JP2021182512A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両の走行中に二次電池のＳＯＣが枯渇し、車両が停止してしまうことを抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】低温時に燃料電池の暖機運転を実行可能な燃料電池車両用の燃料電池システムであって、前記燃料電池と、二次電池と、前記二次電池のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部と、制御部と、を有し、前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値以上であれば、前記燃料電池の暖機運転の途中であっても前記燃料電池車両の走行許可を出し、前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値未満であれば、前記燃料電池の暖機運転が終了した後に前記燃料電池車両の走行許可を出すことを特徴とする燃料電池システム。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料電池システムに関する。

燃料電池（ＦＣ）は、複数の単セル（以下、セルと記載する場合がある）を積層した燃料電池スタック（以下、単にスタックと記載する場合がある）に、燃料ガスとしての水素（Ｈ_２）と酸化剤ガスとしての酸素（Ｏ_２）との電気化学反応によって電気エネルギーを取り出す発電装置である。なお、以下では、燃料ガスや酸化剤ガスを、特に区別することなく単に「反応ガス」あるいは「ガス」と呼ぶ場合もある。
この燃料電池の単セルは、通常、膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータにより構成される。
膜電極接合体は、プロトン（Ｈ^＋）伝導性を有する固体高分子型電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の両面に、それぞれ、触媒層及びガス拡散層が順に形成された構造を有している。そのため、膜電極接合体は、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）と称される場合がある。
セパレータは、通常、ガス拡散層に接する面に反応ガスの流路としての溝が形成された構造を有している。なお、このセパレータは発電した電気の集電体としても機能する。
燃料電池の燃料極（アノード）では、ガス流路及びガス拡散層から供給される水素が触媒層の触媒作用によりプロトン化し、電解質膜を通過して酸化剤極（カソード）へと移動する。同時に生成した電子は、外部回路を通って仕事をし、カソードへと移動する。カソードに供給される酸素は、カソード上でプロトンおよび電子と反応し、水を生成する。
生成した水は、電解質膜に適度な湿度を与え、余剰な水はガス拡散層を透過して、系外へと排出される。

燃料電池車両（以下車両と記載する場合がある）に車載されて用いられる燃料電池システムに関して種々の研究がなされている。
例えば特許文献１では、低温時に燃料電池の暖機運転を実行する燃料電池システムが開示されている。

また、特許文献２では、燃料電池システムの起動時に、燃料電池加熱手段に供給する電力量を蓄電池残量に応じて変更する技術が記載されている。

特開２０１７−１９５０２１号公報 特開２００４−０５５３７９号公報

上記特許文献１に記載の技術では、燃料電池の暖機運転中は燃料電池の発電量が少ないため、二次電池からの放電量が増加する。燃料電池の暖機運転中に燃料電池車両を走行させたときに二次電池のＳＯＣが低い場合、車両の走行中に二次電池のＳＯＣが枯渇してしまい、車両が停止してしまうおそれがある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、車両の走行中に二次電池のＳＯＣが枯渇し、車両が停止してしまうことを抑制することができる燃料電池システムを提供することを主目的とする。

本開示においては、低温時に燃料電池の暖機運転を実行可能な燃料電池車両用の燃料電池システムであって、
前記燃料電池と、
二次電池と、
前記二次電池のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値以上であれば、前記燃料電池の暖機運転の途中であっても前記燃料電池車両の走行許可を出し、
前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値未満であれば、前記燃料電池の暖機運転が終了した後に前記燃料電池車両の走行許可を出すことを特徴とする燃料電池システムを提供する。

本開示の燃料電池システムによれば、二次電池のＳＯＣが低い場合には車両の走行許可を出さないため、車両の走行中に二次電池のＳＯＣが枯渇し、車両が停止してしまうことを抑制することができる。

本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。 本開示の燃料電池システムの制御方法の別の一例を示すフローチャートである。

本開示においては、低温時に燃料電池の暖機運転を実行可能な燃料電池車両用の燃料電池システムであって、
前記燃料電池と、
二次電池と、
前記二次電池のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部と、
制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値以上であれば、前記燃料電池の暖機運転の途中であっても前記燃料電池車両の走行許可を出し、
前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値未満であれば、前記燃料電池の暖機運転が終了した後に前記燃料電池車両の走行許可を出すことを特徴とする燃料電池システムを提供する。

燃料電池を氷点下で始動する際、暖機を早める手法として熱損失の多い動作点での発電（急速暖機）があるが、背反として温度変化、及び、酸化剤ガス流量等に依存するため、通常発電に対して発電遅れ、発電量ズレがおきやすく発電制御性が悪化する。これは、発熱を多く取る動作点（電圧が低い動作点）ほど顕著となる。そして、燃料電池の発電不足による二次電池の放電量増加、及び、燃料電池車両の乗り心地の悪化等が発生する。

本開示では、二次電池のＳＯＣが所定値未満の領域では車両の走行中のＳＯＣ低下による車両の走行が不能となる可能性があるため、燃料電池の急速暖機中に二次電池のＳＯＣが枯渇する懸念がある場合には燃料電池の暖機完了まで走行許可（ＲｅａｄｙＯＮ）を遅延し、車両の走行中に車両の走行が不能となることを回避する。
また、燃料電池の暖気中に二次電池のＳＯＣが枯渇した時又は二次電池のＳＯＣの低下により燃料電池システムが停止した時は、燃料電池の低温による始動失敗表示及び制御部への事象発生記録等を実施する。

本開示の燃料電池システムは、少なくとも燃料電池と、二次電池と、前記二次電池のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部と、制御部と、を有する。
充電状態値（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、二次電池の満充電容量に対する充電容量の割合を示すものであり、満充電容量がＳＯＣ１００％である。

本開示の燃料電池システムは、低温時に燃料電池の暖機運転を実行可能であり、通常、駆動源を電動機（モータ）とする燃料電池車両に搭載されて用いられる。
また、本開示の燃料電池システムは、二次電池の電力でも走行可能な車両に搭載されて用いられてもよい。
電動機は、特に限定されず、従来公知のモータであってもよい。
本開示において、低温とは、常温を下回る温度を意味し、氷点下の温度であってもよい。

燃料電池は、燃料電池の単セルを複数積層した燃料電池スタックであってもよい。
単セルの積層数は特に限定されず、例えば、２〜数百個であってもよく、２〜２００個であってもよい。
燃料電池スタックは、単セルの積層方向の両端にエンドプレートを備えていてもよい。
燃料電池の単セルは、少なくとも酸化剤極、電解質膜、及び、燃料極を含む膜電極接合体を備え、必要に応じて当該膜電極接合体の両面を挟持する２枚のセパレータを備えてもよい。

セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、反応ガス及び冷媒を単セルの積層方向に流通させるための供給孔及び排出孔を有していてもよい。
供給孔は、燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、及び、冷媒供給孔等が挙げられる。
排出孔は、燃料ガス排出孔、酸化剤ガス排出孔、及び、冷媒排出孔等が挙げられる。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、鉄、アルミニウム、及び、ステンレス等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
燃料電池スタックは、各供給孔が連通した入口マニホールド、及び、各排出孔が連通した出口マニホールド等のマニホールドを有していてもよい。
入口マニホールドは、アノード入口マニホールド、カソード入口マニホールド、及び、冷媒入口マニホールド等が挙げられる。
出口マニホールドは、アノード出口マニホールド、カソード出口マニホールド、及び、冷媒出口マニホールド等が挙げられる。

酸化剤極は、酸化剤極触媒層及びガス拡散層を含む。
燃料極は、燃料極触媒層及びガス拡散層を含む。
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層は、例えば、電気化学反応を促進する触媒金属、プロトン伝導性を有する電解質、及び、電子伝導性を有するカーボン粒子等を備えていてもよい。
触媒金属としては、例えば、白金（Ｐｔ）、及び、Ｐｔと他の金属とから成る合金（例えばコバルト、及び、ニッケル等を混合したＰｔ合金）等を用いることができる。
電解質としては、フッ素系樹脂等であってもよい。フッ素系樹脂としては、例えば、ナフィオン溶液等を用いてもよい。
上記触媒金属はカーボン粒子上に担持されており、各触媒層では、触媒金属を担持したカーボン粒子（触媒粒子）と電解質とが混在していてもよい。
触媒金属を担持するためのカーボン粒子（担持用カーボン粒子）は、例えば、一般に市販されているカーボン粒子（カーボン粉末）を加熱処理することにより自身の撥水性が高められた撥水化カーボン粒子等を用いてもよい。

ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。

電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。

燃料電池システムは、燃料電池の燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部を有していてもよい。
燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、例えば、水素ガスであってもよい。
燃料ガス供給部としては、例えば、燃料タンク等が挙げられ、具体的には、液体水素タンク、圧縮水素タンク等が挙げられる。

燃料電池システムは、燃料ガス供給流路を備えていてもよい。
燃料ガス供給流路は、燃料電池と燃料ガス供給部を接続し、燃料ガスの燃料ガス供給部からの燃料電池の燃料極への供給を可能にする。なお、燃料ガス供給部と燃料電池が隣接して配置され、燃料ガス供給部から燃料電池の燃料極へ直接、燃料ガスを供給できる場合は、燃料ガス供給流路は、必ずしも必要ではない。

燃料電池システムは、循環流路を備えていてもよい。
循環流路は、燃料電池の燃料極から排出された燃料オフガスを回収し、循環ガスとして燃料電池に戻すことを可能にする。
燃料オフガスは、主に、燃料極において未反応のまま通過した燃料ガスと、酸化剤極で生成した生成水が燃料極に到達した水分と、を含む。

燃料電池システムは、必要に応じて、循環流路上に循環ガスの流量を調整する水素ポンプ等の循環用ポンプ、及び、エジェクタ等を備えていてもよい。
循環用ポンプは、制御部と電気的に接続され、制御部によって循環用ポンプの駆動のオン・オフ及び回転数等を制御されることにより、循環ガスの流量を調整してもよい。
エジェクタは、例えば、燃料ガス供給流路と循環流路の合流部に配置され、燃料ガスと循環ガスとを含む混合ガスを燃料電池の燃料極に供給する。エジェクタとしては、従来公知のエジェクタを採用することができる。

燃料電池システムは、燃料オフガス排出部を備えていてもよい。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガスを外部に排出することを可能にする。なお、外部とは、燃料電池システムの外部を意味する。
燃料オフガス排出部は、燃料オフガス排出弁を備えていてもよく、必要に応じ、燃料オフガス排出流路をさらに備えていてもよい。
燃料オフガス排出弁は、燃料オフガスの排出流量を調整する。
燃料オフガス排出流路は、例えば、循環流路から分岐されていてもよく、燃料オフガス中の水素濃度が低くなりすぎた場合に当該燃料オフガスを外部に排出可能にする。

循環流路には、燃料オフガス中の水分を低減するための気液分離器が設けられていてもよい。そして、気液分離器によって循環流路から分岐される排水流路及び、当該排水流路上に排水弁が備えられていてもよい。
気液分離器において、燃料オフガス中から分離された水分は、循環流路から分岐される排水流路に設けられた排水弁の開放によって排出してもよい。

燃料電池システムは、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス供給流路、及び、酸化剤ガス排出流路を備えていてもよい。
酸化剤ガス供給部は、少なくとも燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアコンプレッサー等を用いることができる。エアコンプレッサーは、制御部からの制御信号に従って駆動され、酸化剤ガスを燃料電池のカソード側（酸化剤極、カソード入口マニホールド等）に導入する。
酸化剤ガス供給流路は、酸化剤ガス供給部と燃料電池を接続し、酸化剤ガス供給部から燃料電池の酸化剤極への酸化剤ガスの供給を可能にする。
酸化剤ガスは、酸素含有ガスであり、空気、乾燥空気、及び、純酸素等であってもよい。
酸化剤ガス排出流路は、燃料電池の酸化剤極からの酸化剤ガスの排出を可能にする。
酸化剤ガス排出流路には、酸化剤ガス圧力調整弁が設けられていてもよい。
酸化剤ガス圧力調整弁は、制御部と電気的に接続され、制御部によって酸化剤ガス圧力調整弁が開弁されることにより、反応済みのカソードオフガスを酸化剤ガス排出流路から排出する。また、酸化剤ガス圧力調整弁の開度を調整することにより、酸化剤極に供給される酸化剤ガス圧力（カソード圧力）を調整することができる。

燃料電池システムは、燃料電池の冷却系として、冷媒供給部、及び、冷媒循環流路を備えていてもよい。
冷媒循環流路は、燃料電池に設けられる冷媒供給孔及び冷媒排出孔に連通し、冷媒供給部から供給される冷媒を燃料電池内外で循環させ、燃料電池の冷却を可能にする。
冷媒供給部は、例えば、冷却水ポンプ等が挙げられる。
冷媒循環流路には、冷却水の熱を放熱するラジエータが設けられていてもよい。
冷却水（冷媒）としては、低温時の凍結を防止するために例えばエチレングリコールと水との混合溶液を用いることができる。

二次電池（バッテリ）は、充放電可能なものであればよく、例えば、ニッケル水素二次電池、及び、リチウムイオン二次電池等の従来公知の二次電池が挙げられる。また、二次電池は、電気二重層コンデンサ等の蓄電素子を含むものであってもよい。二次電池は、複数個を直列に接続した構成であってもよい。二次電池は、電動機及びエアコンプレッサー等の酸化剤ガス供給部等に電力を供給する。二次電池は、車両の外部の電源、例えば、家庭用電源から充電可能になっていてもよい。二次電池は、燃料電池の出力により充電されてもよい。
燃料電池システムは、バッテリを電源とする補機類を備えていてもよい。
補機類としては、例えば車両の照明機器、及び、空調機器等が挙げられる。

ＳＯＣ検出部は、二次電池のＳＯＣを検出する。
ＳＯＣ検出部は、制御部に接続されていてもよい。制御部は、ＳＯＣ検出部の出力により二次電池のＳＯＣを検知できるようになっていてもよい。
制御部は、二次電池のＳＯＣの管理、及び、二次電池の充放電を制御してもよい。
ＳＯＣ検出部は、従来公知のＳＯＣ検出センサ等であってもよい。

制御部は、車両、電動機、二次電池、ＳＯＣ検出部、燃料ガス供給部、及び、酸化剤ガス供給部等と入出力インターフェースを介して接続されていてもよい。また、制御部は、車両に搭載されていてもよいイグニッションスイッチと電気的に接続されていてもよい。
制御部は、燃料電池の暖機処理、ＳＯＣ検出部が取得したＳＯＣが、所定値を下回っているか否かの判断、及び、車両の走行許可等を行う。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）等の制御装置であってもよい。

図１は、本開示の燃料電池システムの制御方法の一例を示すフローチャートである。なお、本開示は、必ずしも本典型例のみに限定されるものではない。
図１に示す制御方法では、燃料電池車両の走行要求があった後、まずＳＯＣ検出部は所定の時期に二次電池のＳＯＣを検出する。
その後、制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値を下回っているか否か判断する。
そして、制御部は、ＳＯＣが所定値以上であれば、燃料電池の暖機運転の途中であっても燃料電池車両の走行許可を出す（通常モード）。
一方、制御部は、ＳＯＣが所定値未満であれば、燃料電池の暖機運転が終了した後に燃料電池車両の走行許可を出す（ＳＯＣ不足モード）。ＳＯＣ不足モードの実行により、車両の走行中に二次電池のＳＯＣが枯渇し、車両が停止してしまうことを抑制することができる
ＳＯＣ検出部がＳＯＣを検出する時期は、特に限定されず、燃料電池車両の走行要求があり、且つ、燃料電池の暖機運転中であってもよく、燃料電池の暖機運転開始時であってもよく、適宜設定することができる。
ＳＯＣの所定値は、例えば、燃料電池の暖気運転中の発電量誤差最大条件（燃料電池特性依存）かつ燃料電池の暖気運転時間最長条件（燃料電池の始動補償下限温度からの燃料電池の暖機）において低下しうるΔＳＯＣを走行許可下限ＳＯＣに加算した合算ＳＯＣを所定値としてもよい。

図２は、本開示の燃料電池システムの制御方法の別の一例を示すフローチャートである。
図２に示す制御方法では、燃料電池車両の走行要求があった後、まずＳＯＣ検出部は所定の時期に二次電池のＳＯＣを検出する。
制御部は、燃料電池車両の走行要求があり、且つ、燃料電池の暖機運転中にＳＯＣ検出部が検出したＳＯＣが枯渇していると判断した場合は、燃料電池の低温による始動失敗を車両に搭載されていてもよい表示パネル等の表示部等に表示してもよく、また、始動失敗履歴を制御部に含まれていてもよい記録部に記録してもよい（ＳＯＣ枯渇モード）。
これにより、燃料電池システムが停止した場合であっても、ユーザ及びカスタマーサービスでの対応方法が明確となる。

Claims (1)

1. 低温時に燃料電池の暖機運転を実行可能な燃料電池車両用の燃料電池システムであって、
   前記燃料電池と、
   二次電池と、
   前記二次電池のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出部と、
   制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値以上であれば、前記燃料電池の暖機運転の途中であっても前記燃料電池車両の走行許可を出し、
   前記制御部は、前記燃料電池車両の走行要求があり、且つ、前記燃料電池の暖機運転中に前記ＳＯＣ検出部が検出した前記ＳＯＣが所定値未満であれば、前記燃料電池の暖機運転が終了した後に前記燃料電池車両の走行許可を出すことを特徴とする燃料電池システム。

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