JP4207424B2

JP4207424B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP4207424B2
Application number: JP2001391542A
Authority: JP
Inventors: 浩杉浦; 哲浩石川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-25
Filing date: 2001-12-25
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2021-12-25
Also published as: JP2003197228A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電気化学的な反応により起電力を発生する燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は空気極および燃料極および電解質を有しており、電気化学的反応により起電力を発生する装置である。このため、燃料電池は、窒素酸化物の排出や騒音の発生が少ないなどの利点から、各種の用途に適用されている。ところで、燃料電池は前記のような発電原理から、燃料電池の発電環境、例えば内部抵抗、触媒活性などの変化により、その発電特性が変化する。具体的には、所定温度以下では、燃料電池の出力は低いとされている。
【０００３】
そこで、燃料電池が低温度状態にある場合は、燃料電池から負荷に対して高電力を供給することを停止する技術が知られており、その一例が、特開平９−２３１９９１号公報に記載されている。この公報に記載されている燃料電池システムは、モータおよび補機類を含む電気回路に、燃料電池と二次電池とが相互に並列に配置されている。燃料電池とモータとの間には、切り換えスイッチが設けられているとともに、燃料電池の内部温度を測定する温度センサと、システム全体を制御する制御部とが設けられている。
【０００４】
上記公報に記載されている燃料電池システムの始動時には、二次電池からモータに電力を供給する一方、切り換えスイッチがオフされる。このとき、燃料電池から補機類に対して低電流の電力を供給して、燃料電池を暖機運転する。さらに、温度センサによる燃料電池の温度測定に基づいて、燃料電池の暖機状態が判断される。そして、燃料電池の暖機が終了したときには、切り換えスイッチがオンされて、燃料電池の電力がモータに供給される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような燃料電池システムにおいては、モータでの必要電力に基づいて、燃料電池に供給する空気量および燃料ガス量が制御される。しかしながら、燃料電池は温度によって発電特性が変化するため、たとえ必要電力に基づいて空気量および燃料ガス量を制御したとしても、燃料電池から実際に出力される電力が、必要電力未満となる可能性あった。すなわち、燃料電池に供給される空気量および燃料ガス量に対する発電効率が低下する問題があった。
【０００６】
この発明は、上記の事情を背景としてなされたもので、燃料電池の発電効率の低下を抑制することのできるシステムを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記目的を達成するため請求項１の発明は、移動体の駆動輪に伝達するトルクを出力する電動機と、この電動機に供給する電力を発生する燃料電池と、この燃料電池の発電環境を制御する発電環境制御装置とを有する燃料電池システムにおいて、前記燃料電池の温度に基づいて、この燃料電池の発電特性を判断する発電特性判断手段と、この発電特性判断手段の判断結果に基づいて、前記燃料電池の温度が高いほど、前記電動機の最大トルクが低下し始める回転数が高くなるように、前記燃料電池の発電能力の範囲内で前記電動機の目標出力を設定するとともに、この目標出力に基づいて前記電動機の必要電力を設定する必要電力設定手段と、前記燃料電池の発電能力の範囲内でその燃料電池の目標出力を算出し、かつ、この目標出力に対応する目標電流値を演算する目標電流値演算手段と、前記目標電流値に基づいて、前記発電環境制御装置により前記燃料電池の発電環境を制御する環境制御手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項１の発明によれば、燃料電池の温度に基づいて、この燃料電池の発電特性が判断され、その発電特性の判断結果に基づいて、燃料電池の温度が高いほど電動機の最大トルクが低下し始める回転数が高くなるように、燃料電池の発電能力の範囲内で電動機の目標出力が設定され、電動機の目標出力に基づいて電動機における必要電力が調整される。また、燃料電池の発電能力の範囲内でその燃料電池の目標出力が算出され、かつ、この目標出力に対応する目標電流値が演算される。そして、前記目標電流値に基づいて、発電環境制御装置により前記燃料電池の発電環境が制御される。したがって、燃料電池の発電に必要な空気や燃料ガスの無駄な消費が抑制される。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１の構成に加えて、前記発電特性判断手段は、前記燃料電池の温度に基づいて発電特性を判断する手段を含み、前記必要電力設定手段は、前記燃料電池の温度が高いほど前記電動機の最大トルクが低下し始める回転数が高くなるように、前記電動機の目標出力を設定する手段を含むことを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明を図に示す具体例に基づいて説明する。図２は、この発明の燃料電池システムを有する車両Ａ１の概念図である。図２において、燃料電池１は、電解質（図示せず）と空気極（図示せず）と燃料極（図示せず）とを有する公知のものである。この燃料電池１には、空気供給経路２および燃料ガス供給経路３が接続されている。
【００１４】
また、燃料電池１を冷却する冷却流体の流路４が設けられている。さらに、空気供給経路２を経由して燃料電池１に供給される空気の状態を制御する空気制御装置５が設けられている。空気制御装置５は、エアコンプレッサ（図示せず）、エアコンプレッサを駆動する電動機、バルブ（図示せず）などを有している。この空気制御装置５により、燃料電池１に供給される空気の流量、空気の圧力、空気の供給時期などが制御される。
【００１５】
さらにまた、燃料ガス供給経路３を経由して燃料電池１に供給する燃料ガスの状態を制御する燃料ガス制御装置６が設けられている。燃料ガス制御装置６は、燃料供給ポンプ（図示せず）、この燃料供給ポンプを駆動する電動機、バルブ（図示せず）などを有している。この燃料ガス制御装置６により、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量、燃料ガスの圧力、燃料ガスの供給時期などが制御される。
【００１６】
さらに、流路４を経由して流れ、かつ、燃料電池１を冷却する冷却流体の流通状態を制御する冷却制御装置７が設けられている。この冷却制御装置７のポンプ（図示せず）、調圧弁（図示せず）などにより、燃料電池１を冷却する流体の流量、流体の圧力、流体の供給時期などが制御される。
【００１７】
また、車両Ａ１の駆動力源としての機能を有する電動機９が設けられている。この電動機９としては、例えば３相交流型の電動機を用いることができる。そして、電動機９の動力が車輪１１に伝達されるように構成されている。この電動機９には、インバータ１０が接続されているとともに、インバータ１０に対して、前記燃料電池１と蓄電装置８とが相互に並列に接続されている。蓄電装置８は、例えばバッテリまたはキャパシタなどにより構成することができる。燃料電池１および蓄電装置８の直流電流が、インバータ１０により交流電流に変換されて、電動機９に供給される。
【００１８】
さらに、燃料電池１および蓄電装置８の電力を、前記空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却装置７、補機１８に供給することができるように電気回路が形成されている。補機１８としては、例えば、照明装置、ワイパー、デフォッガなどが挙げられる。
【００１９】
さらに、車両Ａ１の全体を制御するコントローラとしての電子制御装置１２が設けられている。電子制御装置１２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）および記憶装置（ＲＡＭ，ＲＯＭ）および入出力インタフェースを主体とするマイクロコンピュータにより構成されている。この電子制御装置１２からは、電動機９に供給される電力を制御する信号、空気制御装置５を制御する信号、燃料ガス制御措置６を制御する信号、冷却制御装置７を制御する信号などが出力される。
【００２０】
これに対して、電子制御装置１２には、加速要求検知センサ１３の信号、制動要求検知センサ１４の信号、車速検知センサ１５の信号、燃料電池１の発電特性を検知する発電特性検知センサ１６の信号、補機負荷検知センサ１７の信号、発電要求検知センサ１９の信号などが入力される。発電特性検知センサ１６としては、例えば温度センサ、湿度センサなどを用いることができる。温度センサおよび湿度検知センサにより、各電極の内部を移動するイオンの移動抵抗（内部抵抗）を判断することができる。また、温度センサにより、電極反応を促進する触媒の活性状態を検知することができる。なお、補機負荷検知センサ１７により、補機１８における電力要求が検知される。発電要求検知センサ１９としては、充電量検知センサを用いることができる。
【００２１】
上記のように構成された車両Ａ１の機能を説明する。ここでは、燃料電池１として固体高分子型の燃料電池が用いられている場合を例として説明する。まず、燃料電池１側においては、空気供給経路２から燃料電池１に空気が供給され、かつ、燃料ガス供給経路３から燃料ガス（例えば水素ガス）が供給される。すると、燃料極で生成された水素イオンが、電解質の内部を移動して空気極に到達する。空気極では、水素イオンと燃料ガスとが反応して起電力が得られる。このようにして、燃料電池１による発電がおこなわれ、発生した直流電力がインバータ１０を経由して電動機９に供給される。また、燃料電池１は、温度や湿度などの環境により発電特性が変化する。したがって、燃料電池１の運転により生じた熱を冷却制御装置７により放熱し、燃料電池１の運転温度を所定温度範囲（もしくは所定湿度範囲）に保つことにより、その発電効率を高める制御がおこなわれる。
【００２２】
一方、電子制御装置１２に入力される信号、例えば、加速要求検知センサ１３の信号、車速検知センサ１４の信号、および電子制御装置１２に記憶されているデータに基づいて、車両Ａ１における要求駆動力が判断される。この要求駆動力に基づいて、電動機９のトルクおよび回転数の目標値が設定される。そして、電動機９の実際のトルクおよび回転数を、目標値に近づけるように、燃料電池１および蓄電装置８から電動機９に供給される電力（電流、電圧）が制御れる。
【００２３】
さらに、電子制御装置１２に入力される信号に基づいて、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装置７の駆動状態の目標値が判断される。そして、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装置７の実際の駆動状態を、目標値に近づけるように、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装置７に供給される電力が制御される。例えば、空気制御装置５のコンプレッサ、燃料ガス制御装置６のコンプレッサ、冷却制御装置７のコンプレッサの回転数が制御される。
【００２４】
上記のような各種の制御の結果、および発電要求検知センサ１９の信号、および補機負荷センサ１７、および電子制御装置１２に記憶されているデータに基づいて、燃料電池１における発電状態の目標値が判断される。そして、燃料電池１の発電状態が目標値に近づくように、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装置７に供給する実際の電力が制御される。
【００２５】
ところで、燃料電池１の発電状態が目標値に近づくように、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装置７に供給する実際の電力を制御した場合でも、燃料電池１の発電特性によっては、目標電力を得ることができないことがある。言い換えれば、燃料電池１の発電効率が低下する可能性がある。そこで、この実施例においては、図１に示す制御例により、この不具合を回避している。
【００２６】
まず、燃料電池１の発電特性、具体的には燃料電池１の内部抵抗、触媒の活性化状態などが判断される（ステップＳ１）。つぎに、ステップＳ１の判断結果に基づいて、電動機９の制御マップを選択する（ステップＳ２）。前述したように、温度変化または湿度変化により燃料電池１の発電特性が変化するため、温度または湿度によって電動機９に供給可能な電力が変化する。言い換えれば、燃料電池１の発電特性に基づいて、電動機９の最大出力が変化する。
【００２７】
図３は、燃料電池１の各温度に対応して選択される電動機９の各種のマップである。図３において、実線Ｂ１を有するマップが低温度Ｋ１で選択されるマップであり、実線Ｂ２を有するマップが中温度Ｋ２で選択されるマップであり、実線Ｂ３を有するマップが高温度Ｋ３で選択されるマップである。ここで、低温度Ｋ１よりも中温度Ｋ２の方が高温であり、中温度Ｋ２よりも高温度Ｋ３の方が高温である。
【００２８】
いずれのマップにおいても、所定回転数以下では、電動機９の最大トルクがほぼ一定であり、所定回転数以上になると、その回転数の上昇にともない電動機９の最大トルクが低下する特性を備えている。具体的には、低温度Ｋ１用のマップでは回転数Ｎ１以上で最大トルクが低下し始め、中温度Ｋ２用のマップでは回転数Ｎ２以上で最大トルクが低下し始め、高温度Ｋ３用のマップでは回転数Ｎ３以上で最大トルクが低下し始める。なお、最大トルクとは、例えば、加速要求が最大である場合に対応するトルクである。すなわち、電動機９の最大トルクを示すマップを、電動機９の回転数のみをパラメータとして選択するのではなく、電動機９の回転数および温度をパラメータとする二次元マップとして設定する。
【００２９】
そして、前記ステップＳ２においては、ステップＳ１の判断結果に基づいて、電動機９を制御するためのマップが変更される。言い換えれば、電動機９の目標出力は、燃料電池１の発電能力以内で達成可能な値が選択される。なお、ステップＳ２で電動機９の制御マップを変更する方法としては、第１の方法と第２の方法とが挙げられる。第１の方法とは、予め複数のマップを電子制御装置１２に記憶しておき、ステップＳ１の判断結果に基づいて複数のマップのいずれかを選択する方法を意味している。第２の方法とは、基準となるマップを電子制御装置１２に記憶しておき、ステップＳ１の判断結果に基づいて、基準となるマップを補正して、任意の特性のマップを得る方法を意味している。
【００３０】
上記のステップＳ２についで、空気制御装置５で消費される電力、燃料ガス制御装置６で消費される電力、冷却装置制御装置７で消費される電力、補機１８で消費される電力が算出される（ステップＳ３）。このステップＳ３についで、ステップＳ１の判断結果に基づいて、燃料電池１で発生可能な目標出力を算出し、かつ、この目標出力に対応する目標電流値を演算する（ステップＳ４）。
【００３１】
このステップＳ４についで、燃料電池１の実際の出力電流値が、前記目標電流値に近づくように、燃料電池１に供給する空気の流量、燃料電池１に供給する燃料ガスの流量、燃料電池１を冷却する冷却流体の流量が演算される（ステップＳ５）。このステップＳ５についで、このステップＳ５の演算結果に基づいて、空気制御装置５のエアコンプレッサの回転数、燃料ガス制御装置６の燃料供給ポンプの回転数、冷却制御装置７のポンプの回転数が制御され（ステップＳ６）、この制御ルーチンを終了する。なおステップＳ５において、空気の圧力および空気の供給時期、燃料ガスの圧力および供給時期、冷却流体の圧力および供給時期などを演算してもよい。
【００３２】
以上のように、この実施例においては、燃料電池１の発電能力で達成可能な範囲の発電要求を選択し、選択された発電要求に基づいて、発電環境（例えば、燃料電池１に供給される空気の流量、燃料電池１に供給される燃料ガスの流量、燃料電池１を冷却する冷却流体の流量）が調整される。したがって、“達成困難な発電能力を目標として、その発電環境を調整すること。”を回避でき、燃料電池システムの発電効率の低下を抑制できる。なお、この実施例は、固体高分子型の燃料電池以外の燃料電池、例えば、アルカリ水溶液型の燃料電池、リン酸水溶液型の燃料電池、溶融炭酸液型の燃料電池、固体電解質型の燃料電池などにも適用できる。
【００３３】
ここで、図１に示す機能的手段と、この発明の構成との対応関係を説明すれば、ステップＳ１が、この発明の発電特性判断手段に相当し、ステップＳ２が、この発明の必要電力設定手段に相当し、ステップＳ４が、この発明の目標電流値演算手段に相当し、ステップＳ５およびステップＳ６が、この発明の環境制御手段に相当する。また、図２に示す構成と、この発明の構成との対応関係を説明すれば、車両Ａ１が、この発明の移動体に相当し、空気制御装置５、燃料ガス制御装置６、冷却制御装置７が、この発明の発電環境制御装置に相当し、車輪１１が、この発明の駆動輪に相当する。さらに上記実施例で説明した事項と、この発明の構成との対応関係を説明すれば、温度および湿度により変化する内部抵抗、温度により変化する触媒の活性状態などが、この発明の発電特性に相当し、空気の供給状態、燃料ガスの供給状態、冷却流体の供給状態などが、この発明の発電環境に相当する。
【００３４】
なお、特許請求の範囲に記載された“発電特性判断手段”を、“第１のコントローラ”と読み替え、“必要電力設定手段”を“第２のコントローラ”と読み替えることもできる。また、特許請求の範囲に記載されている“発電特性判断手段”を“発電特性判断ステップ”と読み替え、“必要電力設定手段”を必要電力設定ステップ”と読み替え、“燃料電池システム”を“燃料電池システムの制御方法”と読み替えることもできる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、燃料電池の温度に基づいて、この燃料電池の発電特性が判断され、この判断結果に基づいて、燃料電池の温度が高いほど電動機の最大トルクが低下し始める回転数が高くなるように、燃料電池の発電能力の範囲内で電動機の目標出力が設定され、電動機の目標出力に基づいて電動機における必要電力が調整される。また、前記燃料電池の目標電流値が演算されるため、この燃料電池に対する発電要求が、燃料電池の発電特性に適合させられる。したがって、燃料電池の発電能力以上に、燃料電池の発電に必要な空気および燃料ガスなどが供給されることを抑制でき、燃料電池の発電効率の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の制御例を示すフローチャートである。
【図２】図１の制御例を適用できる車両の概念図である。
【図３】図１の制御例で用いるマップの一例である。
【符号の説明】
１…燃料電池、５…空気制御装置、６…燃料ガス制御装置、７…冷却制御装置、９…電動機、１８…補機。

Claims

移動体の駆動輪に伝達するトルクを出力する電動機と、この電動機に供給する電力を発生する燃料電池と、この燃料電池の発電環境を制御する発電環境制御装置とを有する燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の温度に基づいて、この燃料電池の発電特性を判断する発電特性判断手段と、
この発電特性判断手段の判断結果に基づいて、前記燃料電池の温度が高いほど、前記電動機の最大トルクが低下し始める回転数が高くなるように、前記燃料電池の発電能力の範囲内で前記電動機の目標出力を設定するとともに、この目標出力に基づいて前記電動機の必要電力を設定する必要電力設定手段と、
前記燃料電池の発電能力の範囲内でその燃料電池の目標出力を算出し、かつ、この目標出力に対応する目標電流値を演算する目標電流値演算手段と、
前記目標電流値に基づいて、前記発電環境制御装置により前記燃料電池の発電環境を制御する環境制御手段と
を備えていることを特徴とする燃料電池システム。