(57)【要約】【課題】燃料電池制御システム全体の観点から良好なエネルギー効率を与える燃料電池の制御装置を提供する。【解決手段】圧力を高くするほど燃料電池自体の出力は改善することができるが、コンプレッサの駆動損失もこれに比例して大きくなるので、燃料電池システム全体としてみた場合には、空気の供給圧力を高くすると逆に全体としてのエネルギー効率は低くなる。所定の出力状態（負荷状態）Ｃにおいて特性が逆転し、供給圧力を高くした方が全体としてのエネルギー効率が向上する。図の点Ｃを越える領域では、空気の供給圧力を高くして燃料電池の高い出力特性によるエネルギー効率の改善を図り、点Ｃまでの比較的低い出力状態では、空気の供給圧力を低くしてコンプレッサの駆動損失を低減することによってエネルギー効率の低下を防止するようにしている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に加圧空気を供給するコンプレッサと、
該コンプレッサから供給される加圧空気の供給状態を制御するコンプレッサ制御手段と、
燃料電池の出力状態を検出する出力状態検出手段と、
該燃料電池の出力状態に応じて前記コンプレッサ制御手段を制御して燃料電池への加圧空気の供給状態を制御しこれによって燃料電池の出力を制御する出力制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
請求項１において、燃料電池に供給される加圧空気の圧力を制御するようになっており、燃料電池が所定以下の低出力状態にあるときには、前記出力制御手段はコンプレッサ制御手段を介して前記加圧空気の圧力を低下するように制御することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項３】
請求項１において、燃料電池に供給される加圧空気の流量を制御するようになっており、燃料電池が所定以下の低出力状態にあるときには、前記出力制御手段はコンプレッサ制御手段を介して前記加圧空気の流量を低下するように制御することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記出力制御手段は、加圧空気の供給状態に対する燃料電池の出力変化特性に基づきコンプレッサ制御手段を介して燃料電池への加圧空気の供給状態を制御することを特徴とする燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池制御システムにおいて、空気を酸化剤ガスとして使用する場合には、システムを循環させるために空気を所定圧力まで加圧する必要がある。このため従来では、システムに空気を加圧するコンプレッサを設け、コンプレッサの脈動を抑えるためにコンプレッサの供給側にバッファタンクを設置するとともにこのバッファタンクの出口側に圧力調整装置を設けて、一定の圧力で加圧空気を燃料電池に供給するようにしていた。
また、加圧空気の燃料電池への供給状態を一定に保持するために、燃料電池出口側の加圧空気の排出ラインに設けられたスロットルの開度を調整する方法も提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記した従来の燃料電池の制御装置は、供給ガスの脈動の影響を受けやすいリン酸型燃料電池などの液状電解質で構成される燃料電池の制御装置を念頭に於いて構成されたものであり、固体高分子型燃料電池などの場合にはこのような配慮を行なう必要がない。また、従来の燃料電池の制御においては、燃料電池の出力特性を考慮することなく加圧空気の供給を行っていたものであり、必ずしも効率的な制御となっていない。
すなわち、上記のようにコンプレッサを作動させて加圧空気を発生させる構成をとる燃料電池制御システムにおいては、システム全体のエネルギー効率を考慮すると、極力コンプレッサの動力を少なくすることが望ましい。この観点において、燃料電池に導入される加圧空気の圧力、流量が燃料電池の出力特性にあたえる影響度は、燃料電池の出力状態によって異なる。したがって、従来のように、空気の供給を常時一定の圧力状態に制御することは、燃料電池制御システムの全体のエネルギー効率の面に必ずしも効率的でない。
特に、燃料電池を自動車の動力源として採用する場合などには、出力要求が常時変化するので燃料電池の出力状態もこれに応じて変化せざるを得ない。したがって、このような燃料電池においては、加圧空気の供給状態を制御することは特に重要となる。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みて構成されたもので、燃料電池制御システム全体の観点から良好なエネルギー効率を与える燃料電池の制御装置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】
上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発明の燃料電池の制御装置は、燃料電池に加圧空気を供給するコンプレッサと、
該コンプレッサから供給される加圧空気の供給状態を制御するコンプレッサ制御手段と、
燃料電池の出力状態を検出する出力状態検出手段と、
該燃料電池の出力状態に応じて前記コンプレッサ制御手段を制御して燃料電池への加圧吸気の供給状態を制御しこれによって燃料電池の出力を制御する出力制御手段とを備えたことを特徴とする。
この場合、好ましい態様では、燃料電池に供給される加圧空気の圧力を制御するようになっており、燃料電池が所定以下の低出力状態にあるときには、前記出力制御手段はコンプレッサ制御手段を介して前記加圧空気の圧力を低下するように制御する。
また、上記の場合別の態様では、燃料電池に供給される加圧空気の流量を制御するようになっており、燃料電池が所定以下の低出力状態にあるときには、前記出力制御手段はコンプレッサ制御手段を介して前記加圧空気の流量を低下するように制御する。さらに、好ましくは、前記出力制御手段は、加圧空気の供給状態に対する燃料電池の出力変化特性に基づきコンプレッサ制御手段を介して燃料電池への加圧空気の供給状態を制御するようになっている。
【０００６】
〔作用〕
本発明の燃料電池の特性は、低負荷もしくは低電流領域は、一般に、活性分極領域といわれ、この領域では反応を起こさせるために必要な活性化エネルギーに基づく電圧降下が支配的である。そして、中〜高負荷にかけて、上記活性分極に比して電池の内部の抵抗に基づいて電圧降下が生じる抵抗分極あるいは燃料ガス及び酸化剤ガスの供給濃度が少ないためにガスの拡散速度が低下することに基づいて電圧降下が生じる濃度分極の影響が強まる。
燃料電池の出力特性は、上記活性分極領域においては、電池の電圧は比較的高く、電池から取り出される電流値は比較的低く、抵抗分極領域から濃度分極領域になるにつれて電池に生じる電流が増大し、一方電圧は低下する。
したがって、燃料電池では燃料電池の電流・電圧の積の値は、燃料電池の出力あるいは、燃料電池に対する出力要求すなわち負荷に対応し、活性分極領域では出力が小さく、抵抗分極領域付近において最大出力が得られ、濃度分極が支配的になると電流増加割合に比して電圧降下の割合が大きくなってかえって出力が低下する。
【０００７】
そして、空気の供給状態と燃料電池の出力との関係を説明すると、上記活性分極領域においては空気の供給状態の影響はすくない。すなわち、この領域における燃料電池の出力は加圧空気の圧力、量にほぼ無関係に定まる。抵抗分極領域では空気の供給状態によって燃料電池が出力する電流電圧特性が異なるようになる。この傾向は、濃度分極領域になるとさらに顕著になり空気の供給状態によって燃料電池の出力は大きく影響を受ける。この場合、燃料電池への供給空気の圧力を高く、量を増大するほど電圧は高くできるとともに取り出せる電流値も大きくなる。すなわち、加圧空気の供給を高圧力、大流量によって行なうと、燃料電池自体の効率は改善することができる。
しかし、供給空気の圧力、量を大きくするためにはコンプレッサの駆動エネルギーを増大させなければならないので、燃料電池の効率が改善される反面、コンプレッサの駆動損失が増大するため、燃料電池の制御システム全体のエネルギー効率が改善されるとは限らない。
したがって、本発明では、空気の供給状態の影響が少ない領域ではコンプレッサの駆動損失を極力抑えるように制御し、コンプレッサの駆動損失を考慮してもなお空気の供給状態の燃料電池の出力状態への影響が大きく、システム全体のエネルギー効率を改善できる場合には、コンプレッサの空気の供給状態を制御するように構成したものである。
【０００８】
具体的には、上記の活性分極領域では、比較的、低圧、少量の加圧空気を供給し、抵抗分極領域及び濃度分極領域における所定の出力状態において空気を高圧、多量に供給するように切替え制御する。これによって、コンプレッサの駆動損失を極力少なくしつつ、燃料電池制御システム全体のエネルギー効率を良好に維持することができる。
【実施例】
【０００９】
以下、本発明の実施例について説明する。
以下に、添付した図面に基づいて本発明の実施例を説明する。
図１は、酸化剤ガスとして空気を用いた燃料電池システムの概略を示す。
燃料電池１は出力要求が変動するたとえば車両搭載用に好適の電池であって、水素イオン伝導体を用いた低温動作型つまり１００℃以下で動作する高分子固体電解質型燃料電池によって構成されている。燃料電池１はポート１ａ〜１ｆを有し、これらポートのうち、対をなすポート１ａ、１ｂは水素ガス供給系Ｌ１に接続され、ポート１ａから燃料ガスとして水素ガスが導入され、余剰水素がポート１ｂから排出される。また、対をなすポート１ｃ、１ｄは加圧空気供給ように接続され、ポート１ｃから酸化剤ガスとしての加圧が導入され、反応生成水を同伴する余剰加圧空気がポート１ｄから排出される。また、対をなすポート１ｅ、１ｆは温調水循環系Ｌ３に接続され、ポート１ｅから冷却用及び加湿用の純水が導入され、ポート１ｆから排出される。
水素ガス供給系Ｌ１は、水素ガス源としての水素吸蔵合金２を有する。水素ガスを発生させるために本例では、水と水素吸蔵合金と熱交換することで水素を発生させるための装置を備えている。すなわち、水素吸蔵合金との熱交換を行なう水に交換熱を与えるためのラジエータ３と、水素吸蔵合金の周辺の熱交換のための水循環ライン４に水に送りだすためのポンプ５とを備えている。
【００１０】
水素吸蔵合金２と水素導入ポート１ａとは水素供給ライン６を介して連結され、この供給ライン６には、水素吸蔵合金２側から燃料電池１側に向けて、順に、ソレノイド式開閉弁７、調圧弁８及び圧力センサ９が介装されている。なお、開閉弁７と、調圧弁８との間には、水素が消費したとき水素吸蔵合金に水素を送り込むための補給用水素ボンベを接続するためのコネクター１０が設けられている。
水素排出ポート１ｂは、水素排出ライン１１を介して気／液分離器１２に連結され、排出ライン１１には逆止弁１３が介装されて、この逆止弁１３により分離器１２側から燃料電池１側への逆流が禁止される。また、水素ガス系Ｌ１は、分離器１２で分離された水素ガスを供給ライン６に戻す水素還流ライン１４を有する。すなわち、還流ライン１４は、その上流端が分離器１４に接続され、下流端が水素供給ライン６に接続されている。より詳しくは、還流ライン１４の下流端は、供給ライン４の圧力センサ９よりも下流側部分に接続されており、この水素還流ライン１４には逆止弁１５が介装されて、この逆止弁１５により、供給ライン６側から分離器１２に向けての逆流が禁止される。水素還流ライン１４には、また、排気ライン１６が接続され、排気ライン１６には、ソレノイド式開閉弁１７および消音器１８が設けられている。
【００１１】
さらに水素還流ライン１４には、分離器１２内の水素のガス圧を水素供給ライン６内の圧力レベルまで昇圧するためのポンプ１９を備えており、さらにポンプ１９の下流側には、脱イオンフィルター２０を設けて分離器９から同伴され、電池反応に悪影響を与える金属イオンなどを除去するようにしている。
空気系Ｌ２は、ポート１ｃに接続された空気供給ライン２１と、ポート１ｄに接続された排気ライン２２とを有する。空気供給ライン２１には、その上流端から燃料電池１に向けて、順に、空気コンプレッサ２３、逆止弁２４、圧力調整弁ソレノイド弁２５、脱イオンフィルター２６、圧力センサ２７、流量センサ２８がそれぞれ設けられる。コンプレッサ２３は電動モータ２９により駆動される。空気排出ポート１ｄは、空気排出ライン２２を介して凝縮器３０に連結され、ポート１ｄから吐出された余剰酸素は、凝縮器３０によって、その含有水分（燃料電池１の反応生成水）が取り除かれる。また、空気系Ｌ２は凝縮器３０において反応生成水と分離された空気を排出する排出ライン３１を備えており、余剰の空気を空気開放スロットル３２及び消音器３３を介して大気に放出されるようになっている。他方、凝縮器３０で分離された水分はライン３４を通って貯水タンク３５に蓄えられる。
【００１２】
冷却水または温調水循環系Ｌ３は、貯水タンク３５と水導入ポート１ｅとに接続された水供給ライン３６と、貯水タンク３５と排水ポート１ｆとに接続された還流ライン３７とを有する。水供給ライン３６には、貯水タンク３５から燃料電池１に向けて、順に、ポンプ３８、３方形弁３９、ラジエータ４０、脱イオンフィルター５０が介装され、ラジエータ４０には電動ファン４１が付設されている。水供給ライン３６には、ラジエータ４０をバイパスするバイパスライン４２が設けられている。温調水循環系Ｌ３の流路は、３方形弁３９の切り換えによって、ラジエータ４０を通過する態様と、ラジエータ４０をバイパスしてバイパスライン４２を通る態様とに選択的に変更され、適当な温度に調整された温調水は、燃料電池１に供給されて、燃料電池１の冷却あるいは温度調節および反応ガスの加湿に用いられる。なお、分離器１２及び貯水タンク３５から余剰の水を排出するための排水ライン４３、４４が設けられ、このライン４３、４４には排水を制御するためにそれぞれソレノイド開閉弁４５、４６が設けられる。
本例の燃料電池システムにおいて、燃料電池への空気の供給量は、空気供給コントローラ４７によって制御されるようになっている。コントローラ４７は、燃料電池１に取りつけられ、発生する電流値を検出する電流計４８、加圧空気の圧力センサ２７、流量センサ２８からの信号を入力してコンプレッサ２３の駆動モータ２６をスピードコントローラ４９を介して制御し、これによって燃料電池１への供給空気の圧力、温度が所定値になるように制御する。好ましくは、コントローラ４７は、燃料電池１の出力特性と供給空気の圧力、流量特性との関係を記憶しており、上記の燃料電池１の電流、供給空気の圧力、流量を検出し、本燃料電池が車両搭載される場合にはエンジンの負荷状態を表す、アクセル開度などを入力して、供給空気圧力、空気量の目標値を設定し、この目標値を達成するように空気の供給を制御するように構成される。
【００１３】
以上の構成において、反応ガスのうち燃料ガスである水素の供給は、燃料電池の容量に応じて、供給圧力、供給量ともに一定になるように制御される。すなわち、水素吸蔵合金２内に水を循環させて吸蔵合金２から水素を取り出し、この発生した水素ガスの圧力を調圧弁８で調整して一定流量、一定圧力で水素供給ライン６を介して燃料電池に供給する。したがって、本例では、燃料電池の出力特性に係わらず水素は一定供給となるよう制御される。
燃料電池１に対する空気供給は、燃料電池に出力特性及び空気加圧コンプレッサ２３の動力損失を総合的に管理しつつ行なうようになっている。
活性分極領域では、反応に必要な活性化エネルギーに基づく電圧降下が支配的であり、抵抗分極領域では、電極自体の抵抗に基づいて電圧降下の要素が強まり、さらに濃度分極領域では、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給濃度が少ないためにガスの拡散速度が低下することに基づく電圧降下が大きくなる。
この結果、水素ガスに対する空気の供給が比較的少ない領域すなわち空気の当量比が理論値に近い活性分極領域では、電池の電圧は比較的高く、電池から取り出される電流値は比較的低く、空気の当量比が増大する抵抗分極領域から濃度分極領域になるにつれて電池に生じる電流が増大する一方電圧は低下する。
【００１４】
この場合、燃料電池における電流・電圧の積の値は、燃料電池の出力あるいは、燃料電池に対する出力要求すなわち負荷に対応する。したがって、活性分極領域では出力が小さく、抵抗分極領域付近において最大出力が得られ、濃度分極が支配的になると電流増加割合に比して電圧降下の割合が大きくなってかえって出力が低下する。
コントローラ４７は、燃料電池１の電流値を常に監視しており、電流値に基づき燃料電池の出力特性に照らして、現在燃料電池がどのような出力状態にあるかを検出する。
図２及び図３を参照すると、燃料電池の出力にかかる電圧と電流及び供給空気の圧力、及び流量との関係が示されている。
上記活性分極領域においては空気の供給状態の影響はすくない。すなわち、この領域における燃料電池の出力は加圧空気の圧力、量にほぼ無関係に定まる。抵抗分極領域では空気の供給状態によって燃料電池が出力する電流電圧特性が異なるようになる。この傾向は、濃度分極領域になるとさらに顕著になり空気の供給状態によって燃料電池の出力は大きく影響を受ける。この場合、燃料電池への供給空気の圧力を高く、量を増大するほど電圧は高くできるとともに取り出せる電流値も大きくなる。すなわち、加圧空気の供給を高圧力、大流量によって行なうと、燃料電池自体の効率は改善することができる。
【００１５】
しかし、供給空気の圧力、量を大きくするためにはコンプレッサの駆動エネルギーを増大させなければならないので、燃料電池の効率が改善される反面、コンプレッサの駆動損失が増大するため、燃料電池の制御システム全体のエネルギー効率が改善されるとは限らない。
図４を参照すると、コンプレッサの駆動損失を考慮しない場合と、駆動損失を考慮した場合の燃料電池の出力と、加圧空気の供給圧力とが比較されている。
特性P1は、高い空気供給圧力のもとでの燃料電池システムの出力特性であってコンプレッサの駆動損失を考慮していない場合である。特性P2は、低い空気供給圧力のもとでの燃料電池システムの出力特性であってコンプレッサの駆動損失を考慮していない場合である。さらに、特性P3は、高い空気供給圧力のもとでの燃料電池システムの出力特性であってコンプレッサの駆動損失を考慮した正味の出力特性を示している。そして、特性P4は、低い空気供給圧力のもとでの燃料電池システムの出力特性であってコンプレッサの駆動損失を考慮した正味の出力特性を示している。図４から明らかなように圧力を高くするほど燃料電池自体の出力は改善することができるが、コンプレッサの駆動損失もこれに比例して大きくなるので、燃料電池システム全体としてみた場合には、空気の供給圧力を高くすると逆に全体としてのエネルギー効率は低くなる。しかし、図４において所定の出力状態（負荷状態）Ｃにおいて特性が逆転し、供給圧力を高くした方が全体としてのエネルギー効率が向上する。
【００１６】
本例では、図の点Ｃを越える領域では、空気の供給圧力を高くして燃料電池の高い出力特性によるエネルギー効率の改善を図り、点Ｃまでの比較的低い出力状態では、空気の供給圧力を低くしてコンプレッサの駆動損失を低減することによってエネルギー効率の低下を防止するようにしている。
なお、図４におけるＡ、Ｂの領域は図２、図３においては、それぞれＡ、Ｂで示す領域に対応する。
【００１７】
〔発明の効果〕
以上のように、本発明によれば空気の供給状態の影響が少ない領域ではコンプレッサの駆動損失を極力抑えるように制御し、コンプレッサの駆動損失を考慮してもなお空気の供給状態の燃料電池の出力状態への影響が大きく、システム全体のエネルギー効率を改善できる場合には、コンプレッサの空気の供給状態を制御するように構成している。
これによって、コンプレッサの駆動損失を極力少なくし、しかも燃料電池のエネルギー効率を極力良好に維持して、燃料電池制御システム全体のエネルギー効率を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の１実施例にかかる固体高分子型燃料電池の制御装置のフローシートを示す説明図である。
【図２】燃料電池の出力にかかる電圧、電流及び空気の供給圧力との関係を示す特性図である。
【図３】燃料電池の出力にかかる電圧、電流及び空気の供給圧力との関係を示す特性図である。
【図４】燃料電池制御システムのエネルギー出力特性、供給空気の圧力及びコンプレッサの駆動損失との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１  燃料電池
２  水素吸蔵合金
６  水素供給ライン
１２  水分離器
２１  空気供給ライン
２３  コンプレッサ
２７  圧力センサ
２８  流量センサ
３０  凝縮器
３５  貯水タンク
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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