JP6432745B2 - 電力供給システム - Google Patents

Description

本発明は、電力供給システムに関する。

近年、燃料電池及び二次電池を電源として使用する電力供給システムを搭載した燃料電池自動車が注目されている。このような電力供給システムにおいて、複数の燃料電池スタックを搭載したシステムが知られている。特許文献１には、複数の燃料電池スタックを備え、燃料電池スタックの運転停止中に内部の湿度が所定値を超えている燃料電池スタックに対して掃気（パージ）を行う電力供給システムについて開示されている。

特開２００９−１４０６７７号公報

しかしながら、複数の燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの運転停止時に燃料タンクに充填された燃料を燃料電池スタックに供給することによりパージを実施する場合、パージの条件を満たす度に複数の燃料電池スタックのうち当該条件を満たした燃料電池スタックに対するパージが実施される。当該パージのために燃料タンクの高圧弁の開閉が実施されるため、パージの度にバッテリに蓄電された電力が消費される。その結果、繰り返し実施されるパージによるバッテリの電力消費により、燃料電池システムの運転の開始のための起動電力が不足してしまう虞がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものである。本発明の課題は、複数の燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの運転停止時のパージによる消費電力を低減する技術を提供することにある。

本発明に係る電力供給システムは、複数の燃料電池スタックと、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料を供給可能に接続された複数の燃料タンクと、前記複数の燃料電池スタックの運転停止中に、前記複数の燃料電池スタックのうち、第一の燃料電池スタックの状態を判定する判定手段と、前記判定の結果に応じて、前記複数の燃料電池スタックを起動し、前記複数の燃料タンクの開閉弁を開放して前記複数の燃料電池スタックに燃料を供給することにより、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに対してパージを実施するパージ実施手段とを備える。

本発明によれば、複数の燃料電池スタックを搭載した燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックの運転停止時のパージによる消費電力を低減する技術を提供することができる。

一実施形態に係る移動体の概略構成を示す図である。 一実施形態に係る制御部の概略構成を示す図である。 一実施形態に係る電力供給システムによる処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。ただし、発明の範囲をこれらに限定するものではない。

［電力供給システムの構成］
図１を参照して、本発明の一実施形態における電力供給システムに含まれるの配管の例示的な概略構成を説明する。同図には、燃料電池自動車などの移動体１が備える電力供給システム１０に含まれる配管の例示的な概略構成が示されている。電力供給システム１０は、燃料電池スタックによる電力供給系統として、系統Ｒ及び系統Ｌを備える。すなわち、電力供給システム１０は、複数の電力供給系統（燃料電池スタック）を備える。また、電力供給システム１０は、系統Ｒ及び系統Ｌの動作を制御するための制御部７０を備える。

系統Ｒは、主な構成として、燃料電池スタック（第一の燃料電池スタック）、レギュレータ３０、及び燃料タンク３１−３５を備える。燃料電池スタック２０は、複数のセル（アノード、カソード、及び電解質を備える単一の電池（発電体））を直列に積層してなる固体高分子電解質形のセルスタックを含んで構成される。燃料電池スタック２０による通常の発電時の運転において、アノードにおいて（１）式の酸化反応が生じ、カソードにおいて（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じることにより、電力を発生する。
Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ （２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （３）

また、燃料電池スタック２０は、湿度センサ２１を含む。湿度センサ２１は、燃料電池スタック２０内の湿度を測定し、測定された値を出力するセンサである。

燃料タンク３１−３５は、燃料ガスとして、高圧の水素ガスをそれぞれ貯蔵する。燃料タンク３１−３５は、水素流路を介してそれぞれレギュレータ３０と接続されている。レギュレータ３０は、燃料タンク３１−３５から放出された水素ガスの圧力を調節し、圧力調整後の水素ガスを供給路３６を介して燃料電池スタック２０に供給する調節弁である。

供給路３６には、圧力センサ３７及びバルブ３８が設けられている。圧力センサ３７は、レギュレータ３０を介して供給される水素ガスの圧力を測定するセンサである。バルブ３８は、供給路３６を開閉するための開閉弁である。アノードオフガス排出路２２は、燃料電池スタック２０における上記の酸化還元反応で使用されなかった余剰の水素ガス等を含む混合ガスを燃料電池スタック２０から排出するための流路である。

系統Ｌは、燃料電池スタック４０（第二の燃料電池スタック）、湿度センサ４１、アノードオフガス排出路４２、レギュレータ５０、燃料タンク５１−５５、供給路５６、圧力センサ５７、及びバルブ５８を備える。これらの構成は、それぞれ、系統Ｒにおける燃料電池スタック２０、湿度センサ２１、アノードオフガス排出路２２、レギュレータ３０、燃料タンク３１−３５、供給路３６、圧力センサ３７、及びバルブ３８と同様に動作し、機能するため、ここでは説明を省略する。

また、系統Ｒにおける供給路３６と系統Ｌにおける供給路５６は、経路ｃにより水素ガスなどの流体を流通可能に接続されている。すなわち、系統Ｒと系統Ｌは、燃料タンク３１−３５及び燃料タンク５１−５５の間で相互に連通した経路ｃにより接続されている。

水素タンクごとに水素ガスの貯蔵量に隔たりが生じているときに、燃料タンク３１−３５及び燃料タンク５１−５５に対して水素ガスの充填を行うと、規定量を超過した充填が行なわれる可能性がある。本実施形態のように系統Ｒと系統Ｌが経路ｃにより連通していることにより、上記のように規定量を超過して充填されることを防ぐことができる。

制御部７０は、電力供給システム１０が備える各構成の動作及び処理を制御する。制御部７０は、特に、燃料電池スタック２０及び燃料電池スタック４０の運転停止中に、これらの燃料電池スタックを起動し、掃気（パージ）を実施することを制御する。本実施形態において、パージは、バルブ３８及びバルブ５８を開弁し、燃料タンク３１−３５及び燃料タンク５１−５５からレギュレータ３０及びレギュレータ５０を介して供給された水素ガスを燃料電池スタック２０及び燃料電池スタック４０に供給することにより実施される。

図２を参照して、制御部７０の構成と、パージの制御について説明する。同図に示すように、制御部７０は、バッテリＢ、ＦＣ−Ｒ７０１、リレー７０２、ＨＶ−Ｒ７０３、リレー７０４、リレー７０５、リレー７０６、ＦＣ−Ｌ７０７、及びＨＶ−Ｌ７０８を主な構成として備える。

バッテリＢは、制御部７０が備える構成の駆動電力を供給するための蓄電部である。バッテリＢは、例えば、１２Ｖ電圧の電力を出力する。

ＦＣ−Ｒ７０１は、系統Ｒに備える構成の動作を制御するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）である。ＦＣ−Ｒ７０１は、燃料電池スタック２０，４０の運転停止中に、内部タイマーにより起動しＩＧＣＴ端子を介して接続されたリレー７０２に制御信号を出力する。リレー７０２は、ＦＣ−Ｒ７０１のＩＧＣＴ端子からの制御信号の入力に応じて、閉状態（ＯＮ）状態となり、リレー７０２に接続されたバッテリＢからの電力が駆動電力として＋Ｂ端子を介してＦＣ−Ｒ７０１に供給される。

ＦＣ−Ｒ７０１は、起動後、燃料電池スタック２０の状態を判定することにより、パージの実施の要否を判定する。当該判定の方法として、例えば、ＦＣ−Ｒ７０１は、湿度センサ２１により測定された燃料電池スタック２０内の湿度の値を取得し、当該湿度の値が所定の閾値（例えば、70%RH）以上である場合、パージの実施が必要であると判断する。パージの実施が必要であると判断されると、ＦＣ−Ｒ７０１は、ＰＩＢＭ端子を介して接続されたＨＶ−Ｒ７０３に制御信号を出力する。

ＨＶ−Ｒ７０３は、系統Ｒの高圧系の補機の動作を制御するためのＥＣＵである。ＨＶ−Ｒ７０３は、ＰＩＢＭ端子を介してＦＣ−Ｒ７０１から制御信号を受信したときに起動し、ＭＲＥＬ端子を介して接続されたリレー７０４に制御信号を出力する。リレー７０４は、当該制御信号を受信すると、ＯＮ状態になる。リレー７０４がＯＮ状態になると、バッテリＢからの電力が駆動電力としてＨＶ−Ｒ７０３に供給される。ＨＶ−Ｒ７０３は、駆動電力が供給されると、バルブ３８を開弁し、燃料タンク３１−３５からレギュレータ３０を介して供給された水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するように制御することにより、燃料電池スタック２０のパージの実施を制御する。すなわち、ＨＶ−Ｒ７０３は、パージ実施手段として機能する。

ＨＶ−Ｒ７０３は、駆動電力が供給された後、さらに、ＭＲＬ２端子を介して接続されたリレー７０５に制御信号を出力し、リレー７０５をＯＮ状態にする。リレー７０５がＯＮ状態になると、バッテリＢからリレー７０４及びリレー７０５を介して流れる電流により、リレー７０５と接続されたリレー７０６がＯＮ状態となる。リレー７０６がＯＮ状態になると、バッテリＢからリレー７０６を介して電力が駆動電力としてＦＣ−Ｌ７０７に供給される。

ＦＣ−Ｌ７０７は、系統Ｌに備える構成の動作を制御するためのＥＣＵである。ＦＣ−Ｌ７０７は、リレー７０６を介して駆動電力の供給を受けて起動し、ＰＩＢＭ端子を介して接続されたＨＶ−Ｌ７０８に制御信号を出力する。

ＨＶ−Ｌ７０８は、系統Ｌの高圧系の補機の動作を制御するためのＥＣＵである。ＨＶ−Ｌ７０８は、ＰＩＢＭ端子を介してＦＣ−Ｌ７０７から制御信号を受信したときに起動し、燃料電池スタック４０のパージの実施を制御する。具体的には、ＨＶ−Ｌ７０８は、バルブ５８を開弁し、燃料タンク５１−５５からレギュレータ５０を介して供給された水素ガスを燃料電池スタック４０に供給するように制御する。すなわち、ＨＶ−Ｌ７０８は、パージ実施手段として機能する。

以上のように本実施形態における電力供給システム１０によれば、ＦＣ−Ｒ７０１は、燃料電池スタック２０，４０の運転停止中に、燃料電池スタック２０のパージの実施の要否を判定し、必要と判定された場合、ＨＶ−Ｒ７０３及びＨＶ−Ｌ７０８は、バルブ３８，５８を開弁し、燃料タンク３１−３５，５１−５５からレギュレータ３０，５０を介して供給された燃料ガス（水素ガス）を燃料電池スタック２０，４０に供給するように制御することにより、燃料電池スタック２０，４０のパージの実施を制御する。

電力供給システム１０は上記のように構成されていることにより、燃料電池スタック２０，４０の運転停止中に、各燃料電池スタックにおけるパージ要求毎に要求の発生した燃料電池スタックに対してのみパージを実施するのではなく、燃料電池スタック２０，４０のうち一方でパージ要求が発生した時に燃料電池スタック２０，４０の双方に対してパージを実施する。従って、燃料電池スタック２０，４０の運転停止中におけるパージにより電力消費を低減することができる。

また、本実施形態の電力供給システム１０において、系統Ｒと系統Ｌは、経路ｃにより連通している。従って、燃料電池スタック２０，４０のうち一方のみに対してパージを実施すると、圧力の隔たりにより供給路３６や供給路５６などの電力供給システム１０内の構成が破損する虞が生じうる。しかしながら、本実施形態では、燃料電池スタック２０，４０のうち一方でパージ要求が発生した時に燃料電池スタック２０，４０の双方に対してパージを同時に実施することにより、上記のような破損を回避することができる。

［制御フロー］
図３を参照して、燃料電池スタック２０，４０のパージの制御のフローを説明する。この処理は、制御部７０により制御により実行される。

まず、ステップＳ１１において、制御部７０は、燃料電池スタック２０，４０の運転停止中に、タイマーにより起動する。次いで、ステップＳ１２において、制御部７０は、系統Ｒの燃料電池スタック２０の状態を判定することにより、燃料電池スタック２０のパージの実施要否を判定する。例えば、制御部７０は、湿度センサ２１により測定された燃料電池スタック２０内の湿度の値を取得し、当該湿度の値が所定の閾値以上である場合、パージの実施が必要であると判定する。必要であると判定された場合、処理はステップＳ１３へ進み、他の場合、図３に示す処理を終了する。

ステップＳ１３において、制御部７０は、バルブ３８を開弁し、燃料タンク３１−３５からレギュレータ３０を介して供給された水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するように制御することにより、燃料電池スタック２０のパージの実施を制御する。すなわち、制御部７０は、燃料電池スタック２０の状態の判定結果に応じて、燃料電池スタック２０のパージの実施を制御する。

次いで、ステップＳ１４において、制御部７０は、バルブ５８を開弁し、燃料タンク５１−５５からレギュレータ５０を介して供給された水素ガスを燃料電池スタック４０に供給するように制御することにより、燃料電池スタック４０のパージの実施を制御する。なお、制御部７０は、ステップＳ１３における燃料電池スタック２０のパージと、ステップＳ１４における燃料電池スタック４０のパージを同時に実施するように制御することができる。

次いで、制御部７０は、次に起動するためのタイマーを設定し、図３に示す処理を終了する。

以上のように本実施形態における電力供給システム１０によれば、燃料電池スタック２０，４０の運転停止中に、各燃料電池スタックにおけるパージ要求毎に要求の発生した燃料電池スタックに対してのみパージを実施するのではなく、燃料電池スタック２０，４０のうち一方でパージ要求が発生した時に燃料電池スタック２０，４０の双方に対してパージを実施する。従って、燃料電池スタック２０，４０の運転停止中におけるパージにより電力消費を低減することができる。

以上、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲はかかる実施形態に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属する。

１０ 電力供給システム
２０，４０ 燃料電池スタック
３０，５０ レギュレータ
３１，３２，３３，３４，３５ 燃料タンク
５１，５２，５３，５４，５５ 燃料タンク
７０ 制御部

Claims (4)

1. 複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料を供給可能に接続された複数の燃料タンクと、
   前記複数の燃料電池スタックの運転停止中に、前記複数の燃料電池スタックのうち、第一の燃料電池スタックの状態を判定する判定手段と、
   前記判定の結果に応じて、前記複数の燃料電池スタックを起動し、前記複数の燃料タンクの開閉弁を開放して前記複数の燃料電池スタックに燃料を供給することにより、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに対してパージを実施するパージ実施手段と
   を備える電力供給システム。
2. 前記複数の燃料タンクは、相互に連通した経路により接続されている、請求項１に記載の電力供給システム。
3. 前記複数の燃料電池スタックに対する前記パージ実施手段による前記パージを同時に実施するように制御する制御手段を備える、請求項１又は２に記載の電力供給システム。
4. 複数の燃料電池スタックと、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに燃料を供給可能に接続された複数の燃料タンクと、
   前記複数の燃料電池スタックの運転停止中に、前記複数の燃料電池スタックのうち、第一の燃料電池スタックの状態を判定する判定手段と、
   前記判定の結果に応じて、前記複数の燃料電池スタックを起動し、前記複数の燃料タンクの開閉弁を開放して前記複数の燃料電池スタックに燃料を供給することにより、前記複数の燃料電池スタックのそれぞれに対してパージを実施するパージ実施手段と
   を備える移動体。