JP7248004B2 - 燃料電池制御指令装置 - Google Patents
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Description
固体高分子形燃料電池において、触媒層の外側には、通常、ガス拡散層が配置されている。ガス拡散層の外側には、さらにガス流路を備えた集電体(セパレータ)が配置される。固体高分子形燃料電池は、通常、このようなMEA、ガス拡散層、及び集電体からなる単セルが複数個積層された構造(燃料電池スタック)を備えている。
例えば、特許文献1には、
(a)燃料電池の出力電圧の変動回数と、燃料電池の出力電圧の上限値と、電極触媒層の劣化の状態との対応関係を予め求めておき、
(b)単位時間当たり出力電圧の変動回数が多くなるほど、出力電圧の上限値が小さくなるように、出力電圧の上限値を決定する
燃料電池システムの制御方法が開示されている。
同文献には、このような方法により、電極触媒層に含まれる白金や白金合金の溶出・劣化を抑制することが可能となる点が記載されている。
(a)カソード触媒の表面に酸化被膜が形成されるときの生成反応速度と、酸化被膜が還元されるときの還元反応速度との差に基づいて、触媒酸化被膜率を導出し、
(b)触媒酸化被膜率に基づいて、燃料電池の電流-電圧特性を補正し、
(c)燃料電池に対して負荷要求があったときは、補正された電流-電圧特性を用いて、負荷要求に対応する電力を得るための出力電流及び出力電圧を設定する
燃料電池システムの制御方法が開示されている。
(A)カソード触媒の表面に酸化被膜が形成されると、カソード触媒表面における電気化学反応の進行が抑制されるために、電流-電圧特性が変化する点、
(B)酸化被膜の形成によって電流-電圧特性が変化したにもかかわらず、予め取得された電流-電圧特性(酸化被膜がない状態での電流-電圧特性)に基づいて発電制御を行うと、発電制御の精度が低下する点、及び、
(C)触媒酸化被膜率を逐次算出し、触媒酸化被膜率に応じて電流-電圧特性を補正すると、酸化被膜の形成に起因する発電制御の精度低下を抑制することができる点
が記載されている。
(1)少なくとも燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)に基づいて、前記燃料電池のカソード触媒の触媒電位Vcat(i)を算出する触媒電位算出手段。
(2)少なくとも前記Vcat(i)に基づいて、前記時刻iにおける前記カソード触媒の酸化被膜形成量θ(i)を算出する被覆状態算出手段。
(3)時刻iにおける前記燃料電池への電力指令値Pfc_cm(i)に基づいて、前記Pfc_cm(i)が得られる電流の推定値I_op(i,X_op)及び総電圧の推定値V_op(i,X_op)、並びに、前記I(i,X_op)及び前記V_op(i,X_op)を実現するための制御パラメータの候補値X_op(i,Pfc_cm)の組み合わせからなる複数の指令値候補を算出する指令値候補算出手段。
(4)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記燃料電池の損失の推定値Ploss_op(i,X_op)を算出する損失量算出手段。
(5)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記カソード触媒の触媒電位の推定値Vcat_op(i,X_op)を算出する仮触媒電位算出手段。
(6)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記燃料電池の劣化量の推定値M_op(i,X_op)を算出する劣化量算出手段。
(7)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記Ploss_op(i,X_op)、及び/又は、前記M_op(i,X_op)を含む総合指標Y_op(i,X_op)を算出し、
前記複数の指令値候補の中から前記Y_op(i,X_op)が最小となる前記X_op(i,Pfc_cm)、前記V_op(i,X_op)、及び前記I_op(i,X_op)の組み合わせを選択し、これらを制御パラメータの指令値X_cm(i)、総電圧の指令値V_cm(i)、及び電流の指令値I_cm(i)として出力する指令値算出手段。
一方、燃料電池の電流-電圧特性は、制御パラメータX(カソードガス流量Q、カソードガス圧Pair、燃料電池の温度Tfc、燃料電池の湿度RHなど)に応じて変化する。換言すれば、制御パラメータXを変化させることで、電力Pfcを一定に維持したまま、電流Iと総電圧Vの組み合わせを比較的広範囲に変化させることができる。
一方、酸化被膜形成量θが大きい時は、触媒電位Vcatが大きくなるように制御パラメータXを制御することによって、電力Pを要求値Pfcに維持したまま、効率の高い高電位条件下で発電を行うことができる。
[1. パラメータ]
表1に、本発明において用いられているパラメータの一覧を示す。
添え字“cm”は、“command”、すなわち燃料電池に対する各変数の指令値を表す。添え字“op”は、“option”、すなわち各変数が選択可能な候補値又は推定値を表す。
「V(i)」は、所定の時間間隔で燃料電池の総電圧Vを測定した場合において、時刻iにおける総電圧の測定値を表す。「I(i)」、「R(i)」等も同様である。
「V_op(i,X_op)」は、時刻iにおける総電圧の推定値V_opであり、かつ、V_opが制御パラメータX_opの関数であることを表す。「X_op(i,Pfc_cm)」、「I_op(i,X_op)」等も同様である。
本発明に係る燃料電池制御指令装置は、種々の燃料電池に対して適用できる。本発明が適用可能な燃料電池としては、例えば、固体高分子形燃料電池、アルカリ電解質形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池、固体酸化物形燃料電池などがある。
図1に、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池制御指令装置のブロック図を示す。図1において、燃料電池制御指令装置10aは、触媒電位算出手段20と、被覆状態算出手段30aと、指令値候補算出手段40と、損失量算出手段50と、仮触媒電位算出手段60と、劣化量算出手段70と、指令値算出手段80とを備えている。
触媒電位算出手段20は、少なくとも燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)に基づいて、燃料電池のカソード触媒の触媒電位Vcat(i)を算出する手段である。
触媒電位算出手段20は、V(i)のみに基づいてVcat(i)を算出するものでも良く、あるいは、総電圧V(i)、電流I(i)、及び高周波の直流抵抗R(i)に基づいて、Vcat(i)を算出するものでも良い。
燃料電池の「総電圧V」とは、スタックの両端の電位差をいう。
「カソード触媒の触媒電位Vcat」とは、厳密には、各単セルのカソードの電位に内部抵抗に起因する電位降下を加えた値をいう。
本発明において、Vcat(i)の算出方法は特に限定されるものではなく、目的に応じて最適な方法を選択することができる。特に、触媒電位算出手段20は、次の式(1)又は式(2)に基づいてVcat(i)を算出するものが好ましい。
式(2)は、内部抵抗に起因する電位降下を無視したVcat(i)の近似式である。式(2)は、式(1)に比べて計算精度に劣る。しかしながら、式(2)を用いると、Vcat(i)の演算を簡略化することができる。また、式(2)を用いるとVcat(i)を実際の値より低めに見積もることになるので、式(1)を用いた場合に比べて燃料電池の発電効率が向上する可能性はあるが、触媒劣化が加速される可能性がある。
被覆状態算出手段30aは、少なくともVcat(i)に基づいて、時刻iにおけるカソード触媒の酸化被膜形成量θ(i)を算出する手段である。
被覆状態算出手段30aは、Vcat(i)のみに基づいてθ(i)を算出するものでも良く、あるいは、Vcat(i)及び時刻(i-1)におけるカソード触媒の酸化被膜形成量θ(i-1)に基づいてθ(i)を算出するものでも良い。さらに、被覆状態算出手段は、Vcat(i)及びθ(i-1)に加えて、これら以外のパラメータを考慮してθ(i)を算出するものでも良い。
Vcat(i)及び時刻(i-1)における酸化被膜形成量θ(i-1)(以下、「前回値θ(i-1)」ともいう)から時刻iにおける酸化被膜形成量θ(i)(以下、「今回値θ(i)」ともいう)を算出するための主回路32aと、
今回値θ(i)を前回値θ(i-1)として記憶させ、前回値θ(i-1)を用いて次の今回値θ(i)(すなわち、時刻(i+1)における酸化被膜形成量θ(i+1))の算出に用いるためのメモリ34と
を備えている。
被覆状態算出手段30aとしては、具体的には、
(a)Vcatとθとの関係について予め第1マップを作成しておき、第1マップに基づいて、Vcat(i)に対応するθ(i)を算出する手段、
(b)Vcatとθとの関係について予め第1関係式を作成しておき、第1関係式に基づいて、Vcat(i)に対応するθ(i)を算出する手段
などがある。
「第1マップ」とは、制御対象である燃料電池と同一仕様の燃料電池について予め作成された、Vcatとθとの対応関係を示す一群のデータをいう。θは、現在のVcatだけでなく、過去のVcat(すなわち、動作履歴)にも依存する。そのため、θ(i)の推定精度を高めるためには、第1マップは、Vcat(i)及びθ(i-1)に基づいてθ(i)を推定することが可能なものが好ましい。
第1マップを用いてθ(i)を算出する場合には、予めVcatとθとの対応関係について一群のデータを取得しておき、これをメモリに記憶させておく。被覆状態算出手段30aが触媒電位算出手段20からVcat(i)を取得したときは、第1マップを用いてVcat(i)、又は、Vcat及びθ(i-1)からθ(i)を推定する。第1マップ中に、時刻iにおけるVcat(i)に完全に一致するデータがない時は、内挿法を用いてVcat(i)からθ(i)を推定する。
「第1関係式」とは、制御対象である燃料電池と同一仕様の燃料電池について予め作成された、Vcatとθとの対応関係を示す関係式をいう。
第1関係式を用いてθを算出する場合には、予めVcatとθとの対応関係を示す第1関係式をメモリに記憶させておく。被覆状態算出手段30aが触媒電位算出手段20からVcat(i)を取得したときは、第1関係式にVcat(i)を代入し、θ(i)を算出する。
ΔTは、計算ステップ幅(時刻(i-1)から時刻iまでの時間)、
Γは、単位表面積当たりの最大表面被覆酸素量(定数)、
k1は、速度定数、
E1は、平衡電位(定数)、
α1、α2、β1、β2、γ1は、それぞれ、定数(フィッティングパラメータ)。
右辺第2項中、分子の第1項は、酸化反応の反応速度に対応しており、酸化物が形成されていない部分(すなわち、「1-θ」の部分)について、VcatとE1(酸化還元電位の基準値)との差に対して指数関数的に反応が進むことを表す。
一方、右辺第2項中、分子の第2項は、還元反応(逆反応)の反応速度に対応しており、酸化物が形成されている部分(すなわち、「θ」の部分)について、VcatとE1との差に対して指数関数的に反応が進むことを表す。
指令値候補算出手段40は、時刻iにおける燃料電池への電力指令値Pfc_cm(i)に基づいて、Pfc_cm(i)が得られる電流の推定値I_op(i,X_op)及び総電圧の推定値V_op(i,X_op)、並びに、I(i,X_op)及びV_op(i,X_op)を実現するための制御パラメータの候補値X_op(i,Pfc_cm)の組み合わせからなる複数の指令値候補を算出する手段である。
(a)カソードガス流量Q、アノードガス流量などのガス流量、
(b)カソードガス圧力Pair、アノードガス圧、カソードガスの酸素・窒素分圧、アノードガスの水素・窒素分圧などのガス圧力、
(c)燃料電池の温度Tfc、
(d)燃料電池の湿度RH、
などがある。制御パラメータXには、これらのいずれか1つを用いても良く、あるいは、2種以上を組み合わせて用いても良い。
同様に、「燃料電池の湿度RH」とは、厳密には、カソード触媒近傍の湿度を指すが、カソード触媒近傍の湿度を直接、制御するのが難しい時は、カソード触媒近傍の湿度と密接な関係がある他のパラメータで代用しても良い。RHと同視できるパラメータとしては、例えば、カソードガスの湿度、アノードガスの湿度などがある。
一方、燃料電池の電流-電圧特性は、制御パラメータXに応じて変化する。換言すれば、制御パラメータXを変化させることで、電力Pfcを一定に維持したまま、電流Iと総電圧Vの組み合わせを比較的広範囲に変化させることができる。
(a)Q、Pair、Tfc、及びRHからなる群から選ばれるいずれか1以上の制御パラメータXと、燃料電池の電力Pfc、総電圧V、及び電流Iとの関係について予め第2マップを作成しておき、第2マップに基づいて複数の指令値候補を算出する手段、
(b)Q、Pair、Tfc、及びRHからなる群から選ばれるいずれか1以上の制御パラメータXと、燃料電池の電力Pfc、総電圧V、及び電流Iとの関係について予め第2関係式を作成しておき、第2関係式に基づいて複数の指令値候補を算出する手段、
などがある。
「第2マップ」とは、制御対象である燃料電池と同一仕様の燃料電池について予め作成された、Xと、Pfcと、Vと、Iとの対応関係を示す一群のデータをいう。
第2マップを用いてI、V、及びXの組み合わせを算出する場合には、予めXと、Pfcと、Vと、Iとの対応関係を示す一群のデータを取得しておき、これをメモリに記憶させておく。指令値候補算出手段40がPfc_cm(i)を取得したときは、第2マップを用いて、Pfc_cm(i)を実現するための、I(i,X_op)、V_op(i,X_op)、及びX_op(i,Pfc_cm)の組み合わせからなる複数の指令値候補を算出する。第2マップ中に、時刻iにおけるPfc_cm(i)に完全に一致するデータがない時は、内挿法を用いてPfc_cm(i)からI(i,X_op)、V_op(i,X_op)、及びX_op(i,Pfc_cm)を推定する。
「第2関係式」とは、制御対象である燃料電池と同一仕様の燃料電池について予め作成された、Xと、Pfcと、Vと、Iとの対応関係を示す関係式をいう。
第2関係式を用いてI、V、Xを算出する場合には、予めXと、Pfcと、Vと、Iとの対応関係を示す第2関係式をメモリに記憶させておく。指令値候補算出40がPfc_cm(i)を取得した時は、第2関係式にPfc_cm(i)を代入し、Pfc_cm(i)を実現するための、I(i,X_op)、V_op(i,X_op)、及びX_op(i,Pfc_cm)の組み合わせからなる複数の指令値候補を算出する。
特に、第2関係式は、次の式(5)及び式(6)で表されるものが好ましい。式(5)と式(6)との連立式を解くことで、Pfc_cm(i)を取得した時に、任意のX_op(i,Pfc_cm)に対するI(i,X_op)、及び、V_op(i,X_op)を算出することができる。
式(6)は、バトラー・ボルマー式を変形することにより得られる燃料電池の総電圧Vの理論式である。式(6)の右辺のかっこ内において、
(a)第1項は、理論起電圧(Vocv)、
(b)第2項は、反応に必要な活性化エネルギーに対応する活性化過電圧、
(c)第3項は、反応に使用するガス(特に、空気内の酸素)の濃度過電圧、
(d)第4項は、電解質のオーム損失に対応する抵抗過電圧
である。
式(10)は、式(8)に対し、exp項を取り入れた実験式である。式(10)は、式(8)や式(9)に比べ、試験結果を説明しやすい場合に用いるのが好ましい。
損失量算出手段50は、複数の指令値候補について、それぞれ、燃料電池の損失の推定値Ploss_op(i,X_op)を算出する手段である。図1に示す例において、損失量算出手段50は、Pfc_cm(i)、I_op(i,X_op)、及びV_op(i,X_op)の組み合わせ毎に、それぞれ、燃料電池の損失の推定値Ploss_op(i,X_op)を算出するものからなる。
本発明ではこの問題を解決するために、複数の指令値候補毎に燃料電池の損失の推定値Ploss_op(i,X_op)を算出し、複数の指令値候補の中から特定の指令値候補を選択する際にPloss_op(i,X_op)が考慮される。
X0(Pfc_cm)は、前記Pfc_cm(i)に対応する前記制御パラメータの基準値、
I0(Pfc_cm)は、前記Pfc_cm(i)に対応する電流の基準値、
Vlossは、損失を計算するための総電圧の基準値、
APloss(X_op)は、前記制御パラメータを制御する装置の動力損失、
APloss(X0(Pfc_cm))は、前記Pfc_cm(i)に対応する前記動力損失の基準値。
式(11)の右辺第2項は、制御パラメータXが基準値X0(Pfc_cm)から候補値X_op(i,Pfc_cm)に変化した時の、制御パラメータを制御する装置の損失(例えば、カソードガス供給装置の動力損失)の差分を表す。
例えば、X0(Pfc_cm)は、燃料電池の発電効率を最も優先したときの制御パラメータXの値と定義しても良い。この場合、X0(Pfc_cm)で燃料電池を作動させた時に、Pfc_cm(i)を満足する電流値がI0(Pfc_cm)に対応する。
また、Vlossは、例えば、セルの理論電圧をV0(1~1.4V)とし、セルの積層数をNcellとすると、Vloss=V0×Ncellと表せる。
仮触媒電位算出手段60は、複数の指令値候補について、それぞれ、カソード触媒の触媒電位の推定値Vcat_op(i,X_op)を算出する手段である。図1に示す例において、仮触媒電位算出手段60は、I_op(i,X_op)、V_op(i,X_op)、及びR(i)の組み合わせ毎に、それぞれ、カソード触媒の触媒電位の推定値Vcat_op(i,X_op)を算出するものからなる。
本発明ではこの問題を解決するために、各指令値候補毎にカソード触媒の劣化量M_op(i,X_op)を予測し、複数の指令値候補の中から特定の指令値候補を選択する際にM_op(i,X_op)が考慮される。そのためには、まず、各指令値候補毎に触媒電位の推定値Vcat_op(i,X_op)を算出する必要がある。
なお、式(12)及び式(13)の詳細については、式(1)及び式(2)と同様であるので、説明を省略する。
劣化量算出手段70は、複数の指令値候補について、それぞれ、前記燃料電池の劣化量の推定値M_op(i,X_op)を算出する手段である。図1に示す例において、劣化量算出手段70は、Vcat_op(i,X_op)及びθ(i)の組み合わせ毎に、それぞれ、燃料電池の劣化量の推定値M_op(i,X_op)を算出するものからなる。
FdissをVcatの関数で表す場合、その関係式は、VcatからFdissを一義的に求めることか可能なものである限りにおいて、特に限定されない。Fdissは、特に、次の式(15)で表されるものが好ましい。
指令値算出手段80は、
複数の指令値候補について、それぞれ、Ploss_op(i,X_op)、及び/又は、M_op(i,X_op)を含む総合指標Y_op(i,X_op)を算出し、
複数の指令値候補の中からY_op(i,X_op)が最小となる前記X_op(i,Pfc_cm)、前記V_op(i,X_op)、及び前記I_op(i,X_op)の組み合わせを選択し、これらを制御パラメータの指令値X_cm(i)、総電圧の指令値V_cm(i)、及び電流の指令値I_cm(i)として出力する手段である。
指令値算出手段は、具体的には、次の式(16)又は式(17)に基づいて、Y_op(i,X_op)を算出するものが好ましい。
m1は、前記Ploss_op(i,X_op)に対する重み係数、
m2は、前記M_op(i,X_op)に対する重み係数、
Vthは、閾値、
θ(i)×(Vth-Vcat_op(i,X_op))は、酸化物の保持項、
m3は、前記酸化物の保持項に対する重み係数であって、Vth-Vcat_op(i,X_op)<0の時はm3=0、Vth-Vcat_op(i,X_op)≧0の時はm3>0。
式(16)は、Ploss_op(i,X_op)及びM_op(i,X_op)のみが考慮された総合指標Y_op(i,X_op)を表す。式(16)において、重み係数m1、m2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。
さらに、m1>0、m2>0である場合、両者の大きさを最適化することによって、Ploss_op(i,X_op)及びM_op(i,X_op)の双方が適度に小さくなるX_cm(i)、V_cm(i)、及びI_cm(i)の組み合わせが選択される。
式(17)は、Ploss_op(i,X_op)及びM_op(i,X_op)に加えて、さらに酸化物の保持項が考慮された総合指標Y_op(i,X_op)を表す。式(17)において、重み係数m1、m2、m3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。
長時間の運転がなされ、θ(i)が大きくなるような使い方では、m3は大きい方がトータルの劣化量Mが削減される。一方、頻繁な燃料電池の始動・停止などにより、Vcat(i)が低電位となり、θ(i)があまり大きくならない使い方では、m3は小さい方がトータルの劣化量Mが削減される。
図2に、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池制御指令装置のブロック図を示す。図2において、燃料電池制御指令装置10bは、触媒電位算出手段20と、被覆状態算出手段30bと、指令値候補算出手段40と、損失量算出手段50と、仮触媒電位算出手段60と、劣化量算出手段70と、指令値算出手段80とを備えている。
触媒電位算出手段20、指令値候補算出手段40、損失量算出手段50、仮触媒電位算出手段60、劣化量算出手段70、及び、指令値算出手段80については、第1の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
図2において、被覆状態算出手段30bは、
Vcat(i)、時刻(i-1)における酸化被膜形成量θ(i-1)、燃料電池の温度Tfc(i)、及び、燃料電池の湿度RH(i)から時刻iにおける酸化被膜形成量θ(i)を算出するための主回路32bと、
今回値θ(i)を前回値θ(i-1)として記憶させ、前回値θ(i-1)を用いて次の今回値θ(i)(すなわち、時刻(i+1)における酸化被膜形成量θ(i+1))の算出に用いるためのメモリ34と
を備えている。
被覆状態算出手段30bとしては、具体的には、
(a)Vcat、θ、Tfc、及びRHの関係について予め第3マップを作成しておき、第3マップに基づいて、Vcat(i)、Tfc(i)、及びRH(i)に対応するθ(i)を算出する手段、
(b)Vcat、θ、Tfc、及びRHと関係について予め第3関係式を作成しておき、第3関係式に基づいて、Vcat(i)、Tfc(i)、及びRH(i)に対応するθ(i)を算出する手段
などがある。
「第3マップ」とは、制御対象である燃料電池と同一仕様の燃料電池について予め作成された、Vcat、θ、Tfc、及びRHの対応関係を示す一群のデータをいう。
第3マップは、Vcat及びθに加えて、Tfc及びRHがさらに考慮される。この点が第1マップとは異なる。第3マップに関するその他の点については、第1マップと同様であるので、説明を省略する。
「第3関係式」とは、制御対象である燃料電池と同一仕様の燃料電池について予め作成された、Vcat、θ、Tfc、及びRHの対応関係を示す関係式をいう。
第3関係式を用いてθを算出する場合には、予めVcat、θ、Tfc、及びRHの対応関係を示す第3関係式をメモリに記憶させておく。被覆状態算出手段30bがVcat(i)、Tfc(i)、RH(i)、及びθ(i-1)を取得したときは、第3関係式にこれらを代入し、θ(i)を算出する。
[参考文献1]Darling, R.M. and J.P. Meyers (2003), "Kinetic Model of Platinum Dissolution in PEMFCs," Journal of the Electrochemical Society 150 (11)
[5.1. 触媒の劣化]
図3に、触媒電位Vcatがステップ状に変化した時の、触媒粒子の劣化量Mの経時変化の模式図を示す。触媒粒子は、図3に示すような劣化特性を持つ。図3の上段は、燃料電池の電圧V(すなわち、触媒電位Vcat)がステップ状に増加した例を示す。図3の下段は、上段のVcatが入力された結果、触媒粒子の劣化量Mが時間の経過とともに変化する様子を表す。劣化量Mは、触媒の溶解速度に対応しており、モデル式や実験により求めることができる。上述した式(14)及び式(15)は、モデル式の一例である。
図5に、制御パラメータXの変化に伴う燃料電池の電流-電圧特性の変化の模式図を示す。燃料電池の電流-電圧(単セルの端子間電圧)特性は、基本的には、電流Iの増加(すなわち、発電量≒パワー要求値の増加)に伴い、電圧Vは低下する曲線となる。このIV特性は、通常、発電環境が変わると、上昇又は下降する。
一方、燃料電池の電流-電圧特性は、制御パラメータXに応じて変化する。例えば、IV特性を変化させるための制御パラメータXとして、カソードガス流量Qを用いた場合、図6に示すように、Qを増加させるとIV特性が上昇し、Qを減少させるとIV特性が下降する。換言すれば、制御パラメータXを変化させることで、電力Pfcを一定に維持したまま、電流Iと総電圧Vの組み合わせを比較的広範囲に変化させることができる。
同様に、カソードガス流量がQ2であるときのIV特性と等パワーラインの交点から、Pfcを得るための第2候補値(V_op2、I_op2)を得ることができる。
以下、同様にして、Pfcを得るためのQと、Vと、Iとの組み合わせからなる複数の指令値候補値を算出することができる。
例えば、制御パラメータXとしてカソードガス圧Pairを用いた場合、通常、Pairが大きくなるほど、IV特性は上昇する。但し、Pairが過度に大きくなると、圧力増加により生成水が液水として滞留しやすくなり、これによって酸素の供給が阻害され、電位が低下する場合がある。
また、制御パラメータXとして燃料電池の温度Tfcを用いた場合、通常、Tfcが高くなるほど、IV特性は上昇する。但し、Tfcが過度に高くなると、電解質が乾燥する。その結果、ある電流動作点ではTfcの上昇に伴い電位が低下し、ある電流動作点ではTfcの上昇に伴い電位が増加する。
さらに、制御パラメータXとして燃料電池の湿度RHを用いた場合、通常、RHが大きくなるほど、IV特性は上昇する。但し、RHが過度に増加すると、生成水が液水として滞留しやすくなり、これによって酸素の供給が阻害され、電位が低下する場合がある。
上述のようにして得られた指令値候補は、Pfcを実現することが可能な電流I、総電圧V、及び制御パラメータXの組み合わせを物理的に算出しているに過ぎず、その際に燃料電池の効率やカソード触媒の劣化は考慮されていない。そのため、そのため、算出された複数の指令値候補の中から無作為に特定の指令値候補を選択すると、燃料電池の効率が低下し、あるいは、カソード触媒が劣化する場合がある。
一方、酸化被膜形成量θが大きい時は、触媒電位Vcatが大きくなるように制御パラメータXを制御することによって、電力Pを要求値Pfcに維持したまま、効率の高い高電位条件下で発電を行うことができる。
複数の指令値候補の中からどれを指令値として選択すべきかは、燃料電池が搭載されるシステムの用途により異なる。耐久性が重視される用途では、劣化量Mが最も小さくなる指令値候補を指令値として選択すべきである。一方、燃費が重視される用途では、損失Plossが最も小さくなる指令値候補を指令値として選択すべきである。
損失Plossに対する重み係数m1が劣化量Mに対する重み係数m2より大きい場合、燃費が優先される。逆に、m2がm1より大きい場合、耐久性が優先される。また、m1及びm2の値を最適化すると、燃費を著しく低下させることなく、耐久性を大幅に改善することができる。さらに、酸化物保持項に対する重み係数m3を考慮すると、使用条件が考慮されることになるので、カソード触媒の耐久性がさらに向上する場合がある。
[1. 試験方法]
上述した式(16)で表される総合指標を用いて指令値を選択した時の、劣化量と燃費をシミュレーションにより求めた。制御パラメータXには、カソードガス流量Qを用いた。損失Plossに対する重み係数m1は一定の値に固定し、劣化量Mに対する重み係数m2は、0~0.5の範囲で変化させた。
図7に、損失に対する重み係数m1が固定されている時の、劣化量に対する重み係数m2と劣化量又は燃費との関係を示す。なお、図7において、劣化量及び燃費は、いずれもm2=0の時の値で規格化されている。
図7より、m2=0.2とすると、m2=0に比べて燃費がほとんど低下せず、劣化量を約40%削減できること(耐久性が1.6倍に向上すること)がわかる。また、m2をさらに大きくすると、燃費は悪化するが、耐久性はさらに改善されることがわかる。
(a)電力指令値Pfc_cm(i)の変化の模式図、並びに、
(b)m2=0又は0.2である時の電力指令値Pfc_cm(i)の変化に伴う、電流の指令値I_cm(i)、総電圧の指令値V_cm(i)、カソードガス流量の指令値Q_cm(i)、又は、酸化被膜形成量θ(i)の変化の模式図
を示す。図8より、以下のことがわかる。
(2)θ(i)が大きい(θ(i)≒1)場合、m2=0.2である時の総電圧V_cm(i)は、m2=0である時のそれとほぼ同等であった。これは、θ(i)が大きい場合、劣化量Mが少なくなるため、m2=0.2の時も効率優先の制御が行われたためである。
Claims (13)
- 以下の構成を備えた燃料電池制御指令装置。
(1)少なくとも燃料電池の時刻iにおける総電圧V(i)に基づいて、前記燃料電池のカソード触媒の触媒電位Vcat(i)を算出する触媒電位算出手段。
(2)少なくとも前記Vcat(i)に基づいて、前記時刻iにおける前記カソード触媒の酸化被膜形成量θ(i)を算出する被覆状態算出手段。
(3)時刻iにおける前記燃料電池への電力指令値Pfc_cm(i)に基づいて、前記Pfc_cm(i)が得られる電流の推定値I_op(i,X_op)及び総電圧の推定値V_op(i,X_op)、並びに、前記I(i,X_op)及び前記V_op(i,X_op)を実現するための制御パラメータの候補値X_op(i,Pfc_cm)の組み合わせからなる複数の指令値候補を算出する指令値候補算出手段。
(4)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記燃料電池の損失の推定値Ploss_op(i,X_op)を算出する損失量算出手段。
(5)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記カソード触媒の触媒電位の推定値Vcat_op(i,X_op)を算出する仮触媒電位算出手段。
(6)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記燃料電池の劣化量の推定値M_op(i,X_op)を算出する劣化量算出手段。
(7)前記複数の指令値候補について、それぞれ、前記Ploss_op(i,X_op)、及び/又は、前記M_op(i,X_op)を含む総合指標Y_op(i,X_op)を算出し、
前記複数の指令値候補の中から前記Y_op(i,X_op)が最小となる前記X_op(i,Pfc_cm)、前記V_op(i,X_op)、及び前記I_op(i,X_op)の組み合わせを選択し、これらを制御パラメータの指令値X_cm(i)、総電圧の指令値V_cm(i)、及び電流の指令値I_cm(i)として出力する指令値算出手段。 - 前記被覆状態算出手段は、触媒電位Vcatと酸化被膜形成量θとの関係について予め第1マップ又は第1関係式を作成しておき、
前記第1マップ又は前記第1関係式に基づいて、前記Vcat(i)に対応する前記θ(i)を算出するものからなる請求項1又は2に記載の燃料電池制御指令装置。 - 前記指令値候補算出手段は、
カソードガス流量Q、カソードガス圧力Pair、前記燃料電池の温度Tfc、及び前記燃料電池の湿度RHからなる群から選ばれるいずれか1以上の制御パラメータXと、前記燃料電池の電力Pfc、総電圧V、及び電流Iとの関係について予め第2マップ又は第2関係式を作成しておき、
前記第2マップ又は前記第2関係式に基づいて、前記複数の指令値候補を算出するものからなる
請求項1から4までのいずれか1項に記載の燃料電池制御指令装置。 - 前記被覆状態算出手段は、前記Vcat(i)、時刻(i-1)における前記カソード触媒の酸化被膜形成量θ(i-1)、前記燃料電池の温度Tfc(i)、及び前記燃料電池の湿度RH(i)に基づいて、前記θ(i)を算出するものからなる請求項1から12までのいずれか1項に記載の燃料電池制御指令装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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