JP2005050742A

JP2005050742A - 燃料電池の制御装置及びコンピュータプログラム

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Publication number: JP2005050742A
Application number: JP2003283402A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Ueda; 晃宏上田; Masaaki Yamaoka; 正明山岡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: JP4396173B2

Abstract

【課題】刻々と変動するＩ-Ｖ特性に対応した燃料電池の運転制御を行う。
【解決手段】本発明に係わる燃料電池の制御装置は、燃料電池のＩ-Ｖ特性を推定し（ステップＳ１０１）、燃料電池に供給される反応ガス流量を基に燃料電池から出力される最大電流Ｉｍａｘを演算し（ステップＳ１０２）、最大電流Ｉｍａｘに対応する燃料電池の出力電圧ＶｍａｘをＩ-Ｖ推定曲線から求め、この出力電圧Ｖｍａｘを最低セル電圧Ｖｍの目標値として設定し（ステップＳ１０３）、最低セル電圧Ｖｍがこの目標電圧Ｖｍａｘと一致するように燃料電池の出力電圧を制御する（ステップＳ１０４）。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池の運転制御技術に関し、特に、燃料電池の運転状態に応じて刻々と変化するＩ-Ｖ特性に対応して最低セル電圧を最適値に制御するための改良技術に関する。

燃料電池はセルを直列に積層したスタック構造を備えており、アノード極に供給された燃料ガスとカソード極に供給された酸化ガスの電気化学反応を利用して電力発電を行っている。電池反応では水分が生成されるため、水分の凝縮などにより、セルの有効電極面積が減少し、各セルに燃料ガスが均等に供給されなくなるおそれがある。このような状況では、各々のセル間で電圧分布が生じ、最も電圧の低いセルが０Ｖ以下まで到達して過放電するおそれがある。過放電の状態で電流を流し続けると、電解質膜が破損する可能性があるため、特開平１４−１８４４３号公報では、発電量が最大となるときのセル電圧の目標値を設定し、最低セル電圧が目標電圧に一致するように電圧制御を行う技術が開示されている。

特開平１４−１８４４３号公報

しかし、燃料電池のＩ-Ｖ特性（電流対電圧特性）は一定ではなく、スタック温度や、反応ガスの流量、圧力、湿度、さらには、高分子電解質膜の水分変化による内部抵抗の変動などによって常に変動している。また、このＩ-Ｖ特性は燃料電池の運転状態（過度状態であるか又は定常状態であるか）や、経年劣化などによっても大きく変動する。このような事情から、最低セル電圧の目標値を一定値に固定化すると、ある運転状態における実際のＩ-Ｖ特性に見合った理想的な目標値には一致せず、発電効率の向上を望むことはできなかった。また、高電力発電時に目標電圧を下げるだけでは、セルのばらつきによる特性の相違や、発電時の燃料電池の状態に対して厳密な対応をとることができず、ガス利用効率の向上を達成することはできない。その一方で、最低セル電圧を常に監視していなければ、過放電などで燃料電池が破損するおそれもある。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、刻々と変動するＩ-Ｖ特性に対応した燃料電池の運転制御を行うための燃料電池の制御装置及びコンピュータプログラムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池の制御装置は、複数のセルを積層して成る燃料電池の運転状態を制御するための制御装置であって、前記燃料電池の電流対電圧特性を推定する出力特性推定手段と、前記燃料電池を構成する各セルの出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、前記出力特性推定手段によって求められた前記電流対電圧特性に基づいて最低セル電圧の目標電圧を設定する目標電圧設定手段と、前記最低セル電圧が前記目標電圧と一致するように前記燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段を備える。かかる構成により、刻々と変動する燃料電池の電流対電圧特性に対応した最適な最低セル電圧の目標値を設定することができるため、絶えず変化する燃料電池の運転状態に適した発電制御を行うことができる。また、最低セル電圧が目標電圧を下回らないように電圧制御することで、燃料電池の過放電を防ぐことができる。

本発明に係わる燃料電池の制御装置は、上述の構成に加えて、前記燃料電池に供給される反応ガス流量を基に前記燃料電池から出力される最大電流を演算する演算手段をさらに備え、前記目標電圧設定手段は、前記最大電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記電流対電圧特性から求め、前記出力電圧を前記最低セル電圧の目標値として設定することが望ましい。かかる構成により、燃料電池に供給される反応ガスの供給量に対応した最適な最低セル電圧の目標値を設定することができる。

本発明に係わる燃料電池の制御装置は、上述の構成に加えて、前記燃料電池の要求発電量に対応して、前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御手段をさらに備えるのが好ましい。かかる構成により、負荷変動に対応した発電制御が可能となる。

本発明に係わる燃料電池の制御装置における前記反応ガス供給量制御手段は、前記燃料電池の要求発電量に対応して反応ガスの供給量をフィードフォワード制御するのが好ましい。かかる構成により、発電許容量を制限できるため、ガス流路の閉塞などの発電阻害要因に対応することができる。

本発明のコンピュータプログラムは、複数のセルを積層して成る燃料電池の運転状態を制御するコンピュータシステムに、前記燃料電池の電流対電圧特性を推定するステップと、前記燃料電池を構成する各セルの出力電圧を検出するステップと、前記電流対電圧特性に基づいて最低セル電圧の目標電圧を設定するステップと、前記最低セル電圧が前記目標電圧と一致するように前記燃料電池の出力電圧を制御するステップを実行させる制御プログラムである。かかる制御処理により、刻々と変動する燃料電池の電流対電圧特性に対応した最適な最低セル電圧の目標値を設定することができるため、刻々と変化する燃料電池の運転状態に適した発電制御を行うことができる。

本発明のコンピュータプログラムは、複数のセルを積層して成る燃料電池の運転状態を制御するコンピュータシステムに、前記燃料電池の電流対電圧特性を推定するステップと、前記燃料電池を構成する各セルの出力電圧を検出するステップと、前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量を基に前記燃料電池から出力される最大電流を演算するステップと、前記最大電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記電流対電圧特性から求め、前記出力電圧を最低セル電圧の目標値として設定するステップと、前記最低セル電圧が前記目標電圧と一致するように前記燃料電池の出力電圧を制御するステップを実行させる制御プログラムである。かかる制御処理により、燃料電池に供給される反応ガスの供給量に対応した最適な最低セル電圧の目標値を設定することができる。

本発明のコンピュータプログラムを記録するコンピュータ読取り可能な記録媒体としては、光学的に情報の読み取りが可能な光記録媒体（ＣＤ−ＲＡＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＡＭ、ＤＶＤ−Ｒ、ＰＤディスク、ＭＤディスク、ＭＯディスク等）、磁気的に情報の読み取りが可能な磁気記録媒体（フレキシブルディスク、磁気テープ等）、電子的に情報の読み取りが可能な記録媒体（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ等）などが好適である

本発明によれば、刻々と変動する燃料電池の電流対電圧特性に対応した最適な最低セル電圧の目標値を設定することができるため、絶えず変化する燃料電池の運転状態に適した発電制御を行うことができる。また、最低セル電圧が目標電圧を下回らないように電圧制御することで、燃料電池の過放電を防ぐことができる。

以下、各図を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。
図１は燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの主要構成図である。同図に示すように、燃料電池システム１００は、主に、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力発電を行う燃料電池１０と、燃料電池１０のアノード極に燃料ガス（水素リッチガス）を供給する燃料ガス供給装置２１と、燃料電池１０のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置２２と、燃料電池１０の出力電圧を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ２５と、燃料電池１０の運転状態を制御する制御部３０を備えて構成されている。

燃料電池１０は複数のセルを直列に接続したスタック構造を備えており、アノード極では、（１）式の酸化反応が生じるとともに、カソード極では、（２）式の還元反応が生じる。燃料電池１０全体としては、（３）式の起電反応が生じる。燃料電池１０としては固体高分子電解質型の燃料電池が望ましい。高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短い、常温で高い電流密度が得られる、低負荷運転が可能、小型軽量化が可能といったメリットがあり、車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。固体高分子電解質型の燃料電池を用いる場合は、電池反応を良好に促進させるために燃料ガスと酸化ガスを適度に加湿することが望ましい。もとより、固体高分子電解質型燃料電池に限らず、アルカリ性電解質型燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池なども利用できる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池１０の出力端子には電力負荷としてのモータ２４とインバータ２３が電力ライン１１を介して接続されている。モータ２４は車両走行の推進力を得るための電動モータであり、例えば、三相同期モータとして構成されている。インバータ２３は、例えば、６個のパワートランジスタで構成される３相ブリッジ回路を備えており、同トランジスタのスイッチング作用によって直流電力を交流電力（三相交流）に変換し、モータ２４に供給している。パワートランジスタの制御は制御部３０によって行われ、インバータ２３からは制御部３０に対してスイッチング制御に必要な情報が送信されている。インバータ２３は、制御部３０からの要求指示に応答して、モータ２４の出力トルク及び回転数を所望の値に調整するために必要な三相交流電流の振幅及び周波数を調整し、モータ２４に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、システムの運転状態に対応して燃料電池１０の出力電圧（電力ライン１１の電圧）を調整する電圧制御手段として機能する他、燃料電池１０から出力される直流電圧をダウンコンバートして補機類電源供給用の二次電池２６を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の電力変換制御は制御部３０によって制御されている。

燃料電池１０の運転状態を検出するためのセンサ類として、燃料ガスのガス圧を検出するための圧力センサ４１と、酸化ガスのガス圧を検出するための圧力センサ４２と、燃料電池１０の出力電流（Ｉｆｃ）を検出するための電流センサ４３と、出力電圧（Ｖｆｃ）を検出するための電圧センサ４４と、燃料電池１０を構成する各セルの出力電圧を検出するためのセル電圧検出センサ４５と、燃料電池１０の温度（Ｔｆｃ）を検出するための温度センサ４６が設置されている。また、燃料電池１０の負荷変動を検出するための各種センサ類として、アクセルペダルポジションセンサ４７、ブレーキペダルポジションセンサ４８、車速センサ４９等が設置されている。

尚、セル電圧検出センサ４５は、図５に示すように、燃料電池１０を構成する全ての、又は選択された一群のセル１０ａの出力電圧（セル電圧）を検出できるように構成されている。各々のセル１０ａへの反応ガス供給量のばらつきや、電池特性のばらつきなどによって、セル１０ａ間で電圧分布が生じることがある。セル電圧検出センサ４５が検出するセル１０ａの個数をＮ個とし、検出された各々のセル電圧をＶ１〜ＶＮとすると、最低セル電圧ＶｍはＶ１〜ＶＮのうち最小の電圧として定められる。

制御部３０は、マイクロコンピュータを中心としたコンピュータシステムとして構成されており、システム制御に必要な各種のプログラム及び各種データを記憶したＲＯＭ３２と、ＲＯＭ３２に格納されているプログラムを読み取ってこれを実行するＣＰＵ３１と、ＣＰＵ３１のワークメモリとして機能するＲＡＭ３３と、各種センサ類（燃料ガス圧力センサ４１、酸化ガス圧力センサ４２、電流センサ４３、電圧センサ４４、セル電圧検出センサ４５、温度センサ４６、アクセルペダルポジションセンサ４７、ブレーキペダルポジションセンサ４８、車速センサ４９）からのセンサ信号を入力するとともに、上述した燃料ガス供給装置２１、酸化ガス供給装置２２、インバータ２３、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５に制御信号を出力するための入出力ポート３５を備えて構成されている。

制御部３０は、アクセルペダルポジションセンサ４７から出力されるアクセルペダルポジション、ブレーキペダルポジションセンサ４８から出力されるブレーキペダルポジション、車速センサ４９から出力される車速信号等から燃料電池１０に要求される発電量を算出し、燃料ガス供給装置２１と酸化ガス供給装置２２のそれぞれから出力される反応ガスの供給量を制御する。燃料ガス供給装置２１と酸化ガス供給装置２２は、制御部３０からの制御信号に基づいて反応ガスの供給量を調整できるように構成されており、反応ガス供給量制御手段として機能する。

次に、各図を参照して燃料電池１０の運転制御処理について説明する。
図２は燃料電池１０の制御処理ルーチンを記述したフローチャートである。制御部３０が実行する主制御プログラムの中で所定のイベント発生時に本ルーチンが呼び出されると、制御部３０は一定時間毎にステップＳ１０１〜Ｓ１０４の処理ステップを繰り返し実行する。まず、制御部３０は、スタック温度や、反応ガスの流量、圧力、湿度などによって刻々と変動する燃料電池１０の現時点での出力特性を推定する（ステップＳ１０１）。本ステップでは、図６に示すサブルーチンが呼び出されて、出力特性推定処理が実行される。このサブルーチンにおいては、まず、燃料電池１０の基本出力特性が計算される（ステップＳ２０１）。この基本出力特性の計算は以下のように行う。

図７はスタック温度Ｔｆｃに対する燃料電池１０の基本内部抵抗Ｒ０を実験により求めたマップデータ（Ｒ０-Ｔｆｃマップデータ）を示している。図８は燃料電池１０の内部抵抗を無視し、燃料電池１０に供給される燃料ガスの圧力を１００ｋＰａ〜２５０ｋＰａの範囲で変化させたときの理論出力特性を示している。制御部３０は、温度センサ４６が出力するスタック温度Ｔｆｃに対応する基本内部抵抗Ｒ０を図７のマップデータから読み出し、さらに、燃料ガス圧力センサ４１が出力する燃料ガス圧に対応する理論出力特性を読み出す。基本内部抵抗Ｒ０と理論出力特性が得られたならば、（４）式に基づいて基本出力特性を計算することができる。ここで、Ｉは燃料電池１０の出力電流、Ｒ０は基本内部抵抗、Ｖ０は出力電流Ｉに対する理論出力特性の出力電圧、Ｖ１は出力電流Ｉに対する基本出力特性の出力電圧である。

Ｖ１＝Ｖ０−Ｒ０×Ｉ …（４）

上述のようにして求めた基本内部抵抗Ｒ０は実際の内部抵抗Ｒ１とは異なるため、内部抵抗偏差ΔＲ（＝Ｒ１−Ｒ０）を加味した補正を行い、内部抵抗Ｒ１を求める（ステップＳ２０２）。この内部抵抗偏差ΔＲは、図９に示すように、電流センサ４３が読み取った出力電流Ｉｆｃに対応する基本出力特性上の出力電圧Ｖｆｃ０と、電圧センサ４４が読み取った出力電圧Ｖｆｃとを求め、両者の偏差（Ｖｆｃ０−Ｖｆｃ）を出力電流Ｉｆｃで除算することにより得られる。内部抵抗偏差ΔＲと内部抵抗Ｒ１はそれぞれ（５）式〜（６）式により計算できる。内部抵抗Ｒ１を求めたならば、（７）式に基づいて燃料電池１０の出力特性を計算する（ステップＳ２０３）。ここで、Ｖ２は出力電流Ｉに対する出力特性の出力電圧である。

ΔＲ＝（Ｖｆｃ０−Ｖｆｃ）／Ｉｆｃ …（５）
Ｒ１＝Ｒ０＋ΔＲ …（６）
Ｖ２＝Ｖ０−Ｒ１×Ｉ …（７）

尚、燃料電池１０の出力特性を推定する手法は上述の手法に限らず、各種の公知の手法を用いることができる。

燃料電池１０の出力特性が算出できたならば、図６のサブルーチンを抜けて、図２のステップＳ１０２に移行する。ステップＳ１０２では、燃料電池１０に供給される反応ガス量から理論上導出される最大電流Ｉｍａｘが計算される。実際の運転では、燃料電池１０を構成する各々のセル１０ａにできるだけ均等に燃料ガスを供給するため、理論上発電に必要な燃料ガス量よりもやや多めに燃料ガスを供給している。反応ガスの実際の供給量をストイキ値で除算することにより、発電に用いられる理論上の反応ガス供給量を求めることができる。電圧安定余剰ガス量を含まない燃料ガス流量（体積流量）をｆ_Ｈ、酸化ガス流量（体積流量）をｆ_Ｏ、ファラデー定数をＦとすれば、燃料ガス量から導出される電流値Ｉ_Ｈは（８）式により求めることができ、酸化ガス量から導出される電流値Ｉ_Ｏは（９）式により求めることができる。最大電流Ｉｍａｘは（１０）式に示すように、Ｉ_ＨとＩ_Ｏのうち何れか小さい方の電流値となる。

Ｉ_Ｈ＝ｆ_Ｈ×（２Ｆ／６０） …（８）
Ｉ_Ｏ＝ｆ_Ｏ×（４Ｆ／６０）×（２１／１００） …（９）
Ｉｍａｘ＝ｍｉｎ（Ｉ_Ｈ，Ｉ_Ｏ） …（１０）

最大電流Ｉｍａｘを求めることができたならば、図４に示すように、Ｉｍａｘに対応するＩ-Ｖ推定曲線上の出力電圧Ｖｍａｘを求める（ステップＳ１０３）。このＩ-Ｖ推定曲線（実線）は、（７）式により求めた出力特性曲線である。このように、燃料電池１０のＩ-Ｖ特性をリアルタイムで推定し、この推定曲線を基に運転制御を行うことにより、その時々で常に変動する燃料電池１０の実際のＩ-Ｖ特性（一点鎖線）に対応した運転制御が可能となる。このようにして、Ｖｍａｘを求めることができたならば、このＶｍａｘを最低セル電圧Ｖｍの目標電圧として設定し、最低電圧Ｖｍが目標電圧ＶｍａｘになるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２５を制御して、燃料電池１０の出力電圧を制御する（ステップＳ１０４）。本ステップでは、少なくとも最低電圧Ｖｍが目標電圧Ｖｍａｘを下回らないように電圧制御するのが望ましい。

図３はステップＳ１０４における電圧制御のブロック図を示している。同図に示すように、反応ガスの流量から燃料電池で発電される理論上の電力値ＦＦが求まる。この電力値ＦＦは上述したＩｍａｘとＶｍａｘを乗算して得られる電力値であり、燃料電池の発電量をフィードフォワード制御する際のフィードフォワード値となるものである。反応ガス流量が一定の場合、電力値ＦＦも一定となる。比例積分制御（ＰＩ制御）によって最低セル電圧Ｖｍを目標電圧Ｖｍａｘに一致させるには、最低セル電圧Ｖｍと目標電圧Ｖｍａｘの偏差を比例項と積分項とに変換し、これをフィードバック値として補正を行う。燃料電池によって発電される電力値をＷ、比例ゲインをＫｐ、積分ゲインをＫｉとすれば、（１１）式の関係が成立する。

Ｗ＝ＦＦ＋Ｋｐ×（Ｖｍａｘ-Ｖｍ）＋Ｋｉ×Σ（Ｖｍａｘ-Ｖｍ） …（１１）

以上、説明したように、本実施形態によれば、刻一刻と変動する燃料電池１０のＩ-Ｖ特性をリアルタイムで推定し、その時々の燃料電池１０の運転状態に最適な発電制御を行うことができるため、反応ガス利用効率の向上を実現できる。また、最低セル電圧Ｖｍが目標電圧Ｖｍａｘを下回らないように電圧制御することで、燃料電池１０の過放電を防ぐことができる。また、水分の凝縮などに起因するガス流路の閉塞などによってガス供給量が不足し、発電が困難な状況になっても、連続的な安定した運転を行うことができる。また、最低セル電圧Ｖｍを目標電圧Ｖｍａｘ付近に設定して発電を行うことにより、できるだけ多くの発電量を得ることができるため、二次電池２６の放電量を低減できる。また、燃料電池１０を構成する各々のセル１０ａの電池性能にばらつきがあったとしても、そのばらつきを補償することができる。

尚、上述の説明では、燃料電池車両のオンボード発電機として機能する燃料電池システムを例に説明したが、本発明はこれに限らず、プラント用又は家庭用の燃料電池発電システムに適用できる。

本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。燃料電池の制御処理を記述したフローチャートである。燃料電池の電圧制御のブロック図である。ＩｍａｘからＶｍａｘを求める手順を説明するための図である。セル電圧検出センサの構成図である。出力特性推定ルーチンを記述したフローチャートである。Ｒ０-Ｔｆｃマップデータである。燃料電池の理論出力特性を示すマップデータである。内部抵抗偏差ΔＲを求めるための説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池１０ａ…セル２１…燃料ガス供給装置２２…酸化ガス供給装置２５…ＤＣ／ＤＣコンバータ２６…二次電池３０…制御部４５…セル電圧検出センサ１００…燃料電池システム

Claims

複数のセルを積層して成る燃料電池の運転状態を制御するための制御装置であって、
前記燃料電池の電流対電圧特性を推定する出力特性推定手段と、
前記燃料電池を構成する各セルの出力電圧を検出するセル電圧検出手段と、
前記出力特性推定手段によって求められた前記電流対電圧特性に基づいて最低セル電圧の目標電圧を設定する目標電圧設定手段と、
前記最低セル電圧が前記目標電圧と一致するように前記燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段と、
を備える、燃料電池の制御装置。
請求項１に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量を基に前記燃料電池から出力される最大電流を演算する演算手段をさらに備え、
前記目標電圧設定手段は、前記最大電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記電流対電圧特性から求め、前記出力電圧を前記最低セル電圧の目標値として設定する、燃料電池の制御装置。
請求項２に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記燃料電池の要求発電量に対応して、前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量を制御する反応ガス供給量制御手段をさらに備える、燃料電池の制御装置。
請求項３に記載の燃料電池の制御装置であって、
前記反応ガス供給量制御手段は、前記燃料電池の要求発電量に対応して、反応ガスの給量をフィードフォワード制御する、燃料電池の制御装置。
複数のセルを積層して成る燃料電池の運転状態を制御するコンピュータシステムに、
前記燃料電池の電流対電圧特性を推定するステップと、
前記燃料電池を構成する各セルの出力電圧を検出するステップと、
前記電流対電圧特性に基づいて最低セル電圧の目標電圧を設定するステップと、
前記最低セル電圧が前記目標電圧と一致するように前記燃料電池の出力電圧を制御するステップと、
を実行させるためのコンピュータプログラム。
複数のセルを積層して成る燃料電池の運転状態を制御するコンピュータシステムに、
前記燃料電池の電流対電圧特性を推定するステップと、
前記燃料電池を構成する各セルの出力電圧を検出するステップと、
前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量を基に前記燃料電池から出力される最大電流を演算するステップと、
前記最大電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記電流対電圧特性から求め、前記出力電圧を最低セル電圧の目標値として設定するステップと、
前記最低セル電圧が前記目標電圧と一致するように前記燃料電池の出力電圧を制御するステップと、
を実行させるためのコンピュータプログラム。