JP5481905B2

JP5481905B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両

Info

Publication number: JP5481905B2
Application number: JP2009084631A
Authority: JP
Inventors: 道雄吉田; 敦志今井; 朋也小川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-31
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2029-03-31
Also published as: JP2010238494A

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両の始動時の制御に関する。

燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。

このような燃料電池においては、始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とがそれぞれ通常運転の際の各圧力と同程度の場合には、水素ガスと空気がそれぞれ燃料極と酸化剤極の中で偏在し、このガスの偏在によって発生する電気化学反応で電極が劣化してしまう場合があった。そこで、燃料電池の始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とを通常の各供給圧力よりも高くすることによって電極の劣化を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、燃料電池の始動の際に水素ガスと空気とを高圧で燃料電池に供給した場合、燃料電池の電圧の上昇速度が高くなって燃料電池の電圧が上限電圧をオーバーシュートしてしまうという問題があった。このため、特許文献１には、燃料電池の始動の際に通常発電の際の圧力よりも高い圧力で水素ガスと空気とを供給する場合、燃料電池の電圧が上限電圧よりも低い所定の電圧に達したら、燃料電池から出力を取り出して車両駆動用モータや抵抗器などに出力する方法が提案されている。

特開２００７−２６８９１号公報

ところで、燃料電池が搭載された電動車両では、燃料電池の出力電力指令値は負荷からの要求電力と燃料電池の出力電流電圧特性とに基づいて計算される。しかし、燃料電池を始動する際、燃料電池の電圧が始動電圧から上昇している間は逆流防止ダイオードでブロックされるため燃料電池から電流は流れ出さない。このため、燃料電池の始動中は燃料電池の出力電流電圧特性が通常運転中と異なるので燃料電池の始動が完了するまでは出力電力指令値をゼロとする始動方法がある。しかし、この始動方法では、始動完了前に燃料電池から電力を出力させると通常運転に移行する際に燃料電池の実際の出力と出力電力指令値に差ができてしまい、通常運転への移行の際に出力電力指令値がハンチングを起こし、燃料電池システムをスムースに通常運転に移行することができない場合があった。

そこで、始動の際に燃料電池の電圧を一旦、開回路電圧まで上昇させた後、始動完了後に燃料電池の制御電圧を下げて電力の取り出しをする方法がある。この方法は、燃料電池の通常運転への移行の際、燃料電池からの出力電力と出力電力指令値に差がなく出力指令値がハンチングすることはなくなるが、燃料電池の電圧を開回路電圧まで上昇させることから燃料電池の耐久性を損なう場合があるという問題があった。

そこで、本発明は、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずに燃料電池システムをスムースに始動させることを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池の出力電力を検出する電力検出手段と、充放電可能な二次電池と、
負荷からの要求電力に応じて燃料電池の出力電力指令値および二次電池の出力電力指令値を演算する制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い通常運転時の電圧である運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動し、この燃料電池の始動中は、負荷からの要求電力を燃料電池の出力電力と二次電池の出力電力とに分配する電力分配演算を行わずに負荷からの要求電力を二次電池の出力電力指令値とし、燃料電池が始動完了して通常運転に移行するときに前記電力分配演算を開始してそれ以後は燃料電池の出力電力指令値に応じた出力電力を燃料電池から負荷に供給するものであり、燃料電池の電圧が運転電圧に達した後、燃料電池が通常運転に移行する際に、電力検出手段によって検出した燃料電池の実出力電力によって燃料電池の出力電力指令値を初期化し、ここで、制御部は、燃料電池の始動開始から燃料電池が通常運転に移行するまでの間は、燃料電池に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電が行われることによって燃料電池の電圧が前記運転電圧に達した後に燃料電池から実際に出力される実出力電力を燃料電池の出力電力指令値に代入することにより通常運転移行時に燃料電池の出力電力指令値を前記実出力電力に一致させることを特徴とする。

本発明の電動車両は、上記の燃料電池システムを搭載したものである。

本発明は、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずに燃料電池システムをスムースに始動させることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における燃料電池システムの系統図である。従来技術による燃料電池システムの始動の際の電圧と出力電力の上昇を示すグラフである。本発明の実施形態における燃料電池システムの始動の際の電圧と出力電力の上昇を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載されている燃料電池システム１００は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２の電圧を昇圧または降圧する昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１５に供給するインバータ１４と、燃料電池１１と、を備えている。

二次電池１２は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、その電圧は走行用モータ１５の駆動電圧よりも低い電圧であるが、走行用モータの駆動電圧と同等あるいは高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ１３は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１２から供給された一次側の電圧を走行用モータ駆動用の二次側の電圧に電圧変換するものであり、基準電路３２が二次電池１２のマイナス側電路３４とインバータ１４のマイナス側電路３９とに共通に接続され、１次側電路３１が二次電池１２のプラス側電路３３に接続され、二次側電路３５がインバータ１４のプラス側電路３８に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。また、二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４には二次電池１２と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー２５が設けられている。

燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンク１７から水素供給弁１８を介して燃料極（アノード）に供給され、空気は空気圧縮機１９によって酸化剤極（カソード）に供給される。燃料電池１１のプラス側電路３６は昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５にＦＣリレー２４と逆流防止ダイオード２３を介して接続され、燃料電池１１のマイナス側電路３７はＦＣリレー２４を介して昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に接続される。昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５はインバータ１４のプラス側電路３８に接続され、昇降圧コンバータ１３の基準電路３２はインバータ１４のマイナス側電路３９に接続されているので、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７はそれぞれインバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９にＦＣリレー２４を介して接続されている。ＦＣリレー２４は負荷系統と燃料電池１１との接続を入り切りするもので、ＦＣリレー２４が閉となると燃料電池１１は昇降圧コンバータ１３の二次側と接続され、燃料電池１１の発電電力は二次電池１２の一次側電力を電圧変換した二次側電力と共にインバータ１４に供給されて車輪６０を回転させる走行用モータ１５を駆動する。この際、燃料電池１１の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧、インバータ１４の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機１９や冷却水ポンプ、水素ポンプなど燃料電池１１の補機１６の駆動電力は燃料電池１１または二次電池１２から供給される。

二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４との間には一次側の電圧を平滑化する一次側コンデンサ２０が接続され、一次側コンデンサ２０には両端の電圧を検出する電圧センサ４１が設けられている。また、インバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９との間には二次側の電圧を平滑にする二次側コンデンサ２１が設けられ、二次側コンデンサ２１にも両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。一次側コンデンサ２０両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の入力電圧である一次側電圧Ｖ_Lであり、二次側コンデンサ２１の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧Ｖ_Hである。また、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７との間には燃料電池１１の電圧を検出する電圧センサ４３が設けられ、燃料電池１１のプラス側電路３６には燃料電池１１からの出力電流を検出する電流センサ４４が設けられている。

制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータであり、燃料電池１１、空気圧縮機１９、水素供給弁１８、昇降圧コンバータ１３、インバータ１４、走行用モータ１５、補機１６、ＦＣリレー２４、システムリレー２５は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池１２と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４はそれぞれ制御部５０に接続され、二次電池１２の状態と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４の検出信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。電動車両２００には燃料電池システム１００を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー３０が設けられている。イグニッションキー３０は制御部５０に接続され、イグニッションキー３０のオンオフ信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。

このように二種類の電源を備える燃料電池システム１００では、通常運転の際には走行用モータ１５の駆動に必要な電力を二次電池１２からの出力電力と燃料電池１１からの出力電力とに分配する分配演算に基づいて各電池１１，１２からの出力電力を制御している。電力分配演算は燃料電池の出力電流電圧特性と、二次電池の出力電流電圧特性とに基づいて計算される。しかし、燃料電池１１は、始動後、運転電圧まで電圧が上昇し燃料電池１１から電力が取り出せるようになるまで時間がかかるため、二次電池１２と燃料電池１１とを搭載した電動車両２００では、イグニッションキー３０をオンとして電動車両２００を始動した後、燃料電池１１から電力を取り出せるようになるまでの間は電力分配演算を行わずに燃料電池１１の出力電力指令値をゼロとして二次電池１２からの電力によって電動車両２００を駆動する。そして、燃料電池１１の始動が完了した際に電力分配演算を行う通常運転に移行する。

本発明の実施形態の動作について説明する前に、図２を参照して従来技術による燃料電池システム１００の始動について説明する。従来技術の始動方法は、燃料電池１１の始動中は電力分配を行わずに燃料電池１１の出力電力指令値をゼロとして始動するものである。図２において線ａは昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧Ｖ_Hを示し、線ｂは燃料電池１１の電圧であるＦＣ電圧Ｖ_Fを示し、線ｃは燃料電池１１からの実際の出力電力を示し、点線ｄは燃料電池１１の出力電力指令値を示す。燃料電池１１は図２に示すように、電圧ゼロの状態から始動される。

図２に示す時間ｔ₀に運転者がイグニッションキー３０をオンするとそのオン信号が制御部５０に入力され、制御部５０はシステムリレー２５を閉として二次電池１２を系統に接続する。二次電池１２が系統に接続されると二次電池１２から供給される電力によって一次側コンデンサ２０が充電される。一次側コンデンサ２０が充電されたら制御部５０は昇降圧コンバータ１３の昇圧動作を開始して二次側コンデンサ２１を充電し、電圧センサ４２によって検出される二次側電圧Ｖ_Hを上昇させていく。二次側電圧Ｖ_Hが開回路電圧ＯＣＶに達したら二次側コンデンサ２１の充電が完了し二次電池１２からの電力供給が可能となるので、制御部５０は図２に示す時間ｔ₁に走行用モータ１５に電力を供給する準備が完了したことを示すＲｅａｄｙのランプを点灯させる。このＲｅａｄｙランプ点灯後、運転者がアクセルを踏み込むと、必要となる要求電力に応じて二次電池１２からの電力が走行用モータ１５に供給されて車輪６０が回転し、電動車両２００は走行を開始する。この時、二次電池１２から電力が走行用モータ１５に供給されても燃料電池１１はＦＣリレー２４が開状態となっているので系統から切り離されており、電力は燃料電池１１には流れこまない。また、制御部５０はイグニッションキー３０のオン信号が入力されると電圧センサ４３によって検出したＦＣ電圧Ｖ_Fと電流センサ４４によって検出したＦＣ電流Ａ_Fとから燃料電池１１の出力電力の計算を開始する。この時、燃料電池１１はまだ始動していないので電力分配は行われず、燃料電池１１への出力電力指令値はゼロであり、燃料電池１１からの実際の出力もゼロである。

制御部５０は、図２に示す時間ｔ₁に水素系統を加圧する指令を出力する。この指令によって水素供給弁１８が開となり、水素タンク１７から燃料電池１１への水素の供給が開始される。水素が供給されると燃料電池１１の燃料極の圧力が上昇するが、まだ酸化剤極に空気が供給されていないので燃料電池１１の内部では電気化学反応が起きず、燃料電池１１は発電しないので、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは始動電圧と同様のゼロとなっている。

水素系統の加圧開始の後、ＦＣリレー２４を閉として燃料電池１１と昇降圧コンバータ１３、インバータ１４とを接続する。そして、制御部５０は、図２に示す時間ｔ₂に二次側電圧Ｖ_HをＯＣＶから運転電圧Ｖ₀への低下を開始させると共に、空気圧縮機１９の始動指令を出力する。この指令によって空気圧縮機１９が始動し、燃料電池１１への空気の供給が開始される。運転電圧Ｖ₀は、例えば、開回路電圧ＯＣＶの９０％程度の電圧である。

空気圧縮機１９が始動され、空気が燃料電池１１に供給され始めると燃料電池１１の内部で水素と空気中の酸素との電気化学反応が始まり、電圧センサ４３によって検出される燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは始動電圧のゼロから図２の線ｂに示すように単調に上昇していく。燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fが上昇している間は、逆流防止ダイオード２３でブロックされているので燃料電池１１を系統に接続しても電流は流れ出さず、電流センサ４４によって検出されるＦＣ電流Ａ_Fはゼロとなっており、制御部５０で計算される燃料電池１１から出力される電力もゼロとなっている。

図２に示す時間ｔ₃に二次側電圧Ｖ_Hは運転電圧Ｖ₀まで低下し、その後運転電圧Ｖ₀に保持される。そして、図２に示す時間ｔ₄に燃料電池１１の電圧は運転電圧Ｖ₀に達する。燃料電池のＦＣ電圧Ｖ_Fは運転電圧Ｖ₀に達した後は二次側電圧Ｖ_Hと同一の電圧となるので運転電圧Ｖ₀に保持され、燃料電池１１の出力電流電圧特性に従ってＦＣ電圧Ｖ_Fに応じたＦＣ電流Ａ_Fが燃料電池１１から流出を始め、燃料電池１１からの実際の出力電力が上昇し始める。実際に燃料電池１１からの出力電力が上昇し始めても、まだ始動動作が完了していないので、制御部５０は燃料電池１１の電力分配計算を行わず、燃料電池１１への出力電力指令値もゼロのままとなっているが、実際には燃料電池１１からの出力電力はインバータ１４から走行用モータ１５に供給され、燃料電池１１からの出力電力分だけ二次電池１２からの出力電力が減少する。

制御部５０は、燃料電池１１からの出力電力が上昇し始めてから所定の時間Δｔの間に燃料電池１１が正常に運転されているかどうか確認する。そして、所定の時間Δｔの間に燃料電池１１に異常がない場合には、図２に示す時間ｔ₅に燃料電池１１の始動は完了したものとして通常運転に移行し、電力分配演算を開始する。

図２に示す時間ｔ₅においては、実際には燃料電池１１から出力電力があるので、図２の点線ｄに示すように、制御部５０は燃料電池１１の出力電力指令値をゼロから実際の燃料電池１１からの出力電力に向って急速に立上げようとする。この急速な立ち上がりは制御系統の応答性を悪化させ、燃料電池１１の出力電力指令値がハンチングを起こしてしまう。時間ｔ₅以降は燃料電池１１の出力電力は出力電力指令値となるように制御されることから、出力電力指令値がハンチングすると燃料電池１１からの実際の出力電力もハンチングしてしまう。また、燃料電池１１の出力電力指令値がハンチングすると燃料電池１１の電圧指令値もハンチングしてしまう。そして、燃料電池１１からの出力電力がハンチングすると電動車両２００の加速度などが運転者の意思によらずに変動するのでドライバビリティが低下してしまう。

次に、図３を参照しながら本実施形態の燃料電池システム１００の始動について説明する。本実施形態の燃料電池システムでは、制御部５０は、イグニッションキー３０をオンとして電動車両２００を始動した後、燃料電池１１から電力を取り出せるようになるまでの始動中は電力分配演算を行わないが燃料電池１１の出力電力指令値に燃料電池１１からの実際の出力電力を代入し、燃料電池１１の始動が完了した際に電力分配を開始して通常運転に移行するように始動する。図２において説明したのと同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図３において線ａ´は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧Ｖ_Hを示し、線ｂ´は燃料電池１１の電圧であるＦＣ電圧Ｖ_Fを示し、線ｃ´は燃料電池１１からの実際の出力電力を示し、点線ｄ´は燃料電池１１の出力電力指令値を示す。燃料電池１１は図３に示すように、電圧ゼロの状態から始動される。

図３に示すように、時間ｔ₀にイグニッションキー３０がオンとなったら、制御部５０は燃料電池システム１００を始動し、燃料電池１１の出力電力指令値に燃料電池１１からの実際の出力電力の代入を開始する。時間ｔ₀では燃料電池１１のＦＣ電圧ＶＦ、ＦＣ電流ＡＦは共にゼロなので出力指令値にはゼロが代入される。制御部５０は一次側コンデンサ２０、二次側コンデンサ２１を充電し、時間ｔ₁に二次側電圧Ｖ_Hが開回路電圧ＯＣＶに到達したら、水素供給弁１８を開として水素の供給を開始する。そして、制御部５０は時間ｔ₂に空気圧縮機１９を始動して空気の供給を開始する。時間ｔ₂から燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fは単調に上昇し、時間ｔ₄に運転電圧Ｖ₀に達する。始動中、燃料電池１１への出力電力指令値は常に燃料電池１１の実際の出力電力に置き換えられているので、図３の一点鎖線ｄ´で示される出力指令値は、線ｃ´で示される燃料電池１１の実際の出力電力に沿って変化していく。

そして、時間ｔ₅に燃料電池１１の始動が完了し、通常運転に移行し、制御部５０は、電力分配演算を開始する。この際、燃料電池１１の出力電力指令値は実際の出力電力と同一になっているので、通常運転に移行する際に燃料電池１１の実際の電圧と出力電力指令値との間にはほとんど差がない。このため、燃料電池１１の出力電力指令値がハンチングすることなくスムースに電力分配演算による通常運転に移行していくことができる。また、燃料電池１１の出力電力指令値がハンチングせずスムース通常運転に移行することができるので、燃料電池１１の実際の出力電力もスムースに通常運転に移行し、燃料電池１１の電圧指令値もスムースに通常運転に移行する。そして、燃料電池１１からの出力電力がスムースに通常運転に移行するので電動車両２００の加速度などが運転者の意思によらずに変動することが抑制され、ドライバビリティの低下を抑制することができる。また、本実施形態の燃料電池システム１００では、燃料電池１１のＦＣ電圧Ｖ_Fを開回路電圧ＯＣＶまで上昇させずに始動することができるので、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわないように始動することができる。

以上説明したように、本実施形態は、燃料電池の始動の際に耐久性を損なわずに燃料電池システムをスムースに始動させることができるという効果を奏する。

以上説明した実施形態では、通常運転への移行の際に燃料電池１１の実際の出力電力と出力電力指令値との間に差が無いようにするため、始動中は常に燃料電池１１の出力電力指令値に燃料電池１１からの実際の出力電力を代入しておくこととして説明したが、通常運転への移行の際に燃料電池１１の実際の出力電力と出力電力指令値との間に差が無いようにすることができれば、燃料電池が通常運転に移行する際に燃料電池１１の実際の出力電力によって燃料電池１１の出力電力指令値を初期化すること、としてもよい。また、燃料電池１１の始動後、燃料電池１１からの実出力が上昇し始めた時から燃料電池１１の始動完了、通常運転移行までの間燃料電池１１の出力電力指令値に燃料電池１１からの実際の出力電力を代入しておくようにしてもよい。また、本実施形態では、燃料電池１１からの出力電力の検出は電圧センサ４３、電流センサ４４の測定値に基づいて計算するものとして説明したが、別途電力センサを設けて検出することとしてもよい。

１１燃料電池、１２二次電池、１３昇降圧コンバータ、１４インバータ、１５走行用モータ、１６補機、１７水素タンク、１８水素供給弁、１９空気圧縮機、２０一次側コンデンサ、２１二次側コンデンサ、２３逆流防止ダイオード、２４ＦＣリレー、２５システムリレー、３０イグニッションキー、３１一次側電路、３２基準電路、３３，３６，３８プラス側電路、３４，３７，３９マイナス側電路、３５二次側電路、４１〜４３電圧センサ、４４電流センサ、５０制御部、６０車輪、１００燃料電池システム、２００電動車両。

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池の出力電力を検出する電力検出手段と、
充放電可能な二次電池と、
負荷からの要求電力に応じて燃料電池の出力電力指令値および二次電池の出力電力指令値を演算する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
制御部は、
燃料電池の電圧を始動電圧から開回路電圧よりも低い通常運転時の電圧である運転電圧まで上昇させて燃料電池を始動し、この燃料電池の始動中は、負荷からの要求電力を燃料電池の出力電力と二次電池の出力電力とに分配する電力分配演算を行わずに負荷からの要求電力を二次電池の出力電力指令値とし、燃料電池が始動完了して通常運転に移行するときに前記電力分配演算を開始してそれ以後は燃料電池の出力電力指令値に応じた出力電力を燃料電池から負荷に供給するものであり、
燃料電池の電圧が運転電圧に達した後、燃料電池が通常運転に移行する際に、電力検出手段によって検出した燃料電池の実出力電力によって燃料電池の出力電力指令値を初期化し、ここで、制御部は、燃料電池の始動開始から燃料電池が通常運転に移行するまでの間は、燃料電池に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されて発電が行われることによって燃料電池の電圧が前記運転電圧に達した後に燃料電池から実際に出力される実出力電力を燃料電池の出力電力指令値に代入することにより通常運転移行時に燃料電池の出力電力指令値を前記実出力電力に一致させること
を特徴とする燃料電池システム。
請求項１に記載の燃料電池システムを搭載する電動車両。