JP5152614B2 - 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った問題や、凍結した水がガス流路を塞いでしまい、次回燃料電池を起動したときにガスの供給が妨げられて電気化学反応が十分に進行しないといった問題が発生する。
このような問題に鑑み、燃料電池システムの停止要求(イグニッションキーのオフ指令など)があった以後の所定のタイミングで外気温度などの温度情報を取得し、その温度情報から水の凍結を予想してユーザに報知するといった方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。
かかる方法によれば、ユーザはディスプレイなどに表示される予想結果(例えば「凍結のおそれ有り」)に基づき低温対策用の制御(暖機処理など)の要否を判断し、判断結果に応じて低温対策実施ボタンなどを押下するため、ユーザが必要であると判断したときだけ、低温対策用の制御が行われる。かかる構成によれば、不必要に低温対策用の制御が行われないことから、無駄に燃料(水素など)が消費されることを防止することができる。
特開2005−108832号公報
しかしながら、燃料電池システムの停止要求があった以後に、低温対策用の制御を促すメッセージを報知したのでは、ユーザが見落としてしまうおそれがある。かかるメッセージを見落とした場合には、ユーザの意図によらず低温対策用の制御が行われないという問題が発生する。
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、必要なときに適切なタイミングで、低温対策用の制御指令の入力をユーザに報知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、ユーザからの低温対策要求の入力時に低温対策用の制御が行われる燃料電池システムであって、システムの起動命令が入力されてから停止命令が入力されるまでの間に該システムが設定条件を満たすか否かを判断する判断手段と、前記設定条件を満たす場合には、該システム起動中にユーザに対して低温対策要求の入力を促す報知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、当該システムが設定条件(当該システムに関わる温度条件など)を満たす場合に、システム起動中に低温対策用の制御指令の入力が報知されるため、ユーザが見落としてしまうといった問題を抑制することが可能となる。
ここで、上記構成にあっては、前記判断手段は、前記判断を所定時間間隔で繰り返し実行する態様が好ましい。かかる構成によれば、当該システムの利用状況などに応じた判断を行うことができる。
また、前記システムに関わる温度条件は、当該システムの外気温度、または当該システムの部品温度の少なくともいずれか一方に関わる温度条件であることが望ましい。
また、本発明に係る燃料電池システムは、低温対策用の制御が行われる燃料電池システムであって、システムの起動命令が入力されてから停止命令が入力されるまでの間に該システムに関わる温度が第1の設定条件を満たすか否かを判断する第1判断手段と、前記第1の設定条件を満たす場合に該システムに関わる温度の経時変化が第2の設定条件を満たすか否かを判断する第2判断手段と、前記第2の設定条件を満たす場合に低温対策用の制御を行う制御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、低温対策用の制御(システム終了時の掃気処理など)を行う場合、例えば文字メッセージや音声メッセージなどによってユーザに確実に報知することができ、ユーザに違和感や誤認を生じさせることはない。
ここで、上記構成にあっては、前記システムに関わる温度は、外気温度であり、前記第1判断手段は、前記外気温度が設定された基準温度を下回っているか否か判断し、前記第2判断手段は、前記外気温度が設定された前記基準温度を下回っている場合に該外気温度の経時変化が設定されている差分閾値以上であるか否かを判断することを特徴とする。
以上説明したように、本発明によれば、必要なときに適切なタイミングで、低温対策用の制御指令の入力を促すメッセージをユーザに報知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.第1実施形態
(1)実施形態の構成
図1は第1実施形態に係る燃料電池システム100の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hyblid Vehicle)、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、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)や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池40は、供給される反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)から電力を発生する手段であり、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。燃料電池40は、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。この燃料電池40の出力電圧(以下、FC電圧)及び出力電流(以下、FC電流)は、それぞれ電圧センサ140及び電流センサ150によって検出される。燃料電池40の燃料極(アノード)には、燃料ガス供給源10から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極(カソード)には、酸化ガス供給源70から空気などの酸化ガスが供給される。
燃料ガス供給源10は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やON/OFF時間などを調整することにより、燃料電池40に供給する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源70は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池40に供給する酸化ガス量を調整する。
バッテリ60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。もちろん、バッテリ60の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器(例えばキャパシタ)を設けても良い。このバッテリ60は、DC/DCコンバータ130を介して燃料電池40と並列に接続されている。
インバータ110は、例えばパルス幅変調方式のPWMインバータであり、制御ユニット80から与えられる制御指令に応じて燃料電池40またはバッテリ60から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ115へ供給する。トラクションモータ115は、車輪116L、116Rを駆動するためのモータ(すなわち移動体の動力源)であり、かかるモータの回転数はインバータ110によって制御される。このトラクションモータ115及びインバータ110は、燃料電池40側に接続されている。
DC/DCコンバータ130は、例えば4つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路(いずれも図示略)によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。DC/DCコンバータ130は、バッテリ60から入力されたDC電圧を昇圧または降圧して燃料電池40側に出力する機能、燃料電池40などから入力されたDC電圧を昇圧または降圧してバッテリ60側に出力する機能を備えている。また、DC/DCコンバータ130の機能により、バッテリ60の充放電が実現される。
バッテリ60とDC/DCコンバータ130の間には、車両補機やFC補機などの補機類120が接続されている。バッテリ60は、これら補機類120の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器(照明機器、空調機器、油圧ポンプなど)をいい、FC補機とは、燃料電池40の運転に使用される種々の電力機器(燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど)をいう。
制御ユニット80は、CPU、ROM、RAMなどにより構成され、電圧センサ140や電流センサ150、燃料電池40の温度を検出する温度センサ50、バッテリ60の充電状態を検出するSOCセンサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき当該システム各部を中枢的に制御する。また、本実施形態に係る制御ユニット80は、燃料電池システムの停止要求があった以後だけでなく、燃料電池システムの起動要求(起動命令)があってから燃料電池システムの停止要求(停止命令)があるまでの間も、必要に応じて低温対策用の制御を行う(詳細は後述)。
表示装置(報知手段)160は、液晶表示装置や各種ランプなどから構成され、音声出力装置(報知手段)180は、スピーカ、アンプ、フィルタなどから構成されている。制御ユニット80は、表示装置160及び音声出力装置170を用いて各種メッセージを報知する。報知されるメッセージには、暖機処理や掃気処理など低温対策用の制御に関わるメッセージ(例えば低温対策用の制御指令の入力を促すメッセージの表示など;詳細は後述)も含まれる。
入力装置170は、キーボード、マウス、タッチパネルや各種操作スイッチなどにより構成されている。操作スイッチの中には低温対策用の制御開始/制御停止命令を入力するための特殊スイッチ(以下、低温対策スイッチ)SW1が含まれる。ユーザは、この低温対策スイッチSW1をオン、オフ操作することにより、低温対策用の制御開始/制御停止の指示を行う。
外気温度センサ190は、外気温度を検出するためのセンサであり、例えば当該車両の外周に設けられている。部品温度センサ195は、当該車両に搭載されている様々な部品(各種補機など)の温度を検出するセンサであり、検出対象となる部品に取り付けられている。本実施形態では、熱源から遠い箇所(排気出口や燃料電池などの熱源を介して供給されるガス流量が少ない箇所など)に設置された各部品(以下、遠隔部品)に部品温度センサ195が取り付けられている。もちろん、いずれの部品に部品温度センサ195を取り付けるかは任意である。
制御ユニット80は、これら外気温度センサ190によって検出される外気温度、部品温度センサ195によって検出される遠隔部品の温度(以下、遠隔部品温度)に基づき低温判定を行い、低温対策用の制御指令の入力を促すメッセージをユーザに報知すべきか否かを判断する。
以下、本システムの動作について説明する。
(2)実施形態の動作
図2は、燃料電池システム100の動作を示すフローチャートである。
制御ユニット80は、当該システムの起動要求(イグニッションオンなど)が入力されたことを検出すると(ステップS1)、外気温度センサ190によって検出される外気温度To、部品温度センサ195によって検出される遠隔部品温度Tpに基づき低温判定を行う(ステップS2)。詳述すると、制御ユニット(判断手段)80は、外気温度To、遠隔部品温度Tpと、予め設定された基準温度Ts(例えば0℃)とを比較し、外気温度Toまたは遠隔部品温度Tpが基準温度Tsを下回っているか否かを判断する。
図3は、外気温度と遠隔部品温度の関係を示す図であり、横軸に外気温度、縦軸に遠隔部品温度を示す。図3に示すように、外気温度Toの基準温度Tos及び遠隔部品温度Tpの基準温度Tpsがそれぞれ0℃に設定された状態では、制御ユニット80は、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っているか否かを判断する。ここで、遠隔部品が複数ある場合には、最も温度の低い遠隔部品(図3では部品c)の温度Tpが0℃を下回っているか否か判断すればよい。ただし、いずれの遠隔部品の温度を利用するかは任意である。
制御ユニット80は、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃以上であれば、低温対策用の制御は不要であると判断し、通常運転を開始する(ステップS2→ステップS10)。一方、制御ユニット(報知手段)80は、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っていると判断すると(図3に示す斜線部分参照)、図4に示すような低温対策用の制御指令の入力を促すメッセージを表示装置160に表示するとともに、該制御指令の入力を促す音声メッセージなどを音声出力装置180から出力する(ステップS2→ステップS3)。ユーザは、表示装置160に表示されるメッセージ等を確認し、低温対策用の制御を実行すべきか否かを判断する。ユーザは、低温対策用の制御が必要であると判断すると、低温対策スイッチSW1をオンにする。制御ユニット80は、低温対策スイッチSW1がオンされたことを検知すると(ステップS4;YES)、メモリ(図示略)に格納されている低温対策フラグをオンにした後(ステップS5)、上記メッセージの報知を停止する。その後、制御ユニット80は、当該システムの停止要求(イグニッションオフなど)があったか否かを判断し(ステップS6)、要求がないと判断するとステップS2に戻る。これにより、上記低温判定を含む一連の処理が所定時間間隔で繰り返し実行される。
一方、制御ユニット80は、ステップS4において低温対策スイッチSW1がオンされたことを検知しない場合には(ステップS4;NO)、ステップS6に進み、当該システムの停止要求があったか否かを判断する。要求がないと判断した場合には、上記と同様ステップS2に戻り、上述した一連の処理を実行する。
制御ユニット80は、ステップS4において低温対策スイッチSW1がオンされたことを検知しない場合(ステップS4;NO)、ステップS6に進み、当該システムの停止要求があったか否かを判断する。制御ユニット80は、通常運転を開始した後もステップS6に進み、同様の処理を行う(ステップS10→ステップS6)。
その後、当該システムの停止要求があったことを検知すると、制御ユニット80は、低温対策フラグを参照し、低温対策スイッチSW1がオンされているか否かを判断する。低温対策スイッチSW1がオフされている場合には(ステップS7;NO)、以下に示す低温対策用の制御を行うことなく、供給ガスの停止などの処理(停止処理)を行う(ステップS9)。
一方、低温対策スイッチSW1がオンされている場合には(ステップS7;YES)、低温対策用の制御として掃気処理などを実行する(ステップS8)。かかる掃気処理を実行することで、配管などに溜まった水分量を低減することができ、配管に溜まった水が凍結して破損してしまう等の問題を抑制することができる。低温対策用の制御が終了すると、制御ユニット80は上記と同様の停止処理を行い(ステップS9)、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、当該システムの起動要求があってから停止要求があるまでの間に、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っているか否かを判断し、いずれかの温度が0℃を下回っている場合に低温対策用の制御指令を促すメッセージを報知するため、かかるメッセージをユーザが見落としてしまう等の問題を抑制することが可能となる。
<変形例>
(1)上述した第1実施形態では、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが基準温度Ts以上である場合に低温対策用の制御指令の入力を促すメッセージを報知したが、両条件を満足する場合にのみ、かかるメッセージを報知しても良い。
(2)また、上述した第1実施形態では、当該システムに係る温度条件(外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpの温度条件)に基づき、低温対策用の制御指令の入力を促すメッセージを報知するか否かを判断したが、他の条件(例えば燃料ガスの流量など)に基づき、かかるメッセージを報知するか否かを判断しても良い。
B.第2実施形態
上述した第1実施形態では、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っている場合に報知によって低温対策用の制御指令をユーザにスイッチONを促したが、ユーザが報知を見落とすおそれがあるので、報知後、スイッチONにならなくても低温対策を実施するようにしても良い。
図5は、第2実施形態に係る燃料電池システム100の動作を示すフローチャートである。なお、図2に示すフローチャートに対応するステップについては、同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
制御ユニット80は、当該システムの起動要求(イグニッションオンなど)が入力されたことを検出すると(ステップS1)、外気温度センサ190によって検出される外気温度To、部品温度センサ195によって検出される遠隔部品温度Tpに基づき低温判定を行う(ステップS2)。
制御ユニット80は、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃以上であれば、低温対策用の制御は不要であると判断し、通常運転を開始する(ステップS2→ステップS10)。一方、制御ユニット80は、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っていると判断すると、ユーザに低温対策用の制御を実行すべきか否かを促すことなく、低温対策スイッチSW1をオンにする(ステップS130)。制御ユニット80は、低温対策スイッチSW1をオンにすると、ステップS6に進み、当該システムの停止要求があったか否かを判断する。要求がないと判断した場合には(ステップS6;NO)、上記と同様ステップS2に戻り、上述した一連の処理を実行する。
その後、当該システムの停止要求があったことを検知すると(ステップS6;YES)、低温対策用の制御として掃気処理などを実行する。かかる掃気処理を実行することで、配管などに溜まった水分量を低減することができ、配管に溜まった水が凍結して破損してしまう等の問題を抑制することができる。低温対策用の制御が終了すると、制御ユニット80は上記と同様の停止処理を行い(ステップS9)、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、当該システムの起動要求があってから停止要求があるまでの間に、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っているか否かを判断し、いずれかの温度が0℃を下回っている場合に低温対策スイッチSW1を自動でオンにするため、低温対策用の制御を確実に実行することができる。
なお、低温対策の要否を温度閾値の大小で「必要」、「絶対必要」のように二段階で設定しても良い。そして、「必要」と設定された場合にはスイッチONを促す報知を行うが、スイッチOFF時には低温処理を行わない。一方、「絶対必要」と設定された場合にはスイッチOFF時のままでは確実に低温による弊害があると判断し、スイッチOFFであっても低温対策を自動的に実行する。このような制御を行ってもよい。
<変形例>
(1)上述した第2実施形態では、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが基準温度Ts以上である場合に低温対策スイッチSW1を自動でオンしたが、両条件を満足する場合にのみ、かかるスイッチSW1をオンしても良い。
C.第3実施形態
上述した第2実施形態では、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っている場合に自動で低温対策用の制御を実行したが、例えば冬季に走行中の車両が室内駐車場で停止する場合など、急激な温度変化が生じることもある。急激な温度変化により、車両が十分に温められる場合には低温対策用の制御は不要となるが、このような急激な温度変化がある場合まで低温対策用の制御を行ったのでは、無駄に燃料ガスが消費されてしまう等の問題が発生する。
以下に示す第3実施形態は、かかる問題を解消するためになされたものであり、不必要に低温対策用の制御が行われることを防止し、これにより無駄に燃料ガスが消費されてしまう等の問題を抑制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。
図6は、第3実施形態に係る燃料電池システム100の動作を示すフローチャートである。なお、図2に示すフローチャートに対応するステップについては、同一符号を付し、詳細な説明を省略する。
制御ユニット(第1判断手段)80は、当該システムの起動要求(イグニッションオンなど)が入力されたことを検出すると(ステップS1)、外気温度センサ190によって検出される外気温度To、部品温度センサ195によって検出される遠隔部品温度Tpに基づき第1の低温判定を行う(ステップS2)。詳述すると、制御ユニット80は、外気温度To及び遠隔部品温度Tpと、予め設定された第1基準温度Ts1(例えば0℃)とを比較し、外気温度To及び遠隔部品温度Tpが第1基準温度(例えば0℃)Ts1を下回っているか否かを判断する。なお、検出される外気温度Toは、温度検出メモリ(図示略)に対して時系列順に格納される。
制御ユニット80は、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃以上であれば、低温対策用の制御は不要であると判断し、通常運転を開始する(ステップS2→ステップS10)。一方、制御ユニット80は、外気温度Toもしくは遠隔部品温度Tpが0℃を下回っていると判断すると、メモリ(図示略)に格納されている第1低温判定フラグをオンにした後(ステップS2→ステップS230)、ステップS6に進む。
制御ユニット80は、ステップS6に進むと、当該システムの停止要求があったか否かを判断する。要求がないと判断した場合には(ステップS6;NO)、上記と同様ステップS2に戻り、上述した一連の処理を実行する。
その後、当該システムの停止要求があったことを検知すると(ステップS6;YES)、制御ユニット(第2判断手段)80は、外気温度センサ190によって検出される外気温度Toに基づき第2の低温判定を行う(ステップS240)。詳述すると、制御ユニット80は、まず、今回検出された外気温度Torと、温度検出メモリに格納されている前回以前の外気温度Topとの差分温度Td(=Tor−Top;温度の経時変化)を求め、求めた差分温度Tdが予め設定されている差分閾値Tt以上であるか、あるいは今回検出された外気温度Torが予め設定された第2基準温度Ts2(例えば0℃)以上であるかを判断する(図7参照)。
制御ユニット80は、第2の低温判定において、求めた差分温度Tdが予め設定された差分閾値Tt以上であるか、あるいは今回検出された外気温度Torが0℃以上であると判断すると、低温対策の制御を行うことなく、システムを停止する。
一方、制御ユニット80は、求めた差分温度Tdが予め設定されている差分閾値Ttを下回り、かつ、今回検出された外気温度Torが0℃を下回っている場合には、ステップS250に進み、第1低温判定フラグがオンになっているか否かを判定する。
制御ユニット80は、第1低温判定フラグがオンになっていない場合には、低温対策の制御を行うことなく、システムを停止する。一方、制御ユニット(制御手段)80は、第1低温判定フラグがオンになっている場合には、低温対策スイッチSW1をオンにした後(ステップS260)、低温対策用の制御として掃気処理などを実行する(ステップS8)。かかる掃気処理を実行することで、配管などに溜まった水分量を低減することができ、配管に溜まった水が凍結して破損してしまう等の問題を抑制することができる。低温対策用の制御が終了すると、制御ユニット80は上記と同様の停止処理を行い(ステップS9)、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、急激な温度変化がある場合(例えば、冬季に走行中の車両が室内駐車場で停止する場合など)には低温対策用の制御が実行されないため、不必要に低温対策の制御が実施されることで無駄に燃料ガスが消費されてしまう等の問題を防止することができる。
<変形例>
(1)上述した第3実施形態では、外気温度に基づいて第2の低温判定を行ったが、これに代えて(あるいは加えて)、遠隔部品温度に基づいて第2の低温判定を行っても良い。具体的には、今回検出された遠隔部品温度Tprと、温度検出メモリに格納されている前回以前の遠隔部品温度Tppとの差分温度Td(=Tpr−Tpp)を求め、求めた差分温度Tdが予め設定されている差分閾値Tt以上であるか、あるいは今回検出された遠隔部品温度Tprが予め設定された第2基準温度Ts2以上であるかを判断すればよい。
(2)また、上述した第3実施形態では、第1基準温度Ts1、第2基準温度Ts2として「0℃」を例示したが、他の温度(例えば5℃)であっても良く、また、両基準温度Ts1、Ts2が異なっていても良い。
(3)また、上述した第3実施形態では、求めた差分温度Tdが予め設定されている差分閾値Tt以上であるか、あるいは今回検出された外気温度Torが予め設定された第2基準温度Ts2以上である場合に低温対策の制御を行ったが、両条件を満足する場合に低温対策の制御を行っても良い。
なお、以上説明した各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることができるのはもちろんである。
第1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。 同実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 同実施形態に係る外気温度と遠隔部品温度との関係を示すグラフである。 同実施形態に係る表示画面を例示した図である。 第2実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 第3実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。 同実施形態に係る外気温度の経時変化を示す図である。
符号の説明
100・・・燃料電池システム、160・・・表示装置、180・・・音声出力装置、80・・・制御ユニット、40・・・燃料電池、190・・・外気温度センサ、195・・・部品温度センサ、170・・・入力装置、SW1・・・低温対策スイッチ。

Claims (3)

  1. 低温対策用の制御が行われる燃料電池システムであって、
    システムの起動命令が入力されてから停止命令が入力されるまでの間に、当該システムの外気温度が第1の設定条件を満たすか否かを判断する第1判断手段と、
    前記第1の設定条件を満たす場合に前記外気温度の経時変化が第2の設定条件を満たすか否かを判断する第2判断手段と、
    前記第2の設定条件を満たす場合に低温対策用の制御を行う制御手段と
    を具備し、
    前記第1判断手段は、前記外気温度が設定された基準温度を下回っているか否か判断し、
    前記第2判断手段は、前記外気温度が設定された前記基準温度を下回っている場合に該外気温度の経時変化が設定されている差分閾値以上であるか否かを判断することを特徴とする燃料電池システム。
  2. ユーザからの低温対策要求の入力時に低温対策用の制御が行われる燃料電池システムであって、
    システムの起動命令が入力されてから停止命令が入力されるまでの間、前記第1および第2の設定条件が満たされている場合には、該システムの起動命令が入力されてから停止命令が入力されるまでの期間にユーザに対して低温対策要求の入力を促す報知手段をさらに具備することを特徴とする請求項に記載の燃料電池システム。
  3. 前記判断手段は、前記判断を所定時間間隔で繰り返し実行することを特徴とする請求項に記載の燃料電池システム。
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