JP2006049151A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって、燃料電池システムの出力電圧が低下することを防止する。
【解決手段】燃料電池スタック２，３毎に電力取出部２５ａ，２５ｂが設けられ、各燃料電池スタック２，３から任意の電力を取り出すことができる。これにより、様々な運転状態の変化に対応することができ、燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって、燃料電池システムの出力電圧が低下することを防止できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の燃料電池スタックを有する燃料電池システムに関し、より詳しくは、燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって、燃料電池システムの出力電力が低下することを防止するための技術に係わる。

従来より、２つの燃料電池スタックを備え、燃料ガス配管及び酸化剤ガス配管を燃料電池スタックに対してそれぞれ並列及び直列に接続し、各燃料電池スタックの出力電圧を並列に取り出す燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１を参照）。そして、このような燃料電池システムでは、２つの燃料電池スタックの電流量を測定し、測定結果に基づいて各燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を分配制御することにより、円滑で安定した運転を可能にしている。
特開平１１−７９７０号公報

しかしながら、従来までの燃料電池システムでは、各燃料電池スタックからの取出電力を調整することができないために、燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって、燃料電池システムの出力電力が低下することがあった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって出力電力が低下することを防止可能な燃料電池システムを提供することにある。

上述の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、燃料電池スタック毎に設けられた、燃料電池スタックから電力を取り出す電力取出装置と、電力取出装置を制御することにより、各燃料電池スタックから任意の電力量を取り出す制御装置とを備える。

本発明に係る燃料電池システムによれば、複数の燃料電池スタックそれぞれの運転状態に応じて取出電力量を任意に調整することができるので、燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって、出力電力が低下することを防止できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成と動作について説明する。

〔燃料電池システムの構成〕
本発明の実施形態となる燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック２と、燃料ガス及び燃料電池スタック２から排出される排酸化剤ガスの供給を受けて発電する燃料電池スタック３とを備える。なお、燃料電池スタック２，３のアノード（燃料極）及びカソード（酸化剤極）における電気化学反応及び燃料電池全体としての電気化学反応は、以下に示す式（１）〜（３）による。

〔化１〕
〔アノード〕 Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
〔カソード〕 1/2 Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
〔全体〕 Ｈ₂ ＋1/2 Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
〔燃料ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、燃料ガス供給手段として、水素タンク４及び水素圧力調整弁５を備え、水素圧力調整弁５にて水素タンク４内の高圧水素を運転条件に適した圧力まで低下させて燃料電池スタック２，３のアノードに供給する。燃料電池スタック２，３のアノードでは、供給された水素ガスが純水ポンプ１２ａ，１２ｂから供給される純水で加湿され、供給された水素の一部が発電のための電気化学反応に使用される。

〔酸化剤ガス系の構成〕
上記燃料電池システム１は、酸化剤ガス供給手段として、空気を圧縮して供給するコンプレッサ７を備え、コンプレッサ７は圧縮した空気を酸化剤供給路８を介して燃料電池スタック２のカソードへ供給する。燃料電池スタック２のカソードでは、供給された空気が純水ポンプ１２ａから供給される純水で加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。燃料電池スタック２のカソードから排出された残りの空気は、水蒸気を含んだ状態で燃料電池間酸化剤ガス供給路９を介して燃料電池スタック３のカソードへ供給される。燃料電池スタック３のカソードでは、供給された空気が純水ポンプ１２ｂから供給される純水で加湿され、水蒸気を含んだ空気中の一部の酸素が発電のための電気化学反応に使用される。燃料電池スタック３のカソードで未使用の酸化剤ガスは、圧力調整されて酸化剤ガス排出路１０から系外へ排出される。

〔純水系の構成〕
上記燃料電池システム１における純水系は、純水タンク６ａ，６ｂと、純水供給路１１ａ，１１ｂを介して純水タンク６ａ，６ｂ内の純水を燃料電池スタック２，３へ圧送する純水ポンプ１２ａ，１２ｂと、純水排出路１３ａ，１３ｂとにより構成されている。そして、純水タンク６ａ，６ｂに貯蔵された純水は、純水ポンプ１２ａ，１２ｂにより燃料電池スタック２，３のアノードとカソードの圧力に応じた水圧で純水供給路１１ａ，１１ｂを介して燃料電池スタック２，３へ圧送される。燃料電池スタック２，３は、供給された純水で燃料ガスである水素、酸化剤ガスである空気を加湿する。加湿に使用されなかった純水は、純水排出路１３ａ，１３ｂを介して純水タンク６ａ，６ｂに戻る。

〔制御系の構成〕
上記燃料電池システム１における制御系は、燃料電池スタック２，３の出力電圧を検出する電圧計２１ａ，２１ｂと、純水タンク６ａ，６ｂ内の純水の水位を検出する水位計２２ａ，２２ｂと、燃料電池スタック２，３から電力を取り出して二次電池２３やモーター２４等の負荷に電力を供給する電力取出装置２５と、燃料電池スタック２，３の出力電圧と純水タンク６ａ，６ｂ内の純水の水位に基づいてコンプレッサ７及び電力取出装置２５の動作を制御するコントローラー２６とを備える。なお、電力取出装置２５は、各燃料電池スタック２，３から任意の電力を取り出すことができるように、燃料電池スタック２から電力を取り出す電力取出部２５ａと、燃料電池スタック３から電力を取り出す電力取出部２５ｂを有する。また、この実施形態では、コントローラー２６は、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

このような構成を有する燃料電池システム１では、コントローラー２６が燃料電池スタック２，３の出力電圧と純水タンク６ａ，６ｂ内の純水の水位に基づいて以下に示す取出電力調整処理を実行することにより、燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって、燃料電池システムの出力電力が低下することを防止する。以下、図２に示すフローチャートを参照して、この取出電力調整処理を実行する際のコントローラー２６の動作について詳しく説明する。

［取出電力調整処理］
図２に示すフローチャートは、車両のイグニッションスイッチがオン状態になるのに応じて開始となり、この調整処理はステップＳ１の処理に進む。なお、この調整処理は所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

ステップＳ１の処理では、コントローラ２６が、水位計２２ａ，２２ｂを介して純水タンク６ａ，６ｂ内の純水の水位を検出し、検出結果に基づいて燃料電池スタック２，３両方の水収支がプラス（＋）であるか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池スタック２，３両方の水収支がプラスである場合、コントローラ２６は調整処理をステップＳ５の処理に進める。一方、燃料電池スタック２，３両方の水収支がプラスでない場合には、コントローラ２６は調整処理をステップＳ２の処理に進める。

ステップＳ２の処理では、コントローラ２６が、検出結果に基づいて燃料電池スタック２（第１のスタック）の水収支がマイナス（−）であるか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池スタック２の水収支がマイナスである場合、コントローラ２６は、ステップＳ３の処理として、第１及び第２の取出電力指令値を入力して電力取出装置２５を制御することにより、燃料電池スタック２からの取出電力を増加させると共に、水収支がプラスである燃料電池スタック３（第２のスタック）からの取出電力を減少させた後、一連の調整処理を終了する。

一方、燃料電池スタック２の水収支がマイナスでない場合、コントローラ２６は、燃料電池スタック３の水収支がマイナスであると判断し、ステップ４の処理として、電力取出装置２５を制御することにより、燃料電池スタック２からの取出電力を減少させると共に、燃料電池スタック３からの取出電力を増加させた後、一連の調整処理を終了する。

ステップＳ５の処理では、コントローラ２６が、燃料電池スタック２，３両方の出力電圧が所定の電圧閾値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池スタック２，３両方の出力電圧が電圧閾値以上である場合、コントローラ２６は、ステップＳ６の処理として、コンプレッサ７にコンプレッサ回転数指令値を入力してコンプレッサ７の回転数を下げ、燃料電池スタック２，３に供給される酸化剤ガスの流量を減少させることにより、燃料電池スタック２，３の出力電圧を低下させた後、一連の調整処理を終了する。一方、燃料電池スタック２，３両方の出力電圧が電圧閾値以上でない場合には、コントローラ２６は、調整処理をステップＳ７の処理に進める。

ステップＳ７の処理では、コントローラ２６が、燃料電池スタック２の出力電圧が電圧閾値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池スタック２の出力電圧が電圧閾値以下でない場合、コントローラ２６は、燃料電池スタック３の出力電圧が電圧閾値以下であると判断し、調整処理をステップＳ８の処理に進める。一方、燃料電池スタック２の出力電圧が電圧閾値以下である場合には、コントローラ２６は調整処理をステップＳ１０の処理に進める。

ステップＳ８の処理では、コントローラ２６が、第１及び第２の取出電力指令値を入力して電力取出装置２５を制御することにより、燃料電池スタック２からの取出電力を増加させると共に、出力電圧が電圧閾値以下である燃料電池スタック３からの取出電力を減少させる。これにより、このステップＳ８の処理は完了し、この調整処理はステップＳ８の処理からステップＳ９の処理に進む。

ステップＳ９の処理では、コントローラ２６が、燃料電池スタック２の出力電圧が電圧閾値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池スタック２の出力電圧が電圧閾値以下でない場合、コントローラ２６は一連の調整処理を終了する。一方、燃料電池スタック２の出力電圧が電圧閾値以下である場合には、コントローラ２６はこの調整処理をステップＳ１２の処理に進める。

ステップＳ１０の処理では、コントローラ２６が、第１及び第２の取出電力指令値を入力して電力取出装置２５を制御することにより、燃料電池スタック２からの取出電力を減少させると共に、燃料電池スタック３からの取出電力を増加させる。これにより、このステップＳ１０の処理は完了し、この調整処理はステップＳ１０の処理からステップＳ１１の処理に進む。

ステップＳ１１の処理では、コントローラ２６が、燃料電池スタック３の出力電圧が電圧閾値以下であるか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池スタック３の出力電圧が電圧閾値以下でない場合、コントローラ２６は一連の調整処理を終了する。一方、燃料電池スタック３の出力電圧が電圧閾値以下である場合には、コントローラ２６はこの調整処理をステップＳ１２の処理に進める。

ステップＳ１２の処理では、コントローラ２６が、コンプレッサ７にコンプレッサ回転数指令値を入力してコンプレッサ７の回転数を上げ、燃料電池スタック２，３に供給される酸化剤ガスの流量を増加させることにより、燃料電池スタック２，３の出力電圧を増加させる。これにより、このステップＳ１２の処理は完了し、この調整処理はステップＳ１２の処理からステップＳ１３の処理に進む。

ステップＳ１３の処理では、コントローラ２６が、燃料電池スタック２，３両方の出力電圧が電圧閾値以上であるか否かを判別する。そして、判別の結果、燃料電池スタック２，３両方の出力電圧が電圧閾値以上である場合、コントローラ２６は、一連の調整処理を終了する。一方、燃料電池スタック２，３両方の出力電圧が電圧閾値以上でない場合には、コントローラ２６は、ステップＳ１４の処理として、燃料電池システム１の総発電可能電力を制限（出力制限）し、出力電圧が低い燃料電池スタックからの取出電力を減少させた後、一連の調整処理を終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となる燃料電池システム１では、燃料電池スタック２，３毎に電力取出部２５ａ，２５ｂが設けられ、各燃料電池スタック２，３から任意の電力を取り出すことができるので、様々な運転状態の変化に対応することができ、燃料電池スタックの発電能力の差や経年変化によるばらつき等の原因によって、燃料電池システムの出力電圧が低下することを防止できる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システム１では、コントローラー２６は、燃料電池スタック２，３の出力電圧が所定の下限値以下である場合、コンプレッサ７の回転数を制御することにより燃料電池スタック２，３に供給される酸化剤ガスの流量を調整すると共に、各燃料電池スタック２，３から取り出す電力量を調整するので、燃料電池スタック２，３の出力電圧が電圧閾値以下になることを防止できる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システム１では、コントローラー２６は、燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）の出力電圧が電圧閾値以下である場合、燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）からの取出電力を減少させると共に、燃料電池スタック３（又は燃料電池スタック２）からの取出電力を増加させるので、要求電力量を満たしつつ、燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）の出力電圧の低下を防止できる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システム１では、コントローラー２６は、取出電力量を減少させた後も燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）の出力電圧が電圧閾値以下である場合、コンプレッサ７の回転数を増加させることにより燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）に供給される酸化剤ガスの流量を増加させるので、燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）の出力電圧を正常な値の範囲内に戻すことができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システム１では、コントローラー２６は、酸化剤ガスの流量を増加させた後も燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）の出力電圧が電圧閾値以下である場合、燃料電池システムの総発電可能電力を制限し、燃料電池スタック２（又は燃料電池スタック３）からの取出電力を減少させるので、燃料電池スタック２（又は燃料スタック３）の出力電圧を正常な値の範囲内に戻すことができる。

また、本発明の実施形態となる燃料電池システム１では、コントローラー２６は、水収支がマイナスの燃料電池スタックがある場合、水収支がマイナスの燃料電池スタックからの取出電力量を水収支がプラスの燃料電池スタックからの取出電力量より多くするので、水収支がマイナスの燃料電池スタックの水収支をプラスにすることができる。

なお、コントローラー２６は、図３乃至図５に示すように、上記のようにして行った各燃料電池スタックからの取出電力量及びコンプレッサ回転数の調整結果を記憶し、記憶した情報に従って各燃料電池スタック２，３から電力を取り出すようにしてもよい。このような構成によれば、燃料電池スタック２，３の出力電圧が電圧閾値以下になることを防止できる。

また、コントローラー２６は、低負荷時（図６に示す時間０〜時間Ｔ１）、燃料電池スタック２の出力電圧（第１のスタック電圧）が燃料電池スタック３の出力電圧（第２のスタック電圧）より高くなるように制御し、負荷が増加した際（図６に示す時間Ｔ１以後）、始めに燃料電池スタック２から電力を取り出し、コンプレッサ７の回転数が増加し、酸化剤ガスの流量が増加するのに応じて、燃料電池スタック３から電力を取り出すことが望ましい。このような構成によれば、燃料電池システム１の過渡応答性を向上させることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態となる燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態となる取出電力調整処理の流れを示すフローチャート図である。 総要求電力に応じた取出電力割合の変化を示す一例である。 総要求電力に応じた取出電力割合の変化を示す一例である。 総要求電力に応じたコンプレッサの回転数指令値の変化を示す一例である。 本発明の実施形態となる取出電力調整処理の応用例を説明するための図である。

符号の説明

１：燃料電池システム
２，３：燃料電池スタック
４：水素タンク
５：水素圧力調整弁
６ａ，６ｂ：純水タンク
７：コンプレッサ
８：酸化剤供給路
９：燃料電池間酸化剤ガス供給路
１０：酸化剤ガス排出路
１１ａ，１１ｂ：純水供給路
１２ａ，１２ｂ：純水ポンプ
１３ａ，１３ｂ：純水排出路
２１ａ，２１ｂ：電圧計
２２ａ，２２ｂ：水位計
２３：二次電池
２４：モーター
２５：電力取出装置
２５ａ，２５ｂ：電力取出部
２６：コントローラー

Claims (8)

1. 複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムであって、
   燃料電池スタック毎に設けられた、燃料電池スタックから電力を取り出す電力取出装置と、
   前記電力取出装置を制御することにより、各燃料電池スタックから任意の電力量を取り出す制御装置と
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池スタックの出力電圧が所定の電圧閾値以下である場合、当該燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの流量を調整すると共に、各燃料電池スタックからの取出電力量を調整することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、第１の燃料電池スタックの出力電圧が所定の電圧閾値以下である場合、当該第１の燃料電池スタックからの取出電力量を減少させると共に、当該第１の燃料電池以外の燃料電池スタックからの取出電力量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、電力量を減少させた後も前記第１の燃料電池スタックの出力電圧が所定の電圧閾値以下である場合、前記第１の燃料電池スタックに供給される酸化剤ガスの流量を増加させることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、酸化剤ガスの流量を増加させた後も前記第１の燃料電池スタックの出力が所定の電圧閾値以下である場合、燃料電池システムの総発電可能電力を制限し、当該第１の燃料電池スタックからの取出電力量を減少させることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項２乃至請求項５のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、各燃料電池スタックの酸化剤流量及び取出電力量の調整結果を記憶し、記憶した情報に従って各燃料電池スタックを制御することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項２乃至請求項６のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、低負荷時、第１の燃料電池スタックの出力電圧が当該第１の燃料電池スタック以外の燃料電池スタックの出力電圧より高くなるように制御し、負荷が増加するのに応じて、当該第１の燃料電池スタックから電力を取り出すことを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項２乃至請求項７のうち、いずれか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、水収支が負の燃料電池スタックがある場合、当該水収支が負の燃料電池スタックからの取出電力量を他の燃料電池スタックからの取出電力量より多くすることを特徴とする燃料電池システム。

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