JP4915031B2

JP4915031B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4915031B2
Application number: JP2001088589A
Authority: JP
Inventors: 晴彦加藤; 朋範今村; 利幸河合; 邦夫岡本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-03-26
Filing date: 2001-03-26
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2021-03-26
Also published as: JP2002289235A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素及び酸素から電力を発生させる燃料電池を有する燃料電池システムに関するものであり、電気自動車に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
図２は車両用の（固体高分子型）燃料電池の模式図であり、一般的に燃料電池は、表面に白金触媒が担持された電解質膜１ａ、供給される空気（酸素）と水素とを電解質膜１ａ全体に拡がるように拡散させるカーボンクロス（拡散層）１ｂ、各電解質膜１ａを分離するとともに電極を構成する炭素製のセパレータ１ｃ、冷却水が流通する冷却水通路１ｄ、空気（酸素）が流通する空気（酸素）通路１ｅ、及び水素が流通する水素通路１ｆ等から構成されている。
【０００３】
ところで、燃料電池では、前述のごとく、水素と酸素と化学反応させて電力を取り出すが、その際に発生する水（生成水）や供給する水素（水素リッチガス）及び酸素（空気）中に含まれた水蒸気の凝縮により発生する水（凝縮水）により、空気通路１ｅや水素通路１ｆが閉塞してしまうおそれがある。
【０００４】
そこで、従来は、必要とする電力量を得るに必要な理論上の水素量及び酸素量より多くの水素（水素リッチガス）及び酸素（空気）を供給することにより、空気通路１ｅを流通する空気の流速、及び水素通路１ｆを流通する水素の流速を増大させて、空気通路１ｅや水素通路１ｆに溜まった水を排出して（吹き飛ばして）いた。
【０００５】
しかし、空気通路１ｅを流通する空気の流速、及び水素通路１ｆを流通する水素の流速を増大させるには、空気や水素を供給するポンプの仕事量を増大させる必要があるが、ポンプは（バッテリを介して）燃料電池から電力の供給を受けているので、ポンプの仕事量を増大させると、燃料電池で発電した電力のうちポンプで消費される電力量が増大してしまい、燃料電池から走行用モータに供給することができる電力量の割合が低下して燃料電池システム全体の効率が低下してしまう。
【０００６】
一方、ポンプの仕事量を過度に減少させると、空気通路１ｅや水素通路１ｆに水が溜まってしまい、電解質膜１ａに水素と酸素とを十分に供給することができなくなり、燃料電池が機能（発電）しなくなるおそれがある。
【０００７】
本発明は、上記点に鑑み、燃料電池システム全体の効率が大きく低下することを防止しつつ、燃料電池に水素及び酸素を供給することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、水素と酸素との化学反応により電力を発生させる複数個の燃料電池セルからなる燃料電池（１）と、複数個の燃料電池セルの起電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出手段（８）と、燃料電池（１）に供給する水素量及び酸素量を制御する燃料供給量制御手段（７）とを有し、
燃料供給量制御手段（７）は、セル電圧検出手段（８）が検出した検出値のバラツキ値（ΔＶ）が所定値（Ｖｏ）より大きいときに、水素量及び酸素量を増加するよう制御することによりバラツキ値（ΔＶ）が前記所定値（Ｖｏ）以下となるようにし、
さらに、燃料供給量制御手段（７）は、バラツキ値（ΔＶ）が所定値（Ｖｏ）と一致したときに、燃料電池（１）に供給した水素量及び酸素量を記憶し、次回には、この記憶した水素量及び酸素量に基づいて燃料電池（１）に供給する水素量及び酸素量を決定することを特徴とする。
【０００９】
これにより、燃料電池（１）内の空気（酸素）通路や水素通路が閉塞してしまうことを防止しつつ、燃料電池（１）で発電した電力（エネルギ）が水素及び酸素の供給のために消費されることを抑制できる。したがって、燃料電池システム全体の効率が大きく低下することを防止しつつ、燃料電池１に水素及び酸素を供給することができる。
【００１０】
ところで、バラツキ値と過剰率（必要とする電力量を得るに必要な理論上の水素量及び酸素量に対する、供給する水素量及び酸素量の比）との関係は、後述する図５に示すように、燃料電池（１）の個体差により燃料電池毎にバラツキがある。このため、過剰率を固定値とすると、燃料電池（１）の個体差を考慮する必要があるため、必然的に大きな値を選定せざるを得ない。
【００１１】
これに対して、本発明のごとく、バラツキ値（ΔＶ）が所定値（Ｖｏ）より大きいときに、水素量及び酸素量を増加するよう制御することによりバラツキ値（ΔＶ）が所定値（Ｖｏ）以下となるようにすれば、過剰率を変更（学習制御）することができ、過剰率を比較的に小さな値とすることが可能であるので、燃料電池システム全体の効率が大きく低下することを防止しつつ、燃料電池（１）に水素及び酸素を供給することができる。
【００１２】
また、燃料電池セルが経年変化しても、その状態において最適となるように過剰率が選定されるので、長期に渡って燃料電池システム全体の効率が大きく低下することを防止しつつ、燃料電池（１）に水素及び酸素を供給することができる。
【００１４】
さらに、本発明では、バラツキ値（ΔＶ）が所定値（Ｖｏ）と一致したときに、燃料電池（１）に供給した水素量及び酸素量を記憶し、次回には、この記憶した水素量及び酸素量に基づいて燃料電池（１）に供給する水素量及び酸素量を決定するから、次回、過剰率を決定するときに、初期値（工場出荷時における過剰率）から適切な過剰率を決定する場合に比べて、過剰率を速やかに適切な値に収束させることができる。
【００１５】
因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本実施形態は、本発明に係る燃料電池システムを電気自動車に適用したものであって、図１は本実施形態に係る燃料電池システム（電気自動車の走行用動力システム）の模式図である。
【００１７】
図１中、１は水素と酸素との化学反応を利用して電力を発生し、走行用電動モータやバッテリ等の電気機器に電力を供給する燃料電池（ＦＣスタック）であり、この燃料電池１は、図２に示すように、表面に白金触媒が担持された電解質膜１ａ、供給される空気（酸素）と水素とを電解質膜１ａ全体に拡がるように拡散させるカーボンクロス（拡散層）１ｂ、各電解質膜１ａを分離するとともに電極を構成する炭素製のセパレータ１ｃ、冷却水が流通する冷却水通路１ｄ、空気（酸素）が流通する空気（酸素）通路１ｅ、及び水素が流通する水素通路１ｆ等からなる複数個の燃料電池セルを電気的に直列接続した公知の固体高分子型のもである。
【００１８】
また、図１中、２は水とメタノールとの混合溶液（以下、この混合溶液をメタノール混合溶液と呼ぶ。）から水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造（生成）して燃料電池１に水素リッチガスを供給する水素製造器（水素供給手段）であり、この水素製造器２は、メタノール混合溶液を蒸発させる水素製造用燃料蒸発器（図示せず。）、及び水素製造用燃料蒸発器にて蒸発（気化）したメタノール蒸気と水蒸気とを化学反応させて、水素と二酸化炭素と少量の一酸化炭素とに改質する水素製造用燃料改質器（図示せず。）、製造された水素リッチガスを燃料電池１に供給するポンプ（図示せず。）等を有して構成されている。
【００１９】
３は燃料電池１に酸素（空気）を供給するエアポンプ（酸素供給手段）であり、このエアポンプ３は大気中から空気を吸入して空気（酸素）を燃料電池３に供給する。なお、燃料電池１に供給される水素（水素リッチガス）及び空気（酸素）は、加湿器２ａ、３ａにより加湿された状態で燃料電池１に供給される。
【００２０】
４は充放電可能なバッテリ（二次電池）であり、このバッテリ４は燃料電池１から供給される電力及び回生制動時に発生する電力により充電され、後述する走行用電動モータ（メインモータ）やその他の電動補機類（エアポンプ３や後述する制御機器等）に電力を供給する。
【００２１】
５は走行用電動モータ（以下、モータと略す。）であり、６はモータ５を制御するモータ制御機器（パワーコントローラ）であり、このモータ制御機器６は、燃料電池システム（走行用動力システム）全体を制御するシステム制御機器（システムコントローラ）７からの制御信号を受けてモータ５に供給する電力を制御する。
【００２２】
また、システム制御装置７には、各燃料電池セルの起電圧をそれぞれ検出するセル電圧モニタ装置（セル電圧検出手段）８の検出値が入力されており、システム制御装置７はセル電圧モニタ装置８の検出値、及びモータ５が必要とする電力などに基づいて燃料電池１に供給する水素量及び酸素量を制御する。
【００２３】
次に、本実施形態に係る燃料電池システムの特徴的作動及びその効果を述べる。
【００２４】
図３は本実施形態に係る燃料電池システムの特徴的作動を示すフローチャートであり、燃料電池システムが始動すると、セル電圧モニタ装置８の検出値が読み込まれ、その読み込んだ検出値のバラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏ以下であるか否かを判定する（Ｓ１００）。
【００２５】
ここで、検出値のバラツキ値ΔＶとは、検出したセル電圧の最大値と最小値との差であり、通常、必要とする電力量を得るに必要な理論上の水素量及び酸素量より多くの水素（水素リッチガス）及び酸素（空気）を供給するほど、バラツキ値ΔＶが小さくなる傾向にある。
【００２６】
なお、以下、必要とする電力量を得るに必要な理論上の水素量及び酸素量に対する、供給する水素量及び酸素量の比を過剰率と呼ぶ。したがって、過剰率が大きくなるほど、図４に示すように、バラツキ値ΔＶが小さくなる。
【００２７】
これは、過剰率が大きくなるほど、「従来の技術及び発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、空気通路１ｅや水素通路１ｆに溜まった水を排出することができるので、各燃料電池セルにて十分に発電能力が発揮され、燃料電池セル間の個体差の影響が小さくなるためである。
【００２８】
そして、Ｓ１００にてバラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏより大きいと判定されたときには、図３に示すように、過剰率を大きくしてバラツキ値ΔＶを小さくし（Ｓ１１０）、一方、バラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏより小さいときには、過剰率を小さくしてバラツキ値ΔＶを大きくし（Ｓ１２０）、バラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏと一致したときは、現状の過剰率を維持するとともに、その過剰率を記憶する（Ｓ１３０、Ｓ１４０）。
【００２９】
なお、バラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏより小さいときには、過剰率を小さくするが、過剰率が所定の最小過剰率未満となるときは、過剰率を最小過剰率とする。
【００３０】
これにより、本実施形態では、過剰率が所定値Ｖｏ以下となるように燃料電池１に供給する水素量及び酸素量が制御されるので、空気通路１ｅや水素通路１ｆが閉塞してしまうことを防止しつつ、燃料電池１で発電した電力のうちエアポンプ３や水素供給用ポンプで消費される電力量が増大してしまうことを抑制できる。したがって、燃料電池システム全体の効率が大きく低下することを防止しつつ、燃料電池１に水素及び酸素を供給することができる。
【００３１】
また、バラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏと一致したときは、現状の過剰率を維持するとともに、その過剰率を記憶するので、次回、過剰率を決定するときに、初期値（工場出荷時における過剰率）から適切な過剰率を決定する場合に比べて、過剰率を速やかに適切な値に収束させることができる。
【００３２】
なお、本実施形態では、バラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏより小さいときには、過剰率を小さくしてバラツキ値ΔＶを大きくしたが、バラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏと一致したときと同様に、現状の過剰率を維持してもよい。
【００３３】
因みに、バラツキ値と過剰率との関係は、図５に示すように、燃料電池１の個体差により燃料電池毎にバラツキがある。このため、過剰率を固定値とすると、燃料電池１の個体差を考慮する必要があるため、必然的に大きな値を選定せざるを得ない。
【００３４】
これに対して、本実施形態のごとく、セル電圧のバラツキ値ΔＶが所定値Ｖｏ以下となるように過剰率を変更（学習制御）すれば、過剰率を比較的に小さな値とすることが可能であるので、燃料電池システム全体の効率が大きく低下することを防止しつつ、燃料電池１に水素及び酸素を供給することができる。
【００３５】
また、燃料電池セルが経年変化しても、その状態において最適となるように過剰率が選定されるので、長期に渡って燃料電池システム全体の効率が大きく低下することを防止しつつ、燃料電池１に水素及び酸素を供給することができる。
【００３６】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、バラツキ値ΔＶとして、検出したセル電圧の最大値と最小値との差を採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば検出したセル電圧の平均値や分散等であってもよい。
【００３７】
また、上述の実施形態では、水素供給手段として炭化水素系の燃料を改質して水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造する水素製造器２を用いたが、本発明はこれに限定されるものでなく、水素供給手段として純水素ガスを供給することができる高圧水素タンクや水素吸蔵合金を用いた水素タンク等を使用してもよい。
【００３８】
また、上述の実施形態では、電気自動車に本発明を適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、定置型の燃料電池システムにも適用することができる。
【００３９】
また、上述の実施形態では、バラツキ値ΔＶのしきい値である所定値Ｖｏが一定値であったが、所定の範囲を持った値であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの模式図である。
【図２】燃料電池の構造図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【図４】燃料電池のセル電圧バラツキと過剰率との関係を示すグラフである。
【図５】燃料電池のセル電圧バラツキと過剰率との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…燃料電池、２…水素製造器（水素供給手段）、
３…エアポンプ（酸素供給手段）、４…バッテリ、５…モータ、
６…モータ制御機器、７…システム制御装置。

Claims

水素と酸素との化学反応により電力を発生させる複数個の燃料電池セルからなる燃料電池（１）と、
前記複数個の燃料電池セルの起電圧をそれぞれ検出するセル電圧検出手段（８）と、
前記燃料電池（１）に供給する水素量及び酸素量を制御する燃料供給量制御手段（７）とを有し、
前記燃料供給量制御手段（７）は、前記セル電圧検出手段（８）が検出した検出値のバラツキ値（ΔＶ）が所定値（Ｖｏ）より大きいときに、前記水素量及び前記酸素量を増加するよう制御することにより前記バラツキ値（ΔＶ）が前記所定値（Ｖｏ）以下となるようにし、
さらに、前記燃料供給量制御手段（７）は、前記バラツキ値（ΔＶ）が前記所定値（Ｖｏ）と一致したときに、前記燃料電池（１）に供給した水素量及び酸素量を記憶し、次回には、前記記憶した水素量及び酸素量に基づいて前記燃料電池（１）に供給する水素量及び酸素量を決定することを特徴とする燃料電池システム。