JP2009104977A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃費の低下を抑えつつ燃料電池の劣化促進を抑制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】燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池４０と、前記燃料電池４０の発電状態を制御する制御装置１０とを備え、制御装置１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を作動させることにより、燃料電池４０の電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うとともに、酸化ガスの低減により燃料電池４０の総電圧が低下する総電圧低下領域時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０をＯＦＦする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、例えば車載用の燃料電池システムに関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を加圧供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。

このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の劣化促進を抑制するために、所定の条件下において燃料電池の電圧が所定の閾値以上になることを抑制する制御を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１０９５６９号公報

ところで、上記の制御時にて、余剰電力をバッテリーで吸収できない場合に、コンバータのスイッチング周波数を高く設定してエネルギー損失を増大させることで余剰電力を吸収する方式が考えられるが、この場合、コンバータによるエネルギー損失の発生による燃費の低下を招いてしまう。

そこで、本発明は、燃費の低下を抑えつつ燃料電池の劣化促進を抑制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。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電力が供給される電力被供給部と、前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、コンバータ指令電圧を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、コンバータ指令電圧を前記燃料電池の開放電圧よりも低い高電位回避電圧に維持することにより前記燃料電池の総電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うとともに、該高電位化回避制御中に酸化ガス欠状態が生じて前記燃料電池の総電圧が漸次低下している間は前記コンバータをＯＦＦする。

高電位化回避制御中に酸化ガス欠状態が生じて燃料電池の総電圧が低下している状態では、当該燃料電池の総電圧をコンバータによって制御することはできない。そこで、本発明は、燃料電池の総電圧が低下している間は、コンバータによる燃料電池の総電圧制御を実施しないこととし、コンバータをＯＦＦすることにしている。これにより、コンバータをＯＮしている間のエネルギー損失を抑え、システム全体における燃費を向上させることができる。

上記構成においては、前記高電位化回避制御中に酸化ガス欠状態が生じて前記燃料電池の総電圧が低下し始める前に、前記燃料電池に酸化ガスを消費させるようにしてもよい。
前記燃料電池に酸化ガスを消費させる一例として、前記制御部は、前記高電位化回避制御中に酸化ガス欠状態が生じて前記燃料電池の総電圧が低下し始める前に、コンバータ指令電圧を前記高電位回避電圧よりも一時的に低下させてもよい。

かかる構成によれば、高電位化回避制御中に自然に酸化ガス欠状態が生じて燃料電池の総電圧が漸次低下するようになるまでの時間を早めることができる。その結果、高電位回避制御中にコンバータをＯＮしている時間が短縮され、コンバータをＯＦＦしている累積時間を長くすることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃費の低下を抑えつつ燃料電池の劣化促進を抑制することができる。

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。

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 Hybrid 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、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ（電力被供給部）６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ（電力被供給部）６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ（電力被供給部）２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ、電力被供給部）３０などから構成される。

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、溶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、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、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９２及び電流センサ９３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７０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８０から空気などの酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源７０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８０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（電力被供給部）、インバータ（電力被供給部）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２０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２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。

インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０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２０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６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０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３０は、バッテリ２０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２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。

バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類（電力被供給部）５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０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。

上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。

制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。
この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。

本実施形態では、バッテリ２０の充電量が制限されている場合であっても、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を上昇させ、該ＤＣ／ＤＣコンバータでのエネルギー損失を増大させることで、確実に燃料電池４０の電圧が当該燃料電池４０の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避電圧閾値以上になることを回避する。

次に、制御装置１０によって間欠的に実行される高電位化回避制御処理について説明する。

制御装置１０は、燃料電池４０に対する要求電力を算出する。要求電力としては、例えばトラクションモータ６１や補機類５０を駆動するための電力である。そして、制御装置１０は、不図示のＩ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求電力に応じた燃料電池４０の出力電圧を算出する。この特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。なお、この特性マップの値は固定値しても良いが、逐次書き換え可能な値としても良い。

そして、制御装置１０は、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があるか否かを判断する。具体的には、制御装置１０は、出力電圧と高電位化回避目標閾値電圧（以下、閾値電圧Ｖｔｈ）とを比較し、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えている場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断する一方、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要はないと判断する。
この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池４０の開放電圧よりも低い電圧であり、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。

制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要がないと判断した場合には、燃料電池４０の高電位化を回避する制御は不要であるため、当該処理を終了する。

一方、制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断した場合には、該燃料電池４０の出力電圧を閾値電圧Ｖｔｈを下回る値まで強制的に下げる制御を行う。このとき、燃料電池４０の出力電圧を強制的にどの値まで下げるかは任意に設定可能である。そして、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収可能か否か（すなわち、バッテリ２０に蓄電できるか否か）を判断する。詳述すると、制御装置１０は、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるＳＯＣ値から検出し、バッテリ２０の残容量を把握するなどして余剰電力をバッテリ２０で吸収できるか否かを判断する。

制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できると判断した場合には、余剰電力をバッテリ２０で吸収（バッテリ２０に蓄電）した後、処理を終了する。一方、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できないと判断した場合には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させることで余剰電力Ｐを吸収した後、処理を終了する。

ところで、図２に示すように、出力停止モードでの高電位化回避制御中においては、燃料電池４０への反応ガスの供給が停止しているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０への指令電圧（図２の破線）を閾値電圧Ｖｔｈに維持しても、燃料電池４０内に残存する反応ガスが発電により消費されるので、燃料電池４０の総電圧（図２の実線で示すＦＣセル総電圧）が漸次低下し、閾値電圧Ｖｔｈを維持することはできない。

このため、燃料電池４０の総電圧が閾値電圧Ｖｔｈよりも低い所定の電圧維持酸化ガスブロー電圧（高電位回避最低電圧）まで下がると、エアコンプレッサを再起動して酸化ガスを燃料電池４０に供給する電圧維持酸化ガスブロー作動を行い、これにより、燃料電池４０の総電圧を上昇させて閾値電圧Ｖｔｈにまで回復させる。この電圧維持酸化ガスブロー作動では、例えば、酸化ガス供給源８０のエアコンプレッサを最低エア流量で駆動する。

このように、出力停止モードでの高電位化回避制御中においては、コンバータ指令電圧を閾値電圧Ｖｔｈに維持しても、燃料電池４０の総電圧が閾値電圧Ｖｔｈに維持されない総電圧低下領域が存在する。つまり、この閾値電圧Ｖｔｈを維持できない総電圧低下領域では、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０による電圧制御を行ったとしても、燃料電池４０の総電圧は低下してしまう。

したがって、本実施形態では、図２に示すように、制御装置１０が、この閾値電圧Ｖｔｈを維持できない総電圧低下領域において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０による制御を停止させ、その後、電圧維持酸化ガスブロー作動により酸化ガスを燃料電池４０に供給して燃料電池４０の総電圧を上昇させて閾値電圧Ｖｔｈにまで回復させるときに、再びＤＣ／ＤＣコンバータ３０による電圧制御を行う。

このようにすると、図３に示すように、出力停止モードでの高電位化回避制御中において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を間欠的に停止させることができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の電圧制御によるエネルギー損失を抑え、システム全体における燃費を向上させることができる。

また、図４に示すように、閾値電圧Ｖｔｈを維持できない総電圧低下領域の直前にて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の指令電圧を一旦低下させても良い。このようにすると、燃料電池４０は発電電流を上昇させるべく発電し、これにより、システム内に残存する酸化ガスの消費が促進される。すると、燃料電池４０では、酸化ガス欠状態が図２に示す場合よりも早期に生じることとなり、総電圧低下領域がより早いタイミングで、より多く生じることとなる。

図５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のＯＮ／ＯＦＦ切換のタイミングと、ＯＦＦしている累積時間との関係を示す概念図であり、（ａ）は上記閾値電圧Ｖｔｈを維持できない総電圧低下領域の直前に酸化ガスを強制的に消費しなかった場合（図２の実施形態に相当）の概念図であり、また、（ｂ）及び（ｃ）は同総電圧低下領域の直前に酸化ガスを強制的に消費した場合の概念図である。
なお、同図のハッチング部分は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０がＯＮの時を示しており、同図の白抜き部分は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０がＯＦＦの時を示している。
同図より、（ｂ）の場合は、総電圧低下領域の直前に酸化ガス消費を強制実施した結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０をＯＦＦしている累積時間が（ａ）の場合の２／３になったことを読み取ることができ、また、（ｃ）の場合は、総電圧低下領域の直前に酸化ガス消費を強制実施した結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０をＯＦＦしている累積時間が（ａ）の場合の１／３になったことを読み取ることができる。
つまり、図４に示すような制御を行う実施形態によれば、出力停止モードでの高電位化回避制御中において、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０をより多くの時間、間欠的に停止させることができることとなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の電圧制御によるエネルギー損失をさらに抑えることが可能になる。よって、システム全体における燃費をさらに向上させることができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 同燃料電池システムの総電圧低下領域を説明するタイムチャート。 同燃料電池システムの総電圧低下領域を説明するタイムチャート。 同燃料電池システムの総電圧低下領域を説明するタイムチャート。 同燃料電池システムにおけるＤＣ／ＤＣコンバータのＯＮ／ＯＦＦ切換のタイミングと、ＯＦＦしている累積時間との関係を示す概念図。

符号の説明

１…燃料電池システム、１０…制御装置（制御部）、３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）、４０…燃料電池。

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電力が供給される電力被供給部と、
   前記燃料電池の出力電圧を制御するコンバータと、
   コンバータ指令電圧を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、コンバータ指令電圧を前記燃料電池の開放電圧よりも低い高電位回避電圧に維持することにより前記燃料電池の総電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うとともに、該高電位化回避制御中に酸化ガス欠状態が生じて前記燃料電池の総電圧が漸次低下している間は前記コンバータをＯＦＦする燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記高電位化回避制御中に酸化ガス欠状態が生じて前記燃料電池の総電圧が低下し始める前に、コンバータ指令電圧を前記高電位回避電圧よりも一時的に低下させる請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記高電位化回避制御中に酸化ガス欠状態が生じて前記燃料電池の総電圧が低下し始める前に、前記燃料電池に酸化ガスを消費させる請求項１に記載の燃料電池システム。

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