特開2017-224576(P2017-224576A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2017-224576(P2017-224576A)
(43)【公開日】2017年12月21日
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
   H01M 8/04858 20160101AFI20171124BHJP
   H01M 8/04 20160101ALI20171124BHJP
   H01M 8/04701 20160101ALI20171124BHJP
   H01M 8/04119 20160101ALI20171124BHJP
   B60K 1/04 20060101ALI20171124BHJP
   B60K 8/00 20060101ALI20171124BHJP
   H01M 8/10 20160101ALN20171124BHJP
   B60L 11/18 20060101ALN20171124BHJP
【FI】
   H01M8/04 P
   H01M8/04 J
   H01M8/04 T
   H01M8/04 K
   B60K1/04 Z
   B60K8/00
   H01M8/10
   B60L11/18 G
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2016-121030(P2016-121030)
(22)【出願日】2016年6月17日
(71)【出願人】
【識別番号】000006286
【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100174366
【弁理士】
【氏名又は名称】相原 史郎
(72)【発明者】
【氏名】平光 雄介
(72)【発明者】
【氏名】竹井 力
(72)【発明者】
【氏名】田代 圭介
【テーマコード(参考)】
3D235
5H026
5H125
5H126
5H127
【Fターム(参考)】
3D235AA01
3D235BB25
3D235CC12
3D235CC15
3D235CC22
5H026AA06
5H125AA01
5H125AC07
5H125AC12
5H125BD02
5H125BD04
5H125BD06
5H125BD12
5H125BD15
5H125EE33
5H125EE42
5H126BB06
5H127AA06
5H127AB04
5H127AB29
5H127AC05
5H127BA02
5H127BA22
5H127BA52
5H127BA57
5H127BA59
5H127BA60
5H127BB02
5H127BB13
5H127BB32
5H127BB37
5H127BB39
5H127BB40
5H127CC07
5H127DB69
5H127DB70
5H127DC02
5H127DC07
5H127DC22
5H127DC27
5H127DC43
5H127DC44
5H127DC45
5H127DC76
5H127FF04
(57)【要約】
【課題】燃料電池の運転状態の変化に伴う燃料極や空気極の触媒層上での酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】空気極10cや燃料極10bへのガス供給量の制御、セル温度の制御、空気極10cや燃料極10bの相対湿度の制御を適宜実施して、空気と水素ガスとの反応条件を調整することによりセル電圧Vと出力電流との特性を変更する。これにより、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ燃料電池10の出力電流を変化させて要求出力電力を達成する。
【選択図】図3
【特許請求の範囲】
【請求項1】
空気極に空気を供給すると共に燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池において、
前記燃料電池に要求される出力電力に基づき前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することにより、前記燃料電池の電圧を所定値に保ちつつ前記燃料電池の出力電流を変化させて前記要求される出力電力を達成する出力電力制御手段を備えた
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項2】
前記出力電力制御手段は、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件の調整により前記電圧と前記出力電流との特性を変更可能であり、前記所定値の電圧を保ちつつ前記要求される出力電力を達成可能な前記電圧と出力電流との特性を選択し、その特性となるように前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。
【請求項3】
前記出力電力制御手段は、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量、前記燃料極への前記燃料ガスの供給量、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池システム。
【請求項4】
前記出力電力制御手段は、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の燃料電池システム。
【請求項5】
前記出力電力制御手段は、前記空気極への前記空気の供給量の制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項4に記載の燃料電池システム。
【請求項6】
前記出力電力制御手段は、前記空気極への前記空気の供給量の制御、及び前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つの制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき前記燃料極への前記燃料ガスの供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整する
ことを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
【請求項7】
前記電圧の所定値は、発電効率が最も良好な最高効率電圧として設定された
ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、空気極に空気を供給すると共に燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年の環境意識の高まりに伴い、化石燃料に頼ることのないクリーンエネルギー発電の一つとして燃料電池システムが注目されている。例えば特許文献1に記載の技術のように、車両に搭載される燃料電池システムには固体高分子型燃料電池が用いられており、固体高分子膜の両側に触媒として白金(Pt)を担持した燃料極及び空気極を貼り合わせてMEAを構成し、そのMEAをガス拡散層及びセパレータにより挟持した単セルを多数積層して製作されている。燃料極には湿度調整した燃料ガスが供給され、空気極には湿度調整した空気が供給され、これにより燃料極及び空気極の触媒層で発電反応が進行して燃料電池の発電が開始される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2008−17594号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、上記したように燃料電池の発電反応は燃料極及び空気極の触媒層で進行するため、触媒層の劣化を抑制することは、燃料電池の耐久性を高める上で重要な課題となっている。
触媒層の劣化を促進する要因として、触媒層上で生じる酸化還元反応の繰り返しが挙げられる。例えば、2次電池への充電要求や車両の加減速等に応じて燃料電池に要求される出力電力が変動すると、燃料電池の運転状態はアイドル運転と発電運転との間で変化し、それに伴い単セルの電圧(以下、セル電圧という)が高電圧域と低電圧域との間で変動する。
【0005】
燃料電池の運転状態の変化に伴うセル電圧の変動状況の一例を図11のタイムチャートに示す。
アイドル運転時の燃料電池は、自己の運転に要する電力相当だけを発電しており、このときのセル電圧Vは相対的に高電圧域(0.9〜1.0V)に保たれている。そして、このアイドル運転から出力電力が増加して発電運転に移行すると、燃料電池の内部抵抗に起因してセル電圧Vは低下して低電圧域(0.5〜0.8V)に切り換えられる。以上のセル電圧Vの増加及び低下に伴って触媒層上では酸化還元反応が繰り返され、これにより特に空気極側の触媒層の白金粒子がオストワルド成長による凝集や白金溶出によって発電反応比面積が減少し、結果として触媒層の劣化を進行させてしまう。
【0006】
上記した特許文献1の技術では、このような不具合に着目していないため、燃料電池の運転状態が変化する度に触媒層上で酸化還元反応が繰り返され、触媒層の劣化が進行するという問題を抱えていた。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、燃料電池の運転状態の変化に伴う燃料極や空気極の触媒層上での酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の目的を達成するため、本発明の燃料電池システムは、空気極に空気を供給すると共に燃料極に燃料ガスを供給して発電する燃料電池において、前記燃料電池に要求される出力電力に基づき前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することにより、前記燃料電池の電圧を所定値に保ちつつ前記燃料電池の出力電流を変化させて前記要求される出力電力を達成する出力電力制御手段を備えたことを特徴とする。
【0008】
このように構成した燃料電池システムによれば、燃料電池に要求される出力電力に基づき空気と燃料ガスとの反応条件が調整され、これにより、電圧を所定値に保ちつつ燃料電池の出力電流を変化させて要求される出力電力を達成可能となる。そして電圧が所定値に保たれることにより、空気極や燃料極の触媒層上での酸化還元反応を抑制可能となる。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件の調整により前記電圧と前記出力電流との特性を変更可能であり、前記所定値の電圧を保ちつつ前記要求される出力電力を達成可能な前記電圧と出力電流との特性を選択し、その特性となるように前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。
【0009】
この態様によれば、所定値の電圧を保ちつつ要求される出力電力を達成可能な電圧と出力電流との特性が選択され、その特性となるように空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量、前記燃料極への前記燃料ガスの供給量、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。
【0010】
この態様によれば、空気極への空気の供給量、燃料極への燃料ガスの供給量、燃料電池の温度、空気極の相対湿度、及び燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つが制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記要求される出力電力に基づき、前記空気極への前記空気の供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。
【0011】
この態様によれば、空気極への空気の供給量が制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記空気極への前記空気の供給量の制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき、前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つを制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。
【0012】
この態様によれば、空気極への空気の供給量の制御では要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて燃料電池の温度、空気極の相対湿度、燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つが制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記出力電力制御手段が、前記空気極への前記空気の供給量の制御、及び前記燃料電池の温度、前記空気極の相対湿度、前記燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つの制御では前記要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて前記要求される出力電力に基づき前記燃料極への前記燃料ガスの供給量を制御することにより、前記空気と前記燃料ガスとの反応条件を調整することが好ましい。
【0013】
この態様によれば、空気極への前記空気の供給量の制御、及び燃料電池の温度、空気極の相対湿度、燃料極の相対湿度の内の少なくとも何れか1つの制御では要求される出力電力を達成不能な場合に、加えて燃料極への燃料ガスの供給量が制御されて、空気と燃料ガスとの反応条件が調整される。
その他の態様として、前記電圧の所定値を、発電効率が最も良好な最高効率電圧として設定することが好ましい。
【0014】
この態様によれば、発電効率が最も良好な最高効率電圧で燃料電池が運転される。
【発明の効果】
【0015】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の運転状態の変化に伴う燃料極や空気極の触媒層上での酸化還元反応を抑制でき、これにより触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】実施形態の燃料電池システムを搭載した電動車両を示す全体構成図である。
図2】実施形態の燃料電池システムを示す構成図である。
図3】セル電圧を最高効率電圧V0に保ちつつ出力電流を増減する定電圧電流可変制御の実行状況を示す特性図である。
図4】出力電流から空気供給量を算出する空気供給量制御のマップである。
図5】出力電流から水素ガス供給量を算出する水素ガス供給量制御のマップである。
図6】出力電流からセル温度を算出するセル温度制御のマップである。
図7】セル温度に応じたセル反応抵抗及びセル内部抵抗の変化を示すセル温度制御のマップである。
図8】セル反応抵抗及びセル内部抵抗から相対湿度を算出する相対湿度制御のマップである。
図9】出力電流からセル反応抵抗及びセル内部抵抗を算出する相対湿度制御のマップである。
図10】FC-ECUが実行する定電圧電流可変湿度低下ルーチンを示すフローチャートである。
図11】特許文献1による燃料電池の運転状態の変化に伴うセル電圧の変動状況を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明を電動車両に搭載される燃料電池システムに具体化した一実施形態を説明する。
図1は本実施形態の燃料電池システムを搭載した電動車両を示す全体構成図である。
本実施形態の電動車両1は、モータ2を走行用動力源とすると共に、その電源として2次電池3及び燃料電池システム4を備えたハイブリッド燃料電池車両である。周知のように2次電池3は、化学反応により直流電力を充放電可能な電池であり、燃料電池システム4は、後述する燃料電池10での水素ガスを用いた電気化学反応により発電するシステムである。基本的にモータ2は2次電池3からの電力により駆動され、燃料電池システム4は主に2次電池3を充電するレンジエクステンダの機能を果たすと共に、その出力電力が補助的にモータ2の駆動にも利用される。
【0018】
モータ2にはインバータ5を介して2次電池3が接続され、インバータ5は直流・交流間の変換機能を奏する。即ち、モータ2の力行制御時には、2次電池3や燃料電池システム4からの直流電力がインバータ5により三相交流電力に変換されてモータ2を駆動し、モータ2の回生制御時には、モータ2からの三相交流電力がインバータ5により直流電力に変換されて2次電池3に充電される。
【0019】
2次電池3には、ダイオード6を介して外部電源を利用した充電用のAC-DCコンバータ7が接続されている。AC-DCコンバータ7の電源プラグ8を外部電源に接続すると、外部電源からの交流電力がAC-DCコンバータ7により直流電力に変換されて2次電池3に充電され、その際に2次電池3側からAC-DCコンバータ7への電流の逆流がダイオード6により阻止される。
【0020】
一方、2次電池3及びインバータ5には燃料電池システム4が接続されており、その構成を図2に示す。
燃料電池システム4は、燃料電池10、水素タンク11、エアブロアー12、加湿装置13、DC-DCコンバータ14等から構成される。本実施形態の燃料電池10は固体高分子型燃料電池であり、所期の電圧が得られるように多数の単セルを積層して直列接続してなる。それぞれの単セルは、固体高分子膜10a(電解質)の両側に触媒として白金(Pt)を担持した燃料極(負極)10b及び空気極(正極)10cを貼り合わせてMEA(Membrane Electrode Assembly:膜/電極接合体)を構成し、そのMEAを多孔質のガス拡散層及びガス流路を有するセパレータにより挟持してなる。このような構成は典型的な燃料電池10の構成に倣うため、図2では図示を省略する。
【0021】
燃料電池10の燃料極10bの上流側には燃料ガスである水素ガスを供給する水素供給ライン15が接続され、水素供給ライン15の上流側は高圧の水素ガスを貯蔵する水素タンク11に接続されている。水素タンク11の吐出口近傍には水素ガスを供給・停止するための元弁17が設けられ、元弁17の下流側で水素供給ライン15は加湿水素ライン15aと無加湿水素ライン15bとに分岐されている。加湿水素ライン15a上には流量調整弁18及び加湿装置13が設けられ、加湿水素ライン15aを流通する水素ガスが加湿装置13により加湿されて加湿水素ガスが生成されるようになっている。
【0022】
無加湿水素ライン15b上には流量調整弁20が設けられ、この無加湿水素ライン15bは加湿装置13を迂回することで水素タンク11から吐出されたままの低湿度の水素ガスが無加湿水素ガスとして流通している。加湿水素ライン15aと無加湿水素ライン15bとは下流側で互いに合流して燃料電池10の燃料極10bに接続されている。このため、それぞれの流量調整弁18,20の開度に対応して加湿水素ライン15a及び無加湿水素ライン15bのガス流通量が変化し、それに応じて燃料極10bに供給される水素ガスの湿度を加湿水素ガスと無加湿水素ガスとの間で任意に調整可能となっている。
【0023】
燃料電池10の燃料極10bには水素戻しライン21の一端が接続され、水素戻しライン21の他端は水素供給ライン15の元弁17の下流側に接続されている。水素戻しライン21上には背圧弁22及びポンプ23が設けられ、背圧弁22の開閉に応じて燃料極10bから水素ガスが適宜排出されることで燃料極10bが所期の圧力に保たれると共に、背圧弁22から排出された水素ガスがポンプ23により水素戻しライン21を経て水素供給ライン15側に戻されるようになっている。
【0024】
一方、燃料電池10の空気極10cの上流側には空気を供給する空気供給ライン25が接続され、空気供給ライン25の上流側は大気を圧縮・供給するエアブロアー12に接続されている。エアブロアー12の吐出口近傍には空気を供給・停止するための元弁27が設けられ、元弁27の下流側で空気供給ライン25は加湿空気ライン25aと無加湿空気ライン25bとに分岐されている。加湿空気ライン25a上には流量調整弁28及び上記した加湿装置13が設けられ、加湿空気ライン25aを流通する空気が加湿装置13により加湿されて加湿空気が生成されるようになっている。
【0025】
無加湿空気ライン25b上には流量調整弁29が設けられ、この無加湿空気ライン25bは加湿装置13を迂回することでエアブロアー12から吐出されたままの低湿度の空気が無加湿空気として流通している。加湿空気ライン25aと無加湿空気ライン25bとは下流側で互いに合流して燃料電池10の空気極10cに接続されている。このため、それぞれの流量調整弁28,29の開度に対応して加湿空気ライン25a及び無加湿空気ライン25bでの空気の流量が変化し、それに応じて空気極10cに供給される空気の湿度を加湿空気と無加湿空気との間で任意に調整可能となっている。
【0026】
燃料電池10の空気極10cには空気戻しライン30の一端が接続され、空気戻しライン30の他端はエアブロアー12の吸込口に接続されている。空気戻しライン30上には背圧弁31が設けられ、背圧弁31の開閉に応じて空気極10cから空気が適宜排出されることで空気極10cが所期の圧力に保たれると共に、背圧弁31から排出された空気が空気戻しライン30を経てエアブロアー12側に戻されるようになっている。
【0027】
なお、燃料極10bで発電に利用されなかった残留水素ガスは外部に排出または水素供給ライン15側に回収され、同じく空気極10cで発電に利用されなかった空気は外部に排出されるが、その構成は本発明の要旨とは関係ないため説明及び図示を省略する。
一方、燃料電池10は一対の冷却ライン32,33を介してラジエータ34と接続され、一方の冷却ライン32にはウォータポンプ35が介装されている。結果として燃料電池10、一方の冷却ライン32、ラジエータ34、他方の冷却ライン33からなる環状の冷却回路36が形成され、内部に充填された冷却水がウォータポンプ35の駆動により循環する。
【0028】
燃料電池10の出力端子にはDC-DCコンバータ14が接続され、DC-DCコンバータ14はダイオード37を介して2次電池3及びインバータ5に接続されている。これにより燃料電池10の出力電力が2次電池3の充電やモータ2の駆動に利用されると共に、その際に2次電池3やモータ2から燃料電池10への電流の逆流がダイオード37により阻止される。
【0029】
以上のように構成された燃料電池10の運転中には、水素供給ライン15を経て燃料極10bに供給された水素が触媒作用により水素イオンと電子に分解され、水素イオンは固体高分子膜10aを透過して空気極10cに到達する。固体高分子膜10aを透過不能な電子は図示しない外部回路を経て空気極10cに到達し、これにより燃料極10bをマイナス、空気極10cをプラスとして直流電圧が発生する。空気極10cでは、空気供給ライン25を経て供給された空気、固体高分子膜10aを透過した水素イオン、及び外部回路を経てきた電子が反応して水が生成される。
【0030】
このような燃料電池10の運転のために、FC-ECU40により燃料電池システム4を構成する各機器が制御される。FC-ECU40の入力側には、燃料電池10を構成する単セルの電圧(セル電圧)を検出する電圧センサ41、燃料極10bの水素ガスの湿度Hhを検出する水素湿度センサ42、空気極10cの空気の湿度Hoを検出する空気湿度センサ43が接続されると共に、図示はしないが、燃料極10b及び空気極10cの圧力(セル圧力)を検出する圧力センサ、燃料極10b及び空気極10cの温度(セル温度)を検出する温度センサ等の各種センサ類が接続されている。
【0031】
またFC-ECU40の出力側には、水素供給ライン15及び空気供給ライン25の各元弁17,27及び各流量調整弁18,20,28,29、エアブロアー12、加湿装置13、水素戻しライン21の背圧弁22及びポンプ23、空気戻しライン30の背圧弁31、DC-DCコンバータ14等のデバイス類が接続されている。
例えばFC-ECU40は、水素タンク11及びエアブロアー12の元弁17,27を共に所定の開度で開弁し、水素タンク11から吐出される水素ガスを水素供給ライン15を経て燃料極10bに供給すると共に、エアブロアー12から吐出される空気を空気供給ライン25を経て空気極10cに供給する。
【0032】
また、燃料極10bに供給される水素ガス及び空気極10cに供給される空気を所期の湿度に調整するために、FC-ECU40は以下の制御を実行する。まず、加湿装置13の制御により加湿水素ライン15aを流通する加湿水素ガスの湿度を調整し、同様に、加湿装置13の制御により加湿空気ライン25aを流通する加湿空気ガスの湿度を調整する。そして、加湿水素ライン15a及び無加湿水素ライン15bの流量調整弁18,20を開度制御して、加湿水素ガスと無加湿水素ガスとを所定比率で混合することによって燃料極10bに供給される水素ガスを所期の湿度に調整する。同様に、加湿空気ライン25a及び無加湿空気ライン25bの流量調整弁28,29を開度制御して、加湿空気と無加湿空気とを所定比率で混合することによって空気極10cに供給される空気を所期の湿度に調整する。
【0033】
またFC-ECU40は、背圧弁22,31の開度制御により燃料極10bの水素ガス及び空気極10cの空気を適宜排出し、これにより燃料電池10を所期のセル圧力に保つと共に、水素についてはポンプ23を駆動して水素戻しライン21を経て水素供給ライン15側に戻し、空気については空気極10cと大気圧との圧力差を利用して空気戻しライン30経てエアブロアー12側に戻す。
【0034】
またFC-ECU40は、ウォータポンプ35を駆動して冷却回路36内で冷却水を循環させ、燃料電池10で発生した熱をラジエータ34から大気中に放出することにより燃料電池10を所期のセル温度に保つ。
一方、インバータ5にはモータECU45が接続され、このモータECU45によりモータ2の駆動制御等が実行される。例えばモータECU45はインバータ5を駆動制御し、2次電池3や燃料電池10から供給される出力電力によりモータ2を駆動する一方、モータ2による回生電力を2次電池3に充電する。
【0035】
また、AC-DCコンバータ7にはバッテリECU49が接続され、外部電源への電源プラグ8の接続時には、このバッテリECU49によりAC-DCコンバータ7が制御されて2次電池3が充電される。
以上のFC-ECU40、モータECU45及びバッテリECU49は、上位ユニットに相当する車両ECU46に接続されており、各ECU40,45,46,49は、それぞれ入出力装置、記憶装置(ROM、RAM、不揮発性RAM等)、中央演算処理装置(CPU)等から構成されている。
【0036】
車両ECU46は、電動車両1の総合的な制御を行うための制御ユニットであり、この車両ECU46からの指令を受けた下位の各ECU40,45,49により、上記のような燃料電池システム4の運転制御、モータ2の駆動制御や2次電池3の充電制御等が実行される。
そのために車両ECU46には、アクセルセンサ47からのアクセル開度等の各種検出情報が入力されると共に、バッテリECU49を介してバッテリモニタリングユニット48から2次電池3のSOC(充電率:State Of Charge)や温度TBAT等が入力され、FC-ECU40を介して燃料電池システム4の運転状態が入力され、モータECU45を介してモータ2の運転状態が入力される。
【0037】
そして車両ECU46は、アクセルセンサ47により検出されたアクセル開度等に基づき電動車両1の走行に必要な要求出力を算出し、その要求出力を達成するようにモータECU45に指令信号を出力する。この指令信号に基づき、モータECU45によりモータ2が駆動されて要求トルクが達成される。
また車両ECU46は、2次電池3のSOCや車両走行のための要求出力に基づき燃料電池システム4の出力電力を算出し、その出力電力を達成するようにFC-ECU40に指令信号を出力する。例えば、2次電池3のSOCが所定値未満まで低下して充電を要する場合、或いは2次電池3からの電力供給のみではモータ2が要求出力を達成不能と判定した場合、車両ECU46は燃料電池10の出力電力を増加側に設定する。
【0038】
FC-ECU40側では、要求された出力電力の達成のために燃料電池10の燃料極10bに供給すべき水素ガス量及び空気極10cに供給すべき空気量を算出し、各元弁17,27及び各流量調整弁18,20,28,29の開度制御により水素ガス及び空気の供給量を調整して、要求された出力電力を達成する。例えば上記のように出力電力が増加側に制御された場合には、水素ガス量及び空気量が増加側に調整されて出力電力が増加され、その増加分が2次電池3の充電やモータ2の駆動に利用される。無論、このような燃料電池10の出力電力の制御に対応して、水素ガスや空気の湿度、セル圧力やセル温度等に関しても最適制御する。
【0039】
以上のように車両ECU46の指令に基づくFC-ECU40の制御により燃料電池10の出力電力が制御されるが、[発明が解決しようとする課題]で述べたように、例えば特許文献1に記載された従来技術では、図11に示すように、燃料電池10の運転状態の変化に伴いセル電圧Vが高電圧域と低電圧域との間で変動して、燃料極10bや空気極10cの触媒層上で酸化還元反応が繰り返され、触媒層の白金凝集・溶出に起因して劣化が進行してしまうという問題がある。
【0040】
このような点を鑑みて本発明者は、目標となる出力電力を達成するときの燃料電池10の運転状態の変化について考察した。従来技術では、出力電力の達成のために出力電流を変化させており、このとき燃料電池10の内部抵抗に起因して、出力電流の増加時にはセル電圧Vが低下し、出力電流の低下時にはセル電圧Vが増加し、このようなセル電圧Vの変動が元々の触媒層の劣化の要因になる。そこで、図3の特性図に示すように、出力電力の達成のために出力電流を増減する際にセル電圧Vが一定に保たれるように、燃料電池10の運転状態に関わる諸条件、例えばガス流量、セル温度、湿度等を最適制御する対策を見出した(以下、当該制御を定電圧電流可変制御と称する)。以下、この知見の下にFC-ECU40により実施される定電圧電流可変制御について説明する。
【0041】
まず、定電圧電流可変制御を実施するにあたり、最適なセル電圧Vを特定した。
燃料電池10の運転状態をセル電圧Vで表すと、図11に示す4種の状況に大別できる。即ち、燃料電池10が発電運転中でセル電圧Vが低電圧域に保たれている状況(以下、低電圧時Aという)、発電運転からアイドル運転への移行中でセル電圧Vが増加方向に変化している状況(以下、電圧増加時Bという)、アイドル運転中でセル電圧Vが高電圧域に保たれている状況(以下、高電圧時Cという)、アイドル運転から発電運転への移行中でセル電圧Vが低下方向に変化している状況(以下、電圧低下時Dという)である。
【0042】
各セル電圧Vの状況(A〜D)において、触媒層上でのPt反応及びPt反応による触媒層の劣化状態は下表1のようになる。
【0043】
【表1】
セル電圧Vの低電圧時Aでは、触媒層上でPtの還元反応が生起されるが、この還元反応は触媒層を劣化させる要因にはならない。よって、セル電圧Vが低電圧域に長時間とどまっても(発電継続を意味する)触媒層の劣化は進行しない。
【0044】
セル電圧Vの電圧増加時Bでは、触媒層上でのPtの反応は還元から酸化に変化し、このときの反応状態の変化は僅かではあるが触媒層を劣化させる要因になり得る共に、その劣化への影響度はセル電圧Vの増加率が大である場合ほど高まる。
セル電圧Vの高電圧時Cでは、触媒層上でPtの酸化反応が生起され、アイドル運転が継続されるほど酸化劣化が進行すると共に、この劣化現象は高電圧域近傍の低電圧側でも生じ、高電圧域で最も顕著となる。
【0045】
セル電圧Vの電圧低下時Dでは、触媒層上でのPtの反応は酸化から還元に変化し、このときの反応状態の変化は触媒層を劣化させる重篤な要因になる共に、その劣化への影響度はセル電圧Vの低下率が大である場合ほど高まる。
以上のように触媒層の劣化抑制の観点から、燃料電池10の発電運転中に相当する低電圧時A(低電圧域)にセル電圧Vを保つのが最も好ましく、特に、低電圧域には発電効率が最も良好な最高効率電圧(例えば、0.75V)が含まれるため、定電圧電流可変制御ではセル電圧Vを最高効率電圧V0に保つのが最も好ましいとの結論に至った。
【0046】
次に、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ出力電流を増減するための具体的な3種の手法について述べる。
1)ガス供給量制御(空気供給量制御及び水素ガス供給量制御)
従来技術では、予め設定した図4に破線で示す酸素利用率(70%)の特性線や図5に破線で示す水素利用率(90%)の特性線に基づき、空気極10cへの空気供給量や燃料極10bへの水素ガス供給量(以下、ガス供給量と総称する場合もある)を決定していた。なお、ガス供給量の増加に応じて燃料電池10の効率は向上するものの、空気の供給にはエアブロアー12の駆動電力を要するため、酸素利用率の特性線については、燃料電池10の効率向上とエアブロアー12の電力消費とのバランス点として70%が定められている。
【0047】
ここで言う空気供給量や水素ガス供給量は、空気極10cや燃料極10bに供給される反応物(酸素、水素)の量を意味する。このため空気供給量や水素ガス供給量には、エアブロアー12や水素タンク11から吐出されるガスの単位時間当たりの流量のみならず、背圧弁22,31の開度調整に応じた空気極10cや燃料極10bの圧力等も関係する。例えば空気極10cへの空気供給量を増加させるには、背圧弁31の閉側制御により空気極10cの圧力を高めた上で、これによる空気流量の低下を補償するようにエアブロアー12からの空気の吐出量を増加させることにより空気供給量を増加させる。
【0048】
そして、従来技術のように70%及び90%の特性線に沿ってガス供給量を低下させると、それに伴いセル電圧Vが増加してしまう(低電圧域→高電圧域)。そこで本実施形態のガス供給量制御では、空気については、出力電流の低下に伴って空気利用率70%の特性線から100%の特性線に漸近するような特性線Loを設定し、水素ガスについては、出力電流の低下に伴って水素利用率90%の特性線から100%の特性線に漸近するような特性線Lhを設定し、それぞれの特性線L0,Lhに沿ってガス供給量を制御している。
【0049】
70%及び90%の特性線と100%の特性線との比較から明らかなように、100%の特性線では出力電力に対してより少ない空気供給量や水素ガス供給量が設定されることから、特性線L0,Lhに沿って100%の特性線に漸近するほど要求される出力電力を達成するための空気や水素ガスが不足する。このため不足を補うべく(出力電力に対応する出力電流とすべく)、70%や90%の特性線と同等の空気や水素ガスを供給可能な100%の特性線上のポイントまで移行し、結果としてセル電圧Vは低下側に変化する。このときのセル電圧Vの低下幅は、70%及び90%の特性線から100%の特性線に漸近する過程(発電運転→アイドル運転)で次第に増加することから、従来技術でのアイドル運転への移行に伴うセル電圧Vの増加が相殺され、出力電流の増減に関わらずセル電圧Vが一定に保たれる。
【0050】
なお、水素ガス供給量の特性線Lhを完全に100%の特性線まで移行させると、燃料極10bに水素が存在しない状態で出力電流が発生して燃料極10bを損傷させる要因になるため、図5では明らかではないが、特性線Lhの漸近を100%の特性線の手前にとどめている。
以上のガス供給量制御は、空気或いは水素ガスの流量調整により実施されるため、他の2つの手法に比較して制御応答性の点で優れる。但し、無料で入手可能な空気に対して水素ガスは有料であるため、水素ガスの供給量調整は燃料電池10の運用コストを高騰させる要因になる。そこで定電圧電流可変制御を実施する際には、水素ガスの供給量調整よりも空気の供給量調整を優先して実施しており、両者の区別のために以下の説明ではガス供給量制御として、空気供給量を調整する側を空気供給量制御と称し、水素ガス供給量を調整する側を水素ガス供給量制御と称する。
2)セル温度制御
従来技術では、図6に破線で示すようにセル温度を一定に保っていたのに対し、本実施形態のセル温度制御では実線で示すように、セル温度(燃料電池10の温度)を上昇或いは下降させることで出力電流を低下させる。このとき相対湿度は一定に保つ。そして、セル温度が変化すると、図7に実線で示すように温度上昇側と温度低下側との何れの場合もセルの反応抵抗及び内部抵抗が増加することから、結果として出力電流の低下に応じてセルの反応抵抗及び内部抵抗が増加することになり、出力電流の増減に関わらずセル電圧Vが一定に保たれる。
【0051】
セル温度の上昇は、燃料電池10の冷却回路36のウォータポンプ35の回転低下或いは停止により達成され、セル温度の下降はウォータポンプ35の回転増加により達成される。図6に示すように、セル温度の変化に対する出力電流の変化は、温度低下させる場合よりも温度上昇させる場合の方がより大きな電流変化が得られる。
よって、セル温度の上昇により出力電流を低下させる場合には、良好な制御応答性が得られると共に、制御自体もウォータポンプ35を回転低下或いは停止させるだけのため容易に実施できる。但し、燃料電池10の温度上昇を抑制する冷却回路36の機能を故意に制限するため、燃料電池10の劣化防止の点ではあまり好ましくない。
【0052】
これとは逆に、セル温度の低下により出力電流を低下させる場合は、温度低下に対する電流変化が少ない上に、ウォータポンプ35の回転増加によりセル温度を低下させるには時間を要するため、制御応答性はそれほど良好でない。しかし、温度低下は燃料電池10にとって安全方向への変化であるため、劣化防止の点では望ましい。
そこで、双方の特徴の何れを重要視するかに応じて、何れかの手法を選択すればよい。以下の説明では、制御応答性を重視してセル温度制御としてセル温度を上昇させる手法を実施するものとする。
3)相対湿度制御
従来技術では、図8に破線で示すように空気極10c及び燃料極10bの相対湿度及び内部抵抗をそれぞれ一定に保っていたのに対し、本実施形態の相対湿度制御では実線で示すように、相対湿度を低下させることでセルの反応抵抗及び内部抵抗を増加させる。相対湿度の低下は空気極10cのみでもよいし、燃料極10bのみでもよいし、空気極10c及び燃料極10bの双方でもよいが、何れにしても、このときセル温度は一定に保つ。結果として図9に示すように、セルの反応抵抗及び内部抵抗を一定のまま出力電流を低下可能となり、出力電流の増減に関わらずセル電圧Vが一定に保たれる。
【0053】
このような相対湿度の低下は、加湿装置13による空気や水素の加湿状態の調整、加湿ガスと無加湿ガスとの混合割合の調整、及び再循環ガスと無加湿ガスとの混合割合の調整により実施する。上記のようにセル温度制御として制御応答性が良好なセル温度を上昇させる手法が実施されるため、制御応答性に関して相対湿度制御は若干劣ることになる。
以上の空気供給量制御、セル温度制御、相対湿度制御、及び水素ガス供給量制御を端的に表現すると、互いの内容は相違するものの、何れも空気と水素ガスとの反応条件を調整することによりセル電圧Vと出力電流との特性を変更可能な手法と見なせる(出力電力制御手段)。そして、例えば空気供給量制御の実施により、要求出力電力を達成可能な出力電流となるように図4に示す特性線Loに沿って空気供給量を制御することは、換言すると、図3に示すセル電圧Vと出力電流との複数の特性線の中から、要求電力を達成可能な出力電流に制御したときにセル電圧Vが最高効率電圧V0となる特性線を選択し、その特性線を要求出力電力の変化に応じて順次変更することを意味する。
【0054】
結果として要求出力電力に応じて空気と水素ガスとの反応条件が調整されて、常にセル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ出力電流を変化させて出力電力を達成できる。要求出力電力は2次電池3のSOCのみならず、アクセル操作に応じて車両走行のための要求出力が増減したときにも変化するが、このような状況でもセル電圧Vは従来技術のように変化することなく最高効率電圧V0に保たれ続ける。以上は空気供給量制御の場合を例示したが、他の手法についても同様である。
【0055】
定電圧電流可変制御は、車両ECU46から要求される燃料電池10の出力電力を達成すべく優先順位が高い手法から順次実行しており、本実施形態では制御応答性の観点から空気供給量制御、セル温度制御、相対湿度制御の順に優先順位を定めると共に、制御応答性は良好であるが運用コスト面で難がある水素ガス供給量制御を最も下位の手法としている。但し、これは一例であり、例えば何れかの手法を削除したり、他の手法を追加したりしてもよいし、その優先順位を変更したりしてもよい。
【0056】
次いで、FC-ECU40による定電圧電流可変制御の具体的な内容について述べる。
図10はFC-ECU40が実行する定電圧電流可変湿度低下ルーチンを示すフローチャートであり、FC-ECU40は当該ルーチンを所定の制御インターバルで実行する。
まず、ステップS1で車両ECU46から要求された燃料電池10の出力電力を読み込み、続くステップS2で現在の燃料電池10の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Yes(肯定)のときには一旦ルーチンを終了する。またステップS2でNo(否定)の判定を下したときにはステップS3に移行し、空気供給量制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図4に示す特性線Lhに沿って空気供給量を制御する。
【0057】
続くステップS4では再び燃料電池10の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Yesのときにはルーチンを終了し、NoのときにはステップS5に移行する。ステップS5ではセル温度制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図6に示すマップに従ってセル温度を制御する。
【0058】
続くステップS6では再び燃料電池10の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Yesのときにはルーチンを終了し、NoのときにはステップS7に移行する。ステップS7では相対湿度制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図8,9に示すマップに従って相対湿度を制御する。
【0059】
続くステップS8では再び燃料電池10の出力電力が要求出力電力と一致しているか否かを判定し、Yesのときにはルーチンを終了し、NoのときにはステップS9に移行する。ステップS9では水素ガス供給量制御を実行して要求出力電力の達成を図る。即ち、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ要求出力電力を達成可能な出力電流となるように、図5に示す特性線Lhに沿って水素ガス供給量を制御した後、ルーチンを終了する。
【0060】
以上のように本実施形態の燃料電池システムによれば、現在の出力電力が要求出力電力と一致していない場合に、空気供給量制御、セル温度制御、相対湿度制御、及び水素ガス供給量制御を適宜実施して、空気と水素ガスとの反応条件を調整することによりセル電圧Vと出力電流との特性を変更し、これにより、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保ちつつ燃料電池10の出力電流を変化させて要求出力電力を達成している。そしてセル電圧Vが最高効率電圧V0に保たれることにより、空気極10cや燃料極10bの触媒層上での酸化還元反応を抑制できることから、触媒層の白金凝集・溶出に起因する劣化を確実に防止することができる。
【0061】
加えて、常に発電効率が最も良好な最高効率電圧V0で燃料電池10を運転するため、運用コストを低減できるという別の効果も得られる。
また、現在の出力電力が要求出力電力と一致するまで、空気と水素ガスとの反応条件を調整する手法として制御応答性が良好なものから順に実施している。燃料電池10に対する要求出力電力は2次電池3のSOCや車両走行のための要求出力に応じて常に変動することから、空気と水素ガスとの反応条件を調整する際の制御応答性が悪い場合には、セル電圧Vが最高効率電圧V0から逸脱して触媒層上で酸化還元反応を生起させてしまう。制御応答性が良好な手法から順に実施することにより、セル電圧Vを最高効率電圧V0に保つことができ、これにより触媒層上での酸化還元反応をより確実に抑制することができる。
【0062】
しかも、このように制御応答性の観点から各手法の優先順位を定めているものの、制御応答性は良好であるが運用コスト面で難がある水素ガス供給量制御については、あえて例外として最も下位の手法に定め最後に実施している。従って、運用コストの高騰を抑制した上で、上記のような効果を得ることができる。
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、電動車両1に搭載される燃料電池システム4に具体化したが、これに限るものではなく、例えば定置側の燃料電池システムに適用してもよい。
【符号の説明】
【0063】
4 燃料電池システム
10 燃料電池
10b 燃料極
10c 空気極
40 FC-ECU(出力電力制御手段)
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11