JP4984484B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に燃料電池車両等の移動体の動力源に好適なアイドルストップ性能を向上させた燃料電池システムの制御装置に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

ところで、燃料電池は、出力が小さい領域では、発電効率が低いために、二次電池やコンデンサ等の蓄電装置と併用するシステムがある。このシステムでは、要求負荷が小さい領域では、燃料電池の発電を停止して蓄電装置から電力供給するアイドルストップを行うことにより、発電効率の低い運転を回避し、燃料電池システムの燃費性能を向上させることができる。

このアイドルストップ状態からの再始動性を確保するために、アイドルストップ中に間歇的に反応ガス供給する例がある。例えば特許文献１に開示されているアイドルストップ状態は、所定時間経過する毎に、或いは残存ガス圧力が所定圧力より低下したときに、一時的にコンプレッサを駆動したり水素供給バルブを開いて、燃料電池へ空気、水素を供給している。
特開２００４−１７２０２８号公報（第８頁、図３）

しかしながら上記従来例を適用した燃料電池車両においては、高速時にアクセルを離している状態では、燃料電池に対する要求出力は低い状態にあり、アイドルストップすることになるが、その状態からアクセルを全開に踏み込むと、急激な要求出力変化率が発生する。このとき、反応ガス供給系の配管長や容積等による反応ガスの供給遅れがある一方、コンプレッサや水素供給弁の動特性による空気供給の変化率や水素供給の変化率には限界があり、過渡的に反応ガスの供給不足が生じるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる燃料電池と、前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、燃料電池の発電電力が不足する場合に電力供給する蓄電装置と、を備え、移動体の動力源に電力を供給する燃料電池システムの制御装置において、燃料電池に対する要求電力が所定値以下となった場合に、前記酸化剤供給手段から前記酸化剤極へ酸化剤の供給を一時停止する酸化剤供給制御部と、前記酸化剤供給制御部の判断により酸化剤の供給を一時停止後に、前記移動体の速度に基づいて燃料電池に対する要求電力の変化率を推定する要求電力変化率推定部と、前記要求電力変化率推定部が推定した要求電力の変化率に応じて前記酸化剤極内の酸化剤量目標値を決定する酸化剤極内酸化剤量目標値決定部と、前記酸化剤極内の酸化剤量を検知する酸化剤量検知部と、を備え、前記酸化剤供給制御部は、酸化剤供給の一時停止後、前記酸化剤量検知部によって検知された酸化剤極内の残存酸化剤量が、前記酸化剤極内酸化剤量目標値決定部によって決定された酸化剤量目標値以下となったとき、前記酸化剤供給手段を一時的に稼動させるよう制御することを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。

本発明によれば、燃料電池に要求される要求電力変化率を推定し、推定結果に基づいて、酸化剤供給一時停止中の燃料電池に酸化剤を供給することができ、要求電力の立ち上がり時に過渡的な反応ガスの供給不足を解消し、要求出力に対する応答性が高い燃料電池システムを提供することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、以下の実施例は、特に限定されないが、燃料電池を主な電源とする燃料電池車両について説明する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置を備えた燃料電池車両の概略構成を示すシステム構成図である。燃料電池システム１は、例えば固体高分子型の燃料電池２を備えている。燃料電池２は、電解質膜３をアノード（燃料極）４とカソード（酸化剤極）５で挟持した単電池（セル）が複数積層された構造を有するが単電池のみ図示している。アノード４には燃料として水素ガス、カソード５には酸化剤ガスとして空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

アノード（燃料極） ：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋(1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（２）
燃料ガスとしての水素は、水素タンク６から水素タンク元弁７、減圧弁８、水素供給弁９を通じてアノード４へ供給される。水素タンク６から供給される高圧水素は、減圧弁８で機械的に所定の圧力まで減圧され、さらに水素供給弁９でアノード４の入口の水素圧力が所望の圧力となるように減圧される。アノード入口の水素圧力は、アノード入口圧力センサ１０ａにより検出され、コントローラ３０に入力される。

アノード４の出口からアノード４の入口へアノードで消費されなかった燃料ガスを循環させる燃料循環路１１が備えられる。循環ポンプ１２は、燃料循環路１１内の燃料ガスを昇圧させて循環させる循環装置である。循環ポンプ１２は図示しない電動機によって駆動され、この電動機の電流を電流センサ１３によって検知する。カソード５への空気はコンプレッサ１４により供給される。カソード出口には、空気圧調整弁２４が設けられ、カソード圧力が制御される。

パワーマネージャ１５は、燃料電池２から電力を取り出して、負荷装置１６もしくはバッテリ１７へ電力を供給する。バッテリコントローラ１８は、バッテリ１７の充放電電流をモニタしてバッテリの蓄電量を算出し、蓄電量をコントローラ３０へ送信する。電圧センサ１９は、燃料電池２の単電池毎、もしくは単電池が複数直列接続された単電池群毎の電圧を測定する。コントローラ３０は、燃料電池システムの起動、停止、発電時に、各センサ信号を用いてシステム内の各アクチュエータをコントロールする。

カソード５には、酸化剤として空気を供給するため、化学反応しない窒素が、電解質膜３を透過して、アノード４、燃料循環路１１及び循環ポンプ１２を含む水素循環系に蓄積する。水素循環系に蓄積した窒素量が多くなりすぎると、水素循環系の気体の質量密度が増加し、循環ポンプ１２によるガス循環量を維持できなくなるため、水素循環系内の窒素量を管理する必要がある。したがって、水素循環系内の窒素を含んだガスをパージ弁２０により外部に排出し、水素循環系内に存在する窒素量を循環性能が維持できるようにする。アノード出口圧力センサ１０ｂはアノード出口の圧力を測定するセンサ、アノード入口温度センサ２１ａはアノード入口の気体の温度を測定するセンサ、アノード出口温度センサ２１ｂはアノード出口の気体温度を測定する温度センサであり、それぞれの検出値は、コントローラ３０へ入力される。

本実施例では、コントローラ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、作業用ＲＡＭ、入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されている。そして、コントローラ３０は、ＲＯＭに格納された制御プログラムを実行することにより、燃料電池システム全体を制御するとともに、本発明における酸化剤供給制御部と、要求電力変化率推定部と、燃料供給制御部とを兼ねるものである。

図２は、コントローラ３０の制御内容を説明する制御ブロック図である。要求電力検知部３１は、例えば、図示しない車速センサが検出した車速信号と、図示しないアクセルセンサが検出したアクセル操作量信号とに基づいて、燃料電池に対する要求電力を検知する。バッテリ蓄電量検知部３２は、図１のバッテリコントローラ１８からバッテリ１７の蓄電量を読み込む。燃料電池システム状態量検知部３３は、図１の圧力センサ１０ａ、１０ｂが検出した燃料極入口圧力、燃料極出口圧力、温度センサ２１ａ、２１ｂが検出した燃料極入口圧力、燃料極出口圧力、図示しない燃料電池冷却液の温度センサが検出した温度等の燃料電池システム状態信号を読み込み、燃料電池２の暖機が完了したか否かを判定する。燃料電池２の暖機中であれば、要求電力が所定値以下であっても暖機を継続し、アイドルストップを行わないように制御する。

水素供給・コンプレッサ停止判断部３４は、要求電力検知部３１が検知した要求電力が所定値以下、バッテリ蓄電量検知部３２が検知したバッテリ蓄電量が所定値以上、燃料電池システム状態が暖機完了を判定していれば、水素供給及びコンプレッサ１４の一時停止であるアイドルストップを判断し、水素供給弁制御部３９及びコンプレッサ制御部４０へアイドルストップによる供給一時停止を指示する。水素供給弁制御部３９は、アイドルストップによる供給一時停止の指示を受けると、水素供給弁９を閉じてアノード４への水素供給を停止する。このとき同時に燃料循環路１１に燃料を循環させる循環ポンプ１２を停止させる。コンプレッサ制御部４０は、アイドルストップによる供給一時停止の指示を受けると、コンプレッサ１４の駆動を停止させるとともに、空気圧調整弁２４を閉止させる。

要求電力変化率推定部３５は、図５に示すように、車速センサ信号、アクセル操作量信号、車両の走行抵抗からそれぞれ要求電力変化率を算出し、これらの最大値を求めて、要求電力変化率の推定値として、アノード内水素量・カソード内酸素量目標値決定部３８へ出力する。

図５において、車速から要求電力変化率を求めるには、車速が高いほど要求電力変化率が大きいとするマップ５１を参照して推定する。アクセル操作量信号から要求電力変化率を求めるには、アクセル操作変化量が大きいほど要求電力変化率が大きいとするマップ５２を参照して推定する。また、走行抵抗から要求電力変化率を求めるには、車両速度の変化と負荷装置１６である車両駆動モータの出力から車両の走行抵抗を推定し、この走行抵抗が小さいほど要求電力変化率大きいとするマップ５３を参照して推定する。

車速センサ信号、アクセル操作量信号、車両の走行抵抗からそれぞれ要求電力変化率を算出した後に、これら３つの要求電力変化率の最大値を最大値選択部５４で選択し、要求電力変化率の推定値とする。そして、アノード内水素量・カソード内酸素量目標値決定部３８は、この要求電力変化率の推定値からマップ５５を参照して、アノードの目標残水素量、カソードの目標残酸素量を求める。

アノード水素量検知部３６は、アノード圧力センサ１０ａまたは１０ｂの検出値に基づいてアノード水素量を検知し、アノード内水素量・カソード内酸素量目標値決定部３８へ出力する。カソード酸素量検知部３６は、電圧センサ１９の検出値と、コンプレッサ１４の一時停止からの経過時間とに基づいてカソード酸素量を検知する。このとき、アノード水素量検知部３６が十分な水素量を検知していれば、電圧センサ１９の検出値に基づいてカソード酸素量を検知し、アノード水素量検知部３６が十分な水素量を検知していなければ、コンプレッサ１４の一時停止からの経過時間に基づいてカソード酸素量を検知する。検知した酸素量は、アノード内水素量・カソード内酸素量目標値決定部３８へ出力する。

アノード内水素量・カソード内酸素量目標値決定部３８は、要求電力変化率推定部３５が推定した燃料電池システムに対する要求電力の変化率に対応したアノード内水素量目標値及びカソード内酸素量目標値を決定する。この決定には、要求電力の変化率から予め記憶した図５の符号５５に示したような目標値マップを参照して目標値を求める。このマップは、要求電力の変化率が大きいほど目標値が大きくなるマップであり、燃料電池の出力立ち上がり性能として所望の性能を満たす値を実機による実験、或いは計算機シミュレーションにより求めたものである。

そして、アノード内水素量・カソード内酸素量目標値決定部３８が決定したアノード内水素量目標値に、アノード水素量検知部３６が検知した水素量が達していなければ、水素供給弁制御部３９へ制御信号を出力し、アノード水素量が目標値以上となるように制御する。同様に、カソード内酸素量目標値に、カソード酸素量検知部３７が検知した酸素量が達していなければ、コンプレッサ制御部４０へ制御信号を出力して、カソード酸素量が目標値以上となるように制御する。

次に、図３のフローチャートを参照して、コントローラ３０による通常発電制御の状態からアイドルストップ状態への移入について説明する。

まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）３０１において、燃料電池システム内の各センサから燃料電池システムの状態量を読み込む。Ｓ３０２で、バッテリコントローラ１８からバッテリ１７の蓄電量を読み込む。Ｓ３０３で、車速センサが検知した車速及びアクセルセンサが検知したアクセル操作量に基づいて燃料電池システムに対する要求電力を検知する。

次いで、Ｓ３０４で、燃料電池温度が所定の暖機温度（固体高分子型燃料電池では、電極触媒の活性度が高まる例えば７０℃）以上となったか否かを判定することにより、燃料電池２の暖機が完了したか否かを判定する。暖機が完了していなければ、Ｓ３０９の通常発電制御に移る。

暖機が完了していれば、Ｓ３０５でバッテリ１７の蓄電量が所定値以上であるか否かを判定する。この所定値は、バッテリ１７の全容量、負荷装置１６の消費電力等を考慮して決定される。バッテリ１７の蓄電量が所定値未満であれば、Ｓ３０９の通常発電制御へ移る。バッテリ１７の蓄電量が所定値以上であれば、Ｓ３０６で燃料電池システムに対する要求電力が所定値以下であるか否かを判定する。この所定値は、燃料電池システムの発電効率が所望の効率より低下する発電電力であり、燃料電池２に使用する電解質膜３の性質、アノード４及びカソード５に使用する電極触媒の性質、カソード５に空気供給するコンプレッサ１４の効率等により決まる値である。一般に、固体高分子型燃料電池では、発電出力を低下させると、発電電力に対する補機（コンプレッサ１４，循環ポンプ１２，図示しない冷却水循環ポンプ等）消費電力の比率が高まり、発電効率が低下する。

Ｓ３０６の判定で要求電力が所定値を超えていれば、Ｓ３０９の通常発電制御へ移る。Ｓ３０６の判定で、要求電力が所定値以下であれば、アイドルストップを行うべく、Ｓ３０７へ進む。Ｓ３０７では、水素供給弁９を閉止するとともに循環ポンプ１２を停止させ、Ｓ３０８でコンプレッサ１４を停止させるとともに、空気圧調整弁２４を閉じて、アイドルストップ状態へ移入する。

図４は、アイドルストップ状態におけるコントローラ３０の制御内容を説明するフローチャートである。

まず、Ｓ４０１において要求電力が所定値以下か否かを判定する。この所定値は、Ｓ３０６の判定で使用した所定値と同じ値である。要求電力が所定値以下でなければ、アイドルストップ状態から通常発電状態へ復帰すべく、Ｓ４１４へ進む。Ｓ４１４では、水素供給弁９を開いて水素供給を開始し、Ｓ４１５でコンプレッサ１４の稼動を開始して、アイドルストップ状態を終了し、通常発電制御へ移る。

Ｓ４０１の判定で要求電力が所定値以下であれば、Ｓ４０２へ進み、バッテリ１７の蓄電量が所定値以上か否かを判定する。この所定値は、Ｓ３０５の判定で使用した所定値と同じ値である。Ｓ４０２の判定で、蓄電量が所定値以上でなければ、アイドルストップ状態から通常発電状態へ復帰すべく、Ｓ４１４へ進む。

Ｓ４０２の判定で蓄電量が所定値以上であれば、Ｓ４０３で車速センサの検出値を読み込み、Ｓ４０４でアクセル操作変化量を計算し、Ｓ４０５で車両の走行抵抗を検知する。車両の走行抵抗は、負荷装置１６である車両駆動モータの出力と車速の変化から求められる。

次いで、Ｓ４０５で要求電力変化率を推定する。この推定は、図５で説明したように、車速、アクセル操作変化量、走行抵抗からそれぞれ要求電力変化率を求め、これらの中で最大のものを要求電力変化率の推定値とする。

次いで、Ｓ４０７で要求電力変化率の推定値が所定値以上か否かを判定する。所定値以上でなければ、Ｓ４０８へ進む。所定値以上であれば、並列処理可能なＳ４１０とＳ４１２とへ移る。

Ｓ４０８では、カソード内残酸素量が所定値以上であるか否かを判定する。これには、電圧センサ１９が検出する燃料電池電圧から換算した残酸素量、或いはアイドルストップ状態に移入してからの経過時間から換算した残酸素量と、所定値とを比較する。Ｓ４０８の判定で、カソード内残酸素量が所定値以上であれば、Ｓ４０９へ進み、パワーマネージャー１５に指示して燃料電池２から電流取り出しを行うことにより、カソード内残酸素量を低下させて、アイドルストップ中の燃料電池２の電圧を低下させ、電解質膜３、及びアノード４，カソード５の電極触媒の劣化を抑制する（図８）。そして、Ｓ４０１へ戻る。

Ｓ４１０では、カソード内酸素量が要求電力変化率に応じて定まる下限酸素量である所定値以下か否かを判定し、所定値以下であれば、Ｓ４１１へ進み、コンプレッサ１４を一時的に稼動させて、カソード５へ空気を供給し（図７）、Ｓ４０１へ戻る。Ｓ４１０の判定でカソード内酸素量が所定値以下でなければ、Ｓ４１１を飛び越してＳ４０１へ戻る。

Ｓ４１２では、アノード内水素量が要求電力変化率に応じて定まる下限水素量である所定値以下か否かを判定し、所定値以下であれば、Ｓ４１３へ進み、水素供給弁９を一時的に開いて、アノード４へ水素を供給し、Ｓ４０１へ戻る。Ｓ４１２の判定でアノード内水素量が所定値以下でなければ、Ｓ４１３を飛び越してＳ４０１へ戻る。

次に、図６を参照して、本発明の効果を説明する。図６には、アクセル操作量が０の状態から、アクセル踏込速度が小さい場合（実線の折れ線で示す）と、アクセル踏込速度が大きい場合（破線の折れ線で示す）との燃料電池に必要な空気流量と、コンプレッサが供給可能な空気流量を示している。いずれの場合にも、コンプレッサ稼動開始、即ち電流取り出しが開始される時点からコンプレッサ供給空気流量が不足するが、本発明によれば、要求電力変化率の推測結果に応じて、燃料電池カソードの残存酸素量（実際には残存空気）を保持しているので、この残存酸素を用いてアクセル操作開始時の発電ができるようになり、アクセル操作に対する電力供給の遅れを無くすことができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムの構成図である。 実施例の燃料電池システムの制御装置であるコントローラの制御ブロック図である。 通常運転状態からアイドルストップ状態への移入を説明するフローチャートである。 アイドルストップ状態における制御フローチャートである。 要求電力変化率の推定から残水素量・残酸素量の目標値算出を説明するブロック図である。 本発明の効果を説明するタイムチャートである。 アイドルストップ中の残空気量の制御を説明するタイムチャートである。 アイドルストップ中に電流取り出しする場合のタイムチャートである。

符号の説明

３０…コントローラ
３１…要求電力検知部
３２…バッテリ蓄電量検知部
３３…燃料電池システム状態量検知部
３４…水素供給・コンプレッサ停止判断部
３５…要求電力変化率推定部
３６…アノード水素量検知部
３７…カソード酸素量検知部
３８…アノード内水素量・カソード内酸素量目標値決定部
３９…水素供給弁制御部
４０…コンプレッサ制御部

Claims (5)

1. 燃料極と酸化剤極との間に電解質膜を挟持させてなる燃料電池と、
   前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給手段と、
   前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤供給手段と、
   燃料電池の発電電力が不足する場合に電力供給する蓄電装置と、
   を備え、移動体の動力源に電力を供給する燃料電池システムの制御装置において、
   燃料電池に対する要求電力が所定値以下となった場合に、前記酸化剤供給手段から前記酸化剤極へ酸化剤の供給を一時停止する酸化剤供給制御部と、
   前記酸化剤供給制御部の判断により酸化剤の供給を一時停止後に、前記移動体の速度に基づいて燃料電池に対する要求電力の変化率を推定する要求電力変化率推定部と、
   前記要求電力変化率推定部が推定した要求電力の変化率に応じて前記酸化剤極内の酸化剤量目標値を決定する酸化剤極内酸化剤量目標値決定部と、
   前記酸化剤極内の酸化剤量を検知する酸化剤量検知部と、を備え、
   前記酸化剤供給制御部は、酸化剤供給の一時停止後、前記酸化剤量検知部によって検知された酸化剤極内の残存酸化剤量が、前記酸化剤極内酸化剤量目標値決定部によって決定された酸化剤量目標値以下となったとき、前記酸化剤供給手段を一時的に稼動させるよう制御することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 燃料電池に対する要求電力が所定値以下となった場合に、前記燃料供給手段から前記燃料極へ燃料の供給を一時停止する燃料供給制御部と、
   前記要求電力変化率推定部が推定した要求電力の変化率に応じて前記燃料極内の燃料量目標値を設定する燃料極内燃料量目標値決定部と、
   前記燃料極内の燃料量を検知する燃料量検知部と、を備え、
   前記燃料供給制御部は、燃料供給の一時停止後、前記燃料量検知部によって検知された燃料極内の残存燃料量が、前記燃料極内燃料量目標値決定部によって決定された燃料量目標値以下となったとき、前記燃料供給手段を構成する燃料供給弁を一時的に開くよう制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
3. 前記酸化剤極内の残存酸化剤量は、酸化剤供給の一時停止後の経過時間と、酸化剤極と燃料極との電位差との、少なくとも一方に基づいて推定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記燃料極内の残存燃料量は、燃料極の圧力に基づいて推定されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記要求電力推定部が推定した要求電力の変化率が所定値より小さい場合に、燃料電池電圧が所定電圧以下となるように、燃料電池から電流を取り出すことを特徴する請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。

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