JP2016027534A - 燃料電池システム及び電動車両 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本願の一実施形態では、燃料極(4)及び空気極(6)を備える燃料電池(1)で発電した電力を二次電池(62)に充電する燃料電池システム(100)であって、燃料極に無加湿水素ガス又は加湿水素ガスのいずれか一方を供給可能な燃料ガス供給管(8)と、空気極に無加湿空気ガス又は加湿空気ガスのいずれか一方を供給可能な空気ガス供給管(12)と、各供給管におけるガス流量を制御する制御部(64)とを備え、該制御部は、燃料電池の起動時に、少なくとも燃料極に対して無加湿水素ガスを供給した後に加湿水素ガスを供給するように制御する。
【選択図】図1
Description
燃料極では、水素の酸化反応が行われると共に、空気極では酸素の還元反応が行われ、空気極内で水が生成される。
このように酸化還元反応が繰り返されると、電極触媒中の白金粒子はオストワルド成長による凝集やPt溶出によって、発電反応比面積が減少し、電極触媒の劣化が進行する。このような負荷変動時の電極触媒の劣化は、燃料電池の耐久寿命に大きな影響を与えるため、いかに抑制するかが問題となっている。
またこのような出力電圧の段階的な変化は、各電極に無加湿ガスが供給されることによって充電電流が小さな状態で実施される。このような状態は燃料電池の発電特性が低い反面、劣化感度も低い。そのため、負荷変動に伴う出力電圧による劣化も生じにくい。
このように本実施形態によれば、出力電圧の変化を劣化感度が低い状態で段階的に実施することによって、負荷変動時に生じる劣化を効果的に抑制できる。
尚、本実施形態に係る電動車両は、上記(1)乃至(6)の構成と組み合わせることを妨げない。
図1は本実施形態に係る燃料電池システム100の全体構成を示すブロック図である。
燃料電池システム100は、電解質膜2と、該電解質膜2の一面側に設けられた燃料極4と、該電解質膜2の他面側に設けられた空気極6と備える燃料電池1を有する。燃料電池1は、電解質膜2、燃料極4及び空気極6の他に、ガス拡散層、セパレータを備えた基本構成を有する単一の燃料電池が積層した燃料電池スタックとなっているが、このような構成は典型的な燃料電池の構成に倣うため、図1では図示を省略することとする。
ここで図5は本実施例に係る燃料電池システム200の概略構成を示す模式図であり、図6は図5の燃料電池システム200の制御内容を示すフローチャートであり、図7は図5の燃料電池システム200における各種パラメータのタイムチャートであり、図8は図5の燃料電池システム200における各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。
図9は本実施形態に係る燃料電池システム300の全体構成を示すブロック図である。尚、図9では上述した他の実施形態と共通する箇所には共通の符号を付し、重複する説明は適宜省略することとする。
本実施例に係る燃料電池システム400は、上述の実施例1に係る燃料電池システム100と同じ構造を有するが(図1を参照)、起動時に追加の制御が加わる点において異なる。図10は本実施例に係る燃料電池システム400の制御内容を示すフローチャートであり、図11は図10の燃料電池システム400の各種パラメータの経時変化を示すタイムチャートであり、図12は図10の燃料電池システム400における各種ガス及び電力の流れを簡易的に示す模式図である。
尚、ステップS403において、燃料極4及び空気極6に無加湿空気ガスが供給されている様子を模式的に示しているのが、図12(b)である。
尚、ステップS405において、燃料極4に無加湿水素ガスが供給されている様子を模式的に示しているのが、図12(c)である。
図13は本実施例に係る燃料電池システム500の全体構成を示すブロック図であり、図14は図13の燃料電池システム500の制御内容を示すフローチャートである。
制御部64は、不図示のメモリなどの記憶部にアクセスすることにより燃料電池1の過去の起動回数を読み込み(ステップS501)、該起動回数が所定閾値(切替判定回数)以上であるか否かを判定する(ステップS502)。その結果、起動回数が所定閾値以上である場合(ステップS502:YES)、制御部64は燃料極4及び空気極6の切替制御を実施し(ステップS503)、起動開始制御を実施する(ステップS504)。一方、起動回数が所定閾値未満である場合(ステップS502:NO)、制御部64は切替制御を実施することなく、起動開始制御を実施する(ステップS504)。
続いて図16乃至図18を参照して、実施例6について説明する。本実施例に係る燃料電池システムは、図1を参照して前述したシステムと同様であり、特段の記載がない限りにおいて、重複する説明は適宜省略することとする。本実施例では、電力制御器58は例えばインバータやDC/DCコンバータを含んで構成されており、燃料電池1の負荷側の容量が可変に構成されている。
尚、無加湿H2・Air供給判定SOC1の具体的な数値は、燃料電池1の充電性能及び充電先である駆動バッテリ62の蓄電性能に応じて適宜設定される。
尚、本実施例では、燃料極4に無加湿水素ガスを供給すると同時に空気極6に無加湿空気ガスを供給しているが、前述の実施例のように、燃料極4に無加湿水素ガスを供給した後に、空気極6に無加湿空気ガスを供給してもよい。
このように本番充電では大きな充電電流で充電することで、駆動バッテリ62aが目標充電量になるまでに要する時間(充電時間)が短縮可能になる。その結果、駆動バッテリ62a、bの充電総回数の低減に繋がる。これは、充電制御中、駆動バッテリ62bは走行出力によってSOCが低下しており、駆動バッテリ62aの充電時間が長くなることで、比較的早い段階で駆動バッテリ62bへの充電制御を開始すること繋がってしまい、必然的に燃料電池の充電制御回数が増加してしまう。そのため、大きな充電電流による短時間充電が充電総回数の低減には必要な手段である。
尚、上記実施例では、充電電流が2段階に変化する場合について例示したが、より多段階に変化させてもよい。
(実施例7)
2 電解質膜
4 燃料極
6 空気極
8 水素ガス供給ライン
10 水素ガス排出ライン
12 空気ガス供給ライン
14 空気ガス排出ライン
16 水素ガス貯蔵タンク
18、34 元弁
20 圧力調整器
22 加湿水素ガス供給ライン
24 無加湿水素ガス供給ライン
26、30 弁
28 加湿器
32 エアコンプレッサ
36、56 三方弁
38 加湿空気ガス供給ライン
40 無加湿空気ガス供給ライン
42 加湿器
44 燃料極空気ガス供給ライン
46 バルブ
48 排気弁
50 水素ガス希釈装置
52 再循環ポンプ
54 ライン
58 電力制御器
60 外部負荷(電動機)
62 駆動用バッテリ
64 制御部
66 電圧センサ
68 抵抗センサ
70 SOCセンサ
72 背圧制御器
74 水素濃度センサ
80、84 合流点
82、86、88、90 三方弁
100 燃料電池システム
Claims (14)
- 燃料極及び空気極を備える燃料電池で発電した電力を二次電池に充電する燃料電池システムであって、
前記燃料極に接続され、無加湿水素ガス又は加湿水素ガスのいずれか一方を供給可能に構成された燃料ガス供給管と、
前記空気極に接続され、無加湿空気ガス又は加湿空気ガスのいずれか一方を供給可能に構成された空気ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管及び前記空気ガス供給管に流れるガス流量をそれぞれ制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料極に前記無加湿水素ガスを供給した後に前記加湿水素ガスが供給されるように前記燃料ガス供給管に流れるガス流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記燃料極に前記無加湿水素ガスが供給された後に、前記空気極に前記無加湿空気ガスを供給し、その後、前記燃料極及び前記空気極のそれぞれに前記加湿水素ガス及び前記加湿空気ガスが供給されるように、前記燃料ガス供給管及び前記空気ガス供給管に流れるガス流量を制御することを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
- 前記二次電池の充電残量を検知する充電残量検知部を更に備え、
前記制御部は、前記充電残量検知部の検知値が予め設定された第1閾値以下になった場合に、前記燃料極への前記無加湿水素ガスの供給を開始することを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記燃料電池で発電を開始した後、前記充電残量検知部の検知値が、前記第1閾値より大きく設定された第2閾値以上になった場合に、前記空気極への前記加湿空気ガスの供給を継続しながら、前記燃料極への前記加湿水素ガスの供給を停止することを特徴とする請求項3に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料極に無加湿空気ガスを供給可能な燃料極空気ガス供給管を更に備え、
前記制御部は、前記充電残量検知部の検知値が予め設定された第1閾値以下になった場合に、前記燃料極空気ガス供給管から前記燃料極に無加湿空気ガスを供給すると共に前記空気ガス供給管から前記空気極に無加湿空気ガスを供給した後、前記燃料極に前記燃料ガス吸気管から前記無加湿水素ガスを供給するように制御することを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池の起動回数を検知する起動回数検知部と、
前記燃料ガス供給管の接続先を前記燃料極から前記空気極に切り替えると共に、前記空気ガス供給管の接続先を前記空気極から前記燃料極に切り替えることが可能に構成された切替機構と
を更に備え、
前記制御部は、前記起動回数検知部の検知値が予め設定された所定回数に達した場合に、前記切替機構を作動させることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、
前記燃料極に前記無加湿水素ガスを供給すると同時或いはその後に、前記空気極に前記無加湿空気ガスを供給し、
前記燃料極及び前記空気極間の出力電圧が起電力に対応する第1の所定値になった後、前記出力電圧が前記第1の所定値より低く設定された第2の所定値になるように負荷側の容量を制御することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記第2の所定値が時間の経過に従って段階的に低下するように前記負荷側の容量を制御することを特徴とする請求項7に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記出力電圧を前記第2の所定値に第1の所定時間維持した後に、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給することを特徴とする請求項7又は8に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給した後、前記負荷側の容量を増加させるように制御することを特徴とする請求項9に記載の燃料電池システム。
- 前記制御部は、前記燃料極に前記加湿水素ガスを供給すると共に前記空気極に前記加湿空気ガスを供給した後、前記出力電圧が一定となるように前記負荷側の容量を制御することを特徴とする請求項10に記載の燃料電池システム。
- 燃料極及び空気極を備える燃料電池で発電した電力、又は、二次電池から供給される電力で駆動される電動機を動力源として搭載する電動車両であって、
前記燃料極に接続され、無加湿水素ガス又は加湿水素ガスのいずれか一方を燃料ガスとして前記燃料極に選択的に供給可能な燃料ガス供給管と、
前記空気極に接続され、無加湿空気ガス又は加湿空気ガスのいずれか一方を空気ガスとして前記空気極に選択的に供給可能な空気ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管における燃料ガスの流量、及び、前記空気ガス供給管における前記空気ガスの流量をそれぞれ制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料極及び前記空気極のうち少なくとも前記燃料極に対して、前記無加湿水素を供給した後に前記加湿水素を供給するように燃料ガスの流量を制御することを特徴とする電動車両。 - 前記燃料電池で発電された電力を蓄積可能な複数の二次電池と、
前記燃料電池で発電された電力を前記電動機及び前記複数の二次電池に分配可能な電力制御器と
を更に備え、
前記制御部は、前記複数の二次電池のうち充電残量が多い方を前記電動機に電気的に接続すると共に、充電残量が少ない方に前記燃料電池で発電された電力を供給するように前記電力制御器を制御することを特徴とする請求項12に記載の電動車両。 - 前記燃料電池で発電された電力を蓄積可能な二次電池と、
前記燃料電池で発電された電力を前記電動機及び前記二次電池に分配可能な電力制御器と
を更に備え、
前記制御部は、前記燃料電池で発電した電力を前記電動機に供給し、その余剰電力が前記二次電池に充電されるように前記電力制御器を制御することを特徴とする請求項12に記載の電動車両。
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