JP2016072191A

JP2016072191A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2016072191A
Application number: JP2014203664A
Authority: JP
Inventors: 善全松本; Yoshiaki Matsumoto
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-05-09

Abstract

【課題】被電力供給部に応じて発電効率の高い燃料電池を選択して使用することができ、燃料電池の発電効率が低下することを防止できる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池１２、１３が並列に接続される電力供給部１１を備え、燃料電池１２、１３から被電力供給部２１に電力を供給する燃料電池システム１０であって、電力供給部１１が、燃料電池１２、１３から被電力供給部２１に電力を供給または遮断する複数のスイッチ１４、１５と、被電力供給部２１と燃料電池１２、１３とを選択的に接続または遮断するようにスイッチ１４、１５を制御するスイッチ制御部１６とを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、複数の燃料電池を選択的に用いる燃料電池システムに関する。

水素と酸素との電気化学反応によって発電する燃料電池は、出力電流の増加に伴い出力電圧が低下して発電効率が低下することが知られている。このため、発電効率が低下することを抑制するために、燃料電池の出力電流を、出力電圧が最大となるときの閾値以下に制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１８４９７０号公報

しかしながら、このような従来の燃料電池を車両に用いた場合に、燃料電池の発電効率が低下するおそれがある。すなわち、車両には高負荷が要求される運転状態や低負荷が要求される低負荷運転状態が存在する。

このため、例えば、特許文献１に記載の燃料電池を、高負荷が要求される運転状態で発電効率が高くなるように電流および電圧の特性を設計すると、低負荷が要求される運転状態において、高負荷の運転状態に比べて出力電圧が低下してしまうため、燃料電池の発電効率が著しく損なわれてしまう。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、被電力供給部に応じて発電効率の高い燃料電池を選択して使用することができ、燃料電池の発電効率が低下することを防止できる燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

本発明は、複数の燃料電池が並列に接続される電力供給部を備え、前記複数の燃料電池から被電力供給部に電力を供給する燃料電池システムであって、電力供給部は、複数の燃料電池のそれぞれに直列に接続され、複数の燃料電池から被電力供給部に電力を供給または遮断する複数のスイッチと、被電力供給部と燃料電池とを選択的に接続または遮断するように各スイッチを制御するスイッチ制御部とを含んで構成される。

本発明によれば、複数の燃料電池から被電力供給部に電力を供給または遮断する複数のスイッチと、被電力供給部と燃料電池とを選択的に接続または遮断するように各スイッチを制御するスイッチ制御部とを有する。これにより、被電力供給部に対して発電効率の高い燃料電池を選択することができ、燃料電池の発電効率が低下することを防止できる。

図１は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す図であり、燃料電池のセルの構成図である。図２は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す図であり、燃料電池の出力特性を示す図である。図３は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す図であり、燃料電池システムの概略構成図である。図４は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す図であり、複数の燃料電池の出力特性を示す図である。図５は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す図であり、複数の燃料電池の発電効率を示す図である。図６は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を示す図であり、燃料電池の切換え制御を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、図面を用いて説明する。
図１〜図６は、本発明に係る一実施形態の燃料電池システムを示す図である。
まず、構成を説明する。
図１において、燃料電池は、燃料電池を構成する最小単位であるセル１が多数積層されたスタックから構成されており、本実施形態の燃料電池は、自動車等の車両に搭載される。なお、車両としては、例えば、内燃機関とモータとによって駆動輪に動力を伝達するハイブリッド車両に適用される。

セル１のそれぞれは、水素および空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極２とカソード極３に挟まれて拡散層４、５、反応活性化のための触媒層６、７および水素イオンを選択的に透過させる電解質膜８が配置される。

アノード極２に供給される水素分子は、アノード極２の電解質表面にある触媒層６において活性な水素分子となった後に水素イオンとなって電子を放出する（この流れを矢印Ａで示す）。

矢印Ａで示す化学反応は、Ｈ_２→２Ｈ＋２ｅ⁻……（１）で示される。
式１によって発生した水素イオンは、電解質膜８に含まれる水分を伴ってアノード極２からカソード極３に電解質膜中を移動し、電子は、外部回路を通じてカソード極３に移動する。

一方、カソード極３に供給された空気中の酸素分子は、触媒層７において外部回路から供給される電子を受け取り、酸素イオンとなる。この酸素イオンは、電解質膜８を移動してきた水素イオンと結合して水となる（この流れを矢印Ｂに示す）。

矢印Ｂで示す化学反応は、１／２Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ……（２）で示される。
式２によって形成された水分の一部は、濃度拡散によってカソード極３からアノード極２に移動する。

上述した化学反応において、燃料電池の内部では各セル１の電解質膜８やアノード極２およびカソード極３の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素とが電気化学反応を起こすことによる活性化過電圧、各セル１の拡散層４、５中を水素や酸素が移動することにより拡散過電圧等の様々な損失が発生する。これにより、燃料電池の発電効率が異なる。

図２は、燃料電池の出力特性を示す図であり、燃料電池が出力する電流値に対応する出力電圧Ｖおよび発電効率Ｅを示している。図２に示すように、燃料電池は、出力電流が高くなるにつれて出力電圧が小さくなり、出力電圧が任意の値のときに高い発電効率となる特性を有する。ここで、発電効率とは、（出力電圧）／（化学変化による反応熱量）であり、燃料である水素に対してどれだけ電力エネルギーを取り出すとこができたかを表す。

図３は、本実施の形態の燃料電池システム１０の概略構成図である。図３において、燃料電池システム１０は、電力供給部１１を備えており、電力供給部１１は、並列に接続される燃料電池１２、１３と、燃料電池１２、１３にそれぞれ直列に接続されるスイッチ１４、１５と、スイッチ１４、１５を接続および遮断するように制御するスイッチ制御部１６とを含んで構成される。

燃料電池１２、１３は、図１に示すセル１が複数積層されたスタックから構成されており、燃料電池１２、１３は、それぞれ異なる出力特性を有する。図４において、燃料電池１２は、出力電流値が低い場合に出力効率が高くなる出力特性に設定され、燃料電池１３は、燃料電池１２よりも出力電流値が高い場合に出力効率が高くなる出力特性に設定される。

具体的には、燃料電池１２のアノード極２Ａとカソード極３Ａ（図１参照）の面積に対して、燃料電池１３のアノード極２Ｂとカソード極３Ｂ（図１参照）の面積が大きく形成されている。ここで、本実施形態のアノード極２Ａ、２Ｂおよびカソード極３Ａ、３Ｂは、本発明の電極を構成する。

スイッチ制御部１６は、被電力供給部２１から要求される出力電流値に基づいてスイッチ１４、１５の接続状態を制御する。スイッチ１４、１５は、スイッチ制御部１６によって選択的に制御されることにより、燃料電池１２、１３のいずれか一方または両方から被電力供給部２１に電力を供給したり、燃料電池１２、１３のいずれか一方または両方と被電力供給部２１とを遮断する。

被電力供給部２１は、ＤＣＤＣコンバータ２２、二次電池２３、インバータ２４、走行用モータ２５、制御回路２６およびアクセル開度センサ２７を含んで構成される。

走行用モータ２５は、変速機やディファレンシャル装置等からなる動力伝達装置を介して駆動輪に動力を伝達するものであり、走行用モータ２５の運転状態に応じて要求する電流値が変動する。

具体的には、走行用モータ２５の低負荷運転時には要求する出力電流値が小さく、走行用モータ２５の低負荷運転時から走行用モータ２５の運転状態が中負荷運転および高負荷運転に移行するに従って要求する出力電流値が大きくなる。

ＤＣＤＣコンバータ２２は、電力供給部１１から直流出力される電力を変圧する。インバータ２４は、ＤＣＤＣコンバータ２２によって変圧された電力を交流に変換して走行用モータ２５に供給する。二次電池２３は、ＤＣＤＣコンバータ２２によって変圧された電力の一部を蓄電し、また、車両の減速時に走行用モータ２５によって発電される電力を回生する。

制御回路２６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２６ａやメモリ２６ｂ等からなるコンピュータから構成されている。メモリ２６ｂには運転手によって操作されるアクセルペダル２８の開度とその開度に応じた出力電流値が関連付けられた出力電流値の要求マップが記憶されている。

アクセル開度センサ２７は、アクセルペダル２８の開度、すなわち、アクセルペダル２８の踏み込み量を検知して、制御回路２６にアクセルペダル２８の開度に応じたアクセル開度信号を送信する。

ＣＰＵ２６ａは、アクセル開度信号に基づいてメモリ２６ｂに記憶された出力電流値の要求マップを参照し、出力電流値に応じた要求信号をスイッチ制御部１６に出力する。

スイッチ制御部１６は、出力電流値に応じた要求信号に基づいてスイッチ１４、１５を選択的に接続また遮断することにより、被電力供給部２１と燃料電池１２、１３とを選択的に接続または遮断するようにスイッチ１４、１５を制御する。

図５は、出力電流値に対する燃料電池システム１０のシステム効率を示す図である。図５において、走行用モータ２５の低負荷運転時には走行用モータ２５が要求する出力電流値が低く、出力電流値が低い状態においては、燃料電池１２の発電効率が高い。

走行用モータ２５の中負荷運転時には走行用モータ２５が要求する出力電流値が低負荷運転時よりも高く、出力電流値が低負荷運転時よりも高い状態においては、燃料電池１３の発電効率が高い。

走行用モータ２５の高負荷運転時には走行用モータ２５が要求する出力電流値が中負荷運転時よりも高く、出力電流値が中負荷運転時よりも高い状態においては、燃料電池１２、１３の両方を用いると発電効率が高い。

次に、図６に示すフローチャートに基づいて燃料電池システム１０の燃料電池１２、１３の切換え制御を説明する。
ここで、図６に示すフローチャートは、制御回路２６のメモリ２６ｂに記憶された燃料電池１２、１３の切換え制御プログラムであり、この切換え制御プログラムは、ＣＰＵ２６ａによって実行される。

図６において、ＣＰＵ２６ａは、走行用モータ２５によるモータ走行であるか否かを判別し（ステップＳ１）、モータ走行であるものと判断した場合にはアクセル開度センサ２７からアクセル開度信号を取得する（ステップＳ２）。次いで、ＣＰＵ２６ａは、出力電流値の要求マップを参照し、アクセル開度信号に基づいて走行用モータ２５が低負荷運転であるか否かを判断する（ステップＳ３）。

ステップＳ３において、ＣＰＵ２６ａは、走行用モータ２５が低負荷運転であるものと判断した場合には、スイッチ１５をオフにするとともに、スイッチ１４をオンにして今回の処理を終了する（ステップＳ４）。これにより、燃料電池１２と被電力供給部２１が接続され、低負荷運転で発電効率が高くなる燃料電池１２の電力によって走行用モータ２５が駆動される。

ステップＳ３において、ＣＰＵ２６ａは、走行用モータ２５が低負荷運転でないものと判断した場合には、出力電流値の要求マップを参照し、アクセル開度信号に基づいて走行用モータ２５が中負荷運転であるか否かを判断する（ステップＳ５）。

ステップＳ５において、ＣＰＵ２６ａは、走行用モータ２５が中負荷運転であるものと判断した場合には、スイッチ１４をオフにするとともに、スイッチ１５をオンにして今回の処理を終了する（ステップＳ６）。これにより、燃料電池１３と被電力供給部２１が接続され、中負荷運転で発電効率が高くなる燃料電池１３の電力によって走行用モータ２５が駆動される。

ステップＳ５において、ＣＰＵ２６ａは、走行用モータ２５が中負荷運転でないものと判断した場合には、出力電流値の要求マップを参照し、アクセル開度信号に基づいて走行用モータ２５が高負荷運転であるか否かを判断する（ステップＳ７）。

ステップＳ５において、ＣＰＵ２６ａは、走行用モータ２５が高負荷運転であるものと判断した場合には、スイッチ１４、１５をオンにして今回の処理を終了する（ステップＳ８）。これにより、燃料電池１２、１３と被電力供給部２１が接続され、高負荷運転で発電効率が高くなる燃料電池１２、１３の電力によって走行用モータ２５が駆動される。

このように本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１２、１３から被電力供給部２１に電力を供給または遮断するスイッチ１４、１５と、被電力供給部２１と燃料電池１２、１３とを選択的に接続または遮断するようにスイッチ１４、１５を制御するスイッチ制御部１６とを有する。これにより、被電力供給部２１に対して発電効率の高い燃料電池１２、１３を選択することができ、燃料電池１２、１３の発電効率が低下することを防止できる。

特に、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、燃料電池１２、１３がそれぞれ異なる出力特性を有するので、燃料電池１２、１３の出力特性に基づいて被電力供給部２１に電力を供給する燃料電池１２、１３を選択できる。これにより、走行用モータ２５の運転状態に応じて発電効率の高い燃料電池１２、１３を選択でき、走行用モータ２５の低負荷運転状態から高負荷運転状態に亙って燃料電池１２、１３の発電効率が低下することを防止できる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、スイッチ制御部１６は、被電力供給部２１が電力供給部１１に要求する出力電流値に基づいて、被電力供給部２１と燃料電池１２、１３とを選択的に接続または遮断するようにスイッチ１４、１５を制御する。

これにより、走行用モータ２５の出力電流値に応じた発電効率の高い燃料電池１２、１３を選択することができ、燃料電池１２、１３の発電効率が低下することをより効果的に防止できる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０によれば、異なる出力特性とは、複数の燃料電池のそれぞれが異なる面積のアノード極２Ａ、２Ｂおよびカソード極３Ａ、３Ｂを有することによる出力特性の差異である。

これにより、燃料電池１２、１３のセル１の数を変更することなく、燃料電池１２、１３の出力特性を異ならせることができる。このため、高い出力特性を得るためにセル数が増大して燃料電池が大型化することを防止でき、燃料電池１２、１３の設置スペースが増大することを防止できる。

なお、本実施形態の燃料電池システム１０において、電力供給部１１がそれぞれ２つの燃料電池１２、１３とスイッチ１４、１５とを有しているが、燃料電池およびスイッチの数は、これに限定されるものではない。

また、実施形態の燃料電池システム１０は、走行用モータ２５の出力電流値に基づいて燃料電池１２、１３を選択するので、ＤＣＤＣコンバータ２２、二次電池２３およびインバータ２４を備えていない装置に適用することもできる。

また、本実施形態の燃料電池システム１０は、走行用モータ２５の要求電流値に基づいて燃料電池１２、１３を選択しているが、走行用モータ２５とエアコンやウォータポンプ等の補機の要求電流値に基づいて燃料電池１２、１３を選択してもよく、走行用モータ２５以外の負荷の要求電流値に基づいて燃料電池１２、１３を選択してもよい。

また、本実施形態の燃料電池システム１０は、ハイブリッド車両に搭載されているが、モータのみで走行される電気自動車に適用されてもよい。また、本実施形態の燃料電池システム１０は、車両以外の装置に適用されてもよい。すなわち、負荷が要求する出力電流値が変化する装置であれば、如何なる装置にも適用できる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正および等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

２Ａ，２Ｂ…アノード極（電極）、３Ａ，３Ｂ…カソード極（電極）、１０…燃料電池システム、１１…電力供給部、１２，１３…燃料電池、１４，１５…スイッチ、１６… スイッチ制御部、２１…被電力供給部

Claims

複数の燃料電池が並列に接続される電力供給部を備え、前記複数の燃料電池から被電力供給部に電力を供給する燃料電池システムであって、
前記電力供給部は、
前記複数の燃料電池のそれぞれに直列に接続され、前記複数の燃料電池から前記被電力供給部に電力を供給または遮断する複数のスイッチと、前記被電力供給部と前記燃料電池とを選択的に接続または遮断するように前記各スイッチを制御するスイッチ制御部とを含んで構成されることを特徴とする燃料電池システム。
前記複数の燃料電池は、それぞれ異なる出力特性を有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。
前記スイッチ制御部は、前記被電力供給部が前記電力供給部に要求する出力電流値に基づいて、前記被電力供給部と前記燃料電池とを選択的に接続または遮断するように前記各スイッチを制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
前記異なる出力特性とは、前記複数の燃料電池のそれぞれが異なる面積の電極を有することによる出力特性の差異であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システム。