WO2008133347A1

WO2008133347A1 - 燃料電池システム

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Publication number: WO2008133347A1
Application number: PCT/JP2008/058309
Authority: WO
Inventors: Atsushi Imai; Kenji Umayahara
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-04-23
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2008-11-06
Also published as: US8153315B2; US20100068567A1; DE112008000986T5; DE112008000986B4; CN101584070A; CN101584070B; JP2008270047A

Abstract

燃料電池の出力電圧−出力電力特性が、ＦＣの最大出力特性ｆ２と、負荷装置の最大出力特性ｆ３が示すグラフとの交点（Ｂ点）で示されるシステム電圧（＝ＶM）を燃料電池の出力電圧としてＤＣ−ＤＣコンバータに出力することによって、最適な出力電力（＝ＰM）を得ることにより、燃料電池側の出力電流−出力電圧特性と負荷側の最大出力特性との整合を図ることにより、運転効率が高く、物理的なトラブルを生じさせない燃料電池システムを提供する。

Description

明細書

燃料電池システム

技術分野

本発明は、燃料電池システムに係り、特に車両（移動体）に搭載される燃料電池システム制御方法に関する。

背景技術

近年、移動体等の負荷に電力を供給する燃料電池システムが実用段階を迎えている。燃料電池は、水素等の燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの電気化学反応によリ、起電力を取り出すものであるが、出力電流と出力電圧との間に所定の関係（出力電流一出力電圧特性）が存在する。このような出力電流一出力電圧特性は、例えば燃料電池に供給される燃料ガスや酸化ガスのガス量に応じて変化するものである。また、いずれの出力電流一出力電圧特性についても、最大の出力電力（ネット出力）を与えるような出力電流値が定まっている。ここで、出力電力（F C許容電力）は、出力電流に出力電圧を乗じて計算される物理量であり、供給されるガス量との関係からも特性を有している。

従来の関連技術として、燃料電池の出力電力（F C許容電力）を供給ガス量との関係を示す出力特性として記憶しておく手段と、この出力特性を新たに取得して記憶に追加する手段と、同じガス量に対しては記憶された出力特性に基づいて出力電力（F C許容電力）を決定する手段と、を備えた電源システムが提案されている（例えば、特開 2 0 0 3— 2 7 2 6 7 9号公報（段落 0 0 3 4 , 0 0 3 5等）。

発明の開示

ところで、燃料電池には出力電流一出力電圧特性が存在し、他方の負荷側には入力電流と最大出力との関係を定める最大出力特性が存在するので、両者の整合を図ることが課題とされている。しかしながら、従来の燃料電池システムでは、この課題が解決されていなかつた。

両者の整合がなされないと、例えば、負荷側が要求する最大出力を満たさなかつたり、あるいは、負荷側が要求する最大出力よりも大きい過剰な電力が燃料電池システムから供給されたりすることになリ、燃料電池システムにおける不都合（発熱、電力バランスの崩れ、二次電池の過充電）等を生じることになる。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池側の出力電流一出力電圧特性と負荷側の最大出力特性との整合を図ることにより、運転効率が高く、物理的なトラブルを生じさせない燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電力特性と、を参照して、前記負荷装置の最大電力特性および前記燃料電池の出力電力特性の双方を満たすように前記燃料電池の最大出力を決定することを特徴とする。

具体的に、本発明の燃料電池システムは、負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出する出力電圧補正部と、前記出力電圧を基に前記燃料電池の最大出力を推測する電力推測部と、前記出力電圧を前記燃:料電池に指令する燃料電池制御部と、を備えたことを特徴とする。

このように構成することにより、負荷装置の最大電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定すると、実際の燃料電池の出力電圧一出力電力特性が頭打ちになつたり、燃料電池の出力電圧一出力電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定すると、実際の負荷装置の最大電力特性が頭打ちになつたりして、期待した最大電力から乖離した低い出力電力しか得られないとか、過剰な発電により燃料電池システムに不都合が生じることを防止し、適正な動作点を設定することができる。また、前記燃料電池システムにおいて、前記出力電圧補正部は、前記負荷装置の最大電力特性を示す特性曲線と前記燃料電池の出力電圧一出力電力特性を示す特性曲線との交点を推測することにより、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出することを特徴とする。

このように構成することにより、双方の特性を満たす適正な動作点が得られ、余剰電力の発生によってパワーパランスが崩きれることが防止され、また、二次電池の過充電や、システム内部の不要な発熱を抑止することができる。

さらに、前記燃料電池システムにおいて、前記出力電圧補正部は、前記出力電圧 —出力電力'特性を複数の離散点で定義されたマップで保持し、前記出力電圧を算出するに際して、前記数値点間の補間演算を実施して前記出力電圧を算出することを特徴とする。

このように構成することにより、マップに記録されていない出力電圧一出力電力特性値を補間演算により正しく推測することができ、出力電圧一出力電力特性を記憶する記憶装置の記憶容量を節約すると共に、負荷装置にとって真に有効な最大電力を供給するための計算精度を向上させることができる。

さらに、前記撚料電池システムにおいて、前記出力電圧補正部は、隣接する前記離散点における前記出力電圧一出力電力特性の傾きが互いに逆極性である場合に前記補間演算を実施することは好ましい。

このように条件を設定することにより、離散点の間に極大点が挟まれる場合を推測することができ、補間演算の適正が実施を担保することができる。

さらに、前記燃料電池システムにおいて、前記出力電圧補正部は、隣接する前記離散点における前記出力電圧一出力電力特性の傾きの絶対値が所定値以上である場合に前記補間演算を実施することは好ましい。

このように条件を設定することにより、離散点間に極大点が挟まれていても、一方の離散点が極大点の近傍にある場合等、補間演算が不要な場合を除外するので、補間演算が効果的である場合のみに補間演算を許可することができる。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電流一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電流を算出する出力電流補正部と、前記出力電流を基に前記燃料電池の最大出力を推測する電力推測部と、前記出力電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記燃料電池に指令する燃料電池制御部と、を備えたことを特徴とする。

このように構成することにより、負荷装置の最大電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電流に設定すると、実際の燃料電池の出力電流一出力電力特性が頭打ちになったリ、燃料電池の出力電流一出力電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電流に設定すると、実際の負荷装置の最大電力特性が頭打ちになつたりして、期待した最大電力から乖離した低い出力電力しか得られないとか、過剰な発電によリ燃料電池システムに不都合が生じることを防止し、適正な動作点を設定することができる。また、前記燃料電池システムにおいて、前記出力電流補正部は、前記負荷装置の最大電力特性を示す特性曲線と前記燃料電池の出力電流一出力電力.特性を示す特性曲線との交点を推測することにより、前記燃料電池の最大出力を与える出力電流を算出することを特徴とする。

このように構成することにより、双方の特性を満たす適正な動作点が得られ、余剰電力の発生によってパワーバランスが崩されることが防止され、また、二次電池の過充電や、システム内部の不要な発熱を抑止することができる。

さらに、前記燃料電子システムにおいて、前記出力電流補正部は、前記出力電流 —出力電力特性を複数の離散点で定義されたマップで保持し、前記出力電流を算出するに際して、前記離散点間の補間演算を実施して前記出力電流を算出することは好ましい。

このように構成することにより、マップに記録されていない出力電流一出力電力特性値を補間演算によリ正しく推測することができ、出力電流一出力電力特性を記憶する記憶装置の記憶容量を節約すると共に、負荷装置にとって真に有効な最大電力を供給するための計算精度を向上させることができる。さらに、前記燃料電子システムにおいて、前記出力電流補正部は、瞵接する前記離散点における前記出力電流一出力電力特性の傾きが互いに逆極性である場合に前記補間演算を実施することは好ましい。

さらに、前記燃料電子システムにおいて、前記出力電流補正部は、隣接する前記離散点における前記出力電流一出力電力特性の傾きの絶対値が所定値以上である場合に前記補間演算を実施することは好ましい。

また、本発明は、前記燃料電池システムにおいて、前記負荷装置は駆動モータであることを特徴とする。負荷装置が駆動モータである場合に好適な発明である。上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムのための電力制御方法は、負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出するステップと、前記出力電圧を基に前記燃料電池の最大出力を推測するステップと、前記出力電圧を前記燃料電池に指令するステップと、を備えたことを特徴とする。上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムのための電力制御方法は、負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電流一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電流を算出するステップと、前記出力電流を基に前記燃料電池の最大出力を推測するステツプと、前記出力電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記燃料電池に指令するステップと、を備えたことを特徴とする。図面の簡単な説明

図 1 ：本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。

図 2 ·· 本発明が適用される燃料電池システム 1 0の制御部 8 0の機能ブロック図である。

図 3：燃料電池の出力電圧一出力電力特性と、負荷装置の最大出力特性との関係を示した特性曲線図である。

図 4 ：本発明の実施形態 1における処理手順を示すフローチャート図である。図 5 ：燃料電池の特性を格子点による離散的な値で示した特性曲線図であり、図 5 Aは燃料電池の出力電流一出力電圧特性を示し、図 5 Bは燃料電池の出力電流一出力電力特性を示すものである。

図 6 ：本発明の実施形態 2における処理手順を示すフローチャート図である。発明を実施するための最良の形態

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。

(実施形態 1 )

本発明の実施形態は、ハイプリッド型の燃料電池を搭載する電気自動車に本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

この実施形態 1は、燃料電池の出力電流一出力電力特性と負荷装置における最大出力特性とから、最適な最大出力電力を出力させる動作点を求めるものである。図 1は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。

図 1において、燃料電池システム 1 0は、主要な構成要素として、燃料電池 2 0 に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統 4と、燬料電池 2 0に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統フと、燃料電池 2 0を冷却するための冷却液供給系統 3と、燃料電池 2 0からの発電電力を充放電する電力系統 9と、を備えて構成されている。

燃料電池 2 0は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜 2 1の両面にアノード極 2 2とカソード極 2 3 をスクリーン印刷などで形成した膜■電極接合体 2 4を備えている。膜■電極接合体 2 4の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極 2 2および力ソード極 2 3との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル 2 5およびカソードガスチャンネル 2 6を形成している。アノード極 2 2は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、力ソード極 2 3は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

アノード極 2 2では、次の（ 1 ) 式の酸化反応が生じ、カソード極 2 3では、次の（2 ) 式の還元反応が生じる。燃料電池 2 0全体としては、次の（3 ) 式の起電反応が生じる。

H₂— 2 H++ 2 e—■ ■ ■ ( 1 )

( 1 Z 2 ) 0₂+ 2 H++ 2 e—→H₂0■ ■ ■ ( 2 )

H²+ ( 1ノ 2 ) 0₂→H₂0■ ■ ■ ( 3 ) なお、図 1では説明の便宜上、膜■電極接合体 2 4、アノードガスチャンネル 2 5およびカソ一ドガスチャンネル 2 6からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム 1 0の冷却液供給系統 3には、冷却液を循環させる冷却路 3 1、燃料電池 2 0から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ 3 2、冷却液の熱を外部に放熱するラジェータ（熱交換器） 3 3、ラジェータ 3 3へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ 3 4、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ 3 5、燃料電池 2 0に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ 3 6などが設けられている。

燃料電池システム 1 0の燃料ガス供給系統 4には、燃料ガス供給装置 4 2、燃料ガス供給装置 4 2からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル 2 5に供給するための燃料ガス流路 4 0、アノードガスチャンネル 2 5から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路 4 0に循環させるための循環流路（循環経路） 5 1が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系銃が構成されている。

燃料ガス流路 4 0には、燃料ガス供給装置 4 2からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁） 4 3、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ 4 4、循環経路 5 1の燃料ガス圧力を調整する調整弁 4 5、燃料電池 2 0への燃料ガス供給を制御する遮断弁 4 6が設置されている。燃料ガス供給装置 4 2は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。

循環流路 5 1には、燃料電池 2 0から循環流路 5 1への燃料オフガス供給を制御する遮断弁 5 2、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器 5 3および排出弁 5 4、アノードガスチャンネル 2 5を通過する際に、圧力損失を受けた燃料ォフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路 4 0に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ） 5 5、燃料ガス流路 4 0の燃料ガスが循環流路 5 1側に逆流するのを防止する逆流阻止弁 5 6が設置されている。水素ポンプ 5 5をモータによって駆動することで、水素ポンプ 5 5の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路 4 0で燃料ガス供給装置 4 2から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池 2 0に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ 5 5には、水素ポンプ 5 5の回転数を検出する回転数センサ 5 7が設置されている。

また、循環流路 5 1には、燃料電池 2 0から排気された燃料オフガスを、希釈器 (例えば水素濃度低減装置） 6 2を介して車外に排気するための排気流路 6 1が分岐して配管されている。排気流路 6 1にはパージ弁 6 3が設置されており、燃料才フガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁 6 3を開閉することで燃料電池 2 0内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路 5 1の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもでさる。

一方、燃料電池システム 1 0の酸化ガス供給系統 7には、力ソードガスチャンネル 2 6に酸化ガス（力ソードガス）を供給するための酸化ガス流路 7 1、力ソードガスチャンネル 2 6から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路 7 2が配管されている。

酸化ガス流路 7 1には、大気からエアを取り込むエアクリーナ 7 4、および、取リ込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、力ソードガスチャンネル 2 6に送給するエアコンプレッサ 7 5が設定されている。エアコンプレッサ 7 5 には、エアコンプレッサ 7 5の回転数を検出する回転数センサ 7 3が設置されている。酸化ガス流路 7 1と力ソードオフガス流路 7 2との間には湿度交換を行う加湿器 7 6が設けられている。力ソードオフガス流路 7 2には、力ソードオフガス流路 7 2の排気圧力を調整する調圧弁 7 7、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器 6 4、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー 6 5が設けられている。気液分離器 6 4から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器 6 2 に流れ込み、希釈器 6 2内に滞留する燃料オフガスと混合希釈される。また分流された他方のカソードオフガスは、マフラ一 6 5にて吸音され、希釈器 6 2により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム 1 0の電力系統 9には、一次側にバッテリ 9 1の出力端子が接続され、二次側に燃料電池 2 0の出力端子が接続された D C— D Cコンパ一タ 9 0、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ 9 1、バッテリ 9 1の充電状況を監視するバッテリコンピュータ 9 2、燃料電池 2 0の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ 9 4に交流電力を供給するインバータ 9 3、燃料電池システム 1 0の各種高圧補機 9 6に交流電力を供給するインバータ 9 5、燃料電池 2 0の出力電圧を測定する電圧センサ 9 7、および出力電流を測定する電流センサ 9 8が接続されている。

D C— D Cコンバータ 9 0は、燃料電池 2 0の余剰電力または車両走行用モータ 9 4への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ 9 1に供給して充電させる。また、車両走行用モータ 9 4の要求電力に対する、燃料電池 2 0の発電電力の不足分を補填するため、 D C— D Cコンバータ 9 0は、バッテリ 9 1からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ 9 3、 9 5は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ 9 4および高圧補機 9 6にそれぞれ出力する。車両走行用モータ 9 4には、モータ 9 4の回転数を検出する回転数センサ 9 9が設置されている。モータ 9 4は、ディファレンシャルを介して車輪 1 0 0が機械的に結合されており、モータ 9 4の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ 9 7および電流センサ 9 8は、電力系統 9に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流ィンピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池 2 0の含水量に対応している。この交流インピーダンス測定によって測定される含水量は燃料電池 2 0にスタックされている単位セル全体の平均的な含水量に対応している。

さらに、燃料電池システム 1 0には、燃料電池 2 0の発電を制御するための制御部 8 0が設置されている。制御部 8 0は、例えば、 C P U (中央処理装置）、 R A M、 R O M、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されている。制御部 8 0は、温度センサ 3 2， 3 6、圧力センサ 4 4、回転数センサ 5 7、 7 3、 9 9からのセンサ信号や、電圧センサ 9 7、電流センサ 9 8、ィグニッションスィッチ 8 2からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ 5 5およびエアコンプレッサ 7 5の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。特に、本発明の特徵的な制御機能として、制御部 8 0は、車両走行用モータ 9 4 や高圧補機 9 6等の負荷装置の最大電力特性と、燃料電池 2 0の出力電圧一出力電力特性とを参照して、燃料電池 2 0の最大出力を与える出力電圧を算出し、この出力電圧を基に燃料電池 2 0の最大出力を推測し、推測された最大出力に対応する出力電圧を求め、 D C— D Cコンバータ 9 0に対する制御量として出力するように構成されている。

なお、この負荷装置の最大電力特性は、環境温度や劣化状態等種々の条件によリ変化するので、定期的に、または、不定期に、最大電力特性を測定して更新しておくことが好ましい。また、燃料電池の出力電圧一出力電圧特性も、燃料電池の温度、含水量、劣化状態等によって変化するので、定期的に、または、不定期に、燃料電池の出力電流および出力電圧を測定して更新しておくことが好ましい。

また、燃料電池の最大出力を与える出力電圧は、上記 D C— D Cコンバータに対する制御を行うタイミングに一致させて推測演算する必要はなく、定期的に、または、不定期に、更新するように構成しておくようにしてもよい。

図 2は、本発明が適用される燃料電池システム 1 0の制御部 8 0が本発明に係る電圧制御方法に関するソフ卜ウェアプログラムを実行することにより実現される機能ブロック図である。

図 2に示す制御部 8 0は、機能プロックとして、燃料電池 2 0の出力電圧を推測する電力推測部 8 0 1と、負荷装置（車両走行用モータ 9 4や高圧補機 9 6、特にここでは車両走行用モータ 9 4とする）の最大出力電圧に基づいて燃料電池 2 0の出力電力を補正する出力電圧補正部 8 0 2と、補正された出力電力が発電されるように燃料電池 2 0を制御する燃料電池制御部 8 0 3と、負荷装置の車両走行用モ一タ 9 4のトルク量を計算する駆動系制御部 8 0 4と、を備える。

以下、制御部 8 0が備える各機能ブロックの詳細機能について説明する。

図 3は、燃料電池の出力電圧一出力電力特性と、負荷装置の最大出力特性との関係を示したグラフ図である。図 3において、燃料電池（以下「F CJ とも称する。）の出力電圧一出力電力特性が、 F Cの最大出力特性 f 1である場合は、システム電圧を F C出力が最大となる電圧 V_F1に設定することで、理論上システム出力が最大となる。即ち、システム電圧を V_nとすれば、 F Cの最大出力特性 f 1の極大値である最大値 P _F1が得られる。

一方、燃料電池の出力電圧一出力電力特性が、 F C (燃料電池）の最大出力特性 f 2である場合は、システム電圧を燃料電池の最大出力（= P_F2)を与える電圧（= V_F2) に設定しても（A点参照）、実際の負荷装置による消費電力は、負荷装置の最大出力（電力）特性 f 3に応じて制限されるので、実際には、負荷装置の最大出力は P_F2よりも小さい P ' _F2となる。この場合、 P_F2— P ' _F2は余剰電力 Δ Ρとなり、バッ亍リ 9 1に充電されるべきものである。このとき、この余剰電力 Δ Ρが大きすぎるとバッテリ 9 1の過充電が生じる。

一方、負荷装置の最大出力特性 f 3に基づいて、システム電圧を負荷装置の最大出力 ( = P を与えるような V_MSに設定し、負荷装置の出力を最大出力（= P_MG) とすることを期待しても（C点参照）、今度は、負荷装置の出力は、燃料電池の最大出力特性 f 2により制限され、 P ' _MGが実際の出力電力となる。

以上のことから、燃料電池の出力電圧一出力電力特性と負荷装置の最大電力特性とを双方鑑みて、バッテリへの過充電がなく、かつ、最大の負荷出力を得ることができるような動作点を定めるには、燃料電池の出力電圧一出力電力特性と負荷装置の最大出力特性との双方からシステム電圧の電圧値を決定する必要があることが理解される。 '

例えば、図 3において、燃料電池の出力電圧一出力電力特性が、 F Cの最大出力特性 f 2である場合は、当該特性 f 2と、負荷装置の最大出力特性 f 3との交点（B 点）で示されるシステム電圧（= V_FM2) を燃料電池の出力電圧、すなわち D C— D Cコンバータ 9 0への指令電圧値とすることによって、余剰電力を極力抑え、かつ、負荷装置に最大の出力（= P _FM2) を与えることができる。さらに、負荷効率も考慮することによつて最大負荷出力の誤差低減を図ることができる。

一方、図 3において、燃料電池の出力電圧一出力電力特性が、 F Cの最大出力特性 f 1である場合は、当該特性 f 1によって提供される出力電力よりも、負荷装置の最大出力特性 f 3によって提供される最大出力電力の方が大きいので、当該特性 f 3による制限を受けない。よって、 F Cの最大出力特性 f 1のみを考慮し、その極大値を与えるシステム電圧（= V_F1) を燃料電池の出力電圧、すなわち D C— D Cコンバータ 9 0への指令電圧値とすることによって、余剰電力を極力抑え、かつ、負荷装置に最大の出力（= P_F1) を与えることができる。

図 4は、本実施形態 1における処理手順を示すフローチャート図である。以下、図 1〜3を参照しながら、図 4に示すフローチャートを使用して、制御部 8 0で実施される燃料電池の出力電圧の制御動作を説明する。

本実施形態 1における動作の前提として、燃料電池 2 0の出力電圧一出力電力特性（図 3の特性曲線 f 2参照）及び負荷装置の最大出力特性（図 3の特性曲線 f 3 参照）とに交点（図 3における B点）が存在するものとする。

まず、ステップ S 1において、出力電圧補正部 8 0 2が、燃料電池 2 0の出力電圧一出力電力特性及び負荷装置の最大出力特性を参照して、前記燃料電池の出力電流一出力電圧特性曲線と負荷装置の最大出力特性曲線との交点を求め、動作点電圧値（= V_M) を計算する。

次に、ステップ S 2において、電力推測部 8 0 1が、動作点電圧値（= V_M) に対応する燃料電池 2 0の適正出力電圧値（= P _M) を演算する。

そして、ステップ S 3において、燃料電池制御部 8 0 3が、ステップ S 1で計算された動作点電圧値（ = V_FM2) を燃料電池 2 0に指令電圧値として D C— D Cコンバータ 9 0に出力する。

同時に、駆動系制御部 8 0 4が、ステップ S 2で推定された適正出力電力（= P „) に基づいてトルク量を計算し、このトルク量を示す信号 S tを負荷装置である車両走行用モータ 9 4に送出する。以上で、燃料電池システムにおいて適正な出力電力を設定するための出力電力指令する処理動作を終了する。

なお、本実施形態では、図 3に示すような燃料電池の出力電圧一出力電力特性に基づいて適正出力電力を出力する動作点を推定していたが、出力電流一出力電力特性に基づいて動作点を推定してもよい。燃料電池の出力電流一出力電圧特性から、出力電流または出力電圧の一方が定まれば他方が定まる。よって、燃料電池の出力電流一出力電圧特性を関係テーブルマップまたは関係式の形式で保存してあれば、出力電流から出力電圧への換算、または、出力電圧から出力電流への換算が行えるからである。

従来は、負荷装置の最大電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定することで、実際の燃料電池の出力電圧一出力電力特性が頭打ちになつたり、燃料電池の出力電圧一出力電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定することで、実際の負荷装置の最大電力特性が頭打ちになつたりしていた。

上記実施形態 1によれば、これら期待した最大電力から乖離した低い出力電力しか得られないとか、過剰な発電により燃料電池システムに不都合が生じることを防止し、適正な動作点を設定することができる。

(実施形態 2 )

本発明の実施形態 2は、燃料電池の出力電流（電圧）一出力電力特性が離散的な値で記憶されているシステムにおいて、隣接する離散点の間に存在する最大出力電力を与える補間点を求める例に関する。

本実施形態における燃料電池システムは、上記実施形態 1と同様であるため説明を省略する。

システムによっては、制御部 8 0が保持する上記 F Cの最大出力特性や負荷装置の最大出力特性が、図 3のような連続的な曲線として与えられているのではなく、曲線上の幾つかの点を代表させた離散的なマップとしてテーブル化されて記憶されている。このようなシステムにおいては、求めるべき動作点が 2つの離散点の間に存在することがあり、これら離散点間の補間式を作成して前記交点を求める必要がある。本実施形態 2では、この補間方法について説明する。

図 5は、燃料電池の特性を格子点による離散的な値で示したグラフ図であり、図 5 Aは燃料電池の出力電流一出力電圧特性を示し、図 5 Bは燃料電池の出力電流― 出力電力特性を示すものである。

燃料電池の最大出力特性曲線は、負荷装置の最大出力曲線とは異なり、単純な線形関係で近似できないため、制御部 8 0の指令電圧値の分解能に合わせて特性曲線上の総ての点に対する出力電力を記憶するには膨大な記憶容量が必要になる。そこで、一般には、図 5 Aおよび Bに破線の特性曲線上に黒丸で示すような代表点による離散的な値で記憶される。

図 5 Bの特性図（離散的な出力電流一出力電力特性）は、図 5 Aの特性図（離散的な出力電流一出力電圧特性）から、 P = I X V iの演算により求めたものである。ここで、例えば、図 5 Bの特性図から、燃料電池の出力電力を最大にする電流値を求めると、その電流値（ I _a ) に対応する燃料電池の最大出力電力を示す離散点 a において推定される電力（= P _a ) となってしまう。しかしながら、燃料電池の真の最大出力電力は、離散点 aと離散点 bとの間に存在する点 cであるため、マップからの直接的な出力電力推定では推定誤差が生じる。

そこで、所定の条件の場合には、隣接する 2つの離散点の間に出力電力が極大値を示す補間点が存在するものとして、以下の補間演算を行う。この条件とは、隣接する 2つの離散点における出力電流一出力電力特性の変化率の極性が反転している場合である。例えば、ある離散点までは出力電流 Iの増加に伴って出力電力 Pが増加する一方、この離散点に隣接する次の離散点からは出力電流 Iの増加に伴って出力電力 Pが減少するような場合、これら 2つの離散点の間に極大値を示す電流値が存在すると推定できる。特に、これら 2つの離散点における変化率の絶対値が所定値以上、すなわち、ある程度以上の傾きを示している場合には、傾きがゼロとなる極大点からある程度離れていることを意味している。このような場合には、より大きな出力電力を得られることが期待できるので、補間演算により補間点を求める意味がある。

例えば、図 5 Aの特性図において、離散点 aと離散点 bとでは、傾きの符号（変化率の極性）が異なっており、かつ、離散点 aの傾きも離散点 bの傾きも大きいので、補間演算をすることが好ましい。このため、離散点 aと離散点 bとの間の出力電流一出力電圧特性を直線補間し、出力電流一出力電圧特性曲線上の、離散点 aと離散点 bとの間の補間点 cにおける電流値 I_Mを、補間式を用いて演算する。この補間式は、例えば一般に、（1 ) 式で示される。

V = K,x I +K₂ (1 )

ここで、離散点 aおよび離散点 bにおける電流値および電圧値をそれぞれ（ I a, V a) および（ I b， V b) とすると、 K = (V b-Va) ノ ( I b- I a) であり、 K₂は I =0のときの切片値（ 1 =0における電圧値）である。例えば、離散点 aと離散点 bとの間の補間点 cにおける電流値を I Mとおけば、（ 1 )式は（ 2 ) 式となる。

V_M=K_¾ I _M+K₂ (2)

ここで、 V_Mは補間点 cにおける出力電流 I _Mに対応する出力電圧である。補間点 cの電流値 I _Mは、例えば、補間点 cを離散点 aと離散点 bとの中間点であると仮定すれば、その電流値 I _Mは（3) 式で表される。

I _M= ( I a + I b) /2 (3)

次に、この補間された電流値 I _Mに基づいて、離散点 aと離散点 bとの間の補間点 cにおける出力電力値 P_Mを、補間式を用いて演算する。出力電力 Pは出力電流 Iと出力電圧 Vの積（P= I XV) であるため、この補間式の形は、一般に、（2〉式で示される。

p = I X v = I X (K,x I + K₂) (3) ( 3 ) 式に（2 ) 式を代入すれば、（4 ) 式となり、補間された電流値 I _Mに基づき最大出力電力 P _Mが求められる。

このような補間演算により、燃料電池の最大出力を、より正確に推定することができる。例えば、離散点 aと離散点が、図 5 Bに示す最大出力特性の極大点の前後にあるような場合、補間演算をすることにより、補間点 cによる電流値 I _Mが得られ、これに対応する燃料電池の最大出力値 P _Mが正確に求められることになる。なお、上記実施形態 1では、図 3に示すような燃料電池の出力電圧一出力電力特性に基づいて適正出力電力を推定していたが、本実施形態 2では、図 5 Bに示すような燃料電池の出力電流一出力電力特性に基づいて適正出力電力を推定する。上述したように、燃料電池の出力電流一出力電圧特性（図 5 A参照）から、出力電流または出力電圧の一方が定まれば他方が定まる。本実施形態では、燃料電池の出力電流一出力電圧特性（図 5 A参照）を関係テーブルマップまたは関係式の形式で保存してあるので、出力電流から出力電圧への換算、または、出力電圧から出力電流への換算が行えるのである。

図 6は、本実施形態 2における処理手順を示すフローチャート図である。以下、図 1〜3および 5を参照しながら、図 6に示すフローチャートを使用して、制御部 8 0で実施される燃料電池の出力電圧の制御動作を説明する。

ステップ S 1 1において、出力電圧補正部 8 0 2は、燃料電池 2 0の出力電流一出力電力特性（図 3の特性曲線 f 1 ■ f 2参照）及び負荷装置の最大出力特性（図 3の特性曲線 f 3参照）を参照して、燃料電池の出力電流一出力電力特性曲線と負荷装置の最大出力特性曲線との交点が存在するかを検索する。

次いでステップ S 1 2に移行し、上記 2つの特性曲線の交点が存在する場合（N O) 、上記実施形態 1と同様の状態であり、例えば図 3における特性極性 f 2のように負荷装置の最大出力特性 f 3との交点が適正な出力電力を出力するための動作点であると判定できる。よって、ステップ S 1 3に移行し、出力電力補正部 8 0 2は、この交点における動作点電流値（= I _M) を計算する。そしてステップ S 1 8に移行する。

一方、ステップ S 1 2において、上記 2つの特性曲線の交点が存在しない場合（Y E S ) 、例えば図 3における特性極性 f 1のように、負荷装置の最大出力特性 f 3 と交差しないので、当該出力電流一出力電力特性曲線の極大点が、燃料電池にとつて適正な、かつ、最大の出力電力を出力するための動作点であると判定できる。この場合、ステップ S 1 4に移行する。

ステップ S 1 4において、出力電圧補正部 8 0 2は、燃料電池の出力電流一出力電力特性のために記録されている複数の離散点のうち、極大値を挟んで隣接している離散点を検索する。すなわち、離散点における特性曲線の傾きの極性が互いに逆になっている離散点の組を検索する。

次いでステップ S 1 5に移行し、出力電圧補正部 8 0 2は、検索された 2つの離散点における特性曲線の傾きが所定値以下であるか否かを判定する。特性曲線の傾きが所定値以下であるということは、特性曲線の傾きが相対的に緩いか、傾きが存在しないということなので、特性曲線の極大点の近傍か極大点に一致していることを意味している。そこで、ステップ S 1 5の判定の結果、特性曲線の傾きが所定値以下であると判定された場合には（Y E S ) 、ステップ S 1 6に移行し、出力電圧補正部 8 0 2は、傾きが所定値以下と判定された方の離散点を適正な出力電圧を得るための動作点であると特定し、この離散点における動作点電流値を計算してから、ステップ S 1 8に移行する。一方、ステップ S 1 5の判定の結果、特性曲線の傾きが所定値より大きいと判定された場合には（N O ) 、ステップ S 1 7に移行し、出力電圧補正部 8 0 2は、上記補間演算によリ補間点を求め、補間点を動作点として特定し、この補間点における動作点電流値を計算してから、ステップ S 1 8に移行する。上述したように補間点における電流値 I _Mを求める。

なお、補間点における電流値 I _Mは、検索された 2つの離散点における特性曲線の傾きの大きさに基づいて線形補間して定めることができる。例えば、両離散点における特性曲線の傾きの絶対値がほぼ等しければ、両離散点の中間点付近に極大点があると推測できるので、両離散点における電流値の平均値（= ( I a + I b ) ノ 2 ) を動作点電流値 I _Mとして計算することができる。両離散点における特性曲線の傾きの絶対値が異なっている場合、傾きの大きさの逆数で加重平均した電流値を動作点電流値 I Mとして計算してもよい。

次いでステップ S 1 8に移行し、電力推測部 8 0 1は、上記ステップ S 1 3、 S 1 6、または S 1 7のいずれかのステップにより計算された動作点電流値（= I _M) に対応する燃料電池 2 0の適正出力電圧値（= P _M) を演算する。

次いでステップ S 1 9に移行し、燃料電池制御部 8 0 3は、ステップ S 1 3、 S 1 6 ,または S 1 7のいずれかのステップにより計算された動作点における電圧値 (= V_M) を燃料電池 2 0に対する指令電圧値として D C— D Cコンバータ 9 0に出力する。同時に、駆動系制御部 8 0 4は、ステップ S 1 8で推定された適正出力電力（= P_M) に基づいてトルク量を計算し、このトルク量を示す信号 S tを車両走行用モータ 9 4に送出する。以上により、燃料電池システムにおいて適正な出力電力を設定するための処理動作を終了する。

上記実施形態 2によれば、上記実施形態 1と同様の作用効果を奏する他、システムに記録されている出力電流（電圧）一出力電力特性の離散点が、最大出力電力をもたらす特性曲線上の極大値から離間していたとしても、補間演算により最大出力電力により近い、または、最大出力電力を出力可能な補間点を計算できるので、システムに許容される最大出力電力で運転させることができる。

(その他の実施形態）

本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、本発明の燃料電池システムは、本実施形態のようにハイプリッド燃料電池システムに適用すると効果が大きいが、他の一般的な燃料電池システムに適用することも可能である。

さらに、本発明の燃料電池システムは、車両のみならず、陸上、地中、海上、海中、空中、宇宙空間を移動するあらゆる移動体に本発明を適用することも可能である。また定置形の燃料電池システムに本発明を適用しても無論よい。

(産業上の利用可能性）

本発明によれば、負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧または出力電流を算出するので、双方の特性を満たす適正な動作点が設定できる。これにより、余剰電力の発生によってパワーバランスが崩されることが防止され、また、二次電池の過充電や、システム内部の不要な発熱を抑止することができる燃料電池システムを供給することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであつて、

前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出する出力電圧補正部と、前記出力電圧を基に前記燃料電池の最大出力を推測する電力推測部と、前記出力電圧を前記燃料電池に指令する燃料電池制御部と、

を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

2 . 前記出力電圧補正部は、

前記負荷装置の最大電力特性を示す特性曲線と前記燃料電池の出力電圧一出力電力特性を示す特性曲線との交点を推測することにより、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出する、請求項 Ί記載の燃料電池システム。

3 . 前記出力電圧補正部は、

前記出力電圧一出力電力特性を複数の離散点で定義されたマップで保持し、前記出力電圧を算出するに際して、前記離散点間の補間演算を実施して前記出力電圧を算出する、請求項 1または請求項 2記載の燃料電池システム。

4. 前記出力電圧補正部は、

隣接する前記離散点における前記出力電圧一出力電力特性の傾きが互いに逆極性である場合に前記補間演算を実施する、請求項 3に記載の燃料電池システム。

5 . 前記出力電圧補正部は、

隣接する前記離散点における前記出力電圧一出力電力特性の傾きの絶対値が所定値以上である場合に前記補間演算を実施する、請求項 4に記載の燃料電池システ厶。

6 . 負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであつて、前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電流一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電流を算出する出力電流補正部と、前記出力電流を基に前記燃料電池の最大出力を推測する電力推測部と、前記出力電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記燃料電池に指令する燃料電池制御部と、

を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

7 . 前記出力電流補正部は、

前記負荷装置の最大電力特性を示す特性曲線と前記燃料電池の出力電流一出力電力特性を示す特性曲線との交点を推測することにより、前記燃料電池の最大出力を与える出力電流を算出する、請求項 6記載の燃料電池システム。

8 . 前記出力電流補正部は、

前記出力電流一出力電力特性を複数の離散点で定義されたマップで保持し、前記出力電流を算出するに際して、前記離散点間の補間演算を実施して前記出力電流を算出する、請求項 6または 7に記載の燃料電池システム。

9 . 前記出力電流補正部は、

隣接する前記離散点における前記出力電流一出力電力特性の傾きが互いに逆極性である場合に前記補間演算を実施する、請求項 8に記載の燃料電池システム。

1 0 . 前記出力電流補正部は、

隣接する前記離散点における前記出力電流一出力電力特性の傾きの絶対値が所定値以上である場合に前記補間演算を実施する、請求項 9に記載の燃料電池システム。

1 1 . 前記負荷装置は駆動モータである、請求項 1乃至 1 0のいずれか 1項に記載の燃料電池システム。

1 2 . 負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、

前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出するステップと、前記出力電圧を基に前記燃料電池の最大出力を推測するステップと、前記出力電圧を前記燃料電池に指令するステップと、

を備えたことを特徴とする燃料電池システムのための電力制御方法。

1 3 . 負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電力制御方法であって、

前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電流一出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電流を算出するステップと、前記出力電流を基に前記燃料電池の最大出力を推測するス亍ップと、前記出力電流に対応する前記燃料電池の出力電圧を前記燃料電池に指令するステツプと、