JP6569732B2

JP6569732B2 - 燃料電池車両の制御装置

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Publication number: JP6569732B2
Application number: JP2017530514A
Authority: JP
Inventors: 大記田中
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2015-07-28
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2019-09-04
Anticipated expiration: 2035-07-28
Also published as: CN107949499A; CA2993493C; CN107949499B; BR112018001749A2; EP3331126B1; US10173536B2; CA2993493A1; WO2017017781A1; JPWO2017017781A1; EP3331126A1; US20180215273A1; EP3331126A4; BR112018001749B1

Description

本発明は、燃料電池の出力を制御する電力変換器と、燃料電池の電力を蓄電する蓄電池と、燃料電池の電力によって作動する負荷機器とを備える燃料電池車両の制御装置に関する。

特許文献１の技術は、蓄電池の充放電電流を検出する充電検出器を備え、燃料電池に接続される電圧変換器の出力が、蓄電池にとって過充電となるときに、電圧変換器の出力を低減させている。

特許第５３３６７９１号公報

特許文献１の技術は、蓄電池で発生している充放電電流の検知情報に基づいて、フィードバック制御により電圧変換器の出力を制限している。このため、制御応答に遅れが生じ、蓄電池に過渡的な過充電が発生する恐れがある。

そこで、本発明は、蓄電池における過渡的な過充電を抑制することを目的としている。

本発明は、燃料電池と蓄電池と燃料電池の電力によって作動する負荷機器を備え、燃料電池の発電可能電力が、蓄電池の充電可能電力と負荷機器に発生している負荷機器電力との加算値以上のときに、電力変換器により燃料電池の出力を低下させる。

本発明によれば、燃料電池の発電可能電力が、蓄電池の充電可能電力と負荷機器の負荷機器電力との加算値以上であることを事前に把握して、電力変換器により燃料電池の出力を低下させている。これにより、負荷機器の影響を受ける前に、蓄電池の過渡的な過充電を抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態に係わる燃料電池車両の制御装置の全体構成図である。図２は、車両制御器による制御方法の処理手順を示すフローチャートである。図３は、燃料電池が出力低下運転モードとなったときの処理手順を示すフローチャートである。図４は、蓄電池の充電可能電力と負荷機器の駆動電力との加算値と、燃料電池の発電可能電力と、燃料電池の出力との関係を示すグラフである。図５は、出力低下運転モードでの未反応燃料の対策として実施例１を示す燃料電池システムの全体構成図である。図６は、図５の実施例１での処理手順を示すフローチャートである。図７は、図５の実施例１での別の処理手順を示すフローチャートである。図８は、出力低下運転モードでの未反応燃料の対策として実施例２を示す燃料電池システムの全体構成図である。図９は、図８の実施例２での処理手順を示すフローチャートである。図１０は、出力低下運転モードでの未反応燃料の対策として実施例３を示す燃料電池システムの全体構成図である。図１１は、図１０の実施例３での処理手順を示すフローチャートである。図１２は、出力低下運転モードでの未反応燃料の対策として実施例４を示す燃料電池システムの全体構成図である。図１３は、図１２の実施例４での処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示す燃料電池車両の制御装置は、例えば自動車などの車両に適用され、電力源として燃料電池１及び蓄電池３を備え、車両駆動用の駆動源として三相交流モータ（以下、単にモータとする。）５を備えている。

燃料電池１は、固体酸化物型の燃料電池であり、燃料及び空気が供給されて発電する。燃料電池１が発電した電力は、直流電力変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ）７によって電力変換される。直流電力変換器７及び蓄電池３から出力される直流電圧は、インバータ９によって交流電圧に電力変換された後、モータ５に供給される。直流電力変換器７は、燃料電池の出力を制御する電力変換器を構成している。

蓄電池３には、バッテリ制御器１１が接続されている。バッテリ制御器１１は、蓄電池３の温度や充電量（電流、電圧）を常時検知し、充電可能電力及び放電可能電力を算出する。例えば、バッテリ制御器１１は、蓄電池３が、ある一定温度以下の低温か、あるいは充電量が多く満充電に近い状態のときには、全容量に対して充電可能電力が著しく低下していると判断する。

燃料電池１には、燃料電池制御器１３が接続されている。燃料電池制御器１３は、燃料電池１の温度、電圧及び電流を常時検知し、温度や発電量を制御する。例えば、燃料電池制御器１３は、起動時に燃料電池１の空気極に供給する空気を起動用バーナを用いて加熱することで燃料電池１を昇温させ、停止時にはブロアを用いて燃料電池１を強制冷却する。

さらに、燃料電池制御器１３は、発電時に燃料電池１の燃料極に投入する燃料流量及び、空気極に投入する空気流量を調整することで、燃料電池１の発電量及び温度を制御する。

直流電力変換器７には、電力変換器制御器１５が接続されている。電力変換器制御器１５は、燃料電池１から直流電力変換器７への出力（電流、電圧）を、インバータ９を介してモータ５に入力させ、また蓄電池３に充電させるよう、直流電力変換器７のパワーエレクトロニクスを制御する。

モータ５及びインバータ９には、モータ制御器１７が接続されている。モータ制御器１７は、車両の要求加減速度に応じてモータ５が駆動するよう、インバータ９のパワーエレクトロニクスを制御する。

また、燃料電池車両の制御装置は、走行時の車両に対して制動を行うブレーキ１９及び、エアコンやヒータなど補機２１を含む。ブレーキ１９にはブレーキ制御器２３が接続されている。ブレーキ制御器２３は、ブレーキ１９による車両制動時に、モータ５の回生電力発生時では不足する減速度を補完するようにブレーキ１９を制御する。

上記したバッテリ制御器１１、燃料電池制御器１３、電力変換器制御器１５、モータ制御器１７及びブレーキ制御器２３は、制御器としての車両制御器２５に接続されている。車両制御器２５は、バッテリ制御器１１、燃料電池制御器１３、電力変換器制御器１５及びモータ制御器１７から各種データの入力を受け、燃料電池制御器１３、電力変換器制御器１５、モータ制御器１７及びブレーキ制御器２３を制御する。

補機２１は、モータ５とともに負荷機器を構成しており、車両制御器２５は、補機２１から、補機２１の駆動時に発生する電力（負荷）の入力を受ける。

車両制御器２５は、常時以下の情報の入力を受ける。
（１）燃料電池制御器１３が燃料電池１の温度を基に算出する燃料電池１の発電可能電力Ｃ
（２）バッテリ制御器１１が蓄電池３の充電量及び温度を基に算出する蓄電池３の充電可能電力Ａ
（３）モータ制御器１７が算出するモータ５の回生電力を含む出力電力（負荷）
（４）補機２１の出力電力（負荷）
（５）車両の要求加減速目標値
上記（３）、（４）は、モータ５及び補機２１等の負荷機器が駆動する際に必要な駆動電力Ｂに相当する。モータ５が回生電力を発生しているときのモータ５の駆動電力は、負（マイナス）の値となる。

車両制御器２５は、上記した各種情報の入力を受けて、燃料電池１の目標出力、直流電力変換器７の目標出力、モータ５の目標出力及び、ブレーキ１９の目標制動出力をそれぞれ演算し、各制御器１３，１５，１７，２３に出力する。

次に、車両制御器２５を用いた制御方法の処理手順を図２及び図３のフローチャートに基づき説明する。

図２に示すように、蓄電池３の温度や充電量に基づいて蓄電池３の現在の充電可能電力Ａを演算し(ステップＳ１)、モータ５及び補機２１を含む負荷機器の現在発生している駆動電力（負荷電力）Ｂを演算する(ステップＳ２)。駆動電力Ｂのうちモータ５の駆動電力は、車両のブレーキ１９による制動時に発生する回生電力を含む。さらに、燃料電池１の現在の発電可能電力Ｃを燃料電池１の温度に基づき演算する(ステップＳ３)。

次に、蓄電池３の充電可能電力Ａと負荷機器の駆動電力Ｂとの加算値［Ａ＋Ｂ］が、燃料電池１の［発電可能電力Ｃ＋マージン］よりも大きいかどうかを判断する(ステップＳ４)。ここで、［Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋マージン］と判断したときは、燃料電池１の発電可能電力Ｃを発電しても、蓄電池３が過充電となる恐れがないので、燃料電池１に対する要求電力の上限値Ｄを発電可能電力Ｃに設定する(ステップＳ５)。

この場合、燃料電池１は通常の運転モードとなり(ステップＳ６)、このときの直流電力変換器７に対する出力電力の要求値はＦとなる(ステップＳ７)。

逆にステップＳ４で、［Ａ＋Ｂ＞Ｃ＋マージン］ではないと判断したとき、つまり発電可能電力Ｃが、充電可能電力Ａと負荷機器電力である駆動電力Ｂとの加算値以上のときには、燃料電池１に対する要求電力の上限値Ｄを［Ａ＋Ｂ］に設定する（ステップＳ８)。この場合、燃料電池１の発電可能電力Ｃが大きく、あるいは上記加算値が小さいことにより蓄電池３が過充電となる恐れがあるので、上限値Ｄを発電可能電力Ｃ以下の［Ａ＋Ｂ］とする。

次に、設定した上限値Ｄ＝Ａ＋Ｂが、燃料電池１に対する要求出力値Ｆよりも大きいかどうかを判断する(ステップＳ９)。ここで、要求出力値Ｆが上限値Ｄよりも小さいと判断したときは、蓄電池３が過充電となる恐れがないので、前述したステップＳ６において燃料電池１が通常の運転モードとなる。

一方、要求出力値Ｆが上限値Ｄ以上と判断したときは、蓄電池３に過充電の恐れがあるとして、燃料電池１の運転状態を出力低下モードに移行させる(ステップＳ１０)。つまり、直流電力変換器７に対する出力電力の要求値Ｆが、蓄電池３の充電可能電力Ａと負荷機器の駆動電力Ｂとの加算値以上となったときは、燃料電池１の出力を絞ることで、蓄電池３の過充電を未然に抑える。燃料電池１の出力を絞ることで、直流電力変換器７に対する出力電力の要求値が上限値Ｄとなる(ステップＳ１１)。

次に、燃料電池１が出力低下運転モードとなったときの処理手順を図３に基づき説明する。

燃料電池１を出力低下させて運転するモードと判断された場合には、モータ５が回生電力を発生しているかどうかを判断する(ステップＳ１３)。ここで、モータ５がインバータ９から供給される電力によって力行し、回生電力を発生していない場合には、燃料電池１への燃料供給量を低下させる(ステップＳ１４)。

燃料電池１への燃料供給量を低下させる作業は、燃料電池１の発電する電力量が、前述した燃料電池１に対する要求電力の上限値Ｄ以下となるまで実施する(ステップＳ１５)。

一方、ステップＳ１３でモータ５が回生電力を発生していると判断した場合には、モータ５の回生電力を演算し(ステップＳ１６)、さらに燃料電池１への投入燃料の量を図示しない流量センサ等によって検出する(ステップＳ１７)。

燃料流量を検出した後は、投入された燃料による燃料電池１の推定出力を演算し（ステップＳ１８）、燃料電池１の推定出力が、ある一定の閾値（所定値、例えば燃料電池１の最大出力の２０％）よりも大きいかどうかを判断する(ステップＳ１９）。

ここで、推定出力が閾値以下と判断された場合には、前記したステップＳ１４にて燃料電池１への燃料投入量を低減し、燃料電池１の発電量を抑える。燃料電池１の発電量を抑えることで、蓄電池３が過充電となることが抑制される。

一方、推定出力が閾値を超える場合は、回生電力が推定出力よりも大きいかどうかを判断する（ステップＳ２０）。ここで、回生電力が推定出力より大きい場合には、回生電力を減少させ、かつ、回生電力の生成に関して応答遅れが発生するようフィルタ処理を行う(ステップＳ２１)。これにより、蓄電池３の過充電を未然に抑える。

回生電力にフィルタ処理を行った場合には、車両制動要求値とモータ回生トルクを演算し(ステップＳ２２)、回生電力減少に伴い不足する制動力を、ブレーキ制御器２３へ指令して機械式のブレーキ１９で補足する(ステップＳ２３)。

なお、回生電力にフィルタ処理を行った場合、回生電力が減少するため、その分燃料電池１の発電可能電力の上限値Ｄは増加する。よって、このときの燃料電池１に対する燃料投入量の低下代は小さくなる。

本実施形態では、燃料電池１の発電可能電力Ｃが、蓄電池３の充電可能電力Ａとモータ５や補機２１の駆動電力Ｂとの加算値以上であることを事前に把握して、直流電力変換器７により燃料電池１の出力を低下させている。これにより、負荷機器であるモータ５や補機２１の影響を受ける前に、蓄電池３の過渡的な過充電を抑制できる。

また、本実施形態は、負荷機器は、車両を駆動するモータ５と、車両に搭載される補機２１との少なくともいずれか一方としている。このため、モータ５に限らず、補機２１による負荷の影響を受ける前に、直流電力変換器７により燃料電池１の出力を低下させて、蓄電池３の過渡的な過充電を抑制することができる。

また、本実施形態は、車両制御器２５は、直流電力変換器７により燃料電池１の出力を低下させるに際に、燃料電池１に供給する燃料を減少させる。燃料電池１は、供給される燃料が減少することで出力が低下し、蓄電池３の過渡的な過充電抑制に寄与することができる。その際、未燃の反応ガスの排出量が低減する。

また、本実施形態は、車両制御器２５は、モータ５が回生電力を発生すると判断したときに、燃料電池１に対する燃料低減量に応じて回生電力の発生量を減少させる。燃料電池１に対する燃料流量の制御は応答性が低いため、回生電力の発生量の増加代を低下させることにより、直流電力変換器７による燃料電池１の出力低下をより素早く実施することができる。

また、本実施形態は、車両を制動するブレーキ１９を備え、車両制御器２５は、モータ５による回生電力の発生量を減少させるときに、ブレーキ１９による制動力を、回生電力の減少量に応じて増大させる。このため、車両の必要とする制動力をブレーキ１９により確保しながら、モータ５による回生電力の発生量を減少させることができる。

図４は、蓄電池３の充電可能電力Ａと負荷機器の駆動電力Ｂとの加算値Ｓ（Ａ＋Ｂ）と、燃料電池１の発電可能電力Ｃと、燃料電池１の出力Ｐとの関係を示している。

図４において、時間ｔで車両がブレーキ１９を操作されて制動されると、回生電力が発生して蓄電池３は充電されることになるから、加算値Ｓは急激に低下する。加算値Ｓの低下に追随するように、直流電力変換器７により燃料電池１の出力Ｐを低下させることで、蓄電池３に対する過充電が抑制される。

このとき、燃料電池１は、投入された燃料による発電可能電力Ｃが、燃料電池１の出力Ｐを大きく上回り、斜線で示す領域に対応する分燃料が未反応のまま排出されることになる。この未反応燃料の対策について、以下に説明する。

図５は、未反応燃料の対策として実施例１を示す燃料電池システムの全体構成図である。燃料電池１は、燃料供給器を構成する燃料ポンプ２７から燃料（例えばエタノール）が、空気供給器としてのブロア２９から空気が、それぞれ供給されて発電する。

燃料ポンプ２７と燃料電池１とを接続する燃料配管３１には、燃料ポンプ２７側から順に、熱交換器３３、気化器３５、改質器３７が設けられている。一方、ブロア２９と燃料電池１とを接続する空気配管３９には、ブロア２９から順に起動用燃焼器となる起動バーナ４１、熱交換器３３が設けられている。また、燃料電池１の下流の排気管４３には、燃料器としての燃焼触媒４５が設けられている。燃焼触媒４５には、燃焼器温度検出器としての触媒温度センサ４６を設置している。

燃料ポンプ２７と燃料電池１とを接続する燃料配管３１には、燃料ポンプ２７側から順に、熱交換器３３、気化器３５、改質器３７が設けられている。一方、ブロア２９と燃料電池１とを接続する空気配管３９には、ブロア２９から順に起動用燃焼器となる起動バーナ４１、熱交換器３３が設けられている。また、燃料電池１の下流の排気管４３には、燃焼器としての燃焼触媒４５が設けられている。燃焼触媒４５には、燃焼器温度検出器としての触媒温度センサ４６を設置している。

一方、ブロア２９から吐出される空気は、起動バーナ４１の燃焼熱により昇温され、さらに熱交換器３３で燃焼触媒４５から排出された排気と熱交換して昇温した後、燃料電池１の空気極に供給される。起動バーナ４１は、燃料電池システムの起動時に、燃料ポンプ２７から燃料が配管４７を通って供給されて燃焼する。

燃料電池１では、燃料極と空気極との間でイオン伝導することで発電し、反応後のガスは燃焼触媒４５で燃焼してＣＯ₂，Ｈ₂Ｏが排出され、熱交換器３３を通って燃料や空気と熱交換する。

また、ブロア２９から吐出される空気は、バイパス空気配管４９を経て、燃焼触媒４５を強制空冷するべく直接燃焼触媒４５に供給される。燃料電池１の起動後は、ブロア２９から吐出される空気が、起動バーナ４１を通過せずに配管５１を通って熱交換器３３に向けて流れ、燃料電池１に供給される。バイパス空気配管４９には、空気流量調整器としての開閉バルブ５３を設置し、ブロア２９から吐出される空気のうち、バイパス空気配管４９から燃焼触媒４５に向けて直接を流れる空気の流量を調整する。

次に実施例１の作用を説明する。

燃料電池１の発電中に、前述した出力低下運転モードに移行して、直流電力変換器７が燃料電池１の出力を低下させると、熱交換器３３、気化器３５、改質器３７に既に供給されている燃料は、未反応のまま燃料電池１を通り抜けることになる。

通常、燃焼触媒４５は、燃料電池１で反応しきれなかった未反応燃料を処理するように、容量が設定されている。このため、直流電力変換器７による燃料電池１の出力低下によって、燃焼触媒４５で処理する燃料が過剰となり、燃焼触媒４５の温度がより高温化する。

そこで、実施例１では、燃焼触媒４５の温度を閾値内に抑えるために、出力低下運転モードでは、燃焼触媒４５の温度を触媒温度センサ４６により検知し、温度が上昇するに伴ってブロア２９による空気供給量を増量して燃焼触媒４５を強制空冷する。これにより、燃焼触媒４５の温度上昇を抑えて劣化を抑制する。

図６は、このときの処理内容を示しており、燃焼触媒４５の温度が閾値以上となったときに（ステップＳ７１）、ブロア２９の流量を増大する（ステップＳ７２）。このとき、開閉バルブ５３は設置していなくてもよく、設置している場合には開度は一定とする。

また、出力低下運転モードでは、燃料電池１は出力が低下しているにも関わらず、空冷媒体である空気の流量が増加するため、燃料電池１の温度が低下して運転効率が低下する。このため、燃料電池１の温度が、運転効率の低下を招くような閾値を下回る場合には、開閉バルブ５３の開度を大きくする。これにより、ブロア２９から吐出される空気は、燃焼触媒４５側で多く、燃料電池１側で少なくなる。

この場合燃料電池１に、燃料電池温度検出器としての燃料電池温度センサ５５を設置し、燃料電池温度センサ５５の検知温度に基づいて開閉バルブ５３の開度を調整する。すなわち、燃料電池温度センサ５５の検知温度の低下に伴って、開閉バルブ５３の開度を大きくし、これにより、ブロア２９から吐出された空気の量を、燃料電池１で少なくする一方、燃焼触媒４５で多くなるよう調整する。このとき、ブロア２９からの空気の吐出量が一定とする。

図７は、このときの処理内容を示しており、燃料電池１の温度が閾値以下となったときに（ステップＳ８１）、開閉バルブ５３の開度を大きくする（ステップＳ８２）。これにより、燃料電池１への空気量が減少して温度低下が抑制される一方、燃焼触媒４５への空気量が増大して温度上昇が抑制され、燃料電池１と燃焼触媒４５の両方の温度を設計値（閾値）内に収めることができる。

以上により、燃料電池１の出力低下運転モードにおいて、燃料電池１から未反応燃料が多量に発生しても、燃焼触媒４５の温度上昇及び、燃料電池１の温度低下を抑えつつ、多量の未反応ガスを燃焼触媒４５で効率よく燃焼させることができる。

図８は、未反応燃料の対策として実施例２を示す燃料電池システムの全体構成図である。実施例２は、燃料電池システムとして基本的な構成要素は、図５の実施例１と同様である。実施例２は、実施例１のバイパス空気配管４９及び開閉バルブ５３に代えて、第１開閉バルブ５７、第２開閉バルブ５９及び循環ブロア６１を設けている。第１開閉バルブ５７、第２開閉バルブ５９は燃料流量調整器を構成している。

第１開閉バルブ５７は、燃料電池１と燃焼触媒４５との間の排気管４３に設けている。第２開閉バルブ５９は、燃焼触媒４５から熱交換器３３を経てシステム外部に排気を排出する部分の排気管４３に設けている。循環ブロア６１は、燃料電池１から排出される未反応燃料を気化器３５に循環させる循環配管６３に設けている。循環配管６３は、気化器３５、改質器３７、燃料電池１を接続しており、循環ブロア６１と共に燃料還流機構を構成している。

出力低下運転モードで、直流電力変換器７により燃料電池１の出力が低下すると、前述したように燃料電池１からは未反応燃料が多量に排出され、燃焼触媒４５で燃焼される。その際、図９に示すように、触媒温度センサ４６で検知する燃焼触媒４５の温度が閾値以上となったときに（ステップＳ１０１）、第１開閉バルブ５７または第２開閉バルブ５９の開度を絞り、これと同時に循環ブロア６１による未反応ガスの循環量を増加させる（ステップＳ１０２）。

第１開閉バルブ５７または第２開閉バルブ５９の開度を絞ることで、燃焼触媒４５に必要以上の未反応燃料が流入するのを抑え、燃焼触媒４５の高温化を抑制する。これに伴い、循環ブロア６１による未反応燃料の循環流量（燃料環流量）を増加させることによって、未反応燃料を再度気化器３５、改質器３７を経て燃料電池１に供給し、発電に利用することができる。

実施例２は、燃料電池１の出力低下運転モードにおいて、燃料電池１から排出される未反応燃料を循環ブロア６１により燃料電池１に還流させている。このため、燃料電池１から未反応燃料が多量に発生しても、燃焼触媒４５の温度上昇を抑えつつ、燃料を有効利用することができる。

また、実施例２は、第１開閉バルブ５７または第２開閉バルブ５９の開度を絞ることによって、燃焼触媒４５に流れる未反応燃料の流量を減少させている。このため、燃料電池１から未反応燃料が多量に発生しても、燃焼触媒４５の温度上昇をより確実に抑えつつ、燃料を有効利用することができる。

なお、第１開閉バルブ５７、第２開閉バルブ５９は、少なくともいずれか一方備えていればよい。しかし、燃料電池１からの未反応燃料の排出直後の位置は800℃程度の高温であることから、バルブの動作性を考慮すると、より低温である熱交換器３３の下流の第２開閉バルブ５９を設けたほうがよい。

図１０は、未反応燃料の対策として実施例３を示す燃料電池システムの全体構成図である。実施例３は、燃料電池システムとして基本的な構成要素は、図５の実施例１と同様である。実施例３は、実施例１に対し、燃料分流調整器としての切換バルブ６５、燃料吸着器６７、燃料送給器としてのパージブロア６９を設けている。

切換バルブ６５は、燃料電池１と燃焼触媒４５との間の排気管４３に設けている。燃料吸着器６７は、切換バルブ６５と燃焼触媒４５とを接続するバイパス配管７１及び、起動バーナ４１に接続されるパージ配管７３にそれぞれ接続されている。パージブロア６９は、燃料吸着器６７の起動バーナ４１と反対側に位置するパージ配管７３に設けている。燃料吸着器６７は、例えばメタン吸着器として構成され、活性炭や多孔性金属錯体から成る吸着フィルタである。

出力低下運転モードで、直流電力変換器７により燃料電池１の出力が低下すると、前述したように燃料電池１からは未反応燃料が多量に排出され、燃焼触媒４５で燃焼される。このとき、図１１に示すように、触媒温度センサ４６で検知する燃焼触媒４５の温度が閾値以上となったときに（ステップＳ１２１）、未反応燃料が燃料吸着器６７に流れるように切換バルブ６５を切り換える（ステップＳ１２２）。その際、未反応燃料は、燃料吸着器６７に全量流してもよく、燃焼触媒４５よりも燃料吸着器６７に多く流すようにしてもよい。

これにより、燃料電池１から排出される未反応燃料の一部または全部が燃料吸着器６７に吸着される。燃料吸着器６７に吸着された燃料は、離脱してから燃焼触媒４５で燃焼処理され排気される。このとき、パージブロア６９は停止している。

パージブロア６９は、燃料電池システムの起動時に作動し、燃料吸着器６７に向けて空気を送り込む。これにより、燃料吸着器６７に吸着された燃料は、送り込まれる空気によって離脱し、空気加熱器としての起動バーナ４１に燃焼用として送られる。未反応燃料は、起動バーナ４１で燃焼することによって起動用燃料として利用される。

実施例３は、直流電力変換器７により燃料電池１の出力を低下させる際に、切換バルブ６５で調整する未反応燃料の量を、燃料吸着器６７で多くなるようしている。これにより、燃焼触媒４５に流入する未反応燃料が減少して燃焼触媒４５の高温化を抑制できる。

また、実施例３は、パージブロア６９によって、燃料吸着器６７に吸着された燃料を起動バーナ４１に送り込み、起動用燃料として利用するので、燃料の有効利用がなされて燃費の向上に寄与することができる。

図１２は、未反応燃料の対策として実施例４を示す燃料電池システムの全体構成図である。実施例４は、燃料電池システムとして基本的な構成要素は、図５の実施例１と同様である。実施例４は、実施例３に対し、燃料吸着器６７に代えて第１ポンプ７５及び燃料吸着装置７７を、パージブロア６９に代えて燃料送給器としての第２ポンプ７９を設けている。

燃料吸着装置７７は、燃料吸着器６７と同様な活性炭や多孔性金属錯体から成る吸着フィルタを内部に備える低圧タンクで構成されている。

出力低下運転モードで、直流電力変換器７により燃料電池１の出力が低下すると、前述したように燃料電池１からは未反応燃料が多量に排出され、燃焼触媒４５で燃焼される。このとき、図１３に示すように、触媒温度センサ４６で検知する燃焼触媒４５の温度が閾値以上となったときに（ステップＳ１４１）、未反応燃料が燃料吸着装置７７に流れるように切換バルブ６５を切り換える（ステップＳ１４２）。その際、未反応燃料は、燃料吸着装置７７に全量流してもよく、燃焼触媒４５よりも燃料吸着装置７７に多く流すようにしてもよい。

燃料吸着装置７７に流入した未反応燃料は、内部の吸着フィルタに吸着される。これにより、燃料電池１から排出される未反応燃料の一部または全部が燃料吸着装置７７に収容保持される。燃料吸着装置７７に収容保持された燃料は、燃焼触媒４５で燃焼処理され排気される。このとき、第２ポンプ７９は停止している。

第２ポンプ７９は、燃料電池システムの起動時に作動し、燃料吸着装置７７に収容保持された燃料を起動バーナ４１に送り込む。未反応燃料は、起動バーナ４１で燃焼することによって起動用燃料として利用される。

実施例４は、第２ポンプ７９によって、燃料吸着装置７７に収容保持された燃料を起動バーナ４１に送り込み、起動用燃料として利用するので、燃料の有効利用がなされて燃費の向上に寄与することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

本発明は、燃料電池の出力を制御する電力変換器と、燃料電池の電力を蓄電する蓄電池と、燃料電池の電力によって作動する負荷機器とを備える燃料電池車両の制御装置に適用される。

１燃料電池
３蓄電池
５モータ（負荷機器）
７直流電力変換器（電力変換器）
１９ブレーキ
２１補機（負荷機器）
２５車両制御器（制御器）
２７燃料ポンプ（燃料供給器）
２９ブロア（空気供給器）
４１起動バーナ（空気加熱器）
４５燃焼触媒（燃焼器）
４６触媒温度センサ（燃焼器温度検出器）
５３開閉バルブ（空気流量調整器）
５５燃料電池温度センサ（燃料電池温度検出器）
５７第１開閉バルブ（燃料流量調整器）
５９第２開閉バルブ（燃料流量調整器）
６１循環ブロア（燃料還流機構）
６３循環配管（燃料還流機構）
６５切換バルブ（燃料分流調整器）
６７燃料吸着器
６９パージブロア（燃料送給器）
７７燃料吸着装置（燃料吸着器）
７９第２ポンプ（燃料送給器）

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池の出力を制御する電力変換器と、
前記燃料電池の電力を蓄電する蓄電池と、
前記燃料電池の電力によって作動する負荷機器と、
前記蓄電池の現在の充電可能電力、前記負荷機器に現在発生している負荷機器電力及び、前記燃料電池の現在の発電可能電力を算出し、前記発電可能電力が、前記充電可能電力と前記負荷機器電力との加算値以上のときに、前記電力変換器に対する前記燃料電池の出力要求値の上限値を前記加算値に制限することで前記燃料電池の出力を低下させる制御器と、を備えることを特徴とする燃料電池車両の制御装置。
前記負荷機器は、車両を駆動するモータと、前記車両に搭載される補機との少なくともいずれか一方であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記燃料電池に燃料を供給する燃料供給器を備え、
前記制御器は、前記電力変換器により前記燃料電池の出力を低下させるに際に、前記燃料供給器による前記燃料電池に供給する燃料を減少させることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記負荷機器は、車両を駆動するモータを含み、
前記制御器は、前記モータが回生電力を発生すると判断したときに、前記燃料供給器による燃料低減量に応じて前記回生電力の発生量を減少させることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池車両の制御装置。
車両を制動するブレーキを備え、
前記制御器は、前記回生電力の発生量を減少させるときに、前記ブレーキによる制動力を、前記回生電力の減少量に応じて増大させることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記燃料電池から排出される燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池に空気を供給する空気供給器と、
前記燃焼器の温度を検出する燃焼器温度検出器と、を備え、
前記制御器は、前記電力変換器により前記燃料電池の出力を低下させる際に、前記燃焼器温度検出器が検出する前記燃焼器の温度上昇に伴って、前記空気供給器による空気供給量を増大させることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記空気供給器から前記燃焼器に流れる空気の量を調整する空気流量調整器と、
前記燃料電池の温度を検出する燃料電池温度検出器と、を備え、
前記制御器は、前記燃料電池温度検出器が検出する前記燃料電池の温度の低下に伴って、前記空気流量調整器による空気の供給量を、前記燃料電池で少なくなる一方前記燃焼器で多くなるよう調整することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記燃料電池から排出される燃料を前記燃料電池に還流させる燃料還流機構を備え、
前記制御器は、前記電力変換器により前記燃料電池の出力を低下させる際に、前記燃料還流機構による前記燃料電池への燃料還流量を増大させることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記燃料電池から排出される燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池から前記燃焼器へ流れる燃料の量を調整する燃料流量調整器と、を備え、
前記制御器は、前記電力変換器により前記燃料電池の出力を低下させる際に、前記燃料流量調整器による燃料流量を減少させることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記燃料電池から排出される燃料を燃焼させる燃焼器と、
前記燃料電池から排出される燃料を吸着する燃料吸着器と、
前記燃料電池から排出される燃料を、前記燃焼器に流れる量と前記燃料吸着器に流れる量との間で調整する燃料分流調整器と、を備え、
前記制御器は、前記電力変換器により前記燃料電池の出力を低下させる際に、前記燃料分流調整器で調整する燃料の量を、前記燃料吸着器で多くなるよう制御することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池車両の制御装置。
前記燃料電池に供給する空気を加熱する空気加熱器と、
前記燃料吸着器に吸着された燃料を前記空気加熱器に燃焼用として送る燃料送給器と、を備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池車両の制御装置。