JP2009517837A - 低い需要に対応して空気を転換させる燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

車両推進装置（１５９）に電力を供給することができる燃料電池装置は、膜（１６）によって分離されたカソード（１９）およびアノード（１７）をそれぞれが有する複数の燃料電池（１２）を含むスタック（１５１）と、切換バルブ（１７２）を介して反応空気流動場につなげられた空気ポンプ（１７４）とを有する燃料電池発電装置を含む。制御装置（１８５）は、通常の需要および高需要に対応して、切換バルブがポンプから反応空気流動場に空気が流れるのを可能にするようにし、低需要に対応して、空気がカソードに達しないように、前記切換バルブが直接周囲雰囲気に向けて空気を転換させるようにし、それによって、カソードの劣化を促進する開放電圧状態を低め、かつ過度の性能低下を防止する。補助負荷（２２０）は、転換される空気流内で、切換バルブの前かまたは後ろのいずれかに置くことができる。エネルギー蓄積部（２００、２０１）は、車両推進装置とともに動作する。

Description

本発明は、電気車両に電力を供給するのに使用されるような燃料電池発電装置に関し、この燃料電池発電装置では、需要が急激に減ると、カソード空気を周囲雰囲気に向けて転換させて、カソード分解とそれによる深刻な性能低下を回避する。

バッテリまたは静電容量により出力を増強した固体高分子型プロトン交換膜（ＰＥＭ）燃料電池発電装置は、通常は非常に広範な需要があるが、きわめて低い需要に変わると、開放電圧状態になる。開放電圧状態のもとでは、対応するカソード電圧が高くなって、カソード触媒分解が起こり、これは、過度の性能低下をもたらす。また、そのような燃料電池では、電力需要が突然に高まるので、そのような需要を満たすために、カソードへの反応空気流が利用可能でなければならず、したがって、空気ポンプは低需要時にも運転を継続して、急転して再開される高い電力需要に対応しなければならない。これらの状態下で、過剰な燃料電池の出力電力の一部を吸収するダミー負荷を使用して、開放電圧を低下させ、カソード腐食を軽減することが知られている。

本発明の目的には、電気車両またはハイブリッド車両に電力を供給する燃料電池スタックの腐食および性能低下を管理すること、低需要が繰り返される燃料電池発電装置のエネルギーを節約すること、負荷が低下しているときに、その時点の状態に密接に関係するように燃料電池反応を制御すること、燃料電池発電装置内のその他無駄な燃料および／またはエネルギーを節約すること、需要が大きく変動する燃料電池発電装置の開放電圧状態を低めること、需要が大きく変動する燃料電池発電装置のカソード触媒分解を低減すること、需要の大きな変動を受ける燃料電池発電装置の性能低下を軽減すること、燃料電池発電装置を改良することが含まれる。

本発明は、燃料電池発電装置が低電力需要への急激な変動を受けたときに、燃料電池発電装置のカソードに向かう反応空気を急速かつ大幅に低減することで、需要の低下直後に、カソードの劣化を回避する安全電圧に燃料電池スタックを保持するのに必要な電力の散逸が大幅に低減されるという事実の認識に基づいている。本発明はまた、カソード反応物ポンプ、通常は送風機が、ほぼ最大運転速度で動き続けるならば、発電装置は、出力電力需要の突然の増加に素速く対応できるという認識に基づいている。

本発明によれば、セル当たり０．８５ボルトより大きいような高カソード電圧状態をもたらし得る電力需要の低下を受けて、送風機から供給された反応空気が周囲雰囲気に向けて素早く転換され、送風機は、出力電力需要が低いときに必要とされるレベルよりも高いレベルで運転され、それにより、出力電力需要の急激な増加にいつでも対応できる。

さらに、本発明によれば、出力電力需要が急激に落ち込んだときにはいつでも、オプションの補助負荷を標準の負荷と並列に接続することができ、それによって、スタックに残った酸素、すなわち、流動場にあり、触媒上に吸収された残留酸素を消費する過程で発生する電力を散逸させる。補助負荷は、低需要時に送風機からの空気で冷却することができる。

バッテリまたはコンデンサバンクが、電力を吸収するのに十分なほど放電された状態にあることを条件として、バッテリまたはコンデンサバンクに充電することによって、残留酸素を消費することで生じた電力の一部を回収できるが、本発明を利用すると、出力電力需要の急激な低下時に、エネルギー蓄積装置（バッテリまたはコンデンサ）が、これ以上エネルギーを吸収できないような最大充電状態になる状況が回避される。さらに、低需要への移行時に、本発明によって酸素をより急速に減らすことで、燃料電池発電装置が生成する電力量が急速に減るので、燃料の消費が低減される。

添付の図面に示した例示的な実施例に関する以下の詳細な説明から、本発明の他の目的、特徴、および利点がより明らかになるであろう。

ここで図１を参照すると、車両１５０は、それぞれがアノード１７とカソード１９の間にプロトン交換膜１６を有する複数の連続する燃料電池を含む燃料電池スタック１５１を有し、１つの燃料電池１２だけを図１に示している。燃料電池スタック１５１の正端子および負端子の電力出力は、一対のライン１５５、１５６によって、スイッチ１５８を介して電気またはハイブリッド車両推進装置１５９に接続されている。

水循環システムは、通気口１６５を備えた容器１６４と、圧力制御トリムバルブ１６６と、水輸送板８４、８６、８８、８９内の水路などの水路と、システム内を循環する水を冷却するのに選択的に動作可能なラジェータ１６８およびファン１６９と、水ポンプ１７０と、を有する。入口１７３の周囲空気は、送風機１７４、コンプレッサなどのポンプによって、二方向切換バルブ１７２を通ってカソード１９の酸化剤反応ガス流動場に供給され、そこから、圧力調整バルブ１７５を通って排気１７６に入る。水素は、供給源１７９から流量調整バルブ１８０を通ってアノード１７の燃料反応ガス流動場に供給され、そこから、パージバルブ１８１を通って排気１８２に入る。燃料リサイクルループは、ポンプ１８３を含む。

制御装置１８５は、電流検出器１８６によって測定された負荷電流、およびライン１５５、１５６間の電圧に応答し、ライン１８７に供給されたスタックの温度信号を受け取ることもできる。図１に示すように、制御装置は、次に、ライン１９０を通じてバルブ１８０を制御し、ライン１９１を通じてバルブ１７２を制御し、他のバルブ、スイッチ１５８、およびポンプ１７０、１７４も制御することができる。

制御装置１８５は、ライン１９３〜１９５上にある、車両推進装置１５９からの始動制御信号、速度制御信号、および需要制御信号に応答し、これら信号は、燃料電池がいつ運転を開始しなければならないかを示し、また、車両推進装置から要求された電力量を示す。始動信号が、車両推進装置１５９からライン１９３を通じて制御装置１８５に送られるたびに、制御装置からの信号によって、バルブ１８０、１８１、およびポンプ１８３が適切に作動されて、燃料反応ガスをアノード１７の流動場に供給し、バルブ１７２、１７５、およびポンプ１７４が適切に作動されて、周囲空気をカソード１９の流動場に供給する。

十分な量の燃料および空気がセルに一様に供給されると、ライン１５５、１５６上で、開放電圧が制御装置１８５によって検出される。その時、制御装置はスイッチ１５８を閉じて、燃料電池スタック１５１を車両推進装置１５９に接続することができる。

始動または停止時に、蓄積制御部２００は、この実施例では車両推進装置１５９のバッテリであるエネルギー蓄積装置２０１に、燃料電池スタックに蓄えたエネルギーを加えることによって、このエネルギーを散逸させることができる。他の実施例では、エネルギー蓄積装置２０１は、他の何らかのバッテリ、コンデンサ、フライホイール、または他の何らかのエネルギー蓄積装置とすることができる。エネルギー蓄積部２００、２０１は、充電の現在の状態が適切であることを条件として、高需要または低需要時に、それぞれ電力を供給するか、または吸収する手助けをすることができる。

本発明によれば、二方向切換バルブ１７２は、カソード１９の酸化剤反応ガス流動場にポンプ１７４からの空気を何ら供給しないか、あるいは一部またはすべてを供給するように調整される。車両がゆっくりと走っているか、止まっているか、または下り坂を進んでいるときなど、燃料電池がほぼ開放電圧を呈するところまで負荷需要が落ちると、ライン１９１上にある制御装置からの信号によりバルブ１７２が調整されて、空気の一部またはすべてを周囲雰囲気に向けて直ちに転換させる。低需要時に、燃料電池に必要とされる流量を超える空気流量で、空気ポンプを運転することができるので、スタックは、増加した需要に素早く対応することができる。本発明の所与のいかなる実施においても、必要ならば、制御装置は負荷の逆関数として信号をライン１９１上に供給できるので、切換バルブ１７２は、適切に比例した量の空気を周囲雰囲気に向けて転換させる。

空気を取り除くのに切換バルブ１７２を利用することによって、ポンプ１７４は運転を続けることができ、カソードに流れる空気の量が直ちに減るので、少量の残留空気だけがカソード流動場および電極構造内に残る。実施例によっては、低負荷時に、ポンプ１７４の速度を落とすか、または止めることさえもできる。

オプションとして、今説明したばかりの本発明を、電力を散逸させる補助負荷２２０（図２）と併用して使用することができ、この補助負荷は、バルブ１７２を開いて空気流を周囲雰囲気に向けて転換させる、ライン１９１上の信号に応答した制御装置によって、スイッチ２２１を介して燃料電池出力ライン１５５、１５６に接続される。補助負荷２２０は、ポンプ１７４からの空気流が切換バルブ１７２に進み、そこから排気に進むときに、その空気流によって冷却することができる。これは、カソード内の残留酸素からエネルギーをより多く散逸させることができるようにする。

本発明のオプションとしての代替の実施例（図３）では、切換バルブ１７２の下流に補助負荷２２０を置くので、通常の運転時には補助負荷２２０の前後で圧力降下がないが、他方で、この実施例では、補助負荷２２０の前後で圧力が降下するために、カソードへの空気流をあまり急激に転換させることができない。補助負荷２２０の物理的な配置は、補助負荷が周囲空気によってよく冷却されるようにするのが好ましい。

本発明は、据え付けの他のタイプの発電装置に使用することもできる。

本発明による、低需要時に空気をカソードからそらせる燃料電池発電装置の概略ブロック図。 本発明による、低需要時に燃料電池スタックのエネルギーを補助負荷に散逸させる燃料電池発電装置の概略ブロック図。 本発明による、図２の実施例の代替案の概略ブロック図。

Claims (10)

1. プロトン交換膜（１６）の両側に、反応空気流動場を備えたカソード（１９）と、アノード（１７）とをそれぞれが有する複数の燃料電池（１２）を含む燃料電池スタック（１５１）と、
   前記空気流動場に接続され、反応空気を前記カソードに供給する空気ポンプ（１７４）と、
   前記スタックによって電力を供給される負荷（１５９）と、
   を備える燃料電池発電装置であって、
   前記空気ポンプと前記空気流動場（１５９、２００、２０１）の間に配置されて、前記ポンプからの空気を周囲雰囲気に向けて選択的に転換させ、転換した空気が前記空気流動場を通ることがないようにする切換バルブ（１７２）と、
   電力需要の低下に対応して、少なくとも前記ポンプからの空気の一部を周囲雰囲気に向けて転換させるように前記切換バルブを制御するよう前記負荷の電力需要（１９５）に対応する制御装置（１８５）と、
   を備えることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記切換バルブ（１７２）は、前記負荷（１５９）からの低い需要に対応して、前記ポンプ（１７４）からの前記空気のすべてを周囲雰囲気に向けて転換させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
3. 前記切換バルブ（１７２）は、前記負荷（１５９）からの前記需要に対応して、前記ポンプ（１７４）からの前記空気の一部を周囲雰囲気に向けて転換させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
4. さらに、前記制御装置（１８５）が前記負荷からの低需要を検出したのを受けて、前記スタック（１５１）の電力出力（１５５、１５６）間に接続することができる補助負荷（２２０）を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
5. 前記補助負荷（２２０）は、前記ポンプ（１７４）からの空気流内で、前記ポンプと前記切換バルブ（１７２）の間に配置されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電装置。
6. 前記補助負荷（２２０）は、前記ポンプ（１７４）からの空気流内で、前記切換バルブ（１７２）と周囲雰囲気の間に配置されることを特徴とする請求項４記載の燃料電池発電装置。
7. 請求項１記載の燃料電池発電装置を備える電気またはハイブリッド車両において、
   前記負荷は車両推進装置（１５９）であり、
   前記制御装置（１８５）は、前記燃料電池スタック（１５１）の電圧出力（１５５、１５６）および電流出力（１８６）、ならびに前記車両推進装置（１５９）からの始動（１９３）信号、速度（１９４）信号、および需要（１９５）信号に応答し、
   前記車両推進装置は、前記信号に応答した前記制御装置（１８５）により、前記燃料電池スタックの前記電力出力に接続することができる（１５８）、
   ことを特徴とする電気またはハイブリッド車両。
8. さらに、低需要を示す前記信号（１５５、１５６；１８６；１９３〜１９５）に応答した前記制御装置（１８５）により、前記スタック（１５１）の前記電力出力（１５５、１５６）の間に接続することができる補助負荷（２２０）を備えることを特徴とする請求項７記載の電気車両。
9. 前記ポンプ（１７４）の速度は、前記負荷からの低需要に対応して減速されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電装置。
10. 前記ポンプは、前記負荷からの低需要に対応して停止されることを特徴とする請求項９記載の燃料電池発電装置。

Images