JP2004335343A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】正確なＩ−Ｖカーブを学習して燃料ガス供給量を最適化すると共に、燃料ガス供給量の低下による出力電圧の低下を防止する。
【解決手段】Ｉ−Ｖカーブを学習して更新する場合には、Ｉ−Ｖカーブを学習して更新するための目標定常発電量を設定し、当該目標定常発電量を発電するように目標空気流量及び目標燃料ガス流量を算出する。このとき、制御部１２では、目標定常発電量を目標取出電力とするようにＤＣ／ＤＣコンバータ５を制御し、二次電池７を充電又は放電させて要求消費電力をモータ４に供給するようにインバータ６を制御する。そして、制御部１２は、燃料電池スタック１に目標定常発電量を発電させているときの電圧計９により検出された出力電圧及び電流計１０により検出された出力電流を用いてＩ−Ｖカーブを更新する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電気自動車などに搭載されて、燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量を制御することにより燃料電池スタックを発電させて、駆動モータ等の負荷に供給するための燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば電気自動車に搭載されるような燃料電池システムは、水素リッチな燃料ガス及び酸素を含む空気を燃料電池スタックに流入させて電気化学反応により起電力を発生させる。そして、従来の燃料電池システムでは、燃料電池スタックにて発生した発電電力と、当該燃料電池スタックと並列接続されたバッテリからの放電電力とをインバータに供給し、当該インバータにて交流電力に変換して駆動モータに供給することで、電気自動車の推進力を発生させている。
【０００３】
このような燃料電池システムを制御する制御装置では、運転者が操作するアクセルペダルポジションセンサによって検出されるアクセル開度からインバータの要求出力（要求電力）を算出し、当該算出した要求出力に基づいてインバータを制御することにより、要求出力に相当する電力をインバータからモータに供給させている。このとき、燃料電池システムの制御装置では、燃料電池スタックの発電電力によりインバータの要求出力を賄い、燃料電池スタックの発電電力だけでは賄いきれない電力をバッテリの放電電力によりインバータに供給させている。したがって、燃料電池スタックの発電電力は、インバータの要求出力に依存していることになる。
【０００４】
また、燃料電池スタックは、インバータの要求出力に拘わらず、当該要求出力を発電するために十分な燃料ガスが供給されていない場合には、インバータの要求出力に相当する発電電力を出力することはできない。したがって、燃料電池スタックの発電電力は、燃料電池スタックに供給される燃料ガスの量（ガス流量）にも依存している。
【０００５】
一方、燃料電池システムにおいては、燃料電池スタックの発電効率とガス利用率とがトレードオフの関係にあるため、発電効率とガス利用率とを共に高くすることは困難であるが、発電効率とガス利用率との積を最大にすることによって、発電効率とガス利用率と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との積は、燃料電池スタックのエネルギ変換効率として表すことができる。
【０００６】
これに対し、従来では、下記の特許文献１に記載されているように、エネルギ変換効率の高い動作ポイントで燃料電池スタックを動作させる技術が知られている。この特許文献１に記載された燃料電池システムでは、燃料電池スタックの発電電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータによって電圧変換した後に、バッテリ及びモータと接続されたインバータに送る。
【０００７】
このとき、燃料電池システムの制御装置では、燃料電池スタックの出力電流と出力電圧との関係を記述したＩ−Ｖカーブを予め定めておき、燃料ガスの量に対応したＩ−Ｖカーブを導き出す。そして、燃料電池システムの制御装置は、Ｉ−Ｖカーブを用いて、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントを算出して燃料電池スタックの動作ポイントとして決定し、その動作ポイントでの燃料電池スタックの出力電力を算出する。次に燃料電池システムの制御装置は、インバータの要求出力と燃料電池スタックの発電電力との差及びバッテリのＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）に基づいて、バッテリに要求される出力電圧を決定する。そして、燃料電池システムの制御装置では、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コンバータを制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を調整し、インバータの要求出力に相当する電力をモータで消費させる。
【０００８】
このように制御することによって、従来の燃料電池システムの制御装置では、燃料電池スタックの動作ポイントでの出力電力よりも要求出力が高い場合は、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで燃料電池スタックを発電させ、要求出力に対する電力の不足分をバッテリから供給させる。燃料電池システムの制御装置は、逆に、燃料電池スタックの動作ポイントでの出力電力よりも要求出力が低い場合は、エネルギ変換効率の最も高いポイントで燃料電池スタックを発電させ、余剰分の電力をバッテリに蓄積させる。この結果、燃料電池システムの制御装置では、燃料電池スタックの発電効率とガス利用率とを共に、できる限り高くすることを可能としている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−１２０５９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の燃料電池システムの制御装置では、エネルギ変換効率が最も高い動作ポイントとなるように燃料電池スタックの出力を制御しているが、バッテリのＳＯＣが上限値や下限値になった場合など、燃料電池スタックの出力をエネルギ変換効率が最も高い動作ポイントに制御できない場合には、その動作ポイントを外れた動作ポイントで燃料電池スタックを発電させなければならない。
【００１１】
このようにエネルギ変換効率が最も高い動作ポイント以外の動作ポイントにて燃料電池スタックを発電させるに際して、燃料電池スタックの発電効率を高くするためには、ガス利用率を高くする必要がある。これに対し、燃料電池スタックの出力電流から必要な燃料ガス量を算出して供給する手法があるが、燃料ガス量を変動させる過渡時に、燃料ガスの供給に遅れが生じて出力電圧が低下してしまうので、Ｉ−Ｖカーブを用いてインバータの要求出力から出力電流を推定して必要な燃料ガス量を算出する処理をする。
【００１２】
この場合には、Ｉ−Ｖカーブの精度が重要になり、推定電流が実際に出力される電流よりも多くなると燃料ガスを多く供給してしまい燃料ガス供給動力や燃料ガス自体の無駄が発生し、推定電流が実際に出力される電流よりも少なくなると供給すべき燃料ガス量が不足し出力電圧が低下してしまう。
【００１３】
したがって、Ｉ−Ｖ特性を学習するために様々な方法が考えられるが、燃料電池スタック運転中に時々刻々とＩ−Ｖ特性を変化させるとき、従来の燃料電池システムの制御装置では、負荷が要求する電力に対するＩ−Ｖ特性や、エネルギ効率が最も高いポイントでの電力のＩ−Ｖ特性は取得できるが、その他の電力のときのＩ−Ｖ特性は取得できない。したがって、従来の燃料電池システムの制御装置では、燃料ガス供給量を変化させているときの過渡状態や、バッテリのＳＯＣの条件から、燃料電池スタックを低負荷や高負荷で運転する必要がある時に、正確なＩ−Ｖ特性により適切な燃料ガス供給量が算出できないという問題がある。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、正確なＩ−Ｖ特性を学習して燃料ガス供給量を最適化すると共に、燃料ガス供給量の低下による出力電圧の低下を防止することができる燃料電池システムの制御装置を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この燃料電池システムの制御装置は、負荷に要求される要求消費電力に応じて、燃料極に燃料ガスを供給すると共に酸化剤極に酸化剤ガスを供給させて燃料電池を発電させ、当該燃料電池の出力電力及び電力を貯蔵する電力貯蔵手段からの電力を負荷に供給するときに、燃料電池を発電させるために燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量を制御する。このとき、制御手段では、燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示す電流−電圧特性を参照して、燃料電池に供給する燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量を制御し、要求消費電力に応じた電力を負荷に供給する。
【００１６】
また、この制御手段は、電流−電圧特性を学習して更新する場合には、電流−電圧特性を学習して更新するための出力電力値である目標定常発電量を設定し、当該目標定常発電量を発電するように目標酸化剤ガス流量及び目標燃料ガス流量を算出して目標定常発電量の電力を燃料電池に発電させると共に、電力貯蔵手段を充電又は放電させて要求消費電力を負荷に供給して、燃料電池を目標定常発電量で発電させているときの燃料電池の出力電圧及び出力電流を検出して電流−電圧特性を更新することにより、上述の課題を解決する。
【００１７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムの制御装置によれば、目標定常発電量を発電するように目標酸化剤ガス流量及び目標燃料ガス流量を算出して目標定常発電量の電力を燃料電池に発電させると共に電力貯蔵手段を充電又は放電させて要求消費電力を負荷に供給して、燃料電池を目標定常発電量で発電させているときの燃料電池の出力電圧及び出力電流を検出して電流−電圧特性を更新するので、燃料電池が定常状態で運転するような所定時間以上目標定常発電量で発電させることができ、燃料電池が定常状態となったときの電流−電圧特性に更新することによって、正確な電流−電圧特性を学習して燃料ガス流量を最適化すると共に、燃料ガス流量の低下による出力電圧の低下を防止することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００２０】
［燃料電池システムの構成］
燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質を挟んで空気極と水素極とを対設した燃料電池セル構造体をセパレータで挟持し、セル構造体を複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスを水素供給部２によって供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気を空気供給部３によって供給する燃料電池システムについて説明する。
【００２１】
水素供給部２は、水素タンクに貯蔵された水素を、水素流量調整弁、エゼクタポンプ等を経由して、燃料電池スタック１に供給する。このとき、水素供給部２は、制御部１２によって水素流量調整弁の開度が調整されて、目標水素ガス流量で水素ガスを燃料電池スタック１に供給する。
【００２２】
空気供給部３は、ブロアを備え、外気を燃料電池スタック１に送る。このとき、空気供給部３は、制御部１２によってブロアの回転数が制御されて、目標酸素流量で酸素を燃料電池スタック１に供給する。
【００２３】
このように水素供給部２及び空気供給部３によって水素ガス及び空気が供給されると、燃料電池スタック１は、水素ガス流量及び酸素流量に応じた発電電力を発生して、当該発電電力をモータ４に供給する。これにより、燃料電池システムでは、車両走行に必要な駆動トルクをモータ４に発生させる。そして、燃料電池システムでは、モータ４で発生した駆動トルクを、図示しない駆動軸に伝達し、ギア等を介して車両の車輪に駆動力を発生させる。
【００２４】
このとき、燃料電池システムでは、燃料電池スタック１にて発生した発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータ５によって取り出す。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ５では、制御部１２からの制御信号によって指定された燃料電池スタック１から取り出す電力の目標値である目標取出電力に応じて出力電力を取り出し、当該出力電圧を昇圧又は降圧する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ５により変換された出力電圧の出力電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に対して並列に接続されたインバータ６及び二次電池７に送られる。
【００２５】
インバータ６は、制御部１２からの制御信号によって指定されたモータ４が消費する電力の目標値である目標消費電力をモータ４に供給する。ここで、モータ４が三相交流モータである場合には、インバータ６は、各相に対して電力供給をする。
【００２６】
二次電池７は、燃料電池スタック１の発電電力がＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して供給されると共に、モータ４からの回生電力がインバータ６を介して供給され、発電電力及び回生電力を充電して貯蔵する。また、この二次電池７は、必要に応じて貯蔵した電力を放電してインバータ６に供給する。なお、この二次電池７としては、リチウムイオン電池の他に、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム蓄電池、ニッケル水素蓄電池などの他種のものが使用可能である。
【００２７】
また、この燃料電池システムでは、例えば運転者のアクセル開度及び車速を検出して、当該アクセル開度及び車速に応じた駆動トルクを発生させるためにモータ４に必要な要求消費電力を算出して制御部１２に送る要求消費電力算出装置８を備える。
【００２８】
更に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１からＤＣ／ＤＣコンバータ５に送られる発電電力の出力電圧値を検出する電圧計９、燃料電池スタック１からＤＣ／ＤＣコンバータ５に送られる発電電力の電圧値の出力電流値を検出する電流計１０、二次電池７の充電率（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するＳＯＣ計１１を備える。このＳＯＣ計１１は、二次電池７の充放電電流値を検出して積分してＳＯＣを求めても良く、更には、二次電池７の電圧値を検出してＳＯＣを求めても良い。電圧計９、電流計１０及びＳＯＣ計１１により検出した各センサ値は、例えば所定期間毎に制御部１２に出力される。
【００２９】
制御部１２は、記憶媒体、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）や周辺インターフェース等を備えるマイクロコンピュータからなる。この制御部１２は、上述した各部を制御する制御プログラムを記憶し、当該制御プログラムをＣＰＵにより実行することで、後述の処理をする。このとき、制御部１２は、要求消費電力算出装置８からの要求消費電力、電圧計９、電流計１０及びＳＯＣ計１１からの各センサ値を参照して、水素供給部２及び空気供給部３から燃料電池スタック１に供給する目標水素ガス流量及び目標空気流量を制御して、燃料電池スタック１の発電電力を制御すると共に、各種演算を行って目標取出電力及び目標消費電力を求めてＤＣ／ＤＣコンバータ５及びインバータ６を制御する。
【００３０】
また、この制御部１２は、燃料電池スタック１から取り出す出力電流値と出力電圧値との関係を示すＩ−Ｖカーブを記憶しており、燃料電池スタック１の出力電流値及び出力電圧値に応じて更新する学習処理をする。
【００３１】
［燃料電池スタックの運転制御処理］
つぎに、上述したように構成された燃料電池システムにおいて、制御部１２により燃料電池スタック１の運転を制御する運転制御処理について図２〜図４のフローチャートを参照して説明する。
【００３２】
なお、図２の処理は、燃料電池システムを搭載した車両が走行しているときに例えば所定期間毎に実行される。
【００３３】
先ず、要求消費電力算出装置８は、ステップＳ１において、アクセル開度及び車速を検出し、ステップＳ２において、アクセル開度及び車速に基づいて要求消費電力を算出する。
【００３４】
次のステップＳ３においては、ＳＯＣ計１１より、二次電池７のＳＯＣを検出し、次のステップＳ４においては、電圧計９及び電流計１０により、燃料電池スタック１の出力電圧値及び出力電流値を検出する。
【００３５】
次のステップＳ５においては、制御部１２により、今回のステップＳ２にて算出された要求消費電力と、前回の処理にて算出された要求消費電力とを比較して、要求消費電力変化率を算出する。なお、このステップＳ５においては、前回の要求消費電力のみならず、以前に算出された複数の要求消費電力の平均値に対する今回の要求消費電力の変化率を求めても良い。これにより、制御部１２では、車両の走行パターンを認識する。
【００３６】
次のステップＳ６においては、制御部１２により、一定の発電量で燃料電池スタック１を動作させる定常運転を要求するか否かを判定する。このとき、制御部１２は、例えばＩ−Ｖカーブを所定時間更新していない場合には定常運転を要求すると判定して、定常運転要求フラグをセットする。なお、この定常運転要求フラグは、制御部１２により後述の処理をしてＩ−Ｖカーブが更新されたときにリセットされる。ここで、Ｉ−Ｖカーブを更新するか否かを判断する所定時間は、燃料電池スタック１の劣化速度や外気温度変化、運転条件を考慮して予め決定されている。
【００３７】
次のステップＳ７においては、制御部１２により、定常運転要求フラグがセットされているか否かを判定し、定常運転要求フラグがセットされている場合には図３の定常運転に移行し、定常運転要求フラグがセットされていない場合には図４の通常運転に移行する。
【００３８】
「定常運転」
ステップＳ７において定常運転要求フラグがセットされていると判定された場合には、図３に示すように、先ず、ステップＳ１１において、制御部１２により、燃料電池スタック１に一定の発電量で動作させるに際して目標とする発電量である目標定常発電量を算出する。このとき、制御部１２は、例えば図５に示すように、目標定常発電量ごとに学習回数を計数して記憶しておいた学習回数データを参照する。そして、制御部１２は、最も学習回数が少ない発電量についてのＩ−Ｖカーブを学習処理するために、当該発電量を目標定常発電量に設定する。
【００３９】
次のステップＳ１２においては、制御部１２により、定常運転中であることを示す定常運転中フラグがセットされているか否かを判定し、定常運転中フラグがセットされている場合にはステップＳ１９以降に処理を進め、定常運転中フラグがセットされていない場合にはステップＳ１３に処理を進める。
【００４０】
ステップＳ１３においては、制御部１２により、燃料電池スタック１の定常運転を開始させるための準備として、定常運転を開始させる前にＳＯＣを調整する目標値の目標ＳＯＣを算出する。このとき、制御部１２は、要求消費電力よりも目標定常発電量が大きい場合には定常運転中に発電電力を充電する必要があるので、定常運転を行う前にＳＯＣを低い値とし、要求消費電力よりも目標定常発電量が小さい場合には定常運転中に充電電力をモータ４に供給する必要があるので、定常運転を行う前にＳＯＣを高い値とする。ここで、制御部１２は、要求消費電力の変化率である走行パターンによって、要求消費電力に対して目標定常発電量が大きいか小さいかを判定する閾値を変化させる。
【００４１】
具体的には、制御部１２は、図６に示すような目標定常発電量に対する目標ＳＯＣを設定するためのマップデータ（目標定常発電量−目標ＳＯＣマップ）を予め作成しておき、当該マップデータを参照して目標ＳＯＣを算出する。このマップデータは、走行パターンによって目標定常発電量が大きいか小さいかを判定する閾値（要求消費電力の平均値）が変化するため、ステップＳ２にて要求消費電力を算出するたびに要求消費電力の平均値を更新して、当該平均値を目標ＳＯＣの５０％の位置となるように更新することが望ましい。
【００４２】
次のステップＳ１４においては、制御部１２により、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の目標取出電力を算出する。このとき、制御部１２は、ステップＳ１３にて算出した目標ＳＯＣから、ＳＯＣ計１１からのセンサ信号に基づく現在のＳＯＣを減算したＳＯＣ偏差ΔＳＯＣを演算する。そして、制御部１２は、ＳＯＣ偏差ΔＳＯＣが正の値である場合には、目標取出電力から要求消費電力を減算した電力量である二次電池７の充電量を正とするように、目標取出電力を設定する。これにより、制御部１２は、燃料電池スタック１の発電電力をモータ４及び二次電池７に供給させて、二次電池７のＳＯＣを高くする。一方、制御部１２は、ＳＯＣ偏差ΔＳＯＣが負の値である場合には、二次電池７の充電量を負とするように、目標取出電力を設定する。これにより、制御部１２は、燃料電池スタック１の発電電力及び二次電池７の放電電力をモータ４に供給させて、二次電池７のＳＯＣを低くする。
【００４３】
具体的には、制御部１２は、図７に示すようなＳＯＣ偏差ΔＳＯＣに対する二次電池７の充電量を設定するためのマップデータ（ＳＯＣ偏差−二次電池充電量マップ）を予め作成しておく。そして、制御部１２は、算出したＳＯＣ偏差ΔＳＯＣからマップデータを参照して二次電池７の充電量を算出し、当該二次電池７の充電量に要求消費電力を加算することでＤＣ／ＤＣコンバータ５の目標取出電力を算出する。
【００４４】
次のステップＳ１５においては、制御部１２により、ステップＳ２にて算出した要求消費電力を、インバータ６による目標消費電力として設定する。
【００４５】
次のステップＳ１６においては、制御部１２により、ＳＯＣ計１１からのセンサ信号に基づくＳＯＣが、ステップＳ１３にて設定した目標ＳＯＣに達したか否かを判定する。制御部１２は、ＳＯＣが目標ＳＯＣに達したと判定した場合にはステップＳ１７に処理を進めて定常運転中フラグをセットし、ＳＯＣが目標ＳＯＣに達していないと判定した場合には定常運転中フラグをクリアする。
【００４６】
このようにステップＳ１３〜ステップＳ１５の処理を行うことにより、制御部１２では、ＳＯＣを増加又は低下させる出力電力を燃料電池スタック１で発電させるように水素供給部２及び空気供給部３を制御し、ステップＳ１４にて算出した目標取出電力をＤＣ／ＤＣコンバータ５から取り出し、ステップＳ１５にて算出した目標消費電力をインバータ６からモータ４に供給する。そして、ＳＯＣが目標ＳＯＣとなるまで、ステップＳ１１〜ステップＳ１５の処理及びステップＳ１〜ステップＳ７の処理を繰り返す。
【００４７】
このとき、ＳＯＣ偏差ΔＳＯＣが正である場合には、目標取出電力、要求消費電力及びＳＯＣの関係は、図８に示すように変化する。すなわち、図８（Ｂ）に示すように要求消費電力が変化した場合であっても、目標取出電力を要求消費電力よりも高くすることにより、発電電力と要求消費電力との差の電力を二次電池７に充電する。そして、図８（Ａ）に示すように、時刻Ａ以降から徐々にＳＯＣを高くして目標ＳＯＣに近づけ、時刻ＢにてＳＯＣを目標ＳＯＣとする。
【００４８】
一方、ＳＯＣ偏差ΔＳＯＣが負である場合には、目標取出電力、要求消費電力及びＳＯＣの関係は、図９に示すように変化する。すなわち、図９（Ｂ）に示すように要求消費電力が変化した場合であっても、目標取出電力を要求消費電力よりも低くすることにより、発電電力と要求消費電力との差の電力を二次電池７から放電する。そして、図９（Ａ）に示すように、時刻Ａ以降から徐々にＳＯＣを低くして目標ＳＯＣに近づけ、時刻ＢにてＳＯＣを目標ＳＯＣとする。
【００４９】
ステップＳ１２にて定常運転中フラグがセットされていると判定した後のステップＳ１９においては、制御部１２により、定常運転中における目標取出電力を算出する。ここで、ステップＳ１９を行っているときには定常運転中であるので、目標取出電力としては目標定常発電量を設定する。
【００５０】
次のステップＳ２０においては、制御部１２により、定常運転中の目標消費電力を算出する。このとき、制御部１２は、要求消費電力をインバータ６の目標消費電力に設定する。
【００５１】
これにより、制御部１２では、目標定常発電量（目標取出電力）をＤＣ／ＤＣコンバータ５により取り出し、当該目標定常発電量が要求消費電力（目標消費電力）よりも高い場合には余剰分を二次電池７に充電させ、目標定常発電量が要求消費電力よりも低い場合には不足分を二次電池７から放電させる。
【００５２】
次のステップＳ２１においては、制御部１２により、定常運転をした結果、ステップＳ３にて検出されたＳＯＣが、ＳＯＣ上限制限開始値とＳＯＣ下限制限開始値との間の値であるか否かを判定することにより、ＳＯＣ制限要求が０であるか否かを判定する。
【００５３】
このとき、制御部１２は、図１０に示すように、ＳＯＣ計１１により検出されたＳＯＣが、ＳＯＣ上限値より所定値だけ低いＳＯＣ上限制限開始値よりも低く、ＳＯＣ下限値より所定値だけ高いＳＯＣ下限制限開始値よりも高い場合には、ＳＯＣ制限要求の値が「０」であると判定し、定常運転を行ったことによりＳＯＣが上下限範囲を超えておらず、定常運転中フラグ及び定常運転要求フラグをセットしたままにして処理を終了する。
【００５４】
また、制御部１２は、ＳＯＣがＳＯＣ上限制限開始値より高い場合、又はＳＯＣがＳＯＣ下限制限開始値よりも低い場合には、ＳＯＣ制限開始値が「０」ではないと判定してステップＳ２２に処理を進める。
【００５５】
更に、制御部１２は、図１０に示すようなマップデータを保持しておき、ＳＯＣがＳＯＣ上限制限開始値よりも高いほどＳＯＣ制限要求を「０」よりも高くし、ＳＯＣ上限値となるとＳＯＣ制限要求を「１」とし、ＳＯＣがＳＯＣ下限制限開始値よりも低いほどＳＯＣ制限要求を「０」よりも低くし、ＳＯＣ下限値となるとＳＯＣ制限要求を「−１」とし、−１〜１の間の値をとるＳＯＣ制限要求を算出する。
【００５６】
ステップＳ２２においては、制御部１２により、ステップＳ１９にて設定した目標取出電力及びステップＳ２０にて設定した目標消費電力の補正をする。このとき、制御部１２は、ＳＯＣ制限要求が正である場合にはＳＯＣを減少させる要求があると認識し、ＳＯＣ制限要求が負である場合にはＳＯＣを増加させる要求があると認識する。
【００５７】
そして、制御部１２は、目標取出電力を補正するに際して、図１１に示すようなマップデータを参照し、ＳＯＣ制限要求に応じた目標取出電力補正率を算出する。次に制御部１２は、算出した目標取出電力補正率にステップＳ１９にて設定した目標取出電力を乗算して１００で除算することにより、目標取出電力の補正値を求める。すなわち、制御部１２は、ＳＯＣ制限要求が正である場合には目標取出電力補正率を１００％から減らすことにより、目標取出電力を減らして二次電池７に放電させてＳＯＣを低下させる。一方、制御部１２は、ＳＯＣ制限要求が負である場合には目標取出電力補正率を１００％から増加させることにより、目標取出電力を増加させて二次電池７に充電させてＳＯＣを増加させる。
【００５８】
また、制御部１２は、目標消費電力を補正するに際して、図１２に示すようなマップデータを参照し、ＳＯＣ制限要求に応じた目標消費電力補正率を算出する。次に制御部１２は、算出した目標消費電力補正率にステップＳ２０にて設定した目標消費電力を乗算して１００で除算することにより、目標消費電力の補正値を算出する。すなわち、制御部１２は、ＳＯＣ制限要求が正である場合には目標消費電力補正率を１００％とすることにより現在の目標消費電力を維持する。一方、制御部１２は、ＳＯＣ制限要求が負である場合には目標消費電力補正率を１００％から減少させることにより、目標消費電力を減少させて二次電池７からの放電電力を減らしてＳＯＣを増加させる。
【００５９】
次のステップＳ２３においては、ＳＯＣが上下限制限値に近いので、制御部１２により、定常運転を停止させるために定常運転中フラグ及び定常運転要求フラグをクリアする。
【００６０】
このような燃料電池システムでは、予め要求消費電力と目標定常発電量との大小に応じてＳＯＣを目標ＳＯＣとしておいて定常運転を開始し（ステップＳ１３〜ステップＳ１７）、ＳＯＣがＳＯＣ上限制限開始値とＳＯＣ下限制限開始値との範囲を超えたら定常運転を停止して（ステップＳ２１〜ステップＳ２３）、ステップＳ２４において、Ｉ−Ｖカーブを更新する処理に移行する。
【００６１】
このステップＳ２４においては、制御部１２により、定常運転を行っているときのステップＳ４にて電圧計９及び電流計１０で検出された出力電圧値及び出力電流値からＩ−Ｖカーブを作成することにより、新たなＩ−Ｖカーブに更新する。このとき、制御部１２では、定常運転中に検出した全ての出力電圧値及び出力電流値のデータを平均したデータを使用しても良く、出力電圧値及び出力電流値の変化率が所定値以下であって過渡状態ではなく定常状態となったと判定したときのデータを使用しても良く、定常運転を終了させるときの出力電圧値及び出力電流値のデータを使用しても良い。
【００６２】
「通常運転」
ステップＳ７において定常運転要求フラグがセットされていないと判定された場合の通常運転では、図４に示すように、先ず、ステップＳ３１においては、制御部１２により、通常運転中の目標取出電力を算出する。このとき、制御部１２では、燃料電池スタック１のエネルギ変換効率が最適となる動作ポイントで燃料電池スタック１を運転するように目標取出電力を設定しても良く、要求消費電力と二次電池７の充電量との和を目標取出電力としても良い。
【００６３】
次のステップＳ３２においては、制御部１２により、目標消費電力を算出する。このとき、制御部１２は、ステップＳ２にて求めた要求消費電力を目標消費電力に設定する。
【００６４】
次のステップＳ３３においては、制御部１２により、ステップＳ２１と同様の処理をすることにより、ステップＳ３にて検出されたＳＯＣが、ＳＯＣ上限制限開始値とＳＯＣ下限制限開始値との間の値であるか否かを判定することにより、ＳＯＣ制限要求が０であるか否かを判定し、ＳＯＣ制限要求が「０」である場合には処理を終了し、ＳＯＣ制限要求が「０」ではない場合にはステップＳ３４にてステップＳ２２と同様の処理をして、処理を終了する。
【００６５】
「流量制御処理」
つぎに、上述したように更新したＩ−Ｖカーブを使用して、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス流量及び空気流量を調整するときの流量制御処理について説明する。この流量制御処理は、上述した通常運転及び定常運転と並列して行われるものである。
【００６６】
この流量制御処理において、燃料電池スタック１から目標取出電力を取り出す場合、燃料電池スタック１により目標取出電力を発電する必要があるので、制御部１２は、目標取出電力を燃料電池スタック１の目標発電量とする。そして、制御部１２は、燃料電池スタック１の発電量を制御するために、目標発電量から目標水素流量及び目標酸素流量を算出する。
【００６７】
ここで、燃料電池スタック１の発電に必要な水素量及び酸素量は、出力電流値に比例するため、先ず、制御部１２により、目標発電量における出力電流値を推定する。このとき、制御部１２では、図１３に示すようなＩ−Ｖカーブに目標発電量の等電力曲線をプロットし、等電力曲線とＩ−Ｖカーブが交差する点の電流値を推定出力電流とする。
【００６８】
次に制御部１２では、推定出力電流から、目標発電量を発電するための必要酸素量及び必要水素量を算出する。ここで、燃料電池スタック１では下記の式１に示す電気化学反応が水素極にて発生すると共に、下記の式２に示す電気化学反応が空気極にて発生することにより、電流が発生する。
【００６９】
Ｈ_２＋Ｏ^２− → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ （式１）
（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （式２）
また、酸素が１［ｍｏｌ／ｓ］で取り出せる電流値は４×９６５００［Ａ］なので、推定出力電流をＩ［Ａ］とすると必要酸素量［ｍｏｌ／ｓ］は、下記の式３に示すように、
必要酸素量＝Ｉ／（４×９６５００）［ｍｏｌ／ｓ］ （式３）
となる。
【００７０】
これに対し、水素が１［ｍｏｌ／ｓ］で取り出せる電流値は２×９６５００［Ａ］なので、推定出力電流をＩ［Ａ］とすると必要水素量［ｍｏｌ／ｓ］は、下記の式４に示すように、
必要水素量＝Ｉ／（２×９６５００）［ｍｏｌ／ｓ］ （式４）
となる。だたし、式３の必要酸素量及び式４の必要水素量は、燃料電池スタック１のセル枚数によって変化し、例えば燃料電池スタック１が２００枚のセルからなる場合には２００倍となる。
【００７１】
次に、制御部１２は、算出した必要酸素量［ｍｏｌ／ｓ］、予め定められたストイキ比、予め設定しておいた空気中の酸素濃度［％］から目標空気流量［ｌ／ｓ］を算出する。このとき、制御部１２は、先ず、必要酸素量［ｍｏｌ／ｓ］、図示しない大気圧力センサ、温度センサの検出値である圧力［ａｔｍ］及び温度［Ｋ］を用いて、必要酸素流量［ｌ／ｓ］を下記の式５によって算出する。ここで、下記式５におけるＲ［ａｔｍ・ｌ／ｍｏｌ・Ｋ］を気体定数とすると、
必要酸素流量＝（必要酸素量×Ｒ×温度）／圧力 （式５）
となる。
【００７２】
そして、制御部１２では、空気中の酸素濃度［％］及び必要酸素流量［ｌ／ｓ］から、必要空気流量［ｌ／ｓ］を下記の式６により算出し、更に当該必要空気流量にストイキ比を乗じる式７の演算をすることにより目標空気流量［ｌ／ｓ］を算出する。
【００７３】
必要空気流量＝必要酸素流量×（１００／酸素濃度） （式６）
目標空気流量＝必要空気流量×ストイキ比 （式７）
次に制御部１２は、算出した目標空気流量［ｌ／ｓ］となるように空気供給部３のブロワの目標回転数［Ｈｚ］をブロワの性能特性より算出して、当該目標回転数で動作する制御信号を空気供給部３に送ることにより、ブロワを目標回転数で動作する制御をする。
【００７４】
次に制御部１２は、式４にて算出した必要水素量［ｍｏｌ／ｓ］、図示しない水素供給圧力センサ及び温度センサの検出値である水素供給圧力［ａｔｍ］及び温度［Ｋ］を用いて、下記の式８によって必要水素流量［ｌ／ｓ］を算出する。ここで、式８におけるＲ［ａｔｍ・ｌ／ｍｏｌ・Ｋ］は気体定数とすると、
必要水素流量＝（必要水素量×Ｒ×温度）／水素供給圧力 （式８）
となる。
【００７５】
次に制御部１２は、水素タンク内水素濃度［％］を用いて下記式９の演算をして必要水素ガス流量［ｌ／ｓ］を算出し、当該必要水素ガス流量及びストイキ比を用いて下記式１０の演算をすることにより、目標水素ガス流量［ｌ／ｓ］を算出する。
【００７６】
必要水素ガス流量＝必要水素流量×（１００／水素濃度） （式９）
目標水素ガス流量＝必要水素ガス流量×ストイキ比 （式１０）
次に制御部１２は、算出した目標水素ガス流量となるように水素供給部２の流量制御弁を制御して、燃料電池スタック１に目標水素ガス流量で水素ガスを供給する。
【００７７】
これにより、制御部１２では、図３の定常運転にて更新したＩ−Ｖカーブを使用して、上述の図２〜図４の処理における目標取出電力及び目標定常発電量を燃料電池スタック１によって発電させることができる。
【００７８】
［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、Ｉ−Ｖカーブを学習するときに、燃料電池スタック１が定常状態で運転するような所定時間以上、目標定常発電量で発電させるので、燃料電池スタック１が定常状態となったときのＩ−Ｖカーブに更新することによって最新のＩ−Ｖカーブを用いて水素ガス流量及び空気流量を制御することができるので、正確なＩ−Ｖカーブを学習して水素ガス流量を最適化すると共に、水素ガス流量の低下による出力電圧の低下を防止することができる。
【００７９】
また、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させている場合に、二次電池７がＳＯＣ上限値とＳＯＣ下限値との範囲となるように目標定常発電量を補正するので、二次電池７の放充電を利用して定常運転を行った場合であっても、二次電池７を劣化させることなく燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させることができる。
【００８０】
更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させる前に、目標定常発電量と要求消費電力との大小に応じて、二次電池７のＳＯＣを調節しておくので、要求消費電力が目標定常発電量と一致せず、一定出力電力で燃料電池スタック１を発電するために二次電池７を放充電させる場合であっても、定常運転中に二次電池７によって要求消費電力と目標定常発電量の差の電力を吸収可能な充放電量を増加させることができ、より長い時間燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させて、更に正確なＩ−Ｖカーブを取得することができる。
【００８１】
更にまた、この燃料電池システムによれば、要求消費電力が目標定常発電量よりも大きい場合、目標取出電力を増加させると共に目標消費電力を減少させ、燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させる前に二次電池７のＳＯＣを増加させて二次電池７の放電可能量を増加させることによって、定常運転中に要求消費電力に対して不足する電力量を長時間賄うことができ、より長い時間燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させて、更に正確なＩ−Ｖカーブを取得することができる。
【００８２】
更にまた、この燃料電池システムによれば、要求消費電力が目標定常発電量よりも小さい場合、目標取出電力を減少させると共に目標消費電力を増加させ、燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させる前に二次電池７のＳＯＣを減少させて二次電池７の充電可能量を増加させることによって、定常運転中に要求消費電力に対して余剰な電力量を長時間賄うことができ、より長い時間燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させて、更に正確なＩ−Ｖカーブを取得することができる。
【００８３】
更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させて、二次電池７がＳＯＣ上限値付近やＳＯＣ下限値付近となった場合に、燃料電池スタック１を目標定常発電量で発電させてから、二次電池７がＳＯＣ上限値付近やＳＯＣ下限値付近となるまでに検出した出力電圧及び出力電流を用いて、Ｉ−Ｖカーブを更新するので、確実に燃料電池スタック１が定常状態になっているときの出力電圧及び出力電流を用いて正確なＩ−Ｖカーブを取得することができる。
【００８４】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムにおける運転制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明を適用した燃料電池システムにおける定常運転中の処理手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明を適用した燃料電池システムにおける通常運転中の処理手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、目標定常発電量を設定するに際して参照する目標定常発電量と学習回数との関係を示す学習回数データについて説明するための図である。
【図６】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、目標定常発電量と目標ＳＯＣとの関係を記述したマップデータについて説明するための図である。
【図７】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、ＳＯＣ偏差と二次電池の充電量との関係を記述したマップデータについて説明するための図である。
【図８】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、定常運転を行う前にＳＯＣを目標ＳＯＣとする動作について説明するための図であって、（Ａ）はＳＯＣの変化を示し、（Ｂ）は目標取出電力と要求消費電力との関係を示す。
【図９】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、定常運転を行う前にＳＯＣを目標ＳＯＣとする動作について説明するための他の図であって、（Ａ）はＳＯＣの変化を示し、（Ｂ）は目標取出電力と要求消費電力との関係を示す。
【図１０】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、ＳＯＣとＳＯＣ制限要求との関係を示す図である。
【図１１】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、ＳＯＣ制限要求と目標取出電力の補正率との関係を示す図である。
【図１２】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、ＳＯＣ制限要求と目標消費電力の補正率との関係を示す図である。
【図１３】本発明を適用した燃料電池システムにおいて、Ｉ−Ｖカーブから出力電流を推定する処理を説明するための図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池スタック
２ 水素供給部
３ 空気供給部
４ モータ
５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
６ インバータ
７ 二次電池
８ 要求消費電力算出装置
９ 電圧計
１０ 電流計
１１ ＳＯＣ計
１２ 制御部

Claims (7)

1. 負荷に要求される要求消費電力に応じて、燃料極に燃料ガスを供給すると共に酸化剤極に酸化剤ガスを供給させて燃料電池を発電させ、当該燃料電池の出力電力及び電力を貯蔵する電力貯蔵手段からの電力を負荷に供給する燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料電池の出力電流と出力電圧との関係を示す電流−電圧特性を参照して、前記燃料電池に供給する燃料ガス流量及び酸化剤ガス流量を制御し、前記要求消費電力に応じた電力を前記負荷に供給する制御手段を備え、
   前記制御手段は、前記電流−電圧特性を学習して更新するための出力電力値である目標定常発電量を設定し、当該目標定常発電量を発電するように前記目標酸化剤ガス流量及び前記目標燃料ガス流量を算出して前記目標定常発電量の電力を前記燃料電池に発電させると共に、前記電力貯蔵手段を充電又は放電させて前記要求消費電力を負荷に供給して、前記燃料電池を目標定常発電量で発電させているときの前記燃料電池の出力電圧及び出力電流を検出して前記電流−電圧特性を更新することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 前記制御手段は、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させている場合に、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態が上限値と下限値との範囲となるように前記目標定常発電量を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
3. 前記制御手段は、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させる前に、前記設定した目標定常発電量及び前記要求消費電力に応じて、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態を調節しておくことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記制御手段は、前記要求消費電力が前記目標定常発電量よりも大きい場合、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させる前に、前記要求消費電力よりも高い出力電力で前記燃料電池を発電させて前記電力貯蔵手段を充電させて、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態を増加させておくことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記制御手段は、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させて、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態が下限値付近となった場合に、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させてから、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態が下限値付近となるまでに検出した出力電圧及び出力電流を用いて、前記前記電流−電圧特性を更新することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 前記制御手段は、前記要求消費電力が前記目標定常発電量よりも小さい場合、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させる前に、前記要求消費電力よりも低い出力電力で前記燃料電池を発電させて前記電力貯蔵手段を放電させて、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態を減少させておくことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 前記制御手段は、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させて、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態が上限値付近となった場合に、前記燃料電池を前記目標定常発電量で発電させてから、前記電力貯蔵手段の電力貯蔵状態が上限値付近となるまでに検出した出力電圧及び出力電流を用いて、前記前記電流−電圧特性を更新することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御装置。

Images