JP5737521B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を含む電源システムに関する。

一般に、燃料電池は、電解質膜の両側を挟持する一対の電極（アノード極及びカソード極）を含む膜電極接合体（ＭＥＡ）と、その膜電極接合体の両側を挟持する一対の燃料電池用セパレータとを有する。アノード極は、アノード極触媒層及び拡散層を有し、カソード極は、カソード極触媒層及び拡散層を有する。燃料電池の発電時には、アノード極に供給するアノードガスを水素ガス、カソード極に供給するカソードガスを酸素ガスとした場合、アノード極側では、水素イオン及び電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中を通ってカソード極側に到達し、電子は外部回路を通じてカソード極に到達する。一方、カソード極側では、水素イオン、電子、及び酸素ガスが反応して水分を生成する反応が行われ、エネルギーを放出する。

近時、かかる燃料電池を駆動用のエネルギー源として搭載した燃料電池車等の車両を、外部負荷への電力供給源（外部電源）として活用する開発研究や試みが広く行われつつある。例えば、特許文献１には、燃料電池を駆動電源として備える燃料電池車と、その燃料電池の発電電力が入力され且つその電力を外部負荷に出力する車外電力網を備えた分散電源システムが提案されている。この分散電源システムは、燃料電池車が停車しているときに、その車載燃料電池を運転して発電させて得られる発電電力を車外に取り出すことができるように構成されている。

特開２００４−１８７３８５号公報

ところで、上記特許文献１に記載されている分散電源システムにおいては、燃料電池車が長時間停車している夜間等に、燃料電池を最大効率条件で運転して発電を行い、その発電電力を車外電力網である商用電力系統に出力することが想定されている。しかしながら、燃料電池車に搭載された燃料電池の外部電源用途としては、そのような商用電力系統に出力することのみに限られない。むしろ、例えば災害時等に商用電力系統（商用電源）からの電力供給が喪失した場合には、一般家庭、避難施設、復旧現場等において電化製品等に電力を直接供給する外部電源としての機能が求められる。

そして、例えば家庭の電化製品の必要電力は、通常、精々数ｋＷ程度であるのに対し、車両駆動用の燃料電池を通常運転すると、燃料電池全体で（スタック出力として）１０ｋＷ弱〜１００ｋＷ程度、又はそれ以上の電力が生成されるのが現状である。つまり、そのような数ｋＷ程度の外部負荷に電力を供給するのに、例えば１００ｋＷ程度の大電力が得られる発電を行うと、その際には車両の走行に必要な補機等を駆動する必要もないことから、大量の余剰電力が発生してしまう。

そこで、本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、車両に搭載された燃料電池を外部電源として用いる際に、余剰電力の発生を抑制することができる電源システムを提供すること目的とする。

上記課題を解決するために本発明に係る電源システムは、車両に搭載された燃料電池と、この燃料電池を、車両が走行する際の走行モードと、外部負荷に電力を供給するための外部電源モードとで切り替えて運転する制御を実行する制御部とを備えており、制御部が、上記走行モードにおいては、燃料電池の発電時の高電位回避電圧を第１の電圧に設定する一方、外部電源モードにおいては、燃料電池の発電時の高電位回避電圧を、第１の電圧よりも高い第２の電圧に設定することを特徴とする。

このように構成された電源システムにおいては、燃料電池は、制御部が実行する制御により、通常の車両走行時には「走行モード」で運転され、外部負荷に電力を供給するときには「外部電源モード」で運転される。すなわち、制御部は、走行モードと外部電源モードという異なるモードを選択的に切り替えて燃料電池の運転を制御する。

走行モードでは、燃料電池の触媒層に用いられる触媒金属の溶出等を極力抑えるべく、燃料電池の発電に際して高電位を回避するための上限電圧（高電位回避電圧）が第１の電圧に設定される。これにより、走行モードにおいては、触媒金属の過度の消費等が抑制される。なお、走行モードにおける高電位回避電圧である第１の電圧としては、例えば、上述した触媒金属の溶出やシンタリングによる触媒金属の反応面積の減少といったカソード極触媒層の劣化が比較的生じ難い電圧が設定され得る。

一方、外部電源モードでは、燃料電池の発電時の高電位回避電圧が、第１の電圧よりも高い第２の電圧に設定される。ここで、一般に、車両駆動用の燃料電池においては、そのＩＶ特性（電流−電圧特性）から、出力が低下した場合の出力電圧は高くなる（出力電流は低くなる）傾向にある。よって、燃料電池の高電位回避電圧を第１の電圧よりも高い適宜の第２の電圧に設定することにより、外部電源モードにおいて、走行モードにおける発電出力よりも小さい電力を出力（低出力）することが可能となる。

したがって、本発明によれば、車両に搭載された燃料電池を外部電源として用いて、数ｋＷ程度の外部負荷に電力を供給する際に、従来の如く大量の余剰電力が発生してしまうことを効果的に抑制することができる。

本発明の電源システムの好適な一実施形態を備える車両の概略構成図（システム構成図）である。 本実施形態において、制御部により燃料電池システムに備わる燃料電池の出力を調節制御する手順の一例を示すフロー図である。 車両に搭載された燃料電池の単位セル電圧とスタック出力との関係の一例を示すグラフである。 燃料電池のセルスタックに供給される酸化ガス（空気）と水蒸気量との比の値に対するスタック出力の変化の一例を模式的に示すグラフである。 走行モード及び外部電源モードにおける燃料電池の単位セル電圧の経時変化を模式的に示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下の実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をその実施の形態のみに限定する趣旨ではない。また、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、さまざまな変形が可能である。

図１は、本発明の電源システムの好適な一実施形態を備える車両の概略構成図（システム構成図）である。車両１００は、電源システム２０及び内部負荷部３０を備える。電源システム２０は、車両１００の動力源としての電力を供給するものであり、内部負荷部３０は、その供給された電力を、車両１００を駆動するための機械的動力に変換するものである。

また、電源システム２０は、燃料電池システム２００、二次電池２６（バッテリ）、ＤＣ−ＤＣコンバータ６４、燃料電池システム２００の出力電圧及び出力電流をそれぞれ計測するための電圧計６９及び電流計６７、並びに、二次電池２６の残存量を計測するための残存容量モニタ２８を有している。さらに、電源システム２０は、それらの燃料電池システム２００及び二次電池２６等を制御する制御部５０を備える。

燃料電池システム２００は、複数の単位セルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックを有する燃料電池（ＦＣ）とＦＣコンバータ（いずれも図示せず）を備えている。この燃料電池は、高分子電解質膜等を一対の電極（アノード極及びカソード極）で挟み込んだ膜電極接合体（ＭＥＡ）が、燃料ガスと酸化ガスとを供給するための一対のセパレータで挟持された構造を有する単位セルを複数備えている。一般に、アノード極は、アノード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものであって、水素の酸化反応を生じ、一方、カソード極は、カソード極用触媒層が多孔質支持層上に設けられてなるものであって、酸素の還元反応を生じる結果、燃料電池全体として起電反応（電池反応）が生起される。

また、燃料電池には、燃料ガスをアノード極に供給する系統、酸化ガスをカソード極に供給する系統、及び、冷却液を提供する系統（いずれも図示せず）が設けられており、制御部５０からの制御信号に応じて、燃料ガスの供給量や酸化ガスの供給量が制御され、これにより、燃料電池システム２００から所望の電力が出力されるように構成されている。

また、燃料電池システム２００に備わるＦＣコンバータは、燃料電池の出力電圧を制御する役割を担っており、その一次側（入力側）に入力された燃料電池の出力電圧を、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧又は降圧）して二次側（出力側）へ出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側へ出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＣコンバータが制御部５０によって所望に制御されることにより、燃料電池システム２００の出力電圧が所望の電圧となるように調整される。

なお、ＦＣコンバータの構成や種類は特に制されず、例えば、三相運転方式が採用されたものであり、より具体的には、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相から構成された三相ブリッジ形コンバータを好ましく用いることができる。その三相ブリッジ形コンバータの回路構成は、入力された直流電圧を一旦交流に変換するインバータ類似の回路部分と、その交流を再び整流して異なる直流電圧に変換する部分とが組み合わされたものである。

また、二次電池２６は、内部負荷部３０に対して燃料電池システム２００と並列に接続されており、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、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等として機能する。この二次電池２６としては、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の二次電池を好ましく用いることができる。

さらに、燃料電池システム２００及び二次電池２６と駆動回路３６を接続するライン４０には、例えばコンセントタイプの単相電源プラグ７０の一方極及び他方極が接続されている。この単相電源プラグ７０には、家庭用家電製品、非常用照明、非常用電源回路機器等の図示しない外部負荷が接続されるようになっている。なお、図１においては、単相電源プラグ７０をメス型で示したが、入出力部分の形態はこれに限定されない。

一方、内部負荷部３０は、アクセル３７、アクセル３７の開度（アクセル開度：踏み込み量）を計測するアクセルセンサ３５を有しており、また、トラクションモータ３１と、それにギヤ機構３２を介して接続された車輪３４、及び、トラクションモータ３１に電気的に接続されている駆動回路３６を備えている。トラクションモータ３１は、その駆動回路３６を介して電源システム２０に接続されており、トラクションモータ３１で発生した動力が、ギヤ機構３２を介して車輪３４に伝達されるように構成されている。

駆動回路３６は、電源システム２０から供給される電力を用いてトラクションモータ３１を駆動するための回路であり、その回路構成は特に制限されず、例えば、昇圧と電圧変換機能を有するＰＣＵ（パワーコントロールユニット）、パワー素子（スイッチング素子）、インバータ等から構成することができる。具体的には、駆動回路３６は、例えば、電源システム２０から送出された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３１に供給する。その際、供給される三相交流電力の大きさは、アクセルセンサ３５からの入力（アクセル開度）に基づいて制御部５０が制御する駆動回路３６によって決定される。このようにして、電源システム２０の出力電圧が、トラクションモータ３１に供給される電源システム２０からの三相交流電力の大きさそのものに依存しないように、車両システムが構築されている。

また、制御部５０は、燃料電池システム２００、ＤＣ−ＤＣコンバータ６４、及び駆動回路３６の他、車両１００に設けられた図示しない車速センサやナビゲーションシステム等に電気的に接続されており、それらに対する各種の制御（回路制御を含む）、及び、種々の入出力制御を実行する。なお、制御部５０による各種の制御動作は、制御部５０に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを制御部５０における例えばＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等が実行することによって実現される。また、そのメモリとしては、特に制限されず、例えばＲＯＭやハードディスク等の種々の記録媒体を利用することが可能である。

ここで、車両１００における制御部５０による制御動作の一例について更に説明する。図２は、本実施形態において、制御部５０により燃料電池システム２００に備わる燃料電池の出力を調節制御する手順の一例を示すフロー図である。

本実施形態では、まず、制御部５０が、通常時の運転モードとして、車両１００の走行を司る走行モードを起動する（ステップＳ１）。この走行モードにおいては、燃料電池の高電位回避電圧として、第１の電圧Ｖ１が設定される。この第１の電圧Ｖ１としては、先に言及したとおり、例えば、Ｐｔ等の触媒金属の溶出やシンタリングによる触媒金属の反応面積の減少といったカソード極触媒層の劣化が比較的生じ難い電圧が設定され得る（より具体的な数値例については後述する。）。これにより、車両１００の走行時において、燃料電池に含まれるＰｔ等の触媒金属の過度の消費等が抑制される。

それから、制御部５０は、単相電源プラグ７０に、例えば家庭用家電製品、非常用照明、非常用電源回路機器等の図示しない外部負荷が接続されているか否かを判断する（ステップＳ２）。単相電源プラグ７０に外部負荷が接続されていない（Ｎｏ）場合、制御部５０は、ステップＳ１に戻って、そのまま走行モードで燃料電池の運転制御を行う。

一方、単相電源プラグ７０に外部負荷が接続されている（Ｙｅｓ）場合、制御部５０は、例えば非常時の運転モードとして、外部負荷へ電力を供給するための外部電源モードを起動する（ステップＳ３）。この外部電源モードにおいては、燃料電池の高電位回避電圧として、第２の電圧Ｖ２が設定される。この外部電源モードにおける第２の電圧Ｖ２は、走行モードにおける第１の電圧Ｖ１よりも大きな値（Ｖ２＞Ｖ１）とされる。より具体的には、第２の電圧Ｖ２が、燃料電池に含まれるＰｔ等の触媒金属の酸化還元電位の領域よりも大きい電圧に設定されると好ましい。

ここで、表１に、モード種別（走行モード及び外部電源モード）の違いにおける必要スタック出力（上述の如くセルスタックとして構成されている燃料電池の総出力）及び高電位回避電圧Ｖ１，Ｖ２の一例、並びに、各モードの特徴をまとめて示す。

走行モードにおける必要スタック出力は、例えば８．０〜１１０ｋＷ程度であり、必要スタック出力が例えば８．０ｋＷのとき、高電位回避電圧である第１の電圧Ｖ１は、例えば０．８５Ｖ程度に設定される（表１の例１））。一方、外部電源モードにおける必要スタック出力は、例えば８．０〜１１０ｋＷ程度であり、必要スタック出力が例えば５．０、０．５、及び０．０ｋＷのとき、高電位回避電圧である第２の電圧Ｖ２は、それぞれ、例えば０．９０、０．９５Ｖ、及びＯＣＶ（１．０Ｖ）程度に設定される。なお、ここでの第１の電圧Ｖ１及び第２の電圧Ｖ２は、ともに燃料電池の単位セル電圧を示す。また、第２の電圧Ｖ２がＯＣＶ（１．０Ｖ）の場合には、実質的に高電位回避を行わないモードと捉えることもできる。

図３は、このような車両１００に搭載された燃料電池の単位セル電圧とスタック出力との関係の一例を示すグラフであり、図示の曲線において、白抜き矢印Ｒ１で示す領域が走行モードに相当し、白抜き矢印Ｒ２で示す領域が外部電源モードに相当する。

このようにして走行モードの高電位回避電圧（第１の電圧Ｖ１）と外部電源モードの高電位回避電圧（第２の電圧Ｖ２）を選択的に設定するための手段、手法、又は手順としては、特に制限されず、例えば、制御部５０による単位セル電圧の電位制御として、それらの高電位回避電圧の数値パラメータ等を切り替える制御が挙げられる。この場合、例えば、制御部５０に内蔵されているメモリに、第１の電圧Ｖ１と第２の電圧Ｖ２の値（それぞれ単数でも複数でもよい）を予め格納しておき、図２に示すステップＳ１で走行モードを起動した際に、メモリから第１の電圧Ｖ１の値を読み出し、ステップＳ３で外部電源モードを起動した際には、メモリから第２の電圧Ｖ２の値を読み出し、それらの高電位回避電圧で燃料電池の運転制御を行う。

また、制御部５０による単位セル電圧の別の電位制御として、上述の如く第１の電圧Ｖ１と第２の電圧Ｖ２として一定の値を用いる代わりに、例えば図３に示す曲線の関係式を制御部５０のメモリに記憶しておき、単相電源プラグ７０に接続される外部負荷の大きさや台数等に応じて必要とされる燃料電池のスタック出力と、その予め記憶しておいた関係式に基づいて、外部電源モードにおける高電位回避電圧を適宜設定するようにしてもよい。

或いは、制御部５０による電位制御に代えて、燃料電池の発電量を左右する（影響を与える）種々の発電パラメータを、走行モード及び外部電源モードのそれぞれで、互いに異なるように調節する制御を行うこともできる。このような発電パラメータとしては、例えば、スタックへの燃料ガス及び／又は酸化ガスの供給量（流量）、スタックにおける加湿状態、スタックの温度等が挙げられる。

ここで、図４は、燃料電池のセルスタックに供給される酸化ガス（空気）と水蒸気量との比（以下「ガス／Ｓｔ．比」という）の値に対するスタック出力の変化の一例を模式的に示すグラフである。図４に示すとおり、ガス／Ｓｔ．比の値が大きくなるにつれて、スタック出力が増大する傾向にあり、同図においては、例えばガス／Ｓｔ．比＝２のときに走行モードで燃料電池に必要とされるスタック出力Ｐ１を得ることができ、例えばガス／Ｓｔ．比＝１のときに外部電源モードで燃料電池に必要とされるスタック出力Ｐ２を得ることができる。

このことから、制御部５０による電位制御上の発電パラメータとしての高電位回避電圧の値自体は、走行モードと外部電源モードで同一としつつ、制御部５０によって例えば酸化ガスの供給量を変化させてガス／Ｓｔ．比を調節し、これにより、走行モード及び外部電源モードにおける高電位回避電圧が、それぞれ上述した第１の電圧Ｖ１及び第２の電圧Ｖと実質的に等価になるような制御を実現することができる。

また、単相電源プラグ７０から外部負荷へ電力を供給する経路としては、燃料電池システム２００のみからの送電、燃料電池システム２００及び二次電池２６の双方からの送電、並びに、二次電池２６のみからの送電が挙げられる。これらのうち、二次電池２６を用いて又は二次電池２６を介して外部負荷へ送電する場合、燃料電池においては実質的な高電位回避を行わなくてもよい（例えば、第２の電圧Ｖ２を先述したようにＯＣＶ（１．０Ｖ）に設定する。）。

このように構成された車両１００に備わる電源システム２０によれば、外部電源モードにおいて、燃料電池の高電位回避電圧が、走行モードにおける第１の電圧Ｖ１よりも高い第２の電圧Ｖ２に設定されるので、外部負荷に電力を供給する外部電源モードを実行したときに、車両１００の通常の走行モードにおける発電出力よりも小さい電力を出力することが可能となる。これにより、車両１００に搭載された燃料電池システム２００の燃料電池を外部電源として用いて、数ｋＷ程度以下の外部負荷に電力を供給するときに、従来の如く大量の余剰電力が発生してしまうことを十分に抑止することが可能となる。

したがって、車両１００は、例えば災害時等に商用電力系統（商用電源）からの電力供給が喪失した場合に、一般家庭、避難施設、復旧現場等において電化製品等に電力を直接供給する外部電源としての極めて有用である。

また、外部電源モードにおいて、燃料電池の出力を小さくする（低電力にする）ことができるので、燃料電池自体への負荷が低減され且つ発電電流が少なくなる。これにより、いわゆるＩＲ損失等による出力損失を低減させることができ、その結果、燃料電池による発電効率を向上させることもできる。

ここで、図５は、走行モード及び外部電源モードにおける燃料電池の単位セル電圧の経時変化を模式的に示すグラフである。図５において、実線のラインＨ１が走行モードにおける単位セル電圧を示し、一点鎖線で示すラインＨ２が外部電源モードにおける単位セル電圧を示す。また、同図において、斜線で示す電圧範囲Ｋは、触媒金属として用いられるＰｔの酸化還元電位の領域（ここでは大まかに０．７０〜０．７５Ｖ）を示す。この例では、走行モードにおける高電位回避電圧（第１の電圧Ｖ１）は、単位セル電圧＝０．８５Ｖ（スタック出力８．０ｋＷに相当）に設定され、外部電源モードにおける高電位回避電圧（第２の電圧Ｖ２）は、単位セル電圧＝０．９５Ｖ（スタック出力０．５ｋＷに相当）に設定される。

走行モードは、車両１００の通常時の運転モードであって、運転時間は比較的長い。また、走行モードにおいては、ユーザ（車両１００の運転者）によるアクセル３７の開閉が道路状況や交通状況に応じて頻繁に行われる。そのため、図５のラインＨ１で示すように、燃料電池の単位セル電圧は、Ｐｔの酸化還元電位（電圧範囲Ｋ）を跨いで変動する回数が比較的多くなる傾向にある。図示において、単位セル電圧が電圧範囲Ｋを超えると、触媒金属のＰｔは、酸化されてイオン化し溶出する一方、単位セル電圧が電圧範囲Ｋを下回ると、Ｐｔイオンが還元されて原子化し、Ｐｔが析出する。このようにして触媒金属の酸化還元が頻繁に生じる結果、表１にも記載したとおり、走行モードは、燃料電池の耐久性への影響が大きい。

これに対し、外部電源モードは、車両１００の非常時の運転モードであって、運転時間は比較的短い。また、外部電源モードにおいては、ユーザによるアクセル３７の開閉は通常行われない。よって、図５のラインＨ２で示すように、燃料電池の単位セル電圧は、Ｐｔの酸化還元電位（電圧範囲Ｋ）を跨いで変動する回数は比較的非常に少ない傾向にある。その結果、外部電源モードでは、触媒金属の酸化還元が頻繁に生じることはないので、表１にも記載したとおり、外部電源モードによる燃料電池の耐久性への影響は小さい。したがって、外部電源モードの高電位回避電圧である第２の電圧Ｖ２を、走行モードにおける第１の電圧Ｖ１よりも高くしたとしても、燃料電池の性能劣化が促進されてしまうといった不都合を防止することができる。

換言すれば、外部電源モードの高電位回避電圧を高電位にすると低電位の場合に比して、触媒金属の溶出等が増加する傾向にあるものの、外部電源モードにおいては、上述の如く、触媒金属の酸化還元が頻繁に生じないことから、全体としてみたときに、燃料電池の性能劣化に対する影響は、実運転上、許容できるものとなる。一方、走行モードにおいては、触媒金属の酸化還元が外部電源モードに比して頻繁に生じ得るため、燃料電池の性能劣化をより抑制するべく、外部電源モードよりも低い高電位回避電圧を設定する必要がある。

なお、上述したとおり、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない限度において様々な変形が可能である。

本発明による電源システムは、上述した優れた作用効果を奏することにより、燃料電池全般、燃料電池を備える車両、機器、システム、設備等、及び、それらの製造に広く且つ有効に利用することができ、単にそればかりではなく、災害時等に商用電源からの電力供給が喪失してしまったときに、一般家庭、避難施設、復旧現場等に電力を直接供給する外部電源としての利用性に極めて優れるものである。

２０ 電源システム
２６ 二次電池（バッテリ）
２８ 残存容量モニタ
３０ 内部負荷部
３１ トラクションモータ
３２ ギヤ機構
３４ 車輪
３５ アクセルセンサ
３６ 駆動回路
３７ アクセル
４０ ライン
５０ 制御部
６４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
６７ 電流計
６９ 電圧計
７０ 単相電源プラグ
１００ 車両
２００ 燃料電池システム

Claims (2)

1. 車両に搭載された燃料電池と、
   前記燃料電池を、前記車両が走行する際の走行モードと、外部負荷に電力を供給するための外部電源モードとで切り替えて運転する制御を実行する制御部と、
   を備えており、
   前記制御部は、前記走行モードにおいては、前記燃料電池の発電時の高電位回避電圧を第１の電圧に設定し、前記外部電源モードにおいては、前記燃料電池の発電時の高電位回避電圧を、前記第１の電圧よりも高い第２の電圧に設定する、
   電源システム。
2. 前記燃料電池は、触媒金属を含んでおり、
   前記第２の電圧は、前記触媒金属の酸化還元電位の領域よりも大きい電圧に設定される、
   請求項１記載の電源システム。

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