JP2008004482A

JP2008004482A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2008004482A
Application number: JP2006175230A
Authority: JP
Inventors: Isamu Kazama; 勇風間
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-01-10

Abstract

【課題】燃料電池の劣化を抑制し、起動性の良い燃料電池車両に搭載する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】車両を駆動させるモータ３と、モータ３に電力を供給する燃料電池１と、を備えた燃料電池車両に搭載する燃料電池システムにおいて、モータ３と燃料電池１との間に設けたダイオード１０と、モータ３とダイオード１０との間で、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介してモータ３に対して、燃料電池１と並列に接続する二次電池５と、燃料電池１とダイオード１０との間で、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介してモータに対して、燃料電池１と並列に接続する二次電池６と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムを起動、停止する際に、アノードに水素と空気とが混在することで、燃料電池の電極近傍の炭素が腐食する恐れがある。これを低減するために特許文献１では、燃料電池システムを起動、停止する際にカソードへの空気の流入を遮断し、カソードの酸素を燃料電池の発電反応によって消費させて、開放端電圧を下げることで、電極近傍の炭素の腐食を低減している。
特開２００５−１５８５５５公報

しかし、燃料電池車両に搭載する燃料電池システムであって、燃料電池と駆動モータとを直接接続する構成の場合には、上記の発明を用いて燃料電池システムの起動時に燃料電池の開放端電圧を下げると、燃料電池から車両を駆動させる駆動モータへの電力の供給が不足し、その間は駆動モータによる走行ができない、といった問題点がある。

本発明はこのような問題点を解決するために発明されたもので、燃料電池車両に搭載した燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化を抑制し、かつ燃料電池車両の起動時に、素早く走行を可能とすることを目的とする。

本発明では、車両を駆動させ、前記車両の制動時には発電を行うモータと、モータに電力を供給する燃料電池と、を有する燃料電池車両に搭載する燃料電池システムにおいて、燃料電池とモータとの間に配置し、モータから燃料電池への電流の流れを防止する逆流防止手段と、逆流防止手段とモータとの間に配置し、モータに対して燃料電池と並列に接続する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、モータに対して燃料電池と並列に配置し、第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介してモータに電力を供給可能な第１の蓄電装置と、逆流防止手段と燃料電池との間に配置し、モータに対して燃料電池と並列に接続する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、モータに対して燃料電池と並列に配置し、第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して燃料電池車両の補機に電力を供給可能な第２の蓄電装置と、を備える。

本発明によると、燃料電池システムの起動時に、燃料電池の劣化を抑制するために燃料電池の電圧を低くしている場合にも、第１の蓄電装置からモータへ電力を供給することができるので、燃料電池システムの起動時に、燃料電池の劣化を抑制し、さらに燃料電池車両を走行させることができる。

本発明の第１実施形態の燃料電池システムを搭載した燃料電池車両について図１の概略構成図を用いて説明する。

この実施形態の燃料電池車両は、燃料電池１を有する燃料電池システム１００と、燃料電池システム１００から供給される直流を三相交流に変換するインバータ２と、インバータ２によって変換された交流によって車輪４に伝達する駆動力を生じさせるモータ３と、を備える。

燃料電池システム１００は、燃料電池１と、二次電池（第１の蓄電装置、第２の蓄電装置）５、６と、燃料電池１と二次電池５との間に設けたＤＣ／ＤＣコンバータ（第１のコンバータ）７と、燃料電池１と二次電池６との間に設けたＤＣ／ＤＣコンバータ（第２のコンバータ）８と、を備える。

燃料電池１は単位セル３０を複数積層して構成される。単位セル３０について図２の概略構成図を用いて説明する。

単位セル３０は、プロトン伝導性を有する高分子電解質膜（以下、電解質膜とする）３１と、電解質膜３１を挟持するアノード３２とカソード３３と、を備える。

アノード３２とカソード３３は、カーボン繊維などの多孔質体から構成したガス拡散層３２ａ、３３ａと、触媒として白金を担持したカーボン担体から構成した触媒層３２ｂ、３３ｂを備える。単位セルは図示しないが、例えば水素ボンベから水素が供給され、外部から空気が供給され、水素と酸素との電気化学反応によって発電を行う。

二次電池５は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池である。また、例えばキャパシタなどの充放電可能な蓄電装置を用いてもよい。二次電池５は、インバータ２を介してモータ３に電力を供給することが可能であり、二次電池５に蓄えられた電力によってモータ３を駆動することで、燃料電池１の出力をゼロ、または小さくして車両を走行させることができ、燃料電池システムの効率を良くすることができる。なお、車両の制動時には、モータ３によって発電した電力によって充電することができる。また、燃料電池１からも充電することができる。二次電池５と燃料電池１とは、インバータ２に対して電気的に並列に接続する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、二次電池５とインバータ２との間に設けられる。燃料電池１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と二次電池５と、はインバータ２に対して電気的に並列に接続する。燃料電池１と二次電池５とをモータ３を駆動するための電源として適切に使い分けるためには、燃料電池１と二次電池５との相対的な電圧差を制御する必要がある。ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、燃料電池１と二次電池５との電圧を制御する直流の電圧変換器である。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、二次電池５から入力されたＤＣ電圧を調整してインバータ２側に出力する機能、燃料電池１またはモータ３から入力されたＤＣ電圧を調整して二次電池５に出力する機能を有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７の機能により、二次電池５の充放電および、燃料電池１から燃料電池補機９などへの電力供給が実現される。

燃料電池補機９は、燃料電池１を運転するために使用する電力機器であり、例えば燃料電池１へ空気を供給するコンプレッサ、燃料電池１から排出された水素を環流させるための循環ポンプなどである。燃料電池補機９はインバータ２とＤＣ／ＤＣコンバータ７との間に配置してもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７と燃料電池１の間には、ダイオード（逆流防止手段）１０が直列に接続され、燃料電池１へ二次電池５からの電流、および車両の制動時にモータ３の発電による電流が流れることを防止する。

二次電池６は、例えば鉛蓄電池である。二次電池６は補機１１に電力を供給する電源である。二次電池６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して燃料電池１と、さらにインバータ２を介してモータ３と、電気的に接続しており、燃料電池１、またはモータ３から電力が供給されて充電される。二次電池６と燃料電池１とは、インバータ２と電気的に並列に接続する。この実施形態では、二次電池５と二次電池６とは、並列に配置される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ８は、二次電池６と燃料電池１との間に設けられる。燃料電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータ８と二次電池６と、はインバータ２に電気的に並列に接続する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８は二次電池６へ燃料電池１またはモータ３から充電を行う際に、電圧を二次電池６における定格電圧、例えば１４Ｖに調整することができる。

補機１１は、車両の運転時に使用される種々の電力機器であり、例えば照明機器、空調機器、油圧ポンプ、冷却水を供給するための冷却水ポンプ等である。

また、アクセルの踏み込みを検出するアクセルセンサ２０と、車両の車速を検出する車速センサ２１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と燃料電池１との間の電圧を検出する電圧センサ２２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と二次電池５との間の電圧を検出する電圧センサ２３と、二次電池５の充電状態（ＳｔａｔｅＯｆＣｈａｒｇｅ、以下ＳＯＣとする）を検出する電流センサ２４と、燃料電池１に供給される水素、空気のガス流量や圧力を検出するセンサ２５と、燃料電池１の電圧を検出する電圧センサ２６と、燃料電池１の電流を検出する電流センサ（電流検出手段）２７と、を備える。

また、各センサの信号などから、インバータ２、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御する制御ユニット４０を備える。制御ユニット４０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット４０は、インバータ２のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流をモータ３に出力する。また、要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池１およびＤＣ／ＤＣコンバータ７の運転を制御する。

次に通常走行（燃料電池１によって発電を行い、走行する場合）の電力制御処理（以下、通常制御とする）を図３のフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１００では、燃料電池１で必要な要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑを算出する。要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑは、モータ３を駆動するために必要なモータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑと、二次電池充放電要求電力Ｐｂａｔｔ＿ｒｅｑと、燃料電池補機電力Ｐｆｃ＿ａｕｘと、補機電力Ｐａｕｘと、の和である。

モータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑは、車両が走行するために、モータ３に供給すべき電力であり、次の手順で求められる。まず、制御ユニット４０は、モータ３の回転速度、目標トルクを設定する。これらの値は、アクセルペダル開度および車速のテーブルで与えられる。回転速度と目標トルクの積は、モータ３から出力する動力となる。この動力を、モータ３の運転効率で除することにより、モータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑが求められる。モータ３を発電機として機能させ、回生制動する際には、目標トルクが負の値となり、モータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑも負の値となる。

二次電池充放電要求電力Ｐｂａｔｔ＿ｒｅｑは、二次電池５の充放電に伴う電力である。二次電池５では、二次電池５のＳＯＣが所定範囲に保たれるよう制御される。所定範囲は、二次電池５の充放電効率、または二次電池５の寿命を短くしないように設定される範囲である。二次電池５のＳＯＣが所定の下限値よりも低くなると、燃料電池１から二次電池５への充電が行われる。二次電池充放電要求電力Ｐｂａｔｔ＿ｒｅｑは、充電に必要となる電力に応じた正値となる。この結果、二次電池５の充電に伴い、燃料電池要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑが増大する。一方、ＳＯＣが所定の上限値よりも高くなると二次電池５からの放電が行われる。二次電池充放電要求電力Ｐｂａｔｔ＿ｒｅｑは、放電電力に応じた負値となる。二次電池５からの放電によって、燃料電池要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑが低くなる。

燃料電池補機電力Ｐｆｃ＿ａｕｘは、燃料電池補機９を駆動するのに要する電力である。補機電力Ｐａｕｘは、補機１１および二次電池６の充電に要する電力である。これらは、車両や燃料電池の運転状態に応じてそれぞれ設定される。

ステップＳ１０１では、ステップＳ１００によって算出した要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑを出力するよう燃料電池１の出力電圧を設定し、要求電流Iｆｃ＿ｒｅｑに応じて燃料電池１のガス流量を制御する。

出力電圧は、図４に示すマップにより設定される。図４は燃料電池１の出力特性を示す図である。上段には燃料電池１の電圧と電流との関係を示し、下段には燃料電池１の電力と電流の関係を示した。

水素、または空気のガス流量に応じて燃料電池１の出力特性は変動する。上段の破線はガス流量・圧力が低い状態、実線はガス流量・圧力が高い状態を示している。ガス流量・圧力が低い場合には、電流の増加に対して電圧が低下し始めるポイントが低電流側に移行する。

電力−電流特性マップ（図４、下段）に基づき、ステップＳ１００で算出した要求電力Ｐｆｃ＿ｒｅｑに応じた電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑを求める。また、電圧−電流特性マップ（図４、上段）に基づき、電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑに応じた電圧Ｖｆｃ＿ｒｅｑを求める。要求燃料電池電流電流Ｉｆｃ＿ｒｅｑに基づき燃料電池１へ供給するガス流量の目標値も併せて設定される。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１によって算出した電圧Ｖｆｃ＿ｒｅｑにＤＣ／ＤＣコンバータ７を設定する。これによって二次電池５と燃料電池１との電圧差をなくす。

ステップＳ１０３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御し、モータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑをモータ３に供給するようにインバータ２を制御する。インバータ２のスイッチングに伴い、燃料電池１からはガス流量に応じた電力が出力される。また、二次電池５からは燃料電池１から出力される電力とインバータ２を介してモータ３で消費される電力との差分に応じた電力が充放電される。

なお、制御ユニット４０は、基本的には出力電圧が一定電圧になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御し、一方で冷却水ポンプなどに対して回転速度などの指令を与えて駆動する。

以上の制御によって、通常走行時の燃料電池システムの通常制御によって、車両を走行させることができる。

燃料電池車両を停止させて、燃料電池１への水素、空気の供給が停止した後には、燃料電池１のアノード３２に空気が混入し、アノード３２には空気が存在する場合がある。このような状態で、アノード３２に水素を供給すると、単位セル３０は図５に示すような状態となる。

アノード３２では、水素が存在している領域と、空気が存在している領域と、が混在する。このとき、水素が混在している領域のアノード３２と、アノード３２と対向するカソード３３では、それぞれ、
アノード：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- 式（１）
カソード：２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ式（２）
の反応が生じる。

また、空気が存在している領域のアノード３２と、アノード３２と対向するカソード３３では、それぞれ、
アノード：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ式（３）
カソード：Ｃ＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^- 式（４）
の反応が生じる。

以上の反応では、式（１）によって生成されたプロトンが電解質膜３２を介してカソード３３へ移動し、カソード３３において式（２）の反応によって、水が生成される。式（２）の反応においては、電子が必要となるが、燃料電池１に負荷が接続していない場合には、負荷を通じた電子の移動がないために、式（４）の反応が生じ、式（４）によって生じた電子が式（２）の反応で使用されることになる。これによって、カソード３３のカーボンが被毒され、燃料電池１が劣化するといった問題がある。

この実施形態では、式（４）の反応を抑制し、さらに抑制中にも車両の走行を可能とする。

次に燃料電池車両の起動時の電力制御処理（以下、起動制御とする）を図６のフローチャートを用いて説明する。

イグニッションスイッチがＯＮとなると、ステップＳ２００では、燃料電池１のアノード３２へ水素の供給を開始する。

ステップＳ２０１では、燃料電池１のカソード３３の酸素の消費を行う。ここでは補機１１の冷却水ポンプの回転速度を最大として、燃料電池１から取り出す電力を増加させる。これにより、燃料電池１から多くの電流を取り出し、電圧を低くして、起動時に生じる燃料電池１の劣化を抑制することができる。

このとき、燃料電池１への新たな空気の供給は行っておらず、燃料電池１から補機１１へ供給される電力が低下するが、補機１１は二次電池６と電気的に接続しており、燃料電池１からの電力が低下した場合でも、二次電池６から電力が供給され、補機１１を動作させることができる。

ステップＳ２０２では、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の指令電圧をモータ３が動作可能な電圧とする。

なお、燃料電池補機類９をＤＣ／ＤＣコンバータ７とインバータ２との間に設けた場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の指令電圧を燃料電池補機類９が動作可能な下限電圧としても良い。

ステップＳ２０３では、運転者のアクセル操作などに応じて、モータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑを算出し、二次電池５からモータ３へ電力を供給し、インバータ２を制御する。これにより、車両を走行させることができる。

ステップＳ２０４では、燃料電池１のカソード３３の酸素の消費を開始してから、カソード３３の酸素が十分に消費される所定時間Ｔ１が経過したか、または電流センサ２７によって燃料電池１の電流を検出し、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも小さくなったかどうか判定する。そして、所定時間Ｔ１が経過、または燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも小さくなるとカソード３３の酸素が消費されたと判定し、ステップＳ２０５へ進む。所定時間Ｔ１は予め実験などによって設定される時間であり、所定電流Ｉ１は略ゼロとする。これにより、燃料電池１の電圧が所定電圧Ｖ１よりも低くなる。

燃料電池１の電圧を低くすることで、上記した燃料電池１の劣化を抑制することができる。

ステップＳ２０５では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御を停止して、燃料電池１からの電流（電力）の取り出しを停止する。また、冷却水ポンプの回転速度を通常の回転速度として、二次電池６から補機１１へ供給され、補機１１によって消費される電力を抑える。

ステップＳ２０６では、燃料電池１のカソード３３へ空気の供給を開始する。ステップＳ２０４において、一旦カソード３３の酸素が消費されており、この間アノード３２への水素の供給は継続されているので、アノード３２には水素が満たされている。そのため、カソード３３に空気を供給した場合でも、燃料電池１の劣化は生じない。

ステップＳ２０７では、センサ２５によってアノード３２とカソード３３との圧力を検出し、圧力がアイドル運転時の設定圧力となったか判定する。そして、アイドル運転時の設定圧力となるとステップＳ２０８へ進む。設定圧力は、アイドル運転時に燃料電池１へ供給する所定流量の水素、空気に応じたアノード３２、カソード３３の圧力である。

ステップＳ２０８では、燃料電池１の圧力がアイドル運転時の設定圧力となってから所定時間Ｔ２経過すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御を開始し、燃料電池１１から補機１１への電力の供給を開始する。所定時間Ｔ２は、燃料電池１のアイドル運転が安定するまでの時間である。

以上の制御によって、燃料電池車両を起動する際に補機１１による電力消費を大きくし、燃料電池１から取り出す電流を多くし、燃料電池１の劣化を抑制する。さらにモータ３へ供給する電力を二次電池５から供給することができるので、イグニッションスイッチがＯＮとなってから、素早く車両を走行させることができる。

次に燃料電池車両の停止時の電力制御処理（以下、停止制御とする）を図７のフローチャートを用いて説明する。燃料電池車両を停止させた場合には、アノード３２に水素が残存し、カソード３３に空気が残存するために、燃料電池１の電圧は高い状態である。燃料電池１の電圧が高くなると、カソード３３における触媒層劣化が生じる。

イグニッションスイッチがＯＦＦとなると、ステップＳ３００では、アノード３２、カソード３３の圧力をアイドル運転時の設定圧力となるように制御する。

ステップＳ３０１では、カソード３３への空気の供給を停止する。

ステップＳ３０２では、燃料電池１のカソード３３に残存する酸素を消費する。ここでは、補機１１の冷却水ポンプの回転速度を最大として、燃料電池１から取り出す電流を大きくする。

なお、燃料電池補機類９をＤＣ／ＤＣコンバータ７とインバータ２との間に設けた場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の指令電圧を燃料電池補機類９が動作可能な下限電圧にする。

ステップＳ３０３では、カソード３３へ空気の供給を停止してからカソード３３の酸素が十分に消費される所定時間Ｔ１が経過したか、または電流センサ２７によって燃料電池１の電流を検出し、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも小さくなったかどうか判定する。そして、所定時間Ｔ１が経過、または燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも小さくなるとカソード３３の酸素が消費されたと判定し、ステップＳ３０４へ進む。所定時間Ｔ１は予め実験などによって設定される時間であり、所定電流Ｉ１は略ゼロとする。

ステップＳ３０４では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８による制御を停止して、燃料電池１から補機１１への電力の供給を停止する。ここでは補機１１の冷却水ポンプの回転速度を通常の回転速度として、二次電池６から補機１１へ供給され、補機１１によって消費される電力を抑える。

ステップ３０５では、アノード３２への水素の供給を停止し、補機１１などを完全に停止させて、停止制御を終了する。

以上の制御によって、燃料電池車両を停止させる場合に、燃料電池１から取り出す電流を大きくし、カソード３３に残存する酸素を消費することで、燃料電池１の高電圧状態を短くし、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

本発明の第１実施形態の効果について説明する。

本発明を用いない場合の燃料電池車両について図８の概略構成図を用いて説明する。

本発明を用いない場合の燃料電池車両は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と燃料電池１とがインバータ２に対して並列的に接続しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ７にＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して補機１１、二次電池６が接続するものである。

このような構成においては、燃料電池車両の起動時には、燃料電池１の劣化を抑制するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ７によって燃料電池１の電圧を所定電圧Ｖ１まで下げて燃料電池１から電流を取り出す必要があり、結果としてインバータ２への入力電圧も低下するので、モータ３に走行に必要な電力を供給できない。そのためイグニッションスイッチがＯＮとなった後に、素早く走行を行うことができない。

この実施形態では、燃料電池１とモータ３との間にダイオード１０と、ダイオード１０とモータ３との間に、モータ３に対してＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して燃料電池１と並列に接続する二次電池５と、ダイオード１０と燃料電池１との間に、モータ３に対してＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して燃料電池１と並列に接続する二次電池６と、を備える。これによって、燃料電池車両の起動時に補機１１によって燃料電池１から取り出す電流を大きくすることで、燃料電池１の電圧を低くして、燃料電池１の高電圧状態を短くする。これにより、燃料電池１の劣化を抑制することができる。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して二次電池５からモータ３へ電力を供給することができ、燃料電池車両を素早く走行させることができる。

燃料電池車両の停止時に、燃料電池１から取り出す電流を大きくすることで、燃料電池の高電圧状態を短くすることができ、燃料電池１の劣化を抑制することができる。また、燃料電池車両の停止制御を素早く終了することができる。

補機１１による消費電力を大きくすることで、燃料電池１の高電圧状態を短くし、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

次に本発明の第２実施形態について説明する。この実施形態の構成は第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。また、通常制御、停止制御は第１実施形態の制御と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

燃料電池車両の起動制御を図９のフローチャートを用いて説明する。

イグニッションスイッチがＯＮとなると、ステップＳ４００では、燃料電池１のアノード３２へ水素の供給を開始する。

ステップＳ４０１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の指令電圧をモータ３が動作可能な下限電圧とする。

ステップＳ４０２では、運転者のアクセル操作などに応じて、モータ要求電力Ｐｍｏｔ＿ｒｅｑを算出し、燃料電池１と二次電池５からモータ３へ電力を供給し、インバータ２を制御する。これにより、車両を走行させることができる。

ステップＳ４０３では、電流センサ２７によって燃料電池１の電流を検出し、電流が所定電流Ｉ２よりも小さくなるとステップＳ４０４へ進む。所定電流Ｉ２は、補機１１によって消費される電力をＤＣ／ＤＣコンバータ７の指令電圧で除した値よりも大きい値とする。これによって燃料電池１から取り出すことのできる電力が大きい場合には、モータ３によって燃料電池１で発電した電力の一部を消費、または二次電池５に充電する。

ステップＳ４０４では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８を制御し、補機１１によって燃料電池１から電力を取り出す。ここでは補機１１の冷却水ポンプの回転速度を最大として、燃料電池１から取り出す電力を増加させる。

ステップＳ４０５では、燃料電池１のカソード３３の酸素の消費を開始してから、カソード３３の酸素が十分に消費される所定時間Ｔ１が経過したか、または電流センサ２７によって燃料電池１の電流を検出し、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも小さくなったかどうか判定する。そして、所定時間Ｔ１が経過、または燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも低くなるとカソード３３の酸素が消費されたと判定し、ステップＳ４０６へ進む。所定時間Ｔ１は予め実験などによって設定される時間であり、所定電流Ｉ１は略ゼロとする。

ステップＳ４０６では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御を停止して、燃料電池１からの電流（電力）の取り出しを停止する。また、冷却水ポンプの回転速度を通常の回転速度として、二次電池６から補機１１へ供給され、補機１１によって消費される電力を抑える。

ステップＳ４０７では、燃料電池１のカソード３３へ空気の供給を開始する。

ステップＳ４０８では、センサ２５によってアノード３２とカソード３３との圧力を検出し、圧力がアイドル運転時の設定圧力となったか判定する。そして、アイドル運転時の設定圧力となるとステップＳ４０８へ進む。

ステップＳ４０９では、燃料電池１の圧力がアイドル運転時の設定圧力となってから所定時間Ｔ２経過すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御を開始し、燃料電池１１から補機１１への電力の供給を開始する。所定時間Ｔ２は、燃料電池１のアイドル運転が安定するまでの時間である。

以上の制御によって、燃料電池車両の起動時に、カソード３３の酸素を消費する際に、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ２よりも小さくなるまでは、燃料電池１からモータ３、および二次電池５へ電力を供給することで、燃料電池１から取り出す電流を大きくし、燃料電池１の高電圧状態を短くすることができるので、燃料電池１の劣化をさらに抑制することができる。また、二次電池５の放電電力を小さく、または二次電池５を充電することができ、燃料電池システム１００のエネルギー効率を良くすることができる。

次に燃料電池車両の停止制御について図１０のフローチャートを用いて説明する。

イグニッションスイッチがＯＦＦになると、ステップＳ５００では、アノード３２、カソード３３の圧力をアイドル運転時の設定圧力となるように制御する。

ステップＳ５０１では、カソード３３への空気の供給を停止する。

ステップＳ５０２では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８による制御を停止し、燃料電池１から二次電池６、または補機１１への電力の取り出しを停止する。補機１１には二次電池６から電力を供給する。

ステップＳ５０３では、燃料電池１のカソード３３に残存する酸素を消費する。ここでは、燃料電池１から二次電池５へ充電を行うことで、燃料電池１から電流を取り出し、燃料電池１のカソード３３に残存する酸素を消費する。

また、燃料電池補機類９をＤＣ／ＤＣコンバータ７とインバータ２との間に設けた場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の指令電圧を燃料電池補機類９が動作可能な下限電圧にする。

ステップＳ５０４では、電流センサ２７によって燃料電池１の電流を検出し、電流が所定電流Ｉ２よりも低くなるとステップＳ５０５へ進む。

ステップＳ５０５では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御を開始し、補機１１の冷却水ポンプの回転速度を最大として、燃料電池１から補機１１へ電流を取り出す。

ステップＳ５０６では、カソード３３へ空気の供給を停止してからカソード３３の酸素が十分に消費される所定時間Ｔ１が経過したか、または電流センサ２７によって燃料電池１の電流を検出し、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも低くなったかどうか判定する。そして、所定時間Ｔ１が経過、または燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも低くなるとカソード３３の酸素が消費されたと判定し、ステップＳ５０７へ進む。

ステップＳ５０７では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御を停止して、燃料電池１から電流の取り出しを停止する。ここでは補機１１の冷却水ポンプの回転速度を通常の回転速度として、二次電池６から補機１１へ供給され、補機１１によって消費される電力を抑える。

ステップ５０８では、アノード３２への水素の供給を停止し、補機１１などを完全に停止させて、停止制御を終了する。

以上の制御により、燃料電池車両の停止時に、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ２となるまでは、燃料電池１から二次電池５へ電力を供給することで、燃料電池１から取り出す電流を大きくし、燃料電池１の高電圧状態を短くすることができ、燃料電池１の劣化をさらに抑制することができる。

本発明の第２実施形態の効果について説明する。

燃料電池車両の起動時に、燃料電池１の発電量が比較的大きい場合には、モータ３および二次電池５に燃料電池１から電力を供給することで、燃料電池１から取り出す電流を大きくし、燃料電池１の高電圧状態を短くすることができ、燃料電池１の劣化をさらに抑制することができる。

燃料電池システムの起動時には、燃料電池１からモータ３へ電力を供給するので、二次電池５からモータ３へ供給する電力を小さくすることができ、燃料電池システム１００のエネルギー効率を良くすることができる。

燃料電池システムの停止時には、燃料電池１から二次電池５へ電力を供給し、二次電池５を充電することができるので、燃料電池システム１００のエネルギー効率を良くすることができる。

燃料電池車両の停止時に、カソード３３の酸素を消費する際に、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ２よりも小さくなるまでは、燃料電池１から二次電池５へ電力を供給し、燃料電池１の高電圧状態を短くし、燃料電池１の劣化をさらに抑制することができる。また、燃料電池１に残存する酸素を素早く消費することができ、燃料電池車両を完全に停止するまでの時間を短縮することができる。

次に本発明の第３実施形態について説明する。この実施形態の構成は第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。また、起動制御は第１実施形態と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。また、通常制御も第１実施形態とほぼ同じ制御なので、ここでの説明は省略するが、この実施形態ではＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御電圧を補機１１が動作できる範囲で低くする。

次に燃料電池車両の停止制御について図１１のフローチャートを用いて説明する。

イグニッションスイッチがＯＦＦとなると、ステップＳ６００では、アノード３２、カソード３３の圧力をアイドル運転時の設定圧力となるように制御する。

ステップＳ６０１では、カソード３３への空気の供給を停止する。

ステップＳ６０２では、燃料電池１のカソード３３に残存する酸素を消費する。ここでは、補機１１の冷却水ポンプの回転速度を最大として、燃料電池１から取り出す電流を大きくする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御電圧を補機１１が動作できる最大電圧とし、二次電池６にも電力を供給し、二次電池６を充電する。これによって、補機１１によって消費される電力に加えて、二次電池６に充電する電力が燃料電池１から取り出される。

ステップＳ６０３では、カソード３３へ空気の供給を停止してからカソード３３の酸素が十分に消費される所定時間Ｔ１が経過したか、または電流センサ２７によって燃料電池１の電流を検出し、燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも低くなったかどうか判定する。そして、所定時間Ｔ１が経過、または燃料電池１の電流が所定電流Ｉ１よりも低くなるとカソード３３の酸素が消費されたと判定し、ステップＳ６０４へ進む。所定時間Ｔ１は予め実験などによって設定される時間であり、所定電流Ｉ１は略ゼロとする。

ステップＳ６０４では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８による制御を停止して、燃料電池１から補機１１への電力の供給を停止する。ここでは補機１１の冷却水ポンプの回転速度を通常の回転速度として、二次電池６から補機１１へ供給され、補機１１によって消費される電力を抑える。

ステップ６０５では、アノード３２への水素の供給を停止し、補機１１などを完全に停止させて、停止制御を終了する。

以上の制御によって、燃料電池車両を停止させる場合に、二次電池６を充電することができ、二次電池６へ充電を行うための電力が燃料電池１から取り出されるので、燃料電池１の高電圧状態を短くし、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

本発明の第３実施形態の効果について説明する。

この実施形態では、燃料電池車両を停止させる場合に、燃料電池１の電力によって二次電池６に充電することで、燃料電池１から取り出す電流を大きくすることで、燃料電池１が高電圧状態となる時間をさらに短くすることができ、燃料電池１の劣化をさらに抑制することができる。また、二次電池６を充電することができるので、次回の起動時などに二次電池６の充電量が不足することを防止することができる。

また、通常制御中に二次電池６の充電量を小さくすることで、停止制御によって、二次電池６へ充電する充電量を多くし、燃料電池１が高電圧状態となる時間をさらに短くすることができ、燃料電池１の劣化を抑制することができる。

次に本発明の第４実施形態について説明する。この実施形態の構成は第１実施形態と同じ構成なので、ここでの説明は省略する。また、起動制御も第１実施形態と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。また、通常制御は第３実施形態と同じ制御なので、ここでの説明は省略する。

燃料電池車両の停止制御を図１２のフローチャートを用いて説明する。

イグニッションスイッチがＯＦＦとなると、ステップＳ７００では、アノード３２、カソード３３の圧力をアイドル運転時の設定圧力となるように制御する。

ステップＳ７０１では、カソード３３への空気の供給を停止する。

ステップＳ７０２では、燃料電池１のカソード３３に残存する酸素を消費する。ここでは、補機１１の冷却水ポンプの回転速度を最大として、燃料電池１から取り出す電流を大きくする。

ステップＳ７０３では、電流センサ２７によって燃料電池１への空気の供給を停止してからの燃料電池１の電流の積算値を算出し、積算値が所定積算値以上となると、ステップＳ７０４へ進む。所定積算値は、燃料電池１のカソード３３の酸素を消費するために必要な取り出し電力量から、通常運転時に電圧が低くなった二次電池６を充電するために必要な電力量と、補機１１によって消費される電力量と、を引いた電力に相当する電流の所定積算値であり、この値は予め設定される。

ステップＳ７０４では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８の制御電圧を補機１１が動作できる最大電圧とし、二次電池６にも電力を供給し、二次電池６を充電する。

ステップＳ７０５では、カソード３３へ空気の供給を停止してからカソード３３の酸素が十分に消費される所定時間Ｔ１が経過したか、または電流センサ２７によって検出する燃料電池１の電流が所定電流Ｉ２よりも小さいか、どうか判定する。そして、所定時間Ｔ１を経過、または所定電流Ｉ２よりも小さくなるとステップＳ７０６へ進む。所定時間Ｔ１は予め実験などによって設定される時間であり、所定電流Ｉ１は略ゼロとする。

ステップＳ７０６では、ＤＣ／ＤＣコンバータ８による制御を停止して、燃料電池１から補機１１への電力の供給を停止する。ここでは補機１１の冷却水ポンプの回転速度を通常の回転速度として、二次電池６から補機１１へ供給され、補機１１によって消費される電力を抑える。

ステップ７０７では、アノード３２への水素の供給を停止し、補機１１などを完全に停止させて、停止制御を終了する。

本発明の第４実施形態の効果について説明する。

燃料電池車両の停止時に、燃料電池車両の停止制御時に、二次電池６の充電量を高くした後に停止制御を終了するので、次回の次回の起動時などに二次電池６の充電量が不足することを防止することができる。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態の燃料電池車両の概略構成図である。本発明の単位セルの概略構成図である。本発明の第１実施形態の通常制御を示すフローチャートである。燃料電池の電力−電流特性を示す図である。燃料電池の起動時の状態を示す図である。本発明の第１実施形態の起動制御を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態の停止制御を示すフローチャートである。本発明を用いない場合の燃料電池車両の概略構成図である。本発明の第２実施形態の起動制御を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態の停止制御を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態の停止制御を示すフローチャートである。本発明の第４実施形態の停止制御を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池
２インバータ
３モータ
５二次電池（第１の蓄電装置）
６二次電池（第２の蓄電装置）
７ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１のＤＣ／ＤＣコンバータ）
８ＤＣ／ＤＣコンバータ（第２のＤＣ／ＤＣコンバータ）
１０ダイオード（逆流防止手段）
１１補機
２６電圧センサ
２７電流センサ
４０制御ユニット
１００燃料電池システム

Claims

車両を駆動させ、前記車両の制動時には発電を行うモータと、
水素と酸化剤ガスとの電気化学反応によって発電し、前記モータに電力を供給する燃料電池と、を有する燃料電池車両に搭載する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池と前記モータとの間に配置し、前記モータから前記燃料電池への電流の流れを防止する逆流防止手段と、
前記逆流防止手段と前記モータとの間に配置し、前記モータに対して前記燃料電池と並列に接続する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記モータに対して前記燃料電池と並列に配置し、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記モータに電力を供給可能な第１の蓄電装置と、
前記逆流防止手段と前記燃料電池との間に配置し、前記モータに対して前記燃料電池と並列に接続する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記モータに対して前記燃料電池と並列に配置し、前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記燃料電池車両の補機に電力を供給可能な第２の蓄電装置と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記燃料電池システムの起動時に、前記補機による消費電力を制御して前記燃料電池の電圧を所定電圧まで低下させ、
前記第１の蓄電装置から前記モータへ電力を供給して前記モータを動作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。
前記燃料電池の発電によって生じる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記燃料電池システムの起動時に、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと前記モータとの間の電圧を前記モータの動作可能な下限電圧とし、
前記燃料電池の電流が所定電流よりも小さくなると、前記補機による消費電力を制御して前記燃料電池の電圧を所定電圧まで低下させ、
前記第１の蓄電装置から前記モータへ電力を供給して前記モータを動作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。
前記燃料電池システムの停止時に、前記第２の蓄電装置を充電することを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池システム。