JP6423249B2 - 燃料電池システムおよび最大電力算出方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび最大電力算出方法に関する。

従来より、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。かかる燃料電池システムの燃料電池のカソード極側には酸化ガスとしての空気が供給され、燃料電池のアノード極側には燃料ガスとしての水素ガスが供給され、これら空気と水素ガスとの電気化学反応により、電力が生成される。

このような燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電効率を向上させるために、燃料電池の電流電圧特性（以下、「Ｉ−Ｖ特性」ともいう。）を推定し、そのＩ−Ｖ特性に基づいて燃料電池の出力を決定する制御がなされている（特許文献１参照）。

特開２００３−３４６８４９号公報

ところで、Ｉ−Ｖ特性は、燃料電池の運転状態や運転環境によって変動するため、定期的にＩ−Ｖ特性の値を更新することで、その変動により生ずる誤差を軽減することができる。しかしながら、このようなＩ−Ｖ特性の更新機能を有する燃料電池システムにおいて、例えば、燃料電池の運転状態が間欠運転に移行した場合には、発電状態が低下することになるため、燃料電池のＩ−Ｖ特性の値が、発電状態が低下したときの値に更新される。Ｉ−Ｖ特性の値が低下するとは、同一運転条件において、電流Ｉに対する電圧Ｖの値が低下することをいう。

間欠運転は、例えばアイドリング時、低速走行時又は回生制動時等のように、一時的に移行する運転状態であり、短時間で通常運転に戻ることが多い。このような間欠運転時にＩ−Ｖ特性の値が更新され、その後、通常運転が再開された場合には、Ｉ−Ｖ特性の値が次に更新されるまでは、発電状態が低下したときのＩ−Ｖ特性に基づいて燃料電池が制御されることとなる。この場合、実際に燃料電池で出力可能な最大電力よりも小さな電力が、燃料電池の最大電力として算出され、制御されることとなる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池で出力可能な最大電力の算出誤差を軽減させることができる燃料電池システムおよび最大電力算出方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を計測する計測手段と、前記計測手段により計測される前記出力電流および前記出力電圧に基づいて、前記燃料電池の出力特性を更新する出力特性更新手段と、前記出力特性を用いて、前記燃料電池において出力可能な最大電力を算出する最大電力算出手段と、前記出力特性の値が一時的に低下することが想定される想定状況下であるか否かを判定する判定手段と、を備え、前記最大電力算出手段は、前記判定手段により、前記想定状況下であると判定されている間は、当該想定状況下に移行する直前に、前記出力特性更新手段により更新された前記出力特性を用いて、前記最大電力を算出するものである。

また、本発明に係る電流電圧特性推定方法は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池で出力可能な最大電力を算出する方法であって、前記燃料電池の出力電流および出力電圧を計測する計測工程と、前記計測工程において計測される前記出力電流および前記出力電圧に基づいて、前記燃料電池の出力特性を更新する出力特性更新工程と、前記出力特性を用いて、前記最大電力を算出する最大電力算出工程と、前記出力特性の値が一時的に低下することが想定される想定状況下であるか否かを判定する判定工程と、を含み、前記最大電力算出工程は、前記判定工程において、前記想定状況下であると判定されている間は、当該想定状況下に移行する直前に、前記出力特性更新工程において更新された前記出力特性を用いて、前記最大電力を算出する、ものである。

かかる構成および方法を採用することにより、計測手段により計測される出力電流および出力電圧に基づいて、燃料電池の出力特性を随時更新し、その更新した出力特性を用いて、燃料電池において出力可能な最大電力を算出することができる一方、出力特性の値が一時的に低下することが想定される想定状況下であると判定されている間は、想定状況下に移行する直前に更新された出力特性を用いて、最大電力を算出することが可能となる。

前記燃料電池システムにおいて、前記最大電力算出手段により算出される前記最大電力が制限されている場合に、前記最大電力が制限されていることをユーザに告知する告知手段を、さらに備えることができる。

前記燃料電池システムにおいて、前記想定状況下は、少なくとも、前記燃料電池の発電を一時的に休止し、前記反応ガスの供給を間欠的に行う間欠運転中、前記反応ガスの供給が不足している状態での運転中、または、前記出力電圧が想定値以下に低下している間、のいずれかであることとしてもよい。

本発明によれば、燃料電池で出力可能な最大電力の算出誤差を軽減させることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１の燃料電池システムの最大電力算出方法を説明するためのフローチャートである。 図１の燃料電池システムの最大電力算出方法を説明するためのフローチャートである。 図１の燃料電池システムの最大電力算出方法を説明するためのフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態に係る燃料電池システムは、移動体としての燃料電池自動車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）に搭載された発電システムである。

まず、図１を用いて、本実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００を搭載した車両の概略構成である。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型等種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡ等を備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池４０の実運転動作点における出力電流および出力電圧は、それぞれ電流センサ１４０および電圧センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源１０から水素ガス等の燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源７０から空気等の酸化ガスが供給される。

燃料ガス供給源１０は、例えば水素タンクや各種の弁等から構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間等を調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。酸化ガス供給源７０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータ等から構成され、このモータの回転数等を調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。

バッテリ６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリ等により構成されている。バッテリ６０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ６０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ１１０に並列接続されており、バッテリ６０とインバータ１１０との間にはＤＣ／ＤＣコンバータ１３０が設けられている。

インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置８０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ６０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ１１５に供給する。トラクションモータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのモータであり、このモータの回転数はインバータ１１０によって制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、バッテリ６０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能と、燃料電池４０等から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０側に出力する機能と、を有する。かかるＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０としては、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路によって構成されたフルブリッジ・コンバータを採用することができる。

バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０との間には、車両補機やＦＣ補機等の補機類１２０が接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時等に使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプ等）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプ等）をいう。

制御装置８０は、演算処理装置としてのＣＰＵ、メモリとしてのＲＯＭおよびＲＡＭ等により構成され、ＦＣ電圧を検出する電圧センサ１５０（計測手段）、ＦＣ電流を検出する電流センサ１４０（計測手段）、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ（不図示）、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサ（不図示）等から入力される各センサ信号に基づき、燃料電池システム１００の各部を統合的に制御する。

制御装置８０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号を受信すると、燃料電池４０の運転を開始し、燃料電池４０の出力電圧および出力電流を電圧センサ１５０および電流センサ１４０から所定の演算周期ごとに取得し、燃料電池４０のＩ−Ｖ特性マップを逐次更新する機能（出力特性更新手段）を有する。例示的に、制御装置８０は、燃料電池４０の電圧が電流の関数（一次関数または所定の数次関数）として表せるものと仮定し、最小二乗法等による推定方法を用い、Ｉ−Ｖ特性マップを作成する。制御装置８０は、このＩ−Ｖ特性マップに基づいて電流電力特性（以下、「Ｉ−Ｐ特性」ともいう。）マップを逐次更新する。ここで、Ｉ−Ｐ特性マップは、Ｉ−Ｖ特性マップに基づいて一義的に定まることが知られている。本明細書では、Ｉ−Ｖ特性マップまたはＩ−Ｐ特性マップのいずれか一方または両方を総称して、燃料電池４０の出力特性マップと称する。Ｉ−Ｖ特性マップおよびＩ−Ｐ特性マップは、メモリ内に格納される。

制御装置８０は、出力特性マップに基づいて、燃料電池４０とバッテリ６０とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池４０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系および燃料ガス供給系を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を制御して、燃料電池４０の出力電圧を調整することにより、燃料電池４０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。

制御装置８０は、出力特性マップの値が一時的に低下することが想定される状況（以下、「想定状況」という。）下であるか否かを判定する機能（判定手段）を有する。想定状況下としては、例えば、間欠運転中、エア欠乏状態での運転中、電圧の異常低下状態等がある。

間欠運転とは、燃料電池４０の発電を一時的に休止し、反応ガスの供給を間欠的に行う運転である。エア欠乏状態での運転とは、酸化ガスの供給が不足している状態での運転をいい、例えば、急速暖機運転が該当する。電圧の異常低下状態とは、燃料電池４０のセル電圧またはスタック電圧が想定電圧以下の状態であることをいう。想定電圧以下は、燃料電池４０のセルが劣化すると想定される範囲に対して設定する。

制御装置８０は、出力特性マップを用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出する機能（最大電力算出手段）を有する。この機能における制御装置８０は、想定状況下である間は、想定状況下に移行する直前に更新された出力特性マップを用いて、最大電力を算出する。つまり、制御装置８０は、想定状況下である間は、出力特性マップの更新を中止する。

なお、出力特性マップは一つであることには限定されず、例えば、随時更新を継続する出力特性マップと、想定状況下になると更新を中断する出力特性マップとを用意し、想定状況下であるか否かに応じて、最大電力を算出する際に使用する出力特性マップを切り替えることとしてもよい。

制御装置８０は、算出した最大電力が、本来出力可能な最大電力よりも制限されている場合に、最大電力が制限されていることを運転者に告知する機能（告知手段）を有する。最大電力が制限される場合としては、例えば、発電状態の悪化に起因して燃料電池４０の出力電流を制限する出力制限処理が実施される場合が該当する。出力制限処理が実施される条件としては、例えば、燃料電池４０の温度が安定領域よりも高い温度であること、燃料ガスの残量が注意を要する領域まで低下したこと、燃料電池４０のスタックの水分状態が過度に乾燥した状態にあることがある。

運転者への告知は、表示装置に、最大電力が制限されている旨を表示することとしてもよいし、スピーカーから、最大電力が制限されている旨を知らせる音声や音を出力することとしてもよい。

次に、図２〜図４を参照して、制御装置８０による最大電力算出機能について具体的に説明する。図２は、想定状況が間欠運転である場合の処理手順を例示するフローチャートである。この処理手順は、燃料電池４０の運転開始から運転停止までの間、繰り返し実行される。

最初に、制御装置８０は、間欠運転を実施しているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。この判定がＹＥＳである場合に、制御装置８０は、間欠運転を実施する直前に更新された出力特性マップを用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出する（ステップＳ１０２）。

一方、上記ステップＳ１０１において、間欠運転を実施していないと判定された場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）に、制御装置８０は、所定の演算周期ごとに随時更新している最新の出力特性マップを用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出する（ステップＳ１０３）。

ここで、出力可能な最大電力を算出する方法は、公知の手法を適宜用いることができる。以下に、例示的に説明する。

最初に、制御装置８０は、運転者のアクセル操作等の運転操作に基づいて出力される出力要求に基づいて、燃料電池４０の出力目標電力を決定する。続いて、制御装置８０は、Ｉ−Ｐ特性マップに基づいて、出力目標電力に対応する出力目標電流を取得する。続いて、制御装置８０は、Ｉ−Ｖ特性マップに基づいて、出力目標電流に対応する出力目標電圧を取得する。これにより、制御装置８０は、出力目標電流と出力目標電圧とに基づいて最大電力を算出することができる。

また、出力制限処理が実施されている場合には、例えば、以下のように、出力可能な最大電力を算出する。制御装置８０は、Ｉ−Ｖ特性マップに基づいて、出力制限された目標電流に対応する出力目標電圧を取得する。これにより、制御装置８０は、出力制限された目標電流と出力目標電圧とに基づいて最大電力を算出することができる。

図３は、想定状況がエア欠乏状態での運転中である場合の処理手順を例示するフローチャートである。この処理手順は、燃料電池４０の運転開始から運転停止までの間、繰り返し実行される。

最初に、制御装置８０は、エア欠乏状態での運転中であるか否かを判定する（ステップＳ２０１）。この判定がＹＥＳである場合に、制御装置８０は、エア欠乏状態での運転に移行する直前に更新された出力特性マップを用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出する（ステップＳ２０２）。

一方、上記ステップＳ２０１において、エア欠乏状態での運転ではないと判定された場合（ステップＳ２０１；ＮＯ）に、制御装置８０は、所定の演算周期ごとに随時更新している最新の出力特性マップを用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出する（ステップＳ２０３）。

図４は、想定状況が電圧の異常低下状態に該当する場合の処理手順を例示するフローチャートである。この処理手順は、燃料電池４０の運転開始から運転停止までの間、繰り返し実行される。

最初に、制御装置８０は、電圧の異常低下状態に該当するか否かを判定する（ステップＳ３０１）。この判定がＹＥＳである場合に、制御装置８０は、電圧の異常低下状態に該当する直前に更新された出力特性マップを用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出する（ステップＳ３０２）。

一方、上記ステップＳ３０１において、電圧の異常低下状態に該当しないと判定された場合（ステップＳ３０１；ＮＯ）に、制御装置８０は、所定の演算周期ごとに随時更新している最新の出力特性マップを用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出する（ステップＳ３０３）。

以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、電流センサ１４０および電圧センサ１５０により計測される出力電流および出力電圧に基づいて、燃料電池４０の出力特性を随時更新し、その更新した出力特性を用いて、燃料電池４０において出力可能な最大電力を算出することができる一方、出力特性の値が一時的に低下することが想定される想定状況下であると判定されている間は、想定状況下に移行する直前に更新された出力特性を用いて、最大電力を算出することが可能となる。

それゆえ、実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池４０で出力可能な最大電力の算出誤差を軽減させることができる。

なお、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池自動車に搭載した例を示したが、燃料電池自動車以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。

１０…燃料ガス供給源、４０…燃料電池、５０…温度センサ、６０…バッテリ、７０…酸化ガス供給源、８０…制御装置、１００…燃料電池システム、１１０…インバータ、１１５…トラクションモータ、１２０…補機類、１３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４０…電流センサ、１５０…電圧センサ。

Claims (4)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の出力電流および出力電圧を計測する計測手段と、
   前記計測手段により計測される前記出力電流および前記出力電圧に基づいて、前記燃料電池における電流および電力の特性を示す第１の出力特性マップおよび前記燃料電池における電流および電圧の特性を示す第２の出力特性マップを所定の演算周期ごとに逐次更新する出力特性更新手段と、
   前記燃料電池の出力目標電力に対応する出力目標電流を前記第１の出力特性マップから取得し、当該取得した前記出力目標電流に対応する出力目標電圧を第２の前記出力特性マップから取得し、当該取得した前記出力目標電流および前記出力目標電圧に基づいて、前記燃料電池において出力可能な最大電力を算出する最大電力算出手段と、
   前記燃料電池の発電を一時的に休止し、前記反応ガスの供給を間欠的に行う間欠運転中、前記反応ガスである酸化ガスの供給が不足しているエア欠乏状態での運転中、または、前記出力電圧が想定値以下に低下している電圧の異常低下状態のいずれかに該当する場合に、前記第２の出力特性マップにおいて前記燃料電池の電流に対する電圧の値が一時的に低下することが想定される想定状況下であると判定する判定手段と、
   前記燃料電池の発電量が、前記出力目標電力に一致するように、前記燃料電池の運転ポイントを制御する手段と、を備え、
   前記最大電力算出手段は、前記判定手段により、前記想定状況下であると判定されている間は、当該想定状況下に移行する直前に、前記出力特性更新手段により更新された前記第１の出力特性マップおよび前記第２の出力特性マップを用いて、前記最大電力を算出する、
   燃料電池システム。
2. 発電状態の悪化に起因して前記出力電流を制限する出力制限処理が実施されている場合に、前記最大電力が制限されていることをユーザに告知する告知手段を、さらに備える、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池で出力可能な最大電力を算出する方法であって、
   前記燃料電池の出力電流および出力電圧を計測する計測工程と、
   前記計測工程において計測される前記出力電流および前記出力電圧に基づいて、前記燃料電池における電流および電力の特性を示す第１の出力特性マップおよび前記燃料電池における電流および電圧の特性を示す第２の出力特性マップを所定の演算周期ごとに逐次更新する出力特性更新工程と、
   前記燃料電池の出力目標電力に対応する出力目標電流を前記第１の出力特性マップから取得し、当該取得した前記出力目標電流に対応する出力目標電圧を前記第２の出力特性マップから取得し、当該取得した前記出力目標電流および前記出力目標電圧に基づいて、前記最大電力を算出する最大電力算出工程と、
   前記燃料電池の発電を一時的に休止し、前記反応ガスの供給を間欠的に行う間欠運転中、前記反応ガスである酸化ガスの供給が不足しているエア欠乏状態での運転中、または、前記出力電圧が想定値以下に低下している電圧の異常低下状態のいずれかに該当する場合に、前記第２の出力特性マップにおいて前記燃料電池の電流に対する電圧の値が一時的に低下することが想定される想定状況下であると判定する判定工程と、
   前記燃料電池の発電量が、前記出力目標電力に一致するように、前記燃料電池の運転ポイントを制御する手段と、を含み、
   前記最大電力算出工程は、前記判定工程において、前記想定状況下であると判定されている間は、当該想定状況下に移行する直前に、前記出力特性更新工程において更新された前記第１の出力特性マップおよび前記第２の出力特性マップを用いて、前記最大電力を算出する、
   最大電力算出方法。
4. 発電状態の悪化に起因して前記出力電流を制限する出力制限処理が実施されている場合に、前記最大電力が制限されていることをユーザに告知する告知工程を、さらに含む、
   請求項３に記載の最大電力算出方法。

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