JP4739849B2

JP4739849B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4739849B2
Application number: JP2005219220A
Authority: JP
Inventors: 順司上原; 健一郎上田; 大士五十嵐
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-28
Filing date: 2005-07-28
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-07-28
Also published as: JP2007035508A; US7968241B2; US20070026280A1

Description

本発明は、燃料電池内のガス圧力を適切に制御することができる燃料電池システムに関する。

燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；ＦｕｅｌＣｅｌｌＥｌｅｃｔｒｉｃＶｅｈｉｃｌｅ）などに搭載される燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の両側をアノード極とカソード極とで挟んで構成された単セルを複数積層したものであり、アノード極に燃料として水素が水素タンクから供給され、カソード極に空気がエアコンプレッサを介して供給されるように構成されている。この種の燃料電池システムでは、カソード極の出口側にエア背圧弁（空気調圧弁１７０）を設けて、エア背圧弁の開度とエアコンプレッサの回転数（回転速度）とを制御することで、カソード極に供給する空気の圧力が目標圧力になるように制御している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１６８４６７号公報（段落００２６〜００２９、図１）

しかしながら、前記した燃料電池システムでは、カソード極側において水素と空気中の酸素との電気化学反応により水が生成されるため、この水によって燃料電池のカソード極内やこのカソード極と繋がる周辺の配管が閉塞するおそれがあった。その結果、エアを目標とする圧力で高精度に制御できなくなるという問題があった。

さらに、この問題について、図５を参照しながら詳述する。図５はエア圧力とエア流量との関係について配管閉塞時と配管非閉塞時での各制御可能範囲を示す線図である。なお、図５において、１点鎖線で示すラインＬ１，Ｌ２は、配管非閉塞時におけるエア背圧弁全開状態、エア背圧弁全閉状態での制御ラインであり、実線で示すラインＬ３，Ｌ４は、配管閉塞時におけるエア背圧弁全開状態、エア背圧弁全閉状態での制御ラインであり、ラインＬ１とラインＬ２とで挟まれる内側の領域、ラインＬ３とラインＬ４とで挟まれる内側の領域がそれぞれ制御可能範囲であり、制御可能範囲の外側の領域が実現不可能範囲である。
例えば、ラインＬ１に示すように、エア背圧弁が全開で且つ配管非閉塞時に、エア圧力が目標圧力Ｐ１となるように制御する場合には、エア流量がＷ１となるように制御される。しかし、エア背圧弁が全開状態で配管等が閉塞して圧力損失が上昇した場合には、制御可能範囲がラインＬ３にシフトするので、そのまま同じエア流量Ｗ１で制御されると、圧力が目標圧力Ｐ１よりも高い圧力Ｐ２で制御されることになる。このような圧力損失の上昇を考慮しないと、エア圧力が目標圧力よりも過度に高い圧力で制御され、燃料電池のアノード極とカソード極との極間差圧が拡大して、燃料電池の耐久性を劣化、例えば電解質膜の劣化を促進させ、あるいは電解質膜を損傷させるという問題が発生する。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、燃料電池の耐久性を損なうことなく、エア圧力を常に目標圧力となるように高精度に制御できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料と酸化剤との反応により発電を行う燃料電池と、前記酸化剤の供給流量を検知する流量検知手段と、前記酸化剤の供給圧力を検知する圧力検知手段と、前記酸化剤の供給流量を制御する流量制御手段と、前記酸化剤の供給圧力を制御する圧力制御手段と、前記圧力制御手段が全開の場合に現在の供給流量および現在の供給圧力を全開ライン算出用データとしてプロットし、前記圧力制御手段が全閉の場合に現在の供給流量および現在の供給圧力を全閉ライン算出用データとしてプロットし、過去にプロットされた全開ライン算出用データおよび全閉ライン算出データに基づいて全開ラインおよび全閉ラインを算出し、前記全開ラインと前記全閉ラインとの内側領域を前記圧力制御手段の制御可能範囲として算出する圧力制御範囲算出手段と、を備え、前記制御可能範囲に基づいて前記供給流量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、圧力損失の変化に応じて制御可能範囲を変化させることができるので、それに応じて供給流量を適切に制御して、供給圧力が常に目標の圧力となるように制御することが可能になる。また、常に目標の圧力に制御できることで、燃料電池に過度の圧力が作用するのを防止でき、例えば燃料電池内の膜の劣化が促進されるといった不都合を防止できる。

これによれば、供給流量と供給圧力の双方に基づいて算出することで、実際の状態に近い圧力損失を検出できるので、制御可能範囲をより高精度に算出することが可能になる。

また、前記供給流量および前記供給圧力の変位が前記制御可能範囲から大きく外れる出力過渡期における前記圧力制御手段の全開時および全閉時の前記供給流量および前記供給圧力は、前記制御可能範囲の算出に用いないことが好ましい。なお、ここでの出力過渡期とは、例えば、燃料電池を搭載したものが車両であれば、急加速時などでアクセルペダルを踏み込んで出力が急激に上昇して供給流量および供給圧力が一時的に大きく上昇するとき、あるいはその逆で供給流量および供給圧力が一時的に大きく下降することを意味している。

このような出力過渡期には、供給圧力や供給流量が大きくばらついて乱れた信号が出力され、この信号がノイズとなるので、それらを除くことで、実際の制御可能範囲をより一層高精度に算出することが可能になる。

本発明によれば、燃料電池の耐久性を損なうことなく、しかも配管閉塞などで圧力損失が変化した場合でも燃料電池の耐久性を損なわずに供給圧力を常に目標の圧力となるように高精度に制御することが可能になる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は圧力制御の処理を示すメインフローチャート、図３は制御可能範囲を算出する処理を示すサブフローチャート、図４は制御可能範囲の一例を示す線図である。なお、以下では、車両を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、船舶や航空機、家庭用などの定置式の機器などに適用することができる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣ、アノード系２、カソード系３、ＥＣＵ４などを含んで構成されている。

前記燃料電池ＦＣは、固体高分子電解質膜１１の両側をアノード極１２とカソード極１３とで挟んで構成した膜電極構造体を備え、この膜電極構造体をさらに一対の導電性のセパレータ（図示せず）で挟んで構成した単セルを複数積層した構造を有している。なお、図１では、説明の便宜上、アノード極１２、カソード極１３に図示されているが、実際にはセパレータに、燃料としての水素が流通する流路（図１では、説明の便宜上アノード極１２に記載）と、酸化剤としての空気（反応ガス）が流通する流路（図１では、説明の便宜上カソード極１３に記載）と、燃料電池ＦＣを冷却する冷却媒体が流通する流路とが、互いに混ざり合わないように形成されている。この燃料電池ＦＣでは、アノード極１２側で触媒の作用により水素イオンが発生し、この水素イオンが固体高分子電解質膜１１を透過してカソード極１３側に移動してカソード極１３側で触媒の作用により酸素と電気化学反応することにより発電が行われる。

前記アノード系２は、燃料電池ＦＣのアノード極１２に水素を供給し且つアノード極１２から水素を排出するものであり、アノードガス供給配管２ａ、アノードガス排出配管２ｂ、電磁作動の遮断弁２２を備えた水素タンク２１などで構成されている。

前記アノードガス供給配管２ａは、その一端が燃料電池ＦＣのアノード極１２の入口側ａ１に接続され、前記アノードガス排出配管２ｂは、その一端がアノード極１２の出口側ａ２に接続されている。前記水素タンク２１は、アノードガス供給配管２ａの他端に接続され、高純度の水素が、例えば約３５ＭＰａ（３５０気圧）の非常に高い圧力で充填されている。

なお、図示していないが、前記アノード系２には、水素タンク２１から供給される高圧の水素を所定圧力に減圧する圧力調整弁、燃料電池ＦＣから排出された未反応の水素を燃料電池ＦＣの入口側に戻して循環させるエゼクタ、アノード系２内に窒素などの不純物が蓄積して発電性能が低下したときにその不純物を排気するための水素パージ弁などが設けられている。

前記カソード系３は、燃料電池ＦＣのカソード極１３に空気を供給し且つカソード極１３から空気を排出するものであり、カソードガス供給配管３ａ、カソードガス排出配管３ｂ、エアコンプレッサ３１、エア背圧弁３２、流量計３３、圧力計３４などで構成されている。

前記カソードガス供給配管３ａは、その一端が燃料電池ＦＣのカソード極１３の入口側ｃ１に接続され、前記カソードガス排出配管３ｂは、その一端がカソード極１３の出口側ｃ２に接続されている。
前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャ等であり、車両の外部から空気を取り込んで断熱圧縮して、燃料電池ＦＣのカソード極１３に向けて供給するものである。
前記エア背圧弁３２は、その開度を制御可能な、例えばバタフライ式の弁であり、燃料電池ＦＣの下流側のカソードガス排出配管３ｂに設けられている。なお、このエア背圧弁３２は、開度を全閉（エア背圧弁全閉）にしたとしても、その流路が完全に遮断されない機構となっている。
前記流量計３３は、エアコンプレッサ３１からの空気（エア）の供給流量を検出するセンサであり、燃料電池ＦＣの上流側のカソードガス供給配管３ａに設けられている。
前記圧力計３４は、燃料電池ＦＣのカソード極１３側における空気の供給圧力を検出するセンサであり、燃料電池ＦＣの上流側のカソードガス供給配管３ａに設けられている。

なお、図示していないが、前記カソード系３には、エアコンプレッサ３１からの断熱圧縮された空気を冷却する冷却器、冷却された空気を加湿するための加湿器などがカソードガス供給配管３ａに設けられている。なお、この加湿器では、例えば、燃料電池ＦＣのカソード極１３から排出されるオフガス（空気＋生成水）によって、エアコンプレッサ３１から供給される空気を加湿するようになっている。

前記ＥＣＵ４は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、メモリ、入出力インターフェース及び各種電気・電子回路を含んで構成され、遮断弁２２、エアコンプレッサ３１、エア背圧弁３２、流量計３３、圧力計３４などと電気的に接続され、さらにアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ５、走行モータ６などと電気的に接続されている。これにより、ＥＣＵ４では、遮断弁２２の開閉動作、エアコンプレッサ３１の回転数（回転速度）、エア背圧弁３２の弁開度を制御する信号が出力されるとともに、流量計３３で検出された流量検出値、圧力計３４で検出された圧力検出値、アクセル開度センサ５で検出されたアクセル開度、走行モータ６やエアコンプレッサ３１などの負荷から要求される電流値が入力される。

また、前記燃料電池システム１には、電流制御器７が設けられている。この電流制御器７は、ＤＣ−ＤＣチョッパ等を備えて構成されており、ＥＣＵ４から出力される目標発電電流つまり燃料電池ＦＣに対する発電指令に基づいて、燃料電池ＦＣから取り出される発電電流値を制御し、エアコンプレッサ３１や走行モータ６などの負荷に電力をそれぞれ供給する。また、電流制御器７には、バッテリやキャパシタなどで構成された蓄電装置（図示せず）が接続されており、必要に応じて、蓄電装置に充電が行われ、また蓄電装置からエアコンプレッサ３１や走行モータ６などに電力が供給される。

次に、本実施形態の燃料電池システム１での作用について図２および図３を参照しながら説明する。なお、この図２および図３に示す処理は、燃料電池システム１の運転中において常に実行されている。

ＥＣＵ４では、図２に示すように、ＳＴ（ステップ）１において、制御可能範囲の算出が実行される。この制御可能範囲の算出は、図３に示すサブフローに沿って実行される。図３のＳＴ２において、定常状態であるか否かを判断する。なお、この定常状態とは、エア流量とエア圧力の変位が小さい状態を意味し、例えば車両が急加速したときなどでエア流量とエア圧力とが一時的に上昇して変位が大きくなる状態（以下、この状態を出力過渡期という）と区別するためである。この出力過渡期は、アクセル開度センサ５、エアコンプレッサ３１や走行モータ６などからＥＣＵ４に出力される信号により判断され、例えば、アクセル開度センサ５から検出されたアクセル開度が一時的に急上昇し、かつ、エアコンプレッサ３１や走行モータ６などから一時的に急激に大きな電力が要求されたか否かで判断される。

ＥＣＵ４が、ＳＴ２で定常状態であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、エア背圧弁３２が全開か否かを判断する（ＳＴ３）。ＳＴ３でエア背圧弁３２が全開であると判断された場合には（Ｙｅｓ）、ＳＴ４で全開ラインＬｍａｘ算出用データとして現在のエア流量（供給流量）を流量計３３から、エア圧力（供給圧力）を圧力計３４からそれぞれ取得して、エア流量とエア圧力との関係を例えば図４のように複数プロット（実際にはメモリなどに記憶）する。また、ＳＴ３でエア背圧弁３２が全開でないと判断された場合には（Ｎｏ）、ＳＴ４の処理を実行せずに、ＳＴ５の処理に移行する。つまり、エア背圧弁３２が全開でない場合は、制御可能範囲の算出には必要ないのでプロットする必要がない。なお、エア背圧弁３２が全開であるか否かの判断は、エア背圧弁３２から出力される開度指令（図１参照）によって判断される。

続いて、ＳＴ５において、エア背圧弁３２が全閉であるか否かを判断し、エア背圧弁３２が全閉である場合には（Ｙｅｓ）、ＳＴ６において、全閉ラインＬｍｉｎ算出用データとして現在のエア流量とエア圧力との関係を例えば図のように複数プロットし、エア背圧弁３２が全閉でない場合には（Ｎｏ）、制御可能範囲の算出に必要ないので、ＳＴ６の処理を実行せずにＳＴ７の処理に移行する。なお、エア背圧弁３２が全閉であるか否かの判断は、前記と同様にして、エア背圧弁３２から出力される開度指令（図１参照）によって判断される。

ＳＴ７では、過去にプロット（記憶）された所定個数の全閉ラインＬｍｉｎの算出用データに基づいて、近似曲線から全閉ラインＬｍｉｎを算出する。そして、ＳＴ８でも、ＳＴ７と同様にして、過去にプロットされた所定個数の全開ラインＬｍａｘの算出用データに基づいて、近似曲線から全開ラインＬｍａｘを算出する。なお、ＳＴ７での全閉ラインの算出およびＳＴ８での全開ラインの算出については、近似曲線から算出する方法に限定されず、例えば、圧力損失の理論式を用いて、圧力損失の係数を、取得（プロット）したデータから求めて全閉ラインおよび全開ラインを算出してもよい。

一方、ＳＴ２において、ＥＣＵ４が、定常状態ではないと判断した場合、つまり出力過渡期であると判断した場合には（Ｎｏ）、学習させることなく、つまりエア流量とエア圧力との関係をプロットすることなく、ＳＴ７およびＳＴ８の処理を実行する。つまり、前回の全閉ラインＬｍｉｎと前回の全開ラインＬｍａｘとを維持する。

そして、図２のフローに戻り、ＥＣＵ４では、目標発電電流を算出する（ＳＴ９）。この目標発電電流は、アクセル開度センサ５から出力されるアクセル開度、エアコンプレッサ３１や走行モータ６などの負荷から要求される電力に基づいて算出される。そして、ＥＣＵ４は、ＳＴ９で算出された目標発電電流に基づいて、目標エア流量と目標エア圧力とを算出し（ＳＴ１０）、算出された目標エア流量と目標エア圧力とが制御可能範囲内、つまり図４の全開ラインＬｍａｘと全閉ラインＬｍｉｎとの内側の領域であるか否かを判断する（ＳＴ１１）。ＥＣＵ４は、ＳＴ１１で制御可能範囲であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、そのままエアコンプレッサ３１を目標値（目標エア流量）に応じた回転数で制御し、またエア背圧弁３２を目標値（目標エア圧力）に応じた弁開度で制御する（ＳＴ１５）。これにより、燃料電池ＦＣでは、目標発電電流が電流制御器７に出力され、電流制御器７からエアコンプレッサ３１や走行モータ６などにそれぞれ必要な発電電流が振り分けられて供給される。

また、ＥＣＵ４は、ＳＴ１１で制御可能範囲でないと判断した場合には（Ｎｏ）、目標エア流量および目標エア圧力がエア背圧弁３２の全開ラインＬｍａｘよりも大きいか否かを判断する（ＳＴ１２）。つまり、目標エア流量および目標エア圧力が、図４に示す実現不可能範囲Ｑ１内に位置しているか否かを判断する。ＳＴ１２で、ＥＣＵ４が、目標エア流量および目標エア圧力が実現不可能範囲Ｑ１内に位置していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、目標値（目標エア流量および目標エア圧力）を、前記で算出した全開ラインＬｍａｘ上、または制御可能範囲内に位置するように補正する（ＳＴ１３）。また、ＥＣＵ４が、ＳＴ１２で目標値（目標エア流量および目標エア圧力）が実現不可能範囲Ｑ２内に位置していると判断した場合には（Ｎｏ）、目標値を、前記で算出した全閉ラインＬｍｉｎ上、または制御可能範囲内に位置するように補正する（ＳＴ１４）。そして、ＥＣＵ４では、エアコンプレッサ３１が目標値（目標エア流量）に応じた回転数（回転速度）で、エア背圧弁３２が目標値（目標エア圧力）に応じた弁開度で制御される（ＳＴ１５）。なお、目標値を全閉ラインＬｍｉｎへ補正する場合とは、配管等が閉塞して圧力損失が上昇して全閉ラインがシフトし（図５のラインＬ４参照）、その後、圧力損失が減少して全閉ラインが元の全閉ラインに戻る場合（図５のラインＬ２参照）などを意味している。

以上説明したように、エア背圧弁３２の全開時と全閉時におけるエア流量とエア圧力との関係から制御可能範囲をリアルタイムに変更することができるので、燃料電池ＦＣのカソード極１３側の流路やカソードガス排出配管３ｂが閉塞して圧力損失が増加し、または減少した場合であっても、エア流量を適切に制御できるようになり、エア圧力を目標の圧力に高精度に制御することが可能になる。また、前記ＳＴ２の処理において、出力過渡期を除外して制御可能範囲を設定することにより、より正確な制御可能範囲に基づいて制御することが可能になる。

このようにして、エア流量を適切に制御し、エア圧力を目標とする圧力に適切に制御できるので、アノード極１２とカソード極１３との極間差圧の拡大、つまりカソード極１３の内圧がアノード極１２の内圧よりも過度に高くなったり、逆に、アノード極１２の内圧がカソード極１３の内圧よりも過度に高くなったりするのを防止できるようになる。その結果、固体高分子電解質膜１１の劣化が促進し、または固体高分子電解質膜１１が損傷するといった燃料電池ＦＣの劣化を防止できるようになる。また、エアコンプレッサ３１等のエネルギー消費を低減して燃費を向上することができる。

なお、前記した実施形態では、カソード極１３側に適用した場合を例に挙げて説明したが、アノード極１２側に適用することも可能である。また、制御可能範囲の算出については、供給流量と供給圧力の双方に基づいて算出したが、供給流量のみ、あるいは供給圧力のみに基づいて算出するようにしてもよい。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。圧力制御の処理を示すメインフローチャートである。制御可能範囲を算出する処理を示すサブフローチャートである。制御可能範囲の一例を示す線図である。エア圧力とエア流量との関係について配管閉塞時と配管非閉塞時での各制御可能範囲を示す線図である。

符号の説明

１燃料電池システム
４ＥＣＵ（圧力制御範囲算出手段）
５アクセル開度センサ
６走行モータ
３１エアコンプレッサ（流量制御手段）
３２エア背圧弁（圧力制御手段）
３３流量計（流量検知手段）
３４圧力計（圧力検知手段）
ＦＣ燃料電池

Claims

燃料と酸化剤との反応により発電を行う燃料電池と、
前記酸化剤の供給流量を検知する流量検知手段と、
前記酸化剤の供給圧力を検知する圧力検知手段と、
前記酸化剤の供給流量を制御する流量制御手段と、
前記酸化剤の供給圧力を制御する圧力制御手段と、
前記圧力制御手段が全開の場合に現在の供給流量および現在の供給圧力を全開ライン算出用データとしてプロットし、前記圧力制御手段が全閉の場合に現在の供給流量および現在の供給圧力を全閉ライン算出用データとしてプロットし、過去にプロットされた全開ライン算出用データおよび全閉ライン算出データに基づいて全開ラインおよび全閉ラインを算出し、前記全開ラインと前記全閉ラインとの内側領域を前記圧力制御手段の制御可能範囲として算出する圧力制御範囲算出手段と、を備え、
前記制御可能範囲に基づいて前記供給流量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
前記供給流量および前記供給圧力の変位が前記制御可能範囲から大きく外れる出力過渡期における前記圧力制御手段の全開時および全閉時の前記供給流量および前記供給圧力は、前記制御可能範囲の算出に用いないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。