JP5818224B2 - 燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池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電力分配方法の改良に関する。

燃料電池システムとして、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置と、燃料電池の出力電圧をその解放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御するコントローラとを備えるものが利用されている（例えば特許文献１参照）。コントローラは、蓄電装置の充電量ＳＯＣ（State of Charge）に応じて高電位回避電圧を可変設定する。

特開２００６−２８６４７９号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムにおいては、２次バッテリーを保護する手段として、ＳＯＣ上昇時に高電位回避電圧を引き上げるため、燃料電池を保護することができない。これら燃料電池システムは、燃料電池と２次バッテリーの双方の劣化を考慮したシステムとはなっていないため、ＳＯＣが上昇するような軽負荷運転を行った場合に、燃料電池が劣化するという問題がある。

本発明は、燃料電池とバッテリーの劣化抑制を両立させることができる燃料電池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。燃料電池システムにおいては、現状、白金を触媒として使用している。白金は高電位（約０.７５Ｖ〜１Ｖ近傍（高電位であればある程、溶出量が大きい））で溶出するため、燃料電池システム動作時に電位を引き下げた運転を実施することで、白金の溶出を回避でき、ひいては、燃料電池本体の耐久性を高めることが可能となるので、この観点から高電位回避運転を検討している。しかし、これに背反する問題として、電位（＝システム電圧）を引き下げた場合に、車両システムでの要求がシステムによる発電電力を上回れば問題が無いが、下回った場合には発電した電力が余剰電力になってしまうという問題がある。この点、従来は、高電位回避電圧を高くすることで余剰電力の発生を少なくし、電力収支を成立させることが行われていた。これらの技術に着目した本発明者は、課題の解決に結び付く知見を得るに至った。

本発明はかかる知見に基づくもので、燃料電池の制御方法であって、バッテリーのＳＯＣの増減に伴い当該燃料電池の間欠閾値を可変とし、ＳＯＣの状態に応じて電力分配方法を変更し、ＳＯＣ増加した場合には前記間欠閾値をバッテリーの電力Ｗoutの上限値まで引き上げる、というものである。

本発明においては、運転中の大部分で高電位回避電圧を低く保つために、２次バッテリーの充放電量、間欠閾値の変更（燃料電池運転、間欠タイミング）にヒステリシスを持たせることで電力収支を成立させる。

本発明によれば、燃料電池とバッテリーの劣化抑制を両立させることができる。

本発明の一実施形態を示す、燃料電池発電電力、バッテリー電力等のグラフであり、（Ａ）４０％＜ＳＯＣ＜６０％の場合、（Ｂ）ＳＯＣ＝６０％の場合、（Ｃ）６０％＜ＳＯＣ＜６５％の場合を表す。 本発明の一実施形態を示す、燃料電池発電電力、バッテリー電力等のグラフであり、（Ａ）６５％＜ＳＯＣ＜７０％の場合、（Ｂ）７０％＜ＳＯＣ＜７５％の場合を表す。 ＳＯＣに対するバッテリー充放電量の一例を示すグラフである。 ＳＯＣに対する間欠閾値の一例を示すグラフである。 ＳＯＣに対する高電位回避電圧の一例を示すグラフである。

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た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。

一般に、燃料電池システムにおいては、触媒が劣化する高電位での運転を避けるべく強制的に電圧を下げ、余剰電力を２次バッテリーに吸収させることによってスタックが劣化しないようにしている。ところが、運転の負荷が小さい場合に、走行中の車両のモーター回生などによる電力をバッテリーに吸収する量に対して、走行に使用する電力量が少ないと、余剰電力が多くなり、２次バッテリーのＳＯＣが増加し、バッテリーが劣化する電圧（ＳＯＣ）にまで上昇することがある。本実施形態では、燃料電池システムがこのような状態に至るのを回避するべく、燃料電池を高電位の状態にさらさないようにするため、２次バッテリーの消費量の増加や、燃料電池を運転するタイミング（間欠閾値）の変更を実施する。

本実施形態の燃料電池システムは、燃料電池と２次電池とが並列に接続されているシステムである。このシステムにおいては、燃料電池の余剰エネルギー、車両でのモーター回生エネルギーを２次バッテリーで吸収することが可能であり、また、車両要求（車両が要求する電力に対して、燃料電池のみでは不足する分を２次バッテリーが補うことが可能である。

ここで、本実施形態では、車両（燃料電池車）の走行により２次バッテリーのＳＯＣが増加した場合に、ＳＯＣの状態に応じて電力分配方法を変更する。具体的には、４０％＜ＳＯＣ＜６５％の場合には、ＦＣ（燃料電池）発電量を増加させてバッテリー（２次バッテリー）へ充電する（図１（Ａ）参照）。

また、ＳＯＣ＝６０％の場合には、ＦＣの発電により車両の走行負荷をまかなう（図１（Ｂ）参照）。

また、６０％＜ＳＯＣ＜６５％の場合には、ＳＯＣに合わせて２次バッテリー使用量を増加させる。車両の走行負荷は、ＦＣ発電を主とし、一部を２次バッテリーでまかなう。この際、ＳＯＣを低減するために、ＳＯＣが高いほどバッテリーの放電量を増加させる（図１（Ｃ）参照）。

また、６５％＜ＳＯＣ＜７０％の場合には、ＳＯＣに合わせて間欠閾値を変更する。車両の走行負荷は、ＦＣ発電を主とし、一部を２次バッテリーでまかなう。バッテリー使用量は、Ｗout許容値の最大とする（図２（Ａ）参照）。ＳＯＣが７０％に達した時点でヒステリシスを持たせ、ＳＯＣが５５％になるまで、Bat（バッテリー）放電量と間欠閾値を高い状態で維持する。

また、７０％＜ＳＯＣ＜７５％の場合には、ＳＯＣに合わせて高電位回避電圧を引き下げる。

上記の制御方法においては、
１）Bat（バッテリー）のＷout上限値まで増加させる。
２）BatのＷoutの上限値と同等の値までとする。
３）上限を０.９５Ｖ程度までとし、１.０Ｖにしない。
ことが好ましい。

さらに、上記の制御方法においては、Bat放電量を増加→燃料電池の間欠閾値（ヒステリシス）→高電位回避電圧の順番でBatのＳＯＣを低減することも好ましい（図３〜図５参照）。

本実施形態の制御方法によれば、２次バッテリーを積極的に使用することで、殆どの走行パターンで高電位回避を維持することができる。また、間欠閾値やバッテリー放電量を初期から高い状態に保つ必要が無いため、バッテリー充放電効率や、燃料電池動作点が低効率側に移動することによる燃費の悪化を抑止することができる。車両の種類とその走行パターンによっては、高電位回避電圧を低<保ったまま、電力収支が成立し、燃費も悪化しない。渋滞などでの超低負荷走行を行った場合には、燃料電池が間欠になる機会を増加させ、Batを使用する機会を増加させる。

まとめると、本実施形態の制御方法においては、
１）２次バッテリーで使用可能な最大電力まで使用する。
２）間欠閾値を引き上げることで、車両要求値が間欠閾値の値になるまで、燃料電池を運転しない（間欠）となるために、その間はバッテリーで補う必要がある。そのためには、バッテリーのＷoutが上限値となる。
３）高電位回避電圧を引き上げる場合において、高い電位（１.０Ｖ付近）での劣化速度が大きいため、０ではないが、発生する電力が少ない０.９５Ｖ付近での運転にすることで、大幅な劣化を防止することができる。

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。

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。

Claims (1)

1. 車両に搭載された燃料電池とバッテリーとを含む燃料電池システムの制御方法であって、
   前記バッテリーのＳＯＣの増減に伴い当該燃料電池の間欠運転に入る間欠閾値を可変とし、
   ・ＳＯＣが６０％以下の場合には前記燃料電池の発電のみにより前記車両の走行負荷をまかない、
   ・６０％＜ＳＯＣ＜６５％の場合には、前記燃料電池の発電を主とし、一部を前記バッテリーにより、前記車両の走行負荷をまかない、
   ・６５％＜ＳＯＣ≦７０％の場合には、ＳＯＣに合わせて前記間欠閾値を変更し、
   ・７０％＜ＳＯＣ＜７５％の場合には、ＳＯＣに合わせて、前記燃料電池の触媒が劣化する高電位での運転を避けるべく設定される高電位回避電圧を引き下げる、燃料電池システムの制御方法。

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