JP4627487B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を含む燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。

近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。

以上の燃料電池システムにおいて、水素ガスや空気などの反応ガスは、スタック構造のセルが収容された筐体の一端側に供給され、他端側から排出される。したがって、発電に必要な量の反応ガスを供給しても、反応ガスの供給口近傍のセルには十分な量の反応ガスが供給されるが、反応ガスの排出口近傍のセルには十分な量の反応ガスが供給されず、セルの発電効率にばらつきが生じる場合があった。
そこで、全てのセルで効率よく発電するため、実際には、理論上発電に必要な反応ガス量よりも多くの反応ガスを燃料電池に供給している。
具体的には、要求される発電量に基づいて算出された最低限必要な反応ガス量を必要反応ガス量として、この必要反応ガス量に対する燃料電池に供給されている反応ガス量の割合をストイキ比とする。そして、このストイキ比が一定値になるように反応ガスを供給している。

しかしながら、ストイキ比を一定値に設定していても、運転負荷や経年変化の影響により、セルの発電効率にばらつきが生じる場合がある。

この問題を解決するため、燃料電池を構成するセルの発電電圧にばらつきが生じた際に、その原因が燃料電池内部での反応ガスの分布の偏りによるものであるか、あるいはセルの劣化によるものであるかを判断し、この判断結果に応じて、反応ガスの目標ストイキ比を設定する構成が提案されている（特許文献１参照）。
この特許文献１で提案された燃料電池システムでは、セルの発電電圧のばらつきの原因が反応ガスの分布の偏りである場合には、安全率を考慮し、最適なストイキ比に対して少し高めのストイキ比を目標値として設定する。これにより、燃料電池に十分な量の反応ガスを供給して、発電電圧を安定させつつ、燃費を向上できる。
特開２００４−２０７０２９号公報

しかしながら、例えば高地では、酸素濃度が低いため、エアコンプレッサを最大限に回転させても、空気のストイキ比が目標値とならないおそれがあった。そのため、燃料電池に酸素が不足して、燃料電池車の運転者の操作に応じた発電量を確保できず、また、空気の流路に燃料電池の生成水が滞留して流路を塞いでしまい（フラッティング）、駆動性能が平地と同様にならなかった。その結果、運転感覚に違和感が生じる場合があった。

本発明は、酸素濃度が低い場所においても、運転感覚の違和感を軽減できる燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。

（１） 反応ガスの反応により発電する燃料電池（例えば、実施の形態における燃料電池１０）と、当該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段（例えば、実施の形態における供給装置２０）と、前記反応ガス供給手段を制御する制御手段（例えば、実施の形態における制御装置３０）と、を備え、前記制御手段は、要求される発電量に基づく前記燃料電池の必要反応ガス量に対し、前記燃料電池に供給される反応ガス量をストイキ比とし、発電に必要なストイキ比を目標値として算出し、前記ストイキ比が前記目標値になるように前記反応ガス供給手段を制御する反応ガス供給制御手段（例えば、実施の形態における制御部３１）と、前記燃料電池による発電の安定性の指標として、前記ストイキ比が前記目標値に到達していないときには低下し、前記ストイキ比が前記目標値に一致しているときには上昇する平均ストイキ比を算出する平均ストイキ比算出手段（例えば、実施の形態における平均ストイキ比算出部３１１）と、前記燃料電池で安定した発電を継続できなくなる平均ストイキ比の値を第１の所定値とし、前記平均ストイキ比が前記第１の所定値（例えば、実施の形態における第１の所定値２Ｌ）以下である場合には、前記ストイキ比が上昇するように、前記燃料電池の最大発電量を制限する最大発電量制限手段（例えば、実施の形態における最大発電量制限部３１２）と、を有することを特徴とする燃料電池システム（例えば、実施の形態における燃料電池システム１）。

（１）の発明によれば、燃料電池に供給される酸素濃度が低下して、ストイキ比が悪化し、その結果、平均ストイキ比が第１の所定値以下になった場合には、燃料電池の最大発電量を制限して、一時的にストイキ比を上昇させる。これにより、要求される発電量に応じた必要反応ガス量を容易に確保できるうえに、フラッティングを抑制できるから、例えば、燃料電池車の運転者の操作に応じた発電量を確保でき、運転感覚の違和感を軽減できる。

（２） 前記制御手段は、前記最大発電量制限手段が作動しており、かつ、前記平均ストイキ比が前記第１の所定値よりも高い第２の所定値（例えば、実施の形態における第２の所定値２Ｈ）以上まで上昇した場合には、前記最大発電量制限手段の作動を停止する最大発電量制限停止手段（例えば、実施の形態における最大発電量制限停止部３１３）を有することを特徴とする（１）に記載の燃料電池システム。

（２）の発明によれば、最大発電量制限手段が作動して平均ストイキ比が上昇中であり、かつ、平均ストイキ比が第１の所定値よりも高い第２の所定値以上まで上昇した場合には、発電が安定してきたと判断し、最大発電量制限手段を停止した。これにより、最大発電量が回復し、例えば、運転者の運転感覚の違和感を解消できる。

（３） 前記最大発電量制限停止手段は、前記平均ストイキ比が前記第２の所定値以上にまで上昇した後、回復待ち時間経過してから、前記最大発電量制限手段の作動を停止することを特徴とする（２）に記載の燃料電池システム。

平均ストイキ比が第２の所定値まで上昇した後、すぐに最大発電量制限手段の作動を停止すると、平均ストイキ比が短時間のうちに再び第１の所定値まで低下する。この場合、平均ストイキ比がたびたび第２の所定値まで低下することになり、発電が不安定になる。
そこで、（３）の発明によれば、平均ストイキ比が第２の所定値以上にまで上昇した後、回復待ち時間経過してから、最大発電量制限手段の作動を停止した。これにより、平均ストイキ比が連続して第１の所定値になるのを防止して、発電が不安定になるのを防ぐことができる。

（４） 反応ガスの反応により発電する燃料電池の制御方法であって、要求される発電量に基づく前記燃料電池の必要反応ガス量に対し、前記燃料電池に供給される反応ガス量をストイキ比とし、発電に必要なストイキ比を目標値として算出し、前記ストイキ比が前記目標値になるように前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手順と、前記燃料電池による発電の安定性の指標として、前記ストイキ比が前記目標値に到達していないときには低下し、前記ストイキ比が前記目標値に一致しているときには上昇する平均ストイキ比を算出する平均ストイキ比算出手順と、前記燃料電池で安定した発電を継続できなくなる平均ストイキ比の値を第１の所定値とし、前記平均ストイキ比が前記第１の所定値以下である場合には、前記ストイキ比が上昇するように、前記燃料電池の最大発電量を制限する最大発電量制限手順と、を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。

（４）の発明によれば、上述の（１）と同様の効果がある。

本発明によれば、例えば、燃料電池車の運転者の操作に応じた発電量を確保でき、運転感覚の違和感を軽減できる。また、発電量に対する必要反応ガス量を容易に確保できるから、反応ガス流路のフラッティングを防止できる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガスや空気を供給する反応ガス供給手段としての供給装置２０と、この供給装置２０を制御する制御手段としての制御装置３０とを有する。

燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に反応ガスとしての水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に反応ガスとしての酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。
また、燃料電池１０には、電流計３４が設けられている。

供給装置２０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給するエアコンプレッサ２１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素供給システム２２およびエゼクタ２８と、燃料電池１０のアノード側から排出される水素ガスをカソード側から排出される空気で希釈する希釈システム２７と、を含んで構成される。

エアコンプレッサ２１は、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。エア供給路２３の途中には、流量計３３が設けられている。
また、燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路２４が接続され、このエア排出路２４の先端には、上述の希釈システム２７が接続される。

水素供給システム２２は、例えば水素タンクであり、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路２５には、遮断弁２５１が設けられている。さらに、水素供給路２５の遮断弁２５１よりもアノード電極側には、上述のエゼクタ２８が設けられている。

また、燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路２６が接続され、この水素排出路２６は、上述の希釈システム２７に接続されている。水素排出路２６の途中には、パージ弁２６１が設けられ、このパージ弁２６１で閉鎖されている。水素排出路２６のうちパージ弁２６１よりもアノード電極側では、水素排出路２６が分岐されて、上述のエゼクタ２８に接続されている。

エゼクタ２８は、水素排出路２６の分岐路を通して、水素排出路２６に流れた水素ガスを回収し、水素供給路２５に還流する。

希釈システム２７は、水素排出路２６から排出される水素ガスを、エア排出路２４から排出される空気で希釈して排出する。

また、上述のエアコンプレッサ２１、遮断弁２５１、およびパージ弁２６１は、後述の制御装置３０に接続されている。

燃料電池１０で発電する手順は、以下のようになる。
すなわち、パージ弁２６１を閉じておき、遮断弁２５１を適当な開度で開くことにより、水素供給システム２２から、水素供給路２５を介して、燃料電池１０のアノード側に水素ガスを供給する。また、エアコンプレッサ２１を駆動させることにより、エア供給路２３を介して、燃料電池１０のカソード側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガスおよび空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード側の生成水などの残留水と共に、水素排出路２６およびエア排出路２４に流入する。このとき、パージ弁２６１は閉じているので、水素排出路２６に流れた水素ガスは、エゼクタ２８に還流されて再利用される。
その後、パージ弁２６１を適当な開度で開くことにより、水素ガス、空気、および残留水が、水素排出路２６およびエア排出路２４から排出される。なお、希釈システム２７により、水素ガスは所定濃度以下に希釈される。

図２は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、制御部３１と、この制御部３１に接続された回復待ちタイマ３２、流量計３３、および電流計３４と、を備える。

回復待ちタイマ３２は、予め設定された所定時間を計測するものであり、制御部３１によりセットされると、このセットされた時刻からの残り時間を制御部３１に送信する。
流量計３３は、エア供給路２３に流れる空気の流量を計測して制御部３１に送信する。
電流計３４は、燃料電池１０で発電した電流値を計測して制御部３１に送信する。

制御部３１は、必要な水素ガス量に対し、燃料電池１０に実際に供給される水素ガス量をストイキ比とし、要求される発電量に基づいて、発電に必要なストイキ比を目標値として算出する。そして、基本的に、ストイキ比がこの予め定められた目標値になるように、供給装置２０を制御する。同時に、電流計３４で計測した電流値に基づいて、発電に必要な水素ガス量や空気量を制御する。
また、制御部３１は、平均ストイキ比算出手段としての平均ストイキ比算出部３１１と、最大発電量制限手段としての最大発電量制限部３１２と、最大発電量制限停止手段としての最大発電量制限停止部３１３と、を備える。

平均ストイキ比算出部３１１は、燃料電池による発電の安定性の指標として、ストイキ比が目標値に到達していないときには低下し、ストイキ比が目標値に一致しているときには上昇する平均ストイキ比を算出する。
最大発電量制限部３１２は、平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌ以下である場合には、ストイキ比が上昇するように、燃料電池１０の最大発電量を制限する。
ここで、第１の所定値２Ｌは、平均ストイキ比がこの値以下になると、安定して発電を継続できなくなる値である。

最大発電量制限停止部３１３は、最大発電量制限部３１２が作動しており、かつ、平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌよりも高い第２の所定値２Ｈ以上まで上昇した場合には、最大発電量制限部３１２の作動を停止する。

また、最大発電量制限停止部３１３は、平均ストイキ比が第２の所定値２Ｈになるまでは、回復待ちタイマ３２をセットし続ける。
このとき、平均ストイキ比が第２の所定値２Ｈ以上になっても、回復待ちタイマ３２の残り時間が残っている場合には、最大発電量制限部３１２の作動を停止し続けて、平均ストイキ比を上昇させる。回復待ちタイマ３２から受信した残り時間が“０”になると、最大発電量制限部３１２の作動を許可する。

以上の燃料電池システム１の動作について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
まず、平均ストイキ比算出部３１１により、平均ストイキ比を算出する（ＳＴ１）。次に、最大発電量制限部３１２により、平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌ未満であるか否かを判別する（ＳＴ２）。

この判別が“ＹＥＳ”のときは、最大発電量制限停止部３１３により回復待ちタイマをセットし（ＳＴ３）、最大発電量制限部３１２により、ストイキ比が上昇するように燃料電池１０の最大発電量を制限して（ＳＴ４）、ＳＴ５に移る。ＳＴ５では、回復待ちタイマを減算する（ＳＴ１１）。

一方、ＳＴ２の判別が“ＮＯ”のときは、最大発電量制限部３１２が作動して平均ストイキ比が上昇中であり、かつ、平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌよりも高い第２の所定値２Ｈ未満であるか否かを、最大発電量制限停止部３１３により判別する（ＳＴ６）。この判別が“ＹＥＳ”のときは、上述のＳＴ３に移り、“ＮＯ”のときは、回復待ちタイマが“０”であるか否かを判別する（ＳＴ７）。この判別が“ＮＯ”のときは上述のＳＴ４に移り、“ＹＥＳ”のときは、ＳＴ８に移る。

ＳＴ８では、ＳＴ２、ＳＴ６の判別により、最大発電量制限部３１２が作動している場合には、平均ストイキ比が上昇中であるから、平均ストイキ比が第２の所定値２Ｈ以上であることは明らかであり、回復待ちタイマの残り時間が“０”であるから、最大発電量制限停止部３１３により、最大発電量制限部３１２の作動を停止し続けて、ＳＴ５に移る。
一方、最大発電量制限部３１２が作動していない場合には、ＳＴ２の判別により平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌ以上であることは明らかであるから、そのまま最大発電量制限部３１２を作動せず、ＳＴ５に移る。

さらに、以上の燃料電池システム１の動作を図４のタイミングチャートを用いて説明する。
まず、燃料電池の始動後、燃料電池の発電量が増加し、ストイキ比を目標値に設定する。これにより、平均ストイキ比が上昇する。このとき、回復待ちタイマは“０”となっている。

時刻ｔ１において、エアコンプレッサの能力が限界になり、空気の流量が低下すると、ストイキ比が目標値にまで到達しない状態となる。

時刻ｔ１〜ｔ２において、ストイキ比が目標値にまで到達しない結果、平均ストイキ比が低下する。

時刻ｔ２において、平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌ以下になると、最大発電量を制限してストイキ比を目標値に設定することで、ストイキ比を上昇させて、平均ストイキ比を上昇させる。また、回復待ちタイマをセットする。

時刻ｔ２〜ｔ３において、引き続き、最大発電量を制限して平均ストイキ比を上昇させる。この期間中、回復待ちタイマを繰り返しセットする。

時刻ｔ３〜ｔ４において、平均ストイキ比が第２の所定値２Ｈ以上になると、回復待ちタイマをセットし直すことはないので、回復待ちタイマの残り時間が減算され始める。この状態では、回復待ちタイマの残り時間が残っているので、依然として、最大発電量を制限して平均ストイキ比を上昇させる。

時刻ｔ４において、回復待ちタイマの残り時間が“０”になると、最大発電量を制限しないため、最大発電量が回復する。しかし、時刻ｔ４より前に、運転者がアクセルを緩めており、燃料電池の発電量が既に低下している。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）燃料電池１０に供給される酸素濃度が低下して、ストイキ比が悪化し、その結果、平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌ以下になった場合には、燃料電池１０の最大発電量を制限して、一時的にストイキ比を上昇させる。これにより、要求される発電量に応じた必要反応ガス量を容易に確保できるうえに、フラッティングを抑制できるから、例えば、燃料電池車の運転者の操作に応じた発電量を確保でき、運転感覚の違和感を軽減できる。

（２）最大発電量制限部３１２が作動して平均ストイキ比が上昇中であり、かつ、平均ストイキ比が第１の所定値２Ｌよりも高い第２の所定値２Ｈ以上まで上昇した場合には、発電が安定してきたと判断し、最大発電量制限部３１２を停止した。これにより、最大発電量が回復し、例えば、運転者の運転感覚の違和感を解消できる。

（３）平均ストイキ比が第２の所定値２Ｈ以上にまで上昇した後、所定時間経過してから、最大発電量制限部３１２の作動を停止した。これにより、平均ストイキ比が連続して第１の所定値２Ｌになるのを防止して、発電が不安定になるのを防ぐことができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、制御部３１は、現在のストイキ比がそのまま目標値になるように供給装置２０を制御したが、これに限らず、現在のストイキ比と目標ストイキ比との比率に基づいて制御してもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムを構成する制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムのフローチャートである。 前記実施形態に係る燃料電池システムのタイミングチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム
１０…燃料電池
２０…供給装置（反応ガス供給手段）
３０…制御装置（制御手段）
３１１…平均ストイキ比算出部（平均ストイキ比算出手段）
３１２…最大発電量制限部（最大発電量制限手段）
３１３…最大発電量制限停止部（最大発電量制限停止手段）
２Ｌ…第１の所定値
２Ｈ…第２の所定値

Claims (4)

1. 反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
   当該燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
   前記反応ガス供給手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、必要な発電量に基づく前記燃料電池の必要反応ガス量に対し、前記燃料電池に供給される反応ガス量をストイキ比とし、発電に必要なストイキ比を目標値として算出し、前記ストイキ比が前記目標値になるように前記反応ガス供給手段を制御する反応ガス供給制御手段と、
   前記燃料電池による発電の安定性の指標として、前記ストイキ比が前記目標値に到達していないときには低下し、前記ストイキ比が前記目標値に一致しているときには上昇する平均ストイキ比を算出する平均ストイキ比算出手段と、
   前記燃料電池で安定した発電を継続できなくなる平均ストイキ比の値を第１の所定値とし、前記平均ストイキ比が前記第１の所定値以下である場合には、前記ストイキ比が上昇するように、前記燃料電池の最大発電量を制限する最大発電量制限手段と、を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御手段は、前記最大発電量制限手段が作動しており、かつ、前記平均ストイキ比が前記第１の所定値よりも高い第２の所定値以上まで上昇した場合には、前記最大発電量制限手段の作動を停止する最大発電量制限停止手段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。
3. 前記最大発電量制限停止手段は、前記平均ストイキ比が前記第２の所定値以上にまで上昇した後、回復待ち時間経過してから、前記最大発電量制限手段の作動を停止することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 反応ガスの反応により発電する燃料電池の制御方法であって、
   必要な発電量に基づく前記燃料電池の必要反応ガス量に対し、前記燃料電池に供給される反応ガス量をストイキ比とし、発電に必要なストイキ比を目標値として算出し、前記ストイキ比が前記目標値になるように前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手順と、
   前記燃料電池による発電の安定性の指標として、前記ストイキ比が前記目標値に到達していないときには低下し、前記ストイキ比が前記目標値に一致しているときには上昇する平均ストイキ比を算出する平均ストイキ比算出手順と、
   前記燃料電池で安定した発電を継続できなくなる平均ストイキ比の値を第１の所定値とし、前記平均ストイキ比が前記第１の所定値以下である場合には、前記ストイキ比が上昇するように、前記燃料電池の最大発電量を制限する最大発電量制限手順と、を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。

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