JP4821949B2 - 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し、特に、システム起動時の出力制限制御に関する。

燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギーを取り出すことのできる発電システムである。燃料電池車両は、高圧水素タンク等の水素貯蔵源を車両に搭載し、そこから供給される水素と、外気から取り込んだ空気を燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギーでトラクションモータを駆動させている。セルの出力電圧は約１Ｖ程度と低いため、燃料電池システムを車両駆動用電源として用いるには、数百セルを直列接続した燃料電池スタックとして構成される。燃料電池システムを運転する際には、局所的に発生する反応ガス不足やフラッディング等の状態悪化を検出して、過電流による燃料電池の損傷を事前に防止し、十分な出力が取り出せるように燃料電池の状態を回復させる必要がある。特許文献１には、セル電圧が所定値より低下した場合に燃料電池の出力を制限するとともに、セル電圧が出力制限前の平均セル電圧を越えて回復した場合に燃料電池の出力制限を解除する技術が提案されている。
特開２００４−１５２６０４号

しかし、燃料電池車両では、燃料電池を運転停止した状態で一定時間放置し、その後の燃料電池の起動直後に急加速するなどして、燃料電池に急に大きな発電要求をすると、セル電圧が低下する場合がある。セル電圧低下が生じると、燃料電池の破損を防止するため、システム停止する場合もある。このような事情に鑑み、従来では予め設定された出力制限特性をマップデータとして記憶しておき、システム起動後にはこのマップデータに基づいて出力制限を行っているので、燃料電池の内部状態が良好で安定発電できるにも拘らず出力が制限される場合があり、走行性能（ドライバビリティ）が悪化していた。

ところで、燃料電池を運転停止して、ある一定時間を越えて長時間ソーク放置すると、セル電圧低下傾向が改善されることが確認されている。この特性を利用すれば、長時間のソーク放置後においては、出力制限することなく燃料電池を運転することができるので、走行性能の改善が見込める。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、システム起動直後から高負荷を印加できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池システムは、システム起動時に燃料電池の出力制限を行う燃料電池システムであって、燃料電池の出力制限特性を記憶する記憶装置と、燃料電池のソーク放置時間を計測する計測手段と、計測手段が計測したソーク放置時間と記憶装置に記憶された出力制限特性とに基づいて燃料電池の出力を制限する出力制限手段とを備え、出力制限手段は、ソーク放置時間が第１の時間未満のときは出力制限の実行を抑制し、ソーク放置時間が第１の時間以上第２の時間未満のときには出力制限を実行し、ソーク放置時間が第２の時間以上のときには出力制限の実行を抑制する。燃料電池のソーク放置時間に応じて出力制限を変更できるので、ソーク放置時間に応じて刻々と変化する燃料電池の内部状態に応じて最適な出力制限を実現できる。ソーク放置時間が第１の時間未満の場合は、アノード側への凝縮水の移動が不十分なため、フラッディングは殆ど生じない。ソーク放置時間が第２の時間以上の場合は、アノード側へ移動した凝縮水は自然乾燥等により大部分が消失するので、フラッディングは殆ど生じない。つまり、ソーク放置時間が第１の時間未満、或いは第２の時間以上の範囲では、システム起動時のセル電圧低下が殆どみられないので、燃料電池の出力制限の実行を抑制する。但し、第２の時間は、第１の時間よりも長い時間とする。

出力制限手段は、ソーク放置時間と出力制限特性とに基づいて、燃料電池の出力制限値を設定するのが好ましい。出力制限値とは、例えば、発電許容電流値又は発電許容電力値などである。

本発明の燃料電池システムは、上述の構成に加えて更に、燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代とに基づいて出力制限特性を補正する学習制御手段を備えてもよい。学習制御により、個々の燃料電池の特性に応じた最適な出力制限を実施できる。

出力制限手段は、燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線に基づいて燃料電池の出力を制限してもよい。燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線に基づいて燃料電池の出力を制限することで、個々の燃料電池の特性に応じた最適な出力制限を実施できる。

本発明によれば、燃料電池のソーク放置時間に応じて出力制限を変更できるので、ソーク放置時間に応じて刻々と変化する燃料電池の内部状態に応じて最適な出力制限を実現できる。

以下、各図を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池電気自動車の電気系統を中心とするシステム構成図である。燃料電池システム１０は、主に、複数のセルが直列に積層されてなる燃料電池（セルスタック）２０と、燃料電池２０のアノードに燃料ガス（水素ガス）を供給する燃料ガス供給装置２１と、燃料電池２０のカソードに酸化ガス（空気）を供給する酸化ガス供給装置２２と、燃料電池２０のセル電圧を検出するセル電圧検出装置２３と、燃料電池２０の発電電力又は車両制動時の回生エネルギーを蓄電する二次電池（蓄電装置）３４と、燃料電池２０の出力電圧を調整して、燃料電池２０と二次電池３４との電力供給分配を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ３３と、燃料電池２０又は二次電池３４から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ（車両走行モータ）３２に供給するインバータ３１と、システム全体を制御する制御装置４０を備えて構成されている。計測手段４１は燃料電池２０のソーク放置時間（又は運転停止時間）を計測する手段であり、例えば、制御装置４０にシステム停止信号が入力されてから次回のシステム起動信号が入力されるまでの時間を計測する。記憶装置４２は燃料電池２０の出力制限値（発電許容電流値又は発電許容電力値などの出力制限特性）をマップ値とする２つのマップデータ５１，５２を記憶している。第１のマップデータ５１は、セル電圧が低下し易い状態下で燃料電池２０を運転するときを想定した低出力特性の出力制限マップデータである。第２のマップデータ５２は、セル電圧が低下し難い状態下で燃料電池２０を運転する場合を想定した高出力特性の出力制限マップデータである。

燃料ガス供給装置２１は、例えば、水素ガスを高圧に封入した高圧水素タンク、水素吸蔵合金に水素を貯蔵した水素貯蔵タンク、又は改質原燃料（メタン、エタン、プロパン、ブタンなど）から水素ガスを生成する改質器などによって構成される。酸化ガス供給装置２２は、例えば、外気から取り込んだ空気を圧縮するエアコンプレッサなどによって構成される。セル電圧検出装置２３は、燃料電池２０を構成する各々のセルのセル電圧、又は複数のセルから成るセル群のセル電圧を検出する。本明細書では、単一のセルの出力電圧だけでなく、複数のセルから成るセル群の出力電圧をも含めて、セル電圧と称する。

制御装置４０は、アクセル開度や車速等を基にシステム全体の要求電力（車両走行電力と補機電力の総和）を求める。次に、燃料電池２０と二次電池３４の出力電力の配分を決定し、燃料電池２０の発電量が目標電力に一致するように燃料ガス供給装置２１と酸化ガス供給装置２２を制御して燃料電池２０への反応ガス供給量を調整するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３３を制御して燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整する。更に、制御装置４０はアクセル開度に応じて目標車速が得られるようにインバータ３１を制御し、トラクションモータ３２の回転数及び回転トルクを調整する。

図３は燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線を示している。同図に示すように、ソーク放置時間Ｔが時間ｔ１以上かつ時間ｔ２未満の範囲では、システム起動時のセル電圧低下代が大きい。セル電圧低下代とは、平均セル電圧と最低セル電圧との電圧差をいう。最低セル電圧とは、システム起動時に急加速等のある程度の負荷をかけたときのセル電圧の最小値をいう。このように、電池運転を暫らく停止してから再び電池運転を開始すると、カソードで生成された凝縮水等は電解質膜を透過してアノード側に移動する。アノード上を被覆する水滴はシステム起動時におけるアノードへの水素供給を妨げるので、反応ガス供給不足が生じ、セル電圧低下を引き起こす（フラッディング）。ところが、ソーク放置時間Ｔが時間ｔ１未満の場合は、アノード側への凝縮水の移動が不十分なため、フラッディングは殆ど生じない。ソーク放置時間Ｔが時間ｔ２以上の場合は、アノード側へ移動した凝縮水は自然乾燥等により大部分が消失するので、フラッディングは殆ど生じない。つまり、ソーク放置時間Ｔが時間ｔ１未満又はｔ２以上の範囲では、システム起動時のセル電圧低下が殆どみられない。

図４は燃料電池Ａ，Ｂそれぞれのソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線を示している。同図に示すように、燃料電池Ａはソーク放置時間が僅かでもシステム起動時のセル電圧低下代が大きくなるのに対し、燃料電池Ｂはソーク放置時間がある程度以上でないとシステム起動時のセル電圧低下が生じない特性を有している。このように、ソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性は個々の燃料電池毎に異なっているので、出力制限処理についても、個々の燃料電池の特性を反映した適切な処理をするのが望ましい。

尚、システム起動時の燃料電池２０の出力制限とは、燃料電池起動時は燃料電池２０に接続する負荷からの発電要求があっても、発電要求値に対応した発電制御の実施を制限することをいう。即ち、システム起動時に燃料電池２０が安定的に発電できるまでは、燃料電池２０への発電要求を制限又は無視することで、速やかに安定的に発電できる状態へ移行させる制御をいう。

図２は燃料電池２０の出力制限処理を記述した制御ルーチンを示している。本制御ルーチンは、システム起動時に制御装置４０によって一定のインターバルで繰り返し実行される。本制御ルーチンが呼び出されると、制御装置４０は、燃料電池２０のソーク放置時間Ｔがｔ１≦Ｔ＜ｔ２であるか否か、つまり、システム起動時にある程度の高負荷をかけたときに、セル電圧が低下し易い状態であるか否かを判定する（Ｓ１）。ｔ１≦Ｔ＜ｔ２である場合には（Ｓ１；ＹＥＳ）、セル電圧が低下し易い状態にあるので、第１のマップデータ５１に基づいて出力制限値を定め、燃料電池２０の出力電流及び出力電力が出力許容値を超えないように、燃料電池２０の運転ポイントを調整する（Ｓ２）。次いで、制御部４０はセル電圧が低下しているか否かを判定し（Ｓ３）、セル電圧が低下している場合には（Ｓ３；ＹＥＳ）、燃料電池２０の出力制限が不十分なので、出力制限値が低めになるように、第１のマップデータ５１を補正（マップ調整）する（Ｓ４）。セル電圧が低下していない場合には（Ｓ３；ＮＯ）、燃料電池２０の出力制限は十分なので、本制御ルーチンを抜ける。一方、Ｔ＜ｔ１又はｔ２≦Ｔである場合には（Ｓ１；ＮＯ）、セル電圧が低下し難い状態にあるので、第２のマップデータ５２に基づいて出力制限値を定め、燃料電池２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整する（Ｓ５）。

制御装置４０は、燃料電池２０の出力を制限する出力制限手段（Ｓ２，Ｓ５）として機能するとともに、本制御ルーチンを繰り返し実行することで、第１のマップデータ５１を最適な出力制限マップデータに補正する学習制御手段（Ｓ４）としても機能する。

本実施例によれば、ソーク放置時間に応じて燃料電池２０の出力制限を行うので、ソーク放置時間に応じて刻々と変化する燃料電池２０の内部状態に応じて最適な出力制限を実現できる。また、本実施例によれば、出力制限処理ルーチンを繰り返し実行することで、燃料電池２０の特性に適合する最適な出力制限マップデータを得ることが出来るので、システム起動直後から高負荷走行が可能になり、運転性能の向上を実現できる。

本実施形態の燃料電池電気自動車のシステム構成図である。 出力制限処理ルーチンを記述したフローチャートである。 ソーク放置時間とセル電圧低下代との関係特性曲線である。 ソーク放置時間とセル電圧低下代との関係特性曲線の比較図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ２１…燃料ガス供給装置 ２２…酸化ガス供給装置 ２３…セル電圧検出装置 ３１…インバータ ３２…トラクションモータ ３３…ＤＣ／ＤＣコンバータ ３４…二次電池 ４０…制御装置 ４１…計測手段 ４２…記憶装置 ５１…第１のマップデータ ５２…第２のマップデータ

Claims (4)

1. システム起動時に燃料電池の出力制限を行う燃料電池システムであって、
   燃料電池の出力制限特性を記憶する記憶装置と、
   燃料電池のソーク放置時間を計測する計測手段と、
   前記計測手段が計測したソーク放置時間と前記記憶装置に記憶された出力制限特性とに基づいて前記燃料電池の出力を制限する出力制限手段とを備え、
   前記出力制限手段は、前記ソーク放置時間が第１の時間未満のときは前記出力制限の実行を抑制し、前記ソーク放置時間が第１の時間以上第２の時間未満のときには前記出力制限を実行し、前記ソーク放置時間が第２の時間以上のときには前記出力制限の実行を抑制する、燃料電池システム。
2. 請求項１に載の燃料電池システムであって、
   前記出力制限手段は、前記ソーク放置時間と前記出力制限特性とに基づいて、前記燃料電池の出力制限値を設定する、燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代とに基づいて前記出力制限特性を補正する学習制御手段を更に備える、燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記出力制限手段は、燃料電池のソーク放置時間とシステム起動時のセル電圧低下代との関係特性曲線に基づいて前記燃料電池の出力を制限する、燃料電池システム。

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