JP2006309975A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 アイドルストップ解除後に燃料電池の暖機を不要とし、アイドルストップ中の燃料電池内水蒸気の凝縮による水詰まりを防止し、再起動時の起動時間を短縮し、燃料電池の出力立ち上がり時間を短縮するとともに燃費性能低下を防止する。
【解決手段】 コントローラ４０は、燃料電池システム１全体を制御するとともに、要求負荷が所定以下となったときに、燃料電池温度Ｔfcが第１所定値Ｔ１を超えていれば燃料電池２のアイドルストップを行う。燃料電池温度は、燃料電池２の冷媒入口温度Ｔｉと冷媒出口温度Ｔｏの平均値として算出する。アイドルストップ中に燃料電池温度Ｔfcが第２所定値Ｔ２（Ｔ２＜Ｔ１）以下となったときに、アイドルストップからアイドル発電に復帰し、補機（水素循環ポンプ、コンプレッサ１６、冷媒ポンプ３７）消費電力相当分を燃料電池２で発電して、燃料電池２の温度低下を防止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無負荷時または低負荷時の一時発電停止であるアイドルストップを行う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、水素貯蔵装置や水素発生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。

このような燃料電池車両においても、内燃機関車両と同様なアイドルストップが考えられる。燃料電池の発電効率が低い低負荷領域あるいは無負荷領域では、燃料電池の発電を一時停止させ、２次電池から所要電力を供給する。そして、燃料電池に発電余力があるときに２次電池へ充電することにより、総合的な燃費効率が向上する。

ところで、固体高分子型燃料電池は、使用する材料の耐熱温度や発電効率から好ましい運転温度があり、燃料電池から発生する反応熱を除去しなければ、運転温度を超えてしまう。このため、例えば、特許文献１記載の技術では、燃料電池内の冷却通路と熱交換器との間で冷媒を循環させて冷却していた。
特開平７−１６９４７８号公報（第３頁、図１）

しかしながら上記従来技術にアイドルストップを適用して、アイドルトップ中に冷却ポンプを停止させると、冷却系の各構成要素と外気との熱抵抗や熱容量の相違から、冷媒の温度ムラが生じる。例えば、熱抵抗の小さな熱交換器中の冷媒は、燃料電池内の冷媒より温度低下が早くなる。このような温度ムラが大きくなった状態でアイドルストップを解除すると、冷却ファンの制御にハンチングが生じたり、再度暖気運転が必要となるという問題点があった。

上記問題点を解決するために本発明は、要求出力が所定値以下となったときに燃料電池の発電を一時停止するアイドルストップ可能な燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段が検出した温度が第１所定値以下のとき、アイドルストップを禁止する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池の温度が第１所定値以下の時に、アイドルストップを禁止するので、アイドルストップ解除後に燃料電池の暖機を不要とし、アイドルストップ中の燃料電池内水蒸気の凝縮による水詰まりを防止し、再起動時の起動時間を短縮し、燃料電池の出力立ち上がり時間を短縮するとともに燃費性能低下を防止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。尚、以下に説明する実施例は、特に限定されないが、本発明を燃料電池車両に適用した実施例である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例の全体構成を示する概略図である。燃料電池システム１は、例えばアノード３とカソード４との間に固体高分子電解質を挟持した燃料電池２、燃料改質装置や水素貯蔵装置等により水素をアノード３に供給する水素供給装置５、水素遮断弁６、水素圧力調整弁７、水素供給配管８、アノード圧力センサ９、水素循環流路１０、水素循環ポンプ１１、パージ弁１２、水素排出配管１３、フィルタ１４、空気流量計１５、空気を圧縮するコンプレッサ１６、冷却器１７、カソード４からの排気の水分によりカソード４へ供給する空気を加湿する加湿装置１８、空気供給配管１９、カソード圧力センサ２０、空気排出配管２１、空気圧力調整弁２２、燃料電池２の出力電圧をバッテリ２４の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２３、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３から充電されるとともに燃料電池２の出力が不足するとき放電するバッテリ２４、バッテリ２４の充電状態（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣ検出器２５、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３及び／又はバッテリ２４からの直流を交流に変換するインバータ２６、インバータ２６の交流で動作する車両駆動用モータ２７、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサ２８、燃料電池２の各セル電圧または所定数のセルが直列接続された各セル群の電圧を検出するセル電圧センサ２９、燃料電池システム１全体を制御するとともにアイドルストップ中の燃料電池電圧を高める操作を行う制御手段を兼ねるコントローラ（ＥＣＵ）４０を備えている。

水素供給装置５から供給される水素は、水素圧力調整弁７を経由して、アノード３に供給される。燃料電池２のアノード入口での水素の圧力は、アノード圧力センサ９で測定される。水素圧力調整弁７は、アノード圧力センサ９で測定される圧力が燃料電池２の要求出力に応じた圧力となるようにコントローラ４０から制御される。通常はパージ弁１２は閉じており、燃料電池２のアノード出口から排出される水素は、水素循環配管１０及び水素循環ポンプ１１によりアノード３の入口へ循環される。

燃料電池２内に水溢れが発生した場合、水素循環路内に不純物が蓄積した場合、燃料電池２の運転圧を低下させる場合などには、パージ弁１２を開けて水素排出配管１３から図示しない水素希釈装置等へ水素を排出する。

酸化剤ガスとなる空気は、フィルタ１４により塵埃・有害化学物質が除去され、コンプレッサ９により圧縮される。コンプレッサ９が圧縮した空気は、冷却器１７で冷却されて、加湿装置１８へ供給される。加湿装置１８は、例えば、高分子中空糸膜を用いた湿度交換装置であり、カソード４の排気が含む水蒸気を冷却器１７からの空気に与えることで加湿する。加湿された空気は、空気供給配管１９を介してカソード４へ供給される。カソード４の入口での空気圧力はカソード圧力センサ２０で測定される。

燃料電池２を冷却する冷却系として、冷媒流路３３、冷媒の熱を外気へ放出するラジエータ３５、ラジエータ３５をバイパスするバイパス流路３６、ラジエータ３５とバイパス流路３６とを切り替えまたは流量比を可変できる三方弁３４、冷媒をラジエータ３５と燃料電池２との間で循環させる冷媒ポンプ３７を備えている。冷媒としては、純水に非導電性の融点降下剤を溶解した不凍液が好ましい。

冷媒流路３３の燃料電池２の入口側には、入口温度検出手段として入口温度センサ３１、同出口側には、出口温度検出手段として出口温度センサ３２が設けられている。また外気温度を検出する外気温度センサ３０が設けられている。

アノード圧力センサ９、空気流量センサ１５、カソード圧力センサ２０、電圧センサ２８、セル電圧センサ２９、外気温度センサ３０、入口温度センサ３１、及び出口温度センサ３２は、それぞれコントローラ４０の入力端子に接続され、各検出信号をコントローラ４０へ入力する。

また、水素遮断弁６、水素圧力調整弁７、水素循環ポンプ１１、パージ弁１２、コンプレッサ１６、空気圧力調整弁２２、三方弁３４、及び冷媒ポンプ３７は、それぞれコントローラ４０の出力端子に接続され、コントローラ４０が出力する制御信号により制御される。

コントローラ４０は、入力された各センサの信号から燃料電池２の運転状態を判断し、燃料電池システム１全体を制御する。またコントローラ４０は、図示しない車両走行制御装置から入力された燃料電池システム１に対する要求負荷に基づいて、燃料電池２のアイドルストップを制御する。

また、コントローラ４０は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、制御プログラムおよび制御マップ等の制御パラメータを予め記憶したＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサで構成されている。

また、燃料電池２から取り出す電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって制御される。このＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、例えば入力電圧を昇圧及び降圧できる昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池２が発電した電力をバッテリ２４へ充電するとともに、インバータ２６を介して車両駆動用モータ２７へ供給する。

図２は、実施例におけるコントローラ４０のアイドルストップ制御を説明するフローチャートであり、一定時間毎に実行されるものとする。尚本実施例では、後述されるアイドルストップ条件判定サブルーチン内で条件の成否に従って“１”または“０”に設定されるアイドルストップ条件フラグと、アイドルストップ中を示すアイドルストップフラグＩＳＦとを使用している。

図２において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、アイドルストップ条件の成否を判定をする。Ｓ１０のアイドルストップ条件判定は、従来の燃料電池システムにおけるアイドルストップ条件を利用してもよいが、本実施例におけるアイドルストップ条件判定の一例は図３（ａ）を参照して後述される。次いでＳ２０で、アイドルストップ条件フラグの値を判定し、アイドルストップ条件フラグ＝０であれば、アイドルストップ条件が不成立としてＳ２１へ進む。アイドルストップ条件フラグ＝１であれば、条件成立としてＳ２２へ進む。

Ｓ２１では、アイドルストップ状態フラグＩＳＦをリセットしてＳ４０へ進み、Ｓ４０で通常の発電を行い、リターンする。

Ｓ２２では、入口温度センサ３１から燃料電池２の冷媒入口温度Ｔｉ、出口温度センサ３２から燃料電池２の冷媒出口温度Ｔｏを読み込む。Ｓ２３では、燃料電池温度Ｔfc＝（１／２）×（Ｔｉ＋Ｔｏ）を算出する。このように燃料電池２の冷媒入口温度Ｔｉと冷媒出口温度Ｔｏの平均を燃料電池温度とすることにより、センサの設置が困難な燃料電池２の内部に温度センサを設けること無く、燃料電池の温度を計測することができる。

Ｓ２４では、燃料電池温度Ｔfcが第１所定値Ｔ１以下であるか否かを判定する。第１所定値Ｔ１は、燃料電池システムの冷間起動時に暖機完了と判断する燃料電池温度（例えば、７０〔℃〕）に通常のアイドルストップ継続時間（例えば、燃料電池車両では、平均信号待ち時間）で冷媒温度が低下する温度幅（例えば、３〔℃〕）より多少高めの温度幅（例えば、５〔℃〕）を加えた値（７０＋５＝７５〔℃〕）とする。

Ｓ２４の判定で、燃料電池温度Ｔfcが第１所定値Ｔ１以下であれば、燃料電池システムの暖機が不十分として新たにアイドルストップすることを禁止、或いはアイドルストップ中であれば、アイドルストップを解除してアイドル発電へ移行するために、Ｓ２９へ進む。このように本実施例では、燃料電池温度が第１所定値Ｔ１以下のときに、アイドルストップを禁止しているので、アイドルストップ解除後に、再度燃料電池システムの暖機を必要とすることが無くなり、またアイドルストップ中に燃料電池２内部の水蒸気が凝結してガス流路を閉塞することを防止できる。

Ｓ２４の判定で、燃料電池温度Ｔfcが第１所定値Ｔ１を超えていれば、Ｓ２５へ進み、既にアイドルストップ中か否かを判定するために、アイドルストップ状態フラグＩＳＦの値を判定する。Ｓ２５の判定で、アイドルストップ状態フラグＩＳＦが“１”でなければ（０であれば）、Ｓ２６へ進み、Ｓ２３で算出した燃料電池温度Ｔfcをアイドルストップ開始時の燃料電池温度Ｔfc0 として記憶する。次いで、Ｓ２７でアイドルストップ状態フラグＩＳＦを“１”にセットし、Ｓ３０へ進んでアイドルストップを実行する。

Ｓ２５の判定で、アイドルストップ状態フラグＩＳＦが“１”であれば、Ｓ２８へ進み、燃料電池温度Ｔfcが第２所定値Ｔ２（ここで、Ｔ２＜Ｔ１）を超えているか否かを判定する。第２所定値Ｔ２は、アイドルストップ移行可能な温度である第１所定温度Ｔ１より低い温度であり、これ以下の温度に燃料電池温度が低下すれば、アイドルストップから通常発電への復帰時に燃料電池内に凝結した水分の排出等のために再起動が遅れたり、燃費性能が低下する温度を実験的に求めた値であり、例えば、７０〔℃〕である。

Ｓ２８の判定で、燃料電池温度Ｔfcが第２所定値Ｔ２を超えていれば、Ｓ６０へ進み、燃料電池システムのアイドルストップを継続して、リターンする。

Ｓ２８の判定で、燃料電池温度Ｔfcが第２所定値Ｔ２以下であれば、Ｓ２９へ進み、アイドルストップ状態フラグＩＳＦを“０”にリセットし、Ｓ５０でアイドル発電へ移行する。Ｓ５０のアイドル発電は、例えば、水素圧力調整弁７、コンプレッサ１６から燃料電池２へ水素及び空気を小流量で或いは間歇的に供給するとともに、水素循環ポンプ１１、冷媒ポンプ３７を小流量で或いは間歇的に駆動し、補機（コンプレッサ１６、水素循環ポンプ１１、冷媒ポンプ３７）駆動電力分相当を燃料電池２で発電する状態である。この燃料電池２のアイドル発電による反応熱が燃料電池２の内部で発生するので、燃料電池２の更なる温度低下を防止することができる。

図３（ａ）は、図２のＳ１０であるアイドルストップ条件判定サブルーチンの一例を説明するフローチャートである。アイドルストップ条件判定が開始されると、まずＳ１１で燃料電池システムに対する要求出力Ｐrq〔Ｗ〕が検出または算出される。燃料電池車両の場合、例えば、車速とアクセルペダルの操作量（要求トルク）から要求出力Ｐrqを算出する。次いでＳ１２でＳＯＣ検出器２５からバッテリ２４のＳＯＣを読み込み、Ｓ１３でＳＯＣに基づいて制御テーブルと参照してバッテリ２４から取り出し可能な出力Ｐbt〔Ｗ〕を算出する。ＳＯＣ検出器２５は、例えばバッテリ２４の最大容量に対する充電量の比率として、ＳＯＣ〔％〕を検出するものとする。バッテリ２４の取出可能出力Ｐbtは、使用するバッテリの特性によって限定されるが、例えば、ＳＯＣが３０〔％〕を超えていれば、最大取り出し可能電力とし、それ以下であれば、ＳＯＣの低下量に応じて減じることが好ましい。

次いで、Ｓ１４で要求出力Ｐrqが所定値Ｐ１未満であるか否かを判定する。要求出力がＰ１未満であれば、Ｓ１５で要求出力Ｐrqがバッテリ取出可能出力Ｐbtより小さいか否かを判定する。ＰrqがＰbtより小さければ、燃料電池システム１をアイドルストップしてもバッテリ２４から必要な出力を取り出せるので、Ｓ１６へ進み、アイドルストップ条件フラグを“１”にセットして、リターンする。

Ｓ１４、またはＳ１５の判定が否であれば、Ｓ１７へ進み、アイドルストップ条件フラグを“０”にリセットして、リターンする。

図３（ｂ）は、図２のＳ３０であるアイドルストップ実行サブルーチンの一例を説明するフローチャートである。アイドルストップ実行が開始されると、まずＳ３１で水素圧力調整弁７を閉じてアノード３への新規水素供給を停止するとともに、パージ弁１２が開いていれば閉じる。Ｓ３２でコンプレッサ１６を停止してカソード４へ空気供給を停止するとともに、空気圧力調整弁２２を閉じる。次いで、Ｓ３３でＤＣ／ＤＣコンバータ２３による電力取り出しを停止し、Ｓ３４で水素循環ポンプ１１を停止させる。次いでＳ３５で、冷媒ポンプ３７及び図１には図示されないラジエータファンを停止し、Ｓ３６でアイドルストップ中の経過時間を計測するタイマのカウントを開始して、リターンする。

図４は、アイドルストップ継続中の冷媒ポンプ制御を説明するフローチャートであり、図２のＳ６０の処理から呼び出されて実行される。まず、Ｓ６１では、入口温度センサ３１から燃料電池２の冷媒入口温度Ｔｉ、出口温度センサ３２から燃料電池２の冷媒出口温度Ｔｏを読み込む。Ｓ６２では、燃料電池温度Ｔfc＝（１／２）×（Ｔｉ＋Ｔｏ）を算出する。

Ｓ６３では、第３所定値Ｔ３との温度差（Ｔｏ−Ｔｉ）が第３所定値Ｔ３以上であるか否かを判定する。第３所定値Ｔ３は、燃料電池２の定格運転時における冷媒入口温度Ｔｉと冷媒出口温度Ｔｏとの温度差（例えば、１０〜２０〔℃〕）より小さい値であり、且つアイドルストップを解除してアイドル発電、または通常発電を再開したときに、アイドルストップ中の冷媒通路の放熱特性の差異により生じる冷媒の温度ムラにより、燃料電池２に悪影響を与えたり、図１には示されないラジエタファンの駆動制御にハンチング（所定温度以上で駆動、所定温度未満で停止の頻繁な繰り返し）が生じない温度差を実験的に求めた値であり、例えば燃料電池車両では、５〔℃〕である。

Ｓ６３の判定で、温度差（Ｔｏ−Ｔｉ）が第３所定値Ｔ３以上であれば、冷媒温度差を縮小させるために、Ｓ６８へ進む。Ｓ６３の判定で、温度差（Ｔｏ−Ｔｉ）が第３所定値Ｔ３未満であれば、Ｓ６４へ進み、アイドルストップ開始時の燃料電池温度Ｔfc0 から、Ｓ６２で算出した現在の燃料電池温度Ｔfcまでの温度低下幅（Ｔfc0 −Ｔfc）が所定値ΔＴを超えているか否かを判定する。温度低下幅（Ｔfc0 −Ｔfc）が所定値ΔＴを超えていれば、冷媒温度を均一化するためにＳ６８へ進む。ここで、温度低下幅を判定するための所定値ΔＴは、アイドルストップを解除してアイドル発電、または通常発電を再開したときに、アイドルストップ中の冷媒通路の放熱特性の差異により生じる冷媒の温度ムラにより、燃料電池２に悪影響を与えたり、図１には示されないラジエタファンの駆動制御にハンチング（所定温度以上で駆動、所定温度未満で停止の頻繁な繰り返し）が生じない温度を実験的に求めた値であり、例えば燃料電池車両では、５〔℃〕である。

Ｓ６４の判定で、温度低下幅（Ｔfc0 −Ｔfc）が所定値ΔＴを超えていなければ、Ｓ６５へ進み、アイドルストップ中の経過時間を計時するタイマのカウントが所定時間Δｔを超えているか否かを判定する。この所定時間Δｔは、アイドルストップを解除してアイドル発電、または通常発電を再開したときに、アイドルストップ中の冷媒通路の放熱特性の差異により生じる冷媒の温度ムラにより、燃料電池２に悪影響を与えたり、図１には示されないラジエタファンの駆動制御にハンチング（所定温度以上で駆動、所定温度未満で停止の頻繁な繰り返し）が生じない時間を実験的に求めた値であり、例えば燃料電池車両では、１〔ｍｉｎ〕である。

Ｓ６５の判定で、タイマのカウントが所定時間Δｔを超えていれば、冷媒温度を均一化するためにＳ６８へ進む。タイマのカウントが所定時間Δｔを超えていなければ、Ｓ６６へ進み、冷媒ポンプ３７が作動していればこれを停止、または停止状態を継続し、Ｓ６７でタイマカウント（タイマの更新）を実行してリターンする。

Ｓ６８では、冷媒ポンプ３７を作動させるとともに三方弁３４をバイパス流路３６側に切替、または冷媒ポンプ３７の作動及び三方弁３４の状態を継続し、Ｓ６９でアイドルストップ経過時間を計測するタイマをクリアしてリターンする。

本発明に係る燃料電池システムの実施例を説明するシステム構成図である。 実施例におけるアイドルストップ制御を説明するフローチャートである。 （ａ）アイドルストップ条件の判定処理、（ｂ）アイドルストップの実行処理をそれぞれ説明するフローチャートである。 アイドルストップ継続中の冷媒ポンプ制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１：燃料電池システム
２：燃料電池
３：アノード
４：カソード
５：水素供給装置
７：水素圧力調整弁
８：水素供給配管
９：アノード圧力センサ
１０：水素循環配管
１１：水素循環ポンプ
１２：パージ弁
１３：水素排出配管
１４：フィルタ
１５：空気流量センサ
１６：コンプレッサ
１７：冷却器
１８：加湿装置
１９：空気供給配管
２０：カソード圧力センサ
２１：空気排出配管
２２：空気圧力調整弁
２３：ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４：バッテリ
２５：ＳＯＣ検出器
２６：インバータ
２７：車両駆動用モータ
２８：電圧センサ
２９：セル電圧センサ
３０：外気温度センサ
３１：入口温度センサ
３２：出口温度センサ
３３：冷媒流路
３４：三方弁
３５：ラジエータ
３６：バイパス流路
３７：冷媒ポンプ
４０：コントローラ

Claims (7)

1. 要求出力が所定値以下となったときに燃料電池の発電を一時停止するアイドルストップ可能な燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
   該温度検出手段が検出した温度が第１所定値以下のとき、アイドルストップを禁止する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. アイドルストップ中に前記温度検出手段が検出した温度が第１所定値より小さい第２所定値以下となったときに、前記制御手段は、前記燃料電池をアイドルストップ状態から発電状態に復帰させる制御を行う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. 前記温度検出手段が検出する温度は、燃料電池を冷却する冷媒の温度であ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. 前記温度検出手段として、燃料電池の冷媒入口の温度を検出する入口温度検出手段と燃料電池の冷媒出口の温度を検出する出口温度検出手段と、を備え、
   前記冷媒出口と前記冷媒出入口との温度差が第３所定値以上のときに、前記制御手段は、アイドルストップ中であっても前記冷媒を循環させ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. 前記制御手段は、アイドルストップ中に所定条件が成立すれば、前記冷媒を循環させ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。
6. 前記所定条件とは、アイドルストップ開始からの経過時間が所定時間を超えたこと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. 前記所定条件とは、アイドルストップ開始時の前記冷媒温度に対する冷媒温度の低下が所定値を超えたとき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。

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