JP2010244937A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】間欠運転時に高電位回避制御を行うことができるとともに、燃料電池スタックにおける無用な発電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。
【解決手段】この燃料電池システム１０は、要求電力が所定値以下であって燃料電池スタック２０における発電を抑制する間欠運転時において、燃料電池スタック２０の出力端子電圧が間欠運転時の上限閾値以下であって下限閾値以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて、酸化剤ガスを少量且つ連続的に供給するように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、間欠運転中に高電位回避制御を行う燃料電池システムに関する。

このような燃料電池システムを構成する燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。この燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有するものである。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。

この燃料電池システムを電力源として搭載する燃料電池車両では、発電効率のよい高出力領域では、燃料電池スタックを発電させて、燃料電池スタックと二次電池の両方又は燃料電池スタックのみからトラクションモータに電力を供給する一方、発電効率の悪い低出力領域では、燃料電池スタックの発電を一時休止し、二次電池のみからトラクションモータに電力を供給する運転制御を行っている。このように、燃料電池システムの発電効率の低い低負荷領域において、燃料電池スタックの運転を一時休止することを間欠運転と称する。燃料電池システムの発電効率が低下する低負荷領域では、間欠運転を実施することで、燃料電池スタックをエネルギー変換効率の高い範囲内で運転させることが可能となり、燃料電池システム全体の効率を高めることができる。

間欠運転を行う燃料電池システムについて、特開２００４−１７２０２８号公報（特許文献１）には、燃料電池スタックへの要求負荷が所定値以下である場合に、間欠運転を実施するものが開示されている。同公報には、間欠運転を実施することで発電休止状態に移行した燃料電池スタックのセル電圧が所定値を下回ったときに、エアコンプレッサを駆動させて、燃料電池スタックに酸素ガスを供給し、燃料電池スタックのカソード極における酸素不足を解消してセル電圧を回復させ、発電要求に対する応答遅れを改善することについても開示されている。

特開２００４−１７２０２８号公報

ところで、従来の間欠運転では、燃料電池スタックへの反応ガス供給を停止するとともに、燃料電池スタックの出力端子に並列接続するＤＣ／ＤＣコンバータの指令電圧を開放端電圧に設定して、燃料電池スタックの出力端子電圧を開放端電圧（ＯＣＶ）より小さい高電位回避電圧に制御していた。燃料電池スタックの出力端子電圧を開放端電圧より小さい高電位回避電圧に維持することで、間欠運転中に燃料電池スタックから流出する電流を制御できる。

従来の間欠運転では、燃料電池スタックの出力端子電圧を高電位回避電圧以下に維持しつつ出力応答性能を確保するために、出力端子電圧が閾値以下になるとエアコンプレッサを駆動してエアを大量に送気するエアブロー制御を行っていた。しかしながら、このエアブロー制御を行うと、出力端子電圧が上昇して開放端電圧（０ＣＶ）を超えてしまうため、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動して燃料電池スタックに発電を行わせて電圧上昇を抑制する必要があった。この発電は、出力端子電圧を高電位回避電圧以下に維持するためのものであるから、燃料電池システム全体の効率からみれば、行わないようにすることがより好ましいものである。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、間欠運転時に高電位回避制御を行うことができるとともに、燃料電池スタックにおける無用な発電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にある。

上記課題を解決するために本発明は、アノードとカソードとを有するセルを複数備える燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備え、前記制御手段は、要求電力が所定値以下であって前記燃料電池スタックにおける発電を抑制する間欠運転時において、前記燃料電池スタックの出力端子電圧が間欠運転時の上限閾値以下であって下限閾値以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて、酸化剤ガスを少量且つ連続的に供給するように制御することを特徴とする。

本発明では、間欠運転時において、酸化剤ガスをカソードに対して少量且つ連続的に供給することで、出力端子電圧の極端な上昇を抑制することができる。更に、出力端子電圧が間欠運転時の上限閾値以下であって下限閾値以上となるように監視を行い、この監視結果に基づいてカソードに供給する酸化剤ガス量を調整しているので、酸化剤ガスを供給しすぎたり不足してしまったりといった事態を回避することができる。従って、酸化剤ガスの供給量の調整という手段によって出力端子電圧を適切な範囲に制御することが可能となり、間欠運転から通常運転への復帰にあたって出力応答性能を確保しつつ無駄な発電も抑制することができる。

本発明によれば、間欠運転時に高電位回避制御を行うことができるとともに、燃料電池スタックにおける無用な発電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ができる。

本発明の実施形態である燃料電池システムの構成を示す図である。 図１に示す燃料電池システムにおける間欠運転の態様を説明するための図である。 従来の間欠運転を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム１０のシステム構成を示す。

燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化剤ガス供給系３０（酸化剤ガス供給手段）と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０（燃料ガス供給手段）と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０（制御手段）とを備えている。

燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力端子電圧（ＦＣ電圧）を検出するための電圧センサ７１、及び出力電流（ＦＣ電流）を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。

酸化剤ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４とを有している。酸化剤ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化剤ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化剤ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化剤ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、酸化剤ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３５とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源４１は、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構成してもよい。

燃料ガス通路４３には、燃料ガス供給源４１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁Ｈ１と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータＨ２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ４２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁Ｈ３と、圧力センサ７４とが設けられている。

レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタ４２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタ４２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ４２の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ４２の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ４２の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ４２の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ４２の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ４２の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ４２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

本実施形態においては、インジェクタ４２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階に切り替えることができる。コントローラ６０から出力される制御信号によってインジェクタ４２のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ４２は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ４２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ４２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６とが接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環通路４４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。燃料電池システム１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とトラクションインバータ５３とが並列に燃料電池スタック２０に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、ＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化剤ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。

本実施形態の燃料電池システム１０では、コントローラ６０が要求電力と所定値Ｘとの比較を行い、間欠運転とすべきか通常運転とすべきか決定する。所定値Ｘは燃料電池システム１０の発電効率が悪化しないように定められる閾値である。この比較の結果、要求電力が所定値Ｘ以下の場合、間欠運転モードが設定され、要求電力が所定値Ｘを上回った場合には通常運転モードが設定される。

間欠運転モードとは、燃料電池システム１０による発電を停止し、バッテリ５２のみによってトラクションモータ５４を駆動するモードである。通常運転モードとは、燃料電池システム１０によって発電を行い、その電力を用いてトラクションモータ５４を駆動するモードである。なお、通常運転モードにおいては、バッテリ５２を併用しても構わない。

間欠運転モードにおいて、コントローラ６０は図２に示すような制御を行っている。コントローラ６０は、間欠運転フラグがＯＮになると、エアコンプレッサ３２の回転数がＮ₁（＞０）となるように制御する。エアコンプレッサ３２の回転数Ｎ₁は、燃料電池スタック２０に微量の酸化剤ガスが流入し、燃料電池スタック２０の出力端子電圧が高電位回避電圧（＜０ＣＶ、上限閾値）を超えず、下限閾値を下回らないように設定されているものである。更にコントローラ６０は、電圧センサ７１からの出力を監視し、燃料電池スタック２０の出力端子電圧をモニタしている。エアコンプレッサ３２の回転数を上述した回転数Ｎ₁となるように制御すれば、燃料電池スタック２０の出力端子電圧が高電位回避電圧（＜０ＣＶ、上限閾値）を超えず、下限閾値を下回らないように設定されているけれども、環境条件等によって狙いの範囲を逸脱する場合もある。そこで、コントローラ６０は、電圧センサ７１の出力によってはエアコンプレッサ３２の回転数を微調整して出力端子電圧が狙いの範囲から逸脱しないように制御している。

本実施形態の燃料電池システム１０は、上述した制御によって、高電位回避制御を行いつつ無用な発電も抑制している。比較のため、従来の制御を図３に示す。図３に示すように従来は、燃料電池スタックの出力端子電圧が下限閾値を下回りそうになると、エアコンプレッサの回転数を最大限に上昇させて、大量の酸化剤ガスを供給するエアブロー制御を行っていた。そのため、エアブロー制御を実行する度に、出力端子電圧が上昇してしまうため高電位回避制御によってＤＣ／ＤＣコンバータを駆動し、燃料電池スタックにおいて発電を行っていた。一方、本実施形態では図２を参照しながら説明したように、エアコンプレッサ３２の回転数をＮ₁に設定し、燃料電池スタックの出力端子電圧を監視しながら酸化剤ガスを少量且つ連続的に供給することで、酸化剤ガス流量によって燃料電池スタックの出力端子電圧を制御することが可能となっている。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータを間欠運転中に停止することが可能となり、間欠運転中の燃料電池スタックにおいて発電を行うこともなく、燃費を向上させつつ出力応答性能を確保している。

１０：燃料電池システム
２０：燃料電池スタック
３０：酸化剤ガス供給系
３１：フィルタ
３２：エアコンプレッサ
３３：酸化剤ガス通路
３４：酸化オフガス通路
３５：加湿器
４０：燃料ガス供給系
４１：燃料ガス供給源
４２：インジェクタ
４３：燃料ガス通路
４４：循環通路
４５：循環ポンプ
４６：排気排水通路
５０：電力系
５１：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：補機類
６０：コントローラ
７１：電圧センサ
７２：電流センサ
７３：ＳＯＣセンサ
７４：圧力センサ
Ａ１：遮断弁
Ａ２：遮断弁
Ａ３：背圧調整弁
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁

Claims (1)

1. アノードとカソードとを有するセルを複数備える燃料電池スタックを含む燃料電池システムであって、
   前記アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記カソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、
   前記燃料ガス供給手段及び前記酸化剤ガス供給手段を制御し、要求電力に応じた発電を前記燃料電池スタックに行わせる制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、要求電力が所定値以下であって前記燃料電池スタックにおける発電を抑制する間欠運転時において、
   前記燃料電池スタックの出力端子電圧が間欠運転時の上限閾値以下であって下限閾値以上となるように監視し、当該監視の結果に基づいて、酸化剤ガスを少量且つ連続的に供給するように制御することを特徴とする燃料電池システム。

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