JP4375208B2 - 燃料電池の出力制限装置 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池や周辺部品を保護するなどの目的で燃料電池の出力を制限する燃料電池の出力制限装置に関する。
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
燃料電池システムでは、燃料の持つエネルギのうち、電力として取り出せない分は、熱に変換される。この熱量により燃料電池の温度が許容温度以上に上昇すると、燃料電池が劣化する。このため、燃料電池システムでは、発電時に発生する熱を冷却水を介してラジエータ等の熱交換器により系外に放出する冷却システムが設けられている。
固体高分子型燃料電池においては、主として固体高分子電解質膜の耐熱温度から運転温度の上限が決められ、この上限温度を超えないように燃料電池スタックを冷却する必要がある。
燃料電池の発熱量に対して冷却能力が不足した場合には、燃料電池からの取り出し電力を制限して、発熱量を抑制する特許文献１記載の技術が知られている。この従来例では、外気温度が高く冷却装置から十分な放熱ができない時は、外気温度に応じて燃料電池プラントの出力を制限して、過温度による燃料電池の劣化を防止しようとしている。
特開平０５−０７４４７７号公報（第３頁、図１）
しかしながら、上記従来例では、外気温度から出力制限値関数発生器で燃料電池の出力上限値を算出していたため、冷却水温度が許容最高温度に対して余裕を持って低い場合でも、すなわち燃料電池から更に大きい出力を取り出せる状態においても、外気温度のみで出力制限してしまい、所望の電力取出ができなくなるという問題点があった。
上記問題点を解決するために、本発明は、アノードとカソード間に挟持された電解質膜での電極反応によって発電する燃料電池と、該燃料電池に冷却液を循環させて冷却する冷却系を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池入口の冷却液温度を検出する入口冷却液温度検出手段と、前記燃料電池出口の冷却液温度を検出する出口冷却液温度検出手段と、前記検出された燃料電池入口の冷却液温度及び燃料電池出口の冷却液温度に応じて、燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける出力制限手段とを備え、前記出力制限手段は、燃料電池入口の冷却液温度に応じて電力制限値または電流制限値である出力制限値を演算する出力制限値演算部と、燃料電池出口の冷却液温度から燃料電池出口の目標制限温度を減算した偏差が大きいほど電力制限値または電流制限値が小さくなるように補正する出力制限値補正部と、前記補正された電力制限値または電流制限値に基づいて燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける制限部と、を備えたことを要旨とする燃料電池の出力制限装置である。
本発明によれば、燃料電池入口の冷却液温度に応じて電力制限値または電流制限値である出力制限値を演算する一方、燃料電池出口の冷却液温度に応じて、前記燃料電池入口の冷却液温度または前記出力制限値を補正することにより、燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける構成としたので、燃料電池入口温度のみによる制限と比べて、燃料電池出口温度を許容温度以下に精度良く守ることができ、燃料電池の過温度による損傷を防止するとともに、取り出し可能な最大電力または最大電流を取り出す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詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下に説明する各実施例は、燃料電池車両に好適な実施例である。
図１は、本発明に係る出力制限装置の実施例１を備えた燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図１において、燃料電池（燃料電池本体、燃料電池スタックとも呼ばれる）１は、図示しない燃料供給装置からアノードに水素ガスが供給され、図示しない空気供給装置からカソードに空気が供給される。燃料電池１では、これら水素ガスと空気とを用いて、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
〔化１〕
アノード（水素極）：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ- …（１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+ ＋２ｅ- ＋(1/2)Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（２）
次に、図１の燃料電池システムの冷却系を説明する。燃料電池システムの冷却系は、冷却液を圧送するポンプ２、燃料電池１の内部に形成された内部に図示しない冷却液通路、三方弁５，ラジエタ３，ファン４，及びバイパス流路９を備えている。
ポンプ２が吐出する冷却液は、燃料電池１の内部を通過した後、冷却液温度や燃料電池負荷に応じて三方弁５によりラジエタ３とバイパス流路９に分流する。ラジエタ３に流入した冷却液は、走行風またはファン４が送る気流により放熱して温度低下し、バイパス流路９を通過した冷却液と合流してポンプ２へ戻るように、冷却系内部を循環して、燃料電池１を冷却する。
パワーマネージャー（以下、ＰＭと略す）８は、燃料電池１から取り出す電流を制御する。入口温度センサ６と出口温度センサ７は、それぞれ燃料電池１の冷却液入口、出口の温度を検出する温度センサである。
出力制限手段１１は、これら温度センサ６，７の検出値に応じて、温度が過温度になるとＰＭ８への指令電流を制限し、これにより燃料電池１からＰＭ８によって取り出される取出電流が制限される。
出力制限手段１１は、燃料電池入口の冷却液温度に応じて電流制限値を演算する出力制限値演算部１１ａと、燃料電池出口の冷却液温度と燃料電池出口の目標制限温度との偏差に応じて電流制限値の演算に用いる燃料電池入口冷却液温度を補正する入口温度補正部１１ｂと、演算された電流制限値に基づいて燃料電池からの取出電流に制限をかける制限部１１ｃとを備えている。
入口温度補正部１１ｂは、出口温度センサ７で検出された燃料電池出口の冷却液温度と目標制限温度との偏差に応じて、入口温度センサ６が検出した燃料電池入口の冷却液温度を補正する。
出力制限値演算部１１ａは、入口温度補正部１１ｂによって補正された燃料電池入口温度に応じて、電流制限値を演算する。
制限部１１ｃは、図外の燃料電池の負荷制御部（例えば、駆動モータ制御部や２次バッテリー充放電制御部）より送信される目標取出電流を、出力制限値演算部１１ａで演算された電流制限値に制限する。該電流制限値がＰＭ８へ指令され、燃料電池１の取出電流が制限される。
図２は、実施例１の出力制限手段の詳細な制御ブロック図である。出力制限値演算部１１ａは、入口温度補正部によって補正された燃料電池入口温度に応じて、電流制限値を演算する。図３にこの演算に用いるテーブルの作成方法を示す。予め測定した燃料電池のＩ−Ｖ特性などから、燃料電池取出電流に応じた発熱量を演算する。冷却液の流量は、燃料電池取出電流に応じて決めることもあるが、固定流量とすることもある。定められた冷却液流量と燃料電池取出電流に応じた発熱量から、取出電流に応じた燃料電池の出入口冷却液温度差を表のように求める。この温度差を燃料電池出口目標制限温度から引いた温度を、電流制限をかける燃料電池入口温度とする。この燃料電池入口温度をグラフ横軸（テーブル入力値）とし、燃料電池取出電流をグラフ縦軸（テーブル出力値）とすれば、出力制限のテーブルが完成する。
入口温度補正部１１ｂは、出口温度センサ７が検出した燃料電池出口の冷却液温度と目標制限温度との偏差に応じて、出力制限値演算部１１ａでの電流制限値の演算に用いる燃料電池入口冷却液温度（テーブルの入力温度）を補正する。出力制限値演算部１１ａの出力制限テーブル５３は、燃料電池からの取出電流と燃料電池出入口温度差の関係に基づいて設計されている。燃料電池出口冷却液温度が目標制限温度からずれた場合には、ずれた温度偏差をテーブルの入力に戻して補正することによって、燃料電池出口冷却液温度を目標制限温度に近づかせることができる。
制限部１１ｃは、燃料電池の負荷装置から送信される目標取出電流と、出力制限値演算部１１ａで演算された電流制限値との小さい方を選択するセレクトロー５４によってＰＭ８へ出力する指令電流値を制限する。
図４に、本実施例１における出力制限値と温度の応答を示す。図４（ａ）は、入口温度補正なしの場合の冷却液温度と取出電流の応答、図４（ｂ）は、入口温度補正ありの場合の冷却液温度と取出電流の応答である。
本実施例では、燃料電池出力制限を開始する冷却液温度を高めるために、燃料電池特性変化や冷却液流路経時変化による燃料電池出入口の冷却液温度差の広がりを考慮しないで出力制限値演算部１１ａを設計するので、入口温度補正がない図４（ａ）の場合には、燃料電池の運転時間が長時間経過すると燃料電池の特性変化や冷却液流路経時変化によって燃料電池出口温度が目標制限温度を超えてくる。
燃料電池出口冷却液温度と目標制限温度との偏差を、出力制限値演算部１１ａの入力温度に上乗せすることによって、図４（ｂ）のように電流がさらに制限されて出口冷却液温度のオーバーシュートを軽減できる。
次に、本実施例の効果を説明する。例えば、燃料電池出口の冷却液温度が許容温度を超えないように燃料電池入口の冷却液温度に応じて取出電力あるいは電流を制限する構成とすると、燃料電池の運転時間が長期になると同一発電出力においても、（ａ）燃料電池の効率低下により発熱量が増加してくること、（ｂ）冷却液流路の経時変化により冷却液流量が低下すること等により、燃料電池出入口の冷却液温度差が広がり、出口温度が許容温度を超えやすくなるという問題が生じる。
以上の問題を考慮して出口温度が許容温度を超えないように取出電力の制限を設計すると、新品の燃料電池を運転する初期から、入口温度が低い温度から出力制限がかかるようになり、燃料電池の出力性能が悪化する。
また、燃料電池出口の冷却液温度が所定値を超えたら、燃料電池からの取出電力または電流に制限をかける手段をあわせ持つと、確実に過温度防止を実現できる半面、制限にかかると出口冷却液温度が下がって制限が解除され、出力を増加させると出口冷却液温度が上がって制限がかかるという、最大出力が増減を繰り返すハンチング現象が生じる。
このハンチング現象を避けるために、入口温度に基づいた取出電力または電流の制限の方が出口温度に基づいた制限よりも先に作動するように設定すれば、滑らかな制限が可能であるが、図１０（ａ）に示すように、さらに低い冷却液温度から出力制限がかかるようになり、燃料電池の出力性能が悪化する。
本実施例によれば、燃料電池特性変化や冷却液流路経時変化による燃料電池出入口の冷却液温度差の広がりを初期から考慮して出力制限を設計することを必要とせず、また、燃料電池入口温度による制限と出口温度による制限を２段にあわせて持つことを必要としないで、出力制限を開始する燃料電池入口の冷却液温度を図１０（ｂ）のように高温化でき、熱収支や出力性能を向上させることができる燃料電池の出力制限装置を提供することができるという効果がある。
次に実施例２について説明する。図５は、本発明に係る出力制限装置の実施例２を備えた燃料電池システムの構成を説明する構成図である。図５において、燃料電池１の冷却系は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には同じ符号を付与して重複する説明を省略する。
図５における出力制限手段１１は、実施例１と同様に燃料電池１を過温度としないように保護するために、入口温度センサ６と出口温度センサ７の検出値に応じて、燃料電池１から取り出す電流を制限する。出力制限手段１１の実施例１との相違は、構成と電流制限方法にある。
図５において本実施例の出力制限手段１１は、入口温度センサ６が検出した燃料電池入口の冷却液温度に応じて電流制限値を演算する出力制限値演算部１１ａと、出口温度センサ７が検出した燃料電池出口の冷却液温度と燃料電池出口の目標制限温度との偏差に応じて電流制限値を補正する出力制限値補正部１１ｄと、この補正された電流制限値に基づいて燃料電池からの取出電流に制限をかける制限部１１ｃとを備えている。
出力制限値補正部１１ｄは、出口温度センサ７によって検出された燃料電池出口冷却液温度と目標制限温度との偏差に応じて、出力制限値演算部１１ａによって演算された出力制限値を補正する。
制限部１１ｃは、燃料電池の負荷装置（例えば、駆動モータ制御部や２次バッテリー充放電制御部）より送信される目標取出電流を、出力制限値補正部１１ｄで演算された電流制限値に制限し、この電流制限値がＰＭ８へ指令され、燃料電池１の取出電流が制限される。
図６は、実施例２の出力制限手段の詳細な制御ブロック図である。出力制限値演算部１１ａは、入口温度センサ６で検出された燃料電池入口の冷却液温度に応じて、図３の出力制限テーブル５３を用いて電流制限値を演算する。
出力制限値補正部１１ｄは、出口温度センサ７が検出した燃料電池出口の冷却液温度検出値と目標制限温度との偏差及びその積分値に応じて、出力制限値演算部１１ａで演算された出力制限値を補正する。このため、出力制限値補正部１１ｄは、出口温度センサ７が検出した燃料電池出口の冷却液温度検出値から目標制限温度を減算して温度偏差を算出する減算器６１と、この温度偏差を入力とするＰＩ制御器６２とを備えている。
燃料電池出口冷却液温度と目標制限温度がずれた場合には、その偏差がフィードバックされて電流制限値が調整され、目標制限温度を精度良く守ることができる。
制限部１１ｃは、燃料電池の負荷装置から送信される目標取出電流と、出力制限値補正部１１ｄで補正された電流制限値との小さい方を選択するセレクトロー５４によってＰＭ８へ出力する指令電流値を制限する。
図７に、本実施例２における出力制限値と温度の応答を示す。図４に示した実施例１と比べて、燃料電池出口温度を用いた補正の箇所が変わるが、実施例１と同様に燃料電池出口冷却液温度を出口制限温度に近づけることができるという効果がある。さらに燃料電池出口冷却液温度と出口制限温度の偏差を積分してフィードバックしているので、定常的には偏差をゼロに近づけることができる。
次に実施例３について説明する。実施例３の構成図は。図１に示した実施例１の構成と同様である。図８は、本実施例３における出力制限手段の詳細な制御ブロック図である。図８において、出力制限手段は、燃料電池入口の冷却液温度に応じて電流制限値を演算する出力制限値演算部１１ａと、燃料電池出口の冷却液温度と燃料電池出口の目標制限温度との偏差と該偏差の時間積分値とに応じて、前記出力制限値の演算に用いる燃料電池入口冷却液温度を補正する入口温度補正部１１ｂと、演算された電流制限値に基づいて燃料電池からの取出電流に制限をかける制限部１１ｃとを備えている。
入口温度補正部１１ｂは、出口温度センサ７が検出した燃料電池出口の冷却液温度検出値と目標制限温度との偏差と該偏差の積分値に応じて、出力制限値演算部１１ａの演算に用いる燃料電池入口冷却液温度を補正する。出力制限値演算部１１ａと制限部１１ｃは、図２に示した実施例１と同様である。
本実施例によれば、燃料電池出口の冷却液温度と燃料電池出口の目標制限温度（許容温度以下）との偏差と該偏差の積分値に応じて前記出力制限値の演算に用いる燃料電池入口冷却液温度を補正するようにしたので、定常偏差がなくなりさらに高精度に出口制限温度を守ることができるという効果がある。
次に、図８を参照して、本実施例における入口温度補正部１１ｂの詳細を説明する。まず図１の出口温度センサ７が検出した燃料電池出口の冷却液温度値から減算器７１で目標制限温度を減算し、温度偏差を求める。この温度偏差は、比例演算器（Ｐ）７２と、積分係数乗算器（Ｉ）７３と、０乗算器７４とに入力される。積分係数乗算器（Ｉ）７３の出力と、０乗算器７４の出力とは、切替器７５に入力され、出口温度センサ７が検出した燃料電池出口温度により切り替えて出力される。切替器７５の出力信号は、積分器７６により積分され、加算器７７の一方の入力となる。加算器７７の他方の入力には、比例演算器７２の出力が接続されている。加算器７７の出力は、加算器７８において、入口温度センサ６が検出した燃料電池入口冷却液温度と加算され、出力制限テーブル５３の入力信号となる。
本実施例では、燃料電池出口温度について目標制限温度との偏差を求め、この温度偏差が０となるようにＰＭ指令電流を計算するので、ＰＭ指令電流を通じて燃料電池１の発熱量が制御され、燃料電池出口温度に関してＰＩ制御を行っていることになる。
次に、入口温度補正部１１ｂにおける温度偏差の積分値の演算方法について説明する。（１）起動時に積分項の初期値にゼロあるいは前回停止時の最終演算値を設定しておく。（２）燃料電池出口冷却液温度が目標制限温度より所定温度α低い温度未満になっているときには、切替器７５により積分係数乗算器（Ｉ）７３の出力から０乗算器７４の出力へ積分器７６の入力を切り替えることにより、積分ゲインをＩゲインからゼロゲインに切り替えて、時間積分演算値を保持する。
これにより、燃料電池出口冷却液温度が目標制限温度から離れて低い状態（出力制限がかからないような状態）で積分の演算を停止でき、積分項の発散を防止できるという効果がある。
また、積分値は出力制限がかかっているときに、出口温度偏差をゼロに近づけるような最適値に演算されているので、出力制限がかからないような状態では積分演算値を保持することによって、次回に出力制限にかかったときにも、積分値の演算が最適値から開始されるようになり、さらに出口温度のオーバーシュートを防止して、高精度に出口制限温度を守ることができるという効果がある。
（３）出力制限手段の積分器７６における積分値の演算には、下限値をゼロとするリミッタを設定する。
出力制限がかかってないときに、出口温度が目標制限温度と積分開始所定温度の間におさまった状態が長く続くと、温度偏差が積算され積分値が発散していく可能性がある。本実施例では、下限値リミッタを設定することによって、積分値の発散を防止し、出力制限を正常に作動させることができる。
図９に本実施例における出力制限値と温度の応答を示す。始めに出力制限がかかったときには、燃料電池出口冷却液温度は出口制限温度を少しオーバーシュートすることもあるが、次回あるいは何回か出力制限がかかったときには、上記（２）の理由により燃料電池出口冷却液温度のオーバーシュートを防止することができる。
また、Ｐ制御演算については常時実施する。燃料電池出口冷却液温度が目標制限温度より低いときに出力制限が過剰に作動した場合には、燃料電池出口冷却液温度と目標制限温度の偏差に基づいてＰ制御演算を常時実施することによって、燃料電池出口冷却液温度が目標制限温度に近づくまでの間は、出力制限値演算部の入力温度が低い側に補正されて、出力制限が過剰にかかるのを防止することができる。
以上好ましい実施例について説明したが、これらは本発明を限定するものではなく、例えば、燃料電池の負荷装置から出力制限手段の制限部へ目標取出電流ではなく、目標取出電力が指示される場合、予め記憶したマップ等を利用して、目標取出電力から目標取出電流に換算して、上記実施例と同様の制御を行うことができる。
本発明に係る燃料電池の出力制限装置の実施例１と実施例３との構成を説明する構成図である。 本発明の実施例１における出力電流制限を行う制御ブロック図である。 出力制限値演算部の設計方法を説明する図である。 （ａ）入口温度補正なしの場合の実施例１における冷却液温度と取出電流の応答を説明する図、（ｂ）入口温度補正ありの場合の実施例１における冷却液温度と取出電流の応答を説明する図である。 本発明の実施例２の構成を説明する構成図である。 本発明の実施例２における出力電流制限を行う制御ブロック図である。 （ａ）本発明の実施例２における冷却液温度の応答、（ｂ）本発明の実施例２における取出電流の応答を説明する図である。 本発明の実施例３における出力電流制限を行う制御ブロック図である。 （ａ）本発明の実施例３における冷却液温度の応答、（ｂ）本発明の実施例３における取出電流の応答を説明する図である。 （ａ）従来技術と（ｂ）本発明の冷却液温度と出力制限温度の関係を説明する図である。
符号の説明
１…燃料電池
２…ポンプ
３…ラジエタ
４…ファン
５…三方弁
６…入口温度センサ
７…出口温度センサ
８…パワーマネージャー
９…バイパス流路
１１…出力制限手段
１１ａ…出力制限値演算部
１１ｂ…入口温度補正部
１１ｃ…制限部
１１ｄ…出力制限値補正部

Claims (5)

  1. アノードとカソード間に挟持された電解質膜での電極反応によって発電する燃料電池と、該燃料電池に冷却液を循環させて冷却する冷却系を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池入口の冷却液温度を検出する入口冷却液温度検出手段と、
    前記燃料電池出口の冷却液温度を検出する出口冷却液温度検出手段と、
    前記検出された燃料電池入口の冷却液温度及び燃料電池出口の冷却液温度に応じて、燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける出力制限手段とを備え、
    前記出力制限手段は、
    燃料電池入口の冷却液温度に応じて電力制限値または電流制限値である出力制限値を演算する出力制限値演算部と、
    燃料電池出口の冷却液温度から燃料電池出口の目標制限温度を減算した偏差が大きいほど電力制限値または電流制限値が小さくなるように補正する出力制限値補正部と、
    前記補正された電力制限値または電流制限値に基づいて燃料電池からの取出電力または取出電流に制限をかける制限部と、
    を備えたことを特徴とする燃料電池の出力制限装置。
  2. 前記出力制限値補正部は、
    燃料電池出口の冷却液温度と燃料電池出口の目標制限温度との偏差と該偏差の時間積分値とに応じて、電力制限値または電流制限値を補正することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の出力制限装置。
  3. 前記入口温度補正部または前記出力制限値補正部における前記偏差の時間積分値の演算は、燃料電池出口冷却液温度が目標制限温度より所定温度低い温度以上になっているときに実施することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池の出力制限装置。
  4. 前記時間積分値の演算は、燃料電池出口冷却液温度が目標制限温度より所定温度低い温度未満になっているときには、前記時間積分を一時停止し、積分演算値を保持することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の出力制限装置。
  5. 前記時間積分値の演算には、下限値リミッタを設定することを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池の出力制限装置。
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