JP4977947B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給を適正化することができる燃料電池システムに関する。
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。燃料電池は、電解質の種類により、水酸化カリウム型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、固体高分子型燃料電池等に分類される。特に、後２者は、固体電解質を用いるので取り扱いが容易であることから電動車両用の電源として注目されている。
ところで、一般に地上で使用される燃料電池に供給する酸化剤ガスとしては、空気が用いられている。燃料電池の空気供給系は、空気中の塵埃を除去して浄化するエアフィルタ、浄化された空気を所望の圧力まで加圧するコンプレッサ、コンプレッサから燃料電池スタックまでの配管等から構成されている。
このような構成の燃料電池は、特に塵埃が多い環境下で使用されるとエアフィルタに目詰まりが生じたり、コンプレッサの経年変化により空気供給能力が低下したり、燃料電池スタック自体の経年変化等により、出力電圧が低下することが知られている。
燃料電池の反応ガス供給不足を検出する従来技術としては、電解質膜のアノード側に参照電極を設け、この参照電極とアノードとの電位差と電流との関係を示す基準線を設定し、発電中に計測した電位差を基準線と比較して燃料ガス供給の不足を判断する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
また、燃料電池の出力電流が急増することを検出した時に、反応ガスの供給量に見合う電流値以下に出力電流を制限し、この制限された電流値に基づいて反応ガスの供給量を制御する技術が知られている（例えば、特許文献２）。
特開２００３−３３１８９５号公報（第４頁、図６）
特開平１０−３２６６２５号公報（第６頁、図５）
しかしながら、上記特許文献１記載のようなシステムでは、以下のような問題点があった。
（１）制御実行毎に参照電極とアノード電極間の基準線を計測するので、通常の発電状態になるまでに遅れがある。
（２）燃料電池スタック内部に参照電極を配置する必要があるので、燃料電池スタックの構造が複雑化する。
（３）参照電極の電位が一定であることを前提としており、参照電極の電位が偏倚したときに、誤ってガス供給不足と判断して、ガス流量を増加させたり出力電流を制限してしまう。
（４）電極触媒または電解質膜のイオン導電性等の経時劣化により燃料電池セルの発電性能そのものが低下した場合、ガス供給を増加させても基準電流電圧特性に達しない場合があり、反応に寄与しないガス排出が増加するので、発電効率が低下する。
（１）制御実行毎に参照電極とアノード電極間の基準線を計測するので、通常の発電状態になるまでに遅れがある。
（２）燃料電池スタック内部に参照電極を配置する必要があるので、燃料電池スタックの構造が複雑化する。
（３）参照電極の電位が一定であることを前提としており、参照電極の電位が偏倚したときに、誤ってガス供給不足と判断して、ガス流量を増加させたり出力電流を制限してしまう。
（４）電極触媒または電解質膜のイオン導電性等の経時劣化により燃料電池セルの発電性能そのものが低下した場合、ガス供給を増加させても基準電流電圧特性に達しない場合があり、反応に寄与しないガス排出が増加するので、発電効率が低下する。
上記問題点を解決するために、本発明は、反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、該燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、該燃料電池の基準電流電圧特性を予め記憶する基準電流電圧特性記憶手段と、該燃料電池の発電時の電流及び電圧を検出する出力検出手段と、検出された電流値における前記基準電流電圧特性から求められる基準電圧値と検出された電圧値との比較に基づいて前記反応ガスの供給不整合を検出するガス供給不整合検出手段と、前記ガス供給不整合検出手段により前記反応ガスの供給不整合が検出されたときに、前記基準電圧値と前記検出電圧値との比較結果に基づいて、反応ガス供給量を制御するガス供給制御手段と、を備え、前記ガス供給制御手段は、前記基準電圧値と前記検出電圧値との比較でガス供給不整合が検出された場合に、さらに、前回の検出電圧値と今回の検出電圧値との比較結果を考慮して前記反応ガス供給手段が供給する反応ガス供給量を変更することを要旨とする燃料電池システムである。
本発明によれば、反応ガスの供給不整合を確実に検出することができる燃料電池システムを提供することができるという効果がある。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の実施例において、本発明を固体高分子型燃料電池に適用した例を説明するが、固体高分子型に限らず、固体酸化物型燃料電池等の他の形式の燃料電池にも本発明を適用可能であることは明らかである。
図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池システム１は、カソード３とアノード４を備える燃料電池（本体）２と、酸化剤ガスとしての空気を濾過するエアフィルタ５と、濾過された空気を圧縮するコンプレッサ６と、コンプレッサ６を回転駆動するコンプレッサモータ７と、コンプレッサ６からカソード３へ空気を供給する空気供給配管８と、カソード３の空気圧力を調整する空気圧力調整弁（調圧弁）９と、燃料ガスとしての水素を貯蔵する水素容器１０と、水素圧力を調整する水素圧力調整弁（調圧弁）１１と、水素供給配管１２と、水素供給配管１２から供給される水素を駆動流としてアノードオフガスを水素循環配管１４を介して再循環させる流体ポンプであるエゼクタ１３と、エゼクタ１３で混合された新規水素ガスとアノードオフガスの混合ガスをアノード４に供給する水素供給配管１５と、アノードオフガスを系外へ排出するパージ弁１６と、負荷装置１７と、燃料電池２の出力電流を検出する電流計１８と、出力電圧を検出する電圧計１９と、コントローラ２１と、コンプレッサモータインバータ２２とを備えている。
燃料電池２は、例えば固体高分子型燃料電池であり、カソード３に供給された空気中の酸素と、アノード４に供給された水素とを反応ガスとして、これらの電気化学反応により発電する。この発電電力は、電流計１８を介して負荷装置１７へ供給される。また燃料電池２の発電電圧は、電圧計１９により検出される。
エアフィルタ５は、大気を吸入して塵埃や化学的不純物を除去した清浄な空気をコンプレッサ６へ供給する。コンプレッサ６は、清浄な空気を圧縮してカソード３へ供給する。コンプレッサ６は、コンプレッサモータ７により回転駆動され、モータ７の回転速度は、コンプレッサモータインバータ２２から供給される交流電流の周波数により制御される。
燃料ガスである水素は、高圧水素タンクや水素吸蔵材料タンクを用いた水素容器１０から、水素圧力調整弁１１及び水素供給配管１２を介してエゼクタ１３のノズルに供給される。エゼクタ１３は、ノズルに供給される水素と、アノード４から排出され水素循環配管１４を介して還流するアノードオフガスとを混合して、水素供給配管１５を介してアノード４へ供給する。アノード４の出口側に設けられたパージ弁１６は、アノード４及び水素循環配管１４を含む水素循環路内に蓄積した窒素や液水等を系外へ排出する際に開放される。
尚、燃料電池システム１に、水素ガス及び空気を加湿する加湿器や、燃料電池２を冷却する冷却系を備えてもよい。
コントローラ２１は、ガス供給不整合検出手段２３と、基準電流電圧特性記憶手段２４と、ガス供給制御手段２５とを備えている。
基準電流電圧特性記憶手段２４は、燃料電池２の反応ガス供給が適正な場合の基準電流電圧特性を記憶する。ガス供給不整合検出手段２３は、燃料電池２の出力検出手段である電流計１８と電圧計１９の検出値を読み込み、検出された電流値における基準電流電圧特性記憶手段２４から求められる基準電圧値と、検出された電圧値との比較に基づいて反応ガスの供給不整合を検出する。
ガス供給制御手段２５は、ガス供給不整合検出手段２３により反応ガスの供給不整合が検出されたときに、基準電圧値と検出電圧値との比較結果に基づいて、反応ガス供給量を増減制御する。
この反応ガスの供給量を制御する際に、空気供給量の制御は、コントローラ２１からコンプレッサモータインバータ２２に対してコンプレッサ６の回転速度を指示すると共に、空気圧力調整弁９の開度を制御することにより達成される。
一方、水素ガスの供給量制御は、コントローラ２１から水素圧力調整弁１１の開度を制御することにより達成される。
ガス供給制御手段２５は、これら空気及び水素ガスの供給量制御のために、例えば、要求空気流量とコンプレッサ回転速度との対応テーブル、要求空気流量と空気圧力調整弁開度との対応テーブル、要求水素流量と水素圧力調整弁開度との対応テーブルを記憶しているものとする。
コントローラ２１は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
上記構成による燃料電池システム１において、特に塵埃の多い環境下で燃料電池システムが運用されてエアフィルタ５に目詰まりが生じたり、燃料電池システムが高地に移動して気圧が低下したり、コンプレッサ６の経時劣化、空気または水素の圧力調整弁９、１１の劣化等により反応ガスの供給量が低下し、燃料電池電圧が基準電流電圧特性より低下することがある。
この場合、コントローラ２１は、電流計１８、電圧計１９の検出信号と、基準電流電圧特性記憶手段２４に記憶した燃料電池２の基準電流電圧特性に基づいて、反応ガス供給の不整合を検出し、この不整合を解消するように反応ガス供給を制御する。
次に、コントローラ２１によるガス供給不整合検出及びガス供給量制御の内容を図２のフローチャートを参照して説明する。尚、このフローチャートは、燃料電池システム１の起動後、所定時間（例えば、５０［ｍＳ］）毎に呼び出されて実行されるものとする。
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、コントローラ２１は、燃料電池に対する要求出力を読み込む。次いでＳ１２で、コントローラ２１は、要求出力に対応する水素及び空気の反応ガス流量（質量流量）を算出する。この要求出力に対応する反応ガス流量の算出は、ファラデー定数及び燃料電池に対する要求電流から、単位時間当たりの反応ガス流量を求めることにより達せられる。
次いでＳ１４で、コントローラ２１は、それぞれ算出した反応ガス流量に、所定のストイキ比（反応ガス過剰供給率、例えば、１．７）を乗じて要求ガス流量（要求空気流量及び要求水素流量）を算出する。
Ｓ１６では、コントローラ２１は、要求空気流量とコンプレッサ回転速度との対応テーブルを参照して、コンプレッサ６の目標回転速度を算出する。次いで、Ｓ１８では、コントローラ２１は、空気圧力調整弁９及び水素圧力調整弁１１の開度を、それぞれ要求空気流量と空気圧力調整弁開度との対応テーブル、要求水素流量と水素圧力調整弁開度との対応テーブルを参照して、算出する。
次いでＳ２０で、コントローラ２１は、コンプレッサ回転速度をコンプレッサモータインバータ２２へ出力するとともに、空気圧力調整弁９及び水素圧力調整弁１１へそれぞれの開度を出力する。
次に、Ｓ２２でコントローラ２１は、電流計１８及び電圧計１９から燃料電池の実測電流値Ｉm ［Ａ］及び実測電圧値Ｖm ［Ｖ］を読み込む。次いでコントローラ２１は、Ｓ２４で実測電流値Ｉm ［Ａ］に対応する基準電圧値Ｖs ［Ｖ］を基準電流電圧特性記憶手段から読み出し、Ｓ２６で、基準電圧値Ｖs より実測電圧値Ｖm が低いか否かを判定する。
Ｓ２６の判定で、基準電圧値Ｖs より実測電圧値Ｖm が低ければ、ガス供給不足と判断して、Ｓ２８へ進む。Ｓ２６の判定で、基準電圧値Ｖs より実測電圧値Ｖm が低くなければ、ガス供給不足ではないと判断してＳ３６へ進む。
Ｓ２８では、基準電圧値の低下の程度を判定するために、基準電圧値Ｖs −実測電圧値Ｖm が所定値αより小さいか否かを判定する。この所定値αは、基準電圧値Ｖs の一定割合（例えば、１５％）としてもよいし、基準電流電圧特性と同様に、基準電流に対する所定値αの値を予め基準電流電圧特性記憶手段２４に記憶させて必要時に読み出してもよく、また簡易的な方法としては、実測電流値に限らず一定値としてもよい（図３参照）。
Ｓ２８の判定で基準電圧値Ｖs −実測電圧値Ｖm が所定値αより小さければ、実測電圧値Ｖm は許容範囲内であるので、コントローラ２１は、ガス供給量の増減は行わず、リターンする。
Ｓ２８の判定で基準電圧値Ｖs −実測電圧値Ｖm が所定値α以上であれば、実測電圧値が許容範囲より低下しているので、Ｓ３０へ移る。Ｓ３０では、コントローラ２１は、前回の実測電圧値Ｖm-1 を読み出し、Ｓ３２で、Ｖm −Ｖm-1 が所定値γより小さいか否かを判定する。この所定値γは、燃料電池の電極触媒や電解質膜の劣化等により、反応ガス供給量を増加しても実測電圧値が増加しないことによる過剰な供給量増加を抑制するためのパラメータである。所定値γは、燃料電池の構造、電極触媒の材質、電解質膜の材質、燃料電池の運転条件等により異なるもので、予め実験的に求めた値をコントローラ２１に記憶しておくものとする。
Ｓ３２の判定で、Ｖm −Ｖm-1 が所定値γより小さければ、コントローラ２１は、反応ガス供給量の増加を行わずにリターンする。Ｓ３２の判定で、Ｖm −Ｖm-1 が所定値γ以上であれば、さらに反応ガス供給量を増加することにより実測電圧値Ｖm の改善の見込みがあるとして、Ｓ３４へ進む。Ｓ３４では、コントローラ２１は、コンプレッサ６の回転速度上昇、水素圧力調整弁１１の開度増加により、反応ガス供給量を例えば一定のストイキ比増加幅（例えば、ストイキ比０．１）だけ増加させて、Ｓ２２へ戻る。このように、本実施例では、ガス供給不足と判断した場合、反応ガス供給量を増加させて燃料電池電圧の回復を行っているので、燃料電池の発電効率を維持することができる。
Ｓ３６では、コントローラ２１は、実測電圧値Ｖm −基準電圧値Ｖs が所定値βより小さいか否かを判定する。この所定値βは、基準電圧値Ｖs の一定割合（例えば、１５％）としてもよいし、基準電流電圧特性と同様に、基準電流に対する所定値βの値を予め基準電流電圧特性記憶手段２４に記憶させて必要時に読み出してもよく、また簡易的な方法としては、実測電流値に限らず一定値としてもよい（図３参照）。
Ｓ３６の判定で、実測電圧値Ｖm −基準電圧値Ｖs が所定値βより小さければ、実測電圧値Ｖm は、許容範囲内であるので、ガス供給量の減少は行わずにリターンする。Ｓ３６の判定で、実測電圧値Ｖm −基準電圧値Ｖs が所定値β以上であれば、Ｓ３８へ進む。Ｓ３８では、コントローラ２１は、コンプレッサ６の回転速度低下、水素圧力調整弁１１の開度減少により、反応ガス供給量を例えば一定のストイキ比減少幅（例えば、ストイキ比０．１）だけ減少させて、Ｓ２２へ戻る。このように、本実施例では、反応ガス供給量が多すぎる場合に、反応ガス供給量を減少させているので、コンプレッサが過剰な空気供給による無駄な仕事（電力消費）をすることなく、燃料電池システム全体としての発電効率を維持することができる。
図４は、燃料電池の電極触媒や電解質膜の劣化等により、一定の出力電流の条件において、反応ガス供給量を一定のストイキ比増加幅ずつ増加しても実測電圧値が増加しない場合を説明する図である。
例えば、コンプレッサの劣化やエアフィルタの目詰まり等により反応ガスのストイキ比が低下し、図２のＳ２２で測定した初回の実測電圧値がＶm-3 となり、図示しない基準電圧値Ｖs より低下していたとする。このとき、Ｓ２４，Ｓ２６，Ｓ２８，Ｓ３０，Ｓ３２を経て、Ｓ３４において、一定のストイキ比増加幅だけ反応ガス供給量を増加し、Ｓ２２へ戻り、２回目の実測電圧値Ｖm-2 が初回の実測電圧値Ｖm-3より増加する。以下、反応ガス供給量の増加と電圧測定を繰り返し、３回目の実測電圧値Ｖm-1 ，４回目の実測電圧値Ｖm を得たとする。この実測電圧値の時系列値を見ると、ガス供給量の増加に連れて、前回に比べた実測電圧値の電圧上昇幅は減少している。
ところが実測電圧値の低下原因が反応ガス供給量の低下ではなく、燃料電池の電極触媒や電解質膜の劣化等による場合、適正な反応ガス供給量においても実測電圧値は電圧値の許容範囲下限を超えることはなく、反応ガス供給量の増加終了条件を実測電圧値が許容範囲下限を超えることとすると、反応ガス供給過剰となって、コンプレッサ駆動電力が無駄に増加し燃料電池の発電効率が著しく低下する。この問題を回避するために、前回の実測電圧値から反応ガス供給増加後の今回の実測電圧値までの電圧上昇幅が所定値γを下回った場合（図２のＳ３２の判定がＹｅｓの場合）、実測電圧値が許容範囲下限に達しなくても反応ガス供給量の増加を打ち切るように制御している。
１…燃料電池システム
２…燃料電池
３…カソード
４…アノード
５…エアフィルタ
６…コンプレッサ
７…コンプレッサモータ
８…空気供給配管
９…空気圧力調整弁
１０…水素容器
１１…水素圧力調整弁
１２…水素供給配管
１３…エゼクタ
１４…水素循環配管
１５…水素供給配管
１６…パージ弁
１７…負荷装置
１８…電流計
１９…電圧計
２１…コントローラ
２２…コンプレッサモータインバータ
２３…ガス供給不適合検出手段
２４…基準電流電圧特性記憶手段
２５…ガス供給制御手段
２…燃料電池
３…カソード
４…アノード
５…エアフィルタ
６…コンプレッサ
７…コンプレッサモータ
８…空気供給配管
９…空気圧力調整弁
１０…水素容器
１１…水素圧力調整弁
１２…水素供給配管
１３…エゼクタ
１４…水素循環配管
１５…水素供給配管
１６…パージ弁
１７…負荷装置
１８…電流計
１９…電圧計
２１…コントローラ
２２…コンプレッサモータインバータ
２３…ガス供給不適合検出手段
２４…基準電流電圧特性記憶手段
２５…ガス供給制御手段
Claims (4)
- 反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスとの供給を受けて発電する燃料電池と、
該燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
該燃料電池の基準電流電圧特性を予め記憶する基準電流電圧特性記憶手段と、
該燃料電池の発電時の電流及び電圧を検出する出力検出手段と、
検出された電流値における前記基準電流電圧特性から求められる基準電圧値と検出された電圧値との比較に基づいて前記反応ガスの供給不整合を検出するガス供給不整合検出手段と、
前記ガス供給不整合検出手段により前記反応ガスの供給不整合が検出されたときに、前記基準電圧値と前記検出電圧値との比較結果に基づいて、反応ガス供給量を制御するガス供給制御手段と、
を備え、
前記ガス供給制御手段は、前記基準電圧値と前記検出電圧値との比較でガス供給不整合が検出された場合に、さらに、前回の検出電圧値と今回の検出電圧値との比較結果を考慮して前記反応ガス供給手段が供給する反応ガス供給量を変更する
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記基準電圧値に基づいて設定される許容電圧範囲の上限より前記検出電圧値が高い場合に、反応ガスの供給量を減少させて、前記検出電圧値が前記許容電圧範囲となるように制御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。
- 前記基準電圧値に基づいて設定される許容電圧範囲の下限より前記検出電圧値が低い場合に、前記実測電圧値が許容範囲の下限を超えるまで反応ガス供給量を増加させ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。
- 反応ガス供給量を増加させる前の前記検出電圧値から反応ガス供給量を一定量増加させた後の前記検出電圧値までの電圧上昇幅が所定値以下となった場合に、前記実測電圧値が許容範囲下限を超えていなくても反応ガス供給量を増加しないことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
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