JP6428562B2 - 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。

特許文献１には、燃料電池と二次電池とを備え、燃料電池及び／又は二次電池からの電力で駆動モーターを動作させる燃料電池システムが記載されている。

特開２０１０−２３８５４４号公報

車両に搭載される燃料電池システムでは、二次電池が故障し、二次電池が電源配線から切り離された状態になった場合であっても、燃料電池に発電をさせて、燃料電池からの電力により駆動モーターなどの負荷を動作させるように構成することが好ましい。ここで、車両がアイドリング状態から走行状態に切り替わる場合、二次電池が故障していない場合には、二次電池から電力を供給できるため、応答性よく走行状態に移行できる。しかし、二次電池が故障して燃料電池のみからしか電力を供給できない場合、燃料電池システムは応答性が低く、要求電力の急激な増大に追従できないため、アイドリング状態から走行状態にスムーズに切り換えることができない、という問題があった。このような問題は、何らかの原因で二次電池が電源配線から切り離された状態に共通する問題である。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、移動体に用いられる燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、駆動モーターと、前記駆動モーターに電力を供給可能な二次電池及び燃料電池と、前記燃料電池を動作させるために用いられる補機と、前記二次電池を電源配線から切り離すためのリレーと、使用者からの指令に基づいて前記燃料電池と前記補機と前記駆動モーターとを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記リレーにより前記二次電池が前記電源配線から切り離された状態において、（ｉ）前記指令に応じたアイドリング運転を前記燃料電池に行わせる場合、前記燃料電池が前記アイドリング運転を維持するのに必要な前記補機の最低消費電力よりも大きく、かつ、前記補機の使用可能上限の消費電力以下となる第１の電力で、前記補機を動作させ、（ｉｉ）その後、前記指令の変更に応じて前記アイドリング運転を解除して前記燃料電池に通常運転を行わせる場合、前記補機の消費電力を前記第１の電力から、前記第１の電力よりも小さく前記最低消費電力より大きな第２の電力に減少させ、前記第１の電力と前記第２の電力との差分の電力を前記駆動モーターに供給させる。
この形態によれば、アイドリング運転時に燃料電池の発電を維持する以上の第１の電力を補機に消費させているので、その後、アイドリング運転が終わった際に、補機の電力を第２の電力に落とすことにより、減少分の電力（第１の電力−第２の電力）を駆動モーターに供給することができる。その結果、応答性良く駆動モーターを駆動させることができる。

なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。

移動体としての車両に搭載される燃料電池システムを示す説明図。 本実施形態における制御フローチャート。 燃料電池と補機との関係を示す説明図。 使用者からの指令値と要求電力と駆動モーターの要求出力の関係の一例を示す説明図。 アイドリング運転時の電力の供給及び消費の状態を示す説明図。 アイドリング運転解除時の電力の供給及び消費の状態を示す説明図。 通常運転時の電力の供給及び消費の状態を示す説明図。

図１は、移動体としての車両に搭載される燃料電池システム１０を示す説明図。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、電力変換回路１１０と、駆動モーター１２０と、車輪１３０と、補機１４０と、二次電池１５０と、リレー１６０と、バッテリセンサ１７０と、低電圧の電源配線１８０と、高電圧の電源配線１８５と、アクセルセンサ１９０と、制御部２００と、を備える。電力変換回路１１０は、インバータ１１２とコンバータ１１４を有する。低電圧の電源配線１８０には、補機１４０と、コンバータ１１４とが接続されており、また、リレー１６０を介して二次電池１５０が接続されている。高電圧の電源配線１８５には、燃料電池１００と、インバータ１１２とコンバータ１１４が接続されている。

燃料電池１００は、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電力を発生させる発電装置である。燃料電池１００により発生された電力は、電力変換回路１１０のインバータ１１２を経由して駆動モーター１２０に供給可能である。すなわち、インバータ１１２は、燃料電池１００または二次電池１５０から電力の供給を受けて、この電力を例えば３相交流に変換して駆動モーター１２０に供給する。また、電力変換回路１１０のコンバータ１１４は、低電圧の電源配線１８０と、高電圧の電源配線１８５との間で電圧変換を行う双方向のコンバータである。駆動モーター１２０は、電力の供給を受けて、車輪１３０を駆動する。また、駆動モーター１２０は、車両が減速するときには、その運動エネルギーを電力として回生する。

補機１４０は、燃料電池１００に燃料ガスとしての水素を供給するための水素ポンプと、燃料電池１００に酸化剤ガスとしての空気を供給するためのエアコンプレッサと、燃料電池１００を冷却するための冷却水を燃料電池１００に供給するためのウォーターポンプと、燃料電池１００内の水が凍結しないように加熱する水加熱ヒーター等を含む。すなわち、補機１４０は、燃料電池１００に発電を実行させるために用いられる周辺機器である。補機１４０を駆動するための電力は、電力変換回路１１０を経由して燃料電池１００から供給される電力、または、二次電池１５０から供給される電力が用いられる。図１の例では、補機１４０は、低電圧の電源配線１８０に接続されているが、補機１４０の一部は、高電圧の配線１８５に接続されていても良い。

二次電池１５０は、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などで構成されている。二次電池１５０の電力は、電力変換回路１１０を経由して駆動モーター１２０に供給可能である。二次電池１５０への充電は、例えば燃料電池１００からの電力や、駆動モーター１２０による回生電力を用いることができる。リレー１６０は、二次電池１５０を電源配線１８０から切り離すためのスイッチである。バッテリセンサ１７０は、二次電池１５０の電圧、電流、充電状態等の動作状態を検知する。

アクセルセンサ１９０は、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量を検知し、使用者からの指令として受け付ける。制御部２００は、使用者からの指令に基づいて、燃料電池１００と補機１４０と駆動モーター１２０と、を制御する。

図２は、本実施形態における制御フローチャートである。ステップＳ１００では、制御部２００は、バッテリセンサ１７０の測定結果を用いて、二次電池１５０が故障しているか否かを判断する。ここで「二次電池１５０の故障」とは、二次電池１５０から電力を取り出せない、あるいは二次電池１５０に電力を充電できない状態を意味する。なお、本実施形態では、二次電池１５０と電源配線１８０との間で断線が生じている場合も、故障に含める。二次電池１５０に故障がある場合には、ステップＳ１１０に移行し、故障がない場合には、ステップＳ１８０に移行する。

ステップＳ１１０では、制御部２００は、リレー１６０を用いて、二次電池１５０を電源配線１８０から切り離す。

ステップＳ１２０では、制御部２００は、使用者からの指令を受け付ける。使用者からの指令は、アクセルペダル（図示せず）の踏み込み量を示す信号である。ステップＳ１３０では、制御部２００は、この指令に応じて、燃料電池１００をアイドリング運転させるか、通常運転させるかを判断する。例えば、指令の値（以下「指令値」と呼ぶ。）が予め定められた閾値以下の場合には、制御部２００は、アイドリング運転をさせるものと判断し、指令値が閾値よりも大きい場合には、通常運転させるものと判断する。本明細書において、燃料電池１００の「アイドリング運転」とは、燃料電池１００から駆動モーター１２０に電力を供給しない運転状態を意味する。また、「通常運転」とは、燃料電池１００から駆動モーター１２０に電力を供給する運転状態を意味する。本実施形態において、燃料電池１００のアイドリング運転中は、補機１４０は、間欠運転では無く、連続運転される。アイドリング運転になる状態として、信号待ちなどで車両が停止している場合の他、車両の使用者がアクセルを踏み込まずに坂を下る場合（慣性走行）が含まれる。制御部２００は、燃料電池１００をアイドリング運転させる場合にはステップＳ１４０に移行し、アイドリング運転させない場合（通常運転させる場合）には、ステップＳ１８０に移行する。

ステップＳ１４０では、制御部２００は、補機１４０の消費電力である第１の電力Ｐａ１が、次の式（１）を満たすように補機１４０を制御する。
Ｐａ＿ｍｉｎ＜Ｐａ１≦Ｐａ＿ｍａｘ …（１）
ここでＰａ＿ｍｉｎは、燃料電池１００がアイドリング運転を維持するのに必要な補機１４０の最低消費電力であり、Ｐａ＿ｍａｘは、補機１４０が使用可能な上限の消費電力である。

図３は、燃料電池１００と補機１４０との関係を示す説明図である。図３では、二次電池１５０は、電源配線１８０から切り離され、また、補機１４０以外には電力消費が無いものとして説明する。補機１４０は、燃料電池１００から電力の供給を受けて動作し、空気や燃料ガスを燃料電池１００に供給する。空気や燃料ガスが供給されると、燃料電池１００は、発電して補機１４０に電力を供給する。補機１４０は、この電力を用いて動作し、空気や燃料ガスを燃料電池１００に供給する。ここで、補機１４０の消費電力が最低消費電力Ｐａ＿ｍｉｎより小さいと、補機１４０から燃料電池１００に供給される空気や燃料ガスの量が減少し、燃料電池１００が発生させることができる電力が小さくなる。この結果、補機１４０から燃料電池１００に供給される空気や燃料ガスの量がさらに減少し、燃料電池１００が発生させることが出来る電力がさらに減少するという負の連鎖が生じる。Ｐａ＿ｍｉｎは、このような負の連鎖が発生しないための補機１４０の消費電力であり、燃料電池１００がアイドリング運転を維持するのに必要な補機１４０の最低消費電力である。

なお、補機１４０の消費電力が最低消費電力Ｐａ＿ｍｉｎより大きい場合、補機１４０から燃料電池１００に供給される空気や燃料ガスの量が十分に大きいので、燃料電池１００が発生させることができる電力を大きくできる。そして、補機１４０から燃料電池１００に供給される空気や燃料ガスの量を増加させ、燃料電池１００が発生させることが出来る電力をさらに増加させることができる。すなわち、正の連鎖により燃料電池１００の発電電力を大きくできる。ただし、制御部２００は、燃料電池１００が発生させる電力を大きくし、補機１４０から燃料電池１００に供給される空気や燃料ガスの量を増加させた場合でも、燃料電池１００から引く電流を制限することで、燃料電池１００の発電電力の増加を制限することが可能である。

図４は、使用者からの指令値Ｍ（アクセルペダルの踏み込み量）と要求電力Ｐａと駆動モーター１２０の要求出力Ｐｍの関係の一例を示す説明図である。指令値ＭがＭ１（０≦Ｍ１）以下のときに、要求電力Ｐａは、最低消費電力Ｐａ＿ｍｉｎより大きな一定値Ｐａ１に設定されており、指令値ＭがＭ１より大きい場合、指令値Ｍが増大するほど要求電力Ｐａも増大する。駆動モーター１２０の要求出力Ｐｍは、指令値Ｍが閾値Ｔｈ以下では、ゼロに設定され、指令値Ｍが閾値Ｔｈよりも大きい場合、指令値Ｍの増大に伴って増大する。この閾値Ｔｈは、燃料電池１００にアイドリング運転を行わせるか否かの判断に用いる指令値Ｍの閾値Ｔｈは、０以上Ｍ１以下の範囲の値に予め設定される。

図５は、アイドリング運転時（ステップＳ１４０）の電力の供給及び消費の状態を示す説明図である。なお、ここでは、補機１４０以外の電力消費がないものとしている。燃料電池１００は、電力Ｐｇ１を発電し、補機１４０は、電力Ｐａ１（＝Ｐｇ１）を消費する。この電力Ｐａ１は、上述の式（１）を満たす。

このように、燃料電池１００の発生させる電力Ｐｇ１は全て補機１４０により消費される。なお、補機１４０は、最低消費電力Ｐａ＿ｍｉｎの電力が供給されれば、燃料電池１００の発電状態を維持出来るため、（Ｐａ１−Ｐａ＿ｍｉｎ）は余剰な電力消費である。

図２のステップＳ１５０では、制御部２００は、使用者の指令を再度検知する。ステップＳ１６０では、制御部２００は、最新の指令に応じてアイドリング運転を解除すべきか否かを判断する。制御部２００は、指令値が閾値を超えた場合に、例えば、アクセルペダルの踏み込み量がゼロでない場合、アイドリング運転の解除の指令がされたと判断する。アイドリング運転が解除された場合には、ステップＳ１７０に移行し、解除されない場合には、ステップＳ１４０の処理を維持する。

図２のステップＳ１７０では、制御部２００は、補機１４０の消費電力を第２の電力Ｐａ２に低下させ、補機１４０の消費電力が減少した分（Ｐａ１−Ｐａ２）を駆動モーター１２０に供給するように電力変換回路１１０を制御する。なお、第２の電力Ｐａ２は、以下の式（２）を満たすように制御される。
Ｐａ＿ｍｉｎ＜Ｐａ２＜Ｐａ１≦Ｐａ＿ｍａｘ …（２）
具体的には、Ｐａ２は、Ｐａ１とＰａ＿ｍｉｎの間の予め定めた値（例えば両者の平均値）に設定される。

図６は、アイドリング運転解除時（ステップＳ１７０）の電力の供給及び消費の状態を示す説明図である。燃料電池１００の発生させる電力Ｐｇ１は、図５と同じ大きさである。制御部２００は、燃料電池１００の発電電力Ｐｇ１を変更せずに、補機１４０の消費電力を第１の電力Ｐａ１から第２の電力Ｐａ２に減少させ、その差分（Ｐａ１−Ｐａ２）を駆動モーター１２０に供給する。従って、使用者の指令に応じて直ちに車両の速度を増大させることができる。なお、使用者の指令に応じた駆動モーター１２０の要求出力Ｐｍ（図４）がこの差分（Ｐａ１−Ｐａ２）よりも小さい場合には、その要求出力Ｐｍに等しい電力を駆動モーター１２０に供給するようにしてもよい。

図２のステップＳ１８０では、制御部２００は、使用者の指令に応じた要求電力に基づいて、燃料電池１００の発電電力及び補機１４０の消費電力を制御する。なお、ステップＳ１８０では、燃料電池１００は、アイドリング運転ではなく、通常運転なので、アイドリング運転の解除に伴う燃料電池１００の発電電力の応答性の遅れは考慮する必要が無い。

図７は、通常運転時（ステップＳ１８０）の電力の供給及び消費の状態を示す説明図である。燃料電池１００は、電力Ｐｇ３（≧Ｐｇ１）を発電する。この電力Ｐｇ３は、駆動モーター１２０を駆動するための要求出力Ｐｍと、補機１４０の消費電力Ｐａ３との和である。

なお、ステップＳ１７０からステップＳ１８０への移行は、予め定められた条件が成立したか否かに応じて行われる。この条件として、例えば、上述した差分（Ｐａ１−Ｐａ２）が駆動モーター１２０の要求出力Ｐｍ以下であること、又は、ステップＳ１７０の開始から一定期間経過したこと、のいずれかが成立するという条件を採用可能である。あるいは、ステップＳ１７０の実行後、上述した正の連鎖が生じ、補機１４０の消費電力と燃料電池１００の出力電力とが予め定められた閾値以上となったときに、制御部２００が、ステップＳ１８０へ移行させても良い。

以上、本実施形態によれば、二次電池１５０が電源配線１８０から切り離された状態において、使用者からの指令がアイドリング運転を示す場合、補機１４０の最低消費電力Ｐａ＿ｍｉｎよりも大きく、かつ、補機１４０の使用可能上限の消費電力Ｐａ＿ｍａｘ以下となる第１の電力Ｐａ１で、補機１４０を動作させる。その後、指令の変更に応じてアイドリング運転から解除する場合に、補機１４０の消費電力を減少させて、その減少分（Ｐａ１−Ｐａ２）を駆動モーター１２０に供給させるので、応答性良く駆動モーター１２０を駆動させることができる。

上記実施形態では、車両の停止時と下り坂での慣性走行のいずれの場合にも図２の制御を行うものとしたが、このうちの一方のみの場合に図２の制御を行うものとしても良い。

以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。

１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…電力変換回路
１１２…インバータ
１１４…コンバータ
１２０…駆動モーター
１３０…車輪
１４０…補機
１５０…二次電池
１６０…リレー
１７０…バッテリセンサ
１８０、１８５…電源配線
１９０…アクセルセンサ
２００…制御部

Claims (1)

1. 移動体に用いられる燃料電池システムであって、
   駆動モーターと、
   前記駆動モーターに電力を供給可能な二次電池及び燃料電池と、
   前記燃料電池を動作させるために用いられる補機と、
   前記二次電池を電源配線から切り離すためのリレーと、
   使用者からの指令に基づいて前記燃料電池と前記補機と前記駆動モーターとを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記リレーにより前記二次電池が前記電源配線から切り離された状態において、
   （ｉ）前記指令に応じたアイドリング運転を前記燃料電池に行わせる場合、前記燃料電池が前記アイドリング運転を維持するのに必要な前記補機の最低消費電力よりも大きく、かつ、前記補機の使用可能上限の消費電力以下となる第１の電力で、前記補機を動作させ、
   （ｉｉ）その後、前記指令の変更に応じて前記アイドリング運転を解除して前記燃料電池に通常運転を行わせる場合、前記補機の消費電力を前記第１の電力から、前記第１の電力よりも小さく前記最低消費電力より大きな第２の電力に減少させ、前記第１の電力と前記第２の電力との差分の電力を前記駆動モーターに供給させる、燃料電池システム。

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