JP6958052B2 - 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。

セルを複数積層した燃料電池スタックを有する燃料電池システムにおいて、水素ガスの供給が欠乏した状態（水素欠乏状態）のセルで発電を繰り返すと、触媒劣化によりそのセルの性能が劣化する可能性があることが知られている。水素欠乏状態となったセルの電圧は、０Ｖ未満の負電圧となる。そのため、例えば特許文献１に記載された燃料電池システムでは、負電圧のセルを検出すると燃料電池スタックの電流制限（「出力制限」ともいう）を行っている。なお、電流制限とは、燃料電池スタックによる出力電流が制限電流値（「上限値」ともいう）を超えないように制限することである。

特開２０１６−０９５９０７号公報

セルの経時的な劣化等に起因して、セルの電圧の低下速度が増加する場合がある。この場合、従来の電流制限ではセルの電圧の回復に間に合わず、セルの電圧が大きく低下するおそれがある。そのため、セルの電圧が大きく低下することを抑制可能な技術が望まれていた。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池スタックと；前記燃料電池スタックにおけるセル当りの電圧を監視する監視部と；前記監視部が前記セル当りの電圧が予め定められた電流制限電圧以下に低下したことを検知した場合に、前記燃料電池スタックの出力を制限する制御部と、を備え；前記制御部は、前記セル当りの電圧が低下する際の予め定められた閾値電圧における電圧低下速度を算出し、前記電圧低下速度が大きいほど前記燃料電池スタックの出力の制限における制限電流値を小さく設定する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、電圧低下速度に応じて制限電流値を設定して電流制限を行うので、セルの電圧が大きく低下することを抑制できる。そのため、セルの劣化を抑制できる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。

燃料電池システムの概略構成を示す概略図である。 電流制限処理の概要を表わすフローチャートである。 電流制限率とセル当りの電圧との関係を示したグラフである。 電流制限処理におけるセル当りの電圧と燃料電池スタックの電流との関係の一例を示したタイミングチャートである。 第２実施形態における電流制限処理の概要を表わすフローチャートである。

Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す概略図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給排出系３０と、アノードガス供給排出系５０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）９１と、２次電池９２と、負荷９３と、監視部９４と、を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。

燃料電池スタック１０は、反応ガスとして水素ガス（アノードガス）と空気（カソードガス）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数のセル１１が積層されて構成されている。各セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面に電極を配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータとを有する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０とＰＣＵ９１とを介して２次電池９２に蓄電される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ９０は、制御部２０の制御に応じて燃料電池スタック１０から出力された電圧を昇圧してＰＣＵ９１に供給する。ＰＣＵ９１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷９３に電力を供給する。また、ＰＣＵ９１は、後述する制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。

２次電池９２は、ＰＣＵ９１に接続されている。ＰＣＵ９１は、２次電池９２に接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）を含んでいる。燃料電池スタック１０および２次電池９２の電力は、ＰＣＵ９１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷９３や、後述するエアコンプレッサ３２、水素ポンプ６４、各種弁に、供給される。

カソードガス供給排出系３０は、カソードガス配管３１と、エアコンプレッサ３２と、第１開閉弁３３と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。

エアコンプレッサ３２は、カソードガス配管３１を介して燃料電池スタック１０と接続されている。エアコンプレッサ３２は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３３は、エアコンプレッサ３２と燃料電池スタック１０との間に設けられている。

カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口圧力を調整する。

アノードガス供給排出系５０は、燃料ガス配管５１と、水素タンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、排気排水弁６０と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、水素ポンプ６４と、気液分離器７０と、を備える。以下では、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１と、循環配管６３と、気液分離器７０と、で構成される流路のことを、循環流路６５ともいう。循環流路６５は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。

水素タンク５２は、燃料ガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、内部に充填されている水素を燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５は、燃料ガス配管５１に、この順序で上流側、つまり水素タンク５２に近い側、から設けられている。

第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側における水素の圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給される水素の量を制御する。

アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器７０とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器７０へと誘導する。

気液分離器７０は、循環流路６５のアノードオフガス配管６１と循環配管６３との間に接続されている。気液分離器７０は、循環流路６５内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。

循環配管６３は、燃料ガス配管５１のインジェクタ５５より下流に接続されている。循環配管６３には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動される水素ポンプ６４が設けられている。気液分離器７０によって水が分離されたアノードオフガスが、水素ポンプ６４によって、燃料ガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、水素の利用効率を向上させている。

排気排水弁６０は、気液分離器７０の下部に設けられている。排気排水弁６０は、気液分離器７０に貯水された水の排水と、気液分離器７０内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６０は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６０は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６０によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、上述した各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム１００による発電の制御を行うと共に、後述する電流制限処理を実現する。制御部２０には、監視部９４が接続されている。

監視部９４は、セル当りの電圧を監視する。より具体的には、監視部９４は、燃料電池スタック１０の各セル１１をｎ枚１組（ｎは１以上の整数）としたセルグループと接続されており、各セルグループについてのセル１１の電圧の合計値を計測するようにしてもよい。監視部９４は、その計測結果からセル当りの電圧を求めて制御部２０に送信する。なお、監視部９４は、求めたセル当りの電圧のうち、最も低いセル当りの電圧のみを制御部２０に送信するものとしてもよい。セル当りの電圧Ｖｃは、次の式（１）で求めることができる。

Ｖｃ ＝ Ｖｎ − Ｖａｖｅ × （ｎ−１） …（１）
ここで、Ｖｎは監視部９４が計測したセルグループの電圧、Ｖａｖｅはセルの平均電圧である。セル平均電圧Ｖａｖｅは、燃料電池スタック１０の両端電圧をセル１１の総数で除算した値である。

図２は、本実施形態における、燃料電池スタック１０の出力を制限するための電流制限処理の概要を表わすフローチャートである。この処理は燃料電池システム１００の動作中、制御部２０により繰り返し実行される処理である。制御部２０は、この処理を開始すると、ステップＳ１００で、監視部９４により燃料電池スタック１０におけるセル当りの電圧の最低値Ｖｃを取得する。

次に、制御部２０は、ステップＳ１１０で、セル当りの電圧Ｖｃが、電流制限電圧Ｖ１以下に低下したか否か判定する。電流制限電圧Ｖ１とは、セル１１が水素欠乏状態か否かを判定するための閾値であり、予め実験的に定めることができる。電流制限電圧Ｖ１は、０Ｖ未満とすることが好ましく、−０．２Ｖ以上−０．１Ｖ以下の値とすることが更に好ましい。セル当りの電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１以下に低下した場合、制御部２０は、ステップＳ１２０に進み、燃料電池スタック１０の電流制限を行う。電流制限の詳細については後述する。一方、セル当りの電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１より大きい場合、制御部２０はステップＳ１００の処理に戻る。

ステップＳ１２０において電流制限を１回行った後、制御部２０は、ステップＳ１３０で、監視部９４より燃料電池スタック１０におけるセル当りの電圧Ｖｃを再度取得し、ステップＳ１４０で、電流制限の終了条件が成立したか否か判定する。終了条件としては種々の条件を採用可能であり、例えば、セル当りの電圧Ｖｃが、電流制限電圧Ｖ１まで上昇したこと、と定めることができる。セル当りの電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１より低い場合、制御部２０は、処理をステップＳ１２０に戻して、終了条件が成立するまで、上述したステップＳ１２０、Ｓ１３０の処理を繰り返す。つまり、セル当りの電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超える値に回復するまで電流制限を行う。電流制限の終了条件は、燃料電池スタック１０により出力される電流が予め定めた電流値まで上昇したこと、と定めることもできる。

終了条件が成立した場合、制御部２０は、ステップＳ１５０で、セル当りの電圧Ｖｃが低下する際の閾値電圧における電圧低下速度を算出する。閾値電圧とは、予め実験的に定められた電圧であり、任意に定めることができるが、電流制限電圧Ｖ１以上の値に設定することが好ましい。具体的には、閾値電圧は−０．１Ｖ以上０．１Ｖ以下の値とすることが好ましく、−０．１Ｖ以上０Ｖ以下の値とすることが更に好ましい。

ステップＳ１６０では、制御部２０は、ステップＳ１５０で算出した電圧低下速度に応じて、次回の電流制限処理における電流制限で用いる電流制限率を決定する。ここで「次回」の電流制限とは、制御部２０が、ステップＳ１６０の処理を終えた以降にステップＳ１１０の判定が再度肯定されてステップＳ１２０で実行される電流制限を意味する。

制御部２０は、電流制限において次の式（２）で示すように、制御周期ごとに燃料電池スタック１０により出力される電流の上限値である制限電流値Ｉｃａｐ（ｊ）を定めている。なお、本実施形態において、制御周期とは、ステップＳ１２０〜ステップＳ１４０の処理を繰り返す周期のことである。

Ｉｃａｐ（ｊ） ＝ Ｉｃａｐ（ｊ−１） × Ｒｃａｐ（ｊ） …（２）
ここでＩｃａｐ（ｊ）は今回の制限電流値、Ｉｃａｐ（ｊ−１）は前回の制限電流値、Ｒｃａｐ（ｊ）は今回の電流制限率である。電流制限率Ｒｃａｐ（ｊ）が低いほど、制限電流値Ｉｃａｐ（ｊ）も低くなり、電流制限が厳しくなる。電流制限率Ｒｃａｐ（ｊ）は、直前にステップＳ１３０で取得したセル当りの電圧Ｖｃに応じて、電流制限率Ｒｃａｐ（ｊ）とセル当りの電圧Ｖｃとの関係が定義されたマップや関数に基づき、定めることができる。１回目の電流制限における初期値Ｉｃａｐ（０）は、例えば、電流制限の開始直前における燃料電池スタック１０の電流値Ｉｆｃを使用可能である。

図３は、電流制限率Ｒｃａｐとセル当りの電圧Ｖｃとの関係を示したグラフである。このグラフの縦軸は電流制限率Ｒｃａｐを示し、横軸はセル当りの電圧Ｖｃを示している。電流制限率Ｒｃａｐは、セル当りの電圧Ｖｃの値が電流制限電圧Ｖ１以下は１（＝１００％）以下であり、電圧Ｖｃが下がるほど低下する。電流制限率Ｒｃａｐは、電圧ＶｃがＶ２以下では０である。また、電流制限率Ｒｃａｐは、電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超えると１より大きな値（例えば１．１〜１．３）となる。

ステップＳ１６０において、制御部２０は、ステップＳ１５０で算出した電圧低下速度に応じて、次回の電流制限（ステップＳ１２０）で用いるセル当りの電圧Ｖｃと電流制限率Ｒｃａｐとの関係を定める。より具体的には、電圧低下速度が小さいほど、電流制限率Ｒｃａｐを高めに設定し、電圧低下速度が大きいほど、電流制限率Ｒｃａｐを低めに設定する。

なお、ステップＳ１２０が開始されたときに選択された電流制限率Ｒｃａｐのグラフは、ステップＳ１４０で終了条件が成立するまで維持される。

図４は、電流制限処理におけるセル当りの電圧Ｖｃと燃料電池スタック１０の電流との関係の一例を示したタイミングチャートである。上側のグラフはセル当りの電圧Ｖｃの変化を示している。下側のグラフは燃料電池スタック１０の実際の電流値Ｉｆｃと、電流制限によって出力が制限された制限電流値Ｉｃａｐ、燃料電池スタック１０が出力するよう要求されている電流値（以下、「要求電流値Ｉｒｅｑ」という）を示している。なお、図４の下側のグラフでは、説明の便宜上、実際の電流値Ｉｆｃを示すグラフを下方向にずらして記載しているが、実際は、制限電流値Ｉｃａｐおよび要求電流値Ｉｒｅｑのグラフと部分的に重なっている。

図４の上側のグラフに示すように、燃料電池システム１００の稼働中にセル１１が水素欠乏状態となった場合、セル当りの電圧が徐々に低下する。セル当りの電圧が過度に低下して電圧Ｖ２を下回ると、セル１１の性能が劣化する原因となる。そのため、本実施形態では、上述したように、監視部９４がセル当りの電圧Ｖｃが、この電圧Ｖ２よりも高い電流制限電圧Ｖ１以下に低下したことを検知したタイミングｔ１において、制御部２０が電流制限をすることによってセル当りの電圧Ｖｃが電圧Ｖ２に到達する事を抑制する。なお、電圧Ｖ２は、セル１１の性能が劣化する電圧値として、予め実験的に定めることができ、例えば、−０．４Ｖ以上−０．３Ｖ以下の値である。

図４の下側のグラフに示すように、タイミングｔ１以前は電流制限がされていないため、制限電流値Ｉｃａｐは定格電流値Ｉｒに設定されている。制御部２０は、タイミングｔ１において、図２のステップＳ１２０の電流制限を開始し、制御周期毎にステップＳ１２０〜ステップＳ１４０の制御を繰り返す。この際、ステップＳ１２０の電流制限が最初に実行されるときは、上述した式（２）の前回の制限電流値Ｉｃａｐ（ｊ−１）として、その直前の実際の電流値Ｉｆｃが使用されている。また、要求電流値Ｉｒｅｑと実際の電流値Ｉｆｃとの差分に相当する電力は、２次電池９２が負担する。そして、制御部２０は、セル当りの電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超える値まで上昇したタイミングｔ２以降において、制限電流値Ｉｃａｐを大きくしていく。

なお、図４の例では、図２のステップＳ１４０における電流制限の終了条件は、制限電流値Ｉｃａｐ≧定格電流値Ｉｒと定めている。そのため、タイミングｔ２以降も上述した式（２）に従って制御周期毎に制限電流値Ｉｃａｐが更新される。図３に示したように、セル当りの電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１を超えている場合には、電流制限率Ｒｃａｐが１を超える値になるので、制限電流値Ｉｃａｐは徐々に上昇する。

以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、電圧低下速度に応じて制限電流値を設定して電流制限を行う。より具体的には、制御部２０は、電圧低下速度が大きいほど電流制限率Ｒｃａｐを小さく設定するので、セル当りの電圧Ｖｃが大きく低下することを抑制できる。そのため、セル１１の劣化を抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
第２実施形態の燃料電池システムの構成は、第１実施形態の燃料電池システムの構成（図１）と同一であるため、燃料電池システムの構成の説明は省略する。図５は、第２実施形態における燃料電池スタック１０の出力を制限するための電流制限処理の概要を表わすフローチャートである。このフローチャートは、図２のステップＳ１１０とステップＳ１２０の間にステップＳ２１０、Ｓ２２０を追加し、図２のステップＳ１５０、Ｓ１６０を省略したものである。

ステップＳ１１０で、セル当りの電圧Ｖｃが電流制限電圧Ｖ１以下に低下した場合、制御部２０は、ステップＳ２１０に進み、セル１１の電圧Ｖｃが低下する際の閾値電圧における電圧低下速度を算出する。続いて、制御部２０は、ステップＳ２２０に進み、ステップＳ２１０で算出した電圧低下速度に応じて、ステップＳ１２０の電流制限で用いる電流制限率を決定する。

以上で説明した第２実施形態では、制御部２０は、直前の電圧低下速度に応じて電流制限率Ｒｃａｐを設定して電流制限を行うので、セル当りの電圧Ｖｃが大きく低下することをより効果的に抑制できる。そのため、より効果的にセル１１の劣化を抑制できる。

Ｃ．他の実施形態：
上記実施形態において、制御部２０は、式（２）に示したように、直前の電流値Ｉｆｃに電流制限率Ｒｃａｐを掛け合わせることで、電流制限における制限電流値Ｉｃａｐを定めている。この代わりに、次の式（３）で示すように、電流制限における制限電流値Ｉｃａｐを定めてもよい。

Ｉｃａｐ（ｊ） ＝ Ｉ０ × Ｒｃａｐ（ｊ） …（３）
ここでＩ０は予め定めた一定の電流値である。

また、上記実施形態において、制御部２０は、セル当りの電圧Ｖｃに応じて電流制限率Ｒｃａｐを定めて、式（２）に示したように電流制限率Ｒｃａｐを用いて制限電流値Ｉｃａｐを求めている。この代わりに、制御部２０は、制限電流値Ｉｃａｐそのものを、セル当りの電圧Ｖｃと制限電流値Ｉｃａｐとの関係が定義されたマップや関数に基づき、セル当りの電圧Ｖｃから決定するようにしてもよい。この場合にも制限電流値Ｉｃａｐを電圧低下速度が大きいほど小さな値に設定することによって、セル当りの電圧Ｖｃが大きく低下することを抑制でき、セルの劣化を抑制できる。

本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。

１０…燃料電池スタック
１１…セル
２０…制御部
３０…カソードガス供給排出系
３１…カソードガス配管
３２…エアコンプレッサ
３３…第１開閉弁
４１…カソードオフガス配管
４２…第１レギュレータ
５０…アノードガス供給排出系
５１…燃料ガス配管
５２…水素タンク
５３…第２開閉弁
５４…第２レギュレータ
５５…インジェクタ
６０…排気排水弁
６１…アノードオフガス配管
６３…循環配管
６４…水素ポンプ
６５…循環流路
７０…気液分離器
９０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
９１…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
９２…２次電池
９３…負荷
９４…監視部
１００…燃料電池システム

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   複数のセルを有する燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックにおけるセル当りの電圧を監視する監視部と、
   前記監視部が前記セル当りの電圧が予め定められた電流制限電圧以下に低下したことを検知した場合に、前記燃料電池スタックの出力を制限する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記セル当りの電圧が低下する際の予め定められた閾値電圧における電圧低下速度を算出し、前記電圧低下速度が大きいほど前記燃料電池スタックの出力の制限における制限電流値を小さく設定する、燃料電池システム。

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