JP2009266552A - 燃料電池システムおよびその低温起動時における処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低温時におけるインバータの制御性を向上させ、燃料電池システムの低温時起動性能を改良する。
【解決手段】燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池２と、当該システム中の直流電圧を変換するコンバータ６１と、電力を蓄電するバッテリ６２と、補機６４に電力供給するインバータ６３と、該インバータ６３に並列接続された平滑用の電解コンデンサ６５と、を備えた燃料電池システム１であって、さらに、電解コンデンサ６５の温度を検出する温度センサ６７と、電解コンデンサ６５の温度が所定以下の場合に当該電解コンデンサ６５を加熱するためのヒータ６６と、該ヒータ６６のオンオフを切り換える切換手段６８と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその低温起動時における処理方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムの低温時の起動性能の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子型燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。燃料電池システムは、このような燃料電池に加え、直流電圧を変換する高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、電力を蓄電するバッテリ、補機（例えばトラクションモータ）に電力供給するインバータなど、さらには燃料電池に反応ガス（水素ガスや空気）を給排するための配管系、システム全体を統括制御する制御系などを含むシステムとして構成されている（例えば特許文献１参照）。

また、このような燃料電池システムにおいては、例えば高圧ＤＣ／ＤＣコンバータからインバータへと供給される電流を平滑するため、一般に、当該インバータと並列となるように電解コンデンサが接続されている。電解コンデンサは静電容量の大きな例えばアルミ電解コンデンサなどが用いられている。
特開２００７−２２０５５２号公報

しかしながら、アルミ電解コンデンサは温度変化によって静電容量が大きく変化してしまうことがある。このため、特に低温時、燃料電池システムの起動性能が低下することがある。

そこで、本発明は、低温時の起動性能を改良した燃料電池システムおよびその低温起動時における処理方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えばアルミ電解コンデンサにおいては、氷点下といったような低温時、電解液の粘度が大きくなってしまい、これに起因して静電容量が大きく変化してしまうことがある。このような場合、電解コンデンサによる平滑機能が低下し、電流中のリップル成分を十分に減少させることが難しくなり、当該リップル成分がインバータの安定した動作の妨げとなる結果、当該インバータの制御性が劣ることがある。特にこの点に着目して検討を重ねた本発明者はかかる課題の解決に結び付く新たな知見を得るに至った。

本発明にかかる燃料電池システムはかかる知見に基づくものであり、燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、当該システム中の直流電圧を変換するコンバータと、電力を蓄電するバッテリと、補機に電力供給するインバータと、該インバータに並列接続された平滑用の電解コンデンサと、を備えた燃料電池システムにおいて、電解コンデンサの温度を検出する温度センサと、電解コンデンサの温度が所定以下の場合に当該電解コンデンサを加熱するためのヒータと、該ヒータのオンオフを切り換える切換手段と、を備えることを特徴としている。

また、本発明にかかる処理方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、当該システム中の直流電圧を変換するコンバータと、電力を蓄電するバッテリと、補機に電力供給するインバータと、該インバータに並列接続された平滑用の電解コンデンサと、を備えた燃料電池システムの低温起動時における処理方法であって、電解コンデンサの温度を検出し、電解コンデンサの温度が所定以下の場合に当該電解コンデンサを加熱することを特徴としている。

本発明によれば、氷点下といったような低温時に電解コンデンサの静電容量が低下することを抑えることができる。したがって、低温起動時、静電容量の変化に起因してインバータの制御性（性能）が劣るのを回避し、当該制御性を向上させることが可能である。

本発明にかかる燃料電池システムにおいて、電解コンデンサは例えばアルミ電解コンデンサである。また、ヒータは例えば蓄電池に接続された電熱ヒータである。

本発明によれば、低温時におけるインバータの制御性を向上させ、当該燃料電池システムの低温時起動性能を改良することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図２に本発明の実施形態を示す。以下においては、燃料電池２などによって構成される燃料電池システム１の全体構成についてまず説明し、その後、この燃料電池システム１における低温特性（低温時の起動性能）を向上させるための制御について説明する。

図１に燃料電池システム１の概略構成を示す。この燃料電池システム１は例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして適用可能なものであるが特にこれに限られることなく、この他、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システム、さらには定置の発電システムにおいても適用することが可能である。

本実施形態における燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガスおよび燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、当該システム１の電力を充放電する電力系（符号６で示す）と、を備えている。また、特に図示していないが、燃料電池システム１は、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系、燃料電池２に冷媒を供給して当該燃料電池２を冷却する冷媒配管系、当該システム１の全体を統括制御する制御部７、などを必要に応じて適宜備えている。

燃料電池２は例えば固体高分子型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、さらにこれら各反応ガスが化学反応を生じることによって電力が生じる。

電力系６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧コンバータ）６１、バッテリ（蓄電池）６２、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示していない各種の補機インバータ等を備えている（図１参照）。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は直流の電圧変換器であり、燃料電池２またはトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２側に出力する機能と、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能とを有している。このような高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１の機能により、バッテリ６２の充放電が実現され、また、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ（蓄電池）６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とした構成となっており、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。補機の一つであるトラクションモータ６４は例えば三相交流モータからなる駆動モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。

補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

電解コンデンサ６５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ６１からトラクションインバータ６３へと供給される直流電流の出力中のリップル成分（波形の凹凸ないしは当該出力電圧に含まれる脈流分）を減少させる平滑用コンデンサとして機能する。一般に、電解コンデンサは電解酸化した金属をプラス極、電解質をマイナス極、酸化被膜を誘電体とした大容量のコンデンサからなる。本実施形態では例えばアルミ製コンデンサ（アルミ製電解コンデンサ）を当該電解コンデンサ６５として用いているがこれは一例にすぎず、他のコンデンサを用いることももちろん可能である。

制御部７は、車両に設けられた加速用の操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えばトラクションモータ６４等の負荷装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、負荷装置には、トラクションモータ６４のほかに、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ、水素ポンプ、冷却ポンプの各モータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等を含む電力消費装置が含まれうる。このような制御部７は、図示していないコンピュータシステムによって構成されている。かかるコンピュータシステムは、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェースおよびディスプレイ等を備えるものであり、ＲＯＭに記録された各種制御プログラムをＣＰＵが読み込んで所望の演算を実行することによりフィードバック制御やパージ制御など種々の処理や制御を行う。

また、本実施形態においては低温時に上述した電解コンデンサ６５の静電容量が低下するのを抑えるようにしている。氷点下といったような低温環境下においては、例えばアルミ電解コンデンサの電解液の粘度が大きくなる等によりコンデンサ容量が減少してしまうことがある。このように電解コンデンサ６５による平滑機能が低下するとリップル成分を十分に減少させることが難しくなり、当該リップル成分がトラクションインバータ６３の安定した動作の妨げとなって当該インバータの制御性が劣ることがある。この点、さらに電熱ヒータ６６、温度センサ６７、スイッチ６８を備えた構成の本実施形態の燃料電池システム１によれば、低温時における電解コンデンサ６５の静電容量低下を抑えることができる（図１参照）。

電熱ヒータ６６は、電解コンデンサ６５を適宜加熱するための熱源であり、当該電解コンデンサ６５の近傍に配置されている（図１参照）。本実施形態ではこの電熱ヒータ６６をバッテリ６２に接続し、当該バッテリ６２の蓄電力を利用して発熱させるようにしている。配線の途中には、制御部７からの指令信号に応じて開閉して電熱ヒータ６６への通電（あるいは電源）のオンオフを切り換えるスイッチ６８が設けられている。

温度センサ６７は、電解コンデンサ６５の温度を検出するために設けられている機器である。かかる温度センサ６７としては、対象物に接触した状態で温度を検出する接触式センサのほか、非接触式のセンサを用いることもできる。温度センサ６７による検出結果は制御部７へ送信される（図１参照）。なお、本実施形態では電解コンデンサ６５に並列接続された温度センサ６７を例示しているが、もちろんこれ以外の接続態様（例えばバッテリ６２に接続された形）としても構わない。

続いて、上述した燃料電池システム１の低温特性（特にトラクションインバータ６３等の特性）を向上させるための制御の一例として、燃料電池車両に搭載された当該システム１の起動時の処理内容をフローチャートを参照しつつ説明する（図２参照）。

まず、本実施形態の燃料電池車両におけるスタートシステムの概略について簡単に説明しておく。本実施形態の燃料電池車両では、パワースイッチとブレーキペダルの操作で電源ポジションの切換えあるいはシステム起動を行うことを可能としており、具体例を挙げれば、ブレーキペダルを踏まずにパワースイッチを押すと、OFF(ソーク状態) → ACC(アクセサリ) → IG(イグニッション・オン) → OFF(ソーク状態) の順に電源ポジションを切り換えることができる。また、ブレーキペダルを踏んだ状態でパワースイッチを押すと燃料電池システム１を起動させることができる。さらに、燃料電池システム１の起動後、当該燃料電池車Ｖが停止した状態でパワースイッチを押すことによってシステムの運転を停止させることができる。燃料電池車両が走行可能な状態になったことは、例えば当該車両のコンビネーションメータ内に設けられている走行可能インジゲータランプ（ready ランプ）などの表示装置を点灯させることによってユーザ（ドライバ）に認識させることができる。上述のようにブレーキペダルを踏んだ状態でパワースイッチを押すと走行可能インジケータランプはまず点滅してシステムチェック中であることを示し、走行条件が成立すると点灯状態となり、ready状態(ready on)に移行したことを表示する。

ここで、当該燃料電池システム１がREADY ON（レディオン）状態となったら（ステップＳ１）、温度センサ６７により電解コンデンサ６５が所定の低温状態にあるかどうかを確認する（ステップＳ２）。低温状態になければ（ステップＳ２にてＮＯ）、スイッチ６８を用いて電熱ヒータ６６をオフ(OFF)にする（ステップＳ５）。

一方、電解コンデンサ６５が低温状態にあれば（ステップＳ２にてＹＥＳ）、電熱ヒータ６６をオン(ON)にする（ステップＳ３）。その後、当該電解コンデンサ６５が低温状態にあるかどうかを確認し続け（ステップＳ４）、低温状態を脱したら（ステップＳ４にてＮＯ）、電熱ヒータ６６をオフ(OFF)にする（ステップＳ５）。

以上の処理を経て、電解コンデンサ６５が低温状態にないことを確認し、あるいは低温状態を脱した状態としたら、トラクションインバータ６３を起動し（ステップＳ６）、燃料電池システム１をREADY OFF（レディオフ）状態として（ステップＳ７）、低温特性（特にトラクションインバータ６３等の特性）を向上させるための当該一連の処理を終了する。

上述した構成であり、このような処理を実施する燃料電池システム１においては、低温時に電解コンデンサ６５の静電容量が低下するのを抑えることができる。特に、本実施形態のごとくアルミ電解コンデンサ６５を用いている場合には低温時に電解液の粘度が大きくなるという問題を生じうるが、本実施形態ではこのような問題を解消し、トラクションインバータ６３のいわゆる制御性を向上させることが可能である。

しかも、本実施形態の燃料電池システム１においては、アルミ電解コンデンサ６５の寿命を管理することもできる。すなわち、一般に、アルミ電解コンデンサの寿命計算は当該コンデンサの温度上昇度合いを算出することによって行うことが可能であるから、本実施形態のごとく温度センサ６７を備える燃料電池システム１によれば同時にアルミ電解コンデンサ６５の寿命管理を同時に実施することができる。

また、低温起動時におけるトラクションインバータ６３の制御性の劣化やこれに伴うシステム起動性能の低下を回避するための一般的な手段の一つに、大きな静電容量を有する電解コンデンサを用いるというものがある。これに対し、本実施形態では加熱するという手段にてこのような問題を解消させており、電解コンデンサの静電容量が従前ほど大きくなくて済むことから、アルミ等の電解コンデンサ６５の設定静電容量を通常の場合よりも減少させることが可能である。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、電熱ヒータ６６のオンオフを切換える手段として制御部７からの信号に応じて開閉するスイッチ６８を用いたが（図１参照）、これ以外として、温度に応じて自ら開閉動作を行うサーマルリレーを用いることも可能である。

また、本実施形態では温度センサ６７をアルミ電解コンデンサ６５の近傍に配置して当該コンデンサ６５の温度を直接的に検出するようにしたが（図１参照）、例えば、システム外の温度（例えば車両外部の気温）に基づきアルミ電解コンデンサ６５の温度を類推ないしは関連付けしうる状況にあれば、別の温度センサを利用することとしてもよい。

本発明にかかる燃料電池システムの構成例を示す図である。 燃料電池システムの起動時の処理例を示すフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、６１…高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ（コンバータ）、６２…バッテリ、６３…トラクションインバータ（インバータ）、６４…トラクションモータ（補機）、６５…アルミ電解コンデンサ（平滑用の電解コンデンサ）、６６…電熱ヒータ（ヒータ）、６７…温度センサ、６８…スイッチ（切換手段）

Claims (4)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、当該システム中の直流電圧を変換するコンバータと、電力を蓄電するバッテリと、補機に電力供給するインバータと、該インバータに並列接続された平滑用の電解コンデンサと、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記電解コンデンサの温度を検出する温度センサと、
   前記電解コンデンサの温度が所定以下の場合に当該電解コンデンサを加熱するためのヒータと、
   該ヒータのオンオフを切り換える切換手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電解コンデンサはアルミ電解コンデンサである請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記ヒータは前記蓄電池に接続された電熱ヒータである請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 燃料ガスおよび酸化ガスの電気化学反応により発電する燃料電池と、当該システム中の直流電圧を変換するコンバータと、電力を蓄電するバッテリと、補機に電力供給するインバータと、該インバータに並列接続された平滑用の電解コンデンサと、を備えた燃料電池システムの低温起動時における処理方法であって、
   前記電解コンデンサの温度を検出し、前記電解コンデンサの温度が所定以下の場合に当該電解コンデンサを加熱することを特徴とする処理方法。

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