(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力を制御するシステムであって、
出力電圧を有する燃料電池と、
上記燃料電池に直接的に並列接続されているエネルギ貯蔵デバイスと、
上記燃料電池と通信するコントローラと、
を備え、
上記コントローラは、上記燃料電池の出力電圧、及び上記エネルギー貯蔵デバイスの出力電圧を制御し、上記コントローラは、上記燃料電池の電圧を所定のパラメータの関数として制御し、かつ、上記エネルギ貯蔵デバイスの充電を所定のパラメータの関数として制御するためのロジックを有し、
上記コントローラは、負荷電流を使用して、需要負荷を決定し、
上記コントローラは、上記負荷電流を、上記エネルギ貯蔵デバイスに関する第一部分と、上記燃料電池に関する第二部分と、に分けるために、燃料電池の電圧を修正するロジックを更に有し、
上記コントローラは、上記燃料電池のための上記所定のパラメータ、及び、上記エネルギー貯蔵デバイスの上記所定のパラメータの部分集合を、モデリングし、測定し、且つ制御して、上記エネルギ貯蔵デバイスの充電状態を制御する
ことを特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には発電用燃料電池システムに関し、特定的には燃料電池の出力をエネルギ貯蔵デバイスと両立可能なように制御する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムは、普通の源に優る多くの長所を提供する。燃料電池においては、電気は、水素と酸素との反応によって電気化学的に生成される。唯一の反応排出物は水蒸気であり、これは本質的に環境に対して無害である。これは、炭化水素、一酸化炭素、その他の化学物質のような有害な排出物を解放する普通の発電システムとは対照的である。
【０００３】
発電に使用される燃料電池システムは、正常な動作状態並びに過渡的な動作状態の下で電気的要求を満足するように制御しなければならない。外部負荷の長期変動は、システムコントロールを介して燃料及びオキシダントエネルギを適切に入力することによって、燃料電池システム内で処理しなければならない。
【０００４】
燃料電池発電システムは、電力変換段を使用して、燃料電池とエネルギ貯蔵デバイスとをインタフェースする必要があることから、典型的には複雑である。電力変換段は、燃料電池の出力電圧を、負荷と、またはインバータのような付加的な電力変換段と両立できるように変更する。各電力変換段毎に効率が損なわれ、付加的なコストが追加される。従って、これらの発電システムは、極めて高コストになる傾向がある。
【０００５】
【発明の概要】
本発明の目的は、燃料電池システムを制御するプロセスを提供することである。本発明の別の目的は、複数の電力変換段の必要性を排除することによって、燃料電池発電システムの総合コストを低下させることである。本発明のさらなる目的は、エネルギ貯蔵デバイスと燃料電池との組合わせの合計電力負荷に応答して、燃料電池システム変数を操作することである。
【０００６】
上述した目的、及び本発明の他の目的及び特色を遂行するための制御システム及び方法は、質量流、圧力、温度、湿度、及び空気及び燃料の利用率のような変数を別々に制御して燃料電池スタックの電圧を調整する。本発明によれば、燃料電池は、電力変換段を必要とせずに、エネルギ貯蔵デバイスに直接的に並列接続される。燃料電池の電圧は、それを負荷電流、及びエネルギ貯蔵デバイスの充電状態の関数として貯蔵デバイスの電圧特性と両立できるように制御される。
【０００７】
本発明は、燃料電池がエネルギ貯蔵デバイスと組合わされるような、低コスト・ハイブリッドバッテリーシステムに有用である。これらのデバイスでは、燃料電池は長期間電力を供給し、エネルギ貯蔵デバイスは電力のピーク及び／または負荷から回生された電力を貯蔵する能力を提供する。
【０００８】
本発明の他の目的及び長所は、以下の添付図面に基づく特定の実施の形態の詳細な説明から明白になるであろう。
【０００９】
【実施の形態】
図１は、直流／直流電力変換段１２を含む従来技術の燃料電池制御システム１０を示している。電力変換段１２の目的は、燃料電池１４と、バッテリー（図示）またはスーパーキャパシタ（図示してない）のようなエネルギ貯蔵デバイス１６及び負荷１８とをインタフェースすることである。電力変換段１２を、燃料電池１４と負荷１８とを直接インタフェースするために使用することもできる。
【００１０】
本発明は、要求された負荷に供給するために、燃料電池の出力、エネルギ貯蔵デバイスの出力、及びエネルギ貯蔵デバイスの充電状態（ＳＯＣ）を制御するためのシステム及び方法を提供する。
【００１１】
図２は、本発明の燃料電池制御システム２０のブロック図である。コントローラ２２は、燃料電池２４の電圧を調整するために、所定の変数２１を制御する。変数は、限定するものではないが、空気の質量流量（Ｍａ）及び燃料の質量流量（Ｍｆ）、空気の圧力（Ｐａ）及び燃料の圧力（Ｐｆ）、燃料電池２４の温度（Ｔｃ）、空気及び水素の湿度、及び燃料電池２４に引込まれる電流（Ｉfc）を含む。これらの所定の変数は、燃料電池２４と図２に示されているバッテリーのようなエネルギ貯蔵デバイス２８との組合わせに対する負荷２６の合計電力に応答して操作される。
【００１２】
オプションとして、直流／直流コンバータ（図２には示されていない）を使用してエネルギ貯蔵デバイス８から直流電圧を取り、それを、インバータ（図示してない）を運転するのに必要な直流電圧に変換するか、または負荷２６に直接結合することができる。直流／直流コンバータは、その直流電圧をより高い、またはより低い電圧に変換することができる。図１に示す従来技術の実施の形態は、燃料電池とエネルギ貯蔵デバイスとの間に電力コンバータを必要としていた。
【００１３】
本発明においては、図２に示すように燃料電池２４は、エネルギ貯蔵デバイス２８（図２にはバッテリーで示してあるが、スーパーキャパシタまたは他のデバイスであることもできる）のための充電器として動作するように制御される。燃料電池２４はエネルギ貯蔵デバイス２８と直接的に並列接続されている。本発明によれば、図１に示す従来の実施の形態におけるような中間電力変換段は必要としない。
【００１４】
図２に示すように、ダイオード３０を使用して、エネルギ貯蔵デバイス２８から燃料電池２４内へ電流が流入するのを阻止することができる。このような逆方向電流は、若干の型の燃料電池を破壊する恐れがある。ダイオード３０はオプションであり、挿入しなくとも差し支えない。
【００１５】
燃料電池２４は、エネルギ貯蔵デバイス２８における電圧（Ｖbat）と両立可能であるように、本発明に従って制御される電圧（Ｖcell）を有している。燃料電池電圧（Ｖcell）及びエネルギ貯蔵デバイス電圧（Ｖbat）は、負荷電流（Ｉload）及びエネルギ貯蔵デバイス２８のＳＯＣの関数として両立できるように制御される。負荷電流Ｉloadはコントローラ２２によって負荷２６において測定され、燃料電池２４に対する要求電流を決定するために使用される。
【００１６】
燃料電池電圧Ｖcellは、幾つかの制御可能なパラメータを有する非線形関数である。これらは、限定するものではないが、
Ｍf＝燃料の質量流量
Ｍa＝空気の質量流量
Ｐf＝燃料の圧力
Ｐa＝空気の圧力
ＲＨa＝空気の湿度
Ｔc＝燃料電池の温度
Ｉfc＝燃料電池に引込まれる電流
を含む。
【００１７】
エネルギ貯蔵デバイス２８の電圧Ｖbatも、限定するものではないが、
ＳＯＣ＝エネルギ貯蔵デバイスの充電状態
Ｉb＝エネルギ貯蔵デバイスへ流入する、またはそれから流出する電流
Ｔb＝エネルギ貯蔵デバイスの温度
Ａb＝エネルギ貯蔵デバイスの年齢
を含む幾つかのパラメータの関数である。
【００１８】
燃料電池電圧の全ての制御可能なパラメータ、及びエネルギ貯蔵デバイスのパラメータの部分集合をモデリングし、測定し、そして制御することによって、これらの両デバイスの電圧・電流特性を調整し、エネルギ貯蔵デバイスのＳＯＣの制御を達成する。ＳＯＣを制御することによって、エネルギ貯蔵デバイスの寿命が延び、十分なリザーブエネルギマージンが維持される。リザーブエネルギは、外部負荷２６の変動に起因する一時的な高負荷電流状態に対処することを可能にする。
【００１９】
電池電圧は、
Ｖcell＝ＶTH−(ＲＴ／２Ｆ)ln(ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）* (１／ＰＯ2）1/2  （１）
によって与えられる。ここに、Ｖcellは電池電圧であり、ＶTHは理論的なネルンスト電圧である。ネルンスト電圧は、損失が無ければ得ることができる最大電池電圧を表す理論的に計算される電圧である。（ＰＨ2Ｏ／ＰＨ2）は、燃料内の水及び水素ガスの分圧であり、ＰＯ2はオキシダント内の酸素ガスの分圧であり、Ｒはガス定数であり、そしてＴは電池温度である。
【００２０】
平均電池電圧は、電池の状態を監視し、次の式（２）を適用することによって計算することができる。
0003657582.tif 000002
【００２１】
ここに、Ｖin及びＶoutは入口及び出口状態のためのネルンスト電圧であり、αは電池電圧のための重み付けファクタであり、Ｒeffは温度Ｔにおける実効電池抵抗であり、Ｉcellはセル電流であり、そしてＩlimitは制限電流である。制限電流は電池の挙動に依存し、各電池はシステムに依存するそれ自体の制限電流を有している。
【００２２】
実効電池抵抗Ｒeffは、
Ｒeff＝Ｒoｅ[(σt * To) / Ro][ln(To / Tcell)]                  （３）
ここに、Ｒoは参照温度Ｔoにおける実効電池抵抗であり、σtは温度係数であり、Ｔcellは平均電池温度である。
【００２３】
図３に示すグラフはエネルギ貯蔵デバイスの電圧・電流特性３００であり、図４に示すグラフは燃料電池の電圧・電流特性４００である。エネルギ貯蔵デバイスの電圧・電流特性３００は、電流の非線形関数である。特性３０２は低ＳＯＣを有するバッテリーを表し、特性３０４は高ＳＯＣを有するバッテリーを表している。
【００２４】
図４には、燃料電池特性４００が、低ＳＯＣの燃料電池曲線４０２及び高ＳＯＣの燃料電池曲線４０４によって示されている。負荷電流（Ｉload）が変化するにつれてコントローラが燃料電池曲線４０２、４０４を操作し、それによってエネルギ貯蔵デバイスのＳＯＣを制御する。所与の負荷電流に対する動作点は、曲線の交点で表される（次の方法の説明の後に、図６を参照して後述する）。
【００２５】
図５を参照して本発明の方法１００を説明する。本発明は、エネルギ貯蔵デバイスの充電状態の望ましい変化を決定する（ステップ１０２）。これは、現ＳＯＣと、図２に示されているＳＯＣ目標３２とを比較することによって達成される。負荷電流Ｉloadは、コントローラによって測定される（ステップ１０４）。
【００２６】
次いで、本方法は、エネルギ貯蔵デバイスのＳＯＣを要望に応じて増減させ、燃料電池から供給される望ましい負荷電流の量を決定する（ステップ１０６）。上記燃料電池電圧の式のダイナミックシステムモデリングを介して、所定のパラメータが、測定された負荷電流Ｉload値に従って操作される（ステップ１０８）。燃料電池電圧Ｖcellは、負荷電流Ｉloadの関数として制御される（ステップ１０６）。次いで、エネルギ貯蔵デバイスのＳＯＣが、燃料電池電圧Ｖcellの関数として制御される（ステップ１０８）。
【００２７】
図６は、本発明のシステム及び方法の動作例６００を示している。図６には、エネルギ貯蔵デバイスの電圧・電流特性のグラフ６０２、６０４が、軸６０６に対して示されている。燃料電池の電圧・電流特性のグラフ６０８、６１０は軸６１２に対して示されている。軸６０６と軸６１２とは、負荷電流６１４だけ互いにずれている。負荷電流が変化すると、軸６０６と軸６１２との間の距離が正比例して変化する。
【００２８】
所与の負荷電流におけるエネルギ貯蔵デバイスのＳＯＣは、以下のように制御される。エネルギ貯蔵デバイスの開始ＳＯＣが、エネルギ貯蔵デバイスの20％ＳＯＣ特性を示す電圧・電流特性６０２によって表されるものとする。燃料電池が、電圧・電流特性が曲線６０８によって表されるように制御されると、曲線６０２と６０８との交点が動作点６１６を決定する。負荷電流は、エネルギ貯蔵デバイス電流６１８と燃料電池電流６２０とに分割される。
【００２９】
所与のレベルの負荷電流に対してＳＯＣを増加させる場合には、上記燃料電池電圧の式、並びに必要であり得る何等かの線形、または非線形システムモデルに従って、燃料電池の所定の制御パラメータを調整する。燃料電池の電圧・電流特性曲線は、曲線６１０に向かって移り始める。
【００３０】
制御が上述したように調整された直後に、エネルギ貯蔵デバイス特使６０２と燃料電池特性６１０の交点は６２２で示される新しい動作点に到達する。動作点６２２においては、エネルギ貯蔵デバイスは充電中であるにも拘わらず、負荷電流は供給され続ける。エネルギ貯蔵デバイスのＳＯＣが100％まで増加すると、電圧・電流特性は100％ＳＯＣに到達する時点まで変化する。この点において、エネルギ貯蔵デバイスの電圧・電流特性６０４が適用され、最終動作点６２４が限定される。最終動作点６２４において、エネルギ貯蔵デバイスからの電流は０になり、負荷電流は全て燃料電池によって供給される。
【００３１】
所定の制御パラメータを変更することによって、全充電状態範囲にわたる制御を達成することができる。また、負荷電流を、燃料電池とエネルギ貯蔵デバイスとの間に望ましく分割することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池とエネルギ貯蔵デバイスとの間に電力変換段が挿入されている従来技術の燃料電池制御システムの概要図である。
【図２】本発明の燃料電池制御システムの概要図である。
【図３】エネルギ貯蔵デバイスの電圧・電流特性のグラフである。
【図４】本発明の制御システムを使用する燃料電池の電圧・電流特性のグラフである。
【図５】本発明の方法のフローチャートである。
【図６】本発明の制御方法を説明するために、燃料電池及びエネルギ貯蔵デバイスの電圧・電流特性のグラフを重畳して示す図である。
【符号の説明】
１０  従来の燃料電池制御システム
１２  直流／直流電力変換段
１４  燃料電池
１６  エネルギ貯蔵デバイス
１８  負荷
２０  本発明の燃料電池制御システム
２１  変数
２２  コントローラ
２４  燃料電池
２６  負荷
２８  エネルギ貯蔵デバイス
３０  ダイオード
３２  目標ＳＯＣ
３００  エネルギ貯蔵デバイスの電圧・電流特性
３０２、６０２  低ＳＯＣエネルギ貯蔵デバイスの特性
３０４、６０４  高ＳＯＣエネルギ貯蔵デバイスの特性
４００  燃料電池の電圧・電流特性
４０２、６０８  低ＳＯＣ燃料電池の特性
４０４、６１０  高ＳＯＣ燃料電池の特性
６００  システム及び方法の動作例
６０６  エネルギ貯蔵デバイスの軸
６１２  燃料電池の軸
６１４  負荷電流
６１６  動作点
６１８  エネルギ貯蔵デバイス電流
６２０  燃料電池電流
【図１】
0003657582.tif 000003
【図２】
0003657582.tif 000004
【図３】
0003657582.tif 000005
【図４】
0003657582.tif 000006
【図５】
0003657582.tif 000007
【図６】
0003657582.tif 000008