JP2004071228A - 車両用の燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】車両用の燃料電池システムにおいて、水素の供給量に対する酸素の供給量制御の追従性を向上すること。
【解決手段】水素と酸素とを反応させて電気エネルギを発生する燃料電池１と、燃料電池１に水素を供給する水素タンク３と、燃料電池１に供給される水素の流量を制御する流量制御弁５と、燃料電池１に酸素を含む空気を供給する圧縮機９と、圧縮機９を駆動するモータ１３と、アクセルペダルなどの操作器から入力される負荷要求に応じて流量制御弁５の開度を制御し流量制御弁５の開度に相関させてモータ１３の回転数を調節し圧縮機９を駆動させ燃料電池１に供給する空気の流量を制御する制御部１７とを有してなる車両用の燃料電池システム。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用の燃料電池システムに係り、特に、車両に搭載して車両の動力に用いる燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素と酸素の化学反応を利用して発電する装置であり、高効率、低公害などの観点から幅広く実用化の研究開発が進められている。燃料電池に供給される水素は、ボンベなどに貯蔵されたものや、燃料を改質させたものなどが用いられ、酸素は、一般に空気に含まれているものが利用される。
【０００３】
このような燃料電池の発電量制御は、要求される発電量に応じて燃料電池へ供給する水素と酸素の量を制御することにより行われる。例えば、特開平７―１４５９９号公報などに記載の制御法によれば、要求される発電量に応じて水素の供給量を制御するとともに、燃料電池の出力電流に基づいて酸素の供給量を制御するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の技術のように、空気の供給量を燃料電池の出力電流に基づいて制御すると、燃料電池における反応時間の遅れによって、水素の供給量の変化に対する空気の供給量制御の追従性が悪くなる。このような制御法を、車両の動力に用いる燃料電池システムに適用すると、急加速、急減速など負荷変動幅が大きい車両の場合に、燃料電池の発電量の増減が遅れることになる。その結果、アクセルペダルなどの操作器の操作量と実際の加減速との間に違和感が生じるという問題がある。
【０００５】
本発明の課題は、燃料電池システムにおいて水素の供給量に対する酸素の供給量制御の追従性を向上することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、上記課題を解決するため、水素と酸素とを反応させて電気エネルギを発生する燃料電池と、該燃料電池に水素を供給する水素供給源と、燃料電池に供給される水素の流量を制御する流量制御弁と、燃料電池に酸素を供給する酸素供給源と、負荷要求に応じて流量制御弁の開度を制御し、該流量制御弁の開度に相関させて、酸素の流量を制御する制御手段とを有してなる構成とする。
【０００７】
すなわち、流量制御弁の弁開度と流量との間には一定の関係があることに鑑み、水素の流量を制御する流量制御弁の開度に対応した水素供給量に合わせて酸素の供給量を制御するようにしたのである。なお、弁の開度と水素供給量との関係は、予め計測等によって求めておき、制御手段にその相関を記憶させておくか、流量制御弁の開度に直接対応付けて酸素の供給量を記憶させておいてもよい。したがって、本発明によれば、負荷要求に応じて制御される水素の量に相関させて速やかに酸素の流量を制御することができる。その結果、車両の負荷変動幅が大きい場合でも、負荷要求に応じて燃料電池に供給する水素と酸素の量が速やかに増減制御されるから、アクセルペダル等の操作器の操作量と実際の加減速の間に生じる違和感を軽減することができる。
【０００８】
一方、上記の流量制御弁の開度に応じて酸素の供給量を制御することに代えて、燃料電池に供給される水素の量を検出する流量計を設け、検出された水素の流量に基づいて酸素の流量を制御するようにしてもよい。
【０００９】
これは、予め求めておいた弁の開度と水素供給量との関係が、経時変化など様々な要因により変化することに鑑み、実測した水素供給量に基づいて酸素の流量を制御するようにしたものである。これによれば、経時変化などで流量制御弁の開度と流量との関係が変化しても、適切な量の酸素を供給することができる。
【００１０】
ところで、酸素の温度や圧力が変化すると、酸素の密度が変化する。酸素の密度が変われば、体積流量が一定であっても燃料電池に供給される酸素の質量流量が変わるので、これに合わせて酸素の体積流量を制御する必要がある。そこで、燃料電池に供給される酸素の密度を検出し、検出された酸素の密度に基づいて酸素の体積流量を補正するのが好ましい。密度検出手段は、酸素の温度を検出する温度検出手段、または酸素の圧力を検出する圧力検出手段の少なくとも一方により構成することができる。
【００１１】
また、酸素供給源として、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を駆動するモータとを含んで構成する場合は、モータの回転数を制御することにより、燃料電池に供給する空気量を制御することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの実施形態について図１および図２を参照して説明する。図１は、本実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。図２は、本実施形態の動作を説明するための線図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池１、水素タンク３、流量制御弁５、圧縮機９、冷却器１１、モータ１３、インバータ１５、制御部１７、および凝縮器１９を含んで構成されている。燃料電池１は、水素極１ａと酸素極１ｂを水素イオン透過膜１ｃを挟んで対向させて構成されている。水素極１ａは、水素あるいは水素を多く含む気体を通す水素室と接し、酸素極１ｂは、空気が圧縮されて送り込まれる空気室と接して設けられている。水素極１ａと酸素極１ｂは、図示していないが車両の動力装置である電動機に接続され、この電動機に燃料電池１で発生した電気が供給される。
【００１４】
燃料電池１の水素室には、水素タンク３から流量制御弁５を介して水素が供給されるようになっている。水素タンク３には、図示していないが水素の供給圧力を所定値に制御するレギュレータ等が設けられている。流量制御弁５は、制御部１７よって制御され、アクセルペダルなどの操作器から入力される負荷要求に応じて燃料電池１に供給する水素の量を制御するようになっている。
【００１５】
一方、燃料電池１の空気室には、圧縮機９から冷却器１１を介して空気が供給されるようになっている。圧縮機９は、モータ１３の回転数を変化させて供給する空気量を制御するスクリュー空気圧縮機が適用されている。モータ１３の回転数は、インバータ１５を介して制御部１７によって制御されるようになっている。制御部１７は、流量制御弁５の弁開度に相関させて、インバータ１５を介してモータ１３の回転数を制御し、圧縮機９から供給する空気量を制御している。このように、本実施形態では、空気を大気圧以上に昇圧して燃料電池１に供給することで、水素と酸素の結合反応を促進し、燃料電池１の出力向上あるいは小型化を図っている。
【００１６】
冷却器１１は、外部から取り込まれ圧縮機９により圧縮された空気を冷却するものである。また、凝縮器１９は、燃料電池１で発生した水を回収するようになっている。なお、水とともに凝縮器１９に排出される気体は、圧縮機９を介して燃料電池１に戻されるようになっている。
【００１７】
ここで、本実施形態の特徴部の構成について動作とともに説明する。本実施形態の燃料電池システムでは、制御部１７内に流量制御弁５の弁開度とインバータ周波数の関係を示すデータ図２（ｃ）を予め記憶させておく。図２（ａ）は、予め計測などにより求めておいた流量制御弁５の弁開度と水素供給量の関係を示すデータである。図２（ｂ）は、インバータ周波数と空気供給量との関係を示すデータである。ここで、供給される水素量に対して供給すべき空気量は決まっているので、図２（ａ）、（ｂ）の水素供給量に対する空気供給量の関係から、図２（ｃ）の弁開度とインバータ周波数との対応関係が導かれる。
【００１８】
制御部１７は、負荷要求に応じて予め定められた関係に従って水素の供給量を求め、図２（ａ）の関係に従って流量制御弁５の開度を制御する。次いで、制御部１７は、図２（ｃ）に基づいて流量制御弁５の開度に応じたインバータ周波数の指令をインバータ１５に与える。これにより、インバータ１５を介してモータ１３の回転数が制御され、圧縮機９から燃料電池１に供給される空気量が水素の供給量に見合った値に制御される。
【００１９】
このように、本実施形態によれば、流量制御弁５の開度とインバータ周波数を対応付けて空気の供給量を制御することにより、水素の供給量に対する酸素の供給量制御の追従性を向上することができる。したがって、車両の負荷変動幅が大きい場合でも、アクセルペダルなどの操作器から入力される負荷要求に応じて水素と空気の供給量を速やかに増減制御して、操作器の操作量と実際の加減速との間に生じる違和感を軽減することができる。
【００２０】
また、水素量に対する空気の制御の遅れ等を抑えることができるので、燃料電池１から排出される未反応水素が増加したり、燃料電池１の出力が不足したりするの低減できる。同様に、空気の供給量が多くなり、反応に不要な空気を圧縮する動力が増加するのを抑制でき、燃料電池システムの効率を向上できる。
【００２１】
また、膨張器を用いて燃料電池から排出された圧縮空気の持つエネルギーを回収して空気の圧縮に使用することにより、圧縮動力を軽減して燃料電池システムの効率を向上させることが知られているが、本実施形態によれば、過剰な空気の供給を抑えることができるので、燃料電池システムの効率を向上できる。
【００２２】
また、流量制御弁５の弁開度とインバータ周波数との関係図２（ｃ）に基づいて燃料電池１に供給する空気量を制御しているが、図２（ｃ）の関係は、関数式またはデータテーブルにして制御部１７に記憶しておくこともできる。また、流量制御弁５の開度を検出し、この検出開度から図２（ａ）の関係に基づいて水素供給量を求め、これに対する必要な空気量を算出し、図２（ｂ）の関係に基づいてインバータ周波数を求めるようにしてもよい。
【００２３】
（第２の実施形態）
本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの第２の実施形態について図３を参照して説明する。図３は、本実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００２４】
本実施形態が第１の実施形態と相違する点は、流量制御弁５と燃料電池１との間に流量センサ２５を設けている点にある。流量センサ２５としては、時間遅れのないフロート式、羽根車式などの瞬時流量計が好ましい。
【００２５】
流量センサ２５は、検出した水素の流量を制御部２７に出力するようになっている。制御部２７は、検出水素量に基づいて制御信号をインバータ１５に与える。これにより、インバータ１５を介してモータ１３の回転数が制御され、圧縮機９から燃料電池１に供給される空気量が制御される。このため、経時変化や外乱などで弁開度と水素供給量との関係が変化しても、燃料電池１に供給される水素に対して、適切な量の空気を供給することができ、精度の高い制御を行うことができる。
【００２６】
また、本実施形態では、流量センサ２５で検出した水素量に基づいて空気の供給量を制御するので、弁の開度と水素供給量との関係を予め計測等によって求めておく作業が不要となる。
【００２７】
また、本実施形態では、空気の供給量を制御するにあたり、水素の流量とインバータ周波数の関係を示すデータを予め制御部に記憶させておいて、このデータに基づいて空気の供給量を制御する。また、これに代えて、水素の流量に対応する圧縮機の回転数を求める関係式やデータテーブルなどを予め制御部に記憶させておき、これらに基づいて空気の供給量を制御してもよい。
【００２８】
（第３の実施形態）
本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの第３の実施形態について図４および図５を参照して説明する。図４は、本実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。図５は、本実施形態の補正の概念を説明するための線図である。なお、本実施形態では、第１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と相違する構成及び特徴部などについて説明する。
【００２９】
本実施形態が第１の実施形態と相違する点は、圧縮機９に吸引される空気の温度を測定する温度計２９を設け、その検出温度に基づいて制御部３０によりインバータ周波数の指令値を補正するようにしたことにある。制御部３０には、温度による補正のためのデータを予め記憶させておく。本実施形態は、空気の体積流量が同じであっても、温度によって質量流量が変化することに鑑みたものである。例えば、気温が低い場合、同じ質量、すなわち同じ酸素分子数を含む空気の体積は、気温が高い場合に比べ減少するため、一定の水素と過不足なく反応する酸素を供給するには、気温の高い場合より吸い込み空気量を少なくする必要がある。具体的には、気温が低い場合、インバータ周波数を低くして圧縮機９の運転速度を小さくする。
【００３０】
本実施形態の制御部３０には、図５に示すようなデータが記憶されている。図５の横軸はインバータ周波数を、縦軸は空気（酸素）供給質量を示している。図示のように、気温をパラメータとする例えば線３１、３２、３３を定め、気温低時、通常時、気温高時におけるそれぞれのインバータ周波数と空気（酸素）供給質量との関係を記憶させておく。
【００３１】
このように、温度計２９で気温を検出し、この検出値に基づいて供給する空気量を補正することにより、気温が変化するような場合でも、燃料電池１に供給される水素に対して、適切な量の空気を供給することができ、圧縮動力損失や未反応水素の排出の増加による効率低下を抑えることができる。
【００３２】
また、本実施形態では、図５のデータに代えて、インバータ周波数と空気（酸素）供給質量との関係を気温に対応させるための関係式やデータテーブルを予め制御部３０に記憶させておき、これらに基づいて空気の供給量を補正してもよい。
【００３３】
また、第１ないし第３の実施形態では、空気を圧縮する圧縮機９と、この圧縮機９を駆動するモータ１３とを含んで空気供給源を構成しているが、本発明は、第１ないし第３の実施形態の空気供給源に限らず、周知の空気供給源または酸素供給源を適用することができる。要は、燃料電池に供給される水素と過不足なく反応する量の酸素を供給することができればよい。
【００３４】
また、圧縮機は、ＪＩＳＢ０１３２「送風機・圧縮機用語」において、「圧力比が２以上または吐出し圧力が約０．１ＭＰａ以上の機械」と定義されているが、第１ないし第３の実施形態では、この圧力よりも低いブロワの範囲までを含めて圧縮機として説明している。
【００３５】
また、第１ないし第３の実施形態の燃料電池システムは、水素供給源として水素タンク３を用いているが、本発明の燃料電池システムは、水素ボンベや改質装置など、周知の水素供給源を適用することができる。
【００３６】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給される水素の圧力を検出する圧力計および温度を検出する温度計の少なくとも一方を設けることができる。この場合、制御部に、圧力や温度による補正のためのデータテーブルや関係式などを記憶させておく。また、圧力計に代えて、水素供給源に圧力制御弁を設けてもよい。この場合、この圧力制御弁の設定圧力を用いることができる。これにより、圧力計や温度計からの出力、または圧力制御弁の設定圧力に基づいて供給する空気量を補正することができ、水素の圧力や温度が変化しても、燃料電池に供給される水素量に対して、適切な量の酸素を供給することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池システムにおいて水素の供給量に対する酸素の供給量制御の追従性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの第１の実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの第１の実施形態の動作を説明するための線図である。
【図３】本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの第２の実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの第３の実施形態の主要部の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明を適用してなる車両用の燃料電池システムの第３の実施形態の補正の概念を説明するための線図である。
【符号の説明】
１　燃料電池
３　水素タンク
５　流量制御弁
９　圧縮機
１１　冷却器
１３　モータ
１５　インバータ
１７、２７、３０　制御部
１９　凝縮器
２５　流量センサ
２９　温度計

Claims (4)

1. 水素と酸素とを反応させて電気エネルギを発生する燃料電池と、
   該燃料電池に水素を供給する水素供給源と、
   前記燃料電池に供給される水素の流量を制御する流量制御弁と、
   前記燃料電池に酸素を供給する酸素供給源と、
   負荷要求に応じて前記流量制御弁の開度を制御し、該流量制御弁の開度に相関させて酸素の流量を制御する制御手段とを有してなる車両用の燃料電池システム。
2. 前記流量制御弁と前記燃料電池との間に流量計を設け、
   前記制御手段は、前記流量計により検出された水素の流量に基づいて酸素の流量を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池に供給される酸素の密度を検出する密度検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記密度検出手段により検出された密度に基づいて酸素の流量を補正することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用の燃料電池システム。
4. 前記酸素供給源は空気供給源であり、該空気供給源は空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を駆動するモータとを含んで構成され、
   前記制御手段は、前記モータの回転数を制御することにより、前記燃料電池に供給する酸素の流量を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の車両用の燃料電池システム。

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