JP2010157426A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させる。
【解決手段】反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池２と、燃料電池２への反応ガスの供給流量を制御する流量制御手段６と、を備え、第１の運転モードと、この第１の運転モードよりも低効率の第２の運転モードと、の間で運転切替を行う燃料電池システム１である。流量制御手段６は、出力制限要求がない場合に、第１の運転モードにおいて燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように反応ガスの供給流量を制御する一方、出力制限要求がある場合にのみ、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧以下に維持しながら第１の運転モードから第２の運転モードへの運転切替を行うように反応ガスの供給流量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。燃料電池は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの電気化学反応を利用して発電を行うものであり、燃料ガスの供給を受けるアノードと、酸化ガスの供給を受けるカソードと、を有する単電池が複数積層されたスタック構造を備えている。

このような燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電圧が開放端電圧に近い状態が続くと、燃料電池を構成する膜・電極接合体（Membrane-Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という）が劣化して寿命が短くなる場合がある。このため、現在においては、開放端電圧時における反応ガスの供給量を制御することにより、ＭＥＡの劣化を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、近年においては、測定した開放端電圧に基づいて、燃料電池の劣化判定や反応ガス供給量の制御を行う技術も提案されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
特開２００７−４８５１７号公報 特開２００４−１７９００３号公報 特開２００７−２３４３４７号公報

ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池で発電した電力を電動機等に供給することにより、このシステムが搭載された燃料電池車両等の動力装置に特定のパフォーマンスを発現させているが、一方で、燃料電池で発電した電力を充電系統（二次電池やコンバータ等）に供給して余剰電力を蓄積させる場合がある。このように余剰電力を蓄積させる従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池から充填系統への電力供給に制限がかかる場合等に、燃料電池の正味出力（以下、「ＦＣネットパワー」という）を制限するための制御を行っていた。ＦＣネットパワーは、燃料電池の発電電力から各種補機で消費される電力を減じた値である。

ここで、ＦＣネットパワーを例えばＰ_AからＰ_Bまで低減させる際に、図２に示すような高効率のＰＶ曲線Ｃ₁に沿って動作点を移動させると、ＦＣネットパワーの低減に伴って燃料電池の出力電圧が理論起電圧（開放端電圧）近くまで上昇してしまうため、燃料電池の劣化が懸念される。一方、ＦＣネットパワーをＰ_AからＰ_Bまで低減させる際に、図２に示すような低効率のＰＶ曲線Ｃ₂に沿って動作点を移動させることも考えられる。しかし、低効率のＰＶ曲線Ｃ₂上の動作点における運転モード（低効率運転モード）は発熱損失が大きいため、この低効率運転モードが長期間続くとシステム効率が低下するおそれがあった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、この燃料電池への反応ガスの供給流量を制御する流量制御手段と、を備え、第１の運転モードと、この第１の運転モードよりも低効率の第２の運転モードと、の間で運転切替を行う燃料電池システムであって、流量制御手段は、出力制限要求がない場合に、第１の運転モードにおいて燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御する一方、出力制限要求がある場合にのみ、燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に維持しながら第１の運転モードから第２の運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御するものである。

かかる構成を採用すると、出力制限要求がない場合には、第１の運転モードにおいて燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。また、出力制限要求がある場合（例えば燃料電池から充電系統への電力供給に制限がかかる場合）には、運転切替の際に燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に維持するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。従って、燃料電池の劣化を抑制することができる。さらに、出力制限要求がある場合にのみ、第１の運転モードから低効率の第２の運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御することができるので、システム効率を維持することができる。すなわち、本発明によれば、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、反応ガスの供給流量の制御により、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることが可能となる。

本発明によれば、燃料電池の出力制限要求がある燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。

まず、図１〜図４を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。

本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、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、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。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。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。

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酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給する。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池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。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード極側で生成されるポンピング水素等が含まれる。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、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路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。燃料ガス供給路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、そのガス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。

燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス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、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路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。

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、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリ等）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。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ５ａが取付けられている。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（車両駆動用モータ）である。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、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、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やＳＯＣセンサ５ａ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように燃料電池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。

本実施形態における制御装置６は、通常の（出力制限要求がない）条件下において、最高効率運転モードで燃料電池システム１の運転を行う。最高効率運転モードとは、システム効率（燃料電池システム１の系外に取り出された正味のエネルギを、燃料電池システム１に投入した水素エネルギで除した値）が最大となる運転モードを意味し、本発明における第１の運転モードの一実施形態に相当するものである。具体的には、制御装置６は、出力制限要求がない場合に、図２に示した最高効率ＰＶ曲線Ｃ₁及び図３に示した最高効率ＩＶ曲線Ｄ₁に沿って、燃料電池システム１の運転動作点を移動させる。

ここで、ＰＶ曲線とは、ＦＣネットパワー（燃料電池２の発電電力から各種補機で消費される電力を減じた値）と燃料電池２の出力電圧との関係を表す曲線を意味し、ＩＶ曲線とは、燃料電池２の出力電流と出力電圧との関係を表す曲線を意味する。また、出力制限要求とは、ＦＣネットパワーを制限するための指令に係る情報を意味する。出力制限要求は、例えば、燃料電池車両の停車中にバッテリ５２のＳＯＣが所定の制御中心よりも低下して充電が必要になった場合（図４の矢印Ｅ）や、何らかの理由により高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に通過制限がかかった場合等に出力される。

本実施形態における制御装置６は、このような最高効率運転モードで運転を行う際に、燃料電池２の出力電圧を、高電位回避電圧Ｖ１以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御する。すなわち、制御装置６は、最高効率運転モードで運転を行う際に、エアコンプレッサ３１及びエア調圧弁Ａ１を制御してエアストイキ比を調整することにより、最高効率ＰＶ曲線Ｃ₁及び最高効率ＩＶ曲線Ｄ₁における高電位回避電圧Ｖ１以下の領域で動作点を移動させる。ここで、エアストイキ比とは、燃料電池２に投入したエア量を、燃料電池２の反応に必要な酸素量を含むエア量で除した値を意味する。

また、本実施形態における制御装置６は、出力制限要求がある場合に、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に維持しながら、最高効率運転モードから低効率運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御する。低効率運転モードとは、システム効率が低い運転モードを意味し、本発明における第２の運転モードの一実施形態に相当するものである。具体的には、制御装置６は、出力制限要求がある場合に、エアコンプレッサ３１及びエア調圧弁Ａ１を制御してエアストイキ比を調整することにより、動作点Ａから、図２に示した低効率ＰＶ曲線Ｃ₂上及び図３に示した低効率ＩＶ曲線Ｄ₂上の動作点Ｂへと、運転動作点を移動させる。

仮に、ＦＣネットパワーを図２に示したＰ_AからＰ_Bまで低減させる際に、最高効率ＰＶ曲線Ｃ₁及び最高効率ＩＶ曲線Ｄ₁に沿って運転動作点を移動させると、図３に示すように、ＦＣネットパワーの低減に伴って燃料電池２の出力電圧が理論起電圧（開放端電圧）近くまで上昇してしまう（動作点Ｃ）ため、燃料電池２の劣化が懸念される。これに対し、本実施形態においては、出力制限要求を受けてＦＣネットパワーをＰ_AからＰ_Bまで低減させる際に、図２の動作点Ａから動作点Ｂにいたる直線に沿って運転動作点を移動させるため、燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に抑制することができる。制御装置６は、本発明における流量制御手段の一実施形態に相当するものである。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、出力制限要求がない場合に、最高効率運転モードにおいて燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に抑制するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。また、出力制限要求がある場合には、運転切替の際に燃料電池２の出力電圧を高電位回避電圧Ｖ１以下に維持するように、反応ガスの供給流量を制御することができる。従って、燃料電池２の劣化を抑制することができる。さらに、出力制限要求がある場合にのみ、最高効率運転モードから低効率運転モードへの運転切替を行うように、反応ガスの供給流量を制御することができるので、システム効率を維持することができる。すなわち、本実施形態に係る燃料電池システム１においては、反応ガスの供給流量の制御により、燃料電池２の劣化抑制と、システム効率の維持と、の双方を実現させることが可能となる。

なお、以上の実施形態においては、エアコンプレッサ３１及びエア調圧弁Ａ１を制御してエアストイキ比を調整することにより、運転モード切替や運転動作点の移動を実現させた例を示したが、水素供給バルブＨ２やＦＣ入口バルブＨ３を制御して水素ストイキ比を調整することにより、運転モード切替や運転動作点の移動を実現させることもできる。

また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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に適用してもよい。

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に示した燃料電池システムの最高効率ＰＶ曲線及び低効率ＰＶ曲線を示すマップである。 図１に示した燃料電池システムの最高効率ＩＶ曲線及び低効率ＩＶ曲線を示すマップである。 図１に示した燃料電池システムのバッテリＳＯＣとＦＣネットパワーとの関係を示すマップである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置（流量制御手段）、Ｃ₁…最高効率ＰＶ曲線、Ｃ₂…低効率ＰＶ曲線。

Claims (1)

1. 反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池への前記反応ガスの供給流量を制御する流量制御手段と、を備え、第１の運転モードと、前記第１の運転モードよりも低効率の第２の運転モードと、の間で運転切替を行う燃料電池システムであって、
   前記流量制御手段は、出力制限要求がない場合に、前記第１の運転モードにおいて前記燃料電池の出力電圧を高電位回避電圧以下に抑制するように、前記反応ガスの供給流量を制御する一方、出力制限要求がある場合にのみ、前記燃料電池の出力電圧を前記高電位回避電圧以下に維持しながら前記第１の運転モードから前記第２の運転モードへの運転切替を行うように、前記反応ガスの供給流量を制御するものである、
   燃料電池システム。

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