JPWO2008047944A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
このような事情から、日本国特開2004−281219号公報に記載された燃料電池システムの場合には、燃料電池で発電した発電電力を燃料電池の発電に必要な補機に供給するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機に供給する電力分配部と、システムの起動時に、燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第1処理と、燃料電池の発電電力および二次電池の放電電力を補機に供給するように電力分配部を制御する第2処理とを交互に行うことにより、燃料電池および二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備えることが考えられている。
日本国特開2004−281219号公報に記載された燃料電池システムの場合、第1処理と第2処理とを交互に行うことにより、燃料電池および二次電池を早期に暖機できる可能性はあるが、二次電池に過充電や過放電が生じる可能性がないとはいえない。例えば、燃料電池を発電させるためにエアコンプレッサ等の酸化ガス供給部の駆動状態を制御する必要があるが、第1処理と第2処理との間の移行時に、酸化ガス供給部の回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができない可能性がある。この理由は、制御部からの酸化ガス供給部の回転数の変化に関する指令信号に対して、実際の酸化ガス供給部の回転数の変化に時間的遅れが生じて、すなわち誤差が生じて変化するためである。また、酸化ガス供給部の回転数の変化は、燃料電池の発電電力の変化に対応する。このため、燃料電池の発電電力を低下させる場合に発電電力の目標値に対して実際の発電電力が低下し過ぎるアンダーシュートが生じたり、逆に燃料電池の発電電力を上昇させる場合に発電電力の目標値に対して実際の発電電力が上昇しすぎるオーバーシュートが生じる可能性がある。
燃料電池の発電電力に関してアンダーシュートが生じると、燃料電池の発電電力の低下を補う二次電池の放電電力の上昇時に、放電電力の上限基準を超える過放電が生じやすくなる。逆に、燃料電池の発電電力に関してオーバーシュートが生じると、発電電力が供給され、充電される二次電池の充電電力の上昇時に、充電電力の上限基準を超える過充電が生じやすくなる。このように二次電池に過放電や過充電が生じるのは、二次電池が早期に劣化する原因となるため、好ましくない。特に、二次電池の放電を放電電力の上限基準近くまで行い、二次電池の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合に、過放電や過充電が生じやすい。
また、システムの起動時だけでなく、燃料電池の発電継続中等においても、低温環境下にあると、二次電池の性能が低下する可能性があるため、この場合も暖機制御処理を行い、二次電池を暖機することが好ましい。
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池から二次電池への発電電力の供給と、二次電池からの放電とを交互に行うことにより二次電池を暖機する場合において、二次電池に過充電および過放電を生じにくくすることを目的とする。
また、好ましくは、酸化ガス供給部はエアコンプレッサとし、酸化ガス供給部駆動制御手段は、発電電力演算手段の出力指令が表す燃料電池の発電電力の演算値に基づいて、エアコンプレッサの回転数を制御する。
本発明に係る燃料電池システムによれば、発電電力演算手段は、酸化ガス供給部駆動制御手段に入力する出力指令が表す、第1処理と第2処理との間の移行時での、燃料電池の発電電力の大きさを徐々に変化させるので、第1処理と第2処理との間の移行時に、酸化ガス供給部の駆動状態の目標値の変化に対して、実際の駆動状態の変化を精度よく追従させることができる。このため、燃料電池の発電電力を低下させる場合に発電電力が目標値に対して低下し過ぎることと、燃料電池の発電電力を上昇させる場合に発電電力の目標値に対して上昇しすぎることとを生じにくくできる。この結果、二次電池の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合でも、二次電池に過放電および過充電を生じにくくできる。
図2は、本発明の実施の形態の構成をより詳しく示す構成図である。
図3は、本発明の実施の形態の燃料電池システムで行う暖機制御処理を示すフローチャートである。
図4は、図3の暖機制御処理を行っている場合の、(a)が発電電力演算手段の出力指令が表す、燃料電池スタックからの取り出し電力の演算値の時間的変化を示す図であり、(b)が二次電池の充放電電力の時間的変化を示す図である。
図5は、従来の燃料電池システムにおいて暖機制御処理を行っている場合の、(a)が発電電力演算手段の出力指令が表す、燃料電池スタックからの取り出し電力の演算値の時間的変化を示す図であり、(b)が二次電池の充放電電力の時間的変化を示す図である。
図6は、(a)が、図5(b)において二次電池を充電状態から放電状態に移行させる場合の、二次電池の充放電電力の時間的変化を目標値(一点鎖線)と実際の測定値(実線)とで示す図であり、(b)が、(a)に対応するエアコンプレッサの回転数の時間的変化を目標値(一点鎖線)と実際の測定値(実線)とで示す図である。
図7は、(a)が、本発明の実施の形態において二次電池を充電状態から放電状態に移行させる場合の、二次電池の充放電電力の時間的変化を目標値(一点鎖線)と実際の測定値(実線)とで示す図であり、(b)が、(a)に対応するエアコンプレッサの回転数の時間的変化を目標値(一点鎖線)と実際の測定値(実線)とで示す図である。
図8は、本発明の第2の実施の形態の燃料電池システムで行う暖機制御処理を示すフローチャートである。
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図1から図4、図7は、本発明の第1の実施の形態を示している。図1は、本実施の形態の燃料電池システム10の基本構成を示すブロック図であり、図2は同じく具体的な構成を示す構成図である。
本実施の形態の燃料電池システム10は、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック12を有する。この燃料電池スタック12は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノード側電極からカソード側電極へ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。
また、燃料電池スタック12の内部で、セパレータの近くには、図示しない内部冷媒流路を設けている。この内部冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック12の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。
また、酸化ガスである空気を燃料電池スタック12に供給するために、酸化ガス供給流路14を設けるとともに、酸化ガス供給流路14のガスの上流部に、酸化ガス供給部であるエアコンプレッサ16を設けている。外気からエアコンプレッサ16に取り入れた空気は、エアコンプレッサ16で加圧した後、図示しない加湿器で加湿するようにしている。エアコンプレッサ16は図示しない駆動用モータにより駆動させる。駆動用モータの回転数は、電子制御装置(ECU)等の制御部18のエアコンプレッサ駆動制御手段20(図2)により制御される。そして、加湿した空気を、燃料電池スタック12のカソード側電極側の流路に供給するようにしている。
また、燃料電池スタック12に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気オフガスは、燃料電池スタック12から酸化ガス系排出ガス流路22を通じて排出される。酸化ガス系排出ガス流路22の途中に図示しない圧力調整弁を設けており、燃料電池スタック12に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック12の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。このために圧力調整弁による圧力の検出値を、制御部18に入力している。
一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック12に供給するために、燃料ガス供給流路24を設けている。また、燃料ガス供給流路24のガスの上流側に、燃料ガス供給装置である高圧水素タンクや、改質反応により水素を生成する改質装置等の、水素ガス供給装置26を設けている。水素ガス供給装置26から燃料ガス供給流路24に供給された水素ガスは、圧力調整弁である減圧弁28を介して燃料電池スタック12のアノード側電極側の流路に供給するようにしている。減圧弁28の開度は、制御部18によりアクチュエータ30を制御することで調整される。
燃料電池スタック12のアノード側電極側の流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素ガス系の排出ガスは、燃料電池スタック12から燃料ガス系循環経路32を通じて、再度燃料電池スタック12に戻される。燃料ガス系循環経路32に、図示しない水素ガス系循環ポンプを設けており、水素ガス系循環ポンプで水素ガス系排出ガスを昇圧した後、水素ガス供給装置26から送られた水素ガスと合流させてから、燃料電池スタック12に再度送り込む。
また、燃料ガス系循環経路32に図示しない気液分離器を設けており、気液分離器に燃料ガス系排出流路34の上流端を接続している。すなわち、燃料ガス系循環経路32から燃料ガス系排出流路34を分岐させている。気液分離器に送られた水素ガス系排出ガスの一部は、気液分離器で分離された水分とともに、パージ弁35を設けた燃料ガス系排出流路34を通じて図示しない希釈器に送り込み、酸化ガス系排出ガス流路22を通じて送られた空気オフガスと合流させ、水素濃度を低下させてから排出する。
なお、燃料ガス系循環経路32の途中で、燃料電池スタック12と気液分離器との間等、気液分離器とは別の部分から燃料ガス系排出流路34を分岐させ、燃料ガス系排出流路34に送られた水素ガス系排出ガスを希釈器に送り込むこともできる。
さらに、燃料電池スタック12の状態検出のために、燃料電池スタック12の出力電流を検出する電流センサ36と、燃料電池スタック12の出力電圧を検出する電圧センサ38と、燃料電池スタック12の温度を検出する温度センサ40とを設けている。燃料電池スタック12を発電させる際には、制御部18により各センサ36,38,40からの検出信号を読み込む。そして、制御部18により、この検出信号に基づいて目標となる発電量に対応する水素ガスの圧力と流量、および、空気の圧力と流量を得られるように、補機であるエアコンプレッサ16の駆動状態であるエアコンプレッサ16の回転軸の回転数、酸化ガス系排出ガス流路22の途中に設けた圧力調整弁、減圧弁28等を制御する。
また、燃料電池スタック12で発電した発電電力は、電力分配部42に供給される。電力分配部42は制御部18により制御されて、燃料電池スタック12からの発電電力を負荷44や補機に供給して消費させるとともに、電力の充放電を行う二次電池46から必要に応じて放電電力を放電させて、負荷44や補機に電力を供給して消費させる。また、電力分配部42は、制御部18により制御されて、燃料電池スタック12の発電電力を二次電池46に供給して充電させる。二次電池46のSOC(State Of Charge:バッテリ充電率)と温度とは、二次電池センサ48により検出する。
図1,2に示した負荷44としては、車両走行用の走行用モータがある。また、燃料電池システム10の実際の負荷としては、燃料電池スタック12および二次電池46を昇温可能な加熱装置50(図1)もある。また、補機としては、エアコンプレッサ16の他、燃料電池スタック12冷却用の冷却水を冷却水経路に循環させるための冷却水ポンプ、冷却水経路に設けたラジエータ冷却ファン、電力分配部42に設けたインバータ、制御部18等の燃料電池スタック12を発電させるために必要な機器がある。
制御部18は、燃料電池スタック12の発電状態を制御するために、図示しないメモリに記憶させた制御プログラムを実行する。また、制御部18は、負荷44や補機に供給する電力を制御するように電力分配部42を制御する。また、制御部18は、燃料電池システム10の起動時に、暖機制御処理を実行する。暖機制御処理は、制御部18が制御プログラムを実行することで、燃料電池スタック12を発電させて自己発熱をさせるとともに、二次電池46の充放電を複数回繰り返して二次電池46を自己発熱させて、燃料電池スタック12および二次電池46を暖機する。これにより、燃料電池スタック12および二次電池46から負荷44に安定した電力が供給可能となる。
すなわち、暖機制御処理では、燃料電池システム10の起動時に、制御部18により、燃料電池スタック12の発電電力を補機および二次電池46に供給するように電力分配部42を制御する第1処理と、燃料電池スタック12の発電電力および二次電池46の放電電力を補機に供給するように電力分配部42を制御する第2処理とを交互に行うことにより、燃料電池スタック12および二次電池46を暖機する。このような暖機制御処理を行うために、制御部18は、二次電池46の充放電可能電力である、充電可能電力と放電可能電力とから燃料電池スタック12の発電電力を演算する発電電力演算手段52と、発電電力演算手段52からの出力指令が表す燃料電池スタック12の発電電力の演算値に基づいて、エアコンプレッサ16の駆動状態を制御するエアコンプレッサ駆動制御手段20とを備える。次に、上記の暖機制御処理を、図3を用いてより詳しく説明する。
図3は、燃料電池システム10の起動時に、燃料電池スタック12を発電させるとともに、二次電池46の充電と放電とを繰り返すことにより、燃料電池スタック12と二次電池46とを暖機するための暖機制御処理を示すフローチャートである。先ず、燃料電池システム10の起動時に、ステップS1において、所定時間経過毎に燃料電池スタック12の温度が所定温度以上か否かを判定する。すなわち、ステップS1では、制御部18(図1、図2)が、温度センサ40(図2)からの検出信号を読み込んで燃料電池スタック12の温度を検出し、燃料電池スタック12の温度が予め決定された所定温度以上か否かを判定する。また、ステップS1では、燃料電池スタック12の発電停止から十分時間が経過している場合に、温度センサ40からの検出信号の代わりに、図示しない外気温センサからの検出信号を読み込んで外気温を検出し、外気温が予め決定された所定温度以上か否かを判定することもできる。また、燃料電池スタック12冷却用の冷却水の温度を検出して、燃料電池スタック12の温度が所定温度以上か否かを判定することもできる。
図3のステップS1において、燃料電池スタック12の温度または外気温が所定温度以上であると判定された場合には、燃料電池スタック12および二次電池46を暖機する必要がないので、ステップS2の通常運転モードに移行して暖機制御処理を終了する。これに対して、燃料電池スタック12の温度または外気温が所定温度未満であると判定された場合には、ステップS3に移る。
ステップS3では、制御部18が、二次電池センサ48(図2)からの検出信号を読み込んで、二次電池46の状態である、二次電池46の温度およびSOCを検出する。次いで、図3のステップS4で、制御部18の発電電力演算手段52(図2)が、二次電池46の温度およびSOCの検出値から、二次電池46の充放電可能電力である、充電可能電力および放電可能電力を演算する。このように二次電池46の温度およびSOCの検出値を使用するのは、二次電池46の充放電可能電力が温度およびSOCにより影響されるためである。
次いで、図3のステップS5で、発電電力演算手段52(図2)が起動用補機消費電力A1(図4参照)を演算する。起動用補機消費電力A1は、ステップS4で求めた二次電池46の充電可能電力に相当する電力を、燃料電池スタック12で発電させるために必要となる補機の消費電力であり、例えば、充電可能電力相当電力と補機の消費電力との関係を表すマップのデータを使用して起動用補機消費電力A1を演算する。
次に、図3のステップS6で、発電電力演算手段52が、ステップS5で演算した起動用補機消費電力A1と、ステップS4で演算した二次電池46の充電可能電力とから、燃料電池スタック12から取り出す取り出し電力の最大値A2(図4参照)と、当該取り出し電力の最大値A2を継続して取り出す継続時間t1(図4参照)と、燃料電池スタック12から取り出す取り出し電力の、起動用補機消費電力A1以下の最小値A3(図4参照)と、当該取り出し電力の最小値A3を継続して取り出す継続時間t2(図4参照)とを演算する。すなわち、図3のステップS5で演算された起動用補機消費電力A1と、ステップS4で演算された二次電池46の充電可能電力との和が、燃料電池スタック12から取り出す取り出し電力の最大値A2となる。
特に、発電電力演算手段52(図2)は、図4(a)に示すような、燃料電池スタック12から電力を最大値A2で継続時間t1だけ取り出した後、燃料電池スタック12から電力を最小値A3で取り出しを開始するまでの移行時間t3と、燃料電池スタック12から電力を最小値A3で継続時間t2だけ取り出した後、燃料電池スタック12から電力を最大値A2で取り出しを開始するまでの移行時間t4(図4参照)とを演算する。すなわち、発電電力演算手段52は、図4(a)に示すように、燃料電池スタック12から電力を最大値A2で取り出した後、取り出し電力を移行時間t3で最小値A3まで一定の割合で徐々に低下させる指令を出す。また、発電電力演算手段52は、燃料電池スタック12から電力を最小値A3で取り出した後、取り出し電力を移行時間t4で最大値A2まで一定の割合で徐々に上昇させる指令を出す。発電電力演算手段52で演算した、燃料電池スタック12から取り出す電力値A2、A3、および、継続時間t1、t2、移行時間t3、t4の演算値を表す出力指令は、制御部18のエアコンプレッサ駆動制御手段20(図2)に入力する。
エアコンプレッサ駆動制御手段20は、先ず、出力指令に基づいて取り出し電力の最大電力値A2を得るために必要な、エアコンプレッサ16の回転数を演算し、エアコンプレッサ16が演算した回転数で継続時間t1だけ回転するようにエアコンプレッサ16を制御する。すなわち、図3のステップS7で、暖機制御処理初期時点であると判定されたならば、ステップS8で、燃料電池スタック12から取り出し電力最大値A2で電力を取り出すように、エアコンプレッサ駆動制御手段20によりエアコンプレッサ16の回転数を制御する。また、これとともに、この回転数で得られる空気の流量、圧力に対応する、水素ガスの流量および圧力を、制御部18の減圧弁制御手段により演算して、減圧弁28(図2)の開度を所定の一定の開度になるように制御する。また、これに伴って、燃料電池スタック12(図1)から二次電池46に、発電電力のうち、ステップS4で求めた二次電池46の充電可能電力分を供給し、二次電池46に充電させるとともに、補機に発電電力の一部を供給するように、制御部18により電力分配部42を制御する第1処理を行う。
次に、図3のステップS9で、制御部18により、燃料電池スタック12から電力を最大値で取り出す時間が継続時間t1(図4)を経過したか否かを判定する。継続時間t1を経過したと判定されたならば、次に、図3のステップS10で、エアコンプレッサ駆動制御手段20により、燃料電池スタック12の取り出し電力を、図4(a)に示すように、移行時間t3で最大値A2から最小値A3まで一定の割合で低下させるようにエアコンプレッサの回転数を低下させる制御を行う。また、これに対応して、減圧弁制御手段により、減圧弁28の開度を移行時間t3で小さくする制御を行う。これに伴って、図4(b)に示すように、二次電池46の充電量が徐々に減少し0になった後、二次電池46からの放電量が徐々に上昇し、燃料電池スタック12の発電電力とともに、二次電池46で放電した電力をエアコンプレッサ16等の補機に供給するように、制御部18により電力分配部42を制御する第2処理を行う。
次に、図3のステップS11で、燃料電池スタック12から取り出し電力最小値A3で電力を取り出すように、エアコンプレッサ駆動制御手段20でエアコンプレッサ16の回転数を制御する。また、これとともに、制御部18の減圧弁制御手段により、減圧弁28の開度を、エアコンプレッサ16の回転数に対応する所定の一定の開度になるように制御する。また、これに伴って、二次電池46をステップS4で求めた放電可能電力で放電させ、放電した電力を補機に供給するように、制御部18により電力分配部42を制御する。
次に、図3のステップS12で、制御部18により、燃料電池スタック12から電力を最小値A3で取り出す時間が継続時間t2を経過したか否かを判定する。継続時間t2を経過したと判定されたならば、ステップS1に戻り、燃料電池スタック12の温度または外気温が所定温度以上か否かを判定し、所定温度以上であると判定され、ステップS2の通常運転モードに移行するまで、ステップS3からS12の処理を繰り返す。この際、継続時間t1、t2、移行時間t3を経過しているので、ステップS7ではステップS7aに移行する。そして、ステップS7aで、エアコンプレッサ駆動制御手段20により、燃料電池スタック12の取り出し電力を、図4(a)に示すように、移行時間t4で最小値A3から最大値A2まで一定の割合で上昇させるようにエアコンプレッサ16の回転数を上昇させる制御を行う。また、これに対応して、減圧弁制御手段により、減圧弁28の開度を移行時間t4で大きくする制御を行う。これに伴って、図4(b)に示すように、二次電池46の放電量が徐々に減少し0になった後、二次電池46の充電量が徐々に上昇するように、制御部18により電力分配部42を制御する。
このような暖機制御処理において、燃料電池スタック12を発電させ、二次電池46の充電と放電とを繰り返すことにより、燃料電池スタック12と二次電池46との温度が徐々に上昇し、燃料電池スタック12および二次電池46が暖機される。二次電池46の温度上昇に伴って図4(b)に示すように、二次電池46の充電可能電力と放電可能電力とが大きくなるため、図4(a)に示すように、発電電力演算手段52からの出力指令が表す、燃料電池スタック12から取り出す取り出し電力の最大値A2が上昇する。
このような本実施の形態の燃料電池システム10の暖機制御処理の場合と異なり、従来は、図5、図6に示すようにして暖機制御処理を行うことが考えられていた。すなわち、従来は、図5(a)に示すように、発電電力演算手段52(図2参照)からエアコンプレッサ駆動制御手段20に入力する出力指令が表す発電電力を最大値A2と最小値A3との間で、時間経過に関してステップ状に変化させている。より具体的には、図3に示す本実施の形態のステップS6で、移行時間t3、t4の演算を省略するとともに、ステップS7、S7a、S10を省略している。このように出力指令が表す燃料電池スタック12(図1,2参照)の発電電力を時間の経過に関してステップ状に変化させると、図5(b)に示すように、二次電池46の充放電電力も時間の経過に関してステップ状に近い状態に変化する。
ただし、このように出力指令が表す燃料電池スタック12の発電電力をステップ状に変化させた場合には、出力指令の変化にエアコンプレッサの回転数を精度よく追従させて変化させることができなくなる。すなわち、図6(b)は、発電電力演算手段52(図2参照)の出力指令が表す電力値を、最大値A2から最小値A3に急激にステップ状に低下させた場合の、エアコンプレッサ16(図1,2参照)の回転数の時間的変化を示している。図6(b)では、一点鎖線がエアコンプレッサ16の回転数の目標値を、実線がエアコンプレッサ16の回転数の実際の測定値を示している。図6(b)に示すように、出力指令が表す発電電力をステップ状に変化させた場合でも、エアコンプレッサ16の回転数の変化には時間的な遅れが生じて、回転数は徐々に低下する。ただし、回転数が低下する割合である回転数の低下速度は大きく、図6(b)のx部分で示すように、エアコンプレッサ16の回転数の実際の測定値(実線)が目標値(一点鎖線)に対して大幅に下回るアンダーシュートが生じやすい。
一方、図6(a)は、図6(b)に対応する、二次電池46(図1,2参照)が充電状態から放電状態に変化する場合の充放電電力の時間的変化を示している。図6(a)では、一点鎖線が二次電池46の充放電電力の目標値を、実線が充放電電力の実際の測定値を示している。図6(a)に示すように、二次電池46が充電状態から放電状態に変化する場合には、エアコンプレッサ16の回転数にアンダーシュートが生じることに伴って、二次電池46の放電電力の実際の測定値(実線)が目標値(一点鎖線)から大きくずれて、放電電力上限基準よりも上回るオーバーシュート(図6(a)のY部分)が生じる可能性がある。すなわち、二次電池46に過放電が生じる可能性がある。
また、図示は省略するが、エアコンプレッサ16の回転数を低い所定値から高い所定値に上昇させる場合には、エアコンプレッサ16の回転数の実際の測定値が目標値に対して大幅に上回るオーバーシュートが生じるとともに、二次電池46の充電電力の実際の測定値が目標値から大きくずれて、充電電力上限基準よりも上回り、二次電池46に過充電が生じる可能性がある。特に、二次電池46の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池46の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合に、二次電池46に過放電や過充電が生じやすい。
また、発電電力演算手段52からの出力指令が表す燃料電池スタック12の発電電力の変化量が小さい場合であれば、従来の燃料電池システムにおいて暖機制御処理を行う場合に、エアコンプレッサ16の回転数を変化させる場合においても、アンダーシュートやオーバーシュートを生じにくくできる可能性はある。ただし、出力指令が表す燃料電池スタック12の発電電力の変化量が大きくなると、従来の燃料電池システムの暖機制御処理を行う場合には、エアコンプレッサ16の回転数を変化させる場合において、アンダーシュートやオーバーシュートが生じやすくなる。
本実施の形態は、このような従来の燃料電池システムにおいて暖機制御処理を行う場合に生じる不都合を解消すべく発明したものであり、上記のように、発電電力演算手段52は、出力指令が表す第1処理と第2処理との間の移行時、すなわち、上記の図4(a)に示したように、燃料電池スタック12から最大電力A2を取り出す場合と最小電力A3を取り出す場合との間の移行時での、燃料電池スタック12の発電電力の演算値の大きさを徐々に変化させる、すなわち演算値の大きさを一定の割合で徐々に低下させるか、または一定の割合で徐々に上昇させる。このため、例えば、第1処理と第2処理との間の移行時である、エアコンプレッサ16の回転数を高い所定値から低い所定値に低下させる場合でも、エアコンプレッサ16の駆動状態である回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができる。
図7(a)(b)は本実施の形態の効果をより詳しく説明するため、二次電池46の充放電電力とエアコンプレッサ16の回転数との時間的変化を、目標値と実際の測定値とで示す図である。先ず、図7(a)では、一点鎖線が二次電池46の充放電電力の目標値を、実線が二次電池46の充放電電力の実際の測定値を示している。また、図7(b)では、一点鎖線がエアコンプレッサ16の回転数の目標値を、実線がエアコンプレッサ16の回転数の実際の測定値を示している。図7(b)と図6(b)との測定結果を比較すれば明らかなように、図7(b)の本実施の形態の場合には、エアコンプレッサ16の回転数を変化させる際の時間的変化率が小さくなる、すなわち回転数の変化を緩やかにすることができる。また、図7(b)に示す本実施の形態によれば、エアコンプレッサ16の回転数の目標値(一点鎖線)の変化に対して、実際の回転数(実線)の変化を精度よく追従させることができる。このため、図6(b)の場合と異なり、エアコンプレッサ16の回転数の実際の測定値(図7(b)の実線)が目標値(図7(b)の一点鎖線)に対して大幅に下回るアンダーシュートが生じることを防止できる。このため、燃料電池スタック12の発電電力を低下させて、二次電池46により放電させる場合でも、燃料電池スタック12の実際の発電電力が目標値よりも低下し過ぎるアンダーシュートを生じにくくできることが分かる。
この結果、図7(a)に示すように、二次電池46が充電状態から放電状態に変化する場合でも、二次電池46の放電電力の実際の値(図7(a)の実線)が目標値(図7(a)の一点鎖線)から大きくずれて、放電電力上限基準よりも上回ることを防止でき、二次電池46に過放電が生じるのを防止できる。
また、図示は省略するが、本実施の形態によれば、エアコンプレッサ16の回転数を低い所定値から高い所定値に上昇させる場合に、エアコンプレッサ16の実際の回転数が目標値に対して大幅に上回るオーバーシュートが生じることも防止でき、二次電池46の充電電力の実際の値が目標値から大きくずれて、充電電力上限基準よりも上回り、二次電池46に過充電が生じることも防止できる。この結果、二次電池46の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池46の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合でも、二次電池46に過放電および過充電を生じにくくできる。
また、本実施の形態によれば、発電電力演算手段52(図2)の出力指令が表す燃料電池スタック12の発電電力の変化量が大きい場合でも、エアコンプレッサ16の回転数を変化させる場合において、アンダーシュートやオーバーシュートを生じにくくできる。このため、二次電池46に過放電および過充電を生じにくくできる。
なお、上記の図3に示した本実施の形態において、ステップS5で起動用補機消費電力A1を演算したものを起動用補機消費電力基本値として、起動用補機消費電力基本値よりも補機の消費電力を増加させたものを、起動用補機消費電力補正値として演算することもできる。そして、ステップS6において、ステップS4で演算された二次電池46の充電可能電力と、ステップS5で演算された起動用補機消費電力補正値との和を、燃料電池スタック12から取り出す取り出し電力の最大値A2として演算することができる。
このように起動用補機消費電力補正値を使用して燃料電池スタック12から取り出す取り出し電力の最大値A2を求めた場合には、起動用補機消費電力補正値が燃料電池スタック12を発電させるのに最低限必要となる消費電力よりも高くなるので、燃料電池スタック12の出力電力の最大値を通常運転モードよりも高く設定して、燃料電池スタック12の発電量を増大させることにより、燃料電池スタック12の発熱量を増加させることができる。
また、制御部18において、二次電池46への充電と二次電池46からの放電とを繰り返す制御の他に、燃料電池スタック12の発電電力や二次電池46の放電電力の一方または両方を加熱装置50(図1)に供給し、加熱装置50による発熱により燃料電池スタック12および二次電池46の暖機を促進する制御を併用することもできる。
[第2の発明の実施の形態]
図8は、本発明の第2の実施の形態において、燃料電池システムの起動時に、二次電池を暖機するための暖機制御処理を示す、図3に対応するフローチャートである。上記の第1の実施の形態の場合には、図3のステップS1において、制御部18(図1、図2)が、燃料電池スタック12(図1、図2)の温度が所定温度以上か否かを判定することにより、その判定結果に応じて、ステップS2(図3)の通常運転に移行するか、または、ステップS3(図3)からステップS12(図3)の暖機制御処理に移行するようにしている。これに対して、本実施の形態の場合には、通常運転に移行するか、または暖機制御処理に移行するかを、検出した二次電池46(図1、図2)の温度が所定温度以上か否かに応じて選択されるようにしている。これについて、以下に詳しく説明する。なお、以下の説明において、上記の図1から図2に符号を付した要素と同等部分の要素には、同一の符号を付して説明する。
図8に示すように、本実施の形態では、燃料電池システム10の起動時に、ステップS1aにおいて、制御部18は、所定時間経過毎に二次電池センサ48からの検出信号を読み込んで、二次電池46の温度を検出する。次いで、ステップS1bにおいて、二次電池46の温度が予め任意に決定された所定温度以上か否かを判定する。なお、ステップS1aでは、燃料電池システム10の運転を停止後に、十分時間が経過している場合に、二次電池センサ48からの検出信号の代わりに、図示しない外気温センサからの検出信号を読み込んで外気温を検出し、外気温が予め決定された所定温度以上か否かを判定することもできる。
図8のステップS1bにおいて、二次電池46の温度または外気温が所定温度以上であると判定された場合には、二次電池46を暖機する必要がないとして、ステップS2の通常運転モードに移行して暖機制御処理を終了する。これに対して、二次電池46の温度または外気温が所定温度未満であると判定された場合には、ステップS3´に移る。
ステップS3´では、制御部18が、二次電池センサ48からの検出信号を読み込んで、二次電池46の温度だけでなく、二次電池46のSOCも検出する。次いで、図3のステップS4からステップS12において、上記の第1の実施の形態と同様に、暖機制御処理を行い、再びステップS1aに戻るようにしている。
このような本実施の形態も、上記の第1の実施の形態と同様に、発電電力演算手段52は、出力指令が表す第1処理と第2処理との間の移行時、すなわち、上記の図4(a)に示したように、燃料電池スタック12から最大電力A2を取り出す場合と最小電力A3を取り出す場合との間の移行時での、燃料電池スタック12の発電電力の演算値の大きさを徐々に変化させる、すなわち演算値の大きさを一定の割合で徐々に低下させるか、または一定の割合で徐々に上昇させる。このため、例えば、燃料電池スタック12の発電電力を補機および二次電池46に供給するように電力分配部42を制御する第1処理と、燃料電池スタック12の発電電力および二次電池46の放電電力を補機に供給するように電力分配部42を制御する第2処理との間の移行時である、エアコンプレッサ16の回転数を高い所定値から低い所定値に低下させる場合でも、エアコンプレッサ16の駆動状態である回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができる。また、逆に、エアコンプレッサ16の回転数を低い所定値から高い所定値に上昇させる場合でも、エアコンプレッサ16の駆動状態である回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができる。この結果、二次電池46の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池46の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合でも、二次電池46に過放電および過充電を生じにくくできる。その他の構成および作用については、上記の第1の実施の形態と同様であるため、重複する図示および説明を省略する。
なお、上記の実施の形態においては、燃料電池システム10の起動時に暖機制御処理を行う場合について説明したが、本発明はこのような場合に限定するものではない。例えば、燃料電池システム10を搭載した燃料電池車の走行時、アイドリング時等において、燃料電池スタック12の温度または二次電池46の温度が所定温度以下になる等、燃料電池システム10の起動時以外で燃料電池システム10が低温環境下にある場合も、二次電池46の性能が低下する可能性があるため、この場合に暖機制御処理を行い、二次電池46を暖機する構成において、本発明を適用することもできる。また、暖機制御処理時の第2処理を行う際に、燃料電池スタック12を発電させずに、二次電池46の放電により生じた電力のみを補機と負荷44(図1,2参照)との少なくともいずれかに供給するようにすることにより、二次電池46を暖機する構成において、本発明を適用することもできる。
Claims (2)
- 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
電力の充放電を行う二次電池と、
燃料電池で発電した発電電力を燃料電池の発電に必要な補機に供給するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給する電力分配部と、
燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第1処理と、少なくとも二次電池の放電により生じた電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給するように電力分配部を制御する第2処理とを交互に行うことにより、二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備える燃料電池システムであって、
制御部は、暖機制御処理を行う場合において、二次電池の充放電可能電力から燃料電池の発電電力を演算する発電電力演算手段と、発電電力演算手段からの出力指令が表す燃料電池の発電電力の演算値に基づいて、酸化ガス供給部の駆動状態を制御する酸化ガス供給部駆動制御手段とを備え、
発電電力演算手段は、酸化ガス供給部駆動制御手段に入力する出力指令が表す、第1処理と第2処理との間の移行時での燃料電池の発電電力の大きさを徐々に変化させることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求の範囲第1項に記載の燃料電池システムにおいて、
酸化ガス供給部はエアコンプレッサであり、
酸化ガス供給部駆動制御手段は、発電電力演算手段の出力指令が表す燃料電池の発電電力の演算値に基づいて、エアコンプレッサの回転数を制御することを特徴とする燃料電池システム。
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