WO2013080358A1 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

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道仁 田中
裕史 掛布
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トヨタ自動車株式会社
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system and a control method thereof.
  • a voltage upper limit threshold is set according to the temperature of the fuel cell
  • current and power lower limit thresholds are set based on the IV characteristics of the fuel cell so as to operate at a voltage lower than the upper limit threshold.
  • a technique for performing power generation control so as to operate with the above current and power has been proposed (see Patent Document 1). When such a technique is adopted, it is not necessary to excessively suppress the output voltage of the fuel cell, and the output responsiveness of the fuel cell can be improved.
  • the decrease in IV characteristics means that output power decreases due to a decrease in output voltage corresponding to a constant output current (for example, the IV characteristic curve in FIG. 4 shifts from a solid line G IV to a thick line G ′ IV , The IP characteristic curve in FIG. 5 shifts from the solid line G IP to the thick line G ′ IP ).
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell system, by performing appropriate high-potential avoidance control in consideration of a decrease in IV characteristics due to deterioration over time, the durability of the fuel cell is improved.
  • the purpose is to improve.
  • a fuel cell system includes a fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas, and a control device that performs power generation control for avoiding a high potential of the fuel cell.
  • the control device changes the voltage threshold for avoiding the high potential in accordance with the change in the IV characteristic of the fuel cell (for example, the voltage threshold is lowered when the IV characteristic of the fuel cell is lowered).
  • a control method is a control method for a fuel cell system that includes a fuel cell that generates power upon receiving a supply of a reaction gas, and is configured to perform power generation control for avoiding a high potential of the fuel cell. And a voltage threshold value changing step of changing the voltage threshold value for avoiding the high potential according to the change of the IV characteristic of the fuel cell (for example, lowering the voltage threshold value when the IV characteristic of the fuel cell is lowered).
  • the voltage threshold for avoiding the high potential of the fuel cell can be changed according to the change in the IV characteristic of the fuel cell.
  • the voltage threshold can be lowered in accordance with a decrease in the IV characteristics of the fuel cell (a decrease in output power due to a decrease in output voltage corresponding to a certain output current). Therefore, even when the IV characteristics of the fuel cell are deteriorated, power generation control can be performed in a direction to protect the electrode catalyst of the fuel cell, so that the durability of the fuel cell can be improved.
  • the power generation control is performed so that the output power of the fuel cell is equal to or higher than a predetermined power threshold (a power threshold corresponding to a voltage threshold for avoiding a high potential in a state before the IV characteristics of the fuel cell are lowered). It is possible to employ a control device that performs the above. Further, in the control method according to the present invention, a power threshold setting step for setting a power threshold corresponding to a voltage threshold for avoiding a high potential in a state before the IV characteristic of the fuel cell is lowered, and the output power of the fuel cell is set as a power threshold. A power generation control step of performing power generation control so as to be equal to or higher than the power threshold set in the step.
  • the power generation control is performed so that the output current of the fuel cell becomes equal to or greater than a predetermined current threshold (a current threshold corresponding to a voltage threshold for avoiding a high potential in a state before the IV characteristics of the fuel cell are lowered). It is also possible to employ a control device that performs the above. Further, in the control method according to the present invention, a current threshold setting step for setting a current threshold corresponding to a voltage threshold for avoiding a high potential in a state before the IV characteristic of the fuel cell is lowered, and an output current of the fuel cell is set as a current threshold. A power generation control step of performing power generation control so as to be equal to or higher than the current threshold set in the step.
  • the present invention in the fuel cell system, it is possible to improve the durability of the fuel cell by performing appropriate high potential avoidance control in consideration of a decrease in IV characteristics due to deterioration over time.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a fuel cell system according to an embodiment of the present invention.
  • 4 is an IV characteristic map of the fuel cell system shown in FIG. 1. It is an IP characteristic map of the fuel cell system shown in FIG. It is a map for demonstrating the shift of IV characteristic curve accompanying aged deterioration. It is a map for demonstrating the shift of the IP characteristic curve accompanying aged deterioration.
  • 3 is a flowchart for explaining a control method of the fuel cell system according to the embodiment of the present invention. It is a flowchart for demonstrating the control method which concerns on other embodiment of this invention.
  • the fuel cell system 1 supplies electric power generated by the fuel cell 2 and the battery 52 to the traction motor M3 via the traction inverter 53, whereby the traction motor M3 is It is rotationally driven.
  • a fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 that generates electric power upon receiving supply of reaction gases (oxidizing gas and fuel gas), an oxidizing gas piping system 3 that supplies air as oxidizing gas to the fuel cell 2, and fuel gas
  • a fuel gas piping system 4 for supplying hydrogen gas to the fuel cell 2
  • a power system 5 for charging / discharging system power
  • a control device 6 for controlling the entire system, and the like are provided.
  • the fuel cell 2 is formed of, for example, a solid polymer electrolyte type and has a stack structure in which a large number of single cells are stacked.
  • the unit cell constituting the fuel cell 2 is a separator for supplying a fuel gas and an oxidizing gas to a membrane / electrode assembly (MEA) formed by sandwiching a polymer electrolyte membrane between two electrodes, an anode electrode and a cathode electrode. And a pair of separators so as to sandwich the cathode electrode and the anode electrode from both sides.
  • MEA membrane / electrode assembly
  • the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path of one separator and the oxidizing gas is supplied to the oxidizing gas flow path of the other separator, and the fuel cell 2 generates electric power by this gas supply.
  • the fuel cell 2 is provided with a current sensor 2a and a voltage sensor 2b for detecting current and voltage during power generation (output current and output voltage).
  • various types of fuel cells 2 such as a phosphoric acid type and a molten carbonate type can be adopted as the fuel cell 2.
  • the oxidizing gas piping system 3 includes an air compressor 31, an oxidizing gas supply path 32, a humidification module 33, a cathode offgas flow path 34, a diluter 35, a motor M ⁇ b> 1 that drives the air compressor 31, and the like.
  • the air compressor 31 is driven by the driving force of the motor M ⁇ b> 1 that operates according to the control command of the control device 6, and air (oxidized gas) taken from outside air via an air filter (not shown) is supplied to the cathode electrode of the fuel cell 2. It supplies and corresponds to the air supply apparatus in the present invention.
  • the oxidizing gas supply path 32 is a gas flow path for guiding the air supplied from the air compressor 31 to the cathode electrode of the fuel cell 2.
  • Cathode off-gas is discharged from the cathode electrode of the fuel cell 2. This cathode off gas is in a highly moist state because it contains moisture generated by the cell reaction of the fuel cell 2.
  • the humidification module 33 exchanges moisture between the low-humidity oxidizing gas flowing through the oxidizing gas supply path 32 and the high-humidity cathode offgas flowing through the cathode offgas flow path 34 and is supplied to the fuel cell 2.
  • the cathode off-gas channel 34 is a gas channel for exhausting the cathode off-gas outside the system, and an air pressure regulating valve A1 is disposed in the vicinity of the cathode electrode outlet of the gas channel.
  • the back pressure of the oxidizing gas supplied to the fuel cell 2 is regulated by the air pressure regulating valve A1.
  • the diluter 35 dilutes the hydrogen gas discharge concentration so that it falls within a preset concentration range (such as a range determined based on environmental standards).
  • the diluter 35 communicates with the downstream side of the cathode offgas channel 34 and the downstream side of the anode offgas channel 44 described later, and the hydrogen offgas and the oxygen offgas are mixed and diluted and exhausted outside the system.
  • the fuel gas piping system 4 includes a fuel supply source 41, a fuel gas supply path 42, a fuel gas circulation path 43, an anode off-gas flow path 44, a hydrogen circulation pump 45, a check valve 46, and a motor for driving the hydrogen circulation pump 45. M2 etc.
  • the fuel supply source 41 is means for supplying a fuel gas such as hydrogen gas to the fuel cell 2 and is constituted by, for example, a high-pressure hydrogen tank or a hydrogen storage tank.
  • the fuel gas supply path 42 is a gas flow path for guiding the fuel gas discharged from the fuel gas supply source 41 to the anode electrode of the fuel cell 2, and the gas flow path includes a tank valve H1, hydrogen gas from upstream to downstream. Valves such as a supply valve H2 and an FC inlet valve H3 are provided.
  • the tank valve H1, the hydrogen supply valve H2, and the FC inlet valve H3 are shut valves for supplying (or shutting off) the fuel gas to the fuel cell 2, and are constituted by, for example, electromagnetic valves.
  • the fuel gas circulation path 43 is a return gas flow path for recirculating unreacted fuel gas to the fuel cell 2, and the gas flow path includes an FC outlet valve H4, a hydrogen circulation pump 45, and a check valve from upstream to downstream. 46 are respectively arranged.
  • the low-pressure unreacted fuel gas discharged from the fuel cell 2 is moderately pressurized by the hydrogen circulation pump 45 driven by the driving force of the motor M ⁇ b> 2 that operates according to the control command of the control device 6, and is supplied to the fuel gas supply path 42. Led.
  • the backflow of the fuel gas from the fuel gas supply path 42 to the fuel gas circulation path 43 is suppressed by the check valve 46.
  • the anode off gas passage 44 is a gas passage for exhausting the anode off gas containing the hydrogen off gas discharged from the fuel cell 2 to the outside of the system, and a purge valve H5 is disposed in the gas passage.
  • the power system 5 includes a high voltage DC / DC converter 51, a battery 52, a traction inverter 53, an auxiliary inverter 54, a traction motor M3, an auxiliary motor M4, and the like.
  • the high-voltage DC / DC converter 51 is a direct-current voltage converter that adjusts the direct-current voltage input from the battery 52 and outputs it to the traction inverter 53 side, and the direct-current input from the fuel cell 2 or the traction motor M3. And a function of adjusting the voltage and outputting it to the battery 52.
  • the charge / discharge of the battery 52 is realized by these functions of the high-voltage DC / DC converter 51. Further, the output voltage of the fuel cell 2 is controlled by the high voltage DC / DC converter 51.
  • the battery 52 is connected in parallel to the fuel cell 2 with respect to the traction motor M3, and has a function of storing surplus power and regenerative energy during regenerative braking, and at the time of load fluctuation accompanying acceleration or deceleration of the fuel cell vehicle. It functions as an energy buffer.
  • the battery 52 is a chargeable / dischargeable secondary battery, and is composed of various types of secondary batteries (for example, nickel-cadmium storage battery, nickel-hydrogen storage battery, lithium secondary battery, etc.).
  • the battery 52 can be charged with surplus power or supplementarily supplied with power by control of a battery computer (not shown). Part of the direct-current power generated by the fuel cell 2 is stepped up and down by the high-voltage DC / DC converter 51 and charged in the battery 52.
  • a chargeable / dischargeable battery for example, a capacitor
  • the secondary battery may be employed.
  • the traction inverter 53 and the auxiliary inverter 54 are pulse width modulation type PWM inverters, and convert DC power output from the fuel cell 2 or the battery 52 into three-phase AC power in accordance with a given control command, thereby obtaining a traction motor.
  • the traction motor M3 is a motor for driving the wheels 7L and 7R.
  • the traction motor M3 is provided with a rotation speed detection sensor 5a for detecting the rotation speed.
  • the auxiliary motor M4 is a motor for driving various auxiliary machines, and is a generic term for the motor M1 that drives the air compressor 31, the motor M2 that drives the hydrogen circulation pump 45, and the like. In the present embodiment, all devices that operate by receiving power supplied from the fuel cell 2 are collectively referred to as load devices.
  • the control device 6 is a computer system for controlling each part of the fuel cell system 1 in an integrated manner, and has a CPU and various memories (ROM, RAM, etc.).
  • the control device 6 receives input of signals supplied from various sensors (for example, each sensor signal sent from the rotational speed detection sensor 5a, the accelerator pedal sensor 6a for detecting the accelerator pedal opening degree, etc.), and the load device. Calculate the load (requested output). Then, the control device 6 controls the output voltage and output current of the fuel cell 2 so as to generate output power corresponding to this load.
  • the control device 6 controls the traction motor M3 and the auxiliary motor M4 by controlling the output pulse widths of the traction inverter 53 and the auxiliary inverter 54, and the like.
  • the load of the load device is, for example, the total value of the vehicle traveling power and the auxiliary power.
  • Auxiliary power is consumed by various auxiliary equipment (air compressor 31, hydrogen circulation pump 45, etc.) and equipment required for vehicle travel (transmission, wheel control device, steering device, suspension device, etc.).
  • Power power consumed by a device (air conditioner, lighting equipment, audio, etc.) disposed in the passenger space.
  • control device 6 performs power generation control for avoiding a high potential for the purpose of suppressing deterioration (melting or the like) of the fuel cell two-electrode catalyst. Specifically, the control device 6 performs power generation control so that the output power of the fuel cell 2 is equal to or greater than a predetermined power threshold.
  • the “predetermined power threshold value” is a power threshold value corresponding to a voltage threshold value for avoiding a high potential in an initial use state of the fuel cell 2 (before a decrease in IV characteristics).
  • the voltage threshold for avoiding the high potential in the initial use of the fuel cell 2 is “A” as shown in FIG.
  • the current corresponding to the voltage threshold “A” is “B” as shown in FIG. 2, and the power corresponding to the current “B” is “C” as shown in FIG. Therefore, the “predetermined power threshold” in the present embodiment is set to “C”, and the control device 6 performs power generation control so that the output power of the fuel cell 2 is equal to or higher than the power threshold “C”. .
  • the control device 6 performs power generation control for avoiding a high potential on a power basis as described above even when the IV characteristics of the fuel cell 2 are deteriorated due to deterioration over time. For example, due to aging, it shifts IV characteristic curve in FIG. 4 from the solid line G IV to thick line G'IV, when the IP characteristic curve in FIG. 5 is shifted from the solid line G IP to heavy line G'IP Also, the power generation control is performed so that the output power of the fuel cell 2 is equal to or higher than the power threshold “C”.
  • the current corresponding to the power threshold “C” is “B” in the initial use (before the IV characteristic is lowered), but is shifted to “B ′” as the IV characteristic is lowered.
  • the voltage corresponding to the shifted current “B ′” becomes “A ′” as shown in FIG. That is, it can be seen that the voltage corresponding to the power threshold “C” (voltage threshold for avoiding the high potential) shifts from “A” in the initial use to “A ′” as the IV characteristic decreases.
  • the control device 6 changes the voltage threshold for avoiding the high potential according to the IV characteristics of the fuel cell 2 by performing the power generation control for avoiding the high potential on the basis of power (the IV characteristics are reduced). The voltage threshold is reduced).
  • the user uses the maps shown in FIGS. 2 and 3 to determine the power threshold value “C” corresponding to the voltage threshold value “A” for avoiding the high potential in the initial stage of use of the fuel cell 2 (before the IV characteristic is lowered). (Power threshold value setting step: S1), and the set power threshold value “C” is recorded in the memory of the control device 6.
  • control device 6 performs power generation control for avoiding a high potential based on the power threshold value “C” set in the power threshold setting step S1. Specifically, the control device 6 performs power generation control so that the output power of the fuel cell 2 is equal to or higher than a predetermined power threshold “C” (power generation control step: S2). The control device 6 performs power generation control for avoiding a high potential on a power basis for a long period of time.
  • the control device 6 updates the IV characteristic map and the IP characteristic map as needed. And the control apparatus 6 changes the voltage threshold value for high potential avoidance, when IV characteristic changes during use. For example, when the IV characteristic curve in FIG. 4 is shifted from the solid line G IV to the thick line G ′ IV and the IP characteristic curve in FIG. 5 is shifted from the solid line G IP to the thick line G ′ IP , the control device 6 The threshold value is shifted from “A” to “A ′” in FIG. 4 (voltage threshold value changing step: S3).
  • the voltage threshold for avoiding the high potential of the fuel cell 2 can be changed according to the change in the IV characteristics of the fuel cell 2.
  • the voltage threshold value can be reduced in accordance with a decrease in the IV characteristics of the fuel cell 2. Therefore, even when the IV characteristics of the fuel cell 2 are deteriorated, the power generation control can be performed in a direction to protect the electrode catalyst of the fuel cell 2, so that the durability of the fuel cell 2 can be improved.
  • the power generation control of the fuel cell 2 can be performed so as not to allow the power generation below the predetermined power threshold “C”. Can be kept below the voltage threshold for avoiding a high potential.
  • the voltage threshold for avoiding high potential can be lowered along with the lowering of the IV characteristics of the fuel cell 2, while suppressing a reduction in output in the latter period of use.
  • the life of the fuel cell 2 can be greatly extended.
  • by performing power generation control for avoiding high potential on a power basis it is possible to directly limit output to the output required from the load device, and the surplus output generated by avoiding high potential is constant. (There is no need to predict and process the surplus output), so that there is an advantage that the control configuration becomes simpler than the power generation control for avoiding high potential on a voltage basis.
  • the control device 6 performs power generation control so that the output current of the fuel cell 2 is equal to or greater than a predetermined current threshold.
  • the “predetermined current threshold value” is a current threshold value corresponding to a voltage threshold value for avoiding a high potential in the initial use state of the fuel cell 2 (before the IV characteristic is lowered).
  • the current “B” is set to the “predetermined current threshold value”. Can be set.
  • the control device 6 performs power generation control so that the output current of the fuel cell 2 is equal to or greater than the current threshold “B”.
  • the control device 6 can perform power generation control for avoiding a high potential on a current basis as described above even when the IV characteristics of the fuel cell 2 are deteriorated due to deterioration over time. For example, even when the IV characteristic curve in FIG. 4 shifts from the solid line G IV to the thick line G ′ IV due to aging deterioration, power generation is performed so that the output current of the fuel cell 2 becomes equal to or greater than the current threshold “B”. Control can be performed. As shown in FIG. 4, the voltage corresponding to the current threshold “B” is “A” in the initial stage of use (before the IV characteristic is lowered), but shifts to “A ′′” as the IV characteristic is lowered. It becomes. Thus, the control device 6 changes the voltage threshold for avoiding the high potential according to the IV characteristic of the fuel cell 2 by performing the power generation control for avoiding the high potential on the current basis (the IV characteristic is lowered). The voltage threshold can be reduced).
  • the user sets a current threshold value “B” corresponding to the voltage threshold value “A” for avoiding the high potential in the initial use state of the fuel cell 2 (before the IV characteristic is lowered) using the map shown in FIG. (Current threshold value setting step: S 11), the set current threshold value “B” is recorded in the memory of the control device 6.
  • control device 6 performs power generation control for high potential avoidance based on the current threshold “B” set in the current threshold setting step S11. Specifically, the control device 6 performs power generation control so that the output current of the fuel cell 2 is equal to or greater than a predetermined current threshold “B” (power generation control step: S12). The control device 6 performs power generation control for avoiding a high potential on a current basis for a long period of time.
  • the control device 6 updates the IV characteristic map as needed. And the control apparatus 6 changes the voltage threshold value for high potential avoidance, when IV characteristic changes during use. For example, when the IV characteristic curve in FIG. 4 is shifted from the solid line G IV to the thick line G ′ IV , the control device 6 shifts the voltage threshold value from “A” to “A ′′” in FIG. Step: S13).
  • the voltage threshold value for avoiding the high potential of the fuel cell 2 can be changed according to the change of the IV characteristic of the fuel cell 2.
  • the voltage threshold value can be reduced in accordance with a decrease in the IV characteristics of the fuel cell 2. Therefore, even when the IV characteristics of the fuel cell 2 are deteriorated, the power generation control can be performed in a direction to protect the electrode catalyst of the fuel cell 2, so that the durability of the fuel cell 2 can be improved.
  • the power generation control of the fuel cell 2 can be performed so as not to allow the power generation below the predetermined current threshold “B”, the output voltage of the fuel cell 2 is used to avoid high potential. It can be suppressed below the voltage threshold.
  • the voltage threshold for avoiding high potential can be lowered as the IV characteristics of the fuel cell 2 are lowered, so that the life of the fuel cell 2 is greatly extended. be able to.
  • the fuel cell system according to the present invention is mounted on a fuel cell vehicle.
  • the present invention can be applied to various moving bodies (robots, ships, aircrafts, etc.) other than the fuel cell vehicle.
  • Such a fuel cell system can also be mounted.
  • the fuel cell system according to the present invention may be applied to a stationary power generation system used as a power generation facility for a building (house, building, etc.).
  • the present invention can be applied to a portable fuel cell system.
  • SYMBOLS 1 Fuel cell system, 2 ... Fuel cell, 6 ... Control apparatus, S1 ... Electric power threshold value setting process, S11 ... Current threshold value setting process, S2 / S12 ... Electric power generation control process, S3 / S13 ... Voltage threshold value change process.

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Abstract

【課題】燃料電池システムにおいて、経年劣化に起因したＩＶ特性の低下を考慮して適切な高電位回避制御を行うことにより、燃料電池の耐久性を向上させる。 【解決手段】反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池２と、燃料電池２の高電位回避用の発電制御を行う制御装置６と、を備える燃料電池システム１であって、制御装置６は、燃料電池２の出力電力が所定の電力閾値以上になるように発電制御を行うことにより、燃料電池２のＩＶ特性の変化に応じて高電位回避用の電圧閾値を変更する。

Description

燃料電池システム及びその制御方法
　本発明は、燃料電池システム及びその制御方法に関する。
　従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが実用化されている。現在においては、燃料電池に含まれる電極触媒の劣化（溶出等）を抑制することを目的とした高電位回避制御に関する技術が種々提案されている。
　例えば、燃料電池の温度に応じて電圧の上限閾値を設定し、この上限閾値以下の電圧で運転を行うように燃料電池のＩＶ特性に基づいて電流・電力の下限閾値を設定し、これら下限閾値以上の電流・電力で運転を行うように発電制御を行う技術が提案されている（特許文献１参照）。かかる技術を採用すると、燃料電池の出力電圧を過度に抑制する必要がなくなり、燃料電池の出力応答性を高めることができる、とされている。
特開２０１０－４９８２７号公報
　ところで、近年においては、経年劣化に起因して燃料電池のＩＶ特性が低下することが知られている。ＩＶ特性の低下とは、一定の出力電流に対応する出力電圧が低下することにより出力電力が低下すること（例えば図４におけるＩＶ特性曲線が実線ＧＩＶから太線Ｇ´ＩＶへとシフトし、図５におけるＩＰ特性曲線が実線ＧＩＰから太線Ｇ´ＩＰへとシフトすること）である。
　特許文献１に記載された従来の高電位回避制御においては、燃料電池の使用後期になってＩＶ特性が低下している状態において以前と同一の上限電圧を設定してしまう可能性がある。このように経年劣化を考慮せずに上限電圧を一定にするような制御を行うと、燃料電池の電極触媒の劣化が進み、燃料電池の耐久性が低下してしまう虞があった。
　本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、経年劣化に起因したＩＶ特性の低下を考慮して適切な高電位回避制御を行うことにより、燃料電池の耐久性を向上させることを目的とする。
　前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の高電位回避用の発電制御を行う制御装置と、を備える燃料電池システムであって、制御装置は、燃料電池のＩＶ特性の変化に応じて高電位回避用の電圧閾値を変更する（例えば、燃料電池のＩＶ特性が低下した場合に電圧閾値を低下させる）ものである。
　また、本発明に係る制御方法は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、燃料電池の高電位回避用の発電制御を行うように構成された燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池のＩＶ特性の変化に応じて高電位回避用の電圧閾値を変更する（例えば、燃料電池のＩＶ特性が低下した場合に前記電圧閾値を低下させる）電圧閾値変更工程を含むものである。
　かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池のＩＶ特性の変化に応じて燃料電池の高電位回避用の電圧閾値を変更することができる。例えば、燃料電池のＩＶ特性の低下（一定の出力電流に対応する出力電圧が低下することにより出力電力が低下すること）に応じて電圧閾値を低下させることができる。従って、燃料電池のＩＶ特性が低下した場合においても、燃料電池の電極触媒を保護する方向に発電制御を行うことができるので、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
　本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電力が所定の電力閾値（燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電力閾値）以上になるように発電制御を行う制御装置を採用することができる。また、本発明に係る制御方法において、燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電力閾値を設定する電力閾値設定工程と、燃料電池の出力電力が電力閾値設定工程で設定した電力閾値以上になるように発電制御を行う発電制御工程と、を含むことができる。
　かかる構成及び方法を採用すると、所定の電力閾値以下の発電を許容しないように燃料電池の発電制御を行うことができるので、燃料電池の出力電圧を高電位回避用の電圧閾値以下に抑えることができる。また、このように電力ベースで発電制御を行うことにより、燃料電池のＩＶ特性の低下に伴って高電位回避用の電圧閾値を低下させることができるので、使用後期における出力低下を抑制しつつ燃料電池の寿命を大幅に延ばすことができる。さらに、電力ベースで高電位回避用の発電制御を行うことにより、負荷装置から要求される出力に対して直接的に出力制限をかけることができ、かつ、高電位回避によって発生する余剰出力を一定とすることができる（余剰出力を予測して処理する必要がなくなる）ため、電圧ベースで高電位回避用の発電制御を行うよりも制御構成が簡素となるという利点がある。
　本発明に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電流が所定の電流閾値（燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電流閾値）以上になるように発電制御を行う制御装置を採用することもできる。また、本発明に係る制御方法において、燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電流閾値を設定する電流閾値設定工程と、燃料電池の出力電流が電流閾値設定工程で設定した電流閾値以上になるように発電制御を行う発電制御工程と、を含むこともできる。
　かかる構成及び方法を採用すると、所定の電流閾値以下の発電を許容しないように燃料電池の発電制御を行うことができるので、燃料電池の出力電圧を高電位回避用の電圧閾値以下に抑えることができる。また、このように電流ベースで発電制御を行うことにより、燃料電池のＩＶ特性の低下に伴って高電位回避用の電圧閾値を低下させることができるので、燃料電池の寿命を大幅に延ばすことができる。
　本発明によれば、燃料電池システムにおいて、経年劣化に起因したＩＶ特性の低下を考慮して適切な高電位回避制御を行うことにより、燃料電池の耐久性を向上させることが可能となる。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。 図１に示す燃料電池システムのＩＶ特性マップである。 図１に示す燃料電池システムのＩＰ特性マップである。 経年劣化に伴うＩＶ特性曲線のシフトを説明するためのマップである。 経年劣化に伴うＩＰ特性曲線のシフトを説明するためのマップである。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの制御方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の他の実施形態に係る制御方法を説明するためのフローチャートである。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
　まず、図１を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
　本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料電池２やバッテリ５２で発生させた電力を、トラクションインバータ５３を介してトラクションモータＭ３に供給することにより、トラクションモータＭ３を回転駆動するものである。燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。
　燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２を構成する単電池は、高分子電解質膜をアノード電極及びカソード電極の二つの電極で挟み込んで構成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）を、燃料ガス及び酸化ガスを供給するためのセパレータで挟み込んだ構造を有しており、さらにカソード電極及びアノード電極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。すなわち、燃料電池２においては、アノード電極において以下の（１）式の酸化反応が生じ、カソード電極において以下の（２）式の還元反応が生じ、燃料電池２全体としては以下の（３）式の起電反応が生じる。
　Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ－　・・・（１）
　（１／２）Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２Ｏ　・・・（２）
　Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ　・・・（３）
　燃料電池２には、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂが取り付けられている。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。
　酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。
　エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ空気（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給するものであり、本発明における空気供給装置に相当するものである。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される空気を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
　加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。
　燃料ガス配管系４は、燃料供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。
　燃料供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
　燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
　電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。
　高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
　バッテリ５２は、トラクションモータＭ３に対して燃料電池２と並列に接続されており、余剰電力や回生制動時の回生エネルギを蓄える機能を有するとともに、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能するものである。バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。
　トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータである。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ａが取付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。なお、本実施形態においては、燃料電池２から供給される電力を受けて作動する全ての機器を負荷装置と総称することとする。
　制御装置６は、燃料電池システム１の各部を統合的に制御するためのコンピュータシステムであり、ＣＰＵや各種メモリ（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を有している。制御装置６は、各種センサから供給される信号（例えば、回転数検知センサ５ａやアクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａ等から送出される各センサ信号）の入力を受けて、負荷装置の負荷（要求出力）を算出する。そして、制御装置６は、この負荷に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。
　負荷装置の負荷は、例えば車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には、各種補機（エアコンプレッサ３１、水素循環ポンプ４５等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配置される装置（空調装置、照明器具、オーディオ等）で消費される電力等が含まれる。
　また、制御装置６は、燃料電池２電極触媒の劣化（溶融等）を抑制することを目的とした高電位回避用の発電制御を行う。具体的には、制御装置６は、燃料電池２の出力電力が所定の電力閾値以上になるように発電制御を行う。ここで、「所定の電力閾値」は、燃料電池２の使用初期（ＩＶ特性低下前）の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電力閾値である。
　本実施形態においては、燃料電池２の使用初期における高電位回避用の電圧閾値を図２に示すように「Ａ」とする。この電圧閾値「Ａ」に対応する電流は図２に示すように「Ｂ」であり、この電流「Ｂ」に対応する電力は図３に示すように「Ｃ」である。このため、本実施形態における「所定の電力閾値」は「Ｃ」に設定されることとなり、制御装置６は、燃料電池２の出力電力が電力閾値「Ｃ」以上になるように発電制御を行う。
　制御装置６は、経年劣化に起因して燃料電池２のＩＶ特性が低下した場合においても、上記のような電力ベースでの高電位回避用の発電制御を行う。例えば、経年劣化に起因して、図４におけるＩＶ特性曲線が実線ＧＩＶから太線Ｇ´ＩＶへとシフトし、図５におけるＩＰ特性曲線が実線ＧＩＰから太線Ｇ´ＩＰへとシフトした場合においても、燃料電池２の出力電力が電力閾値「Ｃ」以上になるように発電制御を行う。
　図５に示すように、電力閾値「Ｃ」に対応する電流は、使用初期（ＩＶ特性低下前）においては「Ｂ」であるが、ＩＶ特性の低下に伴って「Ｂ´」にシフトすることとなり、このシフトした電流「Ｂ´」に対応する電圧は、図４に示すように「Ａ´」となる。すなわち、ＩＶ特性の低下に伴って、電力閾値「Ｃ」に対応する電圧（高電位回避用の電圧閾値）は使用初期の「Ａ」から「Ａ´」にシフトすることがわかる。このように、制御装置６は、電力ベースでの高電位回避用の発電制御を行うことにより、燃料電池２のＩＶ特性に応じて高電位回避用の電圧閾値を変更する（ＩＶ特性が低下した場合に電圧閾値を低下させる）ものである。
　次に、図６のフローチャート等を用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の制御方法について説明する。
　まず、ユーザは、図２及び図３に示すマップを用いて、燃料電池２の使用初期（ＩＶ特性低下前）の状態における高電位回避用の電圧閾値「Ａ」に対応する電力閾値「Ｃ」を設定し（電力閾値設定工程：Ｓ１）、この設定した電力閾値「Ｃ」を制御装置６のメモリに記録する。
　次いで、制御装置６は、電力閾値設定工程Ｓ１で設定した電力閾値「Ｃ」をベースにして、高電位回避用の発電制御を行う。具体的には、制御装置６は、燃料電池２の出力電力が所定の電力閾値「Ｃ」以上になるように発電制御を行う（発電制御工程：Ｓ２）。制御装置６は、このような電力ベースでの高電位回避用の発電制御を長期間にわたって実施する。
　発電制御工程Ｓ２において、制御装置６は、ＩＶ特性マップ及びＩＰ特性マップを随時更新する。そして、制御装置６は、使用中にＩＶ特性が変化した場合に、高電位回避用の電圧閾値を変更する。例えば、制御装置６は、図４におけるＩＶ特性曲線が実線ＧＩＶから太線Ｇ´ＩＶへとシフトし、図５におけるＩＰ特性曲線が実線ＧＩＰから太線Ｇ´ＩＰへとシフトした場合に、電圧閾値を図４における「Ａ」から「Ａ´」にシフトさせる（電圧閾値変更工程：Ｓ３）。
　以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２のＩＶ特性の変化に応じて燃料電池２の高電位回避用の電圧閾値を変更することができる。例えば、燃料電池２のＩＶ特性の低下に応じて電圧閾値を低下させることができる。従って、燃料電池２のＩＶ特性が低下した場合においても、燃料電池２の電極触媒を保護する方向に発電制御を行うことができるので、燃料電池２の耐久性を向上させることができる。
　また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、所定の電力閾値「Ｃ」以下の発電を許容しないように燃料電池２の発電制御を行うことができるので、燃料電池２の出力電圧を高電位回避用の電圧閾値以下に抑えることができる。また、このように電力ベースで発電制御を行うことにより、燃料電池２のＩＶ特性の低下に伴って高電位回避用の電圧閾値を低下させることができるので、使用後期における出力低下を抑制しつつ燃料電池２の寿命を大幅に延ばすことができる。さらに、電力ベースで高電位回避用の発電制御を行うことにより、負荷装置から要求される出力に対して直接的に出力制限をかけることができ、かつ、高電位回避によって発生する余剰出力を一定とすることができる（余剰出力を予測して処理する必要がなくなる）ため、電圧ベースで高電位回避用の発電制御を行うよりも制御構成が簡素となるという利点がある。
＜他の実施形態＞
　以上の実施形態においては、「電力ベース」での高電位回避用の発電制御について例示したが、「電流ベース」での高電位回避用の発電制御を採用することもできる。
　具体的には、制御装置６は、燃料電池２の出力電流が所定の電流閾値以上になるように発電制御を行う。ここで、「所定の電流閾値」は、燃料電池２の使用初期（ＩＶ特性低下前）の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電流閾値である。例えば、燃料電池２の使用初期における高電位回避用の電圧閾値「Ａ」に対応する電流は図２に示すように「Ｂ」であるため、この電流「Ｂ」を「所定の電流閾値」に設定することができる。この場合、制御装置６は、燃料電池２の出力電流が電流閾値「Ｂ」以上になるように発電制御を行う。
　制御装置６は、経年劣化に起因して燃料電池２のＩＶ特性が低下した場合においても、上記のような電流ベースでの高電位回避用の発電制御を行うことができる。例えば、経年劣化に起因して、図４におけるＩＶ特性曲線が実線ＧＩＶから太線Ｇ´ＩＶへとシフトした場合においても、燃料電池２の出力電流が電流閾値「Ｂ」以上になるように発電制御を行うことができる。図４に示すように、電流閾値「Ｂ」に対応する電圧は、使用初期（ＩＶ特性低下前）においては「Ａ」であるが、ＩＶ特性の低下に伴って「Ａ″」にシフトすることとなる。このように、制御装置６は、電流ベースでの高電位回避用の発電制御を行うことにより、燃料電池２のＩＶ特性に応じて高電位回避用の電圧閾値を変更する（ＩＶ特性が低下した場合に電圧閾値を低下させる）ことができる。
　ここで、図７のフローチャート等を用いて、電流ベースでの高電位回避用の発電制御方法について説明する。
　まず、ユーザは、図２に示すマップを用いて、燃料電池２の使用初期（ＩＶ特性低下前）の状態における高電位回避用の電圧閾値「Ａ」に対応する電流閾値「Ｂ」を設定し（電流閾値設定工程：Ｓ１１）、この設定した電流閾値「Ｂ」を制御装置６のメモリに記録する。
　次いで、制御装置６は、電流閾値設定工程Ｓ１１で設定した電流閾値「Ｂ」をベースにして、高電位回避用の発電制御を行う。具体的には、制御装置６は、燃料電池２の出力電流が所定の電流閾値「Ｂ」以上になるように発電制御を行う（発電制御工程：Ｓ１２）。制御装置６は、このような電流ベースでの高電位回避用の発電制御を長期間にわたって実施する。
　発電制御工程Ｓ１２において、制御装置６は、ＩＶ特性マップを随時更新する。そして、制御装置６は、使用中にＩＶ特性が変化した場合に、高電位回避用の電圧閾値を変更する。例えば、制御装置６は、図４におけるＩＶ特性曲線が実線ＧＩＶから太線Ｇ´ＩＶへとシフトした場合に、電圧閾値を図４における「Ａ」から「Ａ″」にシフトさせる（電圧閾値変更工程：Ｓ１３）。
　このような実施形態においても、燃料電池２のＩＶ特性の変化に応じて燃料電池２の高電位回避用の電圧閾値を変更することができる。例えば、燃料電池２のＩＶ特性の低下に応じて電圧閾値を低下させることができる。従って、燃料電池２のＩＶ特性が低下した場合においても、燃料電池２の電極触媒を保護する方向に発電制御を行うことができるので、燃料電池２の耐久性を向上させることができる。
　また、このような実施形態においては、所定の電流閾値「Ｂ」以下の発電を許容しないように燃料電池２の発電制御を行うことができるので、燃料電池２の出力電圧を高電位回避用の電圧閾値以下に抑えることができる。また、このように電流ベースで発電制御を行うことにより、燃料電池２のＩＶ特性の低下に伴って高電位回避用の電圧閾値を低下させることができるので、燃料電池２の寿命を大幅に延ばすことができる。
　なお、以上の各実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。さらには、携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
　１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置、Ｓ１…電力閾値設定工程、Ｓ１１…電流閾値設定工程、Ｓ２・Ｓ１２…発電制御工程、Ｓ３・Ｓ１３…電圧閾値変更工程。

Claims (8)

  1. 　反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の高電位回避用の発電制御を行う制御装置と、を備える燃料電池システムであって、
    　前記制御装置は、前記燃料電池のＩＶ特性の変化に応じて高電位回避用の電圧閾値を変更するものである、
    燃料電池システム。
  2. 　前記制御装置は、前記燃料電池のＩＶ特性が低下した場合に前記電圧閾値を低下させるものである、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 　前記制御装置は、前記燃料電池の出力電力が所定の電力閾値以上になるように発電制御を行うものであり、
    　前記電力閾値は、前記燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応するものである、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 　前記制御装置は、前記燃料電池の出力電流が所定の電流閾値以上になるように発電制御を行うものであり、
    　前記電流閾値は、前記燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応するものである、
    請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 　反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備え、前記燃料電池の高電位回避用の発電制御を行うように構成された燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記燃料電池のＩＶ特性の変化に応じて高電位回避用の電圧閾値を変更する電圧閾値変更工程を含むものである、
    燃料電池の制御方法。
  6. 　前記電圧閾値変更工程では、前記燃料電池のＩＶ特性が低下した場合に前記電圧閾値を低下させる、
    請求項５に記載の燃料電池の制御方法。
  7. 　前記燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電力閾値を設定する電力閾値設定工程と、
    　前記燃料電池の出力電力が、前記電力閾値設定工程で設定した電力閾値以上になるように発電制御を行う発電制御工程と、を含む、
    請求項６に記載の燃料電池の制御方法。
  8. 　前記燃料電池のＩＶ特性低下前の状態における高電位回避用の電圧閾値に対応する電流閾値を設定する電流閾値設定工程と、
    　前記燃料電池の出力電流が、前記電流閾値設定工程で設定した電流閾値以上になるように発電制御を行う発電制御工程と、を含む、
    請求項６に記載の燃料電池の制御方法。
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