JPWO2013027634A1 - 燃料電池の発電特性推定装置 - Google Patents

燃料電池の発電特性推定装置 Download PDF

Info

Publication number
JPWO2013027634A1
JPWO2013027634A1 JP2013529979A JP2013529979A JPWO2013027634A1 JP WO2013027634 A1 JPWO2013027634 A1 JP WO2013027634A1 JP 2013529979 A JP2013529979 A JP 2013529979A JP 2013529979 A JP2013529979 A JP 2013529979A JP WO2013027634 A1 JPWO2013027634 A1 JP WO2013027634A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
power generation
generation characteristic
voltage
characteristic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013529979A
Other languages
English (en)
Other versions
JP5835331B2 (ja
Inventor
充彦 松本
充彦 松本
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nissan Motor Co Ltd
Original Assignee
Nissan Motor Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nissan Motor Co Ltd filed Critical Nissan Motor Co Ltd
Priority to JP2013529979A priority Critical patent/JP5835331B2/ja
Publication of JPWO2013027634A1 publication Critical patent/JPWO2013027634A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5835331B2 publication Critical patent/JP5835331B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/385Arrangements for measuring battery or accumulator variables
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04225Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during start-up
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04253Means for solving freezing problems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04268Heating of fuel cells during the start-up of the fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04302Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during start-up
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04365Temperature; Ambient temperature of other components of a fuel cell or fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0438Pressure; Ambient pressure; Flow
    • H01M8/04395Pressure; Ambient pressure; Flow of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04544Voltage
    • H01M8/04559Voltage of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04574Current
    • H01M8/04589Current of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04604Power, energy, capacity or load
    • H01M8/04619Power, energy, capacity or load of fuel cell stacks
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04753Pressure; Flow of fuel cell reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955Shut-off or shut-down of fuel cells
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537Electric variables
    • H01M8/04634Other electric variables, e.g. resistance or impedance
    • H01M8/04649Other electric variables, e.g. resistance or impedance of fuel cell stacks
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Abstract

燃料電池の発電特性推定装置は、燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、を含み、特性推定部は、燃料電池の暖機運転中は燃料電池に供給するガスの圧力が所定値以上のときに、発電特性の推定を実施する。

Description

この発明は、燃料電池の発電特性を推定する装置に関する。
JP2006−269223Aでは、温度毎に記憶されている基準発電特性(基準IV特性)から求められる基準電圧Vbと実電圧Vrとの電圧差ΔV(=Vb−Vr)に基づいて、燃料電池の実際の発電特性(実IV特性)を推定する。すなわち、基準発電特性に対する実電圧の偏差とそのときの電流との関係「ΔV=AI+B」という一次式の関係があるので、ΔV及びIをそれぞれ2つ与えることで、A及びBを解くことができる。そして上記関係式に全ての電流Iを代入し、そこで得られたΔVを基準IV特性から差し引くことで、実IV特性の特性線を引くことができるのである。
しかしながら、低温領域では、高負荷側の特性において、基準IV特性に対するΔVが1次式にならないことがわかった。したがって特許文献1の手法を零下起動に適用すると、高負荷側での推定精度が悪くなる可能性がある。
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、暖機運転するような低温域の場合にも精度良く燃料電池の発電特性を推定できる装置を提供することである。
本発明のある態様の燃料電池の発電特性推定装置は、燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、前記実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、を含む。そして、前記特性推定部は、燃料電池の暖機運転中は燃料電池に供給するガスの圧力が所定値以上のときに、発電特性の推定を実施する。
本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。
図1は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置を適用するシステムの一例を示す図である。 図2は、燃料電池の発電特性を示す図である。 図3は、燃料電池の一般的な発電特性を示す図である。 図4は、基準発電特性図である。 図5は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第1実施形態の動作を説明するフローチャートである。 図6は、発電特性推定処理するときのカソード圧力について説明する図である。 図7は、基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。 図8は、第1実施形態の作用効果を説明する図である。 図9は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第2実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。 図10は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第3実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。 図11は、燃料電池の内部抵抗(電解質膜抵抗)について説明する図である。 図12は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第4実施形態の燃料電池の発電特性を推定について説明する図である。
(第1実施形態)
図1は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置を適用するシステムの一例を示す図である。
最初に図1を参照して、本発明による燃料電池の発電特性推定装置を適用する基本的なシステムについて説明する。
燃料電池スタック10は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスO2、アノードガスH2)が供給されて発電する。そこで燃料電池スタック10には、カソードライン20と、アノードライン30と、冷却水循環ライン40と、が接続される。なお燃料電池スタック10の発電電流は、電流センサー101で検出される。燃料電池スタック10の発電電圧は、電圧センサー102で検出される。
カソードライン20には、燃料電池スタック10に供給されるカソードガスO2が流れる。カソードライン20には、コンプレッサー21と、カソード調圧弁22と、が設けられる。
コンプレッサー21は、燃料電池スタック10よりも上流のカソードライン20に設けられる。コンプレッサー21は、モーターMによって駆動される。コンプレッサー21は、カソードライン20を流れるカソードガスO2の流量を調整する。カソードガスO2の流量は、コンプレッサー21の回転速度によって調整される。
カソード調圧弁22は、燃料電池スタック10よりも下流のカソードライン20に設けられる。カソード調圧弁22は、カソードライン20を流れるカソードガスO2の圧力を調整する。カソードガスO2の圧力は、カソード調圧弁22の開度によって調整される。
カソードライン20を流れるカソードガスO2の流量は、カソード流量センサー201で検出される。このカソード流量センサー201は、コンプレッサー21よりも下流であって燃料電池スタック10よりも上流に設けられる。
カソードライン20を流れるカソードガスO2の圧力は、カソード圧力センサー202で検出される。このカソード圧力センサー202は、コンプレッサー21よりも下流であって燃料電池スタック10よりも上流に設けられる。さらに図1では、カソード圧力センサー202は、カソード流量センサー201の下流に位置する。
アノードライン30には、燃料電池スタック10に供給されるアノードガスH2が流れる。アノードライン30には、アノード再循環ライン300が並設される。アノード再循環ライン300は、燃料電池スタック10よりも下流のアノードライン30から分岐し、燃料電池スタック10よりも上流のアノードライン30に合流する。アノードライン30には、ボンベ31と、アノード調圧弁32と、エゼクター33と、アノードポンプ34と、パージ弁35と、が設けられる。
ボンベ31には、アノードガスH2が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ31は、アノードライン30の最上流に設けられる。
アノード調圧弁32は、ボンベ31の下流に設けられる。アノード調圧弁32は、ボンベ31から新たにアノードライン30に供給するアノードガスH2の圧力を調整する。アノードガスH2の圧力は、アノード調圧弁32の開度によって調整される。
エゼクター33は、アノード調圧弁32よりも下流に設けられる。エゼクター33は、アノード再循環ライン300がアノードライン30に合流する部分に位置する。このエゼクター33で、アノード再循環ライン300を流れたアノードガスH2が、ボンベ31から新たに供給されたアノードガスH2に混合される。
アノードポンプ34は、エゼクター33の下流に位置する。アノードポンプ34は、エゼクター33を流れたアノードガスH2を燃料電池スタック10に送る。
パージ弁35は、燃料電池スタック10の下流であって、さらにアノード再循環ライン300の分岐部分の下流のアノードライン30に設けられる。パージ弁35が開くと、アノードガスH2がパージされる。
アノードライン30を流れるアノードガスH2の圧力は、アノード圧力センサー301で検出される。このアノード圧力センサー301は、アノードポンプ34よりも下流であって燃料電池スタック10よりも上流に設けられる。
冷却水循環ライン40には、燃料電池スタック10に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン40には、ラジエーター41と、三方弁42と、ウォーターポンプ43と、が設けられる。また冷却水循環ライン40には、バイパスライン400が並設される。バイパスライン400は、ラジエーター41よりも上流から分岐し、ラジエーター41よりも下流に合流する。このためバイパスライン400を流れる冷却水は、ラジエーター41をバイパスする。
ラジエーター41は、冷却水を冷却する。ラジエーター41には、クーリングファン410が設けられている。
三方弁42は、バイパスライン400の合流部分に位置する。三方弁42は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。
ウォーターポンプ43は、三方弁42の下流に位置する。ウォーターポンプ43は、三方弁42を流れた冷却水を燃料電池スタック10に送る。
冷却水循環ライン40を流れる冷却水の温度は、水温センサー401で検出される。この水温センサー401は、バイパスライン400が分岐する部分よりも上流に設けられる。
コントローラーは、電流センサー101、電圧センサー102、カソード流量センサー201、カソード圧力センサー202、アノード圧力センサー301、水温センサー401の信号を入力する。そして、信号を出力して、コンプレッサー21、カソード調圧弁22、アノード調圧弁32、アノードポンプ34、パージ弁35、三方弁42、ウォーターポンプ43の作動を制御する。
このような構成によって、燃料電池スタック10は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスO2、アノードガスH2)が供給されて発電する。燃料電池スタック10によって発電された電力は、DC/DCコンバーター11を介してバッテリー12や負荷13に供給される。
図2は、燃料電池の発電特性を示す図である。
ここで本発明の理解を容易にするために、燃料電池の発電特性について説明する。
暖機が完了した後の状態(定常状態)での燃料電池の発電特性(電流電圧特性;以下適宜「IV特性」という)は、図2に示されるようになり、大きな電流も取り出せる。通常走行するときには、燃料電池は、この発電特性に則って制御される。
しかしながら、零下起動直後の燃料電池の発電特性(IV特性)は、図2に示される通りである。そして暖機が進むにつれて燃料電池の発電特性(IV特性)が変化する。
零下起動して暖機中の状態(過渡状態)で過剰な出力が要求されれば、燃料電池の発電特性が低いことに起因して、燃料電池から十分な出力が供給されず、バッテリーの過放電などを招いてしまう。したがって、零下起動して暖機中の状態(過渡状態)では、補機への出力のみで(すなわち低い出力のみで)燃料電池の発電特性(IV特性)を正確に推定した上で過剰な出力を要求しないように走行用のモーターを制御することが望まれる。
上述の特許文献1には、燃料電池の発電特性(IV特性)を推定するひとつの手法が開示されている。しかしながら、この手法では、低温領域では、高負荷側の特性において、基準IV特性に対するΔVが1次式にならないことがわかった。したがって特許文献1の手法を零下起動に適用すると、高負荷側での推定精度が悪くなる可能性がある。
図3は、燃料電池の一般的な発電特性を示す図である。
発明者は、燃料電池の発電特性が一般的に次式(1)で表されることに着目した。なおこの式(1)では、アノード反応は、十分速やかに進行して、カソード反応に対して損失が十分に小さいとしている。
Figure 2013027634
図3は、上式(1)の関係を示す図である。式(1)に示されているように、log項が多い。このような場合には、log項の影響によって高出力側の精度が悪くなる。すなわち低い出力に基づいて高出力側をも推定しようとしても、log項の影響によって精度が悪くなってしまうのである。
これに対して発明者は、IV特性が特に低温時に圧力に対する感度が高いことに着目した。そして燃料電池に供給するガスの圧力(カソード圧及びアノード圧の少なくとも一方)を高圧化することでlog項の影響を減らせることに想到した。すなわちカソード圧を高圧化すれば、カソード反応の限界拡散電流密度iL,cは大きくなる傾向である。したがって次式(2)のようになる。
Figure 2013027634
またカソード反応の交換電流密度ic 0が一定値に収束する。したがって次式(3)のようになる。
Figure 2013027634
したがってカソード圧を高圧化することでlog項の影響を減らせるのである。そして残るlog項については、確定パラメーターとして算出可能である。なおカソード反応の交換電流密度ic 0は、温度Tが高いほど大きな値に収束する。また電解質膜抵抗Rsは、温度Tが低くなるほど増加する。これらの影響があって、log項も含めて基準発電特性図をマップ化すると、図4に示すような基準発電特性図を得ることができる。
そして過渡状態において燃料電池が問題なく出力可能な範囲の電流及び電圧を測定して、基準発電特性との偏差を学習する。この偏差は一次関数で示されるので、高出力範囲についても、燃料電池の発電特性を推定できる。このようにして得られた発電特性に則って過度な出力を要求しないことで、燃料電池に過剰な負担をかけることなく運転できるのである。
以下では、このような技術思想を具現化する燃料電池の発電特性推定装置について、説明する。
図5は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第1実施形態の動作を説明するフローチャートである。
次に、コントローラーの動作を中心として、燃料電池の発電特性推定装置の第1実施形態の動作を説明する。このフローチャートは発電特性を推定するための一連の処理を順に記述している。そこで、コントローラーは、この処理を発電特性を推定する度に繰り返し実行する。例えば、10秒ごとに実施しても良い。
ステップS1において、コントローラーは、燃料電池の発電特性を推定する必要があるか否かを判定する。たとえば零下起動運転であれば、燃料電池の発電特性を推定する必要がある。コントローラーは、必要であればステップS2へ処理を移行し、不要であれば処理を終了する。
ステップS2において、コントローラーは、カソード圧力が通常運転での圧力よりも高い所定圧力であるか否かを判定する。なおこの所定圧力については、図6を参照して説明する。そして、コントローラーは、所定圧力でなければ発電特性を推定すること無く本ルーチンを終了し、所定圧力以上であればステップS3へ処理を移行して発電特性を推定する。
図6は、発電特性推定処理するときのカソード圧力について説明する図である。
通常運転では、燃料電池に要求される発電電流が大きくなるにつれて、カソード圧力も大きくなる。
これに対して、本実施形態では、暖機運転では通常運転とは異なり、発電電流によらずカソード圧力を暖機用の所定圧力(運転中の最大圧力)にする。暖機を行う温度領域でも、零下のように走行許可が出せずモーターへの電力供給をできない場合、若しくは、零度以上であってもドライバーがモータートルクを要求しない場合は、燃料電池の暖機を促進するためにはコンプレッサーやヒーター等の強電系補機を最大限に運転させることが、燃料電池の発電に伴う自己発熱によって早期暖機につながる。このため、カソード下流に設けられる調圧弁を絞り、その状態でコンプレッサーを最大出力とすることが望ましく、通常運転中の最大圧力を目標値として与えることでコンプレッサーと調圧弁が上記の状態に制御されることとなる。
このように、暖機運転中であれば正常に暖機運転が実施されていると、IV推定にとって好ましい状態となっている。ステップS2において所定圧力以上であるかを判定する理由は、何等かの影響で零下であっても通常の暖機運転が実施されなかった場合はカソード圧力が低下した状態での推定となり、推定精度が悪化するからである。
再び図5に戻る。
ステップS3において、コントローラーは、燃料電池の発電電流I0を電流センサー101で検出するとともに、発電電圧V0を電圧センサー102で検出する。また、上記検出が完了すると、燃料電池の負荷(若しくは、バッテリーへの充電量)を変更して発電電流I0を前述の電流とは変えて発電電流と発電電圧を検出する。
ステップS4において、コントローラーは、発電電流I0における基準発電特性上の電圧(基準電圧)Vbaseを設定する。具体的な設定方法は、図7を参照して説明する。
図7は、基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。
基準電圧設定ルーチン(ステップS4)では、所定水温Tでの基準発電特性を利用する。燃料電池の発電特性は温度が高くなると、高負荷側での圧力感度を持たなくなる。このため、コンピューターに記憶しておく基準の発電特性は圧力感度を持たない温度での特性が望ましい。そしてこの基準発電特性に発電電流I0を適用して、基準電圧Vbaseを設定する。同様にして変更した発電電流I0を適用した場合の基準電圧Vbaseも設定する。
再び図5に戻る。
ステップS5において、コントローラーは、発電電流I0における電圧差ΔVを求める。具体的には、発電電圧V0と基準電圧Vbaseとの電圧差ΔVを演算する。また、同様にして電流を変化させた発電電流I1における電圧差ΔVも求める。
ステップS6での処理について説明する。基準特性と現在の特性との偏差ΔVは、実験的に求めた複数の電圧差ΔVのデータを逐次最小二乗法で処理すると、発電電流I0と電圧差ΔVとの間に一次関数で示される相関が得られることが分かった。すなわち、実験的に「ΔV=aI0+b」の関係を得ることができた。従って、発電電流I0と電圧差ΔVの値を2通り与えてやることで、一次関数から係数aと切片bの値を解くことができる。すると、電流毎の基準特性に対する電圧差ΔVが全て求められることから、現在のIV特性は基準特性から電流毎の電圧差ΔVを減算することで記述できるのである。
このようにして現在の発電特性を推定できれば、図8に示すように、モーターへの電力供給ができない零下であっても、補機への小さな電力のみで、仮にモーターへ大きな電力を供給したとしても、電圧落ちをさせないか否かを正確に判断できる。このため、安全、かつ、正確に走行許可を出すことができるのである。
また、走行許可を出した後も、所定期間は最大圧力での暖機運転を継続する。これにより、走行許可直後にモーターに電力が供給されても、圧力低下に伴って高負荷側の発電特性が悪化して電圧落ちをする可能性が抑制できる。
そして、最低電圧Vminを下回らない最大発電電流Imaxを求めることができるので、ドライバーの要求が暖機運転中の燃料電池にとって過大な場合は、それを制限して安定して発電を継続することができる。
しかも、本実施形態では、所定温度以上の特性を基準とし、実際の発電特性の推定に際しては暖機運転により圧力が高くなっているため、高負荷での基準特性に対する電圧差ΔVが、上記の1次関数から外れてしまうという不都合を生じないのである。
図8は、発電電流I0における電圧差ΔVのデータを多く取得するための一手法を示す図である。
なお、燃料電池の発電電流を変動させるには、バッテリー12の充放電電力を変動させればよい。バッテリーの充放電電力を変動させれば、補機の消費電力を変えることなく燃料電池の発電電力を変動させることができる。
また、本実施形態では、現在の発電特性を正確に求めるために、「ΔV=aI0+b」の一次式を使い、2通りのΔVとI0を代入することで、a及びbを解いた。しかしながら、bに予め所定値を与えておくことで、それぞれ1つのΔVとI0を与えてやることで、aを求めることが出来る。切片の精度は多少悪化する懸念はあるが、このようにしてもIV特性を推定できる。この場合、燃料電池に与える電圧変動が1度だけでIV特性を推定できるというメリットがある。
(第2実施形態)
図9は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第2実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
第1実施形態においては、基準電圧設定ルーチン(ステップS4)では、走行を許可できる水温Tを決め打ちして、基準発電特性を求めるようにした。このようにしても相応の効果は得られる。これに対して本実施形態では、起動初期の水温に応じて基準発電特性を求める。そしてこの基準発電特性に発電電流I0を適用して、基準電圧Vbaseを設定する。
このようにすれば、より正確に燃料電池の発電特性を推定することができる。なお特許文献1では、温度を正確に検出しておく必要があるが、本実施形態では、おおよその温度が検出できればよい。そのようであっても、第1実施形態に比較して、より正確な燃料電池の発電特性を推定することができるのである。
(第3実施形態)
図10は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第3実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。
本実施形態では、起動初期の内部抵抗(電解質膜抵抗)に応じて基準発電特性を求める。すなわち起動初期の内部抵抗に応じて、走行を許可できる水温Tを求める。そしてこの水温Tに基づいて基準発電特性を設定する。このようにすれば、燃料電池の正確な温度が検出できなくても、燃料電池の発電特性を推定することができるのである。なお燃料電池の内部抵抗(電解質膜抵抗)は、たとえば発電電流I0を例えば1kHzの正弦波で変動させて電圧の変動を見る。そして1kHzの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することで得ることができる。
また燃料電池の内部抵抗(電解質膜抵抗)は、図11に示されるように、湿潤状態であるよりも乾燥状態であるほうが、大きい。特に燃料電池の温度が低温のときに顕著である。そこで燃料電池の運転を停止するときに、カソードコンプレッサー21を延長運転するなどして、電解質膜を乾燥させるとよい。そのようにしておけば、起動初期の内部抵抗が大きくなるので、内部抵抗により燃料電池の初期水温を一層正確に把握でき、この結果、燃料電池の発電特性をさらに精度良く推定することができるようになる。
(第4実施形態)
図12は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第4実施形態の燃料電池の発電特性を推定について説明する図である。
上述の実施形態では、発電電流I0における電圧差ΔVのデータを多く取得し、これらのデータを逐次最小二乗法で処理することで、発電電流I0と電圧差ΔVとの間に一次関数で示される相関、すなわち「ΔV=aI0+b」の相関を得た。これに対して、発明者は、「a」が燃料電池の内部抵抗(電解質膜抵抗)Rsである点に着目した。すなわち上式(1)から判るように、電流項の係数はRsである。そこで燃料電池の内部抵抗(電解質膜抵抗)を求め、それを電流項の係数にする。また電圧差ΔVは、上述のようにして求められている。そして、これらから残りのbについても求めることができるので、「ΔV=aI0+b」の相関が得られる。
第1実施形態では、発電電流I0を1Hzの正弦波で変動させて、発電電流I0における電圧差ΔVのデータを多く取得したが、本実施形態では、発電電流I0を1kHzの正弦波で変動させることで、電流項の係数を求めた。このようにすれば、第1実施形態に比較して、補機に与える影響を小さく抑えることができるのである。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
たとえば、上記説明においては、燃料電池に供給するガスの圧力として特にカソード圧を高圧化する方法で説明したが、アノード圧を高圧化してもよい。
また上記説明においては、発電電流と電圧差との間に一次関数で示される相関を得た。しかしながらこれに限られず、電流と電圧とを逆にして、発電電圧と電流差との間に一次関数で示される相関を得てもよい。
さらに上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
本願は、2011年8月23日に日本国特許庁に出願された特願2011−181540に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。

Claims (9)

  1. 燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、
    燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、
    燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、
    前記実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、
    を含み、
    前記特性推定部は、燃料電池の暖機運転中は燃料電池に供給するガスの圧力が所定値以上のときに、発電特性の推定を実施する、
    燃料電池の発電特性推定装置。
  2. 請求項1に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
    前記特性推定部は、前記所定圧力での実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差の少なくとも2つのデータに基づいて実電流及び電圧差の相関を推定し、その推定した相関及び燃料電池の基準発電特性に基づいて、燃料電池の発電特性を推定する、
    燃料電池の発電特性推定装置。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
    零下において、燃料電池から走行モーターへの電力供給を禁止する禁止部と、
    燃料電池の補機への電力供給によって暖機を実施すると共に、燃料電池に供給するガスの圧力を暖機後の運転中の最大圧力に制御する、暖機運転部と、
    を備える燃料電池の発電特性推定装置。
  4. 請求項3に記載の発電特性推定装置において、
    前記発電特性推定部による発電特性の推定に基づいて走行モーターへの電力供給を許可する走行許可部をさらに含み、
    前記暖機運転部は、走行許可後も前記最大圧力での暖機運転を継続する、
    燃料電池の発電特性推定装置。
  5. 請求項1に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
    燃料電池の内部抵抗を検出する抵抗検出部をさらに含み、
    前記特性推定部は、前記実電流、前記電圧差及び前記内部抵抗に基づいて実電流及び電圧差の相関を推定し、その推定した相関及び燃料電池の基準発電特性に基づいて、燃料電池の発電特性を推定する、
    燃料電池の発電特性推定装置。
  6. 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の発電特性推定装置において、
    前記基準特性設定部は、予め定められた所定温度であるときの燃料電池の基準発電特性に基づいて基準発電特性上の電圧を設定する、
    燃料電池の発電特性推定装置。
  7. 請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の発電特性推定装置において、
    燃料電池の発電特性の推定処理を開始するときの内部抵抗に基づいて、燃料電池の運転許可温度を演算する許可温度演算部をさらに含み、
    前記基準特性設定部は、前記運転許可温度に基づいて基準発電特性上の電圧を設定する、
    燃料電池の発電特性推定装置。
  8. 燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、
    燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、
    燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、
    前記実電圧における、基準発電特性上の電流と実電流との電流差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、
    を含み、
    前記特性推定部は、燃料電池の暖機運転中は燃料電池に供給するガスの圧力が所定値以上のときに、発電特性の推定を実施する、
    燃料電池の発電特性推定装置。
  9. 請求項1から請求項8までのいずれか1項に記載の発電特性推定装置において、
    前記燃料電池が運転を停止するときに内部を乾燥させる乾燥制御部をさらに備える、
    燃料電池の発電特性推定装置。
JP2013529979A 2011-08-23 2012-08-14 燃料電池の発電特性推定装置 Active JP5835331B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013529979A JP5835331B2 (ja) 2011-08-23 2012-08-14 燃料電池の発電特性推定装置

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011181540 2011-08-23
JP2011181540 2011-08-23
PCT/JP2012/070691 WO2013027634A1 (ja) 2011-08-23 2012-08-14 燃料電池の発電特性推定装置
JP2013529979A JP5835331B2 (ja) 2011-08-23 2012-08-14 燃料電池の発電特性推定装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2013027634A1 true JPWO2013027634A1 (ja) 2015-03-19
JP5835331B2 JP5835331B2 (ja) 2015-12-24

Family

ID=47746381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013529979A Active JP5835331B2 (ja) 2011-08-23 2012-08-14 燃料電池の発電特性推定装置

Country Status (6)

Country Link
US (2) US9685669B2 (ja)
EP (1) EP2750230B1 (ja)
JP (1) JP5835331B2 (ja)
CN (1) CN103765648B (ja)
CA (1) CA2845694C (ja)
WO (1) WO2013027634A1 (ja)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9812722B2 (en) 2013-04-16 2017-11-07 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system and control method for fuel cell system
JP6090052B2 (ja) * 2013-08-09 2017-03-08 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP6237067B2 (ja) * 2013-09-30 2017-11-29 日産自動車株式会社 燃料電池システム
EP3054516B1 (en) * 2013-10-01 2017-11-08 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system
EP3057164B1 (en) * 2013-10-08 2017-11-08 Nissan Motor Co., Ltd Fuel cell system and method for controlling fuel cell system
JP6156041B2 (ja) * 2013-10-08 2017-07-05 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP6292405B2 (ja) 2014-11-14 2018-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム及び燃料電池システムの運転制御方法
CN116344868B (zh) * 2023-03-31 2024-01-16 上海氢晨新能源科技有限公司 一种电堆水含量的调控方法及其应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004349114A (ja) * 2003-05-22 2004-12-09 Toyota Motor Corp 燃料電池の出力特性推定装置
JP2005044795A (ja) * 2003-07-09 2005-02-17 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の低温起動方法
JP2006269223A (ja) * 2005-03-23 2006-10-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法
JP2006351421A (ja) * 2005-06-17 2006-12-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池制御方法
JP2008034126A (ja) * 2006-07-26 2008-02-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2009054427A (ja) * 2007-08-27 2009-03-12 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009123613A (ja) * 2007-11-16 2009-06-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004103453A (ja) * 2002-09-11 2004-04-02 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP4151384B2 (ja) * 2002-11-07 2008-09-17 日産自動車株式会社 燃料電池システム
JP2004311277A (ja) * 2003-04-09 2004-11-04 Toyota Motor Corp 燃料電池システム
JP5000073B2 (ja) * 2003-09-08 2012-08-15 本田技研工業株式会社 燃料電池スタックの氷点下起動方法、燃料電池スタックの氷点下起動システム、および燃料電池スタックの設計方法
CN101292384B (zh) * 2005-10-21 2010-05-19 丰田自动车株式会社 燃料电池系统、阳极气体产生量估算装置及阳极气体产生量估算方法
EP2049524A2 (en) 2006-07-24 2009-04-22 Tetralogic Pharmaceuticals Corporation Iap inhibitors
JP5126480B2 (ja) * 2007-04-19 2013-01-23 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
EP2001070B1 (en) 2007-05-28 2011-06-22 Honda Motor Co., Ltd. Electric power supply system
JP4986932B2 (ja) * 2007-05-28 2012-07-25 本田技研工業株式会社 電力供給システム
JP4535157B2 (ja) * 2008-03-28 2010-09-01 トヨタ自動車株式会社 燃料電池システム
KR101300897B1 (ko) * 2009-07-30 2013-08-27 도요타지도샤가부시키가이샤 연료 전지 시스템

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004349114A (ja) * 2003-05-22 2004-12-09 Toyota Motor Corp 燃料電池の出力特性推定装置
JP2005044795A (ja) * 2003-07-09 2005-02-17 Honda Motor Co Ltd 燃料電池の低温起動方法
JP2006269223A (ja) * 2005-03-23 2006-10-05 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法
JP2006351421A (ja) * 2005-06-17 2006-12-28 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池制御方法
JP2008034126A (ja) * 2006-07-26 2008-02-14 Toyota Motor Corp 燃料電池システムおよびその制御方法
JP2009054427A (ja) * 2007-08-27 2009-03-12 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2009123613A (ja) * 2007-11-16 2009-06-04 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20140205923A1 (en) 2014-07-24
EP2750230A4 (en) 2015-02-25
US9685669B2 (en) 2017-06-20
US20170248657A1 (en) 2017-08-31
CN103765648B (zh) 2016-06-08
EP2750230B1 (en) 2019-02-27
WO2013027634A1 (ja) 2013-02-28
JP5835331B2 (ja) 2015-12-24
EP2750230A1 (en) 2014-07-02
CA2845694C (en) 2018-09-04
CN103765648A (zh) 2014-04-30
US9983268B2 (en) 2018-05-29
CA2845694A1 (en) 2013-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5835331B2 (ja) 燃料電池の発電特性推定装置
JP6573022B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
US9590259B2 (en) Fuel cell system with high-potential avoidance control
CA3017437C (en) Wet state control method for fuel cell system and wet state control device for the same
JP6171846B2 (ja) 燃料電池の電力調整システム
WO2014109239A1 (ja) 燃料電池システム及びその制御方法
KR101828656B1 (ko) 연료 전지 시스템 및 연료 전지의 제어 방법
JP5928603B2 (ja) 燃料電池システム及び制御方法
JP6179672B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP6657898B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP6160313B2 (ja) 燃料電池システム
JP6277600B2 (ja) 燃料電池システムの制御装置
JP6155596B2 (ja) 燃料電池システム
JP6432675B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
RU2625322C2 (ru) Система топливных элементов и способ управления системой
JP2018006165A (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP2003317765A (ja) 燃料電池制御システム
JP6717085B2 (ja) 燃料電池システム
JP6790510B2 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP2020141546A (ja) 電源システム及び電源システムの制御方法
WO2016125231A1 (ja) 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
JP2006164811A (ja) 燃料電池システム

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20150609

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20150806

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20151006

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20151019

R151 Written notification of patent or utility model registration

Ref document number: 5835331

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151