(57)【要約】【課題】補機による余剰回生電力の消費量が不足を抑制する。【解決手段】燃料電池と２次電池とを含む電力回路と、回生動作が可能な駆動モータと、燃料電池に流体を供給する流体供給系と、制御装置と、を備える燃料電池システムが提供される。流体供給系は、第１流路と、第１流路よりも圧力損失が高い第２流路と、第１流路に流れる流体と第２流路に流れる流体の割合を変える切替バルブと、流体を駆動するポンプと、を備え、制御装置は、駆動モータからの回生電力を２次電池に充電する充電処理を電力回路に行わせることが可能であり、充電処理において、回生電力が２次電池の充電可能電力を上回る場合、流体供給系を流れる流体の圧力損失を増大させるように切替バルブの開度を制御するとともにポンプの消費電力を増大させ、回生電力を２次電池への充電電力とポンプの消費電力とに分配する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と２次電池とを含む電力回路と、回生動作が可能な駆動モータと、前記燃料電池に流体を供給する流体供給系と、制御装置と、を備え、
前記流体供給系は、第１流路と、前記第１流路よりも圧力損失が高い第２流路と、前記第１流路に流れる流体と前記第２流路に流れる流体の割合を変える切替バルブと、前記流体を駆動するポンプと、を備え、
前記制御装置は、前記駆動モータからの回生電力を前記２次電池に充電する充電処理を前記電力回路に行わせることが可能であり、
前記充電処理において、前記回生電力が前記２次電池の充電可能電力を上回る場合、前記流体供給系を流れる流体の圧力損失を増大させるように前記切替バルブの開度を制御するとともに前記ポンプの消費電力を増大させ、前記回生電力を前記２次電池への充電電力と前記ポンプの消費電力とに分配する、
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、燃料電池車等の移動体に搭載される燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両に搭載される燃料電池システムでは、駆動モータの回生電力を２次電池に充電させるように制御を行っていた。しかし、２次電池は、充電可能な電力が限られている。特許文献１では、回生電力が２次電池の充電可能電力を上回る場合には、余剰回生電力を補機で消費させる燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−９９０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、近年において、補機の効率が高まることによって補機の消費電力が減少する傾向にあるため、補機の消費電力を十分に増大させることが困難であり、余剰回生電力を消費できない恐れがあるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と２次電池とを含む電力回路と、回生動作が可能な駆動モータと、前記燃料電池に流体を供給する流体供給系と、制御装置と、を備える。前記流体供給系は、第１流路と、前記第１流路よりも圧力損失が高い第２流路と、前記第１流路に流れる流体と前記第２流路に流れる流体の割合を変える切替バルブと、前記流体を駆動するポンプと、を備える。前記制御装置は、前記駆動モータからの回生電力を前記２次電池に充電する充電処理を前記電力回路に行わせることが可能であり、前記充電処理において、前記回生電力が前記２次電池の充電可能電力を上回る場合、前記流体供給系を流れる流体の圧力損失を増大させるように前記切替バルブの開度を制御するとともに前記ポンプの消費電力を増大させ、前記回生電力を前記２次電池への充電電力と前記ポンプの消費電力とに分配する。
【０００７】
この燃料電池システムによれば、駆動モータからの回生電力が２次電池の充電可能電力を上回る場合、制御装置が流体供給系の圧力損失を増大させるように切替バルブの開度を制御するとともに、ポンプの消費電力を増大させるので、駆動モータからの回生電力が２次電池への充電電力とポンプの消費電力とに分配でき、余剰回生電力を消費できる。
【０００８】
本発明は、燃料電池システム以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した車両、車両に搭載される燃料電池システムの制御方法、この制御方法を実行する制御装置、この制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体などの形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムを模式的に示す説明図である。
【図２】冷却水の流量配分を変更した例を示す説明図である。
【図３】燃料電池システムの回生動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図４】回生電力が２次電池の充電可能電力を上回る場合の回生動作を示すタイミングチャートである。
【図５】回生動作の他の例を示すタイミングチャートである。
【図６】流路選択割合係数αと補機の消費電力との関係を例示する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、車両に搭載される燃料電池システム１０を模式的に示す説明図である。燃料電池システム１０は、電力回路６００と、駆動モータ８２０と、燃料ガス供給系２００と、エア供給系３００と、排ガス系４００と、冷却系５００と、制御装置７００と、を備える。なお、燃料ガス供給系２００と、エア供給系３００と、冷却系５００とは、燃料電池システム１０の流体供給系をそれぞれ構成する。
【００１１】
電力回路６００は、燃料電池６６０と、ＦＣ昇圧コンバータ６０５と、インバータ６１０と、バッテリコンバータ６３０と、２次電池６５０と、を備える。電力回路６００には、駆動モータ８２０と、低電圧補機８４０と、高電圧補機８６０とが接続されている。燃料電池６６０は、反応ガスとして燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて発電する固体高分子形燃料電池である。なお、燃料電池６６０としては、固体高分子形燃料電池に限らず、他の種々のタイプの燃料電池を採用してもよい。ＦＣ昇圧コンバータ６０５は、燃料電池６６０の出力電圧を駆動モータ８２０で利用可能な高電圧に昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。インバータ６１０は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、駆動モータ８２０に供給する。駆動モータ８２０は、車両の車輪を駆動するモータであり、車両の減速時には回生して回生電力を発生させる。バッテリコンバータ６３０は、燃料電池６６０の電圧を降圧して２次電池６５０に供給し、あるいは、２次電池６５０の電圧を昇圧してインバータ６１０に供給する双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである。２次電池６５０は、燃料電池６６０からの電力や、駆動モータ８２０からの回生電力を用いて充電するとともに、駆動モータ８２０や低電圧補機８４０を駆動するための電源として機能する。低電圧補機８４０と高電圧補機８６０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となるモータ、但し、駆動モータ８２０を除く）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（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）が含まれる。そのうち、冷却水ポンプ５２５と、エアコンプレッサ３２０と、水素ポンプ２９０とは、高電圧補機８６０に含まれる。なお、２次電池６５０には、２次電池６５０の電圧、電流やＳＯＣを測定するためのバッテリセンサ９００が設けられている。
【００１２】
燃料ガス供給系２００は、燃料ガスタンク２１０と、燃料ガス供給管２２０と、燃料ガス排気管２３０と、燃料ガス還流管２４０と、主止弁２５０と、レギュレータ２６０と、気液分離器２８０と、水素ポンプ２９０と、を備える。燃料ガスタンク２１０は、燃料ガスを貯蔵する。本実施形態では、燃料ガスとして、水素を用いている。燃料ガスタンク２１０と、燃料電池６６０とは、燃料ガス供給管２２０で接続されている。燃料ガス供給管２２０上には、燃料ガスタンク２１０側から、主止弁２５０と、レギュレータ２６０とが設けられている。主止弁２５０は、燃料ガスタンク２１０からの燃料ガスの供給をオン、オフする。レギュレータ２６０は、燃料電池６６０に供給される燃料ガスの圧力を調整する。
【００１３】
燃料ガス排気管２３０は、燃料電池６６０からの燃料排ガスを排出する。燃料ガス還流管２４０は、燃料ガス排気管２３０と、燃料ガス供給管２２０とに接続されている。燃料ガス排気管２３０と燃料ガス還流管２４０との間には、気液分離器２８０が設けられている。燃料排ガスには、消費されなかった水素と、燃料電池６６０を通って移動してきた窒素などの不純物と、水が含まれている。気液分離器２８０は、燃料排ガス中の水と、ガス（水素と窒素などの不純物）とを分離する。また、燃料ガス還流管２４０には、水素ポンプ２９０が設けられている。燃料電池システム１０は、燃料ガス還流管２４０及び水素ポンプ２９０を用いて燃料排ガス中の水素を燃料電池６６０に供給して、発電に利用する。本実施形態では、水素ポンプ２９０を用いているが、代わりにエジェクタを用いても良い。
【００１４】
エア供給系３００は、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、酸化剤ガス供給管３３０と、分流弁３４０と、を備える。本実施形態の燃料電池６６０は、酸化剤ガスとして、空気（空気中の酸素）を用いる。エアクリーナ３１０は、空気を取り込む時に、空気中の塵埃を除去する。エアコンプレッサ３２０は、エアコンプレッサ用モータ３５０に駆動されて、空気を圧縮し、酸化剤ガス供給管３３０を通して空気を燃料電池６６０に送る。分流弁３４０は、酸化剤ガスバイパス管４５０に接続され、空気を燃料電池６６０と、酸化剤ガスバイパス管４５０とに分流する。分流弁３４０の分流比は、［燃料電池へのエアの供給量］／［エアコンプレッサ３２０のエア供給量］で定義される。この分流比は、０でない最小値と１以下の最大値の範囲で制御装置７００により調整可能である。
【００１５】
排ガス系４００は、排ガス管４１０と、調圧弁４２０と、燃料ガス排出管４３０と、排気排水弁４４０と、酸化剤ガスバイパス管４５０と、サイレンサ４７０とを備える。排ガス管４１０は、燃料電池６６０の酸化剤排ガスを排出する。排ガス管４１０には、調圧弁４２０が設けられている。調圧弁４２０は、燃料電池６６０中の空気の圧力を調整する。燃料ガス排出管４３０は、気液分離器２８０と、排ガス管４１０とを接続している。燃料ガス排出管４３０上には、排気排水弁４４０が設けられている。制御装置７００は、燃料排ガス中の窒素濃度が高くなったとき、あるいは、気液分離器２８０中の水の量が多くなったときには、排気排水弁４４０を開けて、水とガスを排出する。排出されるガスは、窒素などの不純物と水素とを含む。本実施形態では、燃料ガス排出管４３０は、排ガス管４１０に接続されており、排出されるガス中の水素は、酸化剤排ガスにより、希釈される。酸化剤ガスバイパス管４５０は、酸化剤ガス供給管３３０と、排ガス管４１０とを接続する。酸化剤ガスバイパス管４５０と酸化剤ガス供給管３３０との接続部には、分流弁３４０が設けられている。制御装置７００は、排気排水弁４４０を開けて、水とガス（窒素などの不純物と水素）を排出するときに、分流弁３４０を開けて酸化剤ガスバイパス管４５０に空気を流し、水素を希釈する。また、制御装置７００は、水素を含むガスを排出するときには、分流弁３４０を開けて酸化剤ガスバイパス管４５０に空気を流し、水素を希釈する。また、制御装置７００は、燃料電池６６０に要求される電力が少ない場合には、燃料電池６６０の発電量を下げるために、分流弁３４０を開けて酸化剤ガスバイパス管４５０に空気を流しても良い。サイレンサ４７０は、排ガス管４１０の下流部に設けられており、排気音を減少させる。
【００１６】
冷却系５００は、冷却水供給管５１０と、冷却水排出管５１５と、冷却水ポンプ５２５と、ラジエータ５３０と、を備える。冷却水供給管５１０は、燃料電池６６０に冷却水を供給するための管であり、冷却水供給管５１０には冷却水ポンプ５２５が配置されている。冷却水排出管５１５は、燃料電池６６０から冷却水を排出するための管である。冷却水排出管５１５の下流部と冷却水供給管５１０の上流部の間に、ラジエータ５３０が設けられている。ラジエータ５３０には、ラジエータファン５３５が設けられている。ラジエータファン５３５は、ラジエータ５３０に風を送り、ラジエータ５３０からの放熱を促進する。冷却水排出管５１５の途中には、ラジエータ５３０の上流側に、切替バルブ５６５を介して、低圧損流路管５２０（第１流路）と、低圧損流路管５２０よりも圧力損失の大きなバイパス流路としての高圧損流路管５５０（第２流路）が接続されている。切替バルブ５６５は、低圧損流路管５２０に流れる冷却水と高圧損流路管５５０に流れる冷却水の割合を変えることができる弁であり、図１の例では三方弁で構成されている。低圧損流路管５２０の下流部は、ラジエータ５３０の上流側の位置に、冷却水排出管５１５と接続しており、高圧損流路管５５０の下流部は、低圧損流路管５２０の下流部と接続している。なお、低圧損流路管５２０と、高圧損流路管５５０と、切替バルブとを設ける位置は、この例に限らず、冷却系５００の種々の位置に変更可能である。
【００１７】
制御装置７００は、中央処理装置と主記憶装置とを備えるマイクロコンピュータによって構成されている。制御装置７００は、車両が減速する場合（すなわち、アクセルセンサ９１０にて検出したアクセルの状態がＯＦＦの場合）に、駆動モータ８２０が発生した回生電力を２次電池６５０に充電する充電処理を行う。本明細書において、「回生電力」とは、運転者が要求した回生制動を満たすための要求回生電力である。また、制御装置７００は、要求された回生電力の値および、バッテリセンサ９００にて検出した２次電池６５０の充電可能電力の値を用いて、冷却系５００の切替バルブ５６５の開度および、冷却水ポンプ５２５の運転を制御する。
【００１８】
図２は、切替バルブ５６５の開度を調整することによって、低圧損流路管５２０と高圧損流路管５５０の両方に冷却水を流した状態を示している。ここで、黒塗りにした流路は、冷却水が流れることを示している。前述した図１は、高圧損流路管５５０には冷却水が流れず、低圧損流路管５２０のみを流れている状態を示している。
【００１９】
図３は、アクセルの状態と、モータ入力電力Ｐｉｎと、切替バルブ５６５の流路選択割合係数αの時間変化の一例を示すタイミングチャートである。流路選択割合係数αは、［低圧損流路管５２０の流量］／［低圧損流路管５２０と高圧損流路管５５０の合計流量］の値を意味する。アクセルの状態がＯＦＦの時、モータ入力電力Ｐｉｎがマイナスになる。すなわち、回生電力Ｐｒが発生する。回生電力Ｐｒの絶対値が２次電池６５０の充電可能電力Ｅ１の絶対値よりも小さい場合には、制御装置７００が流路選択割合係数αを基準値α０として指令し、冷却系５００の切替バルブ５６５の開度を制御する。この例ではα０＝１．０であるが、１．０未満の値に設定してもよい。これにより、低圧損流路管５２０に流れる冷却水の流量がＶｍａｘ（図１）に、高圧損流路管５５０に流れる冷却水の流量がゼロになるように制御される。この場合、冷却系５００において、冷却水の圧力損失が最小となる。
【００２０】
図４は、図３よりも回生電力Ｐｒの絶対値が大きな場合の例を示すタイミングチャートである。回生電力Ｐｒの絶対値が２次電池６５０の充電可能電力Ｅ１の絶対値よりも大きい場合には、制御装置７００が流路選択割合係数αを基準値α０よりも小さな値α１として指令し、冷却系５００の切替バルブ５６５の開度を制御する。これにより、低圧損流路管５２０に流れる冷却水の流量がＶ１（図２）に、高圧損流路管５５０に流れる冷却水の流量がＶ１ａになるように制御される。また、これらの流量Ｖ１，Ｖ１ａの合計は、流路選択割合係数αが基準値α０の場合の流量Ｖｍａｘ（図１）と等しいことが好ましい。この場合、冷却系５００において、冷却水の圧力損失が図３の場合より大きくなり、冷却水ポンプ５２５の消費電力が増大する。
【００２１】
図５は、図４よりも２次電池６５０の充電可能電力Ｅ２が大きな場合の例を示すタイミングチャートである。なお、回生電力Ｐｒの絶対値の大きさは、図４と等しいものと仮定している。この場合には、制御装置７００が流路選択割合係数αを基準値α０と図４での値α１との間の値α２として指令し、冷却系５００の切替バルブ５６５の開度を制御する。これにより、低圧損流路管５２０に流れる冷却水の流量が、図４の場合の低圧損流路管５２０に流れる冷却水流量Ｖ１よりも大きく制御される。この場合、冷却水の圧力損失が図３の場合より大きくなり、図４の場合より小さくなるので、冷却水ポンプ５２５の消費電力も両者の中間となる。
【００２２】
図６は、流路選択割合係数αと補機消費電力Ｐｃとの関係を例示する説明図である。本実施形態において、冷却水ポンプ５２５が補機に相当する。制御装置７００は図３〜図５の場合において、冷却系５００の切替バルブ５６５の開度を制御するとともに、冷却水ポンプ５２５の運転を以下のように制御する。流路選択割合係数αが基準値α０（＝１．０）になる時（冷却水の圧力損失が最小となる時）、補機消費電力Ｐｃが最小値Ｐｃｍｉｎとなる。流路選択割合係数αが基準値α０より小さい値α１になる時、冷却水の圧力損失が増大し、補機消費電力Ｐｃも増大してＰｃｍａｘとなる。流路選択割合係数αがこれらの値α０，α１の間の値α２になる時、補機消費電力Ｐｃが最小値Ｐｃｍｉｎより大きく、最大値Ｐｃｍａｘより小さい値Ｐｃ２になる。
【００２３】
以上のように、駆動モータ８２０からの回生電力Ｐｒが２次電池６５０の充電可能電力Ｅ１を上回る場合、制御装置７００が冷却系５００の低圧損流路管５２０および高圧損流路管５５０に流れる冷却水の圧力損失を増大させるように、流路選択割合係数αを変化させて冷却系５００の切替バルブ５６５の開度を制御するとともに、冷却水ポンプ５２５の消費電力Ｐｃを増大させる。これにより、駆動モータ８２０からの回生電力が２次電池６５０への充電電力と冷却水ポンプ５２５の消費電力とに分配でき、余剰回生電力を消費できる。
【００２４】
・変形例：
上記実施形態において、冷却系５００の代わりに、エア供給系３００、または燃料ガス供給系２００に、低圧損流路管（第１流路）と、高圧損流路管（第２流路）と、両者の流量割合を変える切替バルブを設けてもよい。
【００２５】
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２６】
１０…燃料電池システム
２００…燃料ガス供給系
２１０…燃料ガスタンク
２２０…燃料ガス供給管
２３０…燃料ガス排気管
２４０…燃料ガス還流管
２５０…主止弁
２６０…レギュレータ
２８０…気液分離器
２９０…水素ポンプ
３００…エア供給系
３１０…エアクリーナ
３２０…エアコンプレッサ
３３０…酸化剤ガス供給管
３４０…分流弁
３５０…エアコンプレッサ用モータ
４００…排ガス系
４１０…排ガス管
４２０…調圧弁
４３０…燃料ガス排出管
４４０…排気排水弁
４５０…酸化剤ガスバイパス管
４７０…サイレンサ
５００…冷却系
５１０…冷却水供給管
５１５…冷却水排出管
５２０…低圧損流路管
５２５…冷却水ポンプ
５３０…ラジエータ
５３５…ラジエータファン
５５０…高圧損流路管
５６５…切替バルブ
６００…電力回路
６０５…ＦＣ昇圧コンバータ
６１０…インバータ
６３０…バッテリコンバータ
６５０…２次電池
６６０…燃料電池
７００…制御装置
８２０…駆動モータ
８４０…低電圧補機
８６０…高電圧補機
９００…バッテリセンサ
９１０…アクセルセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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