JP5335047B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
[1−1.全体構成]
図1は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム12(以下「FCシステム12」という。)を搭載した燃料電池車両10(以下「FC車両10」又は「車両10」という。)の概略全体構成図である。図2は、FC車両10の電力系のブロック図である。図1及び図2に示すように、FC車両10は、FCシステム12に加え、走行用のモータ14と、インバータ16とを有する。
モータ14は、FCユニット18及びバッテリ20から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション26を通じて車輪28を回転させる。また、モータ14は、回生を行うことで生成した電力(回生電力Preg)[W]をバッテリ20等に出力する(図2参照)。
(1−3−1.全体構成)
図3は、FCユニット18の概略構成図である。FCユニット18は、燃料電池スタック40(以下「FCスタック40」又は「FC40」という。)と、FCスタック40のアノードに対して水素(燃料ガス)を給排するアノード系と、FCスタック40のカソードに対して酸素を含む空気(酸化剤ガス)を給排するカソード系と、FCスタック40を冷却する冷却系と、セル電圧モニタ42とを備える。
FCスタック40は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル(以下「FCセル」という。)を積層した構造を有する。
アノード系は、水素タンク44、レギュレータ46、エゼクタ48及びパージ弁50を有する。水素タンク44は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管44a、レギュレータ46、配管46a、エゼクタ48及び配管48aを介して、アノード流路52の入口に接続されている。これにより、水素タンク44の水素は、配管44a等を介してアノード流路52に供給可能である。なお、配管44aには、遮断弁(図示せず)が設けられており、FCスタック40の発電の際、当該遮断弁は、ECU24により開とされる。
カソード系は、エアポンプ60、加湿器62、背圧弁64、循環弁66、流量センサ68、70及び温度センサ72を有する。
冷却系は、ウォータポンプ80及び図示しないラジエータ、ラジエータファン等を有する。ウォータポンプ80は、FC40内に冷却水(冷媒)を循環させることでFC40を冷却する。FC40を冷却して温度が上昇した冷却水は、前記ラジエータファンによる送風を受ける前記ラジエータで放熱される。
セル電圧モニタ42は、FCスタック40を構成する複数の単セル毎のセル電圧Vcellを検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備える。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧Vcellを検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をECU24に出力する。
図2に示すように、FC40からの電力(以下「FC電力Pfc」という。)は、インバータ16及びモータ14(力行時)とDC/DCコンバータ22及び高電圧バッテリ20(充電時)とに加え、前記エアポンプ60、前記ウォータポンプ80、前記エアコンディショナ90、ダウンバータ92(降圧型DC−DCコンバータ)、低電圧バッテリ94、アクセサリ96及びECU24に供給される。なお、図1に示すように、FCユニット18(FC40)とインバータ16及びDC/DCコンバータ22との間には、逆流防止ダイオード98が配置されている。また、FC40の発電電圧(以下「FC電圧Vfc」という。)は、電圧センサ100(図4)により検出され、FC40の発電電流(以下「FC電流Ifc」という。)は、電流センサ102により検出され、いずれもECU24に出力される。
バッテリ20は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素二次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ20の出力電圧(以下「バッテリ電圧Vbat」という。)[V]は、電圧センサ104(図2)により検出され、バッテリ20の出力電流(以下「バッテリ電流Ibat」という。)[A]は、電流センサ106により検出され、それぞれECU24に出力される。ECU24は、バッテリ電圧Vbatとバッテリ電流Ibatとに基づいて、バッテリ20の残容量(以下「SOC」という。)[%]を算出する。
DC/DCコンバータ22は、FCユニット18からのFC電力Pfcと、バッテリ20から供給された電力(以下「バッテリ電力Pbat」という。)[W]と、モータ14からの回生電力Pregとの供給先を制御する。
ECU24は、通信線140(図1等)を介して、モータ14、インバータ16、FCユニット18、バッテリ20及びDC/DCコンバータ22を制御する。当該制御に際しては、メモリ(ROM)に格納されたプログラムを実行し、また、セル電圧モニタ42、流量センサ68、70、温度センサ72、電圧センサ100、104、120、126、電流センサ102、106、124、130等の各種センサの検出値を用いる。
次に、ECU24における制御について説明する。
図5には、ECU24における基本的な制御のフローチャートが示されている。ステップS1において、ECU24は、メインSW158がオンであるかどうかを判定する。メインSW158がオンでない場合(S1:NO)、ステップS1を繰り返す。メインSW158がオンである場合(S1:YES)、ステップS2に進む。ステップS2において、ECU24は、FCシステム12に要求される負荷(システム負荷Psys)[W]を計算する。
図6には、システム負荷Psysを計算するフローチャートが示されている。ステップS11において、ECU24は、開度センサ150からアクセルペダル156の開度θpを読み込む。ステップS12において、ECU24は、回転数センサ152からモータ14の回転数Nmを読み込む。
上記のように、本実施形態におけるエネルギマネジメントでは、FCスタック40の劣化を抑制しつつ、FCシステム12全体の出力を効率化することを企図している。
図8は、FCスタック40を構成するFCセルの電位(セル電圧Vcell)[V]とセルの劣化量Dとの関係の一例を示している。すなわち、図8中の曲線180は、セル電圧Vcellと劣化量Dとの関係を示す。
図10は、本実施形態におけるFC40の発電制御の説明図である。本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる発電制御(電力供給の制御方法)として、主として、2種類の発電制御を用いる。すなわち、本実施形態では、エネルギマネジメントで用いる発電制御として、電圧可変・電流可変制御(電圧可変・出力可変制御)と電圧固定・電流可変制御(電圧固定・出力可変制御)とを切り替えて用いる。電圧可変・電流可変制御は、目標FC電圧Vfctgt及びFC電流Ifc(FC電力Pfc)がいずれも可変である制御である。電圧固定・電流可変制御は、目標FC電圧Vfctgtが一定でありFC電流Ifc(FC電力Pfc)が可変である制御である。
図11には、ECU24が、FCシステム12のエネルギマネジメント(図5のS3)を行うフローチャートが示されている。ステップS21において、ECU24は、モータ14(又は車両10)が回生中であるか否かを判定する。当該判定は、例えば、電流センサ(例えば、電流センサ124又は電流センサ130)により電流の向き(例えば、モータ14に向かう方向に電流が流れているか又はモータ14から出る方向に電流が流れているか)を判定することにより行うことができる。或いは、モータ回転数Nmの単位時間当たりの変化量(つまり、モータ回転数Nmの増減)により判定することもできる。或いは、図示しないフットブレーキの操作量に応じて回生中であるか否かを判定してもよい。
上記のように、電圧可変・電流可変制御は、主として、システム負荷Psysが相対的に高いときに用いられるものであり、目標酸素濃度Cotgtを固定(或いは、酸素を豊潤な状態に維持)した状態で、目標FC電圧Vfctgtを調整することによりFC電流Ifcを制御する。
上記のように、電圧固定・電流可変制御は、主として、システム負荷Psysが低負荷のとき又は回生時に用いられるものであり、目標セル電圧Vcelltgt(=目標FC電圧Vfctgt/セル数)を、酸化還元領域R3外に設定された基準電位{本実施形態では、電位v2(=0.8V)又は電位v3(=0.9V)}に固定すると共に、目標酸素濃度Cotgtを可変とすることにより、FC電流Ifcを可変とする。
上記のように、FC発電制御(図5のS4)として、ECU24は、FCスタック40の周辺機器、すなわち、エアポンプ60、背圧弁64、循環弁66及びウォータポンプ80を制御する。具体的には、ECU24は、エネルギマネジメント(図5のS3)で算出したこれらの機器の指令値(例えば、図14のS34)を用いてこれらの機器を制御する。
図20には、モータ14のトルク制御のフローチャートが示されている。ステップS51において、ECU24は、回転数センサ152からモータ回転数Nmを読み込む。ステップS52において、ECU24は、第1開度センサ150からアクセルペダル154の開度θpを読み込む。
図21には、通常回生時における本実施形態に係る各種制御を用いた場合のタイムチャートの例が示されている。図21中の「勾配」は、車両10が走行している道路の勾配を意味している(図22も同じである。)。また、図21中の「モータ電力Pmot」は、モータ14の駆動時(車両10の力行時)におけるモータ14の消費電力と、モータ14の回生時(車両10の回生時)におけるモータ14の回生電力Pregを合わせたものである(図22も同じである。)。
以上説明したように、本実施形態によれば、FC40の劣化を抑制しつつ、回生電力Pregを有効に回収することが可能となる。
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
上記実施形態では、FCシステム12をFC車両10に搭載したが、これに限らず、降坂時に回生可能な別の対象に搭載してもよい。例えば、FCシステム12を、電車、電動自転車等の移動体に用いることもできる。また、回生電力Pregを得ることができる複数の場面に分けて、より多くの回生電力Pregを得ることができる場面とその他の場面とで、図11のステップS28、S29のような処理を行うことも可能である。そのような場面としては、例えば、エレベータの降下時とその他の制動力作動時、クレーンの降下時とその他の制動力作動時を挙げることができる。
上記実施形態では、FC40と高電圧バッテリ20を並列に配置し、バッテリ20の手前にDC/DCコンバータ22を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図23に示すように、FC40とバッテリ20を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のDC/DCコンバータ22をFC40の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図24に示すように、FC40とバッテリ20を並列に配置し、FC40の手前に昇圧式、降圧式又は昇降圧式のDC/DCコンバータ22aを、バッテリ20の手前にDC/DCコンバータ22を配置する構成であってもよい。或いは、図25に示すように、FC40とバッテリ20を直列に配置し、バッテリ20とモータ14の間にDC/DCコンバータ22を配置する構成であってもよい。
上記実施形態では、ストイキ比を調整する手段又は方法として、目標酸素濃度Cotgtを調整するものを用いたが、これに限らず、目標水素濃度を調整することも可能である。また、目標濃度の代わりに、目標流量又は目標濃度と目標流量の両方を用いることもできる。
上記実施形態では、FC40の発電制御として、電圧可変・電流可変制御と電圧固定・電流可変制御を用いたが、少なくとも電圧固定・電流可変制御さえ用いれば、本発明を適用可能である。
14…走行モータ 20…高電圧バッテリ(蓄電装置)
24…ECU(制御手段) 40…燃料電池スタック
Claims (2)
- 回生時又は回生が予想されるときに、燃料電池の出力電圧を酸化還元進行電圧範囲外の電圧値に固定すると共に、蓄電装置の残容量に基づき、前記燃料電池へ供給する反応ガスの量を変化させる回生時電圧固定制御を実行し、
前記回生時電圧固定制御では、
搭載対象の移動体の降坂に伴う回生であるか否かを判定し、
降坂に伴う回生であると判定した場合、降坂に伴う回生でないと判定した場合と比べて、前記燃料電池へ供給する前記反応ガスの量を低下させる燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムにおいて、
前記降坂に伴う回生であると判定した場合、前記燃料電池の出力電圧を前記酸化還元進行電圧範囲よりも高い電圧値に設定し、
前記降坂に伴う回生でないと判定した場合、前記燃料電池の出力電圧を、前記蓄電装置の残容量に応じて、前記酸化還元進行電圧範囲よりも低い値又は高い値に設定する
ことを特徴とする燃料電池システム。
Priority Applications (6)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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