JP4893919B2 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池システム及び移動体に関する。
現在、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムで発電を行うと、電気化学反応により燃料電池の内部で水分が生成されるが、この水分が燃料電池内の反応ガス流路に滞留して、反応ガスの流れが妨げられる場合がある。また、氷点下等の低温環境下で燃料電池システムを運転させる際には、燃料電池の電極（触媒層や拡散層）の内部に残存する水分が凍結して、始動性能が著しく低下する場合がある。
このように燃料電池の内部で生成される水分に起因する種々の問題を解決するための従来の技術として、燃料電池の運転停止時に反応ガス流路に乾燥酸素や乾燥水素を供給することにより、燃料電池内の水分を除去する技術（掃気技術）が提案されている。また、近年においては、燃料電池の電解質膜に含まれる水分量を推定し、この推定した水分量が所定値になるように各種機器（コンプレッサやポンプ等）を駆動制御して掃気を行う技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１５８２７４号公報
ところで、燃料電池の運転停止時においては、二次電池等の蓄電装置から電力を供給してコンプレッサやモータを駆動制御することにより掃気を行うが、氷点下等の低温環境下においては蓄電装置の電力供給能力が低下してしまう。従って、特許文献１に記載されたような技術を採用しても、低温環境下においては充分に掃気を行うことができず、燃料電池内に水分が残存して燃料電池を効率良く始動させることができない場合があった。
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、低温環境下においても燃料電池を効率良く始動させることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを反応させて発電する燃料電池と、蓄電装置と、を備えるとともに、燃料電池の運転停止時に蓄電装置から供給される電力を用いて燃料電池内にガスを供給して水分を排出させる掃気を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転時の含水量を、蓄電装置の状態に応じて設定される目標含水量未満とするように、燃料電池の運転条件を設定する制御手段を備えるものである。
かかる構成によれば、燃料電池の運転時の含水量を、蓄電装置の状態に応じて設定される目標含水量未満とするように、燃料電池の運転条件（温度や発電量等）を設定することができる。例えば、蓄電装置の温度低下により電力供給能力が低下することに起因して燃料電池からの水分排出量が低下することが想定される場合においても、燃料電池の運転条件を予め低レベルに設定することにより、燃料電池の運転時の含水量を所定の目標含水量（例えば蓄電装置の温度に応じて設定される量）未満とすることができる。従って、低温環境下で燃料電池の運転を停止させた場合においても、その運転停止状態から燃料電池を効率良く始動させることが可能となる。
前記燃料電池システムにおいて、制御手段は、目標含水量を蓄電装置の温度に応じて設定することができる。この際、制御手段は、蓄電装置の温度が低いほど燃料電池の運転条件を低レベルに設定することにより、燃料電池の運転時の含水量を目標含水量未満とすることができる。
このようにすることにより、蓄電装置の温度低下により電力供給能力が低下することに起因して燃料電池からの水分排出量が低下することが想定される場合においても、燃料電池の運転条件を予め低レベルに設定することにより、燃料電池の運転時の含水量を目標含水量未満とすることができる。従って、低温環境下で燃料電池の運転を停止させた場合においても、その運転停止状態から燃料電池を効率良く始動させることができる。
また、前記燃料電池システムにおいて、蓄電装置を加温する加温手段を備えることが好ましい。
このようにすることにより、低温環境下において蓄電装置を速やかに加温することが可能となるため、蓄電装置の電力供給能力を速やかに回復させることができる。
また、本発明に係る移動体は、前記燃料電池システムを備えるものである。
かかる構成によれば、蓄電装置の状態に応じて燃料電池の運転条件を設定することが可能な燃料電池システムを備えているため、低温環境下において優れた始動性能を有する移動体を提供することができる。
本発明によれば、低温環境下においても燃料電池を効率良く始動させることが可能な燃料電池システムを提供することができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
まず、図１及び図２を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０を備えるとともに、燃料電池１０に酸化ガスとしての空気を供給する酸化ガス配管系２、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系３、システム全体を統合制御する制御装置４、燃料電池１０の運転停止時（発電停止時）等にシステム内の各種機器に電力を供給する二次バッテリ１２等を備えている。
燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池を所要数積層して構成したスタック構造を有している。燃料電池１０により発生した電力は、ＰＣＵ（Power Control Unit）１１に供給される。ＰＣＵ１１は、燃料電池車両のトラクションモータに電力を供給するインバータ、コンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種補機類に電力を供給するインバータ、二次バッテリ１２への充電や二次バッテリ１２からのモータ類への電力供給を行うＤＣ‐ＤＣコンバータ等を備えている。
二次バッテリ１２は、トラクションモータや各種補機類に電力を供給することにより、急加速時や間欠運転時（燃料電池１０の発電停止時）における電力アシストを行う。また、二次バッテリ１２は、燃料電池１０の運転停止時にコンプレッサモータ等に電力を供給することにより、掃気（燃料電池１０へのガス供給による燃料電池１０内の水分の排出）を実現させる。すなわち、二次バッテリ１２は本発明における蓄電装置の一実施形態である。二次バッテリ１２としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池を採用することができる。
本実施形態においては、二次バッテリ１２の温度を検出する図示していない温度センサを設けている。温度センサで検出された二次バッテリ１２の温度に係る情報は、制御装置４に伝送されて、燃料電池システム１の運転制御に使用される。また、本実施形態においては、二次バッテリ１２を加温するためのヒータ（加温手段）を設けている。ヒータの動作は制御装置４により制御される。すなわち、制御装置４は、温度センサで検出された二次バッテリ１２の温度が所定値（例えば２０℃）以下となった場合に自動的にヒータを作動させて、二次バッテリ１２を加温する。
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池１０に供給する空気供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く空気排出流路２２と、加湿器２１から外部に酸化オフガスを導くための排気流路２３と、を備えている。空気供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。コンプレッサ２４の動作は、制御装置４により制御される。
水素ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するための水素供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスを水素供給流路３１に戻すための循環流路３２と、を備えている。
水素供給流路３１には、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ３４と、が設けられている。本実施形態においては、ステップモータにより供給圧力の目標値を変更することができる可変調圧式のレギュレータ３４を採用している。遮断弁３３及びレギュレータ３４の動作は制御装置４により制御される。
循環流路３２には、気液分離器３５及び排気排水弁３６を介して、排出流路３７が接続されている。気液分離器３５は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３６は、制御装置４からの指令によって作動することにより、気液分離器３５で回収した水分と、循環流路３２内の不純物を含む水素オフガスと、を外部に排出（パージ）するものである。また、循環流路３２には、循環流路３２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路３１側へ送り出す水素ポンプ３８が設けられている。なお、排出流路３７内のガスは、図示していない希釈器によって希釈されて、排気流路２３内のガスと合流するようになっている。
制御装置４は、図示していない車両のアクセル信号（要求負荷）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、制御装置４は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで実行することにより、各種制御動作が実現されるようになっている。
具体的には、制御装置４は、燃料電池１０の運転停止時（発電停止時）において、二次バッテリ１２から供給される電力でコンプレッサ２４、遮断弁３３及びレギュレータ３４を駆動制御して、燃料電池１０内にガス（酸化ガス及び水素ガス）を供給することにより、燃料電池１０内の水分を外部に排出する「掃気」を実施する。なお、制御装置４は、掃気を実施する際に加湿器２０による酸化ガスの加湿を一時的に抑制ないし停止する。
また、制御装置４は、燃料電池１０の運転時の含水量を、二次バッテリ１２の温度に応じて設定される目標含水量未満とするように、燃料電池１０の運転条件を設定する。換言すれば、二次バッテリ１２による掃気後の燃料電池１０の推定含水量が、燃料電池１０の始動可能含水量未満となるように、二次バッテリ１２の温度に応じて燃料電池１０の運転条件を設定する。すなわち、制御装置４は、本発明における制御手段の一実施形態として機能する。ここで、「推定含水量」とは、二次バッテリ１２の掃気能力を勘案して推定される燃料電池１０の掃気後の含水量を意味し、「始動可能含水量」とは、燃料電池１０が始動を開始することが可能な含水量を意味する。
本実施形態における二次バッテリ１２は、その温度が低下するほど掃気能力が低下する。例えば、図２のマップに示すように、温度「Ｔ2」の二次バッテリ１２による水分排出量は「Ｑ5」であるのに対し、温度「−Ｔ2」（氷点下）の二次バッテリ１２による単電池毎の水分排出量は「Ｑ1（＜Ｑ5）」である。従って、制御装置４は、かかる二次バッテリ１２の掃気能力の差異を勘案して、二次バッテリ１２による掃気後の燃料電池１０の推定含水量が始動可能含水量未満となるように、二次バッテリ１２の温度に応じて予め運転条件を設定する。
例えば、制御装置４は、二次バッテリ１２の温度が「Ｔ1」である場合に、図２のマップを用いて、その温度に対応する水分排出量（Ｑ4）を算出する。そして、制御装置４は、燃料電池１０の始動可能含水量（Ｑ0）を設定し、この始動可能含水量に二次バッテリ１２による水分排出量（Ｑ4）を加算した値（Ｑ0＋Ｑ4）を、運転時の目標含水量に設定する。その後、制御装置４は、燃料電池１０の運転時における含水量が目標含水量（Ｑ0＋Ｑ4）未満となるように、燃料電池１０の運転条件（燃料電池１０の温度や発電量や反応ガス供給量）を設定する。かかる制御により、二次バッテリ１２による掃気後の燃料電池１０の推定含水量を、始動可能含水量（Ｑ0）未満とすることが可能となる。
また、制御装置４は、二次バッテリ１２の温度が「−Ｔ1」である場合においても、図２のマップを用いて、その温度に対応する水分排出量（Ｑ2（＜Ｑ4））を算出する。そして、制御装置４は、燃料電池１０の始動可能含水量（Ｑ0）に二次バッテリ１２による水分排出量（Ｑ2）を加算した値（Ｑ0＋Ｑ2）を、運転時の目標含水量に設定する。その後、制御装置４は、燃料電池１０の運転時における含水量が目標含水量（Ｑ0＋Ｑ2）未満となるように、燃料電池１０の運転条件（燃料電池１０の温度や発電量や反応ガス供給量）を比較的低レベルに設定する。かかる制御により、二次バッテリ１２による掃気後の燃料電池１０の推定含水量を、始動可能含水量（Ｑ0）未満とすることが可能となる。
続いて、図３のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
燃料電池システム１の通常運転時においては、水素タンク３０から水素ガスが水素供給流路３１を介して燃料電池１０の燃料極に供給されるとともに、加湿調整された空気が空気供給流路２１を介して燃料電池１０の酸化極に供給されることにより、発電が行われる。この際、燃料電池１０から引き出すべき電力（要求電力）が制御装置４で演算され、その発電量に応じた量の水素ガス及び空気が燃料電池１０内に供給されるようになっている。通常運転時においては燃料電池１０内が湿潤状態となっているため、運転を停止させると燃料電池１０内に水分が残留することとなる。本実施形態においては、かかる通常運転停止後に、燃料電池１０内の水分を外部に排出する「掃気」を実施するが、低温環境下においては二次バッテリ１２の電力供給能力が低下して掃気が不充分となり、始動性能が低下する場合がある。本実施形態においては、かかる始動性能の低下を抑制するために以下のような運転制御を実施する。
すなわち、まず、燃料電池システム１の制御装置４は、温度センサを用いて二次バッテリ１２の温度を検出する（バッテリ温度検出工程：Ｓ１）。そして、制御装置４は、図２に示したマップに基づいて、バッテリ温度検出工程Ｓ１で検出した温度に対応する水分排出量を算出する（排水量算出工程：Ｓ２）。例えば、二次バッテリ１２の温度が「−Ｔ2」である場合には、水分排出量を「Ｑ1」と算出する。
次いで、制御装置４は、燃料電池１０の始動可能含水量（Ｑ0）を設定し、この始動可能含水量に、排水量算出工程Ｓ２で算出した水分排出量（Ｑ1）を加算した値（Ｑ0＋Ｑ1）を、運転時の目標含水量に設定する（目標含水量設定工程：Ｓ３）。そして、制御装置４は、燃料電池１０の運転時における含水量が、目標含水量設定工程Ｓ３で設定した目標含水量（Ｑ0＋Ｑ1）未満となるように、燃料電池１０の運転条件（燃料電池１０の温度や発電量や反応ガス供給量）を設定する（運転条件設定工程：Ｓ４）。その後、制御装置４は、運転条件設定工程Ｓ４で設定した運転条件に従って燃料電池１０の運転制御を実施する（運転制御工程：Ｓ５）。
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池１０の運転時の含水量を、二次バッテリ１２の温度に応じて設定される目標含水量未満とするように、燃料電池１０の運転条件を設定することができる。すなわち、二次バッテリ１２の温度低下により電力供給能力が低下することに起因して燃料電池１０からの水分排出量が低下することが想定される場合においても、燃料電池１０の運転条件を予め低レベルに設定することにより、燃料電池１０の運転時の含水量を所定の目標含水量未満とすることができる。従って、低温環境下で燃料電池１０の運転を停止させた場合においても、その運転停止状態から燃料電池１０を効率良く始動させることができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、二次バッテリ１２を加温するヒータを備えているため、低温環境下において二次バッテリ１２を速やかに加温することが可能となる。この結果、二次バッテリ１２の電力供給能力を速やかに回復させることができる。
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池車両（移動体）は、二次バッテリ１２の温度に応じて燃料電池１０の運転条件を設定することが可能な燃料電池システム１を備えているため、低温環境下において優れた始動性能を有することとなる。
なお、以上の実施形態においては、蓄電装置として二次バッテリ１２を採用した例を示したが、蓄電装置としてキャパシタを採用することもできる。また、以上の実施形態においては、二次バッテリ１２の「温度」に応じて燃料電池１０の運転条件を設定した例を示したが、二次バッテリ１２の状態を表す他の物理量（例えば「ＳＯＣ」：State of Charge）に応じて燃料電池１０の運転条件を設定することも可能である。
また、以上の実施形態においては、循環流路３２に水素ポンプ３８を設けた例を示したが、水素ポンプ３８に代えてエジェクタを採用してもよい。また、以上の実施形態においては、排気と排水との双方を実現させる排気排水弁３６を循環流路３２に設けた例を示したが、気液分離器３５で回収した水分を外部に排出する排水弁と、循環流路３２内のガスを外部に排出するための排気弁と、を別々に設け、制御装置４で排水弁及び排気弁を別々に制御することもできる。
また、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
１…燃料電池システム、４…制御装置（制御手段）、１０…燃料電池、１２…二次バッテリ（蓄電装置）
Claims (5)
- 燃料ガスと酸化ガスを反応させて発電する燃料電池と、蓄電装置と、を備えるとともに、前記燃料電池の運転停止時に前記蓄電装置から供給される電力を用いて前記燃料電池内にガスを供給して水分を排出させる掃気を行う燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の運転時の含水量を、前記蓄電装置の状態に応じて設定される目標含水量未満とするように、前記燃料電池の運転条件を設定する制御手段を備える燃料電池システム。 - 前記制御手段は、前記目標含水量を前記蓄電装置の温度に応じて設定する請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記制御手段は、前記蓄電装置の温度が低いほど前記燃料電池の運転条件を低レベルに設定することにより、前記燃料電池の運転時の含水量を前記目標含水量未満とする請求項２に記載の燃料電池システム。
- 前記蓄電装置を加温する加温手段を備える請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
- 請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システムを備える移動体。
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