JP6554906B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池が出力可能な出力電力の最大値を推定する燃料電池システムに関する。

電気化学反応により発電する燃料電池が知られており、この燃料電池は、通常、セルと呼ばれる最小構成単位を多数積層して燃料電池スタックを構成している。セルは、水素を供給されるアノード極と、空気中の酸素を供給されるカソード極と、のそれぞれの片側面に拡散層、触媒層が順に積層され、拡散層、触媒層が積層された面を内側にして中央に電解質を挟み込む構造になっている。アノード極とカソード極との電力の出力端子間には外部回路が接続され、外部回路には、モータなどの負荷が接続される。

このような燃料電池において、アノード極に供給された水素分子は、アノード極側の触媒層において活性な水素原子となり、さらに水素イオンとなって電子を放出する。この水素イオンは、電解質に含まれる水分を伴ってアノード極からカソード極側へと電解質中を移動し、放出された電子はアノード極に接続された外部回路を通じてカソード極へ移動する。この電子の移動により外部回路に接続された負荷に電流が流れる。一方、カソード極に供給された酸素分子は、触媒層において外部回路から移動してきた電子を受け取り酸素イオンとなり、電解質を移動してきた水素イオンと結合して水となる。

このように、燃料電池から電流が流れる際に、電解質には水分が必要となる。電解質の相対湿度が高ければ、電解質のイオン導電率も高くなることは一般的に知られている。しかし、水分が多すぎるとフラッディングという現象が起こり、水素ガスの移動を阻害することとなり、電流が流れにくくなる。このように、燃料電池は、電解質の乾燥状態により発電可能な電力が変化する。

また、氷点下のような低温条件下では、触媒層の活性が低いことや、電解質の導電性が低いことにより、燃料電池の発電可能な電力が少なくなる。

このように、燃料電池の発電可能な電力は、電解質の乾燥状態や温度により左右されるため、燃料電池から電力を供給させる場合、燃料電池が出力可能な電力の最大値が分からないと、燃料電池から過大な電流を引くことによる燃料電池の出力電圧の低下や、出力電力不足による負荷の動作不良などが発生する。

特許文献１には、燃料電池の温度とインピーダンスから求めた燃料電池の出力特性に基づいて、燃料電池が出力可能な電力の最大値を推定する技術が開示されている。

特開２００９−０９９３９３号公報

しかしながら、燃料電池の出力特性は、燃料電池の電解質の乾燥状態によっても変化するため、上述の特許文献１に記載の燃料電池システムのように、温度とインピーダンスに基づいて出力可能な電力の推定を行なったのでは、推定した電力と実際の電力との誤差が大きくなってしまう可能性がある。

そこで、本発明は、燃料電池の出力可能な電力を精度よく推定することができる燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記課題を解決する燃料電池システムの発明の一態様は、燃料ガスを電気化学的に反応させ電力を発生する燃料電池と、燃料電池の現在の発電電圧及び現在の発電電流を測定する動作点測定部と、燃料電池の電解質の乾燥状態に応じた複数の出力特性のマップを記憶する出力特性マップ記憶部と、動作点測定部の測定する現在の発電電圧値及び現在の発電電流値と出力特性マップ記憶部の情報に基づいて燃料電池が出力可能な電力を推定する出力可能電力推定部と、を備えたものである。

このように本発明の一態様によれば、燃料電池の出力可能な電力を精度よく推定することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その概念ブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その出力特性の例を示す図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その乾燥状態により変化する出力特性を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その出力可能な電力の推定方法を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを示す図であり、その出力可能電力推定処理の手順を示す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ついて詳細に説明する。
図１において、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した車両１は、モータ２と、インバータ３と、バッテリ４と、燃料電池スタック５と、ＤＣ（direct current）／ＤＣコンバータ６と、制御部としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）７と、を含んで構成される。

モータ２は、例えば、複数の永久磁石が埋め込まれたロータと、ステータコイルが巻きつけられたステータと、を備えた同期型モータで構成される。モータ２は、ステータコイルに三相交流電力が印加されることでステータに回転磁界が形成され、この回転磁界によりロータが回転して動力を生成する。モータ２の生成する動力は、不図示のトランスミッションにより変速され不図示の駆動輪に伝達され車両１を走行させる。また、モータ２は、車両１の減速時に、駆動輪側からモータ２側に動力が伝達されると、発電機として機能して回生電力を発生する。モータ２は、インバータ３に接続されている。

インバータ３は、三相交流電力をモータ２に供給してモータ２の出力トルクを制御する。インバータ３は、ＥＣＵ７の出力するトルク指令信号に従ってモータ２に供給する三相交流電力の電流量を制御してモータ２の出力トルクがトルク指令信号の指令トルクになるようにする。また、インバータ３は、モータ２から出力される三相交流電力を直流電力に変換してバッテリ４を充電する。

バッテリ４は、例えば、ニッケル蓄電池やリチウム蓄電池等からなり、複数のセルを直列に接続して構成されている。バッテリ４は、インバータ３を介してモータ２に電力を供給する。

燃料電池スタック５は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤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ーを直接取り出すものである。燃料電池スタック５には、燃料電池スタック５の発電電圧値や発電電流値などを検出する動作点測定部５１が設けられている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、燃料電池スタック５の発電した電力をモータ２に適合するように変換するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、ＥＣＵ７の制御により入出力の電力を制御するようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、入力電流値や入力電圧値などを示す信号をＥＣＵ７に送信するようになっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力電力の制御により、燃料電池スタック５の出力電力が制御される。

ＥＣＵ７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートと、ネットワークモジュールとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。

ＥＣＵ７のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをＥＣＵ７として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、ＥＣＵ７において、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、ＥＣＵ７として機能する。

ＥＣＵ７の入力ポートには、上述の動作点測定部５１と、不図示の車速センサと、アクセル開度センサとを含む各種センサ類が接続されている。一方、ＥＣＵ７の出力ポートには、インバータ３と、バッテリ４と、燃料電池スタック５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とを含む各種制御対象類が接続されている。車速センサは、車両１の車速を検出するものである。アクセル開度センサは、運転者の操作するアクセルペダルの操作量をアクセル開度として検出するものである。

ＥＣＵ７は、車速センサの検出する車速やアクセル開度センサの検出するアクセル開度に基づいて、必要なモータ２の出力トルクを算出し、インバータ３にトルク指令信号を送信してモータ２に必要なトルクを出力させて車両１の走行を制御する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電力を制御してインバータ３に供給する電力を制御する。

ここで、一般的な燃料電池スタック５の発電の電圧−電流特性は、図２に示すように、電流の増加とともに電圧が低下する特性を示す。低電流領域においては、アノード極及びカソード極において、それぞれ水素分子及び酸素分子が触媒反応によりイオン化するための活性化エネルギーが支配的に寄与して、燃料電池スタック５の電圧が低下する。一方、高電流領域においては、アノード極及びカソード極への水素及び酸素の供給速度に律速されるために電圧の降下が起こる。加えて、水素イオンが電解質を移動する際の抵抗によるオーム損失に起因して、電流の増加とともに電圧が低下する。

ここで、電解質が乾燥状態にある場合、オーム損失の増加により燃料電池スタック５の発電特性は、図３に示すように低下する。

ＥＣＵ７は、燃料電池スタック５の複数の出力特性に基づいて、燃料電池スタック５が出力可能な電力を推定する。

ＥＣＵ７は、出力可能電力推定部７１と、出力特性マップ記憶部７２と、を備えている。出力特性マップ記憶部７２は、例えば、ＥＣＵ７のＲＯＭにより構成される。出力特性マップ記憶部７２は、例えば、電解質の乾燥状態の異なる、図４に示すような複数の出力特性を記憶している。

出力可能電力推定部７１は、動作点測定部５１によって測定される発電電圧値及び発電電流値と、出力特性マップ記憶部７２に記憶された出力特性とに基づいて、燃料電池スタック５の出力可能な電力を推定する。

図４において、ＰＯＬ_Ｈは、燃料電池スタック５の運用上において最も電解質が湿潤である状態（最も良い特性）の出力特性である。ＰＯＬ_Ｌは、燃料電池スタック５の運用上において最も電解質が乾燥している状態（最も悪い特性）の出力特性である。ＰＯＬ_Ｍは、中間の状態の出力特性である。ここで、各出力特性ＰＯＬ_Ｈ、ＰＯＬ_Ｌ、ＰＯＬ_Ｍは、予め実験等によって求められ、出力特性マップ記憶部７２に記憶されている。

出力可能電力推定部７１は、動作点測定部５１によって測定される発電電圧値をＶ_０、発電電流値をＩ_０としたとき、燃料電池スタック５の出力可能電流値をＩ_ＬＭＴとすると、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴでの出力電圧値Ｖ_ＥＳＴを推定する。ここで、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴは、燃料電池スタック５が出力可能な最大の電流値であり、燃料電池スタック５の特性で予め決まっている。出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴは、ＥＣＵ７のＲＯＭに記憶されている。

出力可能電力推定部７１は、発電電流値Ｉ_０でのＰＯＬ_Ｌ上の電圧値をＶ_Ｌ−０、ＰＯＬ_Ｈ上の電圧値をＶ_Ｈ−０とし、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴでのＰＯＬ_Ｌ上の電圧値をＶ_{Ｌ−ＬＭＴ}、ＰＯＬ_Ｈ上の電圧値をＶ_{Ｈ−ＬＭＴ}とした場合、以下の式（１）の関係から式（２）により出力電圧値Ｖ_ＥＳＴを推定する。
Ｖ_０−Ｖ_Ｌ−０：Ｖ_Ｈ−０−Ｖ_０＝Ｖ_ＥＳＴ−Ｖ_{Ｌ−ＬＭＴ}：Ｖ_{Ｈ−ＬＭＴ}−Ｖ_ＥＳＴ...（１）
Ｖ_ＥＳＴ＝｛（Ｖ_０−Ｖ_Ｌ−０）×Ｖ_{Ｈ−ＬＭＴ}＋（Ｖ_Ｈ−０−Ｖ_０）×Ｖ_{Ｌ−ＬＭＴ}｝／（Ｖ_Ｈ−０−Ｖ_Ｌ−０）...（２）

このように、複数の出力特性ＰＯＬ_Ｈ、ＰＯＬ_Ｌ、ＰＯＬ_Ｍに基づいて、現在の発電電流値Ｉ_０における各出力特性での電圧値Ｖ_Ｌ−０、Ｖ_Ｈ−０と現在の発電電圧値Ｖ_０との関係から出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴでの出力電圧値Ｖ_ＥＳＴを推定しているので、燃料電池スタック５の出力可能な電力値を精度よく推定することができる。

また、出力特性の数を増やすことで、より精度良く燃料電池スタック５の出力可能な電力値を推定することができる。

また、この推定処理を所定の時間間隔で繰り返すため、インバータ３などの車両負荷により要求される電流が高くなり燃料電池スタック５の出力が最大値に近づくほど、実際の出力可能な電力値と推定される出力可能電力値との誤差が少なくなる。

このため、燃料電池スタック５から過大な電流を引くことを避けることができ、また、車両負荷に十分な電力を供給することができ、車両負荷を好適に制御することができる。

以上のように構成された本実施形態に係る燃料電池システムによる出力可能電力推定処理について、図５を参照して説明する。なお、以下に説明する出力可能電力推定処理は、ＥＣＵ７の動作が開始すると開始され、予め設定された時間間隔で実行される。

まず、出力可能電力推定部７１は、動作点測定部５１により現在の発電電圧値Ｖ_０と現在の発電電流値Ｉ_０を測定する（ステップＳ１）。

次いで、出力可能電力推定部７１は、出力特性マップ記憶部７２に記憶された出力特性ＰＯＬ_Ｈにおける、発電電流値Ｉ_０のときの電圧値Ｖ_Ｈ−０を算出する（ステップＳ２）。

次いで、出力可能電力推定部７１は、出力特性マップ記憶部７２に記憶された出力特性ＰＯＬ_Ｌにおける、発電電流値Ｉ_０のときの電圧値Ｖ_Ｌ−０を算出する（ステップＳ３）。

次いで、出力可能電力推定部７１は、出力特性マップ記憶部７２に記憶された出力特性ＰＯＬ_Ｈにおける、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴのときの電圧値Ｖ_{Ｈ−ＬＭＴ}を算出する（ステップＳ４）。

次いで、出力可能電力推定部７１は、出力特性マップ記憶部７２に記憶された出力特性ＰＯＬ_Ｌにおける、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴのときの電圧値Ｖ_{Ｌ−ＬＭＴ}を算出する（ステップＳ５）。

次いで、出力可能電力推定部７１は、現在の乾燥状態での出力特性における、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴのときの電圧値Ｖ_ＥＳＴを上述の式（２）により算出する（ステップＳ６）。

そして、算出した電圧値Ｖ_ＥＳＴと出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴとから出力可能電力を推定して（ステップＳ７）、処理を終了する。

なお、上述したフローにおいて、ステップＳ４からステップＳ７の処理を、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴに仮の値を代入して、予め設定された値だけ連続的に変更して出力可能電力を複数算出し、複数の出力可能電力のうちの最大値を出力可能電力と推定する構成でもよい。

また、推定された出力可能電力となるように発電電流及び発電電圧が制御されて発電電流が上昇する過程においても、上述の出力可能電力推定処理を繰り返すことで、発電電流が出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴに近づくにつれ、推定される出力可能電力と実際の出力可能電力との誤差が減少する。

また、本実施形態においては、乾燥状態に基づく出力特性により電圧値Ｖ_ＥＳＴを推定したが、燃料電池スタック５の温度も考慮した出力特性を用いてもよい。例えば、温度ごとに乾燥状態に基づく出力特性を出力特性マップ記憶部７２に記憶しておき、燃料電池スタック５の温度に対応した乾燥状態に基づく出力特性により電圧値Ｖ_ＥＳＴを推定するようにしてもよい。

このように、上述の実施形態では、燃料電池スタック５の現在の発電電圧及び現在の発電電流を測定する動作点測定部５１と、燃料電池スタック５の複数の出力特性を記憶する出力特性マップ記憶部７２と、動作点測定部５１の測定する現在の発電電圧値Ｖ_０及び現在の発電電流値Ｉ_０と出力特性マップ記憶部７２の情報に基づいて燃料電池スタック５が出力可能な電力を推定する出力可能電力推定部７１と、を備える。

これにより、現在の発電電圧値Ｖ_０及び現在の発電電流値Ｉ_０と、燃料電池スタック５の乾燥状態や温度などを加味した出力特性と、に基づいて燃料電池スタック５の出力可能な電力が推定される。このため、燃料電池スタック５の乾燥状態や温度などを検出することなく、燃料電池スタック５の出力可能な電力を精度よく推定することができる。

また、出力可能電力推定部７１は、現在の発電電流値Ｉ_０に対応する各出力特性における電圧値Ｖ_Ｈ−０、Ｖ_Ｌ−０と、出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴに対応する各出力特性における電圧値Ｖ_{Ｈ−ＬＭＴ}、Ｖ_{Ｌ−ＬＭＴ}と、現在の発電電圧値Ｖ_０と、に基づいて燃料電池スタック５が出力可能な電力を推定する。

これにより、実際の発電電圧値Ｖ_０と、実際の発電電流値Ｉ_０に対応する各出力特性における電圧値Ｖ_Ｈ−０、Ｖ_Ｌ−０と、推定する出力可能電流値Ｉ_ＬＭＴに対応する各出力特性における電圧値Ｖ_{Ｈ−ＬＭＴ}、Ｖ_{Ｌ−ＬＭＴ}と、に基づいて燃料電池スタック５の出力可能な電力が推定される。このため、燃料電池スタック５の出力可能な電力を精度よく推定することができる。

本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。

１ 車両
５ 燃料電池スタック
７ ＥＣＵ
５１ 動作点測定部
７１ 出力可能電力推定部
７２ 出力特性マップ記憶部

Claims (4)

1. 燃料ガスを電気化学的に反応させ電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池の現在の発電電圧及び現在の発電電流を測定する動作点測定部と、
   前記燃料電池の電解質の乾燥状態に応じた複数の出力特性のマップを記憶する出力特性マップ記憶部と、
   前記動作点測定部の測定する現在の発電電圧値及び現在の発電電流値と前記出力特性マップ記憶部の情報に基づいて前記燃料電池が出力可能な電力を推定する出力可能電力推定部と、を備えた燃料電池システム。
2. 前記出力可能電力推定部は、前記現在の発電電流値に対応する前記複数の出力特性のマップそれぞれにおける電圧値と、前記燃料電池の出力可能電流値に対応する前記複数の出力特性のマップそれぞれにおける電圧値と、前記現在の発電電圧値と、に基づいて前記燃料電池が出力可能な電力を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記出力可能電力推定部は、前記複数の出力特性のマップそれぞれの電圧−電流座標面への写像である特性曲線間の線形性に基づき、前記現在の発電電圧と前記現在の発電電流との組により定義される現在の動作点から、前記出力特性マップ記憶部に記憶された発電可能電流に対応する発電可能電圧を推定して、前記燃料電池の出力可能電力を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記出力特性マップ記憶部は、少なくとも前記燃料電池の電解質が乾燥状態の時の第１の出力特性曲線と、前記燃料電池の電解質が湿潤状態の時の第２の出力特性曲線と、を記憶し、
   前記動作点測定部は、測定された第１の発電電圧と第１の発電電流との組により第１の動作点を求め、
   前記出力可能電力推定部は、前記第１の発電電流における、前記第１の出力特性曲線上の発電電圧と前記第１の発電電圧との差と、前記第２の出力特性曲線上の発電電圧と前記第１の発電電圧との差と、の比に基づいて、第２の動作点を定める前記燃料電池の発電可能電流における、前記第１の出力特性曲線上の発電電圧と前記第２の出力特性曲線上の発電電圧とから、前記燃料電池が出力可能な電力を示す第２の動作点を推定する請求項１に記載の燃料電池システム。
   
   

Images