JP2011258567A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池の低効率運転中に、前記燃料電池の出力電圧を変更すべきと判断した場合には、前記燃料電池の出力電力とシステム要求電力とが一致するように前記燃料電池の出力電圧の電圧変化速度を調整しながら、前記燃料電池の出力電圧を昇降圧させるΔV制御S230を実行する電圧制御手段と、設定された排気水素許容濃度を満足するように、前記燃料電池が最も温度が高い場合の前記排気水素許容濃度を満足する前記燃料電池の出力電圧が前記燃料電池の出力電流に応じて多段に設定され、前記判断手段は、前記システム要求電力と前記排気水素濃度情報とに基づき、前記燃料電池の出力電圧が、前記燃料電池の出力電流に応じた前記排気水素許容濃度を満足できる前記燃料電池の出力電圧となるように変更すべきか否かを判断する。
【選択図】図8
Description
その一方で、設定条件を満たさない場合には、記燃料電池の容量成分に対する充放電量を考慮しながらシステム要求パワーを満たすように該燃料電池の出力電圧を制御するΔV制御を実行することで、低効率運転からΔV制御を経由して通常運転へと移行させるため、外部負荷(バッテリ等)に供給する電力が不足したり、外部負荷に過剰な電力が供給されてしまう等の問題を防止することができる。
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図1は本実施形態に係る車両に搭載された燃料電池システム10のシステム構成を示す。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車(FCHV;Fuel Cell Hybrid Vehicle)を想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車にも適用可能である。また、車両のみならず各種移動体(例えば、船舶や飛行機、ロボットなど)や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
H2+(1/2)O2 → H2O …(3)
このC−V特性は、燃料電池スタック20の動的な電気特性を示すものであり、燃料電池スタック20の電圧を一定の電圧上昇率で昇圧させると、外部から燃料電池スタック20へ流れ込む方向(マイナス方向)に電流が流れ、燃料電池スタックの電圧を一定の電圧下降率で降圧させると、燃料電池スタック20から外部へ流れる方向(プラス方向)に電流が流れる。このような動的な電気特性は、燃料電池スタック20が寄生的に有する容量成分によるものであることが判明している。
燃料電池スタック20は、理想燃料電池28とキャパシタ29とが並列接続されてなる回路構成を有している。理想燃料電池28は、上述のC−V特性を有しない仮想的な燃料電池をモデル化したものであり、電気特性上、可変電源と等価な振る舞いをする。キャパシタ29は、上記界面に形成される電気二重層の電気的な振る舞いを容量素子としてモデル化したものである。外部負荷56は電力系50をモデル化した等価回路である。理想燃料電池28から流れ出す電流をIfc、理想燃料電池28の出力電圧(燃料電池スタック20の出力電圧)をVfc、キャパシタ29に流れ込む電流をIc、燃料電池スタック20から外部負荷56に流れ出す電流をIs、キャパシタ29の容量をC、時間をtとすると、以下に示す(4)〜(5)式が成立する。
Ic=C・ΔVfc/Δt …(5)
通常運転時には、発電効率を高めるため運転ポイント(出力電流Ifc、出力電圧Vfc)がI−V特性曲線(電流対電圧特性曲線)200上に位置するように運転制御する。一方、低効率運転時には、発電効率を意図的に低下させて熱損失を高めるので、運転ポイントは、I−V特性曲線200よりも低い電圧ポイント、例えば、出力電圧Vfc=V1やVfc=V2に設定される。ここで、燃料電池スタック20の暖機は、車両の起動時や停止時のみならず、通常走行時にも行われる。かかる暖機について、熱損失を高める(別言すれば発熱効率を高める)という観点では出力電圧Vfcを可能な限り低く設定したほうが良い。しかしながら、車両走行中の負荷(トラクションモータや各種補機など)からの要求電圧等は、車両起動時などの要求電圧等に比べて高く設定されるため、低効率運転により車両走行しながら暖機運転しているときの燃料電池スタック20の出力電圧Vfc(例えば図4に示すV2)は、低効率運転により起動時や停止時に暖機運転しているときの燃料電池スタック20の出力電圧Vfc(例えば図4に示すV1)に比べて高く設定される。
例えば、低効率運転により車両走行しながら暖機運転しているときの運転ポイントをOP2(I2,V2)とする。暖機運転をしている間に、温度センサ74によって燃料電池スタック20の温度が所定温度(例えば70℃)を越えたことが検知されると、ECU70は低効率運転から通常運転へ遷移すべきタイミングが到来したと判断し、低効率運転から通常運転への運転遷移処理を行う。具体的には、運転遷移処理を実行することにより、燃料電池スタック20の運転ポイントを、低効率運転時の運転ポイントOP2(I2,V2)から、I−V特性曲線200上に位置する運転ポイントOP3(I3,V3)に遷移させる。なお、以下の説明では、通常運転へ移行した後のI−V特性曲線200上での発電制御をI−V制御と呼ぶ。
ECU(供給酸化ガス制御手段)70は、上記の如く低効率運転から通常運転へ遷移すべきタイミングが到来したと判断すると、ΔV制御へ移行する前処理として、エアコンプレッサ32から燃料電池スタック20へ供給する酸化ガスを所定量(例えば0.5mol/s)だけ増量する処理(以下、ΔVトリガ処理)を行う。通常、低効率運転は通常運転よりも発電効率の悪い運転領域(図4に示すI−V特性曲線200より下の領域)で運転が行われるため、例えば低効率運転時にエアコンプレッサ32から燃料電池スタック20へ供給する酸化ガス量を増量すると、燃料電池スタック20の出力電流が高くなり、結果として燃料電池スタック20の出力電力が大きくなる。
第1実施形態において説明したように、低効率運転中の燃料電池スタック20の出力電圧Vfcは一定に保持され、エアコンプレッサ32から燃料電池スタック20に供給される酸化ガス流量を制御することにより出力電流Ifcを調整し、負荷に応じた発電制御が行われる(固定電圧制御)。
ところが、走行中の低効率運転においては、固定電圧制御による出力電圧Vfcの一定にすると、出力電流Ifcの値によっては、設定された排気水素許容濃度を満足できない領域が存在することが判明した。そこで、本実施形態では、低効率運転中の出力電流Ifcの値によらず、常に設定された排気水素許容濃度を満足できるような、多段固定電圧制御を実施する。なお、多段固定電圧制御とは、低効率運転中に燃料電池スタック20の出力電圧Vfcを常に一定値に固定するのではなく、設定された排気水素許容濃度を遵守するために、出力電流Ifcに応じて該出力電圧Vfcを複数の値(本実施形態では2値)に設定し、設定した出力電圧Vfcの間で適宜切り換える制御をいう。
図6に示すように、燃料電池スタック20の温度が高ければ高いほど、排気水素許容濃度による電圧下限値は高くなる。本実施形態では、予め実験などにより最も温度が高い場合(ここでは温度T5の場合)の排気水素許容濃度による電圧下限値を設定しておき、排気水素許容濃度を遵守できるように、出力電流Ifcに応じて出力電圧Vfcを出力電圧Vfc1,Vfc2(>Vfc1)の間で切り換えを行う。
低効率運転を開始する際、まず、ECU70はシステム要求電力と、電圧・電流切り換えマップMPとに基づき、出力電圧Vfcと出力電流Ifcを決定する(ステップS210)。
その後、ECU(判断手段)70は、図6に示す排気水素許容濃度による電圧下限値を参照しながら、燃料電池スタック20の出力電圧Vfcの切り換えタイミングが到来したかを判定する(ステップS220)。ECU70は、例えば現時点で出力電圧Vfc2、出力電流Ifc1が設定されている状態において、出力電流Ifc1以下に設定しなければならない場合には、燃料電池スタック20の出力電圧Vfcの切り換えタイミングが到来したと判断し(ステップS220;YES)、ECU70は、ΔV制御を行うことで出力電圧Vfc2から出力電圧Vfc1に切り換え(ステップS230→ステップS240)、処理を終了する。一方、ECU70は、例えば現時点で出力電圧Vfc2、出力電流Ifc1が設定されている状態において、出力電流Ifc1以下に設定する必要がない場合には、燃料電池スタック20の出力電圧Vfcの切り換えタイミングは到来していないと判断し、(ステップS220;NO)、ステップS230、S240をスキップして処理を終了する。
図6に示すように、燃料電池スタック20の温度が高ければ高いほど、排気水素許容濃度による電圧下限値は高くなる。本実施形態では、予め実験などにより最も温度が高い場合(ここでは温度T5の場合)の排気水素許容濃度による電圧下限値を設定しておき、排気水素許容濃度を遵守できるように、出力電流Ifcに応じて出力電圧Vfcを出力電圧Vfc1,Vfc2(>Vfc1)の間で切り換えを行う。
Claims (6)
- 通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を行うことにより、燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、
前記低効率運転から前記通常運転へ移行する際に、設定条件を満たすか否かを判断する判断手段と、
前記設定条件を満たさない場合には、前記燃料電池の容量成分に対する充放電量を考慮しながらシステム要求パワーを満たすように該燃料電池の出力電圧を制御するΔV制御を実行することで、低効率運転からΔV制御を経由して通常運転へと移行させる一方、前記設定条件を満たす場合には、前記ΔV制御を経由することなしに、低効率運転から強制的に通常運転へと移行させることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記低効率運転から前記通常運転へ移行する際、前記燃料電池に供給する酸化ガスを所定量増加させる供給酸化ガス制御手段と、前記酸化ガスの増加前後における燃料電池の出力電力を検知することで、該燃料電池の出力電力偏差を導出する導出手段とをさらに備え、
前記判断手段は、導出された前記燃料電池の出力電力偏差が設定された電力閾値を下回った場合に、前記設定条件を満たすと判断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。 - 前記判断手段は、導出された前記燃料電池の出力電力偏差が設定された電力閾値を所定時間以上継続して下回った場合に、前記設定条件を満たすと判断することを特徴とする請求項2に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の関連温度を検知する検知手段と、検知される前記関連温度に基づき前記低効率運転から前記通常運転へ移行すべきか否かを判定する移行判定手段をさらに備え、
前記判断手段は、前記移行判定手段によって前記低効率運転から前記通常運転へ移行すべきと判定された場合に、前記設定条件を満たすか否かの判断を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1の請求項に記載の燃料電池システム。 - 通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を行うことにより、燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、
低効率運転中に前記燃料電池の出力電圧を変更すべきか否かを判断する判断手段と、
前記出力電圧を変更すべきと判断した場合には、前記燃料電池の容量成分に対する充放電量を考慮しながらシステム要求パワーを満たすように該燃料電池の出力電圧を制御するΔV制御を実行することで、前記出力電圧を変更する電圧制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。 - 排気水素濃度下限値を満足できる前記燃料電池の出力電圧と出力電流の関係を表す排気水素濃度情報を記憶する記憶手段をさらに備え、
前記判断手段は、前記排気水素濃度情報に基づいて低効率運転中に前記燃料電池の出力電圧を変更すべきか否かを判断することを特徴とする請求項5に記載の燃料電池システム。
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