JP2003249234A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 効率のよい燃料電池システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池１２と２次電池１８を動力源と
する移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、２
次電池の熱定格を測定する手段１９と、測定された熱定
格に基づいて燃料電池システムの応答性（主として、改
質器の応答性）を制御する手段１６とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システ
ム、特に２次電池を備えた燃料電池システムに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来の燃料電池システムとして、例えば
特開平０４‐０５１４６６号公報に開示の技術がある。
これは、電力の出力要求が燃料電池の発電量を上回る場
合に２次電池としてのバッテリからの放電により不足分
の電力を賄い、要求電力を出力するとともに、電力の出
力要求が燃料電池の発電量を下回る場合には、余剰分の
電力をバッテリに回生させるように制御するシステムで
ある。
【０００３】また燃料改質型の燃料電池システムにおい
ては、例えば特開平０９−００７６１８号公報のよう
に、負荷変化に応じて改質器の改質ガスの生成速度と温
度維持応答速度を燃料電池の発電反応要求応答速度に近
づけ、バッテリの容量を小さくするシステムがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】燃料改質型の燃料電池
システムにおいては、燃料電池と改質器と２次電池との
相互の関係を制御するためのシステムマネジメントが重
要であり、燃料電池システムを移動体（例えば、車両）
に搭載した場合には、特にその運転性に大きく係わる応
答性に関するシステムマネジメントが重要となる。運転
性に係わる応答性として、燃料電池システムとしての応
答性と改質器の応答性とがある。燃料電池システムの応
答性とは、運転者がアクセルペダルを踏み込み、その操
作量やバッテリの充電状態等に応じた必要分の燃料を改
質し、その改質ガスにより燃料電池スタックが発電を開
始し、所望の発電量に達したことをセンサが検出するま
での時間を意味する。また改質器の応答性とは、運転者
がアクセルペダルを踏み込み、その操作量やバッテリの
充電量、改質器の温度等に応じた必要分の燃料や空気や
水等を改質器に供給し、改質器から改質ガスが発生する
のをセンサが検知するまでの時間を意味する。
【０００５】しかしながら、改質器の応答性を高め、移
動体の要求電力に追従させて、改質器の運転する場合に
は、２次電池の容量を小型化できるが、改質器の応答性
を高めても要求電力の変化に対応できず、応答遅れが生
じて余剰な改質ガスが生成され、燃料電池システムの効
率が低下することになる。
【０００６】一方、移動体の要求電力に対して改質器の
応答性を抑制し、改質器の出力変化を抑えるように改質
器の運転を制御すると、システムの効率は向上するが、
２次電池への出力要求が高まり、２次電池の熱定格が厳
しくなり、２次電池の劣化や損傷を生じる恐れがある。
【０００７】本発明は、このような課題を鑑み、２次電
池の熱定格を推定し、推定した熱定格に基づき燃料電池
システムの応答性を制御することにより、効率的な燃料
電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】第１の発明は、燃料電池
と２次電池を動力源とする移動体に搭載される燃料電池
システムにおいて、２次電池の熱定格を測定する手段
と、測定された熱定格に基づいて燃料電池システムの応
答性を制御する手段とを備える。
【０００９】第２の発明は、第１の発明において、前記
燃料電池に改質ガスを供給する改質器を備え、前記燃料
電池システムの応答性は、改質器の応答性である。
【００１０】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記２次電池の熱定格としての温度を検出する手段
を備え、検出された２次電池の温度に基づいて燃料電池
システムの応答性を制御する。
【００１１】第４の発明は、第３の発明において、前記
２次電池の検出温度に基づいて２次電池の電力の受給を
制御する。
【００１２】第５の発明は、第１から４のいずれか一つ
の発明において、前記２次電池の充電状態を検出する手
段を設け、検出された２次電池の充電状態に基づいて前
記燃料電池システムの応答性を補正する。
【００１３】第６の発明は、第１から５のいずれか一つ
の発明において、燃料電池システムへの要求負荷を検出
する手段を設け、検出された負荷の所定時間での大きさ
と負荷変化量に基づいて前記燃料電池システムの応答性
を補正する。
【００１４】第７の発明は、第１から６のいずれか一つ
の発明において、燃料電池システム外部の温度を検出す
る手段を設け、検出された外気温度に基づいて前記燃料
電池システムの応答性を補正する。
【００１５】第８の発明は、第１から７のいずれか一つ
の発明において、前記燃料電池に改質ガスを供給する改
質器と、この改質器の温度を検出する手段とを備え、検
出された改質器の温度に基づいて前記燃料電池システム
の応答性を補正する。
【００１６】
【発明の効果】第１の発明は、燃料電池と２次電池を動
力源とする移動体に搭載される燃料電池システムにおい
て、２次電池の熱定格を測定する手段と、測定された熱
定格に基づいて燃料電池システムの応答性を制御する手
段を備えるため、２次電池の熱定格に応じた最適な燃料
電池システムの応答性に制御することができ、２次電池
の劣化や損傷を防止できる。
【００１７】第２の発明は、燃料電池に改質ガスを供給
する改質器を備え、燃料電池システムの応答性は、改質
器の応答性としたため、燃料電池システム中、最も律速
する改質器の応答性を制御することで、２次電池の劣
化、損傷を確実に防止できる。
【００１８】第３の発明は、２次電池の熱定格としての
温度を検出する手段を備え、検出された２次電池の温度
に基づいて燃料電池システムの応答性を制御するため、
２次電池の温度に依存する、２次電池の劣化、損傷を推
定し、温度が高い場合にはシステムの応答性を高めて、
２次電池の負荷を低減し、２次電池の温度を下げ、劣化
や損傷を防止する。
【００１９】第４の発明は、２次電池の検出温度に基づ
いて２次電池の電力の受給を制御するため、例えば、改
質器が作動していない場合に回生入力等により２次電池
の温度が上昇した場合には、２次電池への電力の供給を
停止でき、事前に２次電池の劣化や損傷を防止できる。
【００２０】第５の発明は、２次電池の充電状態を検出
する手段を設け、検出された２次電池の充電状態に基づ
いて燃料電池システムの応答性を補正するため、例えば
２次電池の充電状態がフル充電の場合には、システムの
応答性を遅くし、２次電池からの電力供給量を増加させ
ることで、２次電池の過充電を防止し、劣化や損傷を防
止する。
【００２１】第６の発明は、燃料電池システムへの要求
負荷を検出する手段を設け、検出された負荷の所定時間
での大きさと負荷変化量に基づいて燃料電池システムの
応答性を補正する。このため、例えば、負荷の大きさが
要求負荷で、その頻度が多く、かつ負荷変化が大きい場
合には、２次電池への負荷が高まり、２次電池の温度が
上昇して２次電池が劣化する恐れがあるが、システムの
応答性を速めるように補正するため、２次電池の劣化を
抑制することができる。
【００２２】第７の発明は、燃料電池システム外部の温
度を検出する手段を設け、検出された外気温度に基づい
て燃料電池システムの応答性を補正する。２次電池は外
気温度が低いほど冷却効率が高いため、低温時ほど２次
電池からの電力供給を多くするようにシステムの応答性
を補正することで、極め細かな制御を可能とするシステ
ムとすることができる。
【００２３】第８の発明は、燃料電池に改質ガスを供給
する改質器と、この改質器の温度を検出する手段とを備
え、検出された改質器の温度に基づいて燃料電池システ
ムの応答性を補正する。例えば、改質器の温度が活性温
度に達していない場合に、２次電池温度が適正温度に達
している時には２次電池から供給される電力量を多くす
るようにシステムの応答性を補正するため、極め細かな
制御を可能とするシステムとすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】以下、添付図面にしたがって本発
明の実施の形態を説明する。
【００２５】図１は、本発明を適用する燃料改質型燃料
電池システムの構成を表すものである。燃料タンク１０
から供給される燃料に基づき改質器１１が、改質反応を
生じ水素リッチの改質ガスを生成する。改質ガスは燃料
電池に供給され、さらに燃料電池１２に空気が供給され
て燃料電池１２が発電反応を生じ、その発生した電力に
よりモータ１３が駆動される。モータ１３はタイヤ１４
に連結されており、モータ１３がタイヤ１４を回転駆動
することで移動体が走行する。
【００２６】また、燃料電池１２と平行に、２次電池と
してのバッテリ１８が設置されており、燃料電池１２の
発電状態と移動体の走行に必要な電力量とに基づき、バ
ッテリ１８の電力が制御される。つまり、燃料電池１２
の発電量が移動体の要求電力量より多い場合にはその余
剰分をバッテリ１８が充電し、一方、要求電力に対して
発電量が不足する場合には、その不足分をバッテリ１８
が補充する。
【００２７】このバッテリ１８の制御は、コントロール
ユニット１６によって行われ、コントロールユニット１
６は、アクセルペダル開度センサ（負荷検出手段）１７
からの信号に基づき移動体の要求電力量を演算し、燃料
タンク１０に備えた燃料の流量を制御する制御弁２３の
開度を制御するとともに、燃料電池１２の発電量と移動
体の要求電力に応じてバッテリ１８からの電力の供給、
もしくはバッテリ１８への充電を制御する。
【００２８】さらにコントロールユニット１６には、バ
ッテリ１８の熱定格としてのバッテリ１８の温度を検出
する第１温度センサ（熱定格測定手段）１９、改質器１
１の温度を検出する第２温度センサ２０、外気温を検出
する第３温度センサ２１とバッテリ電力の残容量を測定
する手段２２の出力が入力される。
【００２９】次に図２に示すフローチャートに基づき、
コントロールユニット１６が実施する燃料電池システム
の過渡時応答性の制御内容について詳細について説明す
る。なおここで、応答性とは、燃料電池システムの応答
性のうち、最も律速する改質器１１の応答性を意味する
ものとする。
【００３０】まず、ステップ１で、アクセルペダル開度
センサ１７の信号より移動体が要求する負荷の大きさＬ
ａと、燃料電池１２の出力値と要求負荷の大きさＬａか
ら算出される負荷の傾きＬｖ（所定時間あたりの負荷変
化量）を読み取る。
【００３１】次にステップ２で、負荷の傾きＬｖが閾値
Ｒａ以上であるか判断し、閾値Ｒａ未満であれば燃料電
池のみの応答性で賄える緩やかな負荷変化と判断し、ス
テップ１０に進み、規定の応答速度ａで燃料電池システ
ムの運転を継続させ、スタートに戻る。傾きが閾値Ｒａ
以上であれば、バッテリ１８からの電力供給が必要とな
る急な負荷変化と判断し、ステップ３に進み、周囲の状
況データ（バッテリ温度ｂｔ、バッテリ残容量（以下、
ＳＯＣと示す。）、外気温度ａｔ、改質器温度ｒｔ）を
各センサから読み込む。
【００３２】なお、ステップ２で用いる負荷の傾きＬｖ
の閾値Ｒａは、例えば最大負荷を１００％としたときに
毎秒１０％と設定する。つまり、毎秒１０％以上の負荷
変化の場合にステップ３に進む。
【００３３】次にステップ４以降で具体的な燃料電池シ
ステムの応答時間Ｒｔの算出を行う。
【００３４】まずステップ４で、予め記憶したバッテリ
温度ｂｔと燃料電池システムの応答時間を表したメイン
マップ（図３）を基に燃料電池システムの応答時間の基
準時間となる値Ｒｔｍを決める。バッテリ１８は許容温
度（例えば、６０℃）以上での大出力が劣化や損傷の一
因となる可能性があることから、メインマップの特性
は、その許容温度域に近づいたときは燃料電池システム
の応答性を上げ、バッテリからの電力供給を制限するこ
とでバッテリ１８の負荷を下げるような特性としてい
る。したがって、バッテリ温度ｂｔを許容温度以下に制
御することができ、バッテリの劣化や損傷を事前に防ぐ
ことができる。
【００３５】次にステップ５で、バッテリ１８のＳＯＣ
に応じてシステム応答時間の基準時間Ｒｔｍの補正を行
う補正制御指数Ｃ１の算出を行う。なお、ＳＯＣ測定手
段２２としては、バッテリ１８における充放電の電流値
と時間を積算するものが挙げられるが、特に限定するも
のではない。
【００３６】補正制御指数Ｃ１の算出は、図４に示すよ
うなマップを用い、ＳＯＣ値ｓから応答時間の補正制御
指数Ｃ１を読み取る。このマップ特性は、ＳＯＣ値ｓが
大きいほど、補正制御指数Ｃ１が小さくなるように、言
い換えるとシステム応答性が遅くなるように設定されて
おり、このため、バッテリ１８のＳＯＣ値ｓの増加が抑
えられ、バッテリ１８の充電状態に適したシステム応答
性を備えた燃料電池システムとすることができる。
【００３７】次にステップ６で、サブルーチン（図５）
にて移動体のドライバーの運転性の分類を行う。ここで
は単位時間当たり所定値以上の出力で、かつ所定値以上
の負荷の傾き（急な負荷変化）の頻度がどのくらいある
かを判断し、運転性の判断を行う。まずステップ２１で
時間のカウンターを開始し、ステップ２２で負荷の傾き
（負荷変化率）Ｌｖ（％／秒）を算出し、次のステップ
２３でアクセルペダル開度センサ１７の検出値から求ま
る要求負荷の大きさＬａ（％、例えば、２０％以上の出
力）と負荷の傾きＬｖ（％／秒、例えば、毎秒３０％以
上の負荷変化）がそれぞれ閾値ｃおよび閾値ｄより大き
い場合は急激な負荷変化と判断し、双方ともに大きい場
合にステップ２４で運転指数Ｄｉに１を加算し、新たな
運転指数Ｄｉとする。
【００３８】本サブルーチンは、図２に示すメインルー
チンに対して算出頻度を落とすため、サブルーチンを繰
り返し、Ｔｄ値を加算し、その値が一定値ｅになったら
（ステップ２５）、ステップ２６に進み、運転性を判断
する。
【００３９】ステップ２６で、運転指数Ｄｉが閾値ｆ以
上であるならば、運転者は要求負荷が大きく、かつ負荷
変動も大きい運転性を有しているとして、ステップ２７
で制御補正指数Ｃ２＝ＢＢ（ＢＢは１より大きい値とす
る。）を図６に示すマップから設定し、一度制御補正指
数Ｃ２を算出した後はステップ２８でＴｄ、Ｄｉ値をク
リアする。制御補正指数Ｃ２を１より大きい値に設定す
ることにより、燃料電池システムの応答性を高めて、バ
ッテリへの負担を軽減できる。
【００４０】ステップ２６でＤｉ値が閾値ｆ未満である
ならば、ステップ２９に進み、制御補正指数Ｃ２に１を
設定し、ステップ２８に進む。
【００４１】このようにアクセルペダル開度センサ１７
の検出値から、所定時間内での負荷の大きさと負荷変化
を演算し、これらに基づき運転者の運転性の分類を実施
し、改質器１１の応答性を補正することで、要求負荷が
大きく、かつ負荷変化が大きい場合には改質器１１の応
答性を速める補正を行い、バッテリ１８の劣化を防止で
きる。
【００４２】次に、図２に示すメインルーチンに戻り、
ステップ７で外気温度ａｔに基づく補正制御指数Ｃ３の
算出を行う。第３温度センサ２１による読み取り値と図
７に示すマップにより外気温度ａｔに基づくシステム応
答時間の補正制御指数Ｃ３を読み取る。図７のマップ特
性は、外気温度ａｔが高いほど、補正制御指数Ｃ３が大
きく、つまりシステムの応答性が速まり、バッテリ１８
の劣化を防止できる。また例えば、外気温度が２０℃の
場合には外気温度が４０℃のときに比してバッテリの冷
却効率が高い。したがって、外気温度ａｔが低いほうが
相対的に大きな電力をバッテリ１８から供給できるよう
に補正するため、より極め細い応答性を有するシステム
とすることができる。
【００４３】次にステップ８で、改質器温度に基づくシ
ステム応答時間の補正制御指数Ｃ４の算出を、改質器温
度ｒｔと図８に示すマップにより行う。ここでは改質器
温度ｒｔが閾値ｉ（例えば、改質器１１の触媒活性温
度、７００℃）以下であって、バッテリ温度ｂｔが閾値
ｊ（例えば、２０℃）以上閾値ｋ（例えば、４０℃）未
満の場合、補正制御指数Ｃ４＝ＤＤ（ＤＤは１より小さ
い値とする。）とし、他は無補正（Ｃ４＝１）とする。
【００４４】図８のマップ特性は、改質器１１の温度が
所定温度以下（例えば、触媒活性温度以下）で、バッテ
リ１８の温度が適温域（閾値ｊとｋの温度域）にある場
合には、通常運転状態に比してバッテリ１８からの電力
供給を大きくするようにシステムの応答性を補正する。
したがって、改質器１１の温度が、例えばその触媒の活
性温度以下であるときに、バッテリ１８からの電力供給
量を増加するようにシステムの応答性を補正すること
で、細かい応答性制御が可能なシステムとすることがで
きる。
【００４５】ステップ９で、以上により算出した基準時
間Ｒｔｍおよび補正制御指数Ｃ１〜Ｃ４から、計算式：
Ｒｔ＝Ｒｔｍ／（Ｃ１×Ｃ２×Ｃ３×Ｃ４）を用いて最
終的な燃料電池応答システム時間Ｒｔを算出し、メイン
ルーチンを繰り返す。このように、バッテリ１８のＳＯ
Ｃ、要求負荷の大きさとその変化量、外気温度、改質器
温度に基づいてシステムの応答基準時間を補正すること
により、より精度よく応答システム時間Ｒｔを算出し、
燃料電池１２の劣化を防止することができる。
【００４６】以上、本発明の実施形態について説明した
が、本発明は上記の実施形態に限定されるものではな
く、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な形態で実施
し得ることは述べるまでもない。
【００４７】例えば、ここでは改質器を用いた燃料電池
システムについての説明を行ったが、燃料源として高圧
水素ボンベを用い、改質器を使用しない場合でも、応答
遅れはあり、このときにバッテリを使用する場合に本発
明は適用できる。また、ＳＯＣに関する制御について
は、ＳＯＣが極低値となる状況の場合については、もち
ろん燃料電池システムの応答性を向上させるとしてもよ
い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を示す図であ
る。
【図２】本発明の実施形態に係るシステム応答時間Ｒｔ
を算出するメインルーチンのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係るシステム基準応答時間
Ｒｔｍを算出するマップである。
【図４】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数
Ｃ１を算出するマップである。
【図５】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数
Ｃ２を算出するサブルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数
Ｃ２を算出するマップである。
【図７】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数
Ｃ３を算出するマップである。
【図８】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数
Ｃ４を算出するマップである。
【符号の説明】
１０ 燃料タンク １１ 改質器 １２ 燃料電池 １３ モータ １４ 車輪 １６ コントロールユニット １７ アクセルペダル １８ バッテリ １９ 第１温度センサ ２０ 第２温度センサ ２１ 第３温度センサ ２２ バッテリ残容量測定手段 ２３ 流量制御弁開度センサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 DD03 KK41 KK42 KK51 5H030 AS08 FF22 FF41 5H115 PA11 PG04 PI18 PU01 SE06 TI01 TI10 TO05 TR19 TU16 TU17

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】燃料電池と２次電池を動力源とする移動体
    に搭載される燃料電池システムにおいて、 ２次電池の熱定格を測定する手段と、 測定された熱定格に基づいて燃料電池システムの応答性
    を制御する手段とを備えることを特徴とする燃料電池シ
    ステム。
  2. 【請求項２】前記燃料電池に改質ガスを供給する改質器
    を備え、 前記燃料電池システムの応答性は、改質器の応答性であ
    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. 【請求項３】前記２次電池の熱定格としての温度を検出
    する手段を備え、 検出された２次電池の温度に基づいて燃料電池システム
    の応答性を制御す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。
  4. 【請求項４】前記２次電池の検出温度に基づいて２次電
    池の電力の受給を制御することを特徴とする請求項３に
    記載の燃料電池システム。
  5. 【請求項５】前記２次電池の充電状態を検出する手段を
    設け、 検出された２次電池の充電状態に基づいて前記燃料電池
    システムの応答性を補正することを特徴とする請求項１
    から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  6. 【請求項６】燃料電池システムへの要求負荷を検出する
    手段を設け、 検出された負荷の所定時間での大きさと負荷変化量に基
    づいて前記燃料電池システムの応答性を補正することを
    特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料
    電池システム。
  7. 【請求項７】燃料電池システム外部の温度を検出する手
    段を設け、 検出された外気温度に基づいて前記燃料電池システムの
    応答性を補正することを特徴とする請求項１から６のい
    ずれか一つに記載の燃料電池システム。
  8. 【請求項８】前記燃料電池に改質ガスを供給する改質器
    と、この改質器の温度を検出する手段とを備え、 検出された改質器の温度に基づいて前記燃料電池システ
    ムの応答性を補正することを特徴とする請求項１から７
    のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
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