JP2016096087A5 - - Google Patents

Description

負荷要求が極めて小さくなるときに、燃料電池の電圧を適切な範囲内に保つための方法として、負荷要求が極めて小さくなった後にも燃料電池において微小な発電を継続する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。微小な発電を継続する方法としては、例えば、燃料電池の出力電圧が低下して所定の範囲の下限値に達するまでは燃料電池に対する酸素の供給を停止し、出力電圧が上記下限値に低下した後は、出力電圧が上昇して上記所定の範囲の上限値に達するまで燃料電池に対する酸素の供給を行なう、という方法が提案されている。

しかしながら、上記のように燃料電池に対する酸素の供給および停止を繰り返す制御を行なうと、燃料電池の出力電圧は、上記所定の範囲の下限値と上限値との間で変動を繰り返す。燃料電池においては、電極電位が高くなるほど、電極触媒が溶出し易くなると考えられる。また、電極電位が一旦低下した後に再上昇する際には、電極電位が低下する程度、および、その後に再上昇する程度が大きいほど、電極触媒が溶出しやすくなると考えられる。そのため、電極触媒の劣化を抑え、燃料電池の耐久性を向上させるためには、単に、電極が過剰に高電位になることおよび過剰に低電位になることを避けるだけでなく、燃料電池の電圧（電極電位）の変動を抑制することが望まれている。また、上記のように負荷要求が極めて小さい状態が継続される途中で、一時的に負荷要求が変動する場合も考えられる。このような場合であっても電圧変動を抑制することが望ましいが、一時的な負荷要求の変動を含めた制御については、従来、充分な検討がされていなかった。

燃料電池１００は、単セルが複数積層されたスタック構成を有している。本実施形態の燃料電池１００は、固体高分子形燃料電池である。燃料電池１００を構成する各単セルでは、電解質膜を間に介して、アノード側に水素が流れる流路（以後、アノード側流路とも呼ぶ）が形成され、カソード側に酸素が流れる流路（以後、カソード側流路とも呼ぶ）が形成されている。燃料電池１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０４および配線１７８を介して、モータ１７０を含む負荷に接続されている。燃料電池１００の電圧は、電圧センサ１０２によって検出される。また、燃料電池１００の出力電流は、配線１７８に設けられた電流センサによって検出される。電圧センサ１０２および電流センサの検出信号は、制御部２００に出力される。

ここで、電源システム３０から電力供給を受ける負荷としては、燃料電池車両２０を駆動するモータ１７０に加えて、車両補機および燃料電池補機が含まれる。したがって、本実施形態の電源システム３０において、負荷要求とは、モータ１７０の要求電力と、車両補機の要求電力と、燃料電池補機の要求電力とを含む。車両補機には、例えば、空調設備（エアコン）、照明装置、ハザードランプ、および方向指示器等が含まれる。燃料電池補機には、例えば、コンプレッサ１３０、循環ポンプ１２７、分流弁１４４や空気放出流路１４２や背圧弁１４３等の各種バルブ、既述した冷媒を循環させるための冷媒ポンプ、および、冷媒を冷却するためのラジエータファンが含まれる。また、２次電池１７２の残存容量（ＳＯＣ）が低下した時には、２次電池１７２も負荷の一部となり得る。本実施形態では、上記した各負荷の要求電力の総量として、負荷要求を求め、この負荷要求が基準値以下か否かに基づいて、通常運転モードと間欠運転モードとの間の切り替えを行なっている。

なお、間欠運転モード（非発電モードおよび後述する微小発電モード）選択時であっても、燃料電池１００内のアノード側流路においては、間欠運転モードを選択する基準となる負荷要求を超える電力を直ちに発電可能となる量の水素が存在する状態が維持される。すなわち、間欠運転モード選択時であっても、循環ポンプ１２７の駆動が継続されると共に、電解質膜を介してカソード側流路に透過した失われた水素を補うために、水素供給機器１２６からの水素供給が行なわれる。

ステップＳ１１０で電圧値Ｖmeを取得した後、ＣＰＵは、取得した電圧値Ｖmeと目標電圧Ｖmarkとを比較する（ステップＳ１３０）。比較の結果、電圧値Ｖmeが、目標電圧Ｖmarkに比べて第１の値以上高い（以下、高電圧状態とも呼ぶ）場合には、ＣＰＵは、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を小さくすることによりカソード側流路に供給する酸素の流量を減少させて（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。比較の結果、電圧値Ｖmeが、目標電圧Ｖmarkに比べて第２の値以上低い（以下、低電圧状態とも呼ぶ）場合には、ＣＰＵは、非発電状態で、背圧弁１４３の開度を大きくすることによりカソード側流路に供給する酸素の流量を増加させて（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。比較の結果、上記した高電圧状態および低電圧状態に該当しない（電圧維持状態に該当する）場合には、ＣＰＵは、非発電状態で、現在の背圧弁１４３の開度を維持することによりカソード側流路に供給する酸素量を維持して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。

ステップＳ２８０において背圧弁１４３を反応場的全閉状態にすると、燃料電池１００のカソード側流路に対する酸素供給が大きく減少する。カソード側流路に対する酸素供給を大きく減少させた状態で燃料電池１００の発電を継続すると、発電に伴いカソード側流路内の酸素量が減少する。このとき、燃料電池１００の出力電圧は目標電圧Ｖmarkに固定されているため、上記酸素量の減少に伴って、燃料電池１００の出力電流および出力電力が次第に低下する。図５に示したように、燃料電池１００が微小発電モード選択時に取り得る動作点は、出力電圧Ｖ _ＦＣ が目標電圧Ｖmarkであって、出力電流が０からＩ_１の範囲の線分上で設定し得る。そのため、カソード側流路に対する酸素供給を減少させると、燃料電池１００の動作点は、上記線分上において、出力電流がＩ_１のポイントから、出力電流が小さくなる方向に次第に移動する。なお、このとき燃料電池１００が発電した電力は、燃料電池補機および車両補機で消費すればよく、さらに多くの電力が発生する場合には、２次電池１７２の充電に用いればよい。

ステップＳ２２０において背圧弁１４３が反応場的全閉状態ではない、すなわち、供給酸素量の制御が既に開始されていると判断すると、ＣＰＵは、燃料電池１００の現在の発電量Ｐmeを導出する(ステップＳ２３０）。燃料電池１００の発電量Ｐmeは、電圧センサ１０２が検出した出力電圧Ｖmeと、配線１７８に設けられた電流センサが検出した出力電流Ｉmeから算出すればよい。

ステップＳ４２０においてＳＯＣ低下処理を行なった後、ＣＰＵはカソード掃気処理を実行する（ステップＳ４３０）。ステップＳ４３０のカソード掃気処理の後、ＣＰＵは、微小発電モードに制御変更して（ステップＳ４４０）、本ルーチンを終了する。すなわち、目標電圧Ｖmarkを維持しつつ、目標発電量を、微小発電モードの目標発電量Ｐmark1に戻し、発電量が目標発電量Ｐmark1になる供給酸素量を実現できるように、背圧弁１４３の開度やコンプレッサ１３０の駆動量を調節する。

２０…燃料電池車両
２２…車体
３０…電源システム
１００…燃料電池
１０２…電圧センサ
１０３…電流センサ
１０４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１０…水素タンク
１２０…水素ガス供給部
１２１…水素供給流路
１２２…循環流路
１２３…水素放出流路
１２４…開閉バルブ
１２５…減圧バルブ
１２６…水素供給機器
１２７…循環ポンプ
１２８…圧力センサ
１２９…開閉バルブ
１３０…コンプレッサ
１４０…空気供給部
１４１…第１の空気流路
１４２…空気放出流路
１４３…背圧弁
１４４…分流弁
１４５…第２の空気流路
１４６…第３の空気流路
１４７…流量センサ
１７０…モータ
１７４…ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７８…配線
１８０…アクセル開度センサ
２００…制御部

Claims (12)

1. 負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムにおける前記燃料電池の電圧制御方法であって、
   前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値を超える通常負荷状態のときには、前記要求電力の少なくとも一部を前記燃料電池から供給し、
   前記要求電力が前記基準値以下となる低負荷状態のときには、前記通常負荷状態のときに前記燃料電池に供給する酸素量よりも少ない酸素量であって、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、前記燃料電池に供給し、
   前記要求電力が前記基準値以下となる第１の低負荷状態において、第１の目標電圧を前記目標電圧として設定して前記燃料電池に酸素を供給し、その後、前記要求電力が前記基準値を超える状態になって、前記第１の目標電圧を超える出力電圧にて前記燃料電池を発電させた後に、前記要求電力が前記基準値以下となる第２の低負荷状態となったときには、前記第１の目標電圧よりも高い第２の目標電圧を前記目標電圧として設定して、前記燃料電池に酸素を供給する
   燃料電池の電圧制御方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
   前記第１の低負荷状態および前記第２の低負荷状態においては、
   前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断しつつ、前記燃料電池の開回路電圧を前記目標電圧にするために要する酸素量を前記燃料電池に供給する非発電モードと、
   前記燃料電池が前記負荷に対して電力供給する運転モードであって、前記燃料電池の出力電圧が前記目標電圧になるように制御しつつ、前記燃料電池の目標発電量として予め定めた目標発電量から理論的に導出される必要酸素量を前記燃料電池に供給する微小発電モードと、
   のうちのいずれかの運転モードが選択される
   燃料電池の電圧制御方法。
3. 請求項２に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
   前記第１の低負荷状態においては、前記非発電モードを選択して前記燃料電池に対する酸素供給を行ない、前記第２の低負荷状態においては、前記微小発電モードを選択して前記燃料電池に対する酸素供給を行なう
   燃料電池の電圧制御方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
   前記負荷は、主負荷と、前記主負荷よりも小さい副負荷とを含み、
   前記通常負荷状態は、少なくとも前記主負荷から電力が要求される状態であり、
   前記低負荷状態とは、前記主負荷から電力が要求されることなく、前記副負荷から電力が要求される状態である
   燃料電池の電圧制御方法。
5. 請求項２から４のうちのいずれか１項に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
   前記微小発電モードを選択する状態が継続し、前記微小発電モードにおける前記燃料電池の発電により前記燃料電池内で生じた液水が前記燃料電池内に過剰に滞留する液水滞留条件に該当する場合には、前記微小発電モードとしての制御を一時的に中断し、前記微小発電モードにおいて前記燃料電池に供給される酸素量を超える過剰量の酸素を前記燃料電池に供給する
   燃料電池の電圧制御方法。
6. 請求項５に記載の燃料電池の電圧制御方法であって、
   前記電源システムは、前記負荷の一部として、前記微小発電モードが選択されているときに前記燃料電池が発電した電力の少なくとも一部を蓄電可能な蓄電部を備え、
   前記電圧制御方法は、前記微小発電モードを選択する状態が継続し、前記微小発電モードにおける前記燃料電池の発電により前記燃料電池内で生じた液水が前記燃料電池内に過剰に滞留する液水滞留条件に該当する場合には、前記微小発電モードとしての制御を一時的に中断するのに先立って、前記燃料電池の前記目標発電量をより小さくして前記燃料電池を発電させる
   燃料電池の電圧制御方法。
7. 負荷に対して電力を供給する燃料電池を備える電源システムであって、
   前記燃料電池のカソードに酸素を供給する酸素供給部と、
   前記酸素供給部を駆動して、前記酸素供給部が前記カソードに供給する酸素量を調節する酸素量調節部と、
   を備え、
   前記酸素量調節部は、
   前記負荷からの要求電力が予め定めた基準値を超える通常負荷状態のときには、前記要求電力の少なくとも一部を前記燃料電池から供給可能にする酸素量を前記カソードに供給するように、前記酸素供給部を駆動し、
   前記要求電力が前記基準値以下となる低負荷状態のときには、前記通常負荷状態のときに前記燃料電池に供給する酸素量よりも少ない酸素量であって、前記燃料電池の電圧を予め設定した目標電圧にするために要する酸素量を、前記カソードに供給するように、前記酸素供給部を駆動し、
   前記要求電力が前記基準値以下となる第１の低負荷状態において、第１の目標電圧を前記目標電圧として設定して前記酸素供給部を駆動し、その後、前記要求電力が前記基準値を超える状態になって、前記第１の目標電圧を超える出力電圧にて前記燃料電池を発電させた後に、前記要求電力が前記基準値以下となる第２の低負荷状態となったときには、前記第１の目標電圧よりも高い第２の目標電圧を前記目標電圧として設定して前記酸素供給部を駆動する
   電源システム。
8. 請求項７に記載の電源システムであって、さらに、
   前記低負荷状態であるときの前記電源システムの運転モードとして、前記燃料電池が発電を停止する非発電モードと、前記燃料電池が前記負荷に対して電力供給する微小発電モードと、 のうちのいずれか一方を選択する運転モード選択部と、
   前記運転モード選択部が前記運転モードとして前記非発電モードを選択したときに、前記燃料電池と前記負荷との電気的な接続を遮断する負荷遮断部と、
   前記運転モード選択部が前記運転モードとして前記微小発電モードを選択したときに、前記燃料電池の出力電圧を前記目標電圧に設定する出力電圧制御部と、
   を備え、
   前記酸素量調節部は、
   前記運転モード選択部が前記運転モードとして前記非発電モードを選択したときには、前記燃料電池の開回路電圧を前記目標電圧にするために要する酸素量を前記燃料電池に供給するように前記酸素供給部を駆動し、
   前記運転モード選択部が前記運転モードとして前記微小発電モードを選択したときには、前記燃料電池の目標発電量として予め定めた目標発電量から理論的に導出される必要酸素量を前記燃料電池に供給するように前記酸素供給部を駆動する
   電源システム。
9. 請求項８に記載の電源システムであって、
   前記運転モード選択部は、前記低負荷状態になって、前記運転モードとして、前記第１の目標電圧を前記目標電圧とする前記非発電モードを選択し、その後、前記要求電力が前記基準値を超える状態になって、前記第１の目標電圧を超える出力電圧にて前記燃料電池の発電が行なわれた後に、さらに前記低負荷状態になったときには、前記運転モードとして、前記第２の目標電圧を目標電圧とする前記微小発電モードを選択する
   電源システム。
10. 請求項８または９に記載の電源システムであって、
    前記運転モード選択部は、前記第２の目標電圧を目標電圧とする前記微小発電モードを選択しているときに、前記微小発電モードにおける前記燃料電池の発電により前記燃料電池内で生じた液水が前記燃料電池内に過剰に滞留する液水滞留条件に該当する場合には、前記微小発電モードの選択を一時的に解除し、
    前記酸素量調節部は、前記運転モード選択部が前記微小発電モードを一時的に解除したときには、前記微小発電モードにおいて前記燃料電池に供給される酸素量を超える過剰量の酸素を前記燃料電池に供給するように前記酸素供給部を駆動する
    電源システム。
11. 請求項１０に記載の電源システムであって、さらに、
    前記運転モード選択部によって前記微小発電モードが選択されているときに前記燃料電池が発電した電力の少なくとも一部を蓄電可能な蓄電部を備え、
    前記酸素量調節部は、前記運転モード選択部が前記微小発電モードを選択する状態が継続するときに、前記液水滞留条件に該当する場合には、前記運転モード選択部が前記微小発電モードの選択を一時的に解除するのに先立って、前記燃料電池の目標発電量を小さくして前記酸素供給部を駆動する
    電源システム。
12. 請求項７から１１のうちのいずれか一項に記載の電源システムであって、
    前記酸素供給部は、
    前記カソードに接続する流路であって、該流路の一部が、前記燃料電池の内部で前記カソードに酸素を供給するカソード側流路を形成する酸素供給路と、
    前記酸素供給路における前記カソード側流路よりも上流側の位置に対して酸素を導入する酸素導入部と、
    前記酸素供給路から分岐する流路であって、前記酸素導入部から供給される酸素を、前記カソードを経由することなく導くバイパス流路と、
    前記酸素供給路から前記バイパス流路が分岐する位置に設けられる弁であって、開弁状態によって、前記酸素供給路と前記バイパス流路とに分配される酸素の分配割合を変更可能な分流弁と、
    前記酸素供給路に設けられ、前記カソードに供給される酸素量を変更可能な流量調整弁と、
    を備え、
    前記酸素量調節部は、前記酸素導入部が導入する酸素量、前記分流弁の開弁状態、および、前記流量調整弁の開度、から選択される少なくとも一つを変更することにより、前記カソードに供給する酸素量を調節する
    電源システム。