JP2021197319A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】アノードの乾きを抑制し燃料電池の出力の低下を抑制し得る燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムであって、負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池と共に負荷に電力を供給するバッテリと、燃料電池の温度を測定する温度センサと、負荷が必要とする電力に応じて、バッテリと燃料電池の各々の出力を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、温度センサの測定値が所定温度範囲よりも低い状態で負荷が必要とする電力に対する割合であって燃料電池の出力が占める割合である基準割合を予め記憶している。コントローラは、温度センサの測定値が所定温度範囲内である場合に、燃料電池の出力の割合を基準割合よりも下げ、測定値が所定温度範囲を上回る場合に、燃料電池の出力の割合を基準割合よりも高くする。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。

特許文献１に開示されている燃料電池システムは、負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池と共に負荷に電力を供給するバッテリと、燃料電池の温度を測定する温度センサと、負荷が必要とする電力に応じて、バッテリと燃料電池の各々の出力を制御するコントローラと、を備える。

特開２０１９−１３９９６８号公報

一般に、燃料電池システムでは、燃料電池が高温である場合にアノードが乾くことが知られている。アノードが乾くと燃料電池の出力効率が低下してしまうおそれがある。この点に関して、特許文献１の燃焼電池システムでは、燃料電池が高温である場合に酸化ガスのストイキ比を変化させることによって、アノードの乾きを抑制する。本明細書では、特許文献１の技術とは異なるアプローチでアノードの乾きを抑制し、燃料電池の出力効率の低下を抑制し得る燃料電池システムを提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池と共に負荷に電力を供給するバッテリと、燃料電池の温度を測定する温度センサと、負荷が必要とする電力に応じて、バッテリと燃料電池の各々の出力を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、温度センサの測定値が所定温度範囲よりも低い状態で負荷が必要とする電力に対する割合であって燃料電池の出力が占める割合（基準割合）を予め記憶している。コントローラは、温度センサの測定値が所定温度範囲内である場合に、燃料電池の出力の割合を基準割合よりも下げ、測定値が所定温度範囲を上回る場合に、燃料電池の出力の割合を基準割合よりも高くする。

上記の燃料電池システムでは、燃料電池の温度に応じて、負荷が必要とする出力に対する、燃料電池の出力の割合を制御している。

燃料電池の温度が所定温度範囲である場合には、燃料電池の出力の割合を基準割合よりも下げる。従って、燃料電池の発熱量が低下するため、燃料電池は冷却される。その結果、アノード乾きの発生を抑制することができる。

その一方で、燃料電池の温度が所定温度範囲を上回る場合には、前述のように燃料電池の出力の割合を低くしても、冷却に時間が必要であるため効率的でない。そのため、燃料電池の温度が所定温度範囲を上回る場合には、コントローラは、燃料電池の出力の割合を基準割合よりも高くする。その結果、燃料電池では、電池反応が多く発生し、燃料電池の内部の循環水蒸気量が増加する。従って、アノード乾きの発生を抑制することができる。

実施例の燃料電池システム２を含む燃料電池車１００のブロック図を示す。 燃料電池スタック１０の温度と出力電流とに基づく、コントローラ５０の制御マップを示す。

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。燃料電池システム２は、燃料電池車１００に搭載されている。図１に、燃料電池システム２を含む燃料電池車１００のブロック図を示す。燃料電池車１００は、燃料電池システム２から電力を得て、電気モータ１０２で走行する。燃料電池システム２は、燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０が出力する電力は、昇圧コンバータ６２で昇圧された後にインバータ１０１で交流電力に変換され、走行用の電気モータ１０２に供給される。

昇圧コンバータ６２の出力端には、さらに、メインバッテリ１０３が接続されている。燃料電池スタック１０の出力のうち、電気モータ１０２で消費されなかった残りの電力はメインバッテリ１０３にチャージされる。電気モータ１０２を駆動するために必要な電力は、燃料電池スタック１０と、メインバッテリ１０３の双方から供給される。なお、電気モータ１０２を駆動するために必要な電力は、例えば、ユーザのアクセルペダルの踏込み量に基づいて算出される。

さらに、昇圧コンバータ６２の出力端には、降圧コンバータ６３が接続されている。降圧コンバータ６３の出力端には、サブバッテリ６４が接続されている。燃料電池スタック１０の出力の一部は、降圧コンバータ６３で降圧され、サブバッテリ６４をチャージする。サブバッテリ６４に接続されている電圧センサ１８ｂは、サブバッテリ６４の出力電圧を測定する。

メインバッテリ１０３の出力電圧は１００ボルトよりも高い。サブバッテリ６４の出力電圧は５０ボルトよりも低い。メインバッテリ１０３の出力は電気モータ１０２に供給される。サブバッテリ６４の出力は、５０ボルト未満の電圧で動作するデバイスに供給される。サブバッテリ６４の出力で動くデバイスは、例えば、各種のコントローラ（コンピュータ）、ナビゲーションシステムなどの小電力機器であってよい。

燃料電池スタック１０は、多数の燃料電池セルの集合体である。よく知られているように、それぞれの燃料電池セルは、電解質膜を挟んでアノード側とカソード側とに分かれている。アノード側には、燃料タンク（不図示）からアノードガス入口１６ａを通じて燃料ガスが供給される。その一方で、カソード側には、カソードガス入口１７ａを通じて空気が供給される。燃料電池スタック１０では、燃料ガスに含まれる水素がイオン化し、カソード側の空気に含まれる酸素と反応し、電気が生成される。燃料電池セル（即ち、燃料電池スタック１０）における化学反応はよく知られているので、詳しい説明は省略する。化学反応で余った燃料ガスと化学反応で生成された不純物とは、アノードガス出口１６ｂから排出される。化学反応で生成された水、及び、余った空気（酸素）は、カソードガス出口１７ｂから排出される。なお図１では、燃料ガス側の設備、及び空気側の設備の図示を省略した。

燃料電池スタック１０の出力端には、電圧センサ１８ａと電流センサ１９が取付けられている。電圧センサ１８ａは、燃料電池スタック１０の出力電圧を計測し、電流センサ１９は、燃料電池スタック１０の出力電流を計測する。燃料電池スタック１０には、温度センサ２０が設けられている。温度センサ２０は、燃料電池スタック１０の温度を測定する。複数の電圧センサ１８ａ、１８ｂと、電流センサ１９と、温度センサ２０との各々の測定値は、コントローラ５０に送られる。

コントローラ５０は、昇圧コンバータ６２、降圧コンバータ６３、インバータ１０１を制御する。これらのデバイスとコントローラ５０とは、信号線で接続されているが、図１では信号線の図示は省略した。

先に述べたように、電気モータ１０２を駆動するために必要な電力（別言すれば、電気モータ１０２が必要とする電力）は、燃料電池スタック１０と、メインバッテリ１０３の双方から供給される。コントローラ５０は、昇圧コンバータ６２の出力電圧を調整することによって、燃料電池スタック１０及びメインバッテリ１０３のそれぞれから電気モータ１０２へ出力する電力（出力電力）の割合を制御する。

前述したように、コントローラ５０は、例えば、アクセルペダル（不図示）の踏込み量に基づいて、電気モータ１０２を駆動するために必要な電力（電気モータ１０２が必要とする電力）を算出する。以下では説明を簡単にするため、電気モータ１０２が必要とする電力を負荷要求電力と称する。

コントローラ５０が昇圧コンバータ６２の出力電圧を上げれば、負荷要求電力に対する燃料電池スタック１０の出力（出力電力）の割合が増加し、メインバッテリ１０３の出力の割合が下がる。昇圧コンバータ６２の電圧を下げれば、負荷要求電力に対する燃料電池スタック１０の出力の割合が下がり、メインバッテリ１０３の出力の割合が増加する。昇圧コンバータ６２の出力電圧の調整幅はわずかでよいため、燃料電池スタック１０とメインバッテリ１０３の出力電力は概ねそれぞれの出力電流に比例する。すなわち、「燃料電池スタック１０の出力」との表現は、出力電力と出力電流のいずれとも等価である。以下では、負荷要求電力（要求電流）に対する燃料電池スタック１０の出力の割合に着目する。

コントローラ５０は、燃料電池スタック１０のアノードの乾きが抑えられるように、負荷要求電力に対する燃料電池スタック１０の出力の割合を調整する。図２を参照しつつ、コントローラ５０が実行する割合調整処理を説明する。

図２の縦軸は、燃料電池スタック１０の温度を示し、横軸は燃料電池スタック１０の出力（出力電流）を示している。コントローラ５０は、温度センサ２０が測定した燃料電池スタック１０の温度と、電流センサ１９が測定した出力電流とを参照する。コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の温度に応じて、燃料電池スタック１０の出力の割合を決定する。

燃料電池スタック１０の温度が所定温度範囲ｄＴを下回る場合のコントローラ５０の制御（出力の割合の調整）について説明する。燃料電池スタック１０の温度が所定温度範囲ｄＴを下回る状態とは、図２の第１領域ａ１の場合である。燃料電池スタック１０は、負荷が大きくない場合、あるいは負荷が大きくても一時的である場合、第１領域ａ１の状態で稼働することが多い。第１領域ａ１の状態は、燃料電池スタック１０の温度が比較的に低く、内部循環水蒸気量が豊富な状態である。

内部循環水蒸気量と燃料電池スタック１０の温度とは、アノードの乾きに影響を及ぼす因子である。燃料電池スタック１０の内部循環水蒸気量が枯渇していると、アノードの乾きが発生しやすい。また、一般に知られているように、燃料電池スタック１０が高温であると、アノードの乾きが発生しやすい。

前述したように、燃料電池スタック１０が第１領域ａ１の状態である場合、燃料電池スタック１０の温度が低く、内部循環水蒸気量が豊富である。即ち、アノードの乾きは発生しない。コントローラ５０は、燃料電池スタック１０が第１領域ａ１の状態であることを検知すると、負荷要求電力に対する燃料電池スタック１０の出力の割合が予め定められている割合（基準割合）となるように調整する。先に述べたように、燃料電池スタック１０の出力（出力電流）は、昇圧コンバータ６２の出力電圧で調整することができる。基準割合は例えば６割である。この場合、残りの４割はメインバッテリ１０３が出力する。

次に、燃料電池スタック１０の温度が所定温度範囲ｄＴに含まれ、かつ燃料電池スタック１０の出力（出力電流）が、第１電流値Ａ１以下である場合のコントローラ５０の制御について説明する。この状態は、図２の第２領域ａ２に対応している。燃料電池スタック１０が第２領域ａ２の状態である場合、燃料電池スタック１０は、比較的に高温であって、出力が少ない。燃料電池スタック１０は、例えば、燃料電池車１００が登坂している場合や、連続運転している場合に、第２領域ａ２の状態で稼働する。第２領域ａ２の状態では、発電量が少ないため内部循環水蒸気量が少なく、アノードの乾きが発生しやすい。さらには、燃料電池スタック１０は高温であるため、よりアノードの乾きが発生しやすい状態である。以降、アノードが乾くことを、単にアノード乾きと称することがある。

コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の温度と出力電流とを参照し、燃料電池スタック１０が第２領域ａ２の状態であることを検知すると、燃料電池スタック１０の出力の割合を基準割合よりも低くする。その結果、燃料電池スタック１０出力が低下する（プロットＰ１からプロットＰ１ａ）ため、燃料電池スタック１０の発熱量が低下する。即ち、燃料電池スタック１０の温度が低下する（プロットＰ１ａからプロットＰ２）。その結果、燃料電池スタック１０は第１領域ａ１の状態（プロットＰ２）で稼働する。即ち、アノード乾きの発生を抑制することができる。

次に、燃料電池スタック１０の温度が所定温度範囲ｄＴを上回る状態であって、燃料電池スタック１０の出力（出力電流）が第１電流値Ａ１以下である場合のコントローラ５０の制御について説明する。この状態は、図２の第３領域ａ３に対応している。燃料電池スタック１０が第３領域ａ３の状態である場合、燃料電池スタック１０は、出力が少なく、第２領域ａ２の状態と比べて高温である。燃料電池スタック１０は、第２領域ａ２と同様に、例えば、燃料電池車１００が登坂している場合や、連続運転している場合に、第３領域ａ３の状態で稼働する。

このような第３領域ａ３の状態では、前述したように、燃料電池スタック１０の出力（出力電流）の割合を基準割合よりも低く制御したとしても、燃料電池スタック１０が高温すぎるため、燃料電池スタック１０の冷却に時間が必要であり、効率的でない。そのため、燃料電池スタック１０が第３領域ａ３の状態である場合、コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力の割合を基準割合よりも高くする。その結果、燃料電池スタック１０の出力は上昇する（プロットＰ３からプロットＰ４）。従って、燃料電池スタック１０は、出力が第１電流値Ａ１を超えるため、第４領域ａ４の状態（プロットＰ４）で稼働するようになる。

第４領域ａ４の状態は、燃料電池スタック１０の出力が、第１電流値Ａ１以上であって、燃料電池スタック１０の温度が所定温度範囲ｄＴの下限閾値を上回る状態である。燃料電池スタック１０は、第４領域ａ４の状態で稼働すると、比較的に高温であるものの、電池反応が多く発生するため内部循環水蒸気量が潤沢である。従って、アノード乾きは発生しにくい。即ち、燃料電池スタック１０が第３領域ａ３の状態で稼働している場合、コントローラ５０は、燃料電池スタック１０の出力の割合を基準割合よりも高くすることによって、燃料電池スタック１０の内部循環水蒸気量を増加させることができる。即ち、アノード乾きの発生を抑制することができる。

なお、燃料電池スタック１０が第３領域ａ３の状態であって、コントローラ５０が燃料電池スタック１０の出力の割合を基準割合よりも高くした場合には、前述したように出力が上昇する。このとき、出力の上昇に伴って、燃料電池スタック１０の温度も上昇する場合がある（プロットＰ３からプロットＰ５）。この場合においても、燃料電池スタック１０の温度は高温であるが内部潤滑水蒸気量が潤沢であるため、同様の効果（即ち、アノード乾きの発生が抑制される）が得られる。

本実施例において温度センサ２０は、燃料電池スタック１０に設けられており、直接的に燃料電池スタック１０の温度を測定したが、温度センサの具体的な構成については、特に限定されない。温度センサ２０は、燃料電池スタック１０の温度を、直接的に又は間接的に測定し得るものであればよい。他の実施形態において、温度センサ２０は、燃料電池スタック１０を通過した冷却水の温度を測定するものであってもよい。この場合、温度センサ２０は、冷却水の温度から燃料電池スタック１０の温度を間接的に測定し得る。

以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、異常に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは組み合わせによって技術的有用性を発揮するものである。

２：燃料電池システム
１０：燃料電池スタック
１６ａ：アノードガス入口
１６ｂ：アノードガス出口
１７ａ：カソードガス入口
１７ｂ：カソードガス出口
１８ａ、１８ｂ：電圧センサ
１９：電流センサ
２０：温度センサ
５０：コントローラ
６２：昇圧コンバータ
６３：降圧コンバータ
６４：サブバッテリ
１００：燃料電池車
１０１：インバータ
１０２：電気モータ
１０３：メインバッテリ
Ａ１：電流値
ａ１−ａ４：領域
ｄＴ：所定温度範囲

Claims (1)

1. 負荷に電力を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池と共に前記負荷に電力を供給するバッテリと、
   前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、
   前記負荷が必要とする電力に応じて、前記バッテリと前記燃料電池の各々の出力を制御するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、前記温度センサの測定値が所定温度範囲よりも低い状態で前記負荷が必要とする電力に対する割合であって前記燃料電池の出力が占める割合である基準割合を予め記憶しており、
   前記温度センサの前記測定値が前記所定温度範囲内である場合に、前記燃料電池の出力の割合を、前記基準割合よりも下げ、
   前記温度センサの前記測定値が前記所定温度範囲を上回る場合に、前記燃料電池の出力の割合を、前記基準割合よりも高くする、燃料電池システム。

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