JP2010113980A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】直流電圧変換部での電力損失を低減し、燃料電池システム全体の効率を向上させる。
【解決手段】制御部６は、測定したＦＣ用コンバータ５１の出力電力に対応する電力損失を、電力損失マップを用いて冷却水の温度ごとに求めるとともに、測定した出力電力に対応する消費電力を、消費電力マップを用いて冷却水の温度ごとに求め、求めた各電力損失と各消費電力とを、冷却水の温度ごとに加算して、加算後の値の中から最小値を求める。制御部６は、最小値を構成する冷却水循環ポンプ５０４の消費電力に対応するモータの回転数を、モータへの指示回転数として冷却水循環ポンプ５０４に送信する。冷却水循環ポンプ５０４は、指示回転数にしたがってモータを回転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

下記特許文献１〜３には、燃料電池システムのコンバータ（直流電圧変換部）での電力損失を考慮することで、燃料電池システム全体を効率良く運転させる技術が開示されている。
ＷＯ２００５／７６４３３号公報 特開２００６−２８８１２９号公報 特開２００２−３３４７１２号公報

ところで、コンバータを構成するスイッチング素子には、高温になると効率が低下する特性がある。したがって、コンバータを冷却するための冷却水を的確に冷却しなければ、コンバータでの電力損失が増大し、燃料電池システム全体の効率も低下してしまうおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、直流電圧変換部での電力損失を低減し、燃料電池システム全体の効率を向上させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側に出力する直流電圧変換部と、直流電圧変換部に冷却水を循環供給する冷却部と、冷却水を冷却するための冷却用電力消費装置と、直流電圧変換部から出力される電力において、直流電圧変換部における電力損失と、冷却用電力消費装置における消費電力との総和が最小となるように、冷却用電力消費装置を駆動させる制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、直流電圧変換部での電力損失を低減し、燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統括制御する制御部６（制御手段）とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

酸化ガス配管系３は、フィルタを介して取り込まれた大気中の酸化ガスを圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための酸化ガス供給流路としての空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路としての空気排出流路３３とを有する。空気排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧調整弁３４が設けられている。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための水素循環流路４２とを有する。水素供給流路４１には、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４３が設けられている。水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４４が設けられている。

電力系５は、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータ５１（以下、「ＦＣ用コンバータ５１」という。）と、二次電池であるバッテリ５２と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータ５３（以下、「Ｂａｔ用コンバータ５３」という。）と、トラクションインバータ５４と、トラクションモータ５５と、冷却部５０とを有する。

ＦＣ用コンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側であるトラクションインバータ５４に出力する機能を有する。燃料電池２の出力電圧は、ＦＣ用コンバータ５１によって昇圧される。ＦＣ用コンバータ５１には、ＦＣ用コンバータ５１の出力電圧を検出する電圧センサＶと、ＦＣ用コンバータ５１の出力電流を検出する電流センサＡが設けられている。

バッテリ５２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。

Ｂａｔ用コンバータ５３は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整（昇圧）して電力消費装置側であるトラクションインバータ５４に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ５５から入力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔ用コンバータ５３の機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。

トラクションインバータ５４は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５５に供給する。トラクションモータ５５は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

冷却部５０は、冷却水を冷却するためのラジエータ５０１およびラジエータファン５０２（冷却用電力消費装置）と、冷却水をトラクションインバータ５４、ＦＣ用コンバータ５１およびラジエータ５０１に循環供給するための冷却水循環流路５０３と、冷却水を冷却水循環流路５０３に循環させる冷却水循環ポンプ５０４（冷却用電力消費装置）とを有する。冷却水循環流路５０３のうち、ＦＣ用コンバータ５１の出口側には、冷却水の温度を検出する温度センサＴが設けられている。

制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ５５等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ５５の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４４、冷却水循環ポンプ５０４、ラジエータファン５０２のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリ６１と、入出力インターフェースとを有する。メモリ６１には、例えば、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭや、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサＶ、電流センサＡ、温度センサＴ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、背圧調整弁３４、水素ポンプ４４、トラクションモータ５５、冷却水循環ポンプ５０４およびラジエータファン５０２等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、後述する冷却水循環ポンプ制御処理等を実行する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

制御部６は、ＦＣ用コンバータ５１から出力される電力において、ＦＣ用コンバータ５１の電力損失と、冷却水循環ポンプ５０４の消費電力との総和が最小となるように、冷却水循環ポンプ５０４のモータを駆動させる冷却水循環ポンプ制御処理を実行する。

ここで、冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数を上げると、冷却水の温度が低下し、ＦＣ用コンバータ５１の温度が低下するため、ＦＣ用コンバータ５１での電力損失が減少する。しかしながら、冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数を上げると、冷却水循環ポンプ５０４での消費電力は増大してしまう。

そこで、本願発明では、冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数を上げることによって増大するＦＣ用コンバータ５１での電力損失と、冷却水循環ポンプ５０４での消費電力とを比較考量し、ＦＣ用コンバータ５１での電力損失と冷却水循環ポンプ５０４での消費電力との総和が最小となるように、冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数を制御する冷却水循環ポンプ制御処理を実行することとした。この冷却水循環ポンプ制御処理の一例を、図２および図３を参照して説明する。

図２は、ＦＣ用コンバータ５１の電力損失マップを示す図であり、横軸はＦＣ用コンバータ５１の出力電力を示し、縦軸はＦＣ用コンバータ５１の電力損失を示している。電力損失マップには、ＦＣ用コンバータ５１の各出力電力に対応する電力損失が、冷却水の温度ごとに登録されている。ＣＬおよびＣＨは、登録されている対応関係の一例を示すものであり、ＣＬは、冷却水の温度が低いときにおける各出力電力に対応する電力損失の推移を表したものであり、ＣＨは、冷却水の温度が高いときにおける各出力電力に対応する電力損失の推移を表したものである。

図２に示すＣＬおよびＣＨは、出力電力が上昇していくに従って電力損失が徐々に増大していく関係を表しており、ＣＬよりもＣＨのほうが電力損失の増大率が大きいことを表している。これにより、出力電力が同じである場合には、冷却水の温度が高いほど、電力損失が増大することがわかる。このような電力損失マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６のメモリ６１に格納される。

図３は、冷却水循環ポンプ５０４の消費電力マップを示す図であり、横軸はＦＣ用コンバータ５１の出力電力を示し、縦軸は冷却水循環ポンプ５０４の消費電力（モータの回転数）を示している。消費電力マップには、ＦＣ用コンバータ５１の各出力電力に対応する冷却水循環ポンプ５０４の消費電力が、冷却水の温度ごとに登録されている。ＰＬおよびＰＨは、登録されている対応関係の一例を示すものであり、ＰＬは、冷却水の温度が低いときにおける各出力電力に対応する消費電力の推移を表したものであり、ＰＨは、冷却水の温度が高いときにおける各出力電力に対応する消費電力の推移を表したものである。

図３に示すＰＬおよびＰＨは、出力電力が上昇していくに従って消費電力が徐々に増大していく関係を表しており、ＰＨよりもＰＬのほうが消費電力の増大率が大きいことを表している。これにより、出力電力が同じである場合には、冷却水の温度が低いほど、消費電力が増大することがわかる。このような消費電力マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御部６のメモリ６１に格納される。

制御部６は、上述した電力損失マップと消費電力マップとを用いて、例えば、以下のように冷却水循環ポンプ制御処理を実行する。最初に、制御部６は、ＦＣ用コンバータ５１の出力電力を測定するとともに、冷却水の温度を測定する。続いて、制御部６は、測定した出力電力に対応する電力損失を、図２に示す電力損失マップを用いて冷却水の温度ごとに求める。制御部６は、測定した出力電力に対応する消費電力を、図３に示す消費電力マップを用いて冷却水の温度ごとに求める。

続いて、制御部６は、求めた各電力損失と各消費電力とを、冷却水の温度ごとに加算して、加算後の値の中から最小値を求める。制御部６は、最小値を構成する冷却水循環ポンプ５０４の消費電力に対応するモータの回転数を、モータへの指示回転数として冷却水循環ポンプ５０４に送信する。これにより、冷却水循環ポンプ５０４が、指示回転数にしたがってモータを回転させることになる。

次に、図４に示すフローチャートを参照して、燃料電池システム１で実行される冷却水循環ポンプ制御処理の流れについて説明する。

最初に、制御部６は、ＦＣ用コンバータ５１の出力電力を測定するとともに、冷却水の温度を測定する（ステップＳ１０１）。

続いて、制御部６は、電力損失マップと消費電力マップとを用い、ＦＣ用コンバータ５１での電力損失と冷却水循環ポンプ５０４での消費電力との総和が最小となるように、冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数を決定する（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部６は、決定した回転数をモータへの指示回転数として冷却水循環ポンプ５０４に送信する（ステップＳ１０３）。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、ＦＣ用コンバータ５１での電力損失とラジエータファン５０２での消費電力とを比較考量し、電力損失と消費電力との総和が最小となるように冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数を制御することで、冷却水を的確に冷却することができるため、ＦＣ用コンバータ５１での電力損失を低減し、燃料電池システム１全体の効率を向上させることが可能となる。

なお、上述した実施形態においては、冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数を制御しているが、制御対象は、冷却水循環ポンプ５０４のモータに限定されず、冷却水を冷却するための冷却用電力消費装置であればよい。具体的には、例えば、ラジエータファン５０２のモータの回転数を制御することとしてもよい。この場合には、ＦＣ用コンバータ５１での電力損失とラジエータファン５０２での消費電力との総和が最小となるように、ラジエータファン５０２のモータの回転数を制御することができる。また、冷却水循環ポンプ５０４のモータの回転数とラジエータファン５０２のモータの回転数の双方を制御することとしてもよい。

また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 電力損失マップを例示する図である。 消費電力マップを例示する図である。 冷却水循環ポンプ制御処理の流れを説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…制御部、５０…冷却部、５１…ＦＣ用コンバータ、５２…バッテリ、５３…Ｂａｔ用コンバータ、５４…トラクションインバータ、５５…トラクションモータ、６１…メモリ、５０１…ラジエータ、５０２…ラジエータファン、５０３…冷却水循環流路、５０４…冷却水循環ポンプ、Ａ…電流センサ、Ｔ…温度センサ、Ｖ…電圧センサ。

Claims (1)

1. 反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池から入力された直流電圧を昇圧して電力消費装置側に出力する直流電圧変換部と、
   前記直流電圧変換部に冷却水を循環供給する冷却部と、
   前記冷却水を冷却するための冷却用電力消費装置と、
   前記直流電圧変換部から出力される電力において、前記直流電圧変換部における電力損失と、前記冷却用電力消費装置における消費電力との総和が最小となるように、前記冷却用電力消費装置を駆動させる制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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