JP4803202B2 - 燃料電池システムの運転制御 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムの運転制御に関する。

水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極と酸素極とを備え、水素と酸素との電気化学反応によって起電力を発生する燃料電池（燃料電池スタック）が提案されている。燃料電池では、水素と酸素との電気化学反応により、水（生成水）が生成される。この生成水は、排出ガスとともにガス排出系から排出されたり、所定の排出系から排出されたりする。

ガス排出系では、生成水によって配管内に水詰まりが生じる場合がある。この場合、燃料電池へのガスの給排に支障が生じ、燃料電池の発電効率が低下する。このため、従来、燃料電池システムのガス排出系に気液分離器を配設し、多量の生成水による配管の水詰まりを防止する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−３５７５２９号公報

しかし、従来は、指示通りにガスが供給されることを前提として燃料電池システムの運転制御が行われており、現実に配管内に水詰まりが生じた場合の燃料電池システムの運転制御については考慮されていなかった。そして、水詰まりによってガスの供給量が不十分な状態で、ガスの供給量に合わない量の発電を燃料電池に行わせようとすると、電解質膜の劣化を招き、燃料電池の寿命が低下する場合があった。これは、特に固体高分子型の燃料電池で顕著だった。このような燃料電池の劣化は、ガス排出系の配管に水詰まりが生じた場合に限らず、燃料電池へのガス供給系またはガス排出系の配管が異物などによって閉塞し、ガスが適正に流れなくなった場合に同様に生じ得る。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムにおいて、ガス流路の閉塞による燃料電池の劣化を抑制することを目的とする。

上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明では、以下の構成を採用した。
本発明の燃料電池システムは、
電力を出力する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否かを判断し、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断した場合に、更に、前記要求出力が増加したか否かを判断する判断部と、を備え、
前記制御部は、更に、前記判断部によって前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断され、かつ、前記要求出力が増加したと判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定することを要旨とする。

「ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否か」は、例えば、燃料電池スタックの出力が所定値よりも低い状態が所定時間以上継続したか否かに基づいて判断することができる。このような場合には、要求出力が急激に増加し、それに応じた出力目標値を設定すると、燃料電池スタックに蓄積されていた生成水が急激に排出され、ガスの流路に水詰まりが生じる。本発明では、予め流路に生成水が詰まるおそれを予測して、要求出力の増加率よりも、出力目標値の増加率の方が小さくなるように、出力目標値を設定するので、生成水の生成量が急激に増加することを抑制することができる。この結果、流路の水詰まりを抑制することができる。この結果、燃料電池スタックの劣化および寿命低下を抑制することができる。

本発明は、上述の燃料電池システムとしての構成の他、燃料電池システムの制御方法の発明として構成することもできる。

以下、本発明の実施の形態について、参考実施例、および、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの構成：
Ｂ．運転制御：
Ｃ．異常時制御：
Ｃ１．第１参考実施例：
Ｃ２．第２参考実施例：
Ｄ．実施例（運転制御）：
Ｅ．参考変形例、および、変形例：

Ａ．燃料電池システムの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。本実施例の燃料電池システムは、モータで駆動する電気車両に、電源として搭載されている。運転者が車両に備えられたアクセルを操作すると、アクセル開度センサ１０１によって検出された操作量に応じて発電が行われ、その電力によって車両は走行することができる。実施例の燃料電池システムは、車載である必要はなく、据え置き型など種々の構成を採ることが可能である。

燃料電池スタック１０は、水素と酸素の電気化学反応によって発電するセルを複数積層させた積層体である。各セルは、水素イオンを透過する電解質膜を挟んで水素極（以下、アノードと呼ぶ）と酸素極（以下、カソードと呼ぶ）とを配置した構成となっている（図示省略）。本実施例では、ナフィオン（登録商標）などの固体高分子膜を電解質膜として利用する固体高分子型のセルを用いるものとしたが、これに限らず、種々のタイプを利用可能である。

燃料電池スタック１０のカソードには、酸素を含有したガスとして圧縮空気が供給される。空気は、フィルタ４０から吸入され、コンプレッサ４１で圧縮された後、加湿器４２で加湿され、配管３５から燃料電池スタック１０に供給される。カソードからの排気（以下、カソードオフガスと呼ぶ）は、配管３６およびマフラ４３を通じて外部に排出される。空気の供給圧力は、配管３６に設けられた圧力センサ５３で検出され、調圧バルブ２７の開度によって制御される。

配管３６には、カソードオフガスとともに、水素と酸素との電気化学反応によりカソードで生成された生成水も排出される。この生成水は、図示しない回収機構によって回収され、加湿器４２などで再利用される。

燃料電池スタック１０のアノードには、配管３１、３２を介して、高圧水素を貯蔵した水素タンク２０から水素が供給される。水素タンク２０の代わりに、アルコール、炭化水素、アルデヒドなどを原料とする改質反応によって水素を生成し、アノードに供給するものとしてもよい。

水素タンク２０に貯蔵された高圧水素は、水素タンク２０の出口に設けられたシャットバルブ２１、レギュレータ２２、高圧バルブ２３、低圧バルブ２４によって圧力および供給量が調整されて、アノードに供給される。アノードからの排気（以下、アノードオフガスと呼ぶ）は、配管３３に流出する。配管３３には、圧力センサ５１およびバルブ２５が設けられており、これらは、アノードへの水素の供給圧力および量の制御に利用される。

配管３３は、途中で二つに分岐しており、一方はアノードオフガスを外部に排出ための排出管３４に接続され、他方は逆止弁２８を介して配管３２に接続される。燃料電池スタック１０での発電によって水素が消費される結果、アノードオフガスの圧力は比較的低い状態となっているため、配管３３にはアノードオフガスを加圧するためのポンプ４５が設けられている。

排出管３４に設けられた排出バルブ２６が閉じられている間は、アノードオフガスは配管３２を介して再び燃料電池スタック１０に循環される。アノードオフガスには、発電で消費されなかった水素が残留しているため、このように循環させることにより、水素を有効利用することができる。

アノードオフガスの循環中、水素は発電に消費される一方、水素以外の不純物、例えば、カソードから電解質膜を透過してきた窒素などは消費されずに残留するため、不純物の濃度が徐々に増大する。この状態で、排出バルブ２６が開かれると、アノードオフガスは、排出管３４を通り、希釈器４４で空気によって希釈された後、外部に排出され、不純物の循環量が低減する。但し、この際、水素も同時に排出されるため、排出バルブ２６の開き量は、極力抑えることが燃費向上の観点から好ましい。

燃料電池スタック１０には、水素および酸素の他、冷却水も供給される。冷却水は、ポンプ４６によって、冷却用の配管３７を流れ、ラジエータ３８で冷却されて燃料電池スタック１０に供給される。

燃料電池システムの運転は、制御ユニット１００によって制御される。制御ユニット１００は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えるマイクロコンピュータとして構成されており、ＲＯＭに記憶されたプログラムに従って、システムの運転を制御する。図中に、この制御を実現するために制御ユニット１００に入出力される信号の一例を破線で示した。入力としては、例えば、圧力センサ５３や、アクセル開度センサ１０１の検出信号などが挙げられる。出力としては、例えば、低圧バルブ２４や、排出バルブ２６や、調圧バルブ２７や、コンプレッサ４１などが挙げられる。

Ｂ．運転制御：
燃料電池スタック１０で生成された生成水は、燃料電池スタック１０の出力状況によって、配管３６内で詰まる場合がある。例えば、燃料電池スタック１０の出力が低く、生成水の量が少ない状態が長時間継続した場合には、生成水が排出されにくい状態になっている。この状態で、燃料電池スタック１０の出力が急激に増加すると、排出される生成水の量も急激に増加する。この条件が成立した場合には、生成水は配管３６内に詰まり易くなる。生成水が配管３６内に詰まると、先に説明したように、燃料電池スタック１０の電解質膜が劣化し、寿命低下を招く。従って、本実施例の燃料電池システムでは、このような寿命低下を抑制するための運転制御を行う。なお、本実施例の燃料電池システムでは、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転した後に、燃料電池スタック１０の出力が急激に増加すると、配管３６内に生成水が詰まり易い傾向にあることが既知であるものとする。この１０分間という時間や、出力Ｐｅは、燃料電池システムによって異なり得る。

図２は、燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。制御ユニット１００のＣＰＵが実行する処理である。まず、圧力センサ５３の検出信号など各種信号を読み込み（ステップＳ１００）、配管３６内に生成水が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ２００）。本実施例では、圧力センサ５３の測定値に基づいて、詰まっているか否かを判断するものとした。圧力センサ５３の測定値が正常範囲から外れている場合に、配管３６内に生成水が詰まっていると判断される。詰まっていないと判断した場合は、通常通りの運転制御（通常制御）を行う（ステップＳ３００）。通常制御は、要求出力に応じた出力目標値を設定し、発電を行う制御である。ステップＳ２００において、詰まっていると判断した場合は、異常時の運転制御（異常時制御）を行う（ステップＳ４００）。以下、異常時制御について説明する。

Ｃ．異常時制御：
Ｃ１．第１参考実施例：
図３は、第１参考実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。まず、１０秒間通常制御を行い（ステップＳ４１０）、圧力センサ５３の検出信号を読み込み、配管３６が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ４２０）。ここで、１０秒間通常制御を行うのは、図２に示したステップＳ２００において、一旦、配管３６内が詰まっていると判断されても、１０秒程度通常制御を行う間に、配管３６の詰まりが解消される場合があるからである。

なお、本参考実施例では、ステップＳ４１０において、配管３６が詰まっていても、通常制御を１０秒間行うものとしたが、この時間は、燃料電池システムごとに、好ましい値を任意に設定すればよい。また、ステップＳ４１０、Ｓ４２０を行わなくてもよい。

ステップＳ４２０において、配管３６の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。配管３６の詰まりが解消されない場合は、燃料電池スタック１０の出力目標値の上限値を制限し（ステップＳ４３０）、これを１０秒間継続する（ステップＳ４４０）。本参考実施例では、ステップＳ４３０において、要求出力に対する出力目標値を一律通常制御時の９０（％）に制限するものとした。また、本参考実施例では、ステップＳ４４０において、カソードへの圧縮空気の供給量は、通常制御時と同じ量を維持するものとした。こうすることによって、配管３６に詰まった生成水が除去されやすくすることができる。

次に、再度、圧力センサ５３の検出信号を読み込み、配管３６が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ４５０）。配管３６の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。解消されなければ、システムダウンする（ステップＳ４６０）。

以上説明した第１参考実施例の異常時制御によれば、配管３６内に生成水が詰まっているときに、燃料電池スタック１０に所定値（本参考実施例では、最大出力の９０（％））以上の出力を要求しないようにすることができる。この結果、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。

Ｃ２．第２参考実施例：
図４は、第２参考実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。本参考実施例では、まず、調圧バルブ２７およびコンプレッサ４１を制御して、カソードに供給する空気の供給量を増大し（ステップＳ４１０ａ）、１０秒間継続する（ステップＳ４２０ａ）。そして、圧力センサ５３の検出信号を読み込み、配管３６が詰まっているか否かを判断する（ステップＳ４３０ａ）。配管３６の詰まりが解消されれば、異常時制御を終了する。解消されなければ、システムダウンする（ステップＳ４４０ａ）。

以上説明した第２参考実施例の異常時制御によれば、配管３６内に生成水が詰まっているときに、圧縮空気によって生成水を吹き飛ばし、除去することができる。この結果、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。

Ｄ．実施例（運転制御）：
上記第１および第２参考実施例では、配管３６内に生成水が詰まった場合の異常時制御について説明した。本実施例では、配管３６内に生成水が詰まることを予測し、回避するための運転制御を行う。なお、本実施例では、制御ユニット１００のＲＡＭが燃料電池スタック１０の出力の履歴を記憶する機能を有している。

図５は、実施例としての燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。制御ユニット１００のＣＰＵが実行する処理である。まず、各種信号を読み込む（ステップＳ５００）。そして、燃料電池スタック１０の出力の履歴に基づいて、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転していたか否かを判断する（ステップＳ５１０）。先に説明したように、本実施例の燃料電池システムは、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転した後に、燃料電池スタック１０の出力が急激に増加すると、配管３６内に生成水が詰まり易い傾向にあることが既知であるからである。１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転していない場合は、通常制御を行う（ステップＳ３００）。

ステップＳ５１０において、１０分間以上継続して出力Ｐｅ以下で運転していた場合は、要求出力が増加したか否かを判断する（ステップＳ５２０）。ステップＳ５２０において、要求出力が増加していない場合は、通常制御を行う（ステップＳ３００）。

ステップＳ５２０において、要求出力が増加した場合は、増加率制限制御を行う（ステップＳ５３０）。ここで、増加率制限制御とは、ステップＳ５３０の枠内にグラフで示したように、時刻ｔにおいて、要求出力が増加した場合に、その増加率よりも小さな増加率となるように、燃料電池スタック１０の出力目標値を設定する制御である。増加率の制限は、例えば、要求出力の増加率に所定の係数を掛けることによって行ってもよいし、増加率に上限を設けることによって行ってもよい。

なお、この制御は、例えば、要求出力の増加量が所定値以上の場合や、増加率が所定値以上の場合に行うものとしてもよい。要求出力の増加量が所定値よりも少ない場合や、増加率が所定値よりも低い場合には、生成水の量が急激に増加することはないため、配管３６内に生成水が詰まるおそれが少ないからである。

以上説明した本実施例の運転制御によれば、予め配管３６内に生成水が詰まるおそれを予測し、抑制することができる。この結果、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。

Ｅ．参考変形例、および、変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような参考変形例、および、変形例が可能である。

Ｅ１．参考変形例１：
上記第１参考実施例では、異常時制御の際に、配管３６の詰まり具合に関わらず、燃料電池スタック１０の出力目標値を一律通常制御時の９０（％）に制限したが、これに限られない。例えば、配管３６内の圧力に応じて制限率を変化させるようにしてもよい。

図６は、配管３６内の圧力と制限率との関係の一例を示す説明図である。ここで、制限率１００（％）とは、出力目標値の制限を行わないことを意味するものとする。図中に実線で示したように、圧力Ｐ０〜Ｐ１では、配管３６に詰まりが生じていないものと判断して、通常制御を行い、制限を行わない（制限率１００（％））。そして、圧力Ｐ１〜Ｐ２では、圧力に応じて、制限率を１００〜８０（％）に設定する。圧力Ｐ２を超えた場合は、システムダウンする。なお、図６では、圧力Ｐ１〜Ｐ２において、制限率を線形に変化させる場合について示したが、非線形に変化させてもよい。

また、図中に一点鎖線で示したように、通常制御と異常時制御とを切り換えずに、配管３６内の圧力に応じて制限率を設定するようにしてもよい。

Ｅ２．参考変形例２：
上記第１参考実施例では、異常時制御の際に、要求出力に対して燃料電池スタック１０の出力目標値を一律通常制御時の９０（％）に制限したが、通常制御時の出力目標値に無関係に上限値を設定するものとしてもよい。また、出力目標値を要求出力に関わらず固定値にしてもよい。

図７は、異常時制御の際の要求出力と出力目標値との関係の一例を示す説明図である。本参考変形例では、要求出力が最大出力の８０（％）までは、通常制御時と同様に出力目標値を設定し、要求出力が８０（％）以上のときに、目標出力値を８０（％）に制限するものとした。本参考変形例によっても、第１参考実施例と同様に、燃料電池スタック１０の劣化および寿命低下を抑制することができる。

Ｅ３．参考変形例３：
上記第１および第２参考実施例では、配管３６が生成水によって詰まった場合を例に説明したが、これに限られない。燃料電池システムの給排気系におけるいずれかの配管が詰まった場合についても、同様に本発明を適用可能である。この場合、各配管に圧力センサを設け、配管内の圧力に基づいて、配管が詰まっているか否かを判断すればよい。また、配管の詰まりの原因は生成水に限らず、埃などの異物であってもよい。この場合も、本発明を適用することができる。

Ｅ４．参考変形例４：
上記第１および第２参考実施例では、配管内の圧力に基づいて、配管が詰まっているか否かを判断するものとしたが、配管に流量計を設け、ガスの流量に基づいて、判断するものとしてもよい。

Ｅ５．変形例：
上記実施の形態では、第１，２参考実施例、実施例を個別に行うものとしたが、これらを組み合わせて行うようにしてもよい。

本発明の一実施例としての燃料電池システムの全体構成を示す説明図である。 燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。 第１参考実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。 第２参考実施例としての異常時制御の流れを示すフローチャートである。 実施例としての燃料電池システムの運転制御の流れを示すフローチャートである。 配管３６内の圧力と制限率との関係の一例を示す説明図である。 異常時制御の際の要求出力と出力目標値との関係の一例を示す説明図である。

符号の説明

１０...燃料電池スタック
２０...水素タンク
２１...シャットバルブ
２２...レギュレータ
２３...高圧バルブ
２４...低圧バルブ
２５...バルブ
２６...排出バルブ
２７...調圧バルブ
２８...逆止弁
３１〜３３、３５〜３７...配管
３４...排出管
３８...ラジエータ
４０...フィルタ
４１...コンプレッサ
４２...加湿器
４３...マフラ
４４...希釈器
４５、４６...ポンプ
５１、５３...圧力センサ
１００...制御ユニット
１０１...アクセル開度センサ

Claims (3)

1. 燃料電池システムであって、
   電力を出力する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、
   外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する制御部と、
   前記出力の履歴を記憶する記憶部と、
   前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否かを判断し、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断した場合に、更に、前記要求出力が増加したか否かを判断する判断部と、を備え、
   前記制御部は、更に、前記判断部によって前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断され、かつ、前記要求出力が増加したと判断されたときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムであって、
   前記判断部は、前記履歴に基づいて、前記燃料電池スタックの出力が所定値よりも低い状態が所定時間以上継続した場合に、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断する、
   燃料電池システム。
3. 電力を出力する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックへの酸素と水素とを含む所定のガスの供給および排出を行う給排気系と、前記出力の履歴を記憶するための記憶部とを備える燃料電池システムの制御方法であって、
   （ａ）外部からの要求出力に基づいて、出力目標値を設定し、前記燃料電池スタックを制御する工程と、
   （ｂ）前記履歴に基づいて、前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されているか否かを判断する工程と、
   （ｃ）前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断した場合に、更に、前記要求出力が増加したか否かを判断する工程と、
   （ｄ）前記ガスの流路の詰まりを生じさせる量の生成水が前記燃料電池スタックにおいて生成されていると判断し、かつ、前記要求出力が増加したと判断したときに、前記要求出力の増加率よりも、前記出力目標値の増加率の方が小さくなるように、前記出力目標値を設定する工程と、
   を備える制御方法。

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