JP4304543B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
一般に、燃料電池システムを搭載した車両では、燃料電池および二次電池からの電力供給によってトラクションモータを駆動させている。このような車両では、運転者からの運転要求があったときに燃料電池の起動を開始し、その起動が完了した後にトラクションモータの駆動を開始させているため、燃料電池システムを始動させるまでに時間を要してしまう。下記特許文献１には、燃料電池システムを始動する際に、燃料電池の起動時間を推定し、燃料電池の起動が完了する前に蓄電部である二次電池の電力を用いてトラクションモータの駆動を開始させることで、燃料電池システムの始動時間を短縮する技術が開示されている。
特開２００７−１４９４５０号公報
ところで、上述した始動時間を短縮させる技術を採用した燃料電池システムにおいて、例えば、燃料電池に燃料ガスや酸化ガスを供給することができない等の不具合が生じ、燃料電池を起動することができない場合には、二次電池の電力が使い切られた時点で車両が停止してしまい、走行不能となる。
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、燃料電池システムの始動時間を短縮しつつ、燃料電池が起動不能である場合には蓄電部の電力を使い切ることなく燃料電池システムを停止させ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電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池において発電された電力を充電可能な畜電部と、燃料電池に対する起動要求を受信したときに、畜電部によって充電された電力に基づいて燃料電池が起動するのを待つことができる待機可能時間を算出する算出手段と、起動要求を受信してから待機可能時間が経過するまでの間に、燃料電池が起動しない場合に、燃料電池が起動不能である旨を報知する報知手段と、を備えることを特徴とする。
この発明によれば、燃料電池を起動する際に、畜電部に充電された電力に基づいて待機可能時間を算出し、起動開始から待機可能時間が経過するまでの間に燃料電池が起動しない場合には、燃料電池が起動不能である旨を報知することができる。これにより、使用者は、燃料電池が起動不能である旨を認識することができるため、燃料電池システムを停止させる措置をとることができる。すなわち、燃料電池システムの始動時間を短縮しつつ、燃料電池が起動不能である場合には蓄電部の電力を使い切ることなく燃料電池システムを停止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、上記算出手段は、畜電部によって充電された電力を用いて電力消費装置を作動させることができる時間に収まる範囲内で上記待機可能時間を算出することができる。
このようにすることで、畜電部によって充電された電力で電力消費装置を作動させている間に、燃料電池が起動不能である旨を報知することができるため、蓄電部の電力が使い切られる前に燃料電池システムを停止させることができる。
上記燃料電池システムにおいて、上記燃料電池によって発電された電力および畜電部によって充電された電力を用いて電力消費装置を作動させる制御手段をさらに備え、制御手段は、起動要求を受信してから待機可能時間が経過するまでの間に、燃料電池が起動しない場合に、畜電部によって充電された電力のうち、少なくとも電力消費装置の作動を開始させるのに必要な電力を残して燃料電池システムを停止させることができる。
このようにすることで、燃料電池が起動不能である場合には、少なくとも次回に電力消費装置を作動させることができる電力を残して燃料電池システムを停止させることができる。
本発明によれば、燃料電池システムの始動時間を短縮しつつ、燃料電池が起動不能である場合には蓄電部の電力を使い切ることなく燃料電池システムを停止させることができる。
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実施形態について説明する。本実施形態では、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。
本実施形態における燃料電池システムは、燃料電池に対する起動要求を受信したときに、畜電部によって充電された電力に基づいて燃料電池が起動するのを待つことができる待機可能時間を算出し、起動要求を受信してから待機可能時間が経過するまでの間に燃料電池が起動しない場合に、燃料電池が起動不能である旨を報知することで、燃料電池システムの始動時間を短縮しつつ、燃料電池が起動不能である場合には蓄電部の電力を使い切ることなく燃料電池システムを停止させることを特徴とする。以下に、このような特徴を有する燃料電池システムの構成および動作について詳細に説明する。
図１を参照して、本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、実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。
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、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３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、システムの電力を充放電する電力系５と、システム全体を統括制御する制御部６とを有する。燃料電池２および水素ガス配管系４により水素ガス供給機構が構成される。
燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、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水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流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。燃料電池２には、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサと、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサとが設けられている。
酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して取り込まれた空気を圧縮し、酸化ガスとしての圧縮空気を送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３とを有する。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、コンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いて加湿する加湿器３４が設けられている。この加湿器３４で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。
水素ガス配管系４は、高圧（例えば、７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための循環流路４２とを有する。なお、水素タンク４０は、本発明における燃料供給源の一実施形態である。本実施形態における水素タンク４０に代えて、例えば、水蒸気を利用して炭化水素系燃料を水素リッチな燃料ガスに改質する改質器と、この改質器で改質された燃料ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとを燃料供給源として採用することができる。また、水素吸蔵合金を有するタンクを燃料供給源として採用することもできる。
水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４と、が設けられている。
循環流路４２には、循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４５が設けられている。また、循環流路４２には、気液分離器４６及び排気排水弁４７を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４７は、制御部６からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分と循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出（パージ）する。排気排水弁４７から排出された水素オフガスは、希釈器４９によって希釈されて空気排出流路３３内の酸化オフガスと合流する。
電力系５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリである二次電池５２（蓄電部）、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、図示しない各種の補機インバータ等を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、二次電池５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ５４から入力された直流電圧を調整して二次電池５２に出力する機能と、を有する。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ５１の機能により、二次電池５２の充放電が実現される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
二次電池５２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。二次電池５２には、二次電池５２の残存容量（State of Charge）を検出するためのＳＯＣセンサ５５が設けられている。
トラクションインバータ５３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ５４に供給する。トラクションモータ５４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。
補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部６からの制御指令に従って燃料電池２または二次電池５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。
制御部６は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）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５４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５４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３１や水素ポンプ４５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６（算出手段）は、燃料電池２に対する起動要求を受信したときに、二次電池５２に充電された電力に基づいて燃料電池２が起動するのを待つことができる待機可能時間を算出する。燃料電池２に対する起動要求を受信したか否かは、例えば、イグニッションキーがＯＮ（スタート操作）されたか否かによって判定することができる。すなわち、イグニッションキーがＯＮされた場合に、燃料電池２に対する起動要求を受信したと判定することができる。二次電池５２に充電された電力は、ＳＯＣセンサ５５の検出値から求めることができる。待機可能時間は、二次電池５２に充電された電力を用いてトラクションモータ５４を作動させることができる時間に収まる範囲内で算出される。これにより、二次電池５２でトラクションモータ５４を作動させることができる時間内に待機可能時間を設定することができる。
制御部６（報知手段）は、起動要求を受信してから待機可能時間が経過するまでの間に、燃料電池２が起動しない場合に、燃料電池２が起動不能である旨を報知する警告ランプを点灯させる。すなわち、二次電池５２でトラクションモータ５４を作動させている間に、燃料電池２が起動不能である旨を運転者に報知することが可能となる。これにより、運転者は、燃料電池２が起動不能である旨を認識することができるため、二次電池５２の電力が使い切られる前に燃料電池システム１を停止させる措置をとることが可能となる。なお、燃料電池２が起動不能である旨を報知する方法は、警告ランプを点灯させることには限定されず、例えば、音や映像を用いて警告することとしてもよい。
制御部６（制御手段）は、燃料電池２によって発電された電力および二次電池５２に充電された電力を用いてトラクションモータ５４等を作動させる。制御部６は、警告ランプを点灯させた後、運転者によって燃料電池車両の停止操作が行われない場合には、二次電池５２に充電された電力のうち、少なくともトラクションモータ５４の作動を開始させるのに必要な電力を残して燃料電池システム１を停止させる。これにより、次回起動時にトラクションモータ５４を作動させることができる電力を残して燃料電池車両を停止させることができる。
なお、制御部６は、起動要求を受信してから待機可能時間が経過するまでの間に、燃料電池２が起動しない場合に、警告ランプを点灯させるとともに、燃料電池システム１を停止させることとしてもよい。これにより、二次電池５２に充電された電力を確実に残すことができるため、次回起動時にトラクションモータ５４を確実に作動させることができる。
ここで、制御部６は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、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やＨＤＤ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、入出力インターフェースとを有する。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、ＳＯＣセンサ５５、電流センサおよび電圧センサ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、主止弁４３、水素ポンプ４５、排気排水弁４７およびトラクションモータ５４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ＳＯＣセンサ５５や電流センサ、電圧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の始動処理等を制御する。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。
次に、図２に示すフローチャートを用いて、実施形態における燃料電池システムの始動処理について説明する。
最初に、制御部６は、イグニッションキーがＯＮされたか否かを判定する（ステップＳ１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１；ＮＯ）に、制御部６は、ステップＳ１の処理を繰り返す。
一方、上記ステップＳ１においてイグニッションキーがＯＮされたと判定された場合（ステップＳ１；ＹＥＳ）に、制御部６は、二次電池５２に充電された電力に基づいて燃料電池２が起動するのを待つことができる待機可能時間を算出する（ステップＳ２）。
続いて、制御部６は、イグニッションキーがＯＮされてから待機可能時間が経過するまでの間に、燃料電池２が起動したか否かを判定する（ステップＳ３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ３；ＮＯ）に、制御部６は、燃料電池２が起動不能である旨を報知する警告ランプを点灯させる（ステップＳ４）。
続いて、制御部６は、運転者によって燃料電池車両の停止操作が行われない場合に、二次電池５２に充電された電力のうち、少なくともトラクションモータ５４の作動を開始させるのに必要な電力を残して燃料電池システム１を停止させる（ステップＳ５）。これにより、次回起動時にトラクションモータ５４を作動させることができる電力を残して燃料電池車両を停止させることができる。
一方、上記ステップＳ３において燃料電池２が起動したと判定された場合（ステップＳ３；ＹＥＳ）に、制御部６は、燃料電池２によって発電された電力および二次電池５２に充電された電力を用いてトラクションモータ５４等を作動させる通常運転を開始させる（ステップＳ６）。
上述してきたように、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を起動する際に、二次電池５２に充電された電力に基づいて待機可能時間を算出し、起動開始から待機可能時間が経過するまでの間に燃料電池２が起動しない場合には、燃料電池２が起動不能である旨を報知することができる。これにより、燃料電池システム１の始動時間を短縮しつつ、燃料電池２が起動不能である場合には二次電池５２の電力を使い切ることなく燃料電池システム１を停止させることが可能となる。
なお、上述した実施形態では、待機可能時間の算出を、燃料電池２に対する起動要求を受信したときに行っているが、これに限定されない。待機可能時間の算出は、燃料電池２に対する起動要求を受信した後に、適宜算出することとしてもよい。トラクションモータ５４を作動させるために必要な電力は、例えば、アクセル開度等によって変動するため、アクセル開度等の変動に応じて待機可能時間を繰り返し算出することとしてもよい。
また、上述した各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、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適用することもできる。
実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 実施形態における燃料電池システムの始動処理を説明するためのフローチャートである。
符号の説明
１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…電力系、６…制御部、３０…フィルタ、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…加湿器、４０…水素タンク、４１…水素供給流路、４２…循環流路、４３…主止弁、４４…レギュレータ、４５…水素ポンプ、４６…気液分離器、４７…排気排水弁、４８…排出流路、４９…希釈器、５１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、５２…二次電池、５３…トラクションインバータ、５４…トラクションモータ、５５…ＳＯＣセンサ。

Claims (1)

  1. 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、
    前記燃料電池において発電された電力を充電可能な畜電部と、
    前記燃料電池に対する起動要求を受信したときに、前記畜電部によって充電された電力を用いて電力消費装置を作動させることができる時間に収まる範囲内で、前記燃料電池が起動するのを待つことができる待機可能時間を算出する算出手段と、
    前記起動要求を受信してから前記待機可能時間が経過するまでの間に、前記燃料電池が起動しない場合に、前記燃料電池が起動不能である旨を報知する報知手段と、
    前記燃料電池によって発電された電力および前記畜電部によって充電された電力を用いて電力消費装置を作動させる制御手段と、を備え
    前記制御手段は、前記起動要求を受信してから前記待機可能時間が経過するまでの間に、前記燃料電池が起動しない場合に、前記畜電部によって充電された電力のうち、少なくとも電力消費装置の作動を開始させるのに必要な電力を残して燃料電池システムを停止させることを特徴とする燃料電池システム。
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