JP4811698B2

JP4811698B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4811698B2
Application number: JP2004306488A
Authority: JP
Inventors: 吏規森下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-21
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2011-11-09
Anticipated expiration: 2024-10-21
Also published as: JP2006120430A

Description

本発明は、燃料電池システムの制御技術に関する。

次世代における環境対応自動車として、燃料である水素と酸素を化学反応させて電気を発生させ、発電した電気を動力源として走行する燃料電池自動車の開発が進められている。燃料電池自動車に搭載される燃料電池は、通常数百セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成されている。この燃料電池を構成するセル面のガス通路に生成水が過剰に付着すると、発電効率が低下する現象（いわゆるフラッティング）が生じるため、セル面のガス通路に生成水が過剰に付着しないように燃料電池スタック外部のガス通路に設けたパージ弁を開放するなどして、余分な生成水を外部に排出（パージ）する必要がある。

このような背景に鑑み、所定のタイミングで燃料電池の各セル電圧を検出し、セル電圧の低下が検出された場合に燃料電池の出力を制限し、かつ、上記パージを行うことでセル電圧の回復を図る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１５２６０４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された方法は、セル電圧の回復を図る場合に燃料電池の発電を低下させるのみで停止させないため、極端にフラッティングが生じた場合や残留窒素濃度が高い場合等には、セル電圧低下現象（一部のセル電圧が極端に低下し、最悪の場合には負電圧に達し短絡する現象）が止められないという問題が生じる。

本発明は、以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、セル電圧の低下が検出された場合にセル電圧低下現象の発生を抑制しつつ、該セル電圧の回復を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、供給される酸化ガス及び燃料ガスから負荷を駆動する電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池のセル電圧を検出する検出手段と、前記検出手段によってセル電圧の低下が検出されたとき、前記燃料電池による発電を停止する発電制御手段と、前記燃料電池による発電が停止された後に、該燃料電池による発電を阻害する発電阻害物質を外部に排出する排出手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、燃料電池の発電を停止してから発電阻害物質（残留水や窒素など）を外部に排出することで燃料電池の発電状態の回復(セル電圧の回復)を図るため、セル電圧低下現象による燃料電池システムの停止を抑制することが可能となる。

ここで、前記排出手段として前記燃料ポンプを備える場合には、前記燃料電池による発電が停止された後に前記燃料ポンプの単位時間当たりの回転数を上げることで前記発電阻害物質を外部に排出したり、前記回転数を周期的あるいはランダムに変化させてガス通路内に流体の脈動を発生させることにより、前記発電阻害物質を外部に排出しても良い。

また、前記排出手段として前記パージ弁を備える場合には、該パージ弁の弁開度、弁の開閉時間の少なくともいずれかを調整することで前記発電阻害物質を外部に排出しても良い。

また、上記構成にあっては、前記発電阻害物質が外部に排出された後に、前記検出手段によって検出されるセル電圧が閾値電圧以上に復帰したか否かを判断する判断手段をさらに具備する態様が好ましい。さらに、前記排出手段は、前記発電阻害物質を設定時間だけ外部に排出し、前記判断手段は、前記セル電圧が所定時間内に閾値電圧以上に復帰したか否かを判断する態様も好ましい。

また、前記燃料電池以外の発電機構と、前記燃料電池による発電が停止されるまでは該燃料電池が発生する電力によって前記負荷を駆動させる一方、該燃料電池による発電が停止された後は該負荷の駆動源を前記燃料電池から前記発電機構に切り換える駆動制御手段とを具備する態様が好ましく、さらに、前記発電制御手段は、前記判断手段によってセル電圧が閾値電圧以上に復帰したと判断された場合、前記燃料電池による発電を再開し、前記駆動制御手段は、前記発電が再開された場合には該負荷の駆動源を前記発電機構から前記燃料電池に切り換える態様がより好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、セル電圧の低下が検出された場合にセル電圧低下現象の発生を抑制しつつ、該セル電圧の回復を図ることが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．第１実施形態
（１）実施形態の構成
図１は本実施形態に係わる燃料電池システムの概略構成を示している。ここでは、燃料電池システム１０を燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）の車載発電システムとして用いる例を示すが、各種移動体（例えば、船舶や飛行機など）に搭載される発電システムや定置用発電システムとして用いることができる。燃料電池（セルスタック）２０は、供給される燃料ガス及び酸化ガスから負荷（後述）を駆動する電力を発生する手段であり、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。燃料電池２０は、例えば固体高分子電解質型燃料電池等から構成され、該燃料電池１０には各単位セルの電圧（以下、セル電圧）を測定するためのセル電圧センサ（検出手段）７０が設けられている。

燃料電池システムは、燃料電池２０に接続された燃料ガス循環供給系と酸化ガス供給系とを備えている。燃料電池２０の燃料ガス循環供給系は、燃料ガス供給源３０、燃料ガス供給路３１、燃料電池２０、燃料ガス循環路３２、及びアノードオフガス流路３３を含んで構成されている。

燃料ガス供給源３０は、例えば、高圧水素タンク又は水素貯蔵タンク等の水素貯蔵源によって構成される。燃料ガス供給路３１は燃料ガス供給源３０から供給される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ２０１、高圧レギュレータＨ９、低圧レギュレータＨ１０、水素供給バルブＨ２００、及びＦＣ入口バルブＨ２１が各々配設されている。高圧に圧縮された燃料ガスは高圧レギュレータＨ９にて中圧に減圧され、更に低圧レギュレータＨ１０にて低圧（通常運転圧力）に減圧される。

燃料ガス循環路３２は未反応燃料ガスを燃料電池２０に還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ２２、水素ポンプ（燃料ポンプ）６３、及び逆止弁Ｈ５２が各々配設されている。水素ポンプ６３は燃料電池２０から排出される未反応燃料ガスの流量を制御する手段であり、該燃料電池２０から排出される未反応燃料ガスを適度に加圧し、燃料ガス供給路３１に供給する。逆止弁Ｈ５２は燃料ガス供給路３１から燃料ガス循環路３２への燃料ガスの逆流を抑制する。アノードオフガス流路３３は燃料電池２０から排出された水素オフガスをシステム外（外部）に排出するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブ（パージ弁）Ｈ５１が配設されている。

上述したタンクバルブＨ２０１、水素供給バルブＨ２００、ＦＣ入口バルブＨ２１、ＦＣ出口バルブＨ２２、及びパージバルブＨ５１は、後述する制御部５０による制御のもと、各ガス流路３１〜３３又は燃料電池２０へ供給、排出等される燃料ガス量を制御するためのシャットバルブであり、例えば、電磁弁によって構成されている。このような電磁弁として、例えば、オンオフ弁、或いはＰＷＭ制御で弁開度をリニアに調整できるリニア弁等が好適である。

燃料電池２０の酸化ガス供給系は、エアコンプレッサ４０、酸化ガス供給路４１、及びカソードオフガス流路４２を含んで構成されている。エアコンプレッサ４０はエアフィルタ６１を介して外気から取り込んだ空気を圧縮し、その圧縮エアを酸化ガスとして燃料電池２０のカソード極に供給する。燃料電池２０の電池反応に供した後の酸素オフガスはカソードオフガス流路４２を流れてシステム外に排気される。酸素オフガスは燃料電池２０での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。加湿モジュール６２は酸化ガス供給路４１を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路４２を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化ガスを適度に加湿する。燃料電池２０に供給される酸化ガスの背圧はカソードオフガス流路４２のカソード出口付近に配設された圧力調整弁Ａ４によって調圧される。なお、カソードオフガス流路４２を介して外部に排出される酸素オフガスの流量はエアコンプレッサ４０によって制御される。

燃料電池２０で発電された直流電力の一部はＤＣ／ＤＣコンバータ５３によって降圧され、バッテリ（発電機構）５４に充電される。トラクションインバータ５１及び補機インバータ５２は燃料電池２０とバッテリ５４の双方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータＭ３と補機モータＭ４のそれぞれに交流電力を供給する。補機モータＭ４は後述の水素循環ポンプ６３を駆動するモータＭ２やエアコンプレッサ４０を駆動するモータＭ１等を総称している。なお、以下の説明では、燃料電池２０及びバッテリ５４のいずれか一方若しくは双方によって駆動されるものを負荷と総称する。

制御部５０はＲＯＭやハードディスクなどのメモリに内臓されている各種制御プログラムを実行することにより、燃料システム１０の各部を中枢的に制御する。制御部５０はアクセルセンサ、車速センサ（いずれも図示略）が検出したアクセル開度、車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求めるとともに、求めたシステム要求電力や燃料電池システム１０内の各種センサからの検出信号に基づいて燃料電池２０から発生させる電力量、バッテリ５４から発生させる電力量等を決定する（詳細は後述）。なお、各種センサとしては、図１に示すセル電圧センサ７０のほか、燃料ガス供給路３１や酸化ガス供給路４１に適宜設けられた圧力センサ、温度センサ（いずれも図示略）がある。以下、図２を参照しながら燃料電池システム１０の制御動作について説明する。

（２）実施形態の動作
図２は、発電制御処理を示すフローチャートである。この発電制御処理は、制御部５０によって例えば所定期間毎に実行される処理である。制御部５０はセル電圧センサ７０から供給されるセンサ信号に基づいて各セル電圧を読み取ると、読み取ったセル電圧の中に閾値電圧（例えば０．５Ｖ）を下回るものが存在するか否かを判断する（ステップＳ１）。制御部５０は閾値電圧未満のセル電圧が存在すると判定すると、燃料電池２０の出力制限を徐々に行い、セル電圧の復帰が可能か否かを判断する。制御部５０はセル電圧が正常値に復帰せず、所定の閾値を下回ったことを検知すると、燃料電池２０による発電を停止するためにテップＳ２へ進む。なお、上記例では読み取ったセル電圧の中に閾値電圧を下回るものが存在するか否かを判定したが、例えば各セル毎に前回読み取ったセル電圧と今回読み取ったセル電圧の差分を検出し、検出した差分の中に閾値差分を上回るものが存在するか否かを判定しても良い。要はセル電圧の低下を検出することができれば良く、いずれの方法を採用するかは任意である。

制御部（発電制御手段）５０はステップＳ２において燃料電池２０による発電を停止すると、インバータやモータなどの負荷の駆動源を燃料電池２０からバッテリ５４に切り換える（ステップＳ３）。詳述すると、制御部（駆動制御手段）５０は、燃料電池２０による発電を停止するまでは該燃料電池２０が発生する電力によって負荷を駆動させる一方、燃料電池２０による発電が停止された後は上記負荷の駆動源を燃料電池２０からバッテリ５４に切り換える。かかる切り換えを行うと、制御部５０はステップＳ４に進み、パージ処理を実行する。詳述すると、制御部（排出手段）５０は燃料電池２０による発電を阻害する物質（発電阻害物質）を外部に排出するべく、コンプレッサ（排出手段）４０や水素ポンプ（排出手段）６３の単位時間当たりの回転数を制御（回転数を上げるなど）したり、パージバルブ（排出手段）Ｈ５１の開度や開閉時間を調整する。具体的には、燃料電池２０による発電が停止された後もコンプレッサ４０や水素ポンプ６３の動作を継続させることで発電阻害物質を外部に排出している。より詳述すると、発電停止後にコンプレッサ４０等の動作を継続させる際には、発電停止後のコンプレッサ４０等の単位時間当たりの回転数を通常発電時のコンプレッサ４０等の回転数よりも高く設定することで発電阻害物質を外部に排出する。なお、「発電阻害物質」とは、燃料電池２０のセル面に過剰に付着している水や燃料流路を塞いでいる水（以下、残留水）だけでなく、燃料電池２０や各ガス通路に残留している窒素（残留窒素）なども含む。また、上記例では、コンプレッサ４０や水素ポンプ６３の回転数を通常発電時よりも高く設定することで発電阻害物質を外部に排出しているが、例えば回転数を周期的あるいはランダムに変化させてガス通路内に流体の脈動を発生させることにより、発電阻害物質を外部に排出するようにしても良い。

パージ処理を終えると、制御部（判断手段）５０はセル電圧センサ７０から供給されるセンサ信号に基づいて各セル電圧を読み取り、低下したセル電圧が正常値に復帰（回復）したか否かを判定する（ステップＳ５）。一例を挙げて説明すると、制御部（排出手段、判断手段）５０は発電阻害物質を設定時間だけ外部に排出した後、セル電圧の低下が検出されたセルについて再度セル電圧を読み取り、読み取ったセル電圧が所定時間内に閾値電圧以上に復帰しているか否かを判断する。制御部（発電制御手段、駆動制御手段）５０はセル電圧が正常値に復帰したと判断すると（ステップＳ５；ＹＥＳ）、燃料電池２０による発電を再開し、負荷の駆動源をバッテリ５４から燃料電池２０に切り換えた後（ステップＳ６→ステップＳ７）、処理を終了する。また、制御部５０はバッテリ５４が許容電力を下回った際にも燃料電池２０による発電を再開する。

一方、制御部５０は読み取ったセル電圧が閾値電圧以上に復帰していないと判断すると（ステップＳ５；ＮＯ）、燃料電池システム１０の出力パワーが低下している旨の警告等を行った後（ステップＳ８）、燃料電池２０による発電を再開することなく処理を終了する。なお、上記例では読み取ったセル電圧が閾値以上に復帰し、かつ、復帰するまでの時間が所定時間（例えば数秒）以内である場合に当該セルが正常な状態に回復したと判断したが、単にセル電圧が閾値電圧以上に復帰している場合に当該セルが正常な状態に回復したと判断しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、燃料電池の発電を停止してからセル電圧の回復を図るため、セル電圧低下現象による燃料電池システムの停止を抑制することが可能となる。なお、セル電圧の回復を図る際、負荷の駆動源を燃料電池から発電量の小さなバッテリに切り換えるために走行性能（いわゆるドライバビリティ）等は低下するが、システム停止による路上停止等は未然に回避することができる。

Ｂ．変形例
（１）燃料電池２０のスタック内に存在する残留水量や残留窒素を測定（または推定）する機器を設け、かかる測定結果等に応じて燃料電池２０の発電量を制限しても良い。また、該スタック内の各セルに湿度センサや水量センサを取り付け、急電流負荷に耐えられる状態にあるか否かを判断したうえで燃料電池２０の発電量を制限しても良い。

（２）また、本実施形態では燃料電池を除く発電機構としてバッテリ５４を例示したが、例えばキャパシタ等の蓄電装置やエンジンなどの内燃機関でも良い。

（３）また、制御部５０の諸機能は、ＣＰＵ（若しくはＤＳＰ）がメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現されるため、かかるプログラムについてＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に記録して頒布したり、インターネット等の通信ネットワークを介して頒布しても良い。

第１実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。同実施形態に係る発電制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム２０…燃料電池３０…燃料ガス供給源３１…燃料ガス供給路３２…燃料ガス循環路３３…アノードオフガス流路４０…エアコンプレッサ４１…酸化ガス流路４２…カソードオフガス流路５０…制御部５４…バッテリ７０…セル電圧センサＨ２０１…タンクバルブＨ９…高圧レギュレータＨ１０…低圧レギュレータＨ２００…水素供給バルブＨ２１…ＦＣ入口バルブＨ２２…ＦＣ出口バルブＨ５１…パージバルブ

Claims

供給される酸化ガス及び燃料ガスから負荷を駆動する電力を発生する燃料電池と、
前記燃料電池のセル電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段によってセル電圧の低下が検出されたとき、前記燃料電池による発電を停止する発電制御手段と、
前記燃料電池による発電が停止された後に、該燃料電池による発電を阻害する発電阻害物質を外部に排出する排出手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
前記排出手段は、前記燃料電池から排出される酸化ガスの流量を制御するコンプレッサ、該燃料電池から排出される燃料ガスの流量を制御する燃料ポンプ、該燃料電池から排出される燃料ガス量を制御するパージ弁の少なくともいずれか１つを備え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。
前記排出手段は、前記燃料電池から排出される燃料ガスの流量を制御する燃料ポンプを備え、前記燃料電池による発電が停止された後も該燃料ポンプの動作を継続させて前記発電阻害物質を外部に排出し、該発電停止後に燃料ポンプの動作を継続させる際には、発電停止後の燃料ポンプの単位時間当たりの回転数を通常発電時の燃料ポンプの回転数よりも高く設定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。
前記排出手段は、前記回転数を高く設定する代わりに、前記回転数を周期的あるいはランダムに変化させてガス通路内に流体の脈動を発生させることにより、前記発電阻害物質を外部に排出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
前記排出手段は、前記燃料電池から排出される燃料ガス量を制御するパージ弁を備え、該パージ弁の弁開度、弁の開閉時間の少なくともいずれかを調整することで、前記発電阻害物質を外部に排出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。
前記発電阻害物質には、残留水、残留窒素の少なくとも一方が含まれることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
前記発電阻害物質が外部に排出された後に、前記検出手段によって検出されるセル電圧が閾値電圧以上に復帰したか否かを判断する判断手段をさらに具備することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
前記排出手段は、前記発電阻害物質を設定時間だけ外部に排出し、
前記判断手段は、前記セル電圧が所定時間内に閾値電圧以上に復帰したか否かを判断することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池以外の発電機構と、
前記燃料電池による発電が停止されるまでは該燃料電池が発生する電力によって前記負荷を駆動させる一方、該燃料電池による発電が停止された後は該負荷の駆動源を前記燃料電池から前記発電機構に切り換える駆動制御手段とを具備することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
前記発電制御手段は、前記判断手段によってセル電圧が閾値電圧以上に復帰したと判断された場合に前記燃料電池による発電を再開し、
前記駆動制御手段は、前記発電が再開された場合に該負荷の駆動源を前記発電機構から前記燃料電池に切り換えることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
前記発電機構は、蓄電装置であることを特徴とする請求項９または１０のいずれかに記載の燃料電池システム。