JP2010165503A

JP2010165503A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2010165503A
Application number: JP2009005523A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Hotta; 裕堀田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-29

Abstract

【課題】セルモニタの数を抑えつつ、セル電圧の低下を迅速に検知する。
【解決手段】燃料電池システムは、複数の単セルＣ１〜Ｃ１６を含むセル群Ｂ１〜Ｂ４ごとに、セル群の電圧を検出するセル群モニタ５５ａと、セル群モニタ５５ａによって検出された各セル群の電圧のうち、最も低い電圧が検出されたセル群に属する単セルの電圧を検出する単セルモニタ５５ｂと、セル群モニタ５５ａによって電圧が検出されるセル群Ｂ１〜Ｂ４を切り替え制御するとともに、単セルモニタ５５ｂによって電圧が検出される単セルＣ１〜Ｃ１６を切り替え制御する制御部とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

高分子電解質型の燃料電池は、多数の単セルを積層してなるスタックを有する。このような燃料電池では、各単セルの出力電圧であるセル電圧を監視し、いずれかの単セルで発電性能が低下した場合には、最低のセル電圧に基づいて燃料電池の出力を制限する。ところで、燃料電池には、多数の単セルが積層されているため、セル電圧を検出する電圧検出器を単セルごとに設けることとすると構成が複雑になり過ぎてしまう。下記特許文献１では、燃料電池の単セルを、複数の単セルからなるセルブロックに分類し、セルブロックごとに電圧検出器を設けることで、電圧検出器の数を減らしている。

特開２００４−１７９１１２号公報

ところで、上記特許文献１では、検出周期ごとに、全てのセル電圧を順次検出している。したがって、例えば、一部の単セルの発電性能が低下した場合に、その単セルの電圧を検出するまでに時間を要することで、セル電圧の低下を検知するのが遅れ、燃料電池の出力制限の開始に遅延が生じてしまう。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、電圧検出器の数を抑えつつ、セル電圧の低下を迅速に検知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。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数の単セルが積層してなるセル積層体を有し、当該セル積層体に供給される酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、複数の単セルを含むセル群ごとに当該セル群の電圧を検出するセル群電圧検出部と、前記セル群電圧検出部によって検出された各セル群の電圧のうち、電圧の低い方から所定順位以内の電圧が検出されたセル群に属する単セルの電圧を検出する単セル電圧検出部と、前記セル群電圧検出部によって電圧が検出されるセル群を切り替え制御するセル群切替制御部と、前記単セル電圧検出部によって電圧が検出される単セルを切り替え制御する単セル切替制御部と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、電圧検出部として、セル群電圧検出部と単セル電圧検出部とを備え、セル群電圧検出部によって、電圧検出の対象となるセル群の電圧を順次検出することができ、その後、単セル電圧検出部によって、検出電圧が低い方から数えて所定順位以内に該当するセル群に属する各単セルの電圧のみを検出することができる。したがって、全ての単セルの電圧を検出することなく、発電性能が低下した単セルを効率良く検知することができる。

本発明によれば、電圧検出器の数を抑えつつ、セル電圧の低下を迅速に検知することができる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。図１に示すセルモニタの概略構成図である。本実施形態の燃料電池システムにおいて実行されるセル電圧検出処理について説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に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、システム全体を統括制御する制御部６（セル群切替制御部、単セル切替制御部）とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型の燃料電池であり、多数の単セルを積層してなるスタック（セル積層体）を有する。各単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にカソード極を有し、他方の面にアノード極を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、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、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶと、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡとが設けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタを介して取り込まれる空気を圧縮し、圧縮した空気を酸化ガスとして送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための酸化ガス供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路３３とを有する。酸化オフガス排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧弁３４が設けられている。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料ガス供給流路としての水素ガス供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素ガス供給流路４１に戻すための燃料循環流路としての水素循環流路４２とを有する。水素ガス供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３が設けられている。水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素ガス供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。

電力系５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１と、二次電池であるバッテリ５２と、トラクションインバータ５３と、トラクションモータ５４と、セルモニタ５５と、図示しない各種の補機インバータとを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２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５３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ５４から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。

バッテリ５２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ５３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５４に供給する。トラクションモータ５４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池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。

セルモニタ５５は、セルの電圧を検出する。図２を参照してセルモニタ５５の構成について詳細に説明する。説明の便宜を図るために、図２には、１６個の単セルＣ１〜Ｃ１６の電圧を検出するセルモニタ５５を例示的に示す。また、１６個の単セルＣ１〜Ｃ１６は、４つの単セルごとにグループ化され、合わせて４つのセル群Ｂ１〜Ｂ４に分類されている。なお、単セルの個数、各セル群に属する単セルの個数、およびセル群の個数は、この例示に限定されず、任意に設定できることは言うまでもない。

図２に示すセルモニタ５５は、各セル群Ｂ１〜Ｂ４の電圧をそれぞれ検出するセル群モニタ５５ａ（セル群電圧検出部）と、セル群モニタ５５ａによって検出された各セル群Ｂ１〜Ｂ４の電圧のうち、最も低い電圧が検出されたセル群に属する単セルの電圧をそれぞれ検出する単セルモニタ５５ｂ（単セル電圧検出部）と、を有する。

セル群モニタ５５ａが電圧を検出するセル群Ｂ１〜Ｂ４は、制御部６の指示に従って行われる各スイッチＳＷ１〜ＳＷ１７，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２のＯＮ／ＯＦＦ制御によって切り替えられる。具体的には、例えば、最初に、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ５、スイッチＳＷ２１およびスイッチＳＷ２２をＯＮにし、その他のスイッチをＯＦＦにすることで、セル群モニタ５５ａは、セル群Ｂ１の電圧を検出可能となる。その後、スイッチＳＷ１をＯＮからＯＦＦにし、スイッチＳＷ９をＯＦＦからＯＮにすることで、セル群モニタ５５ａが電圧を検出するセル群を、セル群Ｂ１からセル群Ｂ２に切り替えることができる。これと同様にして、スイッチＳＷ５、スイッチＳＷ９、スイッチＳＷ１３およびスイッチＳＷ１７のＯ／ＯＦＦを制御していくことで、電圧を検出するセル群Ｂ１〜Ｂ４を順次切り替えることができる。

単セルモニタ５５ｂが電圧を検出する単セルＣ１〜Ｃ１６は、制御部６の指示に従って行われる各スイッチＳＷ１〜ＳＷ１７，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２のＯＮ／ＯＦＦ制御によって切り替えられる。具体的には、例えば、セル群モニタ５５ａによって検出された各セル群Ｂ１〜Ｂ４の電圧のうち、最も低い電圧が検出されたセル群がセル群Ｂ１であった場合には、最初に、スイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３１およびスイッチＳＷ３２をＯＮにし、その他のスイッチをＯＦＦにすることで、単セルモニタ５５ｂは、単セルＣ１の電圧を検出可能となる。その後、スイッチＳＷ１をＯＮからＯＦＦにし、スイッチＳＷ３をＯＦＦからＯＮにすることで、単セルモニタ５５ｂが電圧を検出する単セルを、単セルＣ１から単セルＣ２に切り替えることができる。これと同様にして、スイッチＳＷ２、スイッチＳＷ３、スイッチＳＷ４およびスイッチＳＷ５のＯ／ＯＦＦを制御していくことで、電圧を検出する単セルＣ１〜Ｃ４を順次切り替えることができる。

図１に示す制御部６は、燃料電池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５４等の電力消費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、電力消費装置には、トラクションモータ５４の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４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、オーディオ等が含まれる。

制御部６は、物理的には、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリには、例えば、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、セルモニタ５５や電圧センサＶ等の各種センサが接続されているとともに、スイッチＳＷやコンプレッサ３１等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの測定結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、各種制御処理を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

制御部６は、機能的には、例えば、セル群モニタ５５ａによって電圧が検出されるセル群Ｂ１〜Ｂ４を切り替え制御する機能と、単セルモニタ５５ｂによって電圧が検出される単セルＣ１〜Ｃ１６を切り替え制御する機能とを有する。

制御部６は、単セルモニタ５５ｂによって検出された電圧のうち、最も低い電圧に応じて燃料電池の出力を制御する。燃料電池の出力制御としては、例えば、単セルモニタ５５ｂによって検出された電圧が、所定値よりも低い場合に、燃料電池の出力を要求出力よりも低くする出力制限処理が該当する。所定値としては、例えば、要求出力通りに出力を継続した場合に、燃料電池が劣化するおそれがあると判定可能な電圧が該当する。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態の燃料電池システムにおいて実行されるセル電圧検出処理について説明する。このセル電圧検出処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始され、運転が終了するまで繰り返し実行される。

最初に、制御部６は、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３２をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、セル群モニタ５５ａに、各セル群Ｂ１〜Ｂ４の電圧を順次検出させる（ステップＳ１０１）。

続いて、制御部６は、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ３２をＯＮ／ＯＦＦ制御することで、上記ステップＳ１０１で検出された電圧のうち、最も低い電圧が検出されたセル群に属する各単セルの電圧を、単セルモニタ５５ｂに順次検出させる（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部６は、上記ステップＳ１０２で検出された電圧のうち、最も低い電圧に応じて燃料電池の出力を制御する（ステップＳ１０３）。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、セルモニタ５５として、セル群モニタ５５ａと単セルモニタ５５ｂとを備え、セル群モニタ５５ａによって、電圧検出の対象となるセル群Ｂ１〜Ｂ４の電圧を順次検出させることができ、その後、単セルモニタ５５ｂによって、検出電圧が最も低いセル群に属する各単セルの電圧のみを検出させることができる。したがって、全ての単セルの電圧を検出することなく、発電性能が低下した単セルを効率良く検知することができる。これにより、セルモニタの数を抑えつつ、セル電圧の低下を迅速に検知することが可能となる。

なお、上述した実施形態では、セル群モニタ５５ａと単セルモニタ５５ｂとを一つずつ設けた場合について説明しているが、セル群モニタ５５ａと単セルモニタ５５ｂとをそれぞれ複数設けることとしてもよい。

また、上述した実施形態では、単セルモニタ５５ｂで検出する単セルを、セル群モニタ５５ａによって最も低い電圧が検出されたセル群に属する各単セルとしているが、これに限定されない。例えば、セル群モニタ５５ａによって検出された各セル群の電圧のうち、電圧の低い方から数えて所定順位以内の電圧が検出されたセル群に属する各単セルとしてもよい。所定順には任意に設定することができるが、所定順位として設定する順位が減る程、セル電圧の検出時間を短縮することができ、所定順位として設定する順位が増える程、セル電圧の検出精度を上げることができる。

また、上述した各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場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）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することもできる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…制御部、５１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５２…バッテリ、５３…トラクションインバータ、５４…トラクションモータ、５５…セルモニタ、５５ａ…セル群モニタ、５５ｂ…単セルモニタ、Ｂ１〜Ｂ４…セル群、Ｃ１〜Ｃ１６…単セル。

Claims

複数の単セルが積層してなるセル積層体を有し、当該セル積層体に供給される酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
複数の単セルを含むセル群ごとに当該セル群の電圧を検出するセル群電圧検出部と、
前記セル群電圧検出部によって検出された各セル群の電圧のうち、電圧の低い方から所定順位以内の電圧が検出されたセル群に属する単セルの電圧を検出する単セル電圧検出部と、
前記セル群電圧検出部によって電圧が検出されるセル群を切り替え制御するセル群切替制御部と、
前記単セル電圧検出部によって電圧が検出される単セルを切り替え制御する単セル切替制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。