JP5011021B2 - 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。

例えば、燃料電池自動車では、燃料電池と、二次電池（高圧バッテリ）と、二次電池から１２ＶＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続される１２Ｖバッテリ（低圧バッテリ）と、この１２Ｖバッテリで作動する車両補機とを備えたものが一般に採用されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２３４９０７号公報（段落００１４，００１７，００２４、図１）

しかしながら、特許文献１に記載のような従来のシステムを備えた車両では、消費電力が大きく、起動時の１２Ｖバッテリからの電力の持ち出しが多い複数のアクチュエータ（車両補機）を決められたタイミングでのみ起動させていた。このため、１２Ｖバッテリの劣化に伴い車両の起動ができなくなるという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、低圧バッテリが劣化した場合でも起動を可能にする燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、高圧バッテリと、低圧バッテリと、前記高圧バッテリと前記低圧バッテリとの間に設けられ、高電圧を低電圧に変換するダウンバータと、低電圧の電力供給を受けて作動する、少なくとも前記燃料電池に燃料ガスを供給する遮断弁を含む低電圧補機と、前記燃料電池の始動時に前記ダウンバータを起動させるダウンバータ起動手段と、前記低圧バッテリの残容量または電圧を検出する低圧バッテリ残量検出手段と、前記低圧バッテリの残容量または電圧が所定値以下である場合に前記ダウンバータを起動させた後に、前記低電圧補機を作動させる制御を行う補機作動手段と、前記ダウンバータが起動する前であっても前記遮断弁を作動可能とする遮断弁作動手段と、を備え、前記補機作動手段は、前記低圧バッテリの残容量または電圧が所定値以下である場合、前記ダウンバータが起動する前にシステムの起動にかかわる前記低電圧補機の一部にのみ作動指令を行い、残りの低電圧補機には前記ダウンバータが起動してから作動指令を行い、前記低圧バッテリの残容量または電圧が所定値を超える場合、前記ダウンバータが起動する前にシステムの起動にかかわる前記低電圧補機のすべてに作動指令を行い、前記低電圧補機の一部は、少なくとも前記遮断弁および前記ダウンバータの起動に必要な低電圧補機を含むことを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池が発電していない状態のときに容量の少ない低圧バッテリからの電力の持ち出しを少なくし、高圧バッテリの電力を用いて低電圧補機を作動させることができるので、余裕を持って燃料電池を起動させることができる。また、低圧バッテリからの持ち出しを少なくすることで、劣化の進度を抑制することができる。また、低圧バッテリの残容量が少なくても燃料電池を確実に起動することができる。また、作動に時間のかかる遮断弁をまず作動させておくことで、燃料電池の起動時間のロスを少なくすることができる。ちなみに、本発明における遮断弁は、オンオフ弁のため消費電力が少ないので、低圧バッテリに対して悪影響を与えにくいものである。

本発明によれば、低圧バッテリが劣化した場合でも確実に起動することができる燃料電池システムを提供できる。

図１は本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図、図２は起動時の制御を示すフローチャート、図３は１２Ｖバッテリ劣化時の各種アクチュエータの動作を示すタイミングチャート、図４は１２Ｖバッテリ正常時の各種アクチュエータの動作を示すタイミングチャートである。なお、以下の説明では、本実施形態の燃料電池システムを車両（燃料電池自動車）に適用した場合を例に挙げて説明するが、車両に限定されるものではなく、船舶、航空機、定置式の電源などあらゆるものに適用できる。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池１０、アノード系２０、カソード系３０、電力系４０、制御系５０などで構成されている。

前記燃料電池１０は、例えば、固体高分子からなる電解質膜の一面側に触媒を含むアノード（水素極）、他面側に触媒を含むカソード（空気極）が設けられ、さらにその両面を一対の導電性のセパレータで挟んで構成された単セルが複数積層された構造を有している。

前記アノード系２０は、水素タンク２１、水素遮断弁２２、エゼクタ２３、パージ弁２４、アノード配管２５ａ〜２５ｅなどで構成されている。

前記水素タンク２１は、例えば、アルミニウム合金により形成され、その内部に高純度の水素ガスを高圧で貯留するタンク室（図示せず）を有し、そのタンク室の周囲をＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic：炭素繊維強化プラスチック）や、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic：ガラス繊維強化プラスチック）等で形成されたカバー（図示せず）で被覆して構成されている。

前記水素遮断弁２２は、電磁作動式のオンオフ（ＯＮ／ＯＦＦ）弁で構成され、水素タンク２１の下流側に設けられている。なお、この水素遮断弁２２は、起動時において、その上流側のアノード配管２５ａと下流側のアノード配管２５ｂとでは圧力が大きく異なるので、開弁する際には時間がかかるものである。

前記エゼクタ２３は、水素タンク２１からアノード配管２５ａ〜２５ｃを介して燃料電池１０に供給される水素の流れを利用して、燃料電池１０のアノード側から排出された未反応の水素を、アノード配管２５ｄ，２５ｅを介して燃料電池１０に戻して再循環させる機能を有している。

前記パージ弁２４は、アノード配管２５ｄに設けられ、例えば、定期的またはセル電圧低下時に開弁することにより、水素循環路（アノード配管２５ｃ〜２５ｅ）内に蓄積された不純物を系外に排出する機能を有している。なお、不純物とは、カソードから電解質膜を透過した窒素や生成水などである。

なお、図示していないが、アノード系２０には、例えば、水素タンク２１から放出される高圧の水素を減圧するためのレギュレータ（減圧弁）が設けられている。

前記カソード系３０は、エアコンプレッサ３１、背圧弁３２、カソード配管３３ａ，３３ｂなどで構成されている。

前記エアコンプレッサ３１は、モータにより駆動されるスーパーチャージャなどで構成され、車外から空気を取り込んで圧縮して、この圧縮した空気を、カソード配管３３ａを介して燃料電池１０のカソードに供給する機能を有している。

前記背圧弁３２は、燃料電池１０のカソードの出口に接続されたカソード配管３３ｂに設けられ、カソード系３０内の圧力を適宜調節する機能を有している。なお、この背圧弁３２は、バタフライ弁などの開度調整可能な弁で構成されている。ちなみに、背圧弁３２は、水素遮断弁２２のようなオンオフ弁ではないので、水素遮断弁２２に比べて消費電力が大きいものである。

なお、図示していないが、カソード系３０には、例えば、燃料電池１０に供給される空気を加湿するための加湿器が設けられている。

前記電力系４０は、高圧バッテリ４１、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２、１２Ｖバッテリ４３、ダウンバータ４４などで構成されている。

前記高圧バッテリ４１は、燃料電池１０で発電された電気を蓄積し、例えば燃料電池１０の発電時の電力供給を補助する機能を有している。例えば、高圧バッテリ４１としては、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などが用いられるが、キャパシタなどであってもよい。

前記ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、燃料電池１０と高圧バッテリ４１との間に接続され、例えば、高圧バッテリ４１からの直流電流を別の直流電流に変換する機能を有している。

前記１２Ｖバッテリ４３は、ダウンバータ４４を介して高圧バッテリ４１と接続され、水素遮断弁２２、パージ弁２４、背圧弁３２などに電力を供給する機能を有している。なお、水素遮断弁２２、パージ弁２４および背圧弁３２が、燃料電池１０の発電に関与する低電圧補機に相当する。また、水素遮断弁２２およびパージ弁２４は、それぞれ弁をオンオフするためのアクチュエータＡ、アクチュエータＢを備え、背圧弁３２は、開度を調節するためのアクチュエータＣを備えている。例えば、アクチュエータＡ，Ｂは、ソレノイドを有する電磁式のものであり、アクチュエータＣは、ステッピングモータなどで駆動される電動式のものである。

前記ダウンバータ４４は、高電圧を低電圧に変換し、例えば、１２Ｖバッテリ４３の充電を行うとともに低電圧補機に電力を供給する機能を有している。

なお、カソード系３０に設けられたエアコンプレッサ３１、および走行モータ（図示せず）は、高電圧補機であり、燃料電池１０や高圧バッテリ４１から電力が供給される。

前記制御系５０は、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）５１、電圧センサ５２などで構成されている。

前記ＥＣＵ５１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メモリ、プログラムなどで構成され、水素遮断弁２２、パージ弁２４、エアコンプレッサ３１、背圧弁３２、高圧バッテリ４１、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２およびダウンバータ４４と接続されている。これにより、ＥＣＵ５１は、水素遮断弁２２およびパージ弁２４を適宜開閉し、エアコンプレッサ３１のモータの回転速度を制御し、背圧弁３２の開度を制御し、高圧バッテリ４１、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２およびダウンバータ４４を制御する。

また、ＥＣＵ５１は、ダウンバータ起動手段、補機作動手段、および遮断弁作動手段を備えている。ダウンバータ起動手段は、燃料電池１０の始動時にダウンバータ４４を起動させる機能を有し、補機作動手段は、ダウンバータ４４の起動後に低電圧補機（水素遮断弁２２、パージ弁２４、背圧弁３２）を作動させる機能を有し、遮断弁作動手段は、ダウンバータ４４が起動する前であっても水素遮断弁２２を作動可能にする機能を有している。

前記電圧センサ５２は、低圧バッテリ残量検出手段に相当し、１２Ｖバッテリ４３の残容量を検出する機能を有している。

また、ＥＣＵ５１は、ランプやホーンなどで構成された警報手段６０と接続され、１２Ｖバッテリ４３の劣化時に、運転者に音や光で警報（警告表示を含む）を出すように構成されている。

次に本実施形態の燃料電池システム１における起動時の動作について図２ないし図４を参照（適宜、図１を参照）して説明する。なお、燃料電池システム１の運転停止時には、水素遮断弁２２が閉じられて燃料電池１０のアノードへの水素の供給が停止され、エアコンプレッサ３１の駆動が停止されて燃料電池１０のカソードへの空気の供給が停止されている。また、運転停止時には、例えば、パージ弁２４は閉じられ、背圧弁３２は全開に設定されている。

ステップＳ１００において、ＥＣＵ５１は、運転者によってイグニッションがオンにされると、ＥＣＵ５１を初期化した後、所定のプログラムをメモリから読み込むなどして、起動処理を実行する。

そして、ステップＳ１０１に進み、ＥＣＵ５１は、１２Ｖバッテリ４３の電圧が所定値以下であるかどうかを判断する。なお、１２Ｖバッテリ４３の電圧は、電圧センサ５２によって検出され、所定値は例えば１０Ｖ（ボルト）に設定される。

ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５１は、１２Ｖバッテリ４３の電圧が所定値以下であると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に進み、警報手段６０を介して、１２Ｖバッテリ４３の残容量が低下して、１２Ｖバッテリ４３が劣化していることを示す警告表示を運転者に対して行う。

そして、ステップＳ１０３に進み、ＥＣＵ５１は、１２Ｖバッテリ４３の電力を用いて、ダウンバータ４４の起動に必要なアクチュエータのみを起動する。なお、ダウンバータ４４の起動に必要なアクチュエータとは、ダウンバータ４４に設けられたスイッチング素子（例えば、トランジスタやＦＥＴ）である。これにより、ダウンバータ４４が起動を開始する。

また、ステップＳ１０３では、１２Ｖバッテリ４３の電力を用いて、アクチュエータＡを起動して、水素遮断弁２２を開弁する。アクチュエータＡ〜ＣのうちアクチュエータＡのみを先に起動させておくのは、開弁時には水素遮断弁２２の上流と下流との圧力差が大きく、開弁するまでに時間を要するからである。したがって、アクチュエータＡを前もって開弁しておくことで、燃料電池１０の起動時間のロスを少なくすることができる。なお、水素遮断弁２２は、オンオフ弁のため消費電力が少ないので、１２Ｖバッテリ４３に対して悪影響を与えにくいものである。

そして、ステップＳ１０４に進み、ＥＣＵ５１は、ダウンバータ４４が起動しているかどうかを判断する。なお、ダウンバータ４４が起動しているかどうかの判断は、例えば起動信号を出してから所定時間が経過したことによって判断できる。ただし、時間に限定されるものではなく、１２Ｖバッテリ４３の電圧を監視して、その電圧の上昇を検知することにより判断してもよい。

ステップＳ１０４において、ＥＣＵ５１は、ダウンバータ４４が起動していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０４の処理を繰り返し、ダウンバータ４４が起動していると判断した場合には（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０５に進む。

なお、ステップＳ１０３およびＳ１０４が、本実施形態のダウンバータ起動手段が実施する処理に相当する。また、ステップＳ１０３が、本実施形態の遮断弁作動手段が実施する処理に相当する。

ステップＳ１０５において、ＥＣＵ５１は、残りのアクチュエータ（Ｂ，Ｃ）を起動する。アクチュエータＢを起動することによりパージ弁２４を適宜開弁し、アクチュエータＣを起動することにより背圧弁３２を閉側に開度を変更する。ちなみに、パージ弁２４を開弁するのは、アノード系２０内を水素に置換するためであり、背圧弁３２を閉じるのは、カソード系３０内のエア圧力を高めるためである。なお、ステップＳ１０５が、本実施形態の補機作動手段が実施する処理に相当する。

また、図３は、１２Ｖバッテリ４３の電圧が所定値以下の場合（Ｓ１０１、Ｙｅｓ）のアクチュエータＡ〜Ｃの動作を示している。この場合には、イグニッションがオンにされると（時刻ｔ０）、１２Ｖバッテリ４３の電力を用いて、ＥＣＵ５１を初期化した後、アクチュエータＡを起動し（時刻ｔ１）、水素遮断弁２２を開弁する（Ｓ１０３）。そして、時刻ｔ２において、ダウンバータ（ＤＶ）４４が起動したら（Ｓ１０４、Ｙｅｓ）、ダウンバータ４４からの１２Ｖ電源により、残りのアクチュエータＢ，Ｃを起動する（Ｓ１０５）。

一方、ステップＳ１０１において、ＥＣＵ５１は、１２Ｖバッテリ４３の電圧が所定値を超えていると判断した場合には（Ｎｏ）、１２Ｖバッテリ４３の残容量は充分ある（劣化は進んでいない）と判断して、ステップＳ１０６に進み、１２Ｖバッテリ４３の電力によって、すべてのアクチュエータＡ，Ｂ，Ｃを起動する。そして、ステップＳ１０７に進み、ＥＣＵ５１は、ダウンバータ４４を起動する。

また、図４は、１２Ｖバッテリ４３の電圧が所定値を超えている場合（Ｓ１０１、Ｎｏ）のアクチュエータＡ〜Ｃの動作を示している。この場合には、イグニッションがオンにされると（時刻ｔ０）、１２Ｖバッテリ４３の電力を用いて、ＥＣＵ５１を初期化した後、アクチュエータＡ，Ｂ，Ｃを同時に起動する（Ｓ１０６）。そして、時刻ｔ２において、ダウンバータ４４が起動したら（Ｓ１０７）、前記１２Ｖバッテリ４３の電力からダウンバータ４４の１２Ｖ電源に切り替えて、アクチュエータＡ，Ｂ，Ｃを駆動する。

このように、本実施形態によれば、１２Ｖバッテリ４３の容量が少ない（劣化が進んでいる）場合には、１２Ｖバッテリ４３からの電力の持ち出しを少なくして、高圧バッテリ４１の電力を用いて、低電圧補機を作動させることができるので、余裕を持って燃料電池１０を起動させることが可能になる。さらに、１２Ｖバッテリ４３からの電力の持ち出しを少なくすることで、充放電の回数を減らして、劣化の進度を抑制することが可能になる。

また、本実施形態によれば、１２Ｖバッテリ４３の残容量が所定値以下のときに、ダウンバータ４４起動後に低電圧補機を作動させることで、１２Ｖバッテリ４３の残容量が少なくても確実に燃料電池１０を起動させることができる。

なお、前記した実施形態において、ステップＳ１０６では、すべてのアクチュエータＡ〜Ｃを起動させるようにしたが、これに限定されるものではなく、消費電力の少ないアクチュエータＡ，Ｂを起動させるようにしてもよい。

また、前記した実施形態では、低圧バッテリ残量検出手段として、１２Ｖバッテリ４３の電圧を検出する電圧センサ５２を用いた場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を利用してもよい。ＳＯＣは、例えば、電流、電圧、温度などに基づいて算出できる。

本実施形態の燃料電池システムを示す全体構成図である。 起動時の制御を示すフローチャートである。 １２Ｖバッテリ劣化時の各種アクチュエータの起動動作を示すタイミングチャートである。 １２Ｖバッテリ正常時の各種アクチュエータの起動動作を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２２ 水素遮断弁（遮断弁）
２４ パージ弁
３２ 背圧弁
４１ 高圧バッテリ
４３ １２Ｖバッテリ（低圧バッテリ）
４４ ダウンバータ
５１ ＥＣＵ
５２ 電圧センサ（低圧バッテリ残量検出手段）

Claims (1)

1. 燃料電池と、高圧バッテリと、低圧バッテリと、
   前記高圧バッテリと前記低圧バッテリとの間に設けられ、高電圧を低電圧に変換するダウンバータと、
   低電圧の電力供給を受けて作動する、少なくとも前記燃料電池に燃料ガスを供給する遮断弁を含む低電圧補機と、
   前記燃料電池の始動時に前記ダウンバータを起動させるダウンバータ起動手段と、
   前記低圧バッテリの残容量または電圧を検出する低圧バッテリ残量検出手段と、
   前記低圧バッテリの残容量または電圧が所定値以下である場合に前記ダウンバータを起動させた後に、前記低電圧補機を作動させる制御を行う補機作動手段と、
   前記ダウンバータが起動する前であっても前記遮断弁を作動可能とする遮断弁作動手段と、を備え、
   前記補機作動手段は、
   前記低圧バッテリの残容量または電圧が所定値以下である場合、前記ダウンバータが起動する前にシステムの起動にかかわる前記低電圧補機の一部にのみ作動指令を行い、残りの低電圧補機には前記ダウンバータが起動してから作動指令を行い、
   前記低圧バッテリの残容量または電圧が所定値を超える場合、前記ダウンバータが起動する前にシステムの起動にかかわる前記低電圧補機のすべてに作動指令を行い、
   前記低電圧補機の一部は、少なくとも前記遮断弁および前記ダウンバータの起動に必要な低電圧補機を含むことを特徴とする燃料電池システム。

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