JP2006324018A - 燃料電池車の制御装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大気圧を測定する専用の圧力センサ等を設けることなく大気圧を推定して検出する安価な制御構成により、燃料電池ユニットの空気供給流量の大気圧変化に対する適切な補正を行って標高の高い地域等においても十分な発電量を確保する。
【解決手段】大気圧によって変化するレギュレータ１の燃料電池ユニット８側の二次圧力を検出する圧力センサ３の検出二次圧力を利用し、この検出二次圧力に対する推定回路部１３の大気圧の特性マップから大気圧を推定し、その推定結果に基き前記大気圧の変動にしたがって燃料電池ユニット８の空気供給量を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、いわゆる水素燃料電池を搭載した燃料電池車の制御装置及びその制御方法に関する。

従来、いわゆる水素燃料電池を搭載し、燃料として高圧水素を用いる燃料電池車は、水素タンクの高圧（例えば２５０〜３５０気圧）の水素をレギュレータにより１〜２気圧程度まで減圧し、レギュレータの二次側の減圧された水素（水素ガス）と空気とを燃料電池ユニット（電池セルユニット）に供給し、このユニットにより水素と酸素とを燃料とし、その電気化学反応によって発電し、その電力でモータを駆動する。

この燃料電池車は、要求される発電量に応じて燃料電池ユニットに空気（酸素）を供給する必要があることから、前記の要求される発電量に応じて空気供給手段としてのコンプレッサ等により燃料電池ユニットへの空気供給流量を制御しているが、標高の高い地域等を走行する場合には、空気密度の減少によって実際に燃料電池ユニットに供給される空気量（モル（ｍｏｌ）数）が減少することも考慮して燃料電池ユニットへの空気供給流量を制御する必要がある。

具体的には、例えば標高１０００ｍの高地では、標高０ｍの地域（大気圧が約１００ｋＰａ）に比して大気圧が約１０ｋＰａ減少することから、この大気圧の減少に対する空気供給流量の補正を行なわなければ、燃料電池ユニットに供給される空気量が約１割も減少する。

そのため、従来のこの種の燃料電池車の制御においては、多くの場合、専用の圧力センサ等を備えて周囲環境の大気圧を実測し、その測定結果にしたがってコンプレッサ等の駆動を補正し、燃料電池ユニットに供給される空気量を大気圧の増減変化に応じて補正している（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００４−３４２４７５号公報（要約、段落［００２７］−［００３８］、図１）

前記従来のように大気圧を測定する専用の圧力センサ等を設けると、その分コストがアップし、この種の燃料電池車の制御を安価に行なうことができない問題がある。また、専用の圧力センサを設けずに、標高差等における大気圧変動を見越して、あらかじめ十分な空気量を供給することも考えられるが、コンプレッサ等の空気供給手段で消費する電力が増加し、燃料電池系としての効率的な発電が行なえなくなるおそれがある。

ところで、この種の燃料電池車の制御装置のレギュレータの１例を示した図２からも明らかなように、通常、レギュレータ１の一次側（水素タンク側）、二次側（燃料電池ユニット側）には圧力センサ２、３が設けられ、両圧力センサ２、３により一次側、二次側の水素ガスの圧力が検出されて監視される。

また、レギュレータ１は、筐体１ａの上部に収容されたばね４の弾性力と、前記上部を外部に連通する空気孔１ｂの大気圧とにより、筐体１ａの内部の前記上部と下部との隔壁としてのダイヤフラム５を介して前記下部の弁６が上下動して一次側と二次側との水素流通路を制御し、この制御によって二次圧力を設定された１〜２気圧の所望圧力に減圧する。

この場合、大気圧が増減すると、ダイヤフラム５を介して弁６に加わる力が増減し、弁６の開閉の状態が変化し、大気圧が減少したときは、弁６が上動して閉まる方向に変化し、二次圧力が減少し、大気圧が増大したときは、その逆に変化する。

本発明は、上記のレギュレータの二次圧力変化に着目してなされたものであり、大気圧を測定する専用の圧力センサ等を設けることなく大気圧を推定して検出する安価な制御構成により、燃料電池ユニットの空気供給流量の大気圧変化に対する適切な補正を行って標高の高い地域等においても十分な発電量を確保することを目的とする。

上記した目的を達成するために、本発明の燃料電池車の制御装置は、水素タンクの高圧の水素をレギュレータにより減圧して燃料電池ユニットに供給し、該燃料電池ユニットにより、前記水素と空気供給手段から供給された空気とを燃料として発電する燃料電池車の制御装置であって、大気圧によって変化する前記レギュレータの前記燃料電池ユニット側の二次圧力を検出するレギュレータ二次圧力検出手段と、前記レギュレータ二次圧力検出手段の検出二次圧力に対する前記大気圧の特性マップから前記大気圧を推定する大気圧推定手段と、前記大気圧推定手段の推定結果に基き前記大気圧の変動にしたがって前記燃料電池ユニットの空気供給量を補正する空気供給量制御手段とを備えたことを特徴としている（請求項１）。

また、本発明の燃料電池車の制御装置は、レギュレータの水素タンク側の一次圧力を検出するレギュレータ一次圧力検出手段と、燃料電池ユニットの発電量から換算した水素流量を検出する水素流量検出手段と、レギュレータ二次圧力検出手段の検出二次圧力を、前記レギュレータ一次圧力検出手段の検出一次圧力、前記水素流量検出手段の検出水素流量の少なくともいずれか一方によって補正する補正手段とを備え、大気圧推定手段により、前記補正手段の補正後の前記二次圧力から大気圧を推定するようにしたことも特徴としている（請求項２）。

つぎに、本発明の燃料電池車の制御方法は、水素タンクの高圧の水素をレギュレータにより減圧して燃料電池ユニットに供給し、該燃料電池ユニットにより、前記水素と空気供給手段から供給された空気とを燃料として発電する燃料電池車の制御方法であって、大気圧によって変化する前記レギュレータの前記燃料電池ユニット側の二次圧力から前記大気圧を推定し、前記大気圧の推定結果に基き前記大気圧の変動にしたがって前記燃料電池ユニットの空気供給量を補正することを特徴としている（請求項３）。

また、本発明の燃料電池車の制御方法は、レギュレータの二次圧力を、前記レギュレータの一次圧力、燃料電池ユニットの発電量から換算した水素流量の少なくともいずれか一方によって補正し、補正後の前記二次圧力から大気圧を推定することも特徴としている（請求項４）。

まず、請求項１、３の構成によれば、レギュレータの二次圧力が大気圧の影響を受けて変化することに着目し、大気圧測定の専用の圧力センサを用いることなく、レギュレータの検出二次圧力から大気圧を推定して検出することができる。

そして、大気圧の推定結果に基き、大気圧の増減変化にしたがって燃料電池ユニットの空気供給量を自動的に適切に補正することができる。

そのため、大気圧測定の専用の圧力センサを用いない安価な制御構成により、大気圧の増減に応じて燃料電池ユニットに供給する空気量を補正し、標高の高い地域等においても十分な発電量を確保してこの種の燃料電池車を安定に走行することができる。

つぎに、請求項２、４の構成によれば、レギュレータの検出二次圧力を、その検出一次圧力や発電量から検出した水素流量に基いて補正することにより、レギュレータの二次圧力を一層精度よく推定して検出することができ、推定した大気圧の変化に対する燃料電池ユニットの空気供給量の補正精度を一層向上することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、その一実施形態について、図１及び図２にしたがって詳述する。

図１は燃料電池車の制御装置のブロック図、図２はそのレギュレータの一例の模式図である。

そして、図１において、７は水素タンクであり、その高圧（２５０〜３００気圧）の水素がレギュレータ一次圧力検出手段としての一次側（水素タンク側）の圧力センサ２を通ってレギュレータ１に送られ、このレギュレータ１で１〜２気圧程度に減圧される。

８は燃料電池ユニットであり、レギュレータ１の減圧された二次側の水素がレギュレータ二次圧力検出手段としての二次側の圧力センサ２を通って供給される。９は燃料電池ユニット８に空気を供給するコンプレッサであり、空気供給手段を形成する。１０はコンプレッサ９の駆動制御回路部であり、燃料電池ユニット８の発電量に基くフィードバック制御により、要求される発電量に相当するコンプレッサ回転数を演算し、その指令値に基づいてコンプレッサ９の空気送給を制御する。

１１は水素流量検出手段を形成する換算回路部であり、燃料電池ユニット８の発電量から燃料電池ユニット８に供給される水素流量を検出する。１２は補正手段を形成する二次圧力補正部であり、圧力センサ３の検出二次圧力を、レギュレータ１の特性等に基き、圧力センサ２の検出一次圧力、換算回路部１１の検出水素流量の少なくともいずれか一方によって補正する。

１３は大気圧推定手段を形成する推定回路部であり、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性のメモリに二次圧力補正部１２の補正後の検出二次圧力に対する大気圧の特性マップ（大気圧マップ）を保持し、このマップから二次圧力補正部１２の補正後の検出二次圧力に対応する大気圧を読み出して大気圧を推定し、推定結果をフィードバック制御の補正値として駆動制御回路部１０に供給し、大気圧の推定結果に基き大気圧の変動にしたがって燃料電池ユニット８の空気供給量を補正する。

そして、水素タンク７の高圧の水素をレギュレータ１で減圧し、レギュレータ１の二次側の減圧した水素（水素ガス）とコンプレッサ９からの空気とを燃料電池ユニット８に供給し、その電気化学反応によって発電した電力で車両駆動用のモータ（図示せず）を駆動する。

このとき、レギュレータ１は例えば図２に示すように構成され、ばね４の弾性力と大気圧とにより一次側の高圧の水素を減圧するが、大気圧の増減変化によっても二次圧力が増減変化し、標高の高い地域等の走行時には、大気圧の減少にしたがって二次圧力が減少する。

そして、この二次圧力を圧力センサ３によって検出し、その検出二次圧力を二次圧力補正部１２を介して推定回路部１３に供給し、大気圧を推定する。

このとき、処理の簡素化等を図る場合は、二次圧力補正部１２を省き、圧力センサ３の検出二次圧力を推定回路部１３に直接供給し、検出二次圧力のみから大気圧を推定するようにしてもよいが、レギュレータ１の特性等に基き、検出二次圧力と大気圧との関係が、レギュレータ１の一次圧力や水素流量の影響を受けることから、実験等によってそれらの影響を測定し、圧力センサ２の検出一次圧力、換算回路部１１の検出水素流量の少なくともいずれか一方の検出二次圧力に対する補正特性を二次圧力補正部１２に予め設定する。

なお、圧力センサ２の検出一次圧力、換算回路部１１の検出水素流量のいずれか一方の補正を施すより、両方の補正を施す方が大気圧の推定精度が向上する。また、この補正特性の設定は、例えば推定回路部１３の大気圧マップのような検出一次圧力、検出水素流量に対する検出二次圧力の補正量のマップを二次圧力補正部１２の不揮発性メモリに保持して行なうことができる。

そして、二次圧力補正部１２により、圧力センサ３の検出二次圧力に、例えば、圧力センサ２の検出一次圧力、換算回路部１１の検出水素流量の両方の補正を施し、補正後の検出二次圧力を推定回路部１３に供給し、この回路部１３の大気圧マップから、補正後の検出二次圧力に対応する大気圧を読み出して推定し、大気圧測定の専用の圧力センサを用いることなく、レギュレータ１の二次圧力を検出する既存の圧力センサ３の検出二次圧力から大気圧を精度よく検出する。

さらに、推定回路部１３の推定結果の大気圧をコンプレッサ９の駆動制御回路部１０に供給し、この駆動回路部１０において、燃料電池ユニット８の発電量に基づくコンプレッサ９の検出回転数又はこの回転数の目標値を、推定結果の大気圧により予め設定された特性で補正する。

この補正により、コンプレッサ９から燃料電池ユニット８に供給する空気流量を、大気圧の増減の逆に補正し、標高の高い地域等の走行時には、大気圧の減少に応じて燃料電池ユニット８に供給する空気流量を増加補正する。

したがって、大気圧測定の専用の圧力センサを用いない安価な制御構成により大気圧の増減に応じて燃料電池ユニット８に供給する空気量［ｍｏｌ］を補正し、標高の高い地域等においても十分な発電量を確保し、この種の燃料電池車を安定に走行することができる。

ところで、図１の駆動制御回路部１０、換算回路部１１、二次圧力補正部１２、推定回路部１３等は、演算増幅器等を用いたハードウエア回路によって形成してもよいが、マイクロコンピュータ構成のＥＣＵのソフトウエア処理によって形成することが好ましい。

そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能であり、例えば、レギュレータ１の構造等はどのようであってもよい。

また、推定回路部１３の大気圧マップの特性等は、実験等に基いて、種々に設定してよいのも勿論である。

そして、本発明は、水素燃料電池を搭載した種々の燃料電池車の制御に適用することができる。

この発明の一実施形態のブロック図である。 図１のレギュレータの一例の模式図である。

符号の説明

１ レギュレータ
２、３ 圧力センサ
７ 水素タンク
８ 燃料電池ユニット
９ コンプレッサ
１０ 駆動制御回路部
１１ 換算回路部
１２ 二次圧力補正部
１３ 推定回路部

Claims (4)

1. 水素タンクの高圧の水素をレギュレータにより減圧して燃料電池ユニットに供給し、該燃料電池ユニットにより、前記水素と空気供給手段から供給された空気とを燃料として発電する燃料電池車の制御装置であって、
   大気圧によって変化する前記レギュレータの前記燃料電池ユニット側の二次圧力を検出するレギュレータ二次圧力検出手段と、
   前記レギュレータ二次圧力検出手段の検出二次圧力に対する前記大気圧の特性マップから前記大気圧を推定する大気圧推定手段と、
   前記大気圧推定手段の推定結果に基き前記大気圧の変動にしたがって前記燃料電池ユニットの空気供給量を補正する空気供給量制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池車の制御装置。
2. 請求項１記載の燃料電池車の制御装置において、
   レギュレータの水素タンク側の一次圧力を検出するレギュレータ一次圧力検出手段と、
   燃料電池ユニットの発電量から換算した水素流量を検出する水素流量検出手段と、
   レギュレータ二次圧力検出手段の検出二次圧力を、前記レギュレータ一次圧力検出手段の検出一次圧力、前記水素流量検出手段の検出水素流量の少なくともいずれか一方によって補正する補正手段とを備え、
   大気圧推定手段により、前記補正手段の補正後の前記二次圧力から大気圧を推定するようにしたことを特徴とする燃料電池車の制御装置。
3. 水素タンクの高圧の水素をレギュレータにより減圧して燃料電池ユニットに供給し、該燃料電池ユニットにより、前記水素と空気供給手段から供給された空気とを燃料として発電する燃料電池車の制御方法であって、
   大気圧によって変化する前記レギュレータの前記燃料電池ユニット側の二次圧力から前記大気圧を推定し、
   前記大気圧の推定結果に基き前記大気圧の変動にしたがって前記燃料電池ユニットの空気供給量を補正することを特徴とする燃料電池車の制御方法。
4. 請求項３記載の燃料電池車の制御方法において、
   レギュレータの二次圧力を、前記レギュレータの一次圧力、燃料電池ユニットの発電量から換算した水素流量の少なくともいずれか一方によって補正し、
   補正後の前記二次圧力から大気圧を推定することを特徴とする燃料電池車の制御方法。

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