JP2006202695A - 燃料電池システム及び燃料電池車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両の運転性能に影響を与えることなく、燃料電池の出力制限を解除できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池システム（１０）は、セル電圧に応じて燃料電池（２０）の出力制限を行うシステムであって、燃料電池（２０）の出力制限中に燃料電池（２０）の出力可能な電力量が燃料電池（２０）に要求される電力量を上回った場合に、出力制限を解除する制御装置（４０）を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃料電池システム及び燃料電池車両に関し、特に、走行性能に影響を与えることなく燃料電池の出力制限を解除する技術に関する。

燃料電池システムは、燃料ガスと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ーを取り出すことのできる発電システムである。燃料電池車両は、高圧水素タンク等の水素貯蔵源を車両に搭載し、そこから供給される水素と、外気から取り込んだ空気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ーでトラクションモータを駆動させている。セルの出力電圧は約１Ｖ程度と低いため、燃料電池システムを車両駆動用電源として用いるには、数百セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成される。燃料電池システムを運転する際には、局所的に発生する反応ガス不足やフラッディング等の状態悪化を検出して、過電流による燃料電池の損傷を事前に防止し、十分な出力が取り出せるように燃料電池の状態を回復させる必要がある。特許文献１には、セル電圧が所定値より低下した場合に燃料電池の出力を制限するとともに、セル電圧が出力制限前の平均セル電圧を越えて回復した場合に燃料電池の出力制限を解除する技術が提案されている。
特開２００４−１５２６０４号

しかし、単に、セル電圧が回復したことを以って、燃料電池の出力制限を解除すると、セル電圧の回復による電力増加分がモータ出力増加に繋がり、運転手の意図しない車両の飛び出し感を与えてしまう。また、セル電圧がある程度回復したとしても、燃料電池スタックの内部状態が正常に回復したとは限らないので、スタック内部に局所的な反応ガス不足やフラッディング等が生じているにも関わらず、出力制限を解除すると、セル電圧が再び低下するなどして、大きく変動し始める可能性がある。

燃料電池の出力を制限するときには、セル電圧を早急に回復させる必要があるので、車両の走行性能（ドライバビリティ）を多少犠牲にしてでも、ある程度のモータ出力変動は許容できる。ところが、燃料電池の出力制限を解除するときには、上述した車両の飛び出し感を運転手に与えるのは好ましくないので、走行性能に影響を与えることなく、慎重に燃料電池の出力制限を解除する必要がある。

そこで、本発明は車両の運転性能に影響を与えることなく、燃料電池の出力制限を解除できる燃料電池システム及び燃料電池車両を提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、セル電圧に応じて燃料電池の出力制限を行う燃料電池システムであって、燃料電池の出力制限中に燃料電池の出力可能な電力量が燃料電池に要求される電力量を上回った場合に、出力制限を解除する制御装置を備える。かかる構成によれば、車両の運転性能に影響を与えることなく、燃料電池の出力制限を解除できる。

本発明の燃料電池システムは、上述の構成に加えて、更に、蓄電装置を備え、制御装置は燃料電池の出力制限中に燃料電池の出力可能な電力量と蓄電装置の出力可能な電力量との総和が燃料電池に要求される電力量を上回った場合に、出力制限を解除するように構成してもよい。かかる構成により、燃料電池の出力が増加した分、蓄電装置の出力を低下させることにより、モータ出力の変動を抑えながら、燃料電池の出力制限を解除できる。

本発明の燃料電池システムにおいて、制御装置は、燃料電池に要求される電力量が所定値以下に低下した場合に出力制限を解除してもよい。燃料電池に要求される電力量が所定値以下に低下する場合とは、例えば、アクセルオフ操作或いはアクセル開度を所定開度以下にするなどして、低負荷状態になる場合をいう。この状態では、燃料電池の出力可能な電力量が燃料電池に要求される電力量を上回るので、出力制限を解除してもよい。

本発明の燃料電池システムにおいて、制御装置は、セル電圧が所定値以下の場合に燃料電池の出力許容値を減算し、セル電圧が所定値を超えている場合に燃料電池の出力許容値を加算するように構成してもよい。かかる構成により、セル電圧が低下している場合には、セル電圧を早急に急回復させることができるとともに、セル電圧が低下してない場合には、出力許容値を少しずつ上げていくことができる。

本発明の燃料電池システムにおいて、セル電圧が所定値以下の場合における燃料電池の出力許容値の減算値は、セル電圧が所定値を超えている場合における燃料電池の出力許容値の加算値よりも大きい方が好ましい。セル電圧が所定値以下の場合における燃料電池の出力許容値の減算値を大きくすることで、燃料電池の損傷を抑制しつつ、セル電圧を早急に回復させることができる。また、セル電圧が所定値を超えている場合における燃料電池の出力許容値の加算値を小さくすることで、燃料電池の出力許容値を少しずつ上げて、燃料電池車両の運転性能に影響を与えないようにできる。

本発明の燃料電池車両は、本発明の燃料電池システムを搭載した車両であって、制御装置は、車両の加速要求値が所定値以下の場合に、出力制限を解除する。運転手の加速意思がない場合に燃料電池の出力制限を解除することで、運転性能に影響を与えることなく、出力制限を解除できる。

本発明によれば、車両の運転性能に影響を与えることなく、燃料電池の出力制限を解除できる。

以下、各図を参照して本発明の実施例について説明する。各実施例は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定解釈するものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく、変更・改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は本実施例に係わる燃料電池電気自動車の電気系統を中心とするシステム構成図である。燃料電池システム１０は、主に、複数のセルが直列に積層されてなる燃料電池（セルスタック）２０と、燃料電池２０のアノード極に燃料ガス（水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置２１と、燃料電池２０のカソード極に酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給装置２２と、燃料電池２０のセル電圧を検出するセル電圧検出装置（セルモニタ）２３と、燃料電池２０の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電する二次電池（蓄電装置）３４と、燃料電池２０の出力電圧を調整して、燃料電池２０と二次電池３４との電力供給分配を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ３３と、燃料電池２０又は二次電池３４から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ（車両走行モータ）３２に供給するインバータ３１と、システム全体を制御する制御装置４０を備えて構成されている。ＳＯＣ（State of Charge）センサ３５は二次電池３４のＳＯＣを検出する。アクセルセンサ４１は運転手によるアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出する。車速センサ４２は車両走行速度を検出する。尚、二次電池３４に替えて、電気二重層キャパシタを蓄電装置として用いてもよい。

燃料ガス供給装置２１は、例えば、水素ガスを高圧に封入した高圧水素タンク、水素吸蔵合金に水素を貯蔵した水素貯蔵タンク、又は改質原燃料（メタン、エタン、プロパン、ブタンなど）から水素ガスを生成する改質器などによって構成される。酸化ガス供給装置２２は、例えば、外気から取り込んだ空気を圧縮するエアコンプレッサなどによって構成される。セル電圧検出装置２３は、燃料電池２０を構成する各々のセルのセル電圧、又は複数のセルから成るセル群のセル電圧を検出する。本明細書では、単一のセルの出力電圧のみならず、複数のセルから成るセル群の出力電圧をセル電圧と称する。

制御装置４０は、アクセルセンサ４１が検出したアクセル開度（車両の加速要求値）、車速センサ４２が検出した車速等を基にシステム全体の要求電力（車両走行電力と補機電力の総和）を求める。次に、燃料電池２０と二次電池３４の出力電力の配分を決定し、燃料電池２０の発電量が目標電力に一致するように燃料ガス供給装置２１と酸化ガス供給装置２２を制御して燃料電池２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を制御して燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整する。更に、制御装置４０はアクセル開度に応じて目標車速が得られるようにインバータ３１を制御し、トラクションモータ３２の回転数、及び回転トルクを調整する。

図２は燃料電池２０の出力制限解除方法を記述した制御ルーチンを示している。本制御ルーチンは、制御装置４０によって一定のインターバルで繰り返し実行される。本制御ルーチンが呼び出されると、制御装置４０は、燃料電池２０のセル電圧が所定値以下に低下したか否かを判定する（Ｓ１０１）。セル電圧が所定値以下に低下している場合には（Ｓ１０１；ＹＥＳ）、制御装置４０は、ＦＣ出力制限フラグをＯＮに設定するとともに、ＦＣ出力制限保持フラグをＯＮに設定する（Ｓ１０２）。一方、セル電圧が所定値を超えている場合には（Ｓ１０１；ＮＯ）、ＦＣ出力制限フラグをＯＦＦに設定する（Ｓ１０３）。ＦＣ出力制限フラグは、セル電圧が所定値以下に低下したか否かを示すフラグであり、このフラグがＯＮに設定されることによって、セル電圧の低下がフラグ情報として制御装置４０に記憶される。ＦＣ出力制限保持フラグは、燃料電池２０の出力制限がかけられているか否かを示すフラグであり、このフラグがＯＮに設定されることによって、燃料電池２０に出力制限がかけられていることがフラグ情報として制御装置４０に記憶される。

次に、制御装置４０は、システム供給可能電力がシステム要求電力を上回っているか否かを判定する（Ｓ１０４）。システム供給可能電力とは、車載電源システムの供給可能な最大電力をいい、例えば、車載電源システムが燃料電池２０と二次電池３４とから成る場合は、燃料電池２０の最大出力電力と、二次電池３４の最大放電電力との総和をいう。既に燃料電池２０の出力制限がかけられている場合には、燃料電池２０の最大出力電力は最大許容電力量に等しい。二次電池３４の最大放電電力はＳＯＣセンサ３５が検出したＳＯＣにより求めることができる。一方、システム要求電力とは、車両走行に要する電力と、車載補機類で消費される電力との総和である。システム供給可能電力がシステム要求電力を上回っている場合には（Ｓ１０４；ＹＥＳ）、仮に出力制限を解除したとしても、燃料電池２０と二次電池３４との出力割合を変化させる（例えば、燃料電池２０の出力増加分だけ二次電池３４の出力を減少させる）などして、トラクションモータ３２の出力変動を抑制できるので、制御装置４０はＦＣ出力制限保持フラグをＯＦＦに設定し、出力制限を解除する（Ｓ１０５）。一方、システム供給可能電力がシステム要求電力を下回っている場合には（Ｓ１０４；ＮＯ）、Ｓ１０６へジャンプする。

次に、制御装置４０は、ＦＣ出力制限フラグがＯＮに設定されているか否かを判定する（Ｓ１０６）。ＦＣ出力制限フラグがＯＮに設定されている場合には（Ｓ１０６；ＹＥＳ）、セル電圧が低下していることを示しているので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値をΔＩ₁だけ減算し（Ｓ１０７）、本制御ルーチンを抜ける。一方、ＦＣ出力制限フラグがＯＦＦに設定されている場合には（Ｓ１０６；ＮＯ）、セル電圧の低下がみられないことを示しているので、制御装置４０は、ＦＣ出力制限保持フラグがＯＮに設定されているか否か、つまり、燃料電池２０に出力制限がかけられているか否かを判定する（Ｓ１０８）。ＦＣ出力制限保持フラグがＯＮに設定されている場合には（Ｓ１０８；ＹＥＳ）、局所的な反応ガス不足やフラッディング等によって、セル電圧が低下する可能性があるので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値として、最新の値を保持する（Ｓ１０９）。一方、ＦＣ出力制限保持フラグがＯＦＦに設定されている場合には（Ｓ１０８；ＮＯ）、燃料電池２０の内部状態は正常と考えられるので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値をΔＩ₂だけ加算し（Ｓ１１０）、本制御ルーチンを抜ける。

尚、減算値ΔＩ₁は、加算値ΔＩ₂よりも大きい電流値に設定するのが望ましい。セル電圧が低下している場合は、燃料電池２０の出力許容値をある程度大きく下げて、燃料電池２０の損傷を抑制しつつ、セル電圧を早急に回復させるのが効果的である。一方、セル電圧が回復しつつある場合には、燃料電池の出力許容値を少しずつ上げて、燃料電池車両の運転性能に影響を与えないようにするのが効果的である。本実施例では、燃料電池２０の出力許容値として電流値を例示したが、電圧値又は電力値を出力許容値としてもよい。

本制御ルーチンによれば、システム供給可能電力がシステム要求電力を上回っている場合に、燃料電池２０の出力制限を解除しても、燃料電池２０と二次電池３４との出力割合を変化させるなどして、トラクションモータ３２の出力変動を抑制できるので、燃料電池車両の走行性能に影響を与えることがない。

図３は燃料電池２０の出力許容値の制限方法を記述した制御ルーチンを示している。本実施例における燃料電池システムの構成は実施例１と同様であるため、説明を省略する。本制御ルーチンは、制御装置４０によって一定のインターバルで繰り返し実行される。本制御ルーチンが呼び出されると、制御装置４０は、燃料電池２０のセル電圧が所定値以下に低下したか否かを判定する（Ｓ２０１）。セル電圧が所定値以下に低下している場合には（Ｓ２０１；ＹＥＳ）、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値をΔＩ₁だけ減算し（Ｓ２０２）、本制御ルーチンを抜ける。一方、セル電圧が所定値を超えている場合には（Ｓ２０１；ＮＯ）、制御装置４０は、システム供給可能電力がシステム要求電力を上回っているか否かを判定する（Ｓ２０３）。システム供給可能電力がシステム要求電力を上回っている場合には（Ｓ２０３；ＹＥＳ）、この状態で要求電力を賄うことが出来るので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値として最新の値を保持する（Ｓ２０４）。一方、システム供給可能電力がシステム要求電力を下回っている場合には（Ｓ２０３；ＮＯ）、この状態では要求電力を賄うことが出来ないので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値をΔＩ₂だけ加算し（Ｓ２０５）、システム供給可能電力を増大させる。

尚、減算値ΔＩ₁は、加算値ΔＩ₂よりも大きい電流値に設定するのが望ましい。セル電圧が低下している場合は、燃料電池２０の出力許容値をある程度大きく下げて、燃料電池２０の損傷を抑制しつつ、セル電圧を早急に回復させるのが効果的である。セル電圧が低下していない場合であって、システム供給可能電力がシステム要求電力を下回っている場合には、システム供給可能電力を増加するため、燃料電池２０の出力許容値を少しずつ上げていくのが効果的である。本実施例では、燃料電池２０の出力許容値として電流値を例示したが、電圧値又は電力値を出力許容値としてもよい。

図４は燃料電池２０の出力制限解除方法を記述した制御ルーチンを示している。本実施例における燃料電池システムの構成は実施例１と同様であるため、説明を省略する。本制御ルーチンは、制御装置４０によって一定のインターバルで繰り返し実行される。本制御ルーチンが呼び出されると、制御装置４０は、燃料電池２０のセル電圧が所定値以下に低下したか否かを判定する（Ｓ３０１）。セル電圧が所定値以下に低下している場合には（Ｓ３０１；ＹＥＳ）、制御装置４０は、ＦＣ出力制限フラグをＯＮに設定するとともに、ＦＣ出力制限保持フラグをＯＮに設定する（Ｓ３０２）。一方、セル電圧が所定値を超えている場合には（Ｓ３０１；ＮＯ）、ＦＣ出力制限フラグをＯＦＦに設定する（Ｓ３０３）。

次に、制御装置４０は、システム要求負荷が所定値以下に低減したか否か、つまり、運転手がアクセルオフしたか否かを判定する（Ｓ３０４）。運転手がアクセルオフしたか否かはアクセルセンサ４１の検出信号を基に判断できる。運転手がアクセルをオフすることで、システム要求負荷が大幅に低減するので、システム供給可能電力がシステム要求電力を上回ることができる。運転手がアクセルオフした場合には（Ｓ３０４；ＹＥＳ）、仮に出力制限を解除したとしても、燃料電池２０と二次電池３４との出力割合を変化させる（例えば、燃料電池２０の出力増加分だけ二次電池３４の出力を減少させる）などして、トラクションモータ３２の出力変動を抑制できるので、制御装置４０はＦＣ出力制限保持フラグをＯＦＦに設定し、出力制限を解除する（Ｓ３０５）。一方、運転手がアクセルオフしてない場合には（Ｓ３０４；ＮＯ）、Ｓ３０６へジャンプする。

次に、制御装置４０は、ＦＣ出力制限フラグがＯＮに設定されているか否かを判定する（Ｓ３０６）。ＦＣ出力制限フラグがＯＮに設定されている場合には（Ｓ３０６；ＹＥＳ）、セル電圧が低下していることを示しているので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値をΔＩ₁だけ減算し（Ｓ３０７）、本制御ルーチンを抜ける。一方、ＦＣ出力制限フラグがＯＦＦに設定されている場合には（Ｓ３０６；ＮＯ）、セル電圧の低下がみられないことを示しているので、制御装置４０は、ＦＣ出力制限保持フラグがＯＮに設定されているか否か、つまり、燃料電池２０に出力制限がかけられているか否かを判定する（Ｓ３０８）。ＦＣ出力制限保持フラグがＯＮに設定されている場合には（Ｓ３０８；ＹＥＳ）、局所的な反応ガス不足やフラッディング等によって、セル電圧が低下する可能性があるので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値として、最新の値を保持する（Ｓ３０９）。一方、ＦＣ出力制限保持フラグがＯＦＦに設定されている場合には（Ｓ３０８；ＮＯ）、燃料電池２０の内部状態は正常と考えられるので、制御装置４０は、燃料電池２０の発電許容電流値をΔＩ₂だけ加算し（Ｓ３１０）、本制御ルーチンを抜ける。

尚、上述の例では、システム要求電力が所定値以下に低減したか否かを判断する目安として、運転手がアクセルオフしたか否かを判断基準としたが、アクセル開度が所定開度以下であるか否かを判断基準としてもよい。

本制御ルーチンによれば、システム要求負荷が所定値以下に低減した場合に、燃料電池２０の出力制限を解除しても、燃料電池２０と二次電池３４との出力割合を変化させるなどして、トラクションモータ３２の出力変動を抑制できるので、燃料電池車両の走行性能に影響を与えることがない。

実施例１の燃料電池電気自動車の電気系統のシステム構成図である。 実施例１の燃料電池の出力制限解除方法の制御ルーチンである。 実施例２の燃料電池の出力許容値制限方法の制御ルーチンである。 実施例３の燃料電池の出力制限解除方法の制御ルーチンである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ２１…燃料ガス供給装置 ２２…酸化ガス供給装置 ２３…セル電圧検出装置 ３１…インバータ ３２…トラクションモータ ３３…ＤＣ／ＤＣコンバータ ３４…二次電池 ３５…ＳＯＣセンサ ４０…制御装置 ４１…アクセルセンサ ４２…車速センサ

Claims (6)

1. セル電圧に応じて燃料電池の出力制限を行う燃料電池システムであって、燃料電池の出力制限中に前記燃料電池の出力可能な電力量が前記燃料電池に要求される電力量を上回った場合に、前記出力制限を解除する制御装置を備えた燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、更に、蓄電装置を備え、前記制御装置は前記燃料電池の出力制限中に前記燃料電池の出力可能な電力量と前記蓄電装置の出力可能な電力量との総和が前記燃料電池に要求される電力量を上回った場合に、前記出力制限を解除する、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記制御装置は前記燃料電池に要求される電力量が所定値以下に低下した場合に前記出力制限を解除する、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、前記制御装置はセル電圧が所定値以下の場合に前記燃料電池の出力許容値を減算し、セル電圧が前記所定値を超えている場合に前記燃料電池の出力許容値を加算する、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、セル電圧が所定値以下の場合における前記燃料電池の出力許容値の減算値は、セル電圧が前記所定値を超えている場合における前記燃料電池の出力許容値の加算値よりも大きい、燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両であって、前記制御装置は車両の加速要求値が所定値以下の場合に、前記出力制限を解除する、燃料電池車両。

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