(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータと、
前記モータに対して前記燃料電池とは並列に接続され、前記燃料電池の発電電力および前記モータの回生電力を充電可能かつ充電電力を前記モータに放電可能な蓄電部と、
少なくとも前記燃料電池の運転に使用される補機と、
前記燃料電池、前記蓄電部、前記モータ、及び前記補機の電力配分を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御部は、通常運転時は、発電要求電力に基づく発電指令値を用いて前記電力配分を決定する一方、前記燃料電池の電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御中は、前記発電指令値に変えて前記燃料電池の発電実測値を用いて前記電力配分を決定する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の運転停止中に前記高電位化回避制御を行う際に、前記発電指令値に変えて前記燃料電池の発電実測値を用いて前記電力配分を決定する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記発電指令値がゼロである最中に前記高電位化回避制御を行う際に、前記発電指令値に変えて前記燃料電池の発電実測値を用いて前記電力配分を決定する燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに係り、特に、電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を加圧供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
このような燃料電池システムのうち車載用に用いられるものにおいては、燃料電池と二次電池と走行モータと補機とを主体として構成されており、これらの電力配分を適宜制御することで運転されるようになっている。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、アクセル開度等に基づき決定される発電要求電力と、走行モータの回生電力と、燃料電池の発電電力とのバランスをとって二次電池のＳＯＣ（残容量）を所定範囲内に制御するものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】国際公開第２００２／０１５３１６号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムにおいては、燃料電池の劣化促進を抑制するために、所定の条件下において、燃料電池の電圧が所定の閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御を行うことが考えられている。このような高電位化回避制御中は、仮に燃料電池への発電指令を停止させている状態であっても、燃料電池が発電してしまうことがあり、発電指令値と燃料電池の実際の発電電力とに誤差が生じることがある。
このような誤差が生じている状態では、上記した電力配分を適切に行うことができず、例えば、二次電池に過充電を生じてしまう可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明は、電力配分を適切に行うことができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する燃料電池と、電力供給を受けて駆動可能かつ回生電力を発生可能なモータと、前記モータに対して前記燃料電池とは並列に接続され、前記燃料電池の発電電力および前記モータの回生電力を充電可能かつ充電電力を前記モータに放電可能な蓄電部と、少なくとも前記燃料電池の運転に使用される補機と、前記燃料電池、前記蓄電部、前記モータ、及び前記補機の電力配分を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、通常運転時は、発電要求電力に基づく発電指令値を用いて前記電力配分を決定する一方、前記燃料電池の電圧が当該燃料電池の開放電圧よりも低い所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御中は、前記発電指令値に変えて前記燃料電池の発電実測値を用いて前記電力配分を決定する。
【０００７】
かかる構成によれば、燃料電池の電圧が所定の高電位回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御中に、仮に燃料電池への発電指令を停止させているにも拘わらず、燃料電池が発電してしまって発電指令値と燃料電池の実際の発電電力とに誤差が生じることがあっても、発電指令値の代わりに燃料電池の発電実測値を用いて電力配分が決定されるため、電力配分を適切に行うことができる。
上記構成において、前記制御部は、前記燃料電池の運転停止中に前記高電位化回避制御を行う際に、前記発電指令値に変えて前記燃料電池の発電実測値を用いて前記電力配分を決定してもよい。
また、前記制御部は、前記発電指令値がゼロである最中に前記高電位化回避制御を行う際に、前記発電指令値に変えて前記燃料電池の発電実測値を用いて前記電力配分を決定してもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池システムによれば、電力配分を適切に行うことができるため、例えば蓄電部への過充電を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１０】
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。
本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１１】
この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ（蓄電部）２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。
【００１２】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
【００１３】
この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ９２及び電流センサ９３によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源８０から空気などの酸化ガスが供給される。
【００１４】
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
【００１５】
酸化ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００１６】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
【００１７】
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
【００１８】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
【００１９】
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスの供給に供されるエアコンプレッサやポンプなど）をいう。
【００２０】
また、燃料電池４０につながる配線には、絶縁抵抗測定部９０が接続されている。絶縁抵抗測定部９０は、燃料電池４０と車体との間の絶縁抵抗を測定する。
【００２１】
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
【００２２】
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。
この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
【００２３】
本実施形態では、バッテリ２０の充電量が制限されている場合であっても、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を上昇させ、該ＤＣ／ＤＣコンバータでのエネルギー損失を増大させることで、確実に燃料電池４０の電圧が当該燃料電池４０の開放電圧よりも低い所定の高電位化回避電圧閾値以上になることを回避する。
【００２４】
次に、制御装置１０によって間欠運転要求時に実施される高電位化回避制御処理について説明する。
【００２５】
制御装置１０は、燃料電池４０に対する要求電力（発電要求電力）を算出する。この要求電力の算出に際しては、例えばトラクションモータ６１や補機類５０を駆動するための消費電力と、トラクションモータ６１の回生電力と、バッテリ２０からの供給電力とが考慮される。
そして、制御装置１０は、不図示のＩ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求電力に応じた燃料電池４０の出力電圧を算出する。この特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。なお、この特性マップの値は固定値しても良いが、逐次書き換え可能な値としても良い。
【００２６】
そして、制御装置１０は、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があるか否かを判断する。具体的には、制御装置１０は、出力電圧と高電位化回避目標閾値電圧（以下、閾値電圧Ｖｔｈ）とを比較し、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えている場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断する一方、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要はないと判断する。
この閾値電圧Ｖｔｈは、燃料電池４０の開放電圧よりも低い電圧であり、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。
【００２７】
制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要がないと判断した場合には、燃料電池４０の高電位化を回避する制御は不要であるため、当該高電位化回避処理を終了する。
【００２８】
一方、制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断した場合には、該燃料電池４０の出力電圧を閾値電圧Ｖｔｈを下回る値まで強制的に下げる制御を行う。このとき、燃料電池４０の出力電圧を強制的にどの値まで下げるかは任意に設定可能である。
そして、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収可能か否か（すなわち、バッテリ２０に蓄電できるか否か）を判断する。詳述すると、制御装置１０は、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるＳＯＣ値から検出し、バッテリ２０の残容量を把握するなどして余剰電力をバッテリ２０で吸収できるか否かを判断する。
【００２９】
制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できると判断した場合には、余剰電力をバッテリ２０で吸収（バッテリ２０に蓄電）した後、処理を終了する。一方、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できないと判断した場合には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させることで余剰電力Ｐを吸収した後、処理を終了する。
【００３０】
そして、本実施形態の制御装置１０は、以上説明した高電位化回避制御処理に加えて、燃料電池４０、バッテリ２０、トラクションモータ６１及び補機類５０の電力配分制御を行う。この電力分配制御において、制御装置１０は、トラクションモータ６１の回生を許可する回生許可電力を以下のように演算する。
【００３１】
通常発電モード実行時は、電力配分のうちトラクションモータ６１の回生を許可する電力であるモータ回生許可電力については、これをバッテリ２０側の充電を許可する充電許可電力と、発電要求電力に基づく発電指令値であるＦＣ指令電力とから以下のように演算する。
【００３２】
モータ回生許可電力＝充電許可電力＋ＦＣ指令電力
【００３３】
ここで、充電許可電力は、バッテリ２０の充電可能な電力であるバッテリ充電可能電力と、補機類５０による損失（電力消費）である補機損（補機消費電力）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の効率であるコンバータ効率とから以下のように演算する。
【００３４】
充電許可電力＝（バッテリ充電可能電力＋補機損）×（１／コンバータ効率）
【００３５】
つまり、通常発電モード実行時は、発電要求電力に基づく発電指令値であるＦＣ指令電力を用いて電力配分を決定する。
【００３６】
これに対して、間欠運転モードでの高電位化回避制御実行時は、出力停止中であるため、燃料電池４０への指令電力値はゼロである。それにもかかわらず、燃料電池４０の出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを下回る値まで強制的に下げられる結果、燃料電池４０は発電することになる。したがって、バッテリ２０側の充電許可電力以上にトラクションモータ６１が電力を回生してしまうことを回避する必要が生じる。
【００３７】
そこで、出力停止モードでは、ＦＣ指令電力に変えて燃料電池４０の発電実測値であるＦＣ発電電力実測値を用いてモータ回生許可電力を演算する。つまり、高電位化回避制御時には、出力停止中のみ、燃料電池４０の発電実測値であるＦＣ発電電力実測値を用いて以下のように演算することで、燃料電池４０、バッテリ２０、トラクションモータ６１及び補機類５０の電力配分を成立させる。
【００３８】
モータ回生許可電力＝充電許可電力＋ＦＣ発電電力実測値
【００３９】
以上に述べた本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池４０の電圧が所定の閾値電圧Ｖｔｈ以上になることを抑制する高電位化回避制御中に、燃料電池４０への発電指令が停止しているにも拘わらず燃料電池４０が発電してしまい、発電指令値と燃料電池４０の実際の発電電力とに誤差が生じることがあっても、制御装置１０が、ＦＣ指令電力の代わりに燃料電池４０の発電実測値を用いて電力配分を決定するため、電力配分を適切に行うことができる。よって、バッテリ２０に生じる過充電等を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを概略的に示したシステム構成図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０…制御装置（制御部）、２０…バッテリ（蓄電部）、４０…燃料電池、５０…補機類（補機）、６１…トラクションモータ（モータ）、１００…燃料電池システム。
【図１】
0004400669.tif 000002