JP2016091625A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】発電量によらず、常時高効率で発電することができる燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】発電効率がそれぞれ異なる複数の燃料電池１２、１３と、燃料電池１２、１３にそれぞれ直列に接続されるスイッチ１４、１５と、燃料電池１２、１３の少なくとも１つから電力を供給される被電力供給部２１と、被電力供給部２１からの出力要求である出力電流値に対する発電効率が最大となる、複数の燃料電池１２、１３の１つまたは燃料電池１２、１３の両方により被電力供給部２１に電力を供給させるようスイッチ１４、１５を制御するスイッチ制御部１６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、複数の燃料電池を選択的に用いる燃料電池システムに関する。

燃料電池は、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して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。

このようなセルからなる燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの発電量を増やそうとする場合には、複数の燃料電池スタックを備えるようにする。

特許文献１には、複数の燃料電池スタックを備える燃料電池システムにおいて、燃料電池システムの発電量に応じて、水素ガス供給系及び酸素ガス供給系の両方またはどちらか一方と、複数の燃料電池スタックとの接続状態を並列または直列に切り替えることが提案されている。

特開２００２−３５８９９１号公報

しかしながら、上述の化学反応において、セル内部では、電解質膜や電極の電気抵抗に起因する抵抗過電圧、水素と酸素が電気化学反応を起こすための活性化過電圧、拡散層中を水素や酸素が移動するための拡散過電圧などの様々な損失が発生するため、積層されるセル数が異なる燃料電池スタックは、それぞれ発電効率が異なる。

このため、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、発電量に応じて水素ガス供給系及び酸素ガス供給系の接続状態を切替えているだけなので、燃料電池スタックの発電効率の悪い発電量で運転される場合は、高効率で発電できなかった。

そこで、本発明は、発電量によらず、常時高効率で発電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、発電効率がそれぞれ異なる複数の燃料電池と、複数の燃料電池の少なくとも１つから電力を供給される被電力供給部と、被電力供給部からの出力要求に対する発電効率が最大となる、複数の燃料電池の１つまたは複数の燃料電池の任意の組み合わせにより被電力供給部に電力を供給させるスイッチ制御部と、を備えるものである。

このように本発明の一態様によれば、発電量によらず、常時高効率で発電することができる。

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特性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、その燃料電池単体と燃料電池を並列接続した場合の発電効率を示すグラフである。

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、電力供給部１１と、被電力供給部２１とを含んで構成される。

電力供給部１１は、並列に接続される燃料電池１２、１３と、燃料電池１２、１３にそれぞれ直列に接続されるスイッチ１４、１５と、スイッチ１４、１５を接続および遮断するように制御するスイッチ制御部１６とを含んで構成される。

燃料電池１２、１３は、セルと呼ばれる最小構成単位が複数積層されたスタックから構成されている。燃料電池１２、１３は、それぞれ異なる数のセルを積層して構成されており、このため、燃料電池１２、１３は、それぞれ異なる出力特性を有する。

図２は、燃料電池１２、１３の出力電圧と出力電流の関係を示す出力特性と、燃料電池１２、１３が出力する電圧値に対応する発電効率と、を示している。図２に示すように、燃料電池１２は、出力電圧が低い場合に発電効率が高くなるように設定され、燃料電池１３は、燃料電池１２よりも出力電圧が高い場合に発電効率が高くなるように設定される。すなわち、燃料電池１２のセルの数は、燃料電池１３のセルの数より少なく構成される。ここで、発電効率とは、（出力電圧）／（化学変化による反応熱量）であり、燃料である水素に対してどれだけ電力エネルギーを取り出すことができたかを表す。

スイッチ制御部１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等からなるコンピュータから構成されている。メモリには後述する閾値などが記憶されている。

スイッチ制御部１６は、被電力供給部２１から要求される出力要求に基づいてスイッチ１４、１５の接続状態を制御する。スイッチ１４、１５は、スイッチ制御部１６によって選択的に制御されることにより、燃料電池１２、１３のいずれか一方または両方から被電力供給部２１に電力を供給したり、燃料電池１２、１３のいずれか一方または両方と被電力供給部２１とを遮断したりする。

被電力供給部２１は、ＤＣ（direct current）ＤＣコンバータ２２、二次電池２３、インバータ２４、走行用モータ２５、制御回路２６およびアクセル開度センサ２７を含んで構成される。

走行用モータ２５は、変速機やディファレンシャル装置等からなる動力伝達装置を介して駆動輪に動力を伝達するものであり、走行用モータ２５の運転状態に応じて電力供給部１１に対する出力要求が変動する。

具体的には、走行用モータ２５の低負荷運転時には要求する出力電力値が小さく、走行用モータ２５の運転状態が低負荷運転から中負荷運転および高負荷運転に移行するに従って要求する出力電力値が大きくなる。

ＤＣＤＣコンバータ２２は、電力供給部１１から直流出力される電力を変圧する。インバータ２４は、ＤＣＤＣコンバータ２２によって変圧された電力を交流に変換して走行用モータ２５に供給する。二次電池２３は、ＤＣＤＣコンバータ２２によって変圧された電力の一部を蓄電し、また、車両の減速時に走行用モータ２５によって発電される電力を蓄電する。

制御回路２６は、ＣＰＵ２６ａやメモリ２６ｂ等からなるコンピュータから構成されている。メモリ２６ｂには運転手によって操作されるアクセルペダル２８の開度とその開度に応じた出力電力値が関連付けられた出力電力値の要求マップが記憶されている。

アクセル開度センサ２７は、アクセルペダル２８の開度、すなわち、アクセルペダル２８の踏み込み量を検知して、制御回路２６にアクセルペダル２８の開度に応じたアクセル開度信号を送信する。

ＣＰＵ２６ａは、アクセル開度信号に基づいてメモリ２６ｂに記憶された出力電力値の要求マップを参照し、出力要求として出力電力値を含んだ要求信号をスイッチ制御部１６に出力する。

スイッチ制御部１６は、要求信号に含まれる出力電力値に基づいてスイッチ１４、１５を選択的に接続また遮断することにより、被電力供給部２１と燃料電池１２、１３とを選択的に接続または遮断するようにスイッチ１４、１５を制御する。

図３は、燃料電池１２単独使用の場合、燃料電池１３単独使用の場合、燃料電池１２、１３複合使用の場合、それぞれの発電効率を示す。図３において、走行用モータ２５の低負荷運転時には走行用モータ２５が要求する出力電力値が低く、出力電力値が低い状態においては、燃料電池１２の発電効率が高い。

走行用モータ２５の中負荷運転時には走行用モータ２５が要求する出力電力値が低負荷運転時よりも高く、出力電力値が低負荷運転時よりも高い状態においては、燃料電池１３の発電効率が高い。

走行用モータ２５の高負荷運転時には走行用モータ２５が要求する出力電力値が中負荷運転時よりも高く、出力電力値が中負荷運転時よりも高い状態においては、燃料電池１２、１３の両方を用いると発電効率が高い。

このため、スイッチ制御部１６は、要求信号に含まれる出力電力値が予め設定された第１閾値以下である場合、スイッチ１５をオフにするとともに、スイッチ１４をオンにして、燃料電池１２と被電力供給部２１を接続させる。ここで、第１閾値は、燃料電池１２の発電効率と燃料電池１３の発電効率が等しくなる出力電力値であり、予め実験等により求められスイッチ制御部１６のメモリに記憶されている。出力電力値が第１閾値以下の領域では、燃料電池１２の発電効率が最も高くなっており、出力電力値が第１閾値を超えると、燃料電池１３の発電効率のほうが高くなる。

また、スイッチ制御部１６は、要求信号に含まれる出力電力値が予め設定された第１閾値を超えていて、かつ、予め設定された第２閾値以下である場合、スイッチ１４をオフにするとともに、スイッチ１５をオンにして、燃料電池１３と被電力供給部２１を接続させる。ここで、第２閾値は、燃料電池１３の発電効率と燃料電池１２及び燃料電池１３を並列接続したときの発電効率が等しくなる出力電力値であり、予め実験等により求められスイッチ制御部１６のメモリに記憶されている。出力電力値が第１閾値を超えて第２閾値以下の領域では、燃料電池１３の発電効率が最も高くなっており、出力電力値が第２閾値を超えると、燃料電池１２、１３を並列接続した発電効率のほうが高くなる。

また、スイッチ制御部１６は、要求信号に含まれる出力電力値が予め設定された第２閾値を超えた場合、スイッチ１４、１５をオンにして、燃料電池１２、１３と被電力供給部２１を接続させる。出力電力値が第２閾値を超えた領域では、燃料電池１２、１３を並列接続した場合の発電効率が最も高くなる。

このように、上述の実施形態では、発電効率がそれぞれ異なる複数の燃料電池１２、１３と、燃料電池１２、１３の少なくとも１つから電力を供給される被電力供給部２１と、被電力供給部２１からの出力要求である出力電力値に対する発電効率が最大となる、燃料電池１２、１３の１つまたは燃料電池１２、１３の両方により被電力供給部２１に電力を供給させるスイッチ制御部１６と、を備える。

これにより、被電力供給部２１の要求する出力電力値を出力するのに発電効率が最大となる燃料電池１２、１３の１つまたは両方が選択されて、被電力供給部２１に電力が供給される。このため、発電量によらず、常時高効率で発電することができる。

また、燃料電池１２、１３は、それぞれ異なるセル数で構成されている。
これにより、様々なサイズのスタック構造が作成可能となり、レイアウトの自由度を高くすることができる。

また、燃料電池１２、１３それぞれと被電力供給部２１を接続または遮断するスイッチ１４、１５を備え、スイッチ制御部１６は、スイッチ１４、１５を制御することにより燃料電池１２、１３の１つまたは燃料電池１２、１３両方を用いて被電力供給部２１に電力を供給させる。

これにより、簡易な構成で選択された燃料電池１２、１３を被電力供給部２１に接続させることができ、燃料電池システムを小型化させることができる。

なお、本実施形態の燃料電池システムにおいて、電力供給部１１がそれぞれ２つの燃料電池１２、１３とスイッチ１４、１５とを有しているが、燃料電池およびスイッチの数は、これに限定されるものではない。

また、本実施形態の燃料電池システムは、被電力供給部２１からの出力要求として出力電力値を使用したが、これに限定されるものではなく、出力電流値や出力電圧値であってもよい。

また、本実施形態の燃料電池システムは、走行用モータ２５の出力電力値に基づいて燃料電池１２、１３を選択するので、ＤＣＤＣコンバータ２２、二次電池２３およびインバータ２４を備えていない装置に適用することもできる。

また、本実施形態の燃料電池システムは、走行用モータ２５の要求電力値に基づいて燃料電池１２、１３を選択しているが、走行用モータ２５とエアコンやウォータポンプ等の補機の要求電力値に基づいて燃料電池１２、１３を選択してもよく、走行用モータ２５以外の負荷の要求電力値に基づいて燃料電池１２、１３を選択してもよい。

また、本実施形態の燃料電池システムは、例えば、内燃機関とモータとによって駆動輪に動力を伝達するハイブリッド車両や、モータのみで走行される電気自動車などに適用されるとよい。また、本実施形態の燃料電池システムは、車両以外の装置に適用されてもよい。すなわち、負荷が要求する出力電力値が変化する装置であれば、如何なる装置にも適用できる。

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
１１ 電力供給部
１２、１３ 燃料電池
１４、１５ スイッチ
１６ スイッチ制御部
２１ 被電力供給部

Claims (3)

1. 発電効率がそれぞれ異なる複数の燃料電池と、
   前記複数の燃料電池の少なくとも１つから電力を供給される被電力供給部と、
   前記被電力供給部からの出力要求に対する発電効率が最大となる、前記複数の燃料電池の１つまたは前記複数の燃料電池の任意の組み合わせにより前記被電力供給部に電力を供給させるスイッチ制御部と、を備える燃料電池システム。
2. 前記複数の燃料電池は、それぞれ異なるセルの数で構成される請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記複数の燃料電池それぞれと前記被電力供給部を接続または遮断するスイッチを備え、
   前記スイッチ制御部は、前記スイッチを制御することにより前記複数の燃料電池の１つまたは前記複数の燃料電池の組み合わせにより前記被電力供給部に電力を供給させる請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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