JP4725239B2 - 燃料電池車両及び暖機用ヒータ運転方法 - Google Patents

燃料電池車両及び暖機用ヒータ運転方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池及び二次電池を搭載した燃料電池車両に関するものである。
燃料電池及び二次バッテリを搭載した燃料電池車両においては、燃料電池は、二次バッテリと並列に接続されており、この二次バッテリと共に、車両の動力源であるトラクションモータに対し電力を供給をしている。すなわち、トラクションモータに供給される電力は、通常、燃料電池から出力された電力によって賄われるが、動力の増加要求が出されて、燃料電池から出力された電力だけでは足りない場合は、二次バッテリから出力される電力によって不足分を補うようしている。
また、このような燃料電池車両においては、暖機用ヒータが搭載される場合がある。かかる暖機用ヒータは、燃料電池の温度が低温である場合に、燃料電池に供給される冷却水を加熱して、燃料電池の暖機を行う。このような暖機用ヒータは、リレースイッチを介して、上記のごとく互いに並列に接続された燃料電池及び二次バッテリに接続されている。低温時において、暖機要求に基づきリレースイッチがオンされると、燃料電池の発電電力が増加するまでの間は、二次バッテリから暖機用ヒータに電力が供給されることになる。通常、燃料電池では、発電電力を増加させる際、燃料ガス(例えば、水素)の供給量や酸化ガス(例えば、エア)の供給量を増加させて、発電電力を増やそうとするが、エアコンプレッサなどの動作遅れに起因して、応答性が悪いため、要求される発電電力まで増加するのに時間を要する。
なお、このような、燃料電池から外部負荷に対して電力を供給するシステムとして、例えば、下記の特許文献1に記載の技術が知られている。
特開2002−93444号公報
しかしながら、このような燃料電池車両においては、暖機用ヒータによる電力消費に起因して、以下のような問題があった。
例えば、車両停止時において、燃料電池の温度が低温である場合、暖機要求に基づき、リレースイッチがオンされると、すぐさま、二次バッテリから暖機用ヒータに電力が供給され、暖機用ヒータでは、一定の電力消費が開始される。その後、車両が停止状態から発進し、さらに、運転者がアクセル操作を行って加速を要求すると、通常、トラクションモータには、燃料電池の発電電力が増加するまで、二次バッテリから電力が供給されることになる。しかしながら、今回の場合、既に、二次バッテリから暖機用ヒータに対し電力が供給され、暖機用ヒータにおいて一定の電力消費がなされているため、二次バッテリは、トラクションモータに対して、十分な電力を供給することができない。この結果、運転者がアクセル操作を行って加速を要求したにも関わらず、電力の不足により、トラクションモータの動力が増加されず、車両が加速されないため、ドライバビリティが悪化するという問題があった。
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、燃料電池車両において、暖機用ヒータによる電力消費に起因したドライバビリティの悪化を防ぐことができる技術を提供することにある。
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池車両は、燃料電池と二次電池とを備えた燃料電池車両であって、
前記燃料電池及び二次電池からの電力の供給を受けて、前記燃料電池車両に推進力を与える駆動モータと、
前記燃料電池を暖機するための暖機用ヒータと、
制御部と、
をさらに備え、
前記制御部は、前記暖機用ヒータに対する運転要求を受けた場合に、前記燃料電池における発電電力を増加させ、増加により得られた電力を前記二次電池に充電させると共に、増加により得られた前記電力が、前記暖機用ヒータの予想消費電力を上回った場合に、前記燃料電池から電力を前記暖機用ヒータに供給させることを要旨とする。
このように、本発明の燃料電池車両では、制御部が、暖機用ヒータに対する運転要求を受けても、直ちに、暖機用ヒータへ電力供給を開始するのではなく、燃料電池における発電電力を増加させ、増加により得られる電力が暖機用ヒータの予想消費電力を上回るまで待機し、その後、上回った場合に、燃料電池から暖機用ヒータへの電力供給を開始するようにしている。従って、例えば、暖機用ヒータに対する運転要求の前または後において、運転者がアクセル操作を行って加速を要求したとしても、燃料電池において、増加により得られる電力が十分でない間は、暖機用ヒータへの電力供給がなされないため、駆動モータには、二次電池から十分な電力が供給されることになる。この結果、加速要求がなされた後、直ちに、駆動モータの動力が増加し、車両が加速されることになるため、ドライバビリティが悪化することがない。
従って、本発明の燃料電池車両によれば、暖機用ヒータによる電力消費に起因したドライバビリティの悪化を防ぐことができる。
本発明の燃料電池車両において、前記制御部は、前記二次電池への充電電力を監視して、その充電電力が前記暖機用ヒータの消費電力を上回った場合に、前記燃料電池から電力を前記暖機用ヒータに供給させることが好ましい。
このように、二次電池への充電電力を監視して、その充電電力が暖機用ヒータの消費電力を上回った否かを判定することにより、燃料電池において、増加により得られた電力が、暖機用ヒータの予想消費電力を上回るようになったタイミングを正確に捉えることができる。
本発明の燃料電池車両において、前記制御部は、前記暖機用ヒータに対する運転要求を受けた場合に、前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料電池の最大出力を導き出し、導き出した前記最大出力に基づいて、前記燃料電池から前記暖機用ヒータへ供給することが可能な電力を求め、求めた前記供給可能電力が前記暖機用ヒータの予想消費電力を上回っている場合に、前記燃料電池における発電電力を増加させ、増加により得られた電力を前記二次電池に充電させることが好ましい。
このように、燃料電池の最大出力に基づいて供給可能電力を求め、その供給可能電力が暖機用ヒータの予想消費電力を上回っているか否かを判定することにより、燃料電池の動作状態によって、燃料電池が最大出力で発電を行っても、暖機用ヒータの消費電力を賄うことができない場合を排除することができる。
本発明の燃料電池車両において、前記制御部は、前記燃料電池の温度を、前記燃料電池の電流−電圧特性に基づいて推定するようにしてもよい。
燃料電池の電流−電圧特性には、温度依存性があるため、これを利用することにより、燃料電池の温度を推定することができる。
本発明の燃料電池車両において、前記制御部は、前記燃料電池の温度を、前記燃料電池の交流インピーダンスに基づいて推定するようにしてもよい。
燃料電池の交流インピーダンスには、温度依存性があるため、これを利用することにより、燃料電池の温度を推定することができる。
なお、本発明は、上記した燃料電池車両などの装置発明の態様に限ることなく、燃料電池車両における暖機用ヒータの運転方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
A.実施例の構成:
B.実施例の動作:
C.実施例の効果:
D.変形例:
A.実施例の構成:
図1は本発明の一実施例としての燃料電池車両に搭載される主要構成要素を示すブロック図である。図1に示す車両100は、主として、燃料電池102と、二次バッテリ104と、トラクションモータ118と、暖機用ヒータ124と、制御部128と、を搭載している。
このうち、二次バッテリ104は、コンバータ108を介して、燃料電池102と並列に接続されている。燃料電池102には、電流/電圧センサ126が、二次バッテリ104にも電流/電圧センサ106が、それぞれ接続されている。一方、トラクションモータ118,エアコンプレッサ120,水素ポンプ122は、それぞれ、インバータ110,112,114を介して、互いに並列に接続されており、さらに、暖機用ヒータ124が、リレースイッチ116を介して、それらに並列に接続されている。燃料電池102,二次バッテリ104と、トラクションモータ118,エアコンプレッサ120,水素ポンプ122,暖機用ヒータ124と、は直列に接続されている。
なお、図1において、各構成要素の配置は、図を見やすくするために、車両100内における実際の配置場所とは無関係な配置となっている。
燃料電池102は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する。燃料電池102としては、種々のタイプを適用可能であるが、本実施例では、固体高分子型を用いている。燃料電池102の水素極(図示せず)には、燃料ガスとしての水素が、車両内に設置された水素タンク(図示せず)から水素供給流路(図示せず)を介して供給される。燃料電池102から排出された水素オフガス(図示せず)は、水素ポンプ122の駆動により、水槽循環流路(図示せず)を介して水素供給流路に戻され、水素の循環に供される。また、燃料電池102の酸素極(図示せず)には、酸化ガスとしてのエアが、エアコンプレッサ120の駆動によって外部から取り入れられて、エア供給流路(図示せず)を介して供給される。
一方、二次バッテリ104は、コンバータ108によって、燃料電池102で発電された電力やトラクションモータ118で回生された電力を充電したり、充電された電力を放電したりする。
燃料電池102で発電された電力や二次バッテリ104から放電された電力は、インバータ110,112,114によって、トラクションモータ118,エアコンプレッサ120,水素ポンプ122に供給され、それらの駆動に用いられる。トラクションモータ118は、その回転軸(図示せず)がギヤ,シャフトなど(図示せず)を介して車輪(図示せず)に結合されており、トラクションモータ118の駆動によって、車両100に推進力を与える。
また、燃料電池102,二次バッテリ104からの電力は、リレースイッチ116がオンすることにより、暖機用ヒータ124にも供給されて、その駆動に供される。暖機用ヒータ124は、燃料電池102の近傍に配置されており、暖機用ヒータ124の駆動によって燃料電池102の暖機を行う。
電流/電圧センサ106は、二次バッテリ104の、電流/電圧センサ126は、燃料電池102の、それぞれ、電流及び電圧を測定する。
制御部128は、電流/電圧センサ106,126からの測定値などを取得し、種々の処理を行い、燃料電池102、コンバータ108、インバータ110,112,114及びリレースイッチ116などの制御を行う。
B.実施例の動作:
図2及び図3は図1の制御部128による暖機用ヒータ124の運転処理ルーチンを示すフローチャートである。運転者が車両100の運転開始を指示すると、制御部128は、燃料電池102等を起動する。その後、図2及び図3に示す処理ルーチンが開始され、制御部128は、暖機用ヒータ124に対する運転要求を受けるまで待機する(ステップS102)。燃料電池102の温度が低温であって、制御部128が、暖機用ヒータ124に対する運転要求を受けると、制御部128は、電流/電圧センサ126から、燃料電池102の電流,電圧の測定値を取得する(ステップS104)。
制御部128は、予めメモリ(図示せず)に格納されている、暖機用ヒータ124の抵抗値の情報に基づき、取得した燃料電池102の電圧の測定値から、暖機用ヒータ124の予想消費電力を算出する(ステップS106)。
また、制御部128は、取得した燃料電池102の電流,電圧の測定値から、その時点での燃料電池102の温度を推定する(ステップS108)。ここで、電流,電圧の測定値から温度を推定する方法について、図4及び図5を用いて説明する。
一般に、燃料電池の内部で発生する損失としては、活性化分極、抵抗分極、拡散分極が挙げられる。このうち、触媒活性に起因する活性化分極と、プロトン導電性に起因する抵抗分極(内部抵抗)については、温度依存性があり、両者とも、温度上昇に伴って小さくなる。
図4は燃料電池において標準起電力に対する各損失の寄与分を示す説明図である。図4において、縦軸は電圧を、横軸は電流をそれぞれ示している。燃料電池では、図4に示すように、標準起電力に対して、活性化分極と内部抵抗の寄与分だけ、発電の効率は落ちるが、温度が上昇すれば、これら損失は小さくなるため、発電の効率は改善する。
図5は燃料電池における電流−電圧特性の温度に対する変化を示す説明図である。図5において、縦軸は電圧を、横軸は電流をそれぞれ示している。図5に示すように、低温状態では、上記した活性化分極と内部抵抗の寄与分に起因して発電の効率が悪く、電流−電圧特性は斜めに傾斜した状態となっているが、高温状態になると、発電の効率が改善され、電流−電圧特性は横軸に平行な状態に近づく。従って、このような電流−電圧特性の温度に対する変化を利用すれば、燃料電池の温度を容易に推定することができる。
具体的には、各温度ごとの電流−電圧特性のマップを予めメモり(図示せず)に用意しておき、制御部128が、これらマップを参照して、取得した燃料電池の電流,電圧の測定値に基づき、何れの電流−電圧特性に近いかを求めて、燃料電池の温度を推定するのである。
さて、図2に戻って、次に、制御部128は、推定した燃料電池102の温度や、別途燃料電池102から取得した燃料電池102の状態(湿潤状態等)などに基づいて、その時点での燃料電池102の最大出力を導き出す(ステップS110)。そして、制御部128は、その時点でインバータ110,112,114に与えている、トラクションモータ118,エアコンプレッサ120,水素ポンプ122に対する電力指令値から、トラクションモータ118等に対する供給電力を算出し(ステップS112)、導き出した燃料電池102の最大出力から、算出したトラクションモータ118等に対する供給電力を減算することにより、燃料電池102から新たな負荷である暖機用ヒータ124へ供給することが可能な電力を求める(ステップS114)。そして、制御部128は、算出した供給可能電力と、ステップS106で算出した暖機用ヒータ124の予想消費電力と、を比較し、前者が後者を上回っているか否かを判定する(ステップS116)。
判定の結果、燃料電池102から暖機用ヒータ124への供給可能電力が、暖機用ヒータ124の予想消費電力を上回っている場合には、図3のZに処理を進める。逆に、上回っていない場合には、その時点で、燃料電池102が例え、最大出力で発電を行ったとしても、暖機用ヒータ124の消費電力を賄うことができないため、処理をリターンする。
図3のZに処理が進むと、次に、制御部128は、燃料電池102の発電電力が増加するよう制御する(ステップS202)。具体的には、制御部128は、燃料電池102に対する水素やエアの供給量を上げるよう、インバータ112,114や、供給流路に設けられたバルブ(図示せず)などを制御する。これにより、燃料電池102の発電電力は徐々に増加する。また、制御部128は、こうして燃料電池102の発電電力を増加することにより得られた電力を、二次バッテリ104に充電させるよう、コンバータ108を制御する(ステップS204)。この結果、燃料電池102において発電電力の増加により得られた電力は、コンバータ108を介して、二次バッテリ104に充電される。
次に、制御部128は、電流/電圧センサ106から、二次バッテリ104の電流,電圧の測定値を取得し(ステップS206)、それら測定値から、その時点において二次バッテリ104に充電される電力を算出する(ステップS208)。そして、制御部128は、その二次バッテリ104への充電電力が、ステップS106で算出した暖機用ヒータ124の予想消費電力を上回ったか否かを判定する(ステップS210)。
判定の結果、上回っていない場合には、再度、ステップS202に戻って同様の処理を繰り返す。すなわち、制御部128は、燃料電池102の発電電力を増加させながら、二次バッテリ104の電流,電圧の測定値に基づいて、二次バッテリ104への充電電力を監視する。
逆に、二次バッテリ104への充電電力が暖機用ヒータ124の予想消費電力を上回っている場合には、燃料電池102において、暖機用ヒータ124の消費電力を賄うのに十分な発電電力を得ることができたとして、二次バッテリ104への充電を停止するよう、コンバータ108を制御する(ステップS21)と共に、リレースイッチ116をオンして、燃料電池102で発電された電力をリレースイッチ116を介して暖機用ヒータ124に供給する。これにより、暖機用ヒータ124が駆動して、燃料電池102の暖機を開始する。その後、この一連の処理をリターンする。
C.実施例の効果:
以上説明したように、本実施例では、制御部128は、暖機用ヒータ124に対する運転要求を受けても、直ちにリレースイッチ116をオンして、暖機用ヒータ124へ電力を供給するのではなく、燃料電池102において、暖機用ヒータ124の消費電力を賄うのに十分な発電電力を得ることができるまで待機し、その発電電力を得ることができるようになってから、リレースイッチ116をオンして、暖機用ヒータ124へ電力を供給するようにしている。従って、例えば、暖機用ヒータ124に対する運転要求の前または後において、運転者がアクセル操作を行って加速を要求したとしても、燃料電池102の発電電力が十分でない間は、暖機用ヒータ124への電力供給がなされないため、トラクションモータ118には、二次バッテリ104から十分な電力が供給されることになる。よって、運転者がアクセル操作を行って加速を要求すると、直ちに、トラクションモータ118の動力が増加し、車両100が加速されるため、ドライバビリティが向上するという効果を奏する。
また、本実施例では、燃料電池102において、暖機用ヒータ124の消費電力を賄うのに十分な発電電力を得ることができるようになるまでの間、その発電電力の増加によりその間に得られる余剰電力を捨てることなく、全て、二次バッテリ104に充電しているため、発電した電力が無駄になることはない。
さらに、本実施例では、二次バッテリ104に充電される電力を監視して、その充電電力が暖機用ヒータ124の消費電力を上回った場合に、リレースイッチ116をオンして、暖機用ヒータ124への電力を供給するようにしている。このように、二次バッテリ104への充電電力を監視することにより、燃料電池102において、暖機用ヒータ124の消費電力を賄うのに十分な発電電力を得ることができるようになったタイミングを正確に捉えることができる。従って、リレースイッチ116をオンして、暖機用ヒータ124への電力供給を開始した場合に、暖機用ヒータ124での電力消費に、二次バッテリ104に充電されている電力が用いられることなく、暖機用ヒータ124での消費電力は燃料電池102で発電された電力によって賄われることになる。
D.変形例:
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
D−1.変形例1:
上記した実施例においては、燃料電池102の温度は、燃料電池102の電流,電圧の測定値から、燃料電池102の温度を推定していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、燃料電池102の交流インピーダンスの測定値から、燃料電池102の温度を推定するようにしてもよい。
一般に、燃料電池の交流インピーダンスに含まれる情報としては、主として、活性化分極、内部抵抗、パルク抵抗がある。それらのうち、活性化分極及び内部抵抗については、前述したとおり温度依存性があるため、交流インピーダンスの測定値から、燃料電池の温度を推定することができる。
燃料電池のコール・コールプロットで交流インピーダンスの温度依存性を示すと、図6に示すごとくになる。図6において、縦軸は交流インピーダンス測定値の虚部を示し、横軸はその実部を示す。前述したとおり、活性化分極及び内部抵抗は、温度上昇に伴って小さくなるため、交流インピーダンスの測定値も、温度上昇に伴って小さくなり、図6に示すように、プロットされた半円も小さくなる。
従って、或る周波数での交流インピーダンス測定値の実部の値に着目し、その値の変化から燃料電池の温度を推定することができる。
D−2.変形例2:
上記した実施例では、二次バッテリ104に充電される電力を監視して、その充電電力が暖機用ヒータ124の消費電力を上回った場合に、リレースイッチ116をオンして、暖機用ヒータ124への電力供給を開始するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようにして、暖機用ヒータ124への電力供給を開始するようにしてもよい。
一般に、燃料電池における発電電力の増加遅れは、前述したとおり、エアコンプレッサなどの動作遅れに起因している。そこで、図3のZに処理が進んだ際に、まず、制御部128は、燃料電池102において、暖機用ヒータ124の消費電力を賄うのに十分な発電電力を得るのに必要なエア流量(以下、必要エア流量という)を求める。次に、制御部128は、燃料電池102の発電電力が増加するよう制御する。具体的には、例えば、制御部128は、インバータ112を制御して、エアコンプレッサ120の回転数を上げてゆき、燃料電池102へ供給されるエア供給量を増加させる。また、制御部128は、燃料電池102の発電電力を増加することにより得られた電力を、二次バッテリ104に充電させるよう、コンバータ108を制御する。
続いて、制御部128は、エアコンプレッサ120から、その回転数を取得し、その値から、燃料電池102に供給されるエア流量を算出する。制御部128は、算出したエア流量が、先に求めた必要エア流量を上回ったか否かを判定し、上回っている場合には、二次バッテリ104への充電を停止するよう、コンバータ108を制御すると共に、リレースイッチ116をオンして、燃料電池102で発電された電力をリレースイッチ116を介して暖機用ヒータ124に供給するようにする。
なお、エアコンプレッサ120の回転数から、燃料電池102へ供給されるエア流量を求める代わりに、エア供給流路中にエアフロメータを設けて、燃料電池102へ供給されるエア流量を直接測定するようにしてもよい。
また、燃料電池102へ供給される水素流量を直接または間接的に測定できるのであれば、エア流量に代えて、水素流量に基づいて、暖機用ヒータ124への電力供給開始タイミングを得るようにしてもよい。
本発明の一実施例としての燃料電池車両に搭載される主要構成要素を示すブロック図である。 図1の制御部128による暖機用ヒータ124の運転処理ルーチンを示すフローチャートである。 図1の制御部128による暖機用ヒータ124の駆動処理ルーチンを示すフローチャートである。 燃料電池において標準起電力に対する各損失の寄与分を示す説明図である。 燃料電池における電流−電圧特性の温度に対する変化を示す説明図である。 燃料電池のコール・コールプロットで交流インピーダンスの温度依存性を示す説明図である。
符号の説明
100...燃料電池車両
102...燃料電池
104...二次バッテリ
106,126...電流/電圧センサ
108...コンバータ
110,112,114...インバータ
116...リレースイッチ
118...トラクションモータ
120...エアコンプレッサ
122...水素ポンプ
124...暖機用ヒータ
128...制御部

Claims (6)

  1. 燃料電池と二次電池とを備えた燃料電池車両であって、
    前記燃料電池及び二次電池からの電力の供給を受けて、前記燃料電池車両に推進力を与える駆動モータと、
    前記燃料電池を暖機するための暖機用ヒータと、
    制御部と、
    をさらに備え、
    前記制御部は、前記暖機用ヒータに対する運転要求を受けた場合に、前記燃料電池における発電電力を増加させ、増加により得られた電力を前記二次電池に充電させると共に、増加により得られた前記電力が、前記暖機用ヒータの予想消費電力を上回った場合に、前記燃料電池から電力を前記暖機用ヒータに供給させることを特徴とする燃料電池車両。
  2. 請求項1に記載の燃料電池車両において、
    前記制御部は、前記二次電池への充電電力を監視して、その充電電力が前記暖機用ヒータの予想消費電力を上回った場合に、前記燃料電池から電力を前記暖機用ヒータに供給させることを特徴とする燃料電池車両。
  3. 請求項1または請求項2に記載の燃料電池車両において、
    前記制御部は、前記暖機用ヒータに対する運転要求を受けた場合に、前記燃料電池の温度に基づいて前記燃料電池の最大出力を導き出し、導き出した前記燃料電池の最大出力に基づいて、前記燃料電池から前記暖機用ヒータへ供給することが可能な電力を求め、求めた前記供給可能電力が前記暖機用ヒータの予想消費電力を上回っている場合に、前記燃料電池における発電電力を増加させ、増加により得られた電力を前記二次電池に充電させることを特徴とする燃料電池車両。
  4. 請求項3に記載の燃料電池車両において、
    前記制御部は、前記燃料電池の温度を、前記燃料電池の電流−電圧特性に基づいて推定することを特徴とする燃料電池車両。
  5. 請求項3に記載の燃料電池車両において、
    前記制御部は、前記燃料電池の温度を、前記燃料電池の交流インピーダンスに基づいて推定することを特徴とする燃料電池車両。
  6. 燃料電池と、二次電池と、前記燃料電池及び二次電池からの電力の供給を受けて、前記燃料電池車両に推進力を与える駆動モータと、前記燃料電池を暖機するための暖機用ヒータと、を備えた燃料電池車両において、前記暖機用ヒータを運転するための暖機用ヒータ運転方法であって、
    (a)前記暖機用ヒータに対する運転要求があった場合に、前記燃料電池における発電電力を増加させ、増加により得られた電力を前記二次電池に充電させる工程と、
    (b)増加により得られた前記電力が、前記暖機用ヒータの予想消費電力を上回ったか否かを判定する工程と、
    (c)前記工程()において上回ったと判定された場合に、前記燃料電池から電力を前記暖機用ヒータに供給させる工程と、
    を備える暖機用ヒータ運転方法。
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