JP2003051331A - 燃料電池電源装置 - Google Patents

燃料電池電源装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池内に滞留した水を速やかに排出して、
燃料電池を正常状態に復帰させることができる燃料電池
電源装置を提供する。 【解決手段】電源管理制御部１４に備えられた目標出力
電流決定部５０において、補正処理部５２は、燃料電池
の出力上限電流（Ｉfc_LMT）と、要求出力電流算出部４
２により算出された要求出力電流（Ｉfc_CAL）とを比較
し、要求出力電流（Ｉfc_CAL）が出力上限電流（Ｉfc_L
MT）を超えて燃料電池の出力電流が制限される状態とな
ったときに、キャパシタの開放電圧（Ｖcap_o）を燃料
電池の出力電流／出力電圧の相関関係を示すマップ（Ｉ
fc／Ｖfcマップ）に適用して算出した電流値を目標出力
電流（Ｉfc_CMD）とする補正を行ない、燃料電池の出力
電流の制限が解除された後も、キャパシタの開放電圧
（Ｖcap_o）が燃料電池の出力電圧以上となるまで、該
補正を続行する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池の異常が
生じたときに、該燃料電池の出力電流を制限して燃料電
池を正常状態に回復させる燃料電池電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば電気自動車等の車両の電源装置と
して、図７に示したように、燃料電池１００を使用した
燃料電池電源装置が採用されている。図７に示した燃料
電池電源装置においては、燃料電池１００から電流制限
部１０１を介してモータ１０２及びエアコン等の電装補
機１０３に電力が供給され、また、モータ１０２及び電
装補機１０３に供給する電力を補助するために電気二重
層キャパシタ１０４が燃料電池１００と並列に接続され
ている。
【０００３】ここで、燃料電池１００は反応ガス供給部
１０５から供給される反応ガス（水素等の還元性ガス及
び該還元性ガスと反応させて電力を取出すための空気等
の酸化性ガス）の供給量に応じてその発電量が増減す
る。そのため、モータ１０２及び電装補機１０３の作動
に必要な電力の過不足が生じることのないよう、制御部
１０６により反応ガス供給部１０５から燃料電池１００
に供給される反応ガスの量が制御される。
【０００４】すなわち、制御部１０６は、アクセルペダ
ルの踏込み量（Ａp）、車速（Ｎm）、及び電装補機１０
３の消費電力（Ｐload）に応じて燃料電池１００の目標
出力電流（Ｉfc_CMD）を決定し、目標出力電流（Ｉfc_C
MD）に応じた量の反応ガスが燃料電池１００に供給され
るように反応ガス供給部１０５を制御する。
【０００５】このように、制御部１０６により燃料電池
１００に供給される反応ガスの量を制御することによ
り、基本的には燃料電池１００から出力される電流が、
モータ１０２及び電装補機１０３で消費される電力に対
して不足することはない。しかし、燃料電池１００にお
いて反応ガスの電気化学反応により電流が発生する際に
生成される水が燃料電池１００から完全に排出されずに
燃料電池１００を構成する複数のセル（図示しない）の
いずれかの内部に滞留する場合があり、この場合には水
が滞留したセルに対する反応ガスの供給が妨げられて該
セルの出力が低下した異常状態となる。そして、このよ
うな異常状態が生じると、水が滞留して出力が低下した
セルが他のセルから出力される電流によって故障するお
それがある。
【０００６】そこで、制御部１０６は、燃料電池１００
の作動状況を燃料電池センサ１０７（供給される反応ガ
スの圧力、量、温度、燃料電池１００のスタック（図示
しない）を構成する燃料電池セル（図示しない）の個々
の状態等を検出する）の検出出力から把握して、燃料電
池１００から出力可能な電流の上限値（Ｉfc_LMT）を決
定する。
【０００７】そして、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が上限
値（Ｉf c_LMT）を超えたときは、制御部１０６は、燃
料電池１００が異常状態にあると判断して、電流制限部
１０１により燃料電池１００から出力される電流を制限
するようにしていた。このように燃料電池１００から出
力される電流が制限されると、目標出力電流（Ｉfc_CM
D）に対して燃料電池１００から出力される電流が不足
する状態となるが、電気二重層キャパシタ１０４からの
放電により不足する電流分が補填されて目標出力電流
（Ｉfc_CMD）に応じた電流供給が確保される。
【０００８】しかし、燃料電池１００の異常状態が継続
すると、電気二重層キャパシタ１０４の充電量が次第に
減少して放電量が減少し、目標出力電流（Ｉfc_CMD）に
応じた電流供給を確保することができなくなるという不
都合があった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、燃料電池内
に滞留した水を速やかに排出して、燃料電池を正常状態
に復帰させることができる燃料電池電源装置を提供する
ことを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、PEM型の燃料電池と、該燃料電池に反応ガ
スを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池の出力
電流を制限する電流制限手段と、該電流制限手段を介し
て前記燃料電池と負荷とを接続して前記燃料電池から該
負荷に電流を供給する際に該負荷の要求電流に応じて前
記燃料電池の目標出力電流を決定する目標出力電流決定
手段と、該目標出力電流に基づいて前記反応ガス供給手
段から前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を制御
する燃料電池制御手段と、前記燃料電池の作動状態を検
知して前記燃料電池から出力可能な電流の上限値を把握
する上限値把握手段と、前記目標出力電流と前記上限値
とを比較し、前記燃料電池の作動状態の異常が生じて前
記上限値が前記目標電流以下となったときに、前記電流
制限手段により前記目標出力電流が前記上限値以下とな
るように前記燃料電池の出力電流を制限する電流制限処
理と共に、前記反応ガス供給手段から前記燃料電池への
反応ガスの供給量を増加させる反応ガス供給量増加処理
を実行して、前記燃料電池内に滞留した水の排出を促進
させる排水促進手段とを備えたことを特徴とする。
【００１１】かかる本発明によれば、反応ガスの電気化
学反応により生じた水が前記燃料電池内に滞留して前記
燃料電池に供給される反応ガスの量が減少し、前記目標
出力電流決定手段により決定された前記目標出力電流が
前記上限値把握手段により把握された前記上限値を超え
ると、前記排水促進手段により、前記電流制限処理と共
に前記反応ガス供給量増加処理が実行される。この場
合、前記電流制限処理により、前記燃料電池の出力電流
が制限されることによって、前記燃料電池で消費される
反応ガスの量が減少するため、前記燃料電池で消費され
ずに前記燃料電池内を通過する反応ガスの量が増加す
る。そしてさらに、前記反応ガス供給量増加処理により
前記燃料電池に対する反応ガスの供給量を増加させるこ
とによって、前記燃料ガスで消費されずに前記燃料電池
内を通過する反応ガスの量が増加するため、前記燃料電
池内に滞留した水を排出する効果を高めることができ
る。
【００１２】また、前記燃料電池により充電され、前記
要求電流に対して前記燃料電池の出力電流が不足する状
態となるときに、放電により前記要求電流の供給を確保
するために、前記電流制限手段を介して前記燃料電池と
並列に接続された電気二重層キャパシタと、前記燃料電
池の出力電圧と出力電流との相関関係を示す電流／電圧
マップのデータを記憶した記憶手段と、前記電気二重層
キャパシタの開放電圧を把握する開放電圧把握手段とを
備え、前記排水促進手段は、前記電流制限処理と前記反
応ガス供給量増加処理とを開始した後、前記燃料電池の
作動状態の異常が解消されて前記上限値が前記目標電流
よりも大きくなったときに、前記目標出力電流を前記電
流／電圧マップに適用して得られる電流値以上とする増
加補正を行った状態で、前記電流制限処理を終了するこ
とを特徴とする。
【００１３】かかる本発明によれば、前記排水処理促進
手段は、前記目標出力電流が前記電気二重層キャパシタ
の開放電圧を前記電流／電圧マップに適用して得られる
電流値以上となるように前記補正を行なった状態で、前
記電流制限処理を終了する。この場合、詳細は後述する
が、前記燃料電池の出力が前記電気二重層キャパシタの
開放電圧と平衡する電圧、電流値以上となるように、前
記目標出力電流が補正され、該補正された目標出力電流
に応じた量の反応ガスが前記燃料電池に供給される。そ
して、前記燃料電池の出力電圧が、前記電流制限処理を
終了した時の前記キャパシタの開放電圧以上であれば、
前記キャパシタへの充電電圧の降下が生じることはな
い。そのため、このように補正された状態で前記電流制
限処理を終了して前記燃料電池と前記電気二重層キャパ
シタとを直結した場合、前記電気二重層キャパシタの端
子電圧が上昇し、前記要求電力に応じた電流の出力を確
保した上で前記キャパシタを充電することができる。
【００１４】また、前記燃料電池により充電され、前記
要求電流に対して前記燃料電池の出力電流が不足する状
態となるときに、放電により前記要求電流の供給を確保
するために、前記電流制限手段を介して前記燃料電池と
並列に接続された電気二重層キャパシタとを備え、前記
排水促進手段は、前記電流制限処理と前記反応ガス供給
量増加処理とを開始した後、前記燃料電池の作動状態の
異常が解消して前記上限値が前記目標出力電流よりも大
きくなったときに、前記目標出力電流の増加補正を行う
ことを特徴とする。
【００１５】かかる本発明によれば、前記電流制限処理
と前記反応ガス供給処理の実行により前記目標出力電流
が前記上限値に復帰したときに、前記排水促進手段によ
り前記目標出力電流の増加補正を行うことによって、前
記負荷に対する前記要求電流の供給を確保した上で前記
電気二重層キャパシタを充電し、前記電気二重層キャパ
シタの開放電圧を前記燃料電池の出力電圧まで上昇させ
て前記電気二重層キャパシタと前記燃料電池とを直結可
能な状態に移行させることができる。
【００１６】また、前記燃料電池の出力電圧を検出する
燃料電池電圧検出手段を備え、前記排水促進手段は、前
記電流制限処理を終了した後、前記開放電圧把握手段に
より把握される前記電気二重層キャパシタの開放電圧が
前記燃料電池電圧検出手段の検出電圧以上となったとき
に、前記増加補正を終了することを特徴とする。
【００１７】かかる本発明によれば、前記電気二重層キ
ャパシタの開放電圧が前記燃料電池検出手段の出力電圧
以上となったとき、すなわち、前記燃料電池から前記電
気二重層キャパシタへの充電が終了したときに、前記増
加補正を終了することができる。
【００１８】また、前記排水促進手段により、前記反応
ガス供給量増加処理を間欠的に実行することによって、
前記燃料電池内を通過する反応ガスの流量を変化させる
ことができ、これにより前記燃料電池内に滞留した水を
排出する効果を高めることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明の第１及び第２の実施の形
態について、図１〜図６を参照して説明する。図１は本
発明の燃料電池電源装置の全体構成図、図２は図１に示
した燃料電池電源装置における電流制限処理の制御ブロ
ック図、図３は図１に示した燃料電池電源装置における
反応ガス供給量増加処理の制御ブロック図、図４は反応
ガス供給量増加処理における目標出力電流の決定方法を
説明するためのグラフ、図５は第１の実施の形態におけ
る燃料電池と電気二重層キャパシタの出力電圧の推移を
示したグラフ、図６は第２の実施の形態における燃料電
池と電気二重層キャパシタの出力電圧の推移を示したグ
ラフである。
【００２０】先ず、第１の実施の形態について説明す
る。図１を参照して、本発明の燃料電池電源装置１は、
車両に搭載されて該車両の駆動用電源として機能する。
燃料電池電源装置１は、水素と空気を反応ガスとした電
気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池２と、
電気二重層キャパシタ３（以下、単にキャパシタ３とい
う）を並列に接続して構成されたハイブリッド型の燃料
電池電源装置であり、その出力電力が、マイクロコンピ
ュータ、メモリ等により構成されるコントローラ４によ
って制御される。
【００２１】燃料電池電源装置１の出力電力は、モータ
駆動装置５、空調機器６、及びＤＣ／ＤＣコンバータ７
を介して１２Ｖ系の車載負荷８に供給される。モータ駆
動装置５は、コントローラ４に備えられた駆動制御部９
から出力されるトルク指令値（TRQ_CMD）に応じて、モ
ータ１０の電機子に流れる電流を制御する。そして、モ
ータ１０の駆動力はトランスミッション１１を介して駆
動輪１２に伝達される。
【００２２】駆動制御部９は、アクセルペダル１３の踏
込み量（Ａp）とモータ１０の回転数（Ｎm）に基づい
て、モータ駆動装置５で必要となる電力であるモータ要
求電力（PD_REQ）の指示信号を電源管理制御部１４に出
力する。
【００２３】また、電源管理制御部１４には、モータ１
０以外の電装補機で消費される電力を把握するために、
負荷センサ１５により検出される負荷電流（Ｉ_load）
と負荷電圧（Ｖ_load）の検出信号が入力され、これら
の検出信号により、電源管理制御部１４は、モータ１０
以外の電装補機で消費される電力を把握する。
【００２４】そして、電源管理制御部１４は、燃料電池
制御部１６（本発明の燃料電池制御手段に相当する）か
ら出力される燃料電池２から供給可能な電流の上限値で
ある出力上限電流（Ｉfc_LMT、本発明の上限値に相当す
る）と、キャパシタ３を構成するキャパシタセル（図示
しない）の個々の状態（出力電圧や温度）等を考慮した
上で、モータ要求電力（PD_REQ）とモータ１０以外の電
装補機で消費される電力との合計電力に応じて、燃料電
池２から出力される電流の目標値である目標出力電流
（Ｉfc_CMD）を決定し、該目標出力電流（Ｉfc_CMD）を
指示する信号を燃料電池制御部１６に出力する。また、
電源管理制御部１４は、駆動制御部９に対して、燃料電
池２から供給可能な電力の上限値である出力制限電力
（PLD）を通知する信号を出力する。
【００２５】なお、燃料電池制御部１６には、反応ガス
センサ２０から出力される燃料電池２に供給される反応
ガス（水素及び空気）の圧力（Ｐgas）、流量（Ｑga
s）、及び温度（Ｔgas）の各検出信号と、燃料電池２の
スタック（図示しない）の個々の状態（Ｖcell_indiv）
の検出信号とが入力され、燃料電池制御部１６は、これ
らの検出信号から把握される燃料電池２の状態を考慮し
て出力上限電流（Ｉfc_LMT）を決定する。
【００２６】また、駆動制御部９は、電源管理制御部１
４から通知された出力制限電力（PLD）を超えないよう
に、モータ駆動装置５に対してトルク指令（TRQ_CMD）
の指示信号を出力し、モータ駆動装置５は、モータ１０
が該トルク指令（TRQ_CMD）に応じたトルクを発生する
ように、モータ１０の電機子電流を制御する。
【００２７】また、燃料電池制御部１６は、燃料電池２
から目標出力電流（Ｉfc_CMD）の電流が出力されるよう
に、反応ガス供給装置２１（本発明の反応ガス供給手段
に相当する）に対して、燃料電池２に供給する反応ガス
の目標供給量（CMP_CMD）を指示する信号を出力する。
これにより、目標出力電流（Ｉfc_CMD）に応じた流量の
空気と水素が燃料電池２に供給される。
【００２８】そして、反応ガス供給装置２１から供給さ
れる水素は、イジェクタ（図示しない）及び加湿器（図
示しない）を経由して燃料電池２の水素極に供給され、
空気極に供給される空気中の酸素と電気化学反応を生じ
て水となり、排出弁２２を介して排出される。ここで、
排出弁２２の開度は、空気及び水素の供給圧に応じて燃
料電池２内部の圧力勾配が一定に保たれるように、燃料
電池制御部１６からの制御信号（VLV_CMD）により制御
される。
【００２９】また、燃料電池２には、水冷式の冷却器
（図示しない）が備えられ、燃料電池制御部１６は、該
冷却器の入水温度と出水温度に応じて該冷却器に供給さ
れる冷却水の流量と温度を制御する。
【００３０】また、燃料電池電源装置１には、キャパシ
タ３の充放電電流（Ｉcap）と端子電圧（Ｖcap）を検出
するキャパシタセンサ３１が備えられ、該キャパシタセ
ンサ３１の検出信号も電源管理制御部１４に入力され
る。
【００３１】さらに、燃料電池電源装置１には、燃料電
池２の出力電流を制限するためにトランジスタやＦＥＴ
等のスイッチング素子を備えると共に、燃料電池２の出
力電流（Ｉfc）と出力電圧（Ｖfc）を検出する出力電流
制限手段３０（本発明の電流制限手段の機能を含む）が
設けられ、電源管理制御部１４から出力される電流制限
信号（VCU_CMD）のレベル（High／Low）に応じて、出力
電流制限手段３０は燃料電池２の電流出力をＯＮ／ＯＦ
Ｆする。
【００３２】以上説明した構成により、モータ要求電力
（PD_REQ）と負荷電流（Ｉload）及び負荷電圧（Ｖloa
d）により算出される電装補機の消費電力とに応じて決
定される目標出力電流（Ｉfc_CMD）に応じた電流が燃料
電池２から出力されるように、燃料電池２に対する反応
ガスの目標供給量（CMP_CMD）が制御される。そのた
め、基本的には、燃料電池２の出力電流がモータ１０と
電装補機の総消費電力に対して不足することはない。
【００３３】しかし、燃料電池２における反応ガスの電
気化学反応により生じた水が完全に燃料電池２から排出
されずに燃料電池２内に滞留する場合があり、この場合
には、燃料電池２内に滞留した水により燃料電池２に対
する反応ガスの供給が妨げられて燃料電池２の発電効率
が低下した異常状態となる。そして、このような異常状
態となると、目標出力電流（Ｉfc_CMD）の電流を燃料電
池２から出力することが不可能となって、モータ１０及
び電装補機に供給する電力が不足するおそれがある。
【００３４】そこで、電源管理制御部１４は、燃料電池
２の異常の発生の有無を監視し、燃料電池２に異常が生
じたときには、該異常を解消して燃料電池２を正常状態
に復帰させるために、燃料電池２の出力電流を制限する
電流制限処理と共に、燃料電池２に対する反応ガスの供
給量を増加させる反応ガス供給量増加処理を実行する。
【００３５】先ず、図２を参照して、電源管理制御部１
４による電流制限処理の実行手順について説明する。電
源管理制御部１４には、駆動制御部９に備えられた要求
電力算出部４０により、アクセルペダル１３の踏込み量
（Ａp）とモータ１０の回転数（Ｎm）に基づいて算出さ
れるモータ要求電力（PD_REQ）が入力される。
【００３６】また、電源管理制御部１４には、燃料電池
制御部１６に備えられた出力上限電流算出部４１（本発
明の上限値把握手段に相当する）により、反応ガスセン
サ２０から出力される燃料電池２に供給される反応ガス
の圧力（Ｐgas）、流量（Ｑgas）、及び温度（Ｔgas）
の検出信号と、燃料電池２から出力される燃料電池２の
スタック（図示しない）を構成する燃料電池セル（図示
しない）の個々の状態（Ｖcell_indiv）の検出信号と、
冷却器（図示しない）から出力される冷却水の入水温度
（Ｔwin）及び出水温度（Ｔwout）の検出信号とに応じ
て算出される出力上限電流（Ｉfc_LMT）が入力される。
【００３７】そして、電源管理制御部１４に備えられた
電流制限部４５（本発明の排水促進手段を構成する）
は、要求出力電流算出部４２（本発明の目標出力電流決
定手段に相当する）により、モータ要求電力（PD_REQ）
と、負荷電流（Ｉ_load）及び負荷電圧（Ｖ_load）から
算出される電装補機の消費電力とを合計した総電力を電
力／電流変換して算出される要求出力電流（Ｉfc_CAL，
本発明の負荷の要求電流及び目標出力電流に相当する）
と、出力上限電流（Ｉfc_LMT）とを比較する。
【００３８】電流制限部４５は、要求出力電流（Ｉfc_C
AL）が出力上限電流（Ｉfc_LMT）以下であるときは、燃
料電池２が正常状態にあると判断し、出力電流制限手段
３０（図１参照）への電流制限信号（VCU_CMD）をHigh
レベルとして出力電流制限手段３０をＯＮ状態に維持し
て、燃料電池２とキャパシタ３とを直結状態とする。
【００３９】一方、出力上限電流（Ｉfc_LMT）が要求出
力電流（Ｉfc_CAL）以下となったときには、電流制限部
４５は、燃料電池２内に水が滞留して異常状態となった
と判断して、出力電流制限手段３０への電流制限信号
（VCU_CMD）を出力レベル（High又はLow）が切り換わる
パルス信号として出力電流制限手段３０をＯＮ／ＯＦＦ
し、これにより燃料電池２の出力電流を制限する。な
お、電流制限部４５は、該パルス信号の１周期あたりの
Highレベルの出力期間の割合（デューティ比）を変更す
ることによって、燃料電池２の出力電流を調節する。
【００４０】このように、電流制限部４５により燃料電
池２の出力電流を制限することによって、燃料電池２の
発電量が減少するが、燃料電池２に供給される反応ガス
の量は、要求出力電流（Ｉfc_cal）に応じて目標出力電
流算出部５０により決定される目標出力電流（Ｉfc_CM
D）に対応した供給量に保たれるため、燃料電池２に供
給される反応ガスのうち電気化学反応を生じることなく
そのまま燃料電池２を通過する反応ガスの流量が増加す
る。そして、これにより、燃料電池２内に滞留して反応
ガスの供給を妨げていた水の排出が促進される。
【００４１】なお、供給上限電力算出部４３は出力上限
電流（Ｉfc_LMT）に応じて出力制限電力（PLD）を算出
し、駆動制御部９に備えられた要求電力算出部４０は、
アクセルペダル１３の踏込み量（Ａp）とモータ１０の
回転数（Ｎm）に基づいて、モータ駆動ユニット６で必
要となる電力であるモータ要求電力（PD_REQ）を算出す
る。
【００４２】そして、電気自動車制御ユニット９に備え
られたモータ駆動電力算出部４６は、モータ要求電力
（PD_REQ）と出力制限電力（PLD）とを比較し、モータ
要求電力（PD_REQ）が出力制限電力（PLD）以下である
ときはモータ要求電力（PD_REQ）に応じてトルク指令
（TRQ_CMD）を決定するが、モータ要求電力（PD_REQ）
が出力制限電力（PLD）を超えたときには、出力制限電
力（PLD）に応じてトルク指令（TRQ_CMD）を決定してモ
ータ１０の消費電力を抑制する。
【００４３】また、燃料電池制御部１６に備えられた目
標ガス供給量算出部４４は、目標出力電流（Ｉfc_CMD）
に応じた量の反応ガスが供給されるように、反応ガス供
給装置２１から燃料電池２に供給される反応ガスの目標
供給量（CMP_CMD）を決定する。
【００４４】また、前記電流制限処理により燃料電池２
の出力電流を制限すると、目標出力電流（Ｉfc_CMD）に
対して、燃料電池２の出力電流が不足する状態となる
が、不足する電流分はキャパシタ３からの放電電流によ
り補充される。
【００４５】次に、図３を参照して、電源管理制御部１
４による反応ガス供給量増加処理について説明する。電
源管理制御部１４に備えられた目標出力電流決定部５０
は、キャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_o）を算出するキ
ャパシタ開放電圧算出部５１（本発明の開放電圧把握手
段に相当する）と、上限電流（Ｉfc_LMT）が要求出力電
流（Ｉfc_CAL）以下となったときに要求出力電流（Ｉfc
_CAL）を補正する補正処理部５２（本発明の排水促進手
段を構成する）と、キャパシタ３の内部抵抗値（Ｒca
p）のデータ及び燃料電池２の出力電流と出力電圧の相
関関係を示すマップ（Ｉfc／Ｖfcマップ）のデータを記
憶したデータメモリ５３（本発明の記憶手段に相当す
る）とを備える。
【００４６】キャパシタ開放電圧算出部５１は、キャパ
シタセンサ３１により検出されるキャパシタ電流（Ｉca
p）及びキャパシタ電圧（Ｖcap）と、データメモリ５３
に記憶されたキャパシタ３の内部抵抗（Ｒcap）とに基
づいて、以下の式（１）により、キャパシタ３の開放電
圧（Ｖcap_o）を算出する。
【００４７】 Ｖcap_o＝Ｖcap ＋ Ｉcap×Ｒcap ・・・・・（１） また、補正処理部５２は、要求出力電流（Ｉfc_CAL）と
出力上限電流（Ｉfc_LMT）とを比較し、出力上限電流
（Ｉfc_LMT）が要求出力電流（Ｉfc_CAL）を超えている
ときは、燃料電池２が正常に作動していると判断して、
要求出力電流（Ｉfc_CAL）をそのまま目標出力電流（Ｉ
fc_CMD）として出力する。
【００４８】一方、出力上限電流（Ｉfc_LMT）が要求出
力電流（Ｉfc_CAL）以下となったときには、補正処理部
５２は、燃料電池２が異常状態にあると判断して、要求
出力電流（Ｉfc_CAL）を所定量（ΔＩfc）増加させる補
正（本発明の目標出力電流の増加補正に相当する）を行
なって目標出力電流（Ｉfc_CMD）を決定し（Ｉfc_CMD＝
Ｉfc_CAL＋ΔＩfc）、該目標出力電流（Ｉfc_CMD）を出
力する。
【００４９】このように、要求出力電流（Ｉfc_CAL）に
対して目標出力電流（Ｉfc_CMD）を増加させることによ
って、目標ガス供給量算出部４４（図２参照）により目
標出力電流（Ｉfc_CMD）に応じて決定される反応ガスの
目標供給量（CMP_CMD）が増加する。その結果、反応ガ
ス供給装置２１から燃料電池２に供給される反応ガスの
流量が増加して燃料電池２内に滞留した水を排出する効
果がさらに高められる。
【００５０】次に、図４を参照して、反応ガス供給量増
加処理における補正処理部５２による目標出力電流（Ｉ
fc_CMD）の具体的な決定手順について説明する。
【００５１】図４は、燃料電池２とキャパシタ３の出力
特性を示したグラフであり、縦軸が電圧（Ｖ）、横軸が
電流（Ｉ）に設定されている。そして、図中、Ｉ＝Ｆ
（Ｖ）の曲線は燃料電池２の出力特性（Ｉfc／Ｖfcマッ
プは、この出力特性に基づいて作成される）を示し、Ｉ
＝Ｇ１（Ｖ）は開放電圧（Ｖcap_o）がＶ２であるとき
のキャパシタ３の出力特性を電流軸正方向（図中右方
向）にＩ１分シフトした直線を示し、Ｉ＝Ｇ２（Ｖ）は
開放電圧（Ｖcap_o）がＶ３であるときのキャパシタ３
の出力特性を電流軸正方向にＩ１分だけシフトした直線
を示している。
【００５２】ここで、図中Ｐ２（Ｉ２，Ｖ２）を、要求
出力電流（Ｉfc_cal）が出力上限電流（Ｉfc_LMT）以下
であり、燃料電池２とキャパシタ３が直結されて、キャ
パシタ３の充放電電流が０（キャパシタ３の出力電圧＝
キャパシタ３の開放電圧）である平衡状態とし、Ｐ２に
おいて、燃料電池２の異常が生じて出力上限電流（Ｉfc
_LMT）が減少し、出力上限電流（Ｉfc_LMT）が要求出力
電流（Ｉfc_cal）以下となった場合を考える。なお、平
衡状態においては、燃料電池２の出力電流Ｉ２は燃料電
池制御部１６により目標出力電流（Ｉfc_CMD）に制御さ
れている。
【００５３】出力上限電流（Ｉfc_LMT）が要求出力電流
（Ｉfc_cal）以下となると、電流制限部４５（図２参
照）により上述した電流制限処理が開始されるが、図４
は該電流制限処理により燃料電池２の出力電流がＩ１に
制限された場合を示している。
【００５４】燃料電池２の出力電流がＩ１に制限される
と、燃料電池の出力電圧はＶ１まで上昇する。そして、
平衡時の燃料電池２の出力電流Ｉ２に対する不足分（Ｉ
２−Ｉ１，図中）が、キャパシタ３からの放電電流に
より補充されるため、キャパシタ３の残充電量が次第に
減少してキャパシタ３の開放電圧が低下し、キャパシタ
３の出力特性を示す直線は、Ｉ＝Ｇ１（Ｖ）から次第に
電圧軸負方向（図中下方向）にシフトしていく。
【００５５】そして、キャパシタ３の出力特性が、図中
Ｉ＝Ｇ２（Ｖ）までシフトしたときに、燃料電池２が正
常状態に復帰したときには、キャパシタ３の開放電圧
（Ｖcap_o）がＶ３であるのに対して、燃料電池２の出
力電圧はＶ１である。そのため、キャパシタ３と燃料電
池２を直結したときに、キャパシタ３が放電せずに燃料
電池２からキャパシタ３に充電電流が流れるようにする
ためには、目標出力電流（Ｉfc_CMD）を燃料電池２の出
力電圧をＶ３まで上昇させるのに必要な電流値であるＩ
３以上に設定すればよい。
【００５６】そこで、補正処理部５２は、前記電流制限
処理が実行されている間、キャパシタ３の開放電圧（Ｖ
cap_o）を燃料電池２の出力特性Ｉ＝Ｆ（Ｖ）に適用し
て算出した電流値（＝Ｆ（Ｖcap_o））以上となるよう
に、目標出力電流（Ｉfc_CMD）を決定する（Ｉfc_CMD≧
Ｆ（Ｖcap_o））。
【００５７】そして、これにより、前記電流制限処理が
実行されている間、前記燃料電池２とキャパシタ３を直
結したときに、燃料電池２の出力電圧をキャパシタ３の
開放電圧（Ｖcap_o）以上とするために必要な電流量に
応じた反応ガスが燃料電池２に供給される状態に保つこ
とができる。そのため、前記電流制限処理が終了して、
燃料電池２とキャパシタ３とが直結状態となったとき
に、キャパシタ３の放電が生じることはなく、目標出力
電流（Ｉfc_CMD）を確保した上で、キャパシタ３を充電
することができる。
【００５８】補正処理部５２は、電流制限処理が終了し
た後も、反応ガス供給量増加処理を続行し、これによ
り、目標出力電流（Ｉfc_CMD）と要求出力電流（Ｉfc_C
AL）との差分の電流（図中）により、キャパシタ３が
次第に充電されて、キャパシタ３の出力特性が電圧軸の
正方向にシフトして行く。
【００５９】そして、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）が
キャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_o）以上となったと
き、すなわち、燃料電池２からキャパシタ３への充電電
流の供給が停止したときに、補正処理部５２は要求出力
電流（Ｉfc_CAL）の補正を終了して反応ガス供給量増加
処理を終了する。
【００６０】これにより、目標出力電流決定部５０は、
燃料電池２とキャパシタ３とを直結した状態で、キャパ
シタ３を充電して平衡状態Ｐ２（Ｉ２，Ｖ２）まで復帰
させることができる。
【００６１】図５は、以上説明した電流制限処理と反応
ガス供給量増加処理が実行されたときの燃料電池３とキ
ャパシタ３の出力電圧の推移を示したグラフであり、縦
軸が電圧（Ｖ）、横軸が時間（ｔ）に設定されている。
そして、α1が燃料電池２の出力電圧、β1がキャパシタ
３の出力電圧を示している。
【００６２】時系列的に説明すると、ｔ10〜ｔ11は燃料
電池２が正常に作動してキャパシタ３と直結された状態
であり、ｔ11でセル電圧の低下等の燃料電池２の異常が
生じて電流制限部４５（図２参照）による電流制限処理
が開始され、燃料電池２の出力電圧がＶ2からＶ1に上昇
している。そして、電流制限処理により減少した燃料電
池２の発電量を補うためにキャパシタ３から放電が生
じ、該放電によりキャパシタ３の充電量が減少してキャ
パシタ３の出力電圧がＶ2からＶ3まで次第に低下してい
る。
【００６３】そして、ｔ12で燃料電池２が正常状態に復
帰して要求出力電流（Ｉfc_CAL）が出力上限電流（Ｉfc
_LMT）以下となったときに、目標出力電流算出部５０
は、上述したように、キャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_
o）が燃料電池２の出力電圧以上となるように目標出力
電流（Ｉfc_CMD）を決定し、これにより、電流制限処理
が終了して燃料電池２とキャパシタ３が直結状態とな
る。
【００６４】ｔ12で直結状態となった後、燃料電池２の
要求電流（Ｉfc_REQ）に対する余剰電流により、キャパ
シタ３が次第に充電される（ｔ12〜ｔ13）。そして、キ
ャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_o）が燃料電池２の出力
電圧以上となり、燃料電池２からキャパシタ３への充電
電流の流入が停止したｔ13で、補正処理部５２は反応ガ
ス供給量増加処理を終了する。
【００６５】次に、第２の実施の形態について説明す
る。第２の実施の形態における燃料電池電源装置のハー
ド構成は上述した第１の実施の形態と同様であり、燃料
電池２の異常が解消して正常状態に復帰した後の処理の
みが相違する。以下、図６を参照して、燃料電池２が正
常状態に復帰したときの処理について説明する。
【００６６】図６は、電流制限処理と反応ガス供給量増
加処理が実行されたときの燃料電池３とキャパシタ３の
出力電圧の推移を示したグラフであり、縦軸が電圧
（Ｖ）、横軸が時間（ｔ）に設定されている。そして、
α2が燃料電池２の出力電圧、β2がキャパシタ３の出力
電圧を示している。
【００６７】時系列的に説明すると、ｔ20〜ｔ21は燃料
電池２が正常に作動してキャパシタ３と直結された状態
であり、ｔ2 1でセル電圧の低下等の燃料電池２の異常
が生じて電流制限部４５（図２参照）による電流制限処
理が開始され、燃料電池２の出力電圧がＶ2からＶ1に上
昇している。そして、電流制限処理により減少した燃料
電池２の発電量を補うためにキャパシタ３から放電が生
じ、該放電によりキャパシタ３の充電量が減少してキャ
パシタ３の出力電圧がＶ2からＶ3まで次第に低下する。
【００６８】そして、本第２の実施の形態では、ｔ22で
燃料電池２が正常状態に復帰して要求出力電流（Ｉfc_c
al）が出力上限電流（Ｉfc_LMT）以下となったときに、
目標出力電流算出部５０は、Ｉfc／Ｖfcマップを用いず
に、目標出力電流（Ｉfc_CMD）を要求出力電流（Ｉfc_R
EQ）よりも大きな値に決定する（本発明の目標出力電流
の増加処理に相当する）。この場合は、必ずしも燃料電
池２の出力電圧とキャパシタ３の出力電圧が等しくなら
ず、燃料電池２とキャパシタ３の出力電圧が等しくなら
なければ両者を直結することができない。
【００６９】しかし、目標出力電流（Ｉfc_CMD）の増加
補正により、燃料電池２の要求電流（Ｉfc_REQ）に対す
る余剰電流が生じ、該余剰電流によりキャパシタ３が次
第に充電される（ｔ22〜ｔ23）。
【００７０】そして、キャパシタ３の出力電圧が燃料電
池３の出力電圧と等しくなったｔ23で、電流制限処理を
終了して燃料電池２とキャパシタ３を直結状態とし、さ
らにキャパシタ３の充電が進んで、キャパシタ３の開放
電圧（Ｖcap_o）が燃料電池２の出力電圧以上となり、
燃料電池２からキャパシタ３への充電電流の流入が停止
したｔ24で、補正処理部５２は反応ガス供給量増加処理
を終了する。
【００７１】なお、上記第１及び第２の実施の形態にお
いて、目標出力電流決定部５０は、補正処理部５２によ
る要求出力電流（Ｉfc_CAL）の増量補正を連続的に行な
ったが、該増量補正を間欠的に行なって燃料電池３内を
通過する反応ガスの流量を変化させることにより、燃料
電池３内に滞留した水を排出する効果を高めるようにし
てもよい。
【００７２】また、燃料電池電流センサ３０の検出電流
値が出力電流制限手段３０のスイッチング限界電流以下
に定められた閾値以下となったときにのみ、出力電流制
限手段３０によるスイッチングを行なって燃料電池２の
出力電流を制限するようにしてもよい。これにより、出
力電流制限手段３０に要求されるスイッチング限界電流
を小さくすることができるため、出力電流制限手段３０
の小型化を図ることができる。
【００７３】また、上述した第１及び第２の実施の形態
では、燃料電池２と電気二重層キャパシタ３とを並列に
接続した例を示したが、燃料電池２と他の種類の蓄電手
段（鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池
等）を並列に接続する場合であっても、本発明の適用が
可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池電源装置の構成図。
【図２】電流制限処理の制御ブロック図。
【図３】反応ガス供給量増加処理の制御ブロック図。
【図４】反応ガス供給量増加処理における要求出力電流
の補正処理の説明グラフ。
【図５】第１の実施の形態における燃料電池と電気二重
層キャパシタの出力電圧の推移を示したグラフ。
【図６】第２の実施の形態における燃料電池と電気二重
層キャパシタの出力電圧の推移を示したグラフ。
【図７】従来の燃料電池電源装置の構成図。
【符号の説明】
１…燃料電池電源装置、２…燃料電池、３…電気二重層
キャパシタ、４…コントローラ、５…モータ駆動装置、
９…駆動制御部、１４…電源管理制御部、１５…負荷セ
ンサ、１６…燃料電池制御部、２０…反応ガスセンサ、
２１…反応ガス供給装置、３０…出力電流制限手段、３
１…キャパシタセンサ、４０…要求電力算出部、４１…
出力上限電流算出部、４２…要求出力電流算出部、４３
…供給上限電力算出部、４４…目標ガス供給量算出部、
５０…目標出力電流算出部、５１…キャパシタ開放電圧
算出部、５２…補正処理部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 和氣 千大 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 佐伯 響 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 DD00 KK25 KK56

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】PEM型の燃料電池と、該燃料電池に反応ガ
    スを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池の出力
    電流を制限する電流制限手段と、該電流制限手段を介し
    て前記燃料電池と負荷とを接続して前記燃料電池から該
    負荷に電流を供給する際に該負荷の要求電流に応じて前
    記燃料電池の目標出力電流を決定する目標出力電流決定
    手段と、該目標出力電流に基づいて前記反応ガス供給手
    段から前記燃料電池に供給する反応ガスの供給量を制御
    する燃料電池制御手段と、前記燃料電池の作動状態を検
    知して前記燃料電池から出力可能な電流の上限値を把握
    する上限値把握手段と、 前記目標出力電流と前記上限値とを比較し、前記燃料電
    池の作動状態の異常が生じて前記上限値が前記目標電流
    以下となったときに、前記電流制限手段により前記目標
    出力電流が前記上限値以下となるように前記燃料電池の
    出力電流を制限する電流制限処理と共に、前記反応ガス
    供給手段から前記燃料電池への反応ガスの供給量を増加
    させる反応ガス供給量増加処理を実行して、前記燃料電
    池内に滞留した水の排出を促進させる排水促進手段とを
    備えたことを特徴とする燃料電池電源装置。
  2. 【請求項２】前記燃料電池により充電され、前記要求電
    流に対して前記燃料電池の出力電流が不足する状態とな
    るときに、放電により前記要求電流の供給を確保するた
    めに、前記電流制限手段を介して前記燃料電池と並列に
    接続された電気二重層キャパシタと、 前記燃料電池の出力電圧と出力電流との相関関係を示す
    電流／電圧マップのデータを記憶した記憶手段と、前記
    電気二重層キャパシタの開放電圧を把握する開放電圧把
    握手段とを備え、 前記排水促進手段は、前記電流制限処理と前記反応ガス
    供給量増加処理とを開始した後、前記燃料電池の作動状
    態の異常が解消されて前記上限値が前記目標電流よりも
    大きくなったときに、前記目標出力電流を前記電流／電
    圧マップに適用して得られる電流値以上とする増加補正
    を行った状態で、前記電流制限処理を終了することを特
    徴とする請求項１記載の燃料電池電源装置。
  3. 【請求項３】前記燃料電池により充電され、前記要求電
    流に対して前記燃料電池の出力電流が不足する状態とな
    るときに、放電により前記要求電流の供給を確保するた
    めに、前記電流制限手段を介して前記燃料電池と並列に
    接続された電気二重層キャパシタとを備え、 前記排水促進手段は、前記電流制限処理と前記反応ガス
    供給量増加処理とを開始した後、前記燃料電池の作動状
    態の異常が解消して前記上限値が前記目標出力電流より
    も大きくなったときに、前記目標出力電流の増加補正を
    行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池電源装
    置。
  4. 【請求項４】前記燃料電池の出力電圧を検出する燃料電
    池電圧検出手段を備え、 前記排水促進手段は、前記電流制限処理を終了した後、
    前記開放電圧把握手段により把握される前記電気二重層
    キャパシタの開放電圧が前記燃料電池電圧検出手段の検
    出電圧以上となったときに、前記増加補正を終了するこ
    とを特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池電
    源装置。
  5. 【請求項５】前記排水促進手段は、前記反応ガス供給量
    増加処理を間欠的に実行することを特徴とする請求項１
    から請求項４のうちいずれか１項記載の燃料電池電源装
    置。
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