JP7067402B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。
燃料電池への要求出力が閾値以下にまで低下すると、燃料電池と負荷装置とは電気的に切断される。この状態での燃料電池の開放電圧が高すぎると、燃料電池のカソード触媒が溶出する可能性がある。そこで、燃料電池内部に十分な量の水素を供給しつつ、燃料電池内部に残存する酸素の量が少なくするように、カソードガスの流量を通常よりも少なくなるように制御することで、開放電圧が高くなりすぎることを抑制する。しかしながら、燃料電池内部に残存する酸素の量が少なすぎると、その後に要求出力が増大した際に、実際の出力の応答性が低下する。このため開放電圧が目標範囲内に収束するように、カソードガスの流量が増減される(例えば特許文献1参照)。
特開2016-096086号
このような燃料電池を複数備えた燃料電池システムでは、要求出力が増大した場合に、複数の燃料電池の何れの開放電圧も低い状態であることが考えられる。この場合、要求出力に対する実際の出力の応答性が低下する可能性がある。
そこで、要求出力に対する応答性が向上した燃料電池システムを提供することを目的とする。
上記目的は、負荷装置に電力を供給する第1及び第2燃料電池を含む燃料電池ユニットと、前記第1及び第2燃料電池にそれぞれ供給されるカソードガスの第1及び第2流量をそれぞれ調整する第1及び第2供給系と、前記燃料電池ユニットと前記負荷装置とを電気的に接続状態又は切断状態に切替え可能な切替装置と、前記燃料電池ユニットへの要求出力が閾値以下の場合に前記切断状態に切替える切替制御部と、前記切断状態での前記第1及び第2燃料電池のそれぞれの第1及び第2開放電圧を取得する開放電圧取得部と、前記第1及び第2供給系を制御して前記第1及び第2流量をそれぞれ増減させることにより、前記第1及び第2開放電圧がそれぞれ第1及び第2目標範囲内に収束するように周期的に増減させる供給系制御部と、を備え、前記第1目標範囲の下限値は前記第2目標範囲の下限値よりも大きい、燃料電池システムによって達成できる。
第1目標範囲の下限値が第2目標範囲の下限値よりも大きいことにより、第1開放電圧が第2開放電圧よりも高い状態となる期間を確保できる。これにより、第1及び第2開放電圧が双方とも低い状態にあることを回避でき、要求出力に対する応答性が向上する。
前記第1及び第2目標範囲の一方の大きさは、他方の大きさよりも大きくてもよい。
前記第1及び第2目標範囲は、少なくとも一部が互いに重なっていてもよい。
前記第1目標範囲の下限値は前記第2目標範囲の下限値よりも大きく、且つ前記第1目標範囲の上限値は前記第2目標範囲の上限値と同じであってもよい。
前記第1目標範囲の上限値は前記第2目標範囲の上限値よりも大きくてもよい。
前記第1目標範囲の下限値は前記第2目標範囲の下限値と同じであってもよい。
また、上記目的は、負荷装置に電力を供給する第1及び第2燃料電池を含む燃料電池ユニットと、前記第1及び第2燃料電池にそれぞれ供給されるカソードガスの第1及び第2流量をそれぞれ調整する第1及び第2供給系と、前記燃料電池ユニットと前記負荷装置とを電気的に接続状態又は切断状態に切替え可能な切換装置と、前記燃料電池ユニットへの要求出力が閾値以下の場合に前記切断状態に切替える切替制御部と、前記切断状態での前記第1及び第2燃料電池のそれぞれの第1及び第2開放電圧を取得する開放電圧取得部と、前記第1及び第2供給系を制御して前記第1及び第2流量をそれぞれ増減させることにより、前記第1及び第2開放電圧がそれぞれ第1及び第2目標範囲内に収束するように周期的に増減させる供給制御部と、を備え、前記第1目標範囲の下限値は前記第2目標範囲の下限値と同じであり、前記第1目標範囲の上限値は前記第2目標範囲の上限値よりも大きい、燃料電池システムによっても達成できる。
第1目標範囲の下限値は前記第2目標範囲の下限値と同じであり、前記第1目標範囲の上限値は前記第2目標範囲の上限値よりも大きいことによっても、第1開放電圧が第2開放電圧よりも高い状態となる期間を確保できる。これにより、第1及び第2開放電圧が双方とも低い状態にあることを回避でき、要求出力に対する応答性が向上する。
要求出力に対する応答性が向上した燃料電池システムを提供できる。
図1は、車両に搭載された燃料電池システムの構成図である。 図2は、開放電圧制御の一例を示したタイミングチャートである。 図3は、上限値及び下限値の大小関係の説明図である。 図4は、開放電圧制御の一例を示したフローチャートである。 図5は、第1燃料電池の開放電圧制御の一例を示したフローチャートである。 図6は、第2燃料電池の開放電圧制御の一例を示したフローチャートである。 図7A~図7Dは、変形例の開放電圧制御での上限値及び下限値の大小関係の説明図である。
[燃料電池システムの構成]
図1は、車両に搭載された燃料電池システム(以下、単にシステムと称する)1の構成図である。システム1は、カソードガス供給系10a及び10b、燃料電池(以下、FCと称する)20a及び20b、電力制御系30a及び30b、バッテリ(以下、BATと称する)40a及び40b、モータ50、及びECU60を含む。尚、システム1は、FC20a及び20bにそれぞれアノードガスである水素ガスを供給する不図示のアノードガス供給系や、FC20a及び20bに冷却水を循環させて冷却する不図示の冷却系を含む。
FC20a及び20bは、カソードガスと燃料ガスの供給を受けて発電する燃料電池である。FC20a及び20bは、それぞれ、固体高分子電解質型の単セルを複数積層している。FC20a及び20bは、同一の燃料電池であり、定格出力も同じであるがこれに限定されない。FC20a及び20bは、燃料電池ユニットの一例であり、それぞれ第1及び第2燃料電池の一例でもある。
カソードガス供給系10a及び10bは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気をFC20a及び20bに供給する。具体的には、カソードガス供給系10a及び10bは、それぞれ、供給管11a及び11b、排出管12a及び12b、バイパス管13a及び13b、エアコンプレッサ14a及び14b、バイパス弁15a及び15b、インタークーラ16a及び16b、及び背圧弁17a及び17bを含む。
供給管11a及び11bは、それぞれFC20a及び20bのカソード入口マニホールドに接続されている。排出管12a及び12bは、それぞれFC20a及び20bのカソード出口マニホールドに接続される。バイパス管13aは供給管11a及び排出管12aを連通しており、同様にバイパス管13bも供給管11b及び排出管12bを連通している。バイパス弁15aは、供給管11aとバイパス管13aとの接続部分に設けられており、同様にバイパス弁15bは、供給管11bとバイパス管13bとの接続部分に設けられている。バイパス弁15aは供給管11aとバイパス管13aとの連通状態を切り替え、同様にバイパス弁15bは供給管11bとバイパス管13bとの連通状態を切り替える。エアコンプレッサ14a、バイパス弁15a、及びインタークーラ16aは、供給管11a上に上流側から順に配置されている。背圧弁17aは、排出管12a上であって、排出管12aとバイパス管13aとの接続部分よりも上流側に配置されている。同様に、エアコンプレッサ14b、バイパス弁15b、及びインタークーラ16bは、供給管11b上に上流側から順に配置されている。背圧弁17bは、排出管12b上であって、排出管12bとバイパス管13bとの接続部分よりも上流側に配置されている。
エアコンプレッサ14a及び14bは、それぞれ、カソードガスとして酸素を含む空気を、供給管11a及び11bを介してFC20a及び20bに供給する。FC20a及び20bに供給されたカソードガスは、それぞれ、排出管12a及び12bを介して排出される。インタークーラ16a及び16bは、それぞれ、FC20a及び20bに供給されるカソードガスを冷却する。背圧弁17a及び17bは、それぞれFC20a及び20bのカソード側の背圧を調整する。
電力制御系30a及び30bは、それぞれ、燃料電池DC/DCコンバータ(以下、FDCと称する)32a及び32b、バッテリDC/DCコンバータ(以下、BDCと称する)34a及び34b、スイッチ36a及び36b、補機インバータ(以下、AINVと称する)39a及び39bを含む。また、電力制御系30a及び30bは、モータ50に接続されたモータインバータ(以下、MINVと称する)38を共用している。FDC32a及び32bは、それぞれ、FC20a及び20bからの直流電力を調整してMINV38に出力する。BDC34a及び34bは、それぞれ、BAT40a及び40bからの直流電力を調整してMINV38に出力する。FC20a及び20bの発電電力は、それぞれBAT40a及び40bに蓄電可能である。MINV38は、入力された直流電力を三相交流電力に変換してモータ50へ供給する。モータ50は、車輪5を駆動して車両を走行させる。
スイッチ36aは、ECU60からの指令に応じて開閉し、FC20a及びBAT40aとMINV38との電気的な接続状態及び切断状態を切り替える。スイッチ36bも同様に、ECU60からの指令に応じて開閉し、FC20b及びBAT40bとMINV38との電気的な接続状態及び切断状態を切り替える。切断状態では、FC20a及び20bは、モータ50を含む複数の負荷装置から電気的に切断される。スイッチ36a及び36bは、FC20a及び20bと負荷装置とを電気的に接続状態又は切断状態に切替え可能な切替装置の一例である。ここで負荷装置は、モータ50に加えて、FC20a及び20b用の補機と車両用の補機とを含む。FC20a及び20b用の補機は、上述したエアコンプレッサ14a及び14b、バイパス弁15a及び15b、背圧弁17a及び17bや、アノードガス供給系が備えるアノードガスをそれぞれFC20a及び20bに供給するインジェクタ等を含む。車両用の補機は、例えば空調設備や、照明装置、ハザードランプ等を含む。尚、スイッチ36a及び36bによりFC20a及び20bとBAT40a及び40bとがMINV38から切断された状態においても、BAT40a及び40bの蓄電電力は、それぞれBDC34a及び34bで昇圧されて、AINV39a及び39bを介してエアコンプレッサ14a及び14b、バイパス弁15a及び15b、背圧弁17a及び17bに供給可能である。尚、本実施例では、切替スイッチ36a及び36bは、FDC32a及び32bとは別の構成部品として説明したが、FDC32a及び32b内部に設けられたスイッチにより、接続と切断の切替を行ってよい。
ECU60は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)を含む。ECU60は、アクセル開度センサ3、エアコンプレッサ14a及び14b、バイパス弁15a及び15b、背圧弁17a及び17b、FDC32a及び32b、BDC34a及び34b、及びスイッチ36a及び36bが電気的に接続されている。
ECU60は、アクセル開度センサ3の検出値に基づいて、運転者の操作されるアクセルペダルの開度であるアクセル開度を算出し、アクセル開度に基づいてモータ50を駆動するために必要な電力量を算出する。ECU60は、エアコンプレッサ14a及び14b等のFC20a及び20b用の補機や、モータ50等の車両用の補機を駆動するために必要な電力、及びBAT40a及び40bでの蓄電電力等に基づいて、FC20a及び20b全体への要求出力を算出する。ECU60は、FDC32a及び32b、及びBDC34a及び34bを制御することにより、FC20a及び20b全体への要求出力に応じた電力量がFC20a及び20b全体からMINV38に供給されるように制御する。尚、本明細書で「要求出力」とは、FC20a及び20bの個別の要求出力ではなく、FC20a及び20b全体への要求出力、即ち、燃料電池ユニットへの要求出力を意味する。
また、詳しくは後述するが、ECU60は、開放電圧制御を実行する。開放電圧制御は、CPU、ROM、及びRAMにより機能的に実現される切替制御部、開放電圧取得部、及び供給系制御部により実行される。
[開放電圧]
例えばアクセル開度が低下すると、要求出力も低下する。要求出力が後述する閾値以下になると、スイッチ36a及び36bによりFC20a及び20bは負荷装置から電気的に切断され、車両はアイドル運転状態となる。ここで、FC20a及び20bが負荷装置から電気的に切断された切断状態では、FC20a及び20bは発電が一時的に停止した状態となる。このような状態では、FC20a及び20bの各電流はゼロとなり、この状態での各電圧は開放電圧と称される。このようなアイドル運転状態でアクセル開度が再び増大して要求出力が閾値を上回ると、スイッチ36a及び36bによりFC20a及び20bと負荷装置とが電気的に接続される。これにより、FC20a及び20bの発電電力がモータ50に供給されて、車両は走行状態となる。
ここで、FC20a及び20bが負荷装置から電気的に切断された切断状態では、発電により酸素及び水素は消費されないが、水素がアノード極側から電解質膜を介してカソード極側にクロスリークすることにより、カソード極側で水素と酸素とが反応して水が生成される。これによって、カソード極側での酸素濃度が減少する。
カソード極側での酸素濃度が減少することにより、開放電圧が低下する。開放電圧は、その後に要求出力が増大した場合でのFC20a及び20bの実際の出力の応答性を考慮すると、切断状態においても高い状態に保持されることが望ましい。開放電圧が高いことはカソード極側での酸素濃度が高いことを示し、カソード極側で酸素濃度が高い状態で要求出力が増大した場合には、FC20a及び20bの出力を応答性良く増大させることができるからである。しかしながら開放電圧が高すぎると、カソード触媒が溶出してFC20a及び20bの出力性能が低下する可能性がある。そのため、開放電圧を所定の目標範囲内で保持する上述した開放電圧制御が実行される。開放電圧制御では、FC20a及び20bの各開放電圧が目標範囲内で増大と減少とを繰り返して収束するように、FC20a及び20bにそれぞれ供給されるカソードガスの流量を増減される。尚、上記の目標範囲は、開放電圧が目標範囲から外れた際に直ちに問題が生じる範囲ではない。また、FC20a及び20bのそれぞれの開放電圧の目標範囲は、第1及び第2目標範囲の一例である。
[開放電圧制御のタイミングチャート]
図2は、開放電圧制御の一例を示したタイミングチャートである。図2には、要求出力Pの推移と、FC20a及び20bのそれぞれと負荷装置との接続状態、FC20a及び20bのそれぞれへ供給されるカソードガスの流量Qa及びQbの推移、及びFC20a及び20bのそれぞれの電圧Va及びVbの推移を示している。尚、以下に説明する開放電圧制御実行中での流量Qa及びQbの制御は、それぞれ、エアコンプレッサ14a及び14bの回転速度を一定に維持し、且つ背圧弁17a及び17bの開度を一定に維持しつつ、バイパス弁15a及び15bの開度を調整することにより実現される。
例えば車両が走行状態でアクセル開度が徐々に低下すると、時刻t0から要求出力が徐々に低下する。要求出力が低下すると、これに応じてFC20a及び20bの各出力が低下するように、流量Qa及びQbが低下する。また、FC20a及び20bの各出力が低下することにより、FC20a及び20bの各電流は低下し、電圧Va及びVbは増大する。
例えばアクセル開度がゼロになると、時刻t1で要求出力Pが閾値P1以下となる。閾値P1は、予め設定されている値であり、要求出力Pが略ゼロであるとみなすことができるか否かを判定するための閾値であり、換言すればFC20a及び20bへの発電要求がないとみなすことができるか否かを判定するための閾値である。尚、要求出力Pが閾値P1よりも大きい時の流量Qa及びQbは、それぞれ目標流量QHよりも大きい流量に制御される。尚、閾値P1は、略ゼロに限定されず、例えば、車両の走行及び補機の稼動のために必要な電力が十分に小さくBAT40a及び40bのみから電力を供給できる値とすることができる。
要求出力Pが閾値P1以下となった時刻t1から所定の微小時間経過して要求出力Pが略一定となった時刻t2で、流量Qa及びQbはそれぞれ目標流量QLに制御される。目標流量QLは、目標流量QHよりも小さい流量である。流量Qa及びQbをそれぞれ目標流量QHから目標流量QLに制御する際には、バイパス管13a及13bをそれぞれ流れるカソードガスの流量が増大するようにそれぞれバイパス弁15a及び15bの開度を制御する。流量Qa及びQbがそれぞれ目標流量QLに制御されることにより、FC20a及び20bのIV特性が、通常発電時でのIV特性よりも低下する。このため、時刻t2から電圧Va及びVbは低下し始める。
電圧Va及びVbは低下し始めた時刻t2から所定時間経過した時刻t3で、FC20a及び20bは負荷装置から切断され、開放電圧制御が開始される。これにより、電圧Va及びVbは直ちに増大し、図示はしていないがFC20a及び20bの各電流はゼロとなる。FC20a及び20bが負荷装置から切断された状態での電圧Va及びVbは、それぞれFC20a及び20bの開放電圧に相当する。尚、詳しくは後述するが、FC20a及び20bが負荷装置から切断された直後に増大する電圧Va及びVbがそれぞれ上限値VHa及びVHb以下となるように、切断のタイミングが調整されている。上限値VHa及びVHbは、予め設定されている値である。
時刻t3からは、上述したクロスリークに起因して電圧Va及びVbが低下する。即ち、目標流量QLは、クロスリークを加味しても開放電圧が増大しない程度の低流量に設定されている。クロスリークに起因する酸素濃度の低下速度は、燃料電池の使用環境や使用時間により変化するものであり、予め想定することが困難だからである。
時刻t4でFC20aの電圧Vaが下限値VLaとなると、FC20aへのカソードガスの流量Qaが増大するように目標流量QHに制御され、電圧Vaが増大し始める。目標流量QHは、クロスリークによる酸素濃度の低下分を加味しても酸素濃度が増大する程度の流量に設定されている。下限値VLaについては、詳しくは後述するが、予め設定されている値である。
時刻t5で電圧Vaが上限値VHa以上になると、流量Qaは低下するように再び目標流量QLに制御され、これにより電圧Vaが低下し始める。時刻t6で電圧Vbが下限値VLbとなると、流量Qbが増大するように目標流量QHに制御されて電圧Vbが増大し始める。下限値VLbは、予め設定されている値である。また、時刻t7で電圧Vaが下限値VLaとなると、流量Qaが増大するように目標流量QHに制御されて電圧Vaが増大し始める。時刻t8で電圧Vaが上限値VHaとなると、流量Qaが低下するように目標流量QLに制御されて電圧Vaが低下し始める。同様に、時刻t8で電圧Vbが上限値VHbになると、流量Qbが低下するように目標流量QLに制御されて電圧Vbが低下し始める。
このように上限値VHa及びVHb及び下限値VLa及びVLbは、開放電圧の目標範囲の上限値及び下限値である。従って、電圧Va及びVbのそれぞれが目標範囲内で増減を繰り返して収束するように、流量Qa及びQbが増減制御される。尚、本実施例では、上限値VHa及びVHbは、上述したようにカソード触媒の溶出を抑制するのに適した電圧値であり、具体的には共に0.84Vであるが、例えば0.75V~0.9Vの範囲内の値であってもよい。下限値VLa及びVLbは、要求出力に対する良好な応答性を確保するのに適した電圧値であるが、具体的には下限値VLaは0.77Vであり、下限値VLbは0.7Vであるが、例えば0.5V~0.8Vの範囲内の値であってもよい。
時刻t9で要求出力Pが増大し始めると、時刻t10で要求出力Pが閾値P1を超え、FC20a及び20bは負荷装置に接続される。これにより、電圧Va及びVbは直ちに低下し、図示はしていないがFC20a及び20bの各電流は直ちに増大する。時刻t11で流量Qa及びQbが目標流量QHよりも大きい流量に制御されることにより、電圧Va及びVbは低下し、図示はしていないがFC20a及び20bの出力は増大する。尚、本実施例では、時刻t10でFC20a及び20bは負荷装置に接続した後に、時刻t11で流量Qa及びQbを増加させているがこれに限定されない。流量Qa及びQbを増加させた後に、FC20a及び20bを負荷装置に接続してもよいし、流量Qa及びQbの増加とFC20a及び20bと負荷装置との接続とを同時に実施してもよい。
図3は、上述した上限値VHa及びVHbと下限値VLa及びVLbとの大小関係の説明図である。図3に示すように、下限値VLaは下限値VLbよりも大きい。これにより、電圧Vaが下限値VLaを下回らないように高い状態に維持され、電圧Vaが電圧Vbより高い状態となる期間が確保されている。これにより、電圧Va及びVbが双方とも低い状態にあることが回避される。例えば電圧Va及びVbが双方とも低い状態のときに要求出力Pが増大して閾値P1を超えると、電圧Va及びVbの双方とも低いため、要求出力Pに対するFC20a及び20bの実際の出力の応答性が低下し、ドライバビリティに影響を与える可能性がある。本実施例では、上記のような問題の発生が抑制される。
また、上限値VHbと下限値VLbとの差分は、上限値VHaと下限値VLaとの差分よりも大きい。このため、開放電圧制御が実行されている同一期間において、流量Qbの増大と低下とが切り替わる回数は、流量Qaの増大と低下とが切り替わる回数よりも少ない。これにより、流量Qbの切り替えのために行われるバイパス弁15bの開度の変更の頻度を、流量Qaの切り替えのために行われるバイパス弁15aの開度の変更の頻度よりも少なくすることができる。従って、バイパス弁15bの耐久性の低下を抑制することができる。
また、上限値VHaから下限値VLaまでの電圧Vaの目標範囲と、上限値VHbから下限値VLbまでの電圧Vbの目標範囲とは、部分的に重なっている。これにより、開放電圧制御の実行に起因してFC20a及び20bの出力性能のばらつきが大きくなりすぎることを抑制できる。
[開放電圧制御のフローチャート]
図4は、開放電圧制御の一例を示したフローチャートである。最初にECU60は、要求出力Pが閾値P1以下であるか否かが判定される(ステップS1)。ECU60は、上述したようにモータ50や補機等の駆動に必要となる電力に基づいて要求出力Pを算出する。例えばアクセル開度がゼロ以外の値であり車両が走行状態の場合には、ステップS1でNoと判定され本制御は終了する。
例えばアクセル開度がゼロの場合には、ステップS1でYesと判定され、上述した時刻t2のように、ECU60は流量Qa及びQbをそれぞれ目標流量QLに制御する(ステップS3)。これにより、FC20a及び20b内での酸素濃度が低下し、電圧Va及びVbが低下する。
次に、ECU60はFC20aのIV特性を取得し(ステップS5a)、FC20aのIV特性が十分に低下したか否かを判定する(ステップS7a)。同様にECU60はFC20bのIV特性を取得し(ステップS5b)、FC20bのIV特性が十分に低下したか否かを判定する(ステップS7b)。即ち、目標流量QLは、燃料電池と負荷装置とが接続状態で燃料電池のカソード側での酸素濃度が低いことによりIV特性が低下する流量である。IV特性は、流量Qa及びQbのそれぞれが目標流量QLに制御されてからのFC20a及び20bの各電流値及び電圧値に基づいて取得される。電流値及び電圧値が低いほど、IV特性は低いものとみすことができる。即ち、電流値及び電圧値がそれぞれ所定値以下となった場合には、IV特性は十分に低下したものと判定される。ステップS7aでNoの場合には再度ステップS5aが実行され、同様にステップS7bでNoの場合には再度ステップS5bが実行される。
ステップS7aでYesの場合には、上述した時刻t3のように、ECU60はFC20aと負荷装置とを切断する(ステップS9a)。同様に、ステップS7bでYesの場合には、時刻t3のように、ECU60はFC20bと負荷装置とを切断する(ステップS9b)。ステップS9a及びS9bの処理は、要求出力Pが閾値P1以下の場合に切断状態に切替える切替制御部が実行する処理の一例である。ここで、時刻t3で示したように切断状態の直後に電圧Va及びVbはそれぞれ上限値VHa及びVHbを超えない程度に増大する。上述したステップS7a及びS7bで、IV特性が十分に低下したと判定されてから、上記の切断が行われるからである。即ち、ステップS7a及びS7bにおいて「IV特性が十分に低下した」とは、切断直後において増大する電圧が上限値VHを超えない程度に、IV特性が低下したことを意味する。
次にECU60は、FC20aの開放電圧制御を実行し(ステップS10a)、FC20bの開放電圧制御を実行する(ステップS10b)。尚、上記のステップS5a及び5b以降の処理は、並列的に実行される。
[FC20aの開放電圧制御のフローチャート]
図5は、FC20aの開放電圧制御の一例を示したフローチャートである。最初に、ECU60は流量Qaを目標流量QLに制御する(ステップS11a)。上述したステップS3において既に流量Qaは目標流量QLに制御されている場合には、ステップS11aによりこの状態が継続される。次に、ECU60は要求出力Pが閾値P1以下であるか否かを判定する(ステップS13a)。ステップS13aでNoの場合、ECU60はFC20a及び20bを通常発電状態へ復帰させる復帰制御を実行する(ステップS100)。復帰制御については後述する。
ステップS13aでYesの場合、ECU60は電圧Vaを取得し(ステップS15a)、電圧Vaが下限値VLa以下であるか否かを判定する(ステップS17a)。ステップS17aでNoの場合、ECU60は再度ステップS11a以降の処理を実行する。即ち、ステップS13aでYesであってステップS17aでNoである限り、流量Qaは目標流量QLに制御される。例えば、上述した時刻t2以降で示したように流量Qaが目標流量QLに制御される。尚、ステップS17aでNoである限りステップS13aが繰り返し実行されるため、流量Qaが目標流量QLに制御されている最中で要求出力が増大した場合であっても、復帰制御を実行することができる。
ステップS17aでYesの場合、例えば時刻t7で示したように、ECU60は流量Qaを目標流量QHに制御する(ステップS21a)。次に、ECU60は要求出力Pが閾値P1以下であるか否かを判定する(ステップS23a)。ステップS23aでNoの場合も同様に、復帰制御が実行される(ステップS100)。
ステップS23aでYesの場合、ECU60は電圧Vaを取得し(ステップS25a)、電圧Vaが上限値VHa以上であるか否かを判定する(ステップS27a)。ステップS27aでNoの場合、ECU60は再度ステップS21aの処理を実行する。ステップS23aでYesであってステップS27aでNoである限り、流量Qaは目標流量QHに制御される。即ち、上述した時刻t7から時刻t8までの期間で示したように、流量Qaが目標流量QHに制御される。尚、ステップS27aでNoである限りステップS23aが繰り返し実行されるため、流量Qaが目標流量QHに制御されている最中で要求出力が増大した場合にも対応できる。
ステップS27aでYesの場合、ECU60は再度ステップS11a以降の処理を実行し、例えば時刻t8で示したように、流量Qaが目標流量QLに制御される。このように、流量Qaが目標流量QH及び目標流量QLに交互に制御されることにより、電圧Vaは上限値VHa及び下限値VLaの間で増大と減少を繰り返すように制御される。ステップS11a、S17a、S21a、及びS27aの処理は、バイパス弁15aを制御して流量Qaを増減させることにより、FC20aの開放電圧が第1目標範囲内に収束するように周期的に増減させる供給系制御部が実行する処理の一例である。
尚、ステップS13aの処理は、ステップS11aの前に実行してもよいし、ステップS15a及びS17aの間で実行してもよい。同様に、ステップS23aの処理は、ステップS21aの前に実行してもよいし、ステップ25a及び27aの間で実行してもよい。
[FC20bの開放電圧制御のフローチャート]
図6は、FC20bの開放電圧制御の一例を示したフローチャートである。最初に、ECU60は流量Qbを目標流量QLに制御する(ステップS11b)。上述したステップS3において既に流量Qbは目標流量QLに制御されている場合には、ステップS11bによりこの状態が継続される。次に、ECU60は要求出力Pが閾値P1以下であるか否かを判定する(ステップS13b)。ステップS13bでNoの場合、ECU60は復帰制御を実行する(ステップS100)。
ステップS13bでYesの場合、ECU60は電圧Vbを取得し(ステップS15b)、電圧Vbが下限値VLb以下であるか否かを判定する(ステップS17b)。ステップS17bでNoの場合、ECU60は再度ステップS11b以降の処理を実行する。即ち、ステップS13bでYesであってステップS17bでNoである限り、流量Qbは目標流量QLに制御される。例えば、上述した時刻t2以降で示したように流量Qbが目標流量QLに制御される。尚、ステップS17bでNoである限りステップS13bが繰り返し実行されるため、流量Qbが目標流量QLに制御されている最中で要求出力が増大した場合であっても、復帰制御を実行することができる。
ステップS17bでYesの場合、例えば時刻t6で示したように、ECU60は流量Qbを目標流量QHに制御する(ステップS21b)。次に、ECU60は要求出力Pが閾値P1以下であるか否かを判定する(ステップS23b)。ステップS23bでNoの場合も同様に、復帰制御が実行される(ステップS100)。
ステップS23bでYesの場合、ECU60は電圧Vbを取得し(ステップS25b)、電圧Vbが上限値VHb以上であるか否かを判定する(ステップS27b)。ステップS27bでNoの場合、ECU60は再度ステップS21bの処理を実行する。ステップS23bでYesであってステップS27bでNoである限り、流量Qbは目標流量QHに制御される。即ち、上述した時刻t6から時刻t8までの期間で示したように、流量Qbが目標流量QHに制御される。尚、ステップS27bでNoである限りステップS23bが繰り返し実行されるため、流量Qbが目標流量QHに制御されている最中で要求出力が増大した場合にも対応できる。
ステップS27bでYesの場合、ECU60は再度ステップS11b以降の処理を実行し、例えば時刻t8で示したように、流量Qbが目標流量QLに制御される。このように、流量Qbが目標流量QH及び目標流量QLに交互に制御されることにより、電圧Vbは上限値VHb及び下限値VLbの間で増大と減少を繰り返すように制御される。ステップS11b、S17b、S21b、及びS27bの処理は、バイパス弁15bを制御して流量Qbを増減させることにより、FC20bの開放電圧が第2目標範囲内に収束するように周期的に増減させる供給系制御部が実行する処理の一例である。
尚、ステップS13bの処理は、ステップS11bの前に実行してもよいし、ステップS15b及びS17bの間で実行してもよい。同様に、ステップS23bの処理は、ステップS21bの前に実行してもよいし、ステップ25b及び27bの間で実行してもよい。
このように、上述したFC20a及び20bの開放電圧制御は略同じ制御内容であって上限値VHa及びVHbも同じ値であり、相違点は下限値VLaが下限値VLbよりも大きいだけである。このように上限値及び下限値を設定することにより、要求出力に対する応答性を確保しつつFC20bへ供給されるカソードガスの流量を調整する供給系の耐久性の低下を抑制できる。従って、FC20a及び20bの開放電圧制御を実行するプログラムの製作コストの増大を抑制でき、またECU60の処理負荷の増大も抑制できる。
[復帰制御]
FC20a及び20bが負荷装置から切断された状態で要求出力Pが閾値P1以上となると、時刻t10で示したようにECU60はスイッチ36a及び36bを制御してFC20a及び20bと負荷装置とを電気的に接続し、これにより電圧Va及びVbが直ちに低下する。FC20a及び20bが接続状態では、時刻t11で示したように要求出力Pの増大に伴って流量Qa及びQbも増大するように制御される。これにより、要求出力Pを満たすようにFC20a及び20bの出力も増大する。尚、FC20a及び20bの何れかの開放電圧制御内で復帰制御が実行されると、FC20a及び20bの双方が通常発電状態に復帰される。
[開放電圧制御の第1変形例]
次に、開放電圧制御の第1変形例について説明する。図7Aは、開放電圧制御の第1変形例での上限値VHa及びVHbと下限値VLa及びVLbとの大小関係の説明図である。第1変形例では、上限値VHaは上限値VHbよりも大きく、下限値VLaは下限値VLbよりも大きく、上限値VHbは上限値VHaよりも小さく下限値VLaよりも大きい。下限値VLaが下限値VLbよりも大きいため、電圧Vaが電圧Vbより高い状態となる期間が確保され、要求出力の増大に対する応答性が確保されている。
また、上限値VHbが上限値VHaよりも低いため、FC20bのカソード触媒の溶出をより抑制でき、FC20bの出力性能の低下をより抑制できる。このような構成は、例えば、FC20aよりもFC20bの方がより多くの補機に電力を供給するシステムや、FC20bの定格出力の方がFC20aの定格出力よりも大きい場合等、など、FC20bの出力性能の低下を特に抑制したい場合に適している。従って、第1変形例では、要求出力の増大に対する応答性を確保しつつ、FC20bの出力性能の低下をFC20aよりも優先的に抑制できる。
また、第1変形例においても、上述した実施例と同様に、上限値VHbと下限値VLbとの差分は上限値VHaと下限値VLaとの差分よりも大きいため、バイパス弁15bの耐久性の低下を抑制することができる。従って、FC20bの出力性能の低下を抑制しつつFC20bの補機であるバイパス弁15bの耐久性の低下をも抑制でき、FC20bの出力を長期的に確保することができる。
尚、第1変形例では、例えば上限値VHaは0.84Vであり、上限値VHbは0.82Vであり、下限値VLaは0.77Vであり、下限値VLbは0.7Vである。
[開放電圧制御の第2変形例]
図7Bは、開放電圧制御の第2変形例での上限値VHa及び上限値VHbと下限値VLa及びVLbとの大小関係の説明図である。第2変形例では、上限値VHbは上限値VHaよりも大きく、下限値VLaと下限値VLbとは同じ値であり、上限値VHaは上限値VHbより小さく下限値VLbよりも大きい。上限値VHbは上限値VHaよりも大きいため、電圧Vbが電圧Vaより高い状態となる期間が確保され、要求出力の増大に対する応答性が確保されている。また、上限値VHaが上限値VHbよりも低いため、FC20aのカソード触媒の溶出をより抑制でき、FC20aの出力性能の低下を抑制できる。また、第2変形例においても、上限値VHbと下限値VLbとの差分は上限値VHaと下限値VLaとの差分よりも大きいため、バイパス弁15bの耐久性の低下を抑制することができる。
尚、第2変形例では、上述した実施例及び第1変形例や、後述する第3及び第4変形例とは異なり、FC20bの開放電圧の目標範囲が第1目標範囲に相当し、FC20aの開放電圧の目標範囲が第2目標範囲に相当する。従って、上限値VHbが第1目標範囲の上限値に相当し、上限値VHaが第2目標範囲の上限値に相当する。尚、第2変形例では、例えば上限値VHaは0.8Vであり、上限値VHbは0.84Vであり、下限値VLa及びVLbは共に0.75Vである。
[開放電圧制御の第3変形例]
図7Cは、開放電圧制御の第3変形例での上限値VHa及びVHbと下限値VLa及びVLbとの大小関係の説明図である。第3変形例では、上限値VHbは上限値VHaよりも大きく、下限値VLbは下限値VLaよりも小さい。従って、上限値VHbと下限値VLbとの差分は上限値VHaと下限値VLaとの差分よりも、より大きいため、バイパス弁15bの耐久性の低下をより抑制することができる。また、上限値VHaが上限値VHbよりも低いため、FC20aのカソード触媒の溶出を抑制でき、FC20aの出力性能の低下を抑制できる。
尚、第3変形例では、例えば上限値VHaは0.8Vであり、上限値VHbは0.84Vであり、下限値VLaは0.75Vであり、下限値VLbは0.7Vである。
[開放電圧制御の第4変形例]
図7Dは、開放電圧制御の第4変形例での上限値VHa及びVHbと下限値VLa及びVLbとの大小関係の説明図である。第4変形例では、上限値VHbは上限値VHaよりも大きく、下限値VLbは下限値VLaよりも大きく、上限値VHaは上限値VHbよりも小さく下限値VLbよりも大きく、下限値VLbは上限値VHaよりも小さく下限値VLaよりも大きい。上限値VHbが上限値VHaよりも大きく、且つ下限値VLbが下限値VLaよりも大きいため、電圧Vbが電圧Vaより高い状態となる期間が確保され、要求出力の増大に対する応答性が確保されている。また、上限値VHaが上限値VHbよりも低いことにより、FC20aのカソード触媒の溶出が抑制されている。また、上限値VHbと下限値VLbとの差分は上限値VHaと下限値VLaとの差分よりも大きいため、バイパス弁15bの耐久性の低下をより抑制することができる。
尚、第4変形例では、例えば上限値VHaは0.8Vであり、上限値VHbは0.84Vであり、下限値VLaは0.75Vであり、下限値VLbは0.77Vである。
尚、第1~第4変形例においても、電圧Va及びVbの目標電圧は部分的に互いに重なっているため、開放電圧制御の実行に起因するFC20a及び20bの出力性能のばらつきを抑制できる。
上述した実施例及び変形例において、目標流量QLはゼロであってもよい。
図2に示したように、流量Qa及びQbを矩形状に調整することにより開放電圧を制御したが、これに限定されない。流量Qa及びQbの少なくとも一方を直線的又は曲線的に徐々に増大又は減少するように調整してもよいし、部分的に直線的又は曲線的に調整してもよいし、正弦波的に調整してもよい。
上述した実施例及び変形例において、バイパス弁15aの開度を調整することにより流量Qaを制御したが、これに限定されない。エアコンプレッサ14aの回転速度、バイパス弁15aの開度、及び背圧弁17aの開度の少なくとも一つを調整することにより、流量Qaを制御してもよい。例えば、流量Qaが目標流量QLより大きい状態から目標流量QLに制御する場合には、バイパス弁15a及び背圧弁17aの開度を変更せずにエアコンプレッサ14aの回転速度のみを低下させてもよいし、エアコンプレッサ14aの回転速度とバイパス弁15aの開度とを変更せずに背圧弁17aの開度のみを低下させてもよい。尚、エアコンプレッサ14aの回転速度のみを調整して流量Qaを制御する場合には、バイパス弁15aや背圧弁17aの開度のみを調整する場合と比較して、エアコンプレッサ14aにより消費されるエネルギーの損失量を低下させることができる。流量Qbについても同様である。
上述したシステム1は、2つのエアコンプレッサ14a及び14bを含むが、これに限定されない。例えば、2つのエアコンプレッサ14a及び14bの代わりに、単一のエアコンプレッサと、このエアコンプレッサと供給管11a及び11bの双方とを連通した配管とを設けて、バイパス弁15a及び15bや背圧弁17a及び17bの各開度を制御することにより、流量Qa及びQbをそれぞれ制御するようにしてもよい。
上述したシステム1では、2つのFC20a及び20bを含むが、互いに3つ以上の燃料電池を含んでもよい。この場合、複数の燃料電池のうち少なくとも2つの開放電圧が上述したように制御できればよい。この場合においても、全ての燃料電池の開放電圧が低い状態にあることを抑制できるからである。
燃料電池システムは車両に搭載されているが、これに限定されない。例えば、据置型の燃料電池システムであってもよい。また、車両には、自動車のみならず、二輪車、鉄道車両や、船舶、航空機等であってもよい。また、車両は、駆動にモータと内燃機関とを併用可能なハイブリット車両であってもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
1 燃料電池システム
10a、10b カソードガス供給系
11a、11b 供給管
12a、12b 排出管
13a、13b バイパス管
14a、14b エアコンプレッサ
15a、15b バイパス弁
20a、20b 燃料電池
30a、30b 電力制御系
36a、36b スイッチ(切替装置)
40a、40b バッテリ
50 モータ
60 ECU(切替制御部、開放電圧取得部、供給系制御部)

Claims (6)

  1. 負荷装置に電力を供給する第1及び第2燃料電池を含む燃料電池ユニットと、
    前記第1及び第2燃料電池にそれぞれ供給されるカソードガスの第1及び第2流量をそれぞれ調整する第1及び第2供給系と、
    前記燃料電池ユニットと前記負荷装置とを電気的に接続状態又は切断状態に切替え可能な切替装置と、
    前記燃料電池ユニットへの要求出力が閾値以下の場合に前記切断状態に切替える切替制御部と、
    前記切断状態での前記第1及び第2燃料電池のそれぞれの第1及び第2開放電圧を取得する開放電圧取得部と、
    前記第1及び第2供給系を制御して前記第1及び第2流量をそれぞれ増減させることにより、前記第1及び第2開放電圧がそれぞれ第1及び第2目標範囲内に収束するように周期的に増減させる供給系制御部と、を備え、
    前記第1目標範囲の下限値は前記第2目標範囲の下限値よりも大きい、燃料電池システム。
  2. 前記第1及び第2目標範囲の一方の大きさは、他方の大きさよりも大きい、請求項1の燃料電池システム。
  3. 前記第1及び第2目標範囲は、少なくとも一部が互いに重なっている、請求項1又は2の燃料電池システム。
  4. 前記第1目標範囲の上限値は前記第2目標範囲の上限値と同じである、請求項1乃至3の何れかの燃料電池システム。
  5. 前記第1目標範囲の上限値は前記第2目標範囲の上限値よりも大きい、請求項1乃至3の何れかの燃料電池システム。
  6. 負荷装置に電力を供給する第1及び第2燃料電池を含む燃料電池ユニットと、
    前記第1及び第2燃料電池にそれぞれ供給されるカソードガスの第1及び第2流量をそれぞれ調整する第1及び第2供給系と、
    前記燃料電池ユニットと前記負荷装置とを電気的に接続状態又は切断状態に切替え可能な切換装置と、
    前記燃料電池ユニットへの要求出力が閾値以下の場合に前記切断状態に切替える切替制御部と、
    前記切断状態での前記第1及び第2燃料電池のそれぞれの第1及び第2開放電圧を取得する開放電圧取得部と、
    前記第1及び第2供給系を制御して前記第1及び第2流量をそれぞれ増減させることにより、前記第1及び第2開放電圧がそれぞれ第1及び第2目標範囲内に収束するように周期的に増減させる供給制御部と、を備え、
    前記第1目標範囲の下限値は前記第2目標範囲の下限値と同じであり、
    前記第1目標範囲の上限値は前記第2目標範囲の上限値よりも大きい、燃料電池システム。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2021190306A (ja) * 2020-05-29 2021-12-13 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7402122B2 (ja) * 2020-06-04 2023-12-20 本田技研工業株式会社 給電制御システム、給電制御方法、およびプログラム
JP7179805B2 (ja) * 2020-09-04 2022-11-29 本田技研工業株式会社 発電制御システム、発電制御方法、およびプログラム
JP7327378B2 (ja) 2020-12-25 2023-08-16 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
JP7456415B2 (ja) * 2021-04-23 2024-03-27 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び飛行体
EP4242039A1 (en) * 2022-03-11 2023-09-13 Volvo Truck Corporation A system, a method of controlling a system, and a vehicle comprising a system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008517445A (ja) 2004-10-20 2008-05-22 バラード パワー システムズ インコーポレイティド 燃料電池システムの方法および装置
JP2016174519A (ja) 2014-12-22 2016-09-29 株式会社日本自動車部品総合研究所 車載燃料電池システム

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62150664A (ja) 1985-12-25 1987-07-04 Hitachi Ltd 燃料電池発電システム
US7147945B2 (en) * 2002-09-16 2006-12-12 Utc Fuel Cells, Llc System for determining a gas composition within a shut down fuel cell power plant and method of operation
JP2006179242A (ja) 2004-12-21 2006-07-06 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2010055927A (ja) 2008-08-28 2010-03-11 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
WO2010144850A1 (en) * 2009-06-12 2010-12-16 Idatech, Llc Systems and methods for independently controlling the operation of fuel cell stacks and fuel cell systems incorporating the same
JP2013026179A (ja) * 2011-07-26 2013-02-04 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> Sofc発電システムおよび出力電圧回復方法
JPWO2013046519A1 (ja) * 2011-09-30 2015-03-26 パナソニック株式会社 燃料電池システム
JP6164200B2 (ja) * 2014-11-15 2017-07-19 トヨタ自動車株式会社 酸化ガスの流量調整弁の制御方法と流量調整装置
JP6164199B2 (ja) * 2014-11-15 2017-07-19 トヨタ自動車株式会社 電源システムおよび燃料電池の電圧制御方法
JP6412187B2 (ja) * 2017-03-06 2018-10-24 東京瓦斯株式会社 燃料電池システム
CN108390078B (zh) * 2018-02-28 2021-08-03 广东国鸿氢能科技有限公司 一种恢复燃料电池电堆性能的方法及装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008517445A (ja) 2004-10-20 2008-05-22 バラード パワー システムズ インコーポレイティド 燃料電池システムの方法および装置
JP2016174519A (ja) 2014-12-22 2016-09-29 株式会社日本自動車部品総合研究所 車載燃料電池システム

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