1の発明によれば、酸素富化装置をモータで消費されないシステム内の余剰電力によって作動させるので、電力の有効利用が可能になる。 According to the first invention, since the oxygen enricher is operated by the surplus power in the system that is not consumed by the motor, the electric power can be effectively used.
第2の発明によれば、システム内の余剰電力は酸素富化ガスに置換されて貯蔵され、いつでも必要なときに利用可能になる。 According to the second invention, surplus power in the system is stored by being replaced with oxygen-enriched gas, and can be used whenever necessary.
第3の発明によれば、燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合には、貯蔵手段から燃料電池に酸素富化ガスが供給されるので、燃料電池の発電電力を要求電力に見合うように高めることができる。 According to the third invention, when the generated power of the fuel cell is insufficient with respect to the required power, the oxygen-enriched gas is supplied from the storage means to the fuel cell, so that the generated power of the fuel cell is used as the required power. Can be raised to match.
第4の発明によれば、貯蔵手段の貯蔵量の不足によって必要時に酸素富化ガスを供給できなくなることが回避される。 According to the fourth invention, it is avoided that the oxygen-enriched gas cannot be supplied when necessary due to a shortage of the storage amount of the storage means.
第5の発明によれば、酸素富化装置の無駄な作動による電力消費を防止できる。 According to the fifth aspect, it is possible to prevent power consumption due to useless operation of the oxygen enricher.
また、第6の発明によれば、駆動モータによって電力が消費される力行時には酸素富化装置を作動させず、システム内の電力が余剰になる回生時に酸素富化装置を作動させるので、駆動モータの利用可能電力を減少させることがない上に、余剰電力を有効に利用することもできる。しかも、酸素富化装置の作動により生成された酸素富化ガスは貯蔵手段に貯蔵されるので、余剰電力は酸素富化ガスに置換されて貯蔵されることになり、いつでも必要なときに利用可能になる。つまり、本発明によれば、システム全体での電力の有効利用が可能になる。 According to the sixth aspect of the invention, the oxygen enrichment device is not operated during power running when power is consumed by the drive motor, and the oxygen enrichment device is activated during regeneration when the power in the system is excessive. In addition to reducing the available power, the surplus power can be used effectively. Moreover, since the oxygen-enriched gas generated by the operation of the oxygen-enriching device is stored in the storage means, the surplus power is stored after being replaced by the oxygen-enriched gas, and can be used whenever necessary. become. That is, according to the present invention, it is possible to effectively use power in the entire system.
第7の発明によれば、燃料電池の発電電力が要求電力に対して不足する場合には、貯蔵手段から燃料電池に酸素富化ガスが供給されるよう供給ラインが切り換えられるので、燃料電池の発電電力を要求電力に見合うように高めることができる。 According to the seventh invention, when the generated power of the fuel cell is insufficient with respect to the required power, the supply line is switched so that the oxygen-enriched gas is supplied from the storage means to the fuel cell. The generated power can be increased to meet the required power.
第8の発明によれば、貯蔵手段の貯蔵量が減少した場合には、酸素富化装置で生成された酸素富化ガスの少なくとも一部が貯蔵手段に貯蔵されるよう供給ラインが切り換えられるので、貯蔵手段の貯蔵量の不足によって必要時に酸素富化ガスを供給できなくなることが回避される。 According to the eighth invention, when the storage amount of the storage means decreases, the supply line is switched so that at least a part of the oxygen-enriched gas generated in the oxygen enrichment device is stored in the storage means. It is avoided that the oxygen-enriched gas cannot be supplied when necessary due to a shortage of the storage amount of the storage means.
第9の発明によれば、酸素富化装置の無駄な作動による電力消費を防止できる。 According to the ninth aspect, it is possible to prevent power consumption due to useless operation of the oxygen enricher.
実施の形態1.
以下、図1乃至図8を参照して、本発明の実施の形態1について説明する。
図1は、本発明の実施の形態1としての燃料電池システムの概略構成図である。本燃料電池システムは、車両に搭載される車両用燃料電池システムであり、水素を含む燃料ガス(アノードガス)と酸素を含む酸化ガス(カソードガス)の供給を受けて発電する燃料電池2と、電力により作動して車両を駆動する駆動モータ8を備えている。図1において、点線で示すラインはシステム内での電力の供給ラインを示している。先ず、本燃料電池システムにおける電力系の構成について説明する。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a fuel cell system as Embodiment 1 of the present invention. The fuel cell system is a vehicle fuel cell system mounted on a vehicle, and a
本燃料電池システムでは、駆動モータ8を作動させるための電力として、燃料電池2の発電電力が用いられる。燃料電池2の発電電力は直流電力であるのに対し、駆動モータ8の作動電力は交流電力であるので、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ6が設けられている。また、電力の需給のアンバランスを吸収するための二次電池4も設けられている。急加速時には、燃料電池2への燃料(アノードガス及びカソードガス)の供給の遅れによって発電が間に合わず、駆動モータ8の要求電力に対して燃料電池2の発電電力が不足する可能性があるが、このような場合には、二次電池4から駆動モータ8に不足分の電力を供給される。逆に減速時には、燃料電池2の発電電力が駆動モータ8の要求電力を上回る可能性があるが、このような場合には、余剰電力が二次電池4に充電される。
In the present fuel cell system, the power generated by the
また、本燃料電池システムにかかる駆動モータ8は、駆動力を供給されることで発電するジェネレータとしての機能も有している。車両の減速時には、駆動モータ8をジェネレータとして機能させることで、減速エネルギを電力として回生することができる。本燃料電池システムにかかるインバータ6は、コンバータとしても機能するようになっており、駆動モータ8がジェネレータとして機能する場合、回生によって得られた電力(以下、回生電力という)はインバータ6によって交流電力から直流電力に変換され、二次電池4に充電される。
Further, the
本燃料電池システムでは、電力系の負荷として、駆動モータ8の他に電動の圧縮ポンプ(加圧機)10を有している。圧縮ポンプ10は、燃料電池2のカソード2aへのカソードガスの供給ライン(以下、カソードガスラインという)に配置されている。以下では、本燃料電池システムにおけるカソードガスの供給系の構成について説明する。
This fuel cell system has an electric compression pump (pressurizer) 10 in addition to the
図1において、燃料電池2のカソード2aに接続された実太線で示すラインがカソードガスラインを示す。図中では、アノードや電解質膜等、燃料電池2を構成するカソード2a以外の要素については図示を省略している。カソードガスラインには、上述のように空気を吸い込んで下流に圧送するための圧縮ポンプ10が配置されている。この圧縮ポンプ10の上流側には三つのポートを有する三方切換弁18が配置されている。三方切換弁18は、電気信号の供給を受けて各ポート間の連通を切り換える電磁弁であり、その一つのポートに圧縮ポンプ10が接続されている。他の二つのポートには酸素富化装置14と濾過器16が接続されている。酸素富化装置14は内部に酸素富化膜を有し、空気を酸素富化膜に通すことで酸素濃度の高い酸素富化ガスが得られるようになっている。濾過器16は空気中の塵芥を除去するためのフィルタであり、酸素富化装置14のような酸素富化効果はないものの装置前後での圧力損失は低い。三方切換弁18が必要に応じて切り換えられることにより、酸素富化装置14と濾過器16の何れか一方が圧縮ポンプ10に選択的に接続される。
In FIG. 1, a line indicated by a solid line connected to the
カソードガスラインは、圧縮ポンプ10の下流側において2つのラインに分岐している。その一方の分岐ラインはカソード2aに接続され、他方の分岐ラインは貯蔵装置12に接続されている。貯蔵装置12は圧縮空気を貯蔵可能な圧力タンクである。貯蔵装置12は、貯蔵装置12からカソード2aへのガス流路ができる限り短くなるように、カソード2aの近傍に設置されている。カソード2aに接続される分岐ラインには切換弁22が配置され、貯蔵装置12に接続される分岐ラインにも別の切換弁20が配置されている。切換弁20,22は、電気信号の供給を受けて開閉状態を切り換える電磁弁であり、切換弁20が開くことで圧縮ポンプ10と貯蔵装置12とが連通し、切換弁22が開くことで圧縮ポンプ10とカソード2aが連通する。
The cathode gas line is branched into two lines on the downstream side of the
本燃料電池システムでは、三方切換弁18、及び2つの切換弁20,22の切換制御は、圧縮ポンプ10の流量制御とともに制御装置30によって行われる。制御装置30は、電流値、車輪速度、アクセル開度等の情報に基づき三方切換弁18や切換弁20,22の切換制御を行ったり、圧縮ポンプ10の流量制御を行ったりしている。なお、図1において、実細線で示すラインはシステム内での信号の流れを示している。電流値は、インバータ6に取り付けられた直流電流センサ32によって検出され、車輪速度は、駆動モータ8に取り付けられたエンコーダ34によって検出される。また、アクセル開度は、図示しないアクセル開度センサによって検出される。以下では、制御装置30による三方切換弁18及び切換弁20,22の切換制御と圧縮ポンプ10の流量制御について、図2乃至図5を参照しながら、車両の運転状況毎に場合分けして具体的に説明する。なお、図2乃至図5中のカソードガスラインにおいて、実太線で示す部分はガスが流れるラインであり、矢印は流れの方向を示している。図中の二点鎖線で示す部分はガスが流れないラインを示している
In the fuel cell system, the switching control of the three-
図2は、車両の力行時、すなわち駆動モータ8による走行時におけるカソードガスの流れを示す図である。力行時には、濾過器16を圧縮ポンプ10に接続するよう三方切換弁18が切り換えられるとともに、切換弁20は閉じられて切換弁22は開かれる。これにより、濾過器16を通った空気が圧縮ポンプ10で圧縮され、カソードガスとして燃料電池2のカソード2aに供給される。酸素富化膜を有する酸素富化装置14に比較して濾過器16は抵抗が小さいので、酸素富化装置14を通さずに濾過器16を通すことで、圧縮ポンプ10に吸入される空気の圧力損失を抑えることができ、その分、圧縮ポンプ10の消費電力を低減することができる。
FIG. 2 is a diagram illustrating the flow of the cathode gas during powering of the vehicle, that is, during travel by the
図3は、回生時、すなわち駆動モータ8をジュネレータ(回生手段)として機能させたときのカソードガスの流れを示す図である。回生時には、酸素富化装置14を圧縮ポンプ10に接続するよう三方切換弁18が切り換えられるとともに、切換弁20は開かれて切換弁22は閉じられる。車両が力行状態にあるか回生状態にあるかは、直流電流センサ32からの信号の向きによって判別することができる。このように回生時と力行時とでカソードガスの供給ラインを切り換えることで、次のような効果が得られる。
FIG. 3 is a diagram showing the flow of the cathode gas during regeneration, that is, when the
酸素富化装置14では、圧縮ポンプ10からの吸引力の作用により酸素富化膜の前後で圧力差が生じ、この圧力差によって空気中の窒素から酸素が分離される。これにより、酸素富化膜の下流には酸素濃度の高い酸素富化ガスが生成され、この酸素富化ガスが圧縮ポンプ10で圧縮されて貯蔵装置12に貯蔵される。酸素富化膜は抵抗が大きいため、濾過器16を通った空気を圧縮する場合に比較して圧縮ポンプ10の消費電力は高くなるが、このとき圧縮ポンプ10に供給される電力は、駆動モータ8によって減速エネルギから回生された回生電力である。従来のシステムでは、回生電力はその一部が二次電池4への充電に用いられるのみであり、残りは余剰電力となって例えばブレーキ制動に伴う熱に変換されて廃棄されていた。これに対し、本燃料電池システムによれば、この余剰電力を酸素富化ガスの生成に利用することができ、しかも、貯蔵装置12に貯蔵しておくことができる。つまり、余剰電力を廃棄することなく酸素富化ガスに変換して貯蔵しておくことができるのである。
In the
なお、駆動モータ8がジュネレータとして機能する場合、得られる回生電力は一方で車両に制動力として作用する。このため、圧縮ポンプ10での回生電力の消費量が変動すると、車両の制動力が変動することになり、乗員には減速度の変動となって作用することになる。減速度の変動は、乗員に不快感を与えるとともに運転性能を悪化させてしまう。特に車両の速度が極めて低速になったときの減速度の変動は、停止時の運転性能を大きく悪化させてしまう。したがって、制御装置30は、駆動モータ8で得られる回生電力量に応じて回生時の圧縮ポンプ10への供給電力量を制御している。すなわち、回生電力量が大きいほど供給電力量も大きくなるように制御している。また、駆動モータ8の回転数から検出される車輪速度が所定速度以下になったときには、各弁18,20,22を力行時の状態に切り換えるようにしている。酸素富化装置14を作動させないことで、すなわち、酸素富化膜を通して空気を吸入しないことで、圧縮ポンプ10による回生電力の消費量の変動を抑制することができる。なお、燃料電池2へのカソードガスの供給を必要としない場合には、車輪速度が所定速度以下になったら圧縮ポンプ10を停止させるようにしてもよい。
When the
ところで、貯蔵装置12の貯蔵量には限度がある。このため、回生時の余剰電力を利用して酸素富化ガスを生成することができても、貯蔵装置12の貯蔵量が限界になっているときには、酸素富化ガスに変換した余剰電力を蓄えておくことができない。逆に、圧縮ポンプ10を作動させる分、無駄に電力を消費してしまうことになる。そこで、本燃料電池システムでは、貯蔵装置12の貯蔵量が所定の上限値を超えた場合には、各弁18,20,22を力行時の状態に切り換え、圧縮ポンプ10の消費電力を抑制するようにしている。この場合、燃料電池2へのカソードガスの供給を必要としない場合には、圧縮ポンプ10を停止させるようにしてもよい。
By the way, the storage amount of the
一方、回生時の余剰電力を利用して酸素富化ガスを生成するだけでは、貯蔵装置12の貯蔵量が不足してしまう状況も考えられる。貯蔵装置12に蓄えた酸素富化ガスの利用については後述するが、貯蔵装置12の貯蔵量が不足していると、必要なときに必要な量の酸素富化ガスを利用できなくなってしまう。そこで、本燃料電池システムでは、貯蔵装置12の貯蔵量が所定の下限値を下回る場合には、図4に示すように、車両の力行時にも貯蔵装置12への酸素富化ガスの貯蔵を行うようにしている。
On the other hand, there may be a situation where the storage amount of the
図4は、車両の力行時において貯蔵装置12の貯蔵量が下限値を下回った場合におけるカソードガスの流れを示す図である。この場合は、酸素富化装置14を圧縮ポンプ10に接続するよう三方切換弁18が切り換えられるとともに、切換弁20と切換弁22の双方が開かれる。これにより、酸素富化装置14で生成された酸素富化ガスが圧縮ポンプ10で圧縮され、その一部が燃料電池2のカソード2aに供給されるとともに、残りは貯蔵装置12に貯蔵される。ここでは、必要な発電電力が得られるだけの流量の酸素富化ガスを燃料電池2に供給し、残りを貯蔵装置12に供給して貯蔵する。これにより、貯蔵装置12の貯蔵量が確保され、必要なときに必要な量の酸素富化ガスを利用することが可能になる。なお、圧縮ポンプ10から燃料電池2へ供給する酸素富化ガスと貯蔵装置12へ供給する酸素富化ガスの配分比は、電磁弁である両切換弁20,22のデューティ比をそれぞれ制御することで調整することができる。
FIG. 4 is a diagram showing the flow of the cathode gas when the storage amount of the
また、本燃料電池システムには二次電池4が設けられているが、二次電池4は、急加速時のように燃料電池2での発電では間に合わない場合に、燃料電池2に代わって駆動モータ8への電力供給源となる。このため、二次電池4には常に十分な量の電力が充電されている必要がある。そこで、本燃料電池システムでは、二次電池4の充電量(SOC)が所定値を下回った場合には、回生時であっても燃料電池2を作動させて発電を行うようにしている。すなわち、各弁18,20,22を力行時の状態に切り換えてカソードガスを燃料電池2に供給する。これにより、二次電池4の充電量が確保され、必要なときに二次電池4からの電力の供給が可能になる。
In addition, the secondary battery 4 is provided in the fuel cell system, but the secondary battery 4 is driven in place of the
次に、回生時に貯蔵装置12に蓄えた酸素富化ガスの利用について説明する。
Next, utilization of the oxygen-enriched gas stored in the
駆動モータ8に大きな駆動力が要求される場合、駆動モータ8が燃料電池2に要求する電力も増大する。ここで、図6は、カソードガスの流量とそれを実現するのに要する圧縮ポンプ10の消費電力との関係を示す図である。燃料電池2の発電電力は、カソードガスの流量を増大させることで増大させることができるが、図6に示すようにカソードガスの流量を増大させると、その分、圧縮ポンプ10の消費電力も増大してしまう。本燃料電池システムでは、圧縮ポンプ10消費電力を増大させることなく燃料電池2の発電電力を増大させるための手段として、貯蔵装置12に蓄えた酸素富化ガスを利用する。
When the driving
図5は、車両の力行時において特に駆動モータ8に大きな駆動力が必要とされる場合、例えば加速時のカソードガスの流れを示す図である。加速時には、濾過器16を圧縮ポンプ10に接続するよう三方切換弁18が切り換えられるとともに、切換弁20と切換弁22の双方が開かれる。これにより、濾過器16を通り圧縮ポンプ10で圧縮された空気とともに、貯蔵装置12に貯蔵されていた酸素富化ガスもカソード2aに供給される。貯蔵装置12からカソード2aへの酸素富化ガスの供給量は、燃料電池2に要求される要求電力の大きさに応じて制御される。つまり、要求電力が大きいほど、酸素富化ガスの供給量も大きく設定される。要求電力の大きさはアクセル開度や車輪速度等の情報に基づいて演算される。供給量の制御は、電磁弁である切換弁20のデューティ制御によって行うことができる。
FIG. 5 is a diagram showing the flow of cathode gas during acceleration, for example, when the driving
図7は、カソードガスの酸素濃度が燃料電池2における電流密度と電圧の関係に及ぼす影響をグラフで示している。この図に示すように、同一電流密度では、酸素濃度が高くなるほど高い電圧を得ることができ、特に、加速時のように電流密度が高くなる状況ほど、酸素濃度の上昇が電圧の上昇に与える効果は高くなる。したがって、図5に示すように、貯蔵装置12から酸素濃度の高い酸素富化ガスがカソード2aに供給されることで、圧縮ポンプ10の消費電力を増大させることなく、燃料電池2の発電電力を増大させることが可能になる。つまり、本燃料電池システムによれば、回生時の余剰電力を酸素富化ガスの形で貯蔵しておき再びそれを電力に変換して利用することができる。
FIG. 7 is a graph showing the influence of the oxygen concentration of the cathode gas on the relationship between the current density and the voltage in the
なお、図5では、貯蔵装置12からカソード2aへ酸素富化ガスを供給するとともに、圧縮ポンプ10を作動させて圧縮ポンプ10で圧縮された空気もカソード2aに供給しているが、十分なカソード流量を確保できるならば、圧縮ポンプ10を停止させて貯蔵装置12の酸素富化ガスのみをカソード2aに供給してもよい。図8は一定の発電電力を得るのに要するカソードガスの流量と酸素濃度との関係を示す図であるが、酸素濃度がある値を超えるまでは、酸素濃度が高いほど必要なカソード流量は少なくなる。したがって、貯蔵装置12から高酸素濃度の酸素富化ガスを供給する場合には、圧縮ポンプ10から単に圧縮空気を供給する場合に比較して、その流量は少なくてすむ。
In FIG. 5, the oxygen-enriched gas is supplied from the
貯蔵装置12に蓄えた酸素富化ガスの利用としては、上記のように駆動モータ8に大駆動力が要求される場合での利用の他、燃料電池2の電池セルの電圧が低下した場合での利用も考えられる。電池セルの電圧低下は、多くの場合、その電池セルへの燃料供給不足に起因するが、電圧が低下した状態を放置しておくと、その電池セル自らの発熱熱量によって焼損してしまうおそれがある。このような場合の電圧回復手段としては、カソード2aへのカソードガスの供給量を増大させることが有効であるが、圧縮ポンプ10の回転数を増大させてカソード流量を増大させる場合には、消費電力が増大してしまうだけでなく流量が増大するまでに時間遅れが生じる。そこで、本燃料電池システムでは、燃料電池2のセル電圧が所定値を下回ったときには、貯蔵装置12から酸素富化ガスを供給する。これによれば、より速やかに、且つ圧縮ポンプ10の消費電力を増大させることなく電圧を回復することが可能になる。なお、このときの貯蔵装置12からカソード2aへの酸素富化ガスの供給量は、セル電圧と所定値との差に応じて、つまり、セル電圧と所定値との差が大きいほど大きくなるように設定する。
The oxygen-enriched gas stored in the
以上説明したように、本燃料電池システムによれば、駆動モータ8によって電力が消費される力行時には酸素富化装置14を介して空気を吸入せず、システム内の電力が余剰になる回生時に酸素富化装置14を介して空気を吸入し酸素富化ガスを生成するので、駆動モータ8の利用可能電力を減少させることがない上に、余剰電力を有効に利用することもできる。しかも、生成された酸素富化ガスは貯蔵装置12に貯蔵されるので、余剰電力は酸素富化ガスに置換されて貯蔵されることになり、いつでも必要なときに利用可能になる。つまり、本燃料電池システムによれば、システム全体での電力の有効利用が可能になる。
As described above, according to the present fuel cell system, when power is consumed by the
なお、上述の実施の形態1では、酸素富化装置(酸素富化膜)14、圧縮ポンプ10、及び三方切換弁18によって、第1の発明及び第6の発明の「酸素富化装置」が実現されている。第1の発明及び第6の発明において「酸素富化装置を作動させる」とは、上述の実施の形態1では、圧縮ポンプ10を作動させた状態で、三方切換弁18による圧縮ポンプ10との接続を酸素富化装置14側に切り換えることを意味し、「酸素富化装置の作動を停止させる」とは、圧縮ポンプ10の作動を停止させるか、若しくは、圧縮ポンプ10を作動させた状態で、三方切換弁18による圧縮ポンプ10との接続を濾過器16側に切り換えることを意味する。
In the first embodiment described above, the “oxygen enrichment device” of the first invention and the sixth invention is constituted by the oxygen enrichment device (oxygen enrichment film) 14, the
実施の形態2.
以下、図9乃至図11を参照して、本発明の実施の形態2について説明する。本燃料電池システムは、図1に示す実施の形態1の燃料電池システムの構成において、カソードガスラインの最上流部の構成を図9、図10に示す構成に置き換えたものである。図中では、実施の形態1と同一の要素については同一の符号を付している。図9は、車両の力行時における各弁18,20,22の切換状態を示す図であり、図10は、回生時における各弁18,20,22の切換状態を示す図である。
The second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. This fuel cell system is obtained by replacing the configuration of the most upstream part of the cathode gas line with the configuration shown in FIGS. 9 and 10 in the configuration of the fuel cell system of Embodiment 1 shown in FIG. In the figure, the same reference numerals are given to the same elements as those in the first embodiment. FIG. 9 is a diagram illustrating a switching state of the
本実施形態の燃料電池システムは、分離係数の異なる二種類の酸素透過膜を用いることを特徴としている。図9,図10に示すように、三方切換弁18の圧縮ポンプ10に接続されるポート以外の二つのポートには、酸素富化装置14Aと別の酸素富化装置14Bが接続されている。一方の酸素富化装置14Aは酸素の窒素に対する分離係数の高い酸素富化膜を有し、他方の酸素富化装置14Bは分離係数の低い酸素富化膜を有している。
The fuel cell system of this embodiment is characterized in that two types of oxygen permeable membranes having different separation coefficients are used. As shown in FIGS. 9 and 10, the
図11は、酸素富化膜の分離係数と抵抗(通過抵抗)との関係を示す図であるが、分離係数が大きいほどその抵抗は大きく、分離係数が小さい酸素富化膜は抵抗も小さい。したがって、三方切換弁18を分離係数の高い酸素富化膜を有する酸素富化装置14A側に切り換えた場合には、圧縮ポンプ10の消費電力は大きくなるが、高濃度の酸素富化ガスを得ることができる。逆に、三方切換弁18を分離係数の低い酸素富化膜を有する酸素富化装置14B側に切り換えた場合には、高濃度の酸素富化ガスを得ることはできないが、圧縮ポンプ10の消費電力は小さくすることができる。
FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the separation coefficient and resistance (passage resistance) of the oxygen-enriched film. The larger the separation coefficient, the larger the resistance, and the smaller the separation coefficient, the smaller the resistance. Therefore, when the three-
本燃料電池システムでは、回生時には、図10に示すように、分離係数の高い酸素富化膜を有する酸素富化装置14Aを圧縮ポンプ10に接続するよう三方切換弁18が切り換えられるとともに、切換弁20は開かれて切換弁22は閉じられる。これにより、実施の形態1と同様、高濃度の酸素富化ガスが圧縮ポンプ10で圧縮されて貯蔵装置12に貯蔵される。一方、力行時には、図9に示すように、分離係数の低い酸素富化膜を有する酸素富化装置14Bを圧縮ポンプ10に接続するよう三方切換弁18が切り換えられるとともに、切換弁20は閉じられ切換弁22は開かれる。これにより、圧縮ポンプ10の消費電力の増大を抑えながら、実施の形態1の場合よりも酸素濃度の高いカソードガスを燃料電池2に供給することが可能になる。
In this fuel cell system, at the time of regeneration, as shown in FIG. 10, the three-
このように、本燃料電池システムによれば、分離係数の異なる二種類の酸素透過膜を備え、状況に応じて圧縮ポンプ10との接続を切り換えることで、実施の形態1と同様、システム全体での電力の有効利用を可能にしながら、燃料電池2の発電効率をより向上させることができる。なお、ここでは、力行時と回生時の各弁18,20,22の切換について説明したが、他の状況における各弁18,20,22の切り換えについては、実施の形態1と同様に行えばよい。
As described above, according to the present fuel cell system, the two types of oxygen permeable membranes having different separation coefficients are provided, and the connection with the
なお、上述の実施の形態2では、酸素富化装置(酸素富化膜)14A、圧縮ポンプ10、及び三方切換弁18によって、第1の発明及び第6の発明の「酸素富化装置」が実現されている。第1の発明及び第6の発明において「酸素富化装置を作動させる」とは、上述の実施の形態2では、圧縮ポンプ10を作動させた状態で、三方切換弁18による圧縮ポンプ10との接続を酸素富化装置14A側に切り換えることを意味し、「酸素富化装置の作動を停止させる」とは、圧縮ポンプ10の作動を停止させるか、若しくは、圧縮ポンプ10を作動させた状態で、三方切換弁18による圧縮ポンプ10との接続を酸素富化装置14B側に切り換えることを意味する。
In the second embodiment described above, the “oxygen enrichment device” of the first invention and the sixth invention is constituted by the oxygen enrichment device (oxygen enrichment film) 14A, the
その他.
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。
Others.
Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the following modifications may be made.
上述の実施の形態では、酸素富化装置として膜分離式の装置を用いているが、本発明にかかる酸素富化装置は膜分離式に限定されない。すなわち、電力の供給によって作動する酸素富化装置であればよく、例えば、特許文献1に記載されるような磁界式の装置や公知の圧力スイング式の分離装置でもよい。 In the above-described embodiment, a membrane separation type apparatus is used as the oxygen enrichment apparatus, but the oxygen enrichment apparatus according to the present invention is not limited to the membrane separation type. That is, any oxygen-enriching device that operates by supplying electric power may be used. For example, a magnetic field type device as described in Patent Document 1 or a known pressure swing type separation device may be used.
2 燃料電池
2a カソード
4 二次電池
6 インバータ
8 駆動モータ
10 圧縮ポンプ
12 貯蔵装置
14 酸素富化装置(酸素富化膜)
14A 酸素富化装置(高分離係数の酸素富化膜)
14B 酸素富化装置(低分離係数の酸素富化膜)
16 濾過器
18 三方切換弁
20,22 切換弁
30 制御装置
2
14A oxygen enrichment device (oxygen enrichment membrane with high separation factor)
14B oxygen enricher (low separation factor oxygen enriched membrane)
16
Claims (9)
電力により作動するモータと、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記モータで消費されないシステム内の余剰電力を前記酸素富化装置に供給することを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that generates electricity by supplying an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen;
A motor operated by electric power,
An oxygen enrichment device disposed in a supply system of a cathode gas to the fuel cell and operating with electric power to generate an oxygen enriched gas;
Control means for controlling the operating state of the oxygen enricher,
The fuel cell system, wherein the control means supplies surplus power in the system that is not consumed by the motor to the oxygen enricher.
水素を含むアノードガスと酸素を含むカソードガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池へのカソードガスの供給系に配置され、電力により作動して酸素富化ガスを生成する酸素富化装置と、
前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスを貯蔵する貯蔵手段と、
電力により作動して車両を駆動する駆動モータと、
前記車両の減速エネルギを電力として回生する回生手段と、
前記酸素富化装置の作動状態を制御する制御手段と、
システム内でのカソードガスの供給ラインを切り換えるライン切換手段とを備え、
前記駆動モータによる力行時には、前記制御手段により前記酸素富化装置の作動が停止されるとともに、前記燃料電池へカソードガスが供給されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられ、
前記回生手段による回生時には、前記制御手段により前記酸素富化装置が作動されるとともに、前記酸素富化装置で生成された酸素富化ガスが前記貯蔵手段に貯蔵されるよう前記ライン切換手段により前記供給ラインが切り換えられることを特徴とする燃料電池システム。 In a fuel cell system mounted on a vehicle,
A fuel cell that generates electricity by supplying an anode gas containing hydrogen and a cathode gas containing oxygen;
An oxygen enrichment device disposed in a supply system of cathode gas to the fuel cell and operating with electric power to generate an oxygen enriched gas;
Storage means for storing the oxygen-enriched gas produced by the oxygen-enriching device;
A drive motor that operates with electric power to drive the vehicle;
Regenerative means for regenerating deceleration energy of the vehicle as electric power;
Control means for controlling the operating state of the oxygen enricher;
Line switching means for switching the cathode gas supply line in the system,
During powering by the drive motor, the operation of the oxygen enrichment device is stopped by the control means, and the supply line is switched by the line switching means so that cathode gas is supplied to the fuel cell,
At the time of regeneration by the regeneration means, the oxygen enrichment apparatus is operated by the control means, and the line switching means allows the oxygen enriched gas generated by the oxygen enrichment apparatus to be stored in the storage means. A fuel cell system, wherein a supply line is switched.
9. The fuel cell system according to claim 6, wherein the operation of the oxygen enrichment device is stopped by the control unit under a predetermined condition regardless of an operation state of the vehicle. .
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JP2007250291A (en) * | 2006-03-15 | 2007-09-27 | Equos Research Co Ltd | Fuel cell and oxygen supply device for fuel cell |
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JP2013140726A (en) * | 2012-01-05 | 2013-07-18 | Toyota Motor Corp | Fuel battery |
KR101411542B1 (en) * | 2012-08-23 | 2014-06-27 | 삼성중공업 주식회사 | Fuel cell system and method of operating the same |
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