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JP3956568B2 - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよびその制御方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関し、特に発電時に生成され電極膜に溜まった水を運転性を低下させることなく排出できる燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムにおいては、発電時に燃料電池スタック内の電極膜付近に生成水が溜まり、電極膜の細孔が閉塞することにより電力が低下することが知られている。このため、定期的に空気や窒素ガスをパージして、電極膜に溜まった生成水を排出することが行われている。
【０００３】
こうした場合、特開平７−２３５３２４号公報に開示されたように、電極の濡れ具合、すなわち抵抗値変化を検知して酸素ガスパージを行うことで、燃料電池スタック内の水を排出することも提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、生成水を除去するために燃料電池スタックに空気等をパージしている間は、そのときの運転負荷から想定される運転条件でシステムを作動させないため、燃料電池スタックから取り出せる電力が制限されてしまうという問題があった。
【０００５】
特に自動車のような移動体の場合は負荷変動が大きいことから、電力不足によって運転性が悪化したり、これを防止するために別途設けられた２次電池からの電力を取り出す必要が生じて、その補充電による燃費低下が起こるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、運転性を低下させることなく燃料電池スタックで生成した水を排出できる燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、駆動モータを備える移動体に搭載され、燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池システムから前記移動体に設けられた駆動モータへ電力が供給され、前記燃料電池スタックの陽極側の圧力と陰極側の圧力及びこれらの差圧がそれぞれ許容値を超えないような制御が実行される燃料電池システムにおいて、前記移動体の負荷状況を検出する手段を備え、前記負荷状況を検出する手段により検出された移動体が減速状態のときに、前記燃料電池スタックで生成した水を排出するパージ操作を実行することを特徴とする。
本発明において、前記減速状態とは、前記駆動モータへの指令値がゼロのとき、前記移動体のアクセル開度が閉又は開から閉までの時間変化が所定値以上のとき、前記移動体の負荷がゼロのとき、前記移動体の走行電力を必要としないときとすることができる。
本発明において、前記パージ操作を実行する際に、燃料電池に酸素含有ガスを供給する圧縮機の動作回転数を一時的に上げたり、前記燃料電池スタックへの水素含有ガスと酸素含有ガスの流量を制御する流量制御弁を一時的に閉じたりすることができる。
本発明において、前記燃料電池スタックに溜まった生成水の蓄積量が所定値以上のときに、前記パージ操作を実行することもできる。
この場合、前記蓄積量は、前回のパージ操作からの、前記燃料電池スタックに流れた電流、印加された電圧又は消費された電力の総和、または前回のパージ操作からの経過時間で推定することができる。
【００２３】
【発明の効果】
自動車のような移動体は、走行中に加速や減速が頻繁に生じるが、生成水が発生しやすいのは移動体の負荷が大きいとき、つまり加速のときであり、加速を終了した後には必ず減速（アクセルを戻した状態も含む。）する。しかも、減速状態では走行電力も必要としない。
そこで本発明によれば、移動体が減速状態のときに生成水を排出するので、移動体の運転性を損なうことなく燃料電池から生成水を排出することができ、電極膜の細孔を閉塞することによる燃料電池の性能低下を防止することができる。
【００２４】
また、既存の流量制御弁を用いることができるので、燃料電池システムとして新たな部品を追加することなく、低コストで生成水のパージを行うことができる。
【００２５】
これに加えて、燃料電池の内部圧力を上昇させた後にパージ操作を実行すれば、生成水の排出効率（パージ効果）を高めることができる。
【００２６】
また、パージガスを供給する際に圧縮機の動作回転数を一時的に高めれば、圧縮されたパージガスが供給され、パージ効果が増大する。
【００２７】
また本発明によれば、既存部品を共用することができるので、燃料電池システムとして新たな部品を追加することなく、生成水のパージを行うことができる。
【００２８】
また、生成水の蓄積量をも勘案すれば、効率的かつ高精度のパージが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図、図２は同実施形態に係る燃料電池システムの制御フローを示すフローチャート、図３は同実施形態に係る燃料電池システムに係る流量制御弁の動作を説明するためのタイムチャートである。
【００３０】
まずシステム構成について説明すると、本実施形態の燃料電池システム１は、電解質を挟んで対電極が設けられた燃料電池スタック１１を有し、この燃料電池スタック１１の陽極側には、改質器１４から水素ガス供給管１５によって水素含有ガスが供給され、陰極側には圧縮機１２から空気供給管１３によって圧縮空気が供給される。なお、改質器１４は、たとえばメタノール（改質原料）を水蒸気改質して、水素を多量に含む燃料ガス（水素含有ガス）とするものであるが、本発明の燃料電池システムでは水素含有ガスの供給源は改質器にのみ限定されず、たとえば水素タンクや水素貯蔵合金などを用いることもできる。
【００３１】
燃料電池スタック１１には、空気排出管１６と水素ガス排出管１７とが設けられており、空気排出管１６には本発明の第１の流量制御弁に相当する空気流量制御弁１８が設けられ、水素ガス排出管１７には本発明の第２の流量制御弁に相当する水素ガス流量制御弁１９が設けられている。これら空気流量制御弁１８および水素ガス流量制御弁１９は、車両の運転条件から定まる電力が取り出せるよう、その開度を制御することで燃料電池スタック１１に供給される水素ガスと空気との流量を制御する。なお、空気供給管１３に設けられた空気圧センサ２０と水素ガス供給管１５に設けられた水素ガス圧センサ２１により燃料電池スタック１１に供給される空気および水素ガスの圧力が規定圧力に維持される。
【００３２】
また、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１１に供給される冷却水の温度を検出する冷却水水温センサ２２を有し、この水温センサ２２で検出された冷却水の温度に基づいて燃料電池スタック１１の暖機状態を判断する。
【００３３】
なお、空気圧センサ２０、水素ガス圧センサ２１および冷却水水温センサ２２からの検出信号は燃料電池システムのコントロールユニット２３に送出される一方で、このコントロールユニット２３からの指令信号は、圧縮機１２、改質器１４、空気流量制御弁１８および水素ガス流量制御弁１９に送出される。
【００３４】
一方、車両の駆動モータを制御するためのコントロールユニット２４には、車両の速度を検出するための車速センサ２５および車両のアクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ２６が接続されており、さらに車両のコントロールユニット２４から燃料電池システムのコントロールユニット２３へ車両の駆動モータへの指令値信号が送出される。
【００３５】
次に作動を説明する。
図２のステップ１０およびステップ２０に示すように、まず冷却水水温センサ２２で検出された冷却水の温度に基づき燃料電池スタック１１の暖機運転が終了したかどうかを判断する。本実施形態の生成水の排出制御は燃料電池スタックの暖機後に実行するからである。ステップ２０において水温センサ２２で検出された実際の水温がＴＷ、暖機運転を終了したと判断される基準水温がＴＷ０である。
【００３６】
次に、ステップ３０において空気圧センサ２０と水素ガス圧センサ２１とを用いて燃料電池スタック１１に供給される空気圧ＰＡと水素ガス圧ＰＨとを計測し、燃料電池スタック１１の電極膜が破損するのを防止するため、陽極側の圧力と陰極側の圧力及びこれらの差圧がそれぞれ許容値を超えないように、圧縮機１２、改質器１４、空気流量制御弁１８および水素ガス流量制御弁１９をそれぞれ制御する。この制御は常時実行される。
【００３７】
ステップ４０乃至ステップ８０が減速時での動作であるが、減速時は車両のコントロールユニット２４から駆動モータへ送出される指令値がゼロとなるので、ステップ４０において車両のコントロールユニット２４から駆動モータへの指令値をコントロールユニット２３へ読み込み、ステップ５０においてこの指令値がゼロであるかどうかを判断する。そして、駆動モータへの指令値がゼロであるときは、減速状態であると判断してステップ６０へ進む。
【００３８】
なお、減速状態に関しては、車両が負の加速度となる場合だけでなく、アクセルを戻して軽負荷となった場合も減速状態に含め、本実施形態の制御によるパージを行うことも可能である。
【００３９】
ステップ６０においては、空気流量制御弁１８と水素ガス流量制御弁１９とのそれぞれを一旦全閉とし、ごく短時間である程度まで燃料電池スタック１１の内部圧力を上げる。そして、ステップ７０において空気流量制御弁１８と水素ガス流量制御弁１９を今度は全開とし、これを減速状態が終了するまで継続する（ステップ８０）。ただしこのときは、陽極側と陰極側の差圧が許容値を超えないように監視する必要がある。
【００４０】
これにより、車両が減速状態になる度に燃料電池スタック１１に溜まった生成水を空気排出管１６および水素ガス排出管１７から効率よく排出することができる。
【００４１】
ちなみに、ステップ６０において空気流量制御弁１８と水素ガス流量制御弁１９を全閉近くまで閉じるときは、空気圧センサ２０と水素ガス圧センサ２１とによって燃料電池スタック１１の内部圧力の上昇を監視し、限界値を超える前にこれらの流量制御弁１８，１９をすばやく開に戻すことが望ましい。
【００４２】
図３は車両の走行速度、車両負荷および流量制御弁１８，１９の開度の関係を示すタイムチャートであり、減速開始ポイントＰ１から加速開始ポイントＰ２までの間は車両の加速度がマイナスかあるいはゼロであり、この間の車両の負荷はゼロである。そして、減速開始ポイントＰ１では、流量制御弁１８，１９の開度を一旦全閉としたのち直ぐに全開とし、加速開始ポイントＰ２を過ぎたら通常の制御に戻る。
【００４３】
第２実施形態
図４は本発明の燃料電池システムの他の実施形態を示すフローチャートであり、装置構成は図１に示すものと同じである。基本作動は上述した第１実施形態と同じであるが、第１実施形態のステップ４０では減速状態の判断として車両の駆動モータへの指令値を用いたのに対し、本実施形態ではステップ４１において減速状態の判断にはアクセル開度センサ２６の信号と車速センサ２５の信号とを用いている。ここで、アクセル開度センサ２６の信号は、全閉信号そのものを用いても良いし、あるいはアクセルの開→閉の時間変化を用いても良い。
【００４４】
第３実施形態
図５は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態を示すフローチャートであり、装置構成は図１に示すものと同じである。基本作動は上述した第２実施形態と同じであるが、ステップ７１において、流量制御弁１８，１９を全開にしたときに圧縮機１２の動作回転数をアップさせる。これにより、燃料電池スタック１１に溜まった生成水の排出量をさらに増加させることができる。
【００４５】
第４実施形態
図６は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態を示すフローチャートであり、装置構成は図１に示すものと同じである。基本作動は上述した第２実施形態と同じであるが、ステップ３５およびステップ３６が付加されている。すなわち、燃料電池スタックにパージガスを供給するにあたり、ステップ３５にて前回のパージ操作からの経過時間ＴＭＰをカウントし、この経過時間ＴＭＰがある一定時間ＴＭＰ０以上経過していないとステップ３０へ戻りパージを実行しないこととしている。つまり、前回のパージ操作から一定時間経過しないと燃料電池スタック１１に生成水が溜まらず、パージの必要がないとする補正処理が追加されている。
【００４６】
第５実施形態
図７は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態を示すブロック図、図８はフローチャートであり、装置構成については図１に示すものに対してアクセル開度センサ２６に代えて、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）などで用いられている加速度センサ２７が共用されている。
【００４７】
そして、図８に示すように、ステップ４２において加速度センサ２７および車速センサ２５からの信号を読み込み、これに基づいて減速状態かどうかを判断する。
【００４８】
第６実施形態
図９は本発明の燃料電池システムのさらに他の実施形態を示すブロック図、図１０はフローチャートであり、装置構成については図１に示すものに対して、燃料電池スタック１１の電流を検出する電流センサ２８が付加されている点が異なる。この電流センサ２８は、燃料電池スタック１１に溜まった生成水の蓄積量を検出するために設けられたもので、流れた電流量の総和から生成される水の量が演算される。すなわち、図１０に示すように、ステップ３７にて電流センサ２８からの信号を読み込み、ステップ３８にて生成水の蓄積量を推定し、続くステップ３９にて推定された蓄積量からパージガスの供給が必要かどうかを判断する。
【００４９】
なお、本例において電流センサ２８に代えて電力センサを用いても良い。
【００５０】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の燃料電池システムの制御フローを示すフローチャートである。
【図３】本発明の燃料電池システムに係る流量制御弁の動作を説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の燃料電池システムの他の制御フローを示すフローチャートである。
【図５】本発明の燃料電池システムのさらに他の制御フローを示すフローチャートである。
【図６】本発明の燃料電池システムのさらに他の制御フローを示すフローチャートである。
【図７】本発明の燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。
【図８】図７に示す燃料電池システムの制御フローを示すフローチャートである。
【図９】本発明の燃料電池システムの他の構成を示すブロック図である。
【図１０】図９に示す燃料電池システムの制御フローを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１…燃料電池システム
１１…燃料電池スタック
１２…圧縮機
１３…空気供給管
１４…改質器
１５…水素ガス供給管
１６…空気排出管
１７…水素ガス排出管
１８…空気流量制御弁（第１の流量制御弁）
１９…水素ガス流量制御弁（第２の流量制御弁）
２０…空気圧センサ
２１…水素ガス圧センサ
２２…冷却水の水温センサ
２３…燃料電池システムのコントロールユニット
２４…車両のコントロールユニット
２５…車速センサ
２６…アクセル開度センサ
２７…加速度センサ
２８…電流センサ

Claims (10)

  1. 駆動モータを備える移動体に搭載され、燃料電池スタックを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池システムから前記移動体に設けられた駆動モータへ電力が供給され、前記燃料電池スタックの陽極側の圧力と陰極側の圧力及びこれらの差圧がそれぞれ許容値を超えないような制御が実行される燃料電池システムにおいて、
    前記移動体の負荷状況を検出する手段を備え、
    前記負荷状況を検出する手段により検出された移動体が減速状態のときに、前記燃料電池スタックで生成した水を排出するパージ操作を実行することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記減速状態とは、前記駆動モータへの指令値がゼロのときとする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記減速状態とは、前記移動体のアクセル開度が閉又は開から閉までの時間変化が所定値以上のときとする請求項１記載の燃料電池システム。
  4. 前記減速状態とは、前記移動体の負荷がゼロのときとする請求項１記載の燃料電池システム。
  5. 前記減速状態とは、前記移動体の走行電力を必要としないときとする請求項１記載の燃料電池システム。
  6. 前記パージ操作を実行する際に、燃料電池に酸素含有ガスを供給する圧縮機の動作回転数を一時的に上げる請求項１〜５の何れかに記載の燃料電池システム。
  7. 前記パージ操作を実行する際に、前記燃料電池スタックへの水素含有ガスと酸素含有ガスの流量を制御する流量制御弁を一時的に閉じる請求項１〜６の何れかに記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池スタックに溜まった生成水の蓄積量が所定値以上のときに、前記パージ操作を実行する請求項１〜７の何れかに記載の燃料電池システム。
  9. 前記蓄積量は、前回のパージ操作からの、前記燃料電池スタックに流れた電流、印加された電圧又は消費された電力の総和で推定する請求項８記載の燃料電池システム。
  10. 前記蓄積量は、前回のパージ操作からの経過時間で推定する請求項８記載の燃料電池システム。
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