JP2010238529A - 燃料電池システム及びこれを備えた車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の始動時における二次電池の過充電を回避する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の始動時の発電量を制御する制御部とを備え、制御部は、燃料電池の始動電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる際に、燃料電池の初期電圧と高電位回避電圧より低い所定の閾値電圧とを比較し（Ｓ１１２）、燃料電池の初期電圧が閾値電圧以下である場合、燃料電池の始動電圧を高速で降下させ（Ｓ１１４）、燃料電池の初期電圧が閾値電圧より大きい場合であって、燃料電池への指令電圧と高電位回避電圧との差分が０より大きい場合（Ｓ１１６）又は高電位回避電圧と燃料電池総電圧との差分が所定値より大きい場合（Ｓ１２０）、燃料電池の始動電圧を低速で降下させる（Ｓ１２２）。
【選択図】図４
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の始動時の発電量を制御する制御部とを備え、制御部は、燃料電池の始動電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる際に、燃料電池の初期電圧と高電位回避電圧より低い所定の閾値電圧とを比較し（Ｓ１１２）、燃料電池の初期電圧が閾値電圧以下である場合、燃料電池の始動電圧を高速で降下させ（Ｓ１１４）、燃料電池の初期電圧が閾値電圧より大きい場合であって、燃料電池への指令電圧と高電位回避電圧との差分が０より大きい場合（Ｓ１１６）又は高電位回避電圧と燃料電池総電圧との差分が所定値より大きい場合（Ｓ１２０）、燃料電池の始動電圧を低速で降下させる（Ｓ１２２）。
【選択図】図４
Description
本発明は、燃料電池システム及びこれを備えた車両に関する。
燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。
このような燃料電池においては、始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とがそれぞれ通常運転の際の各圧力と同程度の場合には、水素ガスと空気がそれぞれ燃料極と酸化剤極の中で偏在し、このガスの偏在によって発生する電気化学反応で電極が劣化してしまう場合があった。そこで、燃料電池の始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とを通常の各供給圧力よりも高くすることによって電極の劣化を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、燃料電池の始動の際に水素ガスと空気とを高圧で燃料電池に供給した場合、燃料電池の電圧の上昇速度が高くなって燃料電池の電圧が上限電圧をオーバーシュートしてしまうという問題があった。このため、特許文献１には、燃料電池の始動の際に通常発電の際の圧力よりも高い圧力で水素ガスと空気とを供給する場合、燃料電池の電圧が上限電圧よりも低い所定の電圧に達したら、燃料電池から出力を取り出して車両駆動用モータや抵抗器などに出力する方法が提案されている。
ところで、燃料電池が搭載された電動車両では、燃料電池の出力電力指令値は負荷からの要求電力と燃料電池の出力電流電圧特性とに基づいて計算される。しかし、燃料電池を始動する際、燃料電池の電圧が始動電圧から上昇している間は、逆流防止ダイオードでブロックされているため、燃料電池から電流が流れない。一方、例えば、始動の際に燃料電池の電圧を一旦、開回路電圧（以下「ＯＣＶ」ともいう）まで上昇させた後、燃料電池の制御電圧を下げて電力を取り出す方法において、燃料電池の発電許可までの間は、燃料電池の電圧をＯＣＶにしておき、燃料電池から電流が流出しないように制御されるが、かかる場合、燃料電池の耐久性が損なわれる場合がある。
そこで、燃料電池の始動電圧は、ＯＣＶから速やかに所定の運転電圧まで降下させることが望ましい。しかし、始動時における燃料電池の過発電をおそれて、常時、燃料電池スタックのセル総電圧を低速で降下させると、ＯＣＶから所定の運転電圧まで多大な時間を要してしまい、さらに、燃料電池の初期セル総電圧が通常運転状態より高い場合には、低速でセル総電圧を降下させると、燃料電池への指令電圧の上限ガードが間に合わず、所定の運転電圧よりも燃料電池のセル総電圧が高くなり、例えば図５に示すように、燃料電池スタックのセル総電圧がオーバーシュートしてしまう。
また、始動時に、負荷からの要求電力以上に燃料電池から発電された場合には、電動車両に設けられた二次電池にその余剰電力が充電されることになるが、二次電池に対して、ハイレートで充電、高ＳＯＣ（state of charge）からの充電、低温（例えば０℃）での充電（抵抗が高い状態での充電）などの使用態様で充電される際に、二次電池が過充電状態になり、二次電池の耐久性が損なわれる場合がある。
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、燃料電池の始動電圧が所定の運転電圧をオーバーシュートしないように高速で燃料電池の始動電圧を所定の運転電圧に降下させるとともに、燃料電池の初期セル総電圧に応じて燃料電池の過発電を防止して二次電池への過充電を抑制する燃料電池システム及びこれを備えた車両を提供する。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システム及びこれを備えた車両は以下の特徴を有する。
（１）燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の始動時の発電量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、前記燃料電池の始動電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる際に、前記燃料電池の初期電圧と前記高電位回避電圧より低い予め定められた閾値電圧とに応じて、前記燃料電池の始動電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる速度を制御する電圧降下制御手段を有する燃料電池システムである。
始動時において、燃料電池の初期電圧に応じて燃料電池の始動電圧の降下速度を制御することにより、燃料電池からの発電量を調整するので、二次電池の過充電状態が回避され、その結果、二次電池の耐久性が担保される。
（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、前記電圧降下制御手段は、前記燃料電池の初期電圧が前記閾値電圧以下である場合、前記燃料電池の始動電圧を高速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させ、前記燃料電池の初期電圧が前記閾値電圧より大きい場合であって、燃料電池への指令電圧と高電位回避電圧との差分が０より大きい場合又は高電位回避電圧と燃料電池総電圧との差分が所定値より大きい場合、燃料電池の始動電圧を低速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる燃料電池システムである。
燃料電池の初期電圧が所定の閾値電圧以下の場合には、開回路電圧（ＯＣＶ）から高速で所定の運転電圧である高電位回避電圧まで降下させるため、燃料電池の耐久性を維持することができる。一方、燃料電池の初期電圧が所定の閾値電圧より高い場合には、燃料電池の過発電を抑制するために、燃料電池への指令電圧と高電位回避電圧との差分が０より大きい場合又は高電位回避電圧と燃料電池総電圧との差分が所定値より大きい場合という条件を考慮しつつ、開回路電圧（ＯＣＶ）から低速で所定の運転電圧である高電位回避電圧まで降下させることにより、二次電池の過充電状態が回避され、その結果、二次電池の耐久性が担保される。
（３）上記（２）に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、一旦燃料電池の始動電圧を低速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させた場合、燃料電池の始動電圧を高速で高電位回避電圧まで降下させることを禁止する降下速度切替禁止手段を有する燃料電池システムである。
例えば、燃料電池の始動電圧が閾値電圧付近で変化する場合に、始動電圧降下速度を低速から高速に切り換えることによる燃料電池の過発電を防止することができる。
（４）上記（２）又は（３）に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池から出力される電力を充電するとともに充放電可能な二次電池を有し、前記電圧降下制御手段が燃料電池の始動電圧を低速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させた後、制御部は、二次電池の過充電回避制御を開始する燃料電池システムである。
二次電池の過充電回避制御開始前に、燃料電池の過発電を抑制するように制御するので、二次電池の過充電状態が回避され、その結果、二次電池の耐久性が担保される。
（５）上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の燃料電池システムを有する車両である。
電動車両において、始動時の燃料電池の発明により二次電池が過充電になることを抑制し、二次電池の性能低下が防止される。
本発明によれば、燃料電池の初期電圧に応じて燃料電池の始動電圧の降下速度を制御することにより、燃料電池からの発電量を調整するので、二次電池の過充電状態が回避される。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載されている燃料電池システム１００は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２の電圧を昇降圧する昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１５に供給するインバータ１４と、燃料電池１１と、を備えている。
二次電池１２は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、本実施の形態において、その電圧は走行用モータ１５の駆動電圧よりも低い電圧であるが、同等又は高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ１３は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１２から供給された低圧の電圧を走行用モータ駆動用の高圧に昇降圧するものであり、基準電路３２が二次電池１２のマイナス側電路３４とインバータ１４のマイナス側電路３９とに共通に接続され、１次側電路３１が二次電池１２のプラス側電路３３に接続され、２次側電路３５がインバータ１４のプラス側電路３８に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。また、二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４には二次電池１２と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー２５が設けられている。
燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池セルを複数有するもので、水素ガスは高圧の水素タンク１７から水素供給弁１８を介して燃料極（アノード）に供給され、空気は空気圧縮機１９によって酸化剤極（カソード）に供給される。燃料電池１１のプラス側電路３６は昇降圧コンバータ１３の２次側電路３５にＦＣリレー２４と逆流防止ダイオード２３を介して接続され、燃料電池１１のマイナス側電路３７はＦＣリレー２４を介して昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に接続される。昇降圧コンバータ１３の２次側電路３５はインバータ１４のプラス側電路３８に接続され、昇降圧コンバータ１３の基準電路３２はインバータ１４のマイナス側電路３９に接続されているので、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７はそれぞれインバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９にＦＣリレー２４を介して接続されている。ＦＣリレー２４は負荷系統と燃料電池１１との接続を入り切りするもので、ＦＣリレー２４が閉となると燃料電池１１は昇降圧コンバータ１３の２次側と接続され、燃料電池１１の発電電力は二次電池１２の１次側電力を昇圧した２次側電力と共にインバータ１４に供給されて車輪６０を回転させる走行用モータ１５を駆動する。この際、燃料電池１１の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧、インバータ１４の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機１９や冷却水ポンプ、水素ポンプなど燃料電池１１の補機１６の駆動電力は、基本的に燃料電池１１が発電した電圧でまかない、燃料電池１１が発電できないときは二次電池１２で補完する。
二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４との間には低圧側の電圧を平滑化する１次側コンデンサ２０が接続され、１次側コンデンサ２０には両端の電圧を検出する電圧センサ４１が設けられている。また、インバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９との間には２次側の電圧を平滑にする２次側コンデンサ２１が設けられ、２次側コンデンサ２１にも両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。１次側コンデンサ２０両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の入力電圧である１次側電圧ＶLであり、２次側コンデンサ２１の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である２次側電圧ＶHである。また、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７との間には燃料電池１１の電圧を検出する電圧センサ４３が設けられている。該電圧センサ４３は、燃料電池１１を構成する複数の燃料電池セル個々のセル電圧も検出する。また、燃料電池１１のプラス側電路３６には燃料電池１１からの出力電流を検出する電流センサ４４が設けられている。
制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。燃料電池１１、空気圧縮機１９、水素供給弁１８、昇降圧コンバータ１３、インバータ１４、走行用モータ１５、補機１６、ＦＣリレー２４、システムリレー２５は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池１２と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４はそれぞれ制御部５０に接続され、二次電池１２の状態と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４の検出信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。電動車両２００には燃料電池システム１００を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー３０が設けられている。イグニッションキー３０は制御部５０に接続され、イグニッションキー３０のオンオフ信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。
以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について、図２から図５を用いて以下に説明する。
まず、図５を用いて、燃料電池の過電圧をおそれて、開回路電圧から高電位回避電圧まで、制御部５０の燃料電池の指令電圧の降下速度を低速にした場合、開回路電圧から高電位回避電圧への降下時間が長時間化する。さらに、図５に示すように、燃料電池の初期電圧（「初期セル総電圧」ともいう）が０Ｖより高電位回避電圧に近い場合、制御部からの燃料電池の指令電圧を低速で降下させると、Ｔ1時間内に燃料電池の始動電圧の上限ガードが間に合わず、高電位回避電圧より高い電圧までオーバーシュートしてしまう（図５の一点鎖線で囲んだ部分）。
そこで、本実施の形態では、燃料電池（以下「ＦＣ」ともいう）の初期セル総電圧と所定の閾値電圧とに応じて、図２と図３に示すように、燃料電池の始動電圧の降下速度を調整している。以下、本実施の形態では、図２に示す低速降下と図３に示す高速降下との切り換えを例にとり、さらに図４も用いて燃料電池システムの動作について説明する。
なお、本明細書において、「高電位回避電圧」は、ＯＣＶより小さく、燃料電池の耐久性を担保するために、燃料電池からの発電が可能な予め定められた燃料電池の目標運転電圧を意味する。
始動直後の燃料電池スタックのセル総電圧は、燃料電池の運転停止時間に応じて異なり、運転停止時間が長いほど初期セル総電圧は０Ｖに近く、運転停止時間が短いほど初期セル総電圧は高電圧となっている。
そこで、燃料電池発電許可前の二次電池１２の過充電回避制御前には、燃料電池の過発電による二次電池への過充電を抑制するために、制御部５０（図１）に設けられた電圧降下制御手段により、以下に説明するように、燃料電池の始動電圧の降下速度を調整している。
まず、イグニッションキー３０がオンになったら（Ｓ１１０）、電圧センサ４３により測定された燃料電池１１の初期セル総電圧（図４の「セルモニタ総電圧」に相当）と閾値電圧とを比較し（Ｓ１１２）、図２の（ａ）の時点で、電圧センサ４３により測定された燃料電池の初期セル総電圧が閾値電圧より大きい場合には、燃料電池の始動電圧を低速でＴ2時間でゆっくり降下させる（Ｓ１２２）。ここで、「閾値電圧」は、高電位回避電圧より低い電圧で予め制御部５０に記憶されている。図２に示されているように、ゆっくり燃料電池の始動電圧を降下させることにより、Ｔ2時間当たりの燃料電池の発電量が抑えられる。燃料電池の始動電圧を低速で降下させる場合には、制御部５０により、二次電池１２の過充電回避制御を開始する（Ｓ１２４）。これにより、二次電池１２が過充電になることが防止される。ここで、「二次電池１２の過充電回避制御」とは、負荷要求電力以上であって二次電池１２が過充電状態になることを回避するために、二次電池１２の過充電回避制御としてフィードバック制御により二次電池の充電容量を考慮しつつ、必要に応じて走行用モータ１５からの回生量を考慮して、燃料電池の発電量を管理する制御をいう。
次いで、制御部５０に設けられた降下速度切替禁止手段により、一旦燃料電池の始動電圧を低速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させた場合、燃料電池の始動電圧を高速で高電位回避電圧まで降下させることを禁止する（Ｓ１２６）。この降下速度切替禁止手段は必須ではないが、例えば、燃料電池の始動電圧が閾値電圧付近で変化する場合に、始動電圧降下速度を低速から高速に切り換えることによる燃料電池の過発電を防止することができる。
また、電圧センサ４３により測定された燃料電池１１の初期セル総電圧（図４の「セルモニタ総電圧」に相当）と閾値電圧とを比較し（Ｓ１１２）、図３の（ａ）の時点で、電圧センサ４３により測定された燃料電池の初期セル総電圧が閾値電圧以下の場合には、燃料電池の始動電圧を高速でＴ3時間で速やかに降下させる（Ｓ１１４）。次いで、図３の（ｂ）の時点で、制御部５０からの燃料電池への指令電圧と高電位回避電圧との差が０Ｖになった場合には、速やかに低速降下に切り換え（Ｓ１２２）、制御部５０により、二次電池１２の過充電回避制御を開始し（Ｓ１２４）、燃料電池の始動電圧を高速で高電位回避電圧まで降下させることを禁止し（Ｓ１２６）、低速で、燃料電池の始動電圧を制御する。このように制御することにより、図３のＴ4時間において、燃料電池１１の過発電により二次電池１２が過充電されることが抑制される。
一方、図３の（ｂ）の時点で、制御部５０からの燃料電池への指令電圧と高電位回避電圧との差が０Ｖより大きい場合（Ｓ１１６）には、燃料電池の始動電圧を高速で高電位回避電圧まで降下させる（Ｓ１１８）。電圧センサ４３は、燃料電池１１の始動電圧をモニタしながら、セルモニタ総電圧が制御部５０に送られている。そこで、図３の（ｃ）の時点で、高電位回避電圧と電圧センサ４３により測定された燃料電池１１のセルモニタ総電圧との差が所定電圧値より大きい場合には燃料電池の始動電圧を高速で高電位回避電圧まで降下させる（Ｓ１１８）。一方、高電位回避電圧と電圧センサ４３により測定された燃料電池１１のセルモニタ総電圧との差が所定電圧値に達した場合には、速やかに低速降下に切り換え（Ｓ１２２）、制御部５０により、二次電池１２の過充電回避制御を開始し（Ｓ１２４）、燃料電池の始動電圧を高速で高電位回避電圧まで降下させることを禁止し（Ｓ１２６）、低速で、燃料電池の始動電圧を制御する。以上で、燃料電池の始動が完了する（Ｓ１２８）。
なお、図４のＳ１２０の「所定電圧値」は、高電位回避電圧と電圧センサ４３により測定された燃料電池１１のセルモニタ総電圧との差を算出する時間等フィードバック制御に要する時間を考慮して、適宜選択される。したがって、計算速度が限りなく速くフィードバック制御も限りなく速く行うことができる場合には、上記「所定電圧値」は０Ｖでもよい。
本発明は、燃料電池システムを用いる分野に利用可能であるが、例えば車両の製造産業、などに利用可能である。
１１ 燃料電池、１２ 二次電池、１３ 昇降圧コンバータ、１４ インバータ、１５ 走行用モータ、１６ 補機、１７ 水素タンク、１８ 水素供給弁、１９ 空気圧縮機、２０ １次側コンデンサ、２１ ２次側コンデンサ、２３ 逆流防止ダイオード、２４ リレー、２５ システムリレー、３０ イグニッションキー、３１ １次側電路、３２ 基準電路、３３，３６，３８ プラス側電路、３４，３７，３９ マイナス側電路、３５ ２次側電路、４１，４２，４３ 電圧センサ、４４ 電流センサ、５０ 制御部、６０ 車輪、１００ 燃料電池システム、２００ 電動車両。
Claims (5)
- 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
前記燃料電池の始動時の発電量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、前記燃料電池の始動電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる際に、前記燃料電池の初期電圧と前記高電位回避電圧より低い予め定められた閾値電圧とに応じて、前記燃料電池の始動電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる速度を制御する電圧降下制御手段を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記電圧降下制御手段は、前記燃料電池の初期電圧が前記閾値電圧以下である場合、前記燃料電池の始動電圧を高速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させ、
前記燃料電池の初期電圧が前記閾値電圧より大きい場合であって、燃料電池への指令電圧と高電位回避電圧との差分が０より大きい場合又は高電位回避電圧と燃料電池総電圧との差分が所定値より大きい場合、燃料電池の始動電圧を低速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、一旦燃料電池の始動電圧を低速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させた場合、燃料電池の始動電圧を高速で高電位回避電圧まで降下させることを禁止する降下速度切替禁止手段を有することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
さらに、前記燃料電池から出力される電力を充電するとともに充放電可能な二次電池を有し、
前記電圧降下制御手段が燃料電池の始動電圧を低速で開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させた後、制御部は二次電池の過充電回避制御を開始することを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムを有する車両。
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