JP5348599B2 - 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。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける制御の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。また、このような燃料電池に加え、当該燃料電池に反応ガス（燃料ガスや酸化ガス）を給排するための配管系、電力を充放電する電力系、システム全体を統括制御する制御系などによって燃料電池システムが構成されている。

このような燃料電池システムとしては、例えば掃気処理といった氷点下対策処理の有無を切り替えるためのスイッチ、換言すれば氷点下対策処理の実施状態と停止状態とを切り替えるためのスイッチを備え、必要な場合に当該氷点下対策処理を実施するというものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−７９８６４号公報

しかしながら、氷点下対策の有無によって制御内容が変更になる時期（タイミング）にスイッチが切り替えられると制御内容が変更になる場合がある。このように制御内容が変更になると、想定しないシステム状態になって不具合が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、所定の処理中に制御内容に変更が生じて想定しないシステム状態に陥ることを抑制できるようにした燃料電池システムを提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば氷点下の状況下であれば、燃料電池の次回始動時の始動性能の確保あるいは当該燃料電池の保全といった観点から、運転中や停止時に特殊な制御を行うことが必要である。このような特殊な制御を行うにあたり、これまでの燃料電池システムであれば例えば上述したようなスイッチ等によって所定の処理の実施状態と停止状態とを切り替えることが可能となっているが、しかしこのような切替に関して詳細なタイミングまで規定しているわけではない。本発明者は、上述したような従来技術が抱える問題について検討を重ねた結果、かかる問題を解決しうる技術を知見するに至った。本発明はかかる知見に基づくもので、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、氷点下対策処理の有無を切り替えるスイッチとを備えた燃料電池システムにおいて、前記氷点下対策処理の有無で当該氷点下対策処理の制御内容に変更が生じるタイミングでは前記氷点下対策の処理の有無の切替を制限することを特徴としている。

燃料電池システムにおいて実施される種々の処理の中で、氷点下対策としての処理（例えば掃気処理など）は、実施中に中断すると処理が完結せず想定外のシステム状態に陥るおそれのあるものである。この点、本発明においては、氷点下対策処理の制御内容に変更が生じるタイミングでは氷点下対策の処理の有無の切替を制限することとしているため、例えば当該処理の実施中に外部から他の処理の命令が入力されたとしても、実施中の処理（この場合、氷点下対策のための処理）を中断させることがない。したがって、外部からの命令に起因して想定外のシステム状態に陥るのを効果的に抑制することができる。

また、本発明は、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池に反応ガスを供給するガス供給路とを備えた燃料電池システムにおいて、所定の処理を実施中に外部から他の処理命令を受けた場合に、当該実施中の処理が継続すべきものかどうかを判断し、継続すべきものと判断した場合には外部から受けた前記処理命令への切替を制限する制御装置を備えていることを特徴とするものである。

本発明においては、外部からの処理命令（例えば燃料電池車のユーザが何らかの操作をしたことによる命令）を受けたとしても、実施中の所定の処理が継続すべきものであれば処理の切替を制限し、当該実施中の処理が完結するのをまってから次の処理へと移行させることができる。これによれば、実施中の所定の処理が途中で中断するのを回避することができるから、外部からの命令に起因して想定外のシステム状態に陥るのを効果的に抑制することが可能である。

かかる燃料電池システムは、氷点下対策処理の実施状態と停止状態とを切り替えるためのスイッチを備えており、実施中の処理の制御内容が変更になるタイミングの場合には氷点下対策処理の実施状態から停止状態への切替を制限するものであることも好ましい。このような燃料電池システムにおいては、氷点下対策処理を実施中に外部からの処理命令を受けた場合、処理の切替を制限し、氷点下対策処理が完結するのをまってから次の処理へと移行することになる。このように、外部からの命令に起因して氷点下対策処理が中断するのを回避することができるから、想定外のシステム状態に陥るのを効果的に抑制することが可能である。

また、当該システムの停止処理実施中に外部から他の処理命令を受けた場合に、当該外部から受けた前記処理命令への切替を制限することも好ましい。停止処理が中断するのを回避することにより、想定外のシステム状態に陥るのを効果的に抑制することができる。

さらに、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池にて発電した電力によってモータを駆動して走行する燃料電池車に搭載されて好適なものである。

本発明によれば、所定の処理中に制御内容に変更が生じて想定しないシステム状態に陥ることを抑制することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、氷点下対策処理の有無を切り替えるスイッチとを備えているものである。また、本実施形態では、所定の処理中に外部から他の処理命令を受けた場合に、必要に応じて処理命令の切替を制限することによって想定しないシステム状態に陥ることを抑制できるようにしている。

燃料電池（ＦＣ）２は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を有するものであり、例えば高分子電解質形燃料電池である。以下においては、この燃料電池２などによって構成される燃料電池システム１の全体構成についてまず説明し、その後、この燃料電池システム１を搭載した燃料電池車Ｖを例示しつつ、想定しないシステム状態に陥ることを抑制できるようにした制御の内容について説明することとする。

図１に燃料電池システム１の概略構成を示す。本実施形態に示す燃料電池システム１は、例えば燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるが、これに限られることはなく、例えば電車、船舶、航空機等の各種輸送機関、さらにはロボットといった自走可能なものを含む各種移動体に搭載される発電システム、あるいは定置設備用の定置用発電システムとしても適用可能である。

燃料電池２への酸化ガス供給系は、エアコンプレッサ５、インタークーラ３、インタークーラ冷却用ウォータポンプ４を含んだ構成となっている（図１参照）。エアコンプレッサ５は図示しないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気を圧縮する。インタークーラ３は、圧縮されて高温となったエアを冷却する。インタークーラ冷却用ウォータポンプ４は、インタークーラ３を冷却するための冷却水を循環させる。エアコンプレッサ５によって圧縮されたエアは、このようにインタークーラ３によって冷却された後、加湿器１７を通過し、燃料電池２のカソード（酸素極）へと供給される。燃料電池２の電池反応に供された後のオフガスはカソードオフガス流路１６を流れてシステム外へと排気される。このカソードオフガスは燃料電池２での電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態になっている。そこで、加湿器１７により、低湿潤状態にある供給前の酸化ガスと、カソードオフガス流路１６を流れる高湿潤状態のオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。

燃料電池２への水素ガス供給系は、燃料としての水素を燃料電池２へと供給するためのシステムとして構成されている。例えば本実施形態の場合には、複数本の高圧水素タンク（図２中において符合２０で示す）を水素貯蔵源として並列に配置し、水素ガス供給路２３によって燃料電池２のアノード（燃料極）へと導くようにしている。

また、燃料電池２の冷却水（ＬＬＣ）の出入口には、当該冷却水を循環させるための冷却水配管１１が設けられている。この冷却水配管１１には、冷却水を送り出すウォータポンプ１０と、冷却水供給量を調節するための流路切替弁１２とが設けられている。

燃料電池２で発電された直流電力の一部は電圧変換装置（高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ）１４によって降圧され、高圧の蓄電装置として機能する二次電池（以下、高圧バッテリーといい、符号１５で示す）に充電される。モータインバータ（トラクションインバータ）７は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してトラクションモータ８に交流電力を供給する。また、ウォータポンプインバータ９は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してウォータポンプ１０に交流電力を供給する。さらに、エアコンプレッサ駆動用インバータ６は、燃料電池２から供給される直流電力を交流電力に変換してエアコンプレッサ５に交流電力を供給する。

制御装置１３は例えばＥＣＵ（Electric Control Unit）によって構成されている制御手段である。本実施形態の制御装置１３は、例えば燃料電池車に搭載されている場合であればアクセル開度や車速等に基づいてシステム要求電力（車両走行電力と補機電力との総和）を求め、燃料電池２が目標電力に一致するようにシステムを制御する装置である。具体的に説明すると、この制御装置１３は、エアコンプレッサ駆動用インバータ６を制御することによって当該エアコンプレッサ５を駆動するモータ（図示省略）の回転数および酸化ガス供給量を調整する。また、インタークーラ冷却用ウォータポンプ４を制御することによって圧縮エアの温度を調整する。さらに、モータインバータ７を制御してトラクションモータ８の回転数を調整し、ウォータポンプインバータ９を制御してウォータポンプ１０を調整する。さらには、電圧変換装置１４を制御して燃料電池２の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を調整し、燃料電池２の出力電力が目標電力に一致するように調整する。

また、以下に説明するように、本実施形態における制御装置１３は、所定の処理中に制御内容に変更が生じて想定しないシステム状態に陥るのを抑制するような制御を実施する。このような制御は、例えば当該制御装置１３内の演算処理装置に格納されたプログラムによって実現可能である。

図２に、以上のような燃料電池システム１を搭載した燃料電池車Ｖの一例を示す。当該燃料電池車Ｖは、燃料電池２にて発電した電力によってトラクションモータ８を駆動して走行するというものである。なお、図２中における符合１８は当該車両のボデー、符合１９は変速装置、符合２１は燃料となる水素の充填口、符合２２はブッシュボタンスタートシステムを構成しているパワースイッチ、符合２４はブレーキペダルをそれぞれ示している。

続いて、燃料電池システム１において、所定の処理中に外部から他の処理命令を受けた場合に、必要に応じて処理命令の切替を制限することにより想定しないシステム状態に陥ることを抑制できるようにするための制御の内容について説明する（図３、図４参照）。

ここで、まず、ブッシュボタンスタートシステムの概略について例示しておく。上述したパワースイッチ２２とブレーキペダル２４の操作で電源ポジションの切替あるいはシステム起動を行うことが可能なシステムである。具体例を挙げると、ブレーキペダル２４を踏まずにパワースイッチ２２を押すと、OFF(ソーク状態) → ACC(アクセサリ) → IG(イグニッション・オン) → OFF(ソーク状態) の順に電源ポジションを切り替えることができる（図４参照）。また、ブレーキペダル２４を踏んだ状態でパワースイッチ２２を押すと燃料電池システム１を起動させることができる。さらに、燃料電池システム１の起動後、当該燃料電池車Ｖが停止した状態でパワースイッチ２２を押すことによってシステムの運転を停止させることができる。なお、走行可能な状態になったことは、例えば燃料電池車Ｖのコンビネーションメータ内に設けられている走行可能インジゲータランプ（ready ランプ）などの表示装置を点灯させることによってユーザ（ドライバ）に認識させることができる。例えば上述のようにブレーキペダル２４を踏んだ状態でパワースイッチ２２を押すと走行可能インジケータランプはまず点滅してシステムチェック中であることを示し、走行条件が成立すると点灯状態となり、ready状態(ready on)に移行したことを表示する。

本実施形態の燃料電池システム１では、制御装置１３により、所定の処理を実施中に外部から他の処理命令を受けた場合に、当該実施中の処理が継続すべきものかどうかを判断し、継続すべきものと判断した場合には外部から受けた処理命令への切替を制限することとしている。以下において、この制御の内容をフローチャートを参照しつつ説明する（図３参照）。

まず、ユーザ（運転者）が例えば上述のパワースイッチ２２を押すなどにより制御装置１３が外部からの処理命令を受けた場合、本実施形態の燃料電池システム１は当該制御を開始する（ステップＳ１）。ここで、制御装置１３は他の処理（例えば燃料電池の乾燥処理）を実施中であるかどうかを判断し（ステップＳ２）、実施中である場合には（ステップＳ２においてＹｅｓ）、当該実施中の処理が所定の処理かどうか、より具体的には、当該実施中の処理が一連の処理として継続して行うべきものであるかどうかを判断する（ステップＳ３）。所定の処理に該当する場合には（ステップＳ３においてＹｅｓ）、処理の切替を制限し、当該実施中の処理が完結するまで継続させる（ステップＳ４）。この処理が完結したら、引き続き上述の外部からの命令に関する処理に切り替えて実施し（ステップＳ５）、その後終了する（ステップＳ６）。一方、外部からの処理命令を受けた際に他の処理の実施中ではない場合（ステップＳ２においてＮｏ）、あるいは実施中ではあるが所定の処理に該当しない場合には（ステップＳ３においてＮｏ）、当該外部からの命令に関する処理を即座に実施してよい。

以上のような制御は、例えば氷点下対策処理を実施している際において特に好適である。つまり、氷点下の状況下においては燃料電池１の次回始動時の始動性能の確保あるいは当該燃料電池１の保全といった観点から掃気処理や乾燥処理を十分に実施することが望ましい。この点、従前のシステムの場合には、当該氷点下対策処理の実施中であってもユーザがパワースイッチ２２を操作するなどにより外部から処理命令を受ければ当該氷点下対策処理を完結するのを待たずに処理内容が一律に切り替わってしまうことがあった。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１の場合には、実施中の処理が継続すべきものであるならば当該実施中の処理の制御内容が変更になるタイミングの外部命令を受け付けずに保留しておき（別の表現をすれば、一時的に有効ではないものとして取り扱い）、処理が実施状態から停止状態へと切り替わるのを制限し、当該実施中の処理が完結するのをまって次処理へと移行する。このため、実施中の処理を中断した場合に生じうる想定外のシステム状態に陥ることを抑制することができる。

また、このような制御と燃料電池車Ｖの各状態との関連について例示しておくと以下のとおりである（図４参照）。すなわち、燃料電池車Ｖの燃料電池システム１の状態がOFF（ソーク状態）つまり放置状態のときにパワースイッチ２２が押された場合には、 → ACC(アクセサリ) → IG(イグニッション・オン) の状態へと順次切り替え、IG(イグニッション・オン) の状態のときに必要な処理へと切り替える。また、IG(イグニッション・オン) の状態のときにパワースイッチ２２が押された場合には、OFF(ソーク状態) または起動処理へと随時切り替える。さらに、システムがready状態のときにパワースイッチ２２が押された場合には、起動処理へと随時切り替える。

一方で、システムの始動処理中の状態のときにパワースイッチ２２が押された場合には、始動処理が完結してready状態となるまで処理の切替を制限する。同様に、システムの停止処理中の状態のときにパワースイッチ２２が押された場合には、当該停止処理が完結するまで処理の切替を制限する。このような制御によれば、継続すべき処理（この例でいえば始動処理や停止処理）を中断させず完結することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では実施中の処理が所定の処理に該当するかどうかを判断することとしたが、ここでいう所定の処理とは一連の処理として継続して行うべきものであり、上述したようなシステム停止後における燃料電池２の乾燥処理、システム始動時の処理などは例示したものに過ぎない。例えば氷点下の状況下において燃料電池車Ｖの燃料電池システム１を停止させることに伴い十分に実施されるべき掃気処理や膜乾燥処理といった氷点下対策のためのシーケンス処理は本発明を適用して好適なものだが、一連の処理として継続して行うべき処理は各システムや構成に応じて適宜変わりうる。

また、上述した実施形態では処理の切替を制限すると表現したが、ここでいう制限の具体的内容は特に限定されるものではない。例えば、パワースイッチ２２が押されたとしても当該入力を一時的にメモリして保留しておくというようなソフトウエア上の処理で実現してもよいし、あるいは継続すべき処理の実施中にスイッチ（例えばパワースイッチ２２）等の操作を機械的に制限することによって実現してもよい。なお、後者のように操作を機械的に制限する場合であれば、特に図示はしないが、所定の処理を実施している間はスイッチ等の操作を機械的に制限しておくという制御フローに従って処理を進めることになる。こうした場合、当該処理の制御内容に変更が生じるタイミングでは外部からの命令（この場合、スイッチ操作）を受け付けないようにすることができる。

さらに、本実施形態においては、氷点下対策処理の実施状態と停止状態とを切り替えるためのスイッチとしてパワースイッチ２２を例示したがこれも一例に過ぎず、この他、キーボード、マウス、タッチパネルあるいはその他の各種操作スイッチなどであっても構わない。また、上述のパワースイッチ２２は燃料電池車Ｖの運転開始時あるいは運転停止時に利用すべきスイッチであったが、氷点下対策処理の実施状態と停止状態とを切り替えるためのスイッチはこれとは別に独立して設けられたものであっても構わない。例示すれば、低温対策制御開始／制御停止命令を入力するための独立したスイッチ（低温対策スイッチ）とすることも可能である。

本発明にかかる燃料電池システムの構成例を示す図である。 本実施形態における燃料電池車の概略構成を示す側面図である。 所定の処理を実施中に外部から他の処理命令を受けた場合の制御例を示すフローチャートである。 所定の処理を実施中に外部から他の処理命令を受けた場合の制御と燃料電池車の各状態との関連について例示した表である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、８…トラクションモータ（モータ）、１３…制御装置、２２…パワースイッチ（スイッチ）、Ｖ…燃料電池車

Claims (1)

1. 反応ガスの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、燃料電池車に搭載されている燃料電池システムにおいて、
   氷点下対策処理の実施状態と停止状態とを切り替えるスイッチと、
   前記氷点下対策処理の実施中に外部から他の処理命令を受けた場合に、実施中の氷点下対策処理が継続すべきものであるかどうかを判断したうえで、実施中の当該氷点下対策処理の制御内容が変更になるタイミングの場合には前記他の処理命令を受け付けずに保留しておいて一時的に有効ではないものとして取り扱い、氷点下対策処理の実施状態から停止状態への切替を制限し、当該実施中の氷点下対策処理が完結するのをまって次処理へと移行する制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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