JP2011009102A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサの原点誤差を検知する。
【解決手段】燃料電池２から出力された直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力するＦＣコンバータ３と、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡとを備える燃料電池システムであって、制御部８は、燃料電池システム１の起動時に、制御部８の初期化処理が完了してから所定時間が経過するまでの間、電流センサＡの検出値を取得し、取得した検出値の平均値を算出することで電流センサＡの原点誤差を求め、その後燃料電池２を起動させる。
【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には、燃料電池とバッテリで負荷を駆動させる燃料電池システムであって、燃料電池用とバッテリ用の二つのコンバータを備えたものが開示されている。この燃料電池システムでは、負荷に安定して電力を供給するために、燃料電池用のコンバータおよびバッテリ用のコンバータをフィードバック制御している。

特開２００７−３１８９３８号公報

上記特許文献１では、電流センサで検出される燃料電池からの出力電流値が目標電流値と一致するように、燃料電池用のコンバータをフィードバック制御している。しかしながら、フィードバック制御に用いる電流センサには原点誤差が含まれ得る。原点誤差とは、電流が流れていないときに電流センサで検出される検出値と電流センサの原点（０[Ａ]）との間の差をいう。システムを制御する際に原点誤差を考慮しないと、例えば、燃料電池システムの起動時に、電流センサの検出値と目標電流値との間に原点誤差分のずれが生じてしまい、運転効率が低下するおそれがある。

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、電流センサの原点誤差を検知す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、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、燃料電池と電力消費装置との間に配置される電圧変換部と、燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、システム起動時であって燃料電池が起動する前に電流センサによって検出された検出値を用いて電流センサの原点誤差を算出する原点誤差算出手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池で発電が開始される前、すなわち燃料電池から電流が出力されていないときに、電流センサによって検出された検出値を用いて電流センサの原点誤差を算出することができる。これにより、電流センサの検出値を原点誤差として用いることができるため、原点誤差を容易に検知することが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記原点誤差算出手段は、電流センサの検出値が読み込み可能になってから所定時間が経過するまでの間に読み込まれた電流センサの検出値の平均値を算出することで、上記原点誤差を算出することとしてもよい。

このようにすることで、原点誤差の検出精度を向上させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記所定時間は、上記原点誤差を精度良く算出するために必要となる個数の上記検出値を読み込むのに要する時間であることとしてもよい。

このようにすることで、原点誤差の検出精度をさらに向上させることが可能となる。

本発明によれば、電流センサの原点誤差を検知することができる。

第１実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 第１実施形態における原点誤差算出処理の流れを説明するためのフローチャートである。 第２実施形態における燃料電池システムの構成を模式的に示す図である。 第２実施形態における停止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。

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各実施形態について説明する。各実施形態では、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。なお、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも適用することができ、さらに、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も適用することができる。

[第１実施形態]
まず、図１を参照して、第１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、第１実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。

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と燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＦＣコンバータ３（電圧変換部）と、二次電池としてのバッテリ４と、バッテリ用のＤＣ／ＤＣコンバータであるＢａｔコンバータ５と、負荷としてのトラクションインバータ６およびトラクションモータ７（電力消費装置）と、システム全体を統括制御する制御部８とを有する。ＦＣコンバータ３とトラクションインバータ６との間には、ＦＣコンバータ３からトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に電力を供給する電力供給経路を接続または遮断するＦＣリレーＲ１、Ｒ２が設けられている。ＦＣリレーＲ１、Ｒ２は、システム停止時にはＯＦＦにされ、電力供給経路を遮断する。

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膜の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料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燃料ガス通路に、燃料ガスである水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通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。

ＦＣコンバータ３は、直流の電圧変換器であり、燃料電池２から出力された直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７に出力する機能を有する。このＦＣコンバータ３によって燃料電池２の出力電圧が制御される。ＦＣコンバータ３には、燃料電池２からＦＣコンバータ３に入力される燃料電池２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４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燃料電池２の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コンバータ５は、直流の電圧変換器であり、バッテリ４から出力された直流電圧を調整（昇圧）してトラクションインバータ６およびトラクションモータ７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７から出力された直流電圧を調整（降圧）してバッテリ４に出力する機能と、を有する。このようなＢａｔコンバータ５の機能により、バッテリ４の充放電が実現される。

トラクションインバータ６は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ７に供給する。トラクションモータ７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。

制御部８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７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７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８は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、メモリと、入出力インターフェースとを有する。メモリは、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と、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とを有する。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、電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、トラクションモータ７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、燃料電池システム１における各種制御処理を実行する。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８は、機能的には、例えば、原点誤差算出部８１を有する。原点誤差算出部８１は、電流センサＡの原点誤差を算出する原点誤差算出処理を実行する。具体的に、原点誤差算出部８１は、以下のようにして原点誤差算出処理を実行する。

原点誤差算出部８１は、燃料電池システム１の起動時に、例えば制御部８のＲＡＭチェック等を含む初期化処理を実行する。この初期化処理が完了すると、ＣＰＵが演算可能な状態となる。原点誤差算出部８１は、初期化処理が完了してから所定時間が経過するまでの間、電流センサＡの検出値（以下、「検出電流値」という。）を取得する（読み込む）検出電流値取得処理を実行する。この所定時間は、短すぎると検出電流値の検出精度が低下する一方、長すぎると燃料電池システム１の起動が遅れるため、検出精度とシステム起動時間とを比較考量して決定する必要がある。

原点誤差算出部８１は、上記所定時間が経過すると、検出電流値取得処理において電流センサＡから取得した検出電流値の平均値を算出する。ここで、初期化処理が完了してから所定時間が経過するまでの間は、燃料電池２がまだ起動していないため、燃料電池２の出力電流は０となる。したがって、本来であれば、電流センサＡから取得される検出電流値は、原点である０[Ａ]となるはずである。ところが電流センサＡに原点誤差がある場合には、原点誤差に相当する検出電流値が出力されることとなる。したがって、電流センサＡから取得した検出電流値は、そのまま電流センサＡの原点誤差として取り扱うことが可能となる。また、電流センサＡから取得した検出電流値の平均値を算出することで、電流センサＡの原点誤差の精度を向上させることが可能となる。

原点誤差算出部８１は、算出した原点誤差を制御部８のメモリに記憶させる。これにより、制御部８は、その後、電流センサＡから検出電流値を取得するたびに、取得した検出電流値からメモリに記憶させた原点誤差を差し引くことで正確な出力電流値を取得することが可能となる。なお、原点誤差は、必ずしもメモリに記憶させる必要はない。例えば、電流センサＡの原点として電流センサＡに設定されている基準値から原点誤差を差し引いて当該基準値を更新させることで、電流センサＡの原点誤差を解消させることとしてもよい。

制御部８は、上記所定時間が経過した後に、燃料電池２を起動させ、ＦＣリレーをＲ１、Ｒ２をＯＮさせる。燃料電池２を起動させると、燃料電池２への酸化ガスおよび水素ガスの供給が開始され、燃料電池２は発電を開始する。

次に、図２に示すフローチャートを用いて、第１実施形態における原点誤差算出処理について説明する。最初に、運転者によりイグニッションキーがＯＮされた場合（ステップＳ１０１）に、制御部８は初期化処理を開始する（ステップＳ１０２）。

続いて、制御部８は、初期化処理が完了した場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）に、電流センサＡから検出電流値を取得する処理を開始する（ステップＳ１０４）。

続いて、制御部８は、初期化処理が完了してから所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０５；ＮＯ）に、制御部８は、この判定を繰り返し実行する。

一方、上記ステップＳ１０５の判定で初期化処理が完了してから所定時間が経過したと判定された場合（ステップＳ１０５；ＹＥＳ）に、制御部８は、上記ステップＳ１０４で実行された検出電流値取得処理により取得された検出電流値の平均値を算出することで、原点誤差を算出する（ステップＳ１０６）。

続いて、制御部８は、燃料電池２を起動させて（ステップＳ１０７）、ＦＣリレーをＲ１、Ｒ２をＯＮさせる（ステップＳ１０８）。

上述してきたように、第１実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池２で発電が開始される前、すなわち燃料電池２から電流が出力されていないときに、電流センサＡで検出された検出値を用いて電流センサＡの原点誤差を算出することができる。これにより、電流センサＡの検出値を原点誤差として用いることができるため、原点誤差を容易に検知することが可能となる。

また、電流センサＡの検出値が読み込み可能になってから所定時間が経過するまでの間に取得された検出電流値の平均値を、原点誤差とすることで、原点誤差の検出精度を向上させることができる。

[第２実施形態]
本発明の第２実施形態について説明する。燃料電池システムにおいて、ＦＣコンバータで短絡が発生した場合には、ＦＣコンバータ内の部品を保護するために、燃料電池システムを停止させることが有効となる。しかしながら、システムを停止させる際に、酸化ガスの供給を停止させてから水素ガスの供給を停止させてしまうと、燃料電池２内で水素ガスが不足してしまい、セルが劣化する要因となる。

そこで、第２実施形態における燃料電池システムは、ＦＣコンバータでの短絡に起因して燃料電池システムを停止させる場合であっても、セルの劣化を抑制す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。

図３を参照して、第２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３は、第２実施形態における燃料電池システムを模式的に示した図である。第２実施形態における燃料電池システムの構成は、図１に示す第１実施形態における燃料電池システムの構成と同様である。したがって、各構成要素には同一の符合を付しその説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

燃料電池システム１は、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２１と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する水素ガス配管系２２と、を有する。

酸化ガス配管系２１は、フィルタを介して取り込まれる空気を圧縮し、圧縮した空気を酸化ガスとして送出するコンプレッサ２１ａと、コンプレッサ２１ａから送出された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２１ｂと、を有する。コンプレッサ２１ａには、コンプレッサ２１ａのモータの回転数を検出する回転数センサＮが設けられている。

水素ガス配管系２２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２２ａと、水素タンク２２ａの水素ガスを燃料電池２に供給するための水素ガス供給流路２２ｂと、を有する。水素ガス供給流路２２ｂには、水素タンク２２ａからの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁２２ｃが設けられている。

制御部８は、機能的には、例えば、停止制御部８２を有する。停止制御部８２は、ＦＣコンバータ３内で短絡が発生したと判定した場合に、燃料電池システム１を停止させる停止制御処理を実行する。具体的に、制御部８は、以下のようにして停止制御処理を実行する。

制御部８は、燃料電池システム１の稼働中に、ＦＣコンバータ３内で短絡が発生したか否かを判定する。具体的に、制御部８は、電流センサＡの検出値が、所定の上限閾値を超えている場合に、ＦＣコンバータ３内で短絡が発生したと判定する。所定の上限閾値としては、例えば、ＦＣコンバータ３内で短絡が発生していないときにＦＣコンバータ３内に流れ得る電流の上限値を設定することができる。

制御部８は、ＦＣコンバータ３内で短絡が発生したと判定した場合、つまり、電流センサＡの検出値が所定上限閾値よりも大きい場合に、コンプレッサ２１ａに停止指令を送出することで燃料電池２への酸化ガスの供給を停止させる。

制御部８は、上記停止指令を送出した後に、コンプレッサ２１ａが停止したか否かを判定する。コンプレッサ２１ａが停止したか否かは、回転数センサＮの検出値が０になったか否かで判定することができる。制御部８は、コンプレッサ２１ａが停止したと判定した場合、つまり、回転数センサＮの検出値が０になったと判定した場合に、主止弁２２ｃを閉弁させることで、水素ガスの供給を停止させる。

なお、コンプレッサ２１ａが停止したか否かは、回転数センサＮの検出値が０になったか否かで判定することには限定されない。例えば、酸化ガス供給流路２１ｂのコンプレッサ２１ａの出口側に酸化ガスの流量を検出する流量センサを設け、この流量センサの検出値が０になったか否かで判定することとしてもよい。

次に、図４に示すフローチャートを用いて、第２実施形態における停止制御処理について説明する。この停止制御処理は、例えば、イグニッションキーがＯＮされたときに開始される。

最初に、制御部８は、ＦＣコンバータ３内で短絡が発生したか否かを判定する（ステップＳ２０１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０１；ＮＯ）に、制御部８は、この判定を繰り返し実行する。

一方、上記ステップＳ２０１の判定においてＦＣコンバータ３内で短絡が発生したと判定された場合（ステップＳ２０１；ＹＥＳ）に、制御部８は、コンプレッサ２１ａに停止指令を送出する（ステップＳ２０２）。

続いて、制御部８は、コンプレッサ２１ａが停止したか否かを判定する（ステップＳ２０３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０３；ＮＯ）に、制御部８は、この判定を繰り返し実行する。この間、制御部８は、燃料電池２への水素ガスの供給を継続させる（ステップＳ２０４）。

一方、上記ステップＳ２０３の判定でコンプレッサ２１ａが停止したと判定された場合（ステップＳ２０３；ＹＥＳ）に、制御部８は、燃料電池２への水素ガスの供給を停止させる（ステップＳ２０５）。これにより、燃料電池システム１は停止することになる。

上述してきたように、第２実施形態における燃料電池システム１によれば、ＦＣコンバータ６での短絡に起因して燃料電池システム１を停止させる場合に、燃料電池２への酸化ガスの供給を停止させてから水素ガスの供給を停止させることができるため、水素ガスが不足することにより生じ得るセルの劣化を抑制することが可能となる。

なお、上述した各実施形態では、一つの制御部８で燃料電池システム１全体を制御する形態について説明しているが、制御部を一つに限定する必要はない。複数の制御部を設け、上述した各実施形態における制御部８の各機能を分担して実行することとしてもよい。例えば、燃料電池システム１全体を制御する制御部の他に、ＦＣコンバータ３用の制御部と、燃料電池２用の制御部と、をさらに備えることとしてもよい。この場合には、例えば、上記原点誤差算出処理のようにＦＣコンバータ３に関連する処理を実行する際にはＦＣコンバータ３用の制御部で処理を実行し、上記燃料電池を起動させる処理のように燃料電池２に関連する処理を実行する際には燃料電池２用の制御部でその処理を実行することとしてもよい。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＦＣコンバータ、４…バッテリ、５…Ｂａｔコンバータ、６…トラクションインバータ、７…トラクションモータ、８…制御部、２１ａ…コンプレッサ、２１ｂ…酸化ガス供給流路、２２ａ…水素タンク、２２ｂ…水素ガス供給流路、２２ｃ…主止弁、８１…原点誤差算出部、８２…停止制御部、Ｒ１、Ｒ２…ＦＣリレー、Ａ…電流センサ、Ｎ…回転数センサ。

Claims (3)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて当該燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池からの電力を消費する電力消費装置と、
   前記燃料電池と前記電力消費装置との間に配置される電圧変換部と、
   前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサと、
   システム起動時であって前記燃料電池が起動する前に前記電流センサによって検出された検出値を用いて前記電流センサの原点誤差を算出する原点誤差算出手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記原点誤差算出手段は、前記電流センサの検出値が読み込み可能になってから所定時間が経過するまでの間に読み込まれた前記電流センサの検出値の平均値を算出することで、前記原点誤差を算出することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記所定時間は、前記原点誤差を精度良く算出するために必要となる個数の前記検出値を読み込むのに要する時間であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。

Images