JP6112100B2 - 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する。

燃料電池では、燃料として水素、酸化剤として酸素を含む空気を用い、化学反応により発電を行う。発電に伴い燃料電池は発熱する。燃料電池は、所定の温度範囲を外れて高温となると、水分が蒸発してドライ状態となり、発電性能が低下する。そこで、燃料電池のオーバーヒートを抑制する為に、燃料電池の冷媒温度上昇に伴って下限電圧を上昇させ、発熱を抑制する制御が行われることがある。燃料電池の特性上、下限電圧を上昇させると、それだけ出力制限にかかりやすい状態となる。このような下限電圧の設定に関する提案が種々行われている（例えば、特許文献１〜３）。

国際公開第２００８／１４６９２８号公報 特開２００９−１５８３９７号公報 特開２００８−３００２９９号公報

ところで、下限電圧を燃料電池の冷媒温度に基づいて変更すると、以下のような不都合が生じる可能性がある。例えば、ＷＯＴ（Wide Open Throttle）のように、瞬時に燃料電池の温度が上昇するような場合、一時的な温度上昇が検知されることがある。具体的には、以下の如くである。一般的に、燃料電池の温度は冷媒の温度を検出することにより推定される。そして、燃料電池の温度が上昇し、冷媒の所定の温度上昇が検出されると、冷媒の供給量を増量したり、ラジエータを通過して冷却された冷媒を供給することにより、燃料電池を冷却する。しかしながら、冷媒の温度検出を行う温度検出部に冷却された冷媒が到着するまでには所定の時間がかかる。この結果、温度検出部により冷媒の温度上昇が検出されることがある。そして、この温度上昇に基づき下限電圧を上昇させる制御が実行され、出力制限がかかってしまうことがある。このように、単に冷媒の温度に基づいて下限電圧を変更する制御を行っていると、過度な出力制限がかかり、良好な出力応答性が得られないことがある。本発明は、上記課題に鑑み、出力応答性の良好な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に接続され、前記燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒経路と、前記冷媒経路における冷媒の温度を検出する温度検出部と、前記温度検出部により検出された前記冷媒の温度を補正することにより、温度補正値を算出する温度補正部と、前記温度補正値に基づいて前記燃料電池の下限電圧を制御する下限電圧制御部と、を備え、前記温度補正部は、前記温度補正値をＴ_ｆｉｌｔ、前回の温度補正値をＴ_{ｆｉｌｔ＿ｏｌｄ}、前記冷媒の温度をＴ、係数をτとした場合、以下の式に基づいて温度補正値を算出し、前記係数は、前記冷媒の温度が所定以上である場合の前記係数に対して、前記冷媒の温度が所定値未満である場合の前記係数が大きく設定されている燃料電池システムである。

本発明によれば、出力応答性の良好な燃料電池システムを提供することができる。

図１（ａ）は実施例１に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。図１（ｂ）は制御部の構成を例示する機能ブロック図である。 図２（ａ）は下限電圧と温度補正値の関係の一例を示す図である。図２（ｂ）は時定数の温度変化の一例を示す図である。図２（ｃ）は水温および温度補正値の時間変化の一例を示す図である。図２（ｄ）は電圧の時間変化の一例を示す図である。 図３は燃料電池システムの処理を示すフローチャートの一例である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）は実施例１に係る燃料電池システム１００を例示するブロック図である。燃料電池システム１００は、車両の車輪を駆動する駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車や電気自動車等に搭載されて使用される。図１（ａ）に示すように、燃料電池システム１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）１０、燃料電池（Fuel Cell：ＦＣ）２０、水素タンク２２、およびラジエータ２４を備える。ＣＰＵ１０は制御部の一例である。ラジエータ２４は冷却部の一例である。

燃料電池２０には、空気供給流路３０、空気排出流路３２、燃料ガス供給流路３４および燃料ガス排出流路３５が接続されている。燃料ガス供給流路３４と燃料ガス排出流路３５との間には燃料ガス循環流路３６が接続されている。燃料ガス循環流路３６には気液分離器３７が設けられている。燃料ガス供給流路３４、燃料ガス排出流路３５、および燃料ガス循環流路３６は、燃料ガスである水素ガスが循環する燃料ガス経路を形成する。

空気供給流路３０には弁４３が設けられ、燃料ガス供給流路３４には弁４４が設けられている。また外部排出流路３８には弁４５が設けられている。弁４３は空気の流量を調節する。弁４４は燃料ガスの流量を調節する。弁４５は、一旦燃料電池２０内を通過した燃料オフガスの一部および不純物を、燃料ガス経路から外部に排出するための弁である。弁４５が開くことで、燃料オフガスの一部および不純物は燃料ガス経路から外部排出流路３８に流れ、外部に排出される。

また、燃料電池２０には冷媒供給流路３９および冷媒排出流路４０が接続されている。冷媒循環流路４１および４２は、それぞれ冷媒供給流路３９と冷媒排出流路４０との間に接続されている。冷媒供給流路３９、冷媒排出流路４０、冷媒循環流路４１および４２は冷媒経路を形成している。冷媒排出流路４０には三方弁４８が設けられており、三方弁４８の出口の一つに冷媒循環流路４１が接続され、別の出口に冷媒循環流路４２が接続されている。冷媒循環流路４２にはラジエータ２４が設けられている。

燃料ガス循環流路３６にはポンプ４６が設けられている。冷媒供給流路３９にはポンプ４７が設けられている。ポンプ４６および４７は、例えばルーツポンプ、スクリューポンプまたはターボポンプなどとすることができる。

空気は、大気から空気供給流路３０を通じて燃料電池２０の空気側極（酸化剤極）に供給される。水素ガスは水素タンク２２に貯留され、燃料ガス供給流路３４を通じて燃料電池２０の水素側極（燃料極）に供給される。燃料電池２０は、燃料ガスとして水素ガス、酸化剤として酸素を含む空気を用いて発電する。発電された電力は、車両の走行のためのモータ、照明、空調およびオーディオなどの機器に利用される。電圧計５１は燃料電池２０の発電する電圧（発電電圧）を検出する。

燃料電池２０における反応後の空気は、空気排出流路３２を通じて外部に排出される。反応において消費されなかった水素ガスは、燃料ガス排出流路３５から排出され、燃料ガス循環流路３６を通じて燃料ガス供給流路３４を循環し、再び燃料電池２０に供給される。

冷却水（冷媒）は冷媒供給流路３９を通じて燃料電池２０に供給され、燃料電池２０を冷却する。冷却後の冷却水は冷媒排出流路４０に排出される。冷却水は、冷媒循環流路４１および４２の一方、または両方を流れ、再び冷媒供給流路３９および燃料電池２０に供給される。冷媒循環流路４２を流れる冷却水は、ラジエータ２４において冷却される。三方弁４８の開閉状態を変えることで、冷却水の流れる経路を変えることができる。例えば冷却水が高温であれば、冷媒排出流路４０と冷媒循環流路４２とを接続し、冷却水をラジエータ２４により冷却する。

温度センサ５０は、温度検出部の一例であり、例えばサーミスタである。温度センサ５０は冷媒排出流路４０内のラジエータ２４より上流側、つまり燃料電池２０からの出口付近に設けられている。温度センサ５０は、燃料電池２０冷却後の冷却水の温度（水温）を検出する。水温は燃料電池２０の温度と相関性を有しており、燃料電池２０が低温であれば水温も低く、燃料電池２０が高温であれば水温も高い。

図１（ｂ）はＣＰＵ１０の構成を例示する機能ブロック図である。図１（ｂ）に示すように、ＣＰＵ１０は、温度取得部１２、電圧制御部１４、下限電圧制御部１６、および温度補正部１８として機能する。

温度取得部１２は、温度センサ５０の検出した水温を取得する。電圧制御部１４は、電圧計５１から燃料電池２０の発電電圧を取得し、発電電圧が下限電圧より高くなるように、発電電圧を制御する。例えば電圧制御部１４は、弁４３の開度を変更することで燃料電池２０への空気の流量を調整し、ポンプ４６の回転数および弁４４の開度などを変更することで燃料電池２０への水素ガスの流量を調整することができる。電圧制御部１４は、こうした調整を行うことにより、発電電圧を制御する。

下限電圧制御部１６は、水温に応じて発電電圧の下限である下限電圧Ｖ_ｌｌを制御する。下限電圧Ｖ_ｌｌは温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの関数である。温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔは、水温から算出される値であり、下限電圧Ｖ_ｌｌを設定するためのパラメータである。

温度補正部１８は、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔを次の式に基づいて算出する。式中のＴ_ｆｉｌｔは温度補正値であり、Ｔ_{ｆｉｌｔ＿ｏｌｄ}はＴ_ｆｉｌｔよりも、単位時間さかのぼったタイミングにおける温度補正値（前回の温度補正値）である。Ｔは水温、τは温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔを計算するための時定数（係数）である。

数１に示すように、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔは、水温Ｔと前回に算出された値Ｔ_{ｆｉｌｔ＿ｏｌｄ}との差を時定数τで除して得た値を、Ｔ_{ｆｉｌｔ＿ｏｌｄ}に加えることで得られる。このようなフィルタ処理を行うことで、水温Ｔの急激な変化変動成分を抑制し、安定した温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔを得る。時定数τが小さいほど温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化の度合い（変化率）は大きくなり、τが大きいほど温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化率は小さくなる。

図２（ａ）は下限電圧Ｖ_ｌｌと温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの関係の一例を示す図である。横軸は温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔを示し、縦軸は下限電圧Ｖ_ｌｌを示す。図２（ａ）に示すように、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔがＴ_{ｆｉｌｔ＿１}（例えば６５℃）未満では、下限電圧は最低値のＶ_０である。一方、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔがＴ_{ｆｉｌｔ＿１}より大きい場合、下限電圧はＶ_０より大きくなる。また温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔがＴ_{ｆｉｌｔ＿2}（例えば８５℃）以上では、下限電圧は最高値のＶ_ｘである。このように、下限電圧Ｖ_ｌｌは温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔに依存して変化する。前述の様に、時定数τが小さいほど温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化率は大きくなり、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化率が大きくなるほど下限電圧Ｖ_ｌｌの変化率も大きくなる。すなわち、時定数τが小さいほど下限電圧Ｖ_ｌｌの変化率も大きくなる。反対に、τが大きいほど、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化率は小さくなり、Ｖ_ｌｌの変化率も小さくなる。

図２（ｂ）は時定数の温度変化の一例を示す図である。図２（ｂ）の横軸は水温Ｔ、縦軸は時定数τを表す。図２（ｂ）に示すように、時定数τは水温Ｔとともに変化する。水温ＴがＴ２（例えば７０℃）未満において、時定数τはτ１（例えば１０秒）である。水温ＴがＴ３（例えば７５℃）以上において、時定数τはτ１より小さいτ２（例えば１秒）になる。Ｔ１は例えば６５℃であり、Ｔ２およびＴ３より低い温度である。

図２（ｃ）は水温および温度補正値の時間変化の一例を示す図である。図２（ｄ）は電圧の時間変化の一例を示す図である。図２（ｃ）および図２（ｄ）の横軸は時間を表す。図２（ｃ）の縦軸は水温Ｔおよび温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔを表す。また、実線は水温Ｔ、破線は温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔを表す。図２（ｄ）の縦軸は電圧を表し、実線は実施例１における下限電圧Ｖ_ｌｌを、破線は発電電圧を表す。なお、一点鎖線は、比較例として、τを変化させない場合の下限電圧を表す（τは例えば後述のτ２に固定）。

図２（ｃ）に示す時間ｔ１においてドライバは車両のアクセルを踏み込む（アクセルをオンにする）。燃料電池２０の発熱に伴い、冷却水の水温Ｔは上昇を始める。なお、このとき下限電圧Ｖ_ｌｌは最低値Ｖ_０である。時間ｔ２において水温ＴはＴ１（第１の温度、例えば６５℃）になる。時間ｔ３において水温ＴはＴ２程度に達し、その後下降し、時間ｔ４においてＴ１未満になる。このとき、数１の時定数τは図２（ｂ）に示したτ１である。時定数τが大きいため、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化率は小さい。具体的には、図２（ｃ）に示すように温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔは緩やかに上昇するが、図２（ａ）のＴ_{ｆｉｌｔ＿１}（例えば６５℃）未満であるため、図２（ｄ）に示すように、時間ｔ２〜ｔ４において下限電圧Ｖ_ｌｌは最低値Ｖ_０となる。

図２（ｃ）に示すように、時間の経過とともに水温Ｔは再び上昇し、時間ｔ５においてＴ１以上になる。このとき、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔも図２（ａ）におけるＴ_{ｆｉｌｔ＿１}以上になる。このため、図２（ｄ）に示すように、下限電圧Ｖ_ｌｌは最低値Ｖ_０より大きくなる。時間ｔ６において水温ＴはＴ３（第２の温度、例えば７５℃）以上になる。このとき、時定数τは図２（ｂ）に示したτ２になる。τがτ１より小さいτ２になるため、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔは急激に大きくなり、水温Ｔに近づく（図２（ｃ）参照）。温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔが急上昇するため、図２（ａ）に示すように下限電圧Ｖ_ｌｌの変化率も大きくなる。発電電圧は時間ｔ１〜ｔ６においてはほぼ一定であり、時間ｔ７以降においては下限電圧Ｖ_ｌｌとほぼ同程度になり、Ｖ_ｌｌとともに上昇する。温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔが図２（ａ）におけるＴ_{ｆｉｌｔ＿２}以上となった場合に、下限電圧Ｖ_ｌｌは最高値のＶ_ｘに到達し、その後は最高値Ｖ_ｘを維持する。

一方、図２（ｄ）に一点鎖線で示した比較例においては、下限電圧Ｖ_ｌｌが時間ｔ２〜ｔ４において一時的に上昇する。比較例では、時定数τに基づいて温度補正値を算出せず水温Ｔに基づいて下限電圧Ｖ_ｌｌを制御する、若しくはτ２（例えば１秒）のような小さい値で一定の時定数に基づいて下限電圧Ｖ_ｌｌを制御する。このため、比較例においては、下限電圧Ｖ_ｌｌが大きく変化する。つまり、図２（ｃ）に示す水温Ｔの一時的な上昇に伴い、下限電圧Ｖ_ｌｌも大きくなる（時間ｔ２〜ｔ４）。比較例においては、下限電圧Ｖ_ｌｌの上昇とともに、発電電圧も大きくなるため、出力電流が低下してしまう。

図３は燃料電池システム１００の処理を示すフローチャートである。図３の処理は、例えばドライバが、燃料電池システム１００を搭載した車両においてＷＯＴを行う際に実行される。図３に示すように、温度取得部１２は、温度センサ５０の検出した水温Ｔを取得する（ステップＳ１０）。

次に、温度補正部１８は、前回の温度補正値Ｔ_{ｆｉｌｔ＿ｏｌｄ}を取得する（ステップＳ１２）。温度補正値の履歴は、例えば不図示の記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭなどのメモリ）に記憶されている。

温度補正部１８は、図２（ｂ）に示すマップなどに基づき、水温Ｔに応じた時定数τを取得する（ステップＳ１４）。

次に温度補正部１８は、上記の数１を用いて、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔを算出する（ステップＳ１６）。

その後、下限電圧制御部１６は、算出された温度補正値_ｆｉｌｔに基づき、下限電圧Ｖ_ｌｌを設定する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８の後、処理は終了する。

実施例１によれば、温度補正部１８は水温Ｔを補正することにより温度補正値を算出し、下限電圧制御部１６は温度補正値に基づいて燃料電池２０の下限電圧を制御する。このとき温度補正部１８は、水温ＴがＴ３以上である場合における時定数τに対して、水温ＴがＴ２未満である場合の時定数を大きくする。

具体的に、水温ＴがＴ１以上かつＴ３未満である場合、温度補正部１８は時定数τを図２（ｂ）のτ１とする。このため、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化率は小さくなり、下限電圧Ｖ_ｌｌの変化率も小さくなる。したがって、発電電圧の上昇は抑制され、燃料電池２０の出力電流の低下は抑制される。この結果、良好な出力応答性が得られる。例えば図２（ｃ）および図２（ｄ）のｔ２〜ｔ４のように一時的に水温Ｔが上昇しても、下限電圧Ｖ_ｌｌの上昇幅は小さいため、出力応答性は良好である。すなわち、ラジエータ２４により冷却された冷却水が燃料電池２０に流れるまでの時間に、水温Ｔの一時的な上昇が検出されても、過度な出力制限は抑制される。これにより、ドライバがアクセルを踏み込んだ際に十分な駆動力が得られる。

また、水温ＴがＴ３以上である場合、温度補正部１８は時定数τを図２（ｂ）のτ２とする。このため、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔの変化率は大きくなり、下限電圧Ｖ_ｌｌの変化率も大きくなる。したがって、水温の上昇に伴い下限電圧Ｖ_ｌｌは上昇し、発電電圧も高くなる。下限電圧Ｖ_ｌｌおよび発電電圧は例えば図２（ｄ）に示すようにＶ_ｘになる。このように発電電圧が上昇することで、燃料電池２０の発熱が抑制され、燃料電池２０内の水分の蒸発が抑制される。したがって、燃料電池２０の発電性能の劣化が抑制される。

温度センサ５０はラジエータ２４よりも上流側に設けられている。このため、温度センサ５０の検出する水温Ｔは、ラジエータ２４による冷却前の温度であり、燃料電池２０の発熱の状態を直接反映する。例えばＷＯＴ運転の開始直後には燃料電池２０の発熱により、水温Ｔが急上昇することがある。ラジエータ２４により冷却された冷却水が温度センサ５０に到達するまでには時間がかかる。このため、温度センサ５０は水温Ｔの上昇を検出する。時定数τが小さい場合、水温Ｔが急上昇すると、温度補正値Ｔ_ｆｉｌｔも急激に大きくなってしまう。このため、図２（ｄ）の比較例のように下限電圧Ｖ_ｌｌが上昇し、発電電圧も上昇、出力電流が低下してしまう。実施例１によれば、水温Ｔが上昇しても、水温ＴがＴ３に達するまでは、温度補正部１８は時定数τを大きくし、下限電圧Ｖ_ｌｌの上昇率を小さくする。これにより発電電圧の上昇は抑制される。このため、出力電圧の低下は抑制され、運転開始の直後から優れた応答性を得ることができる。

なお、温度センサ５０は冷媒排出流路４０のどこに設けられてもよく、特に燃料電池２０の冷却水出口付近に設けられることが好ましい。冷却に用いられた直後の冷却水の温度を検出することができるからである。また、ラジエータ２４以外に例えばラジエータなどの熱交換器を設けてもよい。Ｔ_{ｆｉｌｔ＿１}、Ｔ１、Ｔ２およびＴ３は上記以外の値でもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ ＣＰＵ
１２ 温度取得部
１４ 電圧制御部
１６ 下限電圧制御部
１８ 温度補正部
２０ 燃料電池
２４ ラジエータ
３９ 冷媒供給流路
４０ 冷媒排出流路
４１、４２ 冷媒循環流路
５０ 温度センサ

Claims (1)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に接続され、前記燃料電池を冷却する冷媒が流通する冷媒経路と、
   前記冷媒経路における冷媒の温度を検出する温度検出部と、
   前記温度検出部により検出された前記冷媒の温度を補正することにより、温度補正値を算出する温度補正部と、
   前記温度補正値に基づいて前記燃料電池の下限電圧を制御する下限電圧制御部と、を備え、
   前記温度補正部は、前記温度補正値をＴ_ｆｉｌｔ、前回の温度補正値をＴ_{ｆｉｌｔ＿ｏｌｄ}、前記冷媒の温度をＴ、係数をτとした場合、以下の式に基づいて温度補正値を算出し、
   前記係数は、前記冷媒の温度が所定以上である場合の前記係数に対して、前記冷媒の温度が所定値未満である場合の前記係数が大きく設定されていることを特徴とする燃料電池システム。
   

   

   
   

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