(57)【要約】【課題】過度に水素供給量を増加することなく、異常電圧の発生回数を抑制できる技術を提供する。【解決手段】燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、燃料電池スタックにアノードガスを供給するアノードガス供給部と、燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、燃料電池システムの停止中において燃料電池スタックにおける異常電圧の発生の有無の検出をする異常電圧検出部と、前回の燃料電池システムの前回の停止中に異常電圧が検出された場合に、アノードガスの供給量を前回の燃料電池システムの停止時におけるアノードガスの供給量よりも多くするようアノードガス供給部を制御して、前記燃料電池システムを停止させる制御部と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックに前記アノードガスを供給するアノードガス供給部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池システムの停止中において前記燃料電池スタックにおける異常電圧の発生の有無の検出をする異常電圧検出部と、
前記燃料電池システムの前回の停止中に異常電圧が検出された場合に、前記アノードガスの供給量を前回の前記燃料電池システムの停止時における前記アノードガスの供給量よりも多くするよう前記アノードガス供給部を制御して、前記燃料電池システムを停止させる制御部と、を備える、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムにおいて、例えば、特許文献１に記載されているように、システム停止の状態において異常電圧が発生することを抑制するために、システムを停止する場合に、予め定められた量の水素を供給する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１９−２９３５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような技術において、発電停止時における水素分圧が、想定される最低の水素分圧であると想定して供給する水素量を定める場合、必要以上に水素を供給するおそれがあり、燃費の低下に繋がる可能性があるという問題を本願発明者らは、見出した。また、本願発明者らは、燃費を低下させないため、燃料電池システムの停止時に毎回定量の水素を供給することを検討したものの、燃料電池システムの利用態様によっては異常電圧の発生頻度が高くなる可能性があるという問題を見出した。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、アノードガスとカソードガスとの供給を受けて発電を行う燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに前記アノードガスを供給するアノードガス供給部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池システムの停止中において前記燃料電池スタックにおける異常電圧の発生の有無の検出をする異常電圧検出部と、前回の前記燃料電池システムの前回の停止中に異常電圧が検出された場合に、前記アノードガスの供給量を前回の前記燃料電池システムの停止時における前記アノードガスの供給量よりも多くするよう前記アノードガス供給部を制御して、前記燃料電池システムを停止させる制御部と、を備える。この形態の燃料電池システムによれば、前回の燃料電池システムの停止中において異常電圧が検出された場合に、今回の燃料電池システムの停止時におけるアノードガスの供給量を、前回のシステム停止時におけるアノードガスの供給量よりも多く設定するめ、過度に水素供給量を増加することなく、異常電圧の発生回数を抑制できる。
【０００７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムを備える発電装置、燃料電池システムを備える車両、燃料電池システムの制御方法等の態様で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】異常電圧検出処理の手順の一例を表すフローチャートである。
【図３】停止処理の手順の一例を表わすフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
Ａ．第１実施形態：
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す図である。燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、制御部２０と、カソードガス供給部３０と、アノードガス供給部５０と、を備える。また、燃料電池システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、パワーコントロールユニット（以下、「ＰＣＵ８１」という）８１と、負荷８２と、電圧測定部８３と、電流計８４を備える。本実施形態の燃料電池システム１００は、例えば、燃料電池車両に搭載される。
【００１０】
燃料電池スタック１０は、反応ガスとしてアノードガス（例えば、水素ガス）とカソードガス（例えば、空気）との供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。燃料電池スタック１０は、複数の単セル１１が積層されて構成されている。各単セル１１は、電解質膜（図示せず）の両面にアノード（図示せず）とカソード（図示せず）とを配置した膜電極接合体（図示せず）と、膜電極接合体を挟持する１組のセパレータ（図示せず）とを有する。
【００１１】
制御部２０は、ＣＰＵとメモリと、後述する各部品が接続されるインタフェース回路とを備えたコンピュータとして構成されている。ＣＰＵは、メモリに記憶された制御プログラムを実行することにより、後述するアノードガス分圧が目標分圧になるよう、燃料電池システム１００による発電の制御を行う。制御部２０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）２１の指示に応じて、燃料電池スタック１０内の各機器の起動および停止を制御するための信号を出力する。制御部２０は、異常電圧検出部２２を備える。異常電圧検出部２２は、燃料電池システム１００の停止中における燃料電池スタック１０の異常電圧の発生の有無を検出する。より具体的には、後述する電圧測定部８３が検出した燃料電池スタック１０の出力電圧が予め定められた閾値以上に上昇した場合に、異常電圧が発生したと判断する。閾値は、例えば、１．５Ｖである。なお、制御部２０は、これらの制御の一部又は全部をハードウェア回路で実現してもよい。
【００１２】
ＥＣＵ２１は、燃料電池システム１００を含む装置全体（例えば、車両）の制御を行う制御部である。例えば、燃料電池車両では、アクセルペダルの踏込量やブレーキペダルなどの踏込量、車速等の複数の入力値に応じてＥＣＵ２１が車両の制御を実行する。なお、ＥＣＵ２１は、制御部２０の機能の一部に含まれていてもよい。
【００１３】
カソードガス供給部３０は、カソードガス配管３１と、エアフローメータ３２と、コンプレッサ３３と、第１開閉弁３４と、カソードオフガス配管４１と、第１レギュレータ４２と、を備える。カソードガス配管３１は、燃料電池スタック１０に接続され、外部から取り込んだ空気を燃料電池スタック１０に供給する。
【００１４】
エアフローメータ３２は、カソードガス配管３１に設けられており、取り込んだ空気の流量を測定する。コンプレッサ３３は、制御部２０からの制御信号に応じて、外部から取り入れた空気を圧縮し、カソードガスとして燃料電池スタック１０に供給する。第１開閉弁３４は、コンプレッサ３３と燃料電池スタック１０との間に設けられている。カソード圧力計３５は、燃料電池スタック１０のカソードガス入口の圧力（以下「カソードガス圧力」という）を測定し、制御部２０に送信する。
【００１５】
カソードオフガス配管４１は、燃料電池スタック１０から排出されたカソードオフガスを燃料電池システム１００の外部へと排出する。第１レギュレータ４２は、制御部２０からの制御信号に応じて、燃料電池スタック１０のカソードガス出口の圧力を調整する。
【００１６】
アノードガス供給部５０は、アノードガス配管５１と、アノードガスタンク５２と、第２開閉弁５３と、第２レギュレータ５４と、インジェクタ５５と、アノード圧力計５６と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、排気排水弁６３と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、を備える。以下では、アノードガス配管５１のインジェクタ５５よりも下流側と、燃料電池スタック１０内のアノードガスの流路と、アノードオフガス配管６１と、気液分離器６２と、循環配管６４と、アノードガスポンプ６５と、で構成される流路のことを、循環流路６６ともいう。循環流路６６は、燃料電池スタック１０のアノードオフガスを燃料電池スタック１０に循環させるための流路である。
【００１７】
アノードガスタンク５２は、アノードガス配管５１を介して燃料電池スタック１０のアノードガス入口と接続されており、アノードガスを燃料電池スタック１０に供給する。第２開閉弁５３、第２レギュレータ５４、インジェクタ５５、およびアノード圧力計５６は、アノードガス配管５１に、この順序で上流側、つまりアノードガスタンク５２に近い側から設けられている。
【００１８】
第２開閉弁５３は、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。燃料電池システム１００の停止時には第２開閉弁５３は閉じられる。第２レギュレータ５４は、制御部２０からの制御信号に応じて、インジェクタ５５の上流側におけるアノードガス圧力を調整する。インジェクタ５５は、制御部２０によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。制御部２０は、インジェクタ５５の駆動周期や開弁時間を制御することによって、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスの流量を制御する。アノード圧力計５６は、燃料電池スタック１０のアノードガス入口の圧力を測定し、制御部２０に送信する。なお、アノード圧力計５６を燃料電池スタック１０のアノードガス出口側に設けてもよい。その場合、上述したカソード圧力計３５も燃料電池スタック１０のカソードガス出口側に設けることが好ましい。これらいずれの場合も、アノード圧力計５６で測定される圧力を「アノードガス圧力」と呼ぶことができる。
【００１９】
アノードオフガス配管６１は、燃料電池スタック１０のアノードガス出口と気液分離器６２とを接続する配管である。アノードオフガス配管６１は、発電反応に用いられることのなかった水素ガスや窒素ガスなどを含むアノードオフガスを気液分離器６２へと誘導する。
【００２０】
気液分離器６２は、循環流路６６のアノードオフガス配管６１と循環配管６４との間に接続されている。気液分離器６２は、循環流路６６内のアノードオフガスから不純物としての水を分離して貯水する。
【００２１】
排気排水弁６３は、気液分離器６２の下部に設けられている。排気排水弁６３は、気液分離器６２に貯水された水の排水と、気液分離器６２内の不要なガス（主に窒素ガス）の排気と、を行う。燃料電池システム１００の運転中は、通常、排気排水弁６３は閉じられており、制御部２０からの制御信号に応じて開閉する。本実施形態では、排気排水弁６３は、カソードオフガス配管４１に接続されており、排気排水弁６３によって排出された水および不要なガスは、カソードオフガス配管４１を通じて外部へ排出される。
【００２２】
循環配管６４は、アノードガス配管５１のうちのインジェクタ５５より下流の部分に接続されている。循環配管６４には、制御部２０からの制御信号に応じて駆動されるアノードガスポンプ６５が設けられている。気液分離器６２によって水が分離されたアノードオフガスが、アノードガスポンプ６５によって、アノードガス配管５１へと送り出される。この燃料電池システム１００では、水素を含むアノードオフガスを循環させて、再び燃料電池スタック１０に供給することにより、アノードガスの利用効率を向上させている。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池スタック１０の出力電圧を昇圧してＰＣＵ８１に供給する。ＰＣＵ８１は、インバータを内蔵し、制御部２０の制御に応じてインバータを介して負荷８２に電力を供給する。また、ＰＣＵ８１は、制御部２０の制御により燃料電池スタック１０の電流を制限する。
【００２４】
電圧測定部８３は、燃料電池スタック１０の出力電圧を測定する。電圧測定部８３は、測定した出力電圧を異常電圧検出部２２に送信する。本実施形態において電圧測定部８３は、単セル１１の出力電圧の合計を燃料電池スタック１０の出力電圧として異常電圧検出部２２に送信する。電流計８４は、燃料電池スタック１０の出力電流値を測定する。
【００２５】
燃料電池スタック１０の電力は、ＰＣＵ８１を含む電源回路を介して、車輪（図示せず）を駆動するためのトラクションモータ（図示せず）等の負荷８２や、上述したコンプレッサ３３、アノードガスポンプ６５および各種弁に、供給される。
【００２６】
図２は、本実施形態における、異常電圧検出処理の手順の一例を表すフローチャートである。異常電圧検出部２２は、燃料電池システム１００の停止中にこの処理を繰り返し実行する。まず、異常電圧検出部２２は、ステップＳ１００において、異常電圧が検出されたか否かを判定する。より具体的には、異常電圧検出部２２は、電圧測定部８３から取得した燃料電池スタック１０の出力電圧が予め定めた閾値以上に上昇したか否かを判定する。異常電圧が検出された場合、異常電圧検出部２２は、ステップＳ１１０に進み、異常電圧フラグをＯＮにして、そのフラグの値をメモリに不揮発的に記録し、異常電圧検出処理を終了する。一方、異常電圧が検出されない場合、異常電圧検出部２２は、異常電圧検出処理を終了する。なお、異常電圧フラグは、燃料電池システム１００が停止される毎にＯＦＦへリセットされる。
【００２７】
「異常電圧」とは、通常の発電状況下よりカソード電位が上昇し、カソードの劣化（すなわち、カーボンの腐食）が進行するレベルまで高くなった電極電圧を言う。異常電圧が発生する原因の１つは、燃料電池のアノードにおいて、燃料電池システム１００が長期間放置されることにより、カソードからアノードへ酸素が透過して起こる局所的な水素欠乏と考えられている。
【００２８】
図３は、本実施形態における、停止処理の手順の一例を表わすフローチャートである。制御部２０は、燃料電池システム１００を停止する場合に、この処理を開始する。
【００２９】
まず、制御部２０は、ステップＳ２００において、アノードガス分圧を推定する。本実施形態において、制御部２０は、アノードガス圧力とアノードガス以外の気体の分圧との関係が予め定義されたマップや関数に基づき、アノードガス分圧を推定する。「アノードガス以外の気体」とは、例えば、カソードから透過した窒素や酸素、水蒸気等である。アノード分圧は、アノード圧力計５６を用いて測定した現在のアノードガス圧力から、マップや関数を用いて求めたアノードガス以外の気体の分圧を差し引いた値である。なお、アノードガス分圧が推定できない場合は、アノードガス分圧として、予め定められた定数を用いてもよい。アノードガス分圧の推定については、例えば、特許文献１に記載されている。
【００３０】
次に、制御部２０は、ステップＳ２１０で、異常電圧フラグがＯＮか否かを判定する。つまり、燃料電池システム１００の前回停止中に異常電圧が検出されたか否かを判定する。「前回停止中」とは、今回の停止処理を開始する以前に燃料電池システム１００を停止した直近の停止中のことである。異常電圧フラグがＯＮの場合、つまり、前回停止中において異常電圧が検出された場合、制御部２０は、ステップＳ２２０において、アノードガス分圧の目標値を増加させる。より具体的には、制御部２０は、アノードガス分圧の目標値を前回の停止制御における目標値よりも大きいアノードガス分圧の値に設定する。本実施形態において、制御部２０は、目標値を、前回の停止制御における目標値を予め定められた値（例えば、１０ｋＰａ）、増加させた値に設定する。目標値を初めて増加させる場合、標準目標値を予め定められた値、増加させた値に設定する。「標準目標値」とは、予め定めた期間の燃料電池システム１００の停止中に異常電圧が発生しないアノードガス分圧の値であり、予めシミュレーションや実験を行うことにより定めることができる。一方、異常電圧フラグがＯＦＦの場合、つまり、前回停止中において異常電圧が検出されなかった場合、制御部２０はステップＳ２３０の処理に進む。
【００３１】
続いて、制御部２０は、ステップＳ２３０において、ステップＳ２００で推定したアノードガス分圧が、予め定められた目標値よりも大きいか否かを判定する。予め定められた目標値とは、ステップＳ２２０で増加させた目標値または標準目標値の事である。アノードガス分圧が目標値以下の場合、制御部２０は、ステップＳ２４０において、アノードガス分圧が目標値になるようアノードガス供給部５０を制御してアノードガスを供給し、ステップＳ２５０の処理に進む。制御部２０は、目標値が大きいほど、多くのアノードガスを供給するようアノードガス供給部５０を制御する。一方、アノードガス分圧が目標値よりも大きい場合、水素を供給せず、ステップＳ２５０の処理に進む。
【００３２】
最後に、制御部２０は、ステップＳ２５０において燃料電池システム１００の停止制御を行う。制御部２０は、例えば、カソードガスの供給の停止や、カソードガス配管３１の封止、アノードガス配管５１の封止等の制御を行う。
【００３３】
以上で説明した本実施形態の燃料電池システム１００によれば、制御部２０は、前回の燃料電池システム１００の停止中において異常電圧が検出された場合に、アノードガスの供給量を、前回のシステム停止時におけるアノードガスの供給量よりも多く設定する。そのため、燃料電池システム１００の利用態様、具体的には、燃料電池システム１００の放置期間の長短に応じてアノードガスの供給量を設定できる。この結果、異常電圧の発生回数を抑制できる。また、制御部２０は、前回の燃料電池システム１００の停止中において異常電圧が検出されなかった場合には、アノードガス供給量を定量に設定するため、必要以上に水素を供給することを抑制できる。従って、本実施形態によれば、過度に水素供給量を増加することなく、異常電圧の発生回数を抑制できる。
【００３４】
Ｂ．他の実施形態：
上述した実施形態において、制御部２０は、停止処理において、アノードガス分圧に応じてアノードガスを供給している。この代わりに、制御部２０は、燃料電池スタック１０におけるアノードガスの残量に応じて、アノードガスを供給してもよい。この場合、目標値は、アノードガスの残量である。制御部２０は、ステップＳ２４０において、アノードガスの残量が目標値となるようアノードガスを供給できる。アノードガスの残量は、アノードガス分圧から推定できる。また、アノードガスタンク５２から供給したアノードガスの量から、燃料電池スタック１０の発電量を用いて推定した消費したアノードガスの量を差し引いて求めることができる。
【００３５】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述した課題を解決するために、あるいは上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜削除することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０…燃料電池スタック、１１…単セル、２０…制御部、２１…ＥＣＵ、２２…異常電圧検出部、３０…カソードガス供給部、３１…カソードガス配管、３２…エアフローメータ、３３…コンプレッサ、３４…第１開閉弁、３５…カソード圧力計、４１…カソードオフガス配管、４２…第１レギュレータ、５０…アノードガス供給部、５１…アノードガス配管、５２…アノードガスタンク、５３…第２開閉弁、５４…第２レギュレータ、５５…インジェクタ、５６…アノード圧力計、６１…アノードオフガス配管、６２…気液分離器、６３…排気排水弁、６４…循環配管、６５…アノードガスポンプ、６６…循環流路、８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、８１…ＰＣＵ、８２…負荷、８３…電圧測定部、８４…電流計、１００…燃料電池システム
【図１】
2020205208.tif 000003
【図２】
2020205208.tif 000004
【図３】
2020205208.tif 000005