JP4772391B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池制御方法に関するものである。

近年、燃料電池自動車等に搭載される燃料電池システムの一例としては、酸化剤ガスを燃料電池のカソード極に供給するとともに、燃料ガスを燃料電池のアノード極に供給して、これらのガスの電気化学反応により発電出力を得るシステムが知られている。
このようなシステムにおいて、燃料電池の出力特性を考慮して、燃料電池の運転を制御する技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、水素供給圧から燃料電池の基本出力特性を求め、該基本出力特性を実際の燃料電池の出力電流および出力電圧を用いて出力特性を推定する技術が提案されている。
また、特許文献２には、燃料電池の検出された出力電流と燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出し、この推定電圧値と検出された燃料電池の端子電圧知の偏差を算出し、該偏差を所定の割合で燃料電池の内部抵抗偏差と開回路電圧偏差とに分配し、分配した電圧偏差を基に基本出力特性を補正する技術が提案されている。
特開２００２−２３１２９５号公報 特開２００４−３４９１１４号公報

しかしながら、従来の技術では、以下のような問題がある。
すなわち、従来技術においては、燃料電池の出力電圧や出力電流といった実際に検出された値によって出力特性を補正して燃料電池の発電制御を行うので、発電状況が変動したときであっても出力される値が検出されるまでは出力特性の補正を行うことができない。その結果、発電状況の変動に対応して燃料電池の発電制御を行うにあたり応答遅れが生じてしまうという問題がある。

本発明は、発電状況の変動に対応して燃料電池の発電制御を迅速かつ的確に行うことができる燃料電池システムおよび燃料電池制御方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の燃料電池システムは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟んで発電を行う燃料電池と、該燃料電池の所定時間前に求めた発電面積を読込む発電面積読込手段（例えば、実施の形態における前回値読込部５７）と、前記燃料電池の発電電流を検出する電流検出手段（例えば、実施の形態における出力電流センサ２２）と、前記発電電流を前記発電面積で除算することで電流密度を算出する電流密度算出手段（例えば、実施の形態における燃料電池実電流入力部２７、乗除算処理部３２）と、予め設定された予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する予定電圧算出手段（例えば、実施の形態における予想セル電圧算出部３３、セル数乗算部３４）と、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段（例えば、実施の形態における出力電圧センサ２３）と、前記予定電圧と前記発電電圧との電圧差分値に基づいて現在の発電面積を推定する発電面積推定手段（例えば、実施の形態における燃料電池実電圧入力部２９、発電面積ゲイン算出部５６、発電面積ゲイン乗算部５５、前回値読込部５７）と、前記現在の発電面積に基づいて、前記燃料電池に接続された負荷（例えば、実施の形態におけるモータ１６）の運転状態を制御する制御装置（例えば、実施の形態における制御装置２０）と、を備え、前記発電面積読込手段は、前記発電面積推定手段が前回推定した発電面積を読み込むことを特徴とする。

この発明によれば、前記電流検出手段で検出した発電電流と発電面積推定手段が前回推定した発電面積から電流密度を算出し、その電流密度から前記予定電圧算出手段により予定電圧を算出し、その予定電圧と電圧検出手段で検出した発電電圧との電圧差分値から現在の発電面積を推定する。現在の発電面積を推定することで、燃料電池のより正確な電流電圧特性を把握することができる。そして、現在の発電面積に基づいて、燃料電池に接続された負荷の運転状態を制御する。このように、燃料電池の電流電圧特性を使用する制御（例えば、実施の形態における負荷出力制御、燃料電池の発電指令制御）において、現在の燃料電池のより正確な電流電圧特性を把握できるため、精度の良い制御が可能になる。特に、氷点下で起動する場合等の燃料電池の特性が大きく変化する場面においての特性変化の追従性が向上する。ここで、発電面積とは、燃料電池の全発電面のうち発電に寄与しうる面積をいうが、実際の発電面積以外の燃料電池の温度などの電流−電圧（ＩＶ特性）の変化要因も発電面積相当量として発電面積に含むものとする。以下においても同様とする。

（２）また、前記制御装置は、前記発電電流を前記現在の発電面積で除算することで電流密度を算出し、前記予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出し、前記発電電流と前記予定電圧とを乗算して、前記燃料電池の出力を算出し、前記燃料電池の出力から、前記負荷の出力制限値（例えば、実施の形態におけるモータ出力制限値）を算出する、ことを特徴とする。

（３）また、前記燃料電池の代表温度値を検出する温度センサと、予め設定された発電面積推定マップに基づいて、前記代表温度値から前記燃料電池の発電面積を推定する初回発電面積推定手段と、を備え、前記発電面積読込手段は、前記燃料電池の起動後における初回の発電面積の読み込みにつき、前記初回発電面積推定手段で推定した発電面積を読み込むことを特徴とする。
（４）また、前記発電面積推定マップは、氷点下から０℃近傍にかけては、代表温度値が低いほど発電面積が小さく、代表温度値が高いほど発電面積が大きくなるように設定され、０℃近傍よりも大きい所定温度以上では、発電面積が全発電面に漸近するように設定されている、ことを特徴とする。
（５）また、前記予定電圧マップは、電流密度が高いほど予定電圧が低くなり、電流密度が低いほど予定電圧が高くなるように設定されていることを特徴とする。

（６）本発明の燃料電池制御方法は、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟んで発電を行う燃料電池の発電電流を検出する工程と、前記燃料電池の発電面積を読込む発電面積読込工程と、前記発電電流を前記発電面積で除算することで電流密度を算出する工程と、予め設定された予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する工程と、前記燃料電池の発電電圧を検出する工程と、前記予定電圧と前記発電電圧との電圧差分値を算出する工程と、予め設定された発電面積ゲインテーブルに基づいて、前記発電面積から発電面積ゲインを算出する工程と、前記電圧差分値に前記発電面積ゲインを乗算した後、前記発電面積を加算して、現在の発電面積を推定する発電面積推定工程と、前記現在の発電面積に基づいて、前記燃料電池に接続された負荷の運転状態を制御する制御工程と、を有し、前記発電面積読込工程では、前回の前記発電面積推定工程で推定した発電面積を読み込むことを特徴とする。
（７）また、前記制御工程は、前記発電電流を前記現在の発電面積で除算することで電流密度を算出する工程と、前記予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する工程と、前記発電電流と前記予定電圧とを乗算して、前記燃料電池の出力を算出する工程と、前記燃料電池の出力から、前記負荷の出力制限値を算出する工程と、を有することを特徴とする。

（８）また、前記燃料電池の起動後における初回の前記発電面積読込工程の前に、
前記燃料電池の代表温度値を検出する工程と、
予め設定された発電面積推定マップに基づいて、前記代表温度値から前記燃料電池の発電面積を推定する初回発電面積推定工程と、
を有し、
前記初回の発電面積読込工程では、前記初回発電面積推定工程で推定した発電面積を読み込むことを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
（９）また、前記発電面積推定マップは、氷点下から０℃近傍にかけては、代表温度値が低いほど発電面積が小さく、代表温度値が高いほど発電面積が大きくなるように設定され、０℃近傍よりも大きい所定温度以上では、発電面積が全発電面に漸近するように設定されている、ことを特徴とする。
（１０）また、前記予定電圧マップは、電流密度が高いほど予定電圧が低くなり、電流密度が低いほど予定電圧が高くなるように設定されていることを特徴とする。
（１１）また、前記発電面積ゲインテーブルは、発電面積が大きいほど発電面積ゲインが大きくなり、発電面積が小さいほど発電面積ゲインが小さくなるように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、現在の発電面積を推定することで、燃料電池のより正確な電流電圧特性を把握することができるので、特性変化への追従性が向上する。これにより、発電状況の変動に対応して、前記燃料電池に接続された負荷の運転状態の制御を、迅速かつ的確に行うことができる。

以下、本発明の参考形態および実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池制御方法について図面を参照して説明する。本参考形態および本実施形態では、燃料電池システムを車両に適用して燃料電池車両とした場合について説明する。
（参考形態）
本参考形態に係る燃料電池車両１は、例えば図１に示すように、燃料電池１１と、第１電流・電圧制御器１２と、第２電流・電圧制御器１３と、蓄電装置であるキャパシタ１４と、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１５と、モータ１６と、コンプレッサ出力制御器１７と、エアーコンプレッサ（Ａ／Ｃ）１８と、水素タンク１９ａおよび水素供給弁１９ｂと、制御装置２０と、各種の電気負荷２１と、出力電流センサ２２と、出力電圧センサ２３と、端子電圧センサ２４とを備えて構成されている。
この燃料電池１では、走行用のモータ１６の駆動力は、例えばオートマチックトランスミッション（ＡＴ）あるいはマニュアルトランスミッション（ＭＴ）等の変速機（Ｔ／Ｍ）を介して車両の駆動輪Ｗ，Ｗに伝達される。また、燃料電池車両１の減速時に駆動輪Ｗ側からモータ１６側に駆動力が伝達されると、モータ１６は発電機として機能していわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。

燃料電池１１は、陽イオン交換膜等からなる固体高分子電解質膜を、アノード触媒およびガス拡散層からなる燃料極（アノード）と、カソード触媒およびガス拡散層からなる酸素極（カソード）とで挟持してなる電解質電極構造体を、更に一対のセパレータで挟持してなる燃料電池セルを多数組積層して構成されている。
燃料電池１１のアノードには、高圧の水素タンク１９ａから水素供給弁１９ｂを介して水素からなる燃料ガス（反応ガス）が供給され、アノードのアノード触媒上で触媒反応によりイオン化された水素は、適度に加湿された固体高分子電解質膜を介してカソードへと移動し、この移動に伴って発生する電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソードには、例えば酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアーコンプレッサ（Ａ／Ｃ）１８によって供給され、このカソードにおいて、水素イオン、電子及び酸素が反応して水が生成される。

燃料電池１１から取り出される発電電流（出力電流）は第１電流・電圧制御器１２に入力されており、この第１電流・電圧制御器１２には、さらに、第２電流・電圧制御器１３を介して、例えば電気二重層コンデンサや電解コンデンサ等からなる複数のキャパシタセルが互いに直列に接続されて構成されたキャパシタ１４が接続されている。
そして、燃料電池１１および第１電流・電圧制御器１２と、第２電流・電圧制御器１３およびキャパシタ１４とは、パワードライブユニット（ＰＤＵ）１５を介して、走行用のモータ１６と、例えば燃料電池１１やキャパシタ１４の冷却装置（図示略）や空調装置（図示略）等の各種補機類からなる電気負荷２１と、エアーコンプレッサ出力制御器１７とに対して並列に接続されている。

第１および第２電流・電圧制御器１２、１３は、例えばチョッパ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを備えて構成され、このＤＣ−ＤＣコンバータのチョッピング動作つまりＤＣ−ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子のオン／オフ動作によって、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値、および、キャパシタ１４の充電電流および放電電流の電流値を制御しており、このチョッピング動作は制御装置２０から入力される制御パルスのデューティつまりオン／オフの比率に応じて制御されている。
例えば、燃料電池１１から出力電流の取り出しを禁止する場合において、制御装置２０から第１および第２電流・電圧制御器１２，１３に入力される制御パルスのデューティが０％に設定されると、各電流・電圧制御器１２，１３のＤＣ−ＤＣコンバータに具備されるスイッチング素子がオフ状態に固定され、燃料電池１１とキャパシタ１４とが電気的に遮断される。一方、制御パルスのデューティが１００％とされ、スイッチング素子がオン状態に固定されると、いわば燃料電池１１とキャパシタ１４とが直結状態となり、燃料電池１１の出力電圧とキャパシタ１４の端子電圧とが同等の値となる。

また、例えば、第１電流・電圧制御器１２に入力される制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜の値に設定されると、第１電流・電圧制御器１２は、１次側電流とされる燃料電池１１の出力電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限し、制限して得た電流を２次側電流として出力する。
また、例えば、第２電流・電圧制御器１３に入力される制御パルスのデューティが０％〜１００％の間の適宜の値に設定されると、第２電流・電圧制御器１２は、キャパシタ１４の充電電流または放電電流を制御パルスのデューティに応じて適宜に制限する。

ＰＤＵ１５は、トランジスタのスイッチング素子を複数用いてブリッジ接続してなるブリッジ回路を具備するパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを備えて構成され、制御装置２０から出力される制御指令に応じて走行用のモータ１６の駆動および回生動作を制御する。例えばモータ１６の駆動時には、制御装置２０から入力されるトルク指令に基づき、第１および第２電流・電圧制御器１２，１３から出力される直流電力を３相交流電力に変換してモータ１６へ供給する。一方、モータ１６の回生時には、モータ１６から出力される３相交流電力を直流電力に変換して、第２電流・電圧制御器１３を介してキャパシタ１４へ供給し、キャパシタ１４を充電する。
このＰＤＵ１５の電力変換動作は、制御装置２０からＰＷＭインバータの各スイッチング素子に入力されるパルス、つまりパルス幅変調（ＰＷＭ）により各スイッチング素子をオン／オフ駆動させるためのパルスに応じて制御され、このパルスのデューティつまりオン／オフの比率のマップ（データ）は予め制御装置２０に記憶されている。

なお、モータ１６は、例えば界磁として永久磁石を利用する永久磁石式の３相交流同期モータとされており、ＰＤＵ１５から供給される３相交流電力により駆動制御されると共に、燃料電池車両１の減速時において駆動輪Ｗ側から駆動力が伝達されると、発電機として機能して、いわゆる回生制動力を発生し、車体の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。

エアーコンプレッサ１８は、例えば車両の外部から空気を取り込んで圧縮し、この空気を反応ガスとして燃料電池１１のカソードに供給する。
このエアーコンプレッサ１８を駆動するモータ（図示略）の回転数は、制御装置２０から入力される制御指令に基づき、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）によるＰＷＭインバータを具備するコンプレッサ出力制御器１７によって制御されている。

制御装置２０は、例えば、燃料電池車両１の運転状態や、燃料電池１１のアノードに供給される反応ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１のアノードから排出される排出ガスに含まれる水素の濃度や、燃料電池１１の発電状態、例えば各複数の燃料電池セルの端子電圧や、燃料電池１１から取り出される出力電流等に基づき、エアーコンプレッサ１８から燃料電池１１へ供給される反応ガスの流量に対する指令値および水素供給弁１９ｂの弁開度に対する指令値を出力し、燃料電池１１の発電状態を制御する。
さらに、制御装置２０は、燃料電池１１に対する発電指令に基づき、第１電流・電圧制御器１２の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を制御する。

また、制御装置２０は、ＰＤＵ１５に具備されたＰＷＭインバータの電力変換動作を制御しており、例えばモータ１６の駆動時においては、運転者によるアクセルペダルの踏み込み操作量等に係るアクセル開度の信号に基づいてトルク指令を算出する。そして、制御装置２０が、このトルク指令をＰＤＵ１５に入力することで、トルク指令に応じたパルス幅変調信号がＰＷＭインバータに入力され、要求されたトルクを発生させるための各相電流がモータ１６の各相へと出力される。
さらに、制御装置２０は、キャパシタ１４の状態、例えばキャパシタ１４の温度や、複数のキャパシタセルのキャパシタセル電圧の和である総電圧つまりキャパシタ１４の端子電圧の検出値等に基づき、モータ１６の回生動作を制御する。

また、制御装置２０は、キャパシタ１４の状態に基づき、第２電流・電圧制御器１３の電力変換動作を制御する制御パルスを出力し、キャパシタ１４の充電電流または放電電流の電流値を制御する。
このため、制御装置２０には、例えば、燃料電池１１を構成する各複数の燃料電池セルの端子電圧（燃料電池セル電圧）を検出する燃料電池セル電圧センサ（図示略）から出力される検出信号と、燃料電池１１から取り出される出力電流の電流値を検出する出力電流センサ２２から出力される検出信号と、燃料電池１１の出力電圧を検出する出力電圧センサ２３から出力される検出信号と、キャパシタ１４の端子電圧を検出する端子電圧センサ２４から出力される検出信号と、キャパシタ１４の温度を検出する温度センサ（図示略）から出力される検出信号とが入力されている。さらに、制御装置２０には、イグニッションスイッチ２６のＯＮ・ＯＦＦ信号、燃料電池１１の温度を検出する温度センサ２５から出力する検出信号が入力される。

以下に、上記構成を備える燃料電池車両１の処理について説明する。図２は燃料電池の温度補正値と電圧マップ補正値を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。同図に示すように、出力電流センサ２２で検出した燃料電池１１の実電流を燃料電池実電流入力部２７から入力する。また、温度センサ２５で検出した燃料電池１１の代表温度（例えば、燃料電池１１のアノードガス排出流路の水素温度）を燃料電池代表温度入力部２８から入力する。

次に、この代表温度に、後述する前回の温度補正量を加算した値を、発電面積算出部３１に入力する。発電面積算出部３１には、燃料電池１１の代表温度値と、発電面積との関係を示すマップが保持されている（図４参照）。このマップに示すように、燃料電池１１の発電面積は、温度に応じて変動する。すなわち、温度が低い場合には発電面積は小さい値になり、温度が高くなるにつれて発電面積は増大していき、全発電面に漸近する。また、温度が氷点下から０℃近傍にかけては、発電面積は温度に略比例する。このマップを用いて、燃料電池１１の内部状態を示す発電面積の推定を行っている。

次いで、発電面積算出部３１で算出した燃料電池１１の発電面積と、燃料電池実電流入力部２７で入力した燃料電池１１の電流値とを、乗除算処理部３２に入力し、電流値を発電面積で除算して電流密度を算出する。ここで、電流密度とは、燃料電池１１の電極（アノード、カソード）のうち実際に発電に寄与する部位（発電面積）における単位面積あたりの電流値である。

この電流密度を予想セル電圧算出部３３に入力する。予想セル電圧算出部３３には、燃料電池１１を構成するセルの電圧と、電流密度との関係を示すマップが保持されている（図５参照）。このマップに示すように、セル電圧は電流密度と略反比例の関係にあり、電流密度が増加するにつれてセル電圧は減少していく。このマップを用いて、セル電圧の算出を行っている。

そして、算出したセル電圧をセル数乗算部３４に入力する。セル数乗算部３４では、燃料電池１１を構成するセルの数を前記セル電圧に乗算して、燃料電池１１自体の予想ベース電圧値を算出する。この予想ベース電圧値と、後述する前回の電圧マップ補正値とを加算して、燃料電池１１の予想電圧値を算出する。

それから、出力電圧センサ２３で検出した燃料電池１１の実電圧を燃料電池実電圧入力部２９に入力し、この実電圧から予想電圧値を減算して、電圧差分値（偏差）を算出する。この電圧差分値を電圧ゲイン乗算部３５に入力して、所定値であるゲインを電圧差分値に乗算し、さらに、前回の電圧マップ補正値読込処理部３６により読み込んだ前回の電圧マップ補正値を加算して、現在の電圧マップ補正値を算出する。この現在の電圧マップ補正値は、モータの出力制限値の算出にも用いられるが、これについては後述する。

一方、電圧差分値は温度ゲイン乗算部３７にも入力されて、所定値（ただし上述の電圧ゲイン乗算部３５の値とは異なる）であるゲインを電圧差分値に乗算し、さらに、前回の温度補正値読込処理部３８により読み込んだ前回（所定時間前）の温度補正値を加算して、現在の温度補正値を算出する。この現在の温度補正値は、モータの出力制限値の算出にも用いられるが、これについては後述する。

そして、推定した発電面積や、燃料電池システムである燃料電池車両１の予想消費電力、キャパシタ１４の開放端子電圧やその内部抵抗、燃料電池１１の内部抵抗により、燃料電池１１の電流指令値を算出する。
このように、燃料電池１１の電流電圧特性を使用する制御において、燃料電池１１のより正確な電流電圧特性を把握できるため、精度の良い制御が可能になる。特に、氷点下で起動する場合等の燃料電池１１の特性が大きく変化する場面においての特性変化の追従性が向上する。

図３は負荷であるモータの出力制限値を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。同図に示すように、電流制限値入力部４１から燃料電池１１の電流制限値（電流指令値）を入力する。また、温度センサ２５で検出した燃料電池１１の代表温度を燃料電池代表温度入力部２８から入力する。そして、図２の処理で説明したのと同様に、温度補正値を温度補正値入力部４２から入力して、代表温度に温度補正量を加算した値を、発電面積算出部３１に入力して、発電面積を算出する。それから、乗除算処理部３２により電流密度を算出して、予想セル電圧算出部３３によりセル電圧を算出して、セル数乗算部３４によりセル数を乗算して予想ベース電圧値を算出する。この予想ベース電圧値に、電圧マップ補正値入力部４３から入力される電圧マップ補正値を加算して、燃料電池１１の電流制限時における予想電圧値を算出する。

次に、キャパシタ開放端子電圧入力部３０からキャパシタ１４の端子電圧値を入力して、この端子電圧値から上述の予想電圧値を減算して、燃料電池１１とキャパシタ１４との電圧差を求める。この電圧差を二乗処理部４９に入力して二乗処理を行う。また、キャパシタ内部抵抗入力部４４からキャパシタ１４の内部抵抗値を入力して、二乗した電位差を内部抵抗値により除算して、キャパシタ１４の出力を算出する。

また、補機消費電力入力部４５から燃料電池システムが有する補機（例えばコンプレッサ、ヘッドライト等）で消費される電力を入力する。
そして、燃料電池１１の電流制限時における予想電圧値に、燃料電池１１の電流制限値を乗算して、燃料電池１１の制限出力を算出する。この制限出力に、キャパシタ１４の出力を加算して、補機で消費される電力を減算して、モータ出力制限値を算出する。このモータ出力制限値がモータ出力制限値出力部５２から出力され、この制限値に基づいてモータ１６の制御がされる。
このようにすると、負荷変動時における燃料電池１１のガス欠を防ぐと共に、最適な反応ガス量を燃料電池１１に供給することが可能となる。

（実施形態）
上述した制御では、燃料電池１１の代表温度を用いて燃料電池１１の発電面積を推定して、負荷であるモータ１６の出力制限値を算出していたが、この内容に限られるものではない。他の制御方法について、図６〜図８を用いて説明する。
図６は燃料電池の発電面積相当量を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。図７は負荷であるモータの出力制限値を求める制御の他の処理内容を示すハードブロック図である。以下の制御において、上述した制御と同様の処理内容については、適宜その説明を省略する。

この制御では、発電面積相当量を、燃料電池１１の電圧偏差に基づいて算出している。
すなわち、燃料電池実電圧入力部２９に入力された燃料電池１１の実電圧を、発電面積に基づいて得られる予想ベース電圧値で減算して、電圧差分値（偏差）を算出する。この電圧差分値を発電面積ゲイン乗算部５５に入力して、発電面積ゲインを乗算し、さらに、この値を前回値読込部５７により読み込んだ前回の発電面積推定値を加算して、発電面積相当量を算出する。この発電面積ゲインは、発電面積相当量を発電面積ゲイン算出部５６に入力することで算出する。発電面積ゲイン算出部５６には、燃料電池１１の発電面積相当量と、発電面積ゲインとの関係を示すテーブルが保持されている（図８参照）。発電面積の変化は２次元であるので、発電面積ゲインをテーブルで持つことで、発電面積ゲインと発電面積の対応づけを可能としている。
そして、図７に示すように、前記発電面積相当量推定値入力部５３より発電面積相当量を入力して、燃料電池電流制限値入力部４１より入力された電流値を発電面積相当量で除算して、電流密度を算出しているので、図３に示した制御よりも簡便にモータ出力制限値を算出することができる。

なお、本発明の内容は実施の形態のみに限定されるものでないことはもちろんであり、例えば、車両以外のシステムに適用したものであってもよい。また、蓄電装置としてキャパシタを用いた場合について説明したが、これに限らず、例えばバッテリを用いてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料電池車両の構成図である。 燃料電池の温度補正値と電圧マップ補正値を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。 負荷であるモータの出力制限値を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。 燃料電池の代表温度と発電面積との関係を示すグラフ図である。 燃料電池の電流密度とセル電圧との関係を示すグラフ図である。 燃料電池の発電面積相当量を求める制御の処理内容を示すハードブロック図である。 負荷であるモータの出力制限値を求める制御の他の処理内容を示すハードブロック図である。 発電面積とゲインとの関係を示すグラフ図である。

符号の説明

１…燃料電池車両（燃料電池システム）
１１…燃料電池
２０…制御装置（発電電流指令値算出手段）
２３…出力電圧センサ（電圧検出手段）
２５…温度センサ（温度検出手段）
２７…燃料電池実電流入力部（電流密度算出手段）
３１…発電面積算出部（発電面積算出手段、電流密度算出手段）
３２…乗除算処理部（電流密度算出手段）
３３…予想セル電圧算出部（予定電圧算出部）
３４…セル数乗算部（予定電圧算出部）
３６…電圧マップ補正値読込処理部（発電面積読込手段）
３７…温度ゲイン乗算部（発電面積補正手段）
３８…温度補正値値読込処理部（発電面積補正手段）
５１…モータ出力制限値算出部（制御パラメータ算出部）
５２…モータ出力制限値出力部（出力制限手段）
５７…前回値読込部（発電面積読込手段）

Claims (11)

1. アノードとカソードとの間に電解質膜を挟んで発電を行う燃料電池と、
   該燃料電池の発電面積を読込む発電面積読込手段と、
   前記燃料電池の発電電流を検出する電流検出手段と、
   前記発電電流を前記発電面積で除算することで電流密度を算出する電流密度算出手段と、
   予め設定された予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する予定電圧算出手段と、
   前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記予定電圧と前記発電電圧との電圧差分値に基づいて現在の発電面積を推定する発電面積推定手段と、
   前記現在の発電面積に基づいて、前記燃料電池に接続された負荷の運転状態を制御する制御装置と、を備え、
   前記発電面積読込手段は、前記発電面積推定手段が前回推定した発電面積を読み込むことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、
   前記発電電流を前記現在の発電面積で除算することで電流密度を算出し、
   前記予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出し、
   前記発電電流と前記予定電圧とを乗算して、前記燃料電池の出力を算出し、
   前記燃料電池の出力から、前記負荷の出力制限値を算出する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の代表温度値を検出する温度センサと、
   予め設定された発電面積推定マップに基づいて、前記代表温度値から前記燃料電池の発電面積を推定する初回発電面積推定手段と、を備え、
   前記発電面積読込手段は、前記燃料電池の起動後における初回の発電面積の読み込みにつき、前記初回発電面積推定手段で推定した発電面積を読み込むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記発電面積推定マップは、
   氷点下から０℃近傍にかけては、代表温度値が低いほど発電面積が小さく、代表温度値が高いほど発電面積が大きくなるように設定され、
   ０℃近傍よりも大きい所定温度以上では、発電面積が全発電面に漸近するように設定されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記予定電圧マップは、電流密度が高いほど予定電圧が低くなり、電流密度が低いほど予定電圧が高くなるように設定されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
6. アノードとカソードとの間に電解質膜を挟んで発電を行う燃料電池の発電電流を検出する工程と、
   前記燃料電池の発電面積を読込む発電面積読込工程と、
   前記発電電流を前記発電面積で除算することで電流密度を算出する工程と、
   予め設定された予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する工程と、
   前記燃料電池の発電電圧を検出する工程と、
   前記予定電圧と前記発電電圧との電圧差分値を算出する工程と、
   予め設定された発電面積ゲインテーブルに基づいて、前記発電面積から発電面積ゲインを算出する工程と、
   前記電圧差分値に前記発電面積ゲインを乗算した後、前記発電面積を加算して、現在の発電面積を推定する発電面積推定工程と、
   前記現在の発電面積に基づいて、前記燃料電池に接続された負荷の運転状態を制御する制御工程と、を有し、
   前記発電面積読込工程では、前回の前記発電面積推定工程で推定した発電面積を読み込むことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
7. 前記制御工程は、
   前記発電電流を前記現在の発電面積で除算することで電流密度を算出する工程と、
   前記予定電圧算出マップに基づいて、前記電流密度から前記燃料電池の予定電圧を算出する工程と、
   前記発電電流と前記予定電圧とを乗算して、前記燃料電池の出力を算出する工程と、
   前記燃料電池の出力から、前記負荷の出力制限値を算出する工程と、
   を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法。
8. 前記燃料電池の起動後における初回の前記発電面積読込工程の前に、
   前記燃料電池の代表温度値を検出する工程と、
   予め設定された発電面積推定マップに基づいて、前記代表温度値から前記燃料電池の発電面積を推定する初回発電面積推定工程と、
   を有し、
   前記初回の発電面積読込工程では、前記初回発電面積推定工程で推定した発電面積を読み込むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法。
9. 前記発電面積推定マップは、
   氷点下から０℃近傍にかけては、代表温度値が低いほど発電面積が小さく、代表温度値が高いほど発電面積が大きくなるように設定され、
   ０℃近傍よりも大きい所定温度以上では、発電面積が全発電面に漸近するように設定されている、
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法。
10. 前記予定電圧マップは、電流密度が高いほど電圧が低くなり、電流密度が低いほど電圧が高くなるように設定されていることを特徴とする請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
11. 前記発電面積ゲインテーブルは、発電面積が大きいほど発電面積ゲインが大きくなり、発電面積が小さいほど発電面積ゲインが小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項６ないし請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。

Images