JP2008186713A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】実際に低温対策処理を実行するまでの時間を短縮することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムの制御ユニットは、起動の際、検出されるＦＣ温度などを参照し、起動時に低温対策処理が必要であるか否かを判断する。制御ユニットは、低温対策処理の必要があると判断すると、燃料電池をＯＣＶ状態とすることなく、該燃料電池の出力電圧を低温対策処理用の目標電圧に制御し、低温対策処理を実行する（図２のＡ部分参照）。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

外部温度が低い場合には、燃料電池システムの停止後にその内部で発生した水が凍結し、配管や弁などが破損するといった問題や、凍結した水がガス流路を塞いでしまい、次回燃料電池を起動したときにガスの供給が妨げられて電気化学反応が十分に進行しないといった問題が発生する。
このような問題に鑑み、システム起動時に燃料電池の各電極に供給するアノードガス（例えば、燃料ガス）及びカソードガス（例えば、酸化ガス）の少なくもいずれか一方を不足状態とし、電極の一部の過電圧を増加させて燃料電池の温度を上昇させる処理（以下、低温対策処理）を行うことが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００３−５０４８０７号公報

ところで、従来技術においては、システム起動時にいったん燃料電池をＯＣＶ状態とし（言い換えれば燃料電池にＯＣＶ（Open circuit voltage）を発生させ）、当該システムに異常がないかをチェック（診断）してから低温対策処理の必要性を判断していた。従って、システム起動時には、いったん燃料電池をＯＣＶ状態とする必要があり、実際に低温対策処理を実行するまでに長時間を要するという問題があった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、実際に低温対策処理を実行するまでの時間を短縮することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、低温対策処理の実行が可能な燃料電池システムであって、起動の際、燃料電池に開回路電圧が発生する前に低温対策処理の必要性を判定する判定手段を具備することを特徴とする。

このように、システム起動の際、燃料電池をＯＣＶ状態とする前（すなわち燃料電池に開回路電圧が発生する前）に低温対策処理が必要であるか否かの判断を行う構成を採用することで、低温対策処理が必要であると判断した場合には、燃料電池をＯＣＶ状態とすることなく低温対策用の目標運転動作点にシフトさせることが可能となる。よって、いったん燃料電池をＯＣＶ状態としてから低温対策処理を行う従来技術に比して、低温対策処理を実行するまでの時間を短縮することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記判定手段によって低温対策処理が必要であると判定された場合には、前記燃料電池に開回路電圧を発生させることなく、低温対策処理用の目標電圧を発生させる制御手段をさらに具備する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、当該システム終了時に前記燃料電池に関わる部品の状態を診断する診断手段と、前記診断結果を記憶する記憶手段をさらに備え、前記判定手段は、前記記憶手段に記憶されている当該システム終了時における診断結果に基づいて前記低温対策処理の必要性を判定する態様が好ましい。

さらに、上記構成にあっては、前記燃料電池に関わる温度を検出する温度センサをさらに備え、前記判定手段は、前記記憶手段に記憶されている当該システム終了時における診断結果と、前記温度センサによって検出される前記燃料電池に関わる温度とに基づいて、前記低温対策処理の必要性を判定する態様が好ましい。

また、上記構成にあっては、前記燃料電池に関わる部品は、前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧センサである態様が好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、実際に低温対策処理を実行するまでの時間を短縮することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．本実施形態
（１）実施形態の構成
図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を介して燃料電池４０と並列に接続されている。

インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御ユニット８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ１１５へ供給する。トラクションモータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのモータ（すなわち移動体の動力源）であり、かかるモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。このトラクションモータ１１５及びインバータ１１０は、燃料電池４０側に接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。

バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。

セル電圧センサ７５は、制御ユニット８０による制御のもと、燃料電池４０を構成する各セルの電圧（セル電圧）を検出する。具体的には、システム終了時などに燃料電池４０を構成する各セルの電圧を検出し、検出結果を制御ユニット８０に出力する。

制御ユニット８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、電圧センサ１４０や電流センサ１５０、燃料電池４０の温度（ＦＣ温度）を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、アクセルペダルなどから入力される各センサ信号に基づき当該システム各部を中枢的に制御する。

また、制御ユニット８０は、当該システムの運転終了時にセル電圧の検出を行う。具体的には、制御ユニット（診断手段）８０は、セル電圧センサ（燃料電池に関わる部品）７５によって検出される各セル電圧に基づき、当該システムが正常状態にあるか異常状態にあるかの判断（以下、セルモニタ診断）を行い、診断結果を不揮発性メモリ（記憶手段）８５に記憶する。なお、不揮発性メモリ８５としては、ＦＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）などが挙げられるが、これに限定する趣旨ではなく種々のメモリを採用することができる。

さらに、制御ユニット８０は、当該システムを起動する際、まず不揮発性メモリ８５にアクセスし、正常である旨の診断結果が不揮発性メモリ８５に記憶されているか否かを確認する。制御ユニット８０は、正常である旨の診断結果が記憶されていると判断すると、温度センサ５０などによって検出されるＦＣ温度に基づき、起動時に低温対策処理が必要であるか否かを判断する。

図２は、起動時におけるＦＣ電圧の変化を示す図であり、ＯＣＶを発生させずに低温対策処理する場合のＦＣ電圧の変化を実線で示し、ＯＣＶを発生させた後に低温対策処理する場合のＦＣ電圧の変化を点線で示す。

制御ユニット８０は、低温対策処理が必要であると判断すると、燃料電池４０をＯＣＶ状態とすることなく、該燃料電池４０の出力電圧を低温対策処理用の目標電圧に制御し、低温対策処理を実行する（図２のＡ部分参照；詳細は後述）。このように、燃料電池４０をＯＣＶ状態とする前に、低温対策処理が必要であるか否かの判断を行うことで、実際に当該システムを起動するまでの時間を短縮することが可能となる。

ただし、制御ユニット８０は、正常である旨の診断結果が記憶されていないと判断した場合（例えば、車両点検などによって過去の診断結果が消去されている場合など）には、当該システムが正常であるか否かの判定が不可能である。ここで、当該システムが正常であるか否かのセルモニタ診断を行うためには、燃料電池４０をＯＣＶ状態にすることが必要であるため、制御ユニット８０は、いったん燃料電池４０をＯＣＶ状態とした後、該燃料電池４０を利用することでセルモニタ診断を行う。制御ユニット８０は、正常である旨の診断結果が得られると、上記の如く低温対策処理が必要であるか否かを判断し、低温対策処理が必要であると判断すると低温対策処理を実行する（図２のＡ’部分参照；詳細は後述）。

＜低温対策処理＞
図３Ａは、低温対策処理を行わない場合の燃料電池の運転（通常運転）を説明するための図であり、図３Ｂは、低温対策処理を行う場合の燃料電池の運転（低効率運転）を説明するための図である。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおいて横軸はＦＣ電流、縦軸はＦＣ電圧をあらわす。

一般に、図３に示すような電流・電圧特性（以下、ＩＶ特性）が得られる燃料電池４０においては、出力電力に対して電力損失の小さな通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）にて運転を行う（図３Ａ参照）。
これに対し、低温対策処理を行う場合には、電力損失の大きな低効率運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にて運転を行い、燃料電池４０の内部温度を上昇させる（図３Ｂ参照）。かかる低効率運転が行われる過程では、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち、電力損失分（すなわち熱損失分）が積極的に増大されるため、迅速に暖機することができる。

本実施形態では、低温対策処理を行う際、図３Ｂのαに示すように燃料電池４０をＯＣＶ状態としてから低温対策処理用の目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトさせるのではなく、図３Ｂのβに示すように燃料電池４０をＯＣＶ状態とすることなく低温対策処理用の目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトさせる。これにより、実際に当該システムを起動するまでの時間を短縮することが可能となる。以下、本実施形態に係る燃料電池システム１００の起動時の動作について説明する。

（２）実施形態の動作
図４は、制御ユニット８０によって実行される起動処理を示すフローチャートである。
制御ユニット８０は、当該システムの起動要求が入力されたことを検出すると（ステップＳ１０）、不揮発性メモリ８５を参照し（ステップＳ２０）、正常である旨の診断結果が不揮発性メモリ８５に記憶されているか否かを確認する（ステップＳ３０）。

制御ユニット（判定手段）８０は、正常である旨の診断結果が記憶されていると判断すると（ステップＳ３０；ＹＥＳ）、温度センサ５０などによって検出されるＦＣ温度などを参照し、起動時に低温対策処理が必要であるか否かを判断する（ステップＳ４０）。一例を挙げて説明すると、温度センサ５０によって検出されるＦＣ温度が設定された閾値温度を下回っている場合には、低温対策処理が必要であると判断する。もちろん、判断手法はこれに限定する趣旨ではなく、例えばＦＣ温度の代わりに外気温度を検出し、外気温度が閾値温度を下回っている場合に低温対策処理が必要であると判断しても良い。

制御ユニット（制御手段）８０は、低温対策処理の必要があると判断すると（ステップＳ４０；ＹＥＳ）、燃料電池４０をＯＣＶ状態とすることなく、該燃料電池４０の出力電圧を低温対策処理用の目標電圧に制御し、低温対策処理を実行する（図２の実線参照）。

詳述すると、まず、制御ユニット８０は、目標とするＦＣ温度と今回検出されたＦＣ温度の差分に基づき、図３Ｂに示す低温対策処理用の目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）を演算する。かかる演算を行うと、制御ユニット８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を制御することで、燃料電池４０の運転動作点を目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトさせ、低効率運転を開始する（ステップＳ５０）。具体的には、制御ユニット８０は、燃料電池４０をＯＣＶ状態とすることなく、図３Ｂのβに示すような経路を辿って低温対策処理用の目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトさせた後、低効率運転を開始する。このように、燃料電池４０をＯＣＶ状態とすることなく低温対策用の目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトさせることで、実際に当該システムを起動するまでの時間を短縮することが可能となる。

一方、低温対策処理が不要であると判断すると（ステップＳ４０；ＮＯ）、制御ユニット８０は、燃料電池４０を通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）にシフトさせた後（図３Ａ参照）、通常運転を開始する（ステップＳ６０）。

また、制御ユニット８０は、不揮発性メモリ８５に正常である旨の診断結果が記憶されていないと判断すると（ステップＳ３０；ＮＯ）、いったん燃料電池４０をＯＣＶ状態とする（ステップＳ７０）。このように、起動前にＯＣＶを発生させるのはセルモニタ診断を実施するためである。上述したように、当該システムを起動する際には、該システムが正常であることを確認する必要があるが、不揮発性メモリ８５に正常である旨の診断結果が記憶されていない場合には、正常であるか否かの判定が不可能である。そこで、このような場合には、いったん燃料電池４０をＯＣＶ状態とした後（図２の点線参照）、該燃料電池４０を利用することでセルモニタ診断を行う（ステップＳ８０）。

制御ユニット８０は、正常である旨の診断結果が得られると、ステップＳ４０に進み、低温対策処理が必要であるか否かを判断する。制御ユニット８０は、低温対策処理が必要であると判断すると、燃料電池４０を低温対策処理用の目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトさせた後、低効率運転を開始する。ただし、この場合には、起動前に燃料電池４０をＯＣＶ状態としているため、図３Ｂのαに示すような経路を辿って低温対策処理用の目標運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトさせた後、低効率運転を開始することになる（ステップＳ４０→ステップＳ５０）。一方、制御ユニット８０は、低温対策処理が不要であると判断すると、上記と同様、燃料電池４０を通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）にシフトさせた後（図３Ａ参照）、通常運転を開始することになる（ステップＳ４０→ステップＳ６０）。

以上説明したように、本実施形態によれば、システム起動時に低温対策処理を行う際、燃料電池をＯＣＶ状態とする前に低温対策処理が必要であるか否かの判断を行う。かかる判断において低温対策処理が必要であると判断した場合、燃料電池をＯＣＶ状態とすることなく低温対策用の目標運転動作点にシフトさせることで、実際にシステムを起動するまでの時間を短縮することが可能となる。

なお、上述した本実施形態では、不揮発性メモリ８５に正常である旨の診断結果が記憶され、かつ、低温対策処理が必要であると判断した場合に、燃料電池４０をＯＣＶ状態とすることなく低温対策用の目標運転動作点にシフトしたが、何らかの方法で当該システムに異常がないことを確認できるのであれば、該診断結果の有無に関わらず低温対策処理が必要であると判断した場合に、燃料電池４０をＯＣＶ状態とすることなく低温対策用の目標運転動作点にシフトしても良い。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 起動時におけるＦＣ電圧の変化を示す図である。 低温対策処理を行わない場合の燃料電池の運転状態を示す図である。 低温対策処理を行う場合の燃料電池の運転状態を示す図である。 起動処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１００・・・燃料電池システム、８０・・・制御ユニット、４０・・・燃料電池、５０・・・温度センサ、７５・・・セル電圧センサ、１３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４０・・・電圧センサ、１５０・・・電流センサ。

Claims (5)

1. 低温対策処理の実行が可能な燃料電池システムであって、
   起動の際、燃料電池に開回路電圧が発生する前に低温対策処理の必要性を判定する判定手段を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記判定手段によって低温対策処理が必要であると判定された場合には、前記燃料電池に開回路電圧を発生させることなく、低温対策処理用の目標電圧を発生させる制御手段をさらに具備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。
3. 当該システム終了時に前記燃料電池に関わる部品の状態を診断する診断手段と、
   前記診断結果を記憶する記憶手段をさらに備え、
   前記判定手段は、前記記憶手段に記憶されている当該システム終了時における診断結果に基づいて前記低温対策処理の必要性を判定す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. 前記燃料電池に関わる温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記判定手段は、前記記憶手段に記憶されている当該システム終了時における診断結果と、前記温度センサによって検出される前記燃料電池に関わる温度とに基づいて、前記低温対策処理の必要性を判定す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. 前記燃料電池に関わる部品は、前記燃料電池のセル電圧を検出するセル電圧センサであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。

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