JP6222047B2 - 燃料電池の運転制御方法 - Google Patents

燃料電池の運転制御方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6222047B2
JP6222047B2 JP2014227684A JP2014227684A JP6222047B2 JP 6222047 B2 JP6222047 B2 JP 6222047B2 JP 2014227684 A JP2014227684 A JP 2014227684A JP 2014227684 A JP2014227684 A JP 2014227684A JP 6222047 B2 JP6222047 B2 JP 6222047B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
operating point
temperature
current
voltage value
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2014227684A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2016091910A5 (ja
JP2016091910A (ja
Inventor
良明 長沼
良明 長沼
政史 戸井田
政史 戸井田
朋宏 小川
朋宏 小川
剛 丸尾
剛 丸尾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2014227684A priority Critical patent/JP6222047B2/ja
Priority to DE102015117180.5A priority patent/DE102015117180A1/de
Priority to CA2909836A priority patent/CA2909836C/en
Priority to US14/919,993 priority patent/US10381668B2/en
Priority to KR1020150154927A priority patent/KR102032897B1/ko
Priority to CN201510759812.9A priority patent/CN105591138B/zh
Publication of JP2016091910A publication Critical patent/JP2016091910A/ja
Publication of JP2016091910A5 publication Critical patent/JP2016091910A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6222047B2 publication Critical patent/JP6222047B2/ja
Priority to KR1020180047995A priority patent/KR20180048492A/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04992—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the implementation of mathematical or computational algorithms, e.g. feedback control loops, fuzzy logic, neural networks or artificial intelligence
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/31—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for starting of fuel cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/33—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by cooling
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L58/00—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles
    • B60L58/30—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells
    • B60L58/32—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load
    • B60L58/34—Methods or circuit arrangements for monitoring or controlling batteries or fuel cells, specially adapted for electric vehicles for monitoring or controlling fuel cells for controlling the temperature of fuel cells, e.g. by controlling the electric load by heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253—Means for solving freezing problems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268—Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365—Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04559—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04574—Current
    • H01M8/04589—Current of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746—Pressure; Flow
    • H01M8/04768—Pressure; Flow of the coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04865—Voltage
    • H01M8/0488—Voltage of fuel cell stacks
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04858—Electric variables
    • H01M8/04895—Current
    • H01M8/0491—Current of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Description

本発明は、燃料電池の運転制御方法に関する。
氷点下等の低温環境下における燃料電池の始動時安定性を向上させるために、通常運転時よりも低効率で燃料電池を運転させることにより廃熱を増加させ、燃料電池を短時間で昇温させる技術が提案されている。特許文献１の燃料電池システムでは、始動時に測定した燃料電池のインピーダンス又は前回運転終了時の掃気エア量に基づき燃料電池内の残水量を求め、かかる残水量が多くかつ始動時の燃料電池の温度が低い場合に、燃料電池内における冷却媒体の循環を停止しつつ低効率運転を実行する。
特開２０１０−１８６５９９号公報
しかしながら、低効率運転時における燃料電池の目標動作点の電圧値が高いと、昇温して氷点を突破するまでの間に生成される水の量が多くなるため、また、廃熱が少なくなるため、生成水が凍結して燃料電池内の反応ガスの拡散性が低下し、燃料電池の出力安定性が著しく低下するという新たな課題を見出した。また、燃料電池の現在温度が同じであっても始動時温度が氷点下の中でもより低い場合には、再凍結してしまうという課題もある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池の運転制御方法が提供される。この方法は、（ａ）前記燃料電池の始動時温度を取得する工程と；（ｂ）前記燃料電池の現在温度を取得する工程と；（ｃ）前記燃料電池の出力電圧値および出力電流値により特定される前記燃料電池の現在の目標動作点を、前記始動時温度に基づき又は前記始動時温度および前記現在温度に基づき設定する工程と；（ｄ）前記燃料電池の動作点が前記目標動作点となるように、前記燃料電池に供給する反応ガスの流量と、前記燃料電池の出力電圧と、のうちの少なくとも１つを制御する工程と；を備え、前記工程（ｃ）は、前記現在温度が同じ場合に、前記始動時温度が低いときの方が前記始動時温度が高いときに比べ低い出力電圧値の動作点を、前記目標動作点として設定する工程を含む。この形態の燃料電池の運転制御方法によれば、現在温度が同じであれば始動時温度が低いときの方が始動時温度が高いときに比べ低い出力電圧値の目標動作点が設定されるため、現在温度が同じ場合に始動時温度に関わらず一定の出力電圧値の目標動作点が設定される構成、および現在温度が同じ場合に始動時温度が低いときの方が始動時温度が高いときに比べ高い出力電圧値の目標動作点が設定される構成に比べて、燃料電池における生成水の量を低減させることができる。又は、廃熱量をより多くして生成水の凍結を抑制できる。このため、低温環境下での燃料電池の始動時における反応ガスの拡散性の低下を抑制できる。
（２）上記形態の燃料電池の運転制御方法において、前記工程（ｃ）は、前記始動時温度が同じ場合に、前記現在温度が高いときの方が前記現在温度が低いときに比べ高い出力電圧値の動作点を、前記目標動作点として設定する工程を含んでもよい。現在温度がより高いほど、燃料電池を所定温度まで昇温させるために要する熱量は小さくなる。このため、上記形態の燃料電池の運転制御方法によれば、始動時温度が同じ場合に、現在温度が高いときの方が現在温度が低いときに比べ高い出力電圧値の動作点を目標動作点として設定するので、現在温度の値に関わらず目標動作点の出力電圧値を一定にする構成に比べて燃料電池を高効率運転できる。このため、燃料電池の燃費の低下を抑制できる。
（３）上記形態の燃料電池の運転制御方法において、前記工程（ｃ）は、前記始動時温度が０℃以下の場合に実行されてもよい。この形態の燃料電池の運転制御方法によれば、始動時温度が０℃以下であるために生成水が凍結してガス拡散性が低下し易い場合に工程（ｃ）が実行されるので、生成水の凍結に伴うガス拡散性の低下をより高い確実性で抑制できる。
（４）上記形態の燃料電池の運転制御方法において、前記工程（ｃ）は、前記目標動作点の出力電圧値が、該目標動作点を通る等出力曲線と前記燃料電池の電流対電圧特性曲線との交点である通常動作点の出力電圧値よりも低くなるように、前記目標動作点を設定する工程を含んでもよい。この形態の燃料電池の運転制御方法によれば、目標動作点として、電流対電圧特性曲線上の動作点よりも低い出力電圧値の動作点が目標動作点として設定されるので、工程（ｄ）において、燃料電池の動作点が通常動作点である場合に比べてより多くの廃熱量を得ることができる。このため、生成水の凍結をより抑制できる。
（５）上記形態の燃料電池の運転制御方法において、前記工程（ｄ）は、前記燃料電池の現在の動作点が前記通常動作点と一致する場合に比べて、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量を少なくして、前記通常動作点での動作時に比べて電力損失が大きい低効率運転を実行する工程を含んでもよい。この形態の燃料電池の運転制御方法によれば、反応ガス量を少なくして低効率運転を実行するので、燃料電池の廃熱量を増加させることができる。
（６）上記形態の燃料電池の運転制御方法において、さらに、（ｅ）前記始動時温度および前記現在温度に応じた前記目標動作点の出力電圧値の上限値を、記憶装置に予め記憶する工程を備え、前記上限値として、前記現在温度が同じ場合に、前記始動時温度が低いときの方が前記始動時温度が高いときに比べ低い値が記憶されており、前記工程（ｃ）は、前記目標動作点の出力電圧値が、前記始動時温度および前記現在温度により特定される出力電圧値の上限値以下となるように、前記目標動作点を設定してもよい。この形態の燃料電池の運転制御方法によれば、目標動作点の出力電圧値の上限値として、始動時温度が低いときの方が始動時温度が高いときに比べ低い値が設定されているので、現在温度が同じであれば始動時温度が低いときの方が始動時温度が高いときに比べ低い出力電圧値の目標動作点が設定される可能性を高めることができる。
本発明は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池の目標動作点の設定方法や、燃料電池システムや、燃料電池システムを搭載した燃料電池自動車等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての運転制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。 Ｉ−Ｐマップを模式的に示す説明図である。 電圧上限値マップを模式的に示す説明図である。 本実施形態における運転制御処理の手順を示すフローチャートである。 通常動作点ｐ０で動作した場合の燃料電池１０の廃熱量を求める方法を模式的に示す説明図である。 ステップＳ１４０の処理結果の一例を模式的に示す説明図である。 ステップＳ１７０において設定された目標動作点の一例を示す説明図である。 変形例における目標動作点の設定の態様を模式的に示す説明図である。
Ａ．実施形態：
Ａ１．システム構成：
図１は、本発明の一実施形態としての運転制御方法が適用される燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車に搭載されて用いられる。燃料電池システム１００は、燃料電池１０と、燃料ガス供給排出系１２０と、酸化剤ガス供給排出系１３０と、冷却媒体循環系１４０と、電力供給系１５０と、制御ユニット６０とを備える。
燃料電池１０は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、所定の方向に沿って積層された複数の単セルと、総合電極として機能する一対の集電板と、複数の単セルおよび一対の集電板から成る積層体の積層状態を維持するために、積層体の両端の外側に配置される一対のエンドプレートとを備える。各単セルは、固体高分子電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガス（水素）と、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セルにおいて両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池１０の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させるためのマニホールド（図示省略）が単セルの積層方向に沿って形成されている。
燃料ガス供給排出系１２０は、燃料電池１０に対して燃料ガスの供給および排出を行なう。燃料ガス供給排出系１２０は、水素タンク２０と、遮断弁２１と、インジェクタ２２と、気液分離器２３と、循環用ポンプ２４と、パージ弁２５と、燃料ガス供給路２６と、第１燃料ガス排出路２７と、燃料ガス循環路２８と、第２燃料ガス排出路２９とを備える。
水素タンク２０は、高圧水素を貯蔵しており、燃料ガスとしての水素ガスを、燃料ガス供給路２６を介して燃料電池１０に供給する。遮断弁２１は、水素タンク２０における燃料ガスの排出口近傍に配置され、水素タンク２０からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。インジェクタ２２は、燃料ガス供給路２６に配置され、燃料電池１０への水素ガスの供給量（流量）および圧力を調整する。気液分離器２３は、第１燃料ガス排出路２７に配置され、燃料電池１０から排出されたオフガスに含まれる水を分離して第２燃料ガス排出路２９に排出すると共に、水が分離された後のガス（燃料ガス）を燃料ガス循環路２８に排出する。循環用ポンプ２４は、燃料ガス循環路２８に配置され、気液分離器２３から排出された燃料ガスを燃料ガス供給路２６に供給する。パージ弁２５は、第２燃料ガス排出路２９に配置され、開弁されることにより、気液分離器２３によって分離された水の大気中への排出を許容する。
酸化剤ガス供給排出系１３０は、燃料電池１０に対して酸化剤ガスの供給および排出を行なう。酸化剤ガス供給排出系１３０は、エアコンプレッサ３０と、背圧弁３１と、酸化剤ガス供給路３２と、酸化剤ガス排出路３３とを備える。エアコンプレッサ３０は、大気より吸入した空気を圧縮して酸化剤ガス供給路３２へと供給する。背圧弁３１は、酸化剤ガス排出路３３に配置され、燃料電池１０におけるカソード排出側の圧力（いわゆる背圧）を調整する。
冷却媒体循環系１４０は、燃料電池１０を介して冷却媒体を循環させることにより、燃料電池１０の温度を調整する。冷却媒体循環系１４０は、ラジエータ４０と、冷却媒体排出路４３と、冷却媒体供給路４４と、循環用ポンプ４２と、温度センサ４５とを備える。ラジエータ４０は、冷却媒体排出路４３と冷却媒体供給路４４とに接続されており、冷却媒体排出路４３から流入する冷却媒体を、電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給路４４へと排出する。冷却媒体排出路４３は、燃料電池１０内の冷却媒体排出マニホールドと接続され、冷却媒体供給路４４は、燃料電池１０内の冷却媒体供給マニホールドに接続されている。したがって、冷却媒体排出路４３、ラジエータ４０、冷却媒体供給路４４、および燃料電池１０内のマニホールドにより、冷却媒体の循環路が形成されている。温度センサ４５は、冷却媒体排出路４３における燃料電池１０の近傍に配置されており、燃料電池１０から排出された冷却媒体の温度を測定し、温度値を示す信号を出力する。なお、本実施形態では、冷却媒体排出路４３で測定される温度は、燃料電池１０の温度として取り扱われる。
電力供給系１５０は、燃料電池１０から出力される電力を負荷としてのモータ２００に供給する。電力供給系１５０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０と、電流計５１とを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０は、燃料電池１０の図示しない集電板に電気的に接続されており、燃料電池１０の出力電圧を制御する。電流計５１は、燃料電池１０の電流値を測定する。
制御ユニット６０は、エアコンプレッサ３０、２つの循環用ポンプ２４，４２、ラジエータ４０、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０、および４つの弁２１，２２，２５，３１、と電気的に接続されており、これらを制御する。また、制御ユニット６０は、温度センサ４５および電流計５１と電気的に接続されており、温度センサ４５から出力される温度値を示す信号、および電流計５１から出力される電流値を示す信号を受信する。制御ユニット６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６２と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６３とを備える。ＲＯＭ６２には、燃料電池システム１００を制御するための図示しない制御プログラムが格納されており、ＣＰＵ６１は、ＲＡＭ６３を利用しながらこの制御プログラムを実行することにより、始動時温度取得部６１ａ、目標動作点設定部６１ｂ、通常運転制御部６１ｃ、および急速暖機制御部６１ｄとして機能する。
始動時温度取得部６１ａは、燃料電池１０の始動直後に温度センサ４５から受信した信号に基づき、かかる信号の示す温度値を、燃料電池１０の始動時の温度（以下、「始動時温度」と呼ぶ）としてＲＯＭ６２に記憶させる。
目標動作点設定部６１ｂは、燃料電池１０を制御する際の目標となる動作点（以下、「目標動作点」と呼ぶ）を設定する。本実施形態では、燃料電池１０の動作点は、燃料電池１０の出力電圧および出力電流により特定される。
通常運転制御部６１ｃは、アクセル開度及び車速に基づき、モータ２００や補機（例えば、エアコンプレッサ３０）の要求エネルギーを算出する。また、通常運転制御部６１ｃは、後述する運転制御処理において通常運転制御を実行する。通常運転制御では、燃料電池１０に供給する反応ガス（空気及び水素ガス）の量、燃料電池１０における冷却媒体の循環流量、および燃料電池１０の電圧を制御することにより、燃料電池１０の発電量が制御される。具体的には、通常運転制御部６１ｃは、燃料電池１０の動作点が燃料電池１０のＩ−Ｖ特性曲線（電流対電圧特性曲線）上の目標動作点となるように、エアコンプレッサ３０、インジェクタ２２、循環用ポンプ４２、およびＤＣ−ＤＣコンバータ２１０を制御する。このとき、エアコンプレッサ３０の回転数が制御されることにより燃料電池１０への空気の供給量が調整される。また、インジェクタ２２が制御されることにより燃料電池１０への水素ガスの供給量が調整され、循環用ポンプ４２が制御されることにより燃料電池１０における冷却媒体の循環流量が調整され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１０が制御されることにより燃料電池１０の出力電圧値が調整される。
急速暖機制御部６１ｄは、後述する運転制御処理において急速暖機制御を実行する。急速暖機制御とは、燃料電池１０の動作点をＩ−Ｖ特性曲線とは異なる動作点で動作させることにより、発電損失（熱損失）を増大させて低効率運転を行なう制御を意味する。このような制御を行なうことにより、燃料電池１０の廃熱量を増大させることができるので、燃料電池１０の温度を、燃料電池１０の運転に適した温度（例えば、７０℃〜１００℃）まで速やかに昇温させることができる。なお、急速暖機制御および通常運転制御の具体的な処理内容については、後述する。
ＲＯＭ６２は、Ｉ−Ｐマップ格納部６２ａ、電圧上限値マップ格納部６２ｂ、および始動時温度値格納部６２ｃを備える。Ｉ−Ｐマップ格納部６２ａには、予めＩ−Ｐマップが格納されている。電圧上限値マップ格納部６２ｂには、予め電圧上限値マップが格納されている。また、ＲＯＭ６２には、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性を示すデータが予め格納されている。なお、ＲＯＭ６２は、請求項における記憶装置に相当する。
図２は、Ｉ−Ｐマップを模式的に示す説明図である。図２において、横軸は電流値を示し、縦軸は出力値（電力量）を示す。Ｉ−Ｐマップでは、燃料電池１０への要求出力Ｖｒｅｆと、かかる出力を得るために必要な燃料電池１０の電流値Ｉｒｅｆとが互いに対応付けられている。このようなマップは、例えば、以下のようにして設定することができる。すなわち、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性曲線を予め特定しておき、その後、要求出力を変更させながら、かかる要求出力の等出力曲線とＩ−Ｖ特性曲線との交点の電流値を求めることにより、Ｉ−Ｐマップを設定することができる。
図３は、電圧上限値マップを模式的に示す説明図である。図３において、横軸は燃料電池１０の現在の温度（以下、「現在温度」と呼ぶ）を示し、縦軸は電圧上限値を示す。電圧上限値とは、急速暖機制御実行時の目標動作点の上限値を意味する。目標動作点は、後述する運転制御処理において設定される。電圧上限値マップでは、現在温度に応じた上限電圧値が予め設定されている。また、かかる現在温度に応じた上限電圧値は、始動時温度に応じて設定されている。具体的には、本実施形態では、始動時温度が、それぞれ−３０℃、−２５℃、−２０℃、−１５℃、−１０℃、−５℃、０℃、および＋２０℃の合計８種類の温度に応じて、現在温度に応じた上限電圧値が設定されている。図３において、ラインＬ１は、始動時温度が−３０℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を示す。また、ラインＬ２は始動時温度が−２５℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を、ラインＬ３は始動時温度が−２０℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を、ラインＬ４は始動時温度が−１５℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を、ラインＬ５は始動時温度が−１０℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を、ラインＬ６は始動時温度が−５℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を、ラインＬ７は始動時温度が０℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を、ラインＬ８は始動時温度が＋２０℃である場合の現在温度に応じた上限電圧値を、それぞれ示す。
各ラインＬ１〜Ｌ８は、現在温度が−３０℃以上、且つ、＋６０℃以下の範囲に設定されている。図３に示すように、現在温度が−３０℃以上、且つ、およそ＋５０℃以下の範囲において、現在温度が同じであれば、始動時温度がより低いほどより低い上限電圧値が設定されている。また、現在温度がおよそ＋５０℃よりも高く、且つ、＋６０℃以下の範囲において、現在温度が同じであれば、２つのラインＬ１，Ｌ２において、始動時温度がより低いほどより低い上限電圧値が設定されている。また、現在温度が−３０℃以上、且つ、およそ＋５０℃以下の範囲において、ラインＬ８を除く他の７つのラインＬ１〜Ｌ７において、現在温度がより高いほどより高い上限電圧値が設定されている。また、現在温度がおよそ＋５０℃よりも高く、且つ、＋６０℃以下の範囲において、２つのラインＬ１，Ｌ２において、現在温度がより高いほどより高い上限電圧値が設定されている。
上述のように、各ラインＬ１〜Ｌ８間で現在温度が同じであれば、始動時温度がより低いほどより低い上限電圧値が設定されている理由、および、各ラインＬ１〜Ｌ８において、現在温度がより高いほどより高い上限電圧値が設定されている理由について、以下説明する。氷点下の低温環境下において燃料電池１０を始動させ、同じ発電効率で運転させた場合、始動時温度がより低いほど現在温度が氷点を上回るまでの期間がより長くなるため、かかる期間内に発電により生じる生成水の量はより多くなる。このため、始動時温度がより低いほど、始動してから現在温度が氷点を上回るまでの期間に各単セル内（例えば、カソード側触媒層近傍）において生成水が凍結してガス拡散性の低下が起こり易くなることが、本願発明者により新たに見出された。そこで、本実施形態では、現在温度が同じであれば始動時温度がより低いほど目標動作点の出力電圧値をより低く設定することにより、より低い効率で燃料電池１０を運転させるようにしている。これにより、現在温度が同じであれば始動時温度がより低いほど、水の生成を伴うカソード側の電気化学反応を抑えて生成水量を低減させると共に、廃熱量をより多くして生成水の凍結を抑制し、ガスの拡散性の低下を抑制する。そして、このような制御を実現するため、上限電圧値マップでは、始動時温度がより低いほど、より低い上限電圧値が設定されている。また、現在温度がより高いほど、燃料電池１０を昇温させるために必要な熱量は小さくなるため、上限電圧値マップでは、現在温度がより高いほど、より高い上限電圧値が設定されている。これにより、燃料電池１０を可能な限り高効率で運転できるため、燃費の低下を抑制できる。本実施形態では、このような上限電圧値は、始動時温度を変えて燃料電池１０を運転させ、生成される水の凍結を防ぐことが可能な動作点を実験等により求め、かかる動作点の出力電圧値として設定されている。加えて、上述の実験では、生成される水の凍結を防ぐことが可能な動作点のうち、発熱量のより低い、換言すると、発電効率のより高い動作点を求め、かかる動作点の出力電圧値として設定されている。これにより、始動時のガス拡散性の低下を抑制しつつ、燃料電池１０の燃費の低下を抑制できる。
Ａ２．運転制御処理：
図４は、本実施形態における運転制御処理の手順を示すフローチャートである。燃料電池システム１００が起動され、燃料電池１０や、エアコンプレッサ３０や、ラジエータ４０や、制御ユニット６０等の燃料電池システム１００を構成する各構成要素の電源がオンすると、運転制御処理が実行される。
始動時温度取得部６１ａは、燃料電池１０の始動時温度を取得して、始動時温度値格納部６２ｃに記憶させる（ステップＳ１００）。目標動作点設定部６１ｂは、燃料電池１０への要求発熱量Ｑｒを決定する（ステップＳ１０５）。燃料電池１０への要求発熱量は、例えば、燃料電池自動車がエアコンを有しており、暖房実行の操作がユーザによってなされた場合には、暖房用ヒータを昇温させるために必要な発熱量と、燃料電池１０の温度を上述の適切な温度まで上昇させて維持するために必要な発熱量とを足し合わせて求めることができる。なお、暖房用ヒータを昇温させるために必要な発熱量は、ユーザが指定した車室内温度，外気温度，換気率（室内気と室外気との利用率），日射量，窓からの放熱量等に基づき、公知の方法により求めることができる。また、燃料電池１０の温度を適切な温度まで昇温して維持するために必要な熱量は、燃料電池１０の現在温度及び外気温度に基づき、公知の方法により求めることができる。
目標動作点設定部６１ｂは、燃料電池１０への要求出力値Ｐｒを取得する（ステップＳ１１０）。上述したように、通常運転制御部６１ｃは、モータ２００や補機（例えば、エアコンプレッサ３０）の要求エネルギーを算出しているため、目標動作点設定部６１ｂは、これら要求エネルギーを、燃料電池１０への要求出力値として通常運転制御部６１ｃから取得する。
目標動作点設定部６１ｂは、ステップＳ１１０で取得された要求出力値Ｐｒに基づき、Ｉ−Ｐマップを参照して、要求出力値を満たすＩ−Ｖ特性曲線上の動作点（以下、「通常動作点」と呼ぶ）ｐ０を決定する（ステップＳ１１５）。具体的には、目標動作点設定部６１ｂは、Ｉ−Ｐマップを参照して、ステップＳ１１０で得られた要求出力値Ｐｒに対応する電流値Ｉｒｅｆを決定し、決定した電流値Ｉｒｅｆにより要求出力値Ｐｒを除することにより、電圧値Ｖｒｅｆを決定する。
目標動作点設定部６１ｂは、ステップＳ１１５で決定された通常動作点ｐ０において燃料電池１０が動作した場合の燃料電池１０の廃熱量Ｑ０を求める（ステップＳ１２０）。
図５は、通常動作点ｐ０で動作した場合の燃料電池１０の廃熱量を求める方法を模式的に示す説明図である。図５において、横軸は燃料電池１０の電流値を示し、縦軸は燃料電池１０の出力電圧値を示す。また、図５では、燃料電池１０のＩ−Ｖ特性曲線Ｌｃと、要求出力値Ｐｒの等出力曲線Ｌｐとを示している。また、図５では、燃料電池１０の理論起電圧Ｖ０を破線により示している。燃料電池１０の理論起電圧Ｖ０は、単セル１枚あたりの最大起電力（例えば、１．２３Ｖ）に、燃料電池１０を構成する単セル数を掛け合わせた電圧である。
図５に示すように、Ｉ−Ｖ特性曲線Ｌｃ上の通常動作点ｐ０が決定すると、かかる通常動作点ｐ０で動作した場合の燃料電池１０の廃熱量Ｑ０は、図５において一点鎖線で示す領域の面積に相当し、下記式１により求められる。
Ｑ０＝Ｉｒｅｆ×（Ｖ０−Ｖｒｅｆ） ・・・（１）
図４に示すように、目標動作点設定部６１ｂは、ステップＳ１２０で求められた廃熱量Ｑ０が、ステップＳ１０５で決定された要求発熱量Ｑｒ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２５）。
廃熱量Ｑ０が要求発熱量Ｑｒ以上であると判定されると（ステップＳ１２５：ＹＥＳ）、目標動作点設定部６１ｂは、燃料電池１０の目標動作点を通常動作点ｐ０（出力電圧値：Ｖｒｅｆ，出力電流値：Ｉｒｅｆ）に設定し（ステップＳ１３０）、通常運転制御部６１ｃは、動作点が目標動作点である通常動作点ｐ０となるように、反応ガス量、冷却媒体流量、および燃料電池１０の電圧を制御する（ステップＳ１３５）。上述のステップＳ１３０およびＳ１３５は、通常制御に相当する。通常制御とは、燃料電池１０の動作点がＩ−Ｖ特性曲線上に存在するように燃料電池１０を運転させることにより、発電損失（熱損失）を低く抑えて、高効率運転を行なう制御を意味する。ステップＳ１３５の完了後、上述のステップＳ１０５に戻る。
上述のステップＳ１２５において、廃熱量Ｑ０が要求発熱量Ｑｒ以上でない、すなわち、要求発熱量Ｑｒよりも小さいと判定されると（ステップＳ１２５：ＮＯ）、目標動作点設定部６１ｂは、要求発熱量Ｑｒを満たす要求出力値Ｐｒの等出力曲線上の電圧値（以下、「対応電圧値」と呼ぶ）Ｖａを求める（ステップＳ１４０）。
図６は、ステップＳ１４０の処理結果の一例を模式的に示す説明図である。図６の横軸および縦軸は、図５の横軸および縦軸と同じであるので、詳細な説明を省略する。また、図６において、曲線Ｌｃ、曲線Ｌｐ、および動作点ｐ０は、図５に示す曲線Ｌｃ、曲線Ｌｐ、および動作点ｐ０と同じであるので、詳細な説明を省略する。
図６の例では、動作点が通常動作点ｐ０である場合の廃熱量Ｑ０が、要求発熱量Ｑｒより小さい場合に、目標動作点として等出力曲線Ｌｐ上の動作点ｐ１（出力電圧値：Ｖａ，出力電流値：Ｉａ）が求められる。この動作点ｐ１で動作する場合の燃料電池１０の廃熱量Ｑ１は、上述のＱ０よりも大きく、且つ、要求発熱量Ｑｒと等しい。したがって、ステップＳ１４０では、動作点ｐ１の出力電圧値が対応電圧値Ｖａとして求められる。
目標動作点設定部６１ｂは、始動時温度値格納部６２ｃに格納されている始動時温度を取得する（ステップＳ１４５）。また、目標動作点設定部６１ｂは、現在温度を取得する（ステップＳ１５０）。目標動作点設定部６１ｂは、電圧上限値マップ６２ｂに格納されている電圧上限値マップを参照して、始動時温度および現在温度に基づき上限電圧値Ｖｔｈを決定する（ステップＳ１５５）。
上述したように、上限電圧値マップは、始動時温度と現在温度と上限電圧とが対応付けられているマップであるため、ステップＳ１４５で得られた始動時温度およびステップＳ１５０で得られた現在温度に基づき上限電圧値が決定され得る。例えば、図３に示すように、始動時温度が−１５℃（ラインＬ４）であり、現在温度が＋１０℃である場合には、上限電圧値としておよそ０．４Ｖが決定される。
目標動作点設定部６１ｂは、ステップＳ１４０で求められた対応電圧値Ｖａと、ステップＳ１５５で決定された上限電圧値Ｖｔｈとを比較して、対応電圧値Ｖａが上限電圧値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６０）。
対応電圧値Ｖａが上限電圧値Ｖｔｈ以上でない場合（ステップＳ１６０：ＮＯ）、目標動作点設定部６１ｂは、出力電圧値が対応電圧値Ｖａである等出力曲線Ｌｐ上動作点を、目標動作点に設定する（ステップＳ１６５）。対応電圧値Ｖａが上限電圧値Ｖｔｈ以上でない場合、目標動作点の出力電圧値を対応電圧値Ｖａに設定することにより、目標動作点の出力電圧値を上限電圧値Ｖｔｈに設定する場合に比べて、生成水量を低減できると共に廃熱量をより多くして生成水の凍結をより抑制できる。このため、本実施形態では、目標動作点を、出力電圧値が対応電圧値Ｖａである等出力曲線Ｌｐ上の動作点、すなわち、図６に示す動作点ｐ１に設定するようにしている。
これに対して、上述のステップＳ１６０において、対応電圧値Ｖａが上限電圧値Ｖｔｈ以上である場合（ステップＳ１６０：ＹＥＳ）、目標動作点設定部６１ｂは、出力電圧値が上限電圧値Ｖｔｈである等出力曲線Ｌｐ上動作点を、目標動作点に設定する（ステップＳ１７０）。
図７は、ステップＳ１７０において設定された目標動作点の一例を示す説明図である。図７の横軸および縦軸は、図６の横軸および縦軸と同じであるので、詳細な説明を省略する。また、図７における曲線Ｌｐ、曲線Ｌｃ、通常動作点ｐ０、および動作点ｐ１も、図６の曲線Ｌｐ、曲線Ｌｃ、通常動作点ｐ０、および動作点ｐ１と同じであるので、詳細な説明を省略する。
出力電圧値が上限電圧値Ｖｔｈである動作点ｐ２（出力電流値：Ｉｂ）において燃料電池１０が動作した場合、燃料電池１０の廃熱量Ｑ２は、図６に示す動作点ｐ１において燃料電池１０が動作した場合の廃熱量Ｑ１よりも大きい。また、上述のように、上限電圧値Ｖｔｈは、燃料電池１０の運転に伴う生成水の凍結を防止可能な出力電圧値として設定されている。したがって、目標動作点を動作点ｐ２に設定し、かかる動作点ｐ２で燃料電池１０を運転させることにより生成水の凍結を抑制できる。
上述のステップＳ１６５またはＳ１７０において、目標動作点が設定されると、急速暖機制御部６１ｄは、動作点が目標動作点（動作点ｐ１または動作点ｐ２）となるように、反応ガス量、冷却媒体流量、および燃料電池１０の電圧を制御する（ステップＳ１７５）。例えば、酸化剤ガスである空気の供給量を減らすことにより発電効率を低下させ、Ｉ−Ｖ特性曲線Ｌｃから外れた動作点で燃料電池１０を動作させることができる。ステップＳ１７５の完了後、上述のステップＳ１０５に戻る。上述のステップＳ１４０〜Ｓ１７５は、急速暖機制御に相当する。
以上説明した実施形態の燃料電池システム１００では、急速暖機制御時に、現在温度が同じであれば始動時温度がより低いほどより低い出力電圧値の動作点を目標動作点として設定するため、現在温度が氷点を上回るまでの間に各単セルにおけるカソード側の電気化学反応をより抑えて生成水量を低減させると共に、廃熱量をより多くして生成水の凍結を抑制できる。このため、燃料電池１０の始動時におけるガスの拡散性の低下を抑制できる。加えて、始動時温度が同じ場合に、現在温度がより高いほどより高い出力電圧値の動作点を目標動作点として設定するので、現在温度の値に関わらず目標動作点の出力電圧値を一定にする構成に比べて燃料電池１０を高効率運転できる。このため、燃費の低下を抑制できる。また、要求出力値Ｐｒの等出力曲線上の動作点を目標動作点として設定するので、要求出力を満たすように燃料電池１０を運転できる。
加えて、廃熱量Ｑ０が要求発熱量Ｑｒよりも低い場合に、急速暖機制御を実行して廃熱量を増大させるので、燃料電池１０の現在温度を速やかに昇温させることができる。
Ｂ．変形例：
Ｂ１．変形例１：
上記実施形態における電圧上限値マップの設定内容は、あくまでも一例であり、適宜変更することができる。例えば、図３に示す電圧上限値マップでは、現在温度が同じであれば、始動時温度がより低いほどより低い上限電圧値が設定されているのは、現在温度の範囲が、−３０℃以上、且つ、およそ＋５０℃以下の範囲であったが、これに限らず、任意の範囲において、現在温度が同じであれば、始動時温度がより低いほどより低い上限電圧値が設定されてもよい。また、図３に示すように、ラインＬ８を除く他の７つのラインＬ１〜Ｌ７は、いずれも、およそ＋５０℃以下の範囲において、現在温度がより高いほど、より高い上限電圧値が設定されていたが、これに限らず、ラインＬ８と同様に、現在温度に関わらず所定の固定値を示すラインとしてもよい。
Ｂ２．変形例２：
上記実施形態の運転制御処理では、ステップＳ１２５において、廃熱量Ｑ０が要求発熱量Ｑｒ以上でない、すなわち、要求発熱量Ｑｒよりも小さいと判定された場合に、ステップＳ１４０〜Ｓ１７５が実行されていたが、本発明はこれに限定されない。ステップＳ１２５において、廃熱量Ｑ０が要求発熱量Ｑｒ以上でないと判定された場合に（ステップＳ１２５：ＮＯ）、燃料電池１０の現在温度を取得し、かかる現在温度が０℃以下の場合に上述したステップＳ１４０〜Ｓ１７５を実行し、現在温度が０℃よりも高い場合には、これらステップを実行しないようにしてもよい。この構成においては、現在温度が０℃よりも高い場合には、例えば、要求発熱量Ｑｒを満たす要求出力値Ｐｒの等出力曲線上の動作点を求め、かかる動作点を目標動作点として、反応ガス量、冷却媒体流量、および燃料電池１０の電圧を制御してもよい。現在温度が０℃よりも高い場合には、各単セルにおける生成水の凍結可能性が低いので、急速暖機制御を実行しなくてもガス拡散性の低下を抑制できる。したがって、上述した変形例の構成を採用することにより、低効率運転を行なう機会を減らして、燃費の低下を抑制できる。加えて、現在温度が０℃以下であり、各単セルにおける生成水の凍結可能性が高い場合には、上述した急速暖機制御が実行されるので、生成水の凍結に伴うガス拡散性の低下をより高い確実性で抑制できる。
Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、要求出力値Ｐｒの等出力曲線上の動作点を目標動作点として設定していたが、本発明はこれに限定されない。図８は、変形例における目標動作点の設定の態様を模式的に示す説明図である。図８（Ａ）は、変形例における目標動作点の設定の第１の態様を示し、図８（Ｂ）は、変形例における目標動作点の設定の第２の態様を示す。図８の横軸および縦軸は、図５の横軸および縦軸と同じであるので、詳細な説明を省略する。また、図８における曲線Ｌｃおよび通常動作点ｐ０は、図５の曲線Ｌｃおよび通常動作点ｐ０と同じであるので、詳細な説明を省略する。
図８（Ａ）の態様では、廃熱量Ｑ０が要求発熱量Ｑｒ以上でないと判定された場合に（ステップＳ１２５：ＮＯ）、目標動作点として動作点ｐ１１が設定され、かかる動作点ｐ１１となるように、反応ガス量、冷却媒体流量、および燃料電池１０の電圧が制御される。動作点ｐ１１は、出力電流値が、通常動作点ｐ０の出力電流値Ｉｒｅｆと同じ電流値が設定されている動作点である。また、動作点ｐ１１で動作した場合の燃料電池１０の廃熱量Ｑ１１は、要求発熱量Ｑｒと一致する。したがって、動作点ｐ１１の出力電圧値は、出力電流値Ｉｒｅｆと、要求発熱量Ｑｒとから求めることができる。なお、動作点ｐ１１の出力電圧値Ｖｃは、通常動作点ｐ０の出力電圧値Ｖｒｅｆよりも低い。
図８（Ｂ）では、動作点ｐ１１の出力電圧値Ｖｃが、上限電圧値Ｖｔｈ以上の場合における目標動作点の設定態様が示されている。この態様では、通常動作点ｐ０および動作点ｐ１１の出力電流値Ｉｒｅｆと同じ出力電流値であり、出力電圧値が電圧値Ｖｔｈである動作点ｐ１２が、目標動作点として設定される。動作点ｐ１２で動作した場合の燃料電池１０の廃熱量Ｑ１２は、図８（Ａ）に示す廃熱量Ｑ１１よりも大きい。この図８（Ｂ）の態様と、上述の図８（Ａ）の態様とは１つの処理フローの中で実現できる。すなわち、上記実施形態と同様に、先ずは、通常動作点ｐ０の出力電流値と同じ出力電流値が設定され、要求発熱量Ｑｒと一致する発熱量が得られる動作点を求め、かかる動作点における出力電圧値が上限電圧値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定する。そして、求めた動作点の出力電圧値が上限電圧値Ｖｔｈ以上である場合には、図８（Ｂ）の態様のように目標動作点として動作点ｐ１２を設定し、上限電圧値Ｖｔｈ以上よりも低い場合には、図８（Ａ）の態様のように、動作点ｐ１１を目標動作点とする。
なお、上述した変形例の構成において、上限電圧値Ｖｔｈを、例えば、通常動作点ｐ０の出力電圧値Ｖｒｅｆに対する割合として定めておいてもよい。このとき、同じ現在温度であれば、始動時温度がより低いほどより低い割合を設定することができる。
Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、上限電圧値マップを用いて上限電圧値Ｖｔｈを求めていたが、マップに代えて、始動時温度および現在温度を変数とする演算式により上限電圧値Ｖｔｈを導出してもよい。また、この構成の変形例として、対応電圧値Ｖａや上限電圧値Ｖｔｈを求めずに、演算式により直接的に目標動作点の出力電圧値を求めてもよい。この構成においては、同じ現在温度であれば、始動時温度がより低いほどより低い電圧値を、目標動作点の出力電圧値として導出可能な演算式の採用が求められる。
Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、ステップＳ１３５およびステップＳ１７５において、動作点が目標動作点となるように、反応ガス量、冷却媒体流量、および燃料電池１０の電圧を制御していたが、これらのうちの１つまたは２つの制御を省略してもよい。すなわち、動作点が目標動作点となるように、反応ガス量、冷却媒体流量、および燃料電池１０の電圧のうちの少なくとも１つを制御してもよい。
Ｂ６．変形例６：
上記実施形態において、燃料電池システム１００は、駆動用電源を供給するためのシステムとして、燃料電池自動車に搭載されて用いられていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、燃料電池自動車に代えて、電気自動車等の駆動用電源を必要とする他の任意の移動体に搭載されて使用されてもよい。また、定置型電源として、例えば、オフィスや家庭において屋内または屋外に設置されて用いられてもよい。また、燃料電池１０に含まれる各単セルは、固体高分子型燃料電池用の単セルであったが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池用の単セルとして構成してもよい。
本発明は、上述の実施形態および変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池
２０…水素タンク
２１…遮断弁
２２…インジェクタ
２３…気液分離器
２４…循環用ポンプ
２５…パージ弁
２６…燃料ガス供給路
２７…第１燃料ガス排出路
２８…燃料ガス循環路
２９…第２燃料ガス排出路
３０…エアコンプレッサ
３１…背圧弁
３２…酸化剤ガス供給路
３３…酸化剤ガス排出路
４０…ラジエータ
４２…循環用ポンプ
４３…冷却媒体排出路
４４…冷却媒体供給路
４５…温度センサ
５１…電流計
６０…制御ユニット
６１…ＣＰＵ
６１ａ…始動時温度取得部
６１ｂ…目標動作点設定部
６１ｃ…通常運転制御部
６１ｄ…急速暖機制御部
６２ａ…Ｉ−Ｐマップ格納部
６２ｂ…電圧上限値マップ格納部
６２ｃ…始動時温度値格納部
１００…燃料電池システム
１２０…燃料ガス供給排出系
１３０…酸化剤ガス供給排出系
１４０…冷却媒体循環系
１５０…電力供給系
２００…モータ
ｐ０…通常動作点
ｐ１，ｐ２，ｐ１１，ｐ１２…動作点
Ｌ１〜Ｌ８…ライン
Ｌｃ…Ｉ−Ｖ特性曲線
Ｌｐ…等出力曲線
Ｑ０，Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１，Ｑ１２…廃熱量
Ｖ０…理論起電圧
Ｖｔｈ…上限電圧値

Claims (6)

  1. 燃料電池の運転制御方法であって、
    （ａ）前記燃料電池の始動時温度を取得する工程と、
    （ｂ）前記燃料電池の現在温度を取得する工程と、
    （ｃ）前記燃料電池の出力電圧値および出力電流値により特定される前記燃料電池の現在の目標動作点を、前記始動時温度に基づき又は前記始動時温度および前記現在温度に基づき設定する工程と、
    （ｄ）前記燃料電池の動作点が前記目標動作点となるように、前記燃料電池に供給する反応ガスの流量と、前記燃料電池の出力電圧と、のうちの少なくとも１つを制御する工程と、
    を備え、
    前記工程（ｃ）は、前記現在温度が同じ場合に、前記始動時温度が低いときの方が前記始動時温度が高いときに比べ低い出力電圧値の動作点を、前記目標動作点として設定する工程を含む、
    燃料電池の運転制御方法。
  2. 請求項１に記載の燃料電池の運転制御方法において、
    前記工程（ｃ）は、
    前記燃料電池の出力電圧値および出力電流値により特定される前記燃料電池の現在の目標動作点を、前記工程（ａ）において取得された前記始動時温度および前記工程（ｂ）において取得された前記現在温度に基づき設定する工程であり、
    前記始動時温度が同じ場合に、前記現在温度が高いときの方が前記現在温度が低いときに比べ高い出力電圧値の動作点を、前記目標動作点として設定する工程を含む、
    燃料電池の運転制御方法。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池の運転制御方法において、
    前記工程（ｃ）は、前記始動時温度が０℃以下の場合に実行される、
    燃料電池の運転制御方法。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池の運転制御方法において、
    前記工程（ｃ）は、前記目標動作点の出力電圧値が、該目標動作点を通る要求出力の等出力曲線と前記燃料電池の電流対電圧特性曲線との交点である通常動作点の出力電圧値よりも低くなるように、前記目標動作点を設定する工程を含む、
    燃料電池の運転制御方法。
  5. 請求項４に記載の燃料電池の運転制御方法において、
    前記工程（ｄ）は、前記燃料電池の現在の動作点が前記通常動作点と一致する場合に比べて、前記燃料電池に供給する前記反応ガスの流量を少なくして、前記通常動作点での動作時に比べて電力損失が大きい低効率運転を実行する工程を含む、
    燃料電池の運転制御方法。
  6. 請求項４または請求項５に記載の燃料電池の運転制御方法において、さらに、
    （ｅ）前記始動時温度および前記現在温度に応じた前記目標動作点の出力電圧値の上限値を、記憶装置に予め記憶する工程を備え、
    前記上限値として、前記現在温度が同じ場合に、前記始動時温度が低いときの方が前記始動時温度が高いときに比べ低い値が記憶されており、
    前記工程（ｃ）は、
    前記燃料電池の出力電圧値および出力電流値により特定される前記燃料電池の現在の目標動作点を、前記工程（ａ）において取得された前記始動時温度および前記工程（ｂ）において取得された前記現在温度に基づき設定する工程であり、
    前記目標動作点の出力電圧値が、前記工程（ａ）において取得された前記始動時温度および前記工程（ｂ）において取得された前記現在温度に応じた前記上限値以下となるように、前記目標動作点を設定する、
    燃料電池の運転制御方法。
JP2014227684A 2014-11-10 2014-11-10 燃料電池の運転制御方法 Active JP6222047B2 (ja)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014227684A JP6222047B2 (ja) 2014-11-10 2014-11-10 燃料電池の運転制御方法
DE102015117180.5A DE102015117180A1 (de) 2014-11-10 2015-10-08 Betriebssteuerverfahren für eine Brennstoffzelle und Betriebssteuervorrichtung für eine Brennstoffzelle
CA2909836A CA2909836C (en) 2014-11-10 2015-10-20 Operation control method of fuel cell and operation control apparatus of fuel cell
US14/919,993 US10381668B2 (en) 2014-11-10 2015-10-22 Operation control method of fuel cell and operation control apparatus of fuel cell
KR1020150154927A KR102032897B1 (ko) 2014-11-10 2015-11-05 연료 전지의 운전 제어 방법 및 연료 전지의 운전 제어 장치
CN201510759812.9A CN105591138B (zh) 2014-11-10 2015-11-09 燃料电池的运转控制方法及燃料电池的运转控制装置
KR1020180047995A KR20180048492A (ko) 2014-11-10 2018-04-25 연료 전지의 운전 제어 방법 및 연료 전지의 운전 제어 장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014227684A JP6222047B2 (ja) 2014-11-10 2014-11-10 燃料電池の運転制御方法

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2016091910A JP2016091910A (ja) 2016-05-23
JP2016091910A5 JP2016091910A5 (ja) 2016-10-06
JP6222047B2 true JP6222047B2 (ja) 2017-11-01

Family

ID=55803404

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014227684A Active JP6222047B2 (ja) 2014-11-10 2014-11-10 燃料電池の運転制御方法

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10381668B2 (ja)
JP (1) JP6222047B2 (ja)
KR (2) KR102032897B1 (ja)
CN (1) CN105591138B (ja)
CA (1) CA2909836C (ja)
DE (1) DE102015117180A1 (ja)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6787970B2 (ja) * 2018-10-22 2020-11-18 本田技研工業株式会社 燃料電池システム及びその制御方法
JP7238848B2 (ja) * 2020-04-20 2023-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7310710B2 (ja) * 2020-05-22 2023-07-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
CN113629269B (zh) * 2021-07-28 2022-09-16 同济大学 一种燃料电池系统及其低温启动控制方法
CN114695921B (zh) * 2022-04-18 2024-03-15 中国第一汽车股份有限公司 用于燃料电池系统低温启动的控制方法和控制装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6387556B1 (en) 1997-11-20 2002-05-14 Avista Laboratories, Inc. Fuel cell power systems and methods of controlling a fuel cell power system
JP3928154B2 (ja) * 2001-05-29 2007-06-13 本田技研工業株式会社 燃料電池電源装置
JP4803996B2 (ja) * 2004-11-30 2011-10-26 本田技研工業株式会社 燃料電池の低温起動方法及び燃料電池システム
JP5103851B2 (ja) * 2006-09-29 2012-12-19 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4936126B2 (ja) * 2007-04-16 2012-05-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP4656539B2 (ja) * 2007-11-21 2011-03-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5262183B2 (ja) * 2008-02-28 2013-08-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
US8053122B2 (en) * 2008-04-11 2011-11-08 Bdf Ip Holdings Ltd. System and method of starting a fuel cell system
JP5286990B2 (ja) * 2008-07-08 2013-09-11 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP5434054B2 (ja) * 2008-11-21 2014-03-05 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP4962919B2 (ja) 2009-02-10 2012-06-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システムおよび該システムにおける始動時制御方法
DE112010005600B4 (de) * 2010-05-27 2022-01-20 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Brennstoffzellensystem
US20120094200A1 (en) * 2010-10-15 2012-04-19 Ford Motor Company Freeze Start Method for Fuel Cells
JP6372976B2 (ja) 2013-05-20 2018-08-15 アロン化成株式会社 排水管配管構造及び排水管配管施工方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR102032897B1 (ko) 2019-10-16
CN105591138B (zh) 2019-04-23
US20160133967A1 (en) 2016-05-12
KR20160055698A (ko) 2016-05-18
DE102015117180A1 (de) 2016-05-12
CA2909836C (en) 2018-03-06
US10381668B2 (en) 2019-08-13
KR20180048492A (ko) 2018-05-10
CN105591138A (zh) 2016-05-18
CA2909836A1 (en) 2016-05-10
JP2016091910A (ja) 2016-05-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6222047B2 (ja) 燃料電池の運転制御方法
JP3999498B2 (ja) 燃料電池システム及びその停止方法
JPWO2011135610A1 (ja) 燃料電池システム
JP2020017420A (ja) 燃料電池システム
JP2005228637A (ja) 燃料電池システム
JP2008293695A (ja) 燃料電池システム及びその始動方法
US10290888B2 (en) Method of operating fuel cell system with performance recovery control
JP2006196402A (ja) 燃料電池システムの制御装置
JP6315715B2 (ja) 燃料電池システムの発電停止方法
JP6258378B2 (ja) 燃料電池システムの制御方法
JP5083603B2 (ja) 燃料電池システム
JP2007141779A (ja) 燃料電池システム
JP2017157282A (ja) 燃料電池システムの制御方法
JP2014127452A (ja) 燃料電池システム
JP6642197B2 (ja) 燃料電池システム
JP6335947B2 (ja) 燃料電池システムの停止制御方法
JP2016091971A (ja) 燃料電池システム
JP5722669B2 (ja) 燃料電池システムの制御方法
JP6774011B2 (ja) 燃料電池システム
JP6200009B2 (ja) 燃料電池システムの運転方法
JP2009076261A (ja) 燃料電池システム及びその起動方法
JP6136185B2 (ja) 燃料電池システム
JP6315714B2 (ja) 燃料電池システムの運転制御方法
JP2015201406A (ja) 燃料電池システム
JP2012129081A (ja) 燃料電池システムの運転方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160309

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160817

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20161222

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20170117

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170905

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170918

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 6222047

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151