JP2004362985A - 燃料電池システム及びその出力制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】自動車内の燃料電池及び二次電池といった電源部について、安全に、効率よく且つ故障の状況に応じて適切に制御する。
【解決手段】燃料電池１１の出力と、二次電池１２の出力と、燃料電池１１への水素及び酸素のそれぞれの流入とを、各種のスイッチ１８〜２０及びバルブ２１〜２３で個別に制御する。これらの制御を、燃料電池１１及び二次電池１２からのそれぞれの出力電流及び出力電圧や、自動車内通信線３８，３９を通じて与えられる車速やトルク等の情報に基づいて行う。これにより、安全に、効率よく且つ故障の状況に応じて適切に制御することができる。
【選択図】 図１
【解決手段】燃料電池１１の出力と、二次電池１２の出力と、燃料電池１１への水素及び酸素のそれぞれの流入とを、各種のスイッチ１８〜２０及びバルブ２１〜２３で個別に制御する。これらの制御を、燃料電池１１及び二次電池１２からのそれぞれの出力電流及び出力電圧や、自動車内通信線３８，３９を通じて与えられる車速やトルク等の情報に基づいて行う。これにより、安全に、効率よく且つ故障の状況に応じて適切に制御することができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車に搭載され、燃料電池と二次電池とが並列に接続されてモータ等の負荷に電源供給する燃料電池システム及びその出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、基本的に水素と酸素を電気化学的に反応させることで、水を生成すると同時に電気を外部に取り出すものであり、電気化学反応によって燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、エネルギー変換に伴って発生する損失が少なく、高い発電効率が得られる。また、有害物質である窒素酸化物の発生が少なく、二酸化炭素の発生量も少ない。さらに、基本的には電気化学反応で発電するため、エンジンやタービンのように騒音・振動を発生することがないことから、極めて低騒音・低振動となる。これらのことから、近年では、自動車向けの高効率の動力原として、実用化に向けた研究開発が進められている。
【０００３】
図４は、自動車内のモータ等の負荷１を駆動するために燃料電池２が搭載された燃料電池システムのブロック図である。この例では、燃料電池２と二次電池３とが並列に接続されて併用され、これらの両方が、負荷１に対して電力を供給する電源部４として使用される。また、負荷１の駆動はインバータ等の駆動回路５によって行われる。
【０００４】
そして、この電源部４と駆動回路５との間に設けられたリレー等の接点６を、制御回路７の制御によって開閉動作を行う。具体的には、負荷１の短絡（ショート）などにより過電流状態や加熱状態等の異常状態となったとき、この異常状態を制御回路７により検出し、接点６をオフに切り換える。
【０００５】
尚、図４中の符合８は水素供給部を示している。
【０００６】
この他、過電流状態や加熱状態等の異常状態において、ブレーカまたはヒューズ等で負荷に対する通電をオフすることも行われている。
【０００７】
このような燃料電池システムについての先行技術文献を次に示しておく。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−０７４５３３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池システムでは、上述のように、過電流状態や加熱状態等の異常状態となったとき、この異常状態を制御回路７により検出し、接点６をオフにしたり、ブレーカまたはヒューズ等で電源部４からの通電をオフにしていた。この場合は、負荷１に対する電流がすべて切断されてしまう。
【００１０】
ところで、実際の負荷１の駆動においては、ある程度の異常状態においても、一定の負荷動作を継続して実行したい場合もある。しかしながら、従来の燃料電池システムでは、負荷１に対する電流がすべて切断されてしまうため、一定の負荷動作を継続したい場合に、その対応が困難であった。
【００１１】
そこで、この発明の課題は、より効率よく且つ異常状態の種類や程度に応じて適切な制御を行うことの可能な燃料電池システム及びその出力制御方法を提供することにある。
【００１２】
また、電源部４と負荷１との間の電流経路を遮断することは可能であるが、燃料電池２の場合は電流経路が遮断されても、水素と酸素の電気化学反応は継続して行われるため、発電が停止することはない。このことから、燃料電池２を使用する場合は、水素と酸素の電気化学反応自体を停止させる必要がある。
【００１３】
そこで、この発明の課題は、異常状態の種類や程度に応じて適切且つより安全な制御を行い得る燃料電池システム及びその出力制御方法を提供することにもある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、自動車に搭載され、化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源とする燃料電池システムであって、燃料電池及び二次電池が互いに並列に接続されてなる電源部と、前記燃料電池に前記化学物質を供給する化学物質供給部と、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第１のスイッチと、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第２のスイッチと、少なくとも前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを個別に制御する中央制御部とを備えるものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記化学物質供給部と前記燃料電池との供給経路に設けられたバルブをさらに備え、前記中央制御部が、前記バルブをも個別に制御するものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記化学物質供給部は、水素を供給する水素供給部と、酸素を供給する酸素供給部とを有し、前記バルブは、前記水素供給部と前記燃料電池との供給経路、及び前記酸素供給部と前記燃料電池との供給経路にそれぞれ設けられるものである。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第１の検出部と、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第２の検出部とをさらに備え、前記中央制御部が、少なくとも前記第１の検出部及び前記第２の検出部での検出結果に応じて前記制御を行うものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、前記第１の検出部での検出結果に基づいて前記燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第１のスイッチを制御する一方、前記第２の検出部での検出結果に基づいて前記二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第２のスイッチを制御するものである。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第１の検出部と、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第２の検出部とをさらに備え、前記中央制御部が、前記第１の検出部での検出結果に基づいて前記燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第１のスイッチ及び前記バルブを個別に制御する一方、前記第２の検出部での検出結果に基づいて前記二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第２のスイッチを個別に制御するものである。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、前記第１の検出部及び前記第２の検出部での検出結果に基づいて、当該燃料電池システムの緊急停止を必要とする第１の異常状態と、当該燃料電池システムの部分調整で対応可能な第２の異常状態と、正常状態とを峻別し、この峻別結果に応じて前記制御を行うものである。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、前記第１及び第２の異常状態及び前記正常状態を峻別するための判断基準を複数種類保有しておき、自動車の走行状態によって前記判断基準を変更するものである。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、所定の通信線を通じて得られた所定の情報に基づいて前記制御を行うものである。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記二次電池を回生するための第３のスイッチをさらに備え、前記中央制御部が、前記第３のスイッチをも個別に制御するものである。
【００２４】
請求項１１に記載の発明は、自動車に搭載され化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源供給を行う燃料電池と、当該燃料電池に並列に接続された二次電池とを有する燃料電池システムの出力制御方法であって、少なくとも、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第１のスイッチと、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第２のスイッチとを、所定の中央制御部により個別に制御するものである。
【００２５】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の燃料電池システムの出力制御方法であって、自動車に搭載され化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源供給を行う燃料電池と、当該燃料電池に並列に接続された二次電池とを有する燃料電池システムの出力制御方法であって、前記燃料電池への前記化学物質の供給を調整するためのバルブをも、前記中央制御部により個別に制御するものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【００２７】
この燃料電池システムは、図１の如く、例えばハイブリッドカー等の自動車において、モータ等の負荷１０を駆動するために、燃料電池１１と二次電池１２とが並列に接続されて併用され、これらの両方が、負荷１０に対して電力を供給する電源部１３として使用されており、特に、燃料電池１１の出力と、二次電池１２の出力と、燃料電池１１への水素（第１の化学物質）及び酸素（第２の化学物質）のそれぞれの流入とを個別に制御することで、安全に且つ故障の状況に応じて適切に制御するものである。
【００２８】
具体的に、この燃料電池システムは、負荷１０を駆動するインバータ等の駆動回路１５に電源電流を供給するものであって、上記の燃料電池１１及び二次電池１２と、水素を供給する水素供給部（第１の化学物質供給部）１６と、酸素を供給する酸素供給部（第２の化学物質供給部）１７と、燃料電池１１から駆動回路１５への電流経路をオンオフ制御する第１のスイッチ１８と、二次電池１２から駆動回路１５への電流経路をオンオフ制御する第２のスイッチ１９と、駆動回路１５から二次電池１２への回生（充電）用電流のオン／オフ制御を行う第３のスイッチ２０と、水素供給部１６から燃料電池１１への水素供給のオン／オフ制御を行う第１及び第２のバルブ２１，２２と、酸素供給部１７から燃料電池１１への酸素供給のオン／オフ制御を行う第３のバルブ２３と、燃料電池１１から駆動回路１５に与えられる電流及び電圧を検出する第１の検出部２５と、二次電池１２から駆動回路１５に与えられる電流及び電圧を検出する第２の検出部２６と、第１及び第２の検出部２５，２６からの信号及び自動車内の様々な情報に応じて第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３を個別に制御する中央制御部２７とを備える。
【００２９】
燃料電池１１は、水素供給部１６から与えられる水素と、酸素供給部１７から与えられる酸素とを化学的に反応させ、水を生成すると同時に電気を取り出す。燃料電池１１からの電圧は、第１のスイッチ１８のオン時において、駆動回路１５への電源電圧として使用される。
【００３０】
二次電池１２は、第３のスイッチ２０のオン時に駆動回路１５から与えられる電圧により回生（充電）されるとともに、第１及び第２のスイッチ１８，１９のオン時に燃料電池１１から与えられる電圧によっても回生され、また第２のスイッチ１９のオン時に放電する際は、二次電池１２からの電圧は駆動回路１５への電源電圧として使用される。
【００３１】
水素供給部１６は、水素発生源となるメタノールまたはガソリン等の燃料を蓄える燃料タンク３１と、この燃料タンク３１内の燃料から水素ガスを生成する改質器３２と、改質器３２で生成された水素ガスを燃料電池１１側に供給するたの水素ポンプ３３と、水素ポンプ３３から燃料電池１１への水素供給経路３４を第２のバルブ２２で遮断した際に当該水素供給経路３４内の水素ガスを逃がして蓄えるリザーブタンク３５と、燃料電池１１内の水を含んだ空気を排出してこれを改質器３２で利用するために凝縮する熱交換器３６とを備える。そして、燃料電池１１で使用されなかった水素を再利用するため燃料電池１１から水素ポンプ３３に連通された再利用経路３７が形成されている。尚、リザーブタンク３５に蓄えられた水素ガスは、弁３５ａを介して再利用経路３７に接続されている。
【００３２】
酸素供給部１７は、具体的には、一般的な空気ポンプが使用される。
【００３３】
第１〜第３のスイッチ１８〜２０は、中央制御部２７から与えられる信号に応じて開閉制御可能な電磁式リレー等が使用される。
【００３４】
また、第１〜第３のバルブ２１〜２３は、中央制御部２７から与えられる信号に応じて開閉制御可能な電磁誘導弁等が使用される。このうち、第２のバルブ２２は、水素供給経路３４内の水素ガスを、燃料電池１１側とリザーブタンク３５側とで切り換える２路切り換え弁である。即ち、第２のバルブ２２は、水素供給経路３４を燃料電池１１側に開放している状態では、リザーブタンク３５側への経路を閉塞しており、逆に、リザーブタンク３５側の経路を開放している状態では、燃料電池１１側を閉塞している。尚、以下の説明において、第１及び第２のバルブ２１，２２は「水素バルブ」２１，２２と総称する。
【００３５】
第１及び第２の検出部２５，２６は、磁気比例型、磁気平衡型、ホール素子を利用しない磁気コイル型、または磁気コアーを使用しないコアレスコイル型ホール素子等の一般的な電流・電圧センサが使用される。
【００３６】
中央制御部２７は、第１及び第２の検出部２５，２６等からのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ−ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等とを備える機能部品であって、Ａ／Ｄ変換回路やＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）及びＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の自動車内通信線３８，３９を通じて得られた種々の情報に基づいて、次の表１のように、自動車の走行状態や燃料電池システム等の異常状態の有無を判断し、その判断結果に基づいて、第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３を個別に制御する。
【００３７】
【表１】
【００３８】
この中央制御部２７においては、例えば図２に示すように、燃料電池システムの異常状態／正常状態を、異常の程度に応じて、緊急異常状態等の緊急停止を必要とするこの第１の異常状態Ｄｇ１と、この第１の異常状態Ｄｇ１よりも異常の程度が低く、燃料電池１１または二次電池１２といった燃料電池システム内の部分調整で対応可能な回路異常等の状態である第２の異常状態Ｄｇ２と、正常状態Ｄｇ３との３つの状態に場合分けし、さらに各状態において、異常の原因や走行状態によって異なった第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３の制御を行う。
【００３９】
即ち、中央制御部２７は、各検出部２５，２６での検出結果等に基づき、図２のように、第１及び第２の検出部２５，２６で検出された電圧との相関において、その検出された燃料電池１１または二次電池１２からの出力電流が、判断基準として予め設定された閾値線Ｔｈ１，Ｔｈ２より大であるか否かを判断することで、燃料電池システムの異常状態／正常状態を３つの状態Ｄｇ１〜Ｄｇ３に区分する。
【００４０】
ここで、中央制御部２７は、各検出部２５，２６での検出結果等に基づき、図２のように、第１及び第２の検出部２５，２６で検出された電流と電圧とが正常状態Ｄｇ３内であると判断した場合は、さらに、自動車内通信線３８，３９から得られたブレーキ信号、アクセル信号及び車速データ等の各種情報に基づいて、自動車の走行状態を判断し、例えば減速走行（ブレーキング等）である場合は、二次電池１２への回生を図るべく、燃料電池１１からの電源供給用の第１のスイッチ１８をオフにし、二次電池１２からの電源供給用の第２のスイッチ１９をオフにし、二次電池１２の回生用の第３のスイッチ２０をオンにし、両水素バルブ２１，２２をオフにする。望ましくは、酸素供給用の第３のバルブ２３もオフにする。
【００４１】
また、各検出部２５，２６での検出結果が正常状態Ｄｇ３であって、例えば発進時や登坂時等のトルクが大となるような走行である場合は、中央制御部２７は、燃料電池１１及び二次電池１２を併用した電力供給によりモータ駆動すべく、燃料電池１１からの電源供給用の第１のスイッチ１８をオンにし、二次電池１２からの電源供給用の第２のスイッチ１９もオンにし、二次電池１２の回生用の第３のスイッチ２０をオフにし、両水素バルブ２１，２２をオンにし、酸素供給用の第３のバルブ２３もオンにする。
【００４２】
さらに、各検出部２５，２６での検出結果が正常状態Ｄｇ３であって、通常走行である場合は、中央制御部２７は、各スイッチ１８及び各バルブ２１〜２３を状況に応じて適宜オフ／オフ制御する。
【００４３】
さらにまた、各検出部２５，２６での検出結果が緊急異常状態（第１の異常状態Ｄｇ１）である場合は、中央制御部２７は、燃料電池システムを直ちに停止すべく、各スイッチ１８及び各バルブ２１〜２３を全てオフにする。
【００４４】
また、各検出部２５，２６での検出結果が緊急異常状態（第１の異常状態Ｄｇ１）でない第２の異常状態Ｄｇ２である場合は、中央制御部２７は、さらにその異常状態が燃料電池１１側に発生しているのか、二次電池１２側に発生しているかによって処理を異ならせる。具体的に、第１の検出部２５からの信号に基づいて、異常状態が燃料電池１１側に発生していると判断した場合は、燃料電池１１による給電を低減すべく、両水素バルブ２１，２２を絞り込んで水素ガスの供給量を低減させ、望ましくは、酸素供給用の第３のバルブ２３も絞り込む。
【００４５】
一方、第２の検出部２６からの信号に基づいて、異常状態が二次電池１２側に発生していると判断した場合は、二次電池１２からの給電を停止して燃料電池１１のみの給電を行うべく、第１のスイッチ１８をオンにするとともに第２のスイッチ１９をオフにし、二次電池１２の回生用の第３のスイッチ２０をオフにし、両水素バルブ２１，２２と第３のバルブ２３をオンにする。
【００４６】
尚、図２に示した異常状態の判断以外にも、自動車内通信線３８，３９を通じて得られた各種の情報に基づいて併せて他の異常も判断し、その判断に基づいて、適宜に第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３を適宜個別に制御する。
【００４７】
かかる中央制御部２７での制御による燃料電池システムの動作を、ハイブリッドカーの走行駆動へ適用した場合を例にあげて次に説明する。
【００４８】
中央制御部２７は、定期的タイミングで、第１の検出部２５により、燃料電池１１からの出力電流及び出力電圧を検出するとともに、第２の検出部２６により、二次電池１２からの出力電流または出力電圧を検出する。併せて、中央制御部２７は、燃料電池１１の温度、車速データ等の走行状態の情報、モータトルク等の負荷１０の状態の情報、衝突時の検知信号等の種々の情報を、ＣＡＮまたはＬＩＮ等の自動車内通信線３８，３９を通じて受信している。
【００４９】
かかる状態で、トルクの小さい走行、例えばブレーキングや降坂走行等の走行が行われている場合、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９を通じて与えられるブレーキ信号、アクセル信号及び車速データ等から減速走行であると判断するなどして、燃料電池１１及び二次電池１２からの負荷１０に対する電力の供給を停止する。
【００５０】
この場合、中央制御部２７は、第１及び第２のスイッチ１８，１９をオフするとともに、二次電池１２の回生（充電）を行うために、中央制御部２７が第３のスイッチ２０をオンにする。この際、ハイブリッドカーの場合は、インバータとして構成された駆動回路１５が、負荷１０の駆動によって発生した起電力を二次電池１２に伝達するコンバータとして機能することになる。これにより、駆動回路１５からの電圧が二次電池１２に印加され、二次電池１２の回生が行われる。
【００５１】
そして、減速走行においては、燃料電池１１での発電の必要がないため、中央制御部２７は、水素供給経路３４の水素バルブ２１，２２をオフにし、水素供給部１６から燃料電池１１への水素の供給を停止する。この際、望ましくは、第３のバルブ２３もオフにして、酸素供給部１７から燃料電池１１への酸素供給も停止しておく。
【００５２】
一方、発進時や登坂加速などの多大なトルクが必要な場合、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９から与えられる車速データと負荷１０の回転数データ等に基づいてその旨を判断した後、燃料電池１１と二次電池１２の両方の出力を使用する必要があるため、第１及び第２のスイッチ１８，１９をオンにするとともに、第３のスイッチ２０をオフにする。
【００５３】
これと併行して、中央制御部２７は、水素供給経路３４の水素バルブ２１，２２をオンにして、水素ポンプ３３からの水素ガスを燃料電池１１に与えるとともに、第３のバルブ２３をオンにして酸素（空気）を燃料電池１１に与える。これにより、燃料電池１１は、水素と酸素を化学的に反応させて発電を行い、この燃料電池１１からの電流と、二次電池１２からの電流とが、第１及び第２のスイッチ１８，１９を通じて駆動回路１５に与えられ、これにより負荷１０の駆動が行われる。
【００５４】
その他、例えば、発進や登坂加速ではないが、減速走行でもない通常走行時においては、中央制御部２７は、二次電池１２の充電状態を第２の検出部２６で得られた出力電圧または電流出力等から判断し、当該充電状態に応じて、その充電容量を一定容量以上確保するよう、第２のスイッチ１９と第３のスイッチ２０とを制御する。また、必要電力に応じて、水素バルブ２１，２２と第１のスイッチ１８を適宜にオン／オフ制御する。
【００５５】
次に、異常検出時の動作例を、図３のフローチャートに沿って説明する。
【００５６】
まずステップＳ０１において、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９を通じて得られた情報、例えばエアバッグの展開状況等の情報に基づいて、自動車が衝突したか否かについて検知する。ここで、自動車が衝突した旨が検知された場合は、緊急異常状態と判定して、次のステップＳ０２に進む。
【００５７】
ステップＳ０２では、中央制御部２７からの制御により、第１〜第３のスイッチ１８〜２０の全てをオフにし、駆動回路１５への電流経路を遮断する。
【００５８】
ただし、このように駆動回路１５への電流経路を遮断しただけでは、燃料電池１１での発電は停止されない。そこで、ステップＳ０３で、中央制御部２７は、燃料電池１１での発電を停止させるため、第１のバルブ２１をオフにし（閉塞し）、水素供給経路３４を遮断する。しかる後、ステップＳ０４で、水素供給経路３４に残された水素ガスをリザーブタンク３５に逃がすため、第２のバルブ２２を燃料電池１１側からリザーブタンク３５側に切り換え、燃料電池１１側を閉塞するとともにリザーブタンク３５側の経路を開放する。これにより、水素供給経路３４内の水素ガスはリザーブタンク３５側に放出され、燃料電池１１内の水素ガスの圧力を即座に低減させて出力を断つ。尚、リザーブタンク３５に排出された水素ガスは、弁３５ａを通過して再利用経路３７に排出されて水素ポンプ３３に戻される。
【００５９】
また、ステップＳ０１において衝突を検知しないときは、次のステップＳ０５において、第１及び第２の検出部２５，２６での電流及び電圧の検出に基づいて、燃料電池システムにおける緊急停止を必要とする状態（緊急異常状態）であると判定し、この緊急異常状態と判定されると、同様に上記したステップＳ０２〜Ｓ０４の処理を行う。具体的には、図２中の第１の異常状態Ｄｇ１のように、第１及び第２の検出部２５，２６で検出された電圧との相関において、その検出された燃料電池１１または二次電池１２からの出力電流が、判断基準として予め設定された閾値線Ｔｈ１より大であるか否かを判断し、出力電流が閾値線Ｔｈ１より大であると判断した場合に、緊急異常状態が生じていると判断し、ステップＳ０２〜Ｓ０４の処理を実行する。これにより、自動車の燃料電池システムについて、緊急異常事態に伴う回路損傷を防止することができる。
【００６０】
尚、このように、衝突の検知結果や、第１及び第２の検出部２５，２６での電流及び電圧の検出結果だけでなく、燃料電池システム内での異常温度上昇、負荷１０に与える電圧の異常な低下、電流が一定トルク値と比較して所定の異常範囲内にある場合、あるいは燃料タンク３１及び改質器３２その他の各種制御系不具合を検出した場合にも、必要に応じ緊急異常状態と判定して、上記したステップＳ０２〜Ｓ０４の処理を行うことで、緊急異常事態に伴う回路損傷を防止することができる。
【００６１】
次に、上記のような緊急異常状態（第１の異常状態Ｄｇ１参照）とまでは言えないが、図２中の正常状態Ｄｇ３でもない部分調整で対応可能な図２中の第２の異常状態Ｄｇ２での処理について説明する。この場合、ステップＳ０６において、中央制御部２７は、第１の検出部２５での検出結果に基づいて、図２中の第２の異常状態Ｄｇ２であるか否かを判断する。例えば、第１の検出部２５で燃料電池１１からの出力電流により異常状態を検出する場合は、図２中の第２の異常状態Ｄｇ２のように、第１の検出部２５で検出された電圧との相関において、その検出された燃料電池１１からの出力電流が、予め設定された閾値線Ｔｈ２より大であるか否かを判断する。そして、燃料電池１１からの出力電流が、予め設定された閾値線Ｔｈ２より大である場合には、次のステップＳ０７に進む。
【００６２】
ステップＳ０７では、水素バルブ２１，２２を絞り込み、水素供給経路３４における燃料電池１１への水素ガスの供給量を低減させる。この際、望ましくは、第３のバルブ２３の絞り込みを併せて行い、酸素（空気）の供給量をも低減させる。
【００６３】
そして、次のステップＳ０８において、燃料電池１１からの出力（ここでは出力電流）が、図２中の正常状態Ｄｇ３のように、出力電圧との関係において適正範囲内であるか否かを判断する。このステップＳ０８において、燃料電池１１からの出力が適正範囲内である（図２中の正常状態Ｄｇ３内である）場合は、ステップＳ０６に戻って再び正常状態Ｄｇ３であるか否かを判定する。これにより、燃料電池１１から過電流が流れ出るのを防止でき、燃料電池１１における過剰な発電を防止することができる。
【００６４】
一方、ステップＳ０８で、燃料電池１１からの出力が適正範囲内でない（図２中の正常状態Ｄｇ３外、即ち、第２の異常状態Ｄｇ２内である）と判断された場合には、ステップＳ０９において、第１のスイッチ１８をオフにする。そうすると、燃料電池１１からの出力電流が遮断され、駆動回路１５に与えられる電流は、二次電池１２からの出力電流に限定される。
【００６５】
この状態で、ステップＳ１０において、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９を介して、他のＥＣＵに通信等で状態通知を行い、例えば図示しないＬＥＤランプや警告オンの吹鳴等によって、所定の警告表示処理を実行し、処理を終了する。
【００６６】
一方、上記のステップＳ０６で、燃料電池１１からの出力電流が、予め設定された閾値線Ｔｈ２以下である（即ち、図２中の正常状態Ｄｇ３内である）場合、ステップＳ１１に進む。
【００６７】
ステップＳ１１では、二次電池１２からの出力（ここでは出力電流）が、図２中の正常状態Ｄｇ３のように、出力電圧との関係において正常範囲内であるか否かを判断する。そして、このステップＳ１１において、二次電池１２からの出力が図２中の正常状態Ｄｇ３外、即ち、第２の異常状態Ｄｇ２内である場合は、ステップＳ１２の処理に移行する。
【００６８】
ステップＳ１２では、第２のスイッチ１９をオフにする。そうすると、二次電池１２からの出力電流が遮断され、駆動回路１５に与えられる電流は、燃料電池１１からの出力電流に限定される。
【００６９】
この状態で、ステップＳ１３において、ステップＳ１０の場合と同様にして、図示しないＬＥＤランプや警告オンの吹鳴等によって、所定の警告表示処理を実行し、処理を終了する。
【００７０】
以上のように、中央制御部２７が、第１及び第２の検出部２５，２６での検出結果や、自動車内通信線３８，３９を通じて得られた種々の情報に基づいて、燃料電池１１の出力と、二次電池１２の出力と、燃料電池１１への水素及び空気のそれぞれの流入とを個別に制御するので、様々な異常状況に応じて、故障と思われる電源のみをオフし、あるいは、電源の出力を制限することで、安全を確保しながら、警告を促すことができ、また、過電流など、すぐに電源を停止したいときに、より安全に早く電源出力を停止、切断することが可能となる。
【００７１】
尚、上記実施の形態では、燃料電池１１側の出力電圧及び出力電流の異常状態と、二次電池１２側の出力電圧及び出力電流の異常状態とを、いずれも図２に示した同一の閾値線（判断基準）Ｔｈ１，Ｔｈ２で判断していたが、別々の判断基準を設けても差し支えない。
【００７２】
また、第１及び第２の異常状態Ｄｇ１，Ｄｇ２及び正常状態Ｄｇ３を峻別するための閾値線（判断基準）Ｔｈ１，Ｔｈ２を複数種類保有しておき、自動車の走行状態（低速市街地、加速状態、登坂、降坂、高速走行、減速走行等）によって、閾値線Ｔｈ１，Ｔｈ２を変更するようにしてもよい。この場合は、自動車の走行状態のいかんを問わず、故障状態を即座に知ることが可能となり、運転者に警告するとともに、例えばある程度の電力を供給することで自動車の操作が可能となる。
【００７３】
また、異常状態の態様は、上記に限られるものではない。
【００７４】
【発明の効果】
請求項１及び請求項１１に記載の発明によれば、燃料電池の出力と、二次電池の出力とを個別に制御することが可能であるので、効率よく且つ故障の状況に応じて適切に制御することができる。
【００７５】
請求項２、請求項３及び請求項１２に記載の発明によれば、燃料電池の出力と、二次電池の出力だけでなく、燃料電池への化学物質の流入をも個別に制御することが可能であるので、故障の状況に応じて適切に且つ安全に制御することができる。
【００７６】
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池から負荷に至る電流経路に設けられた第１の検出部での電流及び／または電圧についての検出結果と、二次電池から負荷に至る電流経路に設けられた第２の検出部での電流及び／または電圧についての検出結果とに応じて、第１のスイッチ、第２のスイッチ及び各バルブを個別に制御できるので、負荷等の短絡や燃料電池システム内での過電流等の検出の如何により、安全に電源の制御を行うことが可能である。
【００７７】
請求項５及び請求項６に記載の発明によれば、第１の検出部での検出結果に基づいて燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて第１のスイッチ及び各バルブを制御する一方、第２の検出部での検出結果に基づいて二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて第２のスイッチを制御するので、故障の原因部位に応じて適切に制御することができる。
【００７８】
請求項７に記載の発明によれば、第１の検出部及び第２の検出部での検出結果に基づいて、負荷または当該燃料電池システムの出力制御方法についての緊急停止を必要とする第１の異常状態と、当該燃料電池システムの部分調整で対応可能な第２の異常状態と、正常状態とを峻別し、この峻別結果に応じて、第１のスイッチ、第２のスイッチ及び各バルブを個別に制御できるので、故障の状況に応じて適切に制御することができる。
【００７９】
請求項８に記載の発明によれば、第１及び第２の異常状態及び正常状態を峻別するための判断基準を複数種類保有しておき、自動車の走行状態によって判断基準を変更するようにしているので、自動車の走行状態のいかんを問わず、故障状態を即座に知ることが可能となり、運転者に警告するとともに、例えばある程度の電力を供給することで自動車の操作が可能となる。
【００８０】
請求項９に記載の発明によれば、所定の通信線を通じて得られた所定の情報に基づいて、第１のスイッチ、第２のスイッチ及び各バルブを個別に制御するので、車速やトルク等の様々な状況に応じて適切に制御することができる。
【００８１】
請求項１０に記載の発明によれば、二次電池を回生するための第３のスイッチをも効率よく制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一の実施の形態に係る燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【図２】燃料電池システム内の電流及び電圧による異常／正常状態の判断基準を示す図である。
【図３】この発明の一の実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】従来の燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 負荷
１１ 燃料電池
１２ 二次電池
１３ 電源部
１５ 駆動回路
１６ 水素供給部
１７ 酸素供給部
１８〜２０ スイッチ
２１〜２３ バルブ
２５，２６ 検出部
２７ 中央制御部
３１ 燃料タンク
３２ 改質器
３３ 水素ポンプ
３４ 水素供給経路
３５ リザーブタンク
３６ 熱交換器
３７ 再利用経路
３８ 自動車内通信線
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車に搭載され、燃料電池と二次電池とが並列に接続されてモータ等の負荷に電源供給する燃料電池システム及びその出力制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、基本的に水素と酸素を電気化学的に反応させることで、水を生成すると同時に電気を外部に取り出すものであり、電気化学反応によって燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため、エネルギー変換に伴って発生する損失が少なく、高い発電効率が得られる。また、有害物質である窒素酸化物の発生が少なく、二酸化炭素の発生量も少ない。さらに、基本的には電気化学反応で発電するため、エンジンやタービンのように騒音・振動を発生することがないことから、極めて低騒音・低振動となる。これらのことから、近年では、自動車向けの高効率の動力原として、実用化に向けた研究開発が進められている。
【０００３】
図４は、自動車内のモータ等の負荷１を駆動するために燃料電池２が搭載された燃料電池システムのブロック図である。この例では、燃料電池２と二次電池３とが並列に接続されて併用され、これらの両方が、負荷１に対して電力を供給する電源部４として使用される。また、負荷１の駆動はインバータ等の駆動回路５によって行われる。
【０００４】
そして、この電源部４と駆動回路５との間に設けられたリレー等の接点６を、制御回路７の制御によって開閉動作を行う。具体的には、負荷１の短絡（ショート）などにより過電流状態や加熱状態等の異常状態となったとき、この異常状態を制御回路７により検出し、接点６をオフに切り換える。
【０００５】
尚、図４中の符合８は水素供給部を示している。
【０００６】
この他、過電流状態や加熱状態等の異常状態において、ブレーカまたはヒューズ等で負荷に対する通電をオフすることも行われている。
【０００７】
このような燃料電池システムについての先行技術文献を次に示しておく。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−０７４５３３号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従来の燃料電池システムでは、上述のように、過電流状態や加熱状態等の異常状態となったとき、この異常状態を制御回路７により検出し、接点６をオフにしたり、ブレーカまたはヒューズ等で電源部４からの通電をオフにしていた。この場合は、負荷１に対する電流がすべて切断されてしまう。
【００１０】
ところで、実際の負荷１の駆動においては、ある程度の異常状態においても、一定の負荷動作を継続して実行したい場合もある。しかしながら、従来の燃料電池システムでは、負荷１に対する電流がすべて切断されてしまうため、一定の負荷動作を継続したい場合に、その対応が困難であった。
【００１１】
そこで、この発明の課題は、より効率よく且つ異常状態の種類や程度に応じて適切な制御を行うことの可能な燃料電池システム及びその出力制御方法を提供することにある。
【００１２】
また、電源部４と負荷１との間の電流経路を遮断することは可能であるが、燃料電池２の場合は電流経路が遮断されても、水素と酸素の電気化学反応は継続して行われるため、発電が停止することはない。このことから、燃料電池２を使用する場合は、水素と酸素の電気化学反応自体を停止させる必要がある。
【００１３】
そこで、この発明の課題は、異常状態の種類や程度に応じて適切且つより安全な制御を行い得る燃料電池システム及びその出力制御方法を提供することにもある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決すべく、請求項１に記載の発明は、自動車に搭載され、化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源とする燃料電池システムであって、燃料電池及び二次電池が互いに並列に接続されてなる電源部と、前記燃料電池に前記化学物質を供給する化学物質供給部と、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第１のスイッチと、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第２のスイッチと、少なくとも前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを個別に制御する中央制御部とを備えるものである。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記化学物質供給部と前記燃料電池との供給経路に設けられたバルブをさらに備え、前記中央制御部が、前記バルブをも個別に制御するものである。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の燃料電池システムであって、前記化学物質供給部は、水素を供給する水素供給部と、酸素を供給する酸素供給部とを有し、前記バルブは、前記水素供給部と前記燃料電池との供給経路、及び前記酸素供給部と前記燃料電池との供給経路にそれぞれ設けられるものである。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第１の検出部と、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第２の検出部とをさらに備え、前記中央制御部が、少なくとも前記第１の検出部及び前記第２の検出部での検出結果に応じて前記制御を行うものである。
【００１８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、前記第１の検出部での検出結果に基づいて前記燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第１のスイッチを制御する一方、前記第２の検出部での検出結果に基づいて前記二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第２のスイッチを制御するものである。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第１の検出部と、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第２の検出部とをさらに備え、前記中央制御部が、前記第１の検出部での検出結果に基づいて前記燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第１のスイッチ及び前記バルブを個別に制御する一方、前記第２の検出部での検出結果に基づいて前記二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第２のスイッチを個別に制御するものである。
【００２０】
請求項７に記載の発明は、請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、前記第１の検出部及び前記第２の検出部での検出結果に基づいて、当該燃料電池システムの緊急停止を必要とする第１の異常状態と、当該燃料電池システムの部分調整で対応可能な第２の異常状態と、正常状態とを峻別し、この峻別結果に応じて前記制御を行うものである。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、前記第１及び第２の異常状態及び前記正常状態を峻別するための判断基準を複数種類保有しておき、自動車の走行状態によって前記判断基準を変更するものである。
【００２２】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記中央制御部が、所定の通信線を通じて得られた所定の情報に基づいて前記制御を行うものである。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記二次電池を回生するための第３のスイッチをさらに備え、前記中央制御部が、前記第３のスイッチをも個別に制御するものである。
【００２４】
請求項１１に記載の発明は、自動車に搭載され化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源供給を行う燃料電池と、当該燃料電池に並列に接続された二次電池とを有する燃料電池システムの出力制御方法であって、少なくとも、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第１のスイッチと、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第２のスイッチとを、所定の中央制御部により個別に制御するものである。
【００２５】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の燃料電池システムの出力制御方法であって、自動車に搭載され化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源供給を行う燃料電池と、当該燃料電池に並列に接続された二次電池とを有する燃料電池システムの出力制御方法であって、前記燃料電池への前記化学物質の供給を調整するためのバルブをも、前記中央制御部により個別に制御するものである。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の一の実施の形態に係る燃料電池システムを示すブロック図である。
【００２７】
この燃料電池システムは、図１の如く、例えばハイブリッドカー等の自動車において、モータ等の負荷１０を駆動するために、燃料電池１１と二次電池１２とが並列に接続されて併用され、これらの両方が、負荷１０に対して電力を供給する電源部１３として使用されており、特に、燃料電池１１の出力と、二次電池１２の出力と、燃料電池１１への水素（第１の化学物質）及び酸素（第２の化学物質）のそれぞれの流入とを個別に制御することで、安全に且つ故障の状況に応じて適切に制御するものである。
【００２８】
具体的に、この燃料電池システムは、負荷１０を駆動するインバータ等の駆動回路１５に電源電流を供給するものであって、上記の燃料電池１１及び二次電池１２と、水素を供給する水素供給部（第１の化学物質供給部）１６と、酸素を供給する酸素供給部（第２の化学物質供給部）１７と、燃料電池１１から駆動回路１５への電流経路をオンオフ制御する第１のスイッチ１８と、二次電池１２から駆動回路１５への電流経路をオンオフ制御する第２のスイッチ１９と、駆動回路１５から二次電池１２への回生（充電）用電流のオン／オフ制御を行う第３のスイッチ２０と、水素供給部１６から燃料電池１１への水素供給のオン／オフ制御を行う第１及び第２のバルブ２１，２２と、酸素供給部１７から燃料電池１１への酸素供給のオン／オフ制御を行う第３のバルブ２３と、燃料電池１１から駆動回路１５に与えられる電流及び電圧を検出する第１の検出部２５と、二次電池１２から駆動回路１５に与えられる電流及び電圧を検出する第２の検出部２６と、第１及び第２の検出部２５，２６からの信号及び自動車内の様々な情報に応じて第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３を個別に制御する中央制御部２７とを備える。
【００２９】
燃料電池１１は、水素供給部１６から与えられる水素と、酸素供給部１７から与えられる酸素とを化学的に反応させ、水を生成すると同時に電気を取り出す。燃料電池１１からの電圧は、第１のスイッチ１８のオン時において、駆動回路１５への電源電圧として使用される。
【００３０】
二次電池１２は、第３のスイッチ２０のオン時に駆動回路１５から与えられる電圧により回生（充電）されるとともに、第１及び第２のスイッチ１８，１９のオン時に燃料電池１１から与えられる電圧によっても回生され、また第２のスイッチ１９のオン時に放電する際は、二次電池１２からの電圧は駆動回路１５への電源電圧として使用される。
【００３１】
水素供給部１６は、水素発生源となるメタノールまたはガソリン等の燃料を蓄える燃料タンク３１と、この燃料タンク３１内の燃料から水素ガスを生成する改質器３２と、改質器３２で生成された水素ガスを燃料電池１１側に供給するたの水素ポンプ３３と、水素ポンプ３３から燃料電池１１への水素供給経路３４を第２のバルブ２２で遮断した際に当該水素供給経路３４内の水素ガスを逃がして蓄えるリザーブタンク３５と、燃料電池１１内の水を含んだ空気を排出してこれを改質器３２で利用するために凝縮する熱交換器３６とを備える。そして、燃料電池１１で使用されなかった水素を再利用するため燃料電池１１から水素ポンプ３３に連通された再利用経路３７が形成されている。尚、リザーブタンク３５に蓄えられた水素ガスは、弁３５ａを介して再利用経路３７に接続されている。
【００３２】
酸素供給部１７は、具体的には、一般的な空気ポンプが使用される。
【００３３】
第１〜第３のスイッチ１８〜２０は、中央制御部２７から与えられる信号に応じて開閉制御可能な電磁式リレー等が使用される。
【００３４】
また、第１〜第３のバルブ２１〜２３は、中央制御部２７から与えられる信号に応じて開閉制御可能な電磁誘導弁等が使用される。このうち、第２のバルブ２２は、水素供給経路３４内の水素ガスを、燃料電池１１側とリザーブタンク３５側とで切り換える２路切り換え弁である。即ち、第２のバルブ２２は、水素供給経路３４を燃料電池１１側に開放している状態では、リザーブタンク３５側への経路を閉塞しており、逆に、リザーブタンク３５側の経路を開放している状態では、燃料電池１１側を閉塞している。尚、以下の説明において、第１及び第２のバルブ２１，２２は「水素バルブ」２１，２２と総称する。
【００３５】
第１及び第２の検出部２５，２６は、磁気比例型、磁気平衡型、ホール素子を利用しない磁気コイル型、または磁気コアーを使用しないコアレスコイル型ホール素子等の一般的な電流・電圧センサが使用される。
【００３６】
中央制御部２７は、第１及び第２の検出部２５，２６等からのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ−ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等とを備える機能部品であって、Ａ／Ｄ変換回路やＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）及びＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の自動車内通信線３８，３９を通じて得られた種々の情報に基づいて、次の表１のように、自動車の走行状態や燃料電池システム等の異常状態の有無を判断し、その判断結果に基づいて、第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３を個別に制御する。
【００３７】
【表１】
この中央制御部２７においては、例えば図２に示すように、燃料電池システムの異常状態／正常状態を、異常の程度に応じて、緊急異常状態等の緊急停止を必要とするこの第１の異常状態Ｄｇ１と、この第１の異常状態Ｄｇ１よりも異常の程度が低く、燃料電池１１または二次電池１２といった燃料電池システム内の部分調整で対応可能な回路異常等の状態である第２の異常状態Ｄｇ２と、正常状態Ｄｇ３との３つの状態に場合分けし、さらに各状態において、異常の原因や走行状態によって異なった第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３の制御を行う。
【００３９】
即ち、中央制御部２７は、各検出部２５，２６での検出結果等に基づき、図２のように、第１及び第２の検出部２５，２６で検出された電圧との相関において、その検出された燃料電池１１または二次電池１２からの出力電流が、判断基準として予め設定された閾値線Ｔｈ１，Ｔｈ２より大であるか否かを判断することで、燃料電池システムの異常状態／正常状態を３つの状態Ｄｇ１〜Ｄｇ３に区分する。
【００４０】
ここで、中央制御部２７は、各検出部２５，２６での検出結果等に基づき、図２のように、第１及び第２の検出部２５，２６で検出された電流と電圧とが正常状態Ｄｇ３内であると判断した場合は、さらに、自動車内通信線３８，３９から得られたブレーキ信号、アクセル信号及び車速データ等の各種情報に基づいて、自動車の走行状態を判断し、例えば減速走行（ブレーキング等）である場合は、二次電池１２への回生を図るべく、燃料電池１１からの電源供給用の第１のスイッチ１８をオフにし、二次電池１２からの電源供給用の第２のスイッチ１９をオフにし、二次電池１２の回生用の第３のスイッチ２０をオンにし、両水素バルブ２１，２２をオフにする。望ましくは、酸素供給用の第３のバルブ２３もオフにする。
【００４１】
また、各検出部２５，２６での検出結果が正常状態Ｄｇ３であって、例えば発進時や登坂時等のトルクが大となるような走行である場合は、中央制御部２７は、燃料電池１１及び二次電池１２を併用した電力供給によりモータ駆動すべく、燃料電池１１からの電源供給用の第１のスイッチ１８をオンにし、二次電池１２からの電源供給用の第２のスイッチ１９もオンにし、二次電池１２の回生用の第３のスイッチ２０をオフにし、両水素バルブ２１，２２をオンにし、酸素供給用の第３のバルブ２３もオンにする。
【００４２】
さらに、各検出部２５，２６での検出結果が正常状態Ｄｇ３であって、通常走行である場合は、中央制御部２７は、各スイッチ１８及び各バルブ２１〜２３を状況に応じて適宜オフ／オフ制御する。
【００４３】
さらにまた、各検出部２５，２６での検出結果が緊急異常状態（第１の異常状態Ｄｇ１）である場合は、中央制御部２７は、燃料電池システムを直ちに停止すべく、各スイッチ１８及び各バルブ２１〜２３を全てオフにする。
【００４４】
また、各検出部２５，２６での検出結果が緊急異常状態（第１の異常状態Ｄｇ１）でない第２の異常状態Ｄｇ２である場合は、中央制御部２７は、さらにその異常状態が燃料電池１１側に発生しているのか、二次電池１２側に発生しているかによって処理を異ならせる。具体的に、第１の検出部２５からの信号に基づいて、異常状態が燃料電池１１側に発生していると判断した場合は、燃料電池１１による給電を低減すべく、両水素バルブ２１，２２を絞り込んで水素ガスの供給量を低減させ、望ましくは、酸素供給用の第３のバルブ２３も絞り込む。
【００４５】
一方、第２の検出部２６からの信号に基づいて、異常状態が二次電池１２側に発生していると判断した場合は、二次電池１２からの給電を停止して燃料電池１１のみの給電を行うべく、第１のスイッチ１８をオンにするとともに第２のスイッチ１９をオフにし、二次電池１２の回生用の第３のスイッチ２０をオフにし、両水素バルブ２１，２２と第３のバルブ２３をオンにする。
【００４６】
尚、図２に示した異常状態の判断以外にも、自動車内通信線３８，３９を通じて得られた各種の情報に基づいて併せて他の異常も判断し、その判断に基づいて、適宜に第１〜第３のスイッチ１８〜２０及び第１〜第３のバルブ２１〜２３を適宜個別に制御する。
【００４７】
かかる中央制御部２７での制御による燃料電池システムの動作を、ハイブリッドカーの走行駆動へ適用した場合を例にあげて次に説明する。
【００４８】
中央制御部２７は、定期的タイミングで、第１の検出部２５により、燃料電池１１からの出力電流及び出力電圧を検出するとともに、第２の検出部２６により、二次電池１２からの出力電流または出力電圧を検出する。併せて、中央制御部２７は、燃料電池１１の温度、車速データ等の走行状態の情報、モータトルク等の負荷１０の状態の情報、衝突時の検知信号等の種々の情報を、ＣＡＮまたはＬＩＮ等の自動車内通信線３８，３９を通じて受信している。
【００４９】
かかる状態で、トルクの小さい走行、例えばブレーキングや降坂走行等の走行が行われている場合、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９を通じて与えられるブレーキ信号、アクセル信号及び車速データ等から減速走行であると判断するなどして、燃料電池１１及び二次電池１２からの負荷１０に対する電力の供給を停止する。
【００５０】
この場合、中央制御部２７は、第１及び第２のスイッチ１８，１９をオフするとともに、二次電池１２の回生（充電）を行うために、中央制御部２７が第３のスイッチ２０をオンにする。この際、ハイブリッドカーの場合は、インバータとして構成された駆動回路１５が、負荷１０の駆動によって発生した起電力を二次電池１２に伝達するコンバータとして機能することになる。これにより、駆動回路１５からの電圧が二次電池１２に印加され、二次電池１２の回生が行われる。
【００５１】
そして、減速走行においては、燃料電池１１での発電の必要がないため、中央制御部２７は、水素供給経路３４の水素バルブ２１，２２をオフにし、水素供給部１６から燃料電池１１への水素の供給を停止する。この際、望ましくは、第３のバルブ２３もオフにして、酸素供給部１７から燃料電池１１への酸素供給も停止しておく。
【００５２】
一方、発進時や登坂加速などの多大なトルクが必要な場合、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９から与えられる車速データと負荷１０の回転数データ等に基づいてその旨を判断した後、燃料電池１１と二次電池１２の両方の出力を使用する必要があるため、第１及び第２のスイッチ１８，１９をオンにするとともに、第３のスイッチ２０をオフにする。
【００５３】
これと併行して、中央制御部２７は、水素供給経路３４の水素バルブ２１，２２をオンにして、水素ポンプ３３からの水素ガスを燃料電池１１に与えるとともに、第３のバルブ２３をオンにして酸素（空気）を燃料電池１１に与える。これにより、燃料電池１１は、水素と酸素を化学的に反応させて発電を行い、この燃料電池１１からの電流と、二次電池１２からの電流とが、第１及び第２のスイッチ１８，１９を通じて駆動回路１５に与えられ、これにより負荷１０の駆動が行われる。
【００５４】
その他、例えば、発進や登坂加速ではないが、減速走行でもない通常走行時においては、中央制御部２７は、二次電池１２の充電状態を第２の検出部２６で得られた出力電圧または電流出力等から判断し、当該充電状態に応じて、その充電容量を一定容量以上確保するよう、第２のスイッチ１９と第３のスイッチ２０とを制御する。また、必要電力に応じて、水素バルブ２１，２２と第１のスイッチ１８を適宜にオン／オフ制御する。
【００５５】
次に、異常検出時の動作例を、図３のフローチャートに沿って説明する。
【００５６】
まずステップＳ０１において、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９を通じて得られた情報、例えばエアバッグの展開状況等の情報に基づいて、自動車が衝突したか否かについて検知する。ここで、自動車が衝突した旨が検知された場合は、緊急異常状態と判定して、次のステップＳ０２に進む。
【００５７】
ステップＳ０２では、中央制御部２７からの制御により、第１〜第３のスイッチ１８〜２０の全てをオフにし、駆動回路１５への電流経路を遮断する。
【００５８】
ただし、このように駆動回路１５への電流経路を遮断しただけでは、燃料電池１１での発電は停止されない。そこで、ステップＳ０３で、中央制御部２７は、燃料電池１１での発電を停止させるため、第１のバルブ２１をオフにし（閉塞し）、水素供給経路３４を遮断する。しかる後、ステップＳ０４で、水素供給経路３４に残された水素ガスをリザーブタンク３５に逃がすため、第２のバルブ２２を燃料電池１１側からリザーブタンク３５側に切り換え、燃料電池１１側を閉塞するとともにリザーブタンク３５側の経路を開放する。これにより、水素供給経路３４内の水素ガスはリザーブタンク３５側に放出され、燃料電池１１内の水素ガスの圧力を即座に低減させて出力を断つ。尚、リザーブタンク３５に排出された水素ガスは、弁３５ａを通過して再利用経路３７に排出されて水素ポンプ３３に戻される。
【００５９】
また、ステップＳ０１において衝突を検知しないときは、次のステップＳ０５において、第１及び第２の検出部２５，２６での電流及び電圧の検出に基づいて、燃料電池システムにおける緊急停止を必要とする状態（緊急異常状態）であると判定し、この緊急異常状態と判定されると、同様に上記したステップＳ０２〜Ｓ０４の処理を行う。具体的には、図２中の第１の異常状態Ｄｇ１のように、第１及び第２の検出部２５，２６で検出された電圧との相関において、その検出された燃料電池１１または二次電池１２からの出力電流が、判断基準として予め設定された閾値線Ｔｈ１より大であるか否かを判断し、出力電流が閾値線Ｔｈ１より大であると判断した場合に、緊急異常状態が生じていると判断し、ステップＳ０２〜Ｓ０４の処理を実行する。これにより、自動車の燃料電池システムについて、緊急異常事態に伴う回路損傷を防止することができる。
【００６０】
尚、このように、衝突の検知結果や、第１及び第２の検出部２５，２６での電流及び電圧の検出結果だけでなく、燃料電池システム内での異常温度上昇、負荷１０に与える電圧の異常な低下、電流が一定トルク値と比較して所定の異常範囲内にある場合、あるいは燃料タンク３１及び改質器３２その他の各種制御系不具合を検出した場合にも、必要に応じ緊急異常状態と判定して、上記したステップＳ０２〜Ｓ０４の処理を行うことで、緊急異常事態に伴う回路損傷を防止することができる。
【００６１】
次に、上記のような緊急異常状態（第１の異常状態Ｄｇ１参照）とまでは言えないが、図２中の正常状態Ｄｇ３でもない部分調整で対応可能な図２中の第２の異常状態Ｄｇ２での処理について説明する。この場合、ステップＳ０６において、中央制御部２７は、第１の検出部２５での検出結果に基づいて、図２中の第２の異常状態Ｄｇ２であるか否かを判断する。例えば、第１の検出部２５で燃料電池１１からの出力電流により異常状態を検出する場合は、図２中の第２の異常状態Ｄｇ２のように、第１の検出部２５で検出された電圧との相関において、その検出された燃料電池１１からの出力電流が、予め設定された閾値線Ｔｈ２より大であるか否かを判断する。そして、燃料電池１１からの出力電流が、予め設定された閾値線Ｔｈ２より大である場合には、次のステップＳ０７に進む。
【００６２】
ステップＳ０７では、水素バルブ２１，２２を絞り込み、水素供給経路３４における燃料電池１１への水素ガスの供給量を低減させる。この際、望ましくは、第３のバルブ２３の絞り込みを併せて行い、酸素（空気）の供給量をも低減させる。
【００６３】
そして、次のステップＳ０８において、燃料電池１１からの出力（ここでは出力電流）が、図２中の正常状態Ｄｇ３のように、出力電圧との関係において適正範囲内であるか否かを判断する。このステップＳ０８において、燃料電池１１からの出力が適正範囲内である（図２中の正常状態Ｄｇ３内である）場合は、ステップＳ０６に戻って再び正常状態Ｄｇ３であるか否かを判定する。これにより、燃料電池１１から過電流が流れ出るのを防止でき、燃料電池１１における過剰な発電を防止することができる。
【００６４】
一方、ステップＳ０８で、燃料電池１１からの出力が適正範囲内でない（図２中の正常状態Ｄｇ３外、即ち、第２の異常状態Ｄｇ２内である）と判断された場合には、ステップＳ０９において、第１のスイッチ１８をオフにする。そうすると、燃料電池１１からの出力電流が遮断され、駆動回路１５に与えられる電流は、二次電池１２からの出力電流に限定される。
【００６５】
この状態で、ステップＳ１０において、中央制御部２７は、自動車内通信線３８，３９を介して、他のＥＣＵに通信等で状態通知を行い、例えば図示しないＬＥＤランプや警告オンの吹鳴等によって、所定の警告表示処理を実行し、処理を終了する。
【００６６】
一方、上記のステップＳ０６で、燃料電池１１からの出力電流が、予め設定された閾値線Ｔｈ２以下である（即ち、図２中の正常状態Ｄｇ３内である）場合、ステップＳ１１に進む。
【００６７】
ステップＳ１１では、二次電池１２からの出力（ここでは出力電流）が、図２中の正常状態Ｄｇ３のように、出力電圧との関係において正常範囲内であるか否かを判断する。そして、このステップＳ１１において、二次電池１２からの出力が図２中の正常状態Ｄｇ３外、即ち、第２の異常状態Ｄｇ２内である場合は、ステップＳ１２の処理に移行する。
【００６８】
ステップＳ１２では、第２のスイッチ１９をオフにする。そうすると、二次電池１２からの出力電流が遮断され、駆動回路１５に与えられる電流は、燃料電池１１からの出力電流に限定される。
【００６９】
この状態で、ステップＳ１３において、ステップＳ１０の場合と同様にして、図示しないＬＥＤランプや警告オンの吹鳴等によって、所定の警告表示処理を実行し、処理を終了する。
【００７０】
以上のように、中央制御部２７が、第１及び第２の検出部２５，２６での検出結果や、自動車内通信線３８，３９を通じて得られた種々の情報に基づいて、燃料電池１１の出力と、二次電池１２の出力と、燃料電池１１への水素及び空気のそれぞれの流入とを個別に制御するので、様々な異常状況に応じて、故障と思われる電源のみをオフし、あるいは、電源の出力を制限することで、安全を確保しながら、警告を促すことができ、また、過電流など、すぐに電源を停止したいときに、より安全に早く電源出力を停止、切断することが可能となる。
【００７１】
尚、上記実施の形態では、燃料電池１１側の出力電圧及び出力電流の異常状態と、二次電池１２側の出力電圧及び出力電流の異常状態とを、いずれも図２に示した同一の閾値線（判断基準）Ｔｈ１，Ｔｈ２で判断していたが、別々の判断基準を設けても差し支えない。
【００７２】
また、第１及び第２の異常状態Ｄｇ１，Ｄｇ２及び正常状態Ｄｇ３を峻別するための閾値線（判断基準）Ｔｈ１，Ｔｈ２を複数種類保有しておき、自動車の走行状態（低速市街地、加速状態、登坂、降坂、高速走行、減速走行等）によって、閾値線Ｔｈ１，Ｔｈ２を変更するようにしてもよい。この場合は、自動車の走行状態のいかんを問わず、故障状態を即座に知ることが可能となり、運転者に警告するとともに、例えばある程度の電力を供給することで自動車の操作が可能となる。
【００７３】
また、異常状態の態様は、上記に限られるものではない。
【００７４】
【発明の効果】
請求項１及び請求項１１に記載の発明によれば、燃料電池の出力と、二次電池の出力とを個別に制御することが可能であるので、効率よく且つ故障の状況に応じて適切に制御することができる。
【００７５】
請求項２、請求項３及び請求項１２に記載の発明によれば、燃料電池の出力と、二次電池の出力だけでなく、燃料電池への化学物質の流入をも個別に制御することが可能であるので、故障の状況に応じて適切に且つ安全に制御することができる。
【００７６】
請求項４に記載の発明によれば、燃料電池から負荷に至る電流経路に設けられた第１の検出部での電流及び／または電圧についての検出結果と、二次電池から負荷に至る電流経路に設けられた第２の検出部での電流及び／または電圧についての検出結果とに応じて、第１のスイッチ、第２のスイッチ及び各バルブを個別に制御できるので、負荷等の短絡や燃料電池システム内での過電流等の検出の如何により、安全に電源の制御を行うことが可能である。
【００７７】
請求項５及び請求項６に記載の発明によれば、第１の検出部での検出結果に基づいて燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて第１のスイッチ及び各バルブを制御する一方、第２の検出部での検出結果に基づいて二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて第２のスイッチを制御するので、故障の原因部位に応じて適切に制御することができる。
【００７８】
請求項７に記載の発明によれば、第１の検出部及び第２の検出部での検出結果に基づいて、負荷または当該燃料電池システムの出力制御方法についての緊急停止を必要とする第１の異常状態と、当該燃料電池システムの部分調整で対応可能な第２の異常状態と、正常状態とを峻別し、この峻別結果に応じて、第１のスイッチ、第２のスイッチ及び各バルブを個別に制御できるので、故障の状況に応じて適切に制御することができる。
【００７９】
請求項８に記載の発明によれば、第１及び第２の異常状態及び正常状態を峻別するための判断基準を複数種類保有しておき、自動車の走行状態によって判断基準を変更するようにしているので、自動車の走行状態のいかんを問わず、故障状態を即座に知ることが可能となり、運転者に警告するとともに、例えばある程度の電力を供給することで自動車の操作が可能となる。
【００８０】
請求項９に記載の発明によれば、所定の通信線を通じて得られた所定の情報に基づいて、第１のスイッチ、第２のスイッチ及び各バルブを個別に制御するので、車速やトルク等の様々な状況に応じて適切に制御することができる。
【００８１】
請求項１０に記載の発明によれば、二次電池を回生するための第３のスイッチをも効率よく制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一の実施の形態に係る燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【図２】燃料電池システム内の電流及び電圧による異常／正常状態の判断基準を示す図である。
【図３】この発明の一の実施の形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】従来の燃料電池システムの概要を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０ 負荷
１１ 燃料電池
１２ 二次電池
１３ 電源部
１５ 駆動回路
１６ 水素供給部
１７ 酸素供給部
１８〜２０ スイッチ
２１〜２３ バルブ
２５，２６ 検出部
２７ 中央制御部
３１ 燃料タンク
３２ 改質器
３３ 水素ポンプ
３４ 水素供給経路
３５ リザーブタンク
３６ 熱交換器
３７ 再利用経路
３８ 自動車内通信線
Claims (12)
- 自動車に搭載され、化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源とする燃料電池システムであって、
燃料電池及び二次電池が互いに並列に接続されてなる電源部と、
前記燃料電池に前記化学物質を供給する化学物質供給部と、
前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第１のスイッチと、
前記二次電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第２のスイッチと、
少なくとも前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチを個別に制御する中央制御部と
を備える燃料電池システム。 - 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記化学物質供給部と前記燃料電池との供給経路に設けられたバルブをさらに備え、
前記中央制御部が、前記バルブをも個別に制御することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項２に記載の燃料電池システムであって、
前記化学物質供給部は、水素を供給する水素供給部と、酸素を供給する酸素供給部とを有し、
前記バルブは、前記水素供給部と前記燃料電池との供給経路、及び前記酸素供給部と前記燃料電池との供給経路にそれぞれ設けられる、燃料電池システム。 - 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第１の検出部と、
前記二次電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第２の検出部と
をさらに備え、
前記中央制御部が、少なくとも前記第１の検出部及び前記第２の検出部での検出結果に応じて前記制御を行う、燃料電池システム。 - 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記中央制御部が、前記第１の検出部での検出結果に基づいて前記燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第１のスイッチを制御する一方、前記第２の検出部での検出結果に基づいて前記二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第２のスイッチを制御する、燃料電池システム。 - 請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第１の検出部と、
前記二次電池から前記負荷に至る電流経路の電流及び／または電圧を検出する第２の検出部と
をさらに備え、
前記中央制御部が、前記第１の検出部での検出結果に基づいて前記燃料電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第１のスイッチ及び前記バルブを個別に制御する一方、前記第２の検出部での検出結果に基づいて前記二次電池の異常を判断し、この判断結果に基づいて前記第２のスイッチを個別に制御する、燃料電池システム。 - 請求項４ないし請求項６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記中央制御部が、前記第１の検出部及び前記第２の検出部での検出結果に基づいて、当該燃料電池システムの緊急停止を必要とする第１の異常状態と、当該燃料電池システムの部分調整で対応可能な第２の異常状態と、正常状態とを峻別し、この峻別結果に応じて前記制御を行う、燃料電池システム。 - 請求項７に記載の燃料電池システムであって、
前記中央制御部が、前記第１及び第２の異常状態及び前記正常状態を峻別するための判断基準を複数種類保有しておき、自動車の走行状態によって前記判断基準を変更する、燃料電池システム。 - 請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記中央制御部が、所定の通信線を通じて得られた所定の情報に基づいて前記制御を行う、燃料電池システム。 - 請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記二次電池を回生するための第３のスイッチをさらに備え、
前記中央制御部が、前記第３のスイッチをも個別に制御する、燃料電池システム。 - 自動車に搭載され化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源供給を行う燃料電池と、当該燃料電池に並列に接続された二次電池とを有する燃料電池システムの出力制御方法であって、
少なくとも、前記燃料電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第１のスイッチと、前記二次電池から前記負荷に至る電流経路に設けられた第２のスイッチとを、所定の中央制御部により個別に制御することを特徴とする燃料電池システムの出力制御方法。 - 請求項１１に記載の燃料電池システムの出力制御方法であって、
自動車に搭載され化学物質の電気化学反応により電気を取り出して負荷への電源供給を行う燃料電池と、当該燃料電池に並列に接続された二次電池とを有する燃料電池システムの出力制御方法であって、
前記燃料電池への前記化学物質の供給を調整するためのバルブをも、前記中央制御部により個別に制御することを特徴とする燃料電池システムの出力制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003161160A JP2004362985A (ja) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | 燃料電池システム及びその出力制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003161160A JP2004362985A (ja) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | 燃料電池システム及びその出力制御方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004362985A true JP2004362985A (ja) | 2004-12-24 |
Family
ID=34053703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003161160A Pending JP2004362985A (ja) | 2003-06-05 | 2003-06-05 | 燃料電池システム及びその出力制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004362985A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113442742A (zh) * | 2021-06-25 | 2021-09-28 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种商居一体式氢燃料电池车双功能控制系统及车辆 |
-
2003
- 2003-06-05 JP JP2003161160A patent/JP2004362985A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113442742A (zh) * | 2021-06-25 | 2021-09-28 | 一汽解放汽车有限公司 | 一种商居一体式氢燃料电池车双功能控制系统及车辆 |
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