JP5355631B2

JP5355631B2 - 燃料電池車両の制御方法

Info

Publication number: JP5355631B2
Application number: JP2011150841A
Authority: JP
Inventors: 昌弘毛里; 充郎市川; 謙高橋
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2031-07-07
Also published as: JP2013021755A

Description

本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、車両走行用の負荷に電力を出力する燃料電池と、前記燃料電池から電力が供給されるとともに、前記負荷に電力を供給する蓄電装置とを備える燃料電池車両の制御方法に関する。

燃料電池は、燃料ガス（主に水素を含有するガス、例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（主に酸素を含有するガス、例えば、空気）をアノード電極及びカソード電極に供給して電気化学的に反応させることにより、直流の電気エネルギを得るシステムである。このシステムは、通常、複数の燃料電池を所定数だけ積層した燃料電池スタックを備えるとともに、前記燃料電池スタックは、車載用として燃料電池車両（例えば、燃料電池電気自動車）に組み込まれている。

この種の燃料電池車両では、衝突時の衝撃により燃料電池スタックの積層方向一方の締め付け荷重が低下する場合がある。このため、反応ガスや冷却媒体のシール不良が惹起されるとともに、燃料電池間に隙間が形成されて該隙間に電位差が発生することがある。さらに、衝突時に燃料電池の移動や変形が発生したり、反応ガスや冷却媒体のシール不良や電位差が生じる場合がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている車載燃料電池発電システムの制御装置が知られている。この制御装置は、車両の衝突可能性を予測する予測手段と、車載燃料電池発電システムを停止する停止手段と、燃料電池の発電した電力を蓄える蓄電手段と、電力を消費する負荷と、前記負荷と前記蓄電手段とを電気的に遮断する遮断手段と、車両の衝突を検知する検知手段とを備えている。

そして、予測手段が衝突可能性が高いと判断した場合に、停止手段が車載燃料電池発電システムを停止し、検知手段が車両の衝突を検知した場合に、遮断手段が、負荷と前記蓄電手段とを電気的に遮断している。

特許第４０６６８８２号公報

上記の特許文献１では、車両の衝突が検知された際に、燃料電池の発電電力を蓄える蓄電手段と電力を消費する負荷とを電気的に遮断している。ところが、車両の衝突状態には、衝突後に前記車両の再走行が不能な状態（以下、重衝突という）の他、走行機能にダメージがなく、衝突後に該車両の再走行が可能な状態（以下、軽衝突という）が存在している。

しかしながら、上記の特許文献１では、軽衝突時であっても、蓄電手段と負荷とが電気的に遮断されるため、軽衝突後に車両を迅速に移動させることができないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、衝突時に反応ガスのシール性を確保するとともに、特に軽衝突後に車両を迅速且つ確実に走行させることが可能な燃料電池車両の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、車両走行用の負荷に電力を出力する燃料電池と、前記燃料電池から電力が供給されるとともに、前記負荷に電力を供給する蓄電装置とを備える燃料電池車両の制御方法に関するものである。

この制御方法は、車両衝突後に車両の再走行が可能な軽衝突が発生する第１加速度、及び車両衝突後に前記車両の再走行が不能な重衝突が発生する第２加速度を設定する工程と、車両走行時に、前記第１加速度が検出された際、燃料電池の出力側と負荷との間に設けられたコンタクタを遮断し且つ前記燃料電池の運転を停止する一方、蓄電装置から前記負荷に電力を供給する工程とを有している。

ここで、軽衝突とは、車両衝突後に車両の再走行が可能な状態であり、前記車両の走行機能がダメージを受けない程度、すなわち、通常走行が可能な衝突、又は、燃料電池を構成する電解質膜にクリープが発生しない程度の軽度の衝撃力が発生する衝突をいう。

本発明では、車両が軽衝突するおそれがあると検出されると、コンタクタが遮断されて燃料電池と負荷とが電気的に遮断されるとともに、前記燃料電池の運転が停止される。このため、車両が軽衝突する際に、反応ガスの供給が停止されており、前記反応ガスの漏洩を低減することができる一方、開回路状態となっているため、荷重抜けにより面圧が低下しても、電位差の発生が良好に抑制され、気体放電現象を伴わない。

さらに、軽衝突時には、蓄電装置から負荷に電力を供給することが可能である。従って、軽衝突後に車両を迅速且つ確実に走行させることができ、前記車両を適宜移動させることにより、所望の処置を施すことが可能になる。

本発明の第１及び第２の実施形態に係る制御方法が実施される燃料電池車両の概略説明図である。前記燃料電池車両を構成する回路説明図である。前記燃料電池車両を構成する固体高分子電解質膜のクリープ特性の説明図である。前記燃料電池車両が車両前方衝突した際の説明図である。第１の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。前記燃料電池車両の復帰時の制御方法を説明するフローチャートである。第２の実施形態に係る制御方法を説明するフローチャートである。

図１に示すように、本発明の第１及び第２の実施形態に係る制御方法が実施される燃料電池車両１０は、例えば、センターコンソール１２に燃料電池スタック１４が収容される。燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池１６が燃料電池車両１０の車長方向（矢印Ｌ方向）に積層されて構成される。なお、燃料電池スタック１４は、燃料電池車両１０のセンターコンソール１２の他、床下やフロントボックス（所謂、エンジンルーム）に収容してもよい。

各燃料電池１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜１８をカソード電極２０とアノード電極２２とで挟持した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２４を備える。なお、固体高分子電解質膜１８は、フッ素系イオン交換膜の他、炭化水素（ＨＣ）系イオン交換膜を使用してもよい。

カソード電極２０及びアノード電極２２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金（又はＲｕ等）が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜１８の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体２４は、カソード側セパレータ２６及びアノード側セパレータ２８で挟持される。カソード側セパレータ２６及びアノード側セパレータ２８は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

カソード側セパレータ２６と電解質膜・電極構造体２４との間には、酸化剤ガス流路３０が設けられるとともに、アノード側セパレータ２８と前記電解質膜・電極構造体２４との間には、燃料ガス流路３２が設けられる。燃料電池１６間には、冷却媒体流路３４が形成される。

燃料電池スタック１４の積層方向両端には、エンドプレート３６ａ、３６ｂが配設され、前記エンドプレート３６ａ、３６ｂは、複数の締結ボルト３７により積層方向に締め付け荷重が付与される。エンドプレート３６ｂ側には、複数の弾性部材、例えば、皿ばね３８と押圧プレート４０とが配設され、燃料電池１６に所望の積層荷重を付与する。

エンドプレート３６ａ側には、各燃料電池１６の積層方向に互いに連通して、各酸化剤ガス流路３０に酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、酸素含有ガス（以下、空気ともいう）を供給する酸化剤ガス供給装置４２と、各燃料ガス流路３２に燃料ガス（反応ガス）、例えば、水素含有ガス（以下、水素ガスともいう）を供給する燃料ガス供給装置４４と、各冷却媒体流路３４に冷却媒体（例えば、純水やエチレングリコール、オイル等）を供給する冷却媒体供給装置４６とが接続される。

図２に示すように、燃料電池スタック１４には、バスライン５０の一端が接続されるとともに、前記バスライン５０の他端がインバータ５２に接続される。インバータ５２には、三相の車両走行用の駆動モータ（負荷）５４が接続される。なお、バスライン５０は、実質的には、２本用いられているが、説明の簡素化を図るために、１本の前記バスライン５０で記載する。以下に説明する他のラインにおいても、同様である。

バスライン５０には、燃料電池スタック１４の出力端子にＦＣコンタクタ５６が配設されるとともに、前記バスライン５０には、電力線５８の一端が接続される。電力線５８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を介装して蓄電装置、例えば、二次電池（又はキャパシタ）６２が接続される。二次電池６２は、ブレーキ回生及び燃料電池スタック１４からの余剰電力の吸収（蓄電）を行う。

電力線５８には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０と二次電池６２との途上に電力線５８ａが分岐し、この電力線５８ａには、ダウンバータ（Ｄ／Ｖ）６３及び補器用バッテリ６２ａが接続される。補器用バッテリ６２ａは、通常、１２Ｖ又は２４Ｖであり、ブレーキ制動用やＥＣＵ制御用等の動力源である。

燃料電池車両１０は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）６４を備える。このＥＣＵ６４は、インバータ５２、ＦＣコンタクタ５６及びＤＣ／ＤＣコンバータ６０を制御するとともに、Ｇセンサ６６から加速度信号が入力される。Ｇセンサ６６は、例えば、エアバッグ制御用センサを用いることができる。

ＥＣＵ６４は、Ｇセンサ６６から得られる加速度Ｇから、車両衝突後に燃料電池車両１０の再走行が可能な軽衝突が発生する第１加速度Ｇ１、及び車両衝突後に前記燃料電池車両１０の再走行が不能な重衝突が発生する第２加速度Ｇ２を設定する。

具体的には、図３に示すように、フッ素系イオン交換膜である固体高分子電解質膜１８が使用される燃料電池スタック１４では、スタック締結荷重に対する膜クリープ量（永久変形量）及び抵抗の関係を有する。

燃料電池スタック１４は、内部抵抗値が良好に低下するとともに、固体高分子電解質膜１８のクリープが発生しない領域に設定されたスタック初期締結荷重により締め付け保持される。このスタック初期締結荷重は、温度や反応ガス圧及び冷却媒体圧の変動により変化する。

そして、車両衝突後に燃料電池車両１０の再走行が可能な軽衝突が発生する第１加速度Ｇ１、すなわち、固体高分子電解質膜１８にクリープ量の増加が発生しない範囲（又は、燃料電池車両１０の走行機能がダメージを受けない程度の衝突範囲）で、締結荷重が増加する軽衝突（第１加速度Ｇ１以上）が設定される。

さらに、車両衝突後に燃料電池車両１０の再走行が不能な重衝突が発生する第２加速度Ｇ２、すなわち、固体高分子電解質膜１８にクリープ量の増加が発生する範囲で、締結荷重が増加する重衝突（第２加速度Ｇ２以下）が設定される。

さらにまた、図３中、ＧＤＬ（ガス拡散層）座屈限界は、ガス拡散層中の繊維が固体高分子電解質膜１８を貫通して燃料ガスと酸化剤ガスとの間で短絡が発生する限界締結荷重である。

図４に示すように、燃料電池車両１０が車両前方衝突した際、積層方向前方（矢印Ｌ１方向）の燃料電池１６には、積層方向後方（矢印Ｌ２方向）の前記燃料電池１６の押し込み（移動）により荷重が増大する。このため、積層方向前方の燃料電池１６では、ガス拡散層が座屈するおそれがある。

一方、積層方向後方の燃料電池１６では、荷重抜けが発生して電位差やシール不良が惹起し易い。さらに、車両衝突後に積層方向後方に反力が発生するため、燃料電池１６がせん断方向にずれ易く、電位差やシール不良が生じるおそれがある。

上記の衝突による現象を考慮して、車両衝突後に燃料電池車両１０の再走行が可能な軽衝突が発生する第１加速度Ｇ１、及び車両衝突後に前記燃料電池車両１０の再走行が不能な重衝突が発生する第２加速度Ｇ２が設定される。

また、固体高分子電解質膜１８は、熱によりクリープ量が増加しており、熱クリープによる荷重耐性が低いという特性を有している。なお、フッ素系イオン交換膜の他、炭化水素系イオン交換膜においても、同様の現象が発生する。

このように構成される燃料電池車両１０の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池車両１０の運転時には、図１に示すように、燃料電池スタック１４では、酸化剤ガス供給装置４２から酸素含有ガス（例えば、空気）等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給装置４４から水素含有ガス（例えば、水素ガス）等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給装置４６から純水やエチレングリコール、又はオイル等の冷却媒体が供給される。

酸化剤ガスは、カソード側セパレータ２６の酸化剤ガス流路３０に導入される。この酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体２４のカソード電極２０に供給される。一方、燃料ガスは、アノード側セパレータ２８の燃料ガス流路３２に導入され、電解質膜・電極構造体２４のアノード電極２２に供給される。

これにより、電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極２０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極２２に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費されて発電が行われる。

また、冷却媒体供給装置４６では、冷却媒体が冷却媒体流路３４に供給される。この冷却媒体は、各燃料電池１６を冷却した後、燃料電池スタック１４から排出される。

次いで、第１の実施形態に係る燃料電池車両１０の制御方法について、図５に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。

燃料電池車両１０では、図２に示すように、ＥＣＵ６４を介してＧセンサ６６からの車両進行方向の加速度信号が、常時、入力されている（ステップＳ１）。ＥＣＵ６４は、検出された加速度Ｇが第１加速度Ｇ１以上であるか否かを判断し（ステップＳ２）、前記第１加速度Ｇ１以上であると判断されると（ステップＳ２中、ＹＥＳ）、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、検出された加速度Ｇが第２加速度Ｇ２未満であると判断されると（ステップＳ３中、ＹＥＳ）、ステップＳ４に進む一方、検出された加速度Ｇが第２加速度Ｇ２以上であると判断されると（ステップＳ３中、ＮＯ）、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、燃料電池車両１０が重衝突すると判断される。

重衝突すると判断されると、二次電池６２と負荷とは、図示しないコンタクタの遮断作用下に電気的に遮断される一方、補器用バッテリ６２ａは、負荷に対して電気的に接続されている。補器用バッテリ６２ａによるブレーキ制動を確保するためである。なお、ＦＣコンタクタ５６は、下記のように、軽衝突すると判断された際に切断されている。

ステップＳ４では、燃料電池車両１０が軽衝突すると判断され、ステップＳ６に進んで、ＦＣコンタクタ５６が切断される。このため、燃料電池スタック１４と駆動モータ５４を含む負荷とは、電気的に遮断される。さらに、ステップＳ７に進んで、燃料電池スタック１４への燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体の供給が停止され、前記燃料電池スタック１４の運転が停止される。

次に、燃料電池車両１０が軽衝突したか否かが判断される（ステップＳ８）。燃料電池車両１０が軽衝突した際（ステップＳ８中、ＹＥＳ）、図２に示すように、二次電池６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を介して駆動モータ５４を含む負荷に電気的に接続されている。従って、ＥＣＵ６４による制御が遂行されるとともに、ブレーキ動力を確保して燃料電池車両１０の走行制御が可能になる。

また、補器用バッテリ６２ａは、軽衝突後もＥＣＵ６４に電力を供給しているが、二次電池６２から前記ＥＣＵ６４に電力を供給してもよい。

一方、ステップＳ２において、検出された加速度Ｇが第１加速度Ｇ１未満である際には（ステップＳ２中、ＮＯ）、ステップＳ９に進んで、通常の運転モードに移行する。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池車両１０が軽衝突するおそれがあると検出されると、ＦＣコンタクタ５６が遮断されて燃料電池スタック１４と駆動モータ５４を含む負荷とは、電気的に遮断されるとともに、前記燃料電池スタック１４の運転が停止されている（ステップＳ２〜ステップＳ７参照）。

このため、燃料電池車両１０が軽衝突する際に、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が停止されており、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのシール性を確保することができるとともに、電位差の発生が良好に抑制される。

さらに、軽衝突時には、二次電池６２から駆動モータ５４を含む負荷に電力を供給することが可能である。従って、ＥＣＵ６４による制御及びブレーキ動力を確保することができ、軽衝突後に燃料電池車両１０を迅速且つ確実に走行させることが可能になる。これにより、燃料電池車両１０を適宜移動させて所望の処置を施すことができるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池１６が燃料電池車両１０の車長方向（矢印Ｌ方向）に積層されているが、これに限定されるものではない。例えば、複数の燃料電池１６を車幅方向（車長方向に直交する方向）に積層して構成することも可能である。

次いで、燃料電池車両１０の復帰時の制御方法について、図６に示すフローチャートに沿って説明する。

先ず、補器用バッテリ６２ａの地絡検知が行われる（ステップＳ１０１）。そして、地絡抵抗が所定値、例えば、１ＭΩ以上であるか否かが判断され（ステップＳ１０２）、１ＭΩ未満であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＮＯ）、地絡が発生しているとしてステップＳ１０３に進んで、システム停止が行われる。

一方、検知された地絡抵抗が、１ＭΩ以上であると判断されると（ステップＳ１０２中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０４に進んで、二次電池６２の地絡検知が行われる。この二次電池６２においても同様に、検知された地絡抵抗が所定値、例えば、１ＭΩ以上であると判断されると（ステップＳ１０５中、ＹＥＳ）、ステップＳ１０６に進んで、前記二次電池６２を負荷回路に接続する。具体的には、図示しないコンタクタを閉じることにより、二次電池６２と負荷回路とが接続される。

次に、ステップＳ１０７に進んで、燃料電池スタック１４の地絡が検知される。燃料電池スタック１４において、地絡抵抗が所定抵抗、例えば、１ＭΩ以上あるか否かが判断される（ステップＳ１０８）。地絡抵抗が１ＭΩ未満であると判断されると（ステップＳ１０８中、ＮＯ）、ステップＳ１０９に進んで、二次電池６２等による電気自動車運転モード（ＥＶモード）に移行する。このため、燃料電池車両１０は、低速で所定の待避場所まで走行することができる。

一方、燃料電池スタック１４の地絡抵抗が１ＭΩ以上であると判断されると（ステップＳ１０８中、ＹＥＳ）、ステップＳ１１０に進んで、前記燃料電池スタック１４が負荷回路に接続される。具体的には、ＦＣコンタクタ５６が接続され、前記燃料電池スタック１４と駆動モータ５４とを含む負荷とが電気的に接続される。

さらに、ステップＳ１１１に進んで、燃料電池スタック１４に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の供給が開始される。これにより、燃料電池スタック１４が起動され（ステップＳ１１２）、通常モードに移行する（ステップＳ１１３）。

次いで、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池車両１０の制御方法について、図７に示すフローチャートに沿って、以下に説明する。なお、第１の実施形態に係る制御方法と同一の行程については、その詳細な説明は省略する。

ステップＳ２０１及びＳ２０２において、ＥＣＵ６４により検出された加速度Ｇが、第１加速度Ｇ１以上であると判断されると、ステップＳ２０３に進む。このステップＳ２０３では、第１加速度Ｇ１が検知される直前、例えば、１秒以内の負荷変動が、例えば、設定値として−７５％以上であるか否かが判断される。そして、負荷変動が−７５％未満である際には（ステップＳ２０３中、ＮＯ）、ステップＳ２１０に進んで、通常モードに移行する。

一方、負荷変動が−７５％以上であると判断されると（ステップＳ２０３中、ＹＥＳ）、ステップＳ２０４に進んで、検出された加速度Ｇが第２加速度Ｇ２未満であるか否かが判断される。さらに、ステップＳ２０４以降の処理が、第１の実施形態と同様に行われる。

このように、第２の実施形態では、ステップＳ２０３の判断を設けることにより、加速度Ｇの誤検知を確実に防止することができるという利点が得られる。

１０…燃料電池車両１４…燃料電池スタック
１６…燃料電池１８…固体高分子電解質膜
２０…カソード電極２２…アノード電極
２４…電解質膜・電極構造体３０…酸化剤ガス流路
３２…燃料ガス流路３４…冷却媒体流路
３６ａ、３６ｂ…エンドプレート３８…皿ばね
４０…押圧プレート４２…酸化剤ガス供給装置
４４…燃料ガス供給装置４６…冷却媒体供給装置
５０…バスライン５２…インバータ
５４…駆動モータ５６…ＦＣコンタクタ
６０…ＤＣ／ＤＣコンバータ６４…ＥＣＵ
６６…Ｇセンサ

Claims

カソード側に供給される酸化剤ガス及びアノード側に供給される燃料ガスの電気化学反応により発電し、車両走行用の負荷に電力を出力する燃料電池と、
前記燃料電池から電力が供給されるとともに、前記負荷に電力を供給する蓄電装置と、
を備える燃料電池車両の制御方法であって、
車両衝突後に車両の再走行が可能な軽衝突が発生する第１加速度、及び車両衝突後に前記車両の再走行が不能な重衝突が発生する第２加速度を設定する工程と、
車両走行時に検出された加速度が、前記第１加速度以上且つ前記第２加速度以下の場合、前記燃料電池の出力側と前記負荷との間に設けられたコンタクタを遮断し且つ前記酸化剤ガス、前記燃料ガス及び冷却媒体の供給を停止して前記燃料電池の運転を停止し、軽衝突の発生後に、前記蓄電装置から前記負荷に電力を供給する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池車両の制御方法。