JP6593779B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

複数のセルを積層した燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転中に一部のセルに負電圧が発生すると、燃料電池全体の性能が低下し、また、セルの電極が劣化してしまうおそれがある。

このため、燃料電池を備えた燃料電池システムには、セルの電圧を検出し、温度が所定温度以上であり、かつ、電圧の変動速度が所定の閾値以下となる状態が一定時間継続する場合に燃料電池の電流制限を行うものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１７１６８２号公報

ところで、複数のセルの電圧値を１ｃｈの電圧モニタで監視するシステムでは、複数のセルの電圧の和が検出されるため、各セルでのドライアップに伴う電圧降下の検出が困難であり、燃料電池の出力制限のタイミングが遅れてセルが劣化する恐れがある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コストを抑制しつつドライアップに伴う電圧降下を良好に検出して燃料電池の出力制限を適切に行う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している。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
複数のセルを有する燃料電池と、
前記複数のセルの電圧値を１チャンネルで監視する電圧モニタ部と、
前記燃料電池の抵抗値を測定する抵抗測定部と、
前記電圧モニタ部からの電圧値が予め設定された制限開始電圧値に達した際に、前記燃料電池の出力を制限する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記抵抗測定部によって測定された前記燃料電池の抵抗値が所定値以上となった際に、前記燃料電池の出力制限を開始する前記制限開始電圧値の設定電圧値を高くする。

この構成の燃料電池システムによれば、燃料電池の抵抗値が上昇したときに、燃料電池の出力制限を開始するときの制限開始電圧値を高い電圧値に設定するため、出力制限のタイミングを早くすることができる。これにより、燃料電池を構成する複数のセルの電圧値を１チャンネルの電圧モニタ部で監視する場合でも、早期に出力制限を行うことができるので、ドライアップによる電圧降下でセルが劣化することを抑制できる。つまり、電圧モニタ部を１チャンネルとしてコストを抑えつつ、電圧降下によるセルの劣化を抑制できる。

本発明の燃料電池システムによれば、コストを抑制しつつドライアップに伴う電圧降下を良好に検出して燃料電池の出力制限を適切に行うことが可能な燃料電池システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 燃料電池の電圧降下について説明する図であって、（ａ）は各セルの電圧を多チャンネルのセルモニタでそれぞれ検出する場合の電圧降下を示す図であり、（ｂ）は複数のセルの電圧値を１チャンネルのセルモニタで検出する場合の電圧降下を示す図である。 制御装置による出力制限について説明する燃料電池の抵抗値と電圧値との関係を示す図である。

次に、本発明に係る燃料電池システムの一実施の形態を説明する。以下、この燃料電池システムを燃料電池車両の車載発電システムに適用した場合について説明するが、本発明はこのような適用例に限らず、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体への適用や、例えば燃料電池が建物（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への適用も可能である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池システム１は、燃料電池２やバッテリ５２で発生させた電力を、トラクションインバータ５３を介してトラクションモータＭ３に供給することにより、トラクションモータＭ３を回転駆動するものである。燃料電池システム１は、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２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置（制御部）６等を備えている。

燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、複数のセル２０を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２を構成するセル２０は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。すなわち、燃料電池２においては、アノード電極において酸化反応が生じ、カソード電極において還元反応が生じ、燃料電池２全体として起電反応が生じる。

燃料電池２には、出力電流及び出力電圧を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂが取り付けられている。また、セルモニタ（電圧モニタ部）２ｃが、燃料電池２に接続されており、燃料電池２のセル２０の出力電圧を検出する。セルモニタ２ｃは、複数のセル２０の群電圧及び平均セル電圧を検出する１ｃｈの電圧モニタである。また、燃料電池２には、燃料電池２のスタック温度を測定する温度センサ２ｄが取り付けられている。さらに、燃料電池２には、燃料電池２の抵抗値を検出する抵抗測定器２ｅが設けられている。

酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。

エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給するものである。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される空気を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。

加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。

燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料供給流路４２、燃料循環流路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。

燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料供給流路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、その流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。水素供給バルブＨ２は、燃料供給流路４２内を流通する燃料ガスの圧力を調整するものである。

燃料循環流路４３は、燃料電池２から排出される未反応燃料ガスを燃料供給流路４２に還流させるための帰還ガス流路であり、その流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料供給流路４２へと送出される。燃料供給流路４２から燃料循環流路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。パージバルブＨ５は、燃料循環流路４３内のガスを外部に排出するものである。

電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、トラクションモータＭ３に対して燃料電池２と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能するものである。バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。

トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ａが取付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。

制御装置６は、燃料電池システム１の各部を統合的に制御するためのコンピュータシステムであり、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有している。制御装置６は、各種センサから供給される信号（例えば、回転数検知センサ５ａやアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａ等から送出される各センサ信号）の入力を受けて、負荷装置の負荷（要求出力）を算出する。そして、制御装置６は、この負荷に対応する出力電力を発生させるように、燃料電池２への反応ガスの供給等を制御することで、燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。また、制御装置６は、セルモニタ２ｃ、温度センサ２ｄ及び抵抗測定器２ｅからの出力を常時監視して燃料電池２の発電を制御する。

制御装置６は、燃料電池２の出力を制限し（以下、「出力制限」ともいう）、負電圧の発生を抑制する。具体的には、制御装置６は、セルモニタ２ｃからの電圧値に基づいて、燃料電池２のセル２０の電圧が降下し、予め設定された制限開始電圧値となった際に、燃料電池２の出力制限を行う。

図２は、燃料電池の電圧降下について説明する図であって、（ａ）は各セルの電圧を多チャンネルのセルモニタでそれぞれ検出する場合の電圧降下を示す図であり、（ｂ）は複数のセルの電圧値を１チャンネルのセルモニタで検出する場合の電圧降下を示す図である。

各セル２０を多チャンネルのセルモニタ２ｃによってそれぞれ監視する構成とすれば、図２（ａ）に示すように、例えば、セル２０の電圧Ｖａが１Ｖ低下して０Ｖとなった場合、このセル２０は、短絡や焼損するおそれのある限界降下電圧（例えば−４Ｖ）との電圧差ΔＶが４Ｖとなる。したがって、この場合、電圧Ｖａが１Ｖ低下した際に制御装置６が燃料電池２の出力制限を行うことで、セル２０がドライアップによって急激な電圧降下を生じていたとしても早期に対応して限界降下電圧（−４Ｖ）に達することを抑制できる。しかし、この構成は、多チャンネルのセルモニタ２ｃを要するため、システムのコストが嵩んでしまう。

これに対して、コストを抑制するために複数のセル２０を１チャンネルのセルモニタ２ｃで監視する構成とした場合、各セル２０での実際の電圧降下の監視がしづらくなる。図２（ｂ）に示すように、例えば、４つのセル２０を１チャンネルのセルモニタ２ｃで監視する構成では、各セル２０の電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄの平均電圧Ｖａｖｇが１Ｖ下がって０Ｖとなっても、実際には、一つのセル２０の電圧Ｖｄだけが電圧降下している場合、そのセル２０の電圧Ｖｄは−３Ｖとなっていることがある。この場合、電圧Ｖｄのセル２０では、短絡や損傷するおそれのある限界降下電圧（−４Ｖ）との電圧差ΔＶが１Ｖしかないため、この時点で出力制限しても、この電圧Ｖｄのセル２０がドライアップによって電圧降下していると、この電圧降下の抑制が間に合わずに限界降下電圧（−４Ｖ）に達して短絡や焼損するおそれがある。

このため、複数のセル２０を１チャンネルのセルモニタ２ｃで監視する本実施形態に係る燃料電池システム１では、ドライアップで急激に電圧降下するセル２０の短絡や焼損を回避させるために、制御装置６が以下のように燃料電池２の出力制限を行う。

図３は、制御装置による出力制限について説明する燃料電池の抵抗値と電圧値との関係を示す図である。

図３に示すように、制御装置６は、抵抗測定器２ｅで測定された抵抗値Ｒに基づいて、出力制限を開始する制限開始電圧値Ｖｓの設定を変動させる。

具体的には、燃料電池２の抵抗値Ｒが通常制御抵抗値Ｒ２以下である場合に、燃料電池２の出力制限を行う制限開始電圧値ＶｓをＶ２（例えば−０．３Ｖ）とする。この状態では、セルモニタ２ｃに基づく各セル２０の平均電圧値Ｖａｖｇが電圧降下してＶ２に達した際に、制御装置６が出力制限を行う。

これに対して、制御装置６は、燃料電池２の抵抗値Ｒが通常制御抵抗値Ｒ２を超えた際に、燃料電池２の出力制限を行う制限開始電圧値ＶｓをＶ２よりも高い電圧値に設定を変更する。そして、燃料電池２の抵抗値Ｒが通常制御抵抗値Ｒ２よりも高い高温制御抵抗値Ｒ１以上となると、燃料電池２の出力制限を行う制限開始電圧値ＶｓをＶ２よりも高いＶ１（例えば、０．２Ｖ）に設定する。この状態では、セルモニタ２ｃに基づく各セル２０の平均電圧値Ｖａｖｇが電圧降下してＶ１に達した際に、制御装置６が出力制限を行う。

このようにすると、各セル２０の平均電圧値Ｖａｖｇに対する制限開始電圧値Ｖｓとの電圧差ΔＶは、Ｖ２のとき（ΔＶ＝Ｖ２−Ｖａｖｇ）に比べてＶ１のとき（ΔＶ＝Ｖ１−Ｖａｖｇ）では小さくなる。

つまり、冷却不足等でドライアップが生じることによる電圧低下のおそれがある高温制御抵抗値Ｒ１となった場合に、迅速に出力が制限されて電圧降下の抑制が行われるので、燃料電池２での短絡や焼損を未然に抑制することが可能となる。

このように、本実施形態に係る燃料電池システム１によれば、燃料電池２の抵抗値Ｒが上昇したときに、燃料電池２の出力を制限するときの制限開始電圧値Ｖｓを高い電圧値に設定するため、出力制限のタイミングを早くすることができる。これにより、燃料電池２を構成する複数のセル２０の電圧値を１チャンネルのセルモニタ２ｃで監視する場合でも、早期に出力制限を行うことができるので、ドライアップによる電圧降下でセル２０が劣化することを抑制できる。つまり、セルモニタ２ｃを１チャンネルとしてコストを抑えつつ、電圧降下によるセル２０の劣化を抑制できる。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
２ｃ セルモニタ（電圧モニタ部）
２ｅ 抵抗測定部
６ 制御装置（制御部）
２０ セル

Claims (1)

1. 複数のセルを有する燃料電池と、
   前記複数のセルの電圧値を１チャンネルで監視する電圧モニタ部と、
   前記燃料電池の抵抗値を測定する抵抗測定部と、
   前記電圧モニタ部からの電圧値が予め設定された制限開始電圧値に達した際に、前記燃料電池の出力を制限する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記抵抗測定部によって測定された前記燃料電池の抵抗値が第一の閾値を超えた際に、前記抵抗値が高いほど、前記燃料電池の出力制限を開始する前記制限開始電圧値の電圧値をより高く設定し、前記抵抗値が前記第一の閾値より高い第二の閾値以上であるとき、前記制限開始電圧値を一定に設定する
   燃料電池システム。