JP6668918B2

JP6668918B2 - 燃料電池の制御方法

Info

Publication number: JP6668918B2
Application number: JP2016088216A
Authority: JP
Inventors: 将宏河本
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2016-04-26
Filing date: 2016-04-26
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2036-04-26
Also published as: JP2017199508A

Description

本発明は、例えば車両用の駆動モータに、電流を供給する燃料電池の制御方法に関する。

燃料電池は、積層されている複数の燃料電池セルを備えており、これらの燃料電池セルのそれぞれで発電している。また、当該燃料電池には、駆動輪を駆動するための駆動モータの動力源として、車両に搭載されているものがある。

複数の燃料電池セルのうち、１つでも発電不能になると、燃料電池全体が発電効率は低下してしまう。車両搭載用の燃料電池に限らず、燃料電池の発電効率の低下を防ぐために、燃料電池を制御する必要がある。１つのセルの発電低下に対応するように制御する方法として、例えば、特許文献１に開示されているように、複数の燃料電池セルにおける最低セル電圧と、目標セル電圧の差分に応じて出力を制限し、燃料電池セルが低電圧状態で保持されないように制御する技術が知られている。

特開２００３−１８７８４２号公報

ところが、上記例のような制御方法では、目標セル電圧を一定とした場合に、逐次変化するセル性能に応じて、適切な制限を行うことが困難になる場合がある。例えば、セルの性能が大きく低下しているときに、過度な出力要求を許容してしまうと、セル電圧が不安定になる可能性がある。また、出力可能な状態であるのにもかかわらず、出力が制限されてしまうようなことが発生してしまう。

出力減少時と増加時では、通常、燃料電池の応答性が異なる。これに対して、同条件で出力を変化させてしまうと、出力減少時に電圧が迅速に回復しない可能性があり、また、出力増加時においては、電圧がオーバーシュートして、一時的に電圧低下が発生する可能性もある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、複数の燃料電池セルにおける最低セル電圧等の電圧値に基づいて、燃料電池セルの出力電流値を制限し、燃料電池セルが低電圧状態で保持されないように制御できるようにすることである。

上記目的を達成するため本発明に係る燃料電池の制御方法は、駆動モータに、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電流を供給する。前記燃料電池は、複数の燃料電池セルを備えており、該燃料電池セルのセル電圧が測定されることにより、最高セル電圧と最低セル電圧が設定されており、前記燃料電池セルには、限界低電圧と目標セル電圧差が設定され、前記限界低電圧は、所定の電流を供給する電圧の低い側の限界値として設定され、前記目標セル電圧差は、前記最高セル電圧と、前記最高セル電圧よりも低い下限電圧との間の電圧差として設定され、該下限電圧は、前記最高セル電圧の変動に対応して変動するように設定された電圧であって、電流を安定供給可能となる電圧の下限値として設定されている。当該制御方法は、前記最高セル電圧と前記最低セル電圧との差分電圧を算出し、前記最低セル電圧値が前記燃料電池に定められている第１の閾値よりも小さく、且つ前記差分電圧が前記燃料電池に定められている第２の閾値よりも大きいと判定された場合には、前記目標セル電圧差と、前記差分電圧との偏差に基づいて、第１の電流値を決定する工程と、前記最低セル電圧と前記限界低電圧の偏差に基づいて、第２の電流値を決定する工程と、前記第１の電流値及び前記第２の電流値のうち、小さい方の電流値を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電流の最大値として設定する工程を有する。

また、本発明に係る燃料電池の制御方法の一態様では、前記駆動モータから要求される負荷が増大する時と、前記負荷が減少する時とでは、前記負荷の要求に対する応答性を異なるように設定する。

本発明によれば、燃料電池セルの水分状態にかかわらず、電圧の安定した領域で発電を行うことができる。また、使用時間の増加に伴い燃料電池全体が劣化した場合であっても、適切な電流制御が可能となる。

また、本発明の一態様によれば、燃料電池のセル電圧低下が発生したときに、燃料電池セルが低電圧状態に長時間保持されることを抑制できる。また、急激な負荷増大時においても、電圧のオーバーシュートによる一時的な限界低電圧の超過を防ぐことが可能となる。

本発明に係る燃料電池の作動原理を模式的に示す概略断面図である。本発明に係る燃料電池の電流−電圧特性の一例を示すグラフである。フラッディングが発生しているときの燃料電池セルの電圧挙動を示すグラフである。本発明に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図４のシステムの燃料電池が、駆動モータに供給する電流を制御する手順を示すフローチャートである。図４の燃料電池の電流−電圧特性を示すグラフであり、図５のフローチャートで算出された第１の電流値及び第２の電流値の例を示している。図４の燃料電池の所定時間に対する電流、電圧、及び、所定時間に対するインバータ（駆動モータ）からの負荷要求を示すグラフである。

以下、本発明に係る燃料電池の制御方法の一実施形態について、図面（図１〜図７）を参照して説明する。

本実施形態の燃料電池１０が搭載されている燃料電池システムは、燃料電池１０、駆動モータ２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、インバータ２４、ＥＣＵ２２、２次電池２５を有している。図４のブロック図に示すように、駆動モータ２１にはインバータ２４が電気的に接続され、インバータ２４から、駆動モータ２１に電流が供給される。インバータ２４には、例えば高電圧バッテリ等の２次電池２５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が電気的に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３には、燃料電池１０が電気的に接続されている。

ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）２２は、当該システムの制御部であり、燃料電池１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、２次電池２５、及びインバータ２４に電気的に接続され、これらを制御している。また、ＥＣＵ２２は、燃料電池セル１１の燃料電池セル１１のセル電圧や電流を受信可能であり、燃料電池１０がＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力する電流を制御することができる。なお、詳細は省略しているが、当該システムは、燃料電池１０の燃料電池セル１１のセル電圧や電流を測定する測定部を備えており、当該測定部で測定した電圧値等を、ＥＣＵ２２が読み取るように構成されている。

ここで、燃料電池１０の構造及び発電原理について図１を用いて説明する。なお、図１では、燃料電池１０における１つの燃料電池セル１１を示している。また、外部回路１９は、概略的に示しており、図４で示されている他の部材等の図示は省略している。また、外部回路１９の負荷２０については、図１では特に詳細に示していないが、例えば図４における駆動モータ２１に相当する。

車両に搭載される燃料電池システムは、電気化学反応により発電し、それに付随して水が生成される。燃料電池システムの燃料電池１０は、最小構成単位となる燃料電池セル１１を多数積層して、燃料電池スタックを構成している。固体高分子型の燃料電池１０の一例として、図１に示すように、燃料電池セル１１は、水素及び空気（酸素）をそれぞれ供給するアノード極１２及びカソード極１３を備えており、これらの間に挟まれている拡散層１４ａ，１４ｂ、反応活性化のための触媒層１５ａ，１５ｂ、及び中央に水素イオンを選択的に透過させる電解質膜１８を有している。アノード極１２と、電解質膜１８との間には、拡散層１４ａ及び触媒層１５ａが配置されている。カソード極１３と電解質膜１８との間にも、拡散層１４ｂ及び触媒層１５ｂが配置されている。

アノード極１２に供給された水素分子は、アノード極１２の電解質膜１８の表面にある触媒層１５ａ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。これは、下記の式（１）で表すことができる。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻…式（１）

式（１）により、発生した水素イオンは、電解質膜１８に含まれる水分を伴ってアノード極１２の側からカソード極１３の側へと電解質膜１８中を移動し、電子は外部回路１９を通じてカソード極１３に移動する。この電子の移動により、外部回路１９に介装された負荷２０、例えば、車両の走行用の駆動モータ２１（図４）に電流が流れる。外部回路１９は、概略的に示しているが、アノード極１２とカソード極１３とを、負荷２０を介して電気的に接続している。

一方、カソード極１３では、触媒層１５ｂにおいて外部回路１９から供給された電子と電解質膜１８を通して移動してきた水素イオンと空気中の酸素分子が結合して水となる。これは、下記の式（２）で表すことができる。
1/2 Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ…式（２）

このように生成した水分の一部は濃度拡散によってアノード極１２へと移動し、燃料電池セル１１を通過する空気または水素とともに、燃料電池セル１１の外へ排出される。固体高分子型の燃料電池１０の性能は、燃料電池セル１１の水分量に依存する。供給側の相対湿度が低ければ、燃料電池セル１１は乾燥してイオン電導性が低下する。排水性が低下すると、燃料電池セル１１の内部に水分が溜り（フラッディング）供給ガスの拡散が阻害され、性能が悪化する。

次に、燃料電池１０における電流‐電圧特性について、図２のグラフを用いて説明する。燃料電池１０の特性として、電流の増加に伴い電圧は低下する。低電流領域においては、アノード極１２及びカソード極１３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、燃料電池１０の電圧を低下させる。一方で、高電流領域においては、アノード極１２及びカソード極１３への水素及び酸素の供給速度に律速されるため、電圧の降下が起こる。さらに、水素イオンが電解質膜１８を移動する際の抵抗によるオーム損失に起因して、電流の増加と共に電圧が低下する。また、図２に示す電流‐電圧特性Ｖ₁に対して、Ｖ₂、Ｖ₃、Ｖ₄は、徐々に発電性能が低下している状態を示している。この例では、Ｖ₄は、性能が最も低下している状態を示している。

性能が低下する一因としては、燃料電池セル１１でフラッディングが発生している可能性がある。この場合、燃料電池セル１１内に水が溜まることで触媒へのガス供給が阻害されるため、電圧の低下が特に大きくなる。過度なフラッディング状態では、燃料電池セル１１の電圧が電圧下限値（限界低電圧）を下回ることにより、発電が停止する可能性がある。

また、フラッディング状態の燃料電池セル１１は、電流−電圧特性のみならず、図３に示すように、電流変動速度に対する電圧の応答性や、一定電流としたときの電圧の安定性も大きく変化する。図３では、破線は通常状態のセル電圧を示し、実線はフラッディング状態のセル電圧を示している。一般的に電流の増加速度が大きい場合には、電圧がオーバーシュートした後に大きく低下することがある。例えば、図３におけるＡ部で示すように、時間ｔ₁〜時間ｔ₂の間で電流が急激に増加したときに、破線で示されているフラッディング状態の燃料電池セル１１のセル電圧は、オーバーシュートを起こし、時間ｔ₂の直後に回復した後は、時間ｔ₃まで安定している。さらに、図３のＢ部に示すように、時間ｔ₄から時間ｔ₅の間のように電流値をさらに大きくすると、時間ｔ₄で電圧がオーバーシュートし、その後、時間ｔ₅までの間、振動することがある。

ここで、本実施形態の燃料電池システムの構成について、図４を用いて説明する。燃料電池システムは、車輪を駆動するための駆動モータ２１からの負荷要求に対して、２次電池２５及び燃料電池１０によって電力供給をしている。燃料電池１０、駆動モータ２１、２次電池２５の電圧を合わせるために、燃料電池１０の電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を介して供給されている。燃料電池１０単独では、電力を制御することが困難であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入出力の電力（電流）を、ＥＣＵ２２より指令することで、燃料電池１０を制御している。

本実施形態のシステムでは、ＥＣＵ２２が燃料電池１０を構成する全ての燃料電池セル１１の電圧を読み込んで、燃料電池１０の供給可能な最大電流を算出し、その値をＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電流の最大電流値として設定する。このときの最大電流値を設定する手順（ステップ）について、図５のフローチャートと、図６の電流‐電圧特性のグラフを用いて、以下に説明する。

本システムでは、ＥＣＵ２２は、常時、燃料電池システムが稼働している間は、燃料電池１０を構成している全ての燃料電池セル１１の電圧を、所定の時間間隔で測定しており、この測定値に基づいて、最高セル電圧Ｖ_maxと最低セル電圧Ｖ_minを決定し、これらの差分（差分電圧Ｖ_max-min）を算出している。最高セル電圧Ｖ_maxは、図６のグラフにおけるＶ_maxの曲線で示されている。一方、図６では、最低セル電圧は、３パターンの最低セル電圧、すなわち第１の最低セル電圧Ｖ_min-1、第２の最低セル電圧Ｖ_min-2、及び第３の最低セル電圧Ｖ_min-3の曲線で示されている。

また、当該燃料電池セル１１には、限界低電圧Ｖ_lowと目標セル電圧差Ｖ_spreadが、設定されている。限界低電圧Ｖ_lowは、所定の電流を供給する電圧の低い側の限界値として設定されるもので、図６では、電流に対して一定値であり、一点鎖線で示されている。

目標セル電圧差Ｖ_spreadは、最高セル電圧Ｖ_maxと、下限電圧との間の電圧差として設定される特性値である。下限電圧は、最高セル電圧Ｖ_maxよりも低い電圧で、図６では破線で示されている。当該下限電圧は、最高セル電圧Ｖ_maxの変動に対応して変動するように設定され、電流を安定供給可能となる電圧の下限値として設定されている。この例では、最高セル電圧Ｖ_maxを示す曲線に対して、ほぼ等間隔を保つ曲線として示されている。

上記の設定を踏まえて行う本実施形態の制御方法について、以下に説明する。先ず、インバータ２４及び２次電池２５の要求に従って、燃料電池１０がＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力する電流を、ＥＣＵ２２から指示する（ステップ１）。

このとき、予め算出されている最低セル電圧Ｖ_minと第１の閾値Ｖ_aとを比較し、さらに、差分電圧Ｖ_max-minと、第２の閾値Ｖ_bとを比較して、
Ｖ_min ≦Ｖ_a 、Ｖ_max-min ≧ Ｖ_b
を満たすか否かを判定する（ステップ２）。ここで、第１の閾値Ｖ_aや第２の閾値Ｖ_bは、燃料電池１０に定められている特性値で、例えば車両に搭載する前に予め設定されている値である。第１の閾値Ｖ_aや第２の閾値Ｖ_bは、通常、実験等により設定される。

上記判定条件を満たさない場合には、燃料電池１０は、ＥＣＵ２２からの指令された電流を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に供給する。

上記ステップ２の判定条件を満たす場合には、燃料電池１０がＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力する電流を以下の手順で制限する。

先ず、目標セル電圧差Ｖ_spreadと、差分電圧Ｖ_max-minとの偏差に基づいて第１の電流値Ｉ_Lim1を算出し、続いて、最低セル電圧Ｖ_minと限界低電圧Ｖ_lowの偏差に基づいて、第２の電流値Ｉ_Lim2を算出する。

第１の電流値Ｉ_Lim1は、以下の式（３）及び式（４）で算出される。
Ｉ_Lim1＝Ｉ_n-1＋ K_p・(e_n − e_n-1) ＋ K_i・e_n・Dt …式（３）
e_n ＝V_spread − V_max-min …式（４）
第２の電流値Ｉ_Lim2は、以下の式（５）及び式（６）で算出される。
Ｉ_Lim2＝Ｉ_n-1− K_p・(E_n −E_n-1) − K_i・E_n・Dt …式（５）
Ｅ_n ＝Ｖ_low− Ｖ_min …式（５）
上記の式において、ｎは現在の値であり、ｎ−１は前回のサンプリング値を示している。Ｋ_p及びＫ_iは、フィードバック制御の応答性を示す定数で、可変に設定されている。

上記式で算出された、第１の電流値Ｉ_Lim1及び第２の電流値Ｉ_Lim2のうち、小さい方の電流値を、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力する最大電流値として設定する（ステップ３）。

このとき、ｅが正のとき、第１の電流値Ｉ_Lim1は増加させるのに対して、Ｅが正のときは、第２の電流値Ｉ_Lim2は減少させるので、式（３）及び式（５）のそれぞれにおける第２項及び第３項の符号は逆転する。また、上述したようにＫ_p及びＫ_iは可変であり、目標セル電圧差Ｖ_spreadに向けて電流値を減少させるときの値が、目標セル電圧差Ｖ_spreadに向けて電流を増加させるときの値より大きくなるように設定する。

続いて、所定の電流における差分電圧Ｖ_max-minと第３の閾値Ｖ_cとの関係で、
Ｖ_max-min ≦ Ｖ_c
を満たすか否かを判定する（ステップ４）。当該判定条件を満足しない場合には、ステップ３に戻り、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力する最大電流値を算出する（ステップ３）。その後再び、上記の判定条件について判定する（ステップ４）。ここで、第３の閾値Ｖ_cは、第１の閾値Ｖ_aや第２の閾値Ｖ_bと同様に、燃料電池１０の特性値で、車両等に搭載する前に予め設定されている値である。この例では、Ｖ_cは、第１の閾値Ｖ_aはよりも大きい電圧値として設定されている。

ステップ４の判定条件を満足する場合には、電流制限を終了する（ステップ５）。

ここで、図６を用いて、最低セル電圧Ｖ_minの状態に基づいて、第１の電流値Ｉ_Lim1と第２の電流値Ｉ_Lim2のどちらか一方を選択することについて説明する。図６における最低セル電圧は、上記したように、３パターンの第１の最低セル電圧Ｖ_min-1、第２の最低セル電圧Ｖ_min-2、及び第３の最低セル電圧Ｖ_min-3の曲線で示されている。

第１の最低セル電圧Ｖ_min-1は、最も劣化が進んでいる状態であり、第２の最低セル電圧Ｖ_min-2及び第３の最低セル電圧Ｖ_min-3は、第１の最低セル電圧Ｖ_min-1に対して、回復している状態を示している。第１〜第３の最低セル電圧Ｖ_min-1、Ｖ_min-2、Ｖ_min-3の中では、第３の最低セル電圧Ｖ_min-3が最も回復している状態を示している。

第１の最低セル電圧Ｖ_min-1の状態にあるとき、第１の電流値Ｉ_Lim1は、第１の最低セル電圧Ｖ_min-1と、下限電圧（図中の破線）の交点（図中の●）に漸近し、第２の電流値Ｉ_Lim2は、第１の最低セル電圧Ｖ_min-1と、最低低電圧Ｖ_low（図中の一点鎖線）の交点（図中の×）に漸近しようとする。第１の最低セル電圧Ｖ_min-1の状態では、第２の電流値Ｉ_Lim2では、電圧の振動が起きる可能性がある。よって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力する電流の上限値は、第１の電流値Ｉ_Lim1及び第２の電流値Ｉ_lim2のうち、小さい電流となる第１の電流値Ｉ_Lim1が選択される。

一方で、第３の最低セル電圧Ｖ_min-3の状態では、第３の最低セル電圧Ｖ_min-3と破線で示される下限電圧との交点は、一点鎖線で示される限界低電圧Ｖ_lowよりも低い電圧値となっている。第３の最低セル電圧Ｖ_min-3の状態まで回復すると、低電圧状態で保持されることによるセルの破損を防ぐため、第２の電流値Ｉ_Lim2が選択される。

上記のようにＤＣ／ＤＣコンバータ２３に入力する電流を制御することにより、性能が低下した燃料電池セル１１の状態に応じて、電圧が安定した領域で燃料電池１０を動作させることが可能となる。すなわち、燃料電池セル１１の水分状態にかかわらず、セル電圧の安定した領域で発電を行うことができる。また、使用時間の増加に伴い燃料電池全体が劣化した場合であっても、適切な電流制御が可能となる。

図７における時間ｔ₆から時間ｔ₇の間で示すように、インバータ２４の負荷要求電力の急激な増加に伴って燃料電池１０に供給する電流は増加する。このとき、セル電圧は急激に低下する。この例では、第１の閾値Ｖ_aよりも電圧低下を起こしている。このとき、Ｃ部に示す電流が減少している時間ｔ₇の直後では、応答性を示す特性であるＫ_p及びＫ_iを大きく設定することにより、Ｃ部に対応する最低セル電圧のように、低下した後の電圧を早く回復させることができる。また、Ｄ部で示す電流が増加している区間である時間ｔ₈から時間ｔ₉では、Ｋ_p及びＫ_iを、時間ｔ₆から時間ｔ₇の間のＫ_p及びＫ_iよりも小さく設定することで、電圧をオーバーシュートさせないように制御することもできる。

従って、図７に示すように、電流減少時と増加時で、異なるＫ_p及びＫ_iを設定していることにより、応答よく電圧を復元させることができる。また、電圧をオーバーシュートさせないことが可能となる。その結果、燃料電池１０のセル電圧低下が発生したときに、燃料電池セル１１が低電圧状態に長時間保持されることを抑制できる。さらに、インバータ２４からの要求負荷（電力）が、急激に増大したときであっても、電圧のオーバーシュートによる一時的な限界低電圧の超過を防ぐことが可能となる。

以上の説明からわかるように、本実施形態のように燃料電池１０を制御することによって、複数の燃料電池セル１１における最低セル電圧等の電圧値に基づいて、燃料電池セル１１の出力電流値を制限し、燃料電池セル１１が低電圧状態で保持されないように制御できるようにすることが可能となる。

本実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、正常運転可能な状態で車両を停止しているときに、２次電池２５のＳＯＣを回復させると同時に、基準電流−電圧特性を取得しておき、最高セル電圧と最低セル電圧の差ではなく、基準電流‐電圧特性から求められる電圧と、最低セル電圧の差に基づいて電流制限を算出することも可能である。この場合、全ての燃料電池セル１１が性能低下状態に陥ったときでも、適切に電流制御を行うことが可能となる。

１０燃料電池
１１燃料電池セル
１２アノード極
１３カソード極
１４ａ、１４ｂ拡散層
１５ａ、１５ｂ触媒層
１８電解質膜
１９外部回路
２０負荷
２１駆動モータ
２２ＥＣＵ
２３ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４インバータ
２５２次電池

Claims

駆動モータに、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して電流を供給する燃料電池の制御方法において、
前記燃料電池は、複数の燃料電池セルを備えており、該燃料電池セルのセル電圧が測定されることにより、最高セル電圧と最低セル電圧が設定されており、
前記燃料電池セルには、限界低電圧と目標セル電圧差が設定され、
前記限界低電圧は、所定の電流を供給する電圧の低い側の限界値として設定され、
前記目標セル電圧差は、前記最高セル電圧と、前記最高セル電圧よりも低い下限電圧との間の電圧差として設定され、該下限電圧は、前記最高セル電圧の変動に対応して変動するように設定された電圧であって、電流を安定供給可能となる電圧の下限値として設定されており、
当該制御方法は、
前記最高セル電圧と前記最低セル電圧との差分電圧を算出し、前記最低セル電圧値が前記燃料電池に定められている第１の閾値よりも小さく、且つ前記差分電圧が前記燃料電池に定められている第２の閾値よりも大きいと判定された場合には、
前記目標セル電圧差と、前記差分電圧との偏差に基づいて、第１の電流値を決定する工程と、
前記最低セル電圧と前記限界低電圧の偏差に基づいて、第２の電流値を決定する工程と、
前記第１の電流値及び前記第２の電流値のうち、小さい方の電流値を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電流の最大値として設定する工程を有することを特徴とする燃料電池の制御方法。
前記駆動モータから要求される負荷が増大する時と、前記負荷が減少する時とでは、前記負荷の要求に対する応答性を異なるように設定することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の制御方法。