JP2021182511A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行中に燃料残量が低下した場合であっても、氷点下始動時に必要な電力を確保できるため、電力不足で車両の始動ができなくなることを抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池と、二次電池と、燃料の残量を取得する燃料残量取得部と、二次電池のＳＯＣが所定値以上になるように前記燃料電池および前記二次電池を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記燃料残量が所定量以上の場合、前記二次電池のＳＯＣを第１の所定値となるように制御を実施し、前記制御部は、前記燃料残量が所定量未満の場合、前記二次電池のＳＯＣを前記第１の所定値よりも大きい第２の所定値となるように制御を実施し、前記第２の所定値は氷点下始動時に必要な電力に相当する前記二次電池のＳＯＣの下限値であることを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ_２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。

燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、燃料電池の停止時に、次回の始動に備えて、燃料電池からの電力でバッテリの充電を行う燃料電池システムが開示されている。

また、特許文献２では、バッテリの残容量と、発電機の燃料残量と、に基づいて前記発電機の発電開始のタイミングを決定する技術が記載されている。

特開２００６−１７９４７２号公報 特開２０１８−２０１２７２号公報

上記特許文献１に記載の技術では、車両の走行中に燃料残量が低下してしまった場合、二次電池を十分に充電することができなくなってしまう。次回起動の際に氷点下始動が必要である場合、二次電池の電力が足りず、車両の始動ができなくなる虞がある。
上記特許文献２に記載の技術は、発電機の燃料残量と二次電池の充電状態値（ＳＯＣ）のどちらか一方が下がりすぎないように制御し、電力量（パワー）を管理する制御であり、燃料不足時の車両の始動用に二次電池のＳＯＣを一定以上確保する制御ではない。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、車両の走行中に燃料残量が低下した場合であっても、氷点下始動時に必要な電力を確保できるため、電力不足で車両の始動ができなくなることを抑制することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。

本開示においては、燃料電池と、
二次電池と、
燃料の残量を取得する燃料残量取得部と、
二次電池のＳＯＣが所定値以上になるように前記燃料電池および前記二次電池を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料残量が所定量以上の場合、前記二次電池のＳＯＣを第１の所定値となるように制御を実施し、
前記制御部は、前記燃料残量が所定量未満の場合、前記二次電池のＳＯＣを前記第１の所定値よりも大きい第２の所定値となるように制御を実施し、
前記第２の所定値は氷点下始動時に必要な電力に相当する前記二次電池のＳＯＣの下限値であることを特徴とする燃料電池システムを提供する。

本開示の燃料電池システムによれば、車両の走行中に燃料残量が低下した場合であっても、氷点下始動時に必要な電力を確保できるため、電力不足で車両の始動ができなくなることを抑制することができる。

本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。

本開示においては、燃料電池と、
二次電池と、
燃料の残量を取得する燃料残量取得部と、
二次電池のＳＯＣが所定値以上になるように前記燃料電池および前記二次電池を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料残量が所定量以上の場合、前記二次電池のＳＯＣを第１の所定値となるように制御を実施し、
前記制御部は、前記燃料残量が所定量未満の場合、前記二次電池のＳＯＣを前記第１の所定値よりも大きい第２の所定値となるように制御を実施し、
前記第２の所定値は氷点下始動時に必要な電力に相当する前記二次電池のＳＯＣの下限値であることを特徴とする燃料電池システムを提供する。

従来、燃料電池車両は、始動性確保のため、燃料電池の発電終了時の掃気処理、車両始動時の燃料電池の発電前処理に二次電池のエネルギーを必要とし、二次電池からの放電が多く、二次電池の充電状態値（ＳＯＣ）が低下すると車両の始動性を確保できないため、二次電池のＳＯＣが低い場合のＩＧ−ＯＦＦ（イグニッションオフ）時は燃料電池の発電を継続し、二次電池の充電を行ってから燃料電池の発電停止を行う。ただし、燃料（水素等の燃料ガス等）枯渇時、燃料電池の発電不可による車両の走行停止時は前記の二次電池の充電処理ができなくなる。そのため、燃料を再充填した後の車両の始動性が確保できないという問題がある。

具体的には、常温では、車両の動力性能確保のため車両の動作終了時の二次電池のＳＯＣの下限を低ＳＯＣ（例えば２０％）に設定している。ただし、氷点下では燃料電池の停止時の掃気処理、及び、車両の始動時の動作性確保のため、車両の走行終了前に二次電池のＳＯＣが、高ＳＯＣ（例えば３０％）確保されるように、ＩＧ−ＯＦＦ後に二次電池の充電処理を実施している。しかし、燃料不足の時は車両の走行終了時に二次電池の充電ができないため、燃料の再充填後、車両の氷点下始動時に二次電池のＳＯＣ不足により、車両が起動できない恐れがある。これは、燃料不足により燃料電池に燃料を供給できないと、燃料電池の発電による二次電池の充電も不可能となり、例えば低ＳＯＣで車両停止時、ＩＧ−ＯＦＦ後に二次電池のＳＯＣを回復することができないため、車両停止時の燃料電池の掃気処理、及び、車両の氷点下始動時の燃料電池の発電前処理に必要な二次電池のエネルギーが不足するためである。

本開示では燃料残量低下を判定し、車両の走行中の二次電池の使用下限ＳＯＣを引き上げることで、燃料枯渇後の車両の氷点下始動時の始動性を確保する。
具体的には、燃料不足時は車両の停止時の二次電池の充電ができないため、燃料ガス残量（ガス圧）で燃料不足前判定を実施する。そして、車両の氷点下始動性能を優先させるために、車両の運転中の二次電池の下限ＳＯＣを車両停止時の燃料電池の掃気処理と車両の氷点下始動処理に必要なエネルギーである高ＳＯＣ（例えば３０％）以上に引き上げることで、車両の氷点下始動保証と、車両の通常時動力性能を両立する。

本開示の燃料電池システムは、少なくとも燃料電池と、二次電池と、燃料の残量を取得する燃料残量取得部と、二次電池のＳＯＣが所定値以上になるように前記燃料電池および前記二次電池を制御する制御部と、を有する。
充電状態値（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、二次電池の満充電容量に対する充電容量の割合を示すものであり、満充電容量がＳＯＣ１００％である。

本開示の燃料電池システムは、通常、駆動源を電動機（モータ）とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知のモータであってもよい。

燃料電池は、燃料電池の単セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２〜数百個であってもよく、２〜２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。

セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。

酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。

ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を有していてもよい。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。

燃料電池システムは、燃料ガス供給流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料電池と燃料ガス供給部を接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池の燃料極への供給を可能にする。なお、燃料ガス供給部と燃料電池が隣接して配置され、燃料ガス供給部から燃料電池の燃料極へ直接、燃料ガスを供給できる場合は、燃料ガス供給流路は、必ずしも必要ではない。

燃料電池システムは、循環流路を備えていてもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料極から排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に戻すことを可能にする。
燃料オフガスは、主に、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガスと、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分と、を含む。

燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ、及び、エジェクタ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路と循環流路の合流部に配置され、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池の燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。

燃料電池システムは、燃料オフガス排出部を備えていてもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガスを外部に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部を意味する。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスの排出流量を調整する。
燃料オフガス排出流路は、例えば、循環流路から分岐されていてもよく、燃料オフガス中の水素濃度が低くなりすぎた場合に当該燃料オフガスを外部に排出可能にする。

循環流路には、燃料オフガス中の水分を低減するための気液分離器が設けられていてもよい。そして、気液分離器によって循環流路から分岐される排水流路及び、当該排水流路上に排水弁が備えられていてもよい。
気液分離器において、燃料オフガス中から分離された水分は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。

燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス供給流路、及び、酸化剤ガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側（酸化剤極、カソード入口マニホールド等）に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池を接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
酸化剤ガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みのカソードオフガスを酸化剤ガス排出流路から排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、酸化剤極に供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整することができる。

燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部、及び、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させ、燃料電池の冷却を可能にする。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷却水（冷媒）としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。

二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及びエアコンプレッサー等の酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、車両の外部の電源、例えば、家庭用電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。
燃料電池システムは、バッテリを電源とする補機類を備えていてもよい。
補機類としては、例えば車両の照明機器、及び、空調機器等が挙げられる。
また、本開示の燃料電池システムには、二次電池の残容量を検出する充電状態センサが設けられていてもよい。充電状態センサは、二次電池の充電状態値（ＳＯＣ）を検出する。充電状態センサは、制御部に接続されていてもよい。制御部は、充電状態センサの出力により二次電池の充電状態値を検知できるようになっていてもよい。
制御部は、二次電池の充電状態値の管理、及び、二次電池の充放電を制御してもよい。

燃料残量取得部は、燃料の残量を取得する。
燃料は、具体的には、上述した燃料ガスである。
燃料残量取得部は、制御部に接続されていてもよい。制御部は、燃料残量取得部の出力により燃料の残量を検知できるようになっていてもよい。
燃料の残量を取得する方法は、特に限定されず、例えば、燃料ガス供給部内の圧力（燃料タンク圧等）を測定し、予め測定しておいた、燃料ガス供給部内の圧力と燃料の残量との相関関係を示すデータ群と照らし合わせて燃料の残量を取得することができる。
燃料残量取得部は、従来公知の燃料残量検知センサ、及び、燃料タンク内の圧力を検知する圧力計等であってもよい。また、圧力計により測定された燃料ガス供給部内の圧力から、制御部が当該圧力を上記データ群と照らし合わせて燃料の残量を推定してもよい。

制御部は、二次電池のＳＯＣが所定値以上になるように前記燃料電池および前記二次電池を制御する。
制御部は、二次電池、燃料残量取得部、燃料ガス供給部、及び、酸化剤ガス供給部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。また、制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。
制御部は、燃料残量取得部が取得した燃料の残量が、所定量を下回っているか否かの判断、及び、二次電池の充電等を行う。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。

図１は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
図１に示す制御方法では、まず燃料残量取得部は所定の時期に燃料ガス供給部（例えば燃料タンク等）の燃料の残量を取得する。
その後、制御部は、燃料残量取得部が取得した燃料の残量が所定量を下回っているか否か判断する。
そして、制御部は、燃料の残量が所定量以上である場合は二次電池のＳＯＣを第１の所定値となるように制御を実施する（通常モード）。なお、二次電池のＳＯＣが第１の所定値以上である場合は、制御部は制御を終了してもよい。
一方、制御部は、燃料残量取得部が取得した燃料の残量が所定量を下回っている場合には、前記二次電池のＳＯＣを第１の所定値よりも大きい第２の所定値となるように制御を実施する（氷点下モード）。なお、二次電池のＳＯＣが第２の所定値以上である場合は、制御部は制御を終了してもよい。
燃料残量取得部が燃料の残量を取得する時期は、特に限定されず、車両の走行中であってもよいし、車両の走行停止直後であってもよいし、ＩＧ−ＯＦＦ時であってもよく、適宜設定することができ、電力不足で車両の始動ができなくなることを抑制する観点から、車両の走行中であってもよい。
第１の所定値は、車両の常温での始動時の動力性能確保のために必要な二次電池の電力に相当する二次電池のＳＯＣの下限値であり、第１の所定値として、例えばＳＯＣの下限を２０％に設定してもよい。
一方、第２の所定値は、車両の氷点下始動時の動力性能確保のために必要な二次電池の電力に相当する二次電池のＳＯＣの下限値であり、第２の所定値として、例えばＳＯＣの下限を３０％に設定してもよい。
二次電池の充電方法は特に限定されず、例えば、車両の走行中等の外部電源がない場合は、燃料電池の電力で二次電池を充電してもよい。

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   二次電池と、
   燃料の残量を取得する燃料残量取得部と、
   二次電池のＳＯＣが所定値以上になるように前記燃料電池および前記二次電池を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記燃料残量が所定量以上の場合、前記二次電池のＳＯＣを第１の所定値となるように制御を実施し、
   前記制御部は、前記燃料残量が所定量未満の場合、前記二次電池のＳＯＣを前記第１の所定値よりも大きい第２の所定値となるように制御を実施し、
   前記第２の所定値は氷点下始動時に必要な電力に相当する前記二次電池のＳＯＣの下限値であることを特徴とする燃料電池システム。

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