(57)【要約】【課題】燃料電池の発電電圧が許容電圧範囲を上下ハンチングすることを抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサと、発電電圧を調整する燃料電池用コンバータと、酸化ガスを燃料電池に供給する酸化ガス供給系と、発電電圧が許容電圧範囲から逸脱しないように燃料電池用コンバータ及び酸化ガス供給系の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える。許容電圧範囲は、燃料電池の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の増大に応じて拡大する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサと、
前記発電電圧を調整する燃料電池用コンバータと、
前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給系と、
前記発電電圧が許容電圧範囲から逸脱しないように前記燃料電池用コンバータ及び前記酸化ガス供給系の少なくとも一方を制御する制御部と、
を備え、
前記許容電圧範囲は、前記燃料電池の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の増大に応じて拡大する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、暖機運転時、燃料電池の発電電圧は、電圧上限閾値以下となるように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−０９６０４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の発電電圧は、燃料電池用コンバータによる制御（以下、「ＦＤＣ制御」と呼ぶ）、及び、燃料電池に供給される酸化ガス、例えば空気、の量の制御（以下、「エア制御」）により制御可能である。燃料電池システム運転中では、エア制御のみが実行される場合と、エア制御に加えてＦＤＣ制御が実行される場合がある。しかしながら、燃料電池の運転条件によっては、エア制御に加えてＦＤＣ制御が実行される時に、燃料電池の発電電圧が許容電圧範囲を超えて上下ハンチングしてしまう場合があるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサと、前記発電電圧を調整する燃料電池用コンバータと、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給する酸化ガス供給系と、前記発電電圧が許容電圧範囲から逸脱しないように前記燃料電池用コンバータ及び前記酸化ガス供給系の少なくとも一方を制御する制御部と、を備える。前記許容電圧範囲は、前記燃料電池の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の増大に応じて拡大する。この形態の燃料電池システムによれば、許容電圧範囲が燃料電池の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の増大に応じて拡大するので、発電電圧が許容電圧範囲を超えて許容範囲を上下ハンチングすることを抑制できる。
【０００７】
本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両、固定型燃料電池等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態における燃料電池システムを模式的に示す図。
【図２】発電電圧と電流指令値とＩ−Ｖ特性線の傾きの時間的変化を示す図。
【図３】燃料電池のＩ−Ｖ特性線を示す図。
【図４】比較例における発電電圧と電流指令値の時間的変化を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における燃料電池システム１０を模式的に示す図である。燃料電池システム１０は、例えば、動力源として車両に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、電力回路２００と、酸化ガス供給系３００と、制御部７００と、図示しない燃料ガス供給系や、冷却系等とを備える。
【００１０】
燃料電池１００は、図示しない複数の単セルが積層されることによって構成されている。燃料電池１００としては、例えば固体高分子形燃料電池を採用可能である。燃料電池１００は、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて、電気化学反応により発電する。燃料ガスとしては、例えば水素を採用可能であり、酸化ガスとしては、例えば空気を採用可能である。
【００１１】
電力回路２００は、燃料電池１００からの電力を利用する回路である。電力回路２００は、燃料電池用コンバータ２３０と、インバータ２４０と、駆動モータ２５０と、電流センサ２６０と、電圧センサ２７０と、を備える。なお、電力回路２００は、蓄電池やバッテリコンバータ等を備えてもよい。
【００１２】
電流センサ２６０は、燃料電池１００の発電電流を検出する。電圧センサ２７０は、燃料電池１００の発電電圧を検出する。燃料電池用コンバータ２３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータである。燃料電池用コンバータ２３０は、制御部７００からの制御信号、例えば電流指令値を受けて、燃料電池１００の発電電圧を調整する。一方、燃料電池用コンバータ２３０は、制御部７００からの制御信号に応じて燃料電池１００の発電電圧を駆動モータ２５０で利用可能な高電圧に昇圧する。
【００１３】
インバータ２４０は、燃料電池用コンバータ２３０によって昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するものであり、制御部７００からの制御信号に応じて交流電圧の周波数と電圧を調整して駆動モータ２５０に供給し、駆動モータ２５０を制御する。駆動モータ２５０は、燃料電池１００からの電力によって回転動力を発生し、車両の車輪を駆動することが可能である。
【００１４】
酸化ガス供給系３００は、空気を酸化ガスとして燃料電池１００に供給する。酸化ガス供給系３００は、ガス供給流路３１０と、ガス排出流路３２０と、バイパス流路３３０とを有する。ガス供給流路３１０の一端は、燃料電池１００と接続しており、他端は、大気に開放されている空気の入口である。空気は、ガス供給流路３１０によって燃料電池１００に導かれる。ガス供給流路３１０には、空気の入口からエアフロメータ３４０と、エアコンプレッサ（ＡＣＰ）３５０と、三方弁３６０とが設けられている。ＡＣＰ３５０には、エアコンプレッサ用モータ（ＡＣＰＭ）３５５が設けられている。ＡＣＰＭ３５５は、制御部７００からの制御信号に応じてＡＣＰ３５０を駆動する。ＡＣＰ３５０は、ＡＣＰＭ３５５の駆動により、空気を取り込んで圧縮して燃料電池１００に供給する。エアフロメータ３４０は、ＡＣＰ３５０に取り込まれる空気の流量を測定する。この空気流量は、燃料電池１００に供給される空気流量とほぼ同一である。なお、空気流量は、ＡＣＰ３５０の回転数、すなわちＡＣＰＭ３５５の回転数を調整することによって調整可能である。三方弁３６０には、バイパス流路３３０の一端が接続されている。三方弁３６０は、制御部７００からの制御信号に応じて、ＡＣＰ３５０から供給される空気を燃料電池１００とバイパス流路３３０とに分流する。バイパス流路３３０の他端は、ガス排出流路３２０と接続している。ガス排出流路３２０の一端は、燃料電池１００と接続しており、他端は、大気に開放されている。燃料電池１００の発電に利用されなかった空気は、ガス排出流路３２０によって燃料電池１００の外部に導かれる。ガス排出流路３２０において、バイパス流路３３０と接続している位置よりも上流側には、背圧弁３７０が設けられている。背圧弁３７０は、制御部７００からの制御信号に応じて燃料電池１００に供給される酸化ガスの圧力を調節する。
【００１５】
制御部７００は、ＣＰＵと、メモリと、インターフェースと、を備える。制御部７００は、図示しない互いに通信可能な燃料電池ＥＣＵや、燃料電池用コンバータＥＣＵ、電力制御ＥＣＵ等を備える統合ＥＣＵである。制御部７００は、利用者の要求や、燃料電池システム１０内の各センサの検出値等に応じて、メモリに記憶されたプログラムを展開して実行することにより、燃料電池システム１０の各部の動作を制御する。例えば、制御部７００は、燃料電池１００の発電電圧が許容電圧範囲から逸脱しないように、燃料電池用コンバータ２３０及び酸化ガス供給系３００の少なくとも一方を制御する。具体的には、制御部７００は、燃料電池用コンバータ２３０に電流指令値を送信し、燃料電池１００の発電電流を減少又は増加させることによって燃料電池１００の発電電圧を増減させる。制御部７００は、酸化ガス供給系３００のＡＣＰＭ３５５と三方弁３６０と背圧弁３７０の少なくとも一つに制御信号を送信し、燃料電池１００に供給される酸化ガスの量を増加又は減少させることによって、燃料電池１００の発電電圧を増減させる。以下では、制御部７００が燃料電池用コンバータ２３０に制御信号を送信することによる燃料電池１００の発電電圧の増減制御を「ＦＤＣ電圧増減制御」と呼び、制御部７００が酸化ガス供給系３００に制御信号を送信することによる燃料電池１００の発電電圧の増減制御を「エア電圧増減制御」と呼ぶ場合がある。制御部７００は、燃料電池１００の発電電圧が許容電圧範囲を超えていないときには、エア電圧増減制御を実行し、燃料電池１００の発電電圧が許容電圧範囲を超えたときには、エア電圧増減制御に加え、ＦＤＣ電圧増減制御を実行する。なお、「許容電圧範囲」は、任意の目標電圧、例えば低電位回避電圧、に対する許容範囲である。許容電圧範囲は、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の増大に応じて拡大する。この詳細については後述する。
【００１６】
図２は、燃料電池１００の発電電圧と、制御部７００から燃料電池用コンバータ２３０に送信される電流指令値と、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の時間的変化を例示する説明図である。燃料電池１００の発電電圧の許容電圧範囲Ｒｖの上限値は上限電圧Ｖｍａｘであり、下限値は下限電圧Ｖｍｉｎである。図３は、燃料電池１００の電流−電圧特性線Ｇ１〜Ｇ３を例示する説明図である。各特性線Ｇ１〜Ｇ３は、図２に示す各時刻ｔ１〜ｔ３のそれぞれにおける燃料電池１００の電流−電圧特性線である。図２と図３の例では、時刻ｔ１では、燃料電池１００の動作点は点Ｐ１であり、発電電圧は電圧Ｖ１である。時刻ｔ２では、燃料電池１００の動作点は点Ｐ２であり、発電電圧は電圧Ｖ２である。時刻ｔ３では、燃料電池１００の動作点は点Ｐ３であり、発電電圧は上限電圧Ｖｍａｘである。図２と図３から分かるように、燃料電池１００の電流−電圧特性線Ｇ１〜Ｇ３の傾きの絶対値は、時間が経つにつれ徐々に増大する。
【００１７】
図２の例では、時刻ｔ０において、制御部７００は、電流指令値Ｉｓを燃料電池用コンバータ２３０に送信する。燃料電池用コンバータ２３０は、電流指令値Ｉｓに応じて、燃料電池１００の発電電圧を電圧Ｖ２に調整する。時刻ｔ１の直前において、燃料電池１００の発電電圧は、何らかの原因によって電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に向かって上昇する。このとき、燃料電池１００の発電電圧は許容電圧範囲Ｒｖを超えていないので、制御部７００は、エア電圧増減制御を実行する。すなわち、制御部７００は、酸化ガス供給系３００に制御信号を送信し、燃料電池１００に供給される酸化ガスの量を減少させることによって、燃料電池１００の発電電圧を減少させる。一方、制御部７００は、燃料電池用コンバータ２３０への電流指令値Ｉｓを変更しない。この結果、時刻ｔ１の直後において、燃料電池１００の発電電圧は電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に向かって下降する。この後から時刻ｔ２までも同様に、制御部７００は、燃料電池１００の発電電圧の上昇と下降の変動に応じてエア電圧増減制御を実行する。
【００１８】
時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間において、燃料電池１００の発電電圧が上昇すると、制御部７００は、エア電圧増減制御を実行する。時刻ｔ３となると、燃料電池１００の発電電圧は上限電圧Ｖｍａｘを超えるので、制御部７００は、エア電圧増減制御に加えてＦＤＣ電圧増減制御を実行する。すなわち、制御部７００は、酸化ガス供給系３００に制御信号を送信して燃料電池１００に供給される酸化ガスの量を減少させるとともに、電流指令値を燃料電池用コンバータ２３０に送信して燃料電池用コンバータ２３０に燃料電池１００の発電電圧を減少させる。従って、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間では、電流指令値が電流指令値Ｉｓから電流指令値Ｉｍに漸増するにつれ、燃料電池１００の発電電流も漸増する。この結果、燃料電池１００の発電電圧は下降し始める。ここで、時刻ｔ３と対応する電流−電圧特性線Ｇ３の傾きの絶対値は、時刻ｔ１と対応する電流−電圧特性線Ｇ１の傾きの絶対値よりも大きい。このため、時刻ｔ３でＦＤＣ電圧増減制御を実行すると、すなわち、電流−電圧特性線Ｇ３上で動作点を移動させると、電流−電圧特性線Ｇ１上で動作点を移動させるのに比べて、僅かな発電電流の変化で発電電圧に大きな変動が生じてしまう。この結果、燃料電池１００の発電電圧は、時刻ｔ１直後と比べて、時刻ｔ４直後では大幅に下降してしまう。
【００１９】
ここで、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値は、時刻ｔ０から増大し、時刻ｔ２となると、予め定められた傾き基準値Ｓｔｈとなる。「傾き基準値」とは、燃料電池１００の発電電圧の許容電圧範囲Ｒｖが拡大し始める基準とする燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の最小値である。図２の例では、制御部７００は、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値が傾き基準値Ｓｔｈとなると、許容電圧範囲Ｒｖの下限電圧Ｖｍｉｎを漸減させる。従って、許容電圧範囲Ｒｖは、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値が傾き基準値Ｓｔｈとなると拡大する。この結果、時刻ｔ４以降で燃料電池１００の発電電圧が大幅に下降しても、許容電圧範囲Ｒｖの下限電圧Ｖｍｉｎを超えない。こうすれば、ＦＤＣ電圧増減制御が繰り返して実行されず、燃料電池１００の発電電圧に大きな変動が生じることを抑制できる。なお、下限電圧Ｖｍｉｎの漸減率は、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に実行されたＦＤＣ電圧増減制御による燃料電池１００の発電電圧の下降率に応じて設定されることが好ましい。また、制御部７００は、傾き基準値Ｓｔｈを利用せず、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値が増大するほど下限電圧Ｖｍｉｎを漸減させてもよいし、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の増大に応じて上限電圧Ｖｍａｘを漸増させてもよいし、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値の増大に応じて下限電圧Ｖｍｉｎを漸減させながら上限電圧Ｖｍａｘを漸増させてもよい。これらの場合においても、許容電圧範囲Ｒｖの拡大率は、ＦＤＣ電圧増減制御により燃料電池１００の発電電圧の増加率又は減少率に応じて設定されることが好ましい。なお、許容電圧範囲Ｒｖと燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きとの対応関係は、実験又は経験によって得られたマップとして予め制御部７００に記憶されていてもよいし、制御部７００に学習させて可変としてもよい。
【００２０】
図４は、比較例であり、図２に対応する図である。図４の比較例において、許容電圧範囲Ｒｖ１は固定されている。時刻ｔ４以降において、燃料電池の発電電圧は大幅に下降し、時刻ｔ５となると、許容電圧範囲Ｒｖ１を超えてしまう。時刻ｔ５では、ＦＤＣ電圧増減制御が再び実行され、発電電圧が大幅に上昇する。この結果、燃料電池の発電電圧は許容電圧範囲Ｒｖ１を上下にハンチングしてしまう。
【００２１】
以上説明したように、一実施形態では、制御部７００は、燃料電池１００の電流−電圧特性線の傾きの絶対値が傾き基準値Ｓｔｈとなると、許容電圧範囲Ｒｖを拡大させるので、ＦＤＣ電圧増減制御により燃料電池１００の発電電圧が大幅に下降して許容電圧範囲Ｒｖを超えることを抑制できる。こうすれば、ＦＤＣ電圧増減制御が繰り返して実行されず、燃料電池１００の発電電圧のハンチングを抑制できる。
【００２２】
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
【符号の説明】
【００２３】
１０…燃料電池システム、１００…燃料電池、２００…電力回路、２３０…燃料電池用コンバータ、２４０…インバータ、２５０…駆動モータ、２６０…電流センサ、２７０…電圧センサ、３００…酸化ガス供給系、３１０…ガス供給流路、３２０…ガス排出流路、３３０…バイパス流路、３４０…エアフロメータ、３５０…エアコンプレッサ（ＡＣＰ）、３５５…エアコンプレッサ用モータ（ＡＣＰＭ）、３６０…三方弁、３７０…背圧弁、７００…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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