JP2009224293A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、水の電気分解機能を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system, and more particularly to a fuel cell system having a water electrolysis function.
水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスを利用して発電する燃料電池システムが知られている。燃料電池システムは、例えば、車両などに搭載されて車両走行用モータの電源として利用される。もちろん、燃料電池システムは車両以外にも利用可能である。 2. Description of the Related Art A fuel cell system that generates power using a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as air is known. The fuel cell system is mounted on, for example, a vehicle and used as a power source for a vehicle driving motor. Of course, the fuel cell system can be used other than the vehicle.
また、燃料電池システムにおいて、システムの外部から得られる電力を利用して水を電気分解し、これにより発生する水素を貯蔵しておき、燃料電池の燃料ガスとして利用する旨のシステムも提案されている(特許文献1,2参照)。 In addition, in a fuel cell system, a system has been proposed in which water is electrolyzed using electric power obtained from outside the system, and hydrogen generated thereby is stored and used as fuel gas for the fuel cell. (See Patent Documents 1 and 2).
上記のように、電力を利用して発生する水素を貯蔵しておく旨の技術が存在する一方において、電力を電気的な状態のまま蓄えておく2次電池も従来から知られている。 As described above, while there is a technique for storing hydrogen generated by using electric power, a secondary battery that stores electric power in an electrical state is also known.
このような状況において、本願の発明者は、外部から得られる電力を水素として貯蔵するとともに電気的な状態のまま蓄えておく燃料電池システムについて研究開発を重ねてきた。特に、燃料電池システムの外部から得られる電力の利用状況に注目した。 Under such circumstances, the inventor of the present application has repeatedly researched and developed a fuel cell system for storing electric power obtained from the outside as hydrogen and storing it in an electrical state. In particular, we focused on the usage of power obtained from outside the fuel cell system.
本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、外部から得られる電力を有効に利用する燃料電池システムを提供することにある。 The present invention has been made in the course of research and development, and an object of the present invention is to provide a fuel cell system that effectively uses electric power obtained from the outside.
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様の燃料電池システムは、水素と酸素を利用して発電することにより第1の電力源として機能する燃料電池と、充電されることにより電気的に電力を蓄えて第2の電力源として機能する充電池と、水を電気分解することにより前記燃料電池で利用される水素を発生する電気分解部と、外部から得られる外部電力を前記充電池と前記電気分解部とに分配する制御部と、を有し、前記制御部は、前記充電池の充電状態を反映させた状態量に基づいて前記電気分解部に対する電力供給量を制御する、ことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention includes a fuel cell that functions as a first power source by generating electricity using hydrogen and oxygen, and is electrically charged by being charged. A rechargeable battery that stores electric power in the battery and functions as a second power source; an electrolysis unit that generates hydrogen used in the fuel cell by electrolyzing water; and external power obtained from the outside. And a control unit that distributes to the electrolysis unit, and the control unit controls a power supply amount to the electrolysis unit based on a state quantity reflecting a state of charge of the rechargeable battery. It is characterized by.
望ましい態様において、前記制御部は、前記充電池に分配される充電電力の供給量の減少に応じて、前記電気分解部に対する電力供給量を増加させる、ことを特徴とする。 In a preferred aspect, the control unit increases the power supply amount to the electrolysis unit in accordance with a decrease in the supply amount of charging power distributed to the rechargeable battery.
望ましい態様において、前記制御部は、前記充電電力の供給量の減少分だけ前記電気分解部に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力を最大に利用する期間を延長させる、ことを特徴とする。 In a preferred aspect, the control unit extends the period of maximum use of external power by increasing the power supply amount to the electrolysis unit by a decrease in the supply amount of the charging power. .
望ましい態様において、前記制御部は、前記充電池の充電量から前記充電電力の供給量を確認する、ことを特徴とする。 In a preferred aspect, the control unit confirms the supply amount of the charging power from the charge amount of the rechargeable battery.
本発明により、充電池の充電状態を反映させた状態量に基づいて電気分解部に対する電力供給量が制御されるため、外部から得られる電力が有効に利用される。例えば、本発明の好適な態様によれば、充電池に分配される充電電力の供給量の減少分だけ電気分解部に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力を最大に利用する期間を延長させて、より急速に多くのエネルギーを蓄えることが可能になる。 According to the present invention, since the amount of power supplied to the electrolysis unit is controlled based on the state quantity reflecting the state of charge of the rechargeable battery, the electric power obtained from the outside is effectively used. For example, according to a preferred aspect of the present invention, the period of maximum use of external power is extended by increasing the power supply amount to the electrolysis unit by a decrease in the supply amount of charging power distributed to the rechargeable battery. And more energy can be stored more rapidly.
図1には、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態が示されており、図1はその全体構成を示す機能ブロック図である。 FIG. 1 shows a preferred embodiment of a fuel cell system according to the present invention, and FIG. 1 is a functional block diagram showing the overall configuration thereof.
図1に示す燃料電池システムは、第1の電力源として機能する燃料電池スタック10と、第2の電力源として機能する蓄電装置20を備えており、モータ40に対して電力を供給する。モータ40は、例えば、車両走行用モータであり、その場合には、本燃料電池システムが車両に搭載されて車両走行用モータの電源として利用される。なお、本燃料電池システムは車両以外の装置やシステムに利用されてもよい。
The fuel cell system shown in FIG. 1 includes a
燃料電池スタック10は、水素を含んだ燃料ガスと酸素を含んだ酸化ガスとを反応させて発電する。つまり、燃料ガスと酸化ガスが燃料電池スタック10に供給され、燃料電池スタック10内の図示しない複数の電池セルにおいて燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電気エネルギーが得られる。電池セルは、例えば、略長方形状の板状のセルであり、それら複数の板状の電池セルが積層されて燃料電池スタック10が形成される。なお、各電池セルは、例えば円筒状のものであってもよい。
The
蓄電装置20は、自身に供給される電力を電気的に蓄える充電池(2次電池)として機能する。蓄電装置20に蓄えられた電力は、電力合成部30を介してモータ40に供給される。電力合成部30は、蓄電装置20から得られる電力と燃料電池スタック10から得られる電力を合成して、あるいは、いずれか一方から得られる電力を選択して、モータ40へ供給する。
The
水電気分解装置70は、水を電気分解することにより水素を発生する。水電気分解装置70において利用される水は、燃料電池スタック10のガス排出口(OUT)から排出される生成水である。水電気分解装置70は、燃料電池スタック10と水電気分解装置70とを接続する配管内に蓄えられた生成水を利用する。なお、生成水などの水を蓄えるタンクを水電気分解装置70に設けてもよい。
The
水電気分解装置70において発生した水素は水素タンク60に蓄えられる。水素タンク60に蓄えられた水素は、バルブ62,64を備えた配管を介して、燃料電池スタック10のガス供給口(IN)に供給され、燃料電池スタック10における発電に利用される。なお、水素タンク60を省略し、バルブ62,64を備えた配管を太くするなどして配管内に水素を蓄えることにより、その配管を水素タンク60として機能させてもよい。また、水素タンク60内の水素の圧力が所定値以上となった場合に、水電気分解装置70における電気分解処理を停止させるように制御されてもよい。
Hydrogen generated in the
高圧タンク50は、本燃料電池システムの外部から供給される水素を蓄えるタンクであり、水素(水素ガス)が高い圧力で内部に詰め込まれる。なお、水素タンク60に蓄えられた水素がポンプ80を介して高圧タンク50に蓄えられてもよい。高圧タンク50に蓄えられた水素は、バルブ52を備えた配管と、バルブ62,64を備えた配管を介して、燃料電池スタック10のガス供給口(IN)に供給され、燃料電池スタック10における発電に利用される。
The high-
本実施形態においては、燃料電池システムの外部から外部電力が供給される。そして、その外部電力を利用して、水電気分解装置70が水を電気分解して水素としてエネルギーを蓄え、また、蓄電装置20が電力を電気的に蓄積して電気としてエネルギーを蓄える。例えば、夜間などに外部から外部電力が供給され、本燃料電池システムに水素または電気としてエネルギーが蓄積される。外部電力は、電力制御部90によって、蓄電装置20と水電気分解装置70に分配される。
In the present embodiment, external power is supplied from the outside of the fuel cell system. Then, using the external power, the
蓄電装置20は、比較的大きな電力の供給を受けて充電を行うことが可能である。しかし、蓄電装置20の充電量(SOC)が増加すると、例えば、満充電の状態に近づくと、蓄電装置20の電圧が上昇して大電流が流れにくくなる。
The
一方、水電気分解装置70は、水を電気分解する際に化学変化を伴うことなどから、蓄電装置20に比べて、大きな電力を供給することができず、急速な蓄積(水素の発生)を行うことができない。
On the other hand, the
蓄電装置20と水電気分解装置70の上記のような性質を考慮して、電力制御部90は、蓄電装置20と水電気分解装置70に対して、外部電力を効率よく分配する。
In consideration of the above-described properties of the
図2は、電力制御部90による制御を説明するための図である。以下、図2を利用して電力制御部90による制御について説明する。なお、図1に既に示した部分(構成)については、以下の説明においても図1の符号を利用する。
FIG. 2 is a diagram for explaining control by the
図2には、横軸を時間軸として縦軸に電力の大きさを示したグラフが示されている。そのグラフ内には、図1の燃料電池システムに外部から供給される外部電力92の時間変化の様子が実線で示されており、その外部電力92のうち、蓄電装置20に供給(分配)される充電電力94の時間変化の様子が破線で示されている。
FIG. 2 shows a graph in which the horizontal axis represents the time axis and the vertical axis represents the magnitude of power. In the graph, the time change of the external power 92 supplied from the outside to the fuel cell system of FIG. 1 is shown by a solid line, and the external power 92 is supplied (distributed) to the
外部から供給される外部電力92は、外部電力92を発生する充電設備の仕様などに応じた最大電力に制限される。図2においては、一例として、外部電力92の最大電力を3kWとした。急速に多くの電力を燃料電池システム内に取り込むためには、外部電力92の最大電力の利用期間をできる限り長くすることが望ましい。 The external power 92 supplied from the outside is limited to the maximum power according to the specifications of the charging facility that generates the external power 92. In FIG. 2, as an example, the maximum power of the external power 92 is 3 kW. In order to rapidly capture a large amount of power in the fuel cell system, it is desirable to make the maximum power usage period of the external power 92 as long as possible.
そこで、本実施形態において、電力制御部90は、まず、比較的大きな電力の供給を受けて充電を行うことが可能な蓄電装置20に対してより多くの電力を供給する。例えば、外部電力92の全てを充電電力94として蓄電装置20に供給する。図2では、充電の開始時刻T0から時刻Tdまでの期間において、外部電力92の全てが充電電力94として蓄電装置20に供給され、蓄電装置20が急速に充電される。
Therefore, in the present embodiment, the
蓄電装置20に対する充電が進み、蓄電装置20の充電量(SOC)が増加すると、例えば満充電の状態に近づくと、蓄電装置20の電圧が上昇して大電流が流れにくくなる。つまり、充電電力94が低下し始める。例えば、図2の時刻Tdから時刻Tfまでの期間において、破線で示すように充電電力94が低下する。
When the charging of the
本実施形態においては、充電電力94の減少分だけ水電気分解装置70に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力92を最大に利用する期間を延長させる。つまり、図2において、電力制御部90は、時刻Tdから水電気分解装置70に対して電力の供給(分配)を開始する。電力制御部90は、時刻Tdから時刻Tmまでの期間において、充電電力94の減少分だけ水電気分解装置70に対して電力を供給する。そのため、時刻Tdから時刻Tmまでの期間において外部電力92の最大電力(3kW)が利用される。
In the present embodiment, the amount of power supplied to the
電力制御部90は、蓄電装置20の充電量から充電電力94の供給量を確認する。例えば、蓄電装置20の充電量(SOC)と充電電力94の大きさとを予め定めたテーブルを参照して、充電量の検出値から充電電力94の大きさ(供給量)を確認する。そして、充電電力94が3kWから減少し始めると、その減少分だけ水電気分解装置70に対して電力を供給する。
The
なお、電力制御部90は、例えば、蓄電装置20の出力電圧を利用して充電電力94の大きさを確認してもよいし、充電量(SOC)の時間変化(微分値)から充電電力94の大きさを算出してもよい。また、電流計などにより直接的に充電電力94の大きさを確認してもよい。
The
水電気分解装置70は、蓄電装置20に比べて、大きな電力を供給することができない。図2においては、一例として、水電気分解装置70に供給できる最大電力を1kWとした。そのため、時刻Tm以降において、充電電力94がさらに低下すると、蓄電装置20と水電気分解装置70に供給される電力が外部電力94の最大電力(3kW)よりも小さくなる。そのため、図2では、時刻Tmから時刻Tfまでの期間において、外部電力92が低下している。
The
そして、時刻Tfにおいて、蓄電装置20の充電が完了すると、充電電力94が供給されなくなり、外部電力92は、水電気分解装置70に対する1kWの電力のみとなる。さらに、水電気分解装置70において水素の発生が継続されて、例えば貯蔵される水素の圧力が増加すると、水電気分解装置70に供給される電力が最大電力の1kWから徐々に低下し始める。図2では、時刻Tf以降の期間において、水電気分解装置70に供給される電力が徐々に低下し、外部電力92も1kWから徐々に低下している。
When charging of the
このように、本実施形態においては、蓄電装置20に供給される充電電力94の供給量の減少分だけ、水電気分解装置70に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力92を最大に利用する期間を延長させている。例えば、図2において、蓄電装置20のみに電力を供給する場合には、外部電力92を最大に利用する期間が、時刻T0から時刻Tdまでであるのに対し、本実施形態では、時刻T0から時刻Tmまでに延長される。そのため、本実施形態では、外部電力92が有効に利用されて、より急速に多くのエネルギーを蓄えることが可能になる。
As described above, in the present embodiment, the external power 92 is maximized by increasing the power supply amount to the
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, embodiment mentioned above is only a mere illustration in all the points, and does not limit the scope of the present invention. The present invention includes various modifications without departing from the essence thereof.
10 燃料電池スタック、20 蓄電装置、30 電力合成部、50 高圧タンク、60 水素タンク、70 水電気分解装置、90 電力制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
充電されることにより電気的に電力を蓄えて第2の電力源として機能する充電池と、
水を電気分解することにより前記燃料電池で利用される水素を発生する電気分解部と、
外部から得られる外部電力を前記充電池と前記電気分解部とに分配する制御部と、
を有し、
前記制御部は、前記充電池の充電状態を反映させた状態量に基づいて前記電気分解部に対する電力供給量を制御する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell that functions as a first power source by generating electricity using hydrogen and oxygen;
A rechargeable battery that functions as a second power source by electrically storing power by being charged;
An electrolysis unit that generates hydrogen used in the fuel cell by electrolyzing water;
A control unit for distributing external power obtained from the outside to the rechargeable battery and the electrolysis unit;
Have
The control unit controls the amount of power supplied to the electrolysis unit based on a state quantity reflecting a state of charge of the rechargeable battery;
A fuel cell system.
前記制御部は、前記充電池に分配される充電電力の供給量の減少に応じて、前記電気分解部に対する電力供給量を増加させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 1,
The control unit increases a power supply amount to the electrolysis unit according to a decrease in a supply amount of charging power distributed to the rechargeable battery.
A fuel cell system.
前記制御部は、前記充電電力の供給量の減少分だけ前記電気分解部に対する電力供給量を増加させることにより、外部電力を最大に利用する期間を延長させる、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 2, wherein
The control unit extends a period of maximum use of external power by increasing a power supply amount to the electrolysis unit by a decrease in a supply amount of the charging power,
A fuel cell system.
前記制御部は、前記充電池の充電量から前記充電電力の供給量を確認する、
ことを特徴とする燃料電池システム。 The fuel cell system according to claim 3, wherein
The control unit confirms the supply amount of the charging power from the charge amount of the rechargeable battery,
A fuel cell system.
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