JP6750345B2 - 燃料電池システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム及び制御方法に関する。

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、電気化学的に反応させ、発電を行うものである。このような燃料電池を用いた発電は、発電効率が高く、有害物質の排出が極めて少ないという利点を持つため、燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両が近年注目されている。

燃料電池システムにおける燃料電池の停止時には、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されても、燃料電池の本体内部及び燃料電池の周辺の配管内に残留する燃料ガス及び酸化剤ガスにより引き続き発電が行われる場合があり、その場合、燃料電池の停止後に引き続き行われる発電によって余剰電力が発生する。

従来の燃料電池システムでは、燃料電池の停止時に燃料電池を負荷から切り離すとともに消費抵抗につなぎ替え、消費抵抗により、余剰電力を熱に変換して大気に放出していた（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−２９６３４０号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、燃料電池の停止時における余剰電力を熱に変換して大気に放出するため、エネルギー効率が低下してしまうという課題があった。

本発明は、燃料電池の停止時における余剰電力の有効活用により、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に第１制御リレーを介して接続され、前記第１制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力を充電する蓄電器と、前記燃料電池と前記第１制御リレー及び第２制御リレーを介して接続されるとともに、前記蓄電器に前記第２制御リレーを介して接続され、前記第１及び第２制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力と前記蓄電池に充電された電力のうち少なくとも一方の電力が供給される負荷と、前記第１及び第２制御リレーの開閉状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記第１制御リレーを閉じるように制御して、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記蓄電器に充電させ、前記蓄電器に充電された電力の電圧が第１の閾値まで上昇した場合に、前記第１及び第２制御リレーを閉じるように制御して、前記余剰電力及び前記充電された電力を前記負荷へ供給させる。

また、本発明に係る制御方法は、運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池に第１制御リレーを介して接続され、前記第１制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力を充電する蓄電器と、前記燃料電池と前記第１制御リレー及び第２制御リレーを介して接続されるとともに、前記蓄電器に前記第２制御リレーを介して接続され、前記第１及び第２制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力と前記蓄電池に充電された電力のうち少なくとも一方の電力が供給される負荷と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記第１制御リレーを閉じて、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記蓄電器に充電させ、前記蓄電器に充電された電力の電圧が第１の閾値まで上昇した場合に、前記第１及び第２制御リレーを閉じて、前記余剰電力及び前記充電された電力を前記負荷へ供給させる。

本発明によれば、燃料電池の停止時の余剰電力の有効活用により、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの概略構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの停止方法の一例を示すフローチャート 図２のフローチャートにしたがって燃料電池システムの停止を行った場合の電圧の変化の一例を示すタイムチャート

本発明の実施の形態に係る燃料電池システム１００について、図１に示すブロック図を用いて説明する。燃料電池システム１００は、例えばトラック等の車両に搭載され、車両の駆動源である電動機に電力を供給する。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、蓄電器２と、消費抵抗３と、第１制御リレー４と、第２制御リレー５と、第３制御リレー６と、第１給電線７と、第２給電線８と、第３給電線９と、制御装置１０と、負荷１１と、制御電源１２と、を備える。

燃料電池１は、例えば燃料ガスとしての水素が供給される不図示の水素極と、酸化剤ガスとしての空気が供給される不図示の空気極とを含み、水素極に供給された水素と、空気極に供給された空気との電気化学反応により発電を行う。

燃料電池１は、高圧側の出力端子１ａ（正極）及び１ｂ（負極）と、低圧側の入力端子１ｃ（正極）及び１ｄ（負極）を含む。

燃料電池１の高圧側の出力端子１ａ、１ｂは、車両の駆動源である電動機等の負荷１１の端子１１ａ（正極）及び１１ｂ（負極）と接続されており、燃料電池１は、負荷１１に対して高圧の電力を出力する。燃料電池１の運転時における高圧側の出力電圧Ｖｏｕｔは、例えば１００〜１２０Ｖである。

燃料電池１の低圧側の入力端子１ｃ、１ｄは、車両の低圧電源である制御電源１２の端子１２ａ（正極）及び１２ｂ（負極）と接続されており、燃料電池１には、制御電源１２から低圧の電力が供給される。燃料電池１の制御は、制御電源１２から供給された低圧の電力により行われる。制御電源１２から供給される低圧側の定格電圧Ｖｉｎは、例えば２４Ｖである。制御電源１２は、燃料電池１の他、室内灯、ハザードランプ等、低圧で動作する電装品にも接続され、電装品の電源としても機能する。

燃料電池１は、運転時には発電を行い、発電した電力を負荷１１へ出力する。また、燃料電池１は、停止時には、燃料電池１の停止後に引き続き行われる発電によって発生する余剰電力を、蓄電器２及び消費抵抗３へ出力する。

蓄電器２は、例えば電気二重層キャパシタ等、広い電圧帯に使用可能な蓄電器として形成されており、必要に応じて燃料電池１から供給される電力により充電を行い、また、必要に応じて制御電源１２を含む低圧側に電力を供給する。

蓄電器２は、端子２ａ（正極）及び２ｂ（負極）を含む。蓄電器２の端子２ａは、燃料電池１の出力端子１ａ、消費抵抗３の端子３ａ、負荷１１の端子１１ａ、及び制御電源１２の端子１２ａと接続される。また、蓄電器２の端子２ｂは、燃料電池１の出力端子１ｂ、消費抵抗３の端子３ｂ、負荷１１の端子１１ｂ、及び制御電源１２の端子１２ｂと接続される。

第１給電線７は、燃料電池１の出力端子１ａと負荷１１の端子１１ａを接続する給電線から分岐した給電線であり、第２給電線８と合流して蓄電器２の端子２ａに接続されている。第１給電線７上には、第１制御リレー４が設けられており、第１制御リレー４が閉じることで、燃料電池１と蓄電器２とが電気的に接続される。

第２給電線８は、燃料電池１の入力端子１ｃと制御電源１２の端子１２ａを接続する給電線から分岐した給電線であり、第１給電線７と合流して蓄電器２の端子２ａに接続されている。第２給電線８上には、第２制御リレー５が設けられており、第２制御リレー５が閉じることで、制御電源１２と蓄電器２とが電気的に接続される。

消費抵抗３は、例えば抵抗発熱体として形成されており、燃料電池１の停止後に発生する余剰電力を消費するために設けられる。

消費抵抗３は、端子３ａ（正極）及び３ｂ（負極）を含む。消費抵抗３の端子３ａは、第１給電線７における燃料電池１と第１制御リレー４との間から分岐した第３給電線９に接続される。消費抵抗３の端子３ｂは、燃料電池１の出力端子１ｂ、蓄電器２の端子２ｂ、負荷１１の端子１１ｂ、及び制御電源１２の端子１２ｂと接続される。

第３給電線９上には、第１給電線７からの分岐点と消費抵抗３の端子３ａとの間に、第３制御リレー６が設けられており、第３制御リレー６が閉じることで、燃料電池１と消費抵抗３とが電気的に接続される。

制御装置１０は、燃料電池１、第１制御リレー４、第２制御リレー５、及び第３制御リレー６と電気的に接続されており、第１制御リレー４、第２制御リレー５、及び第３制御リレー６の開閉を制御する。

次に、本実施の形態に係る燃料電池システム１００における燃料電池１の停止時の処理について、図２のフローチャートを参照して説明する。図２に示す制御フローは、車両の電源が投入されている間、例えば１０ｍｓ毎の制御周期で繰り返される。

まず、ステップＳ１で、制御装置１０は、燃料電池１が停止モードか否かを判断する。停止モードであればステップＳ２へ進み、停止モードでなければステップＳ８へ進む。

ステップＳ１で燃料電池１が停止モードでない、すなわち運転モードであると判断された場合に進むステップＳ８では、制御装置１０は、第１制御リレー４、第２制御リレー５、第３制御リレー６の全てを開く。こうすることで、燃料電池１の運転中、燃料電池１で発生した電力は負荷１１に対してのみ供給される。

ステップＳ２では、制御装置１０は、燃料電池１の出力電圧Ｖｏｕｔが蓄電器２の電圧Ｖｃ以上か否かを判断する。ＶｏｕｔがＶｃ以上であればステップＳ３へ進み、ＶｏｕｔがＶｃより低ければステップＳ８へ進む。

燃料電池システム１００が正常であれば、燃料電池１の停止直後にＶｏｕｔがＶｃより低くなることはないので、ステップＳ２でＶｏｕｔがＶｃより低いと判断された場合には、制御装置１０は、燃料電池システム１００が異常であると判断して、第１制御リレー４、第２制御リレー５、第３制御リレー６の全てを開く。

こうすることで、蓄電器２が燃料電池１及び消費抵抗３から切り離され、蓄電器２に充電されていた電力が燃料電池１に逆流すること、及び蓄電器２に充電されていた電力が消費抵抗３において熱に変換されて消費されることが防止される。

ステップＳ３では、制御装置１０は、第１制御リレー４を閉じ、第２制御リレー５及び第３制御リレー６を開く。こうすることで、燃料電池１の余剰電力は、第１給電線７を介して蓄電器２に供給され、蓄電器２が充電される。

ステップＳ３に続くステップＳ４では、制御装置１０は、Ｖｃが所定の閾値Ｖ２まで上昇したか否かを判断する。ＶｃがＶ２まで上昇していればステップＳ５へ進み、ＶｃがＶ２まで上昇していなければフローを抜ける。ここで、Ｖ２は、低圧側の電圧の上限値であり、例えば３０Ｖに設定される。

なお、Ｖ２は、低圧側の電圧の上限値には限定されない。Ｖ２は、低圧側への電力供給が可能な電圧であればよく、３０Ｖよりも低い電圧とすることも可能である。

ステップＳ５では、制御装置１０は、第１制御リレー４及び第２制御リレー５を閉じ、第３制御リレー６を開く。こうすることで、燃料電池１の余剰電力及び蓄電器２に充電された電力は、低圧側の定格電圧との電位差により、第２給電線８を介して低圧側に供給される。

ステップＳ５に続くステップＳ６では、制御装置１０は、Ｖｃが所定の閾値Ｖｉｎまで低下したか否かを判断する。ＶｃがＶｉｎまで低下していればステップＳ７へ進み、ＶｃがＶｉｎまで低下していなければフローを抜ける。ここで、Ｖｉｎは、上述のとおり低圧側の定格電圧であり、例えば２４Ｖである。ＶｃがＶｉｎまで低下すると、低圧側に電流が流れなくなるので、低圧側に流れる電流値がゼロになったときに、ＶｃがＶｉｎまで低下したと判断することができる。

ステップＳ７では、制御装置１０は、第１制御リレー４及び第２制御リレー５を開き、第３制御リレー６を閉じる。こうすることで、燃料電池１の残留電圧は、第１給電線７及び第３給電線９を介して消費抵抗３に放電され、消費抵抗３において熱に変換されて消費される。

図３は、図２のフロー図にしたがって制御を行った場合の燃料電池１と蓄電器２の電圧変化の様子を示したものである。図３において、縦軸は電圧を、横軸は時間を示す。また、実線は燃料電池１の電圧を、一点鎖線は蓄電器２の電圧を示す。

Ｖ１は、燃料電池１の運転モードにおいて負荷１１に供給される電力の電圧を示す。Ｖ１は、例えば１００Ｖ〜１２０Ｖに設定される。Ｖ２は、上述のとおり、低圧側の電圧の上限値であり、例えば３０Ｖに設定される。Ｖｉｎは、上述のとおり、低圧側の定格電圧であり、例えば２４Ｖである。

なお、図３は、燃料電池１が停止モードに切り替えられた時点で、蓄電器２の充電量がゼロである場合を示している。

時刻ｔ１までは、燃料電池１は運転モードで動作しており、第１制御リレー４、第２制御リレー５、第３制御リレー６は全て開かれ、燃料電池１が発生した電力は全て負荷１１へ供給されている。このとき、燃料電池１の出力電圧ＶｏｕｔはＶ１である。

時刻ｔ１で燃料電池１が運転モードから停止モードに切り替えられると、燃料電池１と負荷１１を接続する給電線上に設けられた不図示の制御リレーが開かれ、負荷１１への電力供給が行われなくなる。

また、時刻ｔ１では、蓄電器２の充電量はゼロであるため、第１制御リレー４のみが閉じられる。

時刻ｔ１で燃料電池１が停止モードに切り替えられ、水素ガス及び空気の供給が停止されても、燃料電池１では、燃料電池１の本体内部及び燃料電池１の周辺の配管内に残留する水素ガス及び空気による発電が引き続き行われ、余剰電力が発生する。

第１制御リレー４が閉じられることにより、燃料電池１の停止後に発生した余剰電力は、蓄電器２に供給され、蓄電器２が充電される。以下、第１制御リレー４が閉じられ、第２制御リレー５及び第３制御リレー６が開かれた状態を「モード１」という。

時刻ｔ１から時刻ｔ２までは、モード１の状態を維持して蓄電器２への充電が行われ、燃料電池１の出力電圧Ｖｏｕｔが低下し、蓄電器２の電圧Ｖｃが上昇する。

時刻ｔ２で、蓄電器２電圧Ｖｃが所定の閾値Ｖ２まで上昇すると、第２制御リレー５が閉じられる。なお、この時、第１制御リレー４は閉じられたままである。

第２制御リレー５が閉じられることにより、蓄電器２に充電された電力が第２給電線８を介して低圧側に供給されるとともに、燃料電池１の電力も第２給電線８を介して低圧側に供給される。以下、第１制御リレー４及び第２制御リレー５が閉じられ、第３制御リレー６が開かれた状態を「モード２」という。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、モード２の状態を維持して燃料電池１及び蓄電器２から低圧側への電力供給が行われ、蓄電器２の電圧Ｖｃ（＝燃料電池１の出力電圧Ｖｏｕｔ）が低下する。

時刻ｔ３で、蓄電器２の電圧Ｖｃ（＝燃料電池１の出力電圧Ｖｏｕｔ）が所定の閾値Ｖｉｎまで低下し、低圧側に電流が流れなくなると、第１制御リレー４及び第２制御リレー５が開かれると共に第３制御リレー６が閉じられる。

これにより、蓄電器２が燃料電池１から電気的に切り離されると共に、消費抵抗３が第１給電線７及び第３給電線９を介して燃料電池１と接続され、燃料電池１の残留電圧が消費抵抗３で消費される。以下、第１制御リレー４及び第２制御リレー５が開かれ、第３制御リレー６が閉じられた状態を「モード３」という。

時刻ｔ３から時刻ｔ４まで、モード３の状態を維持することで、蓄電器２の充電量をＶｉｎに保ったまま、燃料電池１の残留電圧が消費抵抗３で消費され、時刻ｔ４で、燃料電池１の残留電圧がゼロになる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料電池システムを、運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池１と、燃料電池１に第１制御リレー４を介して接続され、第１制御リレー４の開閉状態に応じて、燃料電池１が発生する電力を充電する蓄電器２と、燃料電池１と第１制御リレー４及び第２制御リレー５を介して接続されるとともに、蓄電器２に第２制御リレー５を介して接続され、第１制御リレー４及び第２制御リレー５の開閉状態に応じて、燃料電池１が発生する電力と蓄電池２に充電された電力のうち少なくとも一方の電力が供給される制御電源１２と、第１制御リレー４及び第２制御リレー５の開閉状態を制御する制御装置１０と、を備え、制御装置１０は、燃料電池１が運転状態から停止状態に切り替えられた場合に、第１制御リレー４を閉じるように制御して、燃料電池１が停止後に発生する余剰電力を蓄電器２に充電させ、蓄電器２に充電された電力の電圧が第１の閾値Ｖ２まで上昇した場合に、第１制御リレー４及び第２制御リレー５を閉じるように制御して、余剰電力及び充電された電力を制御電源１２へ供給させるものとしたため、従来、消費抵抗で熱に変換して消費していた余剰電力を、低圧側に供給することができ、エネルギー効率の高い燃料電池システムを提供することができる。

なお、上述した実施の形態では、燃料電池１の停止時に蓄電器２の電圧がゼロの場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、燃料電池１の停止により蓄電器２の充電が行われ、蓄電器２の電圧がＶｉｎの状態で再び燃料電池１の運転及び停止が行われる場合、次回の蓄電器２への充電は蓄電器２の電圧がＶｉｎである状態から開始される。

また、上述した実施の形態では、低圧側の定格電圧が２４Ｖ、低圧側の電圧の上限値が３０Ｖである場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、乗用車であれば、低圧側の定格電圧を１２Ｖとし、低圧側の電圧の上限値を１５Ｖとすることも可能である。

また、上述した実施の形態では、燃料電池システムを、燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両に適用した場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、燃料電池を用いる様々な機器に適用が可能である。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池を車両の駆動源として利用する燃料電池車両に有用である。

１ 燃料電池
１ａ 出力端子（正極）
１ｂ 出力端子（負極）
１ｃ 入力端子（正極）
１ｄ 入力端子（負極）
２ 蓄電器
２ａ 端子（正極）
２ｂ 端子（負極）
３ 消費抵抗
３ａ 端子（正極）
３ｂ 端子（負極）
４ 第１制御リレー
５ 第２制御リレー
６ 第３制御リレー
７ 第１給電線
８ 第２給電線
９ 第３給電線
１０ 制御装置
１１ 負荷
１１ａ 端子（正極）
１１ｂ 端子（負極）
１２ 制御電源
１２ａ 端子（正極）
１２ｂ 端子（負極）
１００ 燃料電池システム

Claims (4)

1. 運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池に第１制御リレーを介して接続され、前記第１制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力を充電する蓄電器と、
   前記燃料電池と前記第１制御リレー及び第２制御リレーを介して接続されるとともに、前記蓄電器に前記第２制御リレーを介して接続され、前記第１及び第２制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力と前記蓄電池に充電された電力のうち少なくとも一方の電力が供給される負荷と、
   前記燃料電池に第３制御リレーを介して接続され、前記第３制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力を消費する抵抗と、
   前記第１、第２及び第３制御リレーの開閉状態を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、少なくとも、
   前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記第１制御リレーを閉状態かつ前記第２及び第３制御リレーを開状態に制御して、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記蓄電器に充電させる第１モードと、
   前記蓄電器に充電された電力の電圧が第１の閾値まで上昇した場合に、前記第１及び第２制御リレーを閉状態かつ前記第３制御リレーを開状態に制御して、前記余剰電力及び前記充電された電力を前記負荷へ供給させる第２モードと、
   前記第２モードを実行した結果として前記蓄電器に充電された電力の電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値まで低下した場合、前記第１及び第２制御リレーを開状態かつ前記第３制御リレーを閉状態に制御して、前記余剰電力を前記抵抗で消費させる第３モードと、
   を実行する、
   燃料電池システム。
2. 前記第２モードでは、前記余剰電力及び前記充電された電力が前記負荷に供給されるのに加えて、前記充電された電力が前記燃料電池の制御入力端に供給される、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 運転状態と停止状態とを切り替え可能であり、運転状態で燃料と酸化剤との電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池に第１制御リレーを介して接続され、前記第１制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力を充電する蓄電器と、
   前記燃料電池と前記第１制御リレー及び第２制御リレーを介して接続されるとともに、前記蓄電器に前記第２制御リレーを介して接続され、前記第１及び第２制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力と前記蓄電池に充電された電力のうち少なくとも一方の電力が供給される負荷と、
   前記燃料電池に第３制御リレーを介して接続され、前記第３制御リレーの開閉状態に応じて、前記燃料電池が発生する電力を消費する抵抗と、
   を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記燃料電池が前記運転状態から前記停止状態に切り替えられた場合に、前記第１制御リレーを閉状態かつ前記第２及び第３制御リレーを開状態に制御して、前記燃料電池が停止後に発生する余剰電力を前記蓄電器に充電させる第１ステップと、
   前記蓄電器に充電された電力の電圧が第１の閾値まで上昇した場合に、前記第１及び第２制御リレーを閉状態かつ前記第３制御リレーを開状態に制御して、前記余剰電力及び前記充電された電力を前記負荷へ供給させる第２ステップと、
   前記第２ステップを実行した結果として前記蓄電器に充電された電力の電圧が前記第１の閾値よりも低い第２の閾値まで低下した場合、前記第１及び第２制御リレーを開状態かつ前記第３制御リレーを閉状態に制御して、前記余剰電力を前記抵抗で消費させる第３ステップと、
   を含む、
   制御方法。
4. 前記第２ステップでは、前記余剰電力及び前記充電された電力が前記負荷に供給されるのに加えて、前記充電された電力が前記燃料電池の制御入力端に供給される、
   請求項３に記載の制御方法。

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