JP2003197228A

JP2003197228A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003197228A
Application number: JP2001391542A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sugiura; 浩杉浦; Tetsuhiro Ishikawa; 哲浩石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2003-07-11
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP4207424B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の発電効率の低下を抑制する。【解決手段】燃料電池により発電された電力を、電力
必要装置に供給する燃料電池システムにおいて、燃料電
池の発電特性を判断する発電特性判断手段（ステップＳ
１）と、発電特性判断手段（ステップＳ１）の判断結果
に基づいて、電力必要装置における必要電力を設定する
必要電力設定手段（ステップＳ２ないしステップＳ６）
とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気化学的な反
応により起電力を発生する燃料電池システムに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池は空気極および燃料極
および電解質を有しており、電気化学的反応により起電
力を発生する装置である。このため、燃料電池は、窒素
酸化物の排出や騒音の発生が少ないなどの利点から、各
種の用途に適用されている。ところで、燃料電池は前記
のような発電原理から、燃料電池の発電環境、例えば内
部抵抗、触媒活性などの変化により、その発電特性が変
化する。具体的には、所定温度以下では、燃料電池の出
力は低いとされている。

【０００３】そこで、燃料電池が低温度状態にある場合
は、燃料電池から負荷に対して高電力を供給することを
停止する技術が知られており、その一例が、特開平９−
２３１９９１号公報に記載されている。この公報に記載
されている燃料電池システムは、モータおよび補機類を
含む電気回路に、燃料電池と二次電池とが相互に並列に
配置されている。燃料電池とモータとの間には、切り換
えスイッチが設けられているとともに、燃料電池の内部
温度を測定する温度センサと、システム全体を制御する
制御部とが設けられている。

【０００４】上記公報に記載されている燃料電池システ
ムの始動時には、二次電池からモータに電力を供給する
一方、切り換えスイッチがオフされる。このとき、燃料
電池から補機類に対して低電流の電力を供給して、燃料
電池を暖機運転する。さらに、温度センサによる燃料電
池の温度測定に基づいて、燃料電池の暖機状態が判断さ
れる。そして、燃料電池の暖機が終了したときには、切
り換えスイッチがオンされて、燃料電池の電力がモータ
に供給される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な燃料電池システムにおいては、モータでの必要電力に
基づいて、燃料電池に供給する空気量および燃料ガス量
が制御される。しかしながら、燃料電池は温度によって
発電特性が変化するため、たとえ必要電力に基づいて空
気量および燃料ガス量を制御したとしても、燃料電池か
ら実際に出力される電力が、必要電力未満となる可能性
あった。すなわち、燃料電池に供給される空気量および
燃料ガス量に対する発電効率が低下する問題があった。

【０００６】この発明は、上記の事情を背景としてなさ
れたもので、燃料電池の発電効率の低下を抑制すること
のできるシステムを提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記目的
を達成するため請求項１の発明は、燃料電池により発電
された電力を、電力必要装置に供給する燃料電池システ
ムにおいて、前記燃料電池の発電特性を判断する発電特
性判断手段と、この発電特性判断手段の判断結果に基づ
いて、前記電力必要装置における必要電力を設定する必
要電力設定手段とを備えていることを特徴とするもので
ある。

【０００８】請求項１の発明によれば、燃料電池の発電
特性に基づいて、電力必要装置における必要電力が調整
されるため、発電要求が、燃料電池の発電特性に適合さ
せられる。したがって、燃料電池の発電に必要な空気や
燃料ガスの無駄な消費が抑制される。

【０００９】請求項２の発明は、請求項１の構成に加え
て、前記電力必要装置は、移動体の駆動輪に伝達するト
ルクを出力する電動機を有していることを特徴とするも
のである。

【００１０】請求項２の発明によれば、燃料電池の発電
特性に基づいて、車輪に伝達するトルクの要求が調整さ
れて、請求項１と同様の作用が生じる。

【００１１】請求項３の発明は、請求項１の構成に加え
て、前記電力必要装置は、前記燃料電池の発電環境を制
御する発電環境制御装置を有していることを特徴とする
ものである。

【００１２】請求項３の発明によれば、燃料電池の発電
特性に基づいて、発電環境の制御要求が調整されて、請
求項１と同様の作用が生じる。なお、発電特性判断手
段、必要電力設定手段などの機能的手段は、コントロー
ラにより達成される。

【００１３】

【発明の実施の形態】つぎに、この発明を図に示す具体
例に基づいて説明する。図２は、この発明の燃料電池シ
ステムを有する車両Ａ１の概念図である。図２におい
て、燃料電池１は、電解質（図示せず）と空気極（図示
せず）と燃料極（図示せず）とを有する公知のものであ
る。この燃料電池１には、空気供給経路２および燃料ガ
ス供給経路３が接続されている。

【００１４】また、燃料電池１を冷却する冷却流体の流
路４が設けられている。さらに、空気供給経路２を経由
して燃料電池１に供給される空気の状態を制御する空気
制御装置５が設けられている。空気制御装置５は、エア
コンプレッサ（図示せず）、エアコンプレッサを駆動す
る電動機、バルブ（図示せず）などを有している。この
空気制御装置５により、燃料電池１に供給される空気の
流量、空気の圧力、空気の供給時期などが制御される。

【００１５】さらにまた、燃料ガス供給経路３を経由し
て燃料電池１に供給する燃料ガスの状態を制御する燃料
ガス制御装置６が設けられている。燃料ガス制御装置６
は、燃料供給ポンプ（図示せず）、この燃料供給ポンプ
を駆動する電動機、バルブ（図示せず）などを有してい
る。この燃料ガス制御装置６により、燃料電池１に供給
される燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力、燃料ガスの供
給時期などが制御される。

【００１６】さらに、流路４を経由して流れ、かつ、燃
料電池１を冷却する冷却流体の流通状態を制御する冷却
制御装置７が設けられている。この冷却制御装置７のポ
ンプ（図示せず）、調圧弁（図示せず）などにより、燃
料電池１を冷却する流体の流量、流体の圧力、流体の供
給時期などが制御される。

【００１７】また、車両Ａ１の駆動力源としての機能を
有する電動機９が設けられている。この電動機９として
は、例えば３相交流型の電動機を用いることができる。
そして、電動機９の動力が車輪１１に伝達されるように
構成されている。この電動機９には、インバータ１０が
接続されているとともに、インバータ１０に対して、前
記燃料電池１と蓄電装置８とが相互に並列に接続されて
いる。蓄電装置８は、例えばバッテリまたはキャパシタ
などにより構成することができる。燃料電池１および蓄
電装置８の直流電流が、インバータ１０により交流電流
に変換されて、電動機９に供給される。

【００１８】さらに、燃料電池１および蓄電装置８の電
力を、前記空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却
装置７、補機１８に供給することができるように電気回
路が形成されている。補機１８としては、例えば、照明
装置、ワイパー、デフォッガなどが挙げられる。

【００１９】さらに、車両Ａ１の全体を制御するコント
ローラとしての電子制御装置１２が設けられている。電
子制御装置１２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）および
記憶装置（ＲＡＭ，ＲＯＭ）および入出力インタフェー
スを主体とするマイクロコンピュータにより構成されて
いる。この電子制御装置１２からは、電動機９に供給さ
れる電力を制御する信号、空気制御装置５を制御する信
号、燃料ガス制御措置６を制御する信号、冷却制御装置
７を制御する信号などが出力される。

【００２０】これに対して、電子制御装置１２には、加
速要求検知センサ１３の信号、制動要求検知センサ１４
の信号、車速検知センサ１５の信号、燃料電池１の発電
特性を検知する発電特性検知センサ１６の信号、補機負
荷検知センサ１７の信号、発電要求検知センサ１９の信
号などが入力される。発電特性検知センサ１６として
は、例えば温度センサ、湿度センサなどを用いることが
できる。温度センサおよび湿度検知センサにより、各電
極の内部を移動するイオンの移動抵抗（内部抵抗）を判
断することができる。また、温度センサにより、電極反
応を促進する触媒の活性状態を検知することができる。
なお、補機負荷検知センサ１７により、補機１８におけ
る電力要求が検知される。発電要求検知センサ１９とし
ては、充電量検知センサを用いることができる。

【００２１】上記のように構成された車両Ａ１の機能を
説明する。ここでは、燃料電池１として固体高分子型の
燃料電池が用いられている場合を例として説明する。ま
ず、燃料電池１側においては、空気供給経路２から燃料
電池１に空気が供給され、かつ、燃料ガス供給経路３か
ら燃料ガス（例えば水素ガス）が供給される。すると、
燃料極で生成された水素イオンが、電解質の内部を移動
して空気極に到達する。空気極では、水素イオンと燃料
ガスとが反応して起電力が得られる。このようにして、
燃料電池１による発電がおこなわれ、発生した直流電力
がインバータ１０を経由して電動機９に供給される。ま
た、燃料電池１は、温度や湿度などの環境により発電特
性が変化する。したがって、燃料電池１の運転により生
じた熱を冷却制御装置７により放熱し、燃料電池１の運
転温度を所定温度範囲（もしくは所定湿度範囲）に保つ
ことにより、その発電効率を高める制御がおこなわれ
る。

【００２２】一方、電子制御装置１２に入力される信
号、例えば、加速要求検知センサ１３の信号、車速検知
センサ１４の信号、および電子制御装置１２に記憶され
ているデータに基づいて、車両Ａ１における要求駆動力
が判断される。この要求駆動力に基づいて、電動機９の
トルクおよび回転数の目標値が設定される。そして、電
動機９の実際のトルクおよび回転数を、目標値に近づけ
るように、燃料電池１および蓄電装置８から電動機９に
供給される電力（電流、電圧）が制御れる。

【００２３】さらに、電子制御装置１２に入力される信
号に基づいて、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、
冷却制御装置７の駆動状態の目標値が判断される。そし
て、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装
置７の実際の駆動状態を、目標値に近づけるように、空
気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装置７に
供給される電力が制御される。例えば、空気制御装置５
のコンプレッサ、燃料ガス制御装置６のコンプレッサ、
冷却制御装置７のコンプレッサの回転数が制御される。

【００２４】上記のような各種の制御の結果、および発
電要求検知センサ１９の信号、および補機負荷センサ１
７、および電子制御装置１２に記憶されているデータに
基づいて、燃料電池１における発電状態の目標値が判断
される。そして、燃料電池１の発電状態が目標値に近づ
くように、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却
制御装置７に供給する実際の電力が制御される。

【００２５】ところで、燃料電池１の発電状態が目標値
に近づくように、空気制御装置５、燃料ガス制御装置
６、冷却制御装置７に供給する実際の電力を制御した場
合でも、燃料電池１の発電特性によっては、目標電力を
得ることができないことがある。言い換えれば、燃料電
池１の発電効率が低下する可能性がある。そこで、この
実施例においては、図１に示す制御例により、この不具
合を回避している。

【００２６】まず、燃料電池１の発電特性、具体的には
燃料電池１の内部抵抗、触媒の活性化状態などが判断さ
れる（ステップＳ１）。つぎに、ステップＳ１の判断結
果に基づいて、電動機９の制御マップを選択する（ステ
ップＳ２）。前述したように、温度変化または湿度変化
により燃料電池１の発電特性が変化するため、温度また
は湿度によって電動機９に供給可能な電力が変化する。
言い換えれば、燃料電池１の発電特性に基づいて、電動
機９の最大出力が変化する。

【００２７】図３は、燃料電池１の各温度に対応して選
択される電動機９の各種のマップである。図３におい
て、実線Ｂ１を有するマップが低温度Ｋ１で選択される
マップであり、実線Ｂ２を有するマップが中温度Ｋ２で
選択されるマップであり、実線Ｂ３を有するマップが高
温度Ｋ３で選択されるマップである。ここで、低温度Ｋ
１よりも中温度Ｋ２の方が高温であり、中温度Ｋ２より
も高温度Ｋ３の方が高温である。

【００２８】いずれのマップにおいても、所定回転数以
下では、電動機９の最大トルクがほぼ一定であり、所定
回転数以上になると、その回転数の上昇にともない電動
機９の最大トルクが低下する特性を備えている。具体的
には、低温度Ｋ１用のマップでは回転数Ｎ１以上で最大
トルクが低下し始め、中温度Ｋ２用のマップでは回転数
Ｎ２以上で最大トルクが低下し始め、高温度Ｋ３用のマ
ップでは回転数Ｎ３以上で最大トルクが低下し始める。
なお、最大トルクとは、例えば、加速要求が最大である
場合に対応するトルクである。すなわち、電動機９の最
大トルクを示すマップを、電動機９の回転数のみをパラ
メータとして選択するのではなく、電動機９の回転数お
よび温度をパラメータとする二次元マップとして設定す
る。

【００２９】そして、前記ステップＳ２においては、ス
テップＳ１の判断結果に基づいて、電動機９を制御する
ためのマップが変更される。言い換えれば、電動機９の
目標出力は、燃料電池１の発電能力以内で達成可能な値
が選択される。なお、ステップＳ２で電動機９の制御マ
ップを変更する方法としては、第１の方法と第２の方法
とが挙げられる。第１の方法とは、予め複数のマップを
電子制御装置１２に記憶しておき、ステップＳ１の判断
結果に基づいて複数のマップのいずれかを選択する方法
を意味している。第２の方法とは、基準となるマップを
電子制御装置１２に記憶しておき、ステップＳ１の判断
結果に基づいて、基準となるマップを補正して、任意の
特性のマップを得る方法を意味している。

【００３０】上記のステップＳ２についで、空気制御装
置５で消費される電力、燃料ガス制御装置６で消費され
る電力、冷却装置制御装置７で消費される電力、補機１
８で消費される電力が算出される（ステップＳ３）。こ
のステップＳ３についで、ステップＳ１の判断結果に基
づいて、燃料電池１で発生可能な目標出力を算出し、か
つ、この目標出力に対応する目標電流値を演算する（ス
テップＳ４）。

【００３１】このステップＳ４についで、燃料電池１の
実際の出力電流値が、前記目標電流値に近づくように、
燃料電池１に供給する空気の流量、燃料電池１に供給す
る燃料ガスの流量、燃料電池１を冷却する冷却流体の流
量が演算される（ステップＳ５）。このステップＳ５に
ついで、このステップＳ５の演算結果に基づいて、空気
制御装置５のエアコンプレッサの回転数、燃料ガス制御
装置６の燃料供給ポンプの回転数、冷却制御装置７のポ
ンプの回転数が制御され（ステップＳ６）、この制御ル
ーチンを終了する。なおステップＳ５において、空気の
圧力および空気の供給時期、燃料ガスの圧力および供給
時期、冷却流体の圧力および供給時期などを演算しても
よい。

【００３２】以上のように、この実施例においては、燃
料電池１の発電能力で達成可能な範囲の発電要求を選択
し、選択された発電要求に基づいて、発電環境（例え
ば、燃料電池１に供給される空気の流量、燃料電池１に
供給される燃料ガスの流量、燃料電池１を冷却する冷却
流体の流量）が調整される。したがって、“達成困難な
発電能力を目標として、その発電環境を調整するこ
と。”を回避でき、燃料電池システムの発電効率の低下
を抑制できる。なお、この実施例は、固体高分子型の燃
料電池以外の燃料電池、例えば、アルカリ水溶液型の燃
料電池、リン酸水溶液型の燃料電池、溶融炭酸液型の燃
料電池、固体電解質型の燃料電池などにも適用できる。

【００３３】ここで、図１に示す機能的手段と、この発
明の構成との対応関係を説明すれば、ステップＳ１が、
この発明の発電特性判断手段に相当し、ステップＳ２な
いしステップＳ６が、この発明の必要電力設定手段に相
当する。また、図２に示す構成と、この発明の構成との
対応関係を説明すれば、車両Ａ１が、この発明の移動体
に相当し、電動機９、空気制御装置５、燃料ガス制御装
置６、冷却制御装７が、この発明の電力必要装置に相当
し、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装
７が、この発明の発電環境制御装置に相当し、車輪１１
が、この発明の駆動輪に相当する。さらに上記実施例で
説明した事項と、この発明の構成との対応関係を説明す
れば、温度および湿度により変化する内部抵抗、温度に
より変化する触媒の活性状態などが、この発明の発電特
性に相当し、空気の供給状態、燃料ガスの供給状態、冷
却流体の供給状態などが、この発明の発電環境に相当す
る。

【００３４】なお、特許請求の範囲に記載された“発電
特性判断手段”を、“第１のコントローラ”と読み替
え、“必要電力設定手段”を“第２のコントローラ”と
読み替えることもできる。また、特許請求の範囲に記載
されている“発電特性判断手段”を“発電特性判断ステ
ップ”と読み替え、“必要電力設定手段”を必要電力設
定ステップ”と読み替え、“燃料電池システム”を“燃
料電池システムの制御方法”と読み替えることもでき
る。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、燃料電池の発電特性に基づいて、電力必要装置
における必要電力が調整されるため、発電要求が、燃料
電池の発電特性に適合させられる。したがって、燃料電
池の発電能力以上に、燃料電池の発電に必要な空気およ
び燃料ガスなどが供給されることを抑制でき、燃料電池
の発電効率の低下を抑制できる。

【００３６】請求項２の発明によれば、燃料電池の発電
特性に基づいて、車輪に伝達するトルクの要求が調整さ
れて、請求項１と同様の効果を得られる。

【００３７】請求項３の発明によれば、燃料電池の発電
特性に基づいて、発電環境の制御要求が調整されて、請
求項１と同様の効果を得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の制御例を示すフローチャートであ
る。

【図２】図１の制御例を適用できる車両の概念図であ
る。

【図３】図１の制御例で用いるマップの一例である。

【符号の説明】

１…燃料電池、５…空気制御装置、６…燃料ガス制
御装置、７…冷却制御装置、９…電動機、１８…
補機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H027 AA02 KK52 MM26 5H115 PA12 PC06 PG04 PI11 PI18 PI29 PI30 PU08 PV09 QA01 QE08 QN03 SE03 SE06 TB01 TO05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池により発電された電力を、電力
必要装置に供給する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の発電特性を判断する発電特性判断手段
と、この発電特性判断手段の判断結果に基づいて、前記電力
必要装置における必要電力を設定する必要電力設定手段
とを備えていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】前記電力必要装置は、移動体の駆動輪に
伝達するトルクを出力する電動機を有していることを特
徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記電力必要装置は、前記燃料電池の発
電環境を制御する発電環境制御装置を有していることを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。