JP2007188825A

JP2007188825A - 燃料電池システム及び燃料電池車両

Info

Publication number: JP2007188825A
Application number: JP2006007624A
Authority: JP
Inventors: Keigo Ikezoe; 圭吾池添
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-01-16
Filing date: 2006-01-16
Publication date: 2007-07-26
Anticipated expiration: 2026-01-16
Also published as: JP5103739B2

Abstract

【課題】従来技術では不十分であった氷点下起動時の車両発進可能とするための条件（閾値）を最適化して、早すぎず遅すぎず、最適なタイミングで燃料電池車両の発進を可能とする。
【解決手段】制御部６は、セル電圧測定装置１１が測定したセル電圧により、氷点下から暖機中に時間変化する燃料電池スタック１のセル電圧の最低値を求める。制御部６は、次いで、セル電圧最低値に基づいて燃料電池スタック１から車両発進に要する電力（所定電力）の出力可否を判断し、出力可能と判断したときにモーター５を作動可能状態とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、氷点下から起動できる燃料電池システム及び燃料電池車両において、所定電力の取り出しが可能となる条件、或いは車両が発進可能となるための条件（閾値）を最適化し、燃料電池システムの起動失敗（システムフェール）を生じさせずに最速で所定出力可能または発進可能とすることができる技術を提供するものである。

燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうちアノード（正極、燃料極）に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、他方のカソード（負極、酸化剤極）に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる下記の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである（例えば特許文献１）。

アノード反応：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード反応：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
アノードに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法、水素を含有する燃料を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法が知られている。水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する燃料ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

ところで、前述した式（２）のように燃料電池は発電にともなって水を生成するため、燃料電池システムを氷点下に放置すると水が燃料電池内部で凍結する。この燃料電池システムを氷点下から起動させた場合には、氷が融けて暖機が完了するまでの間は、燃料電池内部でガスの拡散が阻害され、セル電圧が徐々に低下する現象が起こる。

したがって、このような燃料電池システムを車両に搭載した燃料電池車両を氷点下から起動した場合には、発電が不安定になってしまうため、暖機運転が完了しセル電圧が通常通りに戻るまで円滑に走行することができなく、運転者が不快感を感じてしまう問題点が有る。

そこで、低温下における起動時にスタックの温度とセル電圧をモニターし、その値に基づき燃料電池スタックから取り出し可能な制限電流を求め、この制限電流が所定値を超えた時に車両を発進可能とする技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
特開平８−１０６９１４号公報特開２００４−１７８９９８号公報（第７頁、図２）

しかしながら、本発明者らの実験によると、スタック温度とセル電圧との条件だけでは、必ずしも車両発進用の電流を取り出せないことが判明した。つまり、前記２条件だけでは、発進許可が出ても不安定な電力供給になったり、逆に、発進許可が出るのが遅すぎて無駄な時間をかけてしまうという問題点が生じた。

従来技術のようにスタック温度と現在のセル電圧だけで判断した場合には、図１に示したＢのようにもっと早く発進可能となったにもかかわらず、発進許可が遅れる場合や、Ｃのように発進許可したにもかかわらず発電出力が不安定となって円滑に走行できない場合が生じていた。

そこで本発明は、燃料電池車両において、従来技術では不十分であった車両発進可能と判断するための条件（閾値）を最適化し、常に最適な時間（早すぎず、遅すぎず）で発進可能とする技術を提供するものである。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料及び酸化剤の電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、燃料電池スタックの各セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、燃料電池システムの起動時に前記温度検出手段が検出した温度が氷点下であれば、起動から前記温度が０℃以上となるまでの暖機負荷取出中に、時間経過に伴って変動する前記セル電圧の最低値を求め、該最低値に基づいて燃料電池から所定電力の出力可否を判断する判断手段と、前記判断手段が出力可能と判断したときに燃料電池の主負荷装置を作動可能状態とする負荷制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池スタックの暖機中に、時間経過に伴って変動するセル電圧の最低値が、図２のＢに示すように比較的高い場合には、従来技術よりも早く所定電力の出力が可能となり、また、図２のＣに示すようにセル電圧の最低値が比較的低い場合には、所定電力取り出し後に発電が不安定になることなく、円滑に電力供給することができるという効果がある。

また、本発明に係る燃料電池車両によれば、燃料電池スタックの暖機中に、時間経過に伴って変動するセル電圧の最低値が、図２のＢに示すように比較的高い場合には、従来技術よりも早く車両発進が可能となり、また、図２のＣに示すようにセル電圧の最低値が比較的低い場合には、車両発進後に発電出力が不安定になることなく、円滑に走行することができるという効果がある。

さらに本発明によれば、図３のように暖機運転中のセル電圧最低値が記録された後、暖機負荷が変更になった場合には、所定出力取り出し可能を判定する現在セル電圧の閾値を決めることができないので、その場合にはスタック温度を閾値として使用することにより、従来技術よりも早く車両発進が可能となるとともに、車両発進後に発電出力が不安定になることなく常に円滑に走行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について詳細に説明する。尚、以下に説明する各実施例は、燃料電池車両に搭載した燃料電池システムについて説明するが、これに限らず、燃料電池スタック温度が氷点下まで下がる戸外に設置される燃料電池システム一般に本発明を適用可能であることは明らかである。

図４は、本発明に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の実施例１の構成を示すシステム構成図である。同図において、燃料電池車両は、固体高分子電解質を図示しないアノードとカソードで挟持した固体高分子型の燃料電池スタック１と、カソードへ空気を供給する空気コンプレッサー２と、燃料電池スタック１からの電力取り出しを制御するパワーマネージャー３と、燃料電池スタックの出力が不足するときに放電するとともに燃料電池出力に余裕がある時に充電されるバッテリー４と、燃料電池スタック１の主負荷であるとともに車両を駆動するモーター５と、燃料電池システム全体を制御する制御部６と、冷却水ポンプ７と、ラジエーター８と、水素タンク９と、水素循環ポンプ１０と、セル電圧測定装置１１と、カソード圧力調整弁１２と、アノードパージ弁１３とを備えて構成されている。

制御部６は、例えば、マイクロプロセッサを用いたＣＰＵ６１と、ＣＰＵ６１の制御プログラムを記憶するとともにＣＰＵ６１による制御演算用の記憶領域を備えたメモリー６２と、燃料電池システムの起動からの経過時間を計測するカウンター６３を備えている。

尚、制御部６は、車両発進可能と判断したときに車両発進可能信号を出力し、この車両発進可能信号により、例えば、車両のインストメンタルパネルに配置された図示しない発進可能ランプを点灯させるとともに、パワーマネージャー３に対してモーター５へ電力供給可能を指示するようになっている。

次に、本発明の実施例１における制御の流れを図４と、図５のフローチャートを用いて説明する。燃料電池システム起動信号が入ると、まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、バッテリー４からパワーマネージャー３を介して、空気コンプレッサー２などの補機へ電力が供給され、燃料電池スタック１に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給される。次いでＳ１２において、燃料電池スタック１の代表温度もしくは外気温などから、今回の起動が氷点下からの起動か常温での起動かを判断する。そこで、氷点下に準ずる温度と判断された場合には、Ｓ１４へ移り、燃料電池スタック１から暖機負荷（暖機用出力）を取り出し、燃料電池スタック１の発電が開始されるとともに燃料電池スタック１の温度上昇を始める。

Ｓ１４では、燃料電池スタック１から取り出した電力を空気コンプレッサー２や水素循環ポンプ１０や図示されていない車室内ヒーターや冷却水ヒーターなどに消費させる。また、燃料電池スタック１から取り出した電力でバッテリー４に充電してもよい。

燃料電池の暖機負荷取り出し開始後、Ｓ１６で、セル電圧測定装置１１が測定したセル電圧Ｖ(t) を制御部６のメモリー６２に記録し、Ｓ１８でセル電圧Ｖ(t) が前回のセル電圧Ｖ(t-1) に対して下降しているのか上昇しているのかを判断し、上昇している場合はＳ２２へ進む。上昇していなければ、Ｓ２０でカウンター６３の計数ｔに１を加算して、Ｓ１６へ戻る。

Ｓ１８におけるセル電圧の上昇の判断は、Ｖ(t) −Ｖ(t-1) ＞０となるかどうかで判断したり、セル電圧Ｖ(t) の微分値dＶ(t)／dt＞０となるかで判断することができる。

Ｓ２２では、セル電圧Ｖ(t) が上昇を開始した時の値を燃料電池システム暖機中のセル電圧最低値Ｖmin とし、予めメモリー６２に記憶した図６のような制御マップを用いて、Ｖmin からＶlimit を求める。次いで、Ｓ２４で、現在のセル電圧Ｖ(t) とＶlimit を比較し、Ｖ(t) がＶlimit を超えたら、Ｓ２６へ進んで車両発進許可表示を運転者に出すとともに、車両が発進可能となるような制御を開始する。

車両発進可能となるような制御とは、例えば、燃料電池スタック１の発電電力をモーター５に送ることができるようにしたり、燃料電池スタック１を高負荷まで発電可能にすること等である。

以上説明した実施例１によれば、従来技術では不十分であった車両発進可能とするための条件（閾値）が最適化され、常に最適な時間（早すぎず、遅すぎず）で発進可能とすることができるという効果がある。

尚、前述したセル電圧とは図４に図示したセル電圧測定装置１１のように、セル１枚毎のセル電圧をモニターし、その平均の電圧、合計の電圧または、代表の電圧のいずれでもよい。また、セル１枚毎の電圧がモニターできない場合には、数枚ごとの電圧の平均、合計でもよく、さらに燃料電池スタック１の総電圧をモニターして本発明におけるセル電圧としてもよい。

次に、本発明の実施例２について図７の構成図と、図８のフローチャートを用いて説明する。実施例２の構成を示す図７と、実施例１の構成を示す図４との違いは、燃料電池スタックの冷却水出口付近に温度センサ１４を有していることであり、この温度をスタック代表温度として、車両発進許可の判断に使用するところである。

実施例１と同様に、燃料電池システム起動信号が入ると、まずＳ１０において、バッテリー４からパワーマネージャー３を介して、空気コンプレッサー２などの補機へ電力が供給され、燃料電池スタック１に燃料ガスと酸化剤ガスとが供給される。次いでＳ１２において、燃料電池スタック１の代表温度もしくは外気温などから、今回の起動が氷点下からの起動か常温での起動かを判断する。そこで、氷点下に準ずる温度と判断された場合には、Ｓ１４へ移り、燃料電池スタック１から暖機負荷（暖機用出力）を取り出し、燃料電池スタック１の発電が開始されるとともに燃料電池スタック１の温度上昇を始める。

燃料電池の暖機負荷取り出し開始後、Ｓ１６で、セル電圧測定装置１１が測定したセル電圧Ｖ(t) を制御部６のメモリー６２に記録し、Ｓ１８でセル電圧Ｖ(t) が前回のセル電圧Ｖ(t-1) に対して下降しているのか上昇しているのかを判断し、上昇している場合はＳ３０へ進む。上昇していなければ、Ｓ２０でカウンター６３の計数ｔに１を加算して、Ｓ１６へ戻る。

Ｓ３０では、その時の最低セル電圧をＶmin とし、予めメモリー６２に記憶した図９のような制御マップを用いて、最低セル電圧Ｖmin から車両発進許可する温度の閾値Ｔlimit を求める。

図９に示した暖機中のセル電圧の最低値Ｖmin から発進可能温度Ｔlimit を求めるマップは、実機により実験的に求めて、制御部６のメモリー６２の不揮発性記憶部に記憶させたものである。

次いでＳ３２で、温度センサ１４で測定した燃料電池スタックの代表温度Ｔ(t) と温度Ｔlimit とを比較し、Ｔ(t) がＴlimit を上回ったら、Ｓ３６で車両発進許可表示を運転者に出すとともに、車両が発進可能となるような制御を開始する。これにより、暖機運転中のセル電圧最低値が記録された後、負荷が変更になった場合でも、スタック代表温度と閾値を比較することにより、実施例１と同等の効果が得られる。

ここで、スタックの代表温度Ｔ(t) として、実施例２ではスタック冷却水出口温度を使用したが、氷点下から起動中に冷却水を循環させない場合には、燃料電池スタック内部の温度を必ずしもスタック冷却水出口温度で代用することはできない。そこで、スタックの代表温度Ｔ(t) は、発電前のスタック代表温度とスタック発電開始から現在までの電流の時間積分値から演算して求めても良い。つまり、電流値とその時の電圧から算出された発熱量を、時間で積分したものが、始動開始から現在までの総発熱量となり、また、スタックの熱容量はあらかじめわかっているので、総発熱量とスタック熱容量からスタックの温度Ｔ(t) を求めることができる。

次に、本発明の実施例３を図１０のフローチャートを用いて説明する。実施例３において、暖機運転中の最低セル電圧を求めるところまでは、実施例１，２と同様のＳ１０〜Ｓ１８である。Ｓ４０では、Ｓ１８で求めたＶmin と、実施例２で述べたスタック代表温度Ｔ(t) とから、予めメモリー６２に記憶した図１１のような制御マップを用いて、Ｖlimit をもとめる。

図１１に示した暖機中のセル電圧の最低値Ｖmin とスタック代表温度Ｔ(t) とから発進可能セル電圧Ｖlimit を求めるマップは、実機により実験的に求めて、制御部６のメモリー６２の不揮発性記憶部に記憶させたものである。

そして、Ｓ４２で、現在セル電圧Ｖ(t) がＶlimit を超えているか否かを判定し、現在セル電圧Ｖ(t) がＶlimit を上回ったら、Ｓ４６へ進んで、車両発進許可表示を運転者に出すとともに、車両が発進可能となるような制御を開始する。本実施例３によれば、実施例１，２よりもさらに精度が高く車両発進可能の判断をすることができるという効果がある。

次に、本発明の実施例４を図１２のフローチャートを用いて説明する。実施例４でも、暖機中の最低セル電圧を求めるＳ２０までは、前述の実施例１〜３と同様である。Ｓ５０では、Ｓ１８で求められた最低セル電圧Ｖ(t-1) を最低セル電圧Ｖmin とし、最低セル電圧Ｖmin から、予めメモリー６２に記憶した図１３のような制御マップを用いて、起動開始から車両発進可能となるまでの時間である発進可能時間ｔlimit を求める。

図１３に示した暖機中のセル電圧の最低値Ｖmin から発進可能時間ｔlimit を求めるマップは、実機により実験的に求めて、制御部６のメモリー６２の不揮発性記憶部に記憶させたものである。

次いでＳ５２で、起動開始から現在までの時間ｔが発進可能時間ｔlimit を超えているか否かを判定し、現在時間ｔが発進可能時間ｔlimit を超えたら、Ｓ５６へ進んで、車両発進許可表示を運転者に出すとともに、車両が発進可能となるような制御を開始する。

以上説明した実施例４によれば、現在セル電圧を測定する必要もなく、また、スタック温度も測定あるいは演算する必要が無いため、最も単純な構成で車両発進可能の判断をすることができるという効果がある。

従来技術の問題点を説明する図である。本発明の効果を説明する図である。本発明の効果を説明する図である。本発明の実施例１を示す図である。本発明の実施例１のフローチャートである。本発明の実施例１の制御に用いるマップの例である。本発明の実施例２を示す図である。本発明の実施例２のフローチャートである。本発明の実施例２の制御に用いるマップの例である。本発明の実施例３のフローチャートである。本発明の実施例３の制御に用いるマップの例である。本発明の実施例４のフローチャートである。本発明の実施例４の制御に用いるマップの例である。

符号の説明

１：燃料電池スタック
２：空気コンプレッサ
３：パワーマネージャー
４：バッテリー
５：モーター
６：制御部
７：冷却水ポンプ
８：ラジエーター
９：水素タンク
１０：水素循環ポンプ
１１：セル電圧測定装置
１２：カソード圧力調整弁
１３：アノードパージ弁
１４：温度センサ

Claims

燃料及び酸化剤の電気化学反応により発電する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックの各セル電圧を検出するセル電圧検出手段と、
燃料電池スタックの温度を検出する温度検出手段と、
燃料電池システムの起動時に前記温度検出手段が検出した温度が氷点下であれば、起動から前記温度が０℃以上となるまでの暖機負荷取出中に、時間経過に伴って変動する前記セル電圧の最低値を求め、該最低値に基づいて燃料電池から所定電力の出力可否を判断する判断手段と、
前記判断手段が出力可能と判断したときに燃料電池の主負荷装置を作動可能状態とする負荷制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記判断手段が出力可能と判断したことを報知する報知手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記判断手段は、前記セル電圧の最低値と、現在のセル電圧と、に基づいて、前記所定電力を出力可能と判断し、前記セル電圧の最低値が低いほど、前記出力可能と判断するセル電圧を高く設定す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。
前記判断手段は、前記セル電圧の最低値と、前記温度検出手段が検出した温度と、に基づいて、出力可能を判断す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。
前記判断手段は、前記セル電圧の最低値と、前記温度検出手段が検出した起動前の温度と、燃料電池スタックの発電開始から現在までの燃料電池出力電流の時間積分値と、に基づいて、出力可能を判断す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。
前記判断手段は、前記セル電圧の最低値と、現在のセル電圧と、前記温度検出手段が検出した起動前の温度と、燃料電池スタックの発電開始から現在までの燃料電池出力電流の時間積分値と、に基づいて、出力可能を判断す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。
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を電源とする燃料電池車両であって、
前記主負荷装置は、車両駆動モータであり、
前記所定電力とは、車両発進可能な電力であることを特徴とする燃料電池車両。
前記セル電圧の最低値が低いほど、燃料電池スタックの発電開始からの時間に基づき、車両発進可の信号を運転者に出すまでの時間を長くすることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池車両。
燃料電池起動時に、氷点下の温度から起動して燃料電池スタック温度が０℃以上となるまでの暖機運転中のセル電圧を監視し、そのセル電圧の最低値が低いほど、主負荷装置への電力取出を許可するまでの時間が長くなるように制御することを特徴とする燃料電池システム。
燃料電池車両起動時に、氷点下の温度から起動して燃料電池スタック温度が０℃以上となるまでの暖機運転中のセル電圧を監視し、そのセル電圧の最低値が低いほど、車両発進可の信号を運転者に出すまでの時間が長くなるように制御することを特徴とする燃料電池車両。