JP4893916B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける電圧変換装置に異常が発生した場合における制御手法の改良に関する。
ＤＣ／ＤＣコンバータを介してバッテリと燃料電池とを並列に接続し、当該燃料電池の補機をＤＣ／ＤＣコンバータとバッテリとの間に接続することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ異常時であっても燃料電池の補機を駆動して燃料電池を駆動可能にしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１１８９８１号公報
しかしながら、一時的な異常であって正常復帰の可能性があるにもかかわらず、ＤＣ／ＤＣコンバータが異常となった場合に燃料電池のみの駆動に頼らざるを得ないとすれば駆動力不足となるおそれがある。
そこで、本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）の一時的な異常があった場合でも、その後の復帰を模索し、駆動力不足を最小限にすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討を行った。現状の移動体（例えば燃料電池自動車）においては、高圧コンバータで異常（フェール）が発生するとすぐに当該車両を停止させている。ところが、このようなフェールは実際には一時的なものが多く正常復帰できるものが多数あるとみられるが、例えば当該燃料電池が搭載された移動体（車両等）は停止していることが多い。この点を鑑みると、正常復帰する場合には走行を継続させることの方が便宜な場合がある。本発明者はこのような観点からさらに検討を進めると、かかる問題点を解消しうる技術を知見するに至った。
本発明はかかる知見に基づくものであり、自動車に搭載され、電圧変換装置を介して蓄電装置を燃料電池と並列に接続した燃料電池システムにおいて、前記電圧変換装置の異常発生時に該電圧変換装置を停止させる手段と、前記電圧変換装置の停止後に該電圧変換装置の正常復帰を試みる手段と、前記電圧変換装置が正常復帰するまでの間に少なくとも前記燃料電池で駆動力を発生させる手段と、少なくとも前記電圧変換装置が正常復帰するまでの間に前記電圧変換装置を通過可能な電力値に制限を設けるとともに、前記電圧変換装置が正常復帰した際に前記電圧変換装置に対する電力値の制限を徐々に解除する手段と、を備えているというものである。
本発明にかかる燃料電池システムにおいては、電圧変換装置（例えば高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ）において異常が発生した場合、ただちにシステム全体を停止させるのではなく、正常復帰が可能かどうかの判断を行うことによって復帰の可能性を模索する。すなわち、まずは当該電圧変換装置を一時的に停止（シャットダウン）させた状態で復帰するかどうかの判断を試み、可能な場合には正常復帰させることとする。また、対象となっている電圧変換装置が正常復帰するまで一時的にシャットダウンしている間は燃料電池で駆動力を発生させ続けることによってシステムによる駆動力が不足するのを抑えることとする。
燃料電池システムは、前記電圧変換装置が正常復帰した場合に発生可能な電力の上限値を前記電圧変換装置の異常発生前における電力上限値よりも低い値に設定する手段を備えていることが好ましい。
また、燃料電池システムは、前記電圧変換装置の異常発生時に前記燃料電池システムにおける電力回生を禁止する手段を備えていることが好ましい。
さらに、本発明は、自動車に搭載され、電圧変換装置を介して蓄電装置を燃料電池と並列に接続した燃料電池システムにおいて、前記電圧変換装置の異常発生時に該電圧変換装置を停止させる手段と、前記電圧変換装置の停止後に該電圧変換装置の正常復帰を試みる手段と、前記電圧変換装置が正常復帰するまでの間に少なくとも前記燃料電池で駆動力を発生させる手段と、前記電圧変換装置の異常発生時に前記燃料電池システムにおける電力回生を禁止する手段と、を備えている。
燃料電池システムにおいて、前記燃料電池で駆動力を発生させる手段は、前記燃料電池の出力を、当該燃料電池の出力要求に対し、前記電圧変換装置の正常時とは異なる運転により得ることで、前記燃料電池で駆動力を発生させることが好ましい。
本発明によれば、電圧変換装置（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ）の一時的な異常があった場合でも、その後の復帰を模索するため、駆動力不足を最小限にすることができる。
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
図１〜図３に本発明にかかる燃料電池システムの一実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システム１は、電圧変換装置１４を介して蓄電装置１５を燃料電池２と並列に接続しており、尚かつ、電圧変換装置１４の異常時に該電圧変換装置１４を停止させる手段と、電圧変換装置１４の停止後に該電圧変換装置１４の正常復帰を試みる手段と、電圧変換装置１４が正常復帰するまでの間に少なくとも燃料電池２で駆動力を発生させる手段とを備えているというものである。以下においては、まず燃料電池システム１の概略から説明し、その後、異常発生時における燃料電池システム１の制御方法の内容について説明することとする（図１〜図３参照）。
図１に本実施形態にかかる燃料電池システム１の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池システム１は、例えば燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるが、これに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム等としても用いることができるのは当然である。図示していない燃料電池セルスタックは、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。
燃料電池２への酸化ガス供給系は、エアコンプレッサ５、インタークーラ３、インタークーラ冷却用ウォータポンプ４を含んだ構成となっている（図１参照）。エアコンプレッサ５は図示しないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気を圧縮する。インタークーラ３は、圧縮されて高温となったエアを冷却する。インタークーラ冷却用ウォータポンプ４は、インタークーラ３を冷却するための冷却水を循環させる。エアコンプレッサ５によって圧縮されたエアは、このようにインタークーラ３によって冷却された後、加湿器１７を通過し、燃料電池２のカソード（酸素極）へと供給される。燃料電池２の電池反応に供された後の酸素オフガスはカソードオフガス流路１６を流れてシステム外へと排気される。この酸素オフガスは燃料電池２での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。そこで、加湿器１７により、低湿潤状態にある供給前の酸化ガスと、カソードオフガス流路１６を流れる高湿潤状態の酸素オフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。
燃料電池２への水素ガス供給系は、燃料としての水素を燃料電池２へと供給するためのシステムとして構成されている。例えば本実施形態の場合には、複数例えば４本の高圧水素タンク（図示省略）を水素貯蔵源として並列に配置し、水素ガス供給路２３によって燃料電池２のアノード（燃料極）へと導くようにしている。
また、燃料電池２の冷却水（ＬＬＣ）の出入口には、当該冷却水を循環させるための冷却水配管１１が設けられている。この冷却水配管１１には、冷却水を送り出すウォータポンプ１０と、冷却水供給量を調節するための流路切替弁１２とが設けられている。
燃料電池２で発電された直流電力の一部は電圧変換装置（高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ）１４によって降圧され、高圧の蓄電装置として機能する二次電池（以下、高圧バッテリといい、符号１５で示す）に充電される。モータインバータ（トラクションインバータ）７は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ８に交流電力を供給する。また、ウォータポンプインバータ９は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してウォータポンプ１０に交流電力を供給する。さらに、エアコンプレッサ駆動用インバータ６は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してエアコンプレッサ５に交流電力を供給する。
制御装置１３は、例えば燃料電池自動車に搭載されている場合であればアクセル開度や車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２が目標電力に一致するようにシステムを制御する装置である。具体的に説明すると、この制御装置１３は、エアコンプレッサ駆動用インバータ６を制御することによって当該エアコンプレッサ５を駆動するモータ（図示省略）の回転数および酸化ガス供給量を調整する。また、インタークーラ冷却用ウォータポンプ４を制御することによって圧縮エアの温度を調整する。さらに、モータインバータ７を制御してトラクションモータ８の回転数を調整し、ウォータポンプインバータ９を制御してウォータポンプ１０を調整する。さらには、電圧変換装置１４を制御して燃料電池２の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２の出力電力が目標電力に一致するように調整する。
また、本実施形態における制御装置１３は、電圧変換装置１４の異常時に該電圧変換装置１４を停止させるための手段、電圧変換装置１４の停止後に該電圧変換装置１４の正常復帰を試みるための手段、電圧変換装置１４が正常復帰するまでの間に少なくとも燃料電池２で駆動力を発生させるための指令を行う手段としても機能するものである。これら各機能は、例えば当該制御装置１３内の演算処理装置に格納されたプログラムによって実現されうる。
続いて、本発明の実施形態を以下に説明する。本実施形態においては燃料電池システム１の電圧変換装置１４に異常ないしは異変が発生した場合に所定の処理を行い、正常復帰を模索して可能な場合には復帰させるようにしている。なお、本明細書では電圧変換装置１４にて発生する異常なしいは異変のことをフェールとも称している。ここでいうフェールとは、少なくとも所望の動作を行うことができないような状態に一次的ないしは恒常的に陥っていることをいう。
以下、具体例を挙げて説明する（図２、図３参照）。ここでは、電圧変換装置１４の一例として高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下、単に高圧コンバータともいい、符号１４で示す）を例示し、当該高圧コンバータ１４にてフェールが発生した場合について説明する。
まず、フェール発生時における正常復帰のための制御を開始する（ステップ１）。例えば燃料電池自動車等の移動体であれば、燃料電池システム１のＩＧ（イグニッション）装置を起動させると同時に正常復帰制御も開始させることとすればどのようなタイミングでフェールが発生したとしても正常復帰動作を試みることが可能になる点で好ましい。
ここで、高圧コンバータ１４にてフェールが発生したら（ステップ２）、当該高圧コンバータ１４をいったん停止させてシャットダウンの状態とする（ステップ３）。例えば図３においては、時間ｔ１に高圧コンバータ１４にてフェールが発生したとすれば当該高圧コンバータ１４を一時的に停止状態とする。ただし、この場合に燃料電池２自体は停止させることなく、当該燃料電池２が発電する電力によって燃料電池システム１の運転を継続する（便宜上、本明細書ではこの状態を燃料電池２による成行き運転、または単に成行き運転と称する）。ここで燃料電池システム１における供給可能な電力についてみてみると、時間ｔ１までは燃料電池２が発電する電力と高圧バッテリ（二次電池）１５から供給されうる電力とを足した量の電力供給が可能な状態にあったものが、フェール発生（時間ｔ１）に伴い高圧コンバータ１４が一時的にシャットダウン状態となることにより、燃料電池２の電力のみが供給されうる状態となる（図３参照）。本実施形態の燃料電池自動車の場合には、この燃料電池２による成行き運転によりトラクションモータ８を引き続き駆動することとする。
また、この成行き運転中においては、エアストイキを上げた状態で運転を行うことが好ましい。燃料ガスの供給量をフェール発生時点よりも増やすことにより（水素リーン→水素リッチ）、燃料電池２におけるセル電圧が低下するのを抑えることができる。エアストイキ（エアストイキ比ともいう）とは酸素余剰率のことをいい、過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。
さらに、本実施形態においては高圧コンバータ１４を通過するパワー（電力）を制限することとしている（ステップ４）。この場合、高圧コンバータ１４が一時的に停止状態であることに加え、制御が加わることによって通過可能なパワー（電力）があらかじめ制限された状態となる。したがって、仮にこの状態で高圧コンバータ１４の停止状態が解けても通過可能なパワーは制限されたままということになる。このような通過パワー制限（ステップ４）は、例えば制御装置１３によって演算上の制限を行うことにより実施することができる。なお、本実施形態においては高圧コンバータ１４をシャットダウンさせてからすぐに通過パワーを制限することとしているが（ステップ３、ステップ４）、制限のタイミングはこのようなものに限られることはなく、少なくともシャットダウンを解除するまでに行うことができればよい。
ここで、上述のパワー制限について説明を加えておくと以下のとおりである。すなわち、通常は、燃料電池２とトラクションモータ８（あるいはモータインバータ７）との間における電圧ないし電流は制御装置１３によって能動的に制御されているが、例えば本実施形態のようにフェールが発生した場合には発電側と消費側との間のバランスによって受動的に決まってくることがある。このような状況下、パワー（電力）の変動を抑えるという観点からすれば、高圧コンバータ１４を復帰させる場合にはこのように受動的に決まってくる値またはその近傍に指令値を設定することが望ましい。復帰時（時間ｔ２）における電圧指令として、成行き運転時におけるものをそのまましきい値に設定すればシステム上はもっとも好ましいということになる。
また、高圧コンバータ１４の復帰後における電力上限値は、フェール発生前の値にいわばレートをかけて少ない値となっていることが好ましい。こうすることにより、高圧コンバータ１４が一時的なフェール現象から復帰した際のパワー変動を抑えることが可能となる。例えば本実施形態では、復帰後のパワー上限値をフェール発生前よりもΔＰ（一例として、フェール発生前のＢＡＴ電力の２０％程度）下げるようにしている（図３参照）。
続いて、上述の成行き運転の実施後、高圧コンバータ１４が正常状態に復帰したかどうかを判断する（ステップ５）。正常状態に復帰した場合にはステップ７へと進む（図２参照）。一方、正常状態に復帰していなければ（ステップ５のＮＯ）、当該高圧コンバータ１４において発生したフェールが一定時間継続しているのかどうかの判定を行う（ステップ６）。継続していない（つまりフェールが発生してからまだ一定の時間が経過していない）のであればステップ５に戻り、正常状態に復帰したかどうかを再び判断する。逆に、フェールが一定時間継続しているのであれば当該フェールは一時的なものではないと判断し、燃料電池システム１を停止させる（ステップ１３）。なお、本実施形態においてはこのステップ１３にて燃料電池システム１を停止させることとしているがこれは一例に過ぎず、そのまま燃料電池２による成行き運転を継続してもよい。
高圧コンバータ１４が正常状態に復帰した場合、ステップ７においてシャットダウンの解除を行う。ここでは、停止状態を解除することによって当該高圧コンバータ１４を駆動可能な状態とする（ステップ７）。また、成行き運転に合わせてエアストイキを変更していた場合にはここで元の状態に戻す。
さらに、シャットダウンの解除（ステップ７）に引き続き、高圧コンバータ１４に対するパワー制限を解除する（ステップ８）。この場合、パワー制限の解除は図２に示しているように段階的に行うことが好ましい。もし、制限されていたパワー（電力）が瞬時的に戻ったとするとこれに伴いトラクションモータ８の駆動力が増え、場合によっては燃料電池自動車の振動やショックといった形で表れ、ひいては乗員の乗心地やドライバビリティを損ねるというおそれがある。これに対し、本実施形態のように解除を段階的に行うこととすればこのような事態を避け、フェール発生に伴う動作の急変を回避することが可能となる。なお、図２においては時間ｔ２以降パワー制限を階段状に解除していく様子を示しているが、これは一例に過ぎず、例えば直線状あるいは曲線状の右上がりの斜線で表されるように無段階に解除していくようにしても構わない。要は、パワーを瞬時的にではなく徐々に戻すようにして急変を抑制できるようにすれば乗心地等を損ねないで済む。
また、本実施形態では、上述のようにシャットダウンを解除しつつ、再度フェールが発生していないかどうかの判断を行うこととしている（ステップ９）。ここでフェールが発生した場合にはステップ１１へと進む（図２参照）。フェールが発生していなければ、パワー制限が完全に解除されたかどうかの判断を行い（ステップ１０）、完全解除に至っていない場合にはステップ８に戻って制限をさらに解除することとする。
一方で、ステップ１０においてパワー制限が完全に解除されたと判断した場合には（ステップ１０のＹＥＳ）、フェール発生に対する一連の処理を終了する（ステップ１２）。より具体的に説明すると、時間ｔ２以降、パワー制限を段階的に解除していった結果、電力が上限値（ここでの上限値は、フェール発生前に比べてΔＰだけ少ない値に設定されたもの）に達した場合には制限が完全に解除され、高圧コンバータ１４が正常状態に復帰したと判断することができる。
ここまで説明した本実施形態の制御方法によれば、例えば高圧コンバータ１４のような電圧変換装置に一時的な異常が生じたような場合に、正常復帰の可能性を模索し、可能な場合にはこれを復帰させることが可能である。これによれば、一時的異常が発生した際にも燃料電池システム１としての駆動力が不足するのを極力抑えることが可能となる。また、電圧変換装置に異常（フェール）が発生したからといってシステムを停止（あるいは燃料電池自動車を停止）させることなく状況に応じて運転を継続させることも可能となる。しかも、当該異常が一時的なものでなければシステムを停止させる（あるいは燃料電池２による成行き運転のみとする）ようにしているから、いわばフェールセーフの技術として安全性と信頼性を確保しつつも駆動力不足に陥るのを回避することができる、運転効率を向上させうるという点できわめて好適である。
なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態における制御方法に、回生禁止指令を加えることとしてもよい。すなわち、フェール発生および復帰制御開始のタイミング（時間ｔ１）で、燃料電池システム１における電力回生を禁止ないしは減少する制御を行うこととすれば、電圧変換装置を一時的に停止させている間、駆動力が不足するのを抑制することが可能となる。具体例を示せば以下のとおりである（図４参照）。
まず、フェール発生時における正常復帰のための制御を開始する（ステップ２１）。ここで、高圧コンバータ１４にてフェールが発生したら（ステップ２２）、当該高圧コンバータ１４をいったん停止させてシャットダウンの状態とする（ステップ２３）。例えば図３においては、時間ｔ１に高圧コンバータ１４にてフェールが発生したとすれば当該高圧コンバータ１４を一時的に停止状態とする。ただし、この場合に燃料電池２自体は停止させることなく、当該燃料電池２が発電する電力によって燃料電池システム１の運転を継続する。ここで燃料電池システム１における供給可能な電力についてみてみると、時間ｔ１までは燃料電池２が発電する電力と高圧バッテリ（二次電池）１５から供給されうる電力とを足した量の電力供給が可能な状態にあったものが、フェール発生（時間ｔ１）に伴い高圧コンバータ１４が一時的にシャットダウン状態となることにより、燃料電池２の電力のみが供給されうる状態となる（図３参照）。
さらに、高圧コンバータ１４を通過するパワー（電力）を制限する（ステップ２４）。この場合、高圧コンバータ１４が一時的に停止状態であることに加え、制御が加わることによって通過可能なパワー（電力）があらかじめ制限された状態となる。なお、ここでは高圧コンバータ１４をシャットダウンさせてからすぐに通過パワーを制限することとしているが（ステップ２３、ステップ２４）、制限のタイミングはこのようなものに限られることはなく、少なくともシャットダウンを解除するまでに行うことができればよい。
さらに、本実施形態においては、トラクションモータ（ＴＲＣモータ）８の回生動作を禁止する（ステップ２５）。なお、図４においてはフローチャートで表しているためステップ２４に引き続きステップ２５を実施する表現となっているが、実質的には通過パワーの制限（ステップ２４）と同時にトラクションモータ８の回生動作を禁止しているものと扱うことができる。
続いて、高圧コンバータ１４が正常状態に復帰したかどうかを判断する（ステップ２６）。正常状態に復帰した場合にはステップ２８へと進む）。一方、正常状態に復帰していなければ（ステップ２６のＮＯ）、当該高圧コンバータ１４において発生したフェールが一定時間継続しているのかどうかの判定を行う（ステップ２７）。継続していない（つまりフェールが発生してからまだ一定の時間が経過していない）のであればステップ２６に戻り、正常状態に復帰したかどうかを再び判断する。逆に、フェールが一定時間継続しているのであれば当該フェールは一時的なものではないと判断し、燃料電池システム１を停止させるか、あるいは高圧コンバータ１４が停止した状態のままの走行を継続する（ステップ３６）。
高圧コンバータ１４が正常状態に復帰した場合、ステップ２８においてシャットダウンの解除を行う。ここでは、停止状態を解除することによって当該高圧コンバータ１４を駆動可能な状態とする（ステップ２８）。
さらに、本実施形態においては、その時点における燃料電池２の電圧値（電圧現在値）が、高圧コンバータ１４に対する電圧指令値と等しくなったかどうかを判断し（ステップ２９）、等しくなったらステップ３０へと進む。電圧値（電圧現在値）が電圧指令値と等しくなったことを受け、ステップ３０のおいてはトラクションモータ８に対する回生禁止を解除する（図４参照）。さらに、高圧コンバータ１４に対するパワー制限を段階的に解除する（ステップ３１）。
また、上述のようにシャットダウンを解除しつつ、再度フェールが発生していないかどうかの判断を行う（ステップ３２）。ここでフェールが発生した場合にはステップ３４へと進む（図４参照）。フェールが発生していなければ、パワー制限が完全に解除されたかどうかの判断を行い（ステップ３３）、完全解除に至っていない場合にはステップ３１に戻って制限をさらに解除することとする。
一方で、ステップ３３においてパワー制限が完全に解除されたと判断した場合には、フェール発生に対する一連の処理を終了する（ステップ３５）。より具体的に説明すると、時間ｔ２以降、パワー制限を段階的に解除していった結果、電力が上限値（ここでの上限値は、フェール発生前に比べてΔＰだけ少ない値に設定されたもの）に達した場合には制限が完全に解除され、高圧コンバータ１４が正常状態に復帰したと判断することができる。
本発明の実施形態にかかる燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の実施形態における制御の内容を示すフローチャートである。 燃料電池システムにおける電力（パワー）の変化の一例を示すグラフである。 本発明の他の実施形態における制御の内容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、２…燃料電池、１３…制御装置、１４…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）、１５…高圧バッテリ（蓄電装置）

Claims (3)

  1. 自動車に搭載され、電圧変換装置を介して蓄電装置を燃料電池と並列に接続した燃料電池システムにおいて、
    前記電圧変換装置の異常発生時に該電圧変換装置を停止させる手段と、
    前記電圧変換装置の停止後に該電圧変換装置の正常復帰を試みる手段と、
    前記電圧変換装置が正常復帰するまでの間に少なくとも前記燃料電池で駆動力を発生させる手段と、
    少なくとも前記電圧変換装置が正常復帰するまでの間に前記電圧変換装置を通過可能な電力値に制限を設けるとともに、前記電圧変換装置が正常復帰した際に前記電圧変換装置に対する電力値の制限を徐々に解除する手段と、
    前記電圧変換装置が正常復帰した場合に発生可能な電力の上限値を前記電圧変換装置の異常発生前における電力上限値よりも低い値に設定する手段と、
    を備えていることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記電圧変換装置の異常発生時に前記燃料電池システムにおける電力回生を禁止する手段を備えてい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。
  3. 前記燃料電池で駆動力を発生させる手段は、前記燃料電池の出力を、当該燃料電池の出力要求に対し、前記電圧変換装置の正常時とは異なる運転により得ることで、前記燃料電池で駆動力を発生させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
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