JP3736474B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、特に２次電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の燃料電池システムとして、例えば特開平０４‐０５１４６６号公報に開示の技術がある。これは、電力の出力要求が燃料電池の発電量を上回る場合に２次電池としてのバッテリからの放電により不足分の電力を賄い、要求電力を出力するとともに、電力の出力要求が燃料電池の発電量を下回る場合には、余剰分の電力をバッテリに回生させるように制御するシステムである。
【０００３】
また燃料改質型の燃料電池システムにおいては、例えば特開平０９−００７６１８号公報のように、負荷変化に応じて改質器の改質ガスの生成速度と温度維持応答速度を燃料電池の発電反応要求応答速度に近づけ、バッテリの容量を小さくするシステムがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
燃料改質型の燃料電池システムにおいては、燃料電池と改質器と２次電池との相互の関係を制御するためのシステムマネジメントが重要であり、燃料電池システムを移動体（例えば、車両）に搭載した場合には、特にその運転性に大きく係わる応答性に関するシステムマネジメントが重要となる。運転性に係わる応答性として、燃料電池システムとしての応答性と改質器の応答性とがある。燃料電池システムの応答性とは、運転者がアクセルペダルを踏み込み、その操作量やバッテリの充電状態等に応じた必要分の燃料を改質し、その改質ガスにより燃料電池スタックが発電を開始し、所望の発電量に達したことをセンサが検出するまでの時間を意味する。また改質器の応答性とは、運転者がアクセルペダルを踏み込み、その操作量やバッテリの充電量、改質器の温度等に応じた必要分の燃料や空気や水等を改質器に供給し、改質器から改質ガスが発生するのをセンサが検知するまでの時間を意味する。
【０００５】
しかしながら、改質器の応答性を高め、移動体の要求電力に追従させて、改質器の運転する場合には、２次電池の容量を小型化できるが、改質器の応答性を高めても要求電力の変化に対応できず、応答遅れが生じて余剰な改質ガスが生成され、燃料電池システムの効率が低下することになる。
【０００６】
一方、移動体の要求電力に対して改質器の応答性を抑制し、改質器の出力変化を抑えるように改質器の運転を制御すると、システムの効率は向上するが、２次電池への出力要求が高まり、２次電池の熱定格が厳しくなり、２次電池の劣化や損傷を生じる恐れがある。
【０００７】
本発明は、このような課題を鑑み、２次電池の熱定格を推定し、推定した熱定格に基づき燃料電池システムの応答性を制御することにより、効率的な燃料電池システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池
と２次電池を動力源とする移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、前記２次電池の熱定格を測定する手段と、前記燃料電池に改質ガスを供給する改質器と、測定された熱定格に基づいて前記２次電池の熱定格が許容熱定格以下となるように前記改質器の応答性を制御する手段とを備えた。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、前記２次電池の熱定格としての温度を検出する手段を備え、検出された２次電池の温度に基づいて前記２次電池の温度が許容温度以下となるように前記改質器の応答性を制御する。
【００１１】
第３の発明は、第２の発明において、前記２次電池の検出温度に基づいて２次電池の電力の受給を制御する。
【００１２】
第４の発明は、第１から３のいずれか一つの発明において、前記２次電池の充電状態を検出する手段を設け、検出された２次電池の充電状態に基づいて前記改質器の応答性を補正する。
【００１３】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、燃料電池システムへの要求負荷を検出する手段を設け、検出された負荷の所定時間での大きさと負荷変化量に基づいて前記改質器の応答性を補正する。
【００１４】
第６の発明は、第１から５のいずれか一つの発明において、燃料電池システム外部の温度を検出する手段を設け、検出された外気温度に基づいて前記改質器の応答性を補正する。
【００１５】
第７の発明は、第１から６のいずれか一つの発明において、前記燃料電池に改質ガスを供給する改質器と、この改質器の温度を検出する手段とを備え、検出された改質器の温度に基づいて前記改質器の応答性を補正する。
【００１６】
【発明の効果】
第１の発明は、燃料電池と２次電池を動力源とする移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、前記２次電池の熱定格を測定する手段と、前記燃料電池に改質ガスを供給する改質器と、測定された熱定格に基づいて前記２次電池の熱定格が許容熱定格以下となるように前記改質器の応答性を制御する手段とを備えたため、燃料電池システム中、最も律速する改質器の応答性を制御することで、２次電池の劣化、損傷を確実に防止できる。
【００１８】
第２の発明は、２次電池の熱定格としての温度を検出する手段を備え、検出された２次電池の温度に基づいて前記２次電池の温度が許容温度以下となるように改質器の応答性を制御するため、２次電池の温度に依存する、２次電池の劣化、損傷を推定し、温度が高い場合には改質器の応答性を高めて、２次電池の負荷を低減し、２次電池の温度を下げ、劣化や損傷を防止する。
【００１９】
第３の発明は、２次電池の検出温度に基づいて２次電池の電力の受給を制御するため、例えば、改質器が作動していない場合に回生入力等により２次電池の温度が上昇した場合には、２次電池への電力の供給を停止でき、事前に２次電池の劣化や損傷を防止できる。
【００２０】
第４の発明は、２次電池の充電状態を検出する手段を設け、検出された２次電池の充電状態に基づいて改質器の応答性を補正するため、例えば２次電池の充電状態がフル充電の場合には、改質器の応答性を遅くし、２次電池からの電力供給量を増加させることで、２次電池の過充電を防止し、劣化や損傷を防止する。
【００２１】
第５の発明は、燃料電池システムへの要求負荷を検出する手段を設け、検出された負荷の所定時間での大きさと負荷変化量に基づいて改質器の応答性を補正する。このため、例えば、負荷の大きさが要求負荷で、その頻度が多く、かつ負荷変化が大きい場合には、２次電池への負荷が高まり、２次電池の温度が上昇して２次電池が劣化する恐れがあるが、改質器の応答性を速めるように補正するため、２次電池の劣化を抑制することができる。
【００２２】
第６の発明は、燃料電池システム外部の温度を検出する手段を設け、検出された外気温度に基づいて改質器の応答性を補正する。２次電池は外気温度が低いほど冷却効率が高いため、低温時ほど２次電池からの電力供給を多くするように改質器の応答性を補正することで、極め細かな制御を可能とするシステムとすることができる。
【００２３】
第７の発明は、燃料電池に改質ガスを供給する改質器と、この改質器の温度を検出する手段とを備え、検出された改質器の温度に基づいて改質器の応答性を補正する。例えば、改質器の温度が活性温度に達していない場合に、２次電池温度が適正温度に達している時には２次電池から供給される電力量を多くするようにシステムの応答性を補正するため、極め細かな制御を可能とするシステムとすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面にしたがって本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１は、本発明を適用する燃料改質型燃料電池システムの構成を表すものである。燃料タンク１０から供給される燃料に基づき改質器１１が、改質反応を生じ水素リッチの改質ガスを生成する。改質ガスは燃料電池に供給され、さらに燃料電池１２に空気が供給されて燃料電池１２が発電反応を生じ、その発生した電力によりモータ１３が駆動される。モータ１３はタイヤ１４に連結されており、モータ１３がタイヤ１４を回転駆動することで移動体が走行する。
【００２６】
また、燃料電池１２と平行に、２次電池としてのバッテリ１８が設置されており、燃料電池１２の発電状態と移動体の走行に必要な電力量とに基づき、バッテリ１８の電力が制御される。つまり、燃料電池１２の発電量が移動体の要求電力量より多い場合にはその余剰分をバッテリ１８が充電し、一方、要求電力に対して発電量が不足する場合には、その不足分をバッテリ１８が補充する。
【００２７】
このバッテリ１８の制御は、コントロールユニット１６によって行われ、コントロールユニット１６は、アクセルペダル開度センサ（負荷検出手段）１７からの信号に基づき移動体の要求電力量を演算し、燃料タンク１０に備えた燃料の流量を制御する制御弁２３の開度を制御するとともに、燃料電池１２の発電量と移動体の要求電力に応じてバッテリ１８からの電力の供給、もしくはバッテリ１８への充電を制御する。
【００２８】
さらにコントロールユニット１６には、バッテリ１８の熱定格としてのバッテリ１８の温度を検出する第１温度センサ（熱定格測定手段）１９、改質器１１の温度を検出する第２温度センサ２０、外気温を検出する第３温度センサ２１とバッテリ電力の残容量を測定する手段２２の出力が入力される。
【００２９】
次に図２に示すフローチャートに基づき、コントロールユニット１６が実施する燃料電池システムの過渡時応答性の制御内容について詳細について説明する。なおここで、応答性とは、燃料電池システムの応答性のうち、最も律速する改質器１１の応答性を意味するものとする。
【００３０】
まず、ステップ１で、アクセルペダル開度センサ１７の信号より移動体が要求する負荷の大きさＬａと、燃料電池１２の出力値と要求負荷の大きさＬａから算出される負荷の傾きＬｖ（所定時間あたりの負荷変化量）を読み取る。
【００３１】
次にステップ２で、負荷の傾きＬｖが閾値Ｒａ以上であるか判断し、閾値Ｒａ未満であれば燃料電池のみの応答性で賄える緩やかな負荷変化と判断し、ステップ１０に進み、規定の応答速度ａで燃料電池システムの運転を継続させ、スタートに戻る。傾きが閾値Ｒａ以上であれば、バッテリ１８からの電力供給が必要となる急な負荷変化と判断し、ステップ３に進み、周囲の状況データ（バッテリ温度ｂｔ、バッテリ残容量（以下、ＳＯＣと示す。）、外気温度ａｔ、改質器温度ｒｔ）を各センサから読み込む。
【００３２】
なお、ステップ２で用いる負荷の傾きＬｖの閾値Ｒａは、例えば最大負荷を１００％としたときに毎秒１０％と設定する。つまり、毎秒１０％以上の負荷変化の場合にステップ３に進む。
【００３３】
次にステップ４以降で具体的な燃料電池システムの応答時間Ｒｔの算出を行う。
【００３４】
まずステップ４で、予め記憶したバッテリ温度ｂｔと燃料電池システムの応答時間を表したメインマップ（図３）を基に燃料電池システムの応答時間の基準時間となる値Ｒｔｍを決める。バッテリ１８は許容温度（例えば、６０℃）以上での大出力が劣化や損傷の一因となる可能性があることから、メインマップの特性は、その許容温度域に近づいたときは燃料電池システムの応答性を上げ、バッテリからの電力供給を制限することでバッテリ１８の負荷を下げるような特性としている。したがって、バッテリ温度ｂｔを許容温度以下に制御することができ、バッテリの劣化や損傷を事前に防ぐことができる。
【００３５】
次にステップ５で、バッテリ１８のＳＯＣに応じてシステム応答時間の基準時間Ｒｔｍの補正を行う補正制御指数Ｃ１の算出を行う。なお、ＳＯＣ測定手段２２としては、バッテリ１８における充放電の電流値と時間を積算するものが挙げられるが、特に限定するものではない。
【００３６】
補正制御指数Ｃ１の算出は、図４に示すようなマップを用い、ＳＯＣ値ｓから応答時間の補正制御指数Ｃ１を読み取る。このマップ特性は、ＳＯＣ値ｓが大きいほど、補正制御指数Ｃ１が小さくなるように、言い換えるとシステム応答性が遅くなるように設定されており、このため、バッテリ１８のＳＯＣ値ｓの増加が抑えられ、バッテリ１８の充電状態に適したシステム応答性を備えた燃料電池システムとすることができる。
【００３７】
次にステップ６で、サブルーチン（図５）にて移動体のドライバーの運転性の分類を行う。ここでは単位時間当たり所定値以上の出力で、かつ所定値以上の負荷の傾き（急な負荷変化）の頻度がどのくらいあるかを判断し、運転性の判断を行う。まずステップ２１で時間のカウンターを開始し、ステップ２２で負荷の傾き（負荷変化率）Ｌｖ（％／秒）を算出し、次のステップ２３でアクセルペダル開度センサ１７の検出値から求まる要求負荷の大きさＬａ（％、例えば、２０％以上の出力）と負荷の傾きＬｖ（％／秒、例えば、毎秒３０％以上の負荷変化）がそれぞれ閾値ｃおよび閾値ｄより大きい場合は急激な負荷変化と判断し、双方ともに大きい場合にステップ２４で運転指数Ｄｉに１を加算し、新たな運転指数Ｄｉとする。
【００３８】
本サブルーチンは、図２に示すメインルーチンに対して算出頻度を落とすため、サブルーチンを繰り返し、Ｔｄ値を加算し、その値が一定値ｅになったら（ステップ２５）、ステップ２６に進み、運転性を判断する。
【００３９】
ステップ２６で、運転指数Ｄｉが閾値ｆ以上であるならば、運転者は要求負荷が大きく、かつ負荷変動も大きい運転性を有しているとして、ステップ２７で制御補正指数Ｃ２＝ＢＢ（ＢＢは１より大きい値とする。）を図６に示すマップから設定し、一度制御補正指数Ｃ２を算出した後はステップ２８でＴｄ、Ｄｉ値をクリアする。制御補正指数Ｃ２を１より大きい値に設定することにより、燃料電池システムの応答性を高めて、バッテリへの負担を軽減できる。
【００４０】
ステップ２６でＤｉ値が閾値ｆ未満であるならば、ステップ２９に進み、制御補正指数Ｃ２に１を設定し、ステップ２８に進む。
【００４１】
このようにアクセルペダル開度センサ１７の検出値から、所定時間内での負荷の大きさと負荷変化を演算し、これらに基づき運転者の運転性の分類を実施し、改質器１１の応答性を補正することで、要求負荷が大きく、かつ負荷変化が大きい場合には改質器１１の応答性を速める補正を行い、バッテリ１８の劣化を防止できる。
【００４２】
次に、図２に示すメインルーチンに戻り、ステップ７で外気温度ａｔに基づく補正制御指数Ｃ３の算出を行う。第３温度センサ２１による読み取り値と図７に示すマップにより外気温度ａｔに基づくシステム応答時間の補正制御指数Ｃ３を読み取る。図７のマップ特性は、外気温度ａｔが高いほど、補正制御指数Ｃ３が大きく、つまりシステムの応答性が速まり、バッテリ１８の劣化を防止できる。また例えば、外気温度が２０℃の場合には外気温度が４０℃のときに比してバッテリの冷却効率が高い。したがって、外気温度ａｔが低いほうが相対的に大きな電力をバッテリ１８から供給できるように補正するため、より極め細い応答性を有するシステムとすることができる。
【００４３】
次にステップ８で、改質器温度に基づくシステム応答時間の補正制御指数Ｃ４の算出を、改質器温度ｒｔと図８に示すマップにより行う。ここでは改質器温度ｒｔが閾値ｉ（例えば、改質器１１の触媒活性温度、７００℃）以下であって、バッテリ温度ｂｔが閾値ｊ（例えば、２０℃）以上閾値ｋ（例えば、４０℃）未満の場合、補正制御指数Ｃ４＝ＤＤ（ＤＤは１より小さい値とする。）とし、他は無補正（Ｃ４＝１）とする。
【００４４】
図８のマップ特性は、改質器１１の温度が所定温度以下（例えば、触媒活性温度以下）で、バッテリ１８の温度が適温域（閾値ｊとｋの温度域）にある場合には、通常運転状態に比してバッテリ１８からの電力供給を大きくするようにシステムの応答性を補正する。したがって、改質器１１の温度が、例えばその触媒の活性温度以下であるときに、バッテリ１８からの電力供給量を増加するようにシステムの応答性を補正することで、細かい応答性制御が可能なシステムとすることができる。
【００４５】
ステップ９で、以上により算出した基準時間Ｒｔｍおよび補正制御指数Ｃ１〜Ｃ４から、計算式：Ｒｔ＝Ｒｔｍ／（Ｃ１×Ｃ２×Ｃ３×Ｃ４）を用いて最終的な燃料電池応答システム時間Ｒｔを算出し、メインルーチンを繰り返す。このように、バッテリ１８のＳＯＣ、要求負荷の大きさとその変化量、外気温度、改質器温度に基づいてシステムの応答基準時間を補正することにより、より精度よく応答システム時間Ｒｔを算出し、燃料電池１２の劣化を防止することができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な形態で実施し得ることは述べるまでもない。
【００４７】
例えば、ここでは改質器を用いた燃料電池システムについての説明を行ったが、燃料源として高圧水素ボンベを用い、改質器を使用しない場合でも、応答遅れはあり、このときにバッテリを使用する場合に本発明は適用できる。また、ＳＯＣに関する制御については、ＳＯＣが極低値となる状況の場合については、もちろん燃料電池システムの応答性を向上させるとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係るシステム応答時間Ｒｔを算出するメインルーチンのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態に係るシステム基準応答時間Ｒｔｍを算出するマップである。
【図４】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数Ｃ１を算出するマップである。
【図５】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数Ｃ２を算出するサブルーチンのフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数Ｃ２を算出するマップである。
【図７】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数Ｃ３を算出するマップである。
【図８】本発明の実施形態に係るシステム補正制御指数Ｃ４を算出するマップである。
【符号の説明】
１０ 燃料タンク
１１ 改質器
１２ 燃料電池
１３ モータ
１４ 車輪
１６ コントロールユニット
１７ アクセルペダル
１８ バッテリ
１９ 第１温度センサ
２０ 第２温度センサ
２１ 第３温度センサ
２２ バッテリ残容量測定手段
２３ 流量制御弁開度センサ

Claims (7)

  1. 燃料電池と２次電池を動力源とする移動体に搭載される燃料電池システムにおいて、
    前記２次電池の熱定格を測定する手段と、
    前記燃料電池に改質ガスを供給する改質器と、
    測定された熱定格に基づいて前記２次電池の熱定格が許容熱定格以下となるように前記改質器の応答性を制御する手段とを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記２次電池の熱定格としての温度を検出する手段を備え、検出された２次電池の温度に基づいて前記２次電池の温度が許容温度以下となるように前記改質器の応答性を制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記２次電池の検出温度に基づいて２次電池の電力の受給を制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記２次電池の充電状態を検出する手段を設け、検出された２次電池の充電状態に基づいて前記改質器の応答性を補正することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  5. 燃料電池システムへの要求負荷を検出する手段を設け、検出された負荷の所定時間での大きさと負荷変化量に基づいて前記改質器の応答性を補正することを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  6. 燃料電池システム外部の温度を検出する手段を設け、検出された外気温度に基づいて前記改質器の応答性を補正することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池に改質ガスを供給する改質器と、この改質器の温度を検出する手段とを備え、
    検出された改質器の温度に基づいて前記改質器の応答性を補正することを特徴とする請求項１から６に記載の燃料電池システム。
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