JP4426892B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、冷却システムの冷媒温度検出手段の失陥時においても、燃料電池に過熱が生じない範囲での運転を可能とする移動体用の燃料電池システムに関する。
近年、地球温暖化の原因になる二酸化炭素の排出量を抑制する等の観点から、燃料電池電気自動車（ＦＣＥＶ；Fuel Cell Electric Vehicle）が注目されている。燃料電池電気自動車は、水素（Ｈ2）と空気中の酸素（Ｏ2）とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池（ＦＣ；Fuel Cell）を搭載し、燃料電池が発電した電気を走行モータに供給して駆動力を発生させている。
ところで、燃料電池は、温度が所定の値（例えば、８０℃）に維持されることでその発電性能（起電力）が最も高くなり、温度が低過ぎる発電性能が低下する一方、温度が高すぎると燃料電池本体や機器類（配管やバルブ等）が熱害を受ける虞が生じる。そのため、燃料電池の温度（冷却水温）や冷却水流量等を水温センサや流量センサにより検出し、それぞれの値が所定の範囲を逸脱した場合、制御装置が燃料電池本体の出力を補償制御により低減させる技術（例えば、特許文献１参照）が公知となっている。尚、燃料電池自動車では、燃料電池内を循環する冷却液を車体前部に設置されたラジエタに導き、走行風による冷却を行っている（例えば、特許文献２参照）。
特開平８−１９５２０８号公報（段落００２０，００２１、図１） 特開２００３−１８２３７９号公報（段落００３７，００４２、図１）
しかしながら、特許文献１の装置では、水温センサの故障や水温センサに接続される電気ハーネスの断線等が起こった場合、冷却液温に基づく補償制御が正しく行われなくなり、次のような不具合が発生する虞があった。例えば、制御装置が冷却液温を実際より低く認識した場合、燃料電池温度が高いにも拘わらず出力（発電電流）の制限が行われなくなり、燃料電池に過大な温度上昇が生じることが起こり得る。また、制御装置が冷却液温を実際より高く認識した場合、燃料電池温度が適正値であるにも拘わらず出力が徐々に低減され、燃料電池自動車が走行不能となってしまうことが起こり得る。
本発明は、このような背景に鑑みてなされたもので、移動体の走行速度と外気温とから冷却手段による燃料電池の冷却量を推定し、この冷却量に基づいて燃料電池の発電電流上限値を設定する燃料電池システムを提供することを目的とする。
前記課題を解決すべく、請求項１に記載の燃料電池システムは、移動体に搭載された燃料電池システムであって、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池を循環する冷媒の熱を大気中に放出することにより当該燃料電池を冷却する冷却手段と、前記移動体の移動速度を検出する速度検出手段と、外気温を検出する外気温検出手段と、前記冷媒が流通する冷媒流路に設けられ、当該冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、前記移動速度および前記外気温に基づき、前記冷却手段による前記燃料電池の冷却量を推定する冷却量推定手段と、前記燃料電池の運転状態と前記冷媒温度検出手段の検出結果に基づいて、前記冷媒温度検出手段が失陥しているか否かを判定する失陥判定手段と、を備え、前記失陥判定手段に基づいて、前記冷媒温度検出手段が失陥していると判定された場合には、前記冷却量推定手段の推定結果に基づき、前記燃料電池の発電電流上限値を設定し、前記冷媒温度検出手段が失陥していないと判定された場合には、前記冷媒温度検出手段の検出結果に基づき、前記燃料電池の発電を制御することを特徴とする。
請求項１の燃料電池システムでは、外気温が低く移動速度が高い場合には冷却量の推定結果が大きくなって発電電流上限値が高く設定される一方、外気温が高く移動速度が低い場合には冷却量の推定結果が小さくなって発電電流上限値が低く設定される。さらに、通常運転時には冷媒温度検出手段の検出結果に基づく発電電流上限値の設定が行われ、冷媒温度検出手段の失陥時等には冷却量の推定結果に基づく発電電流上限値の設定が行われる。
請求項１の燃料電池システムによれば、水温センサ等の冷媒温度検出手段を用いずに発電電流上限値を設定することができ、さらに、冷媒温度検出手段等の失陥時にも、燃料電池に熱害等が起きない範囲での運転が可能となる。
以下、本発明を燃料電池電気自動車に適用した一実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
図１は実施形態の燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図であり、図２は実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
＜車両の構成＞
まず、車両を説明する。図１に示す車両Ｖでは、ＦＣボックスＦＣＢが乗員席の床下に搭載され、ＦＣボックスＦＣＢの中には燃料電池１０（図２参照）が収納されている。また、走行モータＭが車両Ｖの前部に搭載され、高圧水素タンクＣＨＴが車両Ｖの後輪の上方に横置きで搭載されている。また、車両Ｖには、車体前部に燃料電池冷却系の熱を大気中に放出するラジエタ４１と外気温Ｔａを検出する外気温センサ（外気温検出手段）６１とが設置され、運転席にスロットルペダル踏込み量θthを検出するスロットルセンサ６２が設置され、車体後部に車速Ｖｃを検出する車速センサ（速度検出手段）６３が設置されている。尚、車速センサ６３は、車速Ｖｃとして後輪車輪速を検出するものであり、例えば、ＡＢＳ（Anti-lock Brake System）システムの制御のために設けられている。
燃料電池１０は空気中の酸素と水素とを電気化学的に反応させて発電し、発電された電力は走行モータＭに供給されて車両Ｖを走行させる。ちなみに、ここでの燃料電池１０は、固体高分子型であるＰＥＭ型の燃料電池であり、電解質を挟んでアノード極およびカソード極等から構成される膜電極構造体（ＭＥＡ）をセパレータで更に挟み込んだ単セルを、例えば数十枚〜数百枚程度積層した積層構造を有している（以上図示外）。ここで、ＰＥＭとは、Proton Exchange Membraneの略であり、ＭＥＡとは、Membrane Electrode Assemblyの略である。
＜燃料電池システムの構成＞
次に、図２を参照して、燃料電池システムＦ１を説明する。第１実施形態の燃料電池システムＦ１は、燃料電池１０、水素供給システム２０、空気供給システム３０、冷却システム（冷却手段）４０、および制御装置５０を含んで構成される。
燃料電池１０は、前記のようにアノード極１１、カソード極１２、および電解質１３を有するＰＥＭ型の燃料電池であり、アノード極１１に水素供給システム２０から燃料ガスである水素（アノードガス）が供給され、カソード極１２に空気供給システム３０から酸化剤ガスである空気（カソードガス）が供給されることにより発電する。燃料電池１０が発電した電力は、走行モータＭ（図１参照）や補機等の負荷に供給される。
水素供給システム２０は、燃料電池１０のアノード極１１にアノードガスとしての水素を供給するもので、図示しない高圧水素タンクや減圧弁等から構成されている。また、空気供給システム３０は、燃料電池１０にカソードガスとしての空気を供給するもので、図示しないエアクリーナや、加湿器、電動コンプレッサ等から構成されている。
冷却システム４０は、燃料電池１０が発電に伴って発生した熱を大気中に放出するもので、ラジエタ４１や循環ポンプ４２、冷却液配管（冷媒流路）４３〜４５等から構成されている。冷却システム４０は、熱媒体として冷却液（不凍液）を用いており、この冷却液の温度（冷却液温）Ｔｗが燃料電池１０と循環ポンプ４２との間の冷却液配管４３に付設された水温センサ（冷媒温度検出手段）６４により検出される。
＜実施形態の作用＞
燃料電池システムＦ１が起動すると、制御装置５０は、スロットルセンサ６２が検出したスロットルペダル踏込み量θthや各種機器（灯火装置や空調装置等）の消費電力等に基づいて燃料電池１０の目標電流量Ｉｔｇｔを決定した後、目標電流量Ｉｔｇｔに応じたアノードガスとカソードガスとを燃料電池１０に供給すべく、水素供給システム２０と空気供給システム３０とを駆動制御する。これにより、燃料電池１０では、それぞれ所定量のアノードガスとカソードガスとが供給され、アノード極１１からカソード極１２への水素の移動に伴って電流が発生する。また、制御装置５０は、水温センサ６４により検出された冷却液温Ｔｗが所定の上限液温Ｔｗｍａｘに達した場合、燃料電池１０が過熱したと判断し、目標電流量Ｉｔｇｔ（すなわち、アノードガスおよびカソードガスの供給量）を所定の手順で低減させる。その結果、燃料電池１０での出力（発電）が抑制され、燃料電池１０の温度が低下する。
一方、制御装置５０は、燃料電池システムＦ１の運転時において、通常の発電制御と並行して図３のフローチャートに示す発電制限を実行する。制御装置５０は、先ず図３のステップＳ１で、水温センサ６４が失陥しているか否かを判定する。この判定は、燃料電池１０の運転状態と水温センサ６４の検出結果とに基づいて行われ、例えば、燃料電池１０の運転状態が大きく変化し、冷却液温Ｔｗが上昇（あるいは、下降）するはずであるにも拘わらず、水温センサ６４の検出結果が変化しない場合に、水温センサ６４の故障や水温センサ６４に接続される電気ハーネスの断線等が起こったと判定する。尚、制御装置５０は、ステップＳ１の判定がＮｏである場合には、ステップＳ１に戻って判定を繰り返す。
ステップＳ１の判定がＹｅｓとなった場合、制御装置５０は、ステップＳ２で、外気温センサ６１が検出した外気温Ｔａと車速センサ６３が検出した車速Ｖｃとに基づき、図４のマップから発電電流上限値Ｉｍａｘを検索する。発電電流上限値Ｉｍａｘは、冷却システム４０による燃料電池１０の冷却量（ラジエタ４１の放熱量）がある値となった場合に、燃料電池１０が所定の温度（電解質１３等に含まれるイオン交換成分の耐熱温度：例えば、９０℃）以上とならない範囲で発電できる限界値である。マップは、実車を用いたベンチテストや走行テスト等を行うことにより作成される。発電電流上限値Ｉｍａｘは、図４に示すように、外気温Ｔａが低くなるに従って高くなり、車速Ｖｃが高くなるに従って高くなる。これは、冷却液温Ｔｗと外気温Ｔａとの差が大きくなるほど、また、車速Ｖｃが高くなるほど、ラジエタ４１から放出される熱量（すなわち、冷却システム４０による燃料電池１０の冷却量）が大きくなるためである。
次に、制御装置５０は、ステップＳ３で、要求電流量Ｉｒｅｑが発電電流上限値Ｉｍａｘを超えているか否かを判定する。そして、ステップＳ３の判定がＮｏであれば、制御装置５０は、ステップＳ４で、要求電流量Ｉｒｅｑをそのまま目標電流量Ｉｔｇｔとして、目標電流量Ｉｔｇｔに応じたアノードガスとカソードガスとを燃料電池１０に供給する。
一方、要求電流量Ｉｒｅｑが発電電流上限値Ｉｍａｘを超え、ステップＳ３の判定がＹｅｓとなった場合、制御装置５０は、ステップＳ５で、発電電流上限値Ｉｍａｘを目標電流量Ｉｔｇｔとして、目標電流量Ｉｔｇｔに応じたアノードガスとカソードガスとを燃料電池１０に供給する。
本実施形態の燃料電池システムＦ１では、このような発電制限を行うことにより、水温センサ６４の失陥時においても、燃料電池１０を適切な発電電流で運転させることが可能となり、燃料電池１０の過熱を未然に防止できるとともに、燃料電池１０を搭載した車両Ｖが出力制限によって走行不能になる問題を防止できた。
本発明は、前記した前記実施形態に限定されることなく、幅広く変形実施することができる。例えば、前記実施形態は水温センサの失陥時に図３の発電制限を行うものであるが、燃料電池システムから水温センサを省き、通常運転時においても外気温と車速とに基づく発電制限を行うようにしてもよい。また、前記実施形態では目標発電電流量の上限値を設定するようにしたが、外気温と車速とに基づいて燃料電池から取り出す電流の上限値を設定するようにしてもよい。また、前記実施形態では燃料電池電気自動車を例に説明したが、船舶等の移動体に搭載される燃料電池システム等に本発明を適用することができる。また、前記実施形態ではＰＥＭ型の燃料電池を備えた燃料電池システムを取り上げたが、本発明は、アルカリ型燃料電池やリン酸型燃料電池等、他種の燃料電池を備えた燃料電池システムにも当然に適用できる。また、燃料電池システムを構成する各機器のレイアウトを始め、発電制限の具体的手順等についても等についても本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
実施形態に係る燃料電池システムが搭載される車両の一部透視側面図である。 実施形態に係る燃料電池システムのブロック構成図である。 実施形態における発電制限の手順を示すフローチャートである。 外気温と車速とから発電電流上限値を求めるためのマップである。
符号の説明
１０ 燃料電池
１１ アノード極
１２ カソード極
４０ 冷却システム（冷却手段）
４３〜４５ 冷却液配管（冷媒流路）
５０ 制御装置（冷却量推定手段、上限値設定手段）
６１ 外気温センサ（外気温検出手段）
６３ 車速センサ（速度検出手段）
６４ 水温センサ（冷媒温度検出手段）

Claims (1)

  1. 移動体に搭載された燃料電池システムであって、
    アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化剤ガスとを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池を循環する冷媒の熱を大気中に放出することにより当該燃料電池を冷却する冷却手段と、
    前記移動体の移動速度を検出する速度検出手段と、
    外気温を検出する外気温検出手段と、
    前記冷媒が流通する冷媒流路に設けられ、当該冷媒の温度を検出する冷媒温度検出手段と、
    前記移動速度および前記外気温に基づき、前記冷却手段による前記燃料電池の冷却量を推定する冷却量推定手段と、
    前記燃料電池の運転状態と前記冷媒温度検出手段の検出結果に基づいて、前記冷媒温度検出手段が失陥しているか否かを判定する失陥判定手段と、を備え、
    前記失陥判定手段に基づいて、前記冷媒温度検出手段が失陥していると判定された場合には、前記冷却量推定手段の推定結果に基づき、前記燃料電池の発電電流上限値を設定し、前記冷媒温度検出手段が失陥していないと判定された場合には、前記冷媒温度検出手段の検出結果に基づき、前記燃料電池の発電を制御することを特徴とする燃料電池システム。
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