JP2020024812A - 燃料電池システム制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵器を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の電力供給開始時に水素供給圧が低下してしまう可能性を低減する。【解決手段】燃料電池システム制御装置８は、水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵器から燃料電池へ水素を供給するための配管に設けられた水素供給弁を開放する水素供給弁制御部８１と、前記水素供給弁制御部による前記水素供給弁の開放の後に前記燃料電池を起動させる燃料電池制御部８４とを備えている。【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システム制御装置に関する。

特許文献１に、水素吸蔵合金を装着した水素容器による水素吸蔵放出手段と、前記水素吸蔵放出手段の第一の水素容器および発熱体並びに検知系統を含む電子制御部による燃料電池制御手段と、前記水素吸蔵放出手段の第二の水素容器による水素または改質器による改質ガスの燃料供給手段と、前記水素吸蔵放出手段の第二の水素容器および燃料電池による水素圧昇圧手段と、前記燃料電池および配電部による電力出力手段とで構成した燃料電池システムが記載されている。

特開２００５−１２２９９２号公報

燃料電池においては、外部負荷への電力供給停止後、空気極（カソード）から高分子電解質膜などの電解質を通じて燃料極（アノード）に向かって空気が浸透してゆく。これにより、アノード近傍に空気が混入するか、又はアノード近傍が空気で完全に置換される。このような状態で燃料電池の起動（外部負荷への電力供給開始）を行う場合、起動直後にアノード近傍の空気を水素に置換する必要があるため、瞬間的に多量の水素供給が必要となる。

水素貯蔵器として、水素が圧縮されて貯蔵されている水素タンクを使用する場合は、燃料電池起動直後の多量の水素供給が行われても、水素供給圧が低下することなく、水素供給が需要に追従（仮に圧力が低下したとしても速やかに正常圧力へ復帰）すると考えられる。しかし、水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵器を使用する場合は、水素吸蔵物質から水素が脱離して供給されるまでの時間に起因して、水素供給が需要に追従しきれず、水素供給圧が異常低下し、速やかに圧力復帰できない可能性がある。水素供給圧の低下時に、燃料電池から外部負荷への電力供給を開始すると、水素が不足した状態での発電により、燃料電池内のスタック部材（触媒等）の劣化が進行しやすいといった問題がある。

本発明はこのような実状に鑑みてなされたものであって、水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵器を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の電力供給開始時に水素供給圧が低下してしまう可能性を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池システム制御装置は、水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵器から燃料電池へ水素を供給するための配管に設けられた水素供給弁を開放する水素供給弁制御部と、前記水素供給弁制御部による前記水素供給弁の開放の後に前記燃料電池を起動させる燃料電池制御部とを備えている。

本発明によれば、水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵器を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の電力供給開始時に水素供給圧が低下してしまう可能性を低減することができる。

燃料電池システムの説明図である。 燃料電池システム制御装置の説明図である。 燃料電池システム制御装置により行われる処理のフローチャートである。 水素供給圧、水素消費量及び起動フラグの時間的変化を示すグラフの一例である。 水素供給圧、水素消費量及び起動フラグの時間的変化を示すグラフの別の例である。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

図１に示すように、燃料電池システム１は、水素吸蔵物質である水素吸蔵合金を用いた水素貯蔵器である水素吸蔵合金器２と、燃料電池３と、水素吸蔵合金器２と燃料電池３とを接続する配管４とを備えている。水素吸蔵合金器２に貯蔵されている水素は、配管４を通じて燃料電池３の燃料極（アノード）へ供給される。配管４には、上流から下流に向かって、圧力調整器（レギュレーター）５と、開閉可能な水素供給弁（又はインレットバルブ）６と、圧力センサ７とが順に設けられている。圧力センサ７は、水素吸蔵合金器２から圧力調整器５及び水素供給弁６を経て燃料電池３へ供給される水素の供給圧を計測する。

燃料電池システム１は、燃料電池システム制御装置（以下、単に「制御装置」とも呼ぶ。）８をも備えている。制御装置８は、燃料電池３と水素供給弁６と圧力センサ７とに接続し、燃料電池３及び水素供給弁６の制御を行うとともに、圧力センサ７から水素供給圧の計測値を取得する。図２に示すように、制御装置８は、水素供給弁制御部８１と、第１判定部８２と、第２判定部８３と、燃料電池制御部８４とを備えている。

水素供給弁制御部８１は、水素吸蔵合金器２から燃料電池３へ水素を供給するに際して、水素供給弁６を開放する。第１判定部８２は、水素供給弁制御部８１により水素供給弁６が開放されてから第１の時間の経過後に、後述する判定を行う。第２判定部８２は、水素供給弁制御部８１により水素供給弁６が開放されてから、第１の時間よりも短い第２の時間の経過後に、後述する判定を行う。第１の時間及び第２の時間は事前に設定される。燃料電池制御部８４は、第１判定部８２及び第２判定部８３の判定結果を受けて、燃料電池３を制御する。制御装置８の各部の詳細は後述する。

制御装置８は、そのコンピュータハードウェア構成として、各部の機能を実行するように動作可能なプログラム及びデータを格納するメモリと、演算処理を行うプロセッサと、燃料電池システム１内の他の装置（燃料電池３、水素供給弁６及び圧力センサ７）とのインタフェースとを備えている。

図３に、燃料電池３の起動に際して、制御装置８が行う処理のフローを示す。まず、ステップＳ１にて、水素供給弁制御部８１は、閉塞されている水素供給弁６を開放する。

ステップＳ２にて、第２判定部８３は、水素供給弁６の開放から第２の時間の経過後であって第１の時間の経過前における水素供給圧の計測値（以下、「第２計測値」とも呼ぶ。）を圧力センサ７から取得する。第２判定部８３は更に、第２計測値が一定値未満であるかどうかを判定する。第２計測値が一定値未満であると判定された場合はステップＳ３が行われ、第２計測値が一定値以上であると判定された場合はステップＳ４が行われる。

ステップＳ３にて、第１判定部８２は、水素供給弁６の開放から第１の時間の経過後における水素供給圧の計測値（以下、「第１計測値」とも呼ぶ。）を圧力センサ７から取得する。第１判定部８２は更に、第１計測値が一定値以上であるかどうかを判定する。第１計測値が一定値未満であると判定された場合はステップＳ３が再び行われ、第１計測値が一定値以上であると判定された場合はステップＳ４が行われる。

ステップＳ４にて、燃料電池制御部８４は、燃料電池３を起動させる。具体的には、燃料電池制御部８４は、燃料電池の起動フラグを、停止を表す「０」から起動を表す「１」へ変更した上で、燃料電池３に起動指示を送る。

図４に、水素供給圧と燃料電池３の水素消費量と起動フラグとの時間的変化の一例を示す。まず、ステップＳ１（水素供給弁６の開放）が行われる時点を時点ｔ_１１として示す。この時点ｔ_１１に至るまで、水素供給圧の計測値はゼロであり、水素消費量もゼロであり、起動フラグは「０」である。さらに、時点ｔ_１１よりも未来の時点を順に、ｔ_１２、ｔ_１３、ｔ_１４、ｔ_１５として示す。

時点ｔ_１１においてステップＳ１（水素供給弁６の開放）が行われた後、水素供給圧の計測値は、上昇してゆくが、時点ｔ_１２においては正常範囲（Ｐ_１以上Ｐ_２以下の範囲）の下限値Ｐ_１を下回っている。その一方で、水素消費量は、ゼロから急激に上昇した後、急激に低下し、時点ｔ_１２よりも未来の時点ｔ_１３にてゼロとなる。この水素消費により、燃料電池３の燃料極（アノード）近傍が水素に置き換えられる。

時点ｔ_１１から時点ｔ_１２までの時間βを第２の時間とすると、時点ｔ_１２においてステップＳ２（判定処理）が行われる。水素供給圧の測定値（第２測定値）は、一定値Ｐ_１未満であると判定されるため、この時点でステップＳ４（燃料電池３の起動）が行われることはない。

水素供給圧の計測値は上昇を続け、時点ｔ_１４において正常範囲の下限値Ｐ_１に達する。水素供給圧の計測値は更に上昇を続け、時点ｔ_１５以降、正常範囲内で安定する。つまり、時点ｔ_１１の後、上昇を続けていた水素供給圧は、時点ｔ_１５にて正常範囲内で安定することになる。この時点ｔ_１１から時点ｔ_１５までの時間は、水素吸蔵合金器２の水素吸蔵合金からの水素脱離に要する時間に起因したものであり、水素が圧縮されて貯蔵されている水素タンクの場合に比べて長い。

時点ｔ_１１から時点ｔ_１５までの時間αを第１の時間とすると、時点ｔ_１５においてステップＳ３（判定処理）が行われる。水素供給圧の測定値（第１測定値）は、一定値Ｐ_１以上であると判定される。その後、時点ｔ_１６において、ステップＳ４（燃料電池３の起動）が行われる。その結果、起動フラグは「０」から「１」へと変更される。

図５に、図４との比較例として、水素供給圧と燃料電池３の水素消費量と起動フラグとの時間的変化を示す。図５に示すように、ステップＳ１（水素供給弁６の開放）が行われる時点ｔ_１１よりも過去の時点である時点ｔ_２１において、燃料電池３の起動が行われる。この点が図４とは異なる。

図１〜図４を参照して説明した実施形態によれば、燃料電池の起動（外部負荷への電力供給の開始）の前に水素供給弁が開放され、水素吸蔵合金器から燃料電池へ水素が供給される。そのため、水素が不足した状態で外部負荷への電力供給（発電）が開始する可能性が低減される。

水素が不足した状態で発電が行われると、燃料電池内のスタック部材において触媒粒子の凝集が促進されること等により、燃料電池の性能が劣化することが知られている。上記実施形態によれば、水素不足状態での発電に起因する、燃料電池のスタック部材（触媒等）の劣化を抑えることができる。

上記実施形態によれば、燃料電池の起動前に水素供給弁を開放して燃料電池内部を水素で満たし、水素供給圧が安定した後に燃料電池を起動できる可能性が高まる。そのため、燃料電池の起動時に、燃料電池システム制御装置において水素不足によるエラー（水素供給圧の一定値未満）と判定される可能性を低減することができる。

第１判定部８２が設けられていることで、水素供給圧が一定値以上となった段階で燃料電池が起動されることが保証される。

第２判定部８３が設けられていることで、水素供給圧が一定値以上であることが早期に判定されて燃料電池を早期に起動できる可能性が高まるとともに、第１判定部による判定処理を省略することができる。

水素吸蔵合金等の水素吸蔵物質は、加熱することにより、水素吸蔵物質に吸着されている水素が脱離して放出される速度が速まる。この点に鑑みて、図１に示すように、水素吸蔵物質を温めるためのヒーター９を水素吸蔵合金器２の周囲に設けるとともに、ヒーター９の動作に必要な電力をヒーター９に供給するバッテリ１０を燃料電池３とは別に設けることができる。さらに、図２に示すように、ヒーター９を起動させるヒーター制御部８５を制御装置８内に設けることができる。そして、ヒーター制御部８５が、燃料電池３の起動前にヒーター９を起動させることにより、水素吸蔵物質が温まり、図４に示した第１の時間αをより短く設定して、燃料電池３をより高速に起動できる可能性が高まる。

燃料電池３と水素供給弁６と圧力センサ７とをまとめて燃料電池ユニットと呼ぶこともできる。

燃料電池のアノード近傍が空気で置換されているかどうかを判定する第３判定部８６を制御装置８に設けることもできる。そして、燃料電池のアノード近傍が空気で置換されていると第３判定部８６により判定された場合に、図３に示したような処理を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１ 燃料電池システム
２ 水素吸蔵合金器
３ 燃料電池
４ 配管
５ 圧力調整器
６ 水素供給弁
７ 圧力センサ

８ 燃料電池システム制御装置
８１ 水素供給弁制御部
８２ 第１判定部
８３ 第２判定部
８４ 燃料電池制御部
８５ ヒーター制御部
８６ 第３判定部

９ ヒーター
１０ 電源

Claims (4)

1. 水素吸蔵物質を用いた水素貯蔵器から燃料電池へ水素を供給するための配管に設けられた水素供給弁を開放する水素供給弁制御部と、
   前記水素供給弁制御部による前記水素供給弁の開放の後に前記燃料電池を起動させる燃料電池制御部と
   を備えた燃料電池システム制御装置。
2. 前記水素供給弁制御部による前記水素供給弁の開放から第１の時間の経過後における前記燃料電池への水素供給圧の第１計測値が、一定値以上であるかどうかを判定する第１判定部を更に備え、
   前記燃料電池制御部は、前記第１計測値が前記一定値以上であると前記第１判定部が判定した場合に前記燃料電池を起動させる、請求項１に記載の燃料電池システム制御装置。
3. 前記水素供給弁制御部による前記水素供給弁の開放から、前記第１の時間よりも短い第２の時間の経過後における前記燃料電池への水素供給圧の第２計測値が、前記一定値以上であるかどうかを判定する第２判定部を更に備え、
   前記燃料電池制御部は、前記第２計測値が前記一定値以上であると前記第２判定部が判定した場合に前記燃料電池を起動させる、請求項２に記載の燃料電池システム制御装置。
4. 前記燃料電池制御部による前記燃料電池の起動の前に、前記水素吸蔵物質を温めるためのヒーターを起動するヒーター制御部を更に備えた請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池システム制御装置。

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