JP2007115444A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に対する要求発電電力の増加に対して、過渡的に過剰となるコンプレッサ消費電力を抑制し、移動体の駆動力を確保する。
【解決手段】蓄電装置供給可能電力検出手段１０１は、燃料電池発電電力の不足分を供給する蓄電装置の供給可能電力を検出する。移動体駆動源消費電力検出手段１０２は、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力で移動体を駆動する駆動源の消費電力を検出する。酸化剤供給手段消費電力演算手段１０３は、蓄電装置供給可能電力検出手段１０１、ならびに移動体駆動源消費電力検出手段１０２の検出結果に基づいて、燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段での消費可能な電力を演算する。酸化剤供給手段目標稼動量演算手段１０４は、この消費可能な電力に基づいて、酸化剤供給手段の目標稼動量を演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池で移動体を駆動する燃料電池システムの制御装置に関する。

一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する装置であり、その一つとして、電解質に固体高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。

燃料電池を搭載し、燃料電池から電力供給を受けて駆動する移動体においては、燃料電池での発電電力が不足して、移動体の駆動力を損なわないために、蓄電装置を搭載し、要求発電電力に対し、燃料電池の発電電力が不足する場合に、蓄電装置から電力供給を行う。

通常、移動体用燃料電池では発電効率を高めて出力密度を向上させるために、電動機などでコンプレッサを駆動して、圧縮した空気を燃料電池へ供給している。しかし、発電停止状態から燃料電池を起動する場合、コンプレッサの消費電力が増加して、蓄電装置から移動体駆動装置へ供給する電力が不足すると移動体の乗員に違和感を与えることになる。そこで 特許文献１では、非発電状態から発電開始する際に、燃料供給路及び酸化剤供給路内の残存ガス量に基づく所定時間内は、供給ガス量に関係なく燃料電池から要求発電電力を取り出すことで、移動体駆動源の要求駆動力を満足させようとしている。
特開２００３−３０３６０５号公報（第８頁、図８）

しかしながら、燃料電池へ酸化剤の供給を開始して燃料電池を起動する場合、コンプレッサから供給される酸化剤量に対して、コンプレッサの消費電力が過渡的に過剰になって、この消費電力分を発電しようとすると、過渡的に酸化剤不足が発生し、燃料電池の電圧低下を招くことになる。

またコンプレッサの消費電力は、大気圧・外気温といった外部環境、コンプレッサ自体の個体差バラツキ、空気供給路の圧力損失のバラツキ等によって、増減することがある。また燃料電池へ供給される酸化剤の供給速度も、同様に変化することがある。このように、コンプレッサの消費電力に基づいて、発電電流を変化させると、酸化剤供給が間に合わず、燃料電池の電圧低下を招く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、燃料極・酸化剤極間に電解質膜を挟持させてなる単電池を積層させて構成される燃料電池と、燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、燃料電池の発電電力が不足するときに必要な電力を供給する蓄電装置と、燃料電池及び蓄電装置から供給される電力により移動体を駆動する移動体駆動装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、燃料電池及び蓄電装置から移動体駆動装置へ電力供給を行う際に、燃料電池の発電電力と蓄電装置の供給可能電力と移動体駆動装置の消費電力とに応じて、酸化剤供給装置を駆動する電力を制御する酸化剤供給制御手段を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、酸化剤供給制御手段が燃料電池の発電電力と蓄電装置の供給可能電力と移動体駆動装置の消費電力とに応じて、酸化剤供給装置を駆動する電力を制御するようにしたので、移動体の駆動力に影響を及ぼさないように酸化剤供給手段の消費電力を制御し、移動体の駆動力を満足させ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は、この発明の基本構成を示す図である。図中の蓄電装置供給可能電力検出手段１０１は、燃料電池システムで発電を行うために必要な補機類を駆動させるために必要な電力を供給する、ならびに燃料電池システムに対し要求される電力に対し、燃料電池の発電電力が不足する場合に、不足分の電力を供給する、もしくは、逆に燃料電池の発電電力が余剰になったときに電力を蓄電するなどに用いられる蓄電装置の供給可能電力を検出する手段である。

移動体駆動源消費電力検出手段１０２は、燃料電池システム、ならびに蓄電装置を搭載した移動体の駆動源で消費される電力を検出する手段である。

酸化剤供給手段消費電力演算手段１０３は、蓄電装置供給可能電力検出手段１０１、ならびに移動体駆動源消費電力検出手段１０２の検出結果に基づいて、燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段での消費電力を演算する手段である。

酸化剤供給手段目標稼動量演算手段１０４は、酸化剤供給手段消費電力演算手段１０３の演算結果に基づいて、酸化剤供給手段の目標稼動量を演算する手段である。

図２は、本発明が適用される燃料電池車両の構成例を示すシステム構成図である。尚、本発明が適用される移動体は、燃料電池車両に限らず、燃料電池を電源とする電気推進式船舶、同電気推進式航空機等にも適用可能である。

図２において、燃料電池システム１は、例えば固体高分子型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、電解質膜３をアノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５で挟持した単電池（セル）が複数積層された構造を有するが単電池のみ図示している。アノード４には燃料として水素ガス、カソード５には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

アノード（燃料極） ：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
燃料ガスとしての水素は、水素タンク６から水素タンク元弁７、減圧弁８、水素供給弁９を通じてアノード４へ供給される。水素タンク６から供給される高圧水素は、減圧弁８で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁９でアノード４の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。アノード入口の水素圧力は、アノード入口圧力センサ１０ａにより検出され、コントローラ３０に入力される。

アノード４の出口からアノード４の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路１１が備えられる。水素循環ポンプ１２は、燃料循環路１１内の燃料ガスを昇圧させて循環させる循環装置である。

カソード５への空気はコンプレッサ１４により供給される。コンプレッサ１４からコントローラ３０へは、自身で消費する電力を送信する。カソード出口には、空気圧調整弁２４が設けられ、カソード圧力が制御される。

パワーマネージャ１５は、燃料電池２から電力を取り出して、燃料電池車両を駆動する駆動モータ１６もしくはバッテリ１７へ電力を供給する。バッテリコントローラ１８は、バッテリ１７の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電量を算出し、蓄電量をコントローラ３０へ送信する。

バッテリ１７は、燃料電池２の補機類、例えば、コンプレッサ１４，水素循環ポンプ１２，或いは図示しない冷却水循環ポンプ等に電力を供給するとともに、燃料電池２の発電電力が不足する場合に、不足分の電力を駆動モータ１６へ供給する。また逆に、燃料電池２の発電電力に余裕がある場合は燃料電池の発電電力により、或いは駆動モータ１６による燃料電池車両の回生制動時に回生電力により充電される。

駆動モータ１６は制御回路を内蔵し、この制御回路からコントローラ３０へは、駆動モータ１６で消費される電力が送信され、バッテリコントローラ１８からコントローラ３０へは、バッテリ１７の蓄電量が送信される。

また、コントローラ３０には、運転者が燃料電池システムのオン／オフ操作信号を入力するキースイッチ２３、燃料電池車両の速度を検出する車速センサ２５、運転者のアクセル操作量を検出するアクセルセンサ２６がそれぞれ接続されている。

電圧センサ１９は、燃料電池２の単電池（セル）毎、もしくは単電池が複数直列接続されたセル群毎の電圧を測定する。コントローラ３０は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。

カソード５には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜３を透過して、アノード４、燃料循環路１１及び水素循環ポンプ１２を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、水素循環ポンプ１２によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁２０により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。アノード入口圧力センサ１０ａは、アノード４の入口における水素圧力を検出し、カソード入口圧力センサ１０ｂは、カソード５の入口における空気圧力を検出し、それぞれの検出値は、コントローラ３０へ入力される。

本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、作業用ＲＡＭ、入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、コントローラ３０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム全体を制御するとともに、図１で説明した本発明における蓄電装置供給可能電力検出手段１０１、移動体駆動源消費電力検出手段１０２、酸化剤供給手段消費電力演算手段１０３と、酸化剤供給手段目標稼動量演算手段１０４とを兼ねるものである。

図３は、コントローラ３０の制御内容を説明する制御ブロック図である。コントローラ３０は、発電電力決定部３１と、駆動モータ制御部３２と、コンプレッサ制御部３３と、取り出し目標電流制御部３４とを備えている。

発電電力決定部３１は、アクセルセンサ２６の検出値に基づき燃料電池車両に要求された駆動力値と、車速センサ２５の検出値と、バッテリコントローラ１８の検出した蓄電量に基づく供給可能電力とに応じて、燃料電池２の目標発電電力を決定する。

駆動モータ制御部３２は、アクセルセンサ２６の検出値に基づき燃料電池車両に要求された駆動力値と、燃料電池２の現在の発電電力ならびに、バッテリ１７の供給可能電力に応じて、駆動モータ１６の目標トルクを算出し、駆動モータ１６に内蔵するコントローラへ指令を発する。

コンプレッサ制御部３３は、発電電力決定部３１で決定された目標発電電力に応じて、燃料電池２へ供給する空気供給量を決定し、駆動モータ１６で消費される電力と、バッテリ１７が供給可能な電力を加味して、コンプレッサ１４の目標回転数、もしくは目標トルクを決定する。

取り出し目標電流制御部３４は、目標発電電力と、駆動モータ１６で消費される電力と、バッテリ１７が供給可能な電力と、コンプレッサ１４で消費される電力とを考慮して、パワーマネージャ１５で燃料電池から取り出す電流を制御する。

次に、図４、図５の制御フローチャートを参照して、本実施例におけるコントローラ３０による制御処理を説明する。この制御処理の概要は、（Ａ）燃料電池の目標発電電力を決定し、（Ｂ）駆動モータの目標トルクを算出し、（Ｃ）コンプレッサの目標回転数を計算し、（Ｄ）コンプレッサの回転数変化率を計算して設定し、（Ｅ）回転数変化率を変化させずに、発電電力を変更させる場合に、パワーマネージャ１５へ発電電力（燃料電池からの取り出し電力）の指令を補正することである。図４、５の制御フローチャートは、一定の制御周期毎（例えば、５０〔ｍＳ〕毎）に、コントローラ３０のメインルーチンから呼び出されて実行されるものとする。

図４において、先ず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）４０１において、車速センサ２５から車速、アクセルセンサ２６から移動体運転者の要求駆動力、バッテリコントローラ１８からバッテリ１７の充電量をそれぞれ検出する。次いでＳ４０２において、バッテリ充電量からバッテリ供給可能電力を算出する。この算出には、バッテリ１７の放電特性に従って、バッテリ充電量が多ければバッテリ供給可能電力が多くなるような予め記憶した制御マップを参照して求める。次いで、Ｓ４０３で、車速と要求駆動力から求めた駆動用要求電力と、バッテリの供給可能電力と、に応じて、燃料電池の目標発電電力を決定する。

次いで、Ｓ４０４では、Ｓ４０１で検出した移動体運転者の要求駆動力に対し、燃料電池の現在の発電電力、ならびにバッテリの供給可能電力に応じて、駆動モータの目標トルクを決定する。

次いで、Ｓ４０５は、Ｓ４０３で決定した燃料電池の目標発電電力に対する、安定して発電可能な目標空気流量を算出する。そしてＳ４０６で、この空気流量を供給するためのコンプレッサ１４の目標回転数を計算する。

次いで、Ｓ４０７では、コンプレッサ１４の現在の回転数を検出し、Ｓ４０８では、駆動モータ１６の現在の消費電力を検出する。

Ｓ４０９では、コンプレッサの目標回転数に対し、Ｓ４０７で検出した現在のコンプレッサ回転数からの回転数変化率を、駆動モータの消費電力、ならびにバッテリの供給可能電力から決定する。ただし、目標回転数に到達するように、最低の回転数変化率を設定する。この回転数変化率以下には、回転数変化率を設定しない。

Ｓ４１０では、Ｓ４０９で設定した目標回転数変化率を用いて、コンプレッサ消費電力とバッテリ供給可能電力と駆動モータ消費電力とのエネルギー収支を計算する。そして、バッテリ供給可能電力から駆動モータ消費電力を減じた電力がコンプレッサ消費電力を超えていれば、Ｓ４１２へ進む。バッテリ供給可能電力から駆動モータ消費電力を減じた電力がコンプレッサ消費電力以下と推測される場合には、Ｓ４１１で燃料電池目標発電電力を増加させ、Ｓ４１２へ進む。

次いで、Ｓ４１２で、電圧センサ１９により燃料電池２の電圧Ｖn 、図示しない電流センサに燃料電池の電流Ｉn を検出する。Ｓ４１３では、燃料電池電流Ｉn に対して、燃料電池電圧Ｖn が所定値以上であるかを判定する。この所定値は、燃料電池２への空気供給量が不足していない電圧であり、燃料電池電流Ｉn に応じて予め実機による実験や数値シミュレーションにより得られた所定値が記憶された制御マップを参照して求める。

Ｓ４１３の判定で燃料電池電圧Ｖn が所定値以上であれば、何もせずにリターンする。Ｓ４１１の判定で、燃料電池電圧Ｖn が所定値未満であれば、Ｓ４１４へ進み、燃料電池２への空気流量が不足しているので、燃料電池の発電電力を減少補正して、メインルーチンへリターンする。

尚、フローチャートには示さなかったが、Ｓ４１３の判定に加えて、１制御サイクル前の燃料電池電圧Ｖn-1 に対する今回の制御サイクルにおける燃料電池電圧Ｖn が急激に低下している場合、即ち、制御サイクルの周期をΔＴ、電圧の時間変化率の下限値をα（αは負の定数）として、
（Ｖn −Ｖn-1 ）／ΔＴ ＜ α …（３）
式（３）が成立する場合には、燃料電池電圧Ｖn が所定値以上であっても、空気供給不足が予測されるので、燃料電池目標発電電力を減少補正してもよい。

次に、図６、図７のタイムチャートを参照して、図４、図５の制御フローチャートによる制御結果を説明する。

まず、第１制御周期（Ｔ１）において、移動体運転者の要求駆動力に対し、駆動モータの消費電力（図６（ａ）の実線）、バッテリの供給可能電力（図６（ａ）の破線）が図のように変化すると想定する。これに対し燃料電池発電電力（図６（ａ）の細線）を設定し、燃料電池発電電力と、駆動モータ消費電力と、バッテリ供給可能電力から、コンプレッサ消費電力の上限値（図６（ｂ）の細破線）が計算できる。そして、この上限値以下になるような、コンプレッサ消費電力の挙動（図６（ｂ）の太破線）となるコンプレッサ目標回転数までのコンプレッサ回転数変化の挙動を設定する（図６（ｃ）の破線）。

次に、第２制御周期（Ｔ２）において、実際のコンプレッサ消費電力が、第１制御周期で想定した、コンプレッサ消費電力より多かった場合、第１制御周期で想定したコンプレッサ回転数変化では、コンプレッサ消費電力の上限値を超える可能性があるため、上限値を超えないよう、コンプレッサ消費電力が減るように、回転数変化率（もしくは、トルク）を減少させる。

次に、第３制御周期（Ｔ３）において、図７に示すように、第２制御周期で回転数変化率を減少させて、消費電力の変化率を抑えたにもかかわらず、さらに実際の消費電力が増加して、想定した消費電力を超えてしまった場合、さらに回転数変化率を抑えることもできるが、変化率を抑えすぎると、空気供給が間に合わなくこともあるため、ここでは、発電電力を増加させることによって、回転数変化率を第２制御周期で設定した値のままにする。なお、発電電力増加を行うかは、回転数変化率が、最低回転数変化率まで到達しているかどうかで決定する。

更に、図７（ａ）に示すように、コンプレッサの回転数変化率を変化させずに、発電電力を変更させる場合に、パワーマネージャへの発電電力（取り出し電力）指令を補正する。このとき補正して発電電力を増やした結果、次の制御周期で、燃料電池電圧が所定電圧より低下した場合は、発電電流の減少を行う。

尚、実施例では、コンプレッサ回転数変化率の調整により、消費電力の調整を行っていたが、実際にはコンプレッサ圧力比によって消費電力が変化するため、空気圧調整弁２４の開度を変化させることで、圧力比を変化させ、消費電力を調整しても良い。

実施例では、コンプレッサ消費電力が、想定値より多い場合を示したが、想定値より少ない場合は、さらに回転数変化率を増やして、空気供給量を増加させてもよい。

実施例は、コンプレッサ停止、非発電状態からの燃料電池システムの動作を表したが、コンプレッサが稼働し、発電している状態から、移動体運転者の要求駆動力が増加した場合でも、同様の手法を用いることができる。

＜実施例の効果＞
以上説明した実施例によれば、燃料電池およびバッテリから移動体の駆動モータへ電力供給を行う際に、駆動モータでの消費電力と燃料電池発電電力とバッテリの供給可能電力に応じて、コンプレッサでの消費電力を制御するために、移動体の駆動力に影響を及ぼさないようにコンプレッサ消費電力を低下させ、要求駆動力を満足させることができる。

コンプレッサ停止状態から、空気供給を開始し、燃料電池での発電を開始する際に、コンプレッサの目標回転数を、バッテリの供給可能電力と、駆動モータでの消費電力に応じて決定するために、移動体の駆動力に影響を及ぼさないようなコンプレッサの目標回転数を決定することができる。

コンプレッサは、電動機の回転力によって、空気を燃料電池へ供給する装置であり、コンプレッサを駆動するために消費される電力を制御する手段として、回転数変化率を変化させるために、移動体の駆動力に影響を及ぼさないようなコンプレッサの消費電力を達成することができる。

コンプレッサは、電動機の回転力によって、空気を燃料電池へ供給する装置であり、コンプレッサを駆動するために消費される電力を制御する手段として、コンプレッサ駆動トルクを変化させるために、移動体の駆動力に影響を及ぼさないようなコンプレッサの消費電力を制限することができる。

コンプレッサは、電動機の回転力によって、空気を昇圧して燃料電池へ供給する装置であり、コンプレッサでの消費電力を制御する手段として、空気調圧弁を燃料電池内の圧力が低下するように変化させるために、供給する空気流量は維持したまま、コンプレッサの消費電力を制限することができる。

コンプレッサによる空気供給を増加させるための最低消費電力に対し、バッテリの供給可能電力と移動体駆動モータの消費電力との差が下回った場合に、燃料電池での発電電力を増加させるために、空気供給を継続したまま、移動体の駆動力への影響を防止することができる。

燃料電池の単セル電圧、もしくは複数セルが直列接続されたセル群の電圧が、燃料電池発電電流増加時に、所定電圧より低下した場合に、燃料電池発電電流を減少させるために、空気供給が遅れた場合でも、電流を取り出しにより電圧が低下し、安定した発電ができなくなることを防止できる。

本発明の概略構成図である。 本発明の実施例を適用した燃料電池システムの構成図である。 本発明の実施例を適用したコントローラ３０の制御ブロック図である。 コントローラが実行する制御フローチャートの前半部である。 コントローラが実行する制御フローチャートの後半部である。 実施例における制御を説明するタイムチャートである。 実施例における制御を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１０１…蓄電装置供給可能電力検出手段
１０２…移動体駆動源消費電力検出手段
１０３…酸化剤供給手段消費電力演算手段
１０４…酸化剤供給手段目標稼動量演算手段

Claims (8)

1. 燃料極・酸化剤極間に電解質膜を挟持させてなる単電池を積層させて構成される燃料電池と、
   燃料電池へ酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   燃料電池の発電電力が不足するときに必要な電力を供給する蓄電装置と、
   燃料電池及び蓄電装置から供給される電力により移動体を駆動する移動体駆動装置と、
   を備えた燃料電池システムにおいて、
   燃料電池及び蓄電装置から移動体駆動装置へ電力供給を行う際に、燃料電池の発電電力と蓄電装置の供給可能電力と移動体駆動装置の消費電力とに応じて、酸化剤供給装置を駆動する電力を制御する酸化剤供給制御手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 燃料電池に酸化剤供給を停止した状態から、酸化剤供給を開始し、燃料電池の発電を開始する際に、酸化剤供給装置の目標稼働量を、蓄電装置の供給可能電力と移動体駆動装置の消費電力とに応じて決定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の制御装置。
3. 前記酸化剤供給装置は、電動機の回転力によって、酸化剤極へ酸化剤を供給する装置であり、
   前記酸化剤供給制御手段は、前記電動機の回転数変化率を変化させる手段であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記酸化剤供給装置は、電動機の回転力によって、酸化剤極へ酸化剤を供給する装置であり、
   前記酸化剤供給制御手段は、前記電動機の駆動トルクを変化させる手段であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記酸化剤極の圧力を調整する圧力調整手段を備え、
   前記酸化剤供給装置は、電動機の回転力によって、酸化剤を昇圧して酸化剤極へ供給する装置であり、
   前記酸化剤供給制御手段は、酸化剤極の圧力が低下するように前記圧力調整手段を制御する手段であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 酸化剤供給装置による酸化剤供給を増加させるために必要な酸化剤供給装置の最低消費電力に対し、蓄電装置の供給可能電力と移動体駆動装置の消費電力との差が下回った場合に、その差分を酸化剤供給装置の電動機に供給する一方、その差分以上、燃料電池の発電電力を増加させることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 燃料電池の単電池の電圧、または複数直列接続された単電池群の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   燃料電池の発電電力増加時に、前記電圧検出手段が検出した電圧値が所定値より低下した場合に、燃料電池の発電電力を減少させることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
8. 燃料電池の単電池の電圧、または複数直列接続された単電池群の電圧を検出する電圧検出手段を備え、
   燃料電池の発電電力増加時に、前記電圧検出手段が検出した電圧値の時間変化率が所定変化率より低下した場合に、燃料電池の発電電力を減少させることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。

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