JP2000012059A - 燃料電池システム及び燃料電池制御方法 - Google Patents
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Abstract
ントで動作させる。 【解決手段】 制御部は取り込んだアクセル開度からイ
ンバータの要求出力を算出する(S12)。制御部は取
り込んだガス量に対応した出力電流−出力電圧特性を導
き出し、その特性からエネルギ変換効率の最も高いポイ
ントを算出し、燃料電池の動作ポイントとして決定する
共に、その動作ポイントでの燃料電池の出力電力を算出
する(S16〜S20)。制御部はインバータ要求出力
と燃料電池出力電力の差とバッテリのSOCに基づいて
バッテリに要求される出力電圧を決定する(S24)。
制御部はDC/DCコンバータを制御して、バッテリの
出力電圧が決定した出力電圧になるように、DC/DC
コンバータの出力電圧を調整する(S28)。制御部は
インバータを制御して、要求出力に相当する電力をモー
タで消費させるようにする(S30)。
Description
の高い状態で燃料電池を動作させることが可能な燃料電
池システム及び燃料電池制御方法に関するものである。
の燃料電池システムは、図5に示すように、メタノール
及び水などの燃料124をポンプ126を介して改質器
128に投入し、改質器128において、燃料124か
らメタノールの水蒸気改質反応によって水素などの燃料
ガスを生成し、その生成した燃料ガスと空気130とを
燃料電池136に流入し、燃料電池136において、燃
料ガスと空気130を用いて電気化学反応により起電力
を発生する。そして、燃料電池136で発生した電力と
燃料電池136に並列に接続されたバッテリ140から
出力される電力とをインバータ144に供給し、モータ
146を駆動して、電気自動車の推進力を得ている。
ンセンサ122によって検出される電気自動車のアクセ
ル開度から、インバータ144の要求出力(要求電力)
を算出すると共に、算出した要求出力に基づいてインバ
ータ144を制御して、要求出力に相当する電力がイン
バータ144を介してモータ146に供給されるように
している。
し、燃料電池136からは、これを賄うように電力が出
力され、そして、燃料電池136からの電力だけで賄い
きれない場合には、バッテリ140から、その不足分の
電力が出力されて、インバータ144に供給される。従
って、燃料電池136の出力電力は、インバータ144
の要求出力に依存している。
4からいくら電力の出力要求が出されていても、その電
力を出力するのに十分な燃料ガスが改質器128から燃
料電池136に供給されていなければ、要求通りの電力
を出力することはできない。従って、燃料電池136の
出力電力は、燃料電池136に供給される燃料ガスの量
(ガス流量)にも依存している。
て燃料電池136に供給される燃料ガスの量を調整する
ために、制御部120は、インバータ144の要求出力
に基づいてポンプ126を駆動し、改質器128に投入
される燃料124の量を制御している。
料124の量が増加(または減少)しても、生成される
燃料ガスの量はすぐには増加(または減少)せず、2〜
20秒ほどのタイムラグを生じて増加(または減少)す
る。従って、燃料電池136において必要とされる燃料
ガスの量と燃料電池136に実際に供給される燃料ガス
の量(ガス流量)とは必ずしも一致するわけではない。
の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電力は
インバータの要求出力や燃料電池に供給される燃料ガス
の量(ガス流量)に依存しており、従って、燃料電池1
36の動作ポイントは、インバータの要求出力やガス流
量などによって成り行きで決まっていた。
と発電効率との関係を燃料電池に供給される燃料ガスの
量(ガス流量)をパラメータとして示した特性図、図7
は一般的な燃料電池における出力電力とその電力を発生
させるのに必要な燃料ガスの量との関係を示した特性図
である。
においては、図6に示すように、燃料電池は、発電効率
の高い動作ポイントaで動作することが可能であるにも
関わらず、ガス流量などによって動作ポイントが成り行
きで決定されるため、例えば、発電効率の低い動作ポイ
ントbで動作している場合があった。
おいては、図7に示すように、改質器から燃料電池に、
出力電力Wcを発生させるだけの量Qcの燃料ガスが供
給されている場合でも、インバータの要求出力などによ
って動作ポイントが成り行きで決定されるため、燃料電
池は、例えば、出力電力がWdしか発生しないような動
作ポイントdで動作している場合があった。このような
場合、出力電力Wdを発生させるのに必要な燃料ガスの
量は本来Qdで良いため、Qc−Qdの量の燃料ガスが
無駄になっており、燃料ガスの利用率が低かった。
いて、燃料電池の動作ポイントは、インバータの要求出
力やガス流量などによって成り行きで決定されているた
め、燃料電池は、必ずしも、発電効率の高い動作ポイン
トやガス利用率の高い動作ポイントで動作していなかっ
た。
オフの関係にあるため、両者を共に高くすることは困難
であるが、両者の積を最大にすることによって、発電効
率とガス利用率を共にできる限り高くすることは可能で
ある。この場合、発電効率とガス利用率の積は、燃料電
池のエネルギ変換効率として表すことができる。
術の問題点を解決し、燃料電池のエネルギ変換効率を高
くすることが可能な燃料電池システムを提供することに
ある。
記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明
の第1の燃料電池システムは、ガスの供給を受けて電力
を発生する燃料電池を備え、発生された電力を負荷に与
える燃料電池システムであって、前記燃料電池に供給さ
れる前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出す
るガス流量関連量検出手段と、検出された前記ガス流量
関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出
力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作
ポイントで前記燃料電池を動作させるように、前記燃料
電池から取り出すべき電力を制御する制御手段と、を備
えることを要旨とする。
の供給を受けて電力を発生する燃料電池を制御するため
の燃料電池制御方法であって、(a)前記燃料電池に供
給される前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検
出する工程と、(b)検出された前記ガス流量関連量に
対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特
性に関連した動作ポイントを導き出す工程と、(c)導
き出した前記動作ポイントで前記燃料電池を動作させる
ように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制御する
工程と、を備えることを要旨としている。
テム及び燃料電池制御方法では、燃料電池に供給される
ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出し、そのガ
ス流量関連量に対応して、燃料電池における出力電流−
出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出す。そし
て、その動作ポイントで燃料電池を動作させるように、
燃料電池から取り出すべき電力を制御する。
及び燃料電池制御方法によれば、ガス流量関連量に対応
して出力電力−出力電流特性に関連した動作ポイントを
導き出す際、その出力電力−出力電流特性の中で最もエ
ネルギ変換効率の高い動作ポイントを導き出すようにす
れば、燃料電池をエネルギ変換効率の最も高い動作ポイ
ントで動作させることが可能となり、延いては、燃料電
池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くするこ
とができる。
の供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積
すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二
次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力また
は前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料
電池システムであって、前記燃料電池に供給される前記
ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出するガス流
量関連量検出手段と、検出された前記ガス流量関連量に
対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特
性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイント
で前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電
池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与
えるべき電力を求め、求めた2つの電力に基づいて前記
二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積す
べき電力を制御する制御手段と、を備えることを要旨と
する。
テムでは、燃料電池に供給されるガスの流量に関連した
ガス流量関連量を検出し、そのガス流量関連量に対応し
て、燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連し
た動作ポイントを導き出す。そして、その動作ポイント
で燃料電池を動作させるために必要な、燃料電池から取
り出すべき電力を求めると共に、負荷に与えるべき電力
を求め、求めた2つの電力に基づいて二次電池から出力
すべき電力または二次電池に蓄積すべき電力を制御す
る。このように二次電池の電力を制御することによっ
て、燃料電池からは上記のように求めた電力を取り出す
ことができ、燃料電池を上記動作ポイントで動作させる
ことができる。
によれば、ガス流量関連量に対応して出力電力−出力電
流特性に関連した動作ポイントを導き出す際に、最もエ
ネルギ変換効率の高い動作ポイントを導き出すようにす
れば、上記したような制御を行なうことによって、燃料
電池をそのような動作ポイントで動作させることが可能
となり、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる
限り高くすることが可能となる。
て、前記二次電池の充電量を検出する二次電池充電量セ
ンサをさらに備えると共に、前記制御手段は、求めた前
記2つの電力の他、前記二次電池の充電量にも基づい
て、前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池
に蓄積すべき電力を制御することが望ましい。
次電池の充電量に依存するからである。また、二次電池
の充電量が満充電に近い場合には、二次電池に電力を蓄
積することは不可能であるので、そのような場合には電
力を蓄積しないように制御する必要があるからである。
ムにおいて、前記制御手段は、前記出力電流−出力電圧
特性において、エネルギ変換効率が最も高いポイントを
前記動作ポイントとして導き出すことが望ましい。
よって、燃料電池をエネルギ変換効率が最も高い動作ポ
イントで動作させることが可能となる。
ガスと酸化ガスの供給を受け、該燃料ガスと酸化ガスを
用いて電気化学反応を生じさせることにより、電力を発
生する燃料電池と、該燃料電池に供給される前記燃料ガ
スまたは酸化ガスの流量を検出する流量センサと、電力
を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力する二次電池
と、該二次電池の充電量を検出する二次電池充電量セン
サと、前記燃料電池または前記二次電池からの電力の供
給を受けて、モータを駆動するインバータと、前記燃料
電池から出力された電圧を昇圧または減圧して、前記二
次電池及びインバータに並列に印加するコンバータと、
検出された前記流量に対応して、前記燃料電池における
出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き
出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるため
に必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求める
と共に、外部からの情報に基づいて前記インバータに供
給すべき電力を求め、求めた2つの電力と検出された前
記充電量に基づいて、前記コンバータから出力される電
圧を調整する制御部と、を備えることを要旨とする。
量センサが、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化
ガスの流量を検出する。二次電池充電量センサは、二次
電池の充電量を検出する。インバータは、燃料電池また
は二次電池からの電力の供給を受けて、モータを駆動す
る。コンバータは、燃料電池から出力された電圧を昇圧
または減圧して、二次電池及びインバータに並列に印加
する。制御部は、流量センサによって検出された流量に
対応して、燃料電池における出力電流−出力電圧特性に
関連した動作ポイントを導き出し、その動作ポイントで
燃料電池を動作させるために必要な、燃料電池から取り
出すべき電力を求める。また、別に、外部からの情報に
基づいてインバータに供給すべき電力を求める。そし
て、求めた2つの電力と二次電池充電量センサによって
検出された充電量とに基づいて、コンバータから出力さ
れる電圧を調整する。この結果、この電圧が印加される
二次電池の電力(出力される電力または蓄積される電
力)が所望の値に調整されて、燃料電池からは上記のよ
うに求めた電力を取り出すことができ、燃料電池を上記
動作ポイントで動作させることができる。
によれば、流量に対応して出力電力−出力電流特性に関
連した動作ポイントを導き出す際に、最もエネルギ変換
効率の高い動作ポイントを導き出すようにすれば、上記
したような制御を行なうことによって、燃料電池をその
ような動作ポイントで動作させることが可能となり、燃
料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くす
ることが可能となる。
採ることも可能である。即ち、その態様は、上記した第
1ないし第3の燃料電池システムを搭載した電気自動車
である。この電気自動車では、燃料電池から電力の供給
を受ける負荷としてモータを用い、そのモータの駆動に
よって、電気自動車の推進力等を得るようにする。
テムを電気自動車に搭載することによって、エネルギ変
換効率の高い電気自動車を実現することができる。
例に基づいて説明する。図1は本発明の一実施例として
の燃料電池システムの構成を示す構成図である。なお、
本実施例の燃料電池システムは電気自動車に搭載されて
いるものとする。
構成及び概略的な動作について説明する。図1に示す燃
料電池システムは、制御部20と、アクセルペダルポジ
ションセンサ22と、ポンプ26と、改質器28と、流
量センサ32,34と、燃料電池36と、DC/DCコ
ンバータ38と、バッテリ40と、SOCセンサ42
と、インバータ44と、モータ46と、を主として備え
ている。
によって制御されることより、メタノール及び水などの
燃料24を改質器28に供給する。
水及びメタノールから、式(1)に示すメタノールの水
蒸気改質反応によって、水素を含有する水素リッチガス
(改質ガス)を生成する。
た水素リッチガスを燃料ガスとして導入すると共に、空
気30を、酸素を含有する酸化ガスとして導入して、式
(2)〜(4)に示すような電気化学反応を行ない、電
力を発生する。
高分子型燃料電池で構成されており、電解質膜,アノー
ド,カソード,セパレータなどから成る単セル(図示せ
ず)を複数積層したスタック構造を成している。導入さ
れた水素リッチガスは燃料ガス流路(図示せず)を介し
て各単セルのカソードに供給され、式(2)に示す反応
に供され、空気は酸化ガス流路(図示せず)を介して各
単セルのアノードに供給され、式(3)に示す反応に供
される。なお、式(4)は燃料電池全体で起きる反応で
ある。
リッチガス供給路を流れる水素リッチガスの流量を検出
し、また、流量センサ34は、燃料電池36への空気供
給路を流れる空気の流量を検出して、それぞれ、その検
出結果を制御部20に送る。なお、流量センサ32,3
4は、必ずしも、水素リッチガスや空気の流量を直接的
に検出するセンサである必要はなく、水素リッチガスや
空気の流量に関連した量を検出することが可能なセンサ
であれば良い。
38を介してバッテリ40とインバータ44が並列に接
続されており、燃料電池36で発生された電力は、DC
/DCコンバータ38を介してインバータ44に供給さ
れると共に、場合によってはバッテリ40にも供給され
る。
6から出力された電圧を昇圧または降圧して、ダイオー
ド39を介してインバータ44及びバッテリ40に並列
に印加する。このとき、DC/DCコンバータ38は、
制御部20からの制御信号に従って、昇圧または降圧し
た電圧を調整する。
38からインバータ44やバッテリ40に対し一方向に
のみ電流が流れるようにしている。
れた電力や、場合によってはモータ46からインバータ
44を介して回生された電力を蓄積したり、蓄積された
電力をインバータ44に供給したりする。本実施例で
は、二次電池として鉛蓄電池等のバッテリ40を用いて
いるが、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素
蓄電池、リチウム二次電池など他種の二次電池を用いる
こともできる。このバッテリ40の電源容量は、電気自
動車の予想される走行状態、即ち、予想される負荷の大
きさや、併設される燃料電池36の電源容量などによっ
て決定される。
量(SOC)を検出して、その検出結果を制御部20に
送る。具体的には、SOCセンサ42は、バッテリ40
における充電・放電の電流値と時間とを積算するSOC
メータで構成されており、制御部20は、この積算値を
基にしてバッテリ40の充電量を演算により求めてい
る。また、このようなSOCメータの代わりに、バッテ
リ40の出力電圧を測定する電圧センサや、バッテリ4
0の電解液の比重を測定する比重センサによって、SO
Cセンサ42を構成するようにしても良い。この場合、
制御部20は、それら測定値からバッテリ40の充電量
を求めるようにする。
リ40から供給された電力によってモータ46を駆動す
る。具体的には、インバータ44は、DC/DCコンバ
ータ38やバッテリ40から印加された直流電圧を、3
相交流電圧に変換してモータ46に供給すると共に、こ
のとき、制御部20からの制御信号に従って、モータ4
6に供給する3相交流電圧の振幅(実際にはパルス幅)
及び周波数を調節することによって、モータ46で発生
するトルクを制御している。
ッチング素子(例えば、バイポーラ形MOSFET(I
GBT))を主回路素子として構成されており、これら
スイッチング素子のスイッチング動作を制御部20から
の制御信号によって制御されることにより、印加された
直流電圧を所望の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換
している。
構成されており、燃料電池36やモータ46からインバ
ータ44を介して供給された電力によって駆動されて、
駆動軸(図示せず)にトルクを発生させる。発生された
トルクはギヤ(図示せず)を介して電気自動車の車軸
(図示せず)に伝達され、車輪に回転駆動力を与える。
これにより、電気自動車に推進力が与えられて、電気自
動車を走行させる。
2は、電気自動車のアクセル開度を検出して、その検出
結果を制御部20に送る。
OM20bや、RAM20cや、入出力ポート20dを
備えている。このうち、CPU20aは、制御プログラ
ムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を
行なう。また、ROM20bは、上記した制御プログラ
ムや、上記演算を実行する際に用いる制御データや、後
述する燃料電池36のガス流量をパラメータとした出力
電流−出力電圧特性のデータや、バッテリ40の充電量
(SOC)をパラメータとした出力電流−出力電力特性
のデータなどを予め格納している。RAMは、上記演算
を実行したことによって得られる各種データを一時的に
格納する。入出力ポートは、各種センサから送られてき
た検出結果を入力してCPU20aに伝える共に、CP
U20aからの指示に従って、各構成要素に制御信号を
出力する。
おける処理動作について、図2のフローチャートを用い
ながら詳しく説明する。
理動作の流れを示すフローチャートである。図2に示す
ように、まず、制御部20がアクセルペダルポジション
センサ22によって検出されたアクセル開度を取り込む
(ステップS10)。これによって、インバータ44を
介してモータ46にどの程度の電力を送って電気自動車
を走行させたいかという運転者の希望を、制御部20が
検知することができる。そこで、制御部20は、その取
り込んだアクセル開度から、インバータ44に供給すべ
き電力(インバータ44の要求出力)を算出する(ステ
ップS12)。
って検出された燃料ガスである水素リッチガスの流量を
ガス流量として取り込む(ステップS14)。なお、式
(4)で示したように電気化学反応で用いられる水素と
酸素の量には一定の関係があるため、燃料ガスである水
素リッチガスの流量を取り込む代わりに、流量センサ3
4によって検出された酸化ガスである空気の流量をガス
流量として取り込んでも良い。また、水素リッチガス及
び空気の流量を共に取り込むようにしても良い。
のROM20bには、燃料電池36における、ガス流量
をパラメータとした出力電流−出力電圧特性のデータが
格納されている。
流量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性の一例
を示す特性図である。図3において、縦軸は燃料電池3
6の出力電圧を表し、横軸は出力電流を表している。
流−出力電圧特性は、燃料電池36に流入される燃料ガ
スの流量(ガス流量)によって変化しており、ガス流量
が或る値に決まれば、そのガス流量での出力電流−出力
電圧特性が一意的に決まる。図3では、ガス流量が小さ
い順に、特性F1,F2,F3,F4となっている。
に、そのガス流量での出力電流−出力電圧特性が格納さ
れている。そこで、制御部20は、取り込んだガス流量
に基づいて、そのガス流量に対応した出力電流−出力電
圧特性を制御部20内のROM20bから読み出す。そ
して、制御部20は、その読み出した出力電流−出力電
圧特性から、燃料電池36におけるエネルギ変換効率の
最も高いポイントを算出する(ステップS16)。
換効率は、燃料電池36における発電効率とガス利用率
の積(発電効率×ガス利用率)として得ることができ
る。一方、一般に燃料電池においては、その発電効率は
その出力電圧に比例し、必要な燃料ガスの量はその出力
電流に比例するという関係が知られている。従って、燃
料電池における発電効率とガス利用率との積は、出力電
圧と出力電流との積に置き換えることができる。即ち、
言い換えれば、燃料電池におけるエネルギ変換効率は燃
料電池における出力電圧と出力電流との積(出力電圧×
出力電流)として表すことができる。
応した出力電流−出力電圧特性として図3における特性
F2が読み出された場合、制御部20は、その読み出し
た出力電流−出力電圧特性F2において、出力電圧と出
力電流との積が最も大きくなるポイントPmを算出し、
そのポイントPmをエネルギ変換効率の最も高いポイン
トとする。
流との積は、燃料電池の出力電力に相当するため、燃料
電池の出力電力の最も大きなポイントがエネルギ変換効
率の最も高いポイントとなる。
ントを算出したら、制御部20は、その算出したポイン
トを燃料電池36の動作ポイントとして決定し(ステッ
プS18)、その動作ポイントで燃料電池36を動作さ
せた場合の燃料電池36の出力電力を算出する(ステッ
プS20)。
12の処理とステップS14〜S20の処理をほぼ同時
進行で行なっても良いし、一方の処理が終了した後、他
方の処理を開始するようにしても良い。
出されたインバータ44の要求出力から、ステップS2
0で算出された燃料電池36の出力電力を減算して、そ
の差を求め(ステップS22)、その差が0以上であれ
ば、ステップS24の処理に進み、0未満であれば、ス
テップS32の処理に移行する。ここで、差が0以上で
あるということは、インバータ44の要求出力が燃料電
池36の出力電力だけでは賄いきれない状態を表してお
り、差が0未満であるということは、燃料電池36の出
力電力をインバータ44に供給しても、電力がなお余っ
てしまうという状態を表している。
は、まず、SOCセンサ42によって検出されたバッテ
リ40の充電量(SOC)を取り込む(ステップS2
4)。
のROM20bには、バッテリ40における、SOCを
パラメータとした出力電流−出力電力特性のデータが格
納されている。
Cをパラメータとした出力電流−出力電圧特性の一例を
示す特性図である。図4において、縦軸はバッテリ40
の出力電圧を表し、横軸は出力電流を表している。
流−出力電圧特性はSOCによって変化しており、SO
Cが決まれば、そのときの出力電流−出力電圧特性が一
意的に決まる。図4では、SOCの小さな順にG1,G
2,…,G5となっている。従って、ROM20bに
は、各SOC毎に、そのSOCでの出力電流−出力電圧
特性が格納されている。
に基づいて、そのSOCに対応した出力電流−出力電圧
特性を制御部20内のROM20bから読み出す。そし
て、制御部20は、その読み出した出力電流−出力電圧
特性に基づいて、ステップS22で得られたインバータ
44の要求出力と36の出力電力との差から、バッテリ
40に要求される出力電圧を決定する(ステップS2
6)。
対応した出力電流−出力電圧特性として、図4における
特性G3が読み出された場合、制御部20は、その読み
出された出力電流−出力電圧特性G3において、出力電
力と出力電流との積(即ち、バッテリ40の出力電力)
が、インバータ44の要求出力と36の出力電力との差
にほぼ等しくなるポイントを算出する。今、そのポイン
トが図4にPnであるとすると、そのポイントPnでの
バッテリ40の出力電圧Vnを、バッテリ40に要求さ
れる出力電圧として決定する。
タ38を制御して、DC/DCコンバータ38の出力電
圧が、ステップS26で決定した出力電圧になるように
調整する(ステップS28)。DC/DCコンバータ3
8の出力電圧はバッテリ40及びインバータ44にそれ
ぞれ印加されているため、DC/DCコンバータ38の
出力電圧をこのように調整することよって、バッテリ4
0の出力電圧は、ステップS26で決定した出力電圧に
なる。従って、バッテリ40からは、出力電力として、
ステップS22で得られたインバータ44の要求出力と
燃料電池36の出力電力との差に相当する電力が、出力
されることになる。
算出したインバータ44の要求出力に相当する電力を、
インバータ44を介してモータ46で消費するように、
インバータ44を制御する。この結果、バッテリ40か
ら出力された電力はインバータ44に供給されると共
に、残りの分の電力(即ち、インバータ44の要求出力
とバッテリ40の出力電力との差)は、燃料電池36か
ら引き出されて、インバータ44に供給される(ステッ
プS30)。
タ38及びインバータ44に対し、上記のような制御を
行なうことによって、燃料電池36からは、ステップS
20で算出した出力電力が取り出されることになり、燃
料電池36は、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイン
トで動作することになる。
タ44の要求出力と燃料電池36の出力電力との差が0
未満の場合は、制御部20が、ステップS24の場合と
同様に、SOCセンサ42によって検出されたバッテリ
40のSOCを取り込み(ステップS32)、その後、
その取り込んだSOCが100%未満であるかどうかを
判定する(ステップS34)。判定の結果、SOCが1
00%未満である場合には、バッテリ40に未だ電力が
蓄積できるものとしてステップS36の処理に進み、S
OCが100%である場合には、バッテリ40にはもう
電力を蓄積することができないものとしてステップS4
2の処理に移行する。
は、ステップS26の場合と同様に、取り込んだSOC
に基づいて、そのSOCに対応した出力電流−出力電圧
特性を読み出し、その出力電流−出力電圧特性に基づい
て、ステップS22で得られたインバータ44の要求出
力と燃料電池36の出力電力との差から、バッテリ40
に要求される出力電圧を決定する(ステップS36)。
に、検出されたSOCに対応した出力電流−出力電圧特
性として特性G3が読み出された場合、制御部20は、
その読み出された出力電流−出力電圧特性G3におい
て、出力電力と出力電流との積が、インバータ44の要
求出力と燃料電池36の出力電力との差にほぼ等しくな
るポイントを算出する。この際、ステップS26の場合
と異なり、インバータ44の要求出力と36の出力電力
との差は0未満(即ち、負)であるので、出力電力と出
力電力との積(即ち、バッテリ40の出力電力)が負と
なるポイントを算出することになる。ここで、バッテリ
40から出力される電力が負となるということは、バッ
テリ40に電力が蓄積されるということ意味している。
また、図4に示すように、バッテリ40の出力電圧は負
となることがないので、出力電流が負となるポイントを
算出することになる。
あるとすると、そのポイントPrでのバッテリ40の出
力電圧Vrを、バッテリ40に要求される出力電圧とし
て決定する。
タ38を制御して、DC/DCコンバータ38の出力電
圧が、ステップS36で決定した出力電圧になるように
調整する(ステップS38)。この結果、バッテリ40
の出力電圧は、ステップS26で決定した出力電圧にな
り、バッテリ40には電力が蓄積されることになる。即
ち、燃料電池36からは電力が引き出されて、その出力
電力のうち、ステップS22で得られたインバータ44
の要求出力と燃料電池36の出力電力との差の絶対値に
相当する電力が、バッテリ40に蓄積されることにな
る。
出したインバータ44の要求出力に相当する電力を、イ
ンバータ44を介してモータ46で消費するように、イ
ンバータ44を制御する。この結果、燃料電池36から
取り出された電力のうち、インバータ44の要求出力に
相当する電力(即ち、バッテリ40に蓄積されなかった
残りの分の電力)がインバータ44に供給されて、モー
タ46で消費される(ステップS40)。
ータ38及びインバータ44に対し、上記のような制御
を行なうことによって、燃料電池36からは、ステップ
S20で算出した出力電力が取り出されることになり、
燃料電池36は、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイ
ントで動作することになる。
20が、SOC=100%に対応した出力電流−出力電
圧特性を読み出し、その出力電流−出力電圧特性に基づ
いて、バッテリ40の出力電力が0となる場合の、バッ
テリ40に要求される出力電圧を決定する(ステップS
42)。
00%に対応した出力電流−出力電圧特性は特性G5で
あるので、この特性G5が読み出される。制御部20
は、その読み出された出力電流−出力電圧特性G5にお
いて、バッテリ40の出力電力(即ち、出力電力と出力
電流との積)が0となるポイントを算出する。図4に示
すように、バッテリ40の出力電圧は負となることはな
いので、出力電流が0となるポイントを算出することに
なる。
力が0となるポイントはPsであるで、そのポイントP
sでのバッテリ40の出力電圧Vsを、バッテリ40に
要求される出力電圧として決定する。
タ38を制御して、DC/DCコンバータ38の出力電
圧が、ステップS42で決定した出力電圧になるように
調整する(ステップS44)。この結果、バッテリ40
の出力電圧はステップS42で決定した出力電圧になる
ため、バッテリ40の出力電力は0となり、バッテリ4
0から電力が出力されることも、バッテリ40に電力が
蓄積されることもなくなる。
算出したインバータ44の要求出力に相当する電力を、
インバータ44を介してモータ46で消費するように、
インバータ44を制御する。この結果、燃料電池36か
らは、インバータ44の要求出力に相当する電力が取り
出されて、バッテリ40に蓄積されることなく、インバ
ータ44に供給されて、モータ46で消費される(ステ
ップS46)。
される電力は、あくまで、インバータ44の要求出力に
相当する電力であり、ステップS20で算出した出力電
力と必ずしも一致していない。そのため、燃料電池36
は、ステップS18で決定した動作ポイント以外の動作
ポイントで動作する可能性がある。
20のポンプ26に対する制御について特に触れなかっ
たが、制御部20は、例えば、次のようにポンプ26を
制御して、改質器28に供給する燃料の量を調整する。
即ち、制御部20は、インバータ44からモータ46へ
の実際の出力電力の過去数秒間の平均値に応じて、改質
器28に供給する燃料の量を調整する。或いは、アクセ
ル開度(即ち、インバータ44の要求出力)に応じて燃
料の量を調整するようにしても良いし、バッテリ40の
SOCに応じて燃料の量を調整するようにしても良い。
または、これらを組み合わせて、燃料の量を調整するよ
うにしても良い。また、単純に、一定量の燃料を改質器
28に供給するように、ポンプ26を制御しても良い。
れば、ステップS46での動作以外では、燃料電池36
をエネルギ変換効率が最も高い動作ポイントで動作させ
ることができるので、燃料電池36のエネルギ変換効率
を高くすることができ、延いては、燃料電池の発電効率
とガス利用率を共にできる限り高くすることができる。
に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲に
おいて種々の態様にて実施することが可能である。
のROM20bに、燃料電池36におけるガス流量をパ
ラメータとした出力電流−出力電圧特性のデータを予め
格納し、制御部20は、取り込んだガス流量に基づい
て、そのガス流量に対応した出力電流−出力電圧特性を
読み出し、読み出した出力電流−出力電圧特性から、燃
料電池36におけるエネルギ変換効率の最も高いポイン
トを算出し、さらに、算出したポイントを燃料電池36
の動作ポイントとして決定し、その動作ポイントで燃料
電池36を動作させた場合の燃料電池36の出力電力を
算出していた。しかしながら、本発明は、これに限定さ
れるものではなく、例えば、制御部20内のROM20
bに、各ガス流量毎に、そのガス流量に対応した出力電
流−出力電圧特性におけるエネルギ変換効率の最も高い
ポイントのデータを予め格納しておき、制御部20は、
取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応し
たエネルギ変換効率の最も高いポイントを、制御部20
内のROM20bから読み出して用いるようにしても良
い。また、制御部20内のROM20bに、各ガス流量
毎に、そのガス流量に対応して、エネルギ変換効率の最
も高い動作ポイントで燃料電池36を動作させた場合の
燃料電池36の出力電力のデータを予め格納しておき、
制御部20は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガ
ス流量に対応した燃料電池36の出力電力を、制御部2
0内のROM20bから読み出して用いるようにしても
良い。
に格納するデータを、エネルギ変換効率の最も高いポイ
ントのデータや、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイ
ントで燃料電池を動作させた場合の出力電力のデータと
することによって、制御部20での処理内容を軽減する
ことができる。
28に燃料24としてメタノール及び水を供給していた
が、本発明はこれに限定されるものではなく、メタノー
ルに代えて、メタン,エタノール,天然ガス,ガソリ
ン,軽油などであっても良い。
構成を示す構成図である。
れを示すフローチャートである。
メータとした出力電流−出力電圧特性の一例を示す特性
図である。
ータとした出力電流−出力電圧特性の一例を示す特性図
である。
ある。
との関係を燃料電池に供給される燃料ガスの量(ガス流
量)をパラメータとして示した特性図である。
を発生させるのに必要な燃料ガスの量との関係を示した
特性図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 ガスの供給を受けて電力を発生する燃料
電池を備え、発生された電力を負荷に与える燃料電池シ
ステムであって、 前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガ
ス流量関連量を検出するガス流量関連量検出手段と、 検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電
池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイ
ントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作
させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制
御する制御手段と、 を備える燃料電池システム。 - 【請求項2】 ガスの供給を受けて電力を発生する燃料
電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力
することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で
発生された電力または前記二次電池から出力された電力
を負荷に与える燃料電池システムであって、 前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガ
ス流量関連量を検出するガス流量関連量検出手段と、 検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電
池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイ
ントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作
させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電
力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求め、
求めた2つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべ
き電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する制
御手段と、 を備える燃料電池システム。 - 【請求項3】 請求項2に記載の燃料電池システムにお
いて、 前記二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサ
をさらに備えると共に、 前記制御手段は、求めた前記2つの電力の他、検出され
た前記充電量にも基づいて、前記二次電池から出力すべ
き電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御するこ
とを特徴とする燃料電池システム。 - 【請求項4】 請求項1ないし請求項3のうちの任意の
一つに記載の燃料電池システムにおいて、 前記制御手段は、前記出力電流−出力電圧特性におい
て、エネルギ変換効率が最も高いポイントを前記動作ポ
イントとして導き出すことを特徴とする燃料電池システ
ム。 - 【請求項5】 燃料電池システムであって、 燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、該燃料ガスと酸化ガ
スを用いて電気化学反応を生じさせることにより、電力
を発生する燃料電池と、 該燃料電池に供給される前記燃料ガスまたは酸化ガスの
流量を検出する流量センサと、 電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力する二次
電池と、 該二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサ
と、 前記燃料電池または前記二次電池からの電力の供給を受
けて、モータを駆動するインバータと、 前記燃料電池から出力された電圧を昇圧または減圧し
て、前記二次電池及びインバータに並列に印加するコン
バータと、 検出された前記流量に対応して、前記燃料電池における
出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き
出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるため
に必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求める
と共に、外部からの情報に基づいて前記インバータに供
給すべき電力を求め、求めた2つの電力と検出された前
記充電量に基づいて、前記コンバータから出力される電
圧を調整する制御部と、 を備える燃料電池システム。 - 【請求項6】 ガスの供給を受けて電力を発生する燃料
電池を制御するための燃料電池制御方法であって、 (a)前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連
したガス流量関連量を検出する工程と、 (b)検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記
燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動
作ポイントを導き出す工程と、 (c)導き出した前記動作ポイントで前記燃料電池を動
作させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を
制御する工程と、 を備える燃料電池制御方法。
Priority Applications (14)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19676398A JP4464474B2 (ja) | 1998-06-25 | 1998-06-25 | 燃料電池システム、燃料電池車両及び燃料電池制御方法 |
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KR10-2000-7014212A KR100386145B1 (ko) | 1998-06-25 | 1999-05-31 | 연료전지 시스템 및 전지제어방법 |
DE69940431T DE69940431D1 (de) | 1998-06-25 | 1999-05-31 | Brennstoffzellensystem und zellensteuerungsverfahren |
ES99922616T ES2318894T3 (es) | 1998-06-25 | 1999-05-31 | Sistema de pila de combustible y metodo de control de la pila. |
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