JP4308479B2 - 燃料電池電源装置 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷からの要求電力に応じて燃料電池に供給する反応ガスの量を制御する燃料電池電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車等の車両の電源装置として、燃料電池を使用した燃料電池電源装置が採用されている。そして、燃料電池は反応ガス（水素等の還元性ガス及び該還元性ガスと反応させて電子を取出すための空気等の酸化性ガス）の消費量に応じてその発電量が増減するため、モータ等の負荷の要求電力に応じた発電量を得るために必要な反応ガスの消費量よりも反応ガスの供給量が多いと、反応ガスの無駄が生じてしまう。
【０００３】
一方、負荷の要求電力に応じた発電量を得るために必要な反応ガスの消費量よりも実際の反応ガスの供給量が少なくなると、燃料電池がいわゆるガス欠状態となり、燃料電池の電解質膜の劣化等が生じて燃料電池の性能悪化を招く。
【０００４】
そこで、従来の燃料電池電源装置においては、図３に示した構成により燃料電池の目標発電量（Ｉfc_CMD）を決定していた。すなわち、燃料電池からモータへの電力供給が開始されると、要求発電量算出部１００により、アクセルペダルの踏込み量（Ａp）、車速（Ｎm）、及びモータ以外の電装補機の消費電力（Ｐload）に応じて燃料電池の要求発電量（Ｉfc_CAL）が決定される。
【０００５】
そして、モータへの電力供給中は、燃料電池の実発電量（Ｉfc）を検出して減算器１０１で要求発電量（Ｉfc_CAL）との差分を算出し、該差分をＰＩＤ制御部１０２でＰＩＤ処理して補正量（Ｉfc_AMD）を算出して、加算器１０３で要求発電量（Ｉfc_CAL）に補正量（Ｉfc_AMD）を加えて目標発電量（Ｉfc_CMD）を算出し、該目標発電量（Ｉfc_CMD）に応じた反応ガスが燃料電池に供給されるように、反応ガスの供給量が制御される。
【０００６】
このように、要求発電量（Ｉfc_CAL）と実発電量（Ｉfc）の差分に応じた補正を行なって、目標発電量（Ｉfc_CMD）を算出することにより、モータ及び電装補機の消費電力の変動の影響を抑制して目標発電量（Ｉfc_CMD）を安定化することができる。
【０００７】
しかし、図３に示した構成により目標発電量（Ｉfc_CMD）を算出して、燃料電池への反応ガスの供給量を制御すると、負荷が急激に増大したときにＰＩＤ制御部１０２と加算器１０３による補正により目標発電量（Ｉfc_CMD）の増加が妨げられ、結果として燃料電池の過渡応答性が悪化して燃料電池がガス欠状態となるという不都合があった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記不都合を解消し、負荷の要求電力に応じて燃料電池への反応ガスの供給量を制御するときに、燃料電池がガス欠状態となることを防止した燃料電池電源装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、負荷と接続される燃料電池と、前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池の出力電流により充電されると共に、前記負荷の要求電力に対して前記燃料電池の発電量が不足するときに放電を生じる蓄電手段と、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、該反応ガス供給手段から該燃料電池への反応ガスの供給量を調節する供給量調節手段とを備えた燃料電池電源装置の改良に関する。
【００１０】
そして、前記負荷の作動に必要な電流量である要求発電量を決定する要求発電量決定手段と、前記燃料電池の実発電量を検知する実発電量検知手段と、前記実発電量が前記要求発電量以下のときは前記要求発電量を前記燃料電池の目標発電量とし、前記実発電量が前記要求発電量よりも大きいときには前記実発電量を前記燃料電池の目標発電量として、該目標発電量が得られるときの前記燃料電池の反応ガスの消費量に余裕分をもたせた量の反応ガスが供給されるように、前記供給量調節手段により前記燃料電池への反応ガスの供給量を調節するガス供給制御手段とを備えたことを特徴とする。
【００１５】
かかる本発明によれば、前記負荷の大きさが減少して前記負荷の要求電力が減少した場合、前記要求発電量決定手段により決定される前記要求発電量が減少して、前記ガス供給制御手段により選択される前記目標発電量も減少し、それに応じて前記燃料電池に供給される反応ガスが減少する。
【００１６】
そして、反応ガスの供給量の減少により、前記燃料電池の発電量が減少すると、それに応じて前記燃料電池の出力電圧が上昇するが、前記燃料電池には前記蓄電手段が並列に接続されているため、前記燃料電池の出力電圧を上昇させるためには、前記燃料電池から前記蓄電手段に充電電流を供給して前記蓄電手段を充電し、前記蓄電手段の出力電圧を上昇させる必要がある。そのため、前記目標発電量が減少する過程においては、前記負荷と共に前記蓄電手段にも電力を供給する必要があり、前記要求発電量を前記目標発電量とすると、前記蓄電手段に供給される充電電流分だけ、前記燃料電池への反応ガスの供給量が不足するおそれがある。
【００１７】
そこで、前記蓄電手段の充電に使用される電流量も含まれる前記実発電量が前記目標発電量よりも大きくなったときは、該実発電量を前記目標発電量として、該目標発電量が得られるときの前記燃料電池の反応ガスの消費量に余裕分を持たせた量の反応ガスが供給されるように、前記供給量調節手段により前記燃料電池への反応ガスの供給量を調節することにより、前記ガス供給制御手段は、前記燃料電池への反応ガスの供給量が不足することを防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態の一例について、図１〜図２を参照して説明する。図１は本発明の燃料電池電源装置の構成図、図２は図１に示した燃料電池電源装置の制御ブロック図である。
【００１９】
図１を参照して、本発明の燃料電池電源装置１は、車両に搭載されて該車両の駆動用電源として機能する。燃料電池電源装置１は、水素と空気を反応ガスとした電気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池２と、電気二重層キャパシタ３（本発明の蓄電手段に相当する。以下、単にキャパシタ３という）を並列に接続して構成されたハイブリッド型の燃料電池電源装置であり、その出力電力が、マイクロコンピュータ、メモリ等により構成されるコントローラ４により制御される。
【００２０】
燃料電池電源装置１の出力電力は、モータ駆動装置５、空調機器６、及びＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して１２Ｖ系の車載負荷８に供給される。モータ駆動装置５は、コントローラ４に備えられた駆動制御部９から出力されるトルク指令値（TRQ_CMD）に応じて、モータ１０の電機子に流れる電流を制御する。そして、モータ１０の駆動力はトランスミッション１１を介して駆動輪１２に伝達される。
【００２１】
駆動制御部９は、アクセルペダル１３の踏込み量（Ａp）とモータ１０の回転数（Ｎm）に基づいて、モータ駆動装置５で必要となる電力であるモータ要求電力（PD_REQ）の指示信号を電源管理制御部１４に出力する。
【００２２】
電源管理制御部１４には、モータ１０以外の電装補機で消費される電力を把握するために、負荷センサ１５により検出される負荷電流（Ｉ_load）の検出信号と負荷電圧（Ｖ_load）の検出信号とが入力され、これらの検出信号により、電源管理制御部１４は、モータ１０以外の電装補機で消費される電力を把握する。
【００２３】
そして、電源管理制御部１４は、燃料電池制御部１６から出力される燃料電池２から供給可能な電流の上限値である出力許容電流（Ｉfc_LMT）と、キャパシタ３を構成するキャパシタセル（図示しない）の個々の状態（出力電圧や温度）等を考慮した上で、モータ要求電力（PD_REQ）とモータ１０以外の電装補機で消費される電力との合計電力に応じて、燃料電池２から出力される電流の目標値である目標発電量（Ｉfc_CMD）を決定し、該目標発電量（Ｉfc_CMD）を指示する信号を燃料電池制御部１６に出力する。また、電源管理制御部１４は、駆動制御部９に対して、燃料電池２から供給可能な電力の上限値である出力制限電力（PLD）を通知する信号を出力する。
【００２４】
なお、燃料電池制御部１６には、反応ガスセンサ２０から出力される燃料電池２に供給される反応ガス（水素及び空気）の圧力（Ｐgas）、流量（Ｑgas）、及び温度（Ｔgas）の検出信号と、燃料電池２のスタック（図示しない）を構成する燃料電池セル（図示しない）の個々の状態（Ｖcell_indiv）の検出信号とが入力され、燃料電池制御部１６は、これらの検出信号から把握される燃料電池２の状態を考慮して出力許容電流（Ｉfc_LMT）を決定する。
【００２５】
また、駆動制御部９は、電源管理制御部１４から通知された出力制限電力（PLD）を超えないように、モータ駆動装置５に対してトルク指令（TRQ_CMD）の指示信号を出力し、モータ駆動装置５は、モータ１０が該トルク指令（TRQ_CMD）に応じたトルクを発生するように、モータ１０の電機子電流を制御する。
【００２６】
また、燃料電池制御部１６は、燃料電池２から目標発電量（Ｉfc_CMD）の電流が出力されるように、反応ガス供給装置２１（本発明の反応ガス供給手段に相当する）に対して、燃料電池２に供給する反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）を指示する信号を出力する。これにより、目標発電量（Ｉfc_CMD）に応じた流量の空気と水素が燃料電池２に供給される。
【００２７】
なお、反応ガス供給装置２１に備えられた反応ガスの供給流量の調節機構（図示しない）が、本発明の供給量調節手段に相当する。
【００２８】
そして、反応ガス供給装置２１から供給される水素は、イジェクタ（図示しない）及び加湿器（図示しない）を経由して燃料電池２の水素極に供給され、空気極に供給される空気中の酸素と電気化学反応を生じて水となり、排気バルブ２２を介して排出される。ここで、排気バルブ２２の開度は、空気及び水素の供給圧に応じて燃料電池２内部の圧力勾配が一定に保たれるように、燃料電池制御部１６からの制御信号（VLV_CMD）により制御される。
【００２９】
また、燃料電池２には、水冷式の冷却器（図示しない）が備えられ、燃料電池制御部１６は、該冷却器に給水される冷却水の温度と該冷却器から排水される冷却水の温度とに応じて、該冷却器に供給される冷却水の流量と温度を制御する。
【００３０】
また、燃料電池電源装置１には、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）と出力電圧（Ｖfc）を検出する燃料電池センサ３０（本発明の実発電量検知手段の機能を含む）、及びキャパシタ３の充放電電流（Ｉcap）と端子電圧（Ｖcap）を検出するキャパシタセンサ３１が備えられ、これらのセンサの検出信号も電源管理制御部１０に入力される。
【００３１】
次に、図２を参照して、電源管理制御部１４、燃料電池制御部１６、及び駆動制御部９の作動の詳細について説明する。
【００３２】
駆動制御部９に備えられた要求電力算出部５０は、アクセルペダル１３（図１参照）の踏込み量（Ａp）とモータ駆動装置５（図１参照）から出力されるモータ１０（図１参照）の回転数（Ｎm）とに基づいてモータ要求電力（PD_REQ）を算出し、該モータ要求電力（PD_REQ）を指示する信号を電源管理制御部１４に出力する。
【００３３】
電源管理制御部１４に備えられた要求発電量算出部５１（本発明の目標発電量決定手段に相当する）は、負荷センサ１５により検出される負荷電流（Ｉ_load）と負荷電圧（Ｖ_load）の検出信号から、モータ１０以外の電装補機の消費電力を把握し、該消費電力とモータ要求電力（PD_REQ）を加算して、モータ１０と電装補機の作動に必要な総電力を算出する。そして、要求発電量算出部５１は、予めメモリに保持された燃料電池２の出力電力と出力電流との相関関係を示す電力／電流の変換マップデータに、該総電力を当てはめて電力／電流変換処理を行ない、モータ１０と電装補機の作動に必要な総電流量である要求発電量（Ｉfc_CAL、本発明の目標発電量にも相当する）を算出する。
【００３４】
また、実発電量算出部５２は、燃料電池センサ３０により検出された燃料電池２（図１参照）の出力電流（Ｉfc）に基づいて、燃料電池２から実際に出力される電流量である実発電量（Ｉfc_s）を算出する。
【００３５】
そして、目標選択部５３は、要求発電量（Ｉfc_CAL）と実発電量（Ｉfc_s）とを比較し、要求発電量（Ｉfc_CAL）が実発電量（Ｉfc_CAL）以下であるときは、要求発電量（Ｉfc_CAL）をそのまま燃料電池２に対する目標発電量（Ｉfc_CMD）とし、該目標発電量（Ｉfc_CMD）を指示する信号を燃料電池制御部１６に出力する。
【００３６】
燃料電池制御部１６に備えられた目標ガス供給量算出部５４は、先ず、予めメモリに保持された燃料電池２の発電量（電流量）と燃料電池２の反応ガスの消費量との相関関係を示す発電量／消費量のマップデータに目標発電量（Ｉfc_CMD）を当てはめて、目標発電量（Ｉfc_CMD）を得るために必要となる燃料電池２の反応ガスの消費量を算出する。
【００３７】
そして、目標ガス供給量算出部５４は、目標発電量（Ｉfc_CMD）の算出誤差や、反応ガス供給装置２１の応答遅れ等により、燃料電池２への反応ガスの供給量が不足して燃料電池がガス欠状態となることを防止するため、目標発電量（Ｉfc_CMD）に応じて、目標発電量（Ｉfc_CMD）が得られるときの燃料電池２の反応ガスの消費量に余裕分を持たせて反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）を決定し、該目標供給量（CMP_CMD）を反応ガス供給創始２１に対して出力する。これにより、目標ガス供給量（CMP_CMD）で反応ガスが燃料電池２に供給されるように、反応ガス供給装置２１の作動が制御されるガス供給制御が実行される。
【００３８】
なお、目標ガス供給量算出部５４と目標選択部５３とにより本発明のガス供給制御手段が構成される。
【００３９】
次に、燃料電池制御部１６に備えられた出力許容値算出部５５は出力許容電流（Ｉfc_LMT）を算出して電源管理制御部１４に出力し、電源管理制御部１４に備えられたモータ駆動電力制限値算出部５６は、燃料電池２の発電量が出力許容電流（Ｉfc_LMT）を超えない範囲で出力制限電力（PLD）を決定して、該出力制限電力（PLD）を通知する信号を駆動制御部９に出力する。
【００４０】
そして、駆動制御部９に備えられたモータ駆動電力算出部５７は、要求電力算出部５０により算出されたモータ要求電力（PD_REQ）と、出力制限電力（PLD）とを比較し、モータ１０の消費電力が出力制限電力（PLD）を超えないようにモータ駆動装置５に出力するトルク指令（TRQ_CMD）の値を決定する。
【００４１】
以上説明したように、要求発電量算出部５１により算出された要求発電量（Ｉfc_CAL）をそのまま燃料電池２に対する目標発電量（Ｉfc_CMD）とし、該目標発電量（Ｉfc_CMD）を指示する信号を燃料電池制御部１６に出力することによって前記ガス供給制御が実行され、モータ１０の消費電力が出力制限電力（PLD）を超えないように電気自動車制御ユニット９からモータ駆動ユニット６に出力されるトルク指令（TRQ_CMD）が決定される。
【００４２】
そのため、通常は、前記ガス供給制御により燃料電池２の実発電量は要求発電量算出部５１により算出された要求発電量（Ｉfc_CAL）以下に保たれる。しかし、空調機器（図１参照）等のモータ１０以外の電装補機の消費電力は電源管理制御部１４により管理されていない。そして、電装補機の消費電力が変化したときに、負荷電圧（Ｖload）及び負荷電流（Ｉload）の検出値が変化して、要求発電量算出部５１により算出される要求発電量（Ｉfc_CAL）が変更されるまでにはある程度時間を要する。
【００４３】
したがって、電装補機の消費電力の変化が要求発電量（Ｉfc_CAL）に反映されて、燃料電池制御部１６から出力される反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）が変更されるまでには、ある程度時間遅れが生じる。
【００４４】
そして、電装補機の消費電力の変化量が、上述した反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）の余裕分に応じた発電量を超える大きなものであったときには、前記時間遅れが生じている間、燃料電池２に供給される反応ガスが不足したいわゆるガス欠状態となる。そして、このようにガス欠状態となると、燃料電池２の電解質膜の劣化等が生じて燃料電池２の性能悪化を招く。
【００４５】
また、モータ１０の消費電力が減少するとモータ要求電力（PD_REQ）が減少し、電装補機の消費電力が減少すると負荷電流（Ｉ_load）と負荷電圧（Ｖ_load）が減少するため、これらの場合、要求発電量算出部５１で算出される要求発電量（Ｉfc_CAL）が減少する。しかし、燃料電池２の出力電圧は発電量（出力電流）が減少するほど高くなるため、燃料電池２の発電量を減少させるためには、燃料電池２と並列に接続されたキャパシタ３を充電してキャパシタ３の出力電圧も高くする必要がある。
【００４６】
そのため、モータ１０や電装補機の消費電力が減少した場合に、要求発電量算出部５１により算出された要求発電量（Ｉfc_CAL）を、そのまま燃料電池制御部１６に対する目標発電量（Ｉfc_CMD）とすると、キャパシタ３の充電電流分が不足する。したがって、モータ１０と電装補機の総消費電力の減少量が大きく、キャパシタ３の充電電流が上述した反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）の余裕分に応じた発電量を超えたときには、燃料電池２がガス欠状態となる。
【００４７】
そこで、電源管理制御部１４に備えられた目標選択部５３は、前記ガス供給制御の実行中に、要求発電量算出部５１により算出された要求発電量（Ｉfc_CAL）と実発電量（Ｉfc_s）とを比較し、要求発電量（Ｉfc_CAL）が実発電量（Ｉfc_s）以上であるとき（Ｉfc_CAL≧Ｉfc_s）は要求発電量（Ｉfc_CAL）をそのまま燃料電池制御部１６に対する目標発電量（Ｉfc_CMD）とし（Ｉfc_CMD＝Ｉfc_s）、実発電量（Ｉfc_s）が要求発電量（Ｉfc_CAL）よりも大きいとき（Ｉfc_CAL＜Ｉfc_s）は実発電量（Ｉfc_s）を燃料電池制御部１６に対する目標発電量（Ｉfc_CMD）とする。
【００４８】
これにより、上述したように電装補機の消費電力が急速に増大し、或いはキャパシタ３が充電状態となり、燃料電池２の実発電量（Ｉfc_s）が要求発電量算出部５１により算出された要求発電量（Ｉfc_CAL）よりも大きくなって、該要求発電量（Ｉfc_CAL）をそのまま燃料電池制御部１６に対する目標発電量（Ｉfc_CMD）としたのでは、燃料電池２のガス欠が生じ得る状態となったときに、目標選択部５３により実発電量（Ｉfc_s）が燃料電池制御部５に対する目標発電量（Ｉfc_CMD）とされる。
【００４９】
その結果、目標ガス供給量算出部５４は、実発電量（Ｉfc_s）に基づいて前記ガス供給制御を実行するため、反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）は燃料電池２の実発電量（Ｉfc_s）に応じた空気の消費量に余裕分を持たせて決定される。そのため、反応ガス供給装置２１から燃料電池２に供給される反応ガスの量が不足することが防止され、これにより燃料電池２がガス欠状態となることを防止することができる。
【００５０】
なお、本実施の形態では、本発明の発電量として燃料電池２の出力電流を用いたが、燃料電池２の出力電力を用いてもよい。この場合は、要求発電量算出部５１における電力から電流への変換処理は不要となり、モータ要求電力（PD_REQ）と負荷センサ１５により検出される負荷電流（Ｉ_load）及び負荷電圧（Ｖ_load）とから算出した電装補機の消費電力とを加算して算出した電力を要求発電量とし、燃料電池センサ３０の検出電流（Ｉfc）と検出電流（Ｖfc）とを乗じて算出した電力を実発電量として、両者を比較すればよい。
【００５１】
そして、燃料電池制御部１６においては、電力により与えられる目標発電量を燃料電池２の出力電流に変換する電力／電流変換処理を行なって、反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）を決定するようにすればよい。
【００５２】
また、本実施の形態では、本発明の蓄電手段として電気二重層キャパシタ３を用いたが、他の種類のキャパシタやバッテリーを用いた場合であっても本発明の適用が可能である。
【００５３】
また、燃料電池２と並列に蓄電手段を接続しない場合であっても本発明の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池電源装置の構成図。
【図２】図１に示した燃料電池電源装置の制御ブロック図。
【図３】従来の燃料電池電源装置の制御ブロック図。
【符号の説明】
１…燃料電池電源装置、２…燃料電池、３…電気二重層キャパシタ、４…コントローラ、５…モータ駆動装置、９…駆動制御部、１４…電源管理制御部、２１…反応ガス供給装置、３０…燃料電池センサ、３１…キャパシタセンサ、５１…要求発電量算出部、５２…実発電量算出部、５３…目標選択部

Claims (1)

  1. 負荷と接続される燃料電池と、
    前記燃料電池と並列に接続され、前記燃料電池の出力電流により充電されると共に、前記負荷の要求電力に対して前記燃料電池の発電量が不足するときに放電を生じる蓄電手段と、
    前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、
    該反応ガス供給手段から該燃料電池への反応ガスの供給量を調節する供給量調節手段とを備えた燃料電池電源装置において、
    前記負荷の作動に必要な電流量である要求発電量を決定する要求発電量決定手段と、
    前記燃料電池の実発電量を検知する実発電量検知手段と、
    前記実発電量が前記要求発電量以下のときは前記要求発電量を前記燃料電池の目標発電量とし、前記実発電量が前記要求発電量よりも大きいときには前記実発電量を前記燃料電池の目標発電量として、該目標発電量が得られるときの前記燃料電池の反応ガスの消費量に余裕分を持たせた量の反応ガスが供給されるように、前記供給量調節手段により前記燃料電池への反応ガスの供給量を調節するガス供給制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
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