JP2006049182A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池スタックの中で劣化した燃料電池スタックの更なる劣化を抑制する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】電気的に直列に接続した燃料電池スタック１ａ、１ｂの電流Ｉと燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧差ΔＶから燃料電池スタック１ａ、１ｂをそれぞれ循環する冷却水の流量の割合を制御弁８ａ、８ｂによって制御し、燃料電池スタック１ａ、１ｂの温度を制御し、燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化を抑制する。
【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る。

水素と酸素により発電する燃料電池スタックを備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックを長時間使用などにより燃料電池スタックが劣化した場合に燃料電池スタックの発電効率の低下に従って、燃料電池スタックの発熱量が増加し、その発熱量によって燃料電池スタックの温度が上昇し、更に燃料電池スタックの劣化が進行する恐れがある。

従来、燃料電池スタックの劣化が起こり燃料電池スタックの温度が高くなる場合に、燃料電池スタックの電圧を検出し、電圧に応じて冷却水の温度を変更し、燃料電池スタックの温度を制御するものが、特許文献１に開示されている。
特開２０００−７７０８５号公報

しかし、上記の発明では、例えば燃料電池スタックを電気的に直列に接続した場合に、燃料電池スタックの電圧を予め設定した電圧と比較し、その偏差に基づいて冷却水の温度を調整すると、各燃料電池スタックにおいて電圧が異なる、すなわち燃料電池スタックの温度が異なる場合に冷却水によって各燃料電池スタックの状態に応じて冷却することが困難である、といった問題点がある。

本発明ではこのような問題点を解決するために発明されたもので、電気的に直列に接続された燃料電池スタックを各燃料電池スタックの状態に応じて冷却することを目的とする。

本発明では、複数の燃料電池スタックを電気的に直列に接続する燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池スタックの運転状態を検出する運転状態検出手段と、複数の燃料電池スタックと並列に接続する冷却流路を介して複数の燃料電池スタックへ冷却水を環流させ、複数の燃料電池スタックを冷却する冷却手段と、運転状態に基づいて各燃料電池スタックの各々へ環流する冷却水の流量を分配する冷却水分配制御手段と、を備える。

本発明によると、複数の燃料電池スタックの運転状態（劣化状態）を検出し、その状態に応じて各燃料電池スタックを環流させる冷却水の流量の割合を制御することで、劣化が進んだ燃料電池スタックの劣化速度を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の構成を図１の概略図を用いて説明する。この実施形態は、燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂを電気的に直列に接続し、燃料電池スタック１ａ、１ｂにそれぞれ水素を供給する水素供給路２と、それぞれ空気を供給する空気供給路３と、燃料電池スタック１ａ、１ｂから排出水素を排出する水素排出路４と、排出空気を排出する空気排出路５を備える。

また、冷却流路６に設けたポンプ７と、燃料電池スタック１ａ、１ｂの上流で分岐し、燃料電池スタック１ａ、１ｂと並列に接続するにする冷却流路６ａ、６ｂと、冷却流路６ａに設けられ燃料電池スタック１ａへの冷却水流量を制御する制御弁（冷却水分配制御手段）８ａと、冷却流路６ｂに設けられ燃料電池スタック１ｂへの冷却水流量を制御する制御弁（冷却水分配制御手段）８ｂを備える。さらに燃料電池スタック１ａ、１ｂを循環する冷却水の温度を下げるラジエータ１０と、ラジエータ１０をバイパスするバイパス配管１１と、ポンプ７からラジエータ１０とバイパス配管１１に流れる冷却水の流量を制御する三方弁１２を備える（ポンプ７とラジエータ１０が冷却手段を構成する）。

燃料電池スタック１ａの発電電圧を検出する電圧センサ（運転状態検出手段、電圧検出手段）１３ａと、燃料電池スタック１ｂの発電電圧を検出する電圧センサ（運転状態検出手段、電圧検出手段）１３ｂと、燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂによる発電電流を検出する電流センサ（運転状態検出手段、電流検出手段）１４を備える。

また、電圧センサ１３ａ、１３ｂ、電流センサ１４の信号からポンプ７、制御弁８ａ、８ｂ、三方弁１２を制御するコントローラ２０を備える。

燃料電池スタック１ａ、１ｂは長時間の稼働により発電性能の劣化が生じるが、電圧センサ１３ａ、１３ｂ、電流センサ１４によってその劣化状態（運転状態）を検出し、燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化状態に応じて燃料電池スタック１ａ、１ｂへ供給する冷却水の流量を制御し、燃料電池スタック１ａ、１ｂの温度を制御し、燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化を抑制する。

次に第１実施形態の冷却水分配制御について図２にフローチャートを用いて説明する。なお、燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂを循環する冷却水の合計流量、つまりポンプ７によって循環する冷却水の総流量は、燃料電池スタック１ａ、１ｂに要求される発電電力、または冷却水温度などから決まり、温度センサ９に基づいて三方弁１２を制御し、ラジエータ１０またはバイパス配管１１へ流入する冷却水の流量を制御することで、冷却水の温度を制御する。

ステップＳ１０１では、燃料電池スタック１ａ、１ｂから取り出されている電流Ｉ、すなわち燃料電池スタック１ａ、１ｂの発電電流Ｉを電流センサ１４によって検出する。

ステップＳ１０２では、燃料電池スタック１ａの電圧Ｖａを電圧センサ１３ａで、燃料電池スタック１ｂの電圧Ｖｂを電圧センサ１３ｂによって検出する。燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧を検出することで、燃料電池スタック１ａ、１ｂの発電状態、つまり燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化状態を検出することができる。なお、燃料電池スタック１ａ、１ｂは劣化が進行すると発電電圧が低下する。

ステップＳ１０３では、電圧Ｖａと電圧Ｖｂの電圧差ΔＶを算出する。電圧差ΔＶは燃料電池スタック１ａ、１ｂの性能によっても生じるが、特にどちらか一方の燃料電池スタック１ａ、１ｂに劣化が発生していると、劣化した燃料電池スタックの発生電圧が低下するので、電圧差ΔＶは大きくなる。

ステップＳ１０４では、電流Ｉと電圧差ΔＶによって燃料電池スタック１ａ、１ｂに導入（循環）する冷却水分配割合ΔＱを図３のマップにより読み出す。図３のマップは電流Ｉと電圧差ΔＶと冷却水分配割合ΔＱの関係を示すマップであり、冷却水分配割合ΔＱは図４に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧差ΔＶが大きい程、または電流Ｉが大きい程大きくなる。なお、冷却水分配割合ΔＱは、燃料電池スタック１ａ、１ｂに導入する冷却水の割合、つまり燃料電池スタック１ａ、１ｂに導入する冷却水の偏差を示している。燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧差ΔＶがゼロの場合には燃料電池スタック１ａ、１ｂにそれぞれ同じ流量の冷却水が流れる（ステップＳ１０４が冷却水分配算出手段を構成する）。

ステップＳ１０５では、冷却水分配割合ΔＱに基づいて制御弁８ａ、８ｂを制御して燃料電池スタック１ａ、１ｂに導入する冷却水の流量を制御する。ここではポンプ７による冷却水の合計流量は燃料電池スタック１ａ、１ｂに要求される発電電力などから予め設定されており、その流量を冷却水分配割合ΔＱとなるように燃料電池スタック１ａ、１ｂに分配する。

なお、劣化が進行している燃料電池スタック１ａ、１ｂの方が、発電電圧が低くなるので、ステップＳ１０２で検出される電圧が低い燃料電池スタックに供給する冷却水の流量が多くなるように制御弁８ａ、８ｂを制御する。

ここで上記制御を行った場合の燃料電池スタック１ａ、１ｂの冷却水出口温度の一例を図５に示す。図５は燃料電池スタック１ａ、１ｂが或る一定の劣化状態から燃料電池スタック１ａの劣化状態だけが進行した場合、つまり或る一定の劣化状態、または劣化していない状態である燃料電池スタック１ｂと、劣化が進んだ燃料電池スタック１ａを組み合わせた場合の冷却水出口温度である。電圧差ΔＶが大きくなる、つまり燃料電池スタック１ａ劣化が大きい場合には、燃料電池スタック１ａへの冷却水流量が多くなり、燃料電池スタック１ｂへの冷却水流量の少なくなり、燃料電池スタック１ａの温度が制御され、冷却水出口温度はほぼ一定となる。なお、劣化が進んだ燃料電池スタック１ａはその後の劣化を抑えるために燃料電池スタック１ａへ供給する冷却水の流量を多くし、燃料電池スタック１ａの温度を通常よりも低くする。そのため電圧差ΔＶが大きくなると、燃料電池スタック１ａの温度、すなわち燃料電池スタック１ａの冷却水出口温度は低くなり、燃料電池スタック１ｂへの冷却水への冷却水流量が少なくなるので、燃料電池スタック１ｂの温度、すなわち燃料電池スタック１ｂの冷却水出口温度は高くなる。

以上の制御により、燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化状態に応じて劣化の進んだ燃料電池スタックへの冷却水流量（割合）を増加するので、劣化の進んだ燃料電池スタックの劣化速度を抑制することができる。

なお、燃料電池スタック１ａが劣化した場合にポンプ７によって燃料電池スタック１ａ、１ｂを循環する冷却水の流速を速くし、冷却水の合計流量を多くしてもよい。また、このときラジエータ１０に多くの冷却水が流れるように三方弁１２を制御し、冷却水の温度を低くする。これによって、燃料電池スタック１ａをより冷却することができ、燃料電池スタック１ａの発熱による劣化をより抑制することができる。また、冷却水タンクを設け、冷却水を一時的に蓄えるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

燃料電池スタックを冷却する冷却水が或る一定流量で循環する燃料電池システムにおいて、本発明の第１実施形態を用いない場合と用いた場合の燃料電池スタック１ａ、１ｂの稼働時間に対する電圧の変化を図６に示す。ここでは燃料電池スタック１ａに劣化が生じたものとする。

本発明を用いない場合には燃料電池スタック１ａに劣化が生じても燃料電池スタック１ａ、１ｂへの冷却水の流量が変わらないので、燃料電池スタック１ａの発熱量が多くなり、その熱によって更に燃料電池スタック１ａの劣化が進行する。そのため稼働時間が長くなるにつれて燃料電池スタック１ａの劣化が進行し、更にその劣化速度が速くなるために燃料電池スタック１ａの発電電圧が急激に低下する。この場合燃料電池スタック１ｂは燃料電池スタック１ｂを十分に冷却する冷却水が導入されるので劣化の進行は遅くなるが、燃料電池スタック１ａの発電電圧が急激に低下し、燃料電池スタック１ａ、１ｂのトータルの電力量が急激に低下ので燃料電池システムとしての寿命が短くなる。

一方、本発明を用いた場合には、燃料電池スタック１ａに劣化が生じた場合には、その劣化状態に応じて制御弁８ａ、８ｂを制御することで燃料電池スタック１ａへ導入する冷却水の流量を多くし、燃料電池スタック１ａの劣化を抑制することができる。

なお、劣化が生じていない燃料電池スタック１ｂへ導入する冷却水流量が少なくなるので、燃料電池スタック１ｂでは劣化が生じる可能性がある。しかし、この実施形態では燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化状態を電圧センサ１３ａ、１３ｂによって検出し、その電圧差ΔＶによって制御弁８ａ、８ｂを制御し、燃料電池スタック１ａ、１ｂへの冷却水の流量を制御するので、燃料電池スタック１ｂが劣化すると燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化状態が同じになると、各燃料電池スタック１ａ、１ｂへ分配される冷却水の流量は等しくなり、燃料電池スタック１ａ、１ｂは同じ劣化速度で進行する。そのため燃料電池システム全体としては本発明を用いた場合には燃料電池システムの寿命を長くすることができる。

また、ポンプ７により冷却水の流速、つまり燃料電池スタック１ａ、１ｂを循環する冷却水の流速を速くすることで、例えば劣化の進んだ燃料電池スタック１ａをより冷却することができ、燃料電池スタック１ａの劣化を更に抑制することができる。

次に本発明の第２実形態について図７を用いて説明する。この実施形態は燃料電池スタック１ａ、１ｂの出口の冷却水温度を検出する温度センサ（冷却水温度検出手段）１５ａ、１５ｂを備える。この構成によって燃料電池スタック１ａ、１ｂの出口の冷却水温度に応じて制御弁８ａ、８ｂを制御し、燃料電池スタック１ａ、１ｂの温度を制御し、劣化速度を抑制する。

次に第２実施形態の冷却水分配制御について図８にフローチャートを用いて説明する。
なお、燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂを循環する冷却水の合計流量、つまりポンプ７によって循環する冷却水の総流量は、燃料電池スタック１ａ、１ｂに要求される発電電力、または冷却水温度などから決まり、温度センサ９に基づいて三方弁１２を制御し、ラジエータ１０またはバイパス配管１１へ流入する冷却水の流量を制御することで、冷却水の温度を制御する。

ステップＳ２０１では、燃料電池スタック１ａ、１ｂから取り出されている電流Ｉ、すなわち燃料電池スタック１ａ、１ｂの発電電流Ｉを電流センサ１４によって検出する。

ステップＳ２０２では、燃料電池スタック１ａの電圧Ｖａを電圧センサ１３ａで、燃料電池スタック１ｂの電圧Ｖｂを電圧センサ１３ｂによって検出する。燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧を検出することで、燃料電池スタック１ａ、１ｂの発電状態、つまり燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化状態を検出することができる。

ステップＳ２０３では、電圧Ｖａと電圧Ｖｂの電圧差ΔＶを算出する。電圧差ΔＶは燃料電池スタック１ａ、１ｂの性能によっても生じるが、特にどちらか一方の燃料電池スタック１ａ、１ｂに劣化が発生していると、劣化した燃料電池スタックの発生電圧が低下するので、電圧差ΔＶは大きくなる。

ステップＳ２０４では、電流Ｉと電圧差ΔＶによって各燃料電池スタック１ａ、１ｂ出口での冷却水目標出口温度差ΔＴを図９のマップから読み出す。図９のマップは電流Ｉと電圧差ΔＶと冷却水目標出口温度ΔＴの関係を示すマップであり、冷却水目標出口温度ΔＴは図１０に示すように、燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧差ΔＶが大きい程、または電流Ｉが大きい程大きくなる。冷却水目標出口温度ΔＴは例えば図５における燃料電池スタック１ａと燃料電池スタック１ｂの温度偏差であり、劣化が進んでいる燃料電池スタックの温度を劣化が進んでいない燃料電池スタックの温度よりも若干低く設定する。なお、燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧差ΔＶがゼロの場合には燃料電池スタック１ａ、１ｂにそれぞれ同じ流量の冷却水が流れる（ステップＳ２０４が冷却水目標温度差算出手段を構成する）。

ステップＳ２０５では、ステップＳ２０２で検出した燃料電池スタック１ａ、１ｂの電圧Ｖａ、Ｖｂを比較して電圧が低い燃料電池スタックの制御弁の開度を大きくし、電圧が高い燃料電池スタックの制御弁の開度を小さくする。これによって燃料電池スタック１ａ、１ｂへ導入する冷却水の流量を制御する。

ステップＳ２０６では温度センサ１５ａ、１５ｂによって燃料電池スタック１ａ、１ｂの冷却水出口温度を検出し、冷却水出口温度差ΔＴ’を算出し、ステップＳ２０４で算出した冷却水目標出口温度ΔＴとなったかどうか判断する。そしてΔＴ＝ΔＴ’となった場合には制御弁８ａ、８ｂの開度を固定する。

以上の制御により、電圧差ΔＶと電流Ｉによって冷却水目標出口温度ΔＴを算出し、制御弁８ａ、８ｂを制御し、その後温度センサ１５ａ、１５ｂによって燃料電池スタック１ａ、１ｂの冷却水出口温度差ΔＴ’がΔＴと等しくなると制御弁８ａ、８ｂを固定する。これにより、燃料電池スタック１ａ、１ｂどちらか一方の劣化が進行した場合でも、劣化が進行した燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

この実施形態では燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化状態から燃料電池スタック１ａ、１ｂの冷却水目標出口温度ΔＴを算出する。そして燃料電池スタック１ａ、１ｂの冷却水出口温度を温度センサ１５ａ、１５ｂで検出し、冷却水出口温度差ΔＴ’を算出し、冷却水出口温度差ΔＴ’が冷却水目標出口温度ΔＴと等しくなるように制御弁８ａ、８ｂを制御する。燃料電池スタック１ａ、１ｂの冷却水出口温度に基づいて制御弁８ａ、８ｂを制御するので、燃料電池スタック１ａ、１ｂの冷却水出口温度、つまり燃料電池スタック１ａ、１ｂの温度をより正確に制御することができ、燃料電池スタック１ａ、１ｂの劣化をより抑制することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

燃料電池スタックを複数備え、燃料電池スタックを冷却する冷却手段を備えた燃料電池スタックに利用することができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の第１実施形態の冷却水分配制御を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態の冷却水分配割合を決定するマップである。 本発明の第１実施形態の冷却水分配割合の傾向を示すマップである。 本発明の第１実施形態の冷却水出口温度の一例を示すマップである。 本発明を用いた場合と用いない場合の燃料電池スタックの電圧変化を示すマップである。 本発明の第２実施形態の燃料電池システムを示す概略図である。 本発明の第２実施形態の冷却水分配制御を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態の冷却水目標出口温度を決定するマップである。 本発明の第２実施形態の冷却水目標出口温度の傾向を示すマップである。

符号の説明

１ａ 燃料電池スタック
１ｂ 燃料電池スタック
６ａ 冷却流路
６ｂ 冷却流路
７ ポンプ（冷却手段）
８ａ 制御弁（冷却水分配制御手段）
８ｂ 制御弁（冷却水分配制御手段）
１０ ラジエータ（冷却手段）
１３ａ 電圧センサ（運転状態検出手段、電圧検出手段）
１３ｂ 電圧センサ（運転状態検出手段、電圧検出手段）
１４ 電流センサ（運転状態検出手段、電流検出手段）
１５ａ 温度センサ（冷却水温度検出手段）
１５ｂ 温度センサ（冷却水温度検出手段）

Claims (7)

1. 複数の燃料電池を電気的に直列に接続する燃料電池システムにおいて、
   前記複数の燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   前記複数の燃料電池と並列に接続する冷却流路を介して前記複数の燃料電池へ冷却水を環流させ、前記複数の燃料電池を冷却する冷却手段と、
   前記運転状態に基づいて前記複数の燃料電池の各々へ環流する前記冷却水の流量を分配する冷却水分配制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却水分配制御手段は、前記運転状態に基づいて前記冷却流路を環流する前記冷却水の分配割合を算出する冷却水分配算出手段を有し、
   前記分配割合に基づいて前記冷却水の流量を分配す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. 前記運転状態検出手段は、
   前記複数の燃料電池から取り出される電流を検出する電流検出手段と、
   前記複数の燃料電池の各電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記複数の燃料電池の電圧差を算出する電圧差算出手段と、を備え、
   前記冷却水分配算出手段は、前記電流と前記電圧差に基づいて前記冷却水の分配割合を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却水分配算出手段は、前記電圧の小さい燃料電池への前記分配割合を多く且つ前記電圧差が大きい程前記分配割合を大きく算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記複数の燃料電池の出口における前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
   前記前記冷却温度検出手段によって検出した前記冷却水の温度差を算出する冷却水温度差検出手段と、を備え、
   前記冷却水分配制御手段は、前記運転状態に基づいて前記複数の燃料電池の出口における目標冷却水温度差を算出する冷却水目標温度差算出手段を有し、
   前記冷却水の温度差が前記目標冷却水温度差と等しくなるように前記冷却水を分配す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。
6. 前記運転状態検出手段は、
   前記複数の燃料電池から取り出される電流を検出する電流検出手段と、
   前記複数の燃料電池の各電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記複数の燃料電池の電圧差を算出する電圧差算出手段と、を備え、
   前記冷却水目標温度差算出手段は、前記電流と前記電圧差に基づいて前記目標冷却水温度差を算出することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記冷却水目標温度差算出手段は、前記電圧差が大きい程前記目標冷却水温度差を大きくし、
   前記冷却水分配制御手段は、前記電圧が低い燃料電池に前記冷却水の分配を多くすることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。

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