JP2009004160A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の高出力運転時の発電性能の低下を抑制する。
【解決手段】アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池と、燃料電池に供給されたカソードガスを該燃料電池外に排出するカソードオフガス流路に設置された背圧弁と、背圧弁の弁開度を制御することにより燃料電池内部のカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、燃料電池で発電した電力を消費する負荷と、を有する燃料電池システムにおいて、前記負荷が燃料電池に要求する要求出力を検出する要求出力検出部と、前記要求出力検出部により検出された要求出力に応じて背圧弁の最小弁開度を設定する最小弁開度設定部と、をさらに有し、前記圧力制御部は最小弁開度設定部により設定された最小弁開度以下にならないように背圧弁の弁開度を制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムでは、燃料電池から排出されるカソードオフガスが流通するカソードオフガス配管に背圧弁を設け、この背圧弁の開度を制御することにより、燃料電池に要求される出力に応じて燃料電池に供給されるカソードガスの供給圧力を変更している。

燃料電池には、カソードガスの供給圧力を高くすると発電性能が高くなるという特性があり、燃料電池車両において加速時など燃料電池に対する要求出力が高い場合には背圧弁を略全閉状態にすることによりカソードガスの供給圧力を上昇させている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３８６９１号公報

しかしながら、背圧弁を略全閉状態にするとカソードガスが流れなくなり（特に、燃料電池の出口側）、この状態で発電を継続すると、燃料電池内が酸素不足の状態となっていき、発電性能が低下するだけでなく、燃料電池の固体高分子電解質膜の劣化を引き起こす虞がある。

図５は、燃料電池に高出力の要求があって背圧弁を略全閉に制御したときの燃料電池の電圧降下の様子を示すタイムチャートであり、背圧弁の全閉動作に伴い電圧が急激に低下することがわかる。なお、この図において、ＦＣは燃料電池、ＦＣ電圧は燃料電池の出力電圧、ＦＣ電流は燃料電池の出力電流、目標ＣＧ圧力は燃料電池内の目標カソードガス圧力、実ＣＯＧ圧力は実カソードオフガス圧力を示す。

そこで、この発明は、燃料電池の高出力運転時の発電性能の低下を抑制することができる燃料電池システムを提供するものである。

この発明に係る燃料電池システムでは、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。
請求項１に係る発明は、アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池（例えば、後述する実施例における燃料電池１）と、前記燃料電池に供給されたカソードガスを該燃料電池外に排出するカソードオフガス流路（例えば、後述する実施例におけるカソードオフガス流路１３）に設置された背圧弁（例えば、後述する実施例における背圧弁１５）と、前記背圧弁の弁開度を制御することにより燃料電池内部のカソードガス圧力を調整する圧力制御部（例えば、後述する実施例におけるＥＣＵ７０）と、前記燃料電池で発電した電力を消費する負荷（例えば、後述する実施例における走行用モータ４３）と、を有する燃料電池システムにおいて、前記負荷が前記燃料電池に要求する要求出力を検出する要求出力検出部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０１）と、前記要求出力検出部により検出された要求出力に応じて前記背圧弁の最小弁開度を設定する最小弁開度設定部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０４）と、をさらに有し、前記圧力制御部は前記最小弁開度設定部により設定された最小弁開度以下にならないように前記背圧弁の弁開度を制御することを特徴とする。
このように構成することにより、負荷の要求出力に応じて背圧弁の最小弁開度が設定されるので、高出力要求によりカソードガス圧力を上昇させるときにも背圧弁が全閉にならないようにすることができ、燃料電池内部でのカソードガスの流れを確保することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、前記最小弁開度設定部は、前記負荷の要求出力が大きくなるにしたがって最小弁開度も大きくなるように設定することを特徴とする。
このように構成することにより、負荷の要求出力が大きくなり、カソードガスの供給圧力および供給流量の要求が増大しても、負荷の要求出力に応じたカソードガス流量を確保することができる。

請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記燃料電池内部のカソードガス圧力を検出するカソードガス圧力検出部（例えば、後述する実施例における圧力センサ３７）と、前記要求出力検出部により検出された要求出力に応じて目標カソードガス圧力を算出する目標圧力算出部（例えば、後述する実施例におけるステップＳ１０２）と、をさらに有し、前記圧力制御部は、前記圧力検出部により検出されたカソードガス圧力が前記目標圧力算出部により算出された目標カソードガス圧力となるように前記背圧弁の弁開度をフィードバック制御し、このフィードバック制御による背圧弁に対する開度指令値が前記最小弁開度設定部により設定された最小弁開度以下になる場合は、背圧弁の弁開度が前記最小弁開度以下にならないように制御することを特徴とする。
このように構成することにより、背圧弁の弁開度をフィードバック制御した場合にも背圧弁の弁開度が最小弁開度以下にならないようにすることができる。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載の発明において、前記フィードバック制御は積分項を含み、フィードバック制御による背圧弁に対する開度指令値が前記最小弁開度設定部により設定された最小弁開度以下になる場合は、前記開度指令値が前記最小弁開度を超えるまで、前記積分項をキャンセルすることを特徴とする。
このように構成することにより、フィードバック制御による背圧弁に対する開度指令値が最小弁開度以下になっている間は積分項をキャンセルすることができる。

請求項１に係る発明によれば、燃料電池に高出力要求があったときにも燃料電池内部でのカソードガスの流れを確保することができるので、カソードガス不足による発電性能の低下および固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。
請求項２に係る発明によれば、負荷の要求出力が大きくなっても、負荷の要求出力に応じたカソードガス流量を確保することができる。
請求項３に係る発明によれば、背圧弁の弁開度をフィードバック制御した場合にも背圧弁の弁開度が最小弁開度以下にならないようにすることができるので、発電性能の低下を防止し、所定の発電性能を確保しつつフィードバック制御による背圧弁の弁開度制御を行うことができる。
請求項４に係る発明によれば、フィードバック制御による背圧弁に対する開度指令値が最小弁開度以下になっている間は積分項をキャンセルすることができるので、この積分項キャンセル期間が終了したとき、すなわち開度指令値が前記最小弁開度を超えたときに、積分項のフィードバック制御によるオーバーシュートを防止することができ、応答性を向上することができる。

以下、この発明に係る燃料電池システムの実施例を図１から図４の図面を参照して説明する。なお、この実施例における燃料電池システムは燃料電池車両に搭載された態様である。

図１を参照して、燃料電池システムの概略構成を説明する。
燃料電池１は、反応ガスを化学反応させて電力を得るタイプのもので、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とカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体を形成し、この膜電極構造体の両側にアノードガス流路３とカソードガス流路５を備えてなるセルを複数積層して構成されており、アノードガス流路３にアノードガスとして水素ガスを供給し、カソードガス流路５にカソードガスとして酸素を含む空気を供給すると、アノード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まで移動して、カソード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。カソード側で生じた生成水の一部は固体高分子電解質膜を透過してアノード側に逆拡散するため、アノード側にも生成水が存在する。なお、図１では、単一のセルのアノードガス流路３とカソードガス流路５を代表して示している。

カソードガス（空気）はスーパーチャージャーなどのコンプレッサ７により所定圧力に加圧され、カソードガス供給流路９、加湿器１１を通って燃料電池１のカソードガス流路５に供給される。燃料電池１に供給されたカソードガスは発電に供された後、燃料電池１からカソード側の生成水と共にカソードオフガスとしてカソードオフガス流路１３に排出され、加湿器１１を通り、背圧弁１５を介して図示しない排気処理装置へ排出される。加湿器１１は例えば水透過膜を備えて構成されており、水透過膜を間に挟んでカソードガスとカソードオフガスを流通させることにより、カソードオフガスに含まれる水分が水透過膜を透過してカソードガスに移動し、カソードガスが加湿される。

一方、水素タンク２１から供給されるアノードガス（水素ガス）は、アノードガス供給流路２３、遮断弁２５、エゼクタ２７を通って燃料電池１のアノードガス流路３に供給される。そして、消費されなかった未反応のアノードガスは、燃料電池１からアノードオフガスとして排出され、アノードオフガス流路２９を通ってエゼクタ２７に吸引され、水素タンク２１から供給される新鮮なアノードガスと合流し再び燃料電池１のアノードガス流路３に供給される。すなわち、燃料電池１から排出されるアノードオフガスは、アノードオフガス流路２９、エゼクタ２７、およびエゼクタ２７よりも下流のアノードガス供給流路２３を通って、燃料電池１を循環する。

アノードオフガス流路２９からは、排出弁３１を備えたアノードオフガス排出流路３３が分岐している。排出弁３１は燃料電池１の発電時においては通常は閉じており、所定の条件が満たされたときに開いてアノードオフガスを前記排気処理装置へ排出する。そして、アノードオフガスは排気処理装置において背圧弁１５から排出されるカソードガスによって希釈される。

加湿器１１と背圧弁１５との間のカソードオフガス流路１３には、カソードオフガスの圧力を検出する圧力センサ３７が設けられており、圧力センサ３７は検出値に応じた出力信号を電子制御装置（以下、ＥＣＵと略す）７０へ出力する。この実施例では、圧力センサ３７により検出されるカソードオフガス圧力を燃料電池１内部のカソードガス圧力とみなして、背圧弁１５の開度制御に利用する。したがって、この実施例においては、圧力センサ３７はカソードガス圧力検出部を構成する。

また、燃料電池１は蓄電装置４５を充電可能であり、燃料電池１と蓄電装置４５は、インバータを備えたパワードライブユニット（以下、ＰＤＵと略す）４１を介して走行用モータ４３に接続されている。走行用モータ４３は燃料電池１または蓄電装置４５から電力の供給を受け駆動される。すなわち、走行用モータ４３は燃料電池１で発電した電力を消費する負荷である。
燃料電池１は、出力電圧と出力電流を検出する電圧計４７と電流計４９を備え、これらは検出値に応じた出力信号をＥＣＵ７０へ出力する。
さらに、ＥＣＵ７０には、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ３５から踏み込み量に応じた出力信号が入力される。

ＥＣＵ７０は、各種センサや計器類からの入力信号等に基づいて、背圧弁１５，排出弁３１、ＰＤＵ４１、走行用モータ４３等を制御する。
例えば、ＥＣＵ７０は、アクセルペダルセンサ３５により検出されたアクセルペダルの踏み込み量に基づいて走行用モータ４３の要求出力を算出し、走行用モータ４３の要求出力に応じて燃料電池１の要求出力を算出し、さらに燃料電池１の要求出力に応じて燃料電池１内部の目標カソードガス圧力を算出し、圧力センサ３７により検出されるカソードオフガス圧力が目標カソードガス圧力となるように、背圧弁１５の開度を比例項（Ｐ項）、積分項（Ｉ項）、微分項（Ｄ項）を含むＰＩＤフィードバック制御を行う。
また、ＥＣＵ７０は、燃料電池１を循環するアノードガス中の不純物（水分や窒素等）の濃度が高くなるのを抑制するため、定期的に排出弁３１を開いてアノードオフガスを排出する制御を行う。
さらに、ＥＣＵ７０は、走行用モータ４３の要求出力に応じてＰＤＵ４１を制御するとともに、燃料電池１と蓄電装置４５の電力分配を制御する。

とろこで、前述したように、燃料電池車両を加速する時など燃料電池１に対する要求出力が高い場合に背圧弁を全閉状態にすると、燃料電池１内でカソードガスが流れなくなり、燃料電池１内が酸素不足の状態となって発電性能が低下したり、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を引き起こす虞がある。
そこで、この実施例の燃料電池システムでは、燃料電池１に対する要求出力に応じて背圧弁１５の最小弁開度を設定し、背圧弁１５の弁開度が最小弁開度以下にならないように制御することによって、燃料電池１内でのカソードガスの流れを常に確保し、燃料電池１の高出力運転時にも発電性能が低下しないようにするとともに、燃料電池１の固体高分子電解質膜の劣化を防止するようにしている。

次に、この実施例における背圧弁１５の開度制御について、図２のフローチャートに従って説明する。
図２のフローチャートに示す背圧弁開度制御ルーチンは、ＥＣＵ７０によって一定時間毎に繰り返し実行される。
初めに、ステップＳ１０１において、アクセルペダルセンサ３５により検出されたアクセルペダルの踏み込み量に基づいて走行用モータ４３に要求される出力（すなわち走行用モータ４３の要求出力）を算出し、さらに、走行用モータ４３の要求出力に応じた燃料電池１の要求出力を算出する。換言すると、燃料電池１の負荷である走行用モータ４３が燃料電池１に要求する要求出力を算出（検出）する。

次に、ステップＳ１０２に進み、ステップＳ１０１で算出された燃料電池１の要求出力を効率的に出力させるのに最適な燃料電池１内のカソードガスの圧力（目標カソードガス圧力）を算出する。
次に、ステップＳ１０３に進み、圧力センサ３７により検出されるカソードオフガス圧力がステップＳ１０２で算出した目標カソードガス圧力となるようにＰＩＤフィードバック制御を行うときの背圧弁１５の弁開度（すなわち、開度指令値）Ａ１を算出する。

次に、ステップＳ１０４に進み、図３に示す最小弁開度マップを参照して、ステップＳ１０１で算出した燃料電池１の要求出力に応じた背圧弁１５の最小弁開度Ａ２を算出する。図３に示す最小弁開度マップは、予め実施した実験結果に基づいて作成し、ＲＯＭに記憶しておく。最小弁開度Ａ２は燃料電池１の要求出力に応じて設定されており、要求出力が大きくなるにしたがって最小弁開度Ａ２も大きくなるように設定されている。これは、燃料電池１の要求出力が大きいほど、燃料電池１に供給するカソードガス流量を多くする必要があるからである。また、最小弁開度Ａ２は、燃料電池１の要求出力毎に必要なカソードガス圧力を確保することができる弁開度に設定されている。

次に、ステップＳ１０５に進み、ステップＳ１０３で算出したＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１が、ステップＳ１０４で算出した最小弁開度Ａ２よりも小さいか否かを判定する。
ステップＳ１０５における判定結果が「ＮＯ」（Ａ１≧Ａ２）である場合には、ステップＳ１０６に進み、背圧弁１５の弁開度をステップＳ１０３で算出した弁開度Ａ１とし、本ルーチンの実行を一旦終了する。すなわち、この場合には、ＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１が、燃料電池１の要求出力に応じた最小弁開度Ａ２を下回っていないので、背圧弁１５の開度をＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１を背圧弁１５の弁開度として採用する。

一方、ステップＳ１０５における判定結果が「ＹＥＳ」（Ａ１＜Ａ２）である場合には、ステップＳ１０７に進み、背圧弁１５の弁開度をステップＳ１０４で算出した最小弁開度Ａ２とし、また、ステップＳ１０３において弁開度Ａ１を算出する際に設定されたＰＩＤ制御の積分項（Ｉ項）をゼロにリセット（すなわちキャンセル）して、本ルーチンの実行を一旦終了する。
すなわち、この場合には、背圧弁１５の弁開度としてＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１を採用すると、燃料電池１の要求出力に応じた最小弁開度Ａ２を下回ってしまうので、最小弁開度Ａ２以下にならないようにするために、背圧弁１５の弁開度としては最小弁開度Ａ２を採用する。

また、ステップＳ１０３において弁開度Ａ１を算出する際に設定されたＰＩＤ制御の積分項（Ｉ項）をゼロにリセット（キャンセル）することにより、フィードバック制御による弁開度Ａ１が最小弁開度Ａ２以下になっている期間（以下、Ｉ項キャンセル期間と称す）は積分項をキャンセルすることができるので、このＩ項キャンセル期間が終了したとき、すなわちＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１が最小弁開度Ａ２を超えたときに、積分項のフィードバック制御によるオーバーシュートを防止することができ、応答性を向上することができる。

なお、この実施例においては、ＥＣＵ７０は圧力制御部を構成し、ＥＣＵ７０がステップＳ１０１の処理を実行することにより要求出力検出部が実現され、ステップＳ１０２の処理を実行することにより目標圧力算出部が実現され、ステップＳ１０４の処理を実行することにより最小弁開度設定部が実現される。

図４は、このように背圧弁開度制御を実行したときのタイムチャートであり、車両に加速要求があったため、燃料電池１に対して高出力を要求した場合を示している。
この図において、ＦＣ電圧は電圧計４７により検出される燃料電池１の出力電圧であり、ＦＣ電流は電流計４９により検出される燃料電池１の出力電流である。また、目標ＣＧ圧力は燃料電池１内の目標カソードガス圧力であり、実ＣＯＧ圧力は圧力センサ３７により検出されるカソードオフガス圧力である。

図４において、燃料電池１に対し高出力が要求されると、背圧弁１５は弁開度を閉じる方向に制御されるが、その初期段階において背圧弁１５のＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１が最小弁開度Ａ２よりも大きいときには、背圧弁１５の弁開度はＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１とされる。
そして、ＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１が最小弁開度Ａ２以下になると、背圧弁１５の弁開度は最小弁開度Ａ２とされ、その後、ＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１が再び最小弁開度Ａ２を超えるまでの間（すなわちＩ項キャンセル期間）、背圧弁１５の弁開度は最小弁開度Ａ２にされる。ただし、このＩ項キャンセル期間中の最小弁開度Ａ２は燃料電池１の要求出力の変化に応じて変更される。
そして、ＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１が最小弁開度Ａ２を超えると、背圧弁１５の弁開度は再びＰＩＤフィードバック制御による弁開度Ａ１とされる。
このように背圧弁１５の弁開度を制御すると、燃料電池１の要求出力が増大した直後における燃料電池１の出力電圧（ＦＣ電圧）の低下が従来よりも小さくなることが、図４に示されるＦＣ電圧の推移から明らかである。

以上説明するように、この実施例における燃料電池システムにおいては、走行用モータ４３が燃料電池１に要求する要求出力に応じて背圧弁１５の最小弁開度Ａ２を設定するので、高出力要求によりカソードガス圧力を上昇させるときにも背圧弁１５が全閉にならず、燃料電池１内部でのカソードガスの流れを確保することができる。その結果、燃料電池１内のカソードガス不足による発電性能の低下および固体高分子電解質膜の劣化を防止することができる。

また、燃料電池１の要求出力が大きくなるにしたがって最小弁開度Ａ２も大きくなるように設定するので、燃料電池１の要求出力が大きくなり、カソードガスの供給圧力および供給流量の要求が増大しても、要求出力に応じたカソードガス流量を確保することができる。

また、背圧弁１５の弁開度をＰＩＤフィードバック制御している場合にも背圧弁１５の弁開度が最小弁開度Ａ２以下にならないようにすることができるので、発電性能の低下を防止し所定の発電性能を確保しつつ、フィードバック制御による背圧弁１５の弁開度制御を行うことができる。

さらに、ＰＩＤフィードバック制御による背圧弁１５に対する弁開度Ａ１が最小弁開度Ａ２以下になっている間（Ｉ項キャンセル期間）は積分項をリセット（キャンセル）するので、Ｉ項キャンセル期間が終了したときに、積分項のフィードバック制御によるオーバーシュートを防止することができ、応答性を向上することができる。

また、燃料電池１の発電運転中は背圧弁１５の弁開度が最小弁開度Ａ２以下になることがなく、しかも、最小弁開度Ａ２は燃料電池１の要求出力に応じて適切に設定されているので、例えば、燃料電池１に供給されるカソードガスの流量を検出する流量センサ（図示せず）に異常があった場合にも、必要以上に背圧弁１５を閉じ過ぎないようにすることができ、燃料電池１および燃料電池システムの異常な圧力上昇を防止することができる。

〔他の実施例〕
なお、この発明は前述した実施例に限られるものではない。
例えば、前述した実施例では、燃料電池１で発電した電力を消費する負荷を走行用モータ４３としたが、これはあくまでも一例であって、負荷はこれに限るものではない。例えば、コンプレッサ７やその他の補機も燃料電池１の負荷とすることができる。このように負荷が複数ある場合には、負荷が燃料電池１に要求する要求出力は、個々の負荷が燃料電池１に要求する要求出力の総計とすることができる。

この発明に係る燃料電池システムの一実施例における概略構成図である。 前記実施例における燃料電池システムの背圧弁開度制御を示すフローチャートである。 前記実施例における背圧弁開度制御において用いられる最小弁開度マップの一例を示す図である。 前記実施例の背圧弁開度制御を実行したときの燃料電池の出力電圧等のタイムチャートである。 従来技術における燃料電池の出力電圧等のタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池
１３ カソードオフガス流路
１５ 背圧弁
３７ 圧力センサ（カソードガス圧力検出部）
４３ 走行用モータ（負荷）
７０ ＥＣＵ（圧力制御部）

Claims (4)

1. アノードガスとカソードガスを供給し発電をする燃料電池と、
   前記燃料電池に供給されたカソードガスを該燃料電池外に排出するカソードオフガス流路に設置された背圧弁と、
   前記背圧弁の弁開度を制御することにより燃料電池内部のカソードガス圧力を調整する圧力制御部と、
   前記燃料電池で発電した電力を消費する負荷と、
   を有する燃料電池システムにおいて、
   前記負荷が前記燃料電池に要求する要求出力を検出する要求出力検出部と、
   前記要求出力検出部により検出された要求出力に応じて前記背圧弁の最小弁開度を設定する最小弁開度設定部と、
   をさらに有し、前記圧力制御部は前記最小弁開度設定部により設定された最小弁開度以下にならないように前記背圧弁の弁開度を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記最小弁開度設定部は、前記負荷の要求出力が大きくなるにしたがって最小弁開度も大きくなるように設定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. 前記燃料電池内部のカソードガス圧力を検出するカソードガス圧力検出部と、
   前記要求出力検出部により検出された要求出力に応じて目標カソードガス圧力を算出する目標圧力算出部と、
   をさらに有し、
   前記圧力制御部は、前記圧力検出部により検出されたカソードガス圧力が前記目標圧力算出部により算出された目標カソードガス圧力となるように前記背圧弁の弁開度をフィードバック制御し、このフィードバック制御による背圧弁に対する開度指令値が前記最小弁開度設定部により設定された最小弁開度以下になる場合は、背圧弁の弁開度が前記最小弁開度以下にならないように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記フィードバック制御は積分項を含み、フィードバック制御による背圧弁に対する開度指令値が前記最小弁開度設定部により設定された最小弁開度以下になる場合は、前記開度指令値が前記最小弁開度を超えるまで、前記積分項をキャンセル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。

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