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技術 燃料電池自動車の制御方法

出願人 トヨタ自動車株式会社
発明者 難波良一
出願日 2018年3月1日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-036659
公開日 2019年9月12日 (7ヶ月経過) 公開番号 2019-153425
状態 未査定
技術分野 車両の電気的な推進・制動 燃料電池(本体)
主要キーワード 中央セル 許容上限 間欠運転モード 許容下限値 許容上限値 セル劣化 端部セル 水素欠
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年9月12日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

アイドル運転中燃料電池端部セル中央セルの両方の滞留水を適切に排出できる燃料電池自動車制御方法を提供する。

解決手段

燃料電池自動車の制御方法は、通常運転モード(ステップS10)中にシフトポジションPレンジに入ってアイドル運転になり(ステップS20のYES)、更に、エアブローを行っているとき(ステップS30のYES)に、燃料電池10に供給する水素の量を低減して、燃料電池10の発電量を低減する。

概要

背景

水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化ガスとの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。
例えば、特許文献1には、燃料電池システムにおいて、燃料電池の端部にヒータを設け、アイドル運転中セル間温度バラツキを抑制し、端部セル反応生成水による水分(滞留水)が過剰に溜まることを防いで燃料電池の適正な発電を実現することが記載されている。

概要

アイドル運転中の燃料電池の端部セル、中央セルの両方の滞留水を適切に排出できる燃料電池自動車制御方法を提供する。燃料電池自動車の制御方法は、通常運転モード(ステップS10)中にシフトポジションPレンジに入ってアイドル運転になり(ステップS20のYES)、更に、エアブローを行っているとき(ステップS30のYES)に、燃料電池10に供給する水素の量を低減して、燃料電池10の発電量を低減する。

目的

本発明は、アイドル運転中に、燃料電池の端部セル、中央セルの両方の滞留水を適切に排出することができる燃料電池自動車の制御方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

アイドル運転中燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給して前記燃料電池の滞留水を排出するエアブローテップを有する燃料電池自動車制御方法であって、前記エアブローステップ中に前記燃料電池に供給する水素の量は、アイドル運転中であって、かつ、前記エアブローステップ直前に前記燃料電池に供給する水素の量よりも少ない燃料電池自動車の制御方法。

技術分野

0001

本発明は燃料電池自動車制御方法に関する。

背景技術

0002

水素を含む燃料ガスと、酸素を含む酸化ガスとの電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池システムが知られている。
例えば、特許文献1には、燃料電池システムにおいて、燃料電池の端部にヒータを設け、アイドル運転中セル間温度バラツキを抑制し、端部セル反応生成水による水分(滞留水)が過剰に溜まることを防いで燃料電池の適正な発電を実現することが記載されている。

先行技術

0003

特開2009−283210号公報
特開2017−143020号公報

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、特許文献1にも記載されているように、燃料電池ではその中央セルにも滞留水が溜まることがあり、燃料電池の端部にヒータを設けても、端部セル、中央セルの両方の滞留水を時間的、量的に適切に排出することができないことがあった。
そこで、本発明は、アイドル運転中に、燃料電池の端部セル、中央セルの両方の滞留水を適切に排出することができる燃料電池自動車の制御方法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

0005

本発明に係る燃料電池自動車の制御方法は、アイドル運転中に燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給して燃料電池の滞留水を排出するエアブローテップを有し、エアブローステップ中に燃料電池に供給する水素の量は、アイドル運転中であって、かつ、エアブローステップ直前に燃料電池に供給する水素の量よりも少ないものである。
ここで、「アイドル運転中」とは、例えば、車速が0km/hであって、アクセルペダルを通じて運転手から要求されるトルクが0N・mである場合をいう。

発明の効果

0006

本発明により、アイドル運転中に、燃料電池の端部セル、中央セルの両方の滞留水を適切に排出できる燃料電池自動車の制御方法を提供することができる。

図面の簡単な説明

0007

実施の形態に係る燃料電池システム1の概略構成を示す図である。
比較例に係る燃料電池システムの制御方法を説明するための図である。
実施の形態に係る燃料電池システム1の制御方法を説明するための図である。
実施の形態に係るSOCと、水素ストイキ比との関係を示す図である。
実施の形態に係る燃料電池システム1の制御方法の処理手順を示すフローチャートである。

実施例

0008

本実施の形態に係る燃料電池自動車の制御方法は、アイドル運転中に、エアブローにより燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給し、各セルの滞留水を吹き飛ばして適切に排出するとともに、エアブロー中の水素供給量を、アイドル運転中であって、かつ、エアブロー直前の水素供給量、例えば、微小発電のときの水素供給量よりも少なくして燃料電池の発電量を抑制し、燃料電池の電極高電位となることを回避するものである。

0009

以下、図面を参照しながら、本実施の形態に係る燃料電池自動車の制御方法について説明する。
まず、本実施の形態に係る燃料電池自動車の制御方法の対象となる燃料電池システムの構成について簡単に説明する。
図1は、本実施の形態に係る燃料電池システム1の概略構成を示す図である。

0010

燃料電池システム1は、燃料電池自動車の車載電源システムとして機能するもので、燃料電池10、酸化ガス供給系20、燃料ガス供給系30、電力系40、冷却系50、コントローラ60、電圧センサ71、電流センサ72などで構成される。
燃料電池10は、複数のセルを直列に積層したスタック構造(図示せず)を有しており、反応ガス(燃料ガス及び酸化ガス)の供給を受けて発電する。

0011

酸化ガス供給系20は、フィルタ21、エアコンプレッサ22などを備え、酸化ガスとしての空気を燃料電池10に供給する。
燃料ガス供給系30は、高圧水素タンク水素吸蔵合金などの燃料ガス供給源31、インジャクタ32などを備え、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池10に供給する。
電力系40は、バッテリ41、トラクションモータ42などを備え、電力充放電を制御する。

0012

バッテリ41は、例えば、二次電池であって、余剰電力貯蔵源、回生制動時回生エネルギ貯蔵源、燃料電池自動車の加速又は減速に伴う負荷変動時エネルギーバッファなどとして機能する。
冷却系50は、ラジエータ51、冷却水ポンプ52などを備え、燃料電池10に不凍液冷却水などを循環させて燃料電池10中の各セルの温度を制御する。
コントローラ60は、燃料電池システム1全体を統括制御する。
電圧センサ71、電流センサ72は、燃料電池10の出力電圧又は出力電流を検出する。なお、電圧センサ71、電流センサ72に代えて、燃料電池出力センサを用いても良い。

0013

なお、図1に示す構成は、特許文献2の図1に示される構成に、冷却系50を追加したものであり、各構成の詳細については、特許文献1、2などを参照することができる。つまり、燃料電池システム1には、公知の燃料電池システムを用いることができる。

0014

次に、本実施の形態に係る燃料電池自動車の制御方法について、特に、アイドル運転中の燃料電池システム1の制御方法について説明する。
まずは、本実施の形態に係る燃料電池システム1の制御方法の理解を助けるために、比較例に係る燃料電池システムの制御方法について説明する。

0015

図2は、比較例に係る燃料電池システムの制御方法を説明するための図である。
燃料電池システム1は、コントローラ60が電圧センサ71及び電流センサ72の出力値からアイドル運転状態を検出すると、通常運転モードから間欠運転モードへと移行し、通常間欠及び0V間欠を行う(時刻t51〜t52)。

0016

通常運転モードとは、燃料電池システム1に対する負荷要求が、予め設定した基準値を超えるときに選択される運転モードであって、トラクションモータ42の要求電力を含む負荷要求の少なくとも一部を、燃料電池10が発電する電力によりまかなう運転モードである。
また、間欠運転モードとは、燃料電池システム1に対する負荷要求が、予め設定した基準値以下のときに選択される運転モードである。

0017

コントローラ60は、燃料電池10から引き出すべき電力(出力要求)が小さく、バッテリ41のみからの出力電力によって出力要求を満たす電力を供給できると判断したときに、通常運転モードから間欠運転モードへと移行し、燃料電池10の発電を一時的に停止させる。

0018

なお、間欠運転モードには、更に、燃料電池10が発電を停止する通常間欠、0V間欠などの非発電モードと、燃料電池10が微小な発電を行なう微小発電モードとがある。0V間欠では、セル電圧許容下限値となるようにしている。
非発電モードでは、バッテリ41からエアコンプレッサ22、各種バルブなどの補機への電力供給がなされ、バッテリ電力が大きく消費される。

0019

通常間欠及び0V間欠(時刻t51〜t52)によりバッテリ41の残容量SOC(State Of Charge)が徐々に低下して許容下限値となると、通常運転モードにいったん戻ってPチャージを行う(時刻t52〜t53)。Pチャージとは、燃料電池の発電量を増やしてSOCを増加させるものである。

0020

PチャージによりSOCが所定値にまで増加したら、改めて間欠運転モードに移行し、通常間欠(時刻t53〜t54)及び微小発電を行う(時刻t54〜t55)。微小発電とは、燃料電池10の出力電圧が目標電圧値となるように制御しつつ、燃料電池10の予め定めた目標発電量から理論的導出される必要酸素量を燃料電池10に供給して補機へ電力を供給するものである。

0021

なお、Pチャージ、通常間欠及び微小発電の間に、各セルでは反応生成水に由来する滞留水が少しずつ増加する。滞留水が増加すると、燃料電池10の電解質膜機械劣化、電極の触媒溶出などのスタック劣化が起こる。このことは、特に、シフトポジションPレンジ又はNレンジに入れてアイドル運転の状態で長時間放置するような商用の燃料電池自動車(例えば、バスタクシーフォークリフトなど)で問題となる。

0022

このため、滞留水が許容上限量にまで増加したら、通常運転モードにまた戻って、燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給するエアブローを行い、滞留水を吹き飛ばす(時刻t55〜t56)。なお、酸化ガスの当該所定量とは、滞留水を吹き飛ばすのに十分な量であって、かつ、電解質膜が過乾燥にならない量であり、実験や計算により予め求められる量である。

0023

また、アイドル運転時のエアブローにより燃料電池10の電極が高電位となると、触媒が溶出してしまうため、エアブローのときは電極が高電位とならないように、燃料電池10から電流掃引してバッテリ41を充電する。
エアブローの後は、通常間欠(時刻t56〜t57)及び微小発電(時刻t57〜t58)を改めて行い、滞留水が増加したらエアブローを改めて行う(時刻t58〜t59)。つまり、通常発電、微小発電、エアブローを繰り返す。

0024

しかしながら、アイドル運転時にエアブローと電流の掃引とを繰り返すことにより、SOCが徐々に増加して許容上限値に達し、この値以上にバッテリ41の充電ができなくなり、電極が高電位になるのを回避することができず、燃料電池が劣化するという新たな問題が発生する。

0025

そこで、本実施の形態に係る燃料電池システム1の制御方法では、エアブロー中の水素供給量を、アイドル運転中のエアブロー直前の水素供給量よりも小さくすることにより、滞留水を適切に排出しつつ、電極が高電位になることを回避できるようにする。

0026

図3は、本実施の形態に係る燃料電池システム1の制御方法を説明するための図である。
コントローラ60がアイドル運転状態を検出し、通常間欠及び0V間欠(時刻t1〜t2)、Pチャージ(時刻t2〜t3)、そして、通常間欠(時刻t3〜t4)及び微小発電(時刻t4〜t5)を行うまでは比較例と同様の処理であって、ここではその説明を省略する。

0027

本実施の形態では、エアブローのとき(時刻t5〜t6)に、燃料ガス供給系30から燃料電池10に供給する水素の量(水素供給量)を、エアブロー以外の通常運転モードのとき、例えば、Pチャージのとき(時刻t2〜t3)の水素供給量、燃料電池自動車が走行しているときの水素供給量、又は、アイドル運転中のエアブロー直前の水素供給量、例えば、間欠運転モードの微小発電のときの水素供給量よりも小さくして、エアブロー中の燃料電池10の発電量を低減する。これによって、エアブロー中にSOCが大幅に上昇することを防ぐことができる。
水素供給量を小さくする目安としては、燃料電池自動車が走行中のときの水素ストイキ比を1.25とすると、エアブローのときの水素ストイキ比を1.25よりも小さくする。

0028

また、インジェクタ32から供給する水素の量を単純に減少させて、供給水素圧を下げることで対応しても良い。すなわち、エアブロー前の供給水素圧に対して、エアブロー中の供給水素圧を下げることで水素供給量を小さくしても良い。このときの目安としては、例えば、エアブロー前の水素供給目標が150kPa−absであったときに、エアブロー中の水素供給圧目標を140kPa−absにまで減少させる。
そして、エアブロー後に、通常間欠(時刻t6〜t7)及び微小間欠(時刻t7〜t8)を改めて行い、その後、改めて、水素供給量を小さくしたエアブロー(時刻t7〜t8)を行う。

0029

この後は、アイドル運転が続く間は、通常間欠、微小発電、エアブローの順番で処理を繰り返す。
なお、エアブローのときに供給する水素の低減量は固定とする必要はない。
図4は、本実施の形態に係るSOCと、水素ストイキ比との関係を示す図である。
SOCが大きくなるに従って、水素ストイキ比を小さくするような対応も可能である。

0030

図5は、本実施の形態に係る燃料電池システム1の制御方法の処理手順を示すフローチャートである。
コントローラ60は、通常運転モード(ステップS10)中にシフトポジションがPレンジ(アイドル運転)に入っているかを判定する(ステップS20)。

0031

Pレンジに入っていると判定したら(ステップS20のYES)、次に、エアブローを行っている(エアブローフラグON)かを判定する(ステップS30)。
エアブローを行っていると判定したら(ステップS30のYES)、燃料電池10への水素供給量を低減する(ステップS40)。

0032

このとき、最低セル電圧が0Vよりも小さいかを判定する(ステップS50)。水素供給量を低減することで水素欠によるセル劣化の懸念が生じるが、最低セル電圧をしきい値として設けることで水素欠リスクを低減することができる。また、水素欠が仮に発生したとしても高電位回避電流程度の電流量であり、絶対量が少ないため、セルの劣化量も限定的であると考えることができる。

0033

最低セル電圧が0Vよりも小さいと判定したら(ステップS50のYES)、水素供給量を低減する処理を終了する(ステップS60)。
そして、エアブローが終了した後は、また、通常間欠、微小発電、エアブローを繰り返した後に、例えば、シフトチェンジに伴い、ステップS10へ戻る(ステップS60)。

0034

なお、Pレンジに入ってないと判定したとき(ステップS20のNO)、エアブローを行っていないと判定したとき(ステップS30のNO)、最低セル電圧が0Vよりも小さくないと判定したとき(ステップS50のNO)は、例えば、ステップS10、ステップS20又はステップS40に戻る(ステップS60)。
また、本実施の形態ではシフトポジションが「Pレンジ」であることを条件としたが、シフトポジションが「Nレンジ」であることを条件としても良い。

0035

以上、説明したように、本実施の形態に係る燃料電池自動車の制御方法は、アイドル運転中に、燃料電池に所定量の酸化ガスを所定期間供給し、各セルの滞留水を吹き飛ばして適切に排出するとともに、エアブロー中の水素供給量を、アイドル運転中であって、かつ、エアブロー直前の水素供給量よりも小さくして発電量を抑制し、各セルの滞留水を適切に排出し、かつ、電極が高電位となるのを回避し、更に、SOCの過上昇を抑制することができるものである。

0036

1燃料電池システム
10燃料電池
20酸化ガス供給系
30燃料ガス供給系
40電力系
41バッテリ
50 冷却系
60コントローラ
71電圧センサ
72 電流センサ

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