JP4967182B2

JP4967182B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4967182B2
Application number: JP2000275312A
Authority: JP
Inventors: 齋藤　　友宏; 晴彦加藤; 朋範今村; 邦夫岡本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2020-09-11
Also published as: JP2002093443A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車に搭載される燃焼電池システムでは、走行用モータ（負荷）の要求電力量に応じて燃料電池に対する水素と酸素の供給量を調整し、発電量を調整するように構成されている。
【０００３】
燃料電池の必要水素量に対して燃料電池への水素供給の応答遅れがある場合に、負荷の要求電力量が変動して燃料電池の必要水素量が変動すると、燃料電池に必要水素量以上の余剰水素が供給されることとなる。このように燃料電池に供給された余剰水素は、例えば特開２０００−３６３０８号公報記載の燃料電池システムのように発電に用いられ、これにより得られた電力は電力貯蔵用の２次電池に充電される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、２次電池が既に満充電状態であって充電が不可能な場合には、燃料電池では負荷の要求電力に対して過剰な電力を発電することができないため、余剰水素を発電に用いることができず、未反応のままスタックから排出されることとなる。このため、燃料電池の効率が低下するとともに、燃料電池から排出される未反応水素を処理するために大容量の燃焼器が必要であるといった問題があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池に供給される余剰水素を有効に発電し、余剰水素の排出量を低減す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。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素の供給により電力を発生する燃料電池（１０）を備え、負荷（１９）に電力を供給する燃料電池システムであって、燃料電池（１０）および負荷（１９）と並列に接続され、燃料電池（１０）の発電電力を充電可能であるとともに、負荷（１９）が発電状態の場合は、負荷（１９）の発電電力を充電可能な２次電池（３２）と、２次電池の充電量を検出する充電量検出手段（２１）と、燃料電池（１０）に供給される水素量を検出する水素供給量検出手段（１３）と、燃料電池（１０）の水素流入側若しくは水素排出側の少なくとも一方に設けられ、燃料電池（１０）への水素の供給量を調整する水素バルブ（１４、１５）とを備え、水素供給量検出手段（１３）により検出される水素量に基づいて算出される燃料電池（１０）の発電可能電力と、充電量検出手段（２１）により検出した２次電池（２０）の充電量と、負荷（１９）の要求電力とに基づいて、水素バルブ（１４、１５）の開度を調整して燃料電池（１０）の発電量を制御するように構成され、負荷（１９）が発電状態であり、負荷（１９）の発電可能電力が２次電池（３２）の充電量で決まる充電可能電力より大きい場合には、負荷（１９）の発電電力を２次電池（３２）の充電可能電力に制御するとともに、燃料電池（１０）の発電量がゼロになるように水素バルブ（１４、１５）を全閉にすることを特徴としている。
【０００７】
このように、燃料電池（１０）の発電可能電力と、充電量検出手段（２１）により検出した２次電池（２０）の充電量と、負荷（１９）の要求電力とに基づいて燃料電池（１０）の発電量を制御することにより、燃料電池（１０）にて水素を有効に発電させることができ、燃料電池（１０）から排出される水素量を低減することができる。これにより、燃料電池（１０）から排出される水素を燃焼させるための燃焼器を小型化することができる。
【０００８】
なお、水素バルブとして、具体的にはシャット機能を備えるとともに、連続的にバルブ開度を調整できるロータリバルブを用いることができる。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明では、負荷（１９）が発電状態であり、燃料電池（１０）の発電可能電力と負荷（１９）の発電可能電力との合計が２次電池（３２）の充電可能電力より大きい場合には、燃料電池（１０）の発電量が２次電池（３２）の充電可能電力から負荷（１９）の発電可能電力を引いた電力量となるように水素バルブ（１４、１５）の開度を調整することを特徴としている。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、負荷（１９）が発電状態であり、燃料電池（１０）の発電可能電力と負荷（１９）の発電可能電力との合計が２次電池（３２）の充電可能電力より小さい場合には、燃料電池（１０）の発電量が燃料電池（１０）で発電可能な全電力量になるように水素バルブ（１４、１５）を全開にすることを特徴としている。
【００１２】
なお、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ものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図３に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用したものである。図１は本実施形態の燃料電池システムの概略構成を示している。
【００１４】
図１に示すように、本第１実施形態の燃料電池システムは、燃料電池（ＦＣスタック）１０、改質器１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）１６、インバータ１８、バッテリ（２次電池）２０、制御部２２等を備えている。
【００１５】
燃料電池１０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（負荷）１９やバッテリ（２次電池）２０等の電気機器に電力を供給するものである。本実施形態の燃料電池１は固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数積層されて構成されている。
【００１６】
燃料電池１０には、空気（酸素）および水素が供給される。本第１実施形態の燃料電池システムには、水素リッチガスを生成する改質器１１と、燃料電池１０から排出される未反応水素を燃焼する燃焼器１２が設けられている。改質器１１は、水とメタノールとの混合溶液から水素が多量に含まれた水素リッチガスを製造し、水素供給路を介して燃料電池１０に水素リッチガスを供給するように構成されている。なお、図１では燃料電池１０に空気を供給する空気供給部の図示を省略している。
【００１７】
改質器１１と燃料電池１０との間には、燃料電池１０に供給される水素量を検出する水素流量計（水素供給量検出手段）１３が設けられている。また、燃料電池１０の水素流入側および水素排気側には、燃料電池１０への水素の供給量を調整する水素供給量調整手段である第１水素バルブ１４と第２水素バルブ１５が設けられている。水素流量計１３で検出された水素量信号は、制御部２２に出力される。なお、本第１実施形態では水素バルブ１４、１５として、シャット機能を備えるとともに、連続的にバルブ開度を調整できるロータリバルブを用いている。
【００１８】
燃料電池１０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介してバッテリ１７とインバータ１８とが並列に接続されている。燃料電池１０にて発電した電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を介してインバータ１８に供給されるとともに、バッテリ１７にも供給される。
【００１９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１６とインバータ１８との間にはダイオード１７が設けられており、これによりＤＣ／ＤＣコンバータ１６からインバータ１８およびバッテリ２０方向にのみ電流が流れるようなっている。
【００２０】
インバータ１８は、燃料電池１０やバッテリ２０から供給された直流電流を交流電流に変換してモータ１９に供給して、モータ１９を駆動している。本実施形態の電気自動車では、車両減速時に走行用モータ１９を発電機として作動させて発電を行うとともにブレーキ力を得る回生ブレーキ（回生制動）を行い、回生ブレーキによって発電された電力はインバータ１８を介してバッテリ２０に充電できるように構成されている。
【００２１】
バッテリ２０は、燃料電池１０から供給される電力やモータ１９からインバータ１８を介して回生された電力を充電したり、充電されている電力をインバータ１８に供給する。バッテリ２０としては、例えば一般的な鉛蓄電池を用いることができる。バッテリ２０には、バッテリ２０の充電量（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣセンサ（充電量検出手段）２１が設けられている。なお、ＳＯＣセンサ２１にて検出したＳＯＣ信号は、制御部２２に出力される。
【００２２】
本実施形態の燃料電池システムには、各種制御を行う制御部２２が設けられている。制御部２２には、水素流量信号、ＳＯＣ信号、走行要求電力（インバータ要求電力）等が入力され、水素バルブ１４、１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６、インバータ１８の制御を行うように構成されている。
【００２３】
インバータ要求電力Ａは、車両を走行させるためにモータ１９が要求とする電力（車両要求出力）であって、運転者によって操作されるアクセル（図示せず）の開度やブレーキに基づいて算出される。インバータ要求電力Ａの符号（＋または−）は、モータ１９が駆動状態の場合には「＋」となり、回生状態（発電状態）の場合には「−」となる。
【００２４】
次に、上記構成の燃料電池システムの作動を図２に基づいて説明する。図２は本実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【００２５】
まず、インバータ要求電力Ａを算出する（ステップＳ１００）。次に燃料電池１０に供給される水素量を検出して（ステップＳ１０１）、これに基づき燃料電池１０の発電可能電力Ｂを算出する（ステップＳ１０２）。次にバッテリ２０の充電状態を検出して（ステップＳ１０３）、バッテリ２０に充電可能な電力Ｃを算出する（ステップＳ１０４）。
【００２６】
モータ１９が回生状態にあり、インバータ要求電力（インバータから供給される電力）Ａがバッテリ２０に充電できる電力Ｂより大きいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。インバータ要求電力Ａがバッテリ２０に充電可能な電力Ｃより大きい場合には、インバータ１８にて発電するインバータ電力Ａｏをバッテリ１０に充電できる電力に設定する（ステップＳ１０６）。同時に、燃料電池１０での発電電力Ｂｏをゼロとするために水素バルブ１４、１５の開度Ｄを全閉に設定（ステップＳ１０７、Ｓ１０８）。
【００２７】
一方、インバータ要求電力Ａがバッテリ２０に充電可能な電力Ｂより小さい場合には、インバータ要求電力Ａと燃料電池１０の発電可能電力Ｂとの合計がバッテリ１０の充電可能電力Ｃより大きいか否かを判定する（ステップＳ１０９）。
【００２８】
インバータ要求電力Ａと燃料電池１０の発電可能電力Ｂとの合計がバッテリ１０の充電可能電力Ｃより大きい場合には、燃料電池１０の発電電力Ｂｏを、バッテリ２０の充電可能電力Ｃに対してインバータ要求電力Ａで足りない電力量と設定し（ステップＳ１１０）、燃料電池１０の発電電力Ｂｏに必要な水素を燃料電池１０に供給するために水素バルブ１４、１５の開度Ｄを算出する（ステップＳ１１１）。
【００２９】
一方、インバータ要求電力Ａと燃料電池１０の発電可能電力Ｂとの合計がバッテリ１０の充電可能電力Ｃより小さい場合には、燃料電池１０の発電電力Ｂｏを、燃料電池１０で発電可能な全電力量として、水素バルブ１４、１５の開度Ｄを全開に設定する（ステップＳ１１２）。
【００３０】
最後に、上記過程で算出したインバータ電力Ａｏおよび燃料電池の発電電力Ｂｏに基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１６における電圧調整量Ｅを算出する（ステップＳ１１３）。そして、上記過程で決定したインバータ電力Ａｏ、燃料電池発電電力Ｂｏ、ＤＣ／ＤＣコンバータ電圧調整量Ｅに基づいてインバータ１８、水素バルブ１４、１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の制御を行う。
【００３１】
次に、本第１実施形態の燃料電池システムの水素バルブ１４、１５の作動を図３に基づいて説明する。図３はインバータ要求電力、燃料電池発電量、バッテリ充放電量、水素バルブ開度の関係を示すタイムチャートである。
【００３２】
まず、図３中ｔ１では、モータ１９が駆動状態にあり、インバータ要求電力Ａに対して燃料電池１０の発電電力だけでは足りず、バッテリ２０からもインバータ１８に対して電力が供給される。このとき、燃料電池１０では、燃料電池の発電可能電力をフルに発電させるために水素バルブ１４、１５は全開になっている。
【００３３】
次にｔ２では、モータ１９が駆動状態にあり、インバータ要求電力に対して燃料電池１０の発電電力が上回っており、燃料電池１０の発電電力のうち余剰な電力がバッテリ２０の充電に用いられる。このときにも、水素バルブ１４、１５は全開になっている。
【００３４】
次にｔ３では、モータ１９が回生状態にあり、インバータ要求電力（インバータ１８から供給される電力）がバッテリ２０の充電可能電力を上回っている。このため、燃料電池１０の発電量をゼロにするために、水素バルブ１４、１５は全閉となっている。
【００３５】
次にｔ４では、モータ１９が回生状態にあり、インバータ要求電力と燃料電池１０の発電可能電力の合計がバッテリ２０の充電可能電力を上回っている状態にある。そこで、燃料電池１０の発電量をバッテリ２０の充電可能電力に対してインバータ要求電力で足りない電力量と設定し、水素バルブ１４、１５の開度を連続的に制御する。
【００３６】
次にｔ５では、モータ１９が回生状態にあり、インバータ要求電力と燃料電池１０の発電可能電力の合計がバッテリの充電可能電力を下回っている状態にある。そこで、燃料電池１０では、燃料電池の発電可能電力をフルに発電させるために水素バルブ１４、１５は全開になっている。
【００３７】
以上、本第１実施形態の燃料電池システムによれば、２次電池２０の充電状態に応じて、水素バルブ１４、１５により燃料電池１０に供給される水素量を連続的に制御することで、水素を有効に発電させて２次電池に充電することができるとともに、燃料電池１０から排出される水素量を低減することができる。これにより、燃料電池１０から排出される水素を燃焼させるための燃焼器１２を小型化することができる。
【００３８】
（第２実施形態）
次に、本発明を適用した第２実施形態について図４に基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、燃料電池システムが回生ブレーキ制御を抑制することが許容される、すなわちモータ１９が回生状態にある場合にモータ１９にて発電する電力を制御できる点が異なるものである。
【００３９】
燃料電池システムの構成は、上記第１実施形態と同様である。本第２実施形態の燃料電池システムの作動を図４のフローチャートに基づいて説明する。
【００４０】
まず、上記第１実施形態のステップＳ１００〜Ｓ１０４と同様にインバータ要求電力Ａ、燃料電池１０の発電可能電力Ｂ、バッテリ２０の充電可能電力Ｃを算出する（ステップＳ２００〜Ｓ２０４）。
【００４１】
モータ１９が回生状態であるか否か、ずなわちインバータ１９からバッテリ２０に電力を供給可能か否かを判定する（ステップＳ２０５）。
【００４２】
モータ１９が駆動状態の場合には、上記第１実施形態のステップＳ１０９〜Ｓ１１２と同様に燃料電池１０の発電電力Ｂｏ、水素バルブ１４、１５の開度Ｄを算出する（ステップＳ２０６〜２０７）。
【００４３】
モータ１９が回生状態の場合には、まず燃料電池１０の発電可能電力Ｂがバッテリ２０の充電可能電力Ｃより小さいか否かを判定する（ステップＳ２１０）。燃料電池１０の発電可能電力Ｂがバッテリ２０の充電可能電力Ｃより小さい場合には、燃料電池１０の発電電力Ｂｏをバッテリ２０の充電可能電力Ｃに設定し（ステップＳ２１１）、水素バルブ１４、１５の開度Ｄを算出し（ステップＳ２１２）、インバータ電力Ａｏをゼロに設定する（ステップＳ２１３）。
【００４４】
燃料電池１０の発電可能電力Ｂがバッテリ２０の充電可能電力Ｃより大きい場合には、燃料電池１０を発電可能電力でフルに発電させるために水素バルブ１４、１５は全開に設定する（ステップＳ２１４）。次に、燃料電池１０の発電可能電力Ｂとインバータ要求電力Ａの合計が、バッテリ２０の充電可能電力Ｃより大きいか否かを判定する（ステップＳ２１５）。大きい場合には、インバータ電力Ａｏを、バッテリ２０の充電可能電力Ｃに対して燃料電池１０の発電可能電力Ｂで足りない電力量に設定する（ステップＳ２１６）。
【００４５】
最後に、上記過程で算出したインバータ電力Ａｏおよび燃料電池の発電電力Ｂｏに基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１６における電圧調整量Ｅを算出する（ステップＳ２１７）。そして、上記過程で決定したインバータ電力Ａｏ、燃料電池発電電力Ｂｏ、ＤＣ／ＤＣコンバータ電圧調整量Ｅに基づいてインバータ１８、水素バルブ１４、１５、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の制御を行う。
【００４６】
以上、本第２実施形態によれば、モータ１９の発電量を制御することにより、すなわちインバータ１９から供給される電力を制御することにより、インバータ１９から供給される電力より燃料電池１０にて発電される電力を優先して２次電池２０に供給することができ、第１実施形態の燃料電池システムに比較して、さらに燃料電池１０において水素を有効に発電させることができる。
【００４７】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、電圧調整手段であるＤＣ／ＤＣコンバータを燃料電池側に設けているが、これに限らず、図５に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータを２次電池側に設けるように構成してもよい。
【００４８】
また、上記各実施形態では、燃料電池１０の水素供給側と水素排出側のそれぞれに、燃料電池１０への水素供給を調整する水素バルブ１４、１５を設けたが、これに限らず、燃料電池１０の水素供給側と水素排出側のいずれか一方のみに水素バルブ１４、１５を設けるようにしてもよい。
【００４９】
また、上記各実施形態では、本発明を電気自動車に適用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、家庭用等据え置き型の燃料電池システムにも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】図１の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３】図１の燃料電池システムのバルブの作動を示すタイムチャートである。
【図４】第２実施形態の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５】本発明の変形例を示す燃料電池システムのブロック図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１３…水素流量計（水素量検出手段）、１４、１５…水素バルブ（水素供給量調整手段）、１６…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）、２０…バッテリ（２次電池）、１８…インバータ、１９…モータ（負荷）、２２…制御部。

Claims

水素と酸素の供給により電力を発生する燃料電池（１０）を備え、負荷（１９）に電力を供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）および前記負荷（１９）と並列に接続され、前記燃料電池（１０）の発電電力を充電可能であるとともに、前記負荷（１９）が発電状態の場合は、前記負荷（１９）の発電電力を充電可能な２次電池（３２）と、
前記２次電池の充電量を検出する充電量検出手段（２１）と、
前記燃料電池（１０）に供給される水素量を検出する水素供給量検出手段（１３）と、
前記燃料電池（１０）の水素流入側若しくは水素排出側の少なくとも一方に設けられ、前記燃料電池（１０）への水素の供給量を調整する水素バルブ（１４、１５）とを備え、
前記水素供給量検出手段（１３）により検出される水素量に基づいて算出される前記燃料電池（１０）の発電可能電力と、前記充電量検出手段（２１）により検出した前記２次電池（２０）の充電量と、前記負荷（１９）の要求電力とに基づいて、前記水素バルブ（１４、１５）の開度を調整して前記燃料電池（１０）の発電量を制御するように構成され、
前記負荷（１９）が発電状態であり、前記負荷（１９）の発電可能電力が前記２次電池（３２）の充電量で決まる充電可能電力より大きい場合には、前記負荷（１９）の発電電力を前記２次電池（３２）の充電可能電力に制御するとともに、前記燃料電池（１０）の発電量がゼロになるように前記水素バルブ（１４、１５）を全閉にすることを特徴とする燃料電池システム。
前記負荷（１９）が発電状態であり、前記燃料電池（１０）の発電可能電力と前記負荷（１９）の発電可能電力との合計が前記２次電池（３２）の充電可能電力より大きい場合には、前記燃料電池（１０）の発電量が前記２次電池（３２）の充電可能電力から前記負荷（１９）の発電可能電力を引いた電力量となるように前記水素バルブ（１４、１５）の開度を調整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。
前記負荷（１９）が発電状態であり、前記燃料電池（１０）の発電可能電力と前記負荷（１９）の発電可能電力との合計が前記２次電池（３２）の充電可能電力より小さい場合には、前記燃料電池（１０）の発電量が前記燃料電池（１０）で発電可能な全電力量になるように前記水素バルブ（１４、１５）を全開にすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。