JP4604389B2

JP4604389B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4604389B2
Application number: JP2001139248A
Authority: JP
Inventors: 利幸河合; 朋範今村; 晴彦加藤; 邦夫岡本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2021-05-09
Also published as: JP2002334712A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
例えば車両に搭載される燃料電池システムでは、車両走行に必要とされる負荷電力は、加減速などの運転者の走行パターンに応じて急激に変化するため、燃料電池の発電電力も負荷電力に応じて可変できるシステム構成となっている。
【０００３】
ところが、燃料となる水素および空気の流量制御の応答速度が遅いため、著しく変化する車両の負荷電力に対して、燃料電池の発電電力を対応させるのは困難である。このため、車載用燃料電池システムでは、燃料電池に電圧変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を介して２次電池を接続し、燃料電池が追いつかない電力の変化を一時的に２次電池が負担するシステム構成になっている。
【０００４】
このような車載燃料電池システムにおける燃料電池の発電電力制御は、インバータ電力、燃料供給用ポンプ類等の高電圧補機類の消費電力、２次電池の容量を所定値に保つために必要な２次電池の要求充放電電力、電圧変換器の変換損失電力等をすべて補うようにコントロールしなければならない。
【０００５】
このような燃料電池システムを制御する例として、例えば特開２０００−１２０５９号公報に記載の制御方法がある。この方法では、アクセル開度からインバータの要求出力を算出し、燃料電池制御部は検出したガス量に基づいて導出した出力電流・出力電圧特性から燃料電池の発電電力を計算して制御している。この方法では、燃料電池は常にガス量に対して最も効率がよいポイントで発電し、インバータの出力に対して電力を供給する一方で、過不足が生じる電力を２次電池で補うように構成されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池システムでは、燃料電池システムの総消費電力を算出して、これを燃料電池の目標発電出力としている。総消費電力の算出には電圧変換器の変換効率ｆを考慮する必要があり、この変換効率ｆはインバータ、高電圧補機類の消費電力、２次電池の要求充放電電力等を考慮して算出されるものである。
【０００７】
燃料電池の発電出力は、電力消費機器の実際の総消費電力と一致している必要がある。しかしながら、電力消費機器であるインバータ、高電圧補機類の消費電力、２次電池の要求充放電電力等の消費電力は、それぞれの機器毎に検出している。このため、そのぞれの機器毎に消費電力の検出誤差や機器間の配線抵抗の影響により、総消費電力と燃料電池の発電電力が一致しなくなるという問題があった。また、電圧変換器の変換効率ｆは温度や電流の大きさ等によっても変化するため、変換効率の値を用いると総消費電力の計算値と実際の値が一致しなくなるという問題があった。
【０００８】
このような場合、結果的に成り行きで制御されている２次電池の充放電電力でまかなわれるため、時間経過とともに電池容量が著しく変化して、最悪の場合は走行不能に陥る可能性があった。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑み、電力消費機器毎に発生する消費電力誤差等の影響を受けることなく燃料電池の目標発電電力を算出す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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素の化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池（１０）と、燃料電池（１０）と並列的に接続され、充放電可能な２次電池（１７）と、燃料電池（１０）と２次電池（１７）との間に設けられ、燃料電池（１０）の出力電圧を調整する電圧変換器（１６）と、電圧変換器（１６）の入力側の電流値および出力側の電流値を検出する複数の電流センサ（２０〜２２）と、電圧変換器（１６）の入力側の電圧値および出力側の電圧値を検出する一対の電圧センサ（３０、３１）と、電流センサ（２０〜２２）にて検出した電圧変換器（１６）の入力側電流値および出力側電流値と、電圧センサ（３０、３１）にて検出した電圧変換器（１６）の入力側電圧値および出力側電圧値とに基づいて、電圧変換器（１６）の変換効率を算出する変換効率算出手段と、電圧変換器（１６）の変換効率を用いて、燃料電池（１０）の目標発電電力を算出する目標発電電力算出手段と、目標発電電力に基づいて、電圧変換器（１６）による燃料電池（１０）の出力電圧の制御を行う出力電圧制御手段とを備え、複数の電流センサ（２０〜２２）は、燃料電池（１０）の出力電流が分配される箇所にそれぞれ設けられ、複数の電圧センサ（３０、３１）は、等電位となる箇所にそれぞれ設けられ、出力電圧制御手段は、燃料電池（１０）の出力特性が急激に変化する直前の電力となるように燃料電池（１０）の出力電圧を制御することを特徴としている。
【００１１】
これにより、電圧変換器（１６）の変換効率を算出する際に、機器毎の消費電力誤差や配線抵抗による消費電力誤差を無視することができる。このように算出した電圧変換器（１６）の変換効率を用いることで、燃料電池（１０）の目標発電電力をより正確に算出することができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用したものである。
【００１４】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池（ＦＣスタック）１０、水素供給装置１１、空気供給装置１２、インバータ１４、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）１６、２次電池１７、高電圧補機類１９等が設けられている。
【００１５】
燃料電池（ＦＣスタック）１０は、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生するものである。本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる単セルが複数積層されて構成されている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり、電気エネルギが発生する。
（水素極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（酸素極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池システムには、燃料電池１０の水素極（負極）側に水素を供給するための水素供給装置１１と、燃料電池１０の酸素極（正極）側に空気（酸素）を供給するための空気供給装置１２とが設けられている。水素供給装置１１としては、例えば改質反応により水素を生成する改質装置、あるいは水素吸蔵合金等の水素貯蔵材を内蔵して純水素を貯蔵する水素タンクを用いることができる。空気供給装置１２としては、例えばコンプレッサあるいはブロアを用いることができる。
【００１６】
燃料電池１０には、ダイオード１３を介してインバータ１４が接続されている。ダイオード１３は、燃料電池１０からインバータ１４に向けてのみ電流を流すものである。インバータ１４は、燃料電池１０から供給される直流電流を交流電流に変換して走行用モータ１５に供給し、モータ１５を駆動するように構成されている。
【００１７】
燃料電池１０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）１６を介して充放電可能な２次電池（バッテリ）１７が並列的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池１０と２次電池１７との間で電圧を変換するように構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６では電圧変換の際、電力損失が発生する。燃料電池１０で発電した余剰電力は２次電池１７に充電され、燃料電池１０の出力が不足する場合には、２次電池１７から不足電力分が供給されるように構成されている。
【００１８】
ＦＣスタック１０と２次電池１７とを並列に接続してインバータ１４に電力供給する場合、両者の電位を等しくする必要がある。そこで、本実施形態では、ＦＣスタック１０と２次電池１７の電圧が同じになるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４にて電圧変換を行っている。このような構成により、ＦＣスタック１０と２次電池１７とで、インバータ１４への電力供給分担を行うことができる。
【００１９】
２次電池１７には、２次電池１７の残存電池容量ＳＯＣを検出するＳＯＣ検出装置１８が設けられている。電池容量ＳＯＣの検出は既知の方法で行われる。例えば、２次電池１７の初期容量に対する容量の変化分を充放電の電流値と時間とを積算して求める方法、あるいは、２次電池１７のＶ−Ｉ特性から求める方法等がある。
【００２０】
図２は、２次電池１７の電池容量ＳＯＣに対する２次電池１７の充放電電力の目標電力Ｐｃｈｇを表したマップデータである。図２に示すように、２次電池１７の充放電目標電力Ｐｃｈｇは、２次電池１７の電池容量ＳＯＣに応じて変化するように予め設定されている。本実施形態では、２次電池１７の電池容量が例えば６０％となるように充放電目標電力Ｐｃｈｇが設定されている。従って、電池容量ＳＯＣが６０％以上の場合には、２次電池１７の目標充放電電力Ｐｃｈｇをマイナス値に設定する。逆に電池容量ＳＯＣが６０％に満たない場合には、２次電池１７の目標充放電電力Ｐｃｈｇをプラス値に設定する。
【００２１】
さらに、燃料電池１０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介して高電圧補機類１９が接続されている。高電圧補機類１９とは、空気供給用コンプレッサ１１等の電力を消費する機器類である。インバータ要求電力に応じて燃料供給量を変動させる必要があるため、補機類１９の消費電力ＰＨｋはインバータ要求電力に応じて可変する値である。
【００２２】
本実施形態の燃料電池システムには、電流センサ２０〜２３および電圧センサ３０、３１が設けられている。電流センサ２０〜２３は、各機器を結ぶ配線上における電流が分岐する箇所に、分岐する配線数に対して１個少ない数で配置されている。電流センサ２０〜２３が設けられていない方向への電流は、他の２個の電流センサにて算出することができる。
【００２３】
第１電流センサ２０により燃料電池１０の出力電流値ＩＦＣを検出し、第２電流センサ２１によりインバータ１４に流れる電流値ＩＭを検出し、第３電流センサ２２によりＤＣ／ＤＣコンバータ１６から流れる電流値ＩＤＣを検出し、第４電流センサ２３により２次電池１７に流れる電流値ＩＢａｔを検出する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６に流れる電流値は（ＩＦＣ−ＩＭ）で求めることができ、高電圧補機類１９に流れる電流値は（ＩＤＣ−ＩＢａｔ）で求めることができる。
【００２４】
また、電圧センサ３０、３１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を挟んで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の入力側と出力側における配線抵抗を無視した場合に等電位となる箇所に１個ずつ配置されている。第１電圧センサにより燃料電池１０側の電圧値ＶＦＣを検出し、第２電圧センサにより２次電池１７側の電圧値ＶＢａｔを検出する。
【００２５】
図３は、本実施形態の燃料電池システムの制御装置４０を示している。本実施形態の燃料電池システムには、図３に示す制御装置４０が設けられている。制御装置４０には、各種センサからセンサ信号が入力し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６等の各機器に制御信号を出力するように構成されている。
【００２６】
次に、本実施形態の燃料電池システムの作動を図４〜図６に基づいて説明する。図４は、燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。以下の制御は、所定周期で繰り返し行われる。
【００２７】
まず、車両運転者のアクセル開度等の信号に基づいて、走行目標電力ＦＰｏｗｅｒを算出する（ステップＳ１０）。この走行目標電力ＦＰｏｗｅｒが、インバータ１４の要求出力（目標出力）ＰＭｏとなる。次に、電流センサ２０〜２３、電圧センサ３０、３１により、燃料電池システム各部の電流値ＩＦＣ、ＩＭ、ＩＤＣおよび電圧値ＶＦＣ、ＶＢａｔを検出する（ステップＳ１１）。
【００２８】
次に、ＳＯＣ検出装置１８により、２次電池１７の電池容量ＳＯＣを検出し（ステップＳ１２）、図２のマップに基づいて２次電池１７の目標充放電電力Ｐｃｈｇを求める（ステップＳ１３）。
【００２９】
次に、電力分配計算をする（ステップＳ１４）。電力分配計算は、図５に示すように行われる。燃料電池１０、インバータ１４、２次電池１７、高電圧補機類１９の各機器に流れる実際の電力は、燃料電池電力Ｐｆｃ＝ＩＦＣ×ＶＦＣ、インバータ電力ＰＭ＝ＩＭ×ＶＦＣ、２次電池充放電電力ＰＢａｔ＝ＩＢａｔ×ＶＢａｔ、補機電力ＰＨｋ＝（ＩＤＣ−ＩＢａｔ）×ＶＢａｔで求めることができる。
【００３０】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の変換効率（電力効率）ｆは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の入力側電流値および出力側電流値と入力側電圧値および出力側電圧値から、ｆ＝（ＶＢａｔ×ＩＤＣ）／（ＶＦＣ×（ＩＦＣ−ＩＭ））で求めることができる。
【００３１】
上記ステップＳ１０で求めた走行目標電力ＦＰｏｗｅｒをインバータ目標電力ＰＭｏとする。燃料電池１０がインバータ目標電力ＰＭｏを出力するために必要とされる空気流量、水素流量を燃料電池１０に供給するために必要な補機類１９の目標電力ＰＨｋｏを求める。この補機類目標電力ＰＨｋｏは、インバータ目標電力ＰＭｏにより定まる値である。
【００３２】
燃料電池１０の目標発電電力Ｐｆｃｏは、計算値であるインバータ目標電力ＰＭｏ、補機類目標電力ＰＨｋｏ、２次電池目標充放電電力Ｐｃｈｇと、実測値であるＤＣ／ＤＣコンバータ１６の変換効率ｆから、Ｐｆｃｏ＝ＰＭｏ＋ｆ（ＰＨｋｏ＋Ｐｃｈｇ）で求めることができる。
【００３３】
次に、上記ステップＳ１４で計算した電力分配計算に基づいて燃料電池１０の発電制御を行う（ステップＳ１５）。具体的には、ガス供給装置１１、１２により、供給ガス量の制御を行う。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６で燃料電池１０の出力電圧の制御を行う。
【００３４】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１６による燃料電池１０の出力電圧制御について、図６に示す燃料電池１０の出力特性図に基づいて説明する。図６中のｇ１〜ｇ３は、燃料電池１０への水素供給量、空気供給量を変化させた場合の燃料電池１０の出力特性である。ｇ１が最も供給量が少なく、ｇ３が最も供給量が多い。図６に示すように、ｇ１はＡ点で、ｇ２はＢ点で、ｇ３はＣ点で出力特性が急激に変化している。
【００３５】
このため、それぞれのガス供給量において、出力特性が急変する直前のＡ〜Ｃ点で発電することで、燃料電池１０から最も効率よく多くの電力を取り出すことができる。従って、それぞれのガス供給量において最も効率よく燃料電池１０から電力を取り出せる電圧となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６で燃料電池１０の出力電圧ＶＦＣを制御する。
【００３６】
以上のように、燃料電池１０の発電電力が分配される箇所に電流センサ２０〜２３を設け、電圧が等電位となる箇所に電圧センサ３０、３１を設けることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の変換効率ｆを算出する際に、機器毎の消費電力誤差や配線抵抗による消費電力誤差を無視することができる。これにより、燃料電池１０の目標発電電力Ｐｆｃｏをより正確に算出することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記実施形態の燃料電池システムの概念図である。
【図２】２次電池の電池容量ＳＯＣと目標充放電電力Ｐｃｈｇとが関係付けられたマップデータを示す特性図である。
【図３】上記実施形態の燃料電池システムの制御ブロック図である。
【図４】上記実施形態の燃料電池システムの作動を示すフローチャートである。
【図５】上記実施形態の燃料電池システムの電力分配計算を示すブロック図である。
【図６】燃料電池の出力特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池（ＦＣスタック）、１１…水素供給装置、１２…空気供給装置、１４…インバータ、１６…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換器）、１７…２次電池、１９…補機類、２０〜２３電流センサ、３０、３１…電圧センサ。

Claims

水素と酸素の化学反応により電気エネルギを発生する燃料電池（１０）と、
前記燃料電池（１０）と並列的に接続され、充放電可能な２次電池（１７）と、
前記燃料電池（１０）と前記２次電池（１７）との間に設けられ、前記燃料電池（１０）の出力電圧を調整する電圧変換器（１６）と、
前記電圧変換器（１６）の入力側の電流値および出力側の電流値を検出する複数の電流センサ（２０〜２２）と、
前記電圧変換器（１６）の入力側の電圧値および出力側の電圧値を検出する一対の電圧センサ（３０、３１）と、
前記電流センサ（２０〜２２）にて検出した前記電圧変換器（１６）の入力側電流値および出力側電流値と、前記電圧センサ（３０、３１）にて検出した前記電圧変換器（１６）の入力側電圧値および出力側電圧値とに基づいて、前記電圧変換器（１６）の変換効率を算出する変換効率算出手段と、
前記電圧変換器（１６）の変換効率を用いて、前記燃料電池（１０）の目標発電電力を算出する目標発電電力算出手段と、
前記目標発電電力に基づいて、前記電圧変換器（１６）による前記燃料電池（１０）の出力電圧の制御を行う出力電圧制御手段とを備え、
前記複数の電流センサ（２０〜２２）は、前記燃料電池（１０）の出力電流が分配される箇所にそれぞれ設けられ、
前記複数の電圧センサ（３０、３１）は、等電位となる箇所にそれぞれ設けられ、
前記出力電圧制御手段は、前記燃料電池（１０）の出力特性が急激に変化する直前の電力となるように前記燃料電池（１０）の出力電圧を制御することを特徴とする燃料電池システム。