JP2009093916A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の絶縁抵抗を誤測定するなどの不具合なく、絶縁抵抗測定及び触媒活性回復の制御を両立させることが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部９０と、燃料電池４０の発電を制御する制御装置１０とを有し、制御装置１０が、絶縁抵抗測定部９０により絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定制御及び燃料電池４０の触媒の活性を回復させる触媒活性回復制御を、それぞれ所定の実行条件にて実行する燃料電池システム１００であって、制御装置１０は、絶縁抵抗測定制御中における触媒活性回復制御の実行を禁止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に、その制御の改善に関する。

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タンクから高圧の燃料ガス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。このような燃料電池システムにおいて、白金触媒表面に形成された酸化皮膜を除去する回復制御を実行し、Ｉ−Ｖ特性の低下を抑制するものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−３４６９７９号公報

しかしながら、上記の燃料電池システムにおいては、触媒の活性の回復制御を実行すると、燃料電池のセル総電圧が大きく変動する。したがって、絶縁抵抗測定部によって燃料電池の絶縁抵抗を測定している最中に、触媒活性回復制御が実行されると、絶縁抵抗の誤測定を生じてしまうことがある。

そこで、本発明は、誤測定などの不具合なく、絶縁抵抗測定及び触媒活性回復の制御を両立させることが可能な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、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部と、前記燃料電池の発電を制御する制御部とを有し、前記制御部が、前記絶縁抵抗測定部により絶縁抵抗を測定する前記絶縁抵抗測定制御及び前記燃料電池の触媒の活性を回復させる触媒活性回復制御を、それぞれ所定の実行条件にて実行する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御中における前記触媒活性回復制御の実行を禁止する。

かかる構成によれば、絶縁抵抗測定制御中に触媒活性回復制御の実行を禁止するので、触媒活性回復制御による電圧変動の影響を受けることなく、精度良く絶縁抵抗を測定することができる。つまり、誤測定などの不具合なく、絶縁抵抗測定制御及び触媒活性回復制御を両立させることができる。

前記制御部は、前記触媒活性回復制御の実行条件が不成立のときに前記絶縁抵抗測定制御の実行条件が成立した場合には、前記触媒活性回復制御の実行を所定時間禁止する物でも良い。

前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御及び前記触媒活性回復制御の実行条件が同時に成立している場合には、前記絶縁抵抗測定制御の実行前に前記触媒活性回復制御を実行するものでも良い。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の絶縁抵抗を誤測定するなどの不具合なく、絶縁抵抗測定及び触媒活性回復の制御を両立させることが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。

この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって測定される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源８０から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。

酸化ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。

インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ（電子機器、電圧変換装置）３０は、例えば４つのパワー・トランジスタ（スイッチング素子）と専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。

バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。

また、燃料電池４０につながる配線には、絶縁抵抗測定部９０が接続されている。絶縁抵抗測定部９０は、燃料電池４０と車体との間の絶縁抵抗を測定する。

上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。

制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。

ところで、燃料電池４０を低負荷で連続運転し続けると、高分子電解質膜４１の白金触媒表面に酸化皮膜が形成されて白金触媒の有効面積が減少し、燃料電池４０のＩ−Ｖ特性が低下する。このため、燃料電池システム１００では、セル電圧を還元領域まで低下させることにより、白金触媒の表面の酸化皮膜を還元して取り除き、Ｉ−Ｖ特性の低下を抑制し、航続距離を伸ばす触媒活性回復制御を行う。

例えば、停車中における間欠運転時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０によって、所定の高電位回避電圧（酸化領域）からそれよりも低電圧に設定された所定の触媒活性回復目標電圧（還元領域）まで燃料電池４０のセル総電圧を下げる。その後、コンバータ指令電圧をこの触媒活性回復目標電圧に維持したまま、酸化ガス欠乏状態にて燃料電池４０のセル総電圧が低下するのを許容する。
そして、燃料電池４０のセル総電圧が触媒活性回復目標電圧よりも低電圧に設定された所定の酸化ガス供給開始電圧に到達したところで、触媒活性回復制御を終了する。しかる後、酸化ガスの供給を開始して高電位回避制御に移行させ、燃料電池４０のセル総電圧を高電位回避電圧に戻す。

なお、この触媒活性回復制御は、車速が所定速度以下（例えば、図２における車速ゼロの停車状態）となり、間欠運転中（例えば、図２における間欠ＯＮ以降の状態）であり、バッテリ２０が所定電圧以下であり、前回の触媒活性回復制御から所定時間以上経過（例えば、図２におけるカウンタ成立以降の状態）し、水素漏れ判定中でなく、エアコンプレッサが停止中であることを実行許可の条件とし、基本的に、この条件が成立した際に実行される。

ところが、上記の触媒活性回復制御を実行すると、前述したように、燃料電池４０のセル総電圧が大きく変動する。したがって、絶縁抵抗測定部９０による絶縁抵抗測定中に触媒活性回復制御が実行されると、燃料電池４０の絶縁抵抗を測定した際に誤測定を生じることがある。

したがって、本実施形態にかかる燃料電池システム１００では、同じ絶縁抵抗測定許可条件が成立している場合であっても、触媒活性回復制御の実行許可の条件が不成立であるときと成立しているときとでは、以下に説明するように別々の制御を行うようにしている。

（１）絶縁抵抗測定許可条件が成立したときに、触媒活性回復制御の実行許可の条件が不成立である場合
つまり、所定の絶縁抵抗測定許可条件が成立している一方で、図２に示すように、車両が停車して間欠運転中であるにもかかわらず、未だ前回の触媒活性回復制御から所定時間が経過していない（カウンタ不成立）場合は、触媒活性回復制御の実行許可の条件が不成立の場合に該当するから、かかる場合には同図に示すように、触媒活性回復制御の実施（触媒活性回復運転）を一定時間（例えば、６０秒程度）禁止する触媒活性回復制御禁止時間（図２における触媒活性回復運転禁止の間）を設ける。

その結果、触媒活性回復制御禁止時間の間に、触媒活性回復制御の実行許可の条件が成立したとしても、触媒活性回復制御は禁止される。つまり、この触媒活性回復制御禁止時間中に、たとえ前回の触媒活性回復制御からの経過時間が所定時間を超えた（カウント成立）としても、触媒活性回復制御は行わない。かかる場合には、触媒活性回復制御禁止時間の終了後に、触媒活性回復制御が所定時間（例えば、１０秒あるいはそれ以上）実行される。したがって、触媒活性回復制御を禁止している間に、絶縁抵抗測定部９０によって精度良く絶縁抵抗を測定することができる。

（２）絶縁抵抗測定許可条件が成立したときに、触媒活性回復制御の実行許可の条件が成立している場合
つまり、所定の絶縁抵抗測定許可条件が成立している場合であって、さらに図３に示すように、車両が停車して間欠運転中であり、前回の触媒活性回復制御から所定時間が経過している（カウンタ成立）ときは、触媒活性回復制御の実行許可の条件も成立している場合にも該当するから、かかる場合には同図に示すように、触媒活性回復制御の実施を一定時間（例えば、６０秒）禁止する触媒活性回復制御禁止時間を（図３における触媒活性回復運転禁止の間）設ける。
したがって、この場合にも、触媒活性回復制御を禁止している間に、絶縁抵抗測定部９０によって精度良く絶縁抵抗を測定することができる。

しかし、かかる場合において、触媒活性回復制御を触媒活性回復制御禁止時間の経過後に実行することとすると、その後の車両の走行パターンによっては、触媒活性回復制御の実行許可の条件が成立しなくなり、一旦は触媒活性回復制御の実行許可条件が成立したことがあるにもかかわらず、触媒活性回復制御が実行されなくなる恐れがある。

そこで、かかる場合には、触媒活性回復制御を禁止する前に、所定時間（例えば、１０秒以内）だけ触媒活性回復制御を実行する。これにより、一旦は触媒活性回復制御の実行許可条件が成立したことがあるにもかかわらず、触媒活性回復制御が実行されないといった不具合を回避しつつ、絶縁抵抗測定部９０によって絶縁抵抗を良好に測定することができる。

以上、説明したように、上記実施形態にかかる燃料電池システム１００によれば、絶縁抵抗測定制御中に触媒活性回復制御の実行を禁止するので、触媒活性回復制御による電圧変動の影響を受けることなく、精度良く絶縁抵抗を測定することができる。つまり、誤測定などの不具合なく、絶縁抵抗測定制御及び触媒活性回復制御を両立させることができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 触媒活性回復制御の実行タイミングを示すタイミングチャートである。 触媒活性回復制御の実行タイミングを示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０・・・制御装置（制御部）、４０・・・燃料電池、９０…絶縁抵抗測定部、１００・・・燃料電池システム。

Claims (3)

1. 反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の絶縁抵抗を測定する絶縁抵抗測定部と、
   前記燃料電池の発電を制御する制御部とを有し、
   前記制御部が、前記絶縁抵抗測定部により絶縁抵抗を測定する前記絶縁抵抗測定制御及び前記燃料電池の触媒の活性を回復させる触媒活性回復制御を、それぞれ所定の実行条件にて実行する燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御中における前記触媒活性回復制御の実行を禁止する燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記触媒活性回復制御の実行条件が不成立のときに前記絶縁抵抗測定制御の実行条件が成立した場合には、前記触媒活性回復制御の実行を所定時間禁止する燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、前記絶縁抵抗測定制御及び前記触媒活性回復制御の実行条件が同時に成立している場合には、前記絶縁抵抗測定制御の実行前に前記触媒活性回復制御を実行する燃料電池システム。

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