JP2005158647A - 燃料電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 周囲の環境に応じた効率的な発電を行うことができる燃料電池の制御装置を提供する。
【解決手段】 アノード極２に水素、カソード極３に酸化ガスを供給して発電する燃料電池１と、該アノード極２に水素を供給するアノードガス供給手段４と、前記燃料電池１の発電電力を用いてコンプレッサ１０を駆動して、前記カソード極３に加圧された酸化ガスを供給するカソードガス供給手段１０とを有する燃料電池の制御装置である。燃料電池１のカソード圧力の目標値を設定する目標圧力設定手段（Ｓ０４）と、前記目標値を大気圧に応じて補正する補正手段（Ｓ０６）と、前記燃料電池１のカソード圧力が該補正された目標値になるように制御する制御手段（Ｓ０８）を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アノード極に水素を供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池の発電電力を用いてコンプレッサを駆動して、前記カソード極に加圧された酸化ガスを供給するカソードガス供給手段とを有する燃料電池の制御装置に関するものである。

近年、燃料電池による発電電力を駆動源とする燃料電池車両の開発が進められている。この種の燃料電池車両としては、アノード極に水素を供給するアノードガス供給手段と、カソード極に酸化ガスを供給するコンプレッサとを車両内に搭載して、アノード極に水素、カソード極に酸化ガスを供給して発電するものがある。ところで、コンプレッサを駆動するためには電力を必要とするため、燃料電池で発電した電力の一部はコンプレッサで消費されることになる。そして、発電電力の増大に伴い、コンプレッサで消費される電力も増大することになるため、発電電力を無制限に増大させていくことは必ずしも効率的とは言えない。このような観点から、特許文献１には、燃料電池の発電効率（コンプレッサの消費電力も考慮した総合効率）が最大になるように、目標発電電流に応じてカソード圧力を設定する技術が提案されている。
特開平８−４５５２５号公報

しかしながら、燃料電池の発電効率は、目標発電電流を考慮するだけでは不十分であり、周囲の温度や圧力などの環境に応じて変動してしまうため、上述した従来技術の制御では、十分に効率的な発電を行うことができない場合があるという問題がある。
本発明は、周囲の環境に応じた効率的な発電を行うことができる燃料電池の制御装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、アノード極に水素、カソード極に酸化ガスを供給して発電する燃料電池と、該アノード極に水素を供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池の発電電力を用いてコンプレッサを駆動して、前記カソード極に加圧された酸化ガスを供給するカソードガス供給手段（例えば、実施の形態における制御部１０）とを有する燃料電池の制御装置において、前記燃料電池のカソード圧力の目標値を設定する目標圧力設定手段（例えば、実施の形態におけるステップＳ０４）と、前記目標値を大気圧に応じて補正する補正手段（例えば、実施の形態におけるステップＳ０６）と、前記燃料電池のカソード圧力が該補正された目標値になるように制御する制御手段（例えば、実施の形態におけるステップＳ０８）を有することを特徴とする。
この発明によれば、前記コンプレッサの消費電力の変動する要因となる大気圧に応じて、前記目標値を補正することができるので、大気圧が変動したときでも、前記コンプレッサの消費電力を抑えつつ、外部出力の低下を防ぐことができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記補正手段は、検出された大気圧が低下するときには、前記目標値を低下させることを特徴とする。
この発明によれば、前記大気圧が低下するときに前記目標値を低下させるので、前記大気圧が低下傾向にないときと同等の駆動力を前記コンプレッサに要求して前記コンプレッサの消費電力が増加することを防止することができ、外部出力の低下を防ぐことができる。

請求項３に係る発明は、アノード極に水素、カソード極に酸化ガスを供給して発電する燃料電池と、該アノード極に水素を供給するアノードガス供給手段と、前記燃料電池の発電電力を用いてコンプレッサを駆動して、前記カソード極に加圧された酸化ガスを供給するカソードガス供給手段とを有する燃料電池の制御装置において、前記燃料電池のカソード圧力の目標値を設定する目標圧力設定手段と、前記目標値を吸気温に応じて補正する補正手段（例えば、実施の形態におけるステップＳ３０）と、前記燃料電池のカソード圧力が該補正された目標値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。
この発明によれば、前記コンプレッサの消費電力の変動する要因となる吸気温に応じて、前記目標値を補正することができるので、吸気温が変動したときでも、前記コンプレッサの消費電力を抑えつつ、外部出力の低下を防ぐことができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載のものであって、前記補正手段は、検出された吸気温が上昇するときには、前記目標値を低下させることを特徴とする。
この発明によれば、前記吸気温が上昇するときに前記目標値を低下させるので、前記吸気温が上昇しないときと同等の駆動力を前記コンプレッサに要求して前記コンプレッサの消費電力が増加することを防止することができ、外部出力の低下を防ぐことができる。

請求項１に係る発明によれば、大気圧が変動したときでも、前記コンプレッサの消費電力を抑えつつ、外部出力の低下を防ぐことができるため、周囲の圧力環境が変動した場合であっても、効率的な発電を行うことができる。
請求項２に係る発明によれば、大気圧が低下する場合でも、効率的な発電を行うことができる。

請求項３に係る発明によれば、吸気温が変動したときでも、前記コンプレッサの消費電力を抑えつつ、外部出力の低下を防ぐことができるため、周囲の温度環境が変動した場合であっても、効率的な発電を行うことができる。
請求項４に係る発明によれば、吸気温が上昇する場合でも、効率的な発電を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池の制御装置について実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御装置のブロック図である。
燃料電池（ＦＣ）１は、例えば固体ポリマーイオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノード極２とカソード極３とで両側から挟持し更にセパレータで挟持したセルを複数積層して構成されている（図１には簡略化のため単セルのみを示している）。アノード極２に燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソード極３に酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード極２で触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソード極３まで移動し、カソード極３で酸素と電気化学反応を起こして発電し、水が生成される。

空気はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ（Ｓ／Ｃ）１０により所定圧力に昇圧されて燃料電池１のカソード極３に空気供給流路１１から供給され、反応後には燃料電池１から空気オフガスとして空気オフガス流路１２から背圧弁１３を経由して排出される。
一方、高圧の水素タンク（Ｈ２）を有するアノードガス供給システム４から供給される水素ガスは、水素ガス供給流路（燃料供給流路）６の途中に設けられたレギュレータ５によって所定圧力に減圧されて燃料電池１のアノード極２に供給される。燃料電池１に供給された水素ガスは発電に供された後、燃料電池１から水素オフガスとして水素オフガス循環流路（循環流路）７に排出される。

水素オフガス循環流路７は、レギュレータ５よりも下流の水素ガス供給流路６にエゼクタ８を介して接続されている。これにより、燃料電池１から排出された水素オフガスは、水素ガス供給流路６にエゼクタ８を介して合流するようになっており、これにより水素オフガスは、アノードガス供給システム４から供給される新鮮な水素ガスと混合されて、再び燃料電池１のアノード極２に供給される。

ここで、水素オフガス循環流路７には分岐流路１６が設けられ、この分岐流路１６には排出弁１５が設けられている。
また、前記レギュレータ５には、コンプレッサ１０の下流側の空気供給流路１１から分岐した分岐流路１８がオリフィス１９を介して接続され、分岐流路１８から入力されるパイロット圧力に応じてレギュレータ５が作動するようになっている。

また、アノードガス供給システム４、コンプレッサ１０、背圧弁１３のそれぞれには、制御部（ＥＣＵ）１４が接続されている。この制御部１４は、負荷の作動に必要な電力を算出して、この算出した電力に基づいてアノードガス供給システム４、コンプレッサ１０にそれぞれ制御信号を送信する。これにより、アノードガス供給システム４，コンプレッサ１０から供給される反応ガスの量が調整され、燃料電池１での発電量が制御される。

また、制御部１４は、アクセルペダル開度センサ２１、大気圧センサ２２、コンプレッサ１０からカソード極３に供給される空気の流量を検出する空気流量センサ２３、該空気の圧力を検出する空気圧力センサ２４、吸気温センサ３２がそれぞれ接続され、これらのセンサ２１〜２４、３２で検出された検出値に応じた制御を行う。以下、この制御について説明する。

図２は図１の制御装置における燃料電池１に供給する反応ガスの圧力の制御についてのフローチャートである。まず、ステップＳ０２で、アクセルペダル開度センサ２１で検出されたアクセル開度に応じた燃料電池１の目標発電電流を計算する。ステップＳ０４で、前記目標発電電流のときに発電効率が最大になるように目標圧力を設定する。この目標圧力は図６を用いて設定する。図７は、標準状態（大気圧の圧力値が基準圧力値であり、吸気温度値が基準温度値となる状態）における、目標発電電流と目標圧力との関係を示すグラフ図である。ここで、目標圧力として、カソード極３の入口圧力を設定しているが、出口圧力を設定してもよい。

ステップＳ０６で、大気圧センサ２２で大気圧力ＰＯを検出して、この大気圧力ＰＯに応じた補正係数を算出する。この補正係数は図７を用いて算出する。図７は大気圧と補正係数との関係を示すグラフ図である。本実施の形態では、所定の標高（例えば、海抜０ｍ）の高さのときの圧力値を基準圧力値として設定し、この基準圧力値のときの補正係数を１．０に設定している。そして、大気圧センサ２２で検出された大気圧が基準圧力値よりも高い場合には補正係数を増加させ、大気圧センサ２２で検出された大気圧が基準圧力値よりも低い場合には補正係数を減少させる。
ステップＳ０８で、前記補正係数に応じて目標圧力を補正する。この補正は、ステップＳ０４で設定した目標圧力に補正係数を乗じることにより行う。
ステップＳ１０で、空気圧力センサ２４によりカソード極３の入口圧力（実圧力）を検出する。そして、ステップＳ１２で、ステップＳ０８で補正した目標圧力に前記実圧力が一致するように、背圧弁１３の開度をフィードバック制御して、このフローチャートの処理を終了する。

図３は燃料電池１に供給する反応ガスの流量の制御についてのフローチャートである。ステップＳ２２で、アクセルペダル開度センサ２１で検出されたアクセル開度に応じた燃料電池１の目標発電電流を計算する。ステップＳ０４で、前記目標発電電流に応じて目標空気流量を設定する。ここで、目標空気流量として、カソード極３の入口流量を設定しているが、出口流量を設定してもよい。ステップＳ２６で、空気流量センサ２３によりカソード極３の入口流量（実流量）を検出する。そして、ステップＳ２８で、目標空気流量に前記実流量が一致するように、コンプレッサ１０の回転数をフィードバック制御して、このフローチャートの処理を終了する。
このように、カソード極３の空気流量をコンプレッサ１０の回転数で制御する一方で、カソード極３の空気圧力を背圧弁１３で独立に制御することで、それぞれの量を精度よく制御することができる点で好ましい。なお、空気流量と空気圧力の制御にコンプレッサ１０と背圧弁１３を併用してもよい。

図５はカソードガス圧力と燃料電池１の発電電力、コンプレッサの消費電力の関係を示すグラフ図である。同図において、ラインＬ１は燃料電池１の発電電力を、ラインＬ２はステップＳ０６、Ｓ０８に示した補正をしていない目標圧力でのコンプレッサ１０の消費電力、ラインＬ３は前記補正をした目標圧力でのコンプレッサ１０の消費電力をそれぞれ示している。また、ＰＡ＿Ｃは基準圧力値と略同等の圧力値であり、ＰＡ＿Ａ（ＰＡ＿Ｂと等しい）は基準圧力値よりも有る程度低い圧力値である。同図に示すように、大気圧が基準圧力値に比較的近い場合（ＰＡ＿Ｃ）には、補正の有無に関わらず、コンプレッサ１０の消費電力は略同等であり、外部出力も略同等となる。しかしながら、大気圧が基準圧力値よりも低下する場合（ＰＡ＿Ａ、ＰＡ＿Ｂ）には、目標圧力の補正をしないとコンプレッサ１０の消費電力が大きく増大し、コンプレッサ１０の消費を取り除いた燃料電池１から外部へ取り出せる電力も大幅に低下してしまう。これに対し、目標圧力の補正をした場合にはコンプレッサ１０の消費電力の増大を抑えることができるので、外部出力の低下を抑えることができる。

また、図９と図１０とを用いて本実施の形態の制御装置と従来の制御装置の効率の違いについて説明する。従来の制御装置では、図１０に示すように、標高が低い場合（標高：低）にはコンプレッサ１０の消費電力が少ないため、比較的要求通りの外部出力（負荷出力）を得ることができる。しかしながら、標高が有る程度高くなっても（標高：中）、カソード極３の入口圧を標高低のときと同様に高い状態で維持しようとするため、発電出力は略変わらないが、これに伴いコンプレッサ１０の仕事量が圧力低下により増大するため、コンプレッサ１０の電力消費が増大してしまう。このため、結果として外部出力は大幅に低下してしまう。そして、さらに標高が高くなると（標高：高）、コンプレッサ１０の性能限界から発電電力も低下する一方で、コンプレッサ１０の電力消費はさらに増大し、外部出力はさらに低下する。

これに対し、本実施の形態の制御装置では、標高が低い場合（標高：低）にはコンプレッサ１０の消費電力が少ないため、高い外部出力を得ることができる。さらに、標高が有る程度高くなっても（標高：中）、カソード極３の入口圧を低下させる補正を行うので、発電出力が低下するものの、コンプレッサ１０の仕事量の増大を抑えることができる。従って、全体の発電効率は標高が低い場合と同様に高い状態を維持することができる。また、さらに標高が高くなって（標高：高）、コンプレッサ１０の性能限界に達したときであっても、カソード極３の入口圧をさらに低下させる補正を行うので、コンプレッサ１０の仕事量の増大を抑えて、発電効率を従来よりも高くすることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態における燃料電池の制御装置について図１を用いて説明する。本実施の形態では、大気圧センサ２２に変えて、吸気温センサ３２を用いる点が、第１の実施の形態と異なっており、吸気温ＴＡに応じた制御を行っている。これについて、図４を用いて説明する。図４は図１の制御装置における圧力制御処理のフローチャートである。同図に示すように、このフローチャートでは、図２のステップＳ０６の処理に変えて、ステップＳ３０のように、吸気温センサ３２で吸気温ＴＡを検出して、この吸気温ＴＡに応じた補正係数を算出している。この補正係数は図８を用いて算出する。図８は吸気温と補正件数との関係を示すグラフ図である。本実施の形態では、所定の標高（例えば、海抜０ｍ）の高さのときの吸気温度値を基準温度値として設定し、この基準温度値のときの補正係数を１．０に設定している。そして、吸気温センサ３２で検出された吸気温が基準温度値よりも高い場合には補正係数を減少させ、吸気温センサ３２で検出された吸気温が基準温度値よりも低い場合には補正係数を増加させる。吸気温が基準温度値よりも高くなると、コンプレッサ１０の空気体積流量も増加するため、吸気温が基準温度値と同じときのカソード極３の圧力を維持しようとした場合には、コンプレッサ１０の消費電力が増大してしまう。従って、ステップＳ３２のように補正することで、コンプレッサ１０の消費電力の増大を抑えることができる。
このように、本実施の形態においては、吸気温が変動したときでも、前記コンプレッサ１０の消費電力を抑えつつ、外部出力の低下を防ぐことができるため、周囲の温度環境が変動した場合であっても、効率的な発電を行うことができる。

なお、本発明の内容は上述した実施の形態のみに限られるものではないことはもちろんである。例えば、実施の形態では、燃料電池システムを車両に搭載した場合について説明したが、車両に限られるものではない。また、実施の形態では、基準圧力値や基準温度値を設定し、検出された大気圧が基準圧力値よりも低いとき、または、検出された吸気温が基準温度値よりも高いときに、カソード圧力の目標値を低下する制御を行ったが、必ずしも基準圧力値や基準温度値を設定しなくてもよい。すなわち、検出された大気圧が低下傾向のときや、検出された吸気温が上昇傾向のときには、カソード圧力の目標値を低下するように制御してもよい。また、第１の実施の形態の制御と第２の実施の形態の制御とを併用させてもよい。

本発明の第１の実施の形態における燃料電池の制御装置のブロック図である。 図１の制御装置における圧力制御処理のフローチャートである。 図１の制御装置における流量制御処理のフローチャートである。 図４の制御装置における圧力制御処理のフローチャートである。 カソードガス圧力と燃料電池１の発電電力、コンプレッサの消費電力の関係を示すグラフ図である。 目標発電電流と目標圧力との関係を示すグラフ図である。 大気圧と補正係数との関係を示すグラフ図である。 吸気温と補正係数との関係を示すグラフ図である。 図１の制御装置における標高と発電電力との関係を示す模式図である。 従来の制御装置における標高と発電電力との関係を示す模式図である。

符号の説明

１ 燃料電池
２ アノード極
３ カソード極
４ アノードガス供給システム
１０ コンプレッサ
１４ 制御部（ＥＣＵ）
２２ 大気圧センサ
２３ 流量センサ
２４ 圧力センサ
３２ 吸気温センサ

Claims (4)

1. アノード極に水素、カソード極に酸化ガスを供給して発電する燃料電池と、
   該アノード極に水素を供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池の発電電力を用いてコンプレッサを駆動して、前記カソード極に加圧された酸化ガスを供給するカソードガス供給手段とを有する燃料電池の制御装置において、
   前記燃料電池のカソード圧力の目標値を設定する目標圧力設定手段と、
   前記目標値を大気圧に応じて補正する補正手段と、
   前記燃料電池のカソード圧力が該補正された目標値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燃料電池の制御装置。
2. 前記補正手段は、検出された大気圧が低下するときには、前記目標値を低下させることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御装置。
3. アノード極に水素、カソード極に酸化ガスを供給して発電する燃料電池と、
   該アノード極に水素を供給するアノードガス供給手段と、
   前記燃料電池の発電電力を用いてコンプレッサを駆動して、前記カソード極に加圧された酸化ガスを供給するカソードガス供給手段とを有する燃料電池の制御装置において、
   前記燃料電池のカソード圧力の目標値を設定する目標圧力設定手段と、
   前記目標値を吸気温に応じて補正する補正手段と、
   前記燃料電池のカソード圧力が該補正された目標値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燃料電池の制御装置。
4. 前記補正手段は、検出された吸気温が上昇するときには、前記目標値を低下させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の制御装置。
   

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