JP2009026496A - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】反応ガス供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池の過乾燥を抑制する。
【解決手段】燃料電池２と、反応ガス供給装置１４と、燃料電池２が発電一時停止状態にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置６２と、を備え、所定の電流指令値に基づいて反応ガス供給装置１４を駆動して燃料電池２に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システム１であって、燃料電池２の含水量が所定の閾値未満でありかつ蓄電装置６２の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、電流指令値が水収支零電流値未満であるか否かを判定し、肯定的な判定が得られた場合に燃料電池２の発電状態を発電一時停止状態に移行させる制御装置６を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが実用化されている。燃料電池システムで発電を行うと、電気化学反応により燃料電池の内部で水分が生成される。氷点下等の低温環境下では、燃料電池内に水分が滞留した状態で燃料電池を停止して放置すると、水分の凍結により次回始動時の始動性能が低下する場合がある。このため、現在においては、燃料電池内の水分量を低下させるための技術が種々提案されている。
一方、燃料電池において効率良く発電を行うためには、燃料電池を構成する電解質膜の湿潤状態を維持する必要がある。このため、近年においては、燃料電池の含水量制御が必要な状況で燃料電池の発電を強制的に継続させることにより、燃料電池の湿潤状態を維持する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２６０５４号公報
ところで、燃料電池システムには、燃料電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給装置（例えば、酸化ガスとしての空気を供給するエアコンプレッサ）が設けられている。従来は、所定の電流指令値に基づいてこのような反応ガス供給装置を駆動制御して燃料電池に反応ガスを供給することにより、発電を行っていた。
しかし、前記した特許文献１に記載されたような従来の燃料電池システムにおいては、電流指令値が水収支零電流値（燃料電池内の水収支が零になるときの電流値）を下回るような低電流発電領域において、反応ガス供給装置の機械的な制約により一定量の反応ガスが燃料電池に供給されてしまい、燃料電池が過乾燥状態となるおそれがあった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、エアコンプレッサ等の反応ガス供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池の過乾燥を抑制することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、反応ガス供給装置と、燃料電池が発電一時停止状態にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、を備え、所定の電流指令値に基づいて反応ガス供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムであって、燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、蓄電装置の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、電流指令値が水収支零電流値未満であるか否かを判定し、肯定的な判定が得られた場合に燃料電池の発電状態を発電一時停止状態に移行させる制御装置を備えるものである。
また、本発明に係る制御方法は、燃料電池と、反応ガス供給装置と、燃料電池が発電一時停止状態にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、を備え、所定の電流指令値に基づいて反応ガス供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、蓄電装置の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、電流指令値が水収支零電流値未満であるか否かを判定する第一の工程と、この第一の工程において肯定的な判定が得られた場合に、燃料電池の発電状態を発電一時停止状態に移行させる第二の工程と、を備えるものである。
かかる構成及び方法によれば、燃料電池が乾燥し（含水量が所定の閾値未満であり）、蓄電装置の充電量が比較的多く（所定の閾値以上であり）、かつ、電流指令値が低い（水収支零電流値未満である）場合に、燃料電池の発電状態を発電一時停止状態に移行させることができる。従って、機械的な制約により反応ガス供給装置から供給される反応ガスの流量を所定の下限流量以下に設定することができない場合においても、燃料電池が乾燥するような条件の下で反応ガス供給装置を自動的に停止させ、燃料電池への反応ガスの供給を一時的に停止することができる。この結果、燃料電池の過乾燥を抑制することができる。なお、「発電状態」とは、燃料電池が継続的に発電を行っている状態を意味し、「発電一時停止状態」とは、燃料電池による発電を一時的に停止した状態を意味する。
前記燃料電池システムにおいて、燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、蓄電装置の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、電流指令値を水収支零電流値以上に設定した状態で燃料電池の発電状態を維持する制御装置を採用することができる。
また、前記燃料電池システムの制御方法において、燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、蓄電装置の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、電流指令値を水収支零電流値以上に設定した状態で燃料電池の発電状態を維持する第三の工程を備えることができる。
かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池が乾燥し（含水量が所定の閾値未満であり）、かつ、蓄電装置の充電量が少ない（所定の閾値未満である）場合に、電流指令値を水収支零電流値以上に設定した状態で燃料電池の発電状態を維持することができる。従って、燃料電池の過乾燥を抑制するとともに、蓄電装置の充電を実現させることができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサを反応ガス供給装置として採用することができる。
本発明によれば、エアコンプレッサ等の反応ガス供給装置を駆動して燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池の過乾燥を抑制することが可能となる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明する。
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２と、燃料電池２に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系３と、燃料電池２に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統合制御する制御装置６と、を備えている。
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極及び燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、単電池を構成する電解質に含まれる水分の量（含水量）を検出する含水量センサ２ａが取り付けられている。含水量センサ２ａで検出された含水量に係る情報は制御装置６に入力され、燃料電池２内の発電制御に用いられる。
酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ１４と、エアコンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、図示していない希釈器において水素オフガスと合流して水素オフガスを希釈し、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。エアコンプレッサ１４は、本発明における反応ガス供給装置の一実施形態に相当するものである。
本実施形態においては、制御装置６が、所定の電流指令値に基づいてエアコンプレッサ１４を駆動制御することにより、燃料電池２に供給される空気の流量（エア流量）を調整する。この際、エアコンプレッサ１４の機械的な制約により、図２に示すように、エアコンプレッサ１４から燃料電池２へと供給されるエア流量を所定の下限流量ＱU以下に設定することはできないようになっている。電流指令値が低下してエアコンプレッサ１４から供給されるエア流量が下限流量ＱUに到達すると、図３に示すように燃料電池２内の水収支は零ないし負となるため、このような低電流発電が長時間続くと、燃料電池２の乾燥が進行することとなる。なお、エアコンプレッサ１４から供給されるエア流量が下限流量ＱUとなる電流値の最大値は、燃料電池２の水収支が零となる電流値（水収支零電流値Ｉ0）である。
水素ガス配管系４は、水素供給源２１と、水素供給源２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。
水素供給源２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、所定圧力（例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留可能に構成されている。なお、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、から水素供給源２１を構成してもよい。また、水素吸蔵合金を有するタンクを水素供給源２１として採用することもできる。
水素供給流路２２には、水素供給源２１からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、燃料電池２への水素ガスの供給圧力・流量等を調整する電磁駆動式の開閉弁２８と、が設けられている。遮断弁２６を開くと、水素供給源２１から水素供給流路２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、レギュレータ２７や開閉弁２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池２に供給される。遮断弁２６及び開閉弁２８の動作は制御装置６により制御される。
循環流路２３には、気液分離器３０及び排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御装置６からの指令によって作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）する。排気排水弁３１及び排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、図示していない希釈器において排気流路１２内の酸化オフガス（空気）と合流して希釈される。また、循環流路２３には、循環流路２３内の水素オフガスを加圧して水素供給流路２２側へ送り出す水素ポンプ２４が設けられている。水素ポンプ２４は、図示していないモータの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。
電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示していない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１のこれらの機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
バッテリ６２は、図示していないバッテリコンピュータの制御により、余剰電力の充電やトラクションモータ６４及び補機装置への電力供給を行うものであり、本発明における蓄電装置の一実施形態である。バッテリ６２は、急加速時や間欠運転モードにおける電力アシスト（各種機器への電力供給）を行う。なお、間欠運転モードとは、例えばアイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時に燃料電池１０の発電を一時的に休止し、バッテリ６２からトラクションモータ６４等の負荷装置への電力供給を行い、燃料電池１０には開放端電圧を維持し得る程度の水素ガス及び空気の供給を間欠的に行う運転モードを意味する。間欠運転モードは、本発明における発電一時停止状態に相当する。バッテリ６２としては、例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池を採用することができる。
また、本実施形態では、バッテリ６２の充電量（ＳＯＣ：State of Charge）を検出するＳＯＣセンサ６２ａが設けられている。ＳＯＣセンサ６２ａで検出されたバッテリ６２の充電量に係る情報は、制御装置６に入力され、燃料電池システム１の発電制御に用いられる。
トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置６からの制御指令に従って燃料電池２又はバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。
制御装置６は、車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置とは、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばエアコンプレッサ１４や水素ポンプ２４のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置を総称したものである。
制御装置６は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
具体的には、制御装置６は、図示していないアクセルセンサで検出したアクセル操作量に基づいて、燃料電池２の電流指令値（目標電流値）を算出する。そして、制御装置６は、算出した電流指令値に基づいてエアコンプレッサ１４や開閉弁２８を駆動制御することにより、燃料電池２に供給される反応ガス（酸化ガスとしての空気及び燃料ガスとしての水素ガス）の流量を調整する。これにより、制御装置６は、負荷装置からの要求発電量に応じた発電を行う。このように燃料電池２が負荷装置への電力供給のために発電を継続的に行う運転モードを通常運転モードと称することとする。通常運転モードは、本発明における発電状態に相当する。
また、制御装置６は、含水量センサ２ａを用いて検出した燃料電池２の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、ＳＯＣセンサ６２ａを用いて検出したバッテリ６２の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、電流指令値を水収支零電流値Ｉ0（図２及び図３）以上に設定した状態で通常運転モードを維持する。これにより、燃料電池２の過乾燥を抑制することができる。
一方、制御装置６は、含水量センサ２ａを用いて検出した燃料電池２の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、ＳＯＣセンサ６２ａを用いて検出したバッテリ６２の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、電流指令値が水収支零電流値Ｉ0未満であるか否かを判定する。そして、制御装置６は、電流指令値が水収支零電流値Ｉ0未満であると判定した場合に、燃料電池２の運転モードを通常運転モードから間欠運転モードに移行させる。これにより、エアコンプレッサ１４の駆動による燃料電池２への空気の供給を一時的に停止させることができるので、燃料電池２の過乾燥を抑制することができる。
続いて、図４のフローチャートを用いて、燃料電池システム１の制御方法について説明する。
燃料電池システム１の通常運転モードにおいては、水素供給源２１から水素ガスが水素供給流路２２を介して燃料電池２の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路１１を介して燃料電池２の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池２から引き出すべき電力（発電要求量）が制御装置６で演算され、その発電要求量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池２内に供給されるようになっている。本実施形態においては、このような通常運転モードにおける燃料電池２の過乾燥を抑制する。
まず、燃料電池システム１の制御装置６は、含水量センサ２ａを用いて検出した燃料電池２の含水量が所定の閾値未満であるか否かを判定し（含水量判定工程：Ｓ１）、肯定的な判定が得られた場合に、ＳＯＣセンサ６２ａを用いて検出したバッテリ６２の蓄電量が所定の閾値未満であるか否かを判定する（蓄電量判定工程：Ｓ２）。そして、制御装置６は、蓄電量判定工程Ｓ２において、バッテリ６２の蓄電量が所定の閾値未満であると判定した場合に、電流指令値を水収支零電流値Ｉ0以上に設定した状態で通常運転モードを維持する（発電量調整工程：Ｓ３）。
一方、制御装置６は、蓄電量判定工程Ｓ２において、バッテリ６２の蓄電量が所定の閾値以上であると判定した場合に、電流指令値が水収支零電流値Ｉ0未満であるか否かを判定する（電流判定工程：Ｓ４）。そして、制御装置６は、電流判定工程Ｓ４において電流指令値が水収支零電流値Ｉ0未満であると判定した場合に、燃料電池２の運転モードを通常運転モードから間欠運転モードに移行させる（間欠ＯＮ工程：Ｓ５）。これに対し、制御装置６は、電流判定工程Ｓ４において電流指令値が水収支零電流値Ｉ0以上であると判定した場合に、燃料電池２の運転モードを通常運転モードのまま維持する（間欠ＯＦＦ工程：Ｓ６）。
なお、電流判定工程Ｓ４は、本発明における第一の工程に相当し、間欠ＯＮ工程Ｓ５は、本発明における第二の工程に相当する。また、発電量調整工程Ｓ３は、本発明における第三の工程に相当する。
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２が乾燥し（含水量が所定の閾値未満であり）、バッテリ６２の充電量が比較的多く（所定の閾値以上であり）、かつ、電流指令値が低い（水収支零電流値Ｉ0未満である）場合に、燃料電池２の運転モードを通常運転モードから間欠運転モードへと移行させることができる。従って、機械的な制約によりエアコンプレッサ１４から供給されるエア流量を所定の下限流量以下に設定することができないシステムにおいても、燃料電池２が乾燥するような条件の下でエアコンプレッサ１４を自動的に停止させ、燃料電池２への空気の供給を一時的に停止することができる。この結果、燃料電池２の過乾燥を抑制することができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２が乾燥し（含水量が所定の閾値未満であり）、かつ、バッテリ６２の充電量が少ない（所定の閾値未満である）場合に、電流指令値を水収支零電流値Ｉ0以上に設定した状態で燃料電池２の通常運転モードを維持することができる。従って、燃料電池２の過乾燥を抑制するとともに、バッテリ６２の充電を実現させることができる。
なお、以上の実施形態においては、燃料電池が乾燥しかつバッテリの充電量が少ない場合に、電流指令値を「水収支零電流値Ｉ0以上」に設定した状態で通常運転モードを維持した例を示したが、電流指令値を「燃料電池システムの最大効率点における電流値」に設定した状態で通常運転モードを維持することもできる。このようにすると、燃料電池の過乾燥をより確実に抑制することができる。
また、以上の実施形態においては、燃料電池の含水量を検出する含水量センサを採用しているが、含水量センサの構成や含水量の閾値判定方法については特に限られるものではない。例えば、燃料電池の抵抗値（インピーダンス）を検出する抵抗センサを設け、この抵抗センサで検出した抵抗値が増大して所定の閾値を超えた場合に、燃料電池の含水量が所定の閾値未満となったものと判定する構成（方法）を採用することができる。
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（例えばロボット、船舶、航空機、電車等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（例えば住宅、ビル、工場等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の電流値とエアコンプレッサから供給されるエア流量との関係を示すマップである。 燃料電池の電流値と燃料電池内の水収支との関係を示すマップである 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。
符号の説明
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置、１４…エアコンプレッサ（反応ガス供給装置）、６２…バッテリ（蓄電装置）。

Claims (5)

  1. 燃料電池と、反応ガス供給装置と、前記燃料電池が発電一時停止状態にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、を備え、所定の電流指令値に基づいて前記反応ガス供給装置を駆動して前記燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムであって、
    前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、前記蓄電装置の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、前記電流指令値が水収支零電流値未満であるか否かを判定し、肯定的な判定が得られた場合に前記燃料電池の発電状態を発電一時停止状態に移行させる制御装置を備える、
    燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、前記蓄電装置の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、前記電流指令値を水収支零電流値以上に設定した状態で前記燃料電池の発電状態を維持するものである、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記反応ガス供給装置は、前記燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサである、
    請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
  4. 燃料電池と、反応ガス供給装置と、前記燃料電池が発電一時停止状態にあるときに各種機器に電力を供給する蓄電装置と、を備え、所定の電流指令値に基づいて前記反応ガス供給装置を駆動して前記燃料電池に反応ガスを供給することにより発電を行う燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、前記蓄電装置の蓄電量が所定の閾値以上である場合に、前記電流指令値が水収支零電流値未満であるか否かを判定する第一の工程と、
    前記第一の工程において肯定的な判定が得られた場合に、前記燃料電池の発電状態を発電一時停止状態に移行させる第二の工程と、
    を備える、
    燃料電池システムの制御方法。
  5. 前記燃料電池の含水量が所定の閾値未満であり、かつ、前記蓄電装置の蓄電量が所定の閾値未満である場合に、前記電流指令値を水収支零電流値以上に設定した状態で前記燃料電池の発電状態を維持する第三の工程を備える、
    請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法。
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