JP4895023B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
外部温度が低い場合には、燃料電池システムの停止後にその内部で発生した水が凍結し、配管や弁などが破損するという問題があるため、システム停止時に掃気処理を行うことで燃料電池内部に溜まった水分を外部に排出する方法が提案されている。
しかしながら、システム停止時に毎回掃気処理を行うと、本来、必要のない掃気処理が行われることにより燃料電池が必要以上に乾燥してしまい、かえって起動性が悪くなってしまう等の問題が生じる。
このような問題に鑑み、燃料電池システムの運転を停止する際に、燃料電池のインピーダンスを測定することにより、燃料電池の水分状態(すなわち、電解質膜の乾燥状態）を検出し、検出結果に基づいて掃気処理を制御する方法が提案されている(例えば特許文献１参照）。
特開２００２−２４６０５３号公報
ここで、燃料電池のインピーダンスを測定するためには燃料ガスが必要となるが、当該システムに停止命令が入力されると、燃料電池に対する燃料ガスの供給は停止され、インピーダンス測定に必要な燃料ガスの使用は制限されてしまう。よって、インピーダンス測定の回数を可能な限り減らしつつ（あるいはインピーダンス測定を行うことなしに）、燃料電池の水分状態を精度良く検出する必要があるが、かかる方法を実現するシステムは未だ提案されていない。
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、燃料電池の水分状態を精度良く検出することで、該燃料電池の水分量を適切に制御することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の関連温度の変化量を検出する変化量検出手段と、変化量基準値を記憶する記憶手段と、前記関連温度の変化量と前記変化量基準値との比較結果に基づいて前記燃料電池の水分状態を検出する水分状態検出手段とを具備することを特徴とする。
かかる構成によれば、燃料電池の関連温度の変化量と設定された変化量基準値との比較結果に基づいて燃料電池の水分状態を検出するため、繰り返しインピーダンス測定を行わずとも、該燃料電池の水分状態を把握することができる。よって、最小限のインピーダンス測定回数（例えば２回）にて、燃料電池の水分量を適正に保つような制御が可能となる。
また、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段を備えた燃料電池システムであって、掃気処理開始時の燃料電池のインピーダンスを記憶するメモリと、掃気処理開始後における燃料電池の関連温度を検出する関連温度センサと、前記関連温度の単位時間当たりの変化量を検出する検出手段と、変化量基準値を記憶する第１記憶手段と、前記関連温度の変化量と前記変化量基準値との比較結果に基づいて前記燃料電池のインピーダンスを測定するか否かを判断する判断手段と、インピーダンス基準値を記憶する第２記憶手段と、前記測定手段によって前記燃料電池のインピーダンスが測定された場合、測定されたインピーダンスと前記インピーダンス基準値との比較結果に基づいて、前記掃気処理を制御する掃気制御手段とを具備することを特徴とする。
ここで、上記構成にあっては、前記掃気制御手段は、測定されたインピーダンスと前記インピーダンス基準値との比較結果に基づいて、前記掃気処理を終了するか継続するかを判断し、判断結果に応じた制御を行う態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記掃気制御手段は、前記掃気処理を継続すると判断した場合、前記メモリに記憶されている掃気処理開始時の燃料電池のインピーダンスと、前記測定手段によって測定されたインピーダンスとを用いて掃気完了時間を推定し、推定した掃気完了時間が経過した後に前記掃気処理を終了する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、外気温度を検出する外気温度センサと、前記外気温度センサによって検出される外気温度に応じて前記変化量基準値を補正する補正手段とをさらに備え、前記判断手段は、補正された変化量基準値と前記関連温度の変化量との比較結果に基づいて前記燃料電池のインピーダンスを測定するか否かを判断する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記関連温度センサによって検出される関連温度に応じて前記変化量基準値を補正する補正手段をさらに備え、前記判断手段は、補正された変化量基準値と前記関連温度の変化量との比較結果に基づいて前記燃料電池のインピーダンスを測定するか否かを判断する態様が好ましい。
また、上記構成にあっては、前記関連温度の変化量は、前記関連温度の変化速度である態様が好ましく、前記関連温度は、前記燃料電池を循環する冷却水の温度である態様が好ましい。
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の水分状態を精度良く検出することで、該燃料電池の水分量を適切に制御することが可能となる。
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
Ａ．本実施形態
＜全体構成＞
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。
なお、以下の説明では、車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。
この車両は、車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結された同期モータ６１を駆動力源として走行する。同期モータ６１の電源は、燃料電池４０やバッテリ２０である。これら燃料電池４０やバッテリ２０から出力される電力は、インバータ６０で三相交流に変換され、同期モータ６１に供給される。同期モータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。
燃料電池４０は、供給される燃料ガス及び酸化ガスから電力を発生する手段であり、電解質膜を含むＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。具体的には、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。
冷却機構７０は、燃料電池４０を冷却する装置であり、冷却水を加圧して循環させるポンプ、冷却水の熱を外部に放熱する熱交換器（いずれも図示略）などを備えている。
燃料電池４０には、供給される各ガスの流量を検出する流量センサ４１、燃料電池側の冷却水の温度（ＦＣ出口温度）を検出する温度センサ（関連温度センサ）４３が設けられている。なお、本実施形態では、ＦＣ出口温度を想定するが、燃料電池まわりの部品温度など、燃料電池４０に関連する温度（関連温度）を検出することができるのであれば、どのような温度センサであっても良い。
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。その他、種々のタイプの二次電池を適用することができる。また、バッテリ２０に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列接続されている。
燃料電池４０とバッテリ２０とはインバータ６０に並列接続されており、燃料電池４０からインバータ６０への回路には、バッテリ２０からの電流または同期モータ６１において発電された電流が逆流するのを防ぐためのダイオード４２が設けられている。
このように、並列接続された燃料電池４０及びバッテリ２０の両電源の適切な出力分配を実現するためには両電源の相対的な電圧差を制御する必要がある。かかる電圧差を制御するために、バッテリ２０とインバータ６０との間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、直流の電圧変換器であり、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を調整して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０またはモータ６１から入力されたＤＣ電圧を調整してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０との間には、車両補機５０およびＦＣ補機５１が接続され、バッテリ２０はこれら補機の電源となる。車両補機５０とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器をいい、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。また、ＦＣ補機５１とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器をいい、燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータなどが含まれる。
上述した各要素の運転は、制御ユニット１０によって制御される。制御ユニット１０は、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット１０は、インバータ６０のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流を同期モータ６１に出力する。また、制御ユニット１０は、要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池４０及びＤＣ／ＤＣコンバータ３０の運転を制御する。この制御ユニット１０には、種々のセンサ信号が入力される。例えば、アクセルペダルセンサ１１、バッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ２１、流量センサ４１、温度センサ４３、外気温度を検出する外気温度センサ４４、車速を検出する車速センサ６２などから、種々のセンサ信号が制御ユニット１０に入力される。
本実施形態では、入力される種々のセンサ信号を利用してＦＣ出口温度の変化速度を求め、求めたＦＣ出口温度の変化速度から燃料電池４０の水分状態を検知する。これにより、最小限のインピーダンス測定回数（例えば２回）にて、燃料電池４０の水分量を適正に保つような掃気制御を実現する。以下、本実施形態に係る掃気制御機能について説明する。
＜掃気制御機能の説明＞
図２は、制御ユニット１０の掃気制御機能を説明するための図である。
図２に示すように、制御ユニット１０は、インピーダンス演算部１４０、インピーダンス比較部１５０、掃気制御部１６０、ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０を備えている。
インピーダンス演算部（測定手段）１４０は、当該システムの停止命令が入力されると、第１回目のインピーダンス測定を行い、掃気処理開始直前のインピーダンス（第１測定インピーダンス）と掃気時間の対（図３Ｃに示す（ｔ，ｉｎ）＝（ｔ０，ｉｎ０））を測定メモリ１５２に格納する。一方、掃気制御部（掃気制御手段）１６０は、当該システムの停止命令の入力をトリガとして掃気処理を開始する。その後、インピーダンス演算部１４０は、ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０からインピーダンス測定指令を受け取ると、第２回目のインピーダンス測定を行い、測定結果としての第２測定インピーダンスと掃気時間の対（図３Ｃに示す（ｔ，ｉｎ）＝（ｔ１，ｉｎ１））を測定メモリ１５２に格納する。そして、インピーダンス演算部１４０は、インピーダンス比較部１５０に対してインピーダンス比較指令を送出する(詳細は後述）。
ＦＣ出口温度変化速度検出部（変化量検出手段、検出手段）１８０は、当該システムの停止命令の入力をトリガとして温度センサ４３によって検出されるＦＣ出口温度に基づき、単位時間におけるＦＣ出口温度の変化速度（以下、ＦＣ出口温度変化速度）を検出する。
図３Ａは掃気時間とＦＣ出口温度の関係、図３Ｂは掃気時間とＦＣ出口温度変化速度の関係、図３Ｃは掃気時間と測定インピーダンスとの関係をそれぞれ例示した図である。
図３Ａ及び図３Ｂを比較して明らかなように、掃気時間が長くなるにつれ、ＦＣ出口温度は徐々に低下する一方、ＦＣ出口温度変化速度の絶対値はいったん上昇した後、徐々に低下してゆく。ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０は、検出されるＦＣ出口温度変化速度が、メモリ（第１記憶手段）１５３に格納されている変化速基準値Ｖｓ（変化量基準値；図３Ｂ参照）を下回っているか否かを判断する。この変化速度基準値は、燃料電池４０の水分量が適正な値に近づいているか否かを判断するための基準値であり、予め実験等によって求められる。ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０は、検出されるＦＣ出口温度変化速度が変化速度基準値を下回っていると判断すると（図３Ｂに示す掃気時間ｔ１参照）、インピーダンス演算部１４０に対してインピーダンス測定指令を送出する。
インピーダンス比較部（水分状態検出手段、判断手段）１５０は、インピーダンス演算部１４０からインピーダンス測定指令を受け取ると、メモリ（第２記憶手段）１５１に格納されているインピーダンス基準値（掃気完了目標インピーダンス）を参照する。インピーダンス基準値は、燃料電池４０の水分量が低減しすぎないように（すなわち、電解質膜が乾燥しすぎないように）設けた基準値であり、予め実験等によって求められる。
そして、インピーダンス比較部１５０は、測定メモリ１５２に格納されている第２測定インピーダンス（測定されたインピーダンス）とメモリ１５１に格納されているインピーダンス基準値とを比較する。そして、インピーダンス比較部１５０は、第２測定インピーダンスがインピーダンス基準値を超えているか否かを判断する。インピーダンス比較部１５０は、第２測定インピーダンスがインピーダンス基準値を超えている場合には、掃気処理を終了すべき旨を掃気制御部１６０に通知する。
一方、インピーダンス比較部（掃気制御手段）１５０は、測定インピーダンスがインピーダンス基準値を下回っている場合には、以下に示すように掃気完了時間を推定する。具体的には、インピーダンス比較部１５０は、第１測定インピーダンスｉｎ０と、第２測定インピーダンスｉｎ１と、インピーダンス基準値ｉｎｓと、第１測定インピーダンスの掃気時間ｔ１を下記式（１）に代入することで、掃気完了時間ｔｓを推定する（図３Ｃに示す（ｔ，ｉｎ）＝（ｔｓ，ｉｎｓ））。その後、インピーダンス比較部１５０は、推定した掃気完了時間が経過したと判断すると、掃気処理を終了すべき旨を掃気制御部１６０に通知する。なお、本実施形態では、測定されるインピーダンスの時間変化を二次関数（ｙ＝ａｔ2+ｉｎ０）と仮定するが、指数関数など任意の関数を利用しても良い。
Figure 0004895023
掃気制御部（掃気制御手段）１６０は、当該システムの停止命令の入力をトリガとして掃気処理を開始する一方、インピーダンス比較部１５０からの通知に従って掃気処理を終了する。掃気処理の具体的な制御は、燃料電池４０に供給する酸化ガスの供給量、バイパス弁（図示略）の弁開度等を調整することによって実現される。以上説明した構成により、最小限のインピーダンス測定回数（例えば２回）にて、燃料電池４０の水分量を適正に保つような掃気制御を実現することが可能となる。
以下、本実施形態に係る掃気制御処理について説明する。
＜動作説明＞
図４は、制御ユニット１０によって間欠的に実行される掃気制御処理を示すフローチャートである。
掃気制御部１６０は、当該システムの停止命令が入力されると、この停止命令をトリガとして掃気処理を開始する（ステップＳ１００）。一方、インピーダンス演算部１４０は、該システムの停止命令が入力されると、第１回目のインピーダンス測定を行い、掃気処理開始直前の第１測定インピーダンスと掃気時間の対（図３Ｃに示す（ｔ，ｉｎ）＝（ｔ０，ｉｎ０））を測定メモリ１５２に格納する（ステップＳ１１０）。
また、ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０は、該システムの停止命令が入力されると、温度センサ４３によって検出されるＦＣ出口温度に基づき、単位時間におけるＦＣ出口温度変化速度を検出する（ステップＳ１２０→ステップＳ１３０）。
そして、ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０は、検出されるＦＣ出口温度変化速度が、メモリ１５３に格納されている変化速度基準値を下回っているか否かを判断する（ステップＳ１４０）。この変化速度基準値は、燃料電池４０の水分量が適正な値に近づいているか否かを判断するための基準値であり、予め実験等によって求められる。ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０は、検出されるＦＣ出口温度変化速度が変化速度基準値を超えていると判断すると、ステップＳ１２０に戻り、上述した一連の処理を繰り返し実行する。
一方、ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０は、検出されたＦＣ出口温度変化速度が変化速度基準値を下回っていると判断すると（図３Ｂに示す掃気時間ｔ１参照）、インピーダンス演算部１４０に対してインピーダンス測定指令を送出する。
インピーダンス演算部１４０は、ＦＣ出口温度変化速度検出部１８０からインピーダンス測定指令を受け取ると、第２回目のインピーダンス測定を行い（ステップＳ１５０）、測定結果としての第２測定インピーダンスと掃気時間の対（図３Ｃに示す（ｔ，ｉｎ）＝（ｔ１，ｉｎ１））を測定メモリ１５２に格納する。そして、インピーダンス演算部１４０は、インピーダンス比較部１７０に対してインピーダンス比較指令を送出する。
インピーダンス比較部（判断手段）１５０は、インピーダンス演算部１４０からインピーダンス比較指令を受け取ると、測定メモリ１５２に格納されている第２測定インピーダンスとメモリ１５１に格納されているインピーダンス基準値(掃気完了目標インピーダンス）とを比較する。そして、インピーダンス比較部は、第２測定インピーダンスがインピーダンス基準値を超えているか否かを判断する（ステップＳ１６０）。
インピーダンス比較部１５０は、測定インピーダンスがインピーダンス基準値を超えている場合には、掃気処理を終了すべき旨を掃気制御部１６０に通知する（ステップＳ１７０）。掃気制御部１６０は、インピーダンス比較部１５０からの通知に従って掃気処理を終了する。
一方、インピーダンス比較部１５０は、測定インピーダンスがインピーダンス基準値を下回っている場合には、ステップｓ１８０に進み、第１測定インピーダンスｉｎ０と、第２測定インピーダンスｉｎ１と、インピーダンス基準値ｉｎｓと、第１測定インピーダンスの掃気時間ｔ１を上述した式（１）に代入することで、掃気完了時間ｔｓを推定する（図３Ｃに示す（ｔ，ｉｎ）＝（ｔｓ，ｉｎｓ））。
その後、インピーダンス比較部１５０は、推定した掃気完了時間が経過したと判断すると（ステップＳ１９０；ＹＥＳ）、掃気処理を終了すべき旨を掃気制御部１６０に通知する（ステップＳ１７０）。掃気制御部１６０は、インピーダンス比較部１５０からの通知に従って掃気処理を終了する。
以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣ出口温度変化速度から燃料電池の水分状態を判断するため、最小限のインピーダンス測定回数（例えば２回）にて、燃料電池４０の水分量を適正に保つような掃気制御を実現することが可能となる。なお、温度変化速度の誤差を防止するために、ＦＣ出口温度などについて過渡的な変化がないことを確認してからＦＣ出口温度変化速度などを検出するようにしても良い。
Ｂ．変形例
＜変形例１＞
メモリ１５１に格納されるインピーダンス基準値について、燃料電池４０に関わる温度（例えば、ＦＣ出口温度など；ＦＣ関連温度）によらず常に一定としても良いが、ＦＣ関連温度毎に設定しても良い。例えば、インピーダンス比較部１５０は、温度センサ４３などによって検出されるＦＣ関連温度に基づき、当該温度でのインピーダンス基準値をメモリ１５１から読み出す。そして、インピーダンス比較部１５０は、読み出したインピーダンス基準値を利用して第２測定インピーダンスとの比較を行う。かかる構成によれば、より精度良く燃料電池４０の水分状態を判断することが可能となる。
＜変形例２＞
また、メモリ１５３に格納される変化速度基準値について、外気温度に応じて補正するようにしても良い。周知のとおり、外気温度の低下に伴って外部への放熱は増加し、ＦＣ出口温度変化速度は上昇する（図５参照）。よって、ＦＣ出口温度変化速度検出部（補正手段）１８０は、外気温度センサ４４によって検出される外気温度に応じて変化速度基準値を補正し、補正した変化速度基準値を利用することで、より精度良く燃料電池４０の水分状態を判断することが可能となる。
＜変形例３＞
さらに、メモリ１５３に格納される変化速度基準値について、ＦＣ出口温度（燃料電池の関連温度）に応じて補正するようにしても良い。周知のとおり、ＦＣ出口温度の低下に伴って蒸発速度は低下し、ＦＣ出口温度変化速度は低下する(図６参照）。よって、ＦＣ出口温度変化速度検出部（補正手段）１８０は、温度センサ４３によって検出されるＦＣ出口温度に応じて変化速度基準値を補正し、補正した変化速度基準値を利用することで、より精度良く燃料電池４０の水分状態を判断することが可能となる。
＜変形例４＞
上述した実施形態では、当該システム停止命令が入力された後、掃気処理開始直前（掃気処理開始近傍）で第１回目のインピーダンス測定を行ったが、掃気処理開始直後（掃気処理開始近傍）で第１回目のインピーダンス測定を行っても良い。また、当該システム停止命令が入力される直前に測定したインピーダンスを、第１回目の測定インピーダンスとして利用しても良い。
＜変形例５＞
上述した本実施形態では、掃気処理の際に燃料電池に供給するガスとして酸化ガスを例示したが、燃料ガス（水素など）や窒素ガスなど、インピーダンス測定可能なあらゆる気体に適用可能である。
本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 同実施形態に係る制御ユニットの掃気制御機能を説明するための図である。 同実施形態に係る掃気時間とＦＣ出口温度の関係を例示した図である。 同実施形態に係る掃気時間とＦＣ出口温度変化速度の関係を例示した図である。 同実施形態に係る掃気時間と測定インピーダンスの関係を例示した図である。 同実施形態に係る掃気制御処理を示すフローチャートである。 変形例２に係る外気温度とＦＣ出口温度変化速度の関係を例示した図である。 変形例３に係るＦＣ出口温度とＦＣ出口温度変化速度の関係を例示した図である。
符号の説明
１０・・・制御ユニット、２０・・・バッテリ、３０・・・ＤＣ／ＤＣコンバータ、４０・・・燃料電池、６０・・・インバータ、１００・・・燃料電池システム、１４０・・・インピーダンス演算部、１５０・・・インピーダンス比較部、１５１，１５３・・・メモリ、１５２・・・測定メモリ、１６０・・・掃気制御部、１８０・・・ＦＣ出口温度変化速度検出部。

Claims (6)

  1. 燃料電池のインピーダンスを測定する測定手段を備え、測定されたインピーダンスに基づいて掃気処理を行う燃料電池システムであって、
    掃気処理開始時の燃料電池のインピーダンスを記憶するメモリと、
    掃気処理開始後における燃料電池の関連温度を検出する関連温度センサと、
    前記関連温度の単位時間当たりの変化量を検出する検出手段と、
    変化量基準値を記憶する第１記憶手段と、
    前記関連温度の変化量と前記変化量基準値との比較結果に基づいて前記燃料電池のインピーダンスを測定するか否かを判断する判断手段と、
    前記掃気処理を終了するための基準値として定められたインピーダンス基準値を記憶する第２記憶手段と、
    前記判断手段の判断結果に基づき前記測定手段によって前記燃料電池のインピーダンスが測定された場合、測定されたインピーダンスと前記インピーダンス基準値とを比較することにより、前記掃気処理を終了するか継続するかを判断し、該判断結果に応じた制御を行う掃気制御手段と
    を具備することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記掃気制御手段は、前記掃気処理を継続すると判断した場合、前記メモリに記憶されている掃気処理開始時の燃料電池のインピーダンスと、前記測定手段によって測定されたインピーダンスとを用いて掃気完了時間を推定し、推定した掃気完了時間が経過した後に前記掃気処理を終了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. 外気温度を検出する外気温度センサと、
    前記外気温度センサによって検出される外気温度に応じて前記変化量基準値を補正する補正手段とをさらに備え、
    前記判断手段は、補正された変化量基準値と前記関連温度の変化量との比較結果に基づいて前記燃料電池のインピーダンスを測定するか否かを判断することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記関連温度センサによって検出される関連温度に応じて前記変化量基準値を補正する補正手段をさらに備え、
    前記判断手段は、補正された変化量基準値と前記関連温度の変化量との比較結果に基づいて前記燃料電池のインピーダンスを測定するか否かを判断することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記関連温度の変化量は、前記関連温度の変化速度であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記関連温度は、前記燃料電池を循環する冷却水の温度であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
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