JP2006210100A

JP2006210100A - 電源装置

Info

Publication number: JP2006210100A
Application number: JP2005019688A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Saito; 齋藤　　友宏; Tadaichi Matsumoto; 只一松本; Shigeto Kajiwara; 滋人梶原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10
Also published as: WO2006080471A1

Abstract

【課題】燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求への対応を可能にした電源装置を提供する。
【解決手段】燃料電池と、電気負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、燃料電池の出力及び蓄電装置の充電を制御する制御装置とを含む電源装置であって、制御装置は、負荷要求が燃料電池の高効率点での電力よりも小さい場合（ステップＳ１３：ｙ）には、当該高効率点にて燃料電池を駆動させる（ステップＳ１５、Ｓ１７）と共に余剰電力を蓄電装置に充電する。一方、負荷要求が前記高効率点での電力以上の場合（ステップＳ１３：ｎ）には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池から出力させる（ステップＳ３１、Ｓ１７）。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池と蓄電装置とを含む電源装置に関し、特に、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求への対応を可能にした電源装置に関する。

近年、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気エネルギーとして直接取り出すことのできる燃料電池を備えた車両システム等の開発が進められている。また、この種の車両システムとして、トラクションモータや補機類等の電気負荷に対してそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電装置を備え、負荷要求に拘わらず燃料電池を高効率の動作点で駆動（発電）させる一方、負荷要求に対する燃料電池出力の不足分を蓄電装置にて賄う技術が提案されている。
特開平０５−１８２６７５号公報

しかしながら、この特許文献１に開示の技術では、燃料電池を常に高効率領域に制限して運転するため、蓄電装置の残容量（ＳＯＣ）が少ないときに負荷要求が急増した場合には、燃料電池出力の不足分を蓄電装置にて賄わなければならない状況であるにも拘わらず、燃料電池出力を補えない虞がある。つまり、燃料電池の発電効率を重視するあまり、高負荷要求に十分に対応できない場合がある、という課題がある。

そこで、本発明は、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求への対応を可能にした電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と蓄電装置とを含む電源装置であって、負荷要求が燃料電池の高効率点での電力よりも小さい場合には、当該高効率点にて燃料電池を駆動させると共に余剰電力を蓄電装置に充電する一方、負荷要求が前記高効率点での電力以上の場合には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池から出力させる。

また、本発明は、燃料電池と、電気負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、燃料電池の出力及び蓄電装置の充電を制御する制御装置とを含む電源装置であって、前記制御装置は、負荷要求より燃料電池に対する要求電力Ｐｒを設定する要求設定部と、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを設定する動作点設定部とを備え、該動作点設定部は、燃料電池に対する要求電力Ｐｒが燃料電池の高効率点での電力Ｐｍよりも小さい場合には、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを当該高効率点での電力Ｐｍに設定すると共に該設定の結果生じる余剰電力を蓄電装置に充電し、燃料電池に対する要求電力Ｐｒが前記高効率点での電力Ｐｍ以上の場合には、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを当該要求電力Ｐｒに設定する。

これらの構成によれば、負荷要求（要求電力Ｐｒ）が高効率点での燃料電池出力（電力Ｐｍ）よりも小さい場合には、当該高効率点にて燃料電池を駆動させている、言い換えれば、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを当該高効率点での電力Ｐｍに設定しているので、燃費の向上が図られる。一方、負荷要求が前記高効率点での燃料電池出力以上の場合には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池に出力させている、言い換えれば、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを当該要求電力Ｐｒに設定しているので、高負荷要求への対応が可能である。

前記高効率点は、最も発電効率の良い発電動作点でもよい。かかる構成によれば、所定以下の負荷要求に対しては最高の発電効率にて燃料電池が駆動されるため、更なる燃費向上が図られる。

前記高効率点は、燃料電池の電流対電圧特性に応じて更新されてもよい。かかる構成によれば、燃料電池の状態等により常に変動する電流対電圧特性に応じて高効率点が更新されるので、高効率点が変動することによる発電効率の低下を抑制することが可能である。

前記燃料電池の高効率点に代えて、燃料電池とその補機とを含む燃料電池システムの高効率点を用いてもよい。燃料電池単体の発電効率の特性と、燃料電池の出力電力と補機消費電力の双方を考慮した燃料電池システムの発電効率の特性とは必ずしも一致していないので、かかる構成によれば、より実システムに即した高効率点を用いて燃料電池を駆動させることが可能となり、発電効率の更なる向上が図られる。

上記いずれかの構成において、「効率を重視したモード」と「負荷要求を重視したモード」とのいずれかの動作モードを選択する指示を受け付ける入力手段を有し、「負荷要求を重視したモード」を受け付けた場合にのみ、上記燃料電池の出力制御及び蓄電装置の充電制御を行い、「効率を重視したモード」を受け付けた場合には、負荷要求に拘わらず燃料電池の出力を高効率点で駆動させるようにしてもよい。

かかる構成によれば、燃料電池の発電に用いられる燃料ガスの残容量が少ない場合等、負荷要求に対する応答性よりも燃費を優先させるべき状況下においては、選択的に燃費を最優先して燃料電池を駆動させることが可能となる。

なお、「負荷要求」とは、制御ロジックの過程において便宜的に設定される要求値であり、燃料電池に対する負荷要求の設定に係る各種の要因のうち、「燃料電池の出力が高効率点以上か否か」という要因については考慮することなく設定される要求値をいうものとする。

本発明によれば、負荷要求が、高効率点での燃料電池出力よりも小さい場合は、当該高効率点にて燃料電池を駆動させる一方、高効率点での燃料電池出力以上の場合は、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池に出力させているので、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求にも十分に対応可能な電源装置の提供が可能となる。

図１は、本発明の一実施の形態による電源装置を燃料電池車両に適用した車両システムの概略構成図であり、同図中、実線は電力フロー、破線は制御信号を示している。なお、本発明の電源装置は、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池１の燃料ガス系には、例えば高圧水素タンク等の水素貯蔵源あるいは改質原料を水素リッチガスに改質する改質器等によって構成される燃料ガス供給源、該燃料ガス供給源から放出される燃料ガスを燃料電池１のアノードに導く燃料ガス供給路、燃料電池１から排出されたアノードオフガスをシステム外に排気するアノードオフガス流路、及びアノードオフガスに含まれる未反応燃料ガスを燃料ガス循環ポンプ（補機）によって燃料電池１に還流させる燃料ガス循環路とが配設されている。

燃料電池１の酸化ガス系には、エアフィルタを介して外気から取り込んだ空気を圧縮し酸化ガスとして燃料電池１のカソードに供給するエアコンプレッサ（補機）、該エアコンプレッサによって圧送される酸化ガスを燃料電池１のカソードに導く酸化ガス供給路、及び燃料電池１から排出されたカソードオフガスをシステム外に排気するカソードオフガス流路が配設されている。燃料電池１に供給される酸化ガスの背圧は、カソードオフガス流路のカソード出口付近に配設された圧力調整弁よって調圧される。

燃料電池１は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を備えており、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。そして、この燃料電池１と、上記燃料ガス循環ポンプやエアコンプレッサ等の補機類（図１では、燃料電池補機装置３）を含む燃料ガス系及び酸化ガス系とを備えて燃料電池システムが構成されている。

電源装置１０は、燃料電池１，二次電池（蓄電装置）２，及びＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置４を備えて構成されており、燃料電池システムにおける燃料ガス循環ポンプやエアコンプレッサ等の燃料電池補機装置（電気負荷）３，トラクションモータ等の走行用駆動装置（電気負荷）５，及びエアコンやランプ等の車両補機装置（電気負荷）６用の低圧二次電池（図示略）に電力を供給する。

燃料電池１から出力（発電）される電力の一部は、電力変換装置４により所定圧に降圧されて二次電池２に充電される。二次電池２は、車両走行時における余剰電力及び車両制動時における回生電力の貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時の電力バッファ等の役割を担うものであり、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。

電子制御ユニット（制御装置）７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤ、入出力インタフェース及びディスプレイなどの制御コンピュータシステムによって構成されており、燃料電池１に対する要求電力（要求出力、要求発電量）を設定する要求設定部と、燃料電池１が間欠運転中であるかどうかを判定するＦＣ間欠判定部と、燃料電池１の出力電力（目標発電量）、つまり、発電動作点を設定する動作点設定部とを備える。

要求設定部は、アクセル開度やモータ回転数等から各装置３，４，６での消費電力を含む車両要求電力を算出し、該車両要求電力と二次電池２の充放電量等から燃料電池１に対する要求電力Ｐｒを求める。この要求電力Ｐｒは、制御ロジックの過程において便宜的に設定される要求値であり、燃料電池１に対する負荷要求の設定に係る各種の要因のうち、「燃料電池１の出力が高効率点以上か否か」という要因については考慮することなく設定される要求値である。

動作点設定部は、二次電池２の残容量ＳＯＣと、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒと、燃料電池システムの発電効率とに基づき、燃料電池１の出力電力、すなわち、発電動作点Ｐｆｃを決定する。具体的には、二次電池２の残容量ＳＯＣが所定率Ｘ未満である場合において、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒが燃料電池システムの効率の良い発電動作点（以下、高効率点）での電力よりも小さいときは、燃料電池１の発電動作点Ｐｆｃを当該高効率点での電力に設定する。

かかる設定の結果生じる、要求電力Ｐｒに対する発電動作点Ｐｆｃの余剰電力（＝Ｐｆｃ−Ｐｒ）は、電力変換装置４にて所定圧に降圧して蓄電装置２に充電される。また、二次電池２の残容量ＳＯＣが所定率Ｘ未満である場合において、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒが前記高効率点で出力される電力以上のときは、燃料電池１の発電動作点Ｐｆｃを当該要求電力Ｐｒに設定する。

一方、二次電池２の残容量ＳＯＣが所定率Ｘ以上である場合には、二次電池２から走行用駆動装置５に電力を供給した方が高効率であるため、燃料電池１の発電動作点Ｐｆｃを当該要求電力Ｐｒに設定する。かかる設定において、車両要求電力Ｐｒに対して電力不足が生じた場合、この不足分（＝Ｐｒ−Ｐｆｃ）は二次電池２で賄われる。

図３のステップＳ１１には、燃料電池１と燃料電池補機装置３とを含む燃料電池システムの効率（ＦＣシステム効率）と、燃料電池１の発電動作点（ＦＣ出力電力）との関係が示されている。同図において、ＦＣシステム効率が最も良い燃料電池１の出力電力は電力Ｐｍである。なお、本発明における高効率点とは、燃料電池システムの発電効率が（例えば、６０％〜６５％の範囲、あるいは、６０％以上）となるような、一定の幅をもった燃料電池１の発電動作点をいう。

図２は、電子制御ユニット７による燃料電池１の発電動作点制御の内容を記述したフローチャートである。この電子制御ユニット７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このフローチャートに示すルーチンが呼び出されると、アクセル開度や回転数等から車両要求電力を算出し、この車両要求電力から燃料電池１に対する要求電力Ｐｒを求める（ステップＳ１）。

次に、燃料電池システムの間欠判定を行い（ステップＳ３）、間欠状態判定フラグに「ＯＮ」がセットされている場合（ステップＳ３：ｙｅｓ）、つまり、間欠運転中である場合には、処理をステップＳ２１に移し、燃料電池１の発電動作点Ｐｆｃを０［ｋＷ］に設定する。一方、間欠状態判定フラグに「ＯＮ」がセットされていない場合（ステップＳ３：ｎｏ）には、処理をステップＳ５に移し、二次電池２の残容量ＳＯＣを読み込む（ステップＳ５）。

なお、間欠運転とは、燃料電池補機装置３を停止して燃料電池１の発電を停止することが可能な状況で行われるものであり、例えば、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒと二次電池２の定格出力との関係や、燃料ガス漏れ判定や燃料電池暖機中等の燃料電池システムの状態等により、間欠運転可能かどうかが判定（決定）される。間欠運転可能であると判定されると、間欠状態判定フラグに「ＯＮ」がセットされる。

ステップＳ７の判定において、二次電池２の残容量ＳＯＣが所定率Ｘ以上(例えば、６０％以上）の場合（ステップＳ７：ｎｏ）には、燃料電池１の発電動作点Ｐｆｃを燃料電池１に対する要求電力Ｐｒ［ｋＷ］に設定する（ステップＳ３１）。このとき、車両要求電力Ｐｒに対して電力が不足する場合には、該不足分は二次電池２で賄われる。

一方、ステップＳ７の判定において、二次電池２の残容量ＳＯＣが所定率Ｘ未満の場合（ステップＳ７：ｙｅｓ）には、燃料電池１のＩ−Ｖ特性（電流対電圧特性）をＲＯＭ等の記憶手段から読み込む（ステップＳ９）。次いで、読み込んだＩ−Ｖ特性に対応するＦＣシステム効率マップを参照し、燃料電池システムの発電効率が最も高くなる燃料電池１の動作点（以下、最高動作点Ｐｍ）を読み取る（ステップＳ１１）。

燃料電池１のＩ−Ｖ特性は一定ではなく、燃料電池１の温度、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の状態量（流量，圧力，湿度等）、電解質膜の水分変化による内部抵抗の変動、燃料電池１の運転状態（過渡状態、定常状態等）、経年劣化等によって変動するため、効率の良い発電動作点Ｐｆｃも変動する。本実施形態では、かかる変動による発電効率の低下を防止すべく、変動要因に応じた複数のＩ−Ｖ特性とＦＣシステム効率マップを備えることにより、燃料電池１のＩ−Ｖ特性に応じて高効率点が更新されるようにしている。

ステップＳ１３では、ステップＳ１１にて読み取った燃料電池システムの最高動作点Ｐｍと、ステップＳ１で求めた燃料電池１に対する要求電力Ｐｒとを比較する。燃料電池１に対する要求電力Ｐｒが最高動作点Ｐｍよりも小さい場合（ステップＳ１３：ｙｅｓ）は、燃料電池１の発電動作点Ｐｆｃを最高動作点Ｐｍに設定し（ステップＳ１５）、ＦＣシステム効率が最高の状態で燃料電池１を駆動する。要求電力Ｐｒに対する最高動作点Ｐｍの余剰電力（＝Ｐｍ−Ｐｒ）は、電力変換装置４を介して所定圧に降圧して二次電池２に充電する。

一方、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒが最高動作点Ｐｍ以上の場合（ステップＳ１３：ｎｏ）は、燃料電池１の発電動作点Ｐｆｃを燃料電池１に対する要求電力Ｐｒに設定する（ステップＳ３１）。つまり、要求電力Ｐｒに対する最高動作点Ｐｍの不足分を二次電池２で賄うのではなく、ＦＣシステム効率の低下をあえて許容した上で、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒの全てを燃料電池１で発電する。よって、二次電池２の残容量ＳＯＣが少ない（所定率Ｘ未満）場合であっても、高負荷要求への十分な対応が可能である。

ステップＳ１７では、上記ステップＳ２１，ステップＳ１５，ステップＳ３１でそれぞれ設定した発電動作点Ｐｆｃにて燃料電池１を駆動する。

なお、以上のステップにおいて、ステップＳ１は要求設定部、ステップＳ３はＦＣ間欠判定部で行われ、これらステップＳ１，Ｓ３以外のステップＳ５，…，Ｓ３１は動作点設定部で行われる。

以上説明したとおり、本実施形態の発電装置１０を備えた燃料電池車両によれば、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒが最高動作点Ｐｍでの電力よりも小さい場合は、当該最高動作点Ｐｍにて燃料電池１を駆動させて燃費の向上を図る一方、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒが最高動作点Ｐｍでの電力以上の場合は、当該要求電力Ｐｒに相当する電力を燃料電池１に出力させて高負荷要求への対応を可能にしている。よって、燃費の向上と高負荷要求に対する応答性の両立を図ることができる。

＜他の実施形態＞
図１の構成に加えて、「効率を重視したモード」と「負荷要求を重視したモード」とのいずれかの動作モードを選択する指示をユーザから受け付ける入力手段を設け、さらに、電子制御ユニット７は、「負荷要求を重視したモード」を受け付けた場合にのみ、上記実施形態による燃料電池１の出力制御及び蓄電装置２の充電制御を行い、「効率を重視したモード」を受け付けた場合には、負荷要求に拘わらず燃料電池１を高効率点で駆動させるように構成してもよい。かかる構成によれば、燃料電池１の発電に用いられる燃料ガスの残容量が少ない場合等、負荷要求に対する応答性よりも燃費を優先させるべき状況下においては、選択的に燃費を最優先させた燃料電池１の運転が可能となる。

また、本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、図２のステップＳ１３における判定においては、燃料電池１に対する要求電力Ｐｒとの大小比較に、ＦＣシステム効率の最も良い動作点でのＦＣ出力電力（最高動作点Ｐｍ）を用いているが、この最高動作点Ｐｍに代えて、例えば所定以上あるいは所定範囲のＦＣシステム効率でのＦＣ出力電力（発電動作点）を用いてもよい。

さらに、上記実施形態の二次電池２に代えて、キャパシタを蓄電装置として用いることもできる。

本発明の一実施の形態による電源装置を燃料電池車両に適用した車両システムの概略構成図。図１に示す電子制御ユニットによる燃料電池の発電動作点制御の内容を記述したフローチャート。

符号の説明

１…燃料電池、２…二次電池（蓄電装置）、３…燃料電池補機装置（電気負荷、補機）、５…走行用駆動装置（電気負荷）、６…車両補機装置（電気負荷）、７…電子制御ユニット（制御装置）、１０…電源装置

Claims

燃料電池と蓄電装置とを含む電源装置であって、
負荷要求が燃料電池の高効率点での電力よりも小さい場合には、当該高効率点にて燃料電池を駆動させると共に余剰電力を蓄電装置に充電する一方、
燃料電池に対する負荷要求が前記高効率点での電力以上の場合には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池から出力させる電源装置。
燃料電池と、電気負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、燃料電池の出力及び蓄電装置の充電を制御する制御装置とを含む電源装置であって、
前記制御装置は、負荷要求より燃料電池に対する要求電力Ｐｒを設定する要求設定部と、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを設定する動作点設定部とを備え、
該動作点設定部は、燃料電池に対する要求電力Ｐｒが燃料電池の高効率点での電力Ｐｍよりも小さい場合には、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを当該高効率点での電力Ｐｍに設定すると共に該設定の結果生じる余剰電力を蓄電装置に充電し、燃料電池に対する要求電力Ｐｒが前記高効率点での電力Ｐｍ以上の場合には、燃料電池の発電動作点Ｐｆｃを当該要求電力Ｐｒに設定する電源装置。
前記高効率点は、最も発電効率の良い発電動作点である請求項１又は２に記載の電源装置。
前記高効率点は、燃料電池の電流対電圧特性に応じて更新される請求項１〜３のいずれかに記載の電源装置。
前記燃料電池の高効率点に代えて、燃料電池とその補機とを含む燃料電池システムの高効率点を用いる請求項１〜４のいずれかに記載の電源装置。
「効率を重視したモード」と「負荷要求を重視したモード」とのいずれかの動作モードを選択する指示を受け付ける入力手段を有し、
「負荷要求を重視したモード」を受け付けた場合にのみ、請求項１又は２に記載の燃料電池の出力制御及び蓄電装置の充電制御を行い、
「効率を重視したモード」を受け付けた場合には、負荷要求に拘わらず燃料電池の出力を高効率点で駆動させる請求項１〜５のいずれかに記載の電源装置。