JP4337104B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の出力特性を推定して、電池運転を制御する燃料電池システムに関する。

燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスを膜−電極接合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギーを電気エネルギーに変換するエネルギー変換システムである。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電源システムとしての用途が期待されている。

燃料電池の出力特性（電流対電圧特性）は一定ではなく、スタック温度や、反応ガスの流量、圧力、湿度、さらには、高分子電解質膜の水分変化による内部抵抗の変動などによって、常に変動している。また、この出力特性は、燃料電池の運転状態が過度状態であるのか或いは定常状態であるのかに応じて変動する他、経年劣化などによっても大きく変動することが知られている。このような事情により、燃料電池を適切に運転制御するには、刻々と変動する出力特性を把握する必要がある。特開２００４−２４１２７２号公報には、燃料電池の出力電流及び出力電圧を基に、燃料電池の出力特性を推定し、電池運転を制御する方法が開示されている。
特開２００４−２４１２７２号公報

ところで、燃料電池システムでは、起動時に初期チェック（水素タンクの弁故障の有無等）を実施し、異常が検出されると、異常終了処理を実施するように構成されているものがある。この異常終了処理では、燃料電池システムは、燃料電池の出力電流がゼロになるように燃料電池の出力電圧を制御する。

しかし、電池運転が未だ開始されていない段階での初期チェックで異常が検出された場合には、燃料電池の出力特性は未だ推定されていない状態にあるので、燃料電池の出力電流がゼロになるときの燃料電池の出力電圧は、初期値ゼロのままである。そのため、燃料電池システムは、異常処理時に燃料電池の出力電圧が下限電圧になるように制御してしまうことになる。これでは、燃料電池の出力電流がゼロにならず、過発電してしまうことになるので、異常処理を適切に実施することができない。

そこで、本発明は、燃料ガス供給系の燃料ガス漏れ発生時又は遮断弁の故障発生時における燃料電池の過発電を防止することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源、及び燃料ガス供給源からの燃料ガスの流出を遮断する遮断弁を有する燃料ガス供給系と、燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて燃料電池の電流対電圧特性を推定する推定手段と、推定手段が推定した電流対電圧特性に基づいて燃料電池の発電を制御する制御手段と、燃料電池の出力電流ゼロに対応する燃料電池の出力電圧の初期値として、燃料電池の開放端電圧を燃料電池の発電前に設定する初期値設定手段と、を備える。制御手段は、燃料電池の発電前に燃料ガス供給系の燃料ガス漏れ又は遮断弁の故障を検出すると、初期値を読み取って燃料電池の出力電圧を開放端電圧に設定する。燃料電池の出力電流ゼロに対応する燃料電池の出力電圧の初期値として、燃料電池の開放端電圧が予め設定されているので、燃料ガス供給系の燃料ガス漏れ発生時又は遮断弁の故障発生時における燃料電池の過発電を防止することができる。

本発明によれば、燃料ガス供給系の燃料ガス漏れ発生時又は遮断弁の故障発生時における燃料電池の過発電を防止することができる。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両の車載電源システムとして機能する燃料電池システム１０のシステム構成を示す。

燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池システム１０を全体的に統括制御するコントローラ６０とを備えている。

燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては、（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び出力電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。

酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４とを有している。酸化ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３５とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。

燃料ガス通路４３には、燃料ガス供給源４１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁Ｈ１と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータＨ２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ４２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁Ｈ３とが設けられている。

循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６とが接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環通路４４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。燃料電池システム１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とトラクションインバータ５３とが並列に燃料電池スタック２０に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、システム全体の要求電力を求める。システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。

ここで、補機電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の出力特性マップ（Ｉ−Ｖ特性マップ）８０に基づいて、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。

図２は燃料電池システム１０に係わる運転制御処理を示すフローチャートである。
コントローラ６０は、まず、待機モードにある（ステップ１０１）。この待機モードは、起動信号ＩＧがオフになっている期間中、継続する（ステップ１０２；ＮＯ）。一方、起動信号ＩＧがオンになると（ステップ１０２；ＹＥＳ）、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の出力特性マップ８０の初期値を設定する（ステップ１０３）。この初期値設定では、燃料電池スタック２０の出力電流ゼロに対応する出力電圧として、開放端電圧（ＯＣＶ）が設定される。

次に、コントローラ６０は、初期チェックを実施し、異常の有無を検査する（ステップ１０４）。初期チェックの検査項目として、例えば、燃料ガス供給系４０の水素漏れや、遮断弁Ｈ１の故障の有無など、安全に電池運転する上で支障が生じ得るものを挙げることができる。初期チェックにおいて異常が検出されない場合には（ステップ１０４；ＮＯ）、コントローラ６０は、通常運転モードに移行する（ステップ１０５）。通常運転モードでは、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の出力電流及び出力電圧を所定の演算周期毎に取得し、燃料電池スタック２０の出力特性マップ８０を逐次更新する。例えば、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の電圧が電流の関数（一次関数又は所定の数次関数）として表すことができるものと仮定し、最小二乗法による推定方法を用いて、出力特性マップ８０を作成することができる。

コントローラ６０は、このようにして得られた出力特性マップ８０を基に、燃料電池スタック２０の運転を制御する。通常運転モードは、起動信号ＩＧがオンになっていることを条件として（ステップ１０６；ＮＯ）、継続される。また、出力特性マップ８０は、通常運転モードの期間中、所定の演算周期毎に更新され続ける。

一方、起動信号ＩＧがオフになると（ステップ１０６；ＹＥＳ）、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の出力電流ゼロに対応する電圧Ｖ₀を出力特性マップ８０から読み出し、燃料電池スタック２０の出力電圧が電圧Ｖ₀に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に制御指令を出力する（ステップ１０７）。

また、初期チェックにおいて、異常が検出された場合には（ステップ１０４；ＹＥＳ）、コントローラ６０は、出力電流ゼロに対応する出力電圧として、予め初期値設定された開放端電圧を読み出し、燃料電池スタック２０の出力電圧が開放端電圧に一致するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１に制御指令を出力する（ステップ１０７）。燃料電池システム１０は、以上の処理を経て、電池運転を停止する。

本実施形態によれば、燃料電池スタック２０の出力電流ゼロに対応する燃料電池スタック２０の出力電圧の初期値として、燃料電池スタック２０の開放端電圧が電池運転開始前に予め設定されているので、異常発生時における燃料電池スタック２０の過発電を防止することができる。

本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。 本実施形態に係わる燃料電池システムの運転制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ３０…酸化ガス供給系 ４０…燃料ガス供給系 ５０…電力系 ６０…コントローラ

Claims (1)

1. 燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給源、及び前記燃料ガス供給源からの前記燃料ガスの流出を遮断する遮断弁を有する燃料ガス供給系と、
   前記燃料電池の出力電流及び出力電圧に基づいて前記燃料電池の電流対電圧特性を推定する推定手段と、
   前記推定手段が推定した前記電流対電圧特性に基づいて前記燃料電池の発電を制御する制御手段と、
   前記燃料電池の出力電流ゼロに対応する前記燃料電池の出力電圧の初期値として、前記燃料電池の開放端電圧を前記燃料電池の発電前に設定する初期値設定手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の発電前に前記燃料ガス供給系の燃料ガス漏れ又は前記遮断弁の故障を検出すると、前記初期値を読み取って前記燃料電池の出力電圧を前記開放端電圧に設定する、燃料電池システム。