JP2017147121A - 燃料電池システムの電力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な制御で、電流値を一定に維持した状態で、良好な発電を継続することを可能にする。【解決手段】燃料電池システムの電力制御方法では、システム要求電力が、アイドル発電を含む低負荷発電であると判断された際、バッテリのＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔであるか否かが検出されている。そして、バッテリのＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔに至ったと判断された際、補機消費電力量の増加処理が遂行されている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池、前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置、及びバッテリを備える燃料電池システムの電力制御方法に関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セル（単位セル）が構成されている。通常、所定の数の発電セルが積層されることにより、燃料電池スタックを構成し、前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムが、例えば、燃料電池車両（燃料電池電気自動車等）に搭載されている。

燃料電池システムは、一般的に、燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置、酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置、及び燃料電池スタックから出力される電力を充電する一方、補機に前記電力を放電するバッテリを備えている。

酸化剤ガス供給装置では、エアポンプ（エアコンプレッサ）により酸化剤ガスである空気を燃料電池スタックに供給している。エアポンプは、特性上、ある程度の最低流量が決まっている。このため、走行可能な状態で停止しているアイドル発電を含む低負荷発電時には、電流値が低減されても、燃料電池スタックに余剰に空気が供給されてしまう。従って、燃料電池スタック内では、過乾燥状態（ドライアップ）になり易い。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムでは、燃料電池に酸化剤ガスを送り込むための酸化剤ガス導入路に、前記燃料電池よりも上流側から分岐するバイパス流路が設けられている。さらに、酸化剤ガス導入路とバイパス流路とが繋がれる部分には、燃料電池に供給される空気量を調整する三方弁が設けられている。

そして、三方弁の開度調整を行うことにより、酸化剤ガスをバイパス流路に振り分けて燃料電池のドライアップを防止するとともに、高電位を回避するための発電を行うことを特徴としている。

特開２０１３−２１８７８９号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、低負荷発電時において、燃料電池のドライアップを防止するために、どのような電流制御を行うかが開示されていない。しかも、バッテリのＳＯＣ（充電率）を検出するセンサが備えられているものの、実際に前記バッテリのＳＯＣが高くなって充電できない場合の制御は、開示されておらず、良好な発電機能を維持することができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単な制御で、電流値を一定に維持した状態で、良好な発電を継続することが可能な燃料電池システムの電力制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る電力制御方法が適用される燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、を備えている。燃料電池は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する。燃料電池システムは、さらに燃料電池から出力される電力を充電する一方、補機に前記電力を放電するバッテリを備えている。

この電力制御方法では、システム要求電力が、アイドル発電を含む低負荷発電であると判断された際、バッテリの充電状態が基準上限状態に至ったか否かが検出されている。そして、バッテリの充電状態が、基準上限状態に至ったと判断された際、補機により消費される電力量を増加させている。

また、この電力制御方法では、補機により消費される電力量を増加させた後、バッテリの充電状態が、基準上限状態よりも高い最上限状態に至った際、燃料電池から出力される電流値を低減させることが好ましい。

さらに、酸化剤ガス供給装置は、エアポンプから吐出される酸化剤ガスが、燃料電池をバイパスして排出されるバイパス流路を備えることが好ましい。この電力制御方法では、燃料電池から出力される電流値を低減させる際、バイパス流路に配置されたバイパス弁を開弁させることが好ましい。

さらにまた、この電力制御方法では、バイパス弁が故障していると判断された際、バッテリの充電状態が、基準上限状態よりも低い補正上限状態に至った場合に、補機により消費される電力量を増加させることが好ましい。

本発明によれば、低負荷発電時において、バッテリの充電状態が、基準上限状態に至ったと判断された際、補機により消費される電力量を増加させている。従って、補機の消費電力量が増加されることにより、バッテリへの充電が抑制されるため、電流値を低減させる必要がない。これにより、簡単な制御で、一定の電流値を維持したまま、良好な発電（運転）を継続することが可能になる。

本発明の実施形態に係る電力制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記電力制御方法を説明するフローチャートである。 バッテリのＳＯＣの説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る電力制御方法が適用される燃料電池システム１０は、例えば、燃料電池電気自動車等の燃料電池車両（図示せず）に搭載される。

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２を備える。燃料電池スタック１２には、燃料ガスである、例えば、水素ガスを供給する燃料ガス供給装置１４と、酸化剤ガスである、例えば、空気を供給する酸化剤ガス供給装置１６と、冷却媒体を供給する冷却媒体供給装置１８とが設けられる。燃料電池システム１０は、さらにエネルギ貯蔵装置であるバッテリ２０と、システム制御装置である制御部２２とを備える。

燃料電池スタック１２は、複数の発電セル２４が水平方向又は鉛直方向に積層される。発電セル２４は、電解質膜・電極構造体２６を第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０で挟持する。第１セパレータ２８及び第２セパレータ３０は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体２６は、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード電極３４及びカソード電極３６とを備える。固体高分子電解質膜３２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質が使用される。

第１セパレータ２８は、電解質膜・電極構造体２６との間に、アノード電極３４に水素ガスを供給するための水素ガス流路３８を設ける。第２セパレータ３０は、電解質膜・電極構造体２６との間に、カソード電極３６に空気を供給するための空気流路４０を設ける。互いに隣接する第１セパレータ２８と第２セパレータ３０との間には、冷却媒体を流通させるための冷却媒体流路４２が設けられる。

燃料電池スタック１２には、水素ガス入口４４ａ、水素ガス出口４４ｂ、空気入口４６ａ、空気出口４６ｂ、冷却媒体入口４８ａ及び冷却媒体出口４８ｂが設けられる。水素ガス入口４４ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の供給側に連通する。水素ガス出口４４ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、水素ガス流路３８の排出側に連通する。

空気入口４６ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の供給側に連通する。空気出口４６ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、空気流路４０の排出側に連通する。

冷却媒体入口４８ａは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の供給側に連通する。冷却媒体出口４８ｂは、各発電セル２４の積層方向に貫通するとともに、冷却媒体流路４２の排出側に連通する。

燃料ガス供給装置１４は、高圧水素を貯留する水素タンク５０を備え、この水素タンク５０は、水素ガス供給路５２を介して燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに連通する。水素ガス供給路５２は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給する。

水素ガス供給路５２には、インジェクタ５４及びエゼクタ５６が直列に設けられるとともに、前記インジェクタ５４及び前記エゼクタ５６を跨いでバイパス供給路５８が接続される。バイパス供給路５８には、ＢＰ（バイパス）インジェクタ６０が設けられる。ＢＰインジェクタ６０は、燃料電池スタック１２の起動時や高負荷発電が要求された際等に、高濃度な水素を供給するために使用されるサブインジェクタである一方、インジェクタ５４は、通常の発電時に主として使用されるメインインジェクタである。

燃料電池スタック１２の水素ガス出口４４ｂには、水素ガス排出路６２が連通する。水素ガス排出路６２は、アノード電極３４で少なくとも一部が使用された水素ガスである水素排ガスを、燃料電池スタック１２から導出する。水素ガス排出路６２には、気液分離器６４が接続されるとともに、前記気液分離器６４の下流から分岐する水素循環流路６６を介してエゼクタ５６が接続される。水素循環流路６６には、水素ポンプ６８が設けられる。水素ポンプ６８は、特に起動時に、水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスを、水素循環流路６６を通って水素ガス供給路５２に循環させる。

水素ガス排出路６２の下流には、パージ流路７０の一端が連通するとともに、前記パージ流路７０の途上には、パージ弁７２が設けられる。気液分離器６４の底部には、主に液体成分を含む流体を排出する排水流路７４の一端が接続される。排水流路７４の途上には、ドレイン弁７６が配設される。

酸化剤ガス供給装置１６は、大気からの空気を圧縮して供給するエアポンプ７８を備え、前記エアポンプ７８が空気供給路８０に配設される。空気供給路８０は、燃料電池スタック１２に空気を供給する。

空気供給路８０は、エアポンプ７８の下流側に位置して供給側開閉弁（封止弁）８２ａ及び加湿器８４を配設するとともに、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに連通する。空気供給路８０には、加湿器８４を跨いでバイパス供給路８６が接続される。バイパス供給路８６には、開閉弁８８が設けられる。

燃料電池スタック１２の空気出口４６ｂには、空気排出路９０が連通する。空気排出路９０には、供給空気と排出空気との間で水分及び熱を交換する加湿器８４、排出側開閉弁（封止弁）８２ｂ及び背圧弁９２が配設される。空気排出路９０は、カソード電極３６で少なくとも一部が使用された空気である排出空気を、燃料電池スタック１２から排出する。空気排出路９０の下流には、パージ流路７０の他端及び排水流路７４の他端が接続され、希釈部を構成する。

空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの上流側と排出側開閉弁８２ｂの下流側及び背圧弁９２の下流側とに位置して、バイパス流路９４の両端が連通する。バイパス流路９４には、前記バイパス流路９４を流通する空気の流量を調整するＢＰ流量調整弁（バイパス弁）９６が配設される。空気供給路８０と空気排出路９０とには、供給側開閉弁８２ａの下流側及び排出側開閉弁８２ｂの上流側に位置して、空気循環流路９８が連通する。空気循環流路９８には、循環ポンプ１００が配置される。循環ポンプ１００は、空気排出路９０に排出された排出空気を、空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環させる。

冷却媒体供給装置１８は、燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに接続される冷却媒体供給路１０２を備え、前記冷却媒体供給路１０２の途上には、水ポンプ１０４が配置される。冷却媒体供給路１０２は、ラジエータ１０６に接続されるとともに、前記ラジエータ１０６には、冷却媒体出口４８ｂに連通する冷却媒体排出路１０８が接続される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料ガス供給装置１４では、水素タンク５０から水素ガス供給路５２に水素ガスが供給される。この水素ガスは、インジェクタ５４及びエゼクタ５６を通って燃料電池スタック１２の水素ガス入口４４ａに供給される。水素ガスは、水素ガス入口４４ａから水素ガス流路３８に導入され、前記水素ガス流路３８に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のアノード電極３４に供給される。

酸化剤ガス供給装置１６では、エアポンプ７８の回転作用下に、空気供給路８０に空気が送られる。この空気は、加湿器８４を通って加湿された後、燃料電池スタック１２の空気入口４６ａに供給される。空気は、空気入口４６ａから空気流路４０に導入され、前記空気流路４０に沿って移動することにより電解質膜・電極構造体２６のカソード電極３６に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード電極３４に供給される水素ガスと、カソード電極３６に供給される空気中の酸素とが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置１８では、水ポンプ１０４の作用下に、冷却媒体供給路１０２から燃料電池スタック１２の冷却媒体入口４８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。冷却媒体は、冷却媒体流路４２に沿って流動し、発電セル２４を冷却した後、冷却媒体出口４８ｂから冷却媒体排出路１０８に排出される。

次いで、アノード電極３４に供給されて一部が消費された水素ガスは、水素ガス出口４４ｂから水素ガス排出路６２に排出される。水素排ガスは、水素ガス排出路６２から水素循環流路６６に導入され、エゼクタ５６の吸引作用下に水素ガス供給路５２に循環される。水素ガス排出路６２に排出された水素排ガスは、必要に応じて、パージ弁７２の開放作用下に外部に排出（パージ）される。

同様に、カソード電極３６に供給されて一部が消費された空気は、空気出口４６ｂから空気排出路９０に排出される。空気は、加湿器８４を通って空気供給路８０から供給される新たな空気を加湿した後、背圧弁９２の設定圧力に調整された後、希釈部に排出される。なお、空気排出路９０に排出された空気は、必要に応じて、循環ポンプ１００の作用下に空気循環流路９８を通って空気供給路８０に循環する。

次いで、本実施形態に係る燃料電池システム１０の電力制御方法について、図２に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

まず、ステップＳ１では、燃料電池システム１０の発電状態が、低負荷発電であるか否かが判断される。低負荷発電とは、例えば、アイドル発電を含む低負荷での発電をいう。アイドル発電とは、例えば、燃料電池車両が一旦停止することにより、補機に対し最小電力を供給して走行可能な状態に維持する発電状態をいう。

燃料電池システム１０が、低負荷発電であると判断されると（ステップＳ１中、ＹＥＳ）、ステップＳ２に進んで、バイパス弁であるＢＰ流量調整弁９６が正常に機能しているか否か、すなわち、故障しているか否かが判断される。一方、燃料電池システム１０が、低負荷発電でないと判断されると（ステップＳ１中、ＮＯ）、ステップＳ３に進んで、通常発電が行われる。

ステップＳ２において、ＢＰ流量調整弁９６が正常に機能していると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進んで、バッテリ２０の充電状態であるＳＯＣ（充電率）が、基準上限値（基準上限状態）Ｔｓｔに至ったか否かが判断される。基準上限値Ｔｓｔは、燃料電池システム１０を通常発電させるモードと、補機消費電力量を増加させるモードとに、振り分けるＳＯＣ閾値であり、例えば、図３に示すように、設定される。

バッテリ２０のＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔよりも低い値であると判断されると（ステップＳ４中、ＮＯ）、通常の低負荷発電が継続される。通常の低負荷発電では、燃料電池スタック１２から出力される電力がバッテリ２０に充電される。さらに、バッテリ２０のＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔに近似する値であると、前記基準上限値Ｔｓｔを上回らないように、前記バッテリ２０への充電と補機への電力供給とをバランスさせる。

一方、バッテリ２０のＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔに至ったと判断されると（ステップＳ４中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、補機消費電力量の増加処理が行われる。補機消費電力には、エアポンプ７８、水素ポンプ６８、循環ポンプ１００及び水ポンプ１０４等で消費される電力が含まれる。補機消費電力には、その他、車両走行に必要な装置、例えば、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や、乗員空間内に配設される装置、例えば、空調装置、照明器具及びオーディオ等で消費される電力が含まれる。

補機により消費される電力量を増加させた後、ステップＳ６に進む。ステップＳ６では、バッテリ２０のＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔよりも高い最上限値（最上限状態）Ｔｍａｘに至ったか否かが判断される。バッテリ２０のＳＯＣが、最上限値Ｔｍａｘよりも低い値であると判断されると（ステップＳ６中、ＮＯ）、ステップＳ５に戻って、補機消費電力量を増加させた低負荷発電が継続される。

一方、バッテリ２０のＳＯＣが、最上限値Ｔｍａｘに至ったと判断されると（ステップＳ６中、ＹＥＳ）、ステップＳ７に進んで、電流値低減処理が行われる。電流値低減処理では、燃料電池スタック１２から引き出される電流値を、例えば、通常発電時の１０Ａから３Ａに低減させる。さらに、バイパス流路９４に配置されたＢＰ流量調整弁９６の開弁（ＢＰ流量調整弁９６の開度を広げる場合も含む）させることにより、前記バイパス流路９４を流通する空気量を増加させる。

また、ステップＳ２において、ＢＰ流量調整弁９６が故障している（正常に機能していない）と判断されると（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ８に進んで、バッテリ２０のＳＯＣが、補正上限値（補正上限状態）Ｔｒｅに至ったか否かが判断される。図３に示すように、補正上限値Ｔｒｅは、基準上限値Ｔｓｔよりも低い値に設定され、例えば、前記基準上限値Ｔｓｔの７０％に設定される。

そして、バッテリ２０のＳＯＣが、補正上限値（補正上限状態）Ｔｒｅに至ったと判断されると（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、ステップＳ５に進んで、補機消費電力量の増加処理が行われた後、ステップＳ６以降が行われる。一方、バッテリ２０のＳＯＣが、補正上限値Ｔｒｅに至っていないと判断されると（ステップＳ８中、ＮＯ）、通常の低負荷発電が継続される。なお、ＢＰ流量調整弁９６が故障していると判断された際には、バッテリ２０のＳＯＣが、補正上限値Ｔｒｅに至ったか否かに係わらず、補機消費電力量の増加処理を行ってもよい。

この場合、本実施形態では、低負荷発電時において、バッテリ２０のＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔに至ったと判断された際、補機消費電力量の増加処理が行われている。従って、補機の消費電力量が増加されることにより、バッテリ２０への充電が抑制されるため、電流値を削減させる必要がない。これにより、燃料電池システム１０は、簡単な制御で、一定の電流値を維持したまま、良好な発電（運転）を継続することが可能になるという効果が得られる。

さらに、補機により消費される電力量を増加させた後、バッテリ２０のＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔよりも高い最上限値Ｔｍａｘに至った際、燃料電池スタック１２から出力される電流値が低減されている。このため、電力消費が大きくなるとともに、バッテリ２０への過充電を防止することができる。

その際、燃料電池スタック１２には、エアポンプ７８の回転作用下に、空気が供給されており、供給される空気量は、低減された電流値に対して過剰な流量になっている。そこで、バイパス流路９４に配置されたＢＰ流量調整弁９６を開弁させることにより、前記バイパス流路９４を流通する空気量を増加させている。従って、燃料電池スタック１２に供給される空気量が削減され、前記燃料電池スタック１２の過乾燥（ドライアップ）を良好に抑制することが可能になる。

さらにまた、ＢＰ流量調整弁９６が故障していると判断されると、低負荷発電時のバッテリ２０のＳＯＣが、基準上限値Ｔｓｔよりも低い補正上限値Ｔｒｅに至った場合に、補機により消費される電力量を増加させている。ＢＰ流量調整弁９６の故障によりバイパス流路９４が使用できないため、特に電流値が低減される際、燃料電池スタック１２が一層乾燥し易くなる。そこで、できるだけ早急に、補機消費電力量の増加処理に移行させることにより、ＳＯＣの増加を抑制して電流値の低減を回避することが可能になる。

１０…燃料電池システム １２…燃料電池スタック
１４…燃料ガス供給装置 １６…酸化剤ガス供給装置
１８…冷却媒体供給装置 ２０…バッテリ
２２…制御部 ２４…発電セル
２６…電解質膜・電極構造体 ２８、３０…セパレータ
３２…固体高分子電解質膜 ３４…アノード電極
３６…カソード電極 ３８…水素ガス流路
４０…空気流路 ５０…水素タンク
５２…水素ガス供給路 ７８…エアポンプ
８０…空気供給路 ８２ａ…供給側開閉弁
８２ｂ…排出側開閉弁 ８４…加湿器
９０…空気排出路 ９２…背圧弁
９４…バイパス流路 ９６…ＢＰ流量調整弁
９８…空気循環流路 １００…循環ポンプ

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置と、
   前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置と、
   前記燃料電池から出力される電力を充電する一方、補機に前記電力を放電するバッテリと、
   を備える燃料電池システムの電力制御方法であって、
   システム要求電力が、アイドル発電を含む低負荷発電であるか否かを判断する工程と、
   システム要求電力が、前記低負荷発電であると判断された際、前記バッテリの充電状態が基準上限状態に至ったか否かを検出する工程と、
   前記バッテリの充電状態が、前記基準上限状態に至ったと判断された際、前記補機により消費される電力量を増加させる工程と、
   を有することを特徴とする燃料電池システムの電力制御方法。
2. 請求項１記載の電力制御方法であって、前記補機により消費される電力量を増加させた後、前記バッテリの充電状態が、前記基準上限状態よりも高い最上限状態に至った際、前記燃料電池から出力される電流値を低減させることを特徴とする燃料電池システムの電力制御方法。
3. 請求項２記載の電力制御方法であって、前記酸化剤ガス供給装置は、エアポンプから吐出される前記酸化剤ガスが、前記燃料電池をバイパスして排出されるバイパス流路を備え、
   前記燃料電池から出力される電流値を低減させる際、前記バイパス流路に配置されたバイパス弁を開弁させることを特徴とする燃料電池システムの電力制御方法。
4. 請求項３記載の電力制御方法であって、前記バイパス弁が故障していると判断された際、前記バッテリの充電状態が、前記基準上限状態よりも低い補正上限状態に至った場合に、前記補機により消費される電力量を増加させることを特徴とする燃料電池システムの電力制御方法。

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