JP6413491B2 - 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し、燃料電池の乾燥状態を判定する燃料電池システムに関する。

電気化学反応により発電する燃料電池が知られており、この燃料電池は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して燃料電池スタックを構成している。セルは、水素を供給されるアノード極と、空気中の酸素を供給されるカソード極と、のそれぞれの片側面に拡散層、触媒層、が順に積層され、拡散層、触媒層、が積層された面を内側にして中央に電解質を挟み込む構造になっている。アノード極とカソード極との電力の出力端子間には外部回路が接続され、外部回路には、モータなどの負荷が接続される。

このような燃料電池において、アノード極に供給された水素分子は、アノード極側の触媒層において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。この水素イオンは、電解質に含まれる水分を伴ってアノード極からカソード極側へと電解質中を移動し、放出された電子はアノード極に接続された外部回路を通じてカソード極へ移動する。この電子の移動により外部回路に接続された負荷に電流が流れる。

一方、カソード極に供給された酸素分子は、触媒層において外部回路から移動してきた電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質を移動してきた水素イオンと結合して水となる。

このように、燃料電池から電流が流れる際に、電解質には水分が必要となる。電解質の相対湿度が高ければ、電解質のイオン導電率も高くなることは一般的に知られている。しかし、水分が多すぎるとフラッディングという現象が起こり、水素ガスの移動を阻害することとなり、電流が流れにくくなる。そのため、電解質はある程度の加湿状態を保ちながら発電する必要がある。

特許文献１では、燃料電池によって発電を実行させ、燃料電池の出力電流と出力電圧から、出力電流に対応する電解質が非乾燥状態での出力電圧と、実際の出力電圧を比較して電解質の乾燥状態を判定する燃料電池システムが提案されている。

特開２０１０−１１４０３９号公報

しかしながら、このような特許文献１に記載の燃料電池システムにあっては、出力電流の電流値によっては、電解質の乾燥状態と非乾燥状態での出力電圧に有意な差異が生じない場合があり、このような場合、適切に電解質の乾燥状態を判定することが困難になる。
そこで、本発明は、燃料電池の出力電流と出力電圧に基づいて適切に燃料電池の電解質の乾燥状態を判定することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決する燃料電池システムの発明の一態様は、燃料ガスを電気化学的に反応させ電力を発生する燃料電池と、燃料電池の乾燥状態を判定する乾燥状態判定部と、燃料電池が発電する電力を制御する制御部と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、を備え、制御部は、燃料電池の出力電流の電流値を前記燃料電池の出力電圧値に基づいて前記燃料電池の乾燥状態を判別するための目標電流値に変更するように燃料電池の発電する電力を制御し、乾燥状態判定部は、燃料電池の出力電流の電流値が目標電流値に変更されたときの、電圧検出部の検出する電圧値に基づいて燃料電池の乾燥状態を判定するものである。

このように本発明の一態様によれば、燃料電池の出力電流と出力電圧に基づいて適切に電解質の乾燥状態を判定することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その概念ブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その燃料電池の出力電流と出力電圧の関係を示すグラフである。 図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その乾燥状態判定処理を示すフローチャートである。 図４は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その燃料電池の電解質が通常状態での出力電流と出力電圧の変化を示すタイムチャートである。 図５は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その燃料電池の電解質が乾燥状態での出力電流と出力電圧の変化を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両１は、モータ２と、インバータ３と、二次電池４と、燃料電池５と、ＤＣ（direct current）ＤＣコンバータ６と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）７と、を含んで構成される。

モータ２は、例えば、複数の永久磁石が埋め込まれたロータと、ステータコイルが巻きつけられたステータと、を備えた同期型モータで構成される。モータ２は、ステータコイルに三相交流電力が印加されることでステータに回転磁界が形成され、この回転磁界によりロータが回転して動力を生成する。モータ２の生成する動力は、不図示のトランスミッションにより変速され不図示の駆動輪に伝達され車両１を走行させる。また、モータ２は、車両１の減速時に、駆動輪側からモータ２側に動力が伝達されると、発電機として機能して回生電力を発生する。モータ２は、インバータ３に接続されている。

インバータ３は、三相交流電力をモータ２に供給してモータ２の出力トルクを制御する。インバータ３は、ＥＣＵ７の出力するトルク指令信号に従ってモータ２に供給する三相交流電力の電流量を制御してモータ２の出力トルクがトルク指令信号の指令トルクになるようにする。また、インバータ３は、モータ２から出力される三相交流電力を直流電力に変換して二次電池４を充電する。

二次電池４は、例えば、ニッケル蓄電池やリチウム蓄電池等からなり、複数のセルを直列に接続して構成されている。二次電池４は、インバータ３を介してモータ２に電力を供給する。

燃料電池５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解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを直接取り出すものである。燃料電池５には、燃料電池５の出力電圧を検出する電圧検出部５１が設けられている。

ＤＣＤＣコンバータ６は、燃料電池５の発電した電力をモータ２に適合するように変換するものである。ＤＣＤＣコンバータ６は、ＥＣＵ７の制御により入出力の電力を制御するようになっている。ＤＣＤＣコンバータ６は、入力電流値や入力電圧値などを示す信号をＥＣＵ７に送信するようになっている。ＤＣＤＣコンバータ６の入力電力の制御により、燃料電池５の出力電力が制御される。

ＥＣＵ７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートと、ネットワークモジュールとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

ＥＣＵ７のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ７として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＥＣＵ７において、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ７として機能する。

ＥＣＵ７の入力ポートには、前述の電圧検出部５１と、不図示の車速センサと、アクセル開度センサとを含む各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ７の出力ポートには、インバータ３と、二次電池４と、燃料電池５と、ＤＣＤＣコンバータ６とを含む各種制御対象類が接続されている。車速センサは、車両１の車速を検出するものである。アクセル開度センサは、運転者の操作するアクセルペダルの操作量をアクセル開度として検出するものである。

ＥＣＵ７は、車速センサの検出する車速やアクセル開度センサの検出するアクセル開度に基づいて、必要なモータ２の出力トルクを算出し、インバータ３にトルク指令信号を送信してモータ２に必要なトルクを出力させて車両１の走行を制御する。このとき、ＤＣＤＣコンバータ６の出力電力を制御してインバータ３に供給する電力を制御する。

ここで、燃料電池５の発電の出力電流と出力電圧の関係は、図２に示すように、電流を多く流そうとすると電圧が下がるという特性がある。燃料電池５の電解質が乾燥した状態となってくると電流を流し難くなり、図２の一点鎖線のグラフに示すように、出力電流値が大きくなるに従って出力電圧の低下が大きくなってくる。このように、燃料電池５を起動した時の出力の電流値と電圧値から燃料電池５の電解質の乾燥状態を判定することができる。

しかしながら、燃料電池５を起動した時の出力の電流値が、図２のＡ１付近であると、電解質が通常状態での電圧値と乾燥状態での電圧値に有意な差がないので、電解質が乾燥状態であるか否かを判定することが難しい。このため、ＥＣＵ７は、燃料電池５の出力電流を図２のＡ２付近の電解質の乾燥状態を明確に判別可能な電流値に引き上げ、電解質の乾燥状態の判定を行うようになっている。
ＥＣＵ７は、図１に示すように、燃料電池５の電解質の乾燥状態を判定する乾燥状態判定部７１と、燃料電池５の電解質の湿度を制御する湿度制御部７２と、を備えている。

ＥＣＵ７は、不図示のイグニッションスイッチがオンされると、処理を開始し、燃料電池５を起動させる。燃料電池５が起動すると、ＥＣＵ７は、ＤＣＤＣコンバータ６の入力電力を制御し、燃料電池５の出力電流を予め設定された目標電流値まで引き上げる。ここで、目標電流値は、燃料電池５の出力電圧値で電解質の乾燥状態を明確に判別可能な電流値であり、予め実験等により求められ、ＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されている。

乾燥状態判定部７１は、燃料電池５の出力電流が目標電流値になったときの出力電圧値が予め設定された乾燥判定閾値より小さいと判定した場合、燃料電池５の電解質が乾燥状態であると判定する。ここで、乾燥判定閾値は、予め実験等により求められ、ＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されている。

湿度制御部７２は、乾燥状態判定部７１により燃料電池５の電解質が乾燥状態であると判定された場合、燃料電池５の電解質の湿度を上げるように制御する。具体的には、湿度制御部７２は、燃料電池５の電解質が乾燥状態であると判定されると、燃料電池５の発電で生成される水を利用して電解質の湿度を上げるため、燃料電池５の出力電流値が通常の発電時より大きい乾燥時電流値になるようにＤＣＤＣコンバータ６の入力電力を制御する。ここで、乾燥時電流値は、予め実験等により求められ、ＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されている。

以上のように構成された本実施形態に係る燃料電池システムによる乾燥状態判定処理について、図３を参照して説明する。なお、以下に説明する乾燥状態判定処理は、燃料電池５が起動され、インバータ３からモータ２に電力供給が可能になると実行される。

まず、ＥＣＵ７は、ＤＣＤＣコンバータ６の入力電流の電流値が前述の目標電流値になるようにＤＣＤＣコンバータ６の入力電力を制御する（ステップＳ１１）。次いで、ＥＣＵ７は、ＤＣＤＣコンバータ６の入力電流の電流値が目標電流値になるのを待つ（ステップＳ１２）。

ＤＣＤＣコンバータ６の入力電流の電流値が目標電流値になったと判定した場合、乾燥状態判定部７１は、電圧検出部５１の検出する燃料電池５の出力電圧値が前述の乾燥判定閾値以上か否かを判定する（ステップＳ１３）。乾燥状態判定部７１が燃料電池５の出力電圧値が乾燥判定閾値以上であると判定した場合、ＥＣＵ７は、燃料電池５に通常の発電をさせるように制御して（ステップＳ１４）、処理を終了する。

乾燥状態判定部７１が燃料電池５の出力電圧値が乾燥判定閾値以上でないと判定した場合、湿度制御部７２は、湿潤促進の発電として、燃料電池５の出力電流値が前述の乾燥時電流値になるような発電をさせるようにＤＣＤＣコンバータ６の入力電力を制御して（ステップＳ１５）、処理を終了する。

このような乾燥状態判定処理による動作について図４及び図５を参照して説明する。
図４は、燃料電池５の電解質が通常の湿潤状態であるときのタイムチャートである。燃料電池５が起動されると、燃料電池５だけでなくＤＣＤＣコンバータ６や二次電池４やインバータ３がモータ２に電力供給可能になるｔ１において、ＤＣＤＣコンバータ６の入力電力が制御され、燃料電池５の出力電流が目標電流値になるまで引き上げられる。ｔ２において燃料電池５の出力電流が目標電流値になると、燃料電池５の出力電圧が乾燥判定閾値と比較され、燃料電池５の出力電圧が乾燥判定閾値以上と判定されると、ｔ３においてＤＣＤＣコンバータ６の入力電力が制御され、燃料電池５の出力電流が通常の発電時の電流値に下げられる。

図５は、燃料電池５の電解質が乾燥状態にあるときのタイムチャートである。図４の場合と同様に、燃料電池５が起動されモータ２に電力供給可能になるｔ１１において、燃料電池５の出力電流が目標電流値になるまで引き上げられる。ｔ１２において燃料電池５の出力電流が目標電流値になると、燃料電池５の出力電圧が乾燥判定閾値と比較される。ここで、燃料電池５の出力電圧が乾燥判定閾値より小さいと判定されると、ｔ１３においてＤＣＤＣコンバータ６の入力電力が制御され、燃料電池５の出力電流が通常発電時の電流値より大きい乾燥時電流値になるように制御される。

このときの出力電圧は、出力電流の電流値が大きく、かつ、電解質が乾燥状態であるため通常発電時の電圧値よりも小さくなる。そして、出力電流値が乾燥時電流値となる発電により水の生成が促進され、電解質の湿潤状態が回復していくと、出力電圧の電圧値も上昇してくる。電解質の湿潤状態が通常の状態に戻った場合は、燃料電池５の出力電流は通常発電時の電流値に戻され、出力電圧も通常発電時の電圧値になる。

このような本実施形態の燃料電池システムの効果について説明する。
上述の実施形態では、燃料電池５の出力電流の電流値を予め設定された目標電流値になるようにＤＣＤＣコンバータ６の入力電流を制御するＥＣＵ７と、燃料電池５の出力電流の電流値が目標電流値になったとき、電圧検出部５１の検出する電圧値が乾燥判定閾値より小さい場合に燃料電池５の電解質が乾燥状態であると判定する乾燥状態判定部７１と、を備える。

これにより、燃料電池５の電解質の通常状態と乾燥状態とで燃料電池５の出力電圧の電圧値に有意な差が生じる目標電流値に燃料電池５の出力電流の電流値がなったときに、燃料電池５の出力電圧の電圧値により燃料電池５の電解質の乾燥状態が判定される。このため、燃料電池５の出力電流と出力電圧に基づいて適切に燃料電池５の電解質の乾燥状態を判定することができる

また、燃料電池５の電解質の湿度を制御する湿度制御部７２を備え、湿度制御部７２は、乾燥状態判定部７１によって燃料電池５が乾燥状態であると判定された場合、燃料電池５の湿度を上昇させる制御を行う。

これにより、燃料電池５の電解質が乾燥状態であると判定された場合、燃料電池５の電解質の湿度が上昇するように制御される。このため、燃料電池５の電解質の状態を早く回復させることができる。

また、湿度制御部７２は、乾燥状態判定部７１によって燃料電池５が乾燥状態であると判定された場合、燃料電池５の出力電流の電流値を乾燥時電流値に上昇させる。
これにより、燃料電池５の電解質が乾燥状態であると判定された場合、燃料電池５の出力電流が上昇させられ、燃料電池５の水の生成量が増加する。このため、燃料電池５の電解質の湿度を上昇させることができる。

なお、本実施形態においては、湿度制御部７２は、燃料電池の電解質が乾燥状態であると判定されたとき、燃料電池５の出力電流を乾燥時電流値にして燃料電池５の電解質の湿度を上昇させたが、燃料電池の電解質の湿度を上昇させる装置、例えば、加湿器を備え、湿度制御部７２は、燃料電池の電解質が乾燥状態であると判定されたとき、加湿器により燃料電池５の電解質の湿度を上昇させるようにしてもよい。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
５ 燃料電池
６ ＤＣＤＣコンバータ
５１ 電圧検出部
７１ 乾燥状態判定部
７２ 湿度制御部

Claims (3)

1. 燃料ガスを電気化学的に反応させ電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池の乾燥状態を判定する乾燥状態判定部と、
   前記燃料電池が発電する電力を制御する制御部と、
   前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記燃料電池の出力電流の電流値を前記燃料電池の出力電圧値に基づいて前記燃料電池の乾燥状態を判別するための目標電流値に変更するように前記燃料電池の発電する電力を制御し、前記乾燥状態判定部は、前記燃料電池の出力電流の電流値が前記目標電流値に変更されたときの、前記電圧検出部の検出する電圧値に基づいて前記燃料電池の乾燥状態を判定する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池の湿度を制御する湿度制御部を備え、
   前記湿度制御部は、前記乾燥状態判定部によって前記燃料電池が乾燥状態であると判定された場合、前記燃料電池の出力電流の電流値を通常発電時の電流値より高い乾燥時電流値に変更するように前記燃料電池の発電する電力を制御し、前記燃料電池が乾燥状態から湿潤状態に戻った場合、前記燃料電池の出力電流の電流値を前記乾燥時電流値から通常発電時の電流値に戻す請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記目標電流値は、前記乾燥時電流値よりも大きい値である請求項２に記載の燃料電池システム。

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