JP2009070574A

JP2009070574A - 燃料電池システム及びその制御方法

Info

Publication number: JP2009070574A
Application number: JP2007234332A
Authority: JP
Inventors: Keisuke Suzuki; 敬介鈴木; Keigo Ikezoe; 圭吾池添; Isamu Kazama; 勇風間; Michihiko Matsumoto; 充彦松本; Takashi Iimori; 崇飯森
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-09-10
Filing date: 2007-09-10
Publication date: 2009-04-02

Abstract

【課題】氷点下から確実に起動が行える燃料電池システムを提供する。
【解決手段】運転状態検出手段１０１は、燃料電池スタックの電圧、電流、温度、ＩＶ特性等の運転状態を検出する。上限発電電力相当目標電圧演算手段１０２は、１０１の結果に基づき、負荷が消費可能な上限発電電力を発電するための目標電圧を演算する。保水量制限目標電圧演算手段１０３は、１０１の結果に基づき燃料電池が内部に保持できる水分量が上限値を超えないための下限目標電圧を演算する。暖機中スタック目標電圧演算手段１０４は、１０１の結果に基づき燃料電池のＩＶ特性が上昇中の目標電圧を演算する。目標スタック電圧演算手段１０５は、１０２、１０３、１０４の結果から少なくとも２つの最大値を選択して目標スタック電圧とする。スタック電圧制御手段１０６は、実スタック電圧が目標スタック電圧となるように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、氷点下から起動可能な固体高分子型燃料電池システム及びその制御方法に関する。

従来の固体高分子型燃料電池を氷点下から起動する方法としては、燃料電池の負荷装置（補機負荷）への電力供給により、燃料電池の発電量をできるだけ増加して、自己発熱での温度上昇を図ることで、迅速な暖機を実現しようとしている（特許文献１）。

また、他の氷点下起動方法として、燃料電池スタックの熱容量の設計と、少なくとも放熱量を上回る発熱量を得るための最低限必要な電流以上を取り出すことで、生成水の凍結によって発電不能となる前に燃料電池温度を０℃以上に昇温するという技術が知られている（特許文献２）。
特表２０００−５１２０６８号公報（第１７頁、図４）特開２００５−０８５５７８号公報（第１９頁、図２０）

しかしながら、特許文献１に記載の起動方法では、生成水が非常に多く、保水量を超えて生成水が溢れ出し、凍結してガスの拡散を阻害し、発電継続ができない状態となってしまう可能性がある。また、特許文献２に記載の方法では、燃料電池スタックの放熱量を上回るぎりぎりの発熱量を生む電力以上で発電する方法を提案しており、生成水を凍結させないための下限の発電量について規定している。しかし、ぎりぎりで発電したのでは暖機時間がとても長くなり、また上限電力を規定していないために、暖機時間を短くするために発熱量が非常に大きい電力で発電すると、特許文献１と同様に生成水が凍結して安定した発電を継続できない状態となってしまう可能性があるという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するために、固体高分子型の燃料電池スタックと、該燃料電池スタックのスタック温度、スタック電流および電流電圧特性のうち少なくとも１つを検出する運転状態検出手段と、該運転状態検出手段での検出値および燃料電池スタックの負荷装置が消費可能な最大電力である上限発電電力に相当する目標電圧を演算する上限発電電力相当目標電圧演算手段と、前記運転状態検出手段での検出値に基づいて燃料電池スタックに水を保持させるために満たすべき目標電圧を演算する保水量制限目標電圧演算手段と、前記運転状態検出手段での検出値に基づいて電流電圧特性が徐々に上昇していく暖機中の目標電圧を演算する暖機中スタック目標電圧演算手段と、前記上限発電電力相当目標電圧演算手段の演算結果と前記保水量制限目標電圧演算手段の演算結果と前記暖機中スタック目標電圧演算手段の演算結果との少なくとも２つから最大値を選択して最終的な目標スタック電圧を演算する目標スタック電圧演算手段と、前記燃料電池スタックの電圧が前記目標スタック電圧に一致するように電圧制御を行うスタック電圧制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムである。

本発明によれば、目標スタック電圧は、上限発電電力相当の目標電圧と、保水量制限から決まる目標電圧と、暖機中の目標スタック電圧と、の少なくとも２つのうちの最大値を選択して目標スタック電圧として設定する構成であるため、燃料電池システムの零下起動時に、発電安定性の成立、強電部品の動作保証、迅速な暖機、生成水凍結による発電性能低下抑制、をすべて満足させながら、燃料電池システムを起動させることができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の基本構成を示す制御ブロック図である。同図において、運転状態検出手段１０１は、少なくとも燃料電池スタックの電圧、電流、温度、電流電圧特性（ＩＶ特性）を含む燃料電池システムの運転状態を検出する手段である。上限発電電力相当目標電圧演算手段１０２は、運転状態検出手段１０１の検出結果に基づいて、そのときに燃料電池システムが発電できる上限発電電力を発電するための目標スタック電圧を演算する手段である。保水量制限目標電圧演算手段１０３は、運転状態検出手段１０１の検出結果に基づいて燃料電池が内部に持つことができる水分量（保水量）が上限値を超えないための下限目標電圧を演算する手段である。

暖機中スタック目標電圧演算手段１０４は、運転状態検出手段１０１の検出結果に基づいて燃料電池のＩＶ特性が徐々に上昇している際の目標スタック電圧を演算する手段である。目標スタック電圧演算手段１０５は、上限発電電力相当目標電圧演算手段１０２、保水量制限目標電圧演算手段１０３および暖機中スタック目標電圧演算手段１０４の各演算結果のうち、少なくとも２つの演算結果の最大値を選択して最終的な目標スタック電圧を演算する手段である。スタック電圧制御手段１０６は、目標スタック電圧演算手段１０５で演算した目標スタック電圧と実スタック電圧が一致するように制御を行う手段である。

図２は、本発明に係る燃料電池システムの各実施例に共通のシステム構成図である。同図において、固体高分子型の燃料電池スタック１は、アノードに水素ガス、カソードに空気がそれぞれ供給され、以下に示す電極反応により直流電力を発電するものである。

アノード（水素極）：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- …（化１）
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- ＋ (1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（化２）
アノードへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５を通じてなされる。水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁５で燃料電池スタックでの水素圧力が所望の水素圧に制御される。水素循環装置７は、アノードで消費されなかった水素を再循環させるために設置する。アノードの水素圧は、コントローラ３０が圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁５を駆動することによって制御される。水素圧を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池スタックが消費した分だけの水素が自動的に補われる。

パージ弁８は、次の（１）〜（３）の場合に開かれる。（１）水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。（２）セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。（３）起動時に水素系を水素で置換するために水素系内のガスを排出する。

排水素処理装置９は、パージ弁８から排出される水素を可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈して車外へ排出するか、あるいは水素と空気を反応させて燃焼させることで排出水素濃度を下げる。

コンプレッサ１０は、大気を吸入して圧縮空気を作る。加湿装置１１は、コンプレッサで圧縮された空気を加湿してカソードへ供給する。カソードの空気圧は、コントローラ３０が圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁１２を駆動することによって制御される。

冷却水流路への冷却水は、冷却水ポンプ１３により供給される。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス路１９方向に切り替えたり、分流したりする。ラジエタファン１８は、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、温度センサ１４によって燃料電池スタック入口の温度、温度センサ１５によって燃料電池スタック出口の温度を検出し、これらに基づいてコントローラ３０が三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整する。

また、燃料電池スタックからは出力が取り出され、図示しない負荷装置（車両を駆動するモータ等）へ電力を供給する。

コントローラ３０は、各種センサの検出値を読み込み、内蔵されたソフトウェアによって各アクチュエータを駆動して、燃料電池システムの発電制御を行なう。

ここで、燃料電池スタック１は、複数のセル、またはそれぞれ複数セルが直列接続された複数のセル群から構成され、各セル（セル群）毎に図示しないセル（セル群）電圧センサが設けられ、各セル（セル群）の電圧値は、コントローラ３０で読み取りが可能である。コントローラ３０は、燃料電池システム全体を制御するとともに、図１に示した運転状態検出手段１０１、上限発電電力相当目標電圧演算手段１０２、保水量制限目標電圧演算手段１０３、暖機中スタック目標電圧演算手段１０４、目標スタック電圧演算手段１０５、及びスタック電圧制御手段１０６である。

コントローラ３０は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースと、を備えたマイクロプロセッサで構成され、その機能は、プログラムＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより実現されている。

図３は、前記の燃料電池システムを含めた車両レベルでの電気的構成を表す図である。コントローラ３０は図２と共通であり、各種センサ値の読み込み、アクチュエータの駆動信号の出力などを行う。燃料電池スタック１の発電電流は、逆流防止ダイオード２３及び電流センサ２４を通じて、強電補機２１，ＤＣ／ＤＣコンバータ４０，ＩＮＶ＆モータ５０に分配される。電流センサ２４で検出された燃料電池電流、電圧センサ２５よって検出された燃料電池電圧は、それぞれコントローラ３０に取り込まれ、各種の制御に用いられる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、２次電池４５のエネルギを出し入れすることができる双方性のコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、燃料電池システムの起動時には、２次電池４５の電圧を昇圧して強電補機２１へ供給し、また燃料電池スタック１の発電電力に余裕がある場合に燃料電池電圧を降圧して、２次電池４５へ充電する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、電圧センサ２５で読み込まれた燃料電池スタック１の電圧が目標スタック電圧値と一致するように制御を行う。２次電池４５は、温度センサ４６及び図示しない充電量センサを備え、検出された２次電池温度や充電量は、コントローラ３０に読み込まれる。

ＩＮＶ＆モータ５０は、車両を走行させるモータとその駆動回路であるインバータであり、ドライバのアクセル操作量（図示しない）や、２次電池４５の充電量、燃料電池スタック１の発電量などに基づいて、コントローラ３０から駆動力を制御する。

また、図中の強電補機２１は、図２で説明したコンプレッサ１０や水素循環装置７などであり、燃料電池スタックの発電電圧が直接分配されるものである。弱電補機２２は、２次電池４５の電圧が分配される補機であり、水素タンク元弁３，水素供給弁５、パージ弁８，空気調圧弁１２，ラジエタファン１８，冷却水ポンプ１３などである。ラジエタファン１８及び冷却水ポンプ１３は、強電補機に分類してもよい。

図４、図５は、本発明を適用しない比較例における燃料電池システムの氷点下起動時の（ａ）燃料電池出力、（ｂ）スタック電圧、及び（ｃ）スタック温度の時間変化をそれぞれ示す図である。

図４は、従来例の特許文献１相当の起動を行った場合であり、上限発電可能電力の範囲内で最大限の発電を行うことで暖機を促進しているが、途中で燃料電池が生成水を保水しきれず、高分子膜から溢れてしまい、そのときの燃料電池の温度が氷点下であることから、この溢れた水が凍結して、反応ガスの拡散を阻害してＩＶ特性が低下してしまい、発電を継続できず、起動不能となる状況を示している。

図５は、従来例の特許文献２相当の起動を行った場合であり、放熱量を上回るだけの発熱量を生じる発電出力で燃料電池スタックの暖機を継続するため、スタック温度はゆっくりとではあるが確実に上昇し、発電による生成水が高分子膜から溢れるほどの量は生じていないため、発電を継続可能であり、最終的には燃料電池の温度を０℃まで到達可能であり、起動可能ではあるが暖機に長時間を要するという欠点がある。

図６は、本発明を適用した場合の一実施例における燃料電池システムの氷点下起動時の（ａ）燃料電池出力、（ｂ）スタック電圧、及び（ｃ）スタック温度の時間変化をそれぞれ示す図である。本発明によれば、燃料電池の負荷が消費可能な上限発電可能電力と、生成した水が高分子膜から溢れないための保水量制限電力との小さい方を選択するセレクトロー（指令電圧としては高い方を選択するセレクトハイとなる）によって目標出力を制限している。これにより、生成水が溢れて凍結するような状態を招くことなく、最大限の発電を行うことが可能であり、安定した発電を継続しながら短時間で燃料電池の温度を０℃以上まで昇温させ、起動を完了することが可能となる。

次に本発明に係る燃料電池システムの実施例１における起動時の制御を説明する。図１７乃至図２３は、実施例１におけるコントローラ３０の動作を説明するフローチャートである。本実施例は、上限出力、保水上限値、瞬時吸収可能水分量、強電下限電圧に基づいて目標スタック電圧値を求める例であり、かつセル電圧のばらつきに応じて目標スタック電圧を補正し、目標スタック電圧の上げ側と下げ側での変化率を制限する場合の実施例である。

図１７はゼネラルフローチャートであり、燃料電池システムの運転中に定期的（たとえば１０ｍｓ毎）に実行される。図１７において、まずステップ（以下、ステップをＳと略す）１７０１では、今回のジョブが起動後初回かどうかを判断し、初回の場合はＳ１７０２で保水量の初期値を設定し、初回でない場合はＳ１７０３で前回ジョブでの保水量演算結果を現在値として代入する。Ｓ１７０４では、現在の燃料電池スタックのＩＶ特性を推定し、Ｓ１７０５では補機負荷や２次電池の状態に応じて上限発電電力を演算し、その電力値に相当する目標スタック電圧を演算する。

Ｓ１７０６では、Ｓ１７０２あるいはＳ１７０３で演算した現在の保水量に基づいて、保水量制限から決まる燃料電池スタック電流値に対応する目標スタック電圧を演算する。Ｓ１７０７では、ＩＶ特性が電圧値の低い状態である間の暖機中の目標スタック電圧を演算し、Ｓ１７０８では、Ｓ１７０５、１７０６、１７０７の出力に基づいて目標スタック電圧を演算し、Ｓ１７０９では、スタック電圧が目標スタック電圧値となるように燃料電池スタックからの電力取り出しを制御する。

図１８は、図１７のＳ１７０２における保水量初期値設定の処理内容を示す詳細フローチャートである。図１８において、まずＳ１８０１では燃料電池の出力指令（電圧指令でも電流指令でもどちらでも構わない）を出し、Ｓ１８０２では燃料電池スタックの実電流、実電圧を検出する。Ｓ１８０３では、燃料電池の膜抵抗を推定し、Ｓ１８０４では、図９の膜抵抗−保水量特性に基づいて膜抵抗から保水量を推定し、保水量の初期値として算出する。ここで、電流、電圧から膜抵抗を推定する方法は、特開２００５−０６３９４６号公報や特開２００２−３５２８２７号公報に開示されている方法により実現が可能である。

また、ここでは保水量の初期値として膜抵抗から推定した値を用いる方法について述べたが、これは前回の運転終了時の保水量を記憶しておき、その値を次回の起動時に初期値に代入するなどの方法によっても実現可能である。

図１９は、図１７のＳ１７０４におけるＩＶ特性推定の処理内容を示す詳細フローチャートである。図１９において、まずＳ１９０１では温度センサ１５により燃料電池スタック１の温度を検出し、Ｓ１９０２では直前の所定時間での燃料電池スタック１の取り出し電流値の平均値を、Ｓ１９０３では同様の電圧値の平均値を演算する。Ｓ１９０４では、燃料電池温度と、電流平均値と、電圧平均値に基づいて、現在の燃料電池スタックのＩＶ特性がおおよそどのような特性となっているかを推定する。この推定は、あらかじめ実験等によって調べてコントローラ３０に記憶させてある、図１１に示すような燃料電池温度毎のＩＶ特性マップを検索することによりに実現される。図１１に示した例では、燃料電池スタック温度Ｔがａ［℃］、電流平均値が７０［Ａ］、電圧平均値が３００［Ｖ］であった場合、ＩＶ３ａで特定されるＩＶ特性であると推定する。

ここでは、電流、電圧は所定時間の平均値としたが、この所定時間は燃料電池の過渡的な出力変化の速度に対して長すぎず、また検出値のノイズを抑制するには足る時間を設定することとする。また検出値のノイズが十分小さければ、平均値をとらずに検出値をそのまま使っても構わない。

図２０は、図１７のＳ１７０５における上限発電電力相当目標電圧演算の処理内容を示す詳細フローチャートである。図２０において、まずＳ２００１では空気を送るコンプレッサ１０や冷却水ポンプ１３などの補機負荷の消費電力を検出する。ここでこの検出は、電圧と電流から直接計算してもよいし、トルクと回転数から損失を考慮して演算するなどの方法でもよい。Ｓ２００２では２次電池４５の充電可能電力を検出する。ここで、２次電池の充電可能電力は、そのときの２次電池４５の充電量や２次電池自体の温度などによっても変化するため、温度センサ４６や充電量センサの検出値に基づいた値を時々刻々、計算して求めるものとする。

Ｓ２００３では、Ｓ２００１の演算結果である補機負荷の消費電力と、Ｓ２００２の演算結果である２次電池充電可能電力とを加算して、そのときの燃料電池が発電しても電力の消費（充電）先が確保できる上限発電電力を演算する。Ｓ２００４では、Ｓ１７０４で求めた現在のＩＶ特性で上限発電電力を発電可能であるか否かを判断し、発電可能である場合はＳ２００５で上限発電電力に相当する目標電圧Ｖｐを演算し、発電可能でない、と判断した場合にはＳ２００６にてＶｐにゼロを代入して終了する。

図２１は、図１７のＳ１７０６における保水量制限目標電圧演算における処理内容を示す詳細フローチャートである。図２１において、まずＳ２１０１では燃料電池の温度を温度センサ１５により検出し、Ｓ２１０２では検出した温度と、あらかじめ実験的に調べてコントローラ３０に記憶させてある図７のような、温度に対する燃料電池スタックの膜電極接合体（ＭＥＡ）の保水量上限値特性に基づいて、保水量の上限値を演算する。Ｓ２１０３では電流センサ２４による直前の燃料電池スタック１からの取り出し電流値を検出する。次いで、Ｓ２１０４では取り出し電流値による単位時間当たりの生成水量を算出し、その単位時間当たりの生成水量に本ステップの前回の実行時刻と今回の実行時刻と差である処理時間間隔を乗じて保水量増分を演算し、この保水量増分を前回の保水量に加えた保水量の推定値を演算する。ここで、単位時間当たりの生成水量は、（化２）で示したカソードの電気化学反応式と、ファラデー定数（１モル当たりの電子の電荷量）から求めることができる。

次いで、Ｓ２１０５では、Ｓ２１０２で演算した保水量上限値とＳ２１０４で演算した現在の保水量推定値から、保水量上限値をあふれさせないための制限電流Ｉａを演算する。Ｓ２１０６では、あらかじめ実験的に調べてコントローラ３０に記憶させてある、図８に示すような燃料電池の温度に対する瞬時水吸収可能量の特性に基づいて、燃料電池の膜が瞬時に吸収することが可能な水の量を演算する。次いでＳ２１０７では、Ｓ２１０６での演算結果に基づいて生成水を瞬時に吸収可能であるための燃料電池の制限電流Ｉｂを演算する。Ｓ２１０８では保水のための制限電流Ｉｗを、ＩａとＩｂの小さい方を選択して演算し、Ｓ２１０９では、Ｓ１７０４で推定した現在のＩＶ特性に基づいてＩｗに相当する目標電圧Ｖｗを演算する。

ここで、図７の「零下起動時にＭＥＡが保持できる保水量上限値の温度特性」は、以下の方法によって求めることが可能である。

十分熱容量の大きい単セルで、相対湿度を変えたガスによって長時間パージすることにより、セル（ＭＥＡ）の残留水量を設定する。これは、あらかじめ相対湿度を３〜５水準にふったガスで長時間パージしたときのセル残留水量を重さ・抵抗などから求めておくことで、ある相対湿度のガスによって所定の残留水量とすることが可能である。次に、その、とある残留水量でとある温度（例えば−２０℃）まで冷却して、発電を行うと、その残留水量に応じた時間だけ、つまり、ＭＥＡが生成水を吸収できている時間だけ、セルは発電を継続する。その発電時間と負荷電流から生成水量が求まり、その量と初期の残留推量の総和がＭＥＡが保水できる量ということになる。ここで、この関係は、発電する温度（前述した例では−２０℃）によって異なるため、数水準の温度（例えば−３０℃、−２０℃、−１０℃）で実施し、それぞれの温度での関係を求めることで、図７の特性が得られ、設定した温度の間の温度の場合は内挿によって求めることで実用が可能となる。

図２２は、図１７のＳ１７０７における暖機中スタック目標電圧演算の処理内容を示す詳細フローチャートである。図２２において、まずＳ２２０１では燃料電池スタックの発電電圧が直接分配される強電補機２１の動作の可能な下限電圧値を読み込む。次いでＳ２２０２ではＳ２２０１で読み込んだ下限電圧値に基づいて、燃料電池スタック電圧が下限電圧を下回らないような目標電圧Ｖｈを電圧センサ２５の誤差などのマージンも考慮して決定する。

図２３は、図１７のＳ１７０８における目標スタック電圧演算の処理内容を示す詳細フローチャートである。図２３において、まずＳ２３０１では図２０のフローチャートで求めた目標電圧Ｖｐ、図２１のフローチャートで求めた目標電圧Ｖｗ、図２２のフローチャートで求めた目標電圧Ｖｈの３者から、最大値を求めて目標スタック電圧Ｖf0として演算する。Ｓ２３０２では、そのときのセル電圧の分散値が許容上限値のβより小さいかどうかを判断し、小さい場合はＳ２３０３へ、小さくない場合はＳ２３０４へ進む。

Ｓ２３０３では電圧補正量ΔＶ(k)を前回値ΔＶ(k-1)から所定値γだけ減算し、Ｓ２３０４では所定値γだけ加算する。Ｓ２３０５では、Ｓ２３０１で求めた目標スタック電圧Ｖf0に補正量ΔＶ(k) を加えた値をＶf1として算出し、Ｓ２３０６では前回の指令値Ｖout(k-1)を読み込む。

Ｓ２３０７では、Ｓ２３０６で読み込んだＶout(k-1)とＳ２３０５で演算したＶf1に基づいて、変化率制限値を考慮して最終的な目標スタック電圧値Ｖout(k)を演算する。ここで、Ｖout(k-1)＜Ｖf1のときとＶout(k-1)＞Ｖf1のときで、変化率の制限値は変更し、前者よりも後者の変化率を小さく抑制することで、目標電圧を下げることで電流が過大に流れてしまうようなリスクを抑制する。

ここで、分散値Ｄcellは、次式によって求めればよい。
Ｄcell＝Σ{Ｖcell(i)−Ｖcell_ave}^2／Ｎcell (i=１，2，…，Ｎcell) …(１)
ここでＶcell(i) はｉ番目のセル電圧、Ｖcell_aveは平均セル電圧、Ｎcellは総セル数を表す。この実施例ではセル電圧ばらつきを分散値としたが、これは最大値と最小値の差でもよいし、標準偏差などのパラメータでもよく、ばらつきを表すパラメータであれば他の演算方法でも同様に実現可能である。

また、ばらつきの上限値も固定値βとしたが、これは温度や負荷などに基づいて可変に定められるパラメータであっても構わない。また、補正量も固定値γとしたが、これは温度や負荷などに基づいて可変に定められるパラメータであっても構わない。

図２６は、図１７のＳ１７０９におけるスタック電圧制御の様子を表す図であり、図３に示したＤＣ／ＤＣコンバータ４０が燃料電池スタック１の電圧を所定値に保つように２次電池４５から電力を出し入れすることで実現される。この方法によれば、設定した目標スタック電圧を保つような制御とするため、図２６のＩＶ特性曲線がＩＶ０の状態で目標電圧Ｖout を維持するように制御している際に、膜が生成水を保持しきれずに溢れてきそうになり、その結果ＩＶ特性曲線がＩＶ１まで低下すると、その結果燃料電池スタック１の取り出し電流が自動的にＩ0 からＩ1 へと低下し、自動的に生成水が減少して膜から生成水が溢れないような状態への移行することができる。このように、目標スタック電圧を維持する制御を行うことで、生成水が溢れることを抑制できるため、零下起動で生成水が溢れて凍結し、発電不可能な状態に至ることを防止することができる。

次に、実施例１の制御の様子を図１２と図１３に示す。図１２、図１３ともに（ａ）は、燃料電池スタック電流とスタック電圧との関係を示し、（ｂ）は、燃料電池スタック電流と燃料電池出力（＝スタック電流×スタック電圧）との関係を示す。図１２（ａ）に示すように、零下起動を開始後、燃料電池スタック温度の上昇につれて、燃料電池のＩＶ特性は、同一電流でも電圧が高くなる方向へ移動する。また図１２（ｂ）に示すように、零下起動を開始後、燃料電池スタック温度の上昇につれて、燃料電池の電流出力特性は、取り出し可能な最大出力が増加するとともに、最大出力時のスタック電流が増加する。

燃料電池システムの零下起動直後のＩＶ特性が低く、負荷装置で吸収可能な最大電力である上限電力を発電できない状態では、図１３のように強電補機の下限電圧に基づく目標スタック電圧を維持するように燃料電池スタック電圧を制御する。そして、暖機が進むにつれてＩＶ特性が上昇して上限電力Ｐ１を発電できるようになったら、図１２のように、補機と２次電池で吸収可能な最大電力である上限電力Ｐ1 に対応する目標電圧値を目標スタック電圧値として設定する。ここで、図１２にのみ保水上限電流と水吸収可能上限電流とを図示しているが、この制限は図１３の制御を行っている期間も同様に有効である。

以上説明した実施例１によれば、目標スタック電圧は、上限発電電力相当の目標電圧と、保水量制限から決まる目標電圧と、暖機中の目標スタック電圧と、の少なくとも２つうちの最大値を選択して目標スタック電圧として設定する構成であるため、燃料電池システムの零下起動時に、発電安定性の成立、強電部品の動作保証、迅速な暖機、生成水凍結による発電性能低下抑制、をすべて満足させながら、燃料電池システムを起動させることができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例２を説明する。本実施例は、実施例１の暖機中スタック目標電圧演算の図２２の代わりに、図２４の詳細フローチャートを用いる場合であり、暖機中で上限出力を発電できない場合に、そのときのＩＶ特性に基づいて最大の電力が発電できる動作点を選択して、目標スタック電圧を決定する場合の実施例である。本実施例は、暖機中スタック目標電圧演算以外は実施例１と同様であるので、図２４についてのみ説明する。

図２４において、まずＳ２４０１では、Ｓ１７０４で推定したそのときの燃料電池スタックのＩＶ特性を読み込み、Ｓ２４０２ではそのときのＩＶ特性に従って、燃料電池出力が最大となる目標スタック電圧を設定する。

ここで、実施例２の場合は、ＩＶ特性が低く上限電力を発電できない状態では、実施例１の図１３の代わりに図１４のようなその時のＩＶ特性において燃料電池出力が最大となる燃料電池スタックの動作点に相当する目標スタック電圧を設定する。各ＩＶ特性の状態で出力がピークとなるような目標スタック電圧を設定して発電することで、２次電池への負担を最大限抑制しながら暖機運転を継続することが可能となる。

以上説明した実施例２によれば、暖機中の電流電圧特性が上昇していく過程での目標スタック電圧は、その時の電流電圧特性に基づいて発電電力が最大となる電圧及び電流の組み合わせ点での電圧値を目標電圧値として一旦演算し、目標スタック電圧は、上限発電電力相当の目標電圧と、保水量制限の目標電圧と、一旦演算した暖機中の目標スタック電圧との最大値を目標電圧値として設定する構成であるため、零下起動でのバッテリ電力の減少を抑制しながら、暖機運転を行うことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例３を説明する。本実施例は、暖機中スタック目標電圧演算において、実施例１の図２２の代わりに図２５のフローチャートを用いる場合であり、暖機中で上限出力を発電できない場合に、そのときのＩＶ特性に基づいて取り出し可能な最大の電流を取り出す動作点を選択して、この動作点に相当する目標スタック電圧を設定する場合の実施例である。

図２２以外は実施例１と同様であるので、図２５についてのみ説明する。図２５において、まずＳ２５０１では、Ｓ１７０４で推定したそのときの燃料電池スタックのＩＶ特性を読み込み、Ｓ２５０２ではそのときのＩＶ特性に従って、あらかじめ実験等によって調べてある上限電流を演算する。Ｓ２５０３では、Ｓ２５０４で求めた上限電流とそのときのＩＶ特性から、上限電流相当の目標スタック電圧値を設定する。

ここで、実施例３の場合は、燃料電池温度が低くＩＶ特性が低いために上限電力を発電できない状態では、実施例１の図１３の代わりに図１５のような動作点を選択して設定する。各ＩＶ特性の状態でセル電圧のばらつきなどを考慮して取り出せる上限の電流を設定し、その上限電流に対応するような目標電圧を設定し、発電することで、燃料電池の自己発熱を最大限促進し、暖機運転を継続することが可能となる。

以上説明した実施例３によれば、暖機中の電流電圧特性が上昇していく過程での目標スタック電圧は、その時の電流電圧特性に対して取り出し可能な最大電流が取り出されるような電圧値を一旦演算し、目標スタック電圧は、上限発電電力相当の目標電圧と、保水量制限の目標電圧と、一旦演算した暖機中の目標スタック電圧との最大値を目標電圧値として設定する構成であるため、零下起動での燃料電池の発熱を促進しながら、暖機運転を行うことができるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例４を説明する。本実施例は、２次電池の充電状態などを考慮して、実施例２の２次電池の負担を考慮した暖機中スタック目標電圧Ｖh2と、実施例３の燃料電池の自己発熱を促進して暖機時間の短縮を図る暖機中スタック目標電圧Ｖh3と、の中間的な制御を行う実施例である。暖機中スタック目標電圧の演算以外は、実施例１と同様である。

図１０は、２次電池の充電量に応じて、実施例２において図２４のフローチャートで求めた目標スタック電圧Ｖh2と、実施例３において図２５のフローチャートで求めた目標スタック電圧Ｖh3との内分点を設定する係数αを求めるテーブル例を表す。

本実施例における暖機中スタック目標電圧をＶh4とすれば、Ｖh4は、係数αを用いて式（２）により算出する。
Ｖh4＝αＶh2＋（１−α）Ｖh3 …（２）

また、内分点は、実施例２の目標電圧と実施例３の目標電圧との内分点のみならず、実施例２で選択したＩＶ特性上の動作点における発電出力Ｐh2と、実施例３で選択したＩＶ特性上の動作点における発電出力Ｐh3とを内分する動作点におけるスタック電圧を目標電圧とすることもできる。

これにより、本実施例では、燃料電池スタックのＩＶ特性が低く上限電力を発電できない状態では、実施例１の図１３の代わりに図１６のような動作点を選択して設定する。このように２次電池の充電状態に応じて内分点を決めて制御することで、２次電池の充電量が少ない場合は２次電池に負担を掛けないように、そのときのＩＶ特性における燃料電池出力を重視した制御とし、充電量が比較的多く確保されている場合は、そのときのＩＶ特性におけるスタック電流を重視して、燃料電池の自己発熱による暖機促進を図るような運転とすることが可能となる。

以上説明した実施例４によれば、暖機中の電流電圧特性が上昇していく過程での目標スタック電圧は、２次電池での充電状態に基づいて、発電電力が最大となる電圧、電流組み合わせ点での電圧値と電流電圧特性に対して取り出し可能な最大電流が取り出されるような電圧値との中間値を選択して一旦演算し、目標スタック電圧は、上限発電電力相当の目標電圧と、保水量制限の目標電圧と、一旦演算した暖機中の目標スタック電圧との最大値を目標電圧値として設定する構成であるため、零下起動でのバッテリ電力の減少の抑制と、燃料電池の発熱促進を両立しながら、暖機運転を行うことができるという効果がある。

以上の各実施例では、図２０の上限発電電力相当の目標スタック電圧値を設定する際に、そのときの燃料電池スタックのＩＶ特性に基づいて目標電圧を算出して設定する構成としてきたが、これは燃料電池スタックの実電圧、実電流から求まる燃料電池スタックの実電力が上限発電電力に近づくように目標スタック電圧値をフィードバック補正して求めるような構成としてもよい。

また、以上の各実施例では、図３に示すように負荷取り出しを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ４０が２次電池の出口に配置されているような構成としてきたが、これは燃料電池スタック１の出力端にＤＣ／ＤＣコンバータが配置されているような構成でも、同様の効果を得ることが可能である。

本発明に係る燃料電池システムの要部構成図である。本発明が適用される燃料電池システムのシステム構成図である。本発明の一実施例を適用した燃料電池システムを含めた車両レベルでの電気的構成を表すハードウェア構成図である。従来例１による零下起動制御を行った場合の様子を表わす図である。従来例２による零下起動制御を行った場合の様子を表わす図である。本発明を適用した零下起動制御を行った場合の様子を表わす図である。温度と保水量上限値の関係を表す図である。温度と膜の瞬時水吸収可能量の関係を表す図である。燃料電池の膜抵抗と膜の保水量の関係を表す図である。２次電池の充電量と、係数αの関係を表す図である。燃料電池のＩＶ特性を推定する際の演算の様子を表す図である。実施例１の目標スタック電圧、出力の時間変化の様子を表す図である。実施例１の目標スタック電圧、出力の時間変化の様子を表す図である。実施例２の目標スタック電圧、出力の時間変化の様子を表す図である。実施例３の目標スタック電圧、出力の時間変化の様子を表す図である。実施例４の目標スタック電圧、出力の時間変化の様子を表す図である。実施例のゼネラルフローチャートである。保水量の初期値設定のフローチャートである。ＩＶ特性推定のフローチャートである。上限発電電力相当の目標電圧を演算するフローチャートである。保水量制限の目標電圧を演算するフローチャートである。実施例１におけるＩＶ特性が低く暖機中の目標電圧を演算するフローチャートである。最終的な目標電圧を演算するフローチャートである。実施例２におけるＩＶ特性が低く暖機中の目標電圧を演算するフローチャートである。実施例３におけるＩＶ特性が低く暖機中の目標電圧を演算するフローチャートである。所定目標電圧にスタック電圧を制御する際の原理と効果を説明する図である。

符号の説明

１０１運転状態検出手段
１０２上限発電電力相当目標電圧演算手段
１０３保水量制限目標電圧演算手段
１０４暖機中スタック目標電圧演算手段
１０５目標スタック電圧演算手段
１０６スタック電圧制御手段

Claims

固体高分子型の燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックのスタック温度、スタック電流および電流電圧特性のうち少なくとも１つを検出する運転状態検出手段と、
該運転状態検出手段での検出値および燃料電池スタックの負荷装置が消費可能な最大電力である上限発電電力に相当する目標電圧を演算する上限発電電力相当目標電圧演算手段と、
前記運転状態検出手段での検出値に基づいて燃料電池スタックに水を保持させるために満たすべき目標電圧を演算する保水量制限目標電圧演算手段と、
前記運転状態検出手段での検出値に基づいて電流電圧特性が徐々に上昇していく暖機中の目標電圧を演算する暖機中スタック目標電圧演算手段と、
前記上限発電電力相当目標電圧演算手段の演算結果と前記保水量制限目標電圧演算手段の演算結果と前記暖機中スタック目標電圧演算手段の演算結果との少なくとも２つから最大値を選択して最終的な目標スタック電圧を演算する目標スタック電圧演算手段と、
前記燃料電池スタックの電圧が前記目標スタック電圧に一致するように電圧制御を行うスタック電圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記保水量制限目標電圧演算手段は、前記運転状態検出手段で検出したスタック温度に基づいて上限保水量を演算し、残留水量を初期値として前記運転状態検出手段が検出したスタック電流に基づいて保水量を逐次演算し、保水量が上限保水量に所定値以上近づかないような電流値を演算し、前記運転状態検出手段で検出した電流電圧特性に基づいて電流値から目標電圧値を演算する手段であり、
前記目標スタック電圧演算手段は、前記上限発電電力相当目標電圧演算手段の演算結果と、前記保水量制限目標電圧演算手段の演算結果と、の最大値を目標スタック電圧値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。
前記保水量制限目標電圧演算手段は、前記運転状態検出手段で検出したスタック温度に基づいて上限保水量を演算し、残留水量を初期値として、前記運転状態検出手段で検出したスタック電流に基づいて保水量を逐次演算し、保水量が上限保水量に所定値以上近づかないような電流値を演算し、また、前記スタック温度に基づいて単位時間に保水することができる上限生成水量をさらに演算し、その上限生成水量以下の生成水量となる上限電流を演算し、これら２つの電流の最小値と、前記運転状態検出手段で検出した電流電圧特性に基づいて電流値から目標スタック電圧値を演算する手段であことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
前記暖機中スタック目標電圧演算手段は、燃料電池スタックの発電電圧が供給される強電部品の動作下限電圧以上の電圧値を演算し、
前記目標スタック電圧演算手段は、前記上限発電電力相当目標電圧演算手段の演算結果と、前記保水量制限目標電圧演算手段の演算結果と、前記暖機中スタック目標電圧演算手段の演算結果と、の最大値を目標スタック電圧値とすることを特徴とする請求項１項乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記暖機中スタック目標電圧演算手段は、前記運転状態検出手段で検出したその時の電流電圧特性に基づいて、発電電力が最大となる電圧と電流と組み合わせを選択し、そのときの電圧値を目標電圧値として演算し、
前記目標スタック電圧演算手段は、前記上限発電電力相当目標電圧演算手段の演算結果と、前記保水量制限目標電圧演算手段の演算結果と、前記暖機中スタック目標電圧演算手段の演算結果と、の最大値を目標スタック電圧値とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記暖機中スタック目標電圧演算手段は、前記運転状態検出手段で検出したその時の電流電圧特性に基づいて、電流電圧特性に対して取り出し可能な最大電流が取り出されるような電圧値を演算し、
前記目標スタック電圧演算手段は、前記上限発電電力相当目標電圧演算手段の演算結果と、前記保水量制限目標電圧演算手段の演算結果と、前記暖機中スタック目標電圧演算手段の演算結果と、の最大値を目標スタック電圧値とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記暖機中スタック目標電圧演算手段は、２次電池の充電状態に基づいて、燃料電池スタックの発電電力が最大となる電圧と電流との組み合わせ点での電圧値と、電流電圧特性に対して取り出し可能な最大電流が取り出されるような電圧値と、の中間値を選択する手段であり、
前記目標スタック電圧演算手段は、前記上限発電電力相当目標電圧演算手段の演算結果と、前記保水量制限目標電圧演算手段の演算結果と、前記暖機中スタック目標電圧演算手段の演算結果と、の最大値を目標スタック電圧値とすることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記上限発電電力相当目標電圧演算手段は、上限発電電力以下の目標電力となるような目標電圧値を演算する際に、目標電力と、前記運転状態検出手段で演算した電流電圧特性とに基づいて、目標電圧を演算することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記上限発電電力相当目標電圧演算手段は、上限発電電力以下の目標電力となるような目標電圧値を演算する際に、実電圧と実電流から演算した実電力が目標電力と一致するように、目標電圧をフィードバック補正して演算することを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記運転状態検出手段で演算する電流電圧特性は、あらかじめ零下起動からの暖機状態の過程で調べてある電流電圧特性と、直前の所定期間での少なくとも電圧と電流の組み合わせから、現在の電流電圧特性を推定することを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記保水量制限目標電圧演算手段で保水量を推定する際の初期値は、前回の運転終了時の保水量であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記保水量制限目標電圧演算手段で保水量を推定する際の初期値は、起動時に燃料電池の膜抵抗を電圧、電流から推定し、その膜抵抗に基づいて推定した保水量であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記目標スタック電圧演算手段は、前記運転状態検出手段で検出したセル電圧のばらつきが予め設定された許容上限ばらつきよりも小さくなるように目標スタック電圧を上げる方向に補正することを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の燃料電池システム。
前記目標スタック電圧演算手段は、目標スタック電圧を下げる速度は目標スタック電圧を上げる速度よりも遅くすることを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の燃料電池システム。
固体高分子型の燃料電池スタックを氷点下から起動する燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックの温度、電流および電圧を検出する運転状態検出過程と、
該運転状態検出過程で検出した電流値及び電圧値に基づいて燃料電池スタックの電流電圧特性を推定する電流電圧特性推定過程と、
燃料電池スタックの暖機時に負荷装置が消費可能な最大電力である上限発電電力を演算する上限発電電力演算過程と、
前記上限発電電力に相当する目標スタック電圧を演算する上限発電電力相当目標電圧演算過程と、
前記運転状態検出過程で検出した温度値に基づいて燃料電池スタックの保水量を推定する保水量推定過程と、
前記保水量により制限されるスタック電流に基づいて目標スタック電圧を演算する保水量制限目標電圧演算過程と、
前記運転状態検出過程の検出値に基づいて電流電圧特性が徐々に上昇していく暖機中の目標スタック電圧を演算する暖機中スタック目標電圧演算過程と、
前記上限発電電力相当目標電圧演算過程の演算結果と前記保水量制限目標電圧演算過程の演算結果と前記暖機中スタック目標電圧演算過程の演算結果との少なくとも２つのうちの最大値を選択して最終的な目標スタック電圧とする目標スタック電圧演算過程と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。