JP2009238640A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の暖機運転中において出力増大要求が出された場合に、該燃料電池の出力を確実に増大させることのできる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池１０の暖機中において、燃料電池１０の出力増大要求があるか否かを判定する（ステップ１０２）。燃料電池１０の出力が最大となる最大出力電圧Ｖｐｍａｘを特定する（ステップ１０４）。実電圧Ｖｄと最大出力電圧Ｖｐｍａｘとの大小関係を比較する（ステップ１０８）。実電圧Ｖｄ＞最大出力電圧Ｖｐｍａｘが成立する場合には目標電圧Ｖａを上げる（ステップ１１０）。一方、実電圧Ｖｄ＜最大出力電圧Ｖｐｍａｘが成立する場合には目標電圧Ｖａを下げる（ステップ１１２）。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池システムに関する。

従来、例えば、特開２００５−１８３０４７号公報に開示されているように、燃料電池の低温始動時における出力低下を抑制しつつ、セルの劣化も防止することのできる燃料電池スタックが提案されている。この燃料電池スタックでは、セルの積層方向の端部に位置する端セルの外側に通常時用集電体が設けられ、また、該通常時用集電体の内側には、セルを挟んで低温時用集電体が設けられている。そして、これらの集電体は、切替手段によって出力端子と選択的に接続可能になっている。

燃料電池スタックは端側のセルほど放熱量が大きい。このため、燃料電池の低温（特に氷点下）起動時においては、端側のセルが凍結してしまい所望の出力を発揮することができないことが想定される。この点、上記燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックの低温起動時に低温時用集電体から出力することができるので、端側のセルには電圧をかけることなく、燃料電池を起動することができる。これにより、端側のセルの内部が凍結することにより出力低下やセルの劣化が起きる事態を防止することができる。

特開２００５−１８３０４７号公報 特再表ＷＯ２００５／０１３４０１号

このように、燃料電池は、低温時の発電効率が通常時に比して大幅に低下する。このため、燃料電池の暖機過程においては、所望の出力性能を発揮することができない。更に、燃料電池の暖機中はセル出力が安定していないため、燃料電池の出力特性を推定すること（以下、「Ｉ−Ｖ推定」と称する）ができない。このため、システムの出力増大要求に応じて、燃料電池の出力を確実に増大させることが困難であった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、燃料電池の暖機運転中において出力増大要求が出された場合に、該燃料電池の出力を確実に増大させることのできる燃料電池システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池システムであって、
反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池の暖機中において、
前記燃料電池の出力が最大となる電圧（以下、最大出力電圧）を特定する最大出力電圧特定手段と、
前記燃料電池に出力増大要求が出された場合に、前記燃料電池の電圧を前記最大出力電圧に近づく方向へ変化させる電圧制御手段と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記最大出力電圧特定手段は、前記燃料電池の電圧と電流との間の比例関係に基づいて、前記最大出力電圧を特定することを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記電圧制御手段は、
前記燃料電池の電圧を検知するための電圧検知手段と、
前記電圧検知手段により検知された電圧（以下、実電圧）と前記最大出力電圧との大小を比較する比較手段と、
前記燃料電池に出力増大要求が出された場合に、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記燃料電池の目標電圧を可変させる目標電圧可変手段と、
前記燃料電池の電圧を前記目標電圧へ可変させる電圧可変手段と、を含み、
前記目標電圧可変手段は、前記実電圧が前記最大出力電圧よりも小さい場合には前記目標電圧を上げ、前記実電圧が前記最大出力電圧よりも大きい場合には前記目標電圧を下げることを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料電池の出力が最大となる電圧（最大出力電圧）が特定される。そして、燃料電池の暖機中に出力増大要求が出された場合に、燃料電池の電圧が最大出力電圧に近づく方向に可変される。燃料電池の出力は、該燃料電池の電圧が最大出力電圧となったときに最大となる。このため、本発明によれば、出力増大要求に応じて、燃料電池の出力を確実に増大させることができる。

第２の発明によれば、最大出力電圧は、前記燃料電池の電圧と電流との間の比例関係に基づいて特定される。燃料電池の低温時においては、電気抵抗による電圧損失が支配的になっているため、燃料電池の電流と電圧との間には略比例関係が成立する。このため、本発明によれば、かかる関係に基づいて、最大出力を発揮しうる電圧を精度よく特定することができる。

第３の発明によれば、燃料電池の暖機中に出力増大要求が出された場合に、燃料電池の実電圧が最大出力電圧よりも小さい場合には、目標電圧を上げる処理が行われ、実電圧が最大出力電圧よりも大きい場合には、前記目標電圧を下げる処理が行われる。つまり、燃料電池の暖機中に出力増大要求が出された場合に、燃料電池の実電圧が最大出力電圧に近づくように目標電圧が可変される。このため、本発明によれば、出力増大要求に応じて、燃料電池の出力を確実に増大させることができる。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
［実施の形態の構成］
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの構成を説明するための図である。本実施の形態の燃料電池システムは、例えば、車両に搭載されて使用される。図１に示すとおり、燃料電池システムは、燃料電池１０を備えている。燃料電池１０は、複数枚の燃料電池セルを積層したスタックとして構成されている。各燃料電池セルは、図示しないプロトン伝導性を有する電解質膜の両側をアノードおよびカソードで挟まれ、更にその両側を導電性のセパレータによって挟まれて構成されている。

燃料電池１０のカソード側には、酸化ガスを該燃料電池１０のカソードへ供給するための酸化ガス供給装置１２が接続されている。酸化ガス供給装置１２は、より具体的には、酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス流路、当該酸化ガス流路に配置されたコンプレッサ、および酸化ガスの供給圧を調整するための調圧弁等（何れも図示せず）により構成されている。

燃料電池１０のアノード側には、燃料ガスを該燃料電池１０のアノードへ供給するための燃料ガス供給装置１４が接続されている。燃料ガス供給装置１４は、より具体的には、燃料ガス（水素）を供給するための燃料ガス流路、当該燃料ガス流路の上流端に設けられた燃料ガス供給源（高圧水素タンクや改質器等）、および燃料ガスの供給圧を調整するためのレギュレータ等（何れも図示せず）により構成されている。

燃料電池１０の出力端子は、電力ライン１６を介して負荷装置１８と接続されている。負荷装置１８は、より具体的には、直流電力を交流電力に変換するインバータと、車両を駆動するためのモータ等（何れも図示せず）により構成されている。電力ライン１６には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、システムの運転状態に応じて燃料電池１０の電圧、すなわち電力ライン１６の電圧を調整するとともに、補器類に電力を供給するための蓄電装置２２の充電を行うものである。また、電力ライン１６には、燃料電池１０の電圧を検知するための電圧計３２と、電流を検知するための電流計３４とが配置されている。

本実施の形態の燃料電池システムは制御部３０を備えている。制御部３０は、システムからの負荷要求に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の制御、酸化ガス供給装置１２および燃料ガス供給装置１４の制御等を総括して行う。

［本実施の形態の特徴］
次に、図２を参照して、本実施の形態の特徴について説明する。本実施の形態の燃料電池システムはＩ−Ｖ推定を行うことにより、燃料電池１０の出力を制御している。より具体的には、制御部３０は、燃料電池１０の通常運転時における出力特性（Ｉ−Ｖ特性）を規定したマップを記憶している。このため、燃料電池１０通常運転時においては、先ず、燃料電池システムの運転状態（負荷装置１８の負荷状態やシステムへの要求負荷等）に基づいて、燃料電池１０において発電すべき電力を演算する。そして、かかるＩ−Ｖ特性マップに従い、燃料電池１０が当該電力を出力するための目標電圧を演算する。制御部３０は、燃料電池１０が目標電圧となるために必要な反応ガス量を演算し、酸化ガス供給装置１２および燃料ガス供給装置１４を駆動する。これにより、要求負荷に応じた燃料電池１０の出力制御を良好に行うこととしている。

しかしながら、燃料電池１０の温度が低い冷間始動時においては、該燃料電池１０の発電効率が低い状態にある。つまり、燃料電池１０は所望の出力性能を発揮できない状態にある。したがって、燃料電池１０の暖機過程においては、燃料電池１０の出力特性を上述したＩ−Ｖ特性マップに基づいて推定することができない。

そこで、本願の発明者は、低温時における燃料電池１０の出力特性に着目し、燃料電池１０の出力が不足した場合に、該燃料電池の出力を効果的に増大させることのできるシステムを見出した。以下、本発明について詳細に説明する。

低温時における燃料電池１０の出力特性は、電気抵抗による電圧損失が支配的になっている。このため、燃料電池１０の低温時においては、該燃料電池１０の電流と電圧との間にほぼ比例関係が成立している。図２は、燃料電池１０の暖機過程におけるＩ−Ｖ特性を示す図である。尚、図２（Ａ）は、燃料電池１０の電流Ｉと単位セルの電圧Ｖとの関係を、図２中（Ｂ）は、燃料電池１０の電流Ｉと出力Ｐとの関係をそれぞれ示している。図２（Ａ）に実線Ｌ１で示すとおり、燃料電池１０の暖機中におけるＩ−Ｖ特性は、電圧Ｖ_０（約０．９Ｖ／セル）を切片とした直線となる。このため、実線Ｌ１の傾きを−Ｋとすると、燃料電池１０の電圧Ｖと電流Ｉとの間には次式に示す関係が成立する。
Ｖ＝Ｖ_０−ＫＩ ・・・（１）

したがって、燃料電池１０の出力Ｐは上式（１）を用いて次式で表される。
Ｐ＝ＩＶ＝Ｉ・（Ｖ_０−ＫＩ） ・・・（２）

上式（２）は、図２（Ｂ）に実線で示す曲線Ｌ２を示している。この曲線Ｌ２に示すとおり、燃料電池１０の出力Ｐには最大出力Ｐｍａｘが存在する。したがって、燃料電池の出力が低下した場合に、燃料電池１０の出力Ｐが最大出力Ｐｍａｘに向かう方向へ目標電圧Ｖａを変化させることとすれば、出力Ｐを上昇させることができる。

最大出力Ｐｍａｘに対応する電流Ｉｐｍａｘは、次式（３）で表される。このため、この演算されたＩｐｍａｘを上式（１）に代入することで、最大出力Ｐｍａｘを発揮しうる最大出力電圧Ｖｐｍａｘを演算することができる。
Ｉｐｍａｘ＝Ｖ_０／２Ｋ ・・・（３）
Ｖｐｍａｘ＝Ｖ_０／２ ・・・（４）

上式（４）に示すとおり、演算された最大出力電圧Ｖｐｍａｘは、Ｋによらない値となっている。つまり、燃料電池１０の暖機が更に進行し、図２に点線Ｌ３およびＬ４で示す状態になった場合においても、最大出力電圧Ｖｐｍａｘは変化しない。したがって、燃料電池１０の出力Ｐが不足している場合においては、燃料電池１０の電圧がこの最大出力電圧Ｖｐｍａｘに近づくように制御することにより、該燃料電池１０の出力Ｐを上昇させることができる。

より具体的には、燃料電池１０の実電圧Ｖｄを検出し、該実電圧ＶｄがＶｐｍａｘより小さい場合には、目標電圧Ｖａを上げることとする。これにより、燃料電池１０の電圧が、図２（Ａ）中の（ａ）方向に推移するため、該燃料電池の出力Ｐは、図２（Ｂ）中の最大出力Ｐｍａｘを目指して（ａ）方向に上昇する。一方、実電圧ＶｄがＶｐｍａｘより大きい場合には、目標電圧Ｖａを下げることとする。これにより、燃料電池１０の電圧が、図２（Ａ）中の（ｂ）方向に推移するため、該燃料電池の出力Ｐは、図２（Ｂ）中の最大出力Ｐｍａｘを目指して（ｂ）方向に上昇する。

このように、燃料電池１０の暖機中において、燃料電池１０の最大出力電圧Ｖｐｍａｘを特定し、検出された電圧Ｖｄが当該最大出力電圧Ｖｐｍａｘに近づくように目標電圧Ｖａを設定することで、燃料電池１０の出力を上昇させることができる。このため、システムの出力増大要求に応じて、良好な出力制御を行うことができる

［実施の形態における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、制御部３０が実行するルーチンのフローチャートである。

図３に示すルーチンでは、先ず、燃料電池１０の暖機中か否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、燃料電池１０の温度が所定の動作温度に達したか否かが判定される。その結果、燃料電池１０の暖機過程が既に完了していると判定された場合には、当該暖機中の出力制御を実行する必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１００において、燃料電池１０が未だ暖機中と判定された場合には、当該暖機中の出力制御を実行する必要があると判断されて、次のステップに移行し、燃料電池１０に対する出力増大要求が出されたか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、燃料電池１０に対する出力増大要求が出されていない場合には、該燃料電池１０の出力増大制御を実行する必要がないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１０２において、燃料電池１０に対する出力増大要求が出されていると判定された場合には、次のステップに移行し、最大出力電圧Ｖｐｍａｘが特定される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、上式（４）に従って、最大出力電圧Ｖｐｍａｘが演算される。

次に、燃料電池１０の実電圧Ｖｄが検出される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、電圧計３２の出力信号に基づいて、現在の燃料電池１０の実電圧Ｖｄが取得される。

図３に示すルーチンにおいては、次に、実電圧Ｖｄが最大出力電圧Ｖｐｍａｘよりも小さいか否かが判定される（ステップ１０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０４において特定された最大出力電圧Ｖｐｍａｘと、上記ステップ１０６において検出された実電圧Ｖｄとの大小関係が比較される。その結果、Ｖｐｍａｘ＞Ｖｄの成立が認められた場合には、次のステップに移行し、燃料電池１０の目標電圧Ｖａを上げる処理が実行される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、実電圧Ｖｄが最大出力電圧Ｖｐｍａｘに近づくように、すなわち、図２（Ａ）中の（ａ）方向に移行するように、目標電圧Ｖａがより大きな値に設定される。

一方、上記ステップ１０８においてＶｐｍａｘ＞Ｖｄの成立が認められない場合には、次のステップに移行し、燃料電池１０の目標電圧Ｖａを下げる処理が実行される（ステップ１１２）。ここでは、具体的には、実電圧Ｖｄが最大出力電圧Ｖｐｍａｘに近づくように、すなわち、図２（Ａ）中の（ｂ）方向に移行するように、目標電圧Ｖａがより小さな値に設定される。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、燃料電池１０の暖機中に出力増大要求が出された場合には、実電圧Ｖｄが最大出力電圧Ｖｐｍａｘに近づくように、目標電圧Ｖａが設定される。これにより、燃料電池１０の出力を確実に上昇させることができる。

尚、上述した実施の形態においては、制御部３０が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「最大出力電圧特定手段」が、上記ステップ１１０または１１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「電圧制御手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態においては、電圧計３２が前記第３の発明における「電圧検知手段」に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が前記第３の発明における「電圧可変手段」に、それぞれ相当している。また、制御部３０が、上記ステップ１０８の処理を実行することにより、前記第３の発明における「比較手段」が、上記ステップ１１０または１１２の処理を実行することにより、前記第１の発明における「目標電圧可変手段」が、それぞれ実現されている。

本発明の実施の形態において用いられる燃料電池システムの構成を説明するための図である。 燃料電池１０の暖機過程におけるＩ−Ｖ特性を示す図である。 本発明の実施の形態において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池
１２ 酸化ガス供給装置
１４ 燃料ガス供給装置
１６ 電力ライン
１８ 負荷装置
２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２ 蓄電装置
３０ 制御部
３２ 電圧計
３４ 電流計
Ｖａ 目標電圧
Ｖｄ 実電圧
Ｐｍａｘ 最大出力
Ｉｐｍａｘ 最大出力電流
Ｖｐｍａｘ 最大出力電圧

Claims (3)

1. 反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池の暖機中において、
   前記燃料電池の出力が最大となる電圧（以下、最大出力電圧）を特定する最大出力電圧特定手段と、
   前記燃料電池に出力増大要求が出された場合に、前記燃料電池の電圧を前記最大出力電圧に近づく方向へ変化させる電圧制御手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記最大出力電圧特定手段は、前記燃料電池の電圧と電流との間の比例関係に基づいて、前記最大出力電圧を特定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記電圧制御手段は、
   前記燃料電池の電圧を検知するための電圧検知手段と、
   前記電圧検知手段により検知された電圧（以下、実電圧）と前記最大出力電圧との大小を比較する比較手段と、
   前記燃料電池に出力増大要求が出された場合に、前記比較手段による比較結果に基づいて、前記燃料電池の目標電圧を可変させる目標電圧可変手段と、
   前記燃料電池の電圧を前記目標電圧へ可変させる電圧可変手段と、を含み、
   前記目標電圧可変手段は、前記実電圧が前記最大出力電圧よりも小さい場合には前記目標電圧を上げ、前記実電圧が前記最大出力電圧よりも大きい場合には前記目標電圧を下げることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池システム。

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