JP6972920B2

JP6972920B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6972920B2
Application number: JP2017207753A
Authority: JP
Inventors: 良一難波
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-10-27
Filing date: 2017-10-27
Publication date: 2021-11-24
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: JP2019079757A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックに電力出力要求がない場合に、間欠的にカソードガスを供給するものが知られている。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、セル電圧が予め定めた上限電圧を超えないように、かつ、セル電圧が予め定めた下限電圧を下回らないように、カソードガスを供給する。

特開２０１２−０８９５２３号公報

従来のエアコンプレッサは、イナーシャが大きく応答性が悪いために少量のカソードガスを供給することが難しく、特に、エアコンプレッサの起動時にはカソードガスの流量が不必要に大きくなってしまうという問題がある。この結果、セル電圧が過剰に上昇し、また、燃費が悪化するおそれがある。そのため、燃費が悪化することを抑制できる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、複数の単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カソードガスを供給するターボコンプレッサと；前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部と；前記ターボコンプレッサを制御する制御部と；を備える。前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がなく前記カソードガスの供給を停止している場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を再開させ、前記平均セル電圧が前記目標電圧を上回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止する間欠運転を実行する。この形態の燃料電池システムによれば、制御部は、応答性の良いターボコンプレッサを用いて間欠運転を実行するので、細かい周期でカソードガスを間欠的に供給できる。そのため、燃費が悪化することを抑制できる。また、制御部は、目標電圧を上回ったか下回ったかでターボコンプレッサを制御して間欠運転を行うため、制御が簡素化できる。

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。間欠運転の手順の一例を表わすフローチャートである。平均セル電圧とカソードガス指示流量との関係を示した図である。第２実施形態における間欠運転の手順の一例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、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、冷却媒体循環部７０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ」という）８１と、負荷８２と、電圧検出部８３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、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）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、複数の単セル１１が積層されて構成されている。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）と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（図示せず）とを有する。

制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する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。制御部２０は、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２１の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。ＥＣＵ２１は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２１が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２１は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。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、後述する間欠運転を実現する。

カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、ターボコンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、圧力計３５と、分流弁３６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。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。

エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。ターボコンプレッサ３３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。ターボコンプレッサの特徴として、イナーシャが小さいので応答性が良く、稼動開始時の消費電力が他の種類のエアコンプレッサに比べて小さいとともに、回転数を変更させる際の動作が俊敏である点が挙げられる。

第１開閉弁３４は、ターボコンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられている。圧力計３５は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口の圧力を測定し、制御部２０に送信する。分流弁３６は、ターボコンプレッサ３３とカソードオフガス配管４１との間に設けられており、燃料電池スタック１０とカソードオフガス配管４１への空気の流量を調節する。

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の圧力を調整する。

アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク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、圧力計５６と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。以下では、アノードガス配管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、気液分離器６２と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、で構成される流路のことを、循環流路６６ともいう。循環流路６６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。

アノードガスタンク５２は、アノードガス配管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、アノードガス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、および圧力計５６は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク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に供給されるアノードガスの流量を制御する。圧力計５６は、燃料電池スタック１０のアノードガス入口の圧力を測定し、制御部２０に送信する。

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６２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６２へと誘導する。

気液分離器６２は、循環流路６６のアノードオフガス配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、循環流路６６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。

排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２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６３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６３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６３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。

循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５が設けられている。気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５によって、アノードガス配管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、アノードガスの利用効率を向上させている。

冷却媒体循環部７０は、燃料電池スタック１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池スタック１０の温度を調整する。冷却媒体循環部７０は、冷媒供給管７１と、冷媒排出管７２と、ラジエータ７３と、冷媒ポンプ７４と、三方弁７５と、バイパス管７６と、温度計７７と、を備える。冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水、空気などが用いられる。

冷媒供給管７１は、燃料電池スタック１０内の冷却媒体入口に接続され、冷媒排出管７２は、燃料電池スタック１０の冷却媒体出口に接続されている。ラジエータ７３は、冷媒排出管７２と冷媒供給管７１とに接続されており、冷媒排出管７２から流入する冷却媒体を、電動ファンの送風等により冷却してから冷媒供給管７１へと排出する。冷媒ポンプ７４は、冷媒供給管７１に設けられており、冷媒を燃料電池スタック１０に圧送する。三方弁７５は、ラジエータ７３とバイパス管７６への冷媒の流量を調節する。温度計７７は、冷媒排出管７２に接続されており、燃料電池スタック１０から排出される冷却水の温度を測定する。温度計７７で測定される温度は、燃料電池スタック１０の温度とほぼ等しい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１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８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、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。

電圧検出部８３は、燃料電池スタック１０の電圧を検出する。本実施形態において電圧検出部８３は、燃料電池スタック１０の電圧から平均セル電圧を算出する。「平均セル電圧」とは、燃料電池スタック１０の両端電圧を単セル１１の数で除算した値である。電圧検出部８３は、制御部２０に算出した平均セル電圧を送信する。

燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１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８２や、上述したターボコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５および各種弁に、供給される。

図２は、本実施形態における、間欠運転の手順の一例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が通常運転から非発電運転に移行したときに開始される。「非発電運転」とは、ＥＣＵ２１から燃料電池スタック１０への電力出力要求が無いときの燃料電池システム１００の運転態様である。非発電運転中は、単セル１１の電圧が開回路電圧となるのを避けるために小さな電流を燃料電池スタック１０から発生させてもよい。この場合も、実質的に発電を行っていないため「非発電運転」に含まれる。なお、非発電運転では、各機器の電力は２次電池等の他の電源（図示せず）から供給される。非発電運転では、燃費向上のために、可能な限り補機類を停止する。特に、ターボコンプレッサ３３は消費電力が大きいため、非発電運転中は可能な限り停止させることが好ましい。

制御部２０は、非発電運転を開始すると、図２に示す間欠運転を開始する。また、制御部２０は、非発電運転の停止指示、より具体的には、ＥＣＵ２１から燃料電池スタック１０への電力要求がされると、図２の制御を終了する。

制御部２０は、ステップＳ１００で、カソードガスの供給を停止する。より具体的には、ターボコンプレッサ３３が燃料電池スタック１０に供給するカソードガスの供給流量をゼロに設定する。燃費を向上させる観点から、アノードガスの供給流量もゼロに設定することが好ましい。

次に、制御部２０は、ステップＳ１１０で、平均セル電圧Ｖｆｃを取得し、平均セル電圧Ｖｆｃが予め定めた目標電圧Ｖｍより低いか否か判定する。目標電圧Ｖｍは、０Ｖより高くすることが好ましく、０．６Ｖ以上０．８５Ｖ以下の値とすることが更に好ましい。平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより低い場合、制御部２０は、ステップＳ１２０に進み、ターボコンプレッサ３３によるカソードガスの供給を再開する。この時のカソードガスの供給流量は、予め実験的に定められた流量であり、任意に定めることができる。また、燃料電池スタック１０の状態とカソードガス流量との関係が定義されたマップや関数に基づき、ステップＳ１２０におけるカソードガスの供給流量を定めるようにしてもよい。一方、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍ以上の場合、制御部２０はステップＳ１００の処理に戻る。つまり、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍを下回るまではカソードガスの供給を停止した状態を維持する。なお、目標電圧Ｖｍは、ステップＳ１１０を実行する度に変えてもよい。

ステップＳ１２０でカソードガスの供給を開始した後、制御部２０は、ステップＳ１３０で、平均セル電圧Ｖｆｃを再度取得して、その平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより高いか否か判定する。平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより高い場合、制御部２０は、ステップＳ１００の処理に戻り、カソードガスの供給を停止する。一方、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍ以下の場合、制御部２０はステップＳ１３０の処理に戻り、カソードガスの供給を続ける。このように、ステップＳ１２０、Ｓ１３０では、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍを超えるまでカソードガスの供給を一時的に再開する。なお、ステップＳ１３０の目標電圧Ｖｍは、ステップＳ１１０の目標電圧Ｖｍと同じ値である。

上述した図２の手順では、平均セル電圧Ｖｆｃを用いてステップＳ１１０、Ｓ１３０の判断を行っているが、この代わりに、燃料電池スタック１０の両端電圧を用いてステップＳ１１０、Ｓ１３０の判断を行ってもよい。上述したように、平均セル電圧Ｖｆｃは、燃料電池スタック１０の両端電圧を単セル１１の枚数で除した値なので、燃料電池スタック１０の両端電圧を用いた判断も、平均セル電圧Ｖｆｃを用いた判断と等価である。

図３は、間欠運転における平均セル電圧Ｖｆｃとカソードガス指示流量との関係の一例を示したタイミングチャートである。上側のグラフは平均セル電圧Ｖｆｃの変化を示しており、下側のグラフはカソードガスの供給流量の指示流量（以下、「カソードガス指示流量」という）の変化を示している。図３に示すように、制御部２０は、タイミングｔ０において、通常運転から非発電運転に切替える。より具体的には、燃料電池スタック１０の発電を停止し、カソードガス指示流量をゼロにしている。カソードガス指示流量がゼロになると、ターボコンプレッサ３３は運転を停止する。

図３の上側のグラフに示すように、燃料電池システム１００が通常運転から非発電運転に切り替わり、カソードガスの供給を停止すると、平均セル電圧Ｖｆｃが低下する。平均セル電圧Ｖｆｃが過度に低下すると、単セル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、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍよりも低下したタイミングｔ１において、制御部２０がターボコンプレッサ３３により燃料電池スタック１０にカソードガスの供給を再開する。カソードガスの供給を制御することによって平均セル電圧Ｖｆｃが過度に低下する事を抑制できる。また、燃費向上のため、平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍまで上昇したタイミングｔ２において、制御部２０は、ターボコンプレッサの運転を停止させる。

図３の下側のグラフに示すように、タイミングｔ０からタイミングｔ１の期間はカソードガスの供給を停止しているため、指示エア流量はゼロに設定されている。制御部２０は、タイミングｔ１において、図２のステップＳ１２０のカソードガス供給を再開し、制御周期毎にステップＳ１００〜ステップＳ１３０の制御を実行する。この結果、カソードガスの供給が間欠的に実行される。

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、応答性の良いターボコンプレッサ３３を用いて間欠運転を実行するので、細かい周期でカソードガスを間欠的に供給できる。そのため、燃費が悪化することを抑制できる。

また、制御部２０は、目標電圧Ｖｍを上回ったか下回ったかでターボコンプレッサ３３を制御して間欠運転を行うため、制御が簡素化できる。

Ｂ．第２実施形態：
図４は、第２実施形態における間欠運転の手順の一例を表わすフローチャートである。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。また、第２実施形態の間欠運転は、液水滞留が発生していた場合に液水パージ処理を行う点が第１実施形態と異なり、他の工程は第１実施形態と同じである。液水パージ処理とは、燃料電池システム１００の各構成部を制御して、燃料電池スタック１０に残留する水分や、燃料電池システム１００の配管・バルブ等に付着している水分を低減させるための掃気処理である。

前述した第１実施形態において、制御部２０は、ステップＳ１３０において平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより低いと判定した後に、ステップＳ１２０の処理に戻り、カソードガスの供給を続けている。第２実施形態では、制御部２０は、ステップＳ１３０において平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍより低いと判定した後に、ステップＳ１４０、Ｓ１５０に従って、必要に応じて液水パージ処理を行う。

ステップＳ１３０で、平均セル電圧Ｖｆｃを再度取得して、その平均セル電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖｍ以下の場合、制御部２０はステップＳ１４０に進み、ステップＳ１３０で取得した平均セル電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｌｏｗより低いか否か判定する。下限電圧Ｖｌｏｗとは、燃料電池スタック１０で液水滞留が発生していると判断する電圧値（例えば、単セル１１の触媒の酸化還元の切り替わる電圧値）として、予め実験的に定めることができる。下限電圧Ｖｌｏｗは、例えば、０．４Ｖ以上０．７Ｖ以下の値である。平均セル電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｌｏｗより低い場合、制御部２０は、ステップＳ１５０の処理に進み、液水パージ処理を行う。一方、平均セル電圧Ｖｆｃが下限電圧Ｖｌｏｗ以上の場合、制御部２０はステップＳ１３０の処理に戻り、カソードガスの供給を続ける。

ステップＳ１５０で液水パージ処理を行った後、制御部２０は、ステップＳ１００の処理に戻る。本実施形態において、液水パージ処理では、制御部２０が、カソードガス供給部３０を制御して、燃料電池スタック１０に過剰にカソードガスを投入する。例えば、通常の電圧維持に必要な流量、より具体的には図３に示す、カソードガス指示流量Ｑ１の１０倍以上で数秒間カソードガスを投入することが好ましい。

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、液水滞留が発生していた場合にパージ処理を行う。そのため、セル電圧が過度に低下することを抑制でき、燃費の悪化を抑制できる。

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…単セル
２０…制御部
２１…ＥＣＵ
３０…カソードガス供給部
３１…カソードガス配管
３２…エアフローメータ
３３…ターボコンプレッサ
３４…第１開閉弁
３５…圧力計
３６…分流弁
４１…カソードオフガス配管
４２…第１レギュレータ
５０…アノードガス供給部
５１…アノードガス配管
５２…アノードガスタンク
５３…第２開閉弁
５４…第２レギュレータ
５５…インジェクタ
５６…圧力計
６１…アノードオフガス配管
６２…気液分離器
６３…排気排水弁
６４…循環配管
６５…アノードガスポンプ
６６…循環流路
７０…冷却媒体循環部
７１…冷媒供給管
７２…冷媒排出管
７３…ラジエータ
７４…冷媒ポンプ
７５…三方弁
７６…バイパス管
７７…温度計
８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ
８１…ＰＣＵ
８２…負荷
８３…電圧検出部
１００…燃料電池システム

Claims

燃料電池システムであって、
複数の単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カソードガスを供給するターボコンプレッサと、
前記燃料電池スタックの電圧を検出する電圧検出部と、
前記ターボコンプレッサを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池スタックへの電力出力要求がなく前記カソードガスの供給を停止している場合において、前記燃料電池スタックの平均セル電圧が予め定めた目標電圧を下回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を再開させ、前記平均セル電圧が前記目標電圧を上回ったときに前記ターボコンプレッサによる前記燃料電池スタックへの前記カソードガスの供給を停止する間欠運転を実行する、燃料電池システム。