JP5041215B2 - 燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池の起動時における情報表示の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子型燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。また、このような燃料電池の他、当該燃料電池に反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を給排するための配管系、電力を充放電する電力系、システム全体を統括制御する制御系などによって燃料電池システムが構成されている。

このような燃料電池システムにおいては、一般に、燃料電池を起動してから電力供給可能な状態（いわゆるレディオン(Ready on)の状態）になるまでにある程度の時間を要する。そこで、例えば燃料電池車には、起動後に電力供給可能なレディオンの状態になるまでの時間を表示する手段を備えているものがある（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−１５８３３３号公報

しかしながら、上述のようにレディオンまでの状態（起動完了状態）となるまでの時間は、従来、燃料電池の温度から推定した時間を表示していたため、推定精度が低く、起動完了までの残り時間が上下することがあった。

そこで、本発明は、燃料電池の起動が完了するまでの時間をさらに精度よく表示することが可能な燃料電池システムおよびその起動完了度表示方法を提供することを目的とする。

一般に、燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動が完了までに要する時間を温度のみから予測することは困難であるため、あとどのくらい待てばよいかをユーザに正確に伝えることは難しいというのが現状である。この点についてさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、起動時における燃料電池の温度を始点とし、起動完了時の当該燃料電池の温度を終点としたゲージ上に現在の燃料電池温度の比率を表示するというものである。

このような燃料電池システムによれば、ゲージ上に表示している温度比率を介して起動完了までの目安をユーザに精度よく知らしめることが可能である。しかも、本発明の場合、温度のみから時間を予測するのではなく当該温度自体に基づいてゲージ上に表示する、つまり、時間を推定せず温度の割合だけを対象として表示することとしているため、あとどのくらい待てばよいかを従前よりも正確に伝えることが可能である。すなわち、この燃料電池システムによれば起動完了の目安として温度の比率を表示し、これによって時間推定精度の悪さによる悪影響を排除することが可能である。

この場合、異常チェック起動時は、ゲージに異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率を表示することが好ましい。このような燃料電池システムにおいては、昇温に伴う起動完了の目安を示すゲージに異常チェック完了の目安も表示することができる。

また、異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率と、燃料電池温度の比率とを比較し、小さいほうの値を表示することも好ましい。昇温に伴う起動完了の目安と、異常チェック完了の目安の双方を考慮した起動完了の目安を表示することが可能である。

さらに本発明にかかる燃料電池システムの起動完了度表示方法は、起動時における燃料電池の温度を始点とし、起動完了時の当該燃料電池の温度を終点としたゲージ上に燃料電池の現在温度の比率を表示し、起動完了の目安を示すというものである。

本発明によれば、当該燃料電池の温度上昇の状況によって進捗状況を適切に伝達することができるから、起動が完了するまでの目安をさらに精度よく表示することが可能である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明の実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システムは、起動時における燃料電池２の温度を始点とし、起動完了時の当該燃料電池２の温度を終点としたゲージＧ上に現在の燃料電池温度の比率を表示するように構成されているものである。以下では、燃料電池２などによって構成される燃料電池システム１の全体構成についてまず説明し、その後、この燃料電池システム１に組み込まれた気液分離器３０の具体的な構成について説明することとする。

図１に燃料電池車両に搭載されている燃料電池システム１の概略構成を示す。なお、ここでは燃料電池車両（Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして適用可能なシステムの一例を示すが、かかる燃料電池システム１は各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムとしても利用することが可能である。

本実施形態における燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４と、燃料電池２に冷媒を供給して当該燃料電池２を冷却する冷媒配管系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７と、を備えている。

燃料電池２は例えば固体高分子型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有した構造となっている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、さらにこれら各反応ガスが化学反応を生じることによって電力が発生する。この燃料電池２には、発電中の電流を検出する電流センサ２ａが取り付けられている。

酸化ガス配管系３は、燃料電池２に供給される酸化ガスが流れる空気供給流路１１と、燃料電池２から排出された酸化オフガスが流れる排気流路１２と、を有している。空気供給流路１１には、フィルタ１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１４と、コンプレッサ１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１５と、が設けられている。コンプレッサ１４は、図示されていないモータの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。また、排気流路１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１６を通って加湿器１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

燃料ガス配管系４は、水素供給源としての燃料タンク２１と、燃料タンク２１から燃料電池２に供給される水素ガスが流れる水素供給流路２２と、燃料電池２から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を水素供給流路２２の合流点Ａ１に戻すための循環流路２３と、循環流路２３内の水素オフガスを水素供給流路２２に圧送する水素ポンプ２４と、循環流路２３に分岐接続された排気排水流路２５と、を有している。

燃料タンク２１は例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成されて本実施形態における燃料電池車両に複数搭載されているものであり、例えば３５ＭＰａまたは７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。後述する遮断弁２６を開くと、燃料タンク２１から水素供給流路２２へと水素ガスが流出する。水素ガスは、後述するレギュレータ２７やインジェクタ２８により最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧され、燃料電池２に供給される。なお、本実施形態ではこのような燃料タンク２１を水素供給源としているが、この他、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクと、によって水素供給源を構成することも可能である。

水素供給流路２２には、燃料タンク２１からの水素ガスの供給を遮断または許容する遮断弁２６と、水素ガスの圧力を調整するレギュレータ２７と、インジェクタ２８と、が設けられている。また、インジェクタ２８の下流側であって水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ２９が設けられている。さらに、インジェクタ２８の上流側には、水素供給流路２２内の水素ガスの圧力および温度を検出する圧力センサおよび温度センサ（図示省略）が設けられている。圧力センサ２９等で検出された水素ガスのガス状態（圧力、温度）に関する情報は、後述するインジェクタ２８のフィードバック制御やパージ制御に用いられる。

レギュレータ２７は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置である。本実施形態においては、一次圧を減圧する機械式の減圧弁をレギュレータ２７として採用している。機械式の減圧弁の構成としては、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする公知の構成を採用することができる。

インジェクタ２８は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ２８は、水素ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体と、を備えている。例えば本実施形態においては、インジェクタ２８の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階、多段階、または無段階に切り替えることができるようになっている。さらに、制御部７から出力される制御信号によって、インジェクタ２８のガス噴射時間およびガス噴射時期が制御されることにより、水素ガスの流量および圧力が高精度に制御される。このように、インジェクタ２８は、弁（弁体および弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。

なお、インジェクタ２８の弁体の開閉によりガス流量が調整されるとともに、インジェクタ２８の下流に供給されるガス圧力がインジェクタ２８上流のガス圧力より減圧されるため、インジェクタ２８を調圧弁（減圧弁、レギュレータ）と解釈することもできる。また、本実施形態では、ガス要求に応じて所定の圧力範囲の中で要求圧力に一致するようにインジェクタ２８の上流ガス圧の調圧量（減圧量）を変化させることが可能な可変調圧弁と解釈することもできる。

本実施形態においては、このようなインジェクタ２８を、水素供給流路２２と循環流路２３との合流部Ａ１より上流側に配置している（図１参照）。また、図１に破線で示すように、燃料供給源として複数の燃料タンク２１が用いられている場合には、これら燃料タンク２１から供給される水素ガスが合流する部分（水素ガス合流部Ａ２）よりも下流側に当該インジェクタ２８を配置するようにする。

循環流路２３には、気液分離器３０および排気排水弁３１を介して、排気排水流路２５が接続されている。気液分離器３０は、水素オフガスから水分を回収するものである。排気排水弁３１は、制御部７の指令を受けて作動することにより、気液分離器３０で回収した水分と、循環流路２３内の不純物を含む水素オフガス（燃料オフガス）と、を外部に排出（パージ）するものである。この排気排水弁３１を開放すると、循環流路２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。排気排水弁３１の上流位置（循環流路２３上）および下流位置（排気排水流路２５上）には、各々、水素オフガスの圧力を検出する上流側圧力センサ３２および下流側圧力センサ３３が設けられている。

また、特に詳しく図示していないが、排気排水弁３１および排気排水流路２５を介して排出される水素オフガスは、希釈器（図示省略）によって希釈されて排気流路１２内の酸化オフガスと合流するようになっている。水素ポンプ２４は、モータ（図示省略）の駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池２に循環供給する。水素ガスの循環系は、水素供給流路２２の合流点Ａ１の下流側流路と、燃料電池２のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環流路２３と、によって構成されることとなる。

冷媒配管系５は、燃料電池２内の冷却流路に連通する冷媒流路４１と、冷媒流路４１に設けられた冷却ポンプ４２と、燃料電池２から排出される冷媒を冷却するラジエータ４３と、燃料電池２から排出される冷媒の温度を検出する温度センサ４４と、を有している。冷却ポンプ４２は、モータ（図示省略）の駆動により、冷媒流路４１内の冷媒を燃料電池２に循環供給する。温度センサ４４で検出された冷媒の温度（＝燃料電池２から排出される水素オフガスの温度）は、後述するパージ制御に用いられる。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、バッテリ６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示されていない各種の補機インバータ等を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。このような高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置には、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ１４、水素ポンプ２４、冷却ポンプ４２の各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置が含まれうる。

このような制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェースおよびディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御を行う。

続いて、以上のような燃料電池システム１を搭載した車両（燃料電池車）における起動完了算出のための構成について説明する（図２等参照）。

本実施形態の燃料電池車には、燃料電池システム１の起動時における燃料電池２の起動状態を表示するためのゲージＧが設けられている。このゲージＧは、燃料電池２の温度を始点とし、起動完了時の当該燃料電池２の温度を終点とする表示部を有しており（図２等参照）、ドライバ等が視認できる位置、例えば燃料電池車の運転席のインストルメントパネルなどに設けられている。ちなみに、本実施形態におけるゲージＧの底部付近には積算計が、向かって左上付近には燃料電池２の概略図がそれぞれ表示されている（図２等参照）。

本実施形態のゲージＧは、例えば横方向に延びるメータＭによって構成されている（図２等参照）。このメータＭは点滅する例えば矩形の表示部を複数備えており、燃料電池２の温度に従った量（数）が点灯するようになっている。

また、本実施形態の燃料電池システム１においては、低温起動（低温状況下における起動）時と、異常チェック起動（燃料電池２の異常をチェックする際の起動）時とでゲージＧへ送信する起動完了時間を切り替えるようにしている。起動完了時間の算出方法をそれぞれの起動時について例示すれば以下のとおりである。なお、以下では燃料電池をＦＣと表現する場合がある。

（１）低温起動時
起動完了の進捗度を、ＦＣ温度等から算出した割合を用いて表示する。具体的には、
起動完了進捗度＝（現在ＦＣ温度−起動時ＦＣ温度）／（レディオン目標温度−起動時温度）
の式に従い進捗度を算出する。算出した起動完了進捗度（起動完了時間）が増えるに従いゲージＧのメータＭの点灯箇所が増える。

このように、本実施形態においては、起動時のＦＣ温度（燃料電池温度）を始点とし、起動完了時のＦＣ温度を終点としたゲージＧ上に現在の燃料電池温度の位置を表示する。この場合、起動完了までの時間を推定することなく、温度の割合だけを見て起動完了までの目安を知らしめることができるから、時間を推定した場合の低い精度による影響を排除することが可能である。

（２）異常チェック起動時
異常チェック起動時は、起動完了の進捗度を「起動完了までの見積もり時間に対する進捗度」で算出する。下記の式から明らかなように、この場合の進捗度は、異常チェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率である。すなわち、ここでは
起動完了進捗度＝（起動開始からの経過時間）／（異常チェック起動見積もり時間）
の式に従い算出する。算出した起動完了進捗度（起動完了時間）が増えるに従いゲージＧのメータＭの点灯箇所が増える。

（３）上記（１）と（２）の両要求が発生した場合
燃料電池システム１において、上記（１）の低温起動と（２）異常チェック起動の両方の要求が同時に発生した場合、本実施形態では両者のｍｉｎ値を採用することとしている。すなわち、（１）に基づく起動完了進捗度と、（２）に基づく起動完了進捗度の両方を算出したうえで、両者のうち小さい方の値（進捗度）をゲージＧに表示する。これによれば、一方の算出方法に基づく実際よりも高い進捗度が表示されるのが回避される。

（４）起動時間の表示
また、暖機起動時や前回トリップ異常発生後の次回起動の際にレディオンとなるまでに時間がかかる場合があるため、本実施形態ではディスプレイ表示にて通知する。この場合における起動時間表示画面への切替タイミングとしては、メータＭへ画面表示要求を送信し、下記の切替条件が成立したときに画面表示を行う。
＜切替条件が成立する場合＞
「低温起動必要時」と「異常チェックを起動時に実施する時」のいずれかであって、尚かつ「レディランプ点滅（＝起動中）」であること。
＜切替条件が不成立となる場合＞
上記の切替条件が成立しなかった時、または「レディランプ点灯」の時。

ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池システム１においては、低温起動時の燃料電池２の起動完了時間を算出して表示するに際し、時間を推定するのではなく温度の割合だけを見てゲージＧに表示するという構成としているため、当該燃料電池２の起動が完了するまでの時間を精度よく表示することが可能である。すなわち、本実施形態では時間を推定するのではなく温度をパラメータとして起動完了時間を算出し、温度の割合を表示することによって起動完了に至るまでの状況を表示することとしているため、温度を介して時間を推定する場合よりも起動完了までに要する時間を簡便かつ精度よく知らしめることができる。上述したように、燃料電池２の起動に要する時間を温度から予測することは困難なのが現状であるが、本実施形態の燃料電池システム１によれば、起動の際ユーザにどのくらい待てばよいかをより正確に伝えることが可能である。しかも、上述したように本実施形態では時間を算出せずに温度を示して起動状況を表示することから（低温起動時）、時間算出のための処理が少なくて済むという利点もある。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態ではゲージＧ上のメータＭ付近のメッセージが日本語である場合を示したが（図２等参照）、これらメッセージは英語等で表記されていてもよい。

本発明の一実施形態における燃料電池システムの構成図である。 本発明の一実施形態におけるゲージの一例であって、０〜５％の起動完了状態を示す概略図である。 １０〜１５％の起動完了状態時のゲージを示す概略図である。 ９０％以上の起動完了状態時のゲージを示す概略図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、Ｇ…ゲージ

Claims (4)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
   起動時における前記燃料電池の温度を始点とし、起動完了時の当該燃料電池の温度を終点としたゲージ上に、起動中における現在の燃料電池温度の比率として、起動完了時の燃料電池の温度と起動時における燃料電池の温度との差分に対する現在の燃料電池の温度と起動時における燃料電池の温度との差分の比率を表示する表示装置を有する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記表示装置は、前記燃料電池の起動時に当該燃料電池の異常をチェックする際、前記ゲージに異常のチェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率を表示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. 前記表示装置は、当該燃料電池の異常のチェック完了に要する時間に対する実際の経過時間の比率と、現在の燃料電池温度の比率とを比較し、小さいほうの値を前記ゲージ上に表示す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. 起動時における燃料電池の温度を始点とし、起動完了時の当該燃料電池の温度を終点としたゲージ上に、起動中における前記燃料電池の現在温度の比率として、起動完了時の燃料電池の温度と起動時における燃料電池の温度との差分に対する現在の燃料電池の温度と起動時における燃料電池の温度との差分の比率を表示し、起動完了の目安を示すことを特徴とする燃料電池システムの起動完了度表示方法。

Images