燃料電池システム
【課題】燃料電池システム全体の小型化及びコスト低減をより確実に実現しつつ、出力を最大限に発揮可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、大気中の空気を燃料電池スタック１に供給する圧縮機１３と、酸素を貯留する酸素タンク１７と、酸素タンク１７内の酸素を燃料電池スタック１に供給する酸素供給バルブ２１等とを有する。コントローラ３９は、燃料電池スタック１に要求される出力である要求出力Ｗｄと、燃料電池スタック１に空気のみを供給した場合に得られる出力である基礎出力Ｗｂとに基づき、圧縮機１３及び酸素供給バルブ２１を制御する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、大気中の空気を燃料電池スタック１に供給する圧縮機１３と、酸素を貯留する酸素タンク１７と、酸素タンク１７内の酸素を燃料電池スタック１に供給する酸素供給バルブ２１等とを有する。コントローラ３９は、燃料電池スタック１に要求される出力である要求出力Ｗｄと、燃料電池スタック１に空気のみを供給した場合に得られる出力である基礎出力Ｗｂとに基づき、圧縮機１３及び酸素供給バルブ２１を制御する。
【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】
燃料電池システムは、燃料と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給装置とを備えている。
【０００３】
一般的な燃料電池システムでは、燃料供給装置として、水素タンク等が採用されている。また、車両等の移動体への搭載を意図した燃料電池システムでは、大量の燃料及び酸化剤を搭載することがスペースの面で困難であることから、酸化剤供給装置として、圧縮機や送風ファン等の空気供給装置が採用されている。この燃料電池システムでは、空気供給装置によって車外の空気が燃料電池スタックに供給される。
【０００４】
また、酸化剤供給装置として、空気供給装置の他、酸素を貯留する酸素タンクと、酸素タンク内の酸素を燃料電池スタックに供給する酸素供給装置とを備えた燃料電池システムも知られている（例えば、特許文献１）。この燃料電池システムでは、酸素タンク内の酸素によって高濃度発電を行う一方、高濃度発電時に燃料電池スタック内に生じた過剰な水を高圧の空気によって排出することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−４１５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池システムにおいては、高価な触媒や多数の精密部品からなる燃料電池スタックがコストの大部分を占めることから、コストパフォーマンスを上げるべく、高出力化、触媒量の低減、部品点数の削減、小型化による材料使用量の低減等が図られている。これらのうち、燃料電池スタックの高出力化は、酸化剤供給装置として空気供給装置を採用し、圧縮機等で空気を圧縮して燃料電池スタックに供給することで実現され得る。また、酸化剤供給装置として酸素タンクを採用し、燃料電池スタックに高濃度の酸素を供給することによっても燃料電池スタックの高出力化を実現可能である。燃料電池スタックの出力が酸素分圧に依存するからである。
【０００７】
しかし、燃料電池システムにおいて、空気を圧縮して供給する場合には、圧縮機等によって消費される電力が増大するという問題がある。つまり、燃料電池システムにおいては、期待する出力と効率との間にトレードオフの関係が成立する。そのため、従来の燃料電池システムにおいては、出力及び効率を許容できる範囲に空気の圧力が設定されることとなり、最大限の出力が発揮され得ない。
【０００８】
また、酸素タンク内の酸素のみで燃料電池スタックの出力を得ようとすれば、酸素タンク内の酸素の消費量が多くなることから、大型の酸素タンクが必要になり、燃料電池システム全体の大型化及びコストの高騰を生じることとなる。そのため、上記特許文献１記載の燃料電池システムのように、空気供給装置及び酸素タンクを備えることとし、大気中の空気による発電と酸素タンク内の酸素による発電とを行うことが考えられる。しかしながら、特許文献１記載の発明のように、水の排出時に酸素タンク内の酸素を使用しないようにするだけでは、水を排出しない間は常に酸素タンク内の酸素を消費することとなり、やはり燃料電池システム全体の大型化及びコストの高騰が避けられない。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システム全体の小型化及びコスト低減をより確実に実現しつつ、出力を最大限に発揮可能な燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、該燃料電池スタックに該酸化剤を供給する酸化剤供給装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給装置は、大気中の空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給装置と、酸素を貯留する酸素貯蔵装置と、該酸素貯蔵装置内の酸素を該燃料電池スタックに供給する酸素供給装置とを有し、
前記燃料電池スタックに要求される出力である要求出力と、該燃料電池スタックに空気のみを供給した場合に得られる出力である基礎出力とに基づき、前記空気供給装置及び前記酸素供給装置を制御する制御装置を備えていることを特徴とする（請求項１）。
【００１１】
本発明の燃料電池システムでは、酸化剤供給装置が空気供給装置と酸素貯蔵装置と酸素供給装置とを有している。空気供給装置は、圧縮機や送風ファン等からなり、大気中の空気を燃料電池スタックに供給する。酸素貯蔵装置は、酸素タンク等からなり、酸素を貯留する。酸素供給装置は、酸素貯蔵装置と燃料電池スタックとを接続し、酸素貯蔵装置内の酸素を燃料電池スタックに供給する。このため、この燃料電池システムでは、空気供給装置によって大気中の空気で発電を行うことが可能であるとともに、酸素貯蔵装置内の酸素によっても発電を行うことが可能である。
【００１２】
そして、この燃料電池システムでは、制御装置が要求出力と基礎出力とに基づき、空気供給装置及び酸素供給装置を制御する。要求出力は燃料電池スタックに要求される出力である。基礎出力は燃料電池スタックに空気のみを供給した場合に得られる出力である。例えば、平常時には、基礎出力の範囲内で大気中の空気のみによって発電を行う。要求出力が基礎出力を上回れば、超える分だけ酸素貯蔵装置内の酸素によっても発電を行う。これにより、酸素貯蔵装置の容量を最低限としつつ、高い効率を実現することが可能となる。
【００１３】
こうして、この燃料電池システムは、任意に酸化剤の酸素濃度を可変することにより、出力を最大限に引き出すことができ、燃料電池スタックを小型化することができる。また、それに伴い、燃料電池スタックの触媒や構成部材の低減、部品点数の削減が図れることから、燃料電池スタック、ひいては燃料電池システムを安価にできる。さらに、燃料電池システムが運転状況に応じて限定的に酸素を使用するものであるため、酸素貯蔵装置等の容量を小さくでき、燃料電池システムを車両等の移動体に容易に搭載することができる。
【００１４】
したがって、この燃料電池システムは、全体の小型化及びコスト低減をより確実に実現しつつ、出力を最大限に発揮可能である。
【００１５】
制御装置は、要求出力が基礎出力を超える場合、酸素供給装置による酸素の供給量を増やすことが好ましい（請求項２）。酸素供給装置による酸素の供給量を増やせば、高濃度の酸素が燃料電池スタックに供給され、燃料電池スタックは高い電圧、大きな出力で発電することとなる。また、酸素供給装置であれば、酸素の供給量を増やすために電力をほとんど消費しない。なお、要求出力が基礎出力を超えない場合には、酸素供給装置による酸素の供給を無くし、酸素の不必要な消費を控えることが好ましい。その場合は、空気供給装置によって大気中の空気による発電で要求出力を満足させる。
【００１６】
制御装置は、要求出力が基礎出力を超え、酸素供給装置による酸素の供給量を増やす場合、空気供給装置による空気の供給量を減らすことが好ましい（請求項３）。高濃度の酸素によって燃料電池スタックが高い電圧、大きな出力で発電すれば、空気供給装置による空気の供給量を減らし、空気供給装置によって消費する電力を抑制することが可能になる。なお、要求出力が基礎出力を超えない場合には、要求出力の増減に応じて空気供給装置による空気の供給量を増減させることが好ましい。これによっても、空気供給装置によって消費する電力を抑制することが可能になる。
【００１７】
制御装置は、要求出力が基礎出力を超え、酸素供給装置による酸素の供給量を増やす場合、要求出力と基礎出力との差が大きければ、空気供給装置による空気の供給量を減らし、酸素供給装置による酸素の供給量を増やすことが好ましい（請求項４）。この場合、要求出力と基礎出力との差が小さければ、空気供給装置による空気の供給量を増やし、酸素供給装置による酸素の供給量を減らす。これによって空気供給装置によって消費する電力を可及的に抑制することが可能になる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの実出力を検出する実出力検出装置を備え得る。そして、制御装置は、実出力検出装置で検出される実出力が予め定めた下限値を超えるように空気供給装置及び酸素供給装置を制御することが好ましい（請求項５）。下限値は燃料電池システムに接続される負荷に応じて予め定められる。この場合、燃料電池スタックの状態や経時変化による電流−電圧特性の変動があっても、燃料電池スタックが常に下限値を超える実出力を発揮することとなり、出力不足や酸素の無駄な消費を抑制できる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、酸素貯蔵装置による酸素の残量を検出する酸素残量検出装置を備え得る。そして、制御装置は、酸素残量検出装置で検出される酸素の残量が閾値を下回る場合、空気供給装置により空気圧力を高めるか、又は燃料電池スタックにおける空気の出口側に設ける弁を絞って空気圧力を高めることが好ましい（請求項６）。この場合、想定以上の高負荷運転（酸素供給）が続いた場合や、酸素充填忘れ、酸素供給系のトラブル等により、酸素貯蔵装置内の酸素が残り少なくなった場合のフェールセーフである。空気供給装置等によって空気の供給量を増やし、燃料電池システムの使用上の不具合を生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１〜３の燃料電池システムの要部を示す模式構造図である。
【図２】実施例１〜３の燃料電池システムに係り、コントローラ等のブロック図である。
【図３】実施例１の燃料電池システムにおける制御マップである。
【図４】実施例１の燃料電池システムの制御フローである。
【図５】実施例１の燃料電池システムに係り、図３の制御マップと空気の供給量及び酸素の供給量との関係を示す説明図である。
【図６】実施例１の燃料電池システムに係り、空気の供給量とガス圧力との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２の燃料電池システムに係り、制御装置の制御フローである。
【図８】実施例２、３の燃料電池システムにおける制御マップである。
【図９】実施例３の燃料電池システムに係り、制御装置の制御フローである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を具体化した実施例１〜３を図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
（実施例１）
実施例１の燃料電池システムは車両に搭載されるものである。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池スタック１を備えている。燃料電池スタック１は、燃料である水素と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層されたものである。燃料電池スタック１には、車両を走行させるためのモータ等の負荷２が接続されている。
【００２３】
燃料電池スタック１の燃料吸入口には燃料供給管３が接続されており、燃料供給管３の上流側には水素タンク５が接続されている。水素タンク５内には水素が高圧状態で貯留されている。燃料供給管３には図示しない水素供給バルブ等が設けられており、水素供給バルブを開くことによって水素タンク５内の水素が所定の圧力で燃料電池スタック１に供給されるようになっている。水素タンク５、水素供給バルブ等が燃料供給装置に相当する。
【００２４】
燃料電池スタック１の酸化剤吸入口には酸化剤供給管７が接続されており、酸化剤供給管７の上流側には空気供給管９及び酸素供給管１１が接続されている。空気供給管９の上流側には、大気から空気を吸入して空気供給管９内に高圧の空気を供給可能な圧縮機１３が接続されている。圧縮機１３が酸化剤供給装置のうちの空気供給装置に相当する。圧縮機１３はモータを内蔵したものであり、モータによって駆動されるようになっている。圧縮機１３は、モータの回転速度を変更することにより、単位時間当たりの空気の流量を変更できるようになっている。空気供給管９には、空気供給管９内の空気の圧力Ｐ３を検出する第３圧力センサ１５が接続されている。
【００２５】
酸素供給管１１には、上流側から、酸素タンク１７、第１調圧弁１９、酸素供給バルブ２１、第２調圧弁２３及び流量調整オリフィス２５が設けられている。酸素タンク１７が酸化剤供給装置のうちの酸素貯蔵装置に相当する。酸素タンク１７内には酸素が高圧状態で貯留されている。第１、２調圧弁１９、２３は酸素供給管１１内の酸素の圧力を一定圧力にするものである。酸素供給バルブ２１は、電磁開閉弁（ＯＰＥＮ／ＣＬＯＳＥ）又は開度調整可能な開度調整弁によって構成されている。また、流量調整オリフィス２５は、構成がシンプルになるように固定絞りで構成されるか、又は酸素供給量の制御性を良くするために可変絞りで構成されている。第１、２調圧弁１９、２３、酸素供給バルブ２１及び流量調整オリフィス２５が酸化剤供給装置のうちの酸素供給装置に相当する。
【００２６】
酸素タンク１７と第１調圧弁１９との間には充填管２７の一端が接続されており、充填管２７の他端は充填口２７ａとされている。充填口２７ａは酸素タンク１７内に酸素を補充する際に用いられる。
【００２７】
酸素供給管１１には、充填管２７が接続される接続点と第１調圧弁１９との間に第１圧力センサ２９が接続されている。第１圧力センサ２９はその位置の酸素の圧力Ｐ１を検出する。第１圧力センサ２９が酸素残量検出装置に相当する。また、酸素供給管１１には、第２調圧弁２３と流量調整オリフィス２５との間に第２圧力センサ３１が接続されている。第２圧力センサ３１はその位置の酸素の圧力Ｐ２を検出する。
【００２８】
燃料電池スタック１の酸化剤排出口には下流側が大気に開放された酸化剤排出管３３が接続されている。酸化剤排出管３３には、燃料電池スタック１内の空気及び酸素の背圧を一定圧力にするための背圧調整弁３５が設けられている。
【００２９】
また、酸化剤排出管３３には、燃料電池スタック１と背圧調整弁３５との間に第４圧力センサ３７が接続されている。第４圧力センサ３７はその位置の空気及び酸素の圧力Ｐ４を検出する。
【００３０】
燃料電池システムは、図２に示すように、制御装置としてのコントローラ３９を備えている。コントローラ３９は、第１〜４センサ２９、３１、１５、３７等の検出信号が入力されるようになっている。また、コントローラ３９には、負荷２から車両の走行状態等の情報が入力される。また、コントローラ３９は、第１、２調圧弁１９、２３、酸素供給バルブ２１、背圧調整弁３５、圧縮機１３等に制御信号を出力できるようになっている。
【００３１】
また、コントローラ３９には、図３に示す制御マップを演算するための計算式が記憶されている。この制御マップにより、燃料電池スタック１の電流−電圧特性及び電流−出力特性が規定される。電流−電圧特性は、燃料電池スタック１に空気のみを所定圧力で供給した場合の関係と、燃料電池スタック１に酸素のみを所定圧力で供給した場合の関係とを有している。電圧は複数のセルの平均値とされている。また、電流−出力特性は、燃料電池スタック１に空気のみを所定圧力で供給した場合の関係と、燃料電池スタック１に酸素のみを所定圧力で供給した場合の関係とを有している。燃料電池スタック１に空気のみを供給した場合の電流−電圧特性が基礎電圧Ｖｂの特性であり、その場合の電流−出力特性が基礎出力Ｗｂの特性である。
【００３２】
この燃料電池システムでは、酸素のみが供給されることにより、電流値ＩＳによって９０（ｋＷ）程度の出力が得られるように設計されている。
【００３３】
また、コントローラ３９には、図４に示す制御フローを実行するプログラムが格納されている。
【００３４】
以上のように構成された燃料電池システムでは、酸化剤供給装置として、圧縮機１３、酸素タンク１７、酸素供給バルブ２１等を有しているため、圧縮機１３によって大気中の空気で発電を行うことが可能であるとともに、酸素タンク１７内の酸素によっても発電を行うことが可能である。
【００３５】
そして、この燃料電池システムでは、コントローラ３９が要求出力Ｗｄと基礎出力Ｗｂとに基づき、圧縮機１３及び酸素供給装置を制御する。
【００３６】
すなわち、ステップＳ１０において、負荷２から入力される情報に基づいて、燃料電池スタック１に要求される出力である要求出力Ｗｄ（要求電流値Ｉｄ）が演算される。そして、ステップＳ１１では、基礎出力Ｗｂの最大値を出力設定値Ｗｕとし、要求出力Ｗｄと出力設定値Ｗｕとを比較する。ここで、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより小さければステップＳ１２に進み、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより大きければステップＳ１３に進む。
【００３７】
ステップＳ１２では、酸素供給バルブ２１を開き、酸素タンク１７内の酸素をより多く燃料電池スタック１に供給する。一方、ステップＳ１３では、酸素供給バルブ２１を閉じ、酸素タンク１７内の酸素をより少なく燃料電池スタック１に供給する。
【００３８】
そして、ステップＳ１４では、その空気の供給量及び酸素の供給量における制御マップを演算する。次いで、ステップＳ１５では、燃料電池スタック１がその出力を維持しながら、消費する電力が最小値になるように圧縮機１３に対して流量の指令を行う。そして、ステップＳ１０にリターンする。
【００３９】
これらの間、酸素供給バルブ２１の開閉は以下のように行われる。まず、演算された制御マップにおいて、図５に示すように、空気のみを供給した場合の最大出力点ＷＡ（ＩＡ（電流）,ＶＡ（平均セル電圧））、酸素のみを供給した場合の最大出力点ＷＣ（ＩＣ,ＶＣ）、空気及び酸素を供給した場合の最大出力点ＷＢ（ＩＢ,ＶＢ）が規定される。各最大出力点ＷＡ、ＷＢ、ＷＣの平均セル電圧ＶＡ、ＶＢ、ＶＣは０．６（Ｖ）の下限電圧Ｖｕとしている。各最大出力点ＷＡ、ＷＢ、ＷＣにおいて、酸素供給バルブ２１の開度、空気の供給量及び酸素の供給量並びに空気：酸素の供給割合の狙いが予め定められている。このため、要求出力Ｗｄに対応する要求電流値ＩｄがＩＢであれば、それらの定めに応じ、空気：酸素（＝α：β）となる空気の供給量ｘがまず算出される。
【００４０】
第２〜４圧力センサ３１、１５、３７で検出される圧力Ｐ２〜４は図６の関係を満たす。このため、圧力Ｐ２と圧力Ｐ３との差圧により、酸素の供給量ｙが算出され、その酸素の供給量ｙになるように酸素供給バルブ２１が開閉される。なお、圧力Ｐ３と圧力Ｐ４との差圧は燃料電池スタック１の圧力損失を示している。そして、空気の供給量ｘになるように圧縮機１３に流量指令が出力される。
【００４１】
こうして、この燃料電池システムでは、出力０〜空気のみ供給時の最大出力点ＷＡ（酸素のみ供給時の最大出力点ＷＣの約１／２）までの間、基礎出力Ｗｂの範囲内で大気中の空気のみによって発電を行うことが可能である。
【００４２】
要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超えない場合には、酸素供給バルブ２１による酸素の供給を無くし、酸素の不必要な消費を控えることも可能である。その場合は、圧縮機１３によって大気中の空気による発電で要求出力Ｗｄを満足させることとなる。
【００４３】
また、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超えない場合には、要求出力Ｗｄの増減に応じて圧縮機１３による空気の供給量を増減させることが好ましい。これによっても、圧縮機１３によって消費する電力を抑制することが可能になる。
【００４４】
そして、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを上回れば、超える分だけ酸素タンク１７内の酸素によっても発電を行う。これにより、酸素タンク１７の容量を最低限としつつ、高い効率を実現することが可能となる。
【００４５】
すなわち、この燃料電池システムでは、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超える場合、酸素供給バルブ２１による酸素の供給量を増やし、圧縮機１３による空気の供給量を減らす。こうして酸素の供給量を増やせば、高濃度の酸素が燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１は高い電圧、大きな出力で発電することとなる。また、酸素供給バルブ２１の開閉であれば、電力をほとんど消費しない。そして、圧縮機１３による空気の供給量を減らし、圧縮機１３によって消費する電力を抑制することが可能になる。
【００４６】
また、この燃料電池システムでは、空気供給管９及び酸素供給管１１が酸化剤供給管７に合流し、空気の供給量ｘの増減により酸素の供給量ｙの調節を行っている。空気の供給量ｘは、図５に示すように、要求出力Ｗｄが０〜５０％の範囲では、出力に応じて増加させ、要求出力Ｗｄが５０〜１００％の範囲では、出力に応じて減少させている。酸素の供給については酸素供給バルブ２１の開閉で制御し、下流の第２調圧弁２３で一定圧に調整しておくことで、空気供給管９との圧力差に応じた量の酸素の供給量ｙが得られる。空気供給管９内の圧力は空気の供給量ｘを制御することで行われるが、背圧調整弁３５で調節しても良い。このように、空気の供給量ｘの制御で空気／酸素の割合を可変すれば、燃料電池システムの構成が簡単になる。
【００４７】
さらに、この燃料電池システムでは、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超え、酸素供給バルブ２１による酸素の供給量を増やす場合、図６に示すように、圧力Ｐ２と圧力Ｐ３との差圧により、酸素供給バルブ２１の開度を決定するとともに、圧縮機１３に流量指令を出力している。このため、要求出力Ｗｄと基礎出力Ｗｂとの差が大きければ、圧縮機１３による空気の供給量を減らし、酸素供給バルブ２１による酸素の供給量を増やすこととなる。要求出力Ｗｄが５０〜１００％であれば、酸素の供給割合を０〜１００％に制御することが可能である。これによって圧縮機１３によって消費する電力を可及的に抑制することが可能である。
【００４８】
以上のように、この燃料電池システムは、任意に酸化剤の酸素濃度を可変することにより、出力を最大限に引き出すことができ、燃料電池スタック１を小型化することができる。具体的には、図３に示すように、実施例１の燃料電池スタック１は、空気のみが供給された場合に比べ、酸素のみが供給された場合に約２倍の出力を発揮するものである。このため、この燃料電池スタック１は、空気のみが供給される燃料電池スタックと比べ、体格を約１／２にしても、十分に車両の走行等を担うことができる。
【００４９】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックを小型化できることから、触媒や構成部材の低減、部品点数の削減が図れ、燃料電池スタック１、ひいてはシステム価格を安価にできる。
【００５０】
さらに、この燃料電池システムは、運転状況に応じて限定的に酸素を使用するものであるため、酸素タンク１７の容量を小さくでき、燃料電池システムを車両に容易に搭載することができる。つまり、水素と反応当量の酸素を車両に搭載するとすれば、酸素が足りなくなることはないが、搭載上の制約がある。このため、酸素タンク１７の容量は可能な限り最小限であることが好ましい。実施例１の燃料電池システムの場合、要求出力の８０％以上は、最大出力の１／２以下（空気で発電可能な領域、酸素供給不要）であることから、酸素タンク１７の容量は、水素タンク５の容量に対し、反応当量の２０％以下に設定している。そして、この燃料電池システムを搭載した車両においては、水素タンク５への水素充填時に酸素タンク１７に酸素を充填する必要があるが、水素タンク５に対して１／５程度の大きさで足る酸素タンク１７への酸素の充填にはさほどの時間を要さない。
【００５１】
したがって、この燃料電池システムは、全体の小型化及びコスト低減をより確実に実現しつつ、出力を最大限に発揮可能である。
【００５２】
（実施例２）
実施例２の燃料電池システムでは、図１に示すように、燃料電池スタック１に検出器４が接続されている。検出器４は、実際に生じている電流（Ａ／ｃｍ2）、平均セル電圧（Ｖ）及び出力（ｋＷ）を検出する。検出器４が実出力検出装置に相当する。
【００５３】
また、図２に示すように、コントローラ３９は、第１〜４センサ２９、３１、１５、３７等の検出信号の他、検出器４の検出信号が入力されるようになっている。
【００５４】
さらに、この燃料電池システムでは、図３に示すように、平均セル電圧０．６（Ｖ）を下限電圧（電圧設定値）Ｖｕとしている。下限電圧Ｖｕで燃料電池スタック１を流れる電流を下限電流（電流設定値）Ｉｕとする。
【００５５】
そして、コントローラ３９には、図７に示す制御制御フローを実行するプログラムが格納されている。また、このコントローラ３９には、図８に示す制御マップを演算するための計算式が記憶されている。この制御マップにより、実施例１と同様、燃料電池スタック１の電流−電圧特性及び電流−出力特性が規定される。また、この制御マップには、電流−電圧特性がＡ〜Ｃ領域に区画される。Ａ領域は、電流が０〜ＩＣ及び平均セル電圧が０〜下限電圧Ｖｕの範囲内である。Ｂ領域は、電流がＩＡ〜ＩＣ及び平均セル電圧が下限電圧Ｖｕ以上の範囲内である。Ｃ領域は、電流が０〜ＩＡ及び平均セル電圧が下限電圧Ｖｕ以上の範囲内である。他の構成は実施例１と同様である。
【００５６】
この燃料電池システムでは、図７のステップＳ２０において、実施例１と同様、要求出力Ｗｄ（要求電流値Ｉｄ）が演算される。そして、ステップＳ２１では、下限電圧Ｖｕを電圧設定値とし、燃料電池スタック１で実際に生じている平均セル電圧Ｖｘと電圧設定値Ｖｕとを比較する。ここで、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより大きければステップＳ２２に進み、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより小さければステップＳ２４に進む。
【００５７】
ステップＳ２２では、下限電圧Ｖｕを生じる下限電流Ｉｕを電流設定値とし、燃料電池スタック１で実際に生じている電流Ｉｘと電流設定値Ｉｕとを比較する。ここで、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより小さければステップＳ２５に進む。この状態では、燃料電池システムはＣ領域で運転されていることから、要求出力Ｗｄに補正を行わない。ステップＳ２２において、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより大きければステップＳ２３に進む。
【００５８】
ステップＳ２３では、燃料電池システムがＢ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過剰であり、出力を抑えるように要求出力Ｗｄにマイナスの補正を行う。次いで、ステップＳ２５に進む。
【００５９】
ステップＳ２４では、燃料電池システムがＡ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過小であり、出力を上げるように要求出力Ｗｄにプラスの補正を行う。次いで、ステップＳ２５に進む。
【００６０】
ステップＳ２５では、要求出力Ｗｄと出力設定値Ｗｕとを比較する。ここで、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより小さければステップＳ２６に進み、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより大きければステップＳ２７に進む。
【００６１】
ステップＳ２６では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ閉じ、酸素タンク１７内の酸素をより少なく燃料電池スタック１に供給する。一方、ステップＳ２７では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ開き、酸素タンク１７内の酸素をより多く燃料電池スタック１に供給する。
【００６２】
そして、ステップＳ２８では、その空気の供給量及び酸素の供給量における制御マップを演算する。次いで、ステップＳ２９では、燃料電池スタック１がその出力を維持しながら、消費する電力が最小値になるように圧縮機１３に対して流量の指令を行う。そして、ステップＳ２０にリターンする。
【００６３】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の状態や経時変化による電流−電圧特性の変動があっても、燃料電池スタック１が常に下限電圧Ｖｕ、下限電流Ｉｕを超える実出力を発揮することとなり、出力不足や酸素の無駄な消費を抑制できる。他の作用効果は実施例１と同様である。
【００６４】
（実施例３）
実施例２の燃料電池システムでは、図９に示す制御制御フローを実行するプログラムがコントローラ３９に格納されている。他の構成は実施例２と同様である。
【００６５】
この燃料電池システムでは、ステップＳ３０において、実施例１、２と同様、要求出力Ｗｄ（要求電流値Ｉｄ）が演算される。そして、ステップＳ３１では、燃料電池スタック１で実際に生じている平均セル電圧Ｖｘと電圧設定値Ｖｕとを比較する。ここで、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより大きければステップＳ３２に進み、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより小さければステップＳ３３に進む。
【００６６】
ステップＳ３２では、燃料電池スタック１で実際に生じている電流Ｉｘと電流設定値Ｉｕとを比較する。ここで、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより小さければステップＳ３４に進む。この状態では、燃料電池システムは図８に示すＣ領域で運転されていることから、要求出力Ｗｄに補正を行わない。図９のステップＳ３２において、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより大きければステップＳ３５に進む。
【００６７】
ステップＳ３５では、燃料電池システムが図８に示すＢ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過剰であり、出力を抑えるように要求出力Ｗｄにマイナスの補正を行う。次いで、図９のステップＳ３４に進む。
【００６８】
ステップＳ３３では、燃料電池システムが図８に示すＡ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過小であり、出力を上げるように要求出力Ｗｄにプラスの補正を行う。次いで、図９のステップＳ３４に進む。
【００６９】
ステップＳ３４では、要求出力Ｗｄと出力設定値Ｗｕとを比較する。ここで、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより小さければステップＳ３６に進み、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより大きければステップＳ３７に進む。
【００７０】
ステップＳ３７では、第１圧力センサ２９によって検出される酸素の圧力Ｐ１が閾値としての圧力設定値Ｐｕより高いか否かを判断する。ここで、圧力Ｐ１が圧力設定値Ｐｕより高ければスタップＳ３８に進み、圧力Ｐ１が圧力設定値Ｐｕより低ければスタップＳ３９に進む。
【００７１】
ステップＳ３６では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ閉じ、酸素タンク１７内の酸素をより少なく燃料電池スタック１に供給する。一方、ステップＳ３８では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ開き、酸素タンク１７内の酸素をより多く燃料電池スタック１に供給する。そして、ステップＳ４０に進む。
【００７２】
ステップＳ３９では、酸素タンク１７内の酸素が残り少なくなっていることから、空気流量を最大にする表示を行う。また、背圧（Ｐ４）の設定値を増大する。そして、ステップＳ４１に進む。
【００７３】
ステップＳ４０では、その空気の供給量及び酸素の供給量における制御マップを演算する。この際、背圧（Ｐ４）の設定値は通常としている。
【００７４】
ステップＳ４１では、消費する電力にかかわらず、圧縮機１３に対して流量を大きくするように指令を行う。また、背圧（Ｐ４）の上昇に備え、背圧調整弁３５の開度を大きくする。そして、ステップＳ３０にリターンする。
【００７５】
この燃料電池システムは、想定以上の高負荷運転（酸素供給）が続いた場合や、酸素充填忘れ、酸素供給系のトラブル等により、酸素タンク１７内の酸素が残り少なくなった場合のフェールセーフを実現している。圧縮機１３による空気の供給量を増やし、燃料電池システムの使用上の不具合を生じないようにすることができる。他の作用効果は実施例１、２と同様である。
【００７６】
以上において、本発明を実施例１〜３に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜３に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は車両等の移動体の駆動源等に利用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１…燃料電池スタック
５…燃料供給装置（水素タンク）
１３…空気供給装置（圧縮機）
１７…酸素貯蔵装置（酸素タンク）
１９、２１、２３、２５…酸素供給装置（１９…第１調圧弁、２１…酸素供給バルブ、２３…第２調圧弁、２５…流量調整オリフィス）
Ｗｄ…要求出力
Ｗｂ…基礎出力
３９…制御装置（コントローラ）
４…実出力検出装置（検出器）
Ｗｕ…下限値（Ｖｕ…下限電圧、Ｉｕ…下限電流）
２９…酸素残量検出装置（第１圧力センサ）
Ｐｕ…閾値（圧力設定値）
【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】
燃料電池システムは、燃料と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層された燃料電池スタックと、燃料電池スタックに燃料を供給する燃料供給装置と、燃料電池スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給装置とを備えている。
【０００３】
一般的な燃料電池システムでは、燃料供給装置として、水素タンク等が採用されている。また、車両等の移動体への搭載を意図した燃料電池システムでは、大量の燃料及び酸化剤を搭載することがスペースの面で困難であることから、酸化剤供給装置として、圧縮機や送風ファン等の空気供給装置が採用されている。この燃料電池システムでは、空気供給装置によって車外の空気が燃料電池スタックに供給される。
【０００４】
また、酸化剤供給装置として、空気供給装置の他、酸素を貯留する酸素タンクと、酸素タンク内の酸素を燃料電池スタックに供給する酸素供給装置とを備えた燃料電池システムも知られている（例えば、特許文献１）。この燃料電池システムでは、酸素タンク内の酸素によって高濃度発電を行う一方、高濃度発電時に燃料電池スタック内に生じた過剰な水を高圧の空気によって排出することとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−４１５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池システムにおいては、高価な触媒や多数の精密部品からなる燃料電池スタックがコストの大部分を占めることから、コストパフォーマンスを上げるべく、高出力化、触媒量の低減、部品点数の削減、小型化による材料使用量の低減等が図られている。これらのうち、燃料電池スタックの高出力化は、酸化剤供給装置として空気供給装置を採用し、圧縮機等で空気を圧縮して燃料電池スタックに供給することで実現され得る。また、酸化剤供給装置として酸素タンクを採用し、燃料電池スタックに高濃度の酸素を供給することによっても燃料電池スタックの高出力化を実現可能である。燃料電池スタックの出力が酸素分圧に依存するからである。
【０００７】
しかし、燃料電池システムにおいて、空気を圧縮して供給する場合には、圧縮機等によって消費される電力が増大するという問題がある。つまり、燃料電池システムにおいては、期待する出力と効率との間にトレードオフの関係が成立する。そのため、従来の燃料電池システムにおいては、出力及び効率を許容できる範囲に空気の圧力が設定されることとなり、最大限の出力が発揮され得ない。
【０００８】
また、酸素タンク内の酸素のみで燃料電池スタックの出力を得ようとすれば、酸素タンク内の酸素の消費量が多くなることから、大型の酸素タンクが必要になり、燃料電池システム全体の大型化及びコストの高騰を生じることとなる。そのため、上記特許文献１記載の燃料電池システムのように、空気供給装置及び酸素タンクを備えることとし、大気中の空気による発電と酸素タンク内の酸素による発電とを行うことが考えられる。しかしながら、特許文献１記載の発明のように、水の排出時に酸素タンク内の酸素を使用しないようにするだけでは、水を排出しない間は常に酸素タンク内の酸素を消費することとなり、やはり燃料電池システム全体の大型化及びコストの高騰が避けられない。
【０００９】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、燃料電池システム全体の小型化及びコスト低減をより確実に実現しつつ、出力を最大限に発揮可能な燃料電池システムを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、燃料と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、該燃料電池スタックに該酸化剤を供給する酸化剤供給装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給装置は、大気中の空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給装置と、酸素を貯留する酸素貯蔵装置と、該酸素貯蔵装置内の酸素を該燃料電池スタックに供給する酸素供給装置とを有し、
前記燃料電池スタックに要求される出力である要求出力と、該燃料電池スタックに空気のみを供給した場合に得られる出力である基礎出力とに基づき、前記空気供給装置及び前記酸素供給装置を制御する制御装置を備えていることを特徴とする（請求項１）。
【００１１】
本発明の燃料電池システムでは、酸化剤供給装置が空気供給装置と酸素貯蔵装置と酸素供給装置とを有している。空気供給装置は、圧縮機や送風ファン等からなり、大気中の空気を燃料電池スタックに供給する。酸素貯蔵装置は、酸素タンク等からなり、酸素を貯留する。酸素供給装置は、酸素貯蔵装置と燃料電池スタックとを接続し、酸素貯蔵装置内の酸素を燃料電池スタックに供給する。このため、この燃料電池システムでは、空気供給装置によって大気中の空気で発電を行うことが可能であるとともに、酸素貯蔵装置内の酸素によっても発電を行うことが可能である。
【００１２】
そして、この燃料電池システムでは、制御装置が要求出力と基礎出力とに基づき、空気供給装置及び酸素供給装置を制御する。要求出力は燃料電池スタックに要求される出力である。基礎出力は燃料電池スタックに空気のみを供給した場合に得られる出力である。例えば、平常時には、基礎出力の範囲内で大気中の空気のみによって発電を行う。要求出力が基礎出力を上回れば、超える分だけ酸素貯蔵装置内の酸素によっても発電を行う。これにより、酸素貯蔵装置の容量を最低限としつつ、高い効率を実現することが可能となる。
【００１３】
こうして、この燃料電池システムは、任意に酸化剤の酸素濃度を可変することにより、出力を最大限に引き出すことができ、燃料電池スタックを小型化することができる。また、それに伴い、燃料電池スタックの触媒や構成部材の低減、部品点数の削減が図れることから、燃料電池スタック、ひいては燃料電池システムを安価にできる。さらに、燃料電池システムが運転状況に応じて限定的に酸素を使用するものであるため、酸素貯蔵装置等の容量を小さくでき、燃料電池システムを車両等の移動体に容易に搭載することができる。
【００１４】
したがって、この燃料電池システムは、全体の小型化及びコスト低減をより確実に実現しつつ、出力を最大限に発揮可能である。
【００１５】
制御装置は、要求出力が基礎出力を超える場合、酸素供給装置による酸素の供給量を増やすことが好ましい（請求項２）。酸素供給装置による酸素の供給量を増やせば、高濃度の酸素が燃料電池スタックに供給され、燃料電池スタックは高い電圧、大きな出力で発電することとなる。また、酸素供給装置であれば、酸素の供給量を増やすために電力をほとんど消費しない。なお、要求出力が基礎出力を超えない場合には、酸素供給装置による酸素の供給を無くし、酸素の不必要な消費を控えることが好ましい。その場合は、空気供給装置によって大気中の空気による発電で要求出力を満足させる。
【００１６】
制御装置は、要求出力が基礎出力を超え、酸素供給装置による酸素の供給量を増やす場合、空気供給装置による空気の供給量を減らすことが好ましい（請求項３）。高濃度の酸素によって燃料電池スタックが高い電圧、大きな出力で発電すれば、空気供給装置による空気の供給量を減らし、空気供給装置によって消費する電力を抑制することが可能になる。なお、要求出力が基礎出力を超えない場合には、要求出力の増減に応じて空気供給装置による空気の供給量を増減させることが好ましい。これによっても、空気供給装置によって消費する電力を抑制することが可能になる。
【００１７】
制御装置は、要求出力が基礎出力を超え、酸素供給装置による酸素の供給量を増やす場合、要求出力と基礎出力との差が大きければ、空気供給装置による空気の供給量を減らし、酸素供給装置による酸素の供給量を増やすことが好ましい（請求項４）。この場合、要求出力と基礎出力との差が小さければ、空気供給装置による空気の供給量を増やし、酸素供給装置による酸素の供給量を減らす。これによって空気供給装置によって消費する電力を可及的に抑制することが可能になる。
【００１８】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの実出力を検出する実出力検出装置を備え得る。そして、制御装置は、実出力検出装置で検出される実出力が予め定めた下限値を超えるように空気供給装置及び酸素供給装置を制御することが好ましい（請求項５）。下限値は燃料電池システムに接続される負荷に応じて予め定められる。この場合、燃料電池スタックの状態や経時変化による電流−電圧特性の変動があっても、燃料電池スタックが常に下限値を超える実出力を発揮することとなり、出力不足や酸素の無駄な消費を抑制できる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムは、酸素貯蔵装置による酸素の残量を検出する酸素残量検出装置を備え得る。そして、制御装置は、酸素残量検出装置で検出される酸素の残量が閾値を下回る場合、空気供給装置により空気圧力を高めるか、又は燃料電池スタックにおける空気の出口側に設ける弁を絞って空気圧力を高めることが好ましい（請求項６）。この場合、想定以上の高負荷運転（酸素供給）が続いた場合や、酸素充填忘れ、酸素供給系のトラブル等により、酸素貯蔵装置内の酸素が残り少なくなった場合のフェールセーフである。空気供給装置等によって空気の供給量を増やし、燃料電池システムの使用上の不具合を生じないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】実施例１〜３の燃料電池システムの要部を示す模式構造図である。
【図２】実施例１〜３の燃料電池システムに係り、コントローラ等のブロック図である。
【図３】実施例１の燃料電池システムにおける制御マップである。
【図４】実施例１の燃料電池システムの制御フローである。
【図５】実施例１の燃料電池システムに係り、図３の制御マップと空気の供給量及び酸素の供給量との関係を示す説明図である。
【図６】実施例１の燃料電池システムに係り、空気の供給量とガス圧力との関係を示すグラフである。
【図７】実施例２の燃料電池システムに係り、制御装置の制御フローである。
【図８】実施例２、３の燃料電池システムにおける制御マップである。
【図９】実施例３の燃料電池システムに係り、制御装置の制御フローである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を具体化した実施例１〜３を図面を参照しつつ説明する。
【００２２】
（実施例１）
実施例１の燃料電池システムは車両に搭載されるものである。この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料電池スタック１を備えている。燃料電池スタック１は、燃料である水素と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層されたものである。燃料電池スタック１には、車両を走行させるためのモータ等の負荷２が接続されている。
【００２３】
燃料電池スタック１の燃料吸入口には燃料供給管３が接続されており、燃料供給管３の上流側には水素タンク５が接続されている。水素タンク５内には水素が高圧状態で貯留されている。燃料供給管３には図示しない水素供給バルブ等が設けられており、水素供給バルブを開くことによって水素タンク５内の水素が所定の圧力で燃料電池スタック１に供給されるようになっている。水素タンク５、水素供給バルブ等が燃料供給装置に相当する。
【００２４】
燃料電池スタック１の酸化剤吸入口には酸化剤供給管７が接続されており、酸化剤供給管７の上流側には空気供給管９及び酸素供給管１１が接続されている。空気供給管９の上流側には、大気から空気を吸入して空気供給管９内に高圧の空気を供給可能な圧縮機１３が接続されている。圧縮機１３が酸化剤供給装置のうちの空気供給装置に相当する。圧縮機１３はモータを内蔵したものであり、モータによって駆動されるようになっている。圧縮機１３は、モータの回転速度を変更することにより、単位時間当たりの空気の流量を変更できるようになっている。空気供給管９には、空気供給管９内の空気の圧力Ｐ３を検出する第３圧力センサ１５が接続されている。
【００２５】
酸素供給管１１には、上流側から、酸素タンク１７、第１調圧弁１９、酸素供給バルブ２１、第２調圧弁２３及び流量調整オリフィス２５が設けられている。酸素タンク１７が酸化剤供給装置のうちの酸素貯蔵装置に相当する。酸素タンク１７内には酸素が高圧状態で貯留されている。第１、２調圧弁１９、２３は酸素供給管１１内の酸素の圧力を一定圧力にするものである。酸素供給バルブ２１は、電磁開閉弁（ＯＰＥＮ／ＣＬＯＳＥ）又は開度調整可能な開度調整弁によって構成されている。また、流量調整オリフィス２５は、構成がシンプルになるように固定絞りで構成されるか、又は酸素供給量の制御性を良くするために可変絞りで構成されている。第１、２調圧弁１９、２３、酸素供給バルブ２１及び流量調整オリフィス２５が酸化剤供給装置のうちの酸素供給装置に相当する。
【００２６】
酸素タンク１７と第１調圧弁１９との間には充填管２７の一端が接続されており、充填管２７の他端は充填口２７ａとされている。充填口２７ａは酸素タンク１７内に酸素を補充する際に用いられる。
【００２７】
酸素供給管１１には、充填管２７が接続される接続点と第１調圧弁１９との間に第１圧力センサ２９が接続されている。第１圧力センサ２９はその位置の酸素の圧力Ｐ１を検出する。第１圧力センサ２９が酸素残量検出装置に相当する。また、酸素供給管１１には、第２調圧弁２３と流量調整オリフィス２５との間に第２圧力センサ３１が接続されている。第２圧力センサ３１はその位置の酸素の圧力Ｐ２を検出する。
【００２８】
燃料電池スタック１の酸化剤排出口には下流側が大気に開放された酸化剤排出管３３が接続されている。酸化剤排出管３３には、燃料電池スタック１内の空気及び酸素の背圧を一定圧力にするための背圧調整弁３５が設けられている。
【００２９】
また、酸化剤排出管３３には、燃料電池スタック１と背圧調整弁３５との間に第４圧力センサ３７が接続されている。第４圧力センサ３７はその位置の空気及び酸素の圧力Ｐ４を検出する。
【００３０】
燃料電池システムは、図２に示すように、制御装置としてのコントローラ３９を備えている。コントローラ３９は、第１〜４センサ２９、３１、１５、３７等の検出信号が入力されるようになっている。また、コントローラ３９には、負荷２から車両の走行状態等の情報が入力される。また、コントローラ３９は、第１、２調圧弁１９、２３、酸素供給バルブ２１、背圧調整弁３５、圧縮機１３等に制御信号を出力できるようになっている。
【００３１】
また、コントローラ３９には、図３に示す制御マップを演算するための計算式が記憶されている。この制御マップにより、燃料電池スタック１の電流−電圧特性及び電流−出力特性が規定される。電流−電圧特性は、燃料電池スタック１に空気のみを所定圧力で供給した場合の関係と、燃料電池スタック１に酸素のみを所定圧力で供給した場合の関係とを有している。電圧は複数のセルの平均値とされている。また、電流−出力特性は、燃料電池スタック１に空気のみを所定圧力で供給した場合の関係と、燃料電池スタック１に酸素のみを所定圧力で供給した場合の関係とを有している。燃料電池スタック１に空気のみを供給した場合の電流−電圧特性が基礎電圧Ｖｂの特性であり、その場合の電流−出力特性が基礎出力Ｗｂの特性である。
【００３２】
この燃料電池システムでは、酸素のみが供給されることにより、電流値ＩＳによって９０（ｋＷ）程度の出力が得られるように設計されている。
【００３３】
また、コントローラ３９には、図４に示す制御フローを実行するプログラムが格納されている。
【００３４】
以上のように構成された燃料電池システムでは、酸化剤供給装置として、圧縮機１３、酸素タンク１７、酸素供給バルブ２１等を有しているため、圧縮機１３によって大気中の空気で発電を行うことが可能であるとともに、酸素タンク１７内の酸素によっても発電を行うことが可能である。
【００３５】
そして、この燃料電池システムでは、コントローラ３９が要求出力Ｗｄと基礎出力Ｗｂとに基づき、圧縮機１３及び酸素供給装置を制御する。
【００３６】
すなわち、ステップＳ１０において、負荷２から入力される情報に基づいて、燃料電池スタック１に要求される出力である要求出力Ｗｄ（要求電流値Ｉｄ）が演算される。そして、ステップＳ１１では、基礎出力Ｗｂの最大値を出力設定値Ｗｕとし、要求出力Ｗｄと出力設定値Ｗｕとを比較する。ここで、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより小さければステップＳ１２に進み、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより大きければステップＳ１３に進む。
【００３７】
ステップＳ１２では、酸素供給バルブ２１を開き、酸素タンク１７内の酸素をより多く燃料電池スタック１に供給する。一方、ステップＳ１３では、酸素供給バルブ２１を閉じ、酸素タンク１７内の酸素をより少なく燃料電池スタック１に供給する。
【００３８】
そして、ステップＳ１４では、その空気の供給量及び酸素の供給量における制御マップを演算する。次いで、ステップＳ１５では、燃料電池スタック１がその出力を維持しながら、消費する電力が最小値になるように圧縮機１３に対して流量の指令を行う。そして、ステップＳ１０にリターンする。
【００３９】
これらの間、酸素供給バルブ２１の開閉は以下のように行われる。まず、演算された制御マップにおいて、図５に示すように、空気のみを供給した場合の最大出力点ＷＡ（ＩＡ（電流）,ＶＡ（平均セル電圧））、酸素のみを供給した場合の最大出力点ＷＣ（ＩＣ,ＶＣ）、空気及び酸素を供給した場合の最大出力点ＷＢ（ＩＢ,ＶＢ）が規定される。各最大出力点ＷＡ、ＷＢ、ＷＣの平均セル電圧ＶＡ、ＶＢ、ＶＣは０．６（Ｖ）の下限電圧Ｖｕとしている。各最大出力点ＷＡ、ＷＢ、ＷＣにおいて、酸素供給バルブ２１の開度、空気の供給量及び酸素の供給量並びに空気：酸素の供給割合の狙いが予め定められている。このため、要求出力Ｗｄに対応する要求電流値ＩｄがＩＢであれば、それらの定めに応じ、空気：酸素（＝α：β）となる空気の供給量ｘがまず算出される。
【００４０】
第２〜４圧力センサ３１、１５、３７で検出される圧力Ｐ２〜４は図６の関係を満たす。このため、圧力Ｐ２と圧力Ｐ３との差圧により、酸素の供給量ｙが算出され、その酸素の供給量ｙになるように酸素供給バルブ２１が開閉される。なお、圧力Ｐ３と圧力Ｐ４との差圧は燃料電池スタック１の圧力損失を示している。そして、空気の供給量ｘになるように圧縮機１３に流量指令が出力される。
【００４１】
こうして、この燃料電池システムでは、出力０〜空気のみ供給時の最大出力点ＷＡ（酸素のみ供給時の最大出力点ＷＣの約１／２）までの間、基礎出力Ｗｂの範囲内で大気中の空気のみによって発電を行うことが可能である。
【００４２】
要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超えない場合には、酸素供給バルブ２１による酸素の供給を無くし、酸素の不必要な消費を控えることも可能である。その場合は、圧縮機１３によって大気中の空気による発電で要求出力Ｗｄを満足させることとなる。
【００４３】
また、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超えない場合には、要求出力Ｗｄの増減に応じて圧縮機１３による空気の供給量を増減させることが好ましい。これによっても、圧縮機１３によって消費する電力を抑制することが可能になる。
【００４４】
そして、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを上回れば、超える分だけ酸素タンク１７内の酸素によっても発電を行う。これにより、酸素タンク１７の容量を最低限としつつ、高い効率を実現することが可能となる。
【００４５】
すなわち、この燃料電池システムでは、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超える場合、酸素供給バルブ２１による酸素の供給量を増やし、圧縮機１３による空気の供給量を減らす。こうして酸素の供給量を増やせば、高濃度の酸素が燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１は高い電圧、大きな出力で発電することとなる。また、酸素供給バルブ２１の開閉であれば、電力をほとんど消費しない。そして、圧縮機１３による空気の供給量を減らし、圧縮機１３によって消費する電力を抑制することが可能になる。
【００４６】
また、この燃料電池システムでは、空気供給管９及び酸素供給管１１が酸化剤供給管７に合流し、空気の供給量ｘの増減により酸素の供給量ｙの調節を行っている。空気の供給量ｘは、図５に示すように、要求出力Ｗｄが０〜５０％の範囲では、出力に応じて増加させ、要求出力Ｗｄが５０〜１００％の範囲では、出力に応じて減少させている。酸素の供給については酸素供給バルブ２１の開閉で制御し、下流の第２調圧弁２３で一定圧に調整しておくことで、空気供給管９との圧力差に応じた量の酸素の供給量ｙが得られる。空気供給管９内の圧力は空気の供給量ｘを制御することで行われるが、背圧調整弁３５で調節しても良い。このように、空気の供給量ｘの制御で空気／酸素の割合を可変すれば、燃料電池システムの構成が簡単になる。
【００４７】
さらに、この燃料電池システムでは、要求出力Ｗｄが基礎出力Ｗｂを超え、酸素供給バルブ２１による酸素の供給量を増やす場合、図６に示すように、圧力Ｐ２と圧力Ｐ３との差圧により、酸素供給バルブ２１の開度を決定するとともに、圧縮機１３に流量指令を出力している。このため、要求出力Ｗｄと基礎出力Ｗｂとの差が大きければ、圧縮機１３による空気の供給量を減らし、酸素供給バルブ２１による酸素の供給量を増やすこととなる。要求出力Ｗｄが５０〜１００％であれば、酸素の供給割合を０〜１００％に制御することが可能である。これによって圧縮機１３によって消費する電力を可及的に抑制することが可能である。
【００４８】
以上のように、この燃料電池システムは、任意に酸化剤の酸素濃度を可変することにより、出力を最大限に引き出すことができ、燃料電池スタック１を小型化することができる。具体的には、図３に示すように、実施例１の燃料電池スタック１は、空気のみが供給された場合に比べ、酸素のみが供給された場合に約２倍の出力を発揮するものである。このため、この燃料電池スタック１は、空気のみが供給される燃料電池スタックと比べ、体格を約１／２にしても、十分に車両の走行等を担うことができる。
【００４９】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックを小型化できることから、触媒や構成部材の低減、部品点数の削減が図れ、燃料電池スタック１、ひいてはシステム価格を安価にできる。
【００５０】
さらに、この燃料電池システムは、運転状況に応じて限定的に酸素を使用するものであるため、酸素タンク１７の容量を小さくでき、燃料電池システムを車両に容易に搭載することができる。つまり、水素と反応当量の酸素を車両に搭載するとすれば、酸素が足りなくなることはないが、搭載上の制約がある。このため、酸素タンク１７の容量は可能な限り最小限であることが好ましい。実施例１の燃料電池システムの場合、要求出力の８０％以上は、最大出力の１／２以下（空気で発電可能な領域、酸素供給不要）であることから、酸素タンク１７の容量は、水素タンク５の容量に対し、反応当量の２０％以下に設定している。そして、この燃料電池システムを搭載した車両においては、水素タンク５への水素充填時に酸素タンク１７に酸素を充填する必要があるが、水素タンク５に対して１／５程度の大きさで足る酸素タンク１７への酸素の充填にはさほどの時間を要さない。
【００５１】
したがって、この燃料電池システムは、全体の小型化及びコスト低減をより確実に実現しつつ、出力を最大限に発揮可能である。
【００５２】
（実施例２）
実施例２の燃料電池システムでは、図１に示すように、燃料電池スタック１に検出器４が接続されている。検出器４は、実際に生じている電流（Ａ／ｃｍ2）、平均セル電圧（Ｖ）及び出力（ｋＷ）を検出する。検出器４が実出力検出装置に相当する。
【００５３】
また、図２に示すように、コントローラ３９は、第１〜４センサ２９、３１、１５、３７等の検出信号の他、検出器４の検出信号が入力されるようになっている。
【００５４】
さらに、この燃料電池システムでは、図３に示すように、平均セル電圧０．６（Ｖ）を下限電圧（電圧設定値）Ｖｕとしている。下限電圧Ｖｕで燃料電池スタック１を流れる電流を下限電流（電流設定値）Ｉｕとする。
【００５５】
そして、コントローラ３９には、図７に示す制御制御フローを実行するプログラムが格納されている。また、このコントローラ３９には、図８に示す制御マップを演算するための計算式が記憶されている。この制御マップにより、実施例１と同様、燃料電池スタック１の電流−電圧特性及び電流−出力特性が規定される。また、この制御マップには、電流−電圧特性がＡ〜Ｃ領域に区画される。Ａ領域は、電流が０〜ＩＣ及び平均セル電圧が０〜下限電圧Ｖｕの範囲内である。Ｂ領域は、電流がＩＡ〜ＩＣ及び平均セル電圧が下限電圧Ｖｕ以上の範囲内である。Ｃ領域は、電流が０〜ＩＡ及び平均セル電圧が下限電圧Ｖｕ以上の範囲内である。他の構成は実施例１と同様である。
【００５６】
この燃料電池システムでは、図７のステップＳ２０において、実施例１と同様、要求出力Ｗｄ（要求電流値Ｉｄ）が演算される。そして、ステップＳ２１では、下限電圧Ｖｕを電圧設定値とし、燃料電池スタック１で実際に生じている平均セル電圧Ｖｘと電圧設定値Ｖｕとを比較する。ここで、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより大きければステップＳ２２に進み、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより小さければステップＳ２４に進む。
【００５７】
ステップＳ２２では、下限電圧Ｖｕを生じる下限電流Ｉｕを電流設定値とし、燃料電池スタック１で実際に生じている電流Ｉｘと電流設定値Ｉｕとを比較する。ここで、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより小さければステップＳ２５に進む。この状態では、燃料電池システムはＣ領域で運転されていることから、要求出力Ｗｄに補正を行わない。ステップＳ２２において、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより大きければステップＳ２３に進む。
【００５８】
ステップＳ２３では、燃料電池システムがＢ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過剰であり、出力を抑えるように要求出力Ｗｄにマイナスの補正を行う。次いで、ステップＳ２５に進む。
【００５９】
ステップＳ２４では、燃料電池システムがＡ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過小であり、出力を上げるように要求出力Ｗｄにプラスの補正を行う。次いで、ステップＳ２５に進む。
【００６０】
ステップＳ２５では、要求出力Ｗｄと出力設定値Ｗｕとを比較する。ここで、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより小さければステップＳ２６に進み、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより大きければステップＳ２７に進む。
【００６１】
ステップＳ２６では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ閉じ、酸素タンク１７内の酸素をより少なく燃料電池スタック１に供給する。一方、ステップＳ２７では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ開き、酸素タンク１７内の酸素をより多く燃料電池スタック１に供給する。
【００６２】
そして、ステップＳ２８では、その空気の供給量及び酸素の供給量における制御マップを演算する。次いで、ステップＳ２９では、燃料電池スタック１がその出力を維持しながら、消費する電力が最小値になるように圧縮機１３に対して流量の指令を行う。そして、ステップＳ２０にリターンする。
【００６３】
この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の状態や経時変化による電流−電圧特性の変動があっても、燃料電池スタック１が常に下限電圧Ｖｕ、下限電流Ｉｕを超える実出力を発揮することとなり、出力不足や酸素の無駄な消費を抑制できる。他の作用効果は実施例１と同様である。
【００６４】
（実施例３）
実施例２の燃料電池システムでは、図９に示す制御制御フローを実行するプログラムがコントローラ３９に格納されている。他の構成は実施例２と同様である。
【００６５】
この燃料電池システムでは、ステップＳ３０において、実施例１、２と同様、要求出力Ｗｄ（要求電流値Ｉｄ）が演算される。そして、ステップＳ３１では、燃料電池スタック１で実際に生じている平均セル電圧Ｖｘと電圧設定値Ｖｕとを比較する。ここで、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより大きければステップＳ３２に進み、平均セル電圧Ｖｘが電圧設定値Ｖｕより小さければステップＳ３３に進む。
【００６６】
ステップＳ３２では、燃料電池スタック１で実際に生じている電流Ｉｘと電流設定値Ｉｕとを比較する。ここで、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより小さければステップＳ３４に進む。この状態では、燃料電池システムは図８に示すＣ領域で運転されていることから、要求出力Ｗｄに補正を行わない。図９のステップＳ３２において、電流Ｉｘが電流設定値Ｉｕより大きければステップＳ３５に進む。
【００６７】
ステップＳ３５では、燃料電池システムが図８に示すＢ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過剰であり、出力を抑えるように要求出力Ｗｄにマイナスの補正を行う。次いで、図９のステップＳ３４に進む。
【００６８】
ステップＳ３３では、燃料電池システムが図８に示すＡ領域で運転されていることから、酸素の供給量が過小であり、出力を上げるように要求出力Ｗｄにプラスの補正を行う。次いで、図９のステップＳ３４に進む。
【００６９】
ステップＳ３４では、要求出力Ｗｄと出力設定値Ｗｕとを比較する。ここで、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより小さければステップＳ３６に進み、要求出力Ｗｄが出力設定値Ｗｕより大きければステップＳ３７に進む。
【００７０】
ステップＳ３７では、第１圧力センサ２９によって検出される酸素の圧力Ｐ１が閾値としての圧力設定値Ｐｕより高いか否かを判断する。ここで、圧力Ｐ１が圧力設定値Ｐｕより高ければスタップＳ３８に進み、圧力Ｐ１が圧力設定値Ｐｕより低ければスタップＳ３９に進む。
【００７１】
ステップＳ３６では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ閉じ、酸素タンク１７内の酸素をより少なく燃料電池スタック１に供給する。一方、ステップＳ３８では、酸素供給バルブ２１を一定開度だけ開き、酸素タンク１７内の酸素をより多く燃料電池スタック１に供給する。そして、ステップＳ４０に進む。
【００７２】
ステップＳ３９では、酸素タンク１７内の酸素が残り少なくなっていることから、空気流量を最大にする表示を行う。また、背圧（Ｐ４）の設定値を増大する。そして、ステップＳ４１に進む。
【００７３】
ステップＳ４０では、その空気の供給量及び酸素の供給量における制御マップを演算する。この際、背圧（Ｐ４）の設定値は通常としている。
【００７４】
ステップＳ４１では、消費する電力にかかわらず、圧縮機１３に対して流量を大きくするように指令を行う。また、背圧（Ｐ４）の上昇に備え、背圧調整弁３５の開度を大きくする。そして、ステップＳ３０にリターンする。
【００７５】
この燃料電池システムは、想定以上の高負荷運転（酸素供給）が続いた場合や、酸素充填忘れ、酸素供給系のトラブル等により、酸素タンク１７内の酸素が残り少なくなった場合のフェールセーフを実現している。圧縮機１３による空気の供給量を増やし、燃料電池システムの使用上の不具合を生じないようにすることができる。他の作用効果は実施例１、２と同様である。
【００７６】
以上において、本発明を実施例１〜３に即して説明したが、本発明は上記実施例１〜３に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明は車両等の移動体の駆動源等に利用可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１…燃料電池スタック
５…燃料供給装置（水素タンク）
１３…空気供給装置（圧縮機）
１７…酸素貯蔵装置（酸素タンク）
１９、２１、２３、２５…酸素供給装置（１９…第１調圧弁、２１…酸素供給バルブ、２３…第２調圧弁、２５…流量調整オリフィス）
Ｗｄ…要求出力
Ｗｂ…基礎出力
３９…制御装置（コントローラ）
４…実出力検出装置（検出器）
Ｗｕ…下限値（Ｖｕ…下限電圧、Ｉｕ…下限電流）
２９…酸素残量検出装置（第１圧力センサ）
Ｐｕ…閾値（圧力設定値）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、該燃料電池スタックに該酸化剤を供給する酸化剤供給装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給装置は、大気中の空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給装置と、酸素を貯留する酸素貯蔵装置と、該酸素貯蔵装置内の酸素を該燃料電池スタックに供給する酸素供給装置とを有し、
前記燃料電池スタックに要求される出力である要求出力と、該燃料電池スタックに空気のみを供給した場合に得られる出力である基礎出力とに基づき、前記空気供給装置及び前記酸素供給装置を制御する制御装置を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記要求出力が前記基礎出力を超える場合、前記酸素供給装置による酸素の供給量を増やす請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記空気供給装置による空気の供給量を減らす請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記要求出力と前記基礎出力との差が大きければ、前記空気供給装置による空気の供給量を減らし、前記酸素供給装置による酸素の供給量を増やす請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの実出力を検出する実出力検出装置を備え、
前記制御装置は、該実出力検出装置で検出される実出力が予め定めた下限値を超えるように前記空気供給装置及び前記酸素供給装置を制御する請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸素貯蔵装置による酸素の残量を検出する酸素残量検出装置を備え、
前記制御装置は、該酸素残量検出装置で検出される酸素の残量が閾値を下回る場合、前記空気供給装置により空気圧力を高めるか、又は前記燃料電池スタックにおける空気の出口側に設ける弁を絞って空気圧力を高める請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項１】
燃料と酸化剤との反応により起電力を生じる単セルが複数積層された燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに該燃料を供給する燃料供給装置と、該燃料電池スタックに該酸化剤を供給する酸化剤供給装置とを備えた燃料電池システムであって、
前記酸化剤供給装置は、大気中の空気を前記燃料電池スタックに供給する空気供給装置と、酸素を貯留する酸素貯蔵装置と、該酸素貯蔵装置内の酸素を該燃料電池スタックに供給する酸素供給装置とを有し、
前記燃料電池スタックに要求される出力である要求出力と、該燃料電池スタックに空気のみを供給した場合に得られる出力である基礎出力とに基づき、前記空気供給装置及び前記酸素供給装置を制御する制御装置を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記要求出力が前記基礎出力を超える場合、前記酸素供給装置による酸素の供給量を増やす請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記空気供給装置による空気の供給量を減らす請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記要求出力と前記基礎出力との差が大きければ、前記空気供給装置による空気の供給量を減らし、前記酸素供給装置による酸素の供給量を増やす請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの実出力を検出する実出力検出装置を備え、
前記制御装置は、該実出力検出装置で検出される実出力が予め定めた下限値を超えるように前記空気供給装置及び前記酸素供給装置を制御する請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記酸素貯蔵装置による酸素の残量を検出する酸素残量検出装置を備え、
前記制御装置は、該酸素残量検出装置で検出される酸素の残量が閾値を下回る場合、前記空気供給装置により空気圧力を高めるか、又は前記燃料電池スタックにおける空気の出口側に設ける弁を絞って空気圧力を高める請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−９６５８７（Ｐ２０１１−９６５８７Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５１５４１（Ｐ２００９−２５１５４１）
【出願日】平成２１年１０月３１日（２００９．１０．３１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月３１日（２００９．１０．３１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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