JP2015026521A

JP2015026521A - 燃料電池システム

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Publication number: JP2015026521A
Application number: JP2013155643A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　博之; Hiroyuki Suzuki; 博之鈴木
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-07-26
Filing date: 2013-07-26
Publication date: 2015-02-05
Anticipated expiration: 2033-07-26
Also published as: JP6186989B2

Abstract

【課題】燃料電池の出力の変化時における電圧の安定性を向上させる燃料電池システムを提供する。【解決手段】水素ガスタンク１１から供給される水素ガスと空気中の酸素とを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池１０を備える燃料電池システム１０１は、燃料電池１０に空気を送るコンプレッサ１２と、燃料電池１０が生成する電気エネルギーを制御して出力する燃料電池ＥＣＵ１３とを備える。燃料電池ＥＣＵ１３は、水素ガスタンク１１からの水素ガスの供給が停止した状態の燃料電池１０に対して、電気エネルギーの出力を開始させる際、燃料電池１０から出力する電気エネルギーに対する目標出力電圧を設定し、燃料電池１０に対して、出力電圧を目標出力電圧に維持させつつ、燃料電池１０に送られる空気の流量に対応する電気エネルギーを出力させる。【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

近年、エネルギー供給源として燃料電池を使用した燃料電池システムの開発が行われている。燃料電池システムでは、積層された複数の燃料電池セルによって構成される燃料電池において、各セルのアノードに水素ガス等の燃料ガスが供給され、各セルのカソードに酸素を含む空気等の酸化剤ガスが供給され、各セルで水素及び酸素を酸化還元反応（電気化学反応）させて電気エネルギーが生成される。そして、燃料電池システムの様々な制御方法が開発されている。

例えば、特許文献１には、燃料電池（燃料電池スタック）への要求発電量が変化した際の燃料電池システムの制御方法が記載されている。この制御方法では、燃料電池への要求発電量が高い状態から低い状態に遷移する場合、燃料電池へ供給する酸化剤ガスの圧力が下げられ、このとき、酸化剤ガスの圧力値の変化量に応じて、燃料電池から取り出す電流値を変化させる。つまり、酸化剤ガス圧力の変化分の燃料ガス（水素ガス）圧力を落とすために消費すべき水素量が計算され、この消費すべき水素量に対応した電流値を燃料電池から取り出す電流値とされる。そして、圧力が落とされた燃料ガス圧力が目標とする圧力以下になると、燃料電池から取り出す電流値が要求発電量に対応する電流値に設定される。

特開２００６−１５６１６５号公報

しかしながら、特許文献１の燃料電池システムの制御方法では、酸化剤ガスの圧力値の変化量に応じて、燃料電池から取り出す電流値を変化させているため、燃料電池のセルの電圧が不安定になり、出力が不安定になるおそれがある。特に、燃料電池の要求発電量が低い状態で電圧が不安定になると、出力の安定性に与える影響が大きくなる。

この発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池の出力の変化時における電圧の安定性を向上させる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る燃料電池システムは、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池に酸化剤ガスを送る酸化剤ガスポンプと、燃料電池が生成する電気エネルギーを制御して出力する制御手段とを備え、制御手段は、燃料ガス供給源からの燃料ガスの供給が停止した状態の燃料電池に対して、電気エネルギーの出力を開始させる際、燃料電池から出力する電気エネルギーに対して目標出力電圧を設定し、燃料電池に対して、出力電圧を目標出力電圧に維持させつつ、燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量に対応する電気エネルギーを出力させる。

上記燃料電池システムは、燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量検出手段をさらに備え、制御手段は、酸化剤ガス流量検出手段による検出値を使用してもよい。
制御手段は、燃料電池への酸化剤ガス流量に対応する燃料電池の電気エネルギーにおける出力電圧及び出力電流の相関関係に基づき、燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量に対応する電気エネルギーに対する目標出力電圧に対応する出力電流を算出し、算出した出力電流及び目標出力電圧で燃料電池に電気エネルギーを出力させてもよい。
制御手段は、目標出力電圧を設定する際に、燃料電池に供給する目標酸化剤ガス流量を設定し、目標酸化剤ガス流量に対応する電気エネルギーにおける出力電圧及び出力電流の相関関係に基づき、目標出力電圧を、出力電流を伴う出力電圧から設定してもよい。

制御手段は、燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量が目標酸化剤ガス流量以上になると、目標出力電流を設定し、設定した目標出力電流で燃料電池に電気エネルギーを出力させてもよい。
酸化剤ガス流量検出手段は、酸化剤ガスポンプの回転数を検知して、燃料電池への酸化剤ガス流量を検出してもよい。

この発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の出力の変化時における電圧の安定性を向上させることが可能になる。

この発明の実施の形態に係る燃料電池システムを搭載するフォークリフトの概略構成を示す図である。この発明の実施の形態に係る燃料電池システムにおける燃料電池の発電動作に関連する装置の概略構成を示す図である。図２の燃料電池システムにおける燃料電池による発電電力を扱う電気部品の概略構成を示す図である。燃料電池における空気流量に対する電圧−電流の特性を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態
まず、この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０１及びその周辺の概略的な構成を説明する。なお、本実施の形態では、燃料電池システム１０１は、車両、特にフォークリフト１に搭載されるものとして説明する。

図１を参照すると、フォークリフト１は、フォークリフト１に走行等の動作をさせるための走行モータ２と、荷役作業を行うためのフォーク、マスト等の荷役作業装置４を駆動するための荷役モータ３と、その他フォークリフト１が駆動する上で必要な補機７（ディスプレイ、ライトなど）と、燃料電池システム１０１とを備えている。荷役作業装置４は、油圧機構５が動作することによって動作し、油圧機構５は、荷役モータ３に一体に回転するように連結された油圧ポンプ６が生成する油圧によって動作する。
そして、走行モータ２、荷役モータ３及び補機７は、燃料電池システム１０１が備える燃料電池１０（図２参照）が生成する電力を使用して動作する。なお、燃料電池１０は、多数の高分子型の単セルが積層されたスタック構造を有しており、各セルにおいて供給される水素及び酸素を電気化学反応させることによって、高い出力の電力（電気エネルギー）を生成することができる。

図２を参照すると、燃料電池システム１０１は、燃料電池１０の他に、燃料電池１０に供給する水素ガスを貯蔵するための水素ガスタンク１１と、燃料電池１０に酸素を含む空気を圧送するための電動式のコンプレッサ１２と、燃料電池システム１０１に関する各装置の動作を制御する燃料電池ＥＣＵ１３とを備えている。
コンプレッサ１２は、モータ１２ａを一体に備え、このモータ１２ａによって駆動される電動式の構成を有している。コンプレッサ１２からは空気供給管１６が延び、空気供給管１６は、燃料電池１０のカソード側に接続している。これにより、燃料電池１０の各セルのカソードには、コンプレッサ１２によって圧縮された空気が供給される。

なお、コンプレッサ１２のモータ１２ａは、インバータ１２ｂに電気的に接続されており、燃料電池ＥＣＵ１３は、インバータ１２ｂを制御して供給電力を調節することによって、モータ１２ａの動作（回転数）を制御する。具体的には、燃料電池ＥＣＵ１３は、インバータ１２ｂにモータ１２ａの回転数指令を送信し、インバータ１２ｂは、指令された回転数となるようにモータ１２ａに制御信号つまり電力を供給する。さらに、燃料電池ＥＣＵ１３は、モータ１２ａに設けられた回転数センサ１２ｃから回転数情報を受信する。そして、燃料電池ＥＣＵ１３は、受信した回転数情報に基づき、インバータ１２ｂに送信する回転数指令を調節する。
ここで、水素ガス及び空気はそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを構成している。さらに、水素ガスタンク１１は燃料ガス供給源を構成し、コンプレッサ１２は酸化剤ガス供給源を構成し、燃料電池ＥＣＵ１３は制御手段を構成している。

水素ガスタンク１１は、水素供給管１４を介して燃料電池１０のアノード側に接続され、水素ガスタンク１１から送り出される水素ガスは、燃料電池１０の各セルのアノードに供給される。さらに、水素供給管１４の途中には、水素供給管１４を開放又は閉鎖して水素ガスの流量を調節する電磁弁式の水素供給制御弁１４ａが設けられている。水素供給制御弁１４ａは、その動作の制御を受けるように、燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。なお、水素供給制御弁１４ａは、水素ガスタンク１１と水素供給管１４との接続部に設けられてもよい。

また、燃料電池１０のアノード側からは、気液分離器２１への排気管１７が延在している。気液分離器２１からは、燃料電池１０内で使用されなかった水素（未反応で排出された水素）を含むガスを排出するための水素循環路を構成する水素循環管１５が延び、水素循環管１５は、燃料電池１０と水素供給制御弁１４ａとの間で、水素供給管１４に接続している。さらに、水素循環管１５の途中には、燃料電池１０から排出された水素を含むガスを水素供給管１４に圧送するための電動式の水素循環ポンプ１９が設けられている。
なお、気液分離器２１は、水素を含むガス中の燃料電池１０内の反応で生成した水（反応生成水）を分離するものである。

また、電動式の水素循環ポンプ１９のモータ１９ａは、インバータ１９ｂに電気的に接続されており、燃料電池ＥＣＵ１３は、インバータ１９ｂを制御して供給電力を調節することによって、水素循環ポンプ１９のモータ１９ａの動作（回転数）を制御する。そして、燃料電池ＥＣＵ１３によるインバータ１９ｂの制御、及び、インバータ１９ｂによるモータ１９ａの制御は、コンプレッサ１２における燃料電池ＥＣＵ１３及びインバータ１２ｂによる制御と同様にして行われる。

また、水素供給管１４における水素循環管１５の接続部と水素供給制御弁１４ａとの間には、水素供給管１４内の水素ガスの圧力、つまり燃料電池１０への水素ガスの供給圧力を検出する圧力センサ１４ｂが設けられている。圧力センサ１４ｂは、検出した圧力情報を送信するように燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。

また、燃料電池１０のカソード側からは、燃料電池１０内で使用されなかった空気や燃料電池１０内の反応で生成した水（反応生成水）を排出するための排気管１８が延びている。
そして、排気管１８の途中には、希釈器２０及びマフラー２２が上流から下流に向かって設けられている。なお、希釈器２０へは気液分離器２１から図示しないバルブを有する管路が延びており、気液分離器２１からのアノード側の排気は、カソード側から排気管１８に排出される空気を多く含む排気によって希釈されて、外部に排出される。

また、コンプレッサ１２のモータ１２ａに設けられた回転数センサ１２ｃは、モータ１２ａの回転数、つまりコンプレッサ１２の回転数を検出する。回転数センサ１２ｃは、検出したコンプレッサ１２の回転数情報を送信するように燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されており、燃料電池ＥＣＵ１３は、受け取ったコンプレッサ１２の回転数情報からコンプレッサ１２の吐出流量を算出する。
ここで、回転数センサ１２ｃは、酸化剤ガス流量検出手段を構成している。

さらに、図３を参照すると、燃料電池システム１０１における電気部品の構成が示されている。
燃料電池システム１０１は、燃料電池１０の他に、燃料電池１０が生成した電力を昇圧又は降圧するコンバータ（ＤＣ−ＤＣコンバータ）３１と、燃料電池１０が生成した電力を蓄電するための蓄電装置（Ｌｉイオンキャパシタ等）３２と、インバータ１２ｂ及び１９ｂと、燃料電池システム１０１を稼動させるための燃料電池補機３３と、燃料電池ＥＣＵ１３とを備えている。
燃料電池１０のアノード及びカソードは、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１に電気的に接続され、燃料電池１０が生成した電力がＤＣ−ＤＣコンバータ３１に供給されるようになっている。

燃料電池１０とＤＣ−ＤＣコンバータ３１との間には、電圧計３４が設けられており、電圧計３４は、燃料電池１０のセルの電圧（セル電圧）を検出し、検出結果を送信するように燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。なお、電圧計３４は、燃料電池１０の全てのセルの電圧を検出するようにしてもよく、全てのセルのうちの幾つかの電圧を検出するようにしてもよい。
さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１、蓄電装置３２、インバータ１２ｂ及び１９ｂ、燃料電池補機３３、並びに、車両負荷３５は、相互に電気的に接続されている。蓄電装置３２、インバータ１２ｂ及び１９ｂ、燃料電池補機３３、並びに、車両負荷３５には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１によって昇圧又は降圧された電力が供給されるようになっている。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１は、その動作の制御を受けるように、燃料電池ＥＣＵ１３に電気的に接続されている。

なお、車両負荷３５とは、燃料電池システム１０１の外部に位置し、走行モータ２、荷役モータ３、その他フォークリフト１が駆動する上で必要な補機７等を含むものである（図１参照）。そして、車両負荷３５は、燃料電池システム１０１と別個に位置してフォークリフト１全体を制御する車両コントローラ３０によって制御されるように構成されている。
さらに、車両コントローラ３０は、燃料電池ＥＣＵ１３との間で指令及び情報を送信及び受信するように構成されている。
また、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池補機３３の動作を制御し、インバータ１２ｂ及び１９ｂの動作を制御するように構成されている。

次に、この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０１及びその周辺の動作を説明する。
図１〜図３をあわせて参照すると、フォークリフト１を駆動する走行モータ２、荷役モータ３又は補機７などの車両負荷３５を稼動させるために燃料電池１０による発電が必要である場合、燃料電池システム１０１の燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０を以下のように通常運転させる。

すなわち、燃料電池ＥＣＵ１３は、水素供給制御弁１４ａを開放して水素ガスタンク１１から燃料電池１０に水素ガスを供給すると共に、燃料電池１０で発電した電力や蓄電装置３２の電力を使用してコンプレッサ１２を稼動させて空気を燃料電池１０に圧送する。同時に、燃料電池ＥＣＵ１３は、水素循環ポンプ１９を稼動させ、燃料電池１０で使用されなかった水素ガスを水素循環管１５を通じて循環させて燃料電池１０に再び送る。つまり、燃料電池ＥＣＵ１３は、各装置に対して、燃料電池１０による出力を実行させる指令を発し、燃料電池１０を通常運転させる。このとき、燃料電池ＥＣＵ１３は、電圧計３４から受信する燃料電池１０のセル電圧と圧力センサ１４ｂから受信する水素ガスの圧力とに基づき、水素供給制御弁１４ａの開度を調節して水素ガスの供給流量を調節することによって、燃料電池１０の出力（発電量）を調節する。そして、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０で生成された電力をＤＣ−ＤＣコンバータ３１で昇圧又は降圧し、車両負荷３５、インバータ１２ｂ及び１９ｂ、燃料電池補機３３、並びに蓄電装置３２に供給する。

また、フォークリフト１の荷役作業が終了し、アイドリング状態となり車両負荷３５が低下して燃料電池１０による発電が不要になると、燃料電池ＥＣＵ１３は、水素供給制御弁１４ａを閉鎖して水素ガスタンク１１からの水素ガスの供給を停止させ、その場合にコンプレッサ１２及び水素循環ポンプ１９への電力供給を停止してこれらを停止させる。つまり、燃料電池ＥＣＵ１３は、各装置に対して燃料電池１０による出力を停止させる指令を発し、燃料電池１０の通常運転を停止させる。

なお、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０の通常運転停止時、コンプレッサ１２及び水素循環ポンプ１９を停止させる制御のほか、以下のような制御を実施する。つまり、燃料電池１０の通常運転停止中、電圧計３４から受信する燃料電池１０のセル電圧が所定電圧値を上回るとき、燃料電池ＥＣＵ１３は、コンプレッサ１２への電力供給を停止し且つ水素供給制御弁１４ａを閉鎖した状態で、水素循環ポンプ１９を稼動させて燃料電池１０への水素ガスの再循環を実施する。このとき、燃料電池１０内に残留する空気に含まれる酸素が、燃料電池１０並びに各配管１４及び１５内に残留する水素と電気化学反応を起こして消費されるため、燃料電池１０内で酸素及び水素が生成する電位が低下する。
よって、燃料電池１０の通常運転停止状態とは、上述の２つの制御のいずれかが行われている状態のことである。

そして、上述のような通常運転停止状態の燃料電池１０に通常運転を開始させる際の燃料電池ＥＣＵ１３による制御の詳細を、以下に説明する。
燃料電池ＥＣＵ１３は、フォークリフト１の図示しない操作部から車両負荷３５を稼動させるために燃料電池１０の通常運転を開始する指令を受けると、燃料電池１０の状態が通常運転停止状態にあるかを判定する。なお、燃料電池ＥＣＵ１３は、通常運転停止状態を、燃料電池１０の出力電圧、車両負荷３５の状態、水素循環ポンプ１９の回転数、水素供給制御弁１４ａの開閉状態等から、判定する。

燃料電池１０の状態が通常運転停止状態でない場合、燃料電池ＥＣＵ１３は、水素供給制御弁１４ａを開放すると共に水素循環ポンプ１９の回転数を増加させて水素ガスの供給量を増加させ、同時に、コンプレッサ１２の回転数を増加させて空気の供給量を増加させ、燃料電池１０の発電出力を上昇させる。

一方、燃料電池１０の状態が通常運転停止状態である場合、燃料電池ＥＣＵ１３は、車両負荷３５へ出力すべき電気エネルギーの生成に必要な燃料電池１０への空気供給流量（目標空気流量と呼ぶ）と、車両負荷３５へ出力すべき電気エネルギーにおいて目標とする電圧（目標出力電圧と呼ぶ）とを設定する。

図４を参照すると、所定の流量の空気とこの空気量に対応する流量の水素ガスとが燃料電池１０に供給された場合の、燃料電池１０が生成する電気エネルギーが取り得る電圧及び電流の相関図が示されている。図４では、縦軸に燃料電池１０の電圧をとり、横軸に燃料電池１０の電流をとっている。

図４において、燃料電池１０に供給される空気流量がＦ１のとき、燃料電池１０が生成する電気エネルギーが取り得る電圧及び電流の関係は、相関曲線ＬＦ１（実線表示）で示される。例えば、燃料電池１０で生成する電気エネルギーの電圧値がＶ１のとき、燃料電池１０では電流値Ａ１以下の電流を生成することができる。そして、燃料電池１０で生成する電気エネルギーの電圧値が最大値Ｖｍａｘとなるとき、燃料電池１０では電流は生成されない。一方、燃料電池１０で生成する電気エネルギーの電流値が大きくなると、燃料電池１０で生成する電圧値は、最小値Ｖｍｉｎに収束する。

相関曲線は、燃料電池１０に供給される空気流量によって変化し、空気流量がＦ２（Ｆ２＞Ｆ１）のときの相関曲線は、相関曲線ＬＦ１よりも上方の相関曲線ＬＦ２（一点鎖線表示）で示され、空気流量がＦ３（Ｆ３＜Ｆ１）のときの相関曲線は、相関曲線ＬＦ１よりも下方の相関曲線ＬＦ３（二点鎖線表示）で示される。
そして、燃料電池ＥＣＵ１３には、空気流量Ｆ１、Ｆ２及びＦ３のほか各空気流量に対応する相関曲線がマップとして記憶されている。

そこで、燃料電池ＥＣＵ１３は、上述した目標空気流量をＦ１に設定し、さらに相関曲線ＬＦ１のマップから目標出力電圧値をＶ１に設定する。なお、目標出力電圧値Ｖ１は、相関曲線ＬＦ１における最大電圧値Ｖｍａｘよりも小さく、最小電圧値Ｖｍｉｎよりも大きい値で選定される。さらに、目標出力電圧値Ｖ１は、燃料電池１０のセルの特性によって変わり、セルの耐久性を低下させるような高電位とされる電圧値よりも低い値に設定される。

次いで、図４に図１〜図３をあわせて参照すると、燃料電池ＥＣＵ１３は、目標空気流量及び目標出力電圧の設定後、目標空気流量Ｆ１の空気供給流量となるようにコンプレッサ１２を起動させて、その回転数を上昇させる。同時に、燃料電池ＥＣＵ１３は、目標空気流量Ｆ１に対応する流量の水素ガスを供給するように、水素供給制御弁１４ａの開放度及び水素循環ポンプ１９の回転数を制御する。
このとき、燃料電池ＥＣＵ１３は、回転数センサ１２ｃから受信する回転数情報から、コンプレッサ１２によって燃料電池１０に供給されている実際の空気流量を算出し、算出した空気流量から実際の空気流量を目標空気流量Ｆ１とするようにコンプレッサ１２の回転数を制御する。また、燃料電池ＥＣＵ１３は、圧力センサ１４ｂから受信する圧力情報から、燃料電池１０に供給されている実際の水素ガス流量を算出し、算出した水素ガス流量から実際の水素ガス流量を目標空気流量Ｆ１に対応する水素ガス流量とするように水素供給制御弁１４ａの開放度及び水素循環ポンプ１９の回転数を制御する。

そして、燃料電池ＥＣＵ１３は、算出した実際の空気流量に対応する相関曲線をマップから読み取り、さらに読み取った相関曲線上の目標出力電圧値Ｖ１での電流値を読み取る。例えば、算出した実際の空気流量がＦ３である場合、燃料電池ＥＣＵ１３は、相関曲線ＬＦ３上における目標出力電圧値Ｖ１に対応する電流値Ａ３をマップから読み取る。さらに、燃料電池ＥＣＵ１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１を制御して、燃料電池１０から電流値Ａ３の電流を引き出し、車両負荷３５に供給する。これにより、燃料電池１０からは実際の空気流量Ｆ３に対応した電気エネルギーの出力がなされつつ、燃料電池１０の電圧が目標出力電圧値Ｖ１の状態で維持される。さらに、燃料電池ＥＣＵ１３は、経時的に算出する実際の空気流量についても、この実際の空気流量に対応する相関曲線上における目標出力電圧値Ｖ１での電流値の電流を、燃料電池１０から引き出して車両負荷３５に供給するように動作する。このため、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０に対して各空気流量に対応した電気エネルギーの出力を発生させつつその電圧を目標出力電圧値Ｖ１に維持させる。

その後、燃料電池ＥＣＵ１３は、実際の空気流量が目標空気流量Ｆ１に到達して燃料電池１０に十分な空気が供給されるようになると、相関曲線ＬＦ１上での目標出力電圧値Ｖ１に対応する電流値Ａ１の電流を、燃料電池１０から引き出して車両負荷３５に供給するように、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１を制御する。さらにその後は、燃料電池ＥＣＵ１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１の制御を、燃料電池１０の電圧を一定に維持する電圧に基づく制御から電流に基づく制御に切り替え、電流値Ａ１の電流を燃料電池１０から車両負荷３５に供給し続けるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１を制御する。
燃料電池ＥＣＵ１３は、上述のような制御を行うことによって、通常運転停止状態での燃料電池１０から車両負荷３５への出力開始の際、コンプレッサ１２が十分に回転して目標回転数に達し、燃料電池１０に十分な空気が供給されるようになるまで、実際の空気流量に応じた燃料電池１０の電気エネルギーの出力を確保しつつ、燃料電池１０の電圧を一定に維持して安定化させる。

一方、燃料電池１０に十分な空気が供給されないうちに、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１によって燃料電池１０から車両負荷３５の所望出力に対応する電流を引き出すと、燃料電池１０に電圧降下が発生し、燃料電池１０の一時的な過度な出力低下を招いてしまう。
また、燃料電池１０に十分な空気が供給されるようになるまで、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１を作動させずに燃料電池１０から電流を引き出さずにいると、電流を引き出す時点までに燃料電池１０が高電位になり、燃料電池１０のセルの耐久性が低下する。
本願の燃料電池システム１０１は、上述のような問題も回避することができる。

このように、この発明の実施の形態に係る燃料電池システム１０１は、水素ガスタンク１１から供給される水素ガスと空気中の酸素とを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池１０を備える。さらに、燃料電池システム１０１は、燃料電池１０に空気を送るコンプレッサ１２と、燃料電池１０が生成する電気エネルギーを制御して出力する燃料電池ＥＣＵ１３とを備える。燃料電池ＥＣＵ１３は、水素ガスタンク１１からの水素ガスの供給が停止した状態の燃料電池１０に対して、電気エネルギーの出力を開始させる際、燃料電池１０から出力する電気エネルギーに対して目標出力電圧を設定し、燃料電池１０に対して、出力電圧を目標出力電圧に維持する電圧制御を行い、燃料電池１０に送られる空気の流量に対応する電気エネルギーを出力させる。さらに、燃料電池システム１０１は、燃料電池１０に送られる空気の流量を検出するための回転数センサ１２ｃを備え、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０に送られる空気の流量の検出に回転数センサ１２ｃによる検出値を使用する。

このとき、燃料電池１０は、その出力電圧を目標出力電圧に維持しつつ、燃料電池１０に送られる空気の流量に対応する電気エネルギーを出力させることができる。これにより、燃料電池１０において、電圧の降下による出力低下を防ぐと共に、高電位になることによる耐久性低下を防ぐことができる。さらに、燃料電池１０では、生成した電気エネルギーが出力されて使用されるため、電圧の上昇をより効果的に防ぐことができる。

さらに、上記の燃料電池システム１０１において、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０への空気流量に対応する燃料電池１０の電気エネルギーにおける出力電圧及び出力電流の相関関係に基づき、燃料電池１０に送られる空気の流量に対応する電気エネルギーに対する目標出力電圧に対応する出力電流を算出し、算出した出力電流及び目標出力電圧で燃料電池１０に電気エネルギーを出力させる。これにより、燃料電池ＥＣＵ１３は、目標出力電圧と、燃料電池１０への空気流量に対応する電気エネルギーとに基づき、出力電流を算出し、この出力電流で燃料電池１０に出力させる。よって、燃料電池１０は、その電圧を目標出力電圧に維持しつつ、燃料電池１０への空気流量に対応した最大の電気エネルギーを出力することができる。

また、上記の燃料電池システム１０１において、燃料電池ＥＣＵ１３は、目標出力電圧を設定する際に、燃料電池１０に供給する目標空気流量を設定し、目標空気流量に対応する電気エネルギーにおける出力電圧及び出力電流の相関関係に基づき、目標出力電圧を、出力電流を伴う出力電圧から設定する。これにより、燃料電池１０への空気流量が目標空気流量よりも低い場合における目標出力電圧での燃料電池１０の出力電流は、燃料電池１０への空気流量が目標空気流量である場合における目標出力電圧での燃料電池１０の出力電流よりも低くなり且つ０にはならない。よって、燃料電池１０への空気流量が目標空気流量よりも低い場合に、目標出力電圧での燃料電池１０から電流を出力させることができる。

さらに、上記の燃料電池システム１０１において、燃料電池ＥＣＵ１３は、燃料電池１０に送られる空気の流量が目標空気流量以上になると、目標出力電流を設定し、設定した目標出力電流で燃料電池１０に電気エネルギーを出力させる。このとき、燃料電池１０に送られる空気の流量が目標空気流量以上の場合、空気流量に対応する電気エネルギーにおける出力電圧及び出力電流の相関関係から、燃料電池１０から引き出す出力電流を変化させても、出力電圧は所定の電圧値以上に維持され、過度な電圧降下を起こさない。よって、出力電流による燃料電池１０の出力制御が可能になり、所望の出力を得るのが容易になる。

また、燃料電池システム１０１は、燃料電池１０が生成する電気エネルギーの電圧及び電流を制御して出力するＤＣ−ＤＣコンバータ３１をさらに備え、燃料電池ＥＣＵ１３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１を通じて燃料電池１０が生成する電気エネルギーを出力する。これにより、燃料電池１０から出力する電圧及び電流の制御が容易になる。

また、実施の形態の燃料電池システム１０１では、燃料電池１０に供給される水素ガス及び空気の流量を、圧力センサ１４ｂが検出する水素ガス圧力及びコンプレッサ１２の回転数から算出していたが、これに限定されるものでない。水素供給管１４及び空気供給管１６のそれぞれに設けた流量センサによって、燃料電池１０に供給される水素ガス及び空気の流量を検出するようにしてもよい。
また、実施の形態の燃料電池システム１０１では、水素循環ポンプ１９は、水素循環管１５に設けられていたが、これに限定されるものでない。水素循環管１５が設けられない場合、水素循環ポンプ１９は、水素供給管１４に設けられてもよい。

また、実施の形態の燃料電池システム１０１で用いられる燃料ガスは、水素ガスに限定されるものでなく、水素等の還元剤を含有するガスであればよい。さらに、燃料電池システム１０１で用いられる酸化剤ガスは、空気に限定されるものでなく、酸素等の酸化剤を含有するガスであればよい。
また、実施の形態では、燃料電池システム１０１は、フォークリフト等の車両に搭載されるとしていたが、これに限定されるものでなく、燃料電池と、ＤＣ−ＤＣコンバータ３１のような燃料電池から出力される電気エネルギーの電圧及び電流を制御可能な装置とを備える全てのシステムに搭載することができる。

１０燃料電池、１１水素ガスタンク（燃料ガス供給源）、１２コンプレッサ（酸化剤ガスポンプ）、１２ｃ回転数センサ（酸化剤ガス流量検出手段）、１３ＥＣＵ（制御手段）、１０１燃料電池システム。

Claims

燃料ガス供給源から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池に酸化剤ガスを送る酸化剤ガスポンプと、
前記燃料電池が生成する電気エネルギーを制御して出力する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記燃料ガス供給源からの燃料ガスの供給が停止した状態の前記燃料電池に対して、電気エネルギーの出力を開始させる際、
前記燃料電池から出力する電気エネルギーに対して目標出力電圧を設定し、
前記燃料電池に対して、出力電圧を前記目標出力電圧に維持させつつ、前記燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量に対応する電気エネルギーを出力させる燃料電池システム。
前記燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量を検出する酸化剤ガス流量検出手段をさらに備え、
前記制御手段は、前記酸化剤ガス流量検出手段による検出値を使用する請求項１に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、
前記燃料電池への酸化剤ガス流量に対応する前記燃料電池の電気エネルギーにおける出力電圧及び出力電流の相関関係に基づき、
前記燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量に対応する電気エネルギーに対する前記目標出力電圧に対応する出力電流を算出し、
前記算出した出力電流及び前記目標出力電圧で前記燃料電池に電気エネルギーを出力させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記目標出力電圧を設定する際に、前記燃料電池に供給する目標酸化剤ガス流量を設定し、
前記目標酸化剤ガス流量に対応する電気エネルギーにおける出力電圧及び出力電流の相関関係に基づき、前記目標出力電圧を、出力電流を伴う出力電圧から設定する請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
前記制御手段は、前記燃料電池に送られる酸化剤ガスの流量が前記目標酸化剤ガス流量以上になると、目標出力電流を設定し、設定した前記目標出力電流で前記燃料電池に電気エネルギーを出力させる請求項４に記載の燃料電池システム。
前記酸化剤ガス流量検出手段は、前記酸化剤ガスポンプの回転数を検知して、前記燃料電池への酸化剤ガス流量を検出する請求項２に記載の燃料電池システム。