JP2006019210A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の損傷を確実に防止し、制限電力や制限電流のハンチングを抑える。
【解決手段】燃料電池１の総電圧を電圧センサ３５で検出し、この電圧センサ３５により検出された燃料電池１の総電圧値に応じて、電流制限手段３３が燃料電池１からの取り出し電力又は取り出し電流を制限する。このとき、電流制限手段３３は、電圧センサ３５により検出される燃料電池１の総電圧値の増減に伴って、燃料電池１からの取り出し電力又は取り出し電流が増減するように、電力制限値又は電流制限値を前記総電圧値に応じて変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関するものであり、特に、車両に搭載された燃料電池や周辺部品の保護等の目的で行われる燃料電池の出力制限方法の改良に関する。

燃料電池システムは、燃料電池スタックの燃料極（アノード）に水素を含む燃料ガス、酸化剤極（カソード）に空気等の酸化剤ガスをそれぞれ供給し、電解質膜を介して水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得るものである。このような燃料電池システムは、例えば自動車の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。

燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、特に自動車に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプの燃料電池が知られている。固体高分子タイプの燃料電池は、燃料極と酸化剤極との間に膜状の固体高分子が設けられたものであり、この固体高分子膜が水素イオン伝導体として機能するようになっている。固体高分子タイプの燃料電池では、燃料極で水素ガスが水素イオンと電子とに分離される反応が起き、酸化剤極で空気中の酸素と水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。

ところで、燃料電池には、取り出し電流を増やすと、総電圧が低下するという特性がある。これは、電極における触媒の反応ロス、電流に比例して生ずる電気抵抗、ガスの供給ロスによって発電効率が低下する等の理由による。また、燃料電池が低温状態にあるとき、空気コンプレッサや水素循環エゼクタ・ポンプのばらつき、劣化等によって、空気ストイキや水素ストイキが設計値に未達であるような空気不足、水素不足が生じた場合、あるいは、燃料電池が極端に劣化してＩ−Ｖ特性が低下した場合にも、総電圧が低下する。

このような状態で出力電流を増加させると、燃料電池の負荷が過大になって燃料電池にダメージを与え、性能の劣化に繋がる虞れがある。そこで従来、燃料電池の出力を制限する方法が種々検討されている（例えば、特許文献１等を参照）。この特許文献１記載の発明では、燃料電池の最低しきい値を設定し、検出された総電圧（モニタ電圧）が前記しきい値よりも小さいときには出力をカットし、総電圧低下による燃料電池の損傷を防止するようにしている。
特開平７−２７２７３６号公報

しかしながら、燃料電池から電流や電力を取り出すパワーマネージャ、電流センサ、電圧センサ等には遅れがあるため、ただ単に電圧センサ値に基づいて電力や電流を制限すると、制限電力や制限電流がハンチング（変動）する可能性がある。

そこで、本発明は、このような従来の燃料電池システムにおける不都合を解消するために提案されたものであり、燃料電池の損傷を確実に防止することができ、制限電力や制限電流のハンチングを抑え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。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、この燃料電池の総電圧を検出する電圧検出手段と、この電圧検出手段により検出された総電圧値に応じて燃料電池からの取り出し電力又は取り出し電流を制限する出力制限手段とを備える。そして、出力制限手段が、電圧検出手段により検出される燃料電池の総電圧値の増減に伴って、燃料電池からの取り出し電力又は取り出し電流が増減するように、電力制限値又は電流制限値を総電圧値に応じて変化させるようにしている。

本発明の燃料電池システムでは、電圧検出手段により検出された総電圧値に応じて燃料電池からの取り出し電力又は取り出し電流に制限を加えるようにしているので、燃料電池の負荷が過大になることによる損傷が防止される。

また、燃料電池の総電圧が小さくなるほど燃料電池からの取り出し電力あるいは取り出し電流が小さくなるように、電力制限値あるいは電流制限値を電圧値に応じて徐々に変化させ、前記制限を加えるようにしているので、電圧低下に伴って制限量が急激に増えることがなく、電流や電力を取り出すパワーマネージャ、電流センサ、電圧センサ等に遅れがあったとしても、制限電流や制限電力のハンチングが小さく抑えられる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の損傷を確実に防止することができ、制限電力や制限電流のハンチングを抑えることが可能である。

以下、本発明を適用した燃料電池システムの具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明を適用した燃料電池システムの構成例を示す図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、発電を行う燃料電池１と、この燃料電池１に燃料ガスである水素を供給するための水素供給系、酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給系を備える。

燃料電池１は、水素が供給されるアノード（燃料極）と空気が供給されるカソード（酸化剤極）とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層されたスタック構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換する。この燃料電池１の各発電セルでは、アノードに供給された水素が水素イオンと電子とに分離される反応が起き、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させ、カソード側にそれぞれ移動する。カソードでは、供給された空気中の酸素と電解質を通って移動した水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。すなわち、燃料電池１では、以下に示す電極反応が進行し、電力が発電される。

アノード（燃料極）： Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （１）
カソード（酸化剤極）： ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ （２）
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

以上のように、燃料電池１で発電を行うには、この燃料電池１のカソードに酸化剤ガスである空気、アノードに燃料ガスである水素をそれぞれ供給する必要があり、そのための機構が空気供給系及び水素供給系である。

ここで、空気供給系は、外気を吸入し燃料電池１のカソードに空気を圧送するためのコンプレッサ２、空気供給管３、カソード排ガスを排出するための空気排気管４、及び空気調圧弁５を備えた構成とされている。空気は、前記コンプレッサ２により加圧して空気供給管３に送り込まれ、燃料電池１のカソードに供給される。燃料電池１で消費されなかった酸素及び空気中の他の成分は、空気排気管４から大気中に排出される。なお、この空気供給系には、空気供給管３と空気排気管４とに跨るようにウォータ・リカバリ・デバイス６が設けられており、このウォータ・リカバリ・デバイス６による水分移動によって、燃料電池１に供給される空気を必要に応じて加湿するようになっている。ウォータ・リカバリ・デバイス６には、例えば中空糸材料等が用いられ、湿度が高いカソード出口排空気の水分を供給空気側へ戻し、供給空気を加湿する機能を持つ。また、カソードの空気圧は、圧力センサ７によって検出され、空気調圧弁５を駆動することにより制御される。

水素供給系は、例えば、水素供給源である水素タンク８、水素タンク元弁９、減圧弁１０、水素調圧弁１１、水素供給管１２、水素循環配管１３、及び水素排気管１４を備えて構成される。そして、燃料電池１のアノードへの水素供給は、水素タンク８から水素タンク元弁９、減圧弁１０、及び水素調圧弁１１を介して、水素供給管１２を通じてなされる。すなわち、水素タンク８から水素タンク元弁９を介して取り出された高圧水素が、減圧弁１０で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素調圧弁１１で燃料電池１の水素圧力が所望の水素圧になるように制御された上で、水素供給管１２を通じて燃料電池１のアノードへ供給される。

燃料電池１では供給された水素が全て消費されるわけではなく、したがって、残った水素（燃料電池１のアノードから排出される水素）は、水素循環配管１３を通ってエゼクタ１５により循環され、新たに水素タンク８から取り出された水素と混合されて再び燃料電池１のアノードに供給される。

また、アノードの水素圧は、圧力センサ１６によって検出され、水素調圧弁１１を駆動することによって制御される。水素圧を一定にすることによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われることになる。また、水素排気管１４にはパージ弁１７が設けられており、水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素等を排出する。また、このパージ弁１７は、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばし、セル電圧を回復させるという用途にも用いられる。なお、水素排気管１４のパージ弁１７の下流位置には、希釈ブロア１８が設けられているが、この希釈ブロア１８はパージにより排出される水素を可燃濃度未満に希釈する役割を果たす。

電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子電解質型の燃料電池１は、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低く、過熱時にはこれを冷却することが必要である。このため、燃料電池１を冷却する冷却機構が設けられている。この冷却機構は、冷却液を燃料電池１に循環供給する冷却液循環配管１９を有し、ポンプ２０によって循環される冷却液により燃料電池１を冷却し、これを最適な温度に維持する。

前記冷却機構の冷却液循環配管１９の経路内には、ラジエータファン２１を有するラジエータ２２が設けられており、燃料電池１の冷却により加熱された冷却液は、ここで冷却される。また、冷却液循環配管１９は三方弁２３によって分岐されており、分岐経路として前記ラジエータ２２と並列にバイパス配管２４が設けられている。冷却液は、前記三方弁２３によってラジエー２２タ側とバイパス配管２４側に分流され、冷却温度が調整される。なお、バイパス配管２４を流れる冷却液の流量は、前記三方弁２３を調整することにより制御される。

冷却液循環配管１９の燃料電池１の入口近傍位置には、温度センサ２５が設けられており、この温度センサ２５によって検出される燃料電池１入口の冷却液温度に応じて三方弁２３を調整するようになっている。なお、前記三方弁２３をラジエータ２２側に切り替えるだけでは冷却液を所望の温度に冷却できないときには、ラジエータファン２１も駆動する。

以上の構成を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池１で発生した電力（電流）は、パワーマネージャ２６により取り出され、駆動モータ２７に電力が供給されてこれを駆動する。パワーマネージャ２６には、冷却液を循環供給するＰＭ用冷却液循環経路２８が接続されており、冷却液はポンプ２９によってパワーマネージャ２６と前記冷却機構のラジエータ２２とに亘って循環され、パワーマネージャ２６を冷却する。パワーマネージャ２６の近傍にも温度センサ３０が設置されており、この温度センサ３０によりパワーマネージャ２６入口の冷却液温度を検出する。そして、パワーマネージャ２６入口の冷却液温度を所望の温度に冷却できないときには、ラジエータファン２１も駆動する。

次に、前記パワーマネージャ２６を制御する制御系について説明する。この制御系は、ネット・グロス変換手段３１、電力・電流変換手段３２、電流制限手段３３、及びＰＭ電力指令手段３４により構成されている。また、燃料電池１には電圧センサ３５が設置されており、この電圧センサ３５により検出される電圧値（燃料電池１の総電圧）が前記電流制限手段３３及びＰＭ電力指令手段３４に伝達される。

このように構成される制御系において、先ず、ネット・グロス変換手段３１は、駆動モータ制御部や２次バッテリの充放電制御部から要求されるネット（Net）電力をグロス（Gross）電力に変換する。ネット電力からグロス電力への変換は、ネット電力に燃料電池システム（前記空気供給系、水素供給系、冷却機構等）での補機消費電力を加えることによって行う。

前記変換されたグロス電力は、前記電力・電流変換手段３２によって目標電流に変換される。電力−電流変換は、図２に示すような燃料電池１のＩ（電流）−Ｖ（電圧）特性に基づいて電力−電流の関係をテーブルにし、このテーブルを参照することによって実施される。前記テーブルは、図２（ａ）に示す燃料電池１のＩ−Ｖ曲線において、電力に応じた取り出し電流値を求め、図２（ｂ）に示すように必要電力と取り出し電流の関係として表したものである。

電流制限手段３３では、燃料電池１から取り出す電流の制限値を電圧センサ３５により検出される総電圧に基づいて演算し、電力・電流変換手段３２から出力される目標電流と比較し、小さい方の電流を目標電流として出力する。そして、この電流制限手段３３から出力される目標電流に基づいて、上述した水素供給系により供給する水素の目標流量や空気供給系により供給する空気の目標流量が演算される。ＰＭ電力指令手段３４は、電流制限手段３３が出力する目標電流に電圧センサ３５によって検出された燃料電池１の総電圧を掛け合わせた電力を、パワーマネージャ２６に取り出し電力指令値として出力する。図３に示すブロック図は、以上の制御系による電流制限方法を図示したものである。

ところで、燃料電池１においては、図４に示すように、取り出し電流を増やすと総電圧が低下するという特性がある。これは、燃料電池１を構成する電極における触媒の反応ロス、電流に比例して生ずる電気抵抗、ガスの供給ロスによって発電効率が落ちること等による。また、燃料電池１が低温のとき、空気供給系のコンプレッサ２や水素供給系のエゼクタ１１の特性のばらつき、劣化等によって、例えば空気や水素のストイキが設計値に未達であるような空気不足、水素不足を生じた場合、あるいは燃料電池１が極端に劣化してＩ−Ｖ特性が低下した場合にも総電圧が低下する。

総電圧が低下すると、具体的には次のような問題が発生する。

（１）パワーマネージャの作動範囲限界
図５に、燃料電池１、パワーマネージャ２６、及び負荷デバイス（駆動モータ２７）の関係を示す。図５（ａ）に示すように、燃料電池１の電流、電力は、パワーマネージャ２６によって取り出され、負荷デバイス（駆動モータ２７）に電力が供給される。ここで、図５（ｂ）に示すように、燃料電池１が出力する電圧範囲よりも負荷デバイスが作動する電圧範囲の方が高い場合には、パワーマネージャ２６によって燃料電池１の出力電圧を昇圧して負荷デバイスへ入力する。ここで、燃料電池１が出力する電圧が下がって、パワーマネージャ２６の昇圧率の限界に達すると、燃料電池１の出力電圧を負荷デバイス（駆動モータ２７）が作動する電圧まで昇圧しきれなくなり、負荷デバイス（駆動モータ２７）が電力を取り出せなくなる。

（２）負荷デバイスの温度上昇
負荷デバイス（駆動モータ２７）の入力電圧が下がると、電力（＝電圧×電流）を取り出すための取り出し電流が常に最大になるため、発熱量が増大する。そのため、負荷デバイス（駆動モータ２７）の温度が上昇し、故障する可能性がある。

（３）燃料電池の発電効率
燃料電池１の総電圧が低下したところで発電すると、発電効率が悪くなり、燃費が悪化する。

（４）燃料電池Ｉ−Ｖ特性の急降下
燃料電池１の取り出し電流を増加させると、総電圧はあるところから急激に下がる。これは、ガスの供給ロスによって生ずる現象であり、ガスの拡散速度が触媒の反応速度に追いつかないためである。この総電圧が急激に低下する領域で燃料電池１の発電を行うと、燃料電池１の損傷を招く原因となる。

そこで、本実施形態の燃料電池システムでは、何らかの要因で燃料電池１のＩ−Ｖ特性が低下した場合にも、燃料電池１の総電圧の低下に応じて取り出し電流や電力を制限していくことによって、総電圧が許容電圧未満に低下するのを防止するようにしている。

このような燃料電池１の取り出し電流や電力の制限は、上述した制御系における電流制限手段３３によって行う。以下、この電流制限手段３３について詳述する。

電流制限手段３３では、図６に示すようなテーブルを用いて燃料電池１の総電圧値に応じて電流制限値を演算するが、このとき、総電圧が小さくなるほど取り出し電流制限値が小さくなるように設定する。すなわち、図６（ａ）に示すように、平均Ｉ−Ｖ特性に対して、何らかの要因でＩ−Ｖ特性が低下した場合、低下の度合いに応じてＩ−Ｖ特性は、図中破線、あるいは一点鎖線で示すようなものとなる。ここで、燃料電池１の総電圧値が所定の電圧値Ａを下回った場合に出力制限を加えるが、このとき燃料電池１の総電圧の増減に応じて電流制限値を増減する。また、総電圧が下限電圧を下回らないように、総電圧が下限電圧になったときの電流制限値を小さく設定する。

具体的には、先ず、図６（ａ）において、出力制限を加える総電圧値をＡ、電流制限値の最大値をＢとしたときに、この総電圧値Ａのラインと電流制限値Ｂのラインの交点を求める。次に、下限電圧のラインと縦軸（電流値＝ゼロ）との交点を求め、前記交点との間に斜めに直線（電流制限ライン）を引く。ここで、燃料電池１のＩ−Ｖ特性が前記破線、あるいは一点鎖線で示すように低下した場合、これらＩ−Ｖ曲線と前記電流制限ラインとの交点より求められる電流値を電流制限値とする。したがって、この場合の燃料電池１の総電圧値と電流制限値の関係は、図６（ｂ）において実線で示すようなものとなる。なお、例えば、図６（ａ）において、出力制限を加える総電圧値をＡよりも低く設定し、電流制限ラインが破線で示すような傾斜の小さな直線になった場合には、図６（ｂ）において破線で示すように、電流制限値の傾きが急峻なものとなる。

電流や電力を取り出すパワーマネージャ２６や、電流センサ、電圧センサには遅れがあるため、電圧センサ値に基づいて電力や電流を制限すると、電流と電圧がハンチング（変動）する。そこで、本実施形態では、前述のような出力制限を行うが、このとき、電流制限テーブルを、例えば図６（ｂ）において破線で示すように傾きを急なものとすると、図７（ａ）に示すようにハンチングが大きくなる。これに対して、図６（ｂ）において実線で示すように傾きを緩やかにすると、総電圧低下に伴って電流制限値が急激に下がらないようになり、図７（ｂ）に示すようにハンチングが小さくなる。したがって、実際の設定に当たっては、このようにハンチングの大きさをシミュレーションや実験により確認して、ハンチングが小さくなるように電流制限テーブルを設定することが必要である。

以上説明したように、本実施形態の燃料電池システムによれば、電圧センサ３５によって検出された燃料電池１の総電圧値に応じて、制御系の電流制限手段３３によって燃料電池１からの取り出し電流を制限するようにしているので、燃料電池１の負荷が過大になることによる損傷を有効に防止することができる。また、電流制限手段３３は、燃料電池１の総電圧が小さくなるほど燃料電池１からの取り出し電流が小さくなるように、上述したような電流制限テーブルを用いて電流制限値を電圧値に応じて徐々に変化させ、電流制限を行うようにしているので、電圧低下に伴って制限量が急激に増えることがなく、電流や電力を取り出すパワーマネージャ２６や、電流センサ、電圧センサ等に遅れがあったとしても、制限電流や制限電力のハンチングを小さく抑えることができる。

本発明を適用した燃料電池システムの構成を示す図である。 電力・電流変換手段によりグロス電力を目標電流に変換する手法を説明する図であり、（ａ）は燃料電池のＩ−Ｖ曲線を示し、図２（ｂ）は必要電力と取り出し電流との関係を示している。 パワーマネージャを制御する制御系による電流制限方法を説明するブロック図である。 燃料電池のＩ−Ｖ特性を通常時と劣化時とで対比して示す図である。 燃料電池とパワーマネージャ及び負荷デバイスとの関係を示す図であり、（ａ）はこれらの接続状態を示し、（ｂ）は燃料電池の出力電圧と負荷デバイスの入力電圧との関係を示している。 電流制限テーブルの設定方法を説明する図であり、（ａ）はＩ−Ｖ特性において出力制限が加わる領域での電流制限値を求める手法を示し、（ｂ）は電流制限テーブルの好ましい一例を示している。 制限電流や制限電力のハンチングの様子を示す図であり、（ａ）は電流制限テーブルにおける傾きが急な場合を示し、（ｂ）は電流制限テーブルにおける傾きが緩やかな場合を示している。

符号の説明

１ 燃料電池
２６ パワーマネージャ
２７ 駆動モータ
３１ ネット・グロス変換手段
３２ 電力・電流変換手段
３３ 電流制限手段
３４ ＰＭ電力指令手段
３５ 電圧センサ

Claims (3)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の総電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段により検出された総電圧値に応じて前記燃料電池からの取り出し電力又は取り出し電流を制限する出力制限手段とを備え、
   前記出力制限手段が、前記電圧検出手段により検出される燃料電池の総電圧値の増減に伴って、前記燃料電池からの取り出し電力又は取り出し電流が増減するように、電力制限値又は電流制限値を前記総電圧値に応じて変化させることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電力制限値又は電流制限値に基づいて、前記燃料電池に供給する燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量を演算するガス流量演算手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池にパワーマネージャを介して負荷デバイスが接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

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