(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
前記反応ガスのうちの燃料ガスを供給する燃料供給源における前記燃料ガスの供給圧力を検出する圧力センサと、
前記圧力センサにより検出された前記供給圧力が、前記燃料ガスの残量が少ないと判断可能な所定の下限値以下になった場合に、前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段と、を備え、
前記出力制限手段は、予め設定されている、前記供給圧力が低下するにつれて、前記燃料電池の出力電流の使用限度として規定された定格値に対して出力を許可する割合となる出力許可率が小さくなる関係を用いて、前記圧力センサにより検出された前記供給圧力に対応する前記出力許可率を導出し、前記燃料電池の出力電流の前記定格値における前記出力許可率分を、前記燃料電池の出力電流の上限値として算出し、当該上限値を用いて前記燃料電池の出力を制限する、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記圧力センサは、前記燃料ガスを前記燃料電池に供給するための燃料供給流路に設けられており、前記燃料電池の出力が停止しているときのセンサ値を前記供給圧力として出力することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記圧力センサは、前記燃料供給源に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池の出力を制御する方法であって、
前記反応ガスのうちの燃料ガスを供給する燃料供給源における前記燃料ガスの供給圧力を検出する圧力検出工程と、
前記圧力検出工程において検出された前記供給圧力が、前記燃料ガスの残量が少ないと判断可能な所定の下限値以下になった場合に、前記燃料電池の出力を制限する出力制限工程と、を含み、
前記出力制限工程は、予め設定されている、前記供給圧力が低下するにつれて、前記燃料電池の出力電流の使用限度として規定された定格値に対して出力を許可する割合となる出力許可率が小さくなる関係を用いて、前記圧力検出工程において検出された前記供給圧力に対応する前記出力許可率を導出し、前記燃料電池の出力電流の前記定格値における前記出力許可率分を、前記燃料電池の出力電流の上限値として算出し、当該上限値を用いて前記燃料電池の出力を制限する、
ことを特徴とする燃料電池の出力制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の出力制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、反応ガスである燃料ガスと酸化ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源として用いられている。このような燃料電池システムを車両に搭載した場合には、燃料ガスを効率良く消費してできる限り走行距離を伸ばすことが要求される。下記特許文献１には、走行距離を伸ばすために、燃料ガスの残量が所定量以下になった場合に、燃料電池の発電領域を高効率領域に制限する燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、発電領域が高効率領域に制限された後に、燃料供給流路の流路内圧力（中圧）が所定圧力以下になると、流路内圧力に基づいて燃料電池の出力制限値を決定して燃料電池の出力を制限する。その後、流路内圧力が所定の供給限界に到達すると、ガス欠表示がなされて燃料電池の出力が停止し、車両が停止する。
【特許文献１】特開２００６−２９６１０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、流路内圧力は、配管における圧力損失の影響を受けるため、燃料供給源における供給圧力よりも低くなる。このような流路内圧力の低下傾向は、燃料供給源における供給圧力が低下するほど顕著となる。一方、流路内圧力が低くなり過ぎると燃料の供給能力が低下し、燃料の消費量に相応する燃料を十分に供給できなくなる。したがって、従来は、燃料の供給能力が低下することのないように、流路内圧力を基準にして供給限界を少し高めに設定していた。しかしながら、流路内圧力を基準にして供給限界を設定してしまうと、燃料供給源に貯留されている燃料にはまだ余裕があるにもかかわらず、流路内圧力が供給限界に到達した時点で燃料電池の出力が停止されてしまうことになる。すなわち、燃料供給源に貯留されている燃料にはまだ余裕があるにもかかわらず、車両が走行を継続することができなくなってしまう。
【０００４】
本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、残量の少ない燃料を有効に消費させながらより長時間稼働させることができる燃料電池システムおよび燃料電池の出力制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、反応ガスのうちの燃料ガスを供給する燃料供給源における燃料ガスの供給圧力を検出する圧力センサと、圧力センサにより検出された供給圧力が所定の下限値以下になった場合に、燃料電池の出力を制限する出力制限手段と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
また、本発明に係る燃料電池の出力制御方法は、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池の出力を制御する方法であって、反応ガスのうちの燃料ガスを供給する燃料供給源における燃料ガスの供給圧力を検出する圧力検出工程と、圧力検出工程において検出された供給圧力が所定の下限値以下になった場合に、燃料電池の出力を制限する出力制限工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
これらの発明によれば、燃料ガスの残量が少なくなってきて、燃料供給源における燃料ガスの供給圧力が所定の下限値以下になった場合には、燃料電池の出力を制限することができるため、燃料ガスの消費量を低減させることができる。それゆえに、残量の少ない燃料を有効に消費させながらより長時間稼働させることが可能となる。
【０００８】
上記燃料電池システムにおいて、上記出力制限手段は、燃料電池の出力電流の上限値を上記供給圧力に応じて低下させることで、燃料電池の出力を制限することができる。
【０００９】
このようにすることで、燃料ガスの残量が少なくなってきて、燃料供給源における燃料ガスの供給圧力が所定の下限値以下になった場合に、上記供給圧力に応じて燃料電池の出力電流の上限値を下げることができるため、低下していく供給圧力に応じて燃料ガスの消費量を制限させることができる。
【００１０】
上記燃料電池システムにおいて、上記出力制限手段は、予め設定されている上気供給圧力に応じて低下する出力許可率を用いて、燃料電池の出力電流の上限値を算出することができる。
【００１１】
このようにすることで、燃料ガスの残量が少なくなってきて、燃料供給源における燃料ガスの供給圧力が所定の下限値以下になった場合に、上記供給圧力に応じて低下する出力許可率を用いて燃料電池の出力電流の上限値を下げることができるため、低下していく供給圧力に応じて燃料ガスの消費量を制限させることができる。
【００１２】
また、上記燃料電池システムにおいて、上記圧力センサは、燃料ガスを燃料電池に供給するための燃料供給流路に設けられており、燃料電池の出力が停止しているときのセンサ値を上記供給圧力として出力することができる。このようにすることで、燃料電池システムの構成を簡易にすることができる。
【００１３】
また、上記燃料電池システムにおいて、上記圧力センサは、燃料供給源に設けることができる。このようにすることで、燃料供給源における燃料ガスの供給圧力を容易に検出させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、残量の少ない燃料を有効に消費させながらより長時間稼働させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の出力制御方法の好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。
【００１６】
本実施形態における燃料電池システムは、燃料供給源における燃料ガスの供給圧力が所定の下限値以下になった場合に、燃料電池の出力電流の上限値を燃料ガスの供給圧力に応じて低下させることで、燃料電池の出力を制限するものである。
【００１７】
まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
【００１８】
同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システム全体を統括制御する制御部５とを有する。
【００１９】
燃料電池２は、反応ガスの供給を受けて発電する複数の単セルを積層したスタック構造により構成される。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（不図示）によって降圧され、バッテリーである二次電池（不図示）に充電される。燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサＡが取り付けられている。
【００２０】
酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
【００２１】
水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素ガス配管系４は、本発明における燃料供給系の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。
【００２２】
水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４、４５と、水素ガスの流量や圧力を調整するインジェクタ４６とが設けられている。また、レギュレータ４５の下流側およびレギュレータ４４の下流側には、水素供給流路４１における水素ガスの圧力を検出する圧力センサＰ１および圧力センサＰ２がそれぞれ設けられている。
【００２３】
循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４７が設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４８及び排気排水弁４９を介して排出流路５０が接続されている。気液分離器４８は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４９は、制御部５からの指令に従って、気液分離器４８で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４９から排出された水素オフガスは、希釈器５１によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。
【００２４】
制御部５は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータの他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４７のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。
【００２５】
制御部５は、圧力センサＰ１を用いて、水素タンク４０における燃料ガスの供給圧力（以下、タンク元圧という。）を検出する。具体的には、制御部５は、燃料電池２の出力が停止しているときの圧力センサＰ１のセンサ値をタンク元圧として検出する。ここで、燃料電池２の出力が停止しているときには、燃料電池２に水素ガスが供給されず、水素供給流路４１内の水素ガスの流れが止まるため、水素供給流路４１内では圧力損失が生じない。つまり、燃料電池２の出力が停止しているときに検出された圧力センサＰ１のセンサ値は、タンク元圧と同等になる。燃料電池２の出力が停止するときとしては、例えば、停車時や低負荷走行時、回生ブレーキ中などが該当する。
【００２６】
制御部５は、タンク元圧が、所定の下限値以下になった場合に、燃料電池の出力電流の上限値を供給圧力に応じて低下させることで、燃料電池の出力を制限する。下限値は、例えば、水素ガスの残量が少ないと判断できる値であって、かつ、供給限界値よりは大きな値に設定することができる。供給限界値は、ガス欠であると判断する際に用いる残圧値である。
【００２７】
出力電流の上限値を供給圧力に応じて低下させる方法としては、例えば、図２に示す出力制限マップを用いる方法がある。図２は、出力制限マップを示す図であり、横軸がタンク元圧[ｋＰａ]を示し、縦軸が出力許可率[％]を示す。図２に示す出力制限マップでは、タンク元圧の下限値が、第１の圧力ＰＡに設定されており、タンク元圧が下限値を上回っている場合には、出力許可率が１００％であり、タンク元圧が下限値以下である場合には、タンク元圧に応じて出力許可率が低下することが表されている。具体的には、例えば、タンク元圧が第２の圧力ＰＢであるときには出力許可率が８０％となり、タンク元圧が第３の圧力ＰＣであるときには出力許可率が６８％となり、タンク元圧が第４の圧力ＰＤであるときには出力許可率が４６％ となり、タンク元圧が第５の圧力ＰＥ以下であるときには出力許可率が２８％となっている。
【００２８】
制御部５は、出力制限マップを参照して、タンク元圧に対応する出力許可率を導出し、出力電流の定格値の出力許可率分を出力電流の上限値として算出する。したがって、例えば、タンク元圧が第２の圧力ＰＢである場合には、出力許可率として８０％が導出され、出力電流の上限値として、定格値の８０％にあたる値が算出される。この場合に、例えば、アクセル開度に応じた出力要求値が定格値の８０％にあたる値以上である場合には、出力電流の上限値として設定された定格値の８０％にあたる電流が燃料電池２から出力されることになる。一方、アクセル開度に応じた出力要求値が定格値の８０％にあたる値未満である場合には、出力要求値の電流が燃料電池２から出力されることになる。
【００２９】
ここで、制御部５は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭやＨＤＤと、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と、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、圧力センサＰ１、Ｐ２および電流センサＡ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、水素ポンプ４７および排気排水弁４９等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。
【００３０】
ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して圧力センサＰ１での検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池２の出力を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。
【００３１】
次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池の出力制限処理について説明する。この出力制限処理は、アクセル開度に応じて出力される出力要求が制御部５で受信されている間繰り返し行われる。
【００３２】
最初に、制御部５が出力要求を受信すると、制御部５は、直近に検出されたタンク元圧を取得する（ステップＳ１）。タンク元圧は、燃料電池２の出力が停止しているときに圧力センサＰ１を用いて検出されており、ＲＡＭに記憶されている。
【００３３】
続いて、制御部５は、上記ステップＳ１で取得されたタンク元圧が、所定の下限値以下であるか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ２；ＹＥＳ）に、制御部５は、出力制限マップを参照して、タンク元圧に対応する出力許可率を導出する（ステップＳ３）。
【００３４】
続いて、制御部５は、出力電流の定格値とステップＳ３で導出した出力許可率とを用いて燃料電池の出力電流の上限値を算出する（ステップＳ４）。
【００３５】
続いて、制御部５は、出力要求に対応する出力要求値がステップＳ４で算出した上限値以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ５；ＹＥＳ）に、制御部５は、燃料電池２の出力電流を上限値で出力するように指示する（ステップＳ６）。
【００３６】
一方、上述したステップＳ５の判定において、出力要求値が上限値未満であると判定された場合（ステップＳ５；ＮＯ）に、制御部５は、燃料電池２の出力電流を出力要求値で出力するように指示する（ステップＳ８）。
【００３７】
一方、上述したステップＳ２の判定において、タンク元圧が所定の下限値以下ではないと判定された場合（ステップＳ２；ＮＯ）に、制御部５は、出力要求値が出力電流の定格値以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ７；ＮＯ）に、制御部５は、燃料電池２の出力電流を出力要求値で出力するように指示する（ステップＳ８）。一方、ステップＳ７の判定がＹＥＳである場合（ステップＳ７；ＹＥＳ）に、制御部５は、燃料電池２の出力電流を定格値で出力するように指示する（ステップＳ９）。
【００３８】
上述してきたように、本実施形態における燃料電池システム１によれば、水素ガスの残量が少なくなってきて、タンク元圧が所定の下限値以下となった場合には、タンク元圧に応じて出力許可率が下げられ、燃料電池の出力が制限されるため、低下していくタンク元圧に応じて水素ガスの消費量を低減させることができる。これにより、残量の少ない水素ガスを有効に消費させながらより走行距離を伸ばすことができる。また、使い切ることのできない水素ガスの残量をより減らすことが可能となる。
【００３９】
なお、上述した実施形態においては、燃料電池２の出力が停止しているときの圧力センサＰ１の値をタンク元圧として検出しているが、検出に用いるセンサは圧力センサＰ１に限定されない。例えば、燃料電池２の出力が停止しているときの圧力センサＰ２の値をタンク元圧として検出してもよい。また、水素タンク４０内に圧力センサをさらに設け、このタンク内圧力センサの値をタンク元圧として検出してもよい。タンク内圧力センサを用いる場合には、圧力損失を考慮する必要がないため、燃料電池２の出力の有無にかかわらず、その時点におけるセンサ値をタンク元圧として採用することができる。
【００４０】
また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】出力制限マップを示す図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムにおける燃料電池の出力制限処理を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…主止弁、４４、４５…レギュレータ、４６…インジェクタ、４７…水素ポンプ、４８…気液分離器、４９…排気排水弁、５０…排出流路、５１…希釈器、Ｐ１、Ｐ２…圧力センサ、Ａ…電流センサ。
【図１】
0005446025.tif 000002
【図２】
0005446025.tif 000003
【図３】
0005446025.tif 000004