JP4845342B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に燃料電池の起動制御に関する。

燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。この燃料電池は、水素などの燃料と空気とを用いて電気化学反応により電力を発生するものであり、燃料電池の起動には燃料及び空気の供給や温度制御などのために時間が必要である。例えば特開平９−２３１９９１号公報には、燃料電池を負荷（モータ）に接続する前に、所定の低電流で足りる補機類に対して電力を供給することによって、暖機運転を行い、暖機終了後に負荷に対して電気を供給することが記載されている。
特開平９−２３１９９１号公報

しかしながら、この従来技術においては、補機類への電力供給時に燃料電池が正常に動作したとしても、暖機運転直後により大きな電力を消費する負荷（例えば、車両の駆動用モータ）に電力供給先を切り替えると、負荷が急に高電流を消費するため、燃料電池電圧が低下してしまう可能性がある。例えば燃料電池車において燃料電池を起動して負荷（モータ）に接続後すぐに急発進しようとした場合に燃料電池による発電が負荷の要求電力に追いつかず、運転者の走行要求を満たさなくなる可能性がある。

本発明は、上記従来技術の問題を解決し、燃料電池を負荷に接続した後の燃料電池の出力安定性を向上することのできる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、負荷と、前記負荷に電力を供給する燃料電池と、前記負荷の消費電力相当の電力を消費する消費装置と、前記燃料電池の前記負荷に対する接続を制御する接続制御装置と、を備えている。そして、前記接続制御装置により前記燃料電池を前記負荷に接続する前に、前記燃料電池に前記負荷の消費電力相当の電力を発電させ、発電した電力を前記消費装置に供給する。このように負荷に接続する前に負荷の消費電力相当の電力を消費装置に供給することで、負荷に接続した時の燃料電池電圧の低下を防止し、負荷接続後の出力安定性を向上することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記消費装置は蓄電装置であることが望ましい。また、前記蓄電装置に充電可能な電力を発電するように前記燃料電池を制御する制御装置を更に備えることが望ましい。負荷に接続する前に燃料電池で発電された電力が蓄電装置に充電されるため、補機の駆動などで使用した蓄電装置の電力を補填することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、少なくとも前記蓄電装置の電圧に基づいて前記蓄電装置が許容する最大充電電力を算出し、この最大充電電力に基づいて前記燃料電池を制御することが望ましい。蓄電装置が許容する最大充電電力をもとに発電電圧を決定することで、蓄電装置の限界を超えてしまうことを防止できる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出装置を更に備え、前記接続制御装置は、前記消費装置への電力供給時に前記電圧検出装置が検出した燃料電池電圧が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上である場合に、前記燃料電池と前記負荷との接続を許可することが望ましい。負荷相当の電力を燃料電池に発生させても燃料電池電圧に異常がないことを確認してから負荷に接続するので、負荷接続後の出力安定性をより向上することができる。

上記燃料電池システムにおいて、前記電圧検出装置は、前記燃料電池の各セルの電圧を検出することが望ましい。各セルの電圧を検出することで、起動状態を正確に把握することができる。

本発明によれば、燃料電池を負荷に接続した後の燃料電池の出力安定性を向上することのできる燃料電池システムを提供することができる。

次に、図面を参照しながら本発明の実施の形態について、本発明を車両に適用した場合を例にとって説明する。

＜１．システム構成＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。このシステムは、燃料電池１０、電圧検出装置１１、水素供給装置１２、空気供給装置１３、走行用駆動装置２、電力変換装置３０、蓄電装置３１、蓄電制御装置３２、電子制御ユニット４を備えている。

燃料電池１０は、水素供給装置１２と空気供給装置１３を通じてそれぞれ水素と空気の供給を受け、電気化学反応により電力を発生する。電圧検出装置１１は燃料電池の各セル電圧を検出し、検出した各セルの電圧値を電子制御ユニット４に出力する。

走行用駆動装置２は例えばトラクションインバータと３相同期モータからなり、燃料電池１０や電力変換装置３０から供給された電力によって駆動力を発生して車両の車輪を駆動させる。

電力変換装置３０は例えば直流電圧変換器からなる。この電力変換装置３０は、蓄電装置３１に蓄えられた電力を走行用駆動装置２に供給したり、逆に走行用駆動装置２で発生した回生電力や燃料電池１０で発生した余剰電力を蓄電装置３１に蓄電させたりする機能を有する。また、電力変換装置３０の燃料電池側の両出力端子は燃料電池１０の両出力端子に各々接続されているので、電力変換装置３０の出力電圧によって、燃料電池１０全体の出力電圧を設定することができる。従って、電力変換装置３０は、燃料電池の制御装置を構成する。

蓄電装置３１は、本発明の消費装置を構成し、例えば二次電池又はキャパシタ等により構成することができる。この蓄電装置３１は、走行用駆動装置２の消費電力に相当する電力又はこれより大きな電力を充電電力として受容することができるように、充分な電池容量を備えたものとする。

蓄電制御装置３２は、蓄電装置３１の電圧、電池容量（ＳＯＣ）、温度に基づいて、蓄電装置に充電可能な最大充電電力を算出し、電子制御ユニット４に出力する。また、電子制御ユニット４の出力に基づき、蓄電装置３１の充放電制御を行う。

電子制御ユニット４は、図示しないアクセル開度検出装置等の出力に基づき、燃料電池の水素供給装置１２及び空気供給装置１３に対して、供給量を指示する信号を出力する。また、蓄電制御装置３２で算出された蓄電装置に充電可能な最大充電電力に基づいて、この電力以下の燃料電池発電電力を決定し、この燃料電池発電電力に基づいて燃料電池電圧を算出し、蓄電制御装置３２に送信する。更に、電子制御ユニット４は本発明の接続制御装置を構成し、燃料電池の電圧検出装置１１からの信号に基づき、負荷である走行用駆動装置２への接続の可否を判断する。具体的には、電圧検出装置１１で検出された燃料電池電圧が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上である場合に、図示しない切り替えスイッチに制御信号を送信して燃料電池１０を走行用駆動装置２に接続する。

＜２．制御フロー＞
図２は、上記実施形態の燃料電池システムによる起動確認及び負荷接続可否判断の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートによる処理は、燃料電池システム起動時に、電子制御ユニット４及び蓄電制御装置３２により実行される。

ステップＳ１において、イグニッションキーがＯＮされた場合、ステップＳ２において、水素供給が開始及び加圧され、ステップＳ３において空気供給が開始及び加圧される。

ステップＳ４において、電圧検出装置１１の出力を取り込むことで、燃料電池の各セルの電圧を検出する。そしてステップＳ５において、すべてのセル電圧が許容電圧Ｖ₁以上であるか否かを判定する。このＶ₁は例えば１セルごとに０．９Ｖとする。いずれかのセル電圧がＶ₁に達していなかった場合（ステップＳ５：ＮＯ）、ステップＳ６において燃料電池に故障などの異常があるか否かを判定し、異常があれば（ステップＳ６：ＹＥＳ）ステップＳ１６において負荷への接続不許可となって一連の処理を終了し、異常が無ければ（ステップＳ６：ＮＯ）燃料電池の起動がまだであるためステップＳ７において一定時間の経過を待ち、ステップＳ４に戻って各セル電圧を検出する。一方、すべてのセル電圧がＶ₁に達していた場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、次のステップに進んで接続許可とすべきかどうかを判断する。

ステップＳ８において、蓄電制御装置３２で算出された蓄電装置の充電可能な最大充電電力Ｐｃを検出する。そしてステップＳ９において、この最大充電電力Ｐｃに基づき、燃料電池に発電させる発電電力Ｐｒを決定する。燃料電池の発電電力Ｐｒは、充電可能電力Ｐｃより低く、かつ走行用駆動装置２の起動後の最大出力に近い値であることが望ましい。最大充電電力Ｐｃより低くするのは、蓄電装置の限界を超えないようにするためであり、走行用駆動装置の起動後の最大出力に近い値とするのは、走行用駆動装置の消費電力相当の電力を燃料電池で発電しても発電能力に支障が無いことが確認できれば、駆動装置への接続後も支障が無いと考えられるからである。更にステップＳ９においては、発電電力Ｐｒに基づき発電電流Ｉｒも決定する。この発電電流は、燃料電池１０の電力−電流特性マップに基いて決定される。

ステップＳ１０において、発電電流Ｉｒに基づき燃料電池の制御電圧Ｖｒを決定し、蓄電制御装置３２に送信する。この制御電圧Ｖｒの決定は、燃料電池１０の電圧−電流特性マップに基づいて決定される。

蓄電制御装置３２に燃料電池の制御電圧Ｖｒを送信した後、ステップＳ１１において一定期間（例えば２００ミリ秒）経過するのを待ち、ステップＳ１２において、当該一定期間が経過後の各セル電圧の値を電圧検出装置１１から読み取る。

ステップＳ１３において、各セルの電圧の値をそれぞれ許容電圧Ｖ₂と比較する。このＶ₂は例えば１セルごとに０．４Ｖとする。いずれかのセル電圧がＶ₂に達していなかった場合（ステップＳ１３：ＮＯ）、ステップＳ１４において燃料電池に故障などの異常があるか否かを判定し、異常があれば（ステップＳ１４：ＹＥＳ）ステップＳ１６において負荷への接続不許可となって一連の処理を終了し、異常が無ければ（ステップＳ１４：ＮＯ）燃料電池の起動がまだ不十分であるためステップＳ１５において一定時間の経過を待ち、ステップＳ８に戻って最大充電電力Ｐｃを算出する。一方、すべてのセル電圧がＶ₂に達していた場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）、ステップＳ１７において接続許可として一連の処理を終了する。接続許可となったら燃料電池を駆動装置に接続することが可能になるので、例えば自動車であればギアをドライブモードに入れてアクセルペダルを踏めば、安全に発進することができる。

図３は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。図１の第１実施形態と同様の部分には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第２実施形態は、燃料電池１０の発電電力を蓄電装置３１に充電して暖機運転を行っている際にも車両の走行を可能とするために、蓄電装置３１ａからの放電電圧を走行用駆動装置２に供給するものである。図３の例では、蓄電装置３１及び３１ａという２セットの蓄電装置を設けることとし、これに対応して電力変換装置も３０及び３０ａという２セット構成とした。燃料電池の暖機運転中においては、燃料電池１０で発電された電気が蓄電装置３１で充電されると共に、走行用駆動装置２で駆動用に必要な電力が蓄電装置３１ａに供給される。燃料電池１０の暖機運転終了後は、蓄電装置３１及び３１ａの両方を駆動用に、または、回生電力の充電用や燃料電池１０からの充電用に用いる。

なお、蓄電装置３１ａを走行駆動装置２に対する蓄電装置（電源）とし、蓄電装置３１を燃料電池の補機（エアコンプレッサ、ポンプ等）や車両用補機（エアコン、電動ブレーキ、電動ステアリングポンプ等）に対する蓄電装置（電源）として利用するようにして、機能を分担させてもよい。また、適宜二つの蓄電装置の電力供給先を切り替えたり、充放電の配分先を変更したりしてもよい。

この他、図３に示す構成に限らず、暖機発電用と駆動用とを切り替え可能にしてもよいし、１セットの蓄電装置を分割してそれぞれの作用をさせることとしてもよい。また、一方又は双方の蓄電装置は、二次電池の他、キャパシタ等でも良い。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示すブロック図である。 上記実施形態の燃料電池システムによる起動確認及び負荷接続可否判断の処理手順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を概略的に示すブロック図である。

符号の説明

１０ 燃料電池、１１ 電圧検出装置、２ 走行用駆動装置（負荷）、３０ 電力変換装置（制御装置）、３１ 蓄電装置（消費装置）、３２ 蓄電制御装置、４ 電子制御ユニット（接続制御装置）

Claims (4)

1. 負荷と、
   前記負荷に電力を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池の電圧を検出する電圧検出装置と、
   前記負荷の消費電力相当の電力を消費する蓄電装置と、
   前記燃料電池の前記負荷に対する接続を制御する接続制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記接続制御装置により前記燃料電池を前記負荷に接続する前に、前記燃料電池に前記負荷の消費電力相当の電力を発電させ、発電した電力を前記蓄電装置に供給するとともに、起動確認及び負荷接続可否判断処理を行い、
   前記起動確認は、前記燃料電池の発電電圧が許容電圧以上であるかの確認であり、
   前記負荷接続可否判断処理は、前記蓄電装置への電力供給時に前記電圧検出装置が検出した燃料電池電圧が所定値以上であるか否かを判定し、所定値以上である場合に、前記燃料電池と前記負荷との接続を許可する処理である、燃料電池システム。
2. 請求項１において、
   前記燃料電池の発電を制御する制御装置を更に備えた、燃料電池システム。
3. 請求項２において、
   前記制御装置は、前記蓄電装置の充電可能電力より低く、かつ前記負荷である走行用駆動装置の起動後の最大出力に近い値で、前記燃料電池の発電を制御する、燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３において、
   前記電圧検出装置は、前記燃料電池の各セルの電圧を検出する、燃料電池システム。

Images