JP5238191B2

JP5238191B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5238191B2
Application number: JP2007147422A
Authority: JP
Inventors: 幸一郎宮田; 千大和氣; 純平小河
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-06-01
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: US20080299428A1; JP2008300299A; US8435686B2

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、自動車に搭載される燃料電池システムに関する。

近年、自動車の新たな動力源として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、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。

燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）およびカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。

この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気（酸化剤ガス）を供給すると、電気化学反応により発電する。

ところで、セル電圧が所定の電圧（以降、下限電圧と呼ぶ）を下回ると、ＭＥＡの劣化が促進される劣化領域となることが知られている。この問題を解決するため、例えば、電流や電力等の出力を制限して、電圧の低下を抑えるシステムが提案されている（特許文献１参照）。

具体的には、特許文献１に示されたシステムでは、セル電圧について、閾値Ａと、この閾値Ａよりも低い閾値Ｂと、を設定しておき、最低セル電圧が閾値Ａよりも低い場合に、この最低セル電圧が閾値Ｂよりも低くならないように、出力を制限する。また、最低セル電圧が閾値Ｂよりも低下した場合には、最低セル電圧の変化に応じて、さらに出力を制限する。
特開２００４−１７２０５５号公報

ところで、上述の下限電圧は、燃料電池の温度によって変化することが確認されている。特に、低温域においては、下限電圧は、温度が低くなるに従って高くなる傾向にある。しかしながら、特許文献１に示された下限電圧の閾値は、燃料電池の温度によらず一律であった。

そのため、例えば、低温状態で燃料電池を駆動すると、下限電圧が設定した閾値より高くなってしまい、セル電圧が閾値より高いにもかかわらず、劣化領域に突入してしまうおそれがあった。そこで、閾値を高くしておくと、下限電圧が閾値を大きく下回ってしまう場合があり、過剰にＭＥＡを保護することになるため、ドライバビリティが損なわれる。

以上のように、商品性の確保とＭＥＡの保護を両立させることが困難であった。

本発明は、商品性を確保しつつ、ＭＥＡの劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（例えば、後述の温度センサ１０３）と、検出した前記燃料電池の温度に基づいて、前記燃料電池の出力を制限するための電圧閾値を設定する閾値設定手段（例えば、後述の下限電圧算出部３１）と、前記燃料電池の発電電圧が前記電圧閾値より低い場合に、前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段（例えば、後述の上限電流算出部３２および電流制限部３３）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の温度に基づいて電圧閾値を設定し、この電圧閾値によって燃料電池の電流や電力等の出力を制限した。このことにより、ＭＥＡの劣化に関する温度特性に従った電圧閾値を設定できるため、過度に出力を制限することによる燃料電池の性能の悪化を防止することができる。その結果、ドライバビリティの悪化による違和感が生じるのを防止でき、商品性を確保できる。

さらに、燃料電池の温度に基づいて、電圧閾値を設定したので、燃料電池の温度が変化しても、セル電圧がＭＥＡの劣化領域に入るのを防止できる。

この場合、前記出力制限手段は、前記閾値設定手段により設定した電圧閾値と、前記燃料電池の発電電流および発電電圧の関係を示す電流電圧特性と、に基づいて前記燃料電池の出力制限値を求めることが好ましい。

この発明によれば、燃料電池の発電電流と発電電圧との関係を示す電流電圧特性に従って、電圧閾値から出力の制限値を求めたので、出力の制限値を確実に求めることができる。

本発明の燃料電池システムは、水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段（例えば、後述の温度センサ１０３）と、検出した前記燃料電池の温度に基づいて、前記燃料電池の出力を制限するための電流閾値を設定する閾値設定手段（例えば、後述の下限電圧算出部３１および上限電流算出部３２）と、前記燃料電池の発電電流が前記電流閾値より高い場合に、前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段（例えば、後述の電流制限部３３）と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、当該燃料電池システムは、燃料電池の温度に基づいて電流閾値を設定し、この電流閾値によって燃料電池の電流や電力等の出力を制限した。このように、ＭＥＡの劣化に関する温度特性に従った電流閾値を設定することにより、上述と同様の効果が期待できる。

この場合、前記閾値設定手段は、前記燃料電池の温度に応じた出力を制限するための電圧閾値と、前記燃料電池の発電電流と発電電圧との関係を示す電流電圧特性と、に基づいて前記電流閾値を求めることが好ましい。

この発明によれば、当該燃料電池システムは、電流電圧特性に従って、電圧閾値から電流閾値を求めた。このことにより、出力制限手段は、電流を測定し、その変化を監視することにより、出力制限のタイミングを判断することができる。さらに、この電流閾値に基づいて、出力の制限値を求めることができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、前記閾値設定手段は、前記燃料電池の暖機時に出力を制限するための設定を行うことが好ましい。

この発明によれば、当該燃料電池システムは、暖機時のようにＭＥＡの劣化を抑制するための電圧条件が厳しくなる低温域において、電圧閾値または電流閾値を設定した。ここで、暖機完了後の温度領域においては、ＭＥＡの劣化に関する温度特性や電流電圧特性が安定するため、温度に応じた閾値を設定する必要がなくなるので、一定の出力制限とすることができる。したがって、この発明によれば、暖機完了後において、出力制限の処理負荷を低減することができる。

本発明によれば、燃料電池の温度に基づいて電圧閾値または電流閾値を設定し、この閾値により燃料電池の電流や電力等の出力を制限した。よって、燃料電池の温度変化によらず、燃料電池システムの商品性を確保しつつ、ＭＥＡの劣化を抑制できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、反応ガスである水素ガスと空気（酸化剤ガス）とを反応させて発電を行う燃料電池１０と、この燃料電池１０に水素ガスや空気を供給する供給装置２０と、電力を蓄電可能なバッテリ１１と、これら燃料電池１０、供給装置２０、およびバッテリ１１を制御する制御装置３０と、を有する。このうち、バッテリ１１および燃料電池１０は、燃料電池車を駆動する駆動モータ１２に接続されている。

このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に酸素を含む空気が供給されると、電気化学反応により発電する。

燃料電池１０は、電流制限器１３を介して、バッテリ１１および駆動モータ１２に接続されている。また、燃料電池１０には、燃料電池１０で発電した電流値を検出する電流センサ１０１、燃料電池１０のセル電圧を検出する電圧センサ１０２、および燃料電池１０の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ１０３が設けられている。

燃料電池１０で発電された電力は、バッテリ１１および駆動モータ１２に供給される。電流制限器１３は、燃料電池１０からの出力を必要に応じて制限して駆動モータ１２およびバッテリ１１に供給する。

バッテリ１１は、燃料電池１０の出力電圧よりもバッテリ１１の電圧が低い場合には、燃料電池１０で発電した電力を蓄電する。一方、必要に応じて駆動モータ１２に電力を供給し、駆動モータ１２の駆動を補助する。

上述のバッテリ１１、駆動モータ１２、電流制限器１３、および供給装置２０は、制御装置３０により制御される。また、電流センサ１０１、電圧センサ１０２、および温度センサ１０３は、制御装置３０に接続される。

図２は、制御装置３０のブロック図である。
制御装置３０は、閾値設定手段としての下限電圧算出部３１と、出力制限手段としての上限電流算出部３２および電流制限部３３と、を有する。

下限電圧算出部３１は、温度センサ１０３により検出した燃料電池１０の温度に基づいて、図３に従って、燃料電池１０の出力を制限するための電圧閾値としての下限電圧を算出する。

図３は、燃料電池１０の温度と、下限電圧との関係を示す図である。
下限電圧は、燃料電池１０の温度が低温域から常温になるまでは、温度が上昇するに従って低下し、燃料電池１０の温度が常温以上では、所定値となる。
また、燃料電池１０のセル電圧が下限電圧以上である場合には、ＭＥＡの劣化が抑制されるＭＥＡ劣化抑制領域であるが、燃料電池１０のセル電圧が下限電圧を下回ると、ＭＥＡの劣化が促進されるＭＥＡ劣化領域に突入する。

例えば、燃料電池１０の温度がマイナス２０度の場合には、下限電圧はＶ_１となり、マイナス１０度の場合には、下限電圧はＶ_２となる。そして燃料電池１０の温度が常温以上の場合には、下限電圧はＶ_３で一定となる。このように、燃料電池１０の温度が常温以下の場合には、低温になるほど下限電圧は高くなっていく。

上限電流算出部３２は、温度センサ１０３により検出した燃料電池１０の温度に基づいて、発電される出力電流およびセル電圧の関係を示す電流電圧特性を求める。そして、下限電圧算出部３１により算出した下限電圧と、求めた電流電圧特性とに基づいて、燃料電池１０の出力制限値としての上限電流を算出する。

図４は、燃料電池１０の温度がマイナス２０度、マイナス１０度、および０度以上の場合における、燃料電池１０のセル電圧と、出力電流との関係である電流電圧特性を示す図である。図４に示すように、出力電流が上昇すると、下限電圧は低下する傾向にある。なお、温度が高くなるに従って、出力電流の上昇に伴う下限電圧の低下は緩やかになる。

例えば、燃料電池１０の温度がマイナス２０度では、出力電流がＩ_１の場合、セル電圧はＶ_１となる。よって、燃料電池１０の温度がマイナス２０度では、図３より下限電圧がＶ_１であるため、出力電流がＩ_１を超えると、セル電圧が下限電圧Ｖ_１を下回ることになり、ＭＥＡ劣化領域に突入することになるので、この電流値Ｉ_１を上限電流として算出する。
同様に、燃料電池１０の温度がマイナス１０度では、出力電流がＩ_２の場合、セル電圧はＶ_２となる。よって、燃料電池１０の温度がマイナス１０度では、図３より下限電圧がＶ_２であるため、出力電流がＩ_２を超えると、セル電圧が下限電圧Ｖ_２を下回ることになり、ＭＥＡ劣化領域に突入することになるので、この電流値Ｉ_２を上限電流として算出する。
また、燃料電池１０の温度が常温以上では、出力電流がＩ_３の場合、セル電圧はＶ_３となる。よって、燃料電池１０の温度が常温以上では、図３より下限電圧がＶ_３であるため、出力電流がＩ_３を超えると、セル電圧が下限電圧Ｖ_３を下回ることになり、ＭＥＡ劣化領域に突入することになるので、この電流値Ｉ_３を上限電流として算出する。

なお、温度センサ１０３により検出した燃料電池１０の温度における電流電圧特性を記憶していない場合には、記憶している温度のうちこの検出した温度に近いものを求め、この求めた温度の電流電圧特性を用いて補間することで、検出した温度の電流電圧特性を求めてもよい。

また、図４に示すように、燃料電池１０の電流電圧特性は、燃料電池１０の温度に関わらず、類似した曲線形状となっている。したがって、電流値が小さいうちにセル電圧を検出することで、この電流値とセル電圧との関係に基づいて、電流電圧特性を推定して、上限電流を算出することができる。

電流制限部３３は、電圧センサ１０２により検出したセル電圧に基づいて、各セル電圧のうちの最低値である最低セル電圧が下限電圧より低い場合には、この最低セル電圧が下限電圧以上となるように、電流制限器１３に電流制御の指令信号を入力して、出力電流を上限電流算出部３２により算出した上限電流に制限する。

なお、本実施形態では、電流を制限したが、これに限らず、電力を制限してもよい。

なお、電流センサ１０１により出力電流をリアルタイムに監視することにより、最低セル電圧が下限電圧に達した際の電流値を検出し、この検出した電流値を上限電流として利用してもよい。このようにすれば、電流電圧特性が不明であっても、電流の制限値を確実に求めることができる。

ところで、図３に示すように、燃料電池１０の温度が常温である場合には、燃料電池１０の温度が低温域にある場合に比べて、下限電圧は低くなっている。また、図４に示すように、燃料電池１０の温度が常温である場合には、燃料電池１０の温度が低温域にある場合に比べて、出力電流が上昇しても電圧はほとんど低下しない。

したがって、燃料電池１０の暖機が完了すると、下限電圧は低くなり、出力電流を大きくしても、セル電圧がＭＥＡ劣化領域に突入する可能性は低くなるため、燃料電池１０の暖機中に電流の制限を行うことが効果的である。そのため、燃料電池１０の暖機中にのみ電流の制限を行ってもよい。

図５は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。

Ｓ１１では、制御装置３０は、燃料電池１０が暖機中であるか否かを判定する。Ｓ１１の判定がＹＥＳの場合には、燃料電池１０は低温状態にあり、セル電圧がＭＥＡの劣化領域に突入する可能性があるため、Ｓ１２に移る。一方、Ｓ１１の判定がＮＯの場合には、燃料電池１０の温度が十分に高く、セル電圧がＭＥＡ劣化領域に突入する可能性が低いと考えられるため、電流制限を行わず、処理を終了する。

Ｓ１２では、温度センサ１０３が燃料電池１０の温度を検出する。この検出した温度に基づいて、Ｓ１３では、下限電圧算出部３１は、セル電圧がＭＥＡの劣化領域に突入しないための下限電圧を算出する。

Ｓ１４では、電流制限部３３は、電圧センサ１０２により検出されるセル電圧のうち最低のものを最低セル電圧として取得し、この最低セル電圧が、Ｓ１３にて算出した下限電圧以上であるか否かを判定する。

Ｓ１４の判定がＹＥＳの場合には、セル電圧はＭＥＡ劣化領域にはないので、電流の制限は必要ないため、処理を終了する。一方、Ｓ１４の判定がＮＯの場合には、最低セル電圧がＭＥＡ劣化領域であるので、電流制限部３３は、出力電流を、上限電流算出部３２にて算出した上限電流に制限する（Ｓ１５）。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）ＭＥＡの劣化に関する温度特性に従った下限電圧を算出できるため、過度に出力電流を制限することによる燃料電池１０の性能の悪化を防止することができる。その結果、ドライバビリティの悪化による違和感が生じるのを防止でき、商品性を確保できる。

（２）燃料電池１０の温度に基づいて、下限電圧を算出したので、燃料電池１０の温度が変化しても、セル電圧がＭＥＡ劣化領域に入るのを防止できる。

（３）燃料電池１０の出力電流とセル電圧との関係を示す電流電圧特性に従って、下限電圧から出力電流の制限値を求めたので、出力電流の制限値を確実に求めることができる。

（４）暖機時のようにＭＥＡの劣化を抑制するための電圧条件が厳しくなる低温域において、下限電圧を算出したので、暖機完了後において、出力制限の処理負荷を低減することができる。

＜第２実施形態＞
本実施形態では、下限電圧算出部３１、上限電流算出部３２、および電流制限部３３の構成が、第１実施形態と異なる。
すなわち、第１実施形態では、電流制限部３３では閾値として下限電圧を用いたが、本実施形態では、電流制限部３３では閾値として上限電流を用いる。

具体的には、第１実施形態では、下限電圧算出部３１により、電圧閾値として下限電圧を算出する。次に、上限電流算出部３２は、下限電圧算出部３１により算出した下限電圧に基づいて、上限電流を算出した。続いて、電流制限部３３では、最低セル電圧と下限電圧とを比較し、最低セル電圧が下限電圧以上になるように、出力電流を上限電流に制限する。

これに対し、本実施形態では、下限電圧算出部３１により、下限電圧を算出する。次に、上限電流算出部３２は、下限電圧算出部３１により算出した下限電圧に基づいて、電流閾値として上限電流を算出する。続いて、電流制限部３３は、出力電流と上限電流とを比較し、出力電流が上限電流以下になるように、出力電流を制限する。

図６は、燃料電池システム１の動作を示すフローチャートである。

Ｓ２１では、第１実施形態と同様に、燃料電池１０が暖機中であるか否かを判定する。Ｓ２１の判定がＹＥＳの場合にはＳ２２に移り、Ｓ２１の判定がＮＯの場合には処理を終了する。

Ｓ２２では、温度センサ１０３が燃料電池１０の温度を検出する。この検出した温度に基づいて、Ｓ２３では、下限電圧算出部３１は、セル電圧がＭＥＡ劣化領域に突入しないための下限電圧を算出する。

Ｓ２４では、上限電流算出部３２は、検出した燃料電池１０の温度における電流電圧特性を求める。この電流電圧特性に基づいて、Ｓ２５で上限電流を算出する。

Ｓ２６では、電流制限部３３は、電流センサ１０１により検出される出力電流が、Ｓ２５にて算出した上限電流以下であるか否かを判定する。Ｓ２６の判定がＹＥＳの場合には、セル電圧はＭＥＡ劣化領域にはないので、電流の制限は必要ないため、処理を終了する。一方、Ｓ２６の判定がＮＯの場合には、最低セル電圧がＭＥＡ劣化領域であるので、電流制限部３３は、出力電流を、上限電流に制限する（Ｓ２７）。

本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（５）ＭＥＡの劣化に関する温度特性に従った上限電流を算出できるため、過度に出力電流を制限することによる燃料電池１０の性能の悪化を防止することができる。その結果、ドライバビリティの悪化による違和感が生じるのを防止でき、商品性を確保できる。

（６）燃料電池１０の温度に基づいて、上限電流を算出したので、燃料電池１０の温度が変化しても、セル電圧がＭＥＡ劣化領域に入るのを防止できる。

（７）電流電圧特性に従って、下限電圧から上限電流を算出したので、出力電流を検出し、その変化を監視することにより、出力制限のタイミングを判断することができる。さらに、この上限電流に基づいて、出力電流の制限値を求めることができる。

（８）暖機時のようにＭＥＡの劣化を抑制するための電圧条件が厳しくなる低温域において、上限電流を設定したので、暖機完了後において、出力制限の処理負荷を低減することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。前記実施形態に係る燃料電池の温度と、下限電圧との関係を示す図である。前記実施形態に係る燃料電池の温度がマイナス２０度、マイナス１０度、および０度以上の場合における、電流電圧特性を示す図である。前記実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池システム
１０燃料電池
３０制御装置
３１下限電圧算出部（閾値設定手段）
３２上限電流算出部（出力制限手段、閾値設定手段）
３３電流制限部（出力制限手段）
１０３温度センサ（温度検出手段）

Claims

水素ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
検出した前記燃料電池の温度に基づいて、前記燃料電池の出力を制限するための電圧閾値を設定する閾値設定手段と、
前記燃料電池の発電電圧が前記電圧閾値より低い場合に、前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段と、を有し、
前記出力制限手段は、前記閾値設定手段により設定した前記電圧閾値と、前記燃料電池の発電電流と発電電圧との関係を示す電流電圧特性と、に基づいて前記燃料電池の出力制限値を算出し、前記発電電圧が前記電圧閾値以上となるように前記燃料電池の出力を前記出力制限値以内に制限し、
前記閾値設定手段は、前記燃料電池の温度が０℃より低い低温域から常温になるまでは前記電圧閾値を前記温度が高くなるに従って小さくなるように設定し、前記燃料電池の温度が常温以上の場合は前記電圧閾値を前記温度によらず一定の値に設定することを特徴とする燃料電池システム。
前記出力制限手段は、前記燃料電池の各セル電圧のうち最低値である最低セル電圧が前記電圧閾値より低い場合に、前記燃料電池の出力を制限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。
前記閾値設定手段は、前記燃料電池の暖機時に出力を制限するための設定を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。