JP2009158380A - 燃料電池システム - Google Patents

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Abstract

【課題】発電を停止する間欠運転制御の実行中、燃料電池に燃料ガスを補給する際に、燃料ガス系内における燃料ガスの濃度が不均一になることを抑制する。
【解決手段】燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池４０と、燃料電池４０を含む燃料ガス系７２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部７１と、燃料電池４０からの燃料ガスのオフガスを燃料ガス系７２を介して燃料電池４０に循環させる燃料ガス循環部１１０と、これらを制御する制御部１０とを有し、制御部１０が、燃料電池４０の発電を停止する間欠運転制御の実行中、燃料ガス量が低下した燃料ガス系７２内に燃料ガス供給部７１により燃料ガスを補給する際に、燃料ガス循環部１１０を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、その制御の改善に関する。
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電を一定条件下一時的に停止する間欠運転制御の実行中、燃料電池を含む燃料ガス系の燃料ガス圧が低下してきた場合に燃料ガスを燃料ガス系に補給することで、次回発電時の応答性低下を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１７２０２８号公報
しかしながら、上記の燃料電池システムにおいては、例えば燃料ガスの補給分が少ない場合に、燃料電池を含む燃料ガス系内における燃料ガスの濃度が不均一になる可能性があった。
そこで、本発明は、発電を停止する間欠運転制御の実行中、燃料電池に燃料ガスを補給する際に、燃料電池を含む燃料ガス系内における燃料ガスの濃度が不均一になることを抑制することができる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、燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池を含む燃料ガス系内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、前記燃料電池からの燃料ガスのオフガスを前記燃料ガス系を介して前記燃料電池に循環させる燃料ガス循環部と、これら燃料ガス供給部と燃料ガス循環部を制御する制御部とを有し、前記制御部が、前記燃料電池の発電を所定条件下で停止する間欠運転制御の実行中に、前記燃料ガス系内の燃料ガス量が低下すると前記燃料ガス供給部により前記燃料ガス系内に燃料ガスを補給する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記間欠運転制御の実行中の前記燃料ガス供給部による燃料ガス補給時に、前記燃料ガス循環部を駆動する。
かかる構成によれば、間欠運転制御の実行中の燃料ガス供給部による燃料ガス補給時に、燃料ガス循環部を駆動するので、燃料ガス系内に補給した燃料ガスと既にあった燃料ガスとの混合が促進されることになる。よって、燃料電池を含む燃料ガス系内における燃料ガスの濃度の均一化を図ることができる。
前記制御部は、前記間欠運転制御の実行中の前記燃料ガス供給部による燃料ガス補給時に、前記燃料ガス供給部を断続的に駆動し、前記燃料ガス循環部を連続的に駆動しても良い。
前記制御部は、前記間欠運転制御の実行中の前記燃料ガス供給部による燃料ガス補給時に、前記燃料ガス供給部の駆動時間よりも、前記燃料ガス循環部の駆動時間を長くしても良い。
本発明の燃料電池システムによれば、発電を停止する間欠運転制御の実行中、燃料電池に燃料ガスを補給する際に、燃料ガスの濃度が不均一になることを抑制することができる。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面に燃料極（アノード）４２と酸素極（カソード）４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ９２及び電流センサ９３によって測定される。燃料電池４０の燃料極４２には、燃料ガス供給源７０から燃料ガス供給通路７０Ａを介して水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極４３には、酸化ガス供給源８０から酸化ガス通路８０Ａを介して空気などの酸化ガスが供給される。
燃料ガス供給通路７０Ａには、燃料電池４０からの燃料ガスのオフガスを燃料電池４０に循環させる燃料ガス循環通路７０Ｂが接続されており、燃料ガス循環通路７０Ｂに設けられた燃料ガスポンプ（燃料ガス循環部）１１０によって、燃料ガスのオフガスが必要に応じて燃料電池４０の燃料極４２に再度供給されるようになっている。なお、燃料ガス循環通路７０Ｂには、燃料ガスのオフガスを排気するための燃料ガス排出通路７０Ｃが接続されており、燃料ガス排出通路７０Ｃに設けられた排気弁１１１によって、燃料ガスのオフガスが必要に応じて外気に排気されるようになっている。
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ（電子機器、電圧変換装置）３０は、例えば４つのパワー・トランジスタ（スイッチング素子）と専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス供給通路７０Ａに設けられたインジェクタ（燃料ガス供給部）７１や酸化ガス通路８０Ａに設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、燃料ガス循環通路７０Ｂに設けられた燃料ガスポンプ１１０、燃料ガス排出通路７０Ｃに設けられた排気弁１１１、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
ところで、燃料電池４０を低負荷で連続運転し続けると、高分子電解質膜４１の白金触媒表面に酸化皮膜が形成されて白金触媒の有効面積が減少し、燃料電池４０のＩ−Ｖ特性が低下する。このため、燃料電池システム１００では、セル電圧を還元領域まで低下させることにより、白金触媒の表面の酸化皮膜を還元して取り除き、Ｉ−Ｖ特性の低下を抑制し、航続距離を伸ばす触媒活性回復制御を行う。
以下、図２に示すタイミングチャートを参照しつつ制御内容を説明する。図２中、最上段は間欠運転フラグの状態、その下段が電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、その下段が電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、その下段が酸化ガス供給源８０及び調圧弁８１による燃料電池４０への酸化ガスの供給状態、その下段が燃料ガスポンプ１１０の駆動状態、その下側が圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力、その下段がインジェクタ７１の駆動状態をそれぞれ示す。
例えば、車両停車中において、間欠運転制御を行う所定の実行許可の条件が成立して、間欠運転フラグがＯＦＦからＯＮに切り換わると（図２に示すｔ１時点）、制御装置１０は、燃料ガス供給源７０及びインジェクタ７１による燃料電池４０への燃料ガスの供給を基本的に停止し、且つ酸化ガス供給源８０及び調圧弁８１による燃料電池４０への酸化ガスの供給を基本的に停止することにより、燃料電池４０の発電を停止する間欠運転制御を行うことになる。
この間欠運転制御の実行中に（図２に示すｔ１時点以降）、触媒活性回復制御の所定の実行許可の条件が成立すると、制御装置１０は、触媒活性回復制御を開始する（図２に示すｔ２時点）。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって、酸化領域である所定の高電位回避電圧（図２に示すＶ１）からそれよりも低電圧に設定された還元領域である所定の触媒活性回復目標電圧（図２に示すＶ２）まで燃料電池４０のセル総電圧を下げる（図２に示すｔ２時点〜ｔ３時点の期間Ｔ１）。
その後、コンバータ指令電圧をこの触媒活性回復目標電圧に維持したまま、酸化ガス欠乏状態にて燃料電池４０のセル総電圧が低下するのを許容する。
そして、燃料電池４０のセル総電圧が触媒活性回復目標電圧よりも低電圧に設定された所定の酸化ガス供給開始電圧に到達したところで、触媒活性回復制御を終了する（図２に示すｔ４時点）。しかる後、酸化ガスの供給を開始して高電位回避制御に移行させ、燃料電池４０のセル総電圧を高電位回避電圧に戻す（図２に示すｔ４時点〜ｔ６時点の期間Ｔ２）。
なお、上記の触媒活性回復制御は、車速が所定速度以下（例えば、車速ゼロの停車状態）となり、間欠運転中（例えば、図２における間欠運転フラグＯＮ以降の状態）であり、バッテリ２０が所定電圧以下であり、前回の触媒活性回復制御から所定時間以上経過し、水素漏れ判定中でなく、エアコンプレッサが停止中であることを実行許可の条件とし、基本的に、この条件が成立した際に実行される。
ところが、上記の触媒活性回復制御を実行すると、前述したように、燃料電池４０のセル総電圧が大きく変動する。その間（図２に示す電圧を下げる期間Ｔ１および電圧を上げる期間Ｔ２）に、燃料電池４０が発電し、図２に示すように電流を発生させてしまう。
このため、燃料電池の４０の燃料ガスが消費されてしまうことになり、燃料電池の４０の燃料ガス量が低下してしまう。すると、そのままでは、燃料電池４０の次回の発電時の応答性を低下させてしまうことになる。このことから、制御装置１０は、上記した触媒活性回復制御の実行時に、燃料電池４０の燃料極４２に連通状態にある燃料ガス系７２内の燃料ガス量が低下することに対応して、これを補うべく、インジェクタ７１を駆動して燃料電池４０へ燃料ガスを補給する。
ここで、燃料ガス系７２は、燃料電池４０の燃料極４２に連通状態にある部分で、燃料ガス供給通路７０Ａにおけるインジェクタ７１と燃料電池４０との間の部分及び燃料電池４０によって構成される。
触媒活性回復制御を開始し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって、高電位回避電圧から触媒活性回復目標電圧まで燃料電池４０のセル総電圧を下げている期間Ｔ１は、発電により燃料電池４０を含む燃料ガス系７２の燃料ガス量が低下すると判断して、制御装置１０は、インジェクタ７１を例えば予め設定された駆動タイミング及び駆動時間で断続的に駆動することによって、燃料ガス系７２に燃料ガスを補給する。あるいは、圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力を所定の範囲に維持するようにインジェクタ７１を駆動する。
また、燃料電池４０のセル総電圧が触媒活性回復目標電圧よりも低い酸化ガス供給開始電圧に到達して触媒活性回復制御を終了し（図２に示すｔ４時点）。しかる後、酸化ガス供給源８０及び調圧弁８１により酸化ガスの供給を開始して高電位回避制御に移行させ、燃料電池４０のセル総電圧を高電位回避電圧に戻す期間Ｔ２も、発電により燃料電池４０の燃料ガス量が低下すると判断して、制御装置１０は、インジェクタ７１を例えば予め設定された駆動タイミング（図２に示すｔ５時点）及び駆動時間で駆動することによって、燃料電池４０に燃料ガスを補給する。あるいは、圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力を所定の範囲に維持するようにインジェクタ７１を駆動する。
そして、上記いずれの補給時においても、燃料ガスの補給量は少量であるため、このとき燃料電池４０を含む燃料ガス系７２内で燃料ガスの濃度が、インジェクタ７１側ほど高く燃料電池４０の出口側ほど低くなるように不均一になってしまい、次回の発電時の応答性に影響を及ぼす可能性がある。
したがって、本実施形態にかかる燃料電池システム１００では、制御装置１０が、上記のような間欠運転制御の実行中、触媒活性回復制御時のインジェクタ７１による燃料ガスの補給の期間Ｔ１，Ｔ２に、燃料ガスポンプ１１０を駆動する。
つまり、例えば、触媒活性回復制御を開始し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって、高電位回避電圧から触媒活性回復目標電圧まで燃料電池４０のセル総電圧を下げている期間Ｔ１において、例えば、インジェクタ７１の最初の駆動開始タイミングと同時に燃料ガスポンプ１１０の駆動を開始し、インジェクタ７１の最後の駆動停止タイミングと同時に燃料ガスポンプ１１０の駆動を停止する。この間、断続的に駆動されるインジェクタ７１に対して、燃料ガスポンプ１１０を連続的に駆動する。あるいは、全期間Ｔ１にわたり同期して燃料ガスポンプ１１０を連続的に駆動する。
これにより、燃料ガス系７２内で燃料ガスが循環することになり、この期間Ｔ１に断続的にインジェクタ７１により補給される燃料ガスと、燃料ガス系７２内に既にあった燃料ガスとを撹拌混合することになり、燃料ガス系７２内の燃料ガスの濃度を均一化することができる。なお、このとき、連続的に駆動される燃料ガスポンプ１１０の駆動時間の方が断続的に駆動されるインジェクタ７１の駆動時間よりも長くなる。
また、例えば、燃料電池４０のセル総電圧が触媒活性回復目標電圧よりも低い酸化ガス供給開始電圧に到達して触媒活性回復制御を終了し、しかる後、酸化ガス供給源８０及び調圧弁８１により酸化ガスの供給を開始して高電位回避制御に移行させ、燃料電池４０のセル総電圧を高電位回避電圧に戻す期間Ｔ２においても、例えば、インジェクタ７１の駆動開始タイミングよりも前に燃料ガスポンプ１１０の駆動を開始し、インジェクタ７１の駆動停止タイミングと同時に燃料ガスポンプ１１０の駆動を停止する。この間、燃料ガスポンプ１１０を連続的に駆動する。あるいは、全期間Ｔ２にわたり同期して燃料ガスポンプ１１０を連続的に駆動する。
これにより、燃料ガス系７２内で燃料ガスが循環することになり、この期間Ｔ２において、インジェクタ７１により補給される燃料ガスと、燃料ガス系７２内に既にあった燃料ガスとを撹拌混合することになり、燃料ガス系７２内の燃料ガスの濃度を均一化することができる。このときも、燃料ガスポンプ１１０の駆動時間の方がインジェクタ７１の駆動時間よりも長くなる。
なお、期間Ｔ２内において、インジェクタ７１の駆動タイミングが遅い場合には、例えば、上記のようにインジェクタ７１の駆動開始よりも早いタイミングで燃料ガスポンプ１１０の駆動を開始し、インジェクタ７１の駆動停止とタイミングを合わせて燃料ガスポンプ１１０の駆動を停止するように制御することができる。
また、例えば、インジェクタ７１の駆動タイミングが早い場合には、インジェクタ７１の駆動開始と同時に燃料ガスポンプ１１０の駆動を開始しインジェクタ７１の駆動停止後に燃料ガスポンプ１１０を停止するように制御することができる。
また、インジェクタ７１の駆動タイミングがこれらの中間の場合には、インジェクタ７１の駆動開始より前に燃料ガスポンプ１１０の駆動を開始しインジェクタ７１の駆動停止後に燃料ガスポンプ１１０を停止するように制御することができる。
以上、説明したように、上記実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、間欠運転制御の実行中のインジェクタ７１による燃料ガス補給時に、燃料ガスポンプ１１０を駆動するので、燃料ガス系７２内に補給した燃料ガスと既にあった燃料ガスとを撹拌混合することになる。よって、燃料電池４０を含む燃料ガス系７２内における燃料ガスの濃度の均一化を図ることができる。したがって、燃料電池４０を含む燃料ガス系７２内で燃料ガスの濃度が不均一になることを抑制することができる。
本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池システムの制御内容を説明するためのタイミングチャートである。
符号の説明
１０・・・制御装置（制御部）、４０・・・燃料電池、７１・・・インジェクタ（燃料ガス供給部）、７２・・・燃料ガス系、１００・・・燃料電池システム、１１０・・・燃料ガスポンプ（燃料ガス循環部）。

Claims (3)

  1. 燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
    前記燃料電池を含む燃料ガス系内に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部と、
    前記燃料電池からの燃料ガスのオフガスを前記燃料ガス系を介して前記燃料電池に循環させる燃料ガス循環部と、
    これら燃料ガス供給部と燃料ガス循環部を制御する制御部とを有し、
    前記制御部が、前記燃料電池の発電を所定条件下で停止する間欠運転制御の実行中に、前記燃料ガス系内の燃料ガス量が低下すると前記燃料ガス供給部により前記燃料ガス系内に燃料ガスを補給する燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記間欠運転制御の実行中の前記燃料ガス供給部による燃料ガス補給時に、前記燃料ガス循環部を駆動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、
    前記制御部は、前記間欠運転制御の実行中の前記燃料ガス供給部による燃料ガス補給時に、前記燃料ガス供給部を断続的に駆動し、前記燃料ガス循環部を連続的に駆動する燃料電池システム。
  3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御部は、前記間欠運転制御の実行中の前記燃料ガス供給部による燃料ガス補給時に、前記燃料ガス供給部の駆動時間よりも、前記燃料ガス循環部の駆動時間を長くする燃料電池システム。
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