JP2011517015A - 燃料電池システムの制御方法及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

本発明は、燃料電池システムの制御方法又はそれに応じて実施される燃料電池システムを提案するという課題に基づいており、このシステムでは、休止状態における燃料電池システムの制御方法が改善されている。このために、電装品にエネルギーを供給するための燃料電池システムの制御方法が提案され、ここでは、酸化剤を使って燃料を変換する燃料電池システムが形成されており、この燃料電池システムは、休止状態と作動状態との間で切り替え可能であり、休止状態での電装品へのエネルギー供給の大部分又は全部が、エネルギー貯蔵装置７によって行われ、休止状態においては、燃料及び／又は酸化剤が燃料電池システム内で活発に移動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電装品にエネルギーを供給するための燃料電池システムの制御方法に関し、酸化剤を使って燃料を変換するための燃料電池システムが形成され、この燃料電池システムは、休止状態と作動状態との間で切り替え可能であり、休止状態での電装品へのエネルギー供給の大部分又は全部が、エネルギー貯蔵装置によって行われる。本発明は、また、この制御方法を実施するための燃料電池システムにも関する。

燃料電池システムは、電気化学的プロセスによって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー供給ユニットである。通常、燃料電池システムには、アノード領域とカソード領域とを有する１つ又は複数の燃料電池が含まれており、これらの領域は膜によって互いに分離されている。燃料はアノード領域から送られ、酸化剤はカソード領域から送られる。この場合、膜を介して２つの領域間でプロトン移動が可能であり、それによって、電気エネルギーを生成するための反応物質の変換が行われる。

車両で燃料電池システムを使用する場合は、高いエネルギー効率を達成するために、例えば、待機時間においては電気化学プロセスが停止され、エネルギー貯蔵装置によるエネルギー供給が保証されることは有利であると考えられる。このようなエネルギー貯蔵装置を備える燃料電池システムは、ハイブリッドシステムとも呼ばれる。

最も近い従来技術である特許文献１は、燃料電池が駆動系のエネルギーを生産する作動状態と、電気化学プロセスが停止している休止状態との間で切り替えが可能な燃料電池システムを説明している。この文献では、休止状態において、燃料電池の再始動を妨げる作動条件がシステムに生じる可能性を確認しており、この場合、例えば、エネルギー生成での遅延又は電圧低下がシステムに生じるおそれがある。対抗策としては、燃料電池システム又は燃料電池を、断続的に休止状態から通常の作動状態にすることが提案されている。

米国特許出願公開第２００７／００５４１６５Ａ１号明細書

本発明は、燃料電池システムの制御方法又は該方法に応じて実施される燃料電池システムを提案するという課題に基づいており、このシステムでは、休止状態における燃料電池システムの制御方法が改善されている。

この課題は、請求項１の特徴を有する制御方法および請求項１０の特徴を有する燃料電池システムによって解決される。本発明の好ましい実施形態または有利な実施形態は、従属請求項、以下の説明、及び添付の図から生じる。

本発明の範囲内において、電装品のエネルギー供給に適した燃料電池システム及び／又は電装品のエネルギー供給のために形成されている燃料電池システムの制御方法が提案される。電装品の定義は、一般的に考えることができ、電装品には、負荷システム、特にターボ機械、照明などの補助負荷並びに駆動モータなどの１つ又は複数の主要負荷を備える車両、が含まれる。

この燃料電池システムは、酸化剤（好ましくは酸素、特に周辺の空気）を使って、燃料（好ましくは水素）を変換するために形成されている。

エネルギー効率を高めるためにも、またはその他の理由からも、好ましいのは、燃料電池システムが休止状態と作動状態との間で切り替え可能であることである。作動状態は、電装品が主要負荷に接続される場合、特に車両が電装品として駆動モータにエネルギーを供給する場合に選択されるのが好ましい。休止状態においては、電装品のエネルギー供給の大部分又は全部が、エネルギー貯蔵装置によって引き受けられる。総じて、休止状態における燃料電池システムのエネルギー生成又は発電は、作動状態における発電よりも小さい。

本発明に基づき、燃料及び／又は酸化剤は、休止状態において、燃料電池システム内、特に燃料電池内で活発に移動することが提案される。

本発明が考慮する点は、燃料電池システムの再始動性能が悪化する、及び／又は燃料電池システム（特に燃料電池）の寿命に影響が及ぶ休止状態において、燃料電池システム（特に燃料電池）を作動状態にすることができることである。休止状態の負の影響を避けるため、周知である従来技術とは異なり、休止状態において酸化剤及び／又は燃料が燃料電池システム（特に燃料電池）の中で能動的に移動することが提案される。この驚くほど簡単な措置により、多数の利点を生じさせることができる。１つは、反応物質の配分に関して作動条件が均一化されることにより、燃料電池システム内にある異なる燃料電池間で、作動電圧の開きが大きくなりすぎるのを防止することができる点である。もう１つの考えられる利点は、反応物質の配分が、再スタート又は休止状態から作動状態への移行にとって都合の良い、又は最適な条件となるように、燃料電池システムにおいてその配分が調整されることである。さらに、燃料電池（特に膜）の内部の湿潤を制御することが可能となる。１つ又は両方の反応物質の活発な移動により、休止状態の間、燃料（特に水素の）が蓄積されてしまうのを防止する。もう１つ、選択的に利用可能な利点は、乾燥作用による燃料電池での結露の発生又は結露の蓄積が、反応物質の移動、とりわけ酸化剤の移動によって防止されることである。

本発明の好ましい発展形態では、燃料電池システムが第１のターボ機械を有しており、このターボ機械は、好ましくは、酸化剤を圧縮及び／又は加速するために配置及び／又は形成されているコンプレッサ装置として形成されている。この第１のターボ機械は、好ましくは電気的に作動し、休止状態における酸化剤の移動が、第１のターボ機械を制御することによって実施される。

この代替として又は本発明の発展形態では、燃料電池システムが、燃料を圧縮及び／又は加速するために形成及び／又は配置されている第２のターボ機械を有している。この実施形態の場合、休止状態における燃料の移動は、この第２のターボ機械を制御することによって行われる。

好ましくは、この第２のターボ機械が、アノードガス供給の再循環支流内に配置されており、アノード出口とアノード入口との間のフィードバックラインにおいて流体技術的に接続されている。

本発明の考えられる実施形態では、休止状態における燃料及び／又は酸化剤のベンチレーションが、ターボ機械の様々な圧送率又は回転数を使って任意に行われる。本発明の好ましい実施形態の場合、第１及び／又は第２のターボ機械が、休止状態においては断続的に、パルスの形で及び／又は一時的にのみ作動する。

この場合、好ましくは、第１及び／又は第２のターボ機械は、出力及び／又は回転数及び／又は圧送率を用いて作動するようになっており、それ（又はそれら）は、作動状態での出力又は回転数よりも小さい。休止状態の負の結果を補整し、同時にエネルギー効率に負担がかからないようにするため、酸化剤の循環は、エネルギーを節約、抑制する方法だけを用いて適切に行われる。

休止状態においては、化学的エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換が起こらないようにすることが好ましい。変更された実施形態では、循環によってある程度のエネルギー変換が避けられないようにすることも可能であるが、この場合は、変換されるエネルギーが、エネルギー貯蔵装置及び／又は電装品に伝送されないようにする、及び／又は休止状態で生成される電力が、作動状態で生成される電力（特に定格電力又は最高電力）の２０％以下、好ましくは１０％以下、とりわけ５％以下にすることが好ましい。

特に好ましい実施形態では、移動可能なエネルギー供給として、駆動系に駆動エネルギーを供給するために、好ましくは車両内に形成されている燃料電池システムの制御方法が用いられている。

本発明の制御技術的実施では、以下の条件の１つ、任意のいくつかの組み合わせ、又は全てが満たされると、燃料電池システムが休止状態に切り替えられることが提案される。
Ａ：バッテリシステムが作動可能状態であり、故障がない。
Ｂ：燃料電池に異常がない、すなわち、燃料電池システムに故障がない。
Ｃ：エネルギー供給装置の充電状態が、充電状態限界値よりも大きい。すなわち、エネルギー供給装置は、充電状態限界値の上まで充填されている。
Ｄ：燃料電池システムの電力を主要負荷に供給するため、交流に変換するインバータの出力が、第１の出力値よりも小さい。
Ｅ：現在の主要負荷電流が、第１の電流限界値よりも小さい。すなわち、車両の駆動系などの主要負荷によって取り出される出力は、出力限界値以下である。
Ｆ：バッテリ温度が、第１の温度限界値よりも小さい。
Ｇ：クーラント温度が、第２の温度限界値よりも大きい。すなわち、燃料電池システムの加熱段階では、例えば８０℃以上の十分な作動温度を達成するために、燃料電池システムは休止状態に切り替えられない。
Ｈ：バッテリのキャリブレーションが作動していない。
Ｉ：非休止状態時間が、時間限界値よりも大きい。すなわち、休止状態は、あらかじめ決められた待機時間後に初めて作動する。
Ｊ：第１のターボ機械の回転数が、回転数限界値よりも小さい。
Ｋ：車速が、規定の速度よりも小さい。

これらの条件又はその他の条件は、直列的に並べられるか、又は様々な優先順位に段階づけることも可能である。

本発明のもう１つの対象は、請求項１０の特徴を備える燃料電池システムに関する。この燃料電池システムは、少なくとも１つの燃料電池、好ましくは、特にスタックの中に配置された１００以上の燃料電池を備えた燃料電池装置を有している。さらにこの燃料電池システムは、例えば、充電可能なバッテリ、アキュムレータ又はキャパシタンスとして形成されているエネルギー貯蔵装置を有している。このエネルギー貯蔵装置は、作動電圧が８０Ｖより大きく、好ましくは１００Ｖより大きい高電圧ユニットとして形成されていることが好ましい。

燃料電池システムを制御するため、制御装置が設けられており、この制御装置は、独立した制御装置としてか、又は上位の制御装置に一体化された部品としてか、どちらかの方法で形成することができる。本発明の範囲内において、この制御装置は、説明されている制御方法又は請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御方法に従って燃料電池システムを制御するために、プログラム技術的及び／又は接続技術的に形成されていることが提案される。

この燃料電池システムは、好ましくは移動する燃料電池システムとして、特に駆動エネルギーを供給するために車両で使用するように形成されている。

以下に、発明の好ましい実施例から、その他の発明の特徴、利点および効果を説明する。

本発明の実施例である燃料電池システムのブロック図。 図１の燃料電池システムをさらに詳細に示した図。 図１及び２に基づく燃料電池システムを制御する制御方法を図示したフローチャート。 図３の段階Ａ１を詳しく説明したフローチャート。 図３の段階Ａ７を詳しく説明したフローチャート。

図１は、例えば、車両で使用するため、駆動系へのエネルギー供給に使用可能な燃料電池システムの図を示している。

この燃料電池システムには、複数の燃料電池を備える燃料電池スタック１が含まれ、この燃料電池スタック１の個々の燃料電池は、アノード領域１ａとカソード領域１ｂとを有している。

この燃料電池システムには、例えば、水素タンク又はリフォルマとして形成され、燃料電池スタック１のアノード領域１ａに水素を供給する水素供給部２がある。

酸化剤供給部３は、スタック１のカソード領域１ｂに酸化剤（特に周辺の空気）を供給するために形成されている。燃料電池スタック１を冷却するため、この燃料電池システムにはクーラント供給部４がある。センサーユニット５は、クーラント温度をモニタする。

燃料電池スタック１のパワーアウトプットは、１つにはＤＣ／ＤＣコンバータ６に接続され、これと平行してインバータ９に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、燃料電池スタック１で生じた電圧を変換し、高電圧バッテリ７として形成されているエネルギー貯蔵装置に電気を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６と高電圧バッテリ７は、第２の冷却システム８を有している。インバータ９では、燃料電池スタック１の電気出力が、交流電圧又は交流に変換され、この電気出力は駆動エンジン１０及び補助装置（記号１１でまとめて表示）に供給される。高電圧バッテリ７は、駆動エンジン１０及び／又は補助装置１１に電源を供給するための第２の及び／又は代替のエネルギー源である。燃料電池システムを制御するため、制御装置１２が設けられており、この制御装置は、燃料電池システムの構成部品の状態信号をインプット値として受け取り、制御信号を送信する。図１では、各要素の流れ、すなわち、特に気体及び液体の流れが直線Ｌ１によって示され、電気出力の流れは破線Ｌ２で示され、信号の流れは点線Ｌ３で示されている。

図２は、図１の燃料電池システム、特に補助装置１１の詳細図を示している。ベンチレータ１１ａとして形成されている第１の補助装置は、使用されなかった燃料をアノード出口からアノード入口に戻す再循環支流内に配置されている。このベンチレータ１１ａは、モータ１１ｂによって駆動される。

もう１つの補助装置はクーラントポンプ１１ｃであり、これはモータ１１ｄによって駆動される。空気供給部３はコンプレッサ１１ｅを有し、これは、電気モータ１１ｆによって駆動される。交流Ｌ４（短線と点による一点鎖線）による補助装置又はそれらのモータへの電源供給はインバータ９によって行われ、このインバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を用いて、燃料電池スタック１及び／又は高圧バッテリ７から直接電源を供給される。

図３は、本発明の実施例として、前述した図の中に示された燃料電池システムを制御するための方法をフローチャートで示している。工程が開始されると、工程Ａ１において、図４に関連して後述する条件が、特に完全に満たされているかどうかがチェックされる。これらの条件が満たされていない場合、工程Ａ２に従って、燃料電池システムを休止状態にすることが回避される。

休止状態に入った場合、工程Ａ３に従い、制御装置１２（図２）によって、少なくともコンプレッサモータ１１ｆがストップモードにされる。すなわち、回転速度が１分間にゼロ回転まで減少する。

工程Ａ４に従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、燃料電池スタック１を規定の電圧範囲に維持する。電圧範囲の下方限界値は、まだ作動中の車両の補助ユニット及び燃料電池によって使用される限界値が与えられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、燃料電池スタック１の電流がゼロアンペア又はゼロアンペアに極めて近くなるように、例えば１０アンペアよりも小さくなるように、ストップモードにおいて、燃料電池スタック１と高電圧バッテリ７間の電圧を設定するために用いられる。

工程Ａ５では、規定の時間インターバルが経過しているかどうか評価される。このインターバルが経過している場合、断続的作動が開始され、コンプレッサモータ１１ｆがオンになる。作動の枠内においては、コンプレッサモータ１１ｆの吐出量が、低レベル（特に通常モードのレベル以下）にまで上げられ、工程Ａ６に従って、規定時間の間維持される。コンプレッサモータ１１ｆ及びその他の補助装置１１のエネルギー供給は、休止状態の間は高電圧バッテリ７によって行われる。休止状態全体にわたって、ベンチレータモータ１１ｂは作動しているが、速度は同様に低下している。工程Ａ７に従って、休止状態を中断する中断条件があるかどうかチェックされる。

図４は、ＡＮＤロジックによって接続されている条件を詳しく示したフローチャートであり、燃料電池システムが休止状態になるには、これらの条件がすべて満たされなければならない（工程Ｂ１１）。これらの条件の１つでも満たされない場合は、工程Ｂ１２に従って、休止状態への移行は阻止される。

工程Ｂ１に従って、以下の点がチェックされる。
−燃料電池システムが、バッテリモードのみで作動していないかどうか。
−燃料電池システムが、燃料電池モードで作動していないかどうか。つまり、このモードでは、燃料電池スタック１が唯一のエネルギー供給部であり、トラクションバッテリ７はエネルギー供給に関与していない。
−燃料電池システムに故障が生じていないかどうか。

工程Ｂ２では、以下の点がチェックされる。
−バッテリの充電状態が、規定値よりも大きいかどうか。

工程Ｂ３では、以下の点がチェックされる。
−インバータ６の出力が、規定値よりも小さいかどうか。

工程Ｂ４では、以下の点がチェックされる。
−駆動エンジンの電流必要量が、規定値よりも小さいかどうか。

工程Ｂ５では、以下の点がチェックされる。
−高電圧バッテリ７の温度が、規定温度よりも低いかどうか。

工程Ｂ６では、以下の点がチェックされる。
−クーラント温度が、規定温度よりも高いかどうか。

工程Ｂ７では、以下の点がチェックされる。
−バッテリのキャリブレーションが、作動していないかどうか。

工程Ｂ８では、以下の点がチェックされる。
−休止状態へ移行してから次の休止状態へ移行するまでの時間が規定の範囲よりも大きいかどうか。

工程Ｂ９では、以下の点がチェックされる。
−コンプレッサ回転数が、規定値よりも小さいかどうか。

工程Ｂ１０では、以下の点がチェックされなければならない。
−車速が、規定値よりも低いかどうか。

図５は、工程Ａ７（図３）に従って、休止状態を終了するために必要な工程をフローチャートで示したものである。示されている工程は、ＯＲロジックによって相互に連結されているため、各工程は、休止状態から作動状態への移行をＣ７に従って開始することができる。その他の場合には、燃料電池システムは、工程Ｃ８に従って休止状態に留まる。

工程Ｃ１では、以下の点がチェックされる。
−高電圧バッテリの充電状態が、規定値よりも小さいかどうか。

工程Ｃ２では、以下の点がチェックされる。
−インバータの補助装置による負荷が、規定値よりも大きいかどうか。

工程Ｃ３では、以下の点がチェックされる。
−駆動エンジンに受け入れられる電力が、規定値よりも大きいかどうか。

工程Ｃ４では、以下の点がチェックされる。
−バッテリ温度が、規定温度よりも高いかどうか。

工程Ｃ５では、以下の点がチェックされる。
−燃料電池システムが、システムエラーを報告しているかどうか。

工程Ｃ６では、以下の点がチェックされる。
−イグニッションがオフになっているかどうか。

まとめると、本発明は、休止状態において、個々の燃料電池の作動電圧が損傷を引き起こす範囲にまで拡大するのを防ぎ、燃料電池システムの再始動性能を向上させる制御方法を、考えられる実施形態の中で開示している。このことは、休止モードにおいて又は休止モードの間、反応物質の供給及び／又は燃料電池の適度な湿潤が確実に実現されることによって達成される。特に、好ましくはコンプレッサを用いて酸化剤を強制的に循環させることにより、水素がたまるのを防止する。さらに、コンプレッサの断続的作動による酸化剤の乾燥効果により、結露を抑えることが可能である。

Claims (10)

1. 電装品にエネルギーを供給するための燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池システムは酸化剤と燃料を反応させるように構成されており、
   前記燃料電池システムが、休止状態と作動状態との間で切り替え可能であり、前記休止状態での前記電装品へのエネルギー供給の大部分又は全部が、エネルギー貯蔵装置（７）によって行われ、前記休止状態において、前記燃料及び／又は前記酸化剤が前記燃料電池システム内で活発に移動することを特徴とする制御方法。
2. 前記燃料電池システムが、前記酸化剤を圧縮及び／又は加速するために第１のターボ機械（１１ｅ、１１ｆ）を有し、前記休止状態における酸化剤の移動は、前記第１のターボ機械（１１ｅ、１１ｆ）を制御することによって実施されることを特徴とする、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記燃料電池システムが、前記燃料を圧縮及び／又は加速するために第２のターボ機械（１１ａ、１１ｂ）を有し、前記休止状態における燃料の移動は、前記第２のターボ機械（１１ａ、１１ｂ）を制御することによって実施されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の制御方法。
4. 前記第２のターボ機械（１１ａ、１１ｂ）が、アノードガス供給の再循環支流内に配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の制御方法。
5. 前記第１及び／又は前記第２のターボ機械（１１ａ、１１ｂ；１１ｅ、１１ｆ）が、前記休止状態において断続的に作動することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の制御方法。
6. 前記第１及び／又は前記第２のターボ機械（１１ａ、１１ｂ；１１ｅ、１１ｆ）が、前記作動状態での出力又は回転数よりも小さい出力及び／又は回転数によって作動することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御方法。
7. 前記休止状態においては、化学的エネルギーから電気エネルギーへのエネルギー変換が起こらないこと、及び／又は前記休止状態においては、変換されたエネルギーが、エネルギー貯蔵装置（７）及び／又は前記電装品（１０、１１）に伝達されないことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の制御方法。
8. 前記燃料電池システムが、移動するエネルギー供給として、好ましくは車両内に形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の制御方法。
9. −バッテリモード非作動及び燃料電池モード非作動及び燃料電池の故障がない、
   −充電状態が充電状態限界値よりも大きい、
   −インバータの出力が第１の出力値よりも小さい、
   −駆動系電流が第１の電流限界値よりも小さい、
   −バッテリ温度が第１の温度限界値よりも低い、
   −クーラント温度が第１の温度限界値よりも低い、
   −バッテリキャリブレーションが非作動、
   −非休止時間が時間限界値より長い、
   −第１のターボ機械の回転数が回転数限界値よりも小さい、
   −車速が速度限界値よりも小さい、
   という条件の１つ、任意のいくつかの組み合わせ、又は全てが満たされると、前記燃料電池システムが休止状態に切り替えられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の制御方法。
10. 燃料電池装置（１）と、エネルギー貯蔵装置（７）と、制御装置（１２）と、を備える燃料電池システムであって、
    前記制御装置（１２）が、前記燃料電池システムを制御するため、請求項１〜９のいずれか一項に記載の制御方法に従ってプログラム技術的及び／又は接続技術的に形成されていることを特徴とする燃料電池システム。