JP7216347B2 - 発電制御装置 - Google Patents
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Description
例えば、特許文献1には、燃料電池と、蓄電装置と、これらを制御する制御装置とを備えた移動体用燃料電池システムにおいて、
(a)移動体速度が高速になるほど、発電休止モードから通常発電モードに移行する時の閾値を小さくする方法、及び、
(b)燃料電池の運転状態が発電休止モードにあるときに、燃料電池の端子間電圧が上限電圧(<開放端電圧)を超えないように制御する方法
が開示されている。
(A)移動体速度が高速になるほど閾値を小さく設定すると、閾値を変更しない場合に比べて早いタイミングで通常発電モードに移行させることができ、間欠運転する燃料電池の応答性およびドライバビリティの悪化を抑制できる点、及び、
(B)発電休止モード時の上限電位は、燃料電池に含まれる白金触媒が溶出しない程度の電位とすることが好ましい点
が記載されている。
さらに、電力を発生させる燃料電池と、余剰の電力を貯蔵する二次電池とを備えた燃料電池システムにおいて、燃費を悪化させることなく、燃料電池の耐久性を向上させることが可能な発電制御装置が提案された例は、従来にはない。
(1)前記発電制御装置は、電力を発生させる燃料電池(FC)と、余剰の電力を貯蔵する二次電池(BAT)とを備えた燃料電池システムの発電制御に用いられる。
(2)前記発電制御装置は、
時刻(i-1)における前記BATの充電率SOC(i-1)及び時刻iにおける前記BATの充電率SOC(i)に基づいて、前記BATの動作モードf_SOC(i)を判定する動作モード判定手段と、
前記時刻iにおけるシステム要求パワーp_req(i)と前記時刻iにおける前記BATの充電率SOC(i)に基づいて、前記燃料電池システムの効率が最大となるように、前記時刻iにおける前記FCの発電仮指令値p_fc_temp(i)を決定する仮指令値算出手段と、
前記時刻iにおける前記BATの動作モードf_SOC(i)、前記p_fc_temp(i)、前記p_req(i)、及び、前記時刻(i-1)における前記FCの間欠ON/OFF状態f_IM(i-1)に基づいて、前記FCの間欠状態の切替が連続しないように、前記時刻iにおける前記FCの間欠ON/OFF状態f_IM(i)を決定する間欠状態判定手段と、
前記時刻iにおいて間欠ONと決定されたときには前記FCを停止(OFF)させ、前記時刻iにおいて間欠OFFと決定されたときには前記p_fc_temp(i)と間欠OFFの閾値TP_IMOFFの内のいずれか大きい方を前記時刻iにおける前記FCの発電指令値p_fc(i)として出力する発電指令値算出手段と
を備えている。
前記時刻iにおける燃料電池カソード触媒の酸化皮膜の割合(被覆率θ(i))を算出する被覆率算出手段をさらに備え、
前記間欠状態判定手段は、
前記被覆率θ(i)を用いて間欠OFFの閾値TP_IMOFF及び/又は間欠ONの閾値TP_IMONを変更する閾値変更手段をさらに備えているものでも良い。
また、燃料電池と二次電池との間で動力分配を行う場合において、燃料電池システムの効率が最大となるように動力分配を行う(すなわち、燃料電池システムの効率が最大となるように発電仮指令値p_fc_temp(i)を決定する)と、燃費の低下も抑制することができる。さらに、SOC状態も活用して間欠ON/OFFを制御すると、SOC制御性悪化の背反も解消され、燃費悪化の影響を排除することができる。
さらに、カソード触媒の被覆率θ(i)に応じて間欠OFFの閾値TP_IMOFF及び/又は間欠ONの閾値TP_IMONを変更すると、θ(i)が大きい時には効率を優先した低負荷(高電位)運転を行い、θ(i)が小さい時には触媒の保護を優先した高負荷(低電位)運転を行うことができる。その結果、効率の向上と劣化の抑制とを両立させることができる。
[1. 発電制御装置(1)]
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る発電制御装置のブロック図を示す。図1において、発電制御装置10aは、電力を発生させる燃料電池(FC)(図示せず)と、余剰の電力(回生エネルギーも含む)を貯蔵する二次電池(BAT)(図示せず)とを備えた燃料電池システムの発電制御に用いられる装置であって、動作モード判定手段20と、仮指令値算出手段30と、間欠状態判定手段40aと、発電指令値算出手段50とを備えている。
動作モード判定手段20は、時刻(i-1)におけるBATの充電率SOC(i-1)及び時刻iにおけるBATの充電率SOC(i)に基づいて、BATの動作モードf_SOC(i)を判定するための手段である。
一方、充電率が増加している時(SOC(i-1)<SOC(i))には、動作モード判定手段20は、BATが充電モードにあると判断し、フラグf_SOC(i)に”充電モード”を表す数値(例えば、”2”)を記憶させる。
さらに、充電率に増減がない時(SOC(i-1)=SOC(i))には、動作モード判定手段20は、BATが通常モードにあると判断し、フラグf_SOC(i)に”通常モード”を表す数値(例えば、”0”)を記憶させる。
仮指令値算出手段30は、時刻iにおけるシステム要求パワーp_req(i)と時刻iにおけるBATの充電率SOC(i)に基づいて、燃料電池システムの効率が最大となるように、時刻iにおけるFCの発電仮指令値(p_fc_temp(i))を決定するための手段である。
あるいは、仮指令値算出手段30は、p_req(i)に加えてBATの充電率も考慮し、燃料電池システムの効率が最大となり、かつ、BATの充電率がSOC上限とSOC下限の間に来るように、時刻iにおけるFCの発電仮指令値p_fc_temp(i)を決定するものでも良い。
後者の場合、BATの充電率がSOC中心に来る確率が高くなり、システム要求パワーp_req(i)の増減をBATの充放電により相殺できる確率が高くなる。その結果、後者の方法は、前者の方法に比べてFCの間欠頻度をより低減することができる。
得られたp_fc_temp(i)は、間欠状態判定手段40aにおいて、FCを作動させる(間欠OFFの状態にする)か、あるいは、FCを停止させる(間欠ONの状態にする)かの判定に用いられる。また、p_fc_temp(i)は、発電指令値算出手段50において、FCの発電指令値p_fc(i)の決定にも用いられる。
間欠状態判定手段40aは、時刻iにおけるBATの動作モードf_SOC(i)、発電仮指令値p_fc_temp(i)、システム要求パワーp_req(i)、及び、時刻(i-1)におけるFCの間欠ON/OFF状態f_IM(i-1)に基づいて、FCの間欠状態の切替が連続しないように、時刻iにおける前記FCの間欠ON/OFF状態f_IM(i)を決定する手段である。
換言すれば、間欠状態判定手段40aは、システム要求パワーp_req(i)が変動した場合において、p_req(i)の変動分が可能な限りBATの充放電で相殺されるように、FCのON/OFF状態の切替頻度を適度に(FCが劣化しない程度に)抑制するための手段である。
(a)FCが作動状態(間欠OFF状態)にある場合において、システム要求パワーp_req(i)が正値からゼロクロスし負値となった時でも、所定の条件を満たす時(例えば、システム要求パワーp_req(i)がゼロクロス付近を変動する可能性が高い時)は間欠OFF状態から間欠ON状態への切替が行われないこと、及び/又は、
(b)FCが停止状態(間欠ON状態)にある場合において、システム要求パワーp_req(i)が負値からゼロクロスし正値となった時でも、所定の条件を満たす時(例えば、被覆率θ(i)が小さい時)は間欠ON状態から間欠OFF状態への切替が行われないこと
をいう。
一方、時刻(i-1)において、FCが作動状態(間欠OFF状態)にある場合には、フラグf_IM(i-1)に”間欠OFF”を表す数値(例えば、”0”)を記憶させておく。
一方、p_req(i)の変動分をBATの充放電のみにより相殺できず、FCの動作モードの変更が必要と判断された場合には、間欠状態判定手段40aは、フラグf_IM(i)に、フラグf_IM(i-1)とは異なる数値を記憶させる。
得られたフラグf_IM(i)は、発電指令値算出手段50において、FCの発電指令値p_fc(i)の決定に用いられる。
発電指令値算出手段50は、時刻iにおいて間欠ONと決定されたときにはFCを停止(OFF)させ、時刻iにおいて間欠OFFと決定されたときにはp_fc_temp(i)と間欠OFFの閾値TP_IMOFFの内のいずれか大きい方を時刻iにおけるFCの発電指令値p_fc(i)として出力する手段である。
ここで、「間欠OFFの閾値TP_IMOFF」とは、間欠ON状態(FC停止状態)から間欠OFF状態(FC作動状態)に移行させるときの発電仮指令値p_fc_temp(i)の閾値をいう。TP_IMOFFの値は、特に限定されるものでなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
p_fc_temp(i)とTP_IMOFFのいずれか大きい方を出力するパワー制限回路52と、
フラグf_IM(i)とは反対のフラグ~f_IM(i)を出力する否定回路54と、
パワー制限回路52の出力と否定回路54の出力を乗算する乗算回路56と
を備えている。
FCを作動させる際に、p_fc_temp(i)とTP_IMOFFのいずれか大きい方を時刻iにおけるFCの発電指令値p_fc(i)として選択すると、FCが高負荷(低電位)状態に維持される時間が相対的に長くなり、過度の電位変動が抑制される。その結果、触媒劣化を抑制することができる。
この場合、システム要求パワーp_req(i)がp_fc(i)より大きい時には、その差に相当する電力がBATから供給される。一方、p_req(i)がp_fc(i)より小さい時には、その差に相当する電力がBATに蓄えられる。
図2に、本発明の第1の実施の形態に係る間欠状態判定手段のフロー図を示す。図3に、図2に示すフロー図の続きを示す。
まず、ステップ1(以下、単に「S1」という)において、時刻(i-1)において間欠ON状態(FC停止状態)にあるか否か、すなわち、時刻(i-1)におけるFCの間欠ON/OFF状態を表すフラグf_IM(i-1)が1であるか否かが判断される。時刻(i-1)において間欠ON状態にある場合(S1:YES)には、S2に進む。
S4では、制御を続行するか否かが判断される。制御を続行する場合(S4:YES)には、S1に戻り、上述したS1~S5の各ステップを繰り返す。
S1において、時刻(i-1)において間欠ON状態にない場合(S1:NO)には、図3のS11に進む。S11では、p_fc_temp(i)がTP_IMOFF以下であり、かつ、p_req(i)が間欠ONの閾値TP_IMON以下であるか否かが判断される。
ここで、「間欠ONの閾値TP_IMON」とは、間欠OFF状態(FC作動状態)から間欠ON状態(FC停止状態)に移行させるときのシステム要求パワーp_req(i)の閾値をいう。TP_IMONの値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。
一方、TP_IMONとして負の値を採用すると、ハイブリッドシステムが強い回生モードに突入した時(例えば、燃料電池自動車が長い下り坂を走行している時)にのみ、FCの作動モードがONからOFFに切り替わる。その結果、間欠作動の頻度を低減することができる場合がある。
S11において、p_fc_temp(i)がTP_IMOFF以下でない場合、及び/又は、p_req(i)がTP_IMON以下でない場合(S11:NO)には、S13に進む。
S13では、時刻(i-1)においてBATが放電モードにあり、かつ、p_fc_temp(i)がFCの出力下限値(LL)以下であるか否かが判断される。
ここで、「出力下限値(LL)」とは、間欠OFF状態(FC作動状態)から間欠ON状態(FC停止状態)に切り替える時の発電仮指令値p_fc_temp(i)の下限値をいう。LLの値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。例えば、LLは、ゼロでも良く、あるいは、ゼロに近い正の値であっても良い。
そして、制御を停止する(S4:NO)まで、上述したS1~S5、及びS11~S15の各ステップを繰り返す。
図4に、本発明の第2の実施の形態に係る発電制御装置のブロック図を示す。図4において、発電制御装置10bは、電力を発生させる燃料電池(FC)(図示せず)と、余剰の電力(回生エネルギーも含む)を貯蔵する二次電池(BAT)(図示せず)とを備えた燃料電池システムの発電制御に用いられる装置であって、動作モード判定手段20と、仮指令値算出手段30と、間欠状態判定手段40bと、発電指令値算出手段50と、被覆率算出手段60とを備えている。
動作モード判定手段20は、時刻(i-1)におけるBATの充電率SOC(i-1)及び時刻iにおけるBATの充電率SOC(i)に基づいて、BATの動作モードf_SOC(i)を判定するための手段である。動作モード判定手段20の詳細は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
仮指令値算出手段30は、時刻iにおけるシステム要求パワーp_req(i)と時刻iにおけるBATの充電率SOC(i)に基づいて、燃料電池システムの効率が最大となるように、時刻iにおけるFCの発電仮指令値p_fc_temp(i)を決定するための手段である。仮指令値算出手段30の詳細は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
間欠状態判定手段40bは、時刻iにおけるBATの動作モードf_SOC(i)、発電仮指令値p_fc_temp(i)、システム要求パワーp_req(i)、時刻(i-1)におけるFCの間欠ON/OFF状態(f_IM(i-1))、及び、時刻iにおける燃料電池カソード触媒の酸化皮膜の割合(被覆率θ(i))に基づいて、燃料電池の間欠状態の切替が連続しないように、時刻iにおける前記FCの間欠ON/OFF状態f_IM(i)を決定する手段である。
間欠状態判定手段40bに関するその他の点については、第1の実施の形態に係る間欠状態判定手段40aと同様であるので、説明を省略する。
発電指令値算出手段50は、時刻iにおいて間欠ONと決定されたときにはFCを停止(OFF)させ、時刻iにおいて間欠OFFと決定されたときにはp_fc_temp(i)と間欠OFFの閾値TP_IMOFFの内のいずれか大きい方を時刻iにおけるFCの発電指令値p_fc(i)として出力する手段である。また、図4において、発電指令値算出手段50は、パワー制限回路52と、否定回路54と、乗算回路56とを備えている。発電指令値算出手段50の詳細は、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
被覆率算出手段60は、時刻iにおける燃料電池カソード触媒の酸化皮膜の割合(被覆率θ(i))を算出するための手段である。
カソード触媒が高電位に曝されると、カソード触媒の成分が溶出しやすくなる。一方、カソード触媒が高電位に曝されると、カソード触媒の表面に酸化被膜が形成され、カソード触媒の成分の溶出が抑制される。しかしながら、酸化被膜の形成速度は遅いため、急激にカソードの電位が変動すると、酸化被膜の形成が遅れ、カソード触媒の成分が溶出しやすくなる。
[参考文献1] Farling, R. M. and J. P. Meyers (2003), “Kinetic Model of Platinum Dissolution in PEMFCs,” Journal of the Electrochemical Society 150(11)
図6に、本発明の第2の実施の形態に係る間欠状態判定手段のフロー図を示す。図7に、図6に示すフロー図の続きを示す。本実施の形態に係る間欠状態判定手段は、被覆率θ(i)を用いて間欠OFFの閾値TP_IMOFF及び間欠ONの閾値TP_IMONを変更する閾値変更手段をさらに備えている。この点が、第1の実施の形態とは異なる。
まず、S1において、時刻(i-1)において間欠ON状態(FC停止状態)にあるか否か、すなわち、時刻(i-1)におけるFCの間欠ON/OFF状態を表すフラグf_IM(i-1)が1であるか否かが判断される。時刻(i-1)において間欠ON状態にある場合(S1:YES)には、S6に進む。
ここで、「第1閾値」とは、間欠OFFの閾値TP_IMOFFを変更するためのθ(i)の閾値をいう。第1閾値の値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。第1閾値の値は、例えば、酸化被膜が形成され、触媒が溶出しなくなる状態を実験等により見極めることにより設定することができる。
S1において、時刻(i-1)において間欠ON状態にない場合(S1:NO)には、図7のS16に進む。
S16では、θ(i)が第2閾値以上か否かが判断される。
ここで、「第2閾値」とは、間欠ONの閾値TP_IMONを変更するためのθ(i)の閾値をいう。第2閾値の値は、特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な値を選択することができる。第2閾値の値は、例えば、酸化被膜が形成され、触媒が溶出しなくなる状態を実験等により見極めることにより設定することができる。
上述した機能を奏する仮指令値算出手段には、種々の手段がある。これらの中でも、仮指令値算出手段は、後述する合成関数f(x)(f(x)を数学的に変形することにより得られる関数を含む)にp_req(i)を代入し、合成関数f(x)が最小となる時のxの値を算出し、これをp_fc_temp(i)と決定する手段を含むものが好ましい。以下、合成関数f(x)を用いたp_fc_temp(i)の決定方法について説明する。
FCとBATを備えたハイブリッドシステムにおいて、時刻iにおけるシステム要求パワーp_req(i)は、時刻iにおけるFCのネット出力p_fc(i)と、時刻iにおけるBATのネット出力p_bat(i)の和に等しくなるように、常にFCとBATによって供給されなければならない。次の式(1)に、これらの関係式を示す。
p_req(i)=p_fc(i)+p_bat(i) …(1)
(a)最小化することでFCの燃料消費量を抑制する効果のあるFCの燃料消費関数(FCの出力と燃料消費量の関係を表す関数)と、
(b)最小化することでBAT出力が抑制される効果のあるBAT出力の二次関数と、
(c)最小化することでBATの充填率SOCをSOC中心(SOCc)に維持する効果のあるBAT出力の一次関数と
の和で与えられる合成関数を最小化することによって、FCの出力を決定する。
f(x)=fuel(x)+γ(p_req(i)-x)2+λ・k(p_req(i)-x) …(2)
但し、
fuel(x)は、FCの燃料消費関数、
xは、FCのネット出力(=p_fc(i))、
γ(>0)は、第1制御パラメータであって、BAT、又は、BAT及びFCの劣化の程度と相関があるもの、
λは、第2制御パラメータであって、BATの充電率(SOC)と相関があるもの、
k(<0)は、BAT固有の負の定数。
[5.2.1. 概要]
式(2)の右辺第1項は、燃料消費関数fuel(x)であり、FCのネット出力x(=p_fc(i))と燃料消費量との関係を表す関数である。p_fc(i)と燃料消費量との間には正の相関があり、p_fc(i)が大きくなるほど燃料消費量が多くなる。すなわち、第1項を最小化することは、燃料消費量を削減することに相当する。
fuel(x)の形状は、FCの仕様により異なり、一般的には、単純な関数で表すことができない。そのため、f(x)の最小値を求める場合において、計算精度を追求する時には、例えば、勾配法などの繰り返し演算により最適解を求めるのが好ましい。
一方、fuel(x)をxの二次関数で近似しても良い。この場合、f(x)の最小値の計算が簡単な演算で求められるため、演算時間を短縮することができる。
fuel(x)=a・x2+b・x+c …(9)
但し、
fuel(x)は、FCの燃料消費関数、
xは、FCのネット出力(=p_fc(i))、
a(>0)、b、cは、それぞれ、FCの真の燃料消費特性とxとの関係をフィッティングすることにより得られる係数。
フィッティング方法としては、例えば、最小二乗法などがある。
df(x)/dx=0 …(10)
よって、最適解x*(=p_fc_temp(i))は、次の式(11)で与えられる。
x*=(λ・k+2γ・p_req(i)-b)/2(a+γ) …(11)
式(11)を用いると、計算精度は若干低下するが、最適化の繰り返し演算を回避できるので、計算負荷が少ないという利点がある。
[5.3.1. 概要]
式(2)の第2項は、BAT出力の二乗に第1制御パラメータγを乗じた関数からなる。γは、FCの劣化指標及びBATの劣化指標の関数であり、常に正の値を取る。また、γは、BATの劣化が大きいほど、及び/又は、FCの劣化が小さいほど、大きな値となる係数である。
第2項を確定するためには、第1制御パラメータγの値を知る必要がある。γは、具体的には、次の式(3)及び式(4)から算出することができる。
Δγ=α/DetFC+β・DetBAT …(4)
但し、
γ0は、ノミナル値(定数)、
DetFCは、FCの劣化指標、
DetBATは、BATの劣化指標、
αは、DetFCの逆数の換算係数(定数)であって、正の値、
βは、DetBATの換算係数(定数)。
(a)FC及び/又はBATの実際の作動履歴を記憶しておき、実際の作動履歴からγを推定する方法、
(b)FC及びBATの作動履歴以外のパラメータ(例えば、経年数など)に基づいて、そのパラメータに対しγを与えるマップからγを推定する方法、
(c)基準の動作点(I-V)と、計測された動作点のずれからγを推定する方法、
などがある。
(1)FCの作動履歴とFCの劣化指数DetFCとの関係を表すデータベース(A)を予めメモリに記憶させておき、FCの実際の作動履歴に対応するDetFCをデータベース(A)から読み出し、読み出されたDetFCをメモリに記憶させる(手順E1)。
(2)BATの作動履歴とBATの劣化指数DetBATとの関係を表すデータベース(B)を予めメモリに記憶させておき、BATの実際の作動履歴に対応するDetBATをデータベース(B)から読み出し、読み出されたDetBATをメモリに記憶させる(手順E2)。
(3)上述した式(3)及び式(4)にDetFC及びDetBATを代入することによりγを算出し、算出されたλをメモリに記憶させる(手順E3)。
[5.4.1. 概要]
式(2)の第3項は、BAT出力に第2制御パラメータλ及び定数kを乗じた関数からなる。λは、BATの充電率(SOC)の関数であり、正の値を取る場合と、負の値を取る場合とがある。また、λは、BATの充電率の中心(SOCc)からのSOCの偏倚量が大きくなるほど、絶対値が大きな値となる係数である。
さらに、λはSOCcと相関があるため、第3項を最小化することは、SOCがSOCcに近づくように、BATを充電又は放電させることに相当する。
第2制御パラメータλは、種々の方法により算出することができる。
第1の方法は、次の式(5)及び式(6)に基づいて、λを算出する方法である。
λ=λ0+g・ΔSOC …(5)
ΔSOC=SOC-SOCc …(6)
但し、
λ0は、ノミナル値(定数)、
gは、ΔSOCの換算係数(定数)、又は、ΔSOCの換算係数になましフィルタ(ローパスフィルタ)を乗じた関数、
SOCcは、BATの充電率SOCの中心。
(1)BATの充電率(SOC)を検出し、これをメモリに記憶させる(手順F1)。
(2)上述した式(5)及び式(6)にSOCを代入することによりλを算出し、算出されたλをメモリに記憶させる(手順F2)。
第2の方法は、式(7)及び式(8)に基づいて、λを算出する方法である。
λ=λ0+sign(ΔSOC)・h(ΔSOC) …(7)
h(ΔSOC)=h(SOC-SOCc) …(8)
但し、
λ0は、ノミナル値(定数)、
sign(x)は、符号関数、
h(x)は、BATの充電率の中心(SOCc)付近ではゼロであり、SOCcからSOCが増加又は減少するに伴いSOCが指数関数的に増加する、SOCcを対称軸とする線対称な非線形関数。
これに対し、第2の方法は、SOCがSOCc付近にあるときには、λが相対的に小さな値に維持される。そのため、第2の方法は、必要以上にBATの充放電が繰り返されることがない。
(1)BATの充電率(SOC)を検出し、これをメモリに記憶させる(手順F1)。
(2)上述した式(7)及び式(8)にSOC代入することによりλを算出し、算出されたλを前記メモリに記憶させる(手順F3)。
時刻iにおけるシステム要求パワーp_req(i)のみに基づいて燃料電池の間欠制御を行うと、間欠状態の切替頻度が増加する。その結果、カソード触媒が繰り返し電位変動に曝され、触媒の劣化が進行する。
また、燃料電池と二次電池との間で動力分配を行う場合において、燃料電池システムの効率が最大となるように動力分配を行う(すなわち、燃料電池システムの効率が最大となるように発電仮指令値p_fc_temp(i)を決定する)と、燃費の低下も抑制することができる。さらに、SOC状態も活用して間欠ON/OFFを制御すると、SOC制御性悪化の背反も解消され、燃費悪化の影響を排除することができる。
さらに、カソード触媒の被覆率θ(i)に応じて間欠OFFの閾値TP_IMOFF及び/又は間欠ONの閾値TP_IMONを変更すると、θ(i)が大きい時には効率を優先した低負荷(高電位)運転を行い、θ(i)が小さい時には触媒の保護を優先した高負荷(低電位)運転を行うことができる。その結果、効率の向上と劣化の抑制とを両立させることができる。
[1. 試験方法]
燃料電池と二次電池とを備えた燃料電池システムにおいて、システム要求パワーp_req(i)が不規則に変動した場合のFC発電パワーPFC及びFCセル電圧VFCの経時変化をシミュレーションにより求めた。
(a)時刻iにおけるシステム要求パワーp_req(i)のみに基づいて燃料電池の間欠制御を行う方法(比較例1)、又は、
(b)図2及び図3のフロー図に従って燃料電池の間欠制御を行う方法(実施例1)
を用いた。
図8(A)及び図8(B)に、それぞれ、比較例1の制御方法によるFC発電パワーPFC及びFCセル電圧VFCの経時変化を示す。図9(A)及び図9(B)に、それぞれ、実施例1の制御方法によるFC発電パワーPFC及びFCセル電圧VFCの経時変化を示す。
Claims (8)
- 以下の構成を備えた発電制御装置。
(1)前記発電制御装置は、電力を発生させる燃料電池(FC)と、余剰の電力を貯蔵する二次電池(BAT)とを備えた燃料電池システムの発電制御に用いられる。
(2)前記発電制御装置は、
時刻(i-1)における前記BATの充電率SOC(i-1)及び時刻iにおける前記BATの充電率SOC(i)に基づいて、前記BATの動作モードf_SOC(i)を判定する動作モード判定手段と、
前記時刻iにおけるシステム要求パワーp_req(i)と前記時刻iにおける前記BATの充電率SOC(i)に基づいて、前記燃料電池システムの効率が最大となるように、前記時刻iにおける前記FCの発電仮指令値p_fc_temp(i)を決定する仮指令値算出手段と、
前記時刻iにおける前記BATの動作モードf_SOC(i)、前記p_fc_temp(i)、前記p_req(i)、及び、前記時刻(i-1)における前記FCの間欠ON/OFF状態f_IM(i-1)に基づいて、前記FCの間欠状態の切替が連続しないように、前記時刻iにおける前記FCの間欠ON/OFF状態f_IM(i)を決定する間欠状態判定手段と、
前記時刻iにおいて間欠ONと決定されたときには前記FCを停止(OFF)させ、前記時刻iにおいて間欠OFFと決定されたときには前記p_fc_temp(i)と間欠OFFの閾値TP_IMOFFの内のいずれか大きい方を前記時刻iにおける前記FCの発電指令値p_fc(i)として出力する発電指令値算出手段と
を備えている。 - 前記仮指令値算出手段は、
次の式(2)で表される合成関数f(x)(前記f(x)を数学的に変形することにより得られる関数を含む)に前記p_req(i)を代入し、前記合成関数f(x)が最小となる時のxの値を算出し、これを前記p_fc_temp(i)と決定する手段を含む
請求項1に記載の発電制御装置。
f(x)=fuel(x)+γ(p_req(i)-x)2+λ・k(p_req(i)-x) …(2)
但し、
fuel(x)は、前記FCの燃料消費関数、
xは、前記FCのネット出力、
γ(>0)は、第1制御パラメータであって、前記BAT、又は、前記BAT及び前記FCの劣化の程度と相関があるもの、
λは、第2制御パラメータであって、前記BATの充電率(SOC)と相関があるもの、
k(<0)は、前記BAT固有の負の定数。 - 前記仮指令値算出手段は、前記BATの充電率がSOC上限とSOC下限の間に来るように、前記時刻iにおける前記FCの発電仮指令値p_fc_temp(i)を決定する手段を含む請求項1又は2に記載の発電制御装置。
- 前記間欠状態判定手段は、
前記時刻(i-1)において前記FCが間欠ON状態にある場合において、前記p_fc_temp(i)が間欠OFFの閾値(TP_IMOFF)以上である時には、前記時刻iにおいて前記間欠ON状態から間欠OFF状態に切り替える第1切替手段と、
前記時刻(i-1)において前記FCが間欠OFF状態にある場合において、前記p_fc_temp(i)が前記TP_IMOFF以下であり、かつ、前記p_req(i)が間欠ONの閾値(TP_IMON)以下である時には、前記時刻iにおいて前記間欠OFF状態から前記間欠ON状態に切り替える第2切替手段と、
前記p_fc_temp(i)が前記TP_IMOFF以下でない場合、及び/又は、前記p_req(i)が前記TP_IMON以下でない場合において、前記時刻(i-1)において前記BATが放電モードにあり、かつ、前記p_fc_temp(i)が前記FCの出力下限値(LL)以下である時には、前記時刻iにおいて前記間欠OFF状態から前記間欠ON状態に切り替える第3切替手段と
を備えている請求項1から3までのいずれか1項に記載の発電制御装置。 - 前記TP_IMONは、負の値も取り得る請求項4に記載の発電制御装置。
- 前記時刻iにおける燃料電池カソード触媒の酸化皮膜の割合(被覆率θ(i))を算出する被覆率算出手段をさらに備え、
前記間欠状態判定手段は、
前記被覆率θ(i)を用いて間欠OFFの閾値TP_IMOFF及び/又は間欠ONの閾値TP_IMONを変更する閾値変更手段をさらに備えている
請求項1から5までのいずれか1項に記載の発電制御装置。 - 前記被覆率算出手段は、前記FCのセル電位Vcell又は触媒電位Vcat、湿度RH、及び温度Tに基づいて、前記θ(i)を算出するものからなる請求項6に記載の発電制御装置。
- 前記閾値変更手段は、
前記時刻(i-1)において前記FCが間欠ON状態にある場合において、前記θ(i)が第1閾値以上である時には前記TP_IMOFFを下げる第1閾値変更手段、
前記時刻(i-1)において前記FCが間欠ON状態にある場合において、前記θ(i)が第1閾値以上でない時には前記TP_IMOFFを上げる第2閾値変更手段、
前記時刻(i-1)において前記FCが間欠OFF状態にある場合において、前記θ(i)が第2閾値以上であるときには前記TP_IMONを下げる第3閾値変更手段、及び、
前記時刻(i-1)において前記FCが間欠OFF状態にある場合において、前記θ(i)が第2閾値以上でないときには前記TP_IMONを上げる第4閾値変更手段
からなる群から選ばれるいずれか1以上の手段を含む請求項6又は7に記載の発電制御装置。
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