JP5336903B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
このような燃料電池車には、例えばリチウムイオン型の高圧バッテリ(第1エネルギストレージ)が搭載される。高圧バッテリは、加速時においてモータに向けて放電することで燃料電池をアシストしたり、減速時においてモータからの回生電力を充電したりする(特許文献1参照)。
したがって、高圧バッテリは、燃料電池の発電停止時、発電停止中に電力不足とならないように、満充電に近い状態、つまり、SOC(State Of Charge)が高い状態(例えば80%)とされる。
第2閾値は、放置されたとしても第1エネルギストレージが劣化しないと判断される値に設定されることが好ましい。
そこで、このような燃料電池システムによれば、第1エネルギストレージの温度が高くなるほど、第2閾値は低くなるように設定される。これにより、第1エネルギストレージの蓄電指標値を、この低くなる第2閾値以下とすることによって、第1エネルギストレージの劣化を適切に防止できる。
図1に示す本実施形態に係る燃料電池システム1は、図示しない燃料電池車(移動体)に搭載されている。燃料電池システム1は、燃料電池スタック10と、燃料電池スタック10のアノードに対して水素(燃料ガス、反応ガス)を給排するアノード系と、燃料電池スタック10のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス、反応ガス)を給排するカソード系と、燃料電池スタック10を冷却する第1冷却系と、燃料電池スタック10の電力を消費する電力消費系と、電力消費系の後記する高圧バッテリ74を冷却する第2冷却系と、燃料電池車を走行させる走行系と、走行系を冷却する第3冷却系と、これらを電子制御するECU100(Electronic Control Unit、電子制御装置)と、を備えている。
燃料電池スタック10は、複数(例えば200〜400枚)の固体高分子型の単セルが積層して構成されたスタックであり、複数の単セルは直列で接続されている。単セルは、MEA(Membrane Electrode Assembly:膜電極接合体)と、これを挟む2枚の導電性を有するセパレータと、を備えている。MEAは、1価の陽イオン交換膜等からなる電解質膜(固体高分子膜)と、これを挟むアノード及びカソード(電極)とを備えている。
各セパレータには、各MEAの全面に水素又は空気を供給するための溝や、全ての単セルに水素又は空気を給排するための貫通孔が形成されており、これら溝及び貫通孔がアノード流路11(燃料ガス流路)、カソード流路12(酸化剤ガス流路)として機能している。
2H2→4H++4e− …(1)
O2+4H++4e−→2H2O …(2)
アノード系は、水素タンク21と、常閉型の遮断弁22とを備えている。
水素タンク21は、配管21a、遮断弁22、配管22aを介して、アノード流路11の入口に接続されている。そして、ECU100からの指令によって遮断弁22が開かれると、水素が、水素タンク21から遮断弁22等を通って、アノード流路11に供給されるようになっている。
カソード系は、コンプレッサ31(酸化剤ガス供給手段、掃気ガス供給手段)を備えている。
コンプレッサ31は、配管31aを介して、カソード流路12の入口に接続されている。そして、コンプレッサ31は、ECU100の指令に従って作動すると、酸素を含む空気を取り込み、配管31aを介して、カソード流路12に供給するようになっている。
また、コンプレッサ31は、燃料電池スタック10の掃気時には、掃気ガスを供給する掃気ガス供給手段として機能する。
そして、燃料電池スタック10を掃気する場合において、コンプレッサ31が作動した状態で、ECU100によって掃気ガス導入弁32が開かれると、コンプレッサ31からの掃気ガスが、アノード流路11、カソード流路12にそれぞれ導入され、燃料電池スタック10に残留する水分(水蒸気、結露水)が、押し出されるようになっている。
第1冷却系は、燃料電池スタック10を冷却する系であって、冷媒ポンプ41(FC冷媒ポンプ)と、ラジエタ42と、ラジエタファン43(FCラジエタファン)と、温度センサ44とを備えている。冷媒流路13の出口は、配管42a、ラジエタ42、配管42b、冷媒ポンプ41、配管41aを介して、冷媒流路13の入口に接続されている。そして、ECU100の指令に従って、冷媒ポンプ41及びラジエタファン43が作動すると、冷媒が、冷媒流路13とラジエタ42との間で循環し、燃料電池スタック10が冷却されるようになっている。
走行系は、モータMと、モータMで発生した動力を駆動輪Wに伝達させるDT51(Drive Train)を備えている。DT51は、トランスミッション、トランスファー、デファレンシャルギヤ及び電圧調整ユニット、直流モータ制御用スイッチングユニット等の高圧電装部品、そして、冷媒流路52が形成されたウォータジャケット等から構成される。
第3冷却系は、DT51を冷却する系であって、冷媒ポンプ61(DT冷媒ポンプ)と、ラジエタ62と、ラジエタファン63(DTラジエタファン)と、温度センサ64とを備えている。冷媒流路52の出口は、配管62a、ラジエタ62、配管62b、冷媒ポンプ61、配管61aを介して、冷媒流路52の入口に接続されている。そして、ECU100の指令に従って、冷媒ポンプ61及びラジエタファン63が作動すると、冷媒が、冷媒流路52とラジエタ62との間で循環し、DT52が冷却されるようになっている。
電力消費系は、図1及び図2に示すように、VCU71(Voltage Control Unit、発電電力制限手段)と、DC/DCコンバータ72と、コンタクタ73(ON/OFFスイッチ)と、高圧バッテリ74(第1エネルギストレージ)と、温度センサ75と、電圧センサ76と、電流センサ77と、ファン78(第2冷却系)とを備えている。そして、燃料電池スタック10は、VCU71、DC/DCコンバータ72、コンタクタ73を介して、高圧バッテリ74に接続されている。
DC/DCコンバータ72は、本実施形態では、電圧の昇降圧機能を備えている。
電流センサ77(蓄電指標値検出手段)は、高圧バッテリ74を通電する現在の電流値を検出し、ECU100に出力するようになっている。
そして、ECU100は、高圧バッテリ74の電圧値及び電流値に基づいて、高圧バッテリ74の現在のSOC(蓄電指標値)を算出するようになっている。すなわち、SOCは、高圧バッテリ74の電流値及び電圧値の関数として与えられる。
燃料電池スタック10及び高圧バッテリ74は、モータM、コンプレッサ31(FCコンプレッサ)、冷媒ポンプ41(FC冷媒ポンプ)、高圧系補機79(例えば車両エアコン用コンプレッサ)、DC/DCコンバータ80に、それぞれ接続されている。そして、燃料電池スタック10及び高圧バッテリ74の電力は、モータM等に供給されるようになっている。
なお、モータM、コンプレッサ31、冷媒ポンプ41の回転を制御するためのインバータは省略している。後記するラジエタファン43等についても同様である。
図1に戻って説明を続ける。
IG91は、燃料電池システム1(燃料電池車)の起動スイッチであり、運転席周りに設けられている。また、IG91はECU100と接続されており、ECU100はIG91のON/OFF信号を検知するようになっている。
ECU100は、燃料電池システム1を電子制御する制御装置であり、CPU、ROM、RAM、各種インタフェイス、電子回路などを含んで構成されており、その内部に記憶されたプログラムに従って、各種機能を発揮し、各種機器を制御するようになっている。
ECU100(SOC算出手段)は、電圧センサ76から入力される電圧値と、電流センサ77から入力される電流値とに基づいて、高圧バッテリ74の現在のSOC(蓄電指標値)を算出する機能を備えている。
ECU100(放電判定手段)は、高圧バッテリ74の現在のSOCと、現在の温度T13とに基づいて、劣化を防止するべくSOCを低下させるため、高圧バッテリ74を放電させる必要があるか否か、つまり、高圧バッテリ74の電力を消費させる必要があるか否か判定する機能を備えている。
具体的には、現在のSOCが第1SOC(第1閾値)よりも高い場合において、高圧バッテリ74の温度T13が第4温度T4(所定第1エネルギストレージ温度)よりも高いとき、ECU100は、SOCを低下させるため、高圧バッテリ74を放電させる必要があると判定するように設定されている。
第4温度T4(例えば40℃)は、事前試験等により求められ、現在のSOCが前記した第1SOC(例えば65%)よりも高くても、高圧バッテリ74の温度T13がこの温度以下であれば、高圧バッテリ74が劣化しないと判断される温度に設定される。
ECU100(目標SOC設定手段)は、SOCを低下させるため、高圧バッテリ74を放電させる必要があると判定した場合、目標値となる目標SOC(第2閾値)を、高圧バッテリ74の現在の温度T13と、図5のマップとに基づいて設定する機能を備えている。
ECU100(放電用デバイス選択手段)は、SOCを低下させるため、高圧バッテリ74を放電させる必要があると判定した場合、高圧バッテリ74の放電用のデバイス、つまり、高圧バッテリ74の電力を消費するデバイスを選択する機能を備えている。
次に、燃料電池システム1の動作について、図3、図4を参照して説明する。
なお、初期状態において、水素及び空気が燃料電池スタック10に供給され、燃料電池スタック10はアクセル等からの要求発電量に対応して発電し、高圧バッテリ74には適宜充電されている。そして、IG91がOFFされると、図3に示す処理がスタートする。
具体的には、ECU100は、VCU71による燃料電池スタック10からの電流の取り出しを停止し、遮断弁22を閉じ、コンプレッサ31を停止する。そして、コンタクタ73をOFFし、DC/DCコンバータ72、80を停止する。
なお、高圧バッテリ74は、発電停止後、システム停止中における掃気時に必要な電力量等を考慮して、満充電(例えば、SOC:80%)に近い状態となっている。
所定時間経過したと判定した場合(S102・Yes)、ECU100の処理はステップS103に進む。一方、所定時間経過していないと判定した場合(S102・No)、ECU100は、ステップS102の判定を繰り返す。
また、システム温度(燃料電池スタック10の温度T11)に基づいて、所定時間を可変、例えば、システム温度が低くなるほど、所定時間を短くする構成としてもよい。
具体的には、ECU100は、掃気ガス導入弁32を開いた後、コンプレッサ31を作動させる。そうすると、コンプレッサ31からの掃気ガスが、アノード流路11及びカソード流路12にそれぞれ導入される。そして、アノード流路11及びカソード流路12に残留する水分(水蒸気、結露水)が押し出され、燃料電池スタック10が掃気される。
なお、アノード流路11及びカソード流路12を並行して掃気する方式に限らず、アノード流路11、カソード流路12の順で掃気する方式でもよい。
なお、このように燃料電池スタック10を掃気した場合、フラグ等によって掃気済みであることを一時的に記憶し、次回のステップS103、S104を省略してもよい。すなわち、ステップS102の判定結果がYesの後、燃料電池スタック10が掃気済みであるか否か判定し、掃気済みである場合、ステップS105に進む構成としてもよい。
現在のSOCが、第1SOCよりも高いと判定した場合(S105・Yes)、ECU100は、高圧バッテリ74を放電し、SOCを低下する必要があると判断し、その処理はステップS106に進む。
一方、現在のSOCが、第1SOCよりも高くないと判定した場合(S105・No)、ECU100は、高圧バッテリ74の放電は不要である判断し、その処理はステップS102に進む。
現在の温度T13が第4温度よりも高いと判定した場合(S106・Yes)、ECU100の処理はステップS107に進む。一方、現在の温度T13が第4温度よりも高くないと判定した場合(S106・No)、高圧バッテリ74は劣化しないと判断し、ECU100の処理はステップS102に進む。
この他、ステップS106の判定処理を省略する構成としてもよい。すなわち、ステップS105・Yesの後、ステップS107に進む構成としてもよい。
現在のSOCが目標SOC以下であると判定した場合(S110・Yes)、ECU100の処理はステップS111に進む。
一方、現在のSOCが目標SOC以下でないと判定した場合(S110・No)、ECU100の処理はステップS109に進む。なお、このようにステップS109に進み、高圧バッテリ74の放電を継続する場合、ステップS200と同様の処理を実行し、放熱用デバイスを再度選択してもよい。
その後、ECU100の処理は、ステップS102に進む。
次に、図4を参照して、放電用デバイス選択処理について説明する。
ステップS201において、ECU100は、燃料電池スタック10の現在の温度T11が第1温度T1以上であるか否か判定する。
現在の温度T11が第1温度T1以上であると判定した場合(S201・Yes)、ECU100の処理はステップS205に進む。そして、ステップS205において、ECU100は、放電用デバイスとして、燃料電池スタック10の冷却用のラジエタファン43及び冷媒ポンプ41を選択した後、ECU100の処理はステップS202に進む。
一方、現在の温度T11が第1温度T1以上でないと判定した場合(S201・No)、ECU100の処理はステップS202に進む。
現在の温度T12が第2温度T2以上であると判定した場合(S202・Yes)、ECU100の処理はステップS206に進む。そして、ステップS206において、ECU100は、放電用デバイスとして、DT51の冷却用のラジエタファン63及び冷媒ポンプ61を選択した後、ECU100の処理はステップS203に進む。
一方、現在の温度T12が第2温度T2以上でないと判定した場合(S202・No)、ECU100の処理はステップS203に進む。
現在の温度T13が第3温度T3以上であると判定した場合(S203・Yes)、ECU100の処理はステップS207に進む。そして、ステップS207において、ECU100は、放電用デバイスとして、高圧バッテリ74の冷却用のファン78を選択した後、ECU100の処理はステップS204に進む。
一方、現在の温度T13が第3温度T3以上でないと判定した場合(S203・No)、ECU100の処理はステップS204に進む。
その後、ECU100の処理は、エンドを通って、図3のステップS108に進む。
このような燃料電池システム1によれば、次の効果を得る。
燃料電池スタック10の発電停止後、所定時間経過毎のシステム監視状態において、高圧バッテリ74のSOCが第1SOC(例えば65%)よりも高い場合(S105・Yes)、高圧バッテリ74の温度T13に基づいて適切に設定された目標SOCに低下するまで(S110・Yes)、放電用デバイスによって電力を消費する。これにより、高圧バッテリ74が高いSOCで長時間放置されず、高圧バッテリ74の劣化を防止できる。
さらに、放熱用デバイスは、燃料電池スタック10の温度T11、DT51の温度T12、高圧バッテリ74の温度T13に基づいて、適切に選択される。
ECU100は、例えば、作動音及び/又は振動がより小さい放電用デバイス(電力消費手段)を優先的に作動させ、優先して電力を消費させるようにしてもよい。本実施形態では、作動音及び/又は振動が小さい順に、(1)DC/DCコンバータ80、(2)高圧バッテリ74の冷却用のファン78、(3)DT51の冷却用の冷媒ポンプ61、ラジエタファン63、(4)燃料電池スタック10の冷却用の冷媒ポンプ41、ラジエタファン43となるので、(1)DC/DCコンバータ80を優先的に作動させるとよい。なお、DC/DCコンバータ80のみを作動させると、高圧バッテリ74の電力が、12Vバッテリ81に充電されることになる。
10 燃料電池スタック(燃料電池)
41 FC冷却用の冷媒ポンプ(電力消費手段)
42 FC冷却用のラジエタ(電力消費手段)
43 FC冷却用のラジエタファン(電力消費手段)
44 温度センサ
51 DT(走行系)
61 DT冷却用の冷媒ポンプ(電力消費手段)
62 DT冷却用のラジエタ(電力消費手段)
63 DT冷却用のラジエタファン(電力消費手段)
64 温度センサ
74 高圧バッテリ(第1エネルギストレージ)
75 温度センサ
76 電圧センサ(蓄電指標値検出手段)
77 電流センサ(蓄電指標値検出手段)
78 高圧バッテリ冷却用のファン(電力消費手段)
81 12Vバッテリ(第2エネルギストレージ)
100 ECU(制御手段)
M モータ(走行系)
T11 燃料電池スタックの温度
T12 DTの温度
T13 高圧バッテリの温度
Claims (5)
- 反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池の電力を蓄える第1エネルギストレージと、
前記第1エネルギストレージの蓄電量に関する蓄電指標値を検出する蓄電指標値検出手段と、
前記第1エネルギストレージの電力を消費する電力消費手段と、
前記蓄電指標値検出手段が検出する蓄電指標値に基づいて、前記電力消費手段による電力の消費を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止後に制御を開始し、蓄電指標値が第1閾値よりも高い場合、蓄電指標値が前記第1閾値よりも低い第2閾値以下になるまで、前記電力消費手段によって前記第1エネルギストレージの電力を消費させ、
前記第1閾値は、前記第1エネルギストレージが劣化する前記第1エネルギストレージの蓄電量に関する値であり、
前記第2閾値は、放置されたとしても前記第1エネルギストレージが劣化しない前記第1エネルギストレージの蓄電量に関する値である
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記電力消費手段を複数備え、
前記制御手段は、複数の前記電力消費手段のうち、より作動音が小さい前記電力消費手段によって優先して電力を消費させる
ことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池システム。 - 反応ガスが供給されることで発電する燃料電池と、
前記燃料電池の電力を蓄える第1エネルギストレージと、
前記第1エネルギストレージの蓄電量に関する蓄電指標値を検出する蓄電指標値検出手段と、
前記第1エネルギストレージの電力を消費する複数の電力消費手段と、
前記蓄電指標値検出手段が検出する蓄電指標値に基づいて、前記電力消費手段による電力の消費を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記燃料電池の発電停止後、蓄電指標値が第1閾値よりも高い場合、蓄電指標値が前記第1閾値よりも低い第2閾値以下になるまで、前記電力消費手段によって前記第1エネルギストレージの電力を消費させる際に、複数の前記電力消費手段のうち、より作動音が小さい前記電力消費手段によって優先して電力を消費させる
ことを特徴とする燃料電池システム。 - 前記第1エネルギストレージの温度が高くなるほど、前記第2閾値は低くなる
ことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の燃料電池システム。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システムは移動体に搭載され、
前記電力消費手段は、前記燃料電池を冷却する第1冷却系、前記第1エネルギストレージを冷却する第2冷却系、前記移動体を走行させるための走行系を冷却する第3冷却系、及び、前記第1エネルギストレージの電力が充電される第2エネルギストレージ、の少なくとも1つを含む
ことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の燃料電池システム。
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