JP2012226939A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セル電圧の大幅な低下を回避しつつ、セルモニタにおける消費電力を抑止する。
【解決手段】燃料電池の低負荷時に当該燃料電池を一時的に休止させる間欠運転の間、燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、当該間欠運転の終了後にセルモニタを起動させる際、燃料電池の出力を制限する。所定の閾値を間欠終了閾値として設定しており、当該燃料電池システムから燃料電池に対して要求される出力を示すシステム要求パワーが当該間欠終了閾値を上回った場合に間欠運転を終了させることが好ましい。また、セルモニタの起動を指令するための閾値であるセルモニタ起動閾値を、間欠運転の終了後、間欠終了閾値よりも小さい値に変更することも好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池システムにおける制御技術の改良に関する。

燃料電池を始動する際、アノードに供給される燃料ガス及びカソードに供給される酸化ガスの少なくともいずれか一方を不足状態とし、電極の一部の過電圧を増加させてさらなる熱を発生させることで、燃料電池の温度を上昇させる急速暖機技術が開示されている。このような急速暖機を行う際には、燃料電池のセル電圧を予め設定された閾値（許容値）まで下げる必要がある。

ところが、従来、セル電圧が許容値を下回るまで電流制限を行わない場合があった。このようにセル電圧が許容値を下回ってから電流制限をしようとすると、急速暖機時のセル電圧の低下スピードが速いために電流制限が追いつかず、セル電圧が許容値を大幅に下回ってしまうという問題が生じていた。

そこで、このような問題を解決する技術として、セルモニタによって検知される最低セル電圧が目標値付近に一定時間連続して収束している場合には、最低セル電圧目標値を所定幅下げた値に更新するという技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。かかる技術によれば、検知されるセル電圧と最低目標電圧との関係が所定条件を満たす場合（例えば、セル電圧が最低目標電圧の付近に一定時間連続して収束している場合や、セル電圧が最低目標電圧の付近から離れて一定時間連続して高くなっている場合など）に、最低目標電圧を段階的に更新する。電流制限の際には、このように更新される最低セル電圧目標値が利用されるため、セル電圧と最低目標電圧とが大きくかけ離れてしまい、セル電圧を制御し切れずにセル電圧が最低目標電圧を大幅に低下してしまう、といった問題を未然に防止することが可能となる。

特開２００９−１５８３９９号公報

しかしながら、上述のごとき制御技術においては、セル電圧監視を常に（例えば燃料電池車の運転中であれば常時）行っていたため、セルモニタの消費電力が大きく、無駄な消費電力が生じていた。

そこで、本発明は、セル電圧の大幅な低下を回避しつつ、セルモニタにおける消費電力を抑止できるようにした燃料電池システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば燃料電池車には、アイドリング時、低速走行時、回生制動時等のような低負荷運転時、燃費を向上させる等のために燃料電池の発電を一時休止し、バッテリーやキャパシタ等の蓄電手段から補機（車両モータ等）への電力供給をするための「間欠運転」を実施するものがある。この間欠運転中にセルモニタを休止させたおいた場合、間欠運転終了後、燃料電池の発電（運転）を再開するとともにセルモニタにも再起動させるための指令をだすのが従来の手法である。ところが、一般に、セルモニタの再起動には所定の時間を要する。このセルモニタ再起動中、万が一、燃料電池のセル電圧低下が生じた場合、そのことを検出することができないため、出力制限等の対処ができず、場合によっては膜部材の破損（穴開き等）につながるおそれがある。このような事態に陥ることのないよう、従来は間欠運転中にセルモニタを休止しておくことができなかった。

以上の点に着目し、さらに従来技術においてはセルモニタ起動中についての言及はあっても間欠運転終了後にセルモニタを起動させることについては想定していないことに着目して検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く着想を得るに至った。本発明はかかる着想に基づくものであり、燃料電池の低負荷時に当該燃料電池を一時的に休止させる間欠運転の間、燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、当該間欠運転の終了後にセルモニタを起動させる際、燃料電池の出力を制限する、というものである。

本発明にかかる燃料電池システムにおいては、間欠運転の間にセルモニタを停止させるので、セル電圧を常に監視する場合よりもセルモニタの消費電力を抑えることができる。しかも、間欠運転の終了後は、セルモニタを再起動させる際に燃料電池の出力（発電）を制限することにしているため、セル電圧が大幅に低下してしまうのを回避することができる。

上述の燃料電池システムにおいては、所定の閾値を間欠終了閾値として設定しており、当該燃料電池システムから燃料電池に対して要求される出力を示すシステム要求パワーが当該間欠終了閾値を上回った場合に間欠運転を終了させることが好ましい。

さらに、本発明にかかる燃料電池システムにおいて、セルモニタの起動を指令するための閾値であるセルモニタ起動閾値を、間欠運転の終了後、間欠終了閾値よりも小さい値に変更することが好ましい。この場合、セルモニタの起動を指令するタイミングが早くなり、間欠運転が終了する際にはセルモニタの起動を完了させることが可能となるため、出力制限を低減させあるいは不要とすることが可能となる。

本発明にかかる燃料電池システムにおいては、燃料電池の温度に応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和することが好ましい。あるいは、燃料電池のインピーダンスに応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和することも好ましい。

本発明にかかる燃料電池の制御方法は、燃料電池の低負荷時に当該燃料電池を一時的に休止させる間欠運転の間、燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、当該間欠運転の終了後にセルモニタを起動させる際、燃料電池の出力を制限する、というものである。

本発明によれば、セル電圧の大幅な低下を回避しつつ、セルモニタにおける消費電力を抑止することができる。

本発明にかかる燃料電池システムの構成例を示す図である。 本発明の一実施形態を示すフローチャートである。 図２に示すフローチャートに従って制御した場合のシステム各部の動作、制御信号、出力等の時系列処理・動作例を示す図である。 燃料電池の温度により出力制限の度合を変える手法について説明するグラフである。 燃料電池のインピーダンスにより出力制限の度合を変える手法について説明するグラフである。 セルモニタへの起動指令をだすタイミングをより早くした場合の時系列処理・動作例を示す図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。以下では、一例として、燃料電池車に搭載されることが予定された燃料電池またはこれを含む燃料電池システムに本発明を適用した場合を例示して説明するが、適用範囲がこのような例に限られることはない。

図１〜図５に本発明にかかる燃料電池システムの実施形態を示す。燃料電池システム１００は、燃料ガスと酸化ガスを電気化学反応させて発電するセル（図示省略）と、該セルを積層してなるセルスタック（図示省略）と、燃料ガスおよび酸化ガスの供給流量を制御する制御手段としての制御装置７００と、を備えたシステムとして構成されている。以下においては、まず燃料電池システム１００の全体構成について説明し、その後、間欠運転の間およびその前後におけるセルモニタ等の動作等について説明する。

図１に本実施形態における燃料電池システム１００の概略構成を示す。図示するように、燃料電池システム１００は、燃料電池１と、酸化ガスとしての空気（酸素）を燃料電池１に供給する酸化ガス給排系（以下、酸化ガス配管系ともいう）３００と、燃料ガスとしての水素を燃料電池１に供給する燃料ガス給排系（以下、燃料ガス配管系ともいう）４００と、燃料電池１に冷媒を供給して燃料電池１を冷却する冷媒配管系５００と、システムの電力を充放電する電力系６００と、システム全体を統括制御する制御装置７００と、を備えている。

燃料電池１は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数のセル（単セル）を積層したスタック構造となっている。各セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟みこむように一対のセパレータ２０を有している。一方のセパレータ２０の燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータ２０の酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池１は電力を発生する。

酸化ガス配管系３００は、燃料電池１に供給される酸化ガスが流れる供給路１１１と、燃料電池１から排出された酸化オフガスが流れる排出路１１２と、を有している。供給路１１１には、フィルタ１１３を介して酸化ガスを取り込むコンプレッサ１１４と、コンプレッサ１１４により圧送される酸化ガスを加湿する加湿器１１５と、が設けられている。排出路１１２を流れる酸化オフガスは、背圧調整弁１１６を通って加湿器１１５で水分交換に供された後、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。コンプレッサ１１４は、モータ１１４ａの駆動により大気中の酸化ガスを取り込む。

燃料ガス配管系４００は、水素供給源１２１と、水素供給源１２１から燃料電池１に供給される水素ガスが流れる供給路１２２と、燃料電池１から排出された水素オフガス（燃料オフガス）を供給路１２２の合流点Ａに戻すための循環路１２３と、循環路１２３内の水素オフガスを供給路１２２に圧送するポンプ１２４と、循環路１２３に分岐接続された排出路１２５と、を有している。

水素供給源１２１は、例えば高圧タンクや水素吸蔵合金などで構成され、例えば３５ＭＰａ又は７０ＭＰａの水素ガスを貯留可能に構成されている。水素供給源１２１の元弁１２６を開くと、供給路１２２に水素ガスが流出する。水素ガスは、調圧弁１２７その他の減圧弁により、最終的に例えば２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池１に供給される。

供給路１２２の合流点Ａの上流側には、遮断弁１２８、および供給路１２２内の水素ガスの圧力を検出する圧力センサ１２９が設けられている。水素ガスの循環系は、供給路１２２の合流点Ａの下流側流路と、燃料電池１のセパレータに形成される燃料ガス流路と、循環路１２３とを順番に連通することで構成されている。水素ポンプ１２４は、モータ１２４ａの駆動により、循環系内の水素ガスを燃料電池１に循環供給する。符号１３０は、燃料電池１あるいは水素ガスの温度を検出する温度センサである。

循環路１２３には、水素オフガス（燃料オフガス）の圧力を検出する圧力センサ１３２が設けられている。また、排出路１２５には、遮断弁であるパージ弁１３３が設けられている。パージ弁１３３が燃料電池システム１００の稼動時に適宜開弁することで、水素オフガス中の不純物が水素オフガスと共に図示省略した水素希釈器に排出される。パージ弁１３３の開弁により、循環路１２３内の水素オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環供給される水素オフガス中の水素濃度が上がる。

冷媒配管系５００は、燃料電池１内の冷却流路に連通する冷媒循環流路１４１と、冷媒循環流路１４１に設けられた冷却ポンプ１４２と、燃料電池１から排出される冷媒を冷却するラジエータ１４３と、ラジエータ１４３をバイパスするバイパス流路１４４と、ラジエータ１４３及びバイパス流路１４４への冷却水の通流を設定する三方弁（切替え弁）１４５と、を有している。冷却ポンプ１４２は、モータ１４２ａの駆動により、冷媒循環流路１４１内の冷媒を燃料電池１に循環供給する。

電力系６００は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１、バッテリー（蓄電手段）１６２、トラクションインバータ１６３、トラクションモータ１６４、及び各種の補機インバータ１６５，１６６，１６７を備えている。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリー１６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ１６３側に出力する機能と、燃料電池１又はトラクションモータ１６４から入力された直流電圧を調整してバッテリー１６２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１のこれらの機能により、バッテリー１６２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１６１により、燃料電池１の出力電圧が制御される。

バッテリー１６２は、バッテリーセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリーコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ１６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１６４に供給する。トラクションモータ１６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１００が搭載される例えば車両の主動力源を構成する。

補機インバータ１６５，１６６，１６７は、それぞれ、対応するモータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａの駆動を制御する電動機制御装置である。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、直流電流を三相交流に変換して、それぞれ、モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａに供給する。補機インバータ１６５，１６６，１６７は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置７００からの制御指令に従って燃料電池１又はバッテリー１６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータ１１４ａ，１２４ａ，１４２ａで発生する回転トルクを制御する。

制御装置７００は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、ポンプ１２４の解凍制御など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。制御装置７００は、ガス系統（３００，４００）や冷媒配管系５００に用いられる各種の圧力センサや温度センサ、外気温センサなどの検出信号を入力し、各構成要素に制御信号を出力する。

セルモニタ８００は、セルにおける電圧（セル電圧）を測定して発電状況（例えば発電中におけるセル電圧の変動など）を測定するために用いられる電圧センサである（図１参照）。セルモニタ８００による測定結果に基づけば、当該燃料電池１のセル電圧を監視することができる。

続いて、間欠運転の間およびその前後におけるセルモニタ等に対する制御やその動作等について説明する（図２等参照）。

本実施形態の燃料電池システム１００においては、燃料電池１の間欠運転中にはセルモニタ８００によるセル電圧監視を休止させ、これにより、セルモニタ８００の消費電力を低減させる。また、燃料電池１の間欠運転を終了して通常発電に移行する際には、セルモニタ８００が再起動完了するまでの間は燃料電池１の発電を制限し、これにより、セル電圧の低下を抑止する。以下、フローチャートを用いて具体的な制御例を説明する（図２参照）。

まず、燃料電池システム１００が要求するパワーが、間欠終了閾値Ｔ１を下回っているかどうか判断する（ステップＳＰ１）。間欠終了閾値Ｔ１とは、漸増するシステム要求パワー（出力）が当該閾値を上回った場合に間欠運転を終了するものとして設定されている（図３参照）。ここでは、要求パワーが間欠終了閾値Ｔ１を下回っていれば（ステップＳＰ１にてＹＥＳ）、間欠運転を続け、セルモニタ８００の休止状態を継続する（ステップＳＰ５）。一方、要求パワーが間欠終了閾値Ｔ１を下回っていなければ（ステップＳＰ１にてＮＯ）、間欠運転を終了する処理をし、制御装置７００からセルモニタ８００を起動する指令をだす（ステップＳＰ２）。

セルモニタ８００の起動指令後、セルモニタ８００が完了したかどうかを判断する（ステップＳＰ３）。完了していれば（ステップＳＰ３にてＹＥＳ），燃料電池１の出力制限を解除する（ステップＳＰ６）。一方、完了していなければ（ステップＳＰ３にてＮＯ）、燃料電池１の出力を制限し（ステップＳＰ４）、ステップＳＰ１に戻る。

続いて、上記フローチャートに従って制御した場合の例（各部の動作、制御信号、出力等の時系列処理・動作例）を示す（図３参照）。なお、図３中の矢印は制御の流れあるいは関連性を示している。図中に示しているとおり、本実施形態では、システム要求パワーが間欠終了閾値Ｔ１以上になったら燃料電池１の間欠運転を終了し、セルモニタ８０の起動指令をだす（図３（Ａ）〜（Ｃ）参照）。また、燃料電池１の間欠運転終了により、コンプレッサ１１４を動作させる（図３（Ｅ）参照）。さらに、燃料電池１へのエア流量増に従い、ＦＣ（燃料電池）出力の上限が上昇する（図３（Ｆ）、（Ｈ）参照）。ここで、本実施形態では、セルモニタ８００の起動が完了しないうちは、ＦＣ出力(Ｐ)が０より大きくなったとしても燃料電池１からの出力を許可しないこととし、出力制限をして電圧低下を抑制するようにしている（図３（Ｆ）〜（Ｈ）等参照）。

また、本実施形態では、バッテリー１６２の充放電の状態を表すバッテリーパワー（図３（Ｉ）参照）は、Ｗout以下で放電させることとしている。なお、システム要求パワーがＷoutでも十分でないほど大きい場合は、要求パワーを満たせない場合もあり得る。

ここで、本実施形態では、図３に例示したようにセルモニタ状態によるＦＣ出力制限を行うにあたり、燃料電池１の状態によりＦＣ出力の制限の度合を変えるようにしている。すなわち、セルモニタ８００の起動が未完了であっても、燃料電池１の状態によっては、セル電圧低下が発生しないことが保障できる範囲でＦＣ出力を許可する。これにより、ＦＣ出力に制限がかかる機会を低減し、最終的にドラビリ（ドライバビリティ）の改善に結び付けることができる。

このように、燃料電池１の状態によりＦＣ出力の制限の度合を変える手法には例えば以下のようなものがある。すなわち、まず、ＦＣ温度によりＦＣ出力の制限率を変えるというものがある（図４参照）。ここでは、燃料電池１が十分に暖機されセル電圧低下が発生しない範囲内で出力制限を緩和する。また、インピーダンスによりＦＣ出力の制限率を変えるというものもある（図５参照）。ここでは、燃料電池１における水バランス（水収支のバランス）が良好な範囲内で出力制限を緩和する。これら各手法によって決定したＦＣ出力制限率は、「エア流量からのＦＣ出力制限」（図３（Ｆ）参照）に乗じることによって最終的な制限値とされる。

ここまで説明したように、本発明にかかる燃料電池システム１００においては、間欠運転の間にセルモニタ８００を停止させるため、セル電圧を常に監視する場合に比べセルモニタの消費電力を抑えることができる。しかも、間欠運転の終了後は、セルモニタ８００を起動させる際（例えば、セルモニタ８００の再起動が完了するまで）、燃料電池１の発電を制限し、バッテリー１６２からの電力で賄うようにしているので、セル電圧が大幅に低下してしまうのを回避することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では、燃料電池１の状態によりＦＣ出力の制限の度合を変える手法を例示したが、この他にも、例えばセルモニタ状態によるＦＣ出力制限を行うにあたり（図３参照）、セルモニタ８００への起動指令をだすタイミングをより早くするようにしてもよい（図６参照）。こうした場合、燃料電池１の間欠運転が終了する際にはセルモニタ８００の起動が完了しているようにすることにより（図６（Ｂ）、（Ｃ）のΔｔ参照）、ＦＣ出力制限を低減させあるいは不要とすることが可能である。これにより、ＦＣ出力に制限がかかる機会を低減してドラビリ改善に結び付けることができる。

具体的手法としては、例えばセルモニタ８００の起動指令をだすためのシステム要求パワーの閾値（セルモニタ起動閾値Ｔ２）を間欠終了閾値Ｔ１よりも小さい値に設定することを挙げることができる。こうした場合には、システム要求パワーがこの閾値以上になったらセルモニタ８００の起動指令をだすようにすればよい。

本発明は、燃料電池車等の燃料電池システムに適用して好適である。

１…燃料電池、１００…燃料電池システム、８００…セルモニタ、Ｔ１…間欠終了閾値、Ｔ２…セルモニタ起動閾値

Claims (6)

1. 燃料電池の低負荷時に当該燃料電池を一時的に休止させる間欠運転の間、前記燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、
   当該間欠運転の終了後に前記セルモニタを起動させる際、前記燃料電池の出力を制限する、燃料電池システム。
2. 所定の閾値を間欠終了閾値として設定しており、当該燃料電池システムから前記燃料電池に対して要求される出力を示すシステム要求パワーが当該間欠終了閾値を上回った場合に前記間欠運転を終了させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記セルモニタの起動を指令するための閾値であるセルモニタ起動閾値を、前記間欠運転の終了後、前記間欠終了閾値よりも小さい値に変更する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池の温度に応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和する、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記燃料電池のインピーダンスに応じ、セル電圧の低下が生じない範囲で当該燃料電池の出力制限を緩和する、請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
6. 燃料電池の低負荷時に当該燃料電池を一時的に休止させる間欠運転の間、前記燃料電池のセル電圧を測定するセルモニタを停止させ、
   当該間欠運転の終了後に前記セルモニタを起動させる際、前記燃料電池の出力を制限する、燃料電池システムの制御方法。

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