JP2011216259A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】カソードオフガス排出路を流通するオフガス温度を測定する温度センサと、大気圧を測定する大気圧センサと、燃料電池の目標電流指令値Idを設定する電流値設定手段と、オフガス温度と大気圧とに基づいて燃料電池の目標上限電流値Ihを設定する制御部とを備え、制御部は、目標電流指令値Idと目標上限電流値Ihとの比較に基づいて、燃料電池の出力電流値Irを制御する。
【選択図】図4
Description
しかしながら、第1従来技術では、エアポンプ吐出時点でのカソードガスの温度が上限値を超えていなくとも、燃料電池内を通るカソードガスの温度は燃料電池の発電状況に応じて高くなり、このカソードガスの高温化の程度によってカソードガスの体積流量に変化が生じ、燃料電池内や燃料電池下流に設けられた加湿器等で圧損が大きくなることで、結果的にカソード圧力が大きくなってしまう。この場合、仮に、カソード圧力を制御するために背圧弁を全開にして、カソード圧力の減圧を図っても、カソード圧力が圧力目標値以上になってしまう可能性がある。その結果、燃料電池(固体高分子電解質膜)に負担がかかり、燃料電池(固体高分子電解質膜)が劣化する虞がある。
ここで、燃料電池スタックでの圧損は、酸化剤流路内を流通する酸化剤の流量(体積流量)により決定される。そして、酸化剤の流量は、燃料電池スタックの温度と大気圧に依存している。
この場合、本発明の構成によれば、燃料電池スタックの温度と同等になるオフガスの温度と大気圧とから設定された目標上限電流値、及び目標電流指令値の比較に基づいて、出力電流値を制御し、制御された出力電流値に応じた酸化剤の状態量(流量)を決定できる。体積流量を適正に定めたことから、燃料電池スタック(酸化剤流路)等での圧損による圧力の増大を抑制して、酸化剤の目標圧力を守りきることができ、燃料電池スタックにかかる負荷を確実に抑制できる。
しかも、上述した第2従来技術と異なり、出力電流値を制御することで、出力電流値に応じた酸化剤流量が供給されるので、ストイキ不足を防止することができる。すなわち、高温運転中等、比較的高流量を要する場合に、出力電流値を制御することで、出力電流値に対して酸化剤が不足するのを抑制できる。これにより、燃料電池スタックの劣化促進を抑制できるので、燃料電池スタックの高寿命化を図ることができる。
(燃料電池システム)
図1は、燃料電池システムの概略構成図である。
図1に示すように、燃料電池システム1は、例えば図示しない燃料電池車両に搭載されるものであり、燃料電池スタック2(以下、燃料電池2という)を備えている。
燃料電池2は、アノードガスとカソードガスとの電気化学反応により発電を行うものであって、電解質膜を備えている。そして、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み込んで膜電極構造体が形成され、この膜電極構造体の両側に一対のセパレータを配置してセルが構成され、このセルが複数積層されることで燃料電池2が構成されている。そして、アノードにはアノードガスとして水素ガスが、カソードにはカソードガスとして空気がそれぞれ供給されることで、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが電解質を透過してカソードに移動し、カソードで酸素と電気化学反応して発電するようになっている。
一方、カソードガス流路25の出口側には、燃料電池2で発電に供されたカソードオフガスや、発電時に燃料電池2で生成された凝縮水が流通するカソードオフガス排出路24が接続されている。そして、カソードオフガス排出路24を流通するカソードオフガスは、加湿器23内を流通した後に燃料電池システム1の外部に向けて排出される。
カソードオフガス排出路24の下流側には、燃料電池2内でのカソードガスの圧力(カソード圧力)を調整するための背圧弁32が設けられている。
また、燃料電池システム1は、大気圧PAを検出するための大気圧センサ33を備えている。そして、大気圧センサ33で検出された大気圧情報は、ECU41に向けて出力される。
VCU42は、ECU41から出力される出力電流値Irに従って、燃料電池2の発電量(出力電圧)を制御するものである。すなわち、VCU42への出力電流値Irが大きくなると、燃料電池2で消費されるアノードガス及びカソードガスの消費量が多くなり、燃料電池2から取り出される電流が大きくなる。
図2に示すように、ECU41は、燃料電池システム1の駆動を統括的に制御するものであり、電流値設定手段(燃料電池スタック電流値設定手段)52と、上限電流値設定手段(制御部)53と、出力電流値設定手段(制御部)54とを備えている。
次に、上述した燃料電池システム1における電流制御方法について説明する。図4は、電流制御方法を説明するためのフローチャートである。
まず、図4に示すように、まずステップS1において、上限電流値設定手段53は、温度センサ31により検出されたオフガス温度TE、及び大気圧センサ33により検出された大気圧PAに基づいて目標上限電流値Ihを設定する。例えばオフガス温度TE、大気圧PA2の場合における目標上限電流値Ihは、図3に示すように設定される。
この構成によれば、Id≧Ihの場合に燃料電池2の出力電流値Irを、アクセル開度等により要求された目標電流指令値Idから目標上限電流値Ihに補正することで、出力電流値Irが制限される。これにより、出力電流値Irに応じて供給されるカソードガスの流量は、目標電流指令値Idに応じて供給される流量に比べて制限される。
この場合、本実施形態では、燃料電池2の温度と同等になるオフガス温度TEと大気圧PAとから設定された目標上限電流値Ih、及び目標電流指令値Idの比較に基づいて、出力電流値Irを制御し、制御された出力電流値Irに応じたカソードガスの状態量(流量)を決定できる。体積流量を適正に定めたことから、燃料電池2(カソードガス流路25)等での圧損によるカソード圧力の増大を抑制して、カソードガスの目標圧力を守りきることができ、燃料電池2にかかる負荷を確実に抑制できる。
例えば、上述した実施形態では、燃料電池システム1を燃料電池車両に搭載した場合を例にして説明したが、これに限らず、例えばオートバイやロボット、定置型やポータブル型の燃料電池システムにも適用することができる。
また、上述した電流制御方法において、ステップS1の前段において温度センサ31で検出されるオフガス温度TEに基づいて、燃料電池システム1が高温運転しているか否かを判定する高温運転判定ステップを設けても構わない。すなわち、高温運転していると判定された場合に、上述したフローを開始する構成にしても構わない。この構成によれば、電流制限が必要となる高温運転時のみに上述したフローを開始できるので、燃料電池システム1の制御する場合をより限定することで、通常時の制御をシンプルにすることができる。
Claims (3)
- 燃料及び酸化剤を供給し、発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの酸化剤流路に前記酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
前記酸化剤流路から排出されたオフガスが流通する酸化剤オフガス流路と、
前記酸化剤オフガス流路を流通する前記オフガスの温度を測定するオフガス温度測定手段と、
大気圧を測定する大気圧測定手段と、
前記燃料電池スタックの目標電流指令値を設定する燃料電池スタック電流値設定手段と、
前記オフガスの温度と前記大気圧とに基づいて前記燃料電池スタックの目標上限電流値を設定する制御部とを備え、
前記制御部は、前記目標電流指令値と前記目標上限電流値との比較に基づいて、前記燃料電池スタックの出力電流値を制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記目標電流指令値が前記目標上限電流値以上の場合には、前記目標上限電流値を前記出力電流値とする一方、
前記目標電流指令値が前記目標上限電流値より小さい場合には、前記目標電流指令値を前記出力電流値とすることを特徴とする請求項1記載の燃料電池システム。 - 前記制御部は、前記オフガスの温度が所定値を超えた場合に、前記出力電流値を制限することを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料電池システム。
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