JP2006196221A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池と２次電池との電力配分を決定する際に、燃料電池の発電状態が変化した場合においても最適な電力配分を行う。
【解決手段】 燃料電池１０の出力電圧と出力電流とから燃料電池１０の発電電力特性を演算し、燃料電池１０の発電電力のうち電気負荷１１に供給可能な電力である燃料電池システム出力を演算し、燃料電池システム出力と燃料電池１０における燃料ガスの燃焼エネルギとに基づいて燃料電池システム効率を演算し、２次電池１２に充電が行われる際の累積的なエネルギ効率である２次電池エネルギ効率を演算し、燃料電池システム効率と、燃料電池システム出力と、２次電池エネルギ効率と、２次電池エネルギ効率と、燃料電池１０に対する要求電力とに基づいて全体システム効率を演算する。そして、全体システム効率が最大となるように、燃料電池１０と２次電池１２との電力配分を決定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水素と酸素との化学反応により電力を発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体発電機、あるいは家庭用小型発電機に好適に用いることできる。

従来より、燃料電池の出力電力と燃料電池に並列接続された２次電池の出力電力とが電気負荷（例えばインバータ）に供給される燃料電池システムが知られている。燃料電池の出力電力と２次電池の出力電力との配分方法として、燃料電池の電流−電圧特性から燃料電池の出力電力を算出し、燃料電池の出力電力と電気負荷の要求出力と２次電池充電量とに基づいて２次電池の出力電力を決定するものが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００２−１４１０９２号公報

しかしながら、燃料電池の発電特性は燃料電池内部の水分状態によって変化し、燃料電池内部の水分が不足すると内部抵抗が大きくなり、燃料電池の電流−電圧特性が悪化する。このように、燃料電池の発電効率は燃料電池の内部状態によって変化する。

上記特許文献１では、定められた条件下における燃料電池の出力特性に基づいて燃料電池と２次電池との電力配分を決定しているので、燃料電池の動作条件が変化したことを把握できず、燃料電池と２次電池との間で必ずしも効率的な電力配分が行えない条件での運転がなされることとなる。

本発明は上記点に鑑み、燃料電池と２次電池との電力配分を決定する際に、燃料電池の発電状態が変化した場合においても最適な電力配分を行うことができるようにすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、電気負荷（１１）に対して電力供給可能な燃料電池（１０）と、充電可能であるとともに電気負荷（１０）に対して電力供給可能な電力貯蔵手段（１２）と、燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１４）と、燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１５）と、燃料電池（１０）の出力電圧と出力電流とから燃料電池（１０）の発電電力電力特性を演算する発電演算手段（４０）と、燃料電池システム出力特性を演算するシステム出力演算手段（４０）と、燃料電池システム効率特性を演算するシステム効率演算手段（４０）と、電力貯蔵手段エネルギ効率特性を演算する電力貯蔵手段エネルギ効率演算手段（４０）と、全体システム効率を演算する全体システム効率演算手段（４０）と、全体システム効率が最大となるように、燃料電池（１０）からの電気負荷（１１）に対する供給電力と電力貯蔵手段（１２）からの電気負荷（１１）に対する供給電力との配分を決定する電力配分決定手段（４０）とを備えることを特徴としている。

これにより、リアルタイムで推定した燃料電池（１０）の発電特性（電流−電圧特性）に基づいて燃料電池システム効率を推定し、さらに電力貯蔵手段（１２）の充放電状態を経時的に監視して電力貯蔵手段エネルギ効率を推定し、最適な電力配分を決定することで、燃料電池の発電状態が変化した場合しても、その時点で最も効率の良い電力配分で燃料電池システムを動作させることができる。

また、請求項２に記載の発明のように、システム出力演算手段（４０）で燃料電池システム出力を演算する際に補機動力を考慮することで、正確に燃料電池システム出力を求めることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、全体システム効率は、以下の数式１および数式２を用いて演算することができる。
（数式１）
全体システム効率＝（燃料電池システム効率×燃料電池システム出力＋２次電池エネルギ効率×電力貯蔵手段出力電力）／燃料電池に対する要求電力
（数式２）
電力貯蔵手段出力電力＝燃料電池に対する要求電力−燃料電池システム出力
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について図１〜図１３に基づいて説明する。図１は本発明の実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を示す図で、この燃料電池システムは、例えば燃料電池を電源として走行する電気自動車に適用される。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池１０を備えている。この燃料電池１０は、電気負荷１１、２次電池１２、各種補機２１、３３等の電気機器に電力を供給するものである。因みに、電気自動車の場合、車両走行用の電動モータを駆動するインバータが電気負荷１１に相当する。また、２次電池１２は、燃料電池１０と電気的に並列接続されており、燃料電池１０から供給された電気エネルギーを蓄えると共に、蓄えた電気エネルギーを各種の電気負荷に供給するものである。２次電池１２は本発明の電力貯蔵手段に相当する。２次電池１２は、充電量に関する信号を後述の制御部４０に出力する。

本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となるセルが複数個積層され、且つ電気的に直列接続されている。各セルは、電解質膜の両側面に電極が配置されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：電解質・電極接合体）と、このＭＥＡを挟持する空気側セパレータおよび水素側セパレータから構成されている。燃料電池１０では、水素および空気（酸素）が供給されることにより、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。

（燃料極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（空気極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
燃料電池１０と２次電池１２との間には、電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータ１３が設けられている。また、燃料電池システムには、各セルの電圧を検出するセルモニタ１４と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ１５が設けられている。なお、セルモニタ１４は本発明の電圧検出手段に相当し、電流センサ１５は本発明の電流検出手段に相当している。

図１に示すように、燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０から排出される未反応水素ガス等を含むオフガスを燃料電池１０に再循環させるためのオフガス循環経路３０ｂとが設けられている。なお、空気は本発明の酸化ガスに相当し、水素は本発明の燃料ガスに相当する。

空気供給経路２０ａの最上流部には、大気中から吸入した空気を燃料電池１０に圧送するための電動式の空気ポンプ２１と、空気を加湿するための加湿器２２が設けられ、空気排出経路２０ｂには背圧調整弁２３が設けられている。空気ポンプ２１は本発明の電動式補機の一例を示している。

水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２が設けられている。オフガス循環経路３０ｂには、オフガスを循環させるためのオフガス循環ポンプ３３が設けられている。循環ポンプ３３は本発明の電動式補機の一例を示している。

燃料電池システムには、制御部（ＥＣＵ）４０が設けられている。制御部４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。制御部４０には、電気負荷１１や補機２２、からの要求電力信号、２次電池１２からの充電量の関する信号、セルモニタ１４からの電圧信号、電流センサ１５からの電流信号が入力される。なお、本実施形態の制御部４０は、本発明の発電電力演算手段、システム出力演算手段、システム効率演算手段、電力貯蔵手段エネルギ効率演算手段、全体システム効率演算手段、電力配分決定手段、補機動力演算手段に相当している。

次に、本実施形態の燃料電池システムの電力分配制御について図２〜図１３に基づいて説明する。図２は、本実施形態の制御部５０が行う電力分配制御の内容を示すフローチャートである。

まず、燃料電池１０の電流−電圧特性（発電特性）を演算する（Ｓ１０）。ここでは、燃料電池１０の無負荷時における電圧Ｖｏを予め調べておき、さらにセルモニタ１４で燃料電池１０の電圧Ｖｍを測定し、電流センサ１５で燃料電池１０の電流Ｉｍを測定する。

図３は、燃料電池１０の電流−電圧特性を示している。図３に示すように、燃料電池１０の無負荷時における電圧Ｖｏと現在の動作点Ｖｍ、Ｉｍとを直線補完することで、現在の燃料電池１０の電流−電圧特性を演算することができる。なお、過去数点の動作点から最小二乗法によって燃料電池１０の電流−電圧特性を演算してもよい。

次に、燃料電池システム出力を演算する（Ｓ１１）。ここでは燃料電池１０の出力電流に対する燃料電池システム出力の特性を求める。燃料電池システム出力は、電気負荷１１に出力可能な電力であり、燃料電池１０の出力と補機２１、３３を作動させるのに必要な補機動力との差分から求めることができる。

図４は、燃料電池電力および燃料電池１０の出力電流との関係と、補機動力および燃料電池１０の出力電流との関係と、燃料電池システム出力および燃料電池１０の出力電流との関係とを示している。Ｓ１０で求めた燃料電池１０の電流−電圧特性（図３）から、図４に示す電力−電流特性を求めることができる。また、燃料電池１０の出力電流と補機動力とは比例関係にあり、図４に示す燃料電池１０の出力電流と補機動力との関係を予め求めておくことができる。燃料電池電力と電流との関係から、予め定められた補機動力および燃料電池１０の出力電流との関係を用いて燃料電池システム出力−電流特性を得ることができる。

次に、燃料電池システム効率を演算する（Ｓ１２）。燃料電池システム効率は、燃料電池システム出力と燃料電池１０の水素燃焼エネルギを用い、次の数式３で求めることができる。
（数式３）
燃料電池システム効率＝燃料電池システム出力／水素燃焼エネルギ
また、水素燃焼エネルギは、次の数式４で求めることができる。
（数式４）
水素燃焼エネルギ＝水素燃焼熱〔ｋＪ／ｍｏｌ〕×発電電流〔Ａ〕×セル枚数／（２×ファラデー定数〔Ｃ／ｍｏｌ〕）
以上の数式３、４から燃料電池システム効率を求めることができる。図５は、燃料電池システム効率と燃料電池１０の発電電流との関係を示している。図５に示すように、燃料電池システム効率は電流によって変動する。

図６は、燃料電池システム効率と燃料電池システム出力との関係を示している。図４に示す燃料電池システム出力と燃料電池１０の発電電流との関係と、図５に示す燃料電池システム効率と燃料電池１０の発電電流との関係とから、図６に示す燃料電池システム効率と燃料電池システム出力との関係が得られる。

次に、２次電池１２のエネルギ効率を演算する（Ｓ１３）。図７は２次電池エネルギ効率と２次電池１２の出力電力との関係を示している。２次電池エネルギ効率は、２次電池１２に充電する際の経時的なエネルギ効率であり、２次電池１２の瞬時における効率を経時的に監視することで求めることができる。２次電池１２の瞬時における効率は、以下の数式５で求めることができる。
（数式５）
瞬時の２次電池効率＝（充電時の燃料電池システム効率）×（２次電池１２の充電効率）
さらに、２次電池エネルギ効率は、以下の数式６で求めることができる。
（数式６）
２次電池エネルギ効率＝Σ瞬時の２次電池効率×（充電電流×Δｔ）／２次電池容量
次に、アクセル開度等に基づいて車両要求電力を演算し（Ｓ１４）、全体システム効率を演算する（Ｓ１５）。全体システム効率は、車両要求電力に対する燃料電池１０からの出力と２次電池１２からの出力との電力分配を演算する際に、燃料電池システム効率および２次電池エネルギ効率とを考慮した燃料電池システム全体の効率である。全体システム効率は以下の数式７で求めることができる。
（数式７）
全体システム効率＝（燃料電池システム効率×燃料電池システム出力＋２次電池エネルギ効率×２次電池アシスト電力）／車両要求電力
ここで、２次電池アシスト電力は以下の数式８で求めることができる。
（数式８）
２次電池アシスト電力＝車両要求電力−燃料電池システム出力
次に、２次電池１２の残存容量を検出する（Ｓ１６）。そして、最適な２次電池アシスト電力を演算する（Ｓ１７）。図８は、図６で示した燃料電池システム出力と図７で示した２次電池エネルギ効率との関係を示している。本実施形態における２次電池１２の出力電力の最大値が２５ｋＷ程度であるので、２次電池エネルギ効率は２５ｋＷ程度まで実線で表示し、２５ｋＷ程度より出力が大きい領域では２次電池エネルギ効率と燃料電池システム効率との比較のために破線を表示している。

図９は、燃料電池１０の電流−電圧特性を示している。図９中の実線は燃料電池１０の発電状態が正常である場合の発電特性を示し、図９中の破線は燃料電池１０の発電状態が悪化した場合の発電特性を示している。制御電圧Ｖｏで燃料電池１０を運転する際、実線上の目標動作点で燃料電池１０を発電させるために必要な発電電流Ｉ１を発電するように運転するが、燃料電池１０の発電状態が悪化した場合、燃料電池１０の発電電流がＩ１からＩ２に低下し、燃料電池１０は破線上の実動作点で動作することとなる。

このため、図８においても燃料電池１０の発電状態が悪化した場合には燃料電池システム効率が低下する。例えば出力が４０ｋＷの場合、燃料電池１０の発電状態が正常な場合には、燃料電池システム効率が２次電池エネルギ効率より高くなっており、燃料電池１０の発電状態が悪化した場合には、燃料電池システム効率と２次電池エネルギ効率とがほぼ同等になっている。

図１０と図１１は、出力が４０ｋＷの場合の全体システム効率と２次電池１２のアシスト電力との関係を示している。図１０は燃料電池１０の発電状態が正常な場合であり、図１１は燃料電池１０の発電状態が悪化した場合である。図１０、図１１において、２次電池１２のアシスト電力が０ｋＷの場合の電力配分は、燃料電池システム出力が１００％で２次電池１２のアシスト電力が０％となり、２次電池１２のアシスト電力が２０ｋＷの場合の電力配分は、燃料電池システム出力が５０％で２次電池１２のアシスト電力が５０％となり、２次電池１２のアシスト電力が４０ｋＷの場合の電力配分は、燃料電池システム出力が０％で２次電池１２のアシスト電力が１００％となる。

図１０に示すように、燃料電池１０の発電状態が正常な場合の全体システム効率が最高となる電力配分は、２次電池１２のアシスト電力が８ｋＷ程度の場合である。この場合の燃料電池システム出力の電力配分は残りの３２ｋＷ程度となる。燃料電池１０の発電状態が悪化した場合には、燃料電池システム効率が低くなる。このため図１１に示すように、燃料電池１０の発電状態が悪化した場合の全体システム効率が最高となる電力配分は、２次電池１２のアシスト電力が１７ｋＷ程度の場合である。この場合の燃料電池システム出力の電力配分は残りの２３ｋＷ程度となる。このように燃料電池の特性をリアルタイムに監視することにより、常に車両効率を最大化できる。

次に、車両要求電力が変動した場合について説明する。以下、燃料電池の発電状態が悪化した場合の燃料電池システム効率を前提に説明する。

図１２は出力が５０ｋＷの場合の全体システム効率と２次電池１２のアシスト電力との関係を示し、図１３は出力が２０ｋＷの場合の全体システム効率と２次電池１２のアシスト電力との関係を示している。

図８において出力が５０ｋＷの場合には、燃料電池システム効率が２次電池エネルギ効率より低くなっている。このため、図１２に示すように、全体システム効率が最高となる電力配分は、２次電池１２のアシスト電力が２７ｋＷ程度の場合である。このときの燃料電池システム出力の電力配分は残りの２３ｋＷ程度となる。

図８において出力が２０ｋＷの場合には、燃料電池システム効率が２次電池エネルギ効率より高なっている。このため、図１３に示すように、全体システム効率が最高となる電力配分は、２次電池１２のアシスト電力が０ｋＷ程度の場合である。このときの燃料電池システム出力の電力配分は残りの２０ｋＷ程度となる。この場合には、燃料電池システム効率が良好なため、ＦＣシステムのみで電力供給した方が全体システム効率がよくなる。

次に、２次電池１２の残存容量が下限値を下回っているか否かを判定する（Ｓ１８）。この結果、２次電池１２の残存容量が下限値を下回っていない場合には、上記Ｓ１７で演算した燃料電池システム出力と２次電池アシスト電力の最適配分となるように、燃料電池１０の発電を制御する（Ｓ１９）。

一方、２次電池１２の残存容量が下限値を下回っている場合には、燃料電池システム効率が充電許可効率を上回っているか否かを判定する（Ｓ２０）。この結果、燃料電池システム効率が充電許可効率を上回っていない場合には、燃料電池システム効率＝車両要求電力となるように燃料電池１０の発電を制御する（Ｓ２１）。一方、燃料電池システム効率が充電許可効率を上回っている場合には、燃料電池システム効率＝車両要求電力＋２次電池充電電力となるように燃料電池１０の発電を制御する（Ｓ２２）。

以上のように、リアルタイムで推定した燃料電池１０の発電特性（電流−電圧特性）に基づいて燃料電池システム効率を推定し、さらに２次電池１２の充放電状態を経時的に監視してリアルタイムに２次電池エネルギ効率を推定し、これらの燃料電池システム効率と２次電池エネルギ効率に基づいてリアルタイムに最適な電力配分を決定することで、その時点で最も効率の良い電力配分で燃料電池システムを動作させることができる。

上記実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。 上記実施形態の電力分配制御の内容を示すフローチャートである。 燃料電池の電流−電圧特性を示す特性図である。 燃料電池電力および燃料電池の出力電流との関係と、補機動力および燃料電池の出力電流との関係と、燃料電池システム出力および燃料電池の出力電流との関係とを示す特性図である。 燃料電池システム効率と燃料電池の発電電流との関係を示す特性図である。 燃料電池システム効率と燃料電池システム出力との関係を示す特性図である。 ２次電池エネルギ効率と２次電池１２の出力電力との関係を示す特性図である。 燃料電池システム出力と２次電池エネルギ効率との関係を示す特性図である。 燃料電池の電流−電圧特性を示す特性図である。 全体システム効率と２次電池アシスト電力との関係を示す特性図である（出力４０ｋＷ）。 全体システム効率と２次電池アシスト電力との関係を示す特性図である（出力４０ｋＷ）。 全体システム効率と２次電池アシスト電力との関係を示す特性図である（出力５０ｋＷ）。 全体システム効率と２次電池アシスト電力との関係を示す特性図である（出力２０ｋＷ）。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…電気負荷、１２…２次電池、１３…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４…セルモニタ、１５…電流センサ、４０…制御部。

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電し、電気負荷（１１）に対して電力供給可能な燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池（１０）から電力供給を受けて充電可能であるとともに、前記電気負荷（１０）に対して電力供給可能な電力貯蔵手段（１２）と、
   前記燃料電池（１０）の出力電圧を検出する電圧検出手段（１４）と、
   前記燃料電池（１０）の出力電流を検出する電流検出手段（１５）と、
   前記燃料電池（１０）の出力電圧と出力電流とから前記燃料電池（１０）の発電電力を演算し、前記燃料電池（１０）の発電電力と前記燃料電池（１０）の発電電流との関係を演算する発電電力演算手段（４０）と、
   前記燃料電池（１０）の発電電力のうち前記電気負荷（１１）に供給可能な電力である燃料電池システム出力と前記燃料電池（１０）の出力電流との関係を演算するシステム出力演算手段（４０）と、
   前記燃料電池システム出力および前記燃料電池（１０）における燃料ガスの燃焼エネルギとに基づいて演算される燃料電池システム効率と、前記燃料電池システム出力との関係を演算するシステム効率演算手段（４０）と、
   前記電力貯蔵手段（１２）に充電が行われる際の累積的なエネルギ効率である電力貯蔵手段エネルギ効率と、前記電力貯蔵手段（１２）の出力電力との関係を演算する電力貯蔵手段エネルギ効率演算手段（４０）と、
   前記燃料電池システム効率と、前記燃料電池システム出力と、前記電力貯蔵手段エネルギ効率と、前記電力貯蔵手段エネルギ効率と、前記燃料電池（１０）に対する要求電力とに基づいて全体システム効率を演算する全体システム効率演算手段（４０）と、
   前記全体システム効率が最大となるように、前記燃料電池（１０）からの前記電気負荷（１１）に対する供給電力と前記電力貯蔵手段（１２）からの前記電気負荷（１１）に対する供給電力との配分を決定する電力配分決定手段（４０）とを備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池（１０）の作動に関与する電動式補機（２１、３３）を作動させるための補機動力と前記燃料電池（１０）の発電電流との関係を演算する補機動力演算手段（４０）を備え、
   前記システム出力演算手段（４０）は、前記燃料電池（１０）の発電電力から前記補機動力を引いた値を前記燃料電池システム出力と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。
3. 前記全体システム効率演算手段（４０）は、以下の数式１および数式２を用いて前記全体システム効率を演算することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
   （数式１）
   全体システム効率＝（燃料電池システム効率×燃料電池システム出力＋２次電池エネルギ効率×電力貯蔵手段出力電力）／燃料電池に対する要求電力
   （数式２）
   電力貯蔵手段出力電力＝燃料電池に対する要求電力−燃料電池システム出力
   

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