JP2005339994A - 燃料電池の出力特性推定装置及び出力特性推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の出力特性を正確かつ応答性よく推定できる方法を提案する。
【解決手段】 本発明に関わる燃料電池の出力特性推定方法は、負荷要求に応答して燃料電池の発電電流を可変制御する可変電流発電モードと燃料電池の発電電流を予め定められた一定の電流指令値に制御する定電流発電モードとを切り替えて発電制御される燃料電池の出力特性を推定する方法であって、可変電流発電モードでの発電制御時に前記一定の電流指令値に対応する燃料電池の実電圧値を記憶する記憶ステップ（Ｓ３）と、可変電流発電モードから定電流発電モードへ切り替わったときに燃料電池の出力電圧が記憶ステップで記憶された実電圧値に一致するように燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定ステップ（Ｓ７）を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は燃料電池の出力特性推定技術に関し、特に、可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替えて燃料電池の出力特性を推定するときの推定精度を向上させる改良技術に関する。

特開２００２−２３１２９５号公報にはスタック温度又は水素供給圧などから定まる燃料電池の基本内部抵抗（予め実験などで求めたマップ）と、燃料電池の理論出力特性（内部抵抗を無視した燃料電池のＩ−Ｖマップ）とから燃料電池の基本出力特性を算出し、燃料電池の出力電流（実電流）及び出力電圧（実電圧）を基に内部抵抗を補正して燃料電池の出力特性（Ｉ−Ｖ特性）を推定する技術が開示されている。
特開２００２−２３１２９５号公報

しかし、燃料電池のＩ−Ｖ特性はスタック温度、反応ガス流量、湿度、経年劣化などによって大きく変動するため、特開２００２−２３１２９５号公報に記載の推定方法では燃料電池の全電流域のＩ−Ｖ特性を推定することはできず、動作点近傍にある一部の電流域についてしかＩ−Ｖ特性を正しく推定できない。このため、電流指令値が変化すると、Ｉ−Ｖ特性を新たに推定し直さなければならないので、燃料電池の出力電流が電流指令値に一致するまでに応答遅れが生じていた。

更に、発電停止時に実施している水素消費制御では一定の発電電流で発電することにより水素配管内に残留している水素ガスを消費し、理論上の圧力降下推定値と実際の圧力降下を比較して水素配管のガス漏れを検出している。Ｉ−Ｖ特性が誤っていると、誤推定しているＩ−Ｖ特性から電流指令値に対応する目標電圧を求めてＤＣ／ＤＣコンバータにより燃料電池の出力電圧を調整するため、燃料電池の出力電流は電流指令値に一致せず、ガス漏れ判定を誤る可能性がある。

そこで、本発明は上述の問題を解決し、燃料電池の出力特性を正確かつ応答性よく推定できる燃料電池の出力特性推定装置及び出力特性推定方法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、本発明に関わる燃料電池の出力特性推定装置は、負荷要求に応答して燃料電池の発電電流を可変制御する可変電流発電モードと燃料電池の発電電流を予め定められた一定の電流指令値に制御する定電流発電モードとを切り替えて発電制御される燃料電池の出力特性を推定する装置であって、可変電流発電モードでの発電制御時に前記一定の電流指令値に対応する燃料電池の実電圧値を記憶する記憶手段と、可変電流発電モードから定電流発電モードへ切り替わったときに燃料電池の出力電圧と記憶手段に記憶された実電圧値とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定手段を備える。可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替わる短時間の間に燃料電池の出力特性が大きく変化することはないため、発電モード切り替え後の出力特性推定処理を精度よく、しかも短時間で応答性よく行える。

本発明に関わる燃料電池の出力特性推定方法は、負荷要求に応答して燃料電池の発電電流を可変制御する可変電流発電モードと燃料電池の発電電流を予め定められた一定の電流指令値に制御する定電流発電モードとを切り替えて発電制御される燃料電池の出力特性を推定する方法であって、可変電流発電モードでの発電制御時に前記一定の電流指令値に対応する燃料電池の実電圧値を記憶する記憶ステップと、可変電流発電モードから定電流発電モードへ切り替わったときに燃料電池の出力電圧と記憶ステップで記憶された実電圧値とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定ステップを備える。可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替わる短時間の間に燃料電池の出力特性が大きく変化することはないため、発電モード切り替え後の出力特性推定処理を精度よく、しかも短時間で応答性よく行える。

定電流発電モードとして、例えば、電池運転停止後にシステム内に残留する燃料ガスを消費するための発電モードにすることができる。燃料電池の出力電流を精度よく電流指令値に制御することで、燃料ガス消費に伴う理論上の圧力降下推定値と実際の圧力降下を比較して燃料ガス配管などのガス漏れを精度よく検出できる。

本発明によれば、定電流発電モード切り替え後の出力特性推定処理を精度よく、しかも短時間で応答性よく行える。

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１０は、主に、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて電力を発電する燃料電池（セルスタック）２０と、燃料電池２０のアノード極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置３１と、燃料電池２０のカソード極に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置３２と、燃料電池１０の出力電圧を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ４１と、燃料電池２０の運転状態を制御する制御部５０を備えて構成されている。

燃料電池２０の出力端子には電力負荷としてのモータ４４とインバータ４３が電力ライン２１ａ，２１ｂを介して接続されている。モータ４４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４３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、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４４に供給している。パワートランジスタの制御は制御部５０によって行われ、インバータ４３からは制御部５０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４３は、制御部５０からの要求指示に応答して、モータ４４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４４に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１はシステムの運転状態に対応して燃料電池２０の出力電圧（電力ライン２１ａ，２１ｂ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２０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４２を充電する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の電力変換制御は制御部５０によって制御されている。

制御部５０は通常運転時には可変電流発電モード（通常発電モード）で燃料電池２０の発電制御を行い、発電停止時には定電流発電モードで燃料電池２０の発電制御を行う。可変電流発電モードとは負荷要求に応答して燃料電池２０の発電電流を可変制御する発電モードをいい、定電流発電モードとは燃料電池２０の発電電流を予め定められた一定の電流指令値に制御する発電モードをいう。通常運転時には制御部５０はアクセルセンサ６３が検出したアクセル開度や車速センサ６４が検出した車速などを基に要求負荷を算出し、燃料電池２０の発電電力が目標電力に一致するように燃料ガス供給装置３１、酸化ガス供給装置３２、及びＤＣ／ＤＣコンバータ４１を制御して燃料ガス流量、酸化ガス流量、及び燃料電池２０の出力電圧を調整する。一方、発電停止時には制御部５０は水素配管系のバルブを閉弁し、定電流発電によって水素配管内に残留する水素ガスを消費する。水素消費に伴う水素配管の理論上の圧力降下推定値と実際の圧力降下を比較することにより水素配管のガス漏れやバルブの故障を検出する。

可変電流発電モード又は定電流発電モードにおいて燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を推定するには、例えば、特開２００２−２３１２９５号公報にて開示されているように、スタック温度又は水素供給圧などから定まる燃料電池２０の基本内部抵抗（予め実験などで求めたマップ）と、燃料電池２０の理論出力特性（内部抵抗を無視して予め実験などで求めた燃料電池２０のＩ−Ｖマップ）とから燃料電池２０の基本出力特性を算出し、電流センサ６１及び電圧センサ６２によって検出された燃料電池２０の出力電流（実電流）及び出力電圧（実電圧）を基に内部抵抗Ｒ０を補正して燃料電池２０の出力特性を算出する。ここで、基本内部抵抗をＲ０、補正後の内部抵抗をＲ１、内部抵抗偏差をΔＲ、Ｉを出力電流（電流センサ６１が検出した実際の出力電流）、Ｖ０を出力電流Ｉに対応する理論出力特性の出力電圧、Ｖ１を出力電流Ｉに対応する基本出力特性の出力電圧、Ｖ２を出力電流Ｉに対応する出力特性の出力電圧（電圧センサ６２が検出した実際の出力電圧）とすれば、Ｖ１＝Ｖ０−Ｒ０×Ｉ、Ｖ２＝Ｖ０−Ｒ１×Ｉ、ΔＲ＝Ｒ１−Ｒ０＝（Ｖ１−Ｖ２）／Ｉとなる。

次に、図３及び図４を参照して可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替えて発電制御を行うときのＩ−Ｖ特性推定方法について説明する。図３は可変電流発電モードで発電制御をしているときの推定Ｉ−Ｖ特性曲線を示している。ここで、Ａは定電流発電モードで電力発電を行うときの動作点（Ｉ_fc０，Ｖ_fc０）を示しており、Ｂは可変電流発電モードで電力発電を行うときの動作点（Ｉ_fc１，Ｖ_fc１）を示している。電流指令値Ｉ_fc０は一定であるが、電流指令値Ｉ_fc１は要求負荷に応じて刻々と変動する。上述したように従来技術では推定Ｉ−Ｖ特性曲線を動作点Ｂに合わせると動作点Ａが合わなくなる。そこで、可変電流発電モードの電流指令値Ｉ_fc１が定電流発電モードの電流指令値Ｉ_fc０と一致するときに実電圧値Ｖ_fc０（又は動作点Ａ）を記憶しておく。可変電流発電モードの電流指令値Ｉ_fc１は要求負荷に応じて変動するため、電流指令値Ｉ_fc１と電流指令値Ｉ_fc０は常に一致する訳ではなく、電流指令値Ｉ_fc１が電流指令値Ｉ_fc０と偶然に一致したときに、そのときの燃料電池２０の実電圧値Ｖ_fc０（又は動作点Ａ）を記憶すればよい。そして、可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替わったところで、図４に示すように推定Ｉ−Ｖ特性曲線が動作点Ａに一致するように内部抵抗を算出してＩ−Ｖ特性を推定する。具体的には、上式において、ＩにＩ_fc０を代入し、Ｖ２にＶ_fc０を代入して内部抵抗Ｒ１を算出すればよい。燃料電池２０の特性上、可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替わる短時間の間にＩ−Ｖ特性が大きく変化することはないため、発電モード切り替え後のＩ−Ｖ特性推定処理を精度よく、しかも短時間で応答性よく行える。制御部５０は定電流発電モードの電流指令値Ｉ_fc０に対応する実電圧値Ｖ_fc０（又は動作点Ａ）を記憶する記憶手段５１と、燃料電池２０のＩ−Ｖ特性を推定する出力特性推定手段５２を備えた出力特性推定装置として機能する（図１参照）。

図２は可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替えて発電制御を行うときのＩ−Ｖ特性推定処理ルーチンを示している。同ルーチンを参照しながら上述の説明を再述する。同ルーチンが呼びだされると、制御部５０は可変電流発電モードであるか否かをチェックする（Ｓ１）。発電モードが可変電流発電モードである場合には（Ｓ１；ＹＥＳ）、電流指令値Ｉ_fc１が定電流発電モードにおける電流指令値Ｉ_fc０に一致するか否かをチェックする（Ｓ２）。電流指令値Ｉ_fc１が定電流発電モードにおける電流指令値Ｉ_fc０に一致する場合には（Ｓ２；ＹＥＳ）、電流指令値Ｉ_fc０に対応する実電圧値Ｖ_fc０（又は動作点Ａ）を記憶し（Ｓ３）、実電圧値Ｖ_fc０（又は動作点Ａ）を記憶したことを示す定電流発電動作点記憶フラグをオンにする（Ｓ４）。次いで、発電モードが定電流発電モードに切り替わったか否かをチェックする（Ｓ５）。可変電流発電モードでないとき（Ｓ１；ＮＯ）、又は可変電流発電モードにおける電流指令値Ｉ_fc１が定電流発電モードにおける電流指令値Ｉ_fc０に一致しないときも（Ｓ２；ＮＯ）、同様にステップＳ５にジャンプする。

そして、発電モードが定電流発電モードでない場合には（Ｓ５；ＮＯ）、ステップＳ２にジャンプし、発電モードが定電流発電モードである場合には（Ｓ５；ＹＥＳ）、定電流発電動作点記憶フラグがオンであるか否かをチェックする（Ｓ６）。定電流発電動作点記憶フラグがオンである場合には（Ｓ６；ＹＥＳ）、記憶した動作点Ａに合うようにＩ−Ｖ特性を推定する（Ｓ７）。定電流発電動作点記憶フラグがオフである場合には（Ｓ６；ＮＯ）、基本内部抵抗Ｒ０と理論出力特性とから基本出力特性を算出し、実電流及び実電圧を基に内部抵抗Ｒ０を補正してＩ−Ｖ特性を算出する（Ｓ８）。さて、Ｉ−Ｖ特性が推定できたならば、燃料電池２０の出力電圧が目標電圧Ｖ_fc０に一致するようにＤＣ／ＤＣコンバータ４１を制御して定電流発電を開始する（Ｓ９）。ここで、Ｉ−Ｖ推定に誤差があり、出力電流が電流指令値Ｉ_fc０に一致しない場合には、Ｉ−Ｖ特性を再度推定し直す（Ｓ１０）。水素配管系の水素消費が終了した段階で定電流発電を終了する（Ｓ１１）。

本実施形態によれば、可変電流発電モードでの運転時に電流指令値Ｉ_fc０に対応する実電圧値Ｖ_fc０（又は動作点Ａ）を記憶しておき、可変電流発電モードから定電流発電モードに切り替わったときにＩ−Ｖ特性が実電圧値Ｖ_fc０（又は動作点Ａ）に一致するように内部抵抗を算出することで、Ｉ−Ｖ特性の推定を精度よく、しかも短時間で応答性よく行える。

本実施形態の燃料電池システムの主要構成図である。 本実施形態のＩ−Ｖ特性推定処理ルーチンである。 可変電流発電モードにおける推定Ｉ−Ｖ特性曲線である。 定電流発電モードにおける推定Ｉ−Ｖ特性曲線である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池 ３１…燃料ガス供給装置 ３２…酸化ガス供給装置 ４１…ＤＣ／ＤＣコンバータ ４２…二次電池 ４３…インバータ ４４…モータ ５０…制御部（出力特性推定装置） ５１…記憶手段 ５２…出力特性推定手段 ６１…電流センサ ６２…電圧センサ ６３…アクセルセンサ ６４…車速センサ

Claims (4)

1. 負荷要求に応答して燃料電池の発電電流を可変制御する可変電流発電モードと燃料電池の発電電流を予め定められた一定の電流指令値に制御する定電流発電モードとを切り替えて発電制御される燃料電池の出力特性を推定する装置であって、前記可変電流発電モードでの発電制御時に前記一定の電流指令値に対応する燃料電池の実電圧値を記憶する記憶手段と、前記可変電流発電モードから前記定電流発電モードへ切り替わったときに前記燃料電池の出力電圧と前記記憶手段に記憶された実電圧値とに基づいて前記燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定手段を備える、燃料電池の出力特性推定装置。
2. 請求項１に記載の燃料電池の出力特性推定装置であって、前記定電流発電モードは電池運転停止後に残留する燃料ガスを消費するための発電モードである、燃料電池の出力特性推定装置。
3. 負荷要求に応答して燃料電池の発電電流を可変制御する可変電流発電モードと燃料電池の発電電流を予め定められた一定の電流指令値に制御する定電流発電モードとを切り替えて発電制御される燃料電池の出力特性を推定する方法であって、前記可変電流発電モードでの発電制御時に前記一定の電流指令値に対応する燃料電池の実電圧値を記憶する記憶ステップと、前記可変電流発電モードから前記定電流発電モードへ切り替わったときに前記燃料電池の出力電圧と前記記憶ステップで記憶された実電圧値とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定ステップを備える、燃料電池の出力特性推定方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池の出力特性推定方法であって、前記定電流発電モードは電池運転停止後に残留する燃料ガスを消費するための発電モードである、燃料電池の出力特性推定方法。
   
   

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