JP6167864B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池システム100の構成を示す概略図である。この燃料電池システム100は、移動体である燃料電池車両に搭載され、燃料電池車両の運転者(ユーザー)の操作に基づく燃料電池車両からの負荷要求に応じた電力を出力する。燃料電池システム100は、燃料電池10と、制御部20と、カソードガス供給部30と、カソードガス排出部40と、アノードガス供給部50と、アノードガス循環排出部60と、冷媒供給部70と、を備える。
図13は、本発明の第2実施形態としての燃料電池システムにおいて低電圧制御制限部24によって実行される低電圧制御実行可否判定処理の手順を示すフローチャートである。第2実施形態における低電圧制御実行可否判定処理は、ステップS205の二次電池82の蓄電容量についての判定処理が設けられている点以外は、第1実施形態の低電圧制御実行可否判定処理(図6)と同じである。なお、第2実施形態の燃料電池システムの構成は、第1実施形態の燃料電池システム100と同じである(図1,図2)。また、第2実施形態の燃料電池システムにおける運転制御は、低電圧制御実行可否判定処理以外は、第1実施形態で説明した制御と同じである(図3〜図5,図7)。
図14は、本発明の第3実施形態としての燃料電池システムにおける間欠運転制御の手順を示すフローチャートである。第3実施形態の間欠運転制御は、ステップS123の判定処理が追加されている点以外は、第2実施形態の間欠運転制御(図5)と同じである。なお、第3実施形態の燃料電池システムの構成は、第2実施形態の燃料電池システムと同じである(図1,図2)。また、第2実施形態の燃料電池システムにおける運転制御や通常運転制御、電圧増減制御、低電圧制御、低電圧制御実行可否判定処理の内容は、第2実施形態で説明したのと同じである(図3,図4,図6,図7,図13)。
図15は、本発明の第4実施形態としての燃料電池システムにおける間欠運転制御の手順を示すフローチャートである。第4実施形態の間欠運転制御は、ステップS123の判定処理の代わりにステップS124の判定処理が追加されている点以外は、第3実施形態の間欠運転制御(図14)と同じである。なお、第4実施形態の燃料電池システムの構成は、第2実施形態の燃料電池システムと同じである(図1,図2)。また、第2実施形態の燃料電池システムにおける運転制御や通常運転制御、電圧増減制御、低電圧制御、低電圧制御実行可否判定処理の内容は、第3実施形態で説明したのと同じである(図3,図4,図6,図7,図13)。
E1.変形例1:
上記の各実施形態の燃料電池システムは燃料電池車両に限らず、他の燃料電池の電力を使用する移動体(例えば、航空機や船舶など)に搭載されても良い。また、上記の各実施形態の燃料電池システムが出力する電力は移動体の駆動力源のみに用いられなくても良く、移動体の駆動力源とともに移動体の他の補機類等のために使用されても良いし、移動体の他の補機類等のためのみに使用されても良い。加えて、上記の各実施形態の燃料電池システムは移動体ではなく、位置が固定された施設や設備などに導入されても良い。この場合には、ステップS110の車両状態判定処理の代わりに、当該施設や設備における電力使用の停止が継続される状態であるか、使用の開始を待機している状態であるか、を判定する判定処理が実行されても良い。
上記の各実施形態の燃料電池システムでは、低電圧制御(ステップS132)の際に燃料電池10の電圧を0まで低下させて燃料電池10の発電を実質的に停止させていた。これに対して、低電圧制御の際には、燃料電池10の電圧を0Vまで低下させることなく、燃料電池10に触媒の酸化還元電位以下の低電圧での発電を継続させても良い。
上記の各実施形態の燃料電池システムにおける間欠運転制御(図5,図14,図15)では、低電圧制御(ステップS132)と電圧増減制御(ステップS122)のいずれかが実行されていた。これに対して、間欠運転制御では電圧増減制御は省略されても良く、低電圧制御のみが実行されても良い。
上記の第2実施形態から第4実施形態においては、二次電池82の蓄電容量が少なくなっている場合に、低電圧制御の実行を制限し、低電圧制御の代わりに電圧増減制御が実行されたときに燃料電池10の出力電力が二次電池82に蓄電されなくなってしまう事態を回避していた。これに対して、低電圧制御制限部24は、二次電池82の蓄電量が少なくなっている場合に低電圧制御の実行を制限することによって、低電圧制御の実行によって二次電池82の蓄電量が不足してしまうことを抑制しても良い。また、低電圧制御制限部24は、二次電池82の蓄電量が多くなっている場合に、電圧増減制御の実行を禁止して低電圧制御を強制的に実行させても良い。
上記の各実施形態の燃料電池システムでは、車両状態判定処理(ステップS110)において、燃料電池車両が燃料電池10に対する負荷要求が増大する可能性が低い停止継続状態であると判定されたときに低電圧制御(ステップS132)が実行されていた。これに対して、低電圧制御の実行は、車両状態判定処理以外の処理によって決定されても良い。例えば、低電圧制御は、反応ガスの残量が少なくなったときに実行されても良い。また、低電圧制御は、通常制御運転制御の実行中に所定のタイミングで周期的に実行されても良い。
上記の各実施形態では、燃料電池システムは二次電池82(図2)を備えていた。これに対して、上記の各実施形態の燃料電池システムにおいて二次電池82は省略されても良い。この場合には、低電圧制御の実行中において必要とされる電力は、燃料電池10以外の他の発電機などの電力源から賄われるものとしても良い。また、電圧増減制御において燃料電池10が出力する電力は他の補機類において消費させるものとしても良い。
上記の第3実施形態や第4実施形態の低電圧制御実行可否判定処理では、第2実施形態と同様に、二次電池82における蓄電可能容量に基づく判定が実行されていた(ステップS205)。これに対して、第3実施形態や第4実施形態の低電圧制御実行可否判定処理では、二次電池82の蓄電可能容量に基づく判定(ステップS205)は省略されても良い。
上記の第3実施形態や第4実施形態の間欠運転制御(図14,図15)においては、電圧増減制御の開始後に所定の時間が経過したときや、二次電池82の蓄電可能容量が所定の閾値より小さくなったときに、低電圧制御制限部24による判定結果にかかわらず、低電圧制御に移行していた(ステップS123,S124)。これに対して、ステップS123,S124においては、低電圧制御制限部24によって低電圧制御の実行が禁止されている場合には、低電圧制御へ移行せず、電圧増減制御が継続されても良い。これによって、燃料電池10の触媒の劣化が抑制される。
上記の各実施形態の燃料電池システムは、二次電池82の蓄電可能容量が不足している場合に二次電池82に蓄電されるべき燃料電池10の出力電力を消費する電力消費部(例えば、発熱抵抗体など)を備えていても良い。
上記の各実施形態の燃料電池システムでは、制御部20は、第1と第2の冷媒温度計測部によって計測された燃料電池10の運転温度に基づいて燃料電池10の温度状態を検出していた。これに対して、制御部20は他の方法によって、燃料電池10の温度状態を検出しても良い。例えば、制御部20は、予め準備された燃料電池10の運転時間と燃料電池10の温度状態との関係を用いて、燃料電池10の運転時間に基づいて、燃料電池10が高温状態であるか低温状態であるかを検出しても良い。また、制御部20は燃料電池10が配置されている空間内の温度に基づいて燃料電池10の温度状態を検出しても良い。
11…発電体
20…制御部
21…操作受付部
22…通常運転制御部
23…間欠運転制御部
24…低電圧制限制御部
30…カソードガス供給部
31…カソードガス配管
32…エアコンプレッサ
33…開閉弁
34…エアフロメータ
35…圧力計測部
40…カソードガス排出部
41…カソード排ガス配管
43…調圧弁
44…圧力計測部
50…アノードガス供給部
51…アノードガス配管
52…水素タンク
53…開閉弁
54…レギュレータ
55…水素供給装置
56…圧力計測部
60…アノードガス循環排出部
61…アノード排ガス配管
62…気液分離部
63…アノードガス循環配管
64…水素循環用ポンプ
65…アノード排水配管
66…排水弁
67…圧力計測部
70…冷媒供給部
71a…上流側配管
71b…下流側配管
72…ラジエータ
75…冷媒循環用ポンプ
76a,76b…第1と第2の冷媒温度計測部
81…燃料電池コンバータ
82…二次電池
83…二次電池コンバータ
84…DC/ACインバータ84
91…セル電圧計測部
92…電流計測部
93…SOC検出部
Claims (10)
- 外部負荷からの負荷要求に応じた電力を出力する燃料電池システムであって、
電極に触媒が配置されている燃料電池と、
前記燃料電池の温度状態を検出する温度検出部と、
複数の運転制御を切り替えて実行し、前記燃料電池の出力電力を制御する電圧制御部であって、前記複数の運転制御として、少なくとも、
前記負荷要求に応じて前記燃料電池の出力電圧を制御する通常制御と、
前記燃料電池の出力電圧を前記触媒の酸化還元電位よりも低い電圧まで低下させる低電圧制御と、
を実行する電圧制御部と、
前記燃料電池が予め決められた閾値温度よりも高い温度状態である間は、前記燃料電池が前記閾値温度以下の温度状態にあるときよりも、前記電圧制御部における前記低電圧制御への切り替えを制限する低電圧制御制限部と、
を備える、燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、
前記複数の運転制御は、さらに、前記燃料電池に前記触媒の酸化還元電位よりも高い電圧で出力電圧の増減を繰り返させる電圧増減制御を含み、
前記電圧制御部は、前記低電圧制御制限部が前記低電圧制御への切り替えを制限しているときには、前記低電圧制御の代わりに、前記電圧増減制御を実行する、燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記電圧制御部の制御下において、前記燃料電池の出力電力の一部を蓄電し、前記燃料電池とともに前記外部負荷に電力を出力する二次電池を備え、
前記電圧制御部は、前記負荷要求に応じた電力が所定の電力より低い場合に前記低電圧制御を実行し、前記低電圧制御を実行している間に、前記負荷要求に応じた電力に対して不足する電力の少なくとも一部を前記二次電池に出力させる、燃料電池システム。 - 請求項3記載の燃料電池システムであって、
前記二次電池の充電状態を検出する充電状態検出部を備え、
前記低電圧制御制限部は、前記燃料電池が前記閾値温度よりも高い運転状態であり、かつ、前記二次電池の充電状態が予め決められた条件を満たす場合に、前記電圧制御部が前記運転制御を前記低電圧制御に切り替えることを制限する、燃料電池システム。 - 請求項2に従属する請求項4記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、
前記負荷要求は、前記移動体からの出力電力の要求であり、
前記燃料電池システムは、前記移動体から受ける前記負荷要求が増大する可能性を判定する負荷要求増大可能性判定部を備え、
前記電圧制御部は、
(i)前記負荷要求に応じた電力が前記所定の電力より低い場合において、前記負荷要求増大可能性判定部によって前記負荷要求が増大する可能性が低いと判定されている場合には、前記低電圧制御を実行し、
(ii)前記負荷要求に応じた電力が前記所定の電力より低い場合において、前記負荷要求増大可能性判定部によって前記負荷要求が増大する可能性が高いと判定されている場合には、前記電圧増減制御を実行し、前記電圧増減制御において、前記燃料電池の出力電力の余剰分を前記二次電池に蓄電する、燃料電池システム。 - 請求項5記載の燃料電池システムであって、
前記負荷要求増大可能性判定部は、前記負荷要求に応じた電力が前記所定の電力より低い状態が継続されている低負荷要求時間を計測し、前記低負荷要求時間が所定の時間より長い場合には、前記負荷要求が増大する可能性がないと判定する、燃料電池システム。 - 請求項5または請求項6記載の燃料電池システムであって、
前記負荷要求は、前記移動体の駆動力源に用いられる電力の要求であり、
前記移動体は、ユーザーが前記移動体の加速を操作する加速操作部と、前記ユーザーが前記移動体の移動を禁止するブレーキ操作部と、を備えており、
前記負荷要求増大可能性判定部は、前記ブレーキ操作部によって前記移動体が停止されているときに、前記負荷要求が増大する可能性が低いと判定し、
前記電圧制御部は、前記ユーザーによる前記加速操作部の操作が検出されないときに、前記負荷要求に応じた電力が前記所定の電力より低い場合として、前記低電圧制御または前記電圧増減制御を実行する、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記低電圧制御は、前記燃料電池の出力電圧を0Vまで低下させる制御である、燃料電池システム。 - 燃料電池車両であって、
請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の燃料電池システムを搭載する、燃料電池車両。 - 電極に触媒が配置されている燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法であって、
複数の運転制御を切り替えて実行し、前記燃料電池の出力電力を制御する電圧制御工程であって、前記複数の運転制御として、少なくとも、
外部からの負荷要求に応じて前記燃料電池の出力電圧を制御する通常制御と、
前記燃料電池の出力電圧を前記触媒の酸化還元電位よりも低い電圧まで低下させる低電圧制御と、
を実行する電圧制御工程と、
前記燃料電池が予め決められた閾値温度よりも高い温度状態である間は、前記燃料電池が前記閾値温度以下の温度状態にあるときよりも、前記電圧制御工程における前記低電圧制御への切り替えを制限する低電圧制御制限工程と、
を備える、制御方法。
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