JP2013235751A - 燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池システム100は、燃料電池10と、燃料電池10の出力電流を制御する制御部20とを備える。制御部20は、外部からの出力要求に応じて設定した燃料電池10の目標電流が、膜電極接合体5の乾燥状態を抑制するために予め設定された制限範囲内での出力でない場合には、その目標電流を燃料電池に出力させる通常出力制御を実行する。一方、制御部20は、燃料電池10の目標電流が、制限範囲内での出力である場合には、目標電流を制限範囲外の電流に変更して、その目標電流を燃料電池10に出力させる発電体保護制御を実行する。
【選択図】図4
Description
外部からの出力要求に応じた電力を出力する燃料電池システムであって、燃料電池と、燃料電池の出力電流を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記出力要求に応じて目標電流値を設定して、前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる第1の制御を実行し、前記制御部は、前記第1の制御において、前記目標電流値が予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値を、前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定して、再設定後の前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる第2の制御に切り替える、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、予め設定された、燃料電池の劣化の可能性のある制限範囲内での電流の出力を回避することができるため、燃料電池の劣化を抑制できる。
適用例1記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池は膜電極接合体を備えており、前記制限範囲は、発電中の前記膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、前記膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲である、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、膜電極接合体が乾燥状態となるときに検出される抵抗値の範囲に対応する電流の範囲での電流の出力を回避できるため、膜電極接合体が乾燥状態になることを抑制でき、膜電極接合体の乾燥に起因する劣化を抑制することができる。
適用例1または適用例2記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池の運転温度を検出する温度検出部を備え、前記制限範囲は、前記燃料電池の運転温度ごとに予め設定されており、前記制御部は、前記第1と第2の制御において、現在の前記燃料電池の運転温度に応じた前記制限範囲を用いる、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、燃料電池の運転温度の上昇に伴って、燃料電池の劣化の可能性のある出力電流の範囲が広がる場合であっても、燃料電池を適切に保護することができる。ここで、膜電極接合体は、運転温度の上昇に伴って乾燥しやすくなり、膜電極接合体における電流と抵抗との関係が変化する。従って、適用例2を引用する適用例3の燃料電池システムであれば、運転温度の上昇に伴って制限範囲が広くなるため、膜電極接合体の乾燥をより適切に抑制でき、その乾燥に起因する劣化を、より適切に抑制することができる。
適用例1から適用例3のいずれかに記載の燃料電池システムであって、さらに、前記燃料電池とともに電源部として機能する二次電池と、前記二次電池の充電状態を示す値を検出する充電状態検出部と、を備え、前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値に基づいて、前記二次電池の充電と放電とを切り替え、前記制限範囲は、第1と第2の電流値Ia,Ib(Ia<Ib)の間の範囲であり、前記制御部は、前記第2の制御において、前記二次電池に放電させる制御を実行しているときには、前記第1の制御において設定された前記目標電流値Icを、前記第1の電流値Ia以下に再設定し、前記二次電池を充電する制御を実行しているときには、前記目標電流値Icを、前記第2の電流値Ib以上に再設定する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、第2の制御において、燃料電池の目標電流値を、二次電池の充電状態に応じて再設定する。従って、第2の制御の実行中における二次電池の負荷を適切に調整することができ、二次電池の充電状態を良好に保持させつつ、燃料電池の劣化を抑制することができる。
適用例4記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、前記第1の制御において、前記目標電流値Icが前記制限範囲内に設定された場合であっても、前記第2の制御に切り替えることなく、前記燃料電池の発電条件を変更して、燃料電池の劣化が抑制される状態にした上で、前記目標電流値Icの電流を前記燃料電池に出力させる第3の制御を実行する、燃料電池システム。
この燃料電池システムによれば、第2の制御の実行によって二次電池の充電状態を良好に保持できない可能性がある場合には、燃料電池の劣化が抑制されるように、燃料電池の運転状態を変更した上で、燃料電池に出力要求に応じた電流を出力させる。従って、第2の制御に切り替えられることによって、二次電池に対する負荷が増大してしまうことを回避することができ、燃料電池とともに二次電池を保護することができる。
適用例5記載の燃料電池システムであって、前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる可能性の高い前記燃料電池の運転パターンを示す情報を予め記憶しており、前記燃料電池の運転パターンを示す情報に基づき、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性を検出したときに、前記二次電池の充電と放電とを切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、二次電池の充電状態をより適切な状態に保持することができ、二次電池の劣化を抑制できる。
適用例5記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、前記燃料電池システムは、さらに、前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部を備え、前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記二次電池の充・放電を切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、移動体の移動情報に基づき、二次電池の充電状態をより適切な状態に保持することができるため、二次電池の劣化を抑制できる。
適用例3を引用する、適用例4から適用例6のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、前記燃料電池システムは、さらに、前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部と、前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の運転温度を調整する冷媒循環供給系と、を備え、前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記燃料電池の運転温度が所定の閾値よりも高くなる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記燃料電池に対する前記冷媒の供給流量を増大させ、前記燃料電池の運転温度の上昇を抑制する、燃料電池システム。
この燃料電池システムであれば、移動体が、燃料電池の運転温度が上昇する可能性がある経路に向かって移動中である場合に、事前に、燃料電池の運転温度の上昇を抑制しておくことができる。従って、移動体が、その特定の経路に到達したときに、燃料電池の運転温度が著しく上昇して、燃料電池の出力電流の制限範囲が広がってしまうことを抑制することができる。
適用例2から適用例8のいずれかに記載の燃料電池システムであって、前記燃料電池における抵抗を検出する抵抗検出部を備え、前記制御部は、前記燃料電池における出力電流と抵抗との関係の変化を検出し、前記関係の変化が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、前記制限範囲の基準となる抵抗値の範囲を変更する、燃料電池システム。 この燃料電池システムであれば、燃料電池における電流と抵抗との関係が、許容範囲を超える変化をしたときには、制限範囲の設定基準となる抵抗値の範囲を変更して制限範囲を適切に補正することができる。従って、より適切に、燃料電池を保護することができる。
燃料電池システムの制御方法であって、
(a)外部からの出力要求を受け付け、前記出力要求に応じた燃料電池の目標電流値を設定する工程と、
(b)前記目標電流値が予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値を前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定する工程と、
(c)前記工程(a)または前記工程(b)で設定された前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる工程と、
を備える、制御方法。
この燃料電池システムの制御方法であれば、予め設定された、燃料電池の劣化の可能性のある制限範囲での出力を回避することができるため、燃料電池の劣化を抑制できる。
図1は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す概略図である。この燃料電池システム100は、燃料電池車両に搭載され、運転者からの要求に応じて、燃料電池車両の動力源となる電力を出力する。燃料電池システム100は、燃料電池10と、制御部20と、カソードガス供給系30と、カソードガス排出系40と、アノードガス供給系50と、アノードガス排出系60と、冷媒循環供給系70と、を備える。
図11は本発明の第2実施例としての燃料電池システムにおいて実行される発電体保護制御の制御手順を示すフローチャートである。図11はステップS110に換えてステップS111が設けられている点以外は、図9とほぼ同じである。なお、第2実施例の燃料電池システムの構成は、第1実施例の燃料電池システム100と同様である(図1,図2)。
図13は、本発明の第3実施例としての燃料電池システムにおいて、制御部20が実行する燃料電池10の出力制御の制御手順を示すフローチャートである。図13は、ステップS15とステップS45が追加されている点以外は、図4とほぼ同じである。なお、第3実施例の燃料電池システムの構成は、第2実施例の燃料電池システムと同様である(図1,図2)。
図17は、本発明の第4実施例としての燃料電池システムにおいて実行される、発電体保護制御の制御手順を示すフローチャートである。図17は、3つの工程(ステップS105,S150,S151)が追加されている点以外は、図11とほぼ同じである。なお、第4実施例の燃料電池システムの構成は、第3実施例の燃料電池システムと同様である(図1,図2)。また、制御部20による燃料電池10の運転制御の制御手順も、第3実施例と同様である(図13)。
図19は、本発明の第5実施例としての燃料電池システムにおいて制御部20が実行する、燃料電池10の出力制御の制御手順を示すフローチャートである。図19は、ステップS12,S13が追加されている点以外は、図13とほぼ同じである。図20は、第5実施例の燃料電池システムにおいて制御部20が実行する発電体保護制御の制御手順を示すフローチャートである。図20は、ステップS149が追加されている点以外は、図17とほぼ同じである。
図22は、本発明の第6実施例としての燃料電池システム100Aの構成を示す概略図である。図22は、走行ルート検出部93が追加されている点以外は、図1とほぼ同じである。なお、第6実施例の燃料電池システム100Aの電気的構成は、第5実施例の燃料電池システムと同様である(図2)。
図25は、本発明の第7実施例としての燃料電池システムにおいて、制御部20が実行する燃料電池10の出力制御の制御手順を示すフローチャートである。図25は、ステップS12Aの判定処理における判定条件が異なる点と、ステップS13に換えてステップS14が設けられている点以外は、図23とほぼ同じである。
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
上記実施例では、発電体保護制御において、燃料電池10の目標電流Itaを、制限範囲の境界値である電流値IaまたはIbに設定していた。しかし、発電体保護制御における燃料電池10の目標電流Itaは、制限範囲の境界値Ia,Ibに設定されなくとも良く、目標電流Itaは、制限範囲の外側の値に設定さるものとしても良い。即ち、燃料電池10の目標電流Itaは、制限範囲の第1の境界値Ia以下、または,第2の境界値Ib以上の値に設定されれば良い。
上記実施例では、I−rマップにおいて、燃料電池10の運転温度ごとの、燃料電池10の出力電流の制限範囲が設定されていた。しかし、燃料電池10の出力電流の制限範囲は、燃料電池10の運転温度にかかわらず、一定の範囲が設定されるものとしても良い。
上記実施例では、予め準備されたI−rマップ上において、燃料電池10の局所抵抗に制限値rlimを設定することにより、燃料電池10の出力電流の制限範囲を規定していた。しかし、燃料電池10の出力電流の制限範囲は、I−rマップや、局所抵抗に制限値rlimを用いることなく、他の基準によって規定されるものとしても良い。燃料電池10の出力電流の制限範囲は、例えば、スタック抵抗に基づいて規定されるものとしても良い。また、単に、制限範囲を規定するための第1と第2の電流値Ia,Ibが、運転温度ごとに予め設定されているのみであるとしても良い。
上記実施例におけるI−r特性は、燃料電池における電流と抵抗との関係を表した特性の一態様として解釈することも可能であり、上記実施例では、局所抵抗を、発電領域GAの任意の場所の抵抗や、発電領域GA全体における平均抵抗、任意の単セル11における抵抗、スタック抵抗に置き換えることも可能である。従って、上記実施例における制限範囲は、発電中の膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲であると解釈することもできる。また、上記第3実施例では、制御部20が、燃料電池10における出力電流と抵抗との関係の変化を検出し、その関係の変化が、予め設定された許容範囲から外れる場合に、制限範囲の基準となる抵抗値の範囲を変更しているものと解釈することが可能である。
上記第5実施例では、制御部20は、SOCが許容範囲から外れたときに記録されたサンプル履歴データと、直前の制御データの履歴との間の類似性に基づき、SOCが許容から外れる可能性を検出していたしていた。しかし、制御部20は、サンプル履歴データと、直前の制御データの履歴との間の類似性に基づき、SOCが許容から外れる可能性を検出しなくとも良い。制御部20は、直前の制御データの履歴において、所定の運転パターンが検出されたときに、SOCが許容から外れる可能性を検出するものとしても良い。サンプル履歴データは、実際の燃料電池システムの運転において取得されたデータでなくとも良く、予め準備されたデータであっても良い。
上記第6実施例では、制御部20は、走行ルート検出部93の出力情報に基づき、燃料電池車両の進行方向の先に坂道を検出したときに、SOCが許容範囲から外れる可能性の高い経路に燃料電池車両が向かっているものとして、SOCの基準値を変更していた。しかし、制御部20は、燃料電池車両の進行方向の先に坂道を検出したときにSOCを変更しなくとも良く、SOCが許容範囲から外れる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出したときにSOCの基準値を変更すれば良い。同様に、第7実施例においても、制御部20は、 燃料電池10の運転温度が所定の閾値よりも高くなる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合に、燃料電池10に対する冷媒の供給流量を増大させれば良い。
上記実施例では、燃料電池システムは車両に搭載されていた。しかし、上記実施例の燃料電池システムは、車両以外の移動体に搭載されるものとしても良いし、建造物や施設等に固定的に設置されるものとしても良い。
2,3…電極
5…膜電極接合体
10…燃料電池
11…単セル
11c…高温セル
20…制御部
30…カソードガス供給系
31…カソードガス配管
32…エアコンプレッサ
33…エアフロメータ
34…開閉弁
35…圧力計測部
40…カソードガス排出系
41…カソード排ガス配管
43…調圧弁
44…圧力計測部
50…アノードガス供給系
51…アノードガス配管
52…水素タンク
53…開閉弁
54…レギュレータ
55…水素供給装置
56…圧力計測部
60…アノードガス排出系
61…アノード排ガス配管
66…開閉弁
67…圧力計測部
70…冷媒循環供給系
71…冷媒用配管
71a…上流側配管
71b…下流側配管
71c…バイパス配管
72…ラジエータ
73…三方弁
75…冷媒循環用ポンプ
76a,76b…冷媒温度計測部
81…二次電池
82…DC/DCコンバータ
83…DC/ACインバータ
90…電流計測部
91…電圧計測部
92…SOC検出部
93…走行ルート検出部
100,100A…燃料電池システム
200…モータ
AR…許容領域
LR…制限領域
DA…曲線グラフ
DCL…直流配線
GA…発電領域
HTR…高温領域
Claims (10)
- 外部からの出力要求に応じた電力を出力する燃料電池システムであって、
燃料電池と、
燃料電池の出力電流を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記出力要求に応じて目標電流値を設定して、前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる第1の制御を実行し、
前記制御部は、前記第1の制御において、前記目標電流値が予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値を、前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定して、再設定後の前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる第2の制御に切り替える、燃料電池システム。 - 請求項1記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池は膜電極接合体を備えており、
前記制限範囲は、発電中の前記膜電極接合体における電流と抵抗との関係において、前記膜電極接合体が所定の湿潤度以下の乾燥状態であるときに計測される抵抗値の範囲に対して規定される電流値の範囲である、燃料電池システム。 - 請求項1または請求項2記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池の運転温度を検出する温度検出部を備え、
前記制限範囲は、前記燃料電池の運転温度ごとに予め設定されており、
前記制御部は、前記第1と第2の制御において、現在の前記燃料電池の運転温度に応じた前記制限範囲を用いる、燃料電池システム。 - 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池とともに電源部として機能する二次電池と、
前記二次電池の充電状態を示す値を検出する充電状態検出部と、
を備え、
前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値に基づいて、前記二次電池の充電と放電とを切り替え、
前記制限範囲は、第1と第2の電流値Ia,Ib(Ia<Ib)の間の範囲であり、
前記制御部は、前記第2の制御において、前記二次電池に放電させる制御を実行しているときには、前記第1の制御において設定された前記目標電流値Icを、前記第1の電流値Ia以下に再設定し、前記二次電池を充電する制御を実行しているときには、前記目標電流値Icを、前記第2の電流値Ib以上に再設定する、燃料電池システム。 - 請求項4記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、
前記第1の制御において、前記目標電流値Icが前記制限範囲内に設定された場合であっても、前記第2の制御に切り替えることなく、前記燃料電池の発電条件を変更して、燃料電池の劣化が抑制される状態にした上で、前記目標電流値Icの電流を前記燃料電池に出力させる第3の制御を実行する、燃料電池システム。 - 請求項5記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記充電状態検出部の検出値が、予め設定された許容範囲から外れる可能性の高い前記燃料電池の運転パターンを示す情報を予め記憶しており、
前記燃料電池の運転パターンを示す情報に基づき、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性を検出したときに、前記二次電池の充電と放電とを切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。 - 請求項5記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、
前記燃料電池システムは、さらに、前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部を備え、
前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記二次電池の充・放電を切り替える基準を変更して、前記充電状態検出部の検出値が前記許容範囲から外れることを抑制する、燃料電池システム。 - 請求項3に従属する請求項4から請求項6のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、移動体に搭載されており、
前記燃料電池システムは、さらに、
前記移動体の移動情報を検出する移動情報検出部と、
前記燃料電池に冷媒を供給して前記燃料電池の運転温度を調整する冷媒循環供給系と、
を備え、
前記制御部は、前記移動情報に基づき、前記移動体が、前記燃料電池の運転温度が所定の閾値よりも高くなる可能性の高い経路として予め設定された所定の経路に向かって移動中であることを検出した場合には、前記燃料電池に対する前記冷媒の供給流量を増大させ、前記燃料電池の運転温度の上昇を抑制する、燃料電池システム。 - 請求項2から請求項8のいずれか一項に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池における抵抗を検出する抵抗検出部を備え、
前記制御部は、前記燃料電池における出力電流と抵抗との関係の変化を検出し、
前記関係の変化が、予め設定された許容範囲から外れる場合には、前記制限範囲の基準となる抵抗値の範囲を変更する、燃料電池システム。 - 燃料電池システムの制御方法であって、
(a)外部からの出力要求を受け付け、前記出力要求に応じた燃料電池の目標電流値を設定する工程と、
(b)前記目標電流値が予め設定された制限範囲内である場合には、前記目標電流値を前記制限範囲の境界値または前記制限範囲の外側の値に再設定する工程と、
(c)前記工程(a)または前記工程(b)で設定された前記目標電流値の電流を前記燃料電池に出力させる工程と、
を備える、制御方法。
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