JP2014235889A - 車両に搭載される燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの間欠運転時に、燃料電池スタックの各セル電圧を均一に保ちながら、各セル電圧が最大許容電圧を超過することを防止することができる、車両に搭載される燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００のＥＣＵ８０は、燃料電池システム１００の間欠運転の際に、電圧センサ７０によって検出されるセル電圧Ｖｃが所定の閾値電圧Ｖ’を下回ると、エアコンプレッサ３０を稼働させて燃料電池スタック１０に第１所定流量で空気を供給し、セル電圧Ｖｃが所定の目標電圧Ｖ”に到達して安定状態になると、燃料電池スタック１０に第１所定流量よりも多い第２所定流量で空気を一定時間供給する。第１所定流量は、エアコンプレッサ３０が供給可能な最低流量に設定されており、第２所定流量は、燃料電池システム１００を最低出力状態で運転する際に必要な流量に設定されている。【選択図】図１

Description

この発明は、車両に搭載される燃料電池システムに係り、特に間欠運転を行う車両に搭載される燃料電池システムに関する。

燃料電池システムを搭載した車両の実用化が進められている。一般的な燃料電池システムでは、複数の発電セルを積層して構成される燃料電池スタックに水素ガスと空気が供給され、これら水素ガスと空気中の酸素とが各発電セルの内部で化学反応を起こすことによって発電が行われる。

従来、燃料電池システムの燃費を向上させるために、車両のアイドリング時や低速走行時等の低負荷運転時に燃料電池スタックへの空気の供給を中止して発電を停止させ、バッテリからの電力供給によって車両の要求電力を賄う「間欠運転」と呼ばれる運転方法が行われている。ただし、燃料電池スタックへの空気の供給を長時間中止していると、各発電セルの電圧（セル電圧）が徐々に低下していき、やがて発電セルの性能劣化を起こすことなく使用可能な最低電圧（最低許容電圧）を下回ってしまう。

特許文献１には、間欠運転時におけるセル電圧の過度の低下を防止するために、セル電圧が所定の閾値電圧を下回った際に燃料電池スタックに空気を一時的に供給して発電を行わせ、各セル電圧を一定電圧以上に保つ発明が記載されている（特許文献１の図６を参照）。

特開２００７−１０９５６９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、燃料電池スタックへの空気の供給を急激に開始するためにセル電圧も急激に上昇し、発電セルの性能劣化を起こすことなく使用可能な最大許容電圧を超過してしまう可能性がある。また、セル電圧が急激に上昇するのを防止するために空気を穏やかに供給すると、燃料電池スタック内に空気のムラができてしまい、各セル電圧が不均一になってしまうという問題がある。

この発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、燃料電池システムの間欠運転時に、燃料電池スタックの各セル電圧を均一に保ちながら、各セル電圧が最大許容電圧を超過することを防止することができる、車両に搭載される燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムは、複数の発電セルを積層して構成される燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段と、燃料電池スタックに酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、燃料電池スタックのセル電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段によって検出される燃料電池スタックのセル電圧に基づいて空気供給手段の動作を制御する制御手段とを備え、制御手段は、燃料電池システムの間欠運転の際に、電圧検出手段によって検出されるセル電圧が所定の閾値電圧を下回ると、空気供給手段を稼働させて燃料電池スタックに第１所定流量で空気を供給し、セル電圧が所定の目標電圧に到達して安定状態になると、燃料電池スタックに第１所定流量よりも多い第２所定流量で空気を一定時間供給する。

好適には、第１所定流量は、空気供給手段が供給可能な最低流量である。

好適には、第２所定流量は、燃料電池システムを最低出力状態で運転する際に必要な流量である。

好適には、空気供給手段によって第１所定流量で供給される空気量と第２所定流量で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック内の各発電セルのアノードの容積の総和よりも多い。

この発明に係る車両に搭載される燃料電池システムによれば、燃料電池システムの間欠運転時に、燃料電池スタックの各セル電圧を均一に保ちながら、各セル電圧が最大許容電圧を超過することを防止することができる。

この発明の実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システムの構成を示す図である。 この発明の実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転時の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システムにおける間欠運転時の燃料電池スタックへの空気供給流量とセル電圧との関係を示すタイミングチャートである。

以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態．
この発明の実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システム１００の構成を図１に示す。なお、以降の説明では、燃料電池システム１００は、フォークリフト等の荷役装置を有する産業車両に搭載されるものとして説明する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、水素ガスを供給可能な水素タンク２０と、酸素を含む空気を供給可能なエアコンプレッサ３０とを備えている。燃料電池スタック１０は、固体高分子電解質をアノード極（水素極）とカソード極（空気極）とで挟み込んで形成される発電セルが複数積層された構成を有しており、各発電セルのアノード極には水素ガスが供給され、カソード極には空気が供給される。そして、各発電セルの内部における水素ガスと空気中の酸素との化学反応によって電気エネルギーが生成され、燃料電池スタック１０の発電が行われる。

水素タンク２０と燃料電池スタック１０との間の水素供給管２１の途中には、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの流量を調整するためのインジェクタ等から構成される流量調整弁２２と、水素還流管２３に接続されるエゼクタ２４とが設けられており、水素還流管２３の途中には電動ポンプ２５が設けられている。

水素タンク２０から水素供給管２１を経由して燃料電池スタック１０に供給される水素ガスは、燃料電池スタック１０内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく水素還流管２３に排出された水素ガスは、電動ポンプ２５の作用によってエゼクタ２４に導かれ、再び燃料電池スタック１０に供給される。

一方、エアコンプレッサ３０から空気供給管３１を経由して燃料電池スタック１０に供給される空気は、燃料電池スタック１０内の化学反応によってその一部が消費され、化学反応に寄与することなく空気排気管３２に排出された空気は、図示しない排気経路を経由して外気に放出される。

また、燃料電池スタック１０の出力には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０が接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の出力には、キャパシタ５０と車両負荷６０が接続されている。燃料電池スタック１０から出力される直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０によって所定の電圧まで降圧された後、荷役モータや走行モータ等によって構成される車両負荷６０に供給される。その際、燃料電池スタック１０の発電電力が車両負荷６０の要求電力を上回る場合には、余剰の電力がキャパシタ５０に充電され、発電電力が要求電力を下回る場合には、不足分の電力がキャパシタ５０から車両負荷６０に供給される。

さらに、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０のセル電圧Ｖｃ（より正確には、燃料電池スタック１０を構成する複数の発電セルの各セル電圧の平均値）を検出する電圧センサ７０が取り付けられており、電圧センサ７０の出力は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）８０に入力される。

ＥＣＵ８０は、マイクロコンピュータによって構成されており、流量調整弁２２の開閉と電動ポンプ２５の回転数を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給される水素ガスの流量を調整すると共に、エアコンプレッサ３０の吐出流量を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を調整し、これらにより燃料電池スタック１０の発電電力を制御する。また、ＥＣＵ８０は、燃料電池システム１００の間欠運転の際に、電圧センサ７０によって検出される燃料電池スタック１０のセル電圧Ｖｃに基づいてエアコンプレッサ３０を制御することによって、燃料電池スタック１０の各発電セルの性能劣化を防止する。

次に、この実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システム１００における間欠運転時の動作について説明する。燃料電池システム１００の間欠運転時には、エアコンプレッサ３０は通常は停止状態であり、燃料電池スタック１０への空気の供給は中止されている。一方、流量調整弁２２は通常は閉状態であり、水素の圧力が低下すると開状態となり、また電動ポンプ２５も低回転で駆動されており、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給は微量ながら継続されている。このような状況において、ＥＣＵ８０は、図２の制御フローに示される処理を所定の時間間隔で実行する。

図２の制御フローを参照すると、ＥＣＵ８０は、まずステップＳ１において、電圧センサ７０によって検出される燃料電池スタック１０のセル電圧Ｖｃが所定の閾値電圧Ｖ’を下回っているか否かを判定する。ここで、所定の閾値電圧Ｖ’は、燃料電池スタック１０を構成する各発電セルの性能劣化を起こすことなく使用可能な最低電圧（最低許容電圧：Ｖｍｉｎ）よりも僅かに高く設定された電圧である。

上記ステップＳ１において、セル電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖ’を下回っていると判定された場合、ＥＣＵ８０は、ステップＳ２において、エアコンプレッサ３０を仕様上許される最低吐出流量で駆動させる。これにより、図３（ａ）のタイミングチャートの時刻Ｔ１に示されるように、燃料電池スタック１０に第１所定流量（最低吐出流量）の空気が供給される。

続いて、ＥＣＵ８０は、ステップＳ３において、燃料電池スタック１０のセル電圧Ｖｃが各発電セルの性能劣化を起こすことなく使用可能な最大電圧（最大許容電圧：Ｖｍａｘ）よりも僅かに低く設定された目標電圧Ｖ”に到達して安定状態になるまでの間、エアコンプレッサ３０の駆動を継続させる（図３（ａ）の時刻Ｔ１〜Ｔ２）。この間、水素タンク２０から供給される水素とエアコンプレッサ３０から供給される空気中の酸素との化学反応によって燃料電池スタック１０内で発電が行われ、図３（ｂ）に示されるように、セル電圧Ｖｃが徐々に上昇していく。ただし、上述のように空気はエアコンプレッサ３０の最低吐出流量で穏やかに供給されるため、セル電圧Ｖｃが急激に上昇して最大許容電圧Ｖｍａｘを超過してしまうことはない。

上記ステップＳ３において、セル電圧Ｖｃが目標電圧Ｖ”に到達して安定状態になったと判定されると、ＥＣＵ８０は、ステップＳ４において、エアコンプレッサ３０の吐出流量を調整することによって、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量を上記第１所定流量よりも多い第２所定流量まで増加させ、この第２所定流量で空気を一定時間供給する（図３（ｂ）の時刻Ｔ２〜Ｔ３）。ここで、第２所定流量は、燃料電池システム１００を最低出力状態で運転する際に必要な空気流量に設定されており、これは燃料電池スタック１０内に溜まっている水を吹き飛ばして各セル電圧の不均一を解消するのに十分な流量である。これにより、燃料電池スタック１０内に溜まっている水が吹き飛ばされて空気のムラが解消され、各セル電圧の不均一が解消される。

また、この実施の形態においては、上記ステップＳ２〜Ｓ３において第１所定流量で供給される空気量と、上記ステップＳ４において第２所定流量で供給される空気量との総量は、燃料電池スタック１０内の各発電セルのアノードの容積の総和よりも多くなるように設定されている。これにより、時刻Ｔ１〜Ｔ３の間に燃料電池スタック１０内の空気は完全に入れ替えられる。

最後に、ＥＣＵ８０は、ステップＳ５において、エアコンプレッサ３０の駆動を停止させる。これにより、図３（ａ）の時刻Ｔ３に示されるように、燃料電池スタック１０への空気の供給が中止される。その結果、燃料電池スタック１０内での発電が停止され、図３（ｂ）に示されるようにセル電圧Ｖｃは徐々に下降していく。

以上説明したように、この実施の形態に係る車両に搭載される燃料電池システム１００では、燃料電池システム１００の間欠運転の際に、燃料電池スタック１０のセル電圧Ｖｃが所定の閾値電圧Ｖ’を下回ると、エアコンプレッサ３０を稼働させて燃料電池スタック１０に第１所定流量で空気を供給し、セル電圧Ｖｃが所定の目標電圧Ｖ”に到達して安定状態になると、燃料電池スタック１０に第１所定流量よりも多い第２所定流量で空気を一定時間供給する。これにより、燃料電池システム１００の間欠運転時に、燃料電池スタック１０の各セル電圧を均一に保ちながら、各セル電圧が最大許容電圧Ｖｍａｘを超過することが防止される。

その他の実施の形態．
上記実施の形態では、燃料電池スタック１０を構成する複数の発電セルの各セル電圧の平均値としてセル電圧Ｖｃを定義したが、例えば図２のフローチャートにおいて、ステップＳ２では各セル電圧の最低値としてセル電圧Ｖｃを定義し、またステップＳ３では各セル電圧の最大値としてセル電圧Ｖｃを定義してもよい。
また、上記実施の形態では、空気の供給流量を第１所定流量と第２所定流量の２段階で制御したが、３段階以上で制御してもよい。

１００ 燃料電池システム、１０ 燃料電池スタック、２０ 水素タンク（水素供給手段）、３０ エアコンプレッサ（空気供給手段）、７０ 電圧センサ（電圧検出手段）、８０ ＥＣＵ（制御手段）。

Claims (4)

1. 車両に搭載される燃料電池システムであって、
   複数の発電セルを積層して構成される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに水素ガスを供給する水素供給手段と、
   前記燃料電池スタックに酸素を含む空気を供給する空気供給手段と、
   前記燃料電池スタックのセル電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記電圧検出手段によって検出される前記燃料電池スタックの前記セル電圧に基づいて前記空気供給手段の動作を制御する制御手段と
   を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池システムの間欠運転の際に、前記電圧検出手段によって検出される前記セル電圧が所定の閾値電圧を下回ると、前記空気供給手段を稼働させて前記燃料電池スタックに第１所定流量で空気を供給し、前記セル電圧が所定の目標電圧に到達して安定状態になると、前記燃料電池スタックに前記第１所定流量よりも多い第２所定流量で空気を一定時間供給する、車両に搭載される燃料電池システム。
2. 前記第１所定流量は、前記空気供給手段が供給可能な最低流量である、請求項１に記載の車両に搭載される燃料電池システム。
3. 前記第２所定流量は、前記燃料電池システムを最低出力状態で運転する際に必要な流量である、請求項１または２に記載の車両に搭載される燃料電池システム。
4. 前記空気供給手段によって前記第１所定流量で供給される空気量と前記第２所定流量で供給される空気量との総量は、前記燃料電池スタック内の各発電セルのアノードの容積の総和よりも多い、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両に搭載される燃料電池システム。

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