JP2003187842A

JP2003187842A - 燃料電池の発電量制御

Info

Publication number: JP2003187842A
Application number: JP2001387978A
Authority: JP
Inventors: Kiyomi Eimiya; 清美永宮; Masaaki Yamaoka; 正明山岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-12-20
Filing date: 2001-12-20
Publication date: 2003-07-04
Anticipated expiration: 2021-12-20
Also published as: JP3982255B2

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池スタック内の任意の１つのセルの性
能が低下したときにも、燃料電池スタックをこれに応じ
た適切な運転状態で運転させることのできる技術を提供
する。【解決手段】燃料電池スタック１１０の各セルの電圧
を測定し、最低セル電圧Ｖmin に基づいて、燃料電池ス
タック１１０で出力可能な電力量Ｐmax を算出する。そ
して、この出力可能な電力量Ｐmax 以下の電力量を発生
するように、燃料電池システム６０を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
の制御技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、環境に優しいクリーンな電
源として注目されている。また、近年では、燃料電池を
効率的に運転するための種々の努力がなされている。例
えば、特開２００−２０８１６１号公報では、燃料電池
スタックを構成する複数のセルのセル電圧の標準偏差を
算出し、この標準偏差に基づいて燃料電池の電流を制御
して、運転効率を向上させる方法が記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池スタックは多
数のセルで構成されており、その中の１つでも発電不能
になると、燃料電池全体が発電不能になる。しかし、上
述した従来技術では、１つのセルのみが発電不能に近い
状態になったときには、セル電圧の標準偏差にあまり大
きな変化が無いので、燃料電池内で発生している不具合
を検出できないという問題があった。

【０００４】本発明は、上述した従来の課題を解決する
ためになされたものであり、燃料電池スタック内の任意
の１つのセルの性能が低下したときにも、燃料電池スタ
ックをこれに応じた適切な運転状態で運転させることの
できる技術を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃
料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池スタッ
クと、前記燃料電池スタックの各セルの電圧を測定する
セル電圧測定部と、測定されたセル電圧の中の最低値で
ある最低セル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックで
出力可能な電力量を算出するとともに、前記出力可能な
電力量以下の電力量を前記燃料電池スタックに発生させ
る制御部と、を備えることを特徴とする。

【０００６】この構成によれば、最低セル電圧に基づい
て燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するの
で、任意の１つのセルの性能が低下したときにも、燃料
電池スタックをこれに応じた適切な運転状態で運転させ
ることが可能である。

【０００７】なお、前記制御部は、前記最低セル電圧の
所定の閾値よりも低いときに、前記出力可能な電力量を
徐々に低下させるようにしてもよい。

【０００８】この構成によれば、最低セル電圧が閾値に
ほぼ等しい値に達するまでは出力可能な電力量が徐々に
低下するので、セルに不具合が発生しているときにも、
その不具合の進行を可能な限り防止しつつ、燃料電池シ
ステムの運転を継続することが可能である。

【０００９】前記制御部は、前記最低セル電圧が前記閾
値よりも低いときに、前記最低セル電圧と前記閾値との
差分に応じて前記出力可能な電力量を徐々に低下させる
ようにしてもよい。

【００１０】このように差分に応じた量で出力可能な電
力量を低下させれば、燃料電池システムの発電量をより
適切に制御することが可能である。

【００１１】また、前記制御部は、前記最低セル電圧が
所定以上の降下率を示したときに、前記出力可能な電力
量を、前記最低セル電圧と前記閾値との差分に応じた低
下量以上の量で低下させるようにしてもよい。

【００１２】この構成によれば、セルの不具合が急激に
進行するのを防止することが可能である。

【００１３】例えば、前記制御部は、前記最低セル電圧
が所定以上の降下率を示したときに、前記出力可能な電
力量をゼロに設定するようにしてもよい。

【００１４】この構成によれば、セルの不具合の進行を
素早く停止させることが可能である。

【００１５】なお、本発明は、種々の態様で実現するこ
とが可能であり、例えば、燃料電池システムおよびその
制御方法、それらのシステムを備える移動体およびその
制御方法、それらの方法または装置の機能を実現するた
めのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログ
ラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラム
を含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で
実現することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づいて以下の順序で説明する。Ａ．実施例：Ｂ．変形例：

【００１７】Ａ．実施例：図１は、本発明の一実施例と
しての電気自動車の概略構成図である。この電気自動車
（以下、単に「車両」と呼ぶ）の車輪駆動機構は、モー
タ２０と、トルクコンバータ３０と、変速機４０とを有
している。モータ２０の回転軸１３は、トルクコンバー
タ３０に結合されている。トルクコンバータの出力軸１
４は、変速機４０に結合されている。変速機４０の出力
軸１５は、ディファレンシャルギヤ１６を介して車輪１
８の車軸１７に結合されている。

【００１８】モータ２０は、ロータ２２と、ステータ２
４とを備える三相の同期モータである。ロータ２２の外
周面には、複数個の永久磁石が設けられている。また、
ステータ２４には、回転磁界を形成するための三相コイ
ルが巻回されている。モータ２０は、ロータ２２に備え
られた永久磁石による磁界と、ステータ２４の三相コイ
ルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動
する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる
場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの
両端に起電力を生じさせる。この場合には、モータ２０
は発電機として機能する。

【００１９】モータ２０には、主電源としての燃料電池
システム６０と、補助電源としてのバッテリ（２次電
池）５０と、の２つの電源が備えられている。バッテリ
５０は燃料電池システム６０が故障した場合や、車両の
始動時等のように燃料電池システム６０から十分な電力
を出力することができない場合などに、不足する電力を
モータ２０に供給する。バッテリ５０の電力は、さら
に、車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置な
どの電力機器（図示せず）にも供給される。

【００２０】２つの電源５０，６０からの電力は、それ
ぞれの駆動回路５１，５２と、切替スイッチ８０とを介
してモータ２０に供給される。切替スイッチ８０は、バ
ッテリ５０と、燃料電池システム６０と、モータ２０の
３者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ス
テータ２４は、切替スイッチ８０および第１の駆動回路
５１を介してバッテリ５０に電気的に接続され、また、
切替スイッチ８０および第２の駆動回路５２を介して燃
料電池システム６０に接続される。２つの駆動回路５
１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成さ
れており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース
側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備
えられている。これらの駆動回路５１，５２は、制御ユ
ニット７０と電気的に接続されている。

【００２１】制御ユニット７０は、シフトレバー７２
と、アクセルペダル７４と、ブレーキペダル７６とから
与えられる運転者の指令に基づいて、車両のための各種
の制御を実行する。制御ユニット７０が駆動回路５１，
５２の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御
すると、バッテリ５０および燃料電池システム６０を電
源とする擬似三相交流がステータ２４の三相コイルに流
れ、回転磁界が形成される。モータ２０は、このような
回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機また
は発電機として機能する。

【００２２】なお、制御ユニット７０の各種の制御動作
は、制御ユニット７０に内蔵されている図示しないメモ
リ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御ユニ
ット７０が実行することによって実現される。このメモ
リとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録
媒体を利用することが可能である。

【００２３】図２は、燃料電池システム６０の構成を示
す説明図である。この燃料電池システム６０は、ＦＣ制
御部１００と、燃料電池１１０と、燃料ガス供給部１２
０と、空気供給部１４０とを有している。燃料電池１１
０は、複数の単位セルが積層された構成を有しており、
以下では「燃料電池スタック」とも呼ぶ。燃料電池１１
０には、各単位セルの電圧を測定するためのセル電圧セ
ンサ１１２が設けられている。

【００２４】燃料ガス供給部１２０は、燃料ガス供給源
１２２と燃料ガス用配管１２４とを有しており、燃料電
池１１０内部の燃料ガス通路に、水素を含む燃料ガスを
供給する。燃料ガス供給源１２２としては、水素ボンベ
や水素吸蔵合金、改質装置などを利用することができ
る。燃料ガス用配管１２４には、圧力調整弁１２６と、
ガスフローメータ１２８と、圧力センサ１３０と、排出
弁１３２とが設けられている。排出弁１３２は、必要に
応じて外部への燃料排ガス（水素排ガス）の排出を停止
するための開閉弁である。

【００２５】空気供給部１４０は、コンプレッサ１４２
と空気用配管１４４とを有しており、燃料電池１１０内
部の空気通路に空気を供給する。空気用配管１４４に
は、圧力調整弁１４６と、ガスフローメータ１４８と、
圧力センサ１５０とが設けられている。

【００２６】図２に示されている電力制御部２００は、
図１に示す制御ユニット７０に含まれている。この電力
制御部２００は、車両の出力要求に応じて燃料電池シス
テム６０とバッテリ５０との出力配分を決定し、燃料電
池システム６０の要求電力Ｐreq をＦＣ制御部１００に
出力する。この要求電力Ｐreq は、燃料電池システム６
０に出力させたい電力量を意味している。ＦＣ制御部１
００は、この要求電力Ｐreq を受けると、出力可能電力
Ｐmax を算出して電力制御部２００に返信する。ＦＣ制
御部１００による出力可能電力Ｐmax の算出方法につい
ては後述する。電力制御部２００は、この出力可能電力
Ｐmax に基づいて、燃料電池システム６０から実際に発
生させる電力量Ｐexを決定して、ＦＣ制御部１００に再
度指令する。

【００２７】ＦＣ制御部１００は、電力制御部２００か
らの電力指令値Ｐexと、燃料電池システム６０内の各種
のセンサからの検出信号とに基づいて、燃料電池システ
ム６０の各構成要素の動作を制御する。

【００２８】図３は、燃料電池システム６０の電力量制
御の構成を示すブロック図である。ＦＣ制御部１００
は、電流値算出部１０１と、第１の減算器１０２と、ガ
ード処理部１０３と、出力可能電力算出部１０４と、第
２の減算器１０５と、ＰＩ補償部１０６とを有してい
る。

【００２９】図４は、電力量制御の手順を示すフローチ
ャートである。ステップＳ１では、電流値算出部１０１
が、電力制御部２００から与えられた要求電力Ｐreq に
応じて、これに対応する燃料電池スタック１１０の電流
値Ｉ０を算出する。図５は、燃料電池スタック１１０の
電流と電圧と電力の三者の関係を示すグラフである。一
般に、電流の増大に伴って電圧は減少するが、出力電力
は増大する。電流値算出部１０１は、このような出力電
力とＦＣ電流との関係を用いて、要求電力Ｐreq に対応
する電流値Ｉ０を求める。

【００３０】ステップＳ２では、この電流値Ｉ０が、セ
ル電圧センサ１１２（図２）で測定されたセル電圧の中
の最低値Ｖmin （「最低セル電圧Ｖmin 」と呼ぶ）に応
じて補正される。図３に示すように、最低セル電圧Ｖmi
n は、第２の減算器１０５にフィードバックされてい
る。減算器１０５は、所定の閾値Ｖthから最低セルで夏
Ｖmin を減算して、差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）を求め
る。なお、閾値Ｖthの値は、セル電圧がこの閾値Ｖth以
下のときに、そのセルに不具合が発生している可能性が
あると判断できるような値に予め設定されている。

【００３１】ＰＩ補償部１０６は、減算器１０５から与
えられた差分ΔＶを用い、以下の（１）式に従って電流
補正量Ｉｃを算出する。

【００３２】Ｉｃ＝Ｋｐ×ΔＶ＋Ｋｉ×ΣΔＶ …（１）

【００３３】ここで、Ｋｐ，Ｋｉは所定の係数であり、
Σは一定周期毎に累算する演算を表す演算子である。こ
の（１）式からも理解できるように、ＰＩ補償部１０６
は、電圧の差分ΔＶに対していわゆる比例補償と積分補
償とを行っている。この電流補正量Ｉｃは、第１の減算
器１０２において電流値Ｉ０から減算され、この結果、
以下の（２）式で与えられる補正後の電流値Ｉ１が得ら
れる。

【００３４】Ｉ１＝Ｉ０−Ｋｐ×ΔＶ−Ｋｉ×ΣΔＶ …（２）

【００３５】すべてのセルが正常に動作している場合に
は、最低セル電圧Ｖmin は閾値Ｖthよりも大きいので、
これらの差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）は負の値を取る。
従って、このときには補正後の電流値Ｉ１は元の電流値
Ｉ０よりも大きくなる。これは、燃料電池スタック１１
０が要求電力Ｐreq 以上の電力を出力できることを意味
する、と考えることもできる。一方、１つのセルでも不
具合が発生していると、電圧の差分ΔＶが正の値にな
り、補正後の電流値Ｉ１は元の電流値Ｉ０よりも小さく
なる。これは、燃料電池スタック１１０で発電できる電
力量が要求電力Ｐreq よりも小さいことを意味してい
る。（２）式の演算は、一定周期毎に実行されるので、
最低セル電圧Ｖmin が閾値Ｖthよりも低いときには、補
正後の電流値Ｉ１は徐々に低下する。

【００３６】図４のステップＳ３では、ガード処理部１
０３が最低セル電圧Ｖmin の変化率に応じて所定のガー
ド処理を実行し、ガード処理後の電流値Ｉ２を求める。
ガード処理の内容は、以下の通りである。

【００３７】（１）最低セル電圧Ｖmin の降下率がその
閾値δ未満のとき：Ｉ２＝Ｉ１（２）最低セル電圧Ｖmin の降下率がその閾値δ以上の
とき：Ｉ２＝０

【００３８】最低セル電圧Ｖmin の降下率としては、例
えば最低セル電圧Ｖmin の近似微分値の符号を反転した
値を利用することができる。ガード処理は、最低セル電
圧Ｖmin が急激に降下したときに、燃料電池スタック１
１０の発電を中止して、セルに発生し始めている不具合
の進行を停止させるためのものである。このガード処理
の利点についてさらに後述する。

【００３９】ステップＳ４では、出力可能電力算出部１
０４が、ガード処理後の電流値Ｉ２から、燃料電池スタ
ック１１０が出力可能な電力量Ｐmax を算出する。この
算出は、図５に示した電流と出力との関係を参照して行
われる。

【００４０】ステップＳ５では、電力制御部２００が、
ＦＣ制御部１００から出力可能電力量Ｐmax を受け取
り、これに応じて電力の再配分を行って、燃料電池シス
テム６０（具体的にはＦＣ制御部１００）に実行電力量
Ｐexを指令する。この実行電力量Ｐexは、出力可能電力
量Ｐmax と等しい値でもよく、これより小さな値でもよ
い。燃料電池システム６０は、この実行電力量Ｐexを発
生するように運転される。具体的には、燃料電池スタッ
ク１１０への燃料ガスと空気の供給量が実行発電量Ｐex
に応じて調整され、また、燃料電池システム６０から実
行電力量Ｐexが出力されるように駆動回路５２（図１）
が制御される。

【００４１】以上のように、本実施例によれば、最低セ
ル電圧Ｖmin に基づいて燃料電池スタック１１０から出
力可能な電力量Ｐmax を決定しているので、任意の１つ
のセルのセル電圧が低下したときに、そのセル電圧に応
じて燃料電池システム６０の運転状態を制御することが
可能である。この結果、燃料電池スタック１１０の運転
を可能な限り継続させることが可能である。特に、本実
施例では、最低セル電圧Ｖmin とその閾値Ｖthとの差分
ΔＶに応じて出力可能な電流値Ｉ１，Ｉ２（すなわち出
力可能な電力量Ｐmax ）をフィードバック補正している
ので、最低セル電圧Ｖmin が閾値Ｖthと等しい値に達す
るするまで、出力可能な電力量Ｐmax が徐々に低下す
る。従って、セル電圧の低下の原因となっているセルの
不具合の進行を防止するように、燃料電池スタック１１
０の電力量を制御することが可能である。

【００４２】また、ガード処理においては、最低セル電
圧Ｖmin が所定値δ以上の降下率を示したときに、出力
可能な電流値Ｉ２（すなわち出力可能な電力量Ｐmax ）
を、ゼロに設定している。このガード処理を行えば、最
低セル電圧Ｖmin を示すセルに何らかの不具合が発生し
始めたときに、直ちに発電を一時的に中止して、その不
具合の進行を停止させることが可能である。

【００４３】ガード処理によって電流値Ｉ２をゼロに設
定して燃料電池スタック１１０による発電を停止したと
きには、ガード処理部１０３は、最低セル電圧Ｖmin を
監視しつつ徐々に電流値Ｉ２を増加させるようにしても
よい。例えば、最低セル電圧Ｖmin をその閾値Ｖthとほ
ぼ等しい値に保ちつつ、電流値Ｉ２を徐々に回復するよ
うにするしてもよい。このようにすれば、セルの不具合
の進行を可能な限り防止しつつ、燃料電池スタック１１
０による発電を継続させることが可能である。

【００４４】なお、最低セル電圧Ｖmin の降下率がその
閾値δ以上のときに電流値Ｉ２を完全にゼロに設定せず
に、他の規則に応じてゼロに近い値に電流値Ｉ２を設定
してもよい。換言すれば、ガード処理では、最低セル電
圧Ｖmin の降下率がその閾値δ以上のときに最低セル電
圧Ｖmin とその閾値Ｖthとの差分ΔＶに応じた低下量以
上の量で燃料電池スタック１１０の出力可能な電流値Ｉ
２（すなわち出力可能な電力量）を低下させるようにす
ればよい。また、ガード処理は省略することも可能であ
る。

【００４５】Ｂ．変形例：なお、この発明は上記の実施
例や実施形態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おいて実施することが
可能であり、例えば次のような変形も可能である。

【００４６】Ｂ１．変形例１：上記実施例では、燃料電
池スタック１１０の電力／電流関係を用いて、電力量を
電流値に変換し、この電流値を最低セル電圧Ｖthに基づ
いて補正していたが、この代わりに、電力量を最低セル
電圧Ｖthに基づいて補正するようにしてもよい。

【００４７】Ｂ２．変形例２：上記実施例では、すべて
のセルが正常に動作しているときに、最低セル電圧Ｖmi
n とその閾値との差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）は負の値
を取り、補正後の電流値Ｉ１は元の電流値Ｉ０よりも大
きくなるものとしていたが、この代わりに、電圧の差分
ΔＶが負のときには比例補償のゲインＫｐをゼロに設定
してもよい。

【００４８】また、上記実施例では、いわゆるＰＩ制御
を利用して燃料電池スタック１１０の電流値や電力量を
補正していたが、ＰＩ制御以外の方法を利用して電流値
や電力量の補正を行ってもよい。例えば、最低セル電圧
Ｖmin が閾値Ｖthを下回ったときには、燃料電池スタッ
ク１１０の出力可能な電力量Ｐmax をゼロでない所定の
低い値に設定するようにしてもよい。一般には、最低セ
ル電圧Ｖmin に基づいて燃料電池スタック１１０から出
力可能な電力量Ｐmax を決定すればよい。

【００４９】Ｂ３．変形例３：上記実施例では、燃料電
池システム６０を使用した電気自動車の例について説明
したが、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以
外の移動体にも適用可能である。すなわち、本発明は、
一般に、燃料電池を含む電源から供給される電力によっ
て駆動される原動機を備える移動体にも適用可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構
成図。

【図２】燃料電池システム６０の内部構成を示す説明
図。

【図３】燃料電池システム６０の電力量制御の構成を示
すブロック図。

【図４】電力量制御の手順を示すフローチャート。

【図５】燃料電池スタック１１０の電流と電圧と電力の
三者の関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１３…回転軸１４…出力軸１５…出力軸１６…ディファレンシャルギヤ１７…車軸１８…車輪２０…モータ２２…ロータ２４…ステータ３０…トルクコンバータ４０…変速機５０…バッテリ５１，５２…駆動回路６０…燃料電池システム７０…制御ユニット７２…シフトレバー７４…アクセルペダル７６…ブレーキペダル８０…切替スイッチ１００…ＦＣ制御部１０１…電流値算出部１０２…減算器１０３…ガード処理部１０４…出力可能電力算出部１０５…減算器１０６…ＰＩ補償部１１０…燃料電池（燃料電池スタック）１１２…セル電圧センサ１２０…燃料ガス供給部１２２…燃料ガス供給源１２４…燃料ガス用配管１２６…圧力調整弁１２８…ガスフローメータ１３０…圧力センサ１３２…排出弁１４０…空気供給部１４２…コンプレッサ１４４…空気用配管１４６…圧力調整弁１４８…ガスフローメータ１５０…圧力センサ２００…電力制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池システムであって、複数のセルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの各セルの電圧を測定するセル電
圧測定部と、測定されたセル電圧の中の最低値である最低セル電圧に
基づいて、前記燃料電池スタックで出力可能な電力量を
算出するとともに、前記出力可能な電力量以下の電力量
を前記燃料電池スタックに発生させる制御部と、を備え
ることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池システムであっ
て、前記制御部は、前記最低セル電圧の所定の閾値よりも低
いときに、前記出力可能な電力量を徐々に低下させる、
燃料電池システム。
【請求項３】請求項２記載の燃料電池システムであっ
て、前記制御部は、前記最低セル電圧が前記閾値よりも低い
ときに、前記最低セル電圧と前記閾値との差分に応じて
前記出力可能な電力量を徐々に低下させる、燃料電池シ
ステム。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれかに記載の燃
料電池システムであって、前記制御部は、前記最低セル電圧が所定以上の降下率を
示したときに、前記出力可能な電力量を、前記最低セル
電圧と前記閾値との差分に応じた低下量以上の量で低下
させる、燃料電池システム。
【請求項５】請求項４記載の燃料電池システムであっ
て、前記制御部は、前記最低セル電圧が所定以上の降下率を
示したときに、前記出力可能な電力量をゼロに設定す
る、燃料電池システム。
【請求項６】燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）複数のセルを有する燃料電池スタックの各セルの
電圧を測定する工程と、（ｂ）測定されたセル電圧の中
の最低値である最低セル電圧に基づいて、前記燃料電池
スタックで出力可能な電力量を算出するとともに、前記
出力可能な電力量以下の電力量を前記燃料電池スタック
に発生させる工程と、を備えることを特徴とする方法。