JP4556619B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来、空気及び水素を供給することにより発電を行う燃料電池が知られている。このような燃料電池は、発電の際に消費される酸素量を理論的に含んだ理論空気量（すなわち酸素が約２１％含まれるとしたときの空気量）の空気が供給されたとしても、その空気量のすべてが発電に寄与するわけでない。よって、燃料電池には理論空気量よりも多くの空気量を供給することとなる。この供給する空気量を供給空気量といい、理論空気量を供給空気量で除した値を空気利用率という。

ここで、空気利用率が小さい場合、空気利用率が小さいことを補うために多くの空気を供給する必要がある。つまり、供給空気量が大きくなる。この場合、燃料電池における酸素消費によって、酸素分圧の低下が小さくなる。すなわち、酸素の平均分圧は高くなり、燃料電池の発電性能は高まることとなる。従って、空気利用率は小さいことが望ましいようにも思える。

ところが、空気利用率が小さい場合、供給空気量が大きくなるので、空気供給を行うコンプレッサの所要電力が増加してしまう。このように、空気利用率が小さい場合、燃料電池の発電性能は高まる反面、コンプレッサの所要電力が増加することとなり、空気利用率は小さ過ぎることも望ましいとはいえない。以上より、燃料電池には、高い発電性能を維持しつつもコンプレッサの所要電力を抑えて高効率運転が可能な空気利用率が存在するといえる。

また、燃料電池の出力電流の変化によらず、高効率運転可能な空気利用率を維持するように制御することが一般的に知られている。すなわち、高い発電要求が合った場合には、燃料電池における酸素消費量が増加するため、空気利用率を一定に維持すべく供給空気量を多くするように制御することが一般的に知られている（例えば特許文献１参照）。
特表平７−５０５０１１号公報

しかしながら、従来、燃料電池の空気利用率を一定にするため、上記燃料電池を燃料電池自動車に適用した場合、車両から高い発電要求があったときに車速とは無関係に供給空気量を多くすることとなってしまう。よって、車速が低い場合にはロードノイズや駆動騒音など走行に関する騒音が低いにも関わらず、供給空気量を多くするため、コンップレッサは高速回転することとなる。故に、コンプレッサの回転が走行に関する騒音より耳障りとなり運転時における快適性を損なうという問題が生じてしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、運転時における快適性を維持することが可能な燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池を動力源とする車両に搭載されるものであり、車速を検出する車速センサと、コントローラとからなっている。コントローラは、運転者のアクセル操作に応じて燃料電池が出力すべき目標電流の値を決定し、決定した目標電流の値と燃料電池の空気利用率とに応じて燃料電池に供給する供給空気量を制御する。さらに、コントローラは、車速センサにより検出された車速が低くなるに応じて燃料電池の空気利用率が高くなるように空気利用率を決定して供給空気量を制御する。

本発明によれば、車速センサにより検出された車速が低くなるに応じて燃料電池の空気利用率が高くなるように、空気利用率を決定するので、車速が低い場合に空気利用率が高くなって燃料電池への空気の供給量を少なくすることとなる。この結果、コンプレッサは高速回転の必要がなくなり、コンプレッサからの音は走行に関する騒音よりも目立ちにくくなる。従って、運転時における快適性を維持することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一又は同様の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池を駆動源とする車両に搭載されており、空気極への空気の供給及び燃料極への水素ガスの供給により発電を行う燃料電池スタック１を備えている。

燃料電池スタック１は、水素ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気極とが電解質を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。燃料極では、水素ガスが供給されるとその水素を水素イオンと電子とに解離させ、水素イオンは電解質を通り、電子は外部回路を通って電力を発生させて、空気極にそれぞれ移動する。空気極では、供給された空気中の酸素と水素イオン及び電子が反応して水が生成され、外部に排出される。

燃料電池スタック１の電解質としては、高エネルギー密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。

燃料電池スタック１の空気極入口には、空気極に空気を供給する空気供給系が設けられている。この空気供給系は、コンプレッサ２と、水蒸気交換器３とからなり、空気は、コンプレッサ２の駆動によって大気中から取り込まれ、コンプレッサ２で調圧された上で、水蒸気交換器３によって加湿されて燃料電池スタック１の空気極へと供給される。

また、燃料電池スタック１の空気極出口には、空気排気系が設けられている。この空気排気系は、上記水蒸気交換器３と、空気調圧バルブ４とからなる。燃料電池スタック１の空気極を通過した空気は、水蒸気交換器３により除湿され、空気調圧バルブ４を介して大気中に排出される。

また、燃料電池スタック１の燃料極入口には、燃料極に水素ガスを供給する水素供給系が設けられている。この水素供給系は、水素タンク５と、水素調圧バルブ６と、イジェクタ７とを有しており、水素タンク５から取り出された水素ガスが、水素調圧バルブ６を通過した後、イジェクタ７を通過して燃料電池スタック１の燃料極へと供給される。

燃料電池スタック１の燃料極出口は、イジェクタ７の吸い込み口に接続されている。

イジェクタ７では、燃料電池スタック１の燃料極を通過して未使用のまま排出された排出ガスと、水素タンク５から新たに取り出された水素ガスとが混合される。そして、イジェクタ７で混合された水素ガスが、燃料電池スタック１の燃料極へと供給される。

また、燃料電池スタック１は、発電の際には電気化学反応に伴って発熱するが、適正な作動温度が８０℃程度と比較的低いことから、これを冷却することが必要である。そこで、燃料電池スタック１に冷却水を供給してこれを冷却する冷却水循環系が設けられている。

この冷却水循環系は、冷却水を循環させて燃料電池スタック１に供給するための冷却水循環ポンプ８と、熱交換器９とを有し、冷却水循環ポンプ８によって冷却水に運動エネルギを与えて冷却水流路内を移動させ、この冷却水を燃料電池スタック１に供給することによってこれを冷却し、燃料電池スタック１の温度を最適な温度に維持する。また、燃料電池スタック１の冷却により加熱された冷却水は、熱交換器９で冷却されて再度燃料電池スタック１に供給される。

さらに、燃料電池システム１００は、パワーモジュール１０を有し、パワーモジュール１０は、燃料電池スタック１における発電、二次電池１１の充放電、コンプレッサモータ１２の力行、並びに駆動モータ１３の力行及び回生を配分している。

また、燃料電池システム１００はコントローラ１４を有し、コントローラ１４はコンプレッサモータ１２等を制御するようになっている。さらに、コントローラ１４は、アクセルペダル１５への操作情報、車速を検出する車速センサ１６からの車速情報、車両の前後方向の加速度を検出する加速度センサ１７からの加速度情報、及び走行路の傾斜角を記憶したナビゲーション装置１８からの傾斜情報を入力する構成となっている。さらにはコントローラ１４は、タッチパネルなどにより乗員の人数情報を入力可能な操作部（入力手段）１９からの人数情報、及び車高の変化から車重を検出する車重センサ２０を入力する構成となっている。また、コントローラ１４は、これらの情報にからコンプレッサモータ１２の駆動を制御する構成となっている。

具体的にコントローラ１４は、コンプレッサモータ１２を制御するにあたり、まず、運転者のアクセル操作に応じて燃料電池スタック１が出力すべき目標電流の値を求めるようになっている。また、コントローラ１４は、この目標電流の値と燃料電池の空気利用率とに応じて燃料電池に供給する供給空気量を制御する構成となっている。すなわち、コントローラ１４は、目標電流の値から、発電に必要となる酸素量を求め、この酸素量を理論的に含む空気量を求め、その後、燃料電池の空気利用率から、供給すべき供給空気量を求めて、供給空気量が得られるようにコンプレッサモータ１２の駆動を制御する構成となっている。

ここで、コントローラ１４は、車速センサ１６からの車速が低くなるに応じて燃料電池の空気利用率が高くなるように制御するようになっている。すなわち、コントローラ１４は、車速が低いときには空気利用率を高くすることで、供給空気量を減らすと共にコンプレッサモータ１２の回転を抑え、コンプレッサ２からの音を走行に関する騒音よりも目立ちにくくする。

また、コントローラ１４は、空気利用率を制御するにあたり空気利用率マップを参照する。図２は、空気利用率マップを示す説明図である。同図に示すように、空気利用率マップは、車速及び電流値をパラメータとし、車速が低くなるに応じて燃料電池の空気利用率が高くなるようにされた３次元マップである。コントローラ１４は、目標電流の値を求め、車速センサ１６からの車速情報を入力すると、このマップを参照して適合する空気利用率を求める。そして、コントローラ１４は、目標電流の値を得るために必要な空気量と、空気利用率とから供給すべき供給空気量を求め、供給空気量が得られるようにコンプレッサモータ１２の駆動を制御することとなる。

さらに、コントローラ１４は、加速度センサ１７、ナビゲーション装置１８、操作部１９、及び車重センサ２０からの情報によって、決定した空気利用率を補正する構成となっている。すなわち、コントローラ１４は、加速度センサ１７やナビゲーション装置１８からの情報により、自車両が坂道などを走行すると判断できる場合に、高い出力を得るために空気利用率を低める。また、操作部１９や車重センサ２０からの情報により、車両の重量が通常時よりも大きいと判断できる場合に、高い出力を得るために空気利用率を低める。

また、コントローラ１４は、高い出力を得るために、燃料電池の運転圧力を制御する。ここで、コントローラ１４は、燃料電池の運転圧力を制御するにあたり運転圧力マップを参照する。図３は、運転圧力マップを示す説明図である。同図に示すように、運転圧力マップは、車速及び電流値をパラメータとし、車速が低くなるに応じて運転圧力が高くなるようにされた３次元マップである。コントローラ１４は、目標電流の値と車速センサ１６からの車速情報とから、このマップを参照することで運転圧力を求める。そして、コントローラ１４は、運転圧力を制御すべく、コンプレッサ２、空気調圧バルブ４及び水素調圧バルブ６を制御することとなる。

次に、燃料電池システム１００の動作を説明する。まず、車両走行中において、車速センサ１６は車速の情報をコントローラ１４に送信する。また、コントローラ１４は、アクセル操作に応じて、燃料電池スタック１が出力すべき目標電流の値を求める。

次いで、コントローラ１４は、この目標電流の値と車速とから、図２に示した空気利用率マップを参照して燃料電池の空気利用率を求める。そして、コントローラ１４は、求めた空気利用率から、供給すべき供給空気量を求め、供給空気量が得られるようにコンプレッサモータ１２の駆動を制御する。これにより、車速が低い場合には、コンプレッサからの音は走行に関する騒音よりも目立ちにくくして、運転時における快適性を維持することとなる。また、この制御により出力電力の低下を抑制することができる。

図４は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧の相関を示すグラフであり、コンプレッサ２の回転を抑制するために、単に出力電流を抑制した場合の例を示している。車両から高い発電要求があったときに、単純に出力電流を制限することで、コンプレッサ２の回転を抑制した場合、図４に示すように、出力電力の著しい低下を招いてしまう（図４：点Ａ→点Ｂ）。

図５は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧の相関を示すグラフであり、本実施形態にように車速に応じて空気利用率を決定し、コンプレッサ２の回転を抑制する場合の例を示している。同図に示すように、本実施形態にように低速時において空気利用率を高くしてコンプレッサ２の回転を抑制すると、単純に出力電流を制限してコンプレッサ２の回転を抑制した場合（図５：点Ａ→点Ｂ）に比べ、出力電力の低下を抑制することができる（図５：点Ａ→点Ｃ）。すなわち、本実施形態では単にコンプレッサ２の回転を抑制しているだけでなく、出力電力の低下を抑制しているといえる。

また、コントローラ１４は、空気利用率を補正する。すなわち、コントローラ１４は、車速センサ１６にて検出された車速の増減割合から加速度を求める。また、コントローラ１４は、加速度センサ１７にて検出された加速度が車速から求めた加速度よりも所定値以上大きいか否かを判断する。そして、加速度センサ１７にて検出された加速度が車速から求めた加速度よりも所定値以上大きい場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。

ここで、例えば、車両が傾斜角１０度の坂道を走行しているとする。車速センサ１６にて検出された車速の増減割合から求めた加速度は、この傾斜角に何ら影響を受けることなく、例えばＸｍ／ｓ^２と求められる。他方、加速度センサ１９にて検出される加速度は、車両が走行する道路の傾斜角に影響を受ける。すなわち、車両が傾斜角１０度の上り坂を走行しているとすると、加速度センサ１９にて検出される加速度は、（Ｘ＋ｓｉｎ１０°）ｍ／ｓ^２となる。つまり、加速度センサ１９は坂道において重力の影響を受けて検出値が変動する。このため、コントローラ１４は、加速度センサ１７にて検出された加速度が車速から求めた加速度よりも所定値以上大きい場合、車両が上り坂を走行していると判断する。

そして、コントローラ１４は、車両が上り坂を走行している場合、大きな出力が必要となることから、空気利用率を低める。すなわち、コントローラ１４は、ロードノイズよりもコンプレッサ２からの音の方が目立ちやすくなるものの、一時的にコンプレッサ２の回転を速めて供給空気量を多くし、空気利用率を低める。これにより、コントローラ１４は、必要時に出力電力の増加を図ることができる。

また、コントローラ１４は、ナビゲーション装置１８に記憶された現在地点の傾斜角が上り方向に所定角以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。つまり、上記と同様に一時的に空気利用率を低めて、必要時に出力電力の増加を図る。

また、コントローラ１４は、操作部１９に入力された乗員の人数が所定人数以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。さらに、コントローラ１４は、車重センサにより検出された車重が所定重量以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。これらの場合、車両の重量が通常よりも大きくなっているため、大きな出力が必要となることから、空気利用率を低める。これにより、上記と同様に必要時に出力電力の増加を図る。

また、コントローラは、アクセル開度が一定値以上である場合にも、決定した空気利用率を低めるように補正する。すなわち、アクセル開度が一定値以上である場合には、大きな出力が必要となる。このため、コントローラ１４は、空気利用率を低めて、上記と同様に必要時に出力電力の増加を図る。

さらに、コントローラ１４は、この目標電流の値と車速とから、図３に示した運転圧力マップを参照して燃料電池の運転圧力を求める。そして、コントローラ１４は、求めた運転圧力から、コンプレッサ２、空気調圧バルブ４及び水素調圧バルブ６を制御する。これにより、コントローラ１４は、出力電力の増加を図る。

図６は、燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧の相関を示すグラフであり、運転圧力を増加させた場合の例を示している。同図に示すように、運転圧力を上げると、出力電力量は増加する。このため、コントローラ１４は、低速時に空気利用率を高め、コンプレッサ２の回転を抑えつつも、低下する電力を抑制するために運転圧力を高める（図６：点Ｃ→点Ｄ）。

このようにして、本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、車速センサ１６により検出された車速が低くなるに応じて燃料電池スタック１の空気利用率が高くなるように、空気利用率を決定するので、車速が低い場合に空気利用率が高くなって燃料電池スタック１への空気の供給量を少なくすることとなる。この結果、コンプレッサ２は高速回転の必要がなくなり、コンプレッサ２からの音は走行に関する騒音よりも目立ちにくくなる。従って、運転時における快適性を維持することができる。

また、空気利用率マップを有するので、空気利用率の決定を容易に行うことができる。

また、車速センサ１６にて検出された車速の増減割合から加速度を求めると共に、加速度センサ１７にて検出された加速度が車速から求めた加速度よりも所定値以上大きい場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。また、ナビゲーション装置１８に記憶された現在地点の傾斜角が上り方向に所定角以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。また、乗員の人数が所定人数以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。さらに、車重センサ２０により検出された車重が所定重量以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。さらには、アクセル開度が一定値以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する。すなわち、これらの場合には、ロードノイズよりもコンプレッサ２からの音の方が目立ちやすくなるものの、一時的にコンプレッサ２の回転を速めて供給空気量を多くして、空気利用率を低める。これにより、必要時には出力電力の増加を図ることができる。

また、車速センサ１６により検出された車速が低くなるに応じて燃料電池スタック１の運転圧力が大きくなるように運転圧力を決定し、決定した運転圧力に制御することとしている。これにより、出力電力量の増加を図っている。すなわち、車両低速時には、低速時に空気利用率を高めてコンプレッサ２の回転を抑えるため、出力電力量が低下するものの、運転圧力を高めることで低下する電力量を抑制することができる。

また、運転圧力マップを有するので、空気利用率の決定を容易に行うことができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 空気利用率マップを示す説明図である。 運転圧力マップを示す説明図である。 燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧の相関を示すグラフであり、コンプレッサ２の回転を抑制するために、単に出力電流を抑制した場合の例を示している。 燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧の相関を示すグラフであり、本実施形態にように車速に応じて空気利用率を決定し、コンプレッサ２の回転を抑制する場合の例を示している。 燃料電池スタック１の出力電流及び出力電圧の相関を示すグラフであり、運転圧力を増加させた場合の例を示している。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…コンプレッサ
３…水蒸気交換器
４…空気調圧バルブ
５…水素タンク
６…水素調圧バルブ
７…イジェクタ
８…冷却水循環ポンプ
９…熱交換器
１０…パワーモジュール
１１…二次電池
１２…コンプレッサモータ
１３…駆動モータ
１４…コントローラ
１５…アクセルペダル
１６…車速センサ
１７…加速度センサ
１８…ナビゲーション装置
１９…操作部（入力手段）
２０…車重センサ
１００…燃料電池システム

Claims (11)

1. 燃料電池を動力源とする車両に搭載される燃料電池システムであって、
   車速を検出する車速センサと、
   運転者のアクセル操作に応じて燃料電池が出力すべき目標電流の値を決定し、決定した目標電流の値と燃料電池の空気利用率とに応じて燃料電池に供給する供給空気量を制御するコントローラと、を備え、
   前記コントローラは、前記車速センサにより検出された車速が低くなるに応じて燃料電池の空気利用率が高くなるように空気利用率を決定して供給空気量を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記コントローラは、車速をパラメータとし、車速が低くなるに応じて燃料電池の空気利用率が高くなるようにされた空気利用率マップを有し、前記空気利用率マップを参照することで空気利用率を決定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. 前記空気利用率マップは、車速の他に、電流値をパラメータとした３次元マップであ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. 車両前後方向の加速度を検出する加速度センサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記車速センサにて検出された車速の増減割合から加速度を求めると共に、加速度センサにて検出された加速度が車速から求めた加速度よりも所定値以上大きい場合、決定した空気利用率を低めるように補正する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 走行路の傾斜角を記憶したナビゲーション装置をさらに備え、
   前記コントローラは、前記ナビゲーション装置に記憶された現在地点の傾斜角が上り方向に所定角以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. 乗員の人数情報を入力可能な入力手段をさらに備え、
   前記コントローラは、前記入力手段により入力された乗員の人数が所定人数以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
7. 車高の変化から車重を検出する車重センサをさらに備え、
   前記コントローラは、前記車重センサにより検出された車重が所定重量以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 前記コントローラは、アクセル開度が一定値以上である場合、決定した空気利用率を低めるように補正することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
9. 前記コントローラは、前記車速センサにより検出された車速が低くなるに応じて燃料電池の運転圧力が大きくなるように運転圧力を決定し、決定した運転圧力に燃料電池を制御することを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
10. 前記コントローラは、車速をパラメータとし、車速が低くなるに応じて燃料電池の運転圧力が高くなるようにされた運転圧力マップを有し、前記運転圧力マップを参照することで運転圧力を決定することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記運転圧力マップは、車速の他に、電流値をパラメータとした３次元マップであることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システム。
    

Images