(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
所定出力以上の高出力になったことが検知された場合に、前記燃料電池のインピーダンスと負荷電流とから前記燃料電池の抵抗値を求める抵抗値算出部と、
この抵抗値から求めた予想出力値と、目標出力値との出力差に基づいて、必要となる抵抗値の削減代である必要抵抗値減代を算出し、前記抵抗値と前記必要抵抗値減代とに基づいて、前記高出力時における前記セルの触媒層における加湿量を制御する加湿量制御部と、を備える燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに水分を供給する加湿器を備え、
前記加湿量制御部は、前記セルの触媒層で必要となる必要加湿量を求めて、前記加湿器から酸化ガスへの水分供給量を制御することで、前記セルの触媒層における加湿量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池へ酸化ガスを供給するコンプレッサと、
前記燃料電池に接続された酸化オフガス流路に設けられた圧力調整弁と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に再供給する循環路と、
前記循環路に設けられて前記燃料オフガスを圧送するポンプと、を備え、
前記加湿量制御部は、前記セルの触媒層での水収支を求めて、前記コンプレッサ及び前記ポンプの回転数と、前記圧力調整弁の開度を制御することにより、前記加湿量を制御する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムの運転方法であって、
所定出力以上の高出力になったことが検知された場合に、前記燃料電池のインピーダンスと負荷電流とから前記燃料電池の抵抗値を求め、この抵抗値から求めた予想出力値と、目標出力値との出力差に基づいて、必要となる抵抗値の削減代である必要抵抗値減代を算出し、前記抵抗値と前記必要抵抗値減代とに基づいて、前記高出力時における前記セルの触媒層における加湿量を制御する燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力要求時における出力不足の抑制に有効な燃料電池システムとその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）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する燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料ガスとしての水素を供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
【０００３】
このような燃料電池システムとして、燃料電池の電圧の値とインピーダンスの値とを組み合わせることによって、固体高分子電解質膜等の濡れ状態を検出し、その濡れ状態に応じて各ガス拡散電極に供給するガスの加湿状態を制御するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２８２８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記のような燃料電池システムでは、例えば車両に搭載された場合のアイドリング時のような所定出力以下の低出力時等に、燃料電池のセルを構成する触媒層に乾湿の混在が生じ、電流分布にばらつきが生じることがある。このため、スロットル全開時等の高出力要求時に、触媒層が部分的に乾き、触媒層の全面での発電が困難となり、出力不足が生じてしまうおそれがある。
【０００６】
この場合、触媒層の水分量を判定する判定装置などを設け、この判定装置の判定結果に基づいて触媒層の水分量を制御することが考えられるが、新たに判定装置を追加することによるコストアップを招いてしまう。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、コストを抑えつつ出力不足を抑制して高出力を得ることが可能な燃料電池システムとその運転方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、
複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムであって、
前記燃料電池のインピーダンスと負荷電流とから所定出力以上の高出力時における前記燃料電池の抵抗値を求める抵抗値算出部と、
この抵抗値から前記高出力時における前記セルの触媒層における加湿量を制御する加湿量制御部と、を備えるものである。
【０００９】
この構成によれば、高出力要求時、例えば車両に搭載された場合のスロットル全開時等の最大出力要求時に、加湿量調整制御が行われて触媒層の乾燥が抑制されるので、触媒層の全面での発電を行うことができ、燃料電池からの出力を目標出力とすることができる。これにより、触媒層の水分量を判定する判定装置などを新たに追加して設けることによるコストアップを招くことなく、発電効率の低下を抑制して高出力を得ることができる。
【００１０】
上記構成において、
前記燃料電池へ供給される酸化ガスに水分を供給する加湿器を備え、
前記加湿量制御部は、前記加湿器から酸化ガスへの水分供給量を制御することで、前記加湿量を制御するようにしても良い。
【００１１】
また、上記構成において、
前記燃料電池へ酸化ガスを供給するコンプレッサと、
前記燃料電池に接続された酸化オフガス流路に設けられた圧力調整弁と、
前記燃料電池から排出された燃料オフガスを前記燃料電池に再供給する循環路と、
前記循環路に設けられて前記燃料オフガスを圧送するポンプと、を備え、
前記加湿量制御部は、前記コンプレッサ及び前記ポンプの回転数と、前記圧力調整弁の開度を制御することにより、前記加湿量を制御するようにしてもよい。
【００１２】
この構成では、コンプレッサ及びポンプの回転数と、圧力調整弁の開度を制御することにより、高出力要求時においても触媒層での水収支をバランスさせることが可能になり、触媒層の乾燥が抑制される。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、複数のセルを備えた燃料電池に燃料ガス及び酸化ガスを供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを前記セルで電気化学反応させて発電する燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池のインピーダンスと負荷電流とから所定出力以上の高出力時における前記燃料電池の抵抗値を求め、この抵抗値から前記高出力時における前記セルの触媒層における加湿量を制御するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コストを抑えつつ出力不足を抑制して高出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを模式的に示す構成図である。
【図２】キャブレタ式の加湿器の構造を説明する概略構成図である。
【図３】加湿量調整制御を示すフローチャートである。
【図４】抵抗と全開時における出力との関係を示すマップ図である。
【図５】加湿量と抵抗との関係を示すマップ図である。
【図６】バルブ開度と加湿量との関係を示すマップ図である。
【図７】変形例の加湿量調整制御を示すフローチャートである。
【図８】水収支と抵抗との関係を示すマップ図である。
【図９】水収支に関するマップ図であって、（ａ）はストイキとの関係を示す図、（ｂ）は背圧との関係を示す図、（ｃ）はポンプの回転数との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
まず、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を説明する。この燃料電池システムは燃料電池車両の車載発電システムであるが、車両搭載用の燃料電池システム以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体用の燃料電池システムや、例えば燃料電池が建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用の燃料電池システムへの適用も可能である。
【００１７】
図１に示される燃料電池システム１において、酸化ガスとしての空気は、空気供給路１１を介して燃料電池２０の空気供給口に供給される。空気供給路１１には、空気から微粒子を除去するエアフィルタＡ１、空気を加圧するコンプレッサＡ２、及び空気に所要の水分を加える加湿器Ａ３が設けられている。エアフィルタＡ１には、空気流量を検出する図示省略のエアフローメータ（流量計）が設けられている。コンプレッサＡ２は、モータＭによって駆動される。このモータＭは、後述の制御部５０によって駆動制御される。
【００１８】
燃料電池２０から排出される空気オフガス（酸化オフガス）は、空気オフガス排出路１２を経て外部に放出される。空気オフガス排出路１２には、圧力調整弁Ａ４、及び加湿器Ａ３が設けられている。圧力調整弁Ａ４は、燃料電池２０への供給空気圧を設定する調圧（減圧）器として機能する。制御部５０は、コンプレッサＡ２を駆動するモータの回転数及び圧力調整弁Ａ４の開度面積を調整することによって、燃料電池２０への供給空気圧や供給空気流量を設定する。
【００１９】
燃料ガスとしての水素ガスは、水素供給源３０から水素供給路３１を介して燃料電池２０の水素供給口に供給される。水素供給源３０は、例えば高圧水素タンクが該当するが、いわゆる燃料改質器や水素吸蔵合金等であっても良い。
【００２０】
水素供給路３１には、水素供給源３０から水素を供給しあるいは供給を停止する遮断弁Ｈ１、燃料電池２０への水素ガスの供給圧力を減圧して調整する水素調圧弁Ｈ２、及び燃料電池２０の水素供給口と水素供給路３１間を開閉する遮断弁Ｈ３が設けられている。水素調圧弁Ｈ２としては、例えば機械式の減圧を行う調圧弁を使用できるが、パルスモータで弁の開度がリニアあるいは連続的に調整される弁であっても良い。
【００２１】
燃料電池２０で消費されなかった水素ガスは、水素オフガス（燃料オフガス）として水素循環路３２に排出され、水素供給路３１の水素調圧弁Ｈ２の下流側に戻される。水素循環路３２には、水素オフガスから水分を回収する気液分離装置Ｈ１１、回収した生成水を水素循環路３２外の図示しないタンク等に回収する排水弁Ｈ１２、及び水素オフガスを加圧する水素ポンプＨ１３が設けられている。
【００２２】
水素ポンプＨ１３は、制御部５０によって動作が制御される。水素オフガスは、水素供給路３１で水素ガスと合流し、燃料電池２０に供給されて再利用される。
【００２３】
水素循環路３２は、排出制御弁Ｈ１４を介して、パージ流路３３によって加湿器Ａ３の下流側の空気オフガス排出路１２に接続されている。排出制御弁Ｈ１４は、電磁式の遮断弁であり、制御部５０からの指令によって作動することにより、水素オフガスは燃料電池２０から排出された空気オフガスとともに外部へ排出（パージ）される。このパージ動作を間欠的に行うことによって、水素ガス中の不純物濃度が増加することによるセル電圧の低下を防止することができる。
【００２４】
燃料電池２０の冷却水出入口には、冷却水を循環させる冷却路４１が設けられている。冷却路４１には、冷却水を加圧して循環させるポンプＣ１、及び冷却水の保有熱を外部に放熱するラジエータＣ２が設けられている。また、ラジエータＣ２には、モータによって回転駆動される冷却ファンＣ３が設けられている。
【００２５】
燃料電池２０は、水素ガスと空気の供給を受けて電気化学反応により発電する単セルを所要数積層してなる燃料電池スタックとして構成されている。燃料電池２０が発生した電力は、ＦＣ昇圧コンバータ７０で昇圧された後、車両の駆動モータに電力を供給するインバータ及びコンプレッサモータや水素ポンプ用モータなどの各種の補機類に電力を供給するインバータに供給される。
【００２６】
制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの公知構成から成る制御コンピュータシステムによって構成されており、図示しない車両のアクセル信号などの要求負荷や燃料電池システム１の各部のセンサ（圧力センサ、温度センサ、流量センサ、出力電流計、出力電圧計等）から制御情報を受け取り、システム各部の弁類やモータ類の運転を制御する。
【００２７】
また、制御部５０は、燃料電池２０からの出力電圧を昇圧するＦＣ昇圧コンバータ７０に接続されており、このＦＣ昇圧コンバータ７０から制御部５０へは燃料電池２０のインピーダンスの情報が出力される。なお、本実施形態の制御部５０は、後述の説明から明らかなとおり、本発明の抵抗値算出部、加湿量制御部としても機能する。
【００２８】
上述した加湿器Ａ３は、コンプレッサＡ２から空気供給路１１を通じて燃料電池２０に供給される空気（被加湿ガス）と、燃料電池２０から空気オフガス排出路１２を通じて外部に排出される空気オフガス（加湿ガス）との間で水分交換を行って空気に水分を加えるものであり、本実施形態の燃料電池システム１では、図２に示すように、キャブレタ式のものが用いられている。
【００２９】
このキャブレタ式の加湿器Ａ３は、空気供給路１１に設けられたキャブレタ８１を有している。このキャブレタ８１は、制御部５０からの指令によって開度が制御されるバルブ８２を有する給水路８３を備えており、この給水路８３は、空気供給路１１及びトラップ容器８４に接続されている。トラップ容器８４には、空気オフガス排出路１２が導かれており、空気オフガス排出路１２から排気される空気中の水分が捕捉されて貯留される。
【００３０】
ところで、燃料電池システム１では、例えばアイドリング時等の低出力時に燃料電池２０のセルを構成する触媒層に乾湿の混在が生じ、電流分布にばらつきが生じることがある。このため、最大出力となるような高出力を発生させるべくスロットルを全開にした際に、触媒層が部分的に乾き、触媒層の全面での発電が困難となり、出力不足が生じてしまうおそれがある。
【００３１】
このため、本実施形態の燃料電池システム１では、触媒層の加湿量を調整して全開時における出力不足を抑制する加湿量調整制御を制御部５０が行う。
以下、この加湿量調整制御について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。
【００３２】
高出力運転が指令される、例えば、アクセルペダルが強く踏み込まれてスロットルが全開になったことがアクセル信号に基づき検知されると、ＦＣ昇圧コンバータ７０からの情報に基づいて、燃料電池２０のインピーダンス及び負荷電流を検出し、燃料電池２０の抵抗値Ｒを求める（ステップＳ０１）。
【００３３】
次に、この抵抗値Ｒに基づいて、燃料電池２０から出力されると予想される負荷電流Ｉにおける予想出力値Ｐｙを求める。この予想出力値Ｐｙは、図４に示すように、予め実験やシミュレーション結果に基づいて求めておいた抵抗値Ｒと出力Ｐとの関係のマップから求める。このマップは、制御部５０内のメモリに記憶されている。
【００３４】
次に、必要となる目標出力値Ｐｔと予想出力値Ｐｙとを比較し、これらの出力差ΔＰ（ΔＰ＝Ｐｔ−Ｐｙ）を求める（ステップＳ０２）。
さらに、この出力差ΔＰに基づいて、必要となる抵抗値の削減代である必要抵抗値減代ΔＲを算出する（ステップＳ０３）。
【００３５】
次に、抵抗値Ｒ及び必要抵抗値減代ΔＲに基づいて、燃料電池２０のセルを構成する触媒層で必要となる必要加湿量ΔＷを求める（ステップＳ０４）。この必要加湿量ΔＷは、図５に示すように、予め実験やシミュレーション結果に基づき求めておいた加湿量Ｗと抵抗値Ｒとの関係のマップから求める。このマップは、制御部５０内のメモリに記憶されている。
【００３６】
その後、この必要加湿量ΔＷに基づいて、加湿器Ａ３のバルブ８２の必要開度Ｔｔを求める（ステップＳ０５）。この必要開度Ｔｔは、図６に示すように、予め実験やシミュレーション結果に基づいて求めておいたバルブ開度Ｔと加湿量Ｗとの関係のマップから求める。このマップは、制御部５０内のメモリに記憶されている。
【００３７】
この必要開度Ｔｔを求めたら、加湿器Ａ３のバルブ８２を必要開度Ｔｔで一定時間開くように加湿器Ａ３を制御する（ステップＳ０６）。すると、加湿器Ａ３のトラップ容器８４に貯留された水が給水路８３を通して空気供給路１１へ吸い込まれ、燃料電池２０のセルの触媒層へ必要加湿量ΔＷの水分が供給される。
【００３８】
これにより、燃料電池２０のセルでは、触媒層での乾燥が抑制されて全面での発電が行われる。したがって、触媒層の乾燥による出力低下が抑えられ、燃料電池２０からの出力Ｐが目標出力Ｐｔとされる。
【００３９】
このように、上記実施形態に係る燃料電池システム１によれば、全開時等の高出力発生時に、加湿量調整制御を行って触媒層の乾燥を抑制するので、触媒層の全面での発電を行うことができ、燃料電池２０からの出力Ｐを目標出力Ｐｔとすることができる。これにより、触媒層の水分量を判定する判定装置などを新たに追加して設けることによるコストアップを招くことなく、発電効率の低下を抑制して高出力を得ることができる。
【００４０】
なお、上記実施形態では、加湿器Ａ３を制御することにより、触媒層の加湿量を調整して全開時における出力不足を抑制する加湿量調整制御を行う場合を例示したが、加湿量調整制御の仕方としては、上記の制御に限定されない。
【００４１】
例えば、コンプレッサＡ２、圧力調整弁Ａ４及び水素ポンプＨ１３を制御することにより、触媒層の加湿量を調整する加湿量調整制御を制御部５０が行っても良い。
この場合の加湿量調整制御を、図７に示すフローチャートに沿って説明する。
【００４２】
上述したような高出力運転が指令されると、ＦＣ昇圧コンバータ７０からの情報に基づいて、燃料電池２０のインピーダンス及び負荷電流を検出し、燃料電池２０の抵抗値Ｒを求める（ステップＳ１１）。次に、この抵抗値Ｒに基づいて、燃料電池２０から出力されると予想される負荷電流Ｉにおける予想出力値Ｐｙを求める。
【００４３】
この予想出力値Ｐｙは、図４に示すように、予め実験やシミュレーション結果に基づいて求めておいた抵抗値Ｒと出力Ｐとの関係のマップから求める。このマップは、制御部５０内のメモリに記憶されている。
【００４４】
次に、必要となる目標出力値Ｐｔと予想出力値Ｐｙとを比較し、これらの出力差ΔＰ（ΔＰ＝Ｐｔ−Ｐｙ）を求める（ステップＳ１２）。
さらに、この出力差ΔＰに基づいて、必要となる抵抗値の削減代である必要抵抗値減代ΔＲを算出する（ステップＳ１３）。
【００４５】
次に、抵抗値Ｒ及び必要抵抗値減代ΔＲに基づいて、燃料電池２０のセルを構成する触媒層での水収支±Ｍを求める（ステップＳ１４）。この水収支±Ｍは、図８に示すように、予め実験やシミュレーション結果に基づいて求めておいた水収支Ｍと抵抗値Ｒとの関係のマップから求める。このマップは、制御部５０内のメモリに記憶されている。
【００４６】
その後、この水収支±Ｍに基づいて、目標ストイキ比ＳＴｔ、目標背圧Ｐｈｔ及び目標ポンプ回転数Ｎｔを求める（ステップＳ１５）。これらの目標ストイキ比ＳＴｔ、目標背圧Ｐｈｔ及び目標ポンプ回転数Ｎｔは、予め実験やシミュレーション結果に基づいて求めておいた、水収支Ｍとストイキ比ＳＴとの関係のマップ（図９（ａ）参照）、水収支Ｍと背圧Ｐｈとの関係のマップ（図９（ｂ）参照）、水収支Ｍとポンプ回転数Ｎとの関係のマップ（図９（ｃ）参照）からそれぞれ求める。これらのマップは、制御部５０内のメモリに記憶されている。
【００４７】
これらの目標ストイキ比ＳＴｔ、目標背圧Ｐｈｔ及び目標ポンプ回転数Ｎｔを求めたら、目標ストイキ比ＳＴｔとなるようにコンプレッサＡ２を制御し、目標背圧Ｐｈｔとなるように圧力調整弁Ａ４を制御し、さらに、目標ポンプ回転数Ｎｔとなるように水素ポンプＨ１３を制御する。（ステップＳ１６）。
【００４８】
すると、燃料電池２０のセルの触媒層における水収支のバランスがとられ、燃料電池２０のセルでは、触媒層での乾燥が抑制されて全面での発電が行われることになる。したがって、触媒層の乾燥による出力低下が抑えられ、燃料電池２０からの出力Ｐが目標出力Ｐｔとされる。
【００４９】
そして、この加湿量調整制御によっても、触媒層の乾燥を抑制して触媒層の全面での発電を行うことができ、燃料電池２０からの出力Ｐを目標出力Ｐｔとすることができる。これにより、触媒層の水分量を判定する判定装置などを新たに追加して設けることによるコストアップを招くことなく、発電効率の低下を抑制して高出力を得ることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１  燃料電池システム
２０  燃料電池
３２  水素循環路（循環路）
５０  制御部
Ａ２  コンプレッサ
Ａ４  圧力調整弁
Ａ３  加湿器
Ｈ１３  水素ポンプ（ポンプ）
【図１】
0005769135.tif 000002
【図２】
0005769135.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0005769135.tif 000007
【図７】
0005769135.tif 000008
【図８】
0005769135.tif 000009
【図９】
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