JP2006179331A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システムの周期的騒音を不規則騒音によりマスクし、乗員が感じる騒音の違和感や不快感を低減する。
【解決手段】 コントローラ３３は、燃料電池システム全体を制御すると共に、空気コンプレッサ１１の回転数を検出し、空気コンプレッサ回転数に基づいてラジエータファン２７の目標回転数を決定する。これにより、空気コンプレッサ１１による周期的騒音がラジエータファン２７の気流による不規則騒音によりマスクされ、乗員が感じる騒音を低減することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に人体に感じる騒音を低減した燃料電池システムに関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

燃料電池として一般的な固体高分子型燃料電池の酸素極には、通常ブロワやコンプレッサを用いて空気が供給される。燃料電池が大気圧付近の低圧で運転されるものであればブロワが、より高圧のものであればコンプレッサが用いられる。より高圧で運転することで燃料電池の出力特性を改善できることが知られており、燃料電池自動車用など小型化、軽量化が望まれる場合には、高圧システムが採用されることが多い。

高圧のシステムで用いられるコンプレッサは、通常容積形と呼ばれるものであり、ある容積内に閉じ込められた気体を、その容積で縮小する過程で加圧、圧縮するというメカニズムのため、原理的に圧力脈動が生じる。そのためコンプレッサ騒音が問題となることがあり、その騒音低減に関する従来技術として、特開２００３−２８５６４７などが挙げられる。そのメカニズム上、騒音の特性は該脈動の周波数が主成分となる純音的（周期的）なもので、騒音として認識されやすい。

一方、自動車のラジエータ冷却ファン等は以前より騒音源として認識されており、構造的な改良によりファン騒音自体を低減する技術開発も進められた結果、ファンの回転数と羽根枚数で決まる純音成分は比較的小さく抑えられ、ファンの気流により引き起こされるランダムノイズ（不規則的騒音）が主成分となっている。

燃料電池は、従来の内燃機関すなわちエンジンに比較して効率が高いことが知られており、それはすなわち排熱量が少ないことを意味するものの、エンジンの排熱はラジエータだけでなく高温の排気ガス自体も多くの熱を排出すること、固体高分子型燃料電池の運転温度、すなわち冷却水温度と比較してエンジンの冷却水温度が高いために、大気との温度差が大きく取れて、同じサイズ、流量のラジエータであってもより多くの熱を大気と交換できることから、結果的に燃料電池システムのラジエータの方がエンジンのラジエータより大きな放熱性能を要求される。

すなわち、燃料電池用のラジエータ冷却ファンは、エンジン車のラジエータファンよりも大きな風量を要求され、大出力を継続して取り出すようなケースでは、エンジン車よりもラジエータ冷却ファン騒音が大きくなることがある。しかし、そのような場合には車速も高いことが多く、ロードノイズや風切音など、車速に依存して大きくなる騒音でマスキングされることもある。また車速が低いなど、燃料電池出力があまり大きくないケースでは放熱性能にも余裕があるためラジエータ冷却ファンが低回転となり、ファン騒音がほとんど問題とならないことが多い。

空気コンプレッサの騒音低減に関する従来技術としては、空気コンプレッサを車両前方に配置し、空気吐出方向を前方として、消音器内で空気方向をＵターンさせ、後方の燃料電池に空気を供給することにより、乗員室へ向かって放射される騒音振動を低減する技術がある（例えば、特許文献１）。

また空調用コンプレッサの騒音低減技術として、電気自動車の車速が所定速度以下である場合に、コンプレッサ回転数を一定回転数以下の静音制御を行う技術がある（特許文献２）。

ファン騒音に関する従来技術としては、室内送風用ブロアモータ回転数、吸入空気量、車速、機関回転数等の騒音を生じる因子の状態を検出し、この騒音発生因子の増大に応じてラジエータファン回転数上限値を決定することにより、ファン騒音を低減する技術（特許文献３）がある。

また、車速や内燃機関の回転速度等の暗騒音予測レベルとバッテリ温度とに基づいて、バッテリ冷却ファンの回転速度を制御する技術（特許文献４）がある。
特開２００３−２８５６４７号公報（第４頁、図１） 特許３２８７１１０号（第６頁、図１） 特許２５３１１９６号（第３頁、図１） 特開２００４−４８９８１号公報（第９頁、図１）

しかしながら燃料電池自動車でアクセルを開けると、加速用電力を発電するために空気コンプレッサがより多くの空気を供給できるよう、空気コンプレッサ回転速度が上昇するが、この時点ではまだ車速の上昇はおろか、加速感も伴っていないため、空気コンプレッサ騒音だけが上昇し、乗員に違和感のある騒音として感じられると言う問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、少なくともひとつの主に周期的騒音または周期的振動を発生する周期的騒音源ユニットと、少なくともひとつの主に不規則騒音または不規則振動を発生する不規則騒音源ユニットとを備え、少なくとも一方のユニットの運転状態ないしは運転指示値に応じて、他方のユニットの運転状態ないしは運転指示値を制御することを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、周期的騒音源ユニットと不規則騒音源ユニットの運転状態ないしは運転指示値を連動させることで、不規則騒音源ユニットから発せられる騒音により、周期的騒音源ユニットから発せられる騒音をマスキングし、乗員が感じる騒音の違和感や不快感を低減することができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１〜５を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を説明する。図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１を搭載した燃料電池車両の概略構成を説明する構成図である。

図１において、燃料電池車両１は、燃料である水素ガスを貯蔵する水素タンク３と、水素タンク３を開閉するシャット弁５と、水素タンク３から供給する水素ガスの圧力を調整する調圧弁７と、調圧弁７で圧力調整された水素ガスが燃料極に供給される燃料電池スタック９と、空気を圧縮して燃料電池スタック９の空気極へ送るコンプレッサ１１と、二次電池１３と、燃料電池スタック９が発電する電力を二次電池１３に充電したり、駆動モータ１７の駆動用電力に変換するパワーマネージャ１５と、パワーマネージャ１５からの電力を車両の駆動力に変換する駆動モータ１７と、駆動力を左右に分配する差動装置１９と、駆動軸２１を介して回転駆動される駆動輪２３と、従動輪２５と、ラジエータ３１に送風するラジエータファン２７と、燃料電池スタック９の冷却水を循環させる冷却水ポンプ２９と、冷却水の熱を外部へ放出するラジエータ３１と、燃料電池全体を制御するコントローラ３３とを備えている。

図１において、水素タンク３からシャット弁５を通じて供給される高圧水素は、調圧弁７により燃料電池の運転圧力まで減圧されて、燃料電池スタック９のアノードに供給される。また、コンプレッサ１１は、酸化剤としての空気を圧縮して燃料電池スタック９のカソードに供給する。

コンプレッサ１１には、容積形と呼ばれるタイプを用いており、主として周期的騒音または周期的振動を発する周期的騒音源ユニットの一つである。

冷却水ポンプ２９は、燃料電池スタック９、ラジエータ３１を経て、冷却水ポンプ２９に戻る冷却水循環経路に冷却水を循環させることにより、燃料電池スタック９を冷却する。ラジエータファン２７は、燃料電池車両の走行風によるラジエータ３１の冷却が不足する場合、ラジエータ３１に送風して冷却水温度を低下させるとともに、コンプレッサ１１や差動装置１９等が発する周期的騒音が高くなる場合に、周期的騒音をマスクする不規則騒音源となる。

コントローラ３３は、調圧弁７、空気コンプレッサ１１、ラジエータファン２７、冷却水ポンプ２９等を制御して、燃料電池スタック９に供給する水素ガスの圧力及び流量、燃料電池スタック９に供給する空気の圧力及び流量、燃料電池スタック９の温度を制御するとともに、ラジエータファン２７及び空気コンプレッサ１１を制御して、燃料電池車両の体感騒音低減制御を行う。

コントローラ３３は、特に限定されないが、本実施形態では、ＣＰＵ、プログラムメモリ、ワークメモリ及びＩ／Ｏインタフェースを備えたマイクロプロセッサで実現されている。

図２は、コントローラ３３の内部構成を説明する制御ブロック図である。コントローラ３３は、ラジエータファン２７を制御するラジエータファン制御部５１と、空気コンプレッサ１１を制御するコンプレッサ制御部５２とを備えている。

図３は、コントローラ３３が実行する制御フローチャートである。まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、空気コンプレッサ１１に内蔵された回転計の出力を読み取って空気コンプレッサ１１の回転数を検出し、次いで、Ｓ１２で、図４に示すような予めコントローラ３３に記憶した制御テーブルを参照して、空気コンプレッサ１１の回転数に対応するラジエータファン回転数を読み出し、この回転数をラジエータファン２７の目標回転数に決定する。

空気コンプレッサ１１の回転数が所定の値Ｒ１よりも小さいときはラジエータファン回転数の制御を行わない。空気コンプレッサ１１の周期的な騒音が、ラジエータファン２７の不規則騒音によるマスキングを必要としないほど小さい場合である。

次に、本実施例の作用を説明する。空気コンプレッサ１１の回転数が検出され、その回転数がＲ１よりも大きいＲ２である場合、図４の制御テーブルに応じてラジエータファン２７の回転数がＲ３に設定される。

図５にはラジエータファン２７が回転数Ｒ３で動作するときの騒音特性と、空気コンプレッサ１１が回転数Ｒ２で動作するときの騒音特性をそれぞれ破線、実線で示す。空気コンプレッサ１１の騒音は、従来技術の項で説明したように、圧力脈動の周波数成分Ｆ１と、その高調波成分Ｆ２からなる。

ラジエータファン２７の回転数Ｒ３は、図５に示すように、空気コンプレッサ１１が回転数Ｒ２で動作するときの空気コンプレッサ騒音を、ラジエータファン騒音でマスキングできるように設定される。

ラジエータファン騒音は乗員に聞こえるレベルであるが、不規則的騒音のため認識されにくいので、耳につきやすい周期的騒音よりも快適性に与える影響が小さい。

特にこの発明を燃料電池自動車等の移動体に適用した場合には、不規則的騒音であるラジエータファン騒音はロードノイズや風切音と同様の周波数特性であるため、それらの騒音に埋もれやすい。ロードノイズや風切音は車速とともにその騒音レベルが上昇することが受け入れやすい騒音である。

なお上記説明では空気コンプレッサ回転数を検出するものとしているが、空気コンプレッサ回転数指示値をコンプレッサ制御部５２から読み取るようにしてもよい。そのように制御することで、コンプレッサ回転数の変化を、検出する場合よりも早く知ることができ、ラジエータファン回転数への反映を早く行えるので、騒音マスク効果が早く得られる。

次に、図６〜図９を用いて、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。実施例２の燃料電池システムの全体構成図は、実施例１の図１と、コントローラの制御ブロック図は図２と同様である。

図６は、実施例２における制御フローチャートである。まずＳ２０で、空気コンプレッサ１１の回転数指示値を読み取り、Ｓ２２で、この回転数に基づいて実施例１のＳ１２と同様にラジエータファン２７の回転数を決定する。次いで、Ｓ２４でラジエータファン回転数を検出し、Ｓ２６でラジエータファン回転数に基づいて、図７のような予めコントローラ３３に記憶した制御マップを参照して、空気コンプレッサ時定数を求める。

空気コンプレッサ回転数がＲ１よりも大きく、ラジエータファン回転数上昇が必要な場合、ラジエータファン制御部５１はそれに従ってラジエータファンに回転数上昇を指示するが、ラジエータファン回転数の上昇には多少の時間がかかるため、図７に示すような時定数特性マップを参照して、現在のラジエータファン回転数に応じて、空気コンプレッサ回転数指示値に時定数を設ける。

すなわち、現在のラジエータファン回転数が低いほど大きな時定数を設定する。ここで大きな時定数とは、空気コンプレッサ１１の回転数上昇が緩やかになるものである。その様子を図８、図９に示す。図８、図９ともラジエータファン回転数の変化を破線で、空気コンプレッサ回転数の変化を実線で示している。図８には現在のラジエータファン回転数が比較的高いＲ４の場合を、図９には比較的低いＲ５の場合を示す。図８のケースでは時定数が比較的小さいＴ１であるため、現在の空気コンプレッサ回転数Ｒ７から指示された回転数Ｒ８まで変化する時間が比較的短い。一方図９のケースでは時定数が比較的大きいＴ２であるため、Ｒ７からＲ８までの変化に要する時間が比較的長い。

ラジエータファン回転数を急激に変化させると、その騒音が認知されやすくなることや、ラジエータファンモータの消費電力の瞬時値が大きくなることから、回転数上昇速度をほぼ一定に抑えている。空気コンプレッサの回転数変化速度がラジエータファン回転速度上昇の速度変化を上回らないように設定しているので、空気コンプレッサ騒音が常にラジエータファン騒音によってマスキングされる。

次に、図１０〜図１２用いて、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。実施例３の燃料電池システムの全体構成図は、実施例１の図１と同様である。本実施例の燃料電池車両１は、二次電池１３を搭載し、車速がごく低いときは二次電池１３の出力のみで走行したり、より大きな駆動力が望まれるときには、燃料電池スタック９の出力を二次電池１３の出力によってアシストしたりする。この制御は、コントローラ３３の指示の下にパワーマネージャ１５が実行する。また、パワーマネージャ１５は、二次電池１３の充放電を制御するとともに、二次電池１３の充電状態（ＳＯＣ）を常に計算しているものとする。

図１０にコントローラ３３の制御ブロック図を示す。実施例３では、コントローラ３３に車速センサ３５とアクセルセンサ３７が接続されている。

図１１にフローチャートを示す。まず初めにＳ３０で、アクセルセンサ３７からアクセルペダルの踏込量を読み込み、アクセル全開（或いは所定以上のアクセルペダル踏込量）か否かを判定する。アクセル全開とみなせれば、騒音マスクのための処理は何もせずに終了する。アクセル全開は、運転者の急加速の意図の現れであり、このときの騒音は問題なく、車両の有する加速性能が最大限発揮されればよいと考えることができるからである。

Ｓ３０の判定でアクセル全開で無ければ、Ｓ３２へ進み、コントローラ３３は、パワーマネジャ１５から二次電池１３の充電状態（ＳＯＣ）を読み込み、ＳＯＣが所定値（例えば、満充電状態の３０％）未満か否かを判定する。ＳＯＣが所定値未満であれば、燃料電池スタック９発電による二次電池１３の充電が必要であるので、騒音マスクのための処理は何もせずに終了する。

Ｓ３２の判定で、二次電池１３のＳＯＣが所定値以上であれば、Ｓ３４へ進み、空気コンプレッサ１１の回転数指示値を読み取る。次いで、Ｓ３６で、空気コンプレッサ回転数に応じて、実施例１と同様に、図４のような制御マップを参照して、ラジエータファンの目標回転数を決定する。

次いで、Ｓ３８で、現在のラジエータファン回転数を検出し、Ｓ４０で、ラジエータファン回転数が目標回転数に達しているかどうかを判定する。Ｓ４０の判定で、ラジエータファン回転数が目標回転数に達していれば、空気コンプレッサ１１が発する周期的騒音がラジエータファンの不規則騒音にマスクされている状態なので、処理を終了する。

最初にＳ４０を実施するときには、まだラジエータファン回転数が決定された目標回転数に達していないため、次にＳ４２へ進み、車速センサ３５で車速検出を行い、Ｓ４４で現在のラジエータファン回転数と車速に応じて、図１２の様な制御マップを参照して、空気コンプレッサ回転数上限を決定し、Ｓ３８のラジエータファン回転数検出のステップに戻る。このループを、ラジエータファン回転数が上記で決定された値に達するまで繰り返す。

図１２は、ラジエータファン回転数と車速とから空気コンプレッサ回転数上限を決めるときの制御マップの例を示す図である。基本的には図４に示したような、空気コンプレッサ回転数からラジエータファン回転数を決める制御マップと同等であるが、もうひとつ車速というパラメータが追加される。具体的には、車速が低いときにはラジエータファン回転数がかなり高くなったところで空気コンプレッサ回転数上限が高くなるのだが、車速が高いときには、ラジエータファン回転数が比較的低いところで空気コンプレッサ回転数上限が高くなる。

以上のような処理とすることで、運転者が特別に大きな駆動力を望んでいる場合、すなわちアクセルを全開にしている場合には、空気コンプレッサの回転数を制限しないので、瞬時に大きな電力を発生させることができる。また二次電池の充電が必要なほど電池ＳＯＣが低い場合にも、充電を優先することができる。それらの場合以外には、常に空気コンプレッサの周期的騒音がラジエータファン騒音および車速に依存するロードノイズや風切音等の不規則騒音にマスキングされ、乗員が感じる騒音の違和感や不快感を低減することができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１を搭載した燃料電池車両の構成を説明するシステム構成図である。 実施例１のコントローラの制御ブロック図である。 実施例１のコントローラによる制御フローチャートである。 空気コンプレッサ回転数に対するラジエータファン回転数の制御マップである。 空気コンプレッサ騒音（実線）とラジエータファン騒音（破線）との音圧レベルの周波数特性を示す図である。 実施例２のコントローラによる制御フローチャートである。 ラジエータファン回転数に対する空気コンプレッサ回転数指示値の時定数マップの例である。 ラジエータファン回転数（破線）及び空気コンプレッサ回転数（実線）の時間変化を示すタイムチャートである。 ラジエータファン回転数（破線）及び空気コンプレッサ回転数（実線）の時間変化を示すタイムチャートである。 実施例３のコントローラの制御ブロック図である。 実施例３のコントローラによる制御フローチャートである。 ラジエータファン回転数及び車速に対する空気コンプレッサ回転数上限を示す制御マップである。

符号の説明

１：燃料電池車両
３：水素タンク
５：シャット弁
７：調圧弁
９：燃料電池スタック
１１：空気コンプレッサ
１３：二次電池
１５：パワーマネージャ
１７：駆動モータ
１９：差動装置
２１：駆動軸
２３：駆動輪
２５：従動輪
２７：ラジエータファン
２９：冷却水ポンプ
３１：ラジエータ
３３：コントローラ

Claims (19)

1. 少なくともひとつの主に周期的騒音または周期的振動を発生するユニット（以下、単に周期的騒音源ユニットと称する）と、少なくともひとつの主に不規則騒音または不規則振動を発生するユニット（以下、単に不規則騒音源ユニットと称する）とを備え、少なくとも一方のユニットの運転状態ないしは運転指示値に応じて、他方のユニットの運転状態ないしは運転指示値を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記周期的騒音源ユニットの現在の運転速度によって、前記不規則騒音源ユニットの運転速度を制御す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. 前記周期的騒音源ユニットの運転速度指示値によって、前記不規則騒音源ユニットの運転速度を制御す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。
4. 前記周期的騒音源ユニットの運転速度を予測する予測手段を備え、
   該予測手段の予測値に基づいて、前記不規則騒音源ユニットの運転速度を制御す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。
5. 移動体に搭載され、前記予測手段は移動体の加速を指示する信号を検出する手段であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記予測手段は、燃料電池システムへの発電要求を検出する手段であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 移動体に搭載され、移動体の移動速度に応じて前記不規則騒音源ユニットの運転状態ないしは運転指示値を制御することを特徴とする請求項２乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記不規則騒音源ユニットの現在の運転速度によって、前記周期的騒音源ユニットの運転指示値を制御す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。
9. 前記不規則騒音源ユニットの現在の運転速度と前記周期的騒音源ユニットの現在の運転速度とによって時定数を定め、該時定数によって該周期的騒音源ユニットの運転指示値を制御することを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システム。
10. 移動体に搭載され、移動体の移動速度に応じて前記時定数を制御することを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記不規則騒音源ユニットの現在の運転速度によって、前記周期的騒音源ユニットの運転速度上限値を制御することを特徴とする請求項８乃至請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
12. 前記周期的騒音源ユニットの運転速度上限値は、周期的騒音源ユニットの騒音レベルと不規則騒音源ユニットの騒音レベルとの相対関係で定められることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
13. 移動体に搭載され、移動体の移動速度に応じて前記周期的騒音源ユニットの運転速度上限値を制御することを特徴とする請求項１１または請求項１２に記載の燃料電池システム。
14. 移動体に搭載され、移動体の状態および/または移動体への運転指示によって前記制御を中止することを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
15. 蓄電装置を備え、前記移動体の状態が該蓄電装置の充電状態であることを特徴とする請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記移動体への運転指示が、移動体の速度ないしは加速度を指示する信号であり、該信号が所定値よりも大きいときに前記制御を中止することを特徴とする請求項１４または請求項１５に記載の燃料電池システム。
17. 前記周期的騒音源ユニットがブロワまたはコンプレッサであることを特徴とする請求項１乃至請求項１６の何れか１項に記載の燃料電池システム。
18. 移動体に搭載され、前記周期的騒音源ユニットが移動体を駆動するモータないし駆動ギヤであることを特徴とする請求項１乃至請求項１７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
19. 前記不規則騒音源ユニットが冷却ファンであることを特徴とする請求項１乃至請求項１８の何れか１項に記載の燃料電池システム。

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