(57)【要約】【課題】比較的に短時間で燃料電池の出力特性を推定することのできる出力特性推定装置を提供する。【解決手段】燃料電池の出力電流とその端子間電圧とを検出する電流電圧検出手段（５４，５６）と、検出された出力電流と端子間電圧と燃料電池の基本出力特性とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する手段を備える燃料電池の出力特性推定装置（４０）において、検出された出力電流と燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出する手段（Ｓ３６）と、この推定電圧値と検出された端子間電圧値との電圧偏差を算出する手段（Ｓ３８）と、該電圧偏差を所定の割合で上記燃料電池の内部抵抗偏差と開回路電圧偏差とに分配する手段（Ｓ４０）と、分配した電圧偏差を基に基本出力特性を補正する手段（Ｓ４２）と、を備える。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力電流とその端子間電圧とを検出する電流電圧検出手段と、
検出された出力電流と端子間電圧と前記燃料電池の基本出力特性とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する手段を備える燃料電池の出力特性推定装置であって、
検出された出力電流と前記燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出する手段と、
前記推定電圧値と検出された端子間電圧値との電圧偏差を算出する手段と、
該電圧偏差を所定の割合で内部抵抗偏差と開回路電圧偏差に分配する手段と、
分配した電圧偏差を基に前記基本出力特性を補正する手段と、
を備える燃料電池の出力特性推定装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池の出力特性推定装置であって、
前記所定の割合は検出された出力電流値に対応して設定される燃料電池の出力特性推定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池の出力推定装置と、
推定された前記燃料電池の出力特性を用いて前記燃料電池の目標出力を設定する手段と、
設定された目標出力が前記燃料電池から出力されるように前記燃料電池の出力を調整する出力調整手段と、を備える燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定装置およびこれを用いた燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、ビル設備、プラント、車両などの電源として使用されつつある。また、燃料電池と商用電源や二次電池とを併用した電源システムも提供されている。燃料電池は等価的に内部抵抗を有するため、燃料電池の出力電流が増大すると、内部抵抗における電圧降下の増大によってその出力端子電圧が減少する傾向を持つ。従って、接続されている電気機器の負荷増大あるいは接続機器の増加による燃料電池の出力電圧の降下分を予測し、この電圧降下分を補うような燃料電池の運転パラメータの制御が必要となる。また、機器動作の補償のために予想される供給電圧低下の把握も必要となる。また、燃料電池の出力特性は経時的に変化する傾向がある。
【０００３】
このため、出願人は特開平１４−２３１２９５号によって燃料電池の出力特性を推定する出力特性推定装置を提案している。この装置により推定された燃料電池の現在の出力特性を用いてシステムの出力制御を行うことができる。この出力特性推定装置は、予め記憶された燃料電池の出力電流対出力電圧特性（ＩＶ特性）をマップとして記憶し、実測電流値を参照してＩＶ特性マップを修正することによって燃料電池のＩＶ特性の経時的変化に対応することができる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１４−２３１２９５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した出力特性推定装置は現在のＩＶ特性モデルを同定（修正）するために、燃料電池の温度、燃料ガスの流量、開放回路電圧、燃料電池内部抵抗等の種々のパラメータの情報を取得しデータ処理するため、ある程度の時間を要することになる。負荷が変動する燃料電池、特に車両等に使用される燃料電池ではモータや各種電気機器の負荷が短時間で急激に変動するために短時間で燃料電池の出力特性を推定し、この推定結果を出力制御に生かすことが望まれる。
【０００６】
よって、本発明は比較的に短時間で燃料電池の出力特性を推定することのできる出力特性推定装置を提供することを目的とする。
【０００７】
また、本発明は比較的に簡易な構成によって出力特性推定装置を実現することを可能とした出力特性推定装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決する手段】
上記目的を達成するため本発明の燃料電池の出力特性推定装置は、燃料電池の出力電流とその端子間電圧とを検出する電流電圧検出手段と、検出された出力電流と端子間電圧と燃料電池の基本出力特性とに基づいて燃料電池の出力特性を推定する手段を備える燃料電池の出力特性推定装置において、検出された出力電流と燃料電池の基本出力特性から推定電圧値を算出する手段（Ｓ３６）と、この推定電圧値と検出された端子間電圧値との電圧偏差を算出する手段（Ｓ３８）と、該電圧偏差を所定の割合で上記燃料電池の内部抵抗偏差と開回路電圧偏差とに分配する手段（Ｓ４０）と、分配した電圧偏差を基に基本出力特性を補正する手段（Ｓ４２）と、を備える。
【０００９】
かかる構成によって、燃料電池の出力電流と端子開放電圧と基本出力特性モデルに基づいて開回路電圧（電池の内部起電力）の変化分と内部抵抗の変化分を考慮した現在の燃料電池の基本出力特性を推定することが可能となる。基本出力特性は、例えば、出力電流対出力電圧（端子電圧）特性（ＩＶ特性）である。
【００１０】
基本出力特性モデルは、例えば、電池出力端子電圧（Ｖ）＝内部起電力（Ｖ０）−内部抵抗（Ｒ）×電池出力電流（Ｉ）を使用することができる。ここで、内部起電力（Ｖ０）は外部回路の燃料電池端子への接続を開放した場合（電池出力電流（Ｉ）＝０）の開回路電圧に等しい。
【００１１】
好ましくは、上記電圧偏差を内部抵抗偏差分と開回路電圧偏差分とに分配する所定の割合は検出された出力電流値に対応して可変に設定される。それにより、燃料電池の基本出力特性モデルの起電力の電圧偏差（ＩＶ特性曲線の上下方向の平行移動）を修正する。また、基本出力特性モデルの内部抵抗の出力端子間電圧に及ぼす影響（ＩＶ特性曲線の傾斜）を出力電流に依存するように修正する。燃料電池の基本出力特性モデルが現在の出力特性モデルに修正される。
【００１２】
また、本発明の燃料電池システムは、上述した燃料電池の出力推定装置と、推定された燃料電池の出力特性を用いて燃料電池の目標出力を設定する手段（Ｓ３０４）と、設定された目標出力が燃料電池から出力されるように燃料電池の出力を調整する出力調整手段（Ｓ３０６）と、を備える。それにより、短時間で出力特性の推定が行われ、その結果が利用されるので燃料電池の制御精度が向上する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施例である車載された燃料電池システム２０の構成の概略を示す構成図である。
【００１４】
燃料電池システム２０は、図示するように、水素タンク２２からの水素とブロア２４からの空気中の酸素とにより発電する例えば固体高分子型燃料電池として構成された燃料電池２６と、燃料電池２６の出力端子に接続された電力ライン２８の電圧を調整すると共に補機３３に電力を供給するバッテリ３０の充放電を行なうＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、電力ライン２８に接続されたインバータ３４と、インバータ３４のスイッチング素子のスイッチングにより駆動制御され駆動軸３８と動力のやり取りを行なうモータ３６と、システム全体をコントロールする電子制御ユニット４０とを備える。なお、駆動軸３８は、減速ギヤ１２を介して駆動輪１４に接続されており、モータ３６から駆動軸３８に出力された動力は最終的には、駆動輪１４に出力されるようになっている。
【００１５】
電子制御ユニット４０は、ＣＰＵ４２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、処理プログラムを不揮発に記憶する書き込み可能なフラッシュＲＯＭ４４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ４６と、入出力ポート（図示せず）とを備える。この電子制御ユニット４０には、水素タンク２２から燃料電池２６への供給管に取り付けられた圧力センサ５０からの水素供給圧Ｐｈや燃料電池２６に取り付けられた温度センサ５２からの燃料電池温度Ｔｆｃ，燃料電池２６の出力端子間に取り付けられた電圧センサ５４からの燃料電池２６の出力電圧Ｖｆｃ，燃料電池２６の出力端子に取り付けられた電流センサ５６からの燃料電池２６の出力電流Ｉｆｃ，インバータ３４内に取り付けられた図示しない電流センサからのモータ３６に印加している各相の電流，モータ３６に取り付けられた図示しない角度センサからのモータ３６の回転子の回転角，車速センサ５８からの車速Ｖ，シフトレバー６０の位置を検出するシフトポジションセンサ６１からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル６２の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ６３からのアクセルペダルポジションＡＰ，ブレーキペダル６４の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ６５からのブレーキペダルポジションＢＰなどが入力ポートを介して入力されている。
【００１６】
また、電子制御ユニット４０からは、ブロア２４への駆動信号やＤＣ／ＤＣコンバータ３２への制御信号，インバータ３４への制御信号，減速ギヤ１２への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
【００１７】
次に、実施例の燃料電池システム２０の動作、特に燃料電池２６の出力特性を推定する動作と出力制御の際の動作について説明する。実施例においては、燃料電池の基本出力特性モデル、具体的には燃料電池のＩＶ特性を基本マップあるいは関数として記憶し、実際の運転における実測の出力電流及び端子電圧によって都度基本出力特性モデルを修正して修正出力特性モデルを得てこれを出力特性の推定に使用する。
【００１８】
図２は、燃料電池２６の出力特性を得る基本モデルの形成ルーチンの一例を示すフローチャートである。燃料電池２６に擬似負荷を接続し、燃料電池２６を動作させる。電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２は、コンピュータシステムに組み込まれたテストプログラムによって燃料電池２６の出力電流を０アンペアから４００アンペアまで次第に増加させ、電圧計５４及び電流計５５の出力値を内部メモリ４５に逐次記憶する（Ｓ２２）。このＩＶ特性が基本出力特性モデルとなる。このＩＶ特性の測定を複数回行い、それ等の平均特性を基本出力特性モデルとしても良い。
【００１９】
基本出力特性モデルであるＩＶ特性は、一定間隔のサンプリング電流値（グリッド電流）群とこれに対応する出力電圧値（グリッド電圧）群とからなる基本マップとしてＲＯＭ４４に不揮発に記憶される。なお、ＩＶ特性は近似式、例えば、Ｖ＝Ｖ０−ＲＩとして記憶しても良い。ここで、Ｖは端子電圧であり、Ｅは負荷回路を開路としたときの端子電圧Ｖ０であり、Ｒは特性曲線の傾斜として求められる。Ｉは出力電流である。このようにして基本特性モデルが予め決定され、記憶されている。基本特性モデルの例が図４中に実線の曲線Ａで示されている（Ｓ２４）。
【００２０】
また、図５に示すように、予め実験によって当該燃料電池の出力電流対電圧偏差の分配特性を求めておく。電圧偏差の分配特性は、燃料電池の開放出力端電圧の偏差と内部抵抗電圧の偏差との比率を出力電流値に対応して示したものである。
【００２１】
次に、基本特性モデルの修正について説明する。実際の燃料電池の運転状態においては、燃料電池の経時変化、高分子電解質膜の含水率の変化、等によって基本特性モデルからの特性の変動が生じ得る。そこで、予め記憶されている基本特性モデルを修正して燃料電池の出力特性を推定する。
【００２２】
図３に示すように、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２は、一定のイベントの発生、例えば、燃料電池の運転中に一定周期でタイムアウト出力を発生するタイマのフラグや、運転条件の変更などを指令するフラグが設定されると、本出力特性修正処理ルーチンを実行する（Ｓ３２）。
【００２３】
まず、燃料電池２６の出力端子電圧をモニタする電圧センサ５４の出力Ｖ１及び燃料電池の出力電流をモニタする電流センサ５６の出力Ｉ１を読取る（Ｓ３４）。上述した基本特性モデルＡを読み出し、図４に示すように実測した出力電流Ｉ１に対応する推定出力電圧ＶＳを求める（Ｓ３６）。実測した出力電圧Ｖ１と推定出力電圧ＶＳとの電圧偏差ΔＶを求める（Ｓ３８）。
【００２４】
ここで、ΔＶ＝ＶＳ−Ｖ１＝Ｖ０−Ｒ×Ｉ１−（（Ｖ０−ΔＶ０）−（Ｒ−ΔＲ）×Ｉ１））＝ΔＶ０−ΔＲ×Ｉ１なる関係が成立する。従って、電圧偏差ΔＶを起電力（開回路電圧）Ｖ０の偏差分ΔＶ０と、燃料電池２６の内部抵抗Ｒの抵抗偏差ΔＲによる電圧偏差分ΔＶＲ（＝ΔＲ×Ｉ１）とに分けられる。
【００２５】
次に、出力電流Ｉ１における電圧偏差ΔＶの分配の比率αを上述した図５に示すグラフから読取る。起電力Ｖ０の偏差分ΔＶ０は（１−α）×ΔＶとして求められる。抵抗偏差ΔＲによる電圧偏差ΔＶＲはα×ΔＶとして求められる。
【００２６】
これ等の電圧偏差によって基本出力特性Ａを修正する。まず、起電力の偏差分ΔＶ０によって基本出力特性曲線Ａを上下方向に平行移動し、起電力の偏差分ΔＶ０を修正した曲線Ｂを得る。次に、特性曲線Ｂに抵抗偏差ΔＲ分の電圧降下ΔＶＲの修正を加えることにより曲線Ｂの傾斜が変わり、座標上の現時点の実測点Ｐ１（Ｉ１，Ｖ１）を通過する曲線Ｃが得られる（Ｓ４２）。
【００２７】
このようにして得られた現在の出力特性を示す修正出力特性曲線ＣをマップとしてＲＯＭ４４又はＲＡＭ４６に記憶する（Ｓ４４）。また、近似式ＶＣ＝（Ｖ０−ΔＶ０）−α（ＩＣ）・ΔＶ０をメモリに記憶するものであっても良い。ここで、ＶＣは実測した出力電圧を、ＩＣは実測した出力電流を、ΔＶ０は実測した出力電圧と基本出力特性の出力値との差電圧を示している。α（ＩＣ）は出力電流値ＩＣにおける分配率を示している。α（ＩＣ）は予め決定されて記憶されているグラフ（図５）から求められる。
【００２８】
上述した手順によれぱ、基本出力特性曲線Ａから修正出力特性曲線Ｃを得るために使用した燃料電他システムから抽出した情報は燃料電池の出力電圧及び出力電流のみであるので、燃料電池の温度や燃料ガス流量等の運転パラメータを参照しないても済み、出力特性曲線の修正に手間がかからず、短時間で行うことができる。
【００２９】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２が実行する出力特性推定処理や出力特性補正処理を行なうことにより、経年使用される燃料電池２６のより適正な出力特性を得ることができる。また、燃料電池の高分子電解質膜の水分変化などによる内部抵抗変化などにも素早く対応できる。実施例の燃料電池システム２０では、こうして得られた燃料電池２６の出力特性を用いてシステムの出力制御を行なっている。
【００３０】
図８は、実施例の燃料電池システム２０の電子制御ユニット４０により実行される出力制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、８ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。
【００３１】
出力制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット４０のＣＰＵ４２は、まず、車速センサ５８により検出される車速Ｖやアクセルペダルポジションセンサ６３により検出されるアクセルペダルポジションＡＰ，ブレーキペダルポジションセンサ６５により検出されるブレーキペダルポジションＢＰなどの各種データを読み込む処理を実行する（ステップＳ３００）。続いて、読み込んだアクセルペダルポジションＡＰやブレーキペダルポジションＢＰ，車速Ｖに基づいて駆動軸３８に出力すべき出力、即ちシステムへの要求出力Ｐ０を計算する（ステップＳ３０２）。要求出力Ｐ０の計算は、実施例では、アクセルペダルポジションＡＰとブレーキペダルポジションＢＰと車速Ｖと要求出力Ｐ０との関係を予め定めたマップをＲＯＭ４４に記憶しておき、アクセルペダルポジションＡＰやブレーキペダルポジションＢＰ，車速Ｖが与えられると、マップから対応する要求出力Ｐ０を導出する。
【００３２】
要求出力Ｐ０が計算されると、要求出力Ｐ０を、燃料電池２６から出力する燃料電池出力Ｐｆｃとバッテリ３０から出力するバッテリ出力Ｐｂとに分配する（ステップＳ３０４）。要求出力Ｐ０の分配は、具体的には、図３の出力特性補正処理ルーチンにより推定または補正された燃料電池２６の出力特性を用いて出力可能な範囲から燃料電池２６を効率よく運転できる出力として燃料電池出力Ｐｆｃを設定し、要求出力Ｐ０に対して設定した燃料電池出力Ｐｆｃでは過不足する出力をバッテリ出力Ｐｂに割り当てることにより行なわれる。
【００３３】
こうして要求出力Ｐ０の分配が行なわれると、燃料電池出力Ｐｆｃに基づいて燃料電池２６の運転ポイントＶｆｃ＊，Ｉｆｃ＊を設定し（ステップＳ３０６）、電力ライン２８の電圧が設定した運転ポイント電圧Ｖｆｃ＊となるようＤＣ／ＤＣコンバータ３２を制御すると共に（ステップＳ３０８）、要求出力Ｐ０がモータ３６から駆動軸３８に出力されるようインバータ３４を制御して（ステップＳ３１０）、本ルーチンを終了する。
【００３４】
上述した手順のうち、「推定または補正された燃料電池２６の出力特性を用いて出力可能な範囲から燃料電池２６を効率よく運転できる出力として燃料電池出力Ｐｆｃを設定」する動作（ステップＳ３０４）は、「推定された前記燃料電池の出力特性を用いて前記燃料電池の目標出力を設定する手段」に対応する。また、「燃料電池出力Ｐｆｃに基づいて燃料電池２６の運転ポイントＶｆｃ＊，Ｉｆｃ＊を設定」する動作（ステップＳ３０６）は設定された目標出力が前記燃料電池から出力されるように前記燃料電池の出力を調整する出力調整手段に対応する。
【００３５】
以上説明した実施例の燃料電池システム２０によれば、より適正な燃料電池２６の出力特性を用いて燃料電池出力Ｐｆｃを配分するから、燃料電池２６を効率よく運転することができる。この結果、システム全体のエネルギ効率を向上させることができる。しかも、燃料電池出力Ｐｆｃでは要求出力Ｐ０に対して過不足する分はバッテリ３０からの出力Ｐｂにより賄うから、駆動軸３８に要求出力Ｐ０を出力することができる。
【００３６】
また、推定出力特性の設定、その修正を、燃料電池の温度、供給ガスの流量等を使用せずに比較的に簡易な方法及び装置で行うので短時間で現在の推定出力特性を修正（更新）することができる。車両のように運転条件が激しく変化する車載の燃料電池に用いて好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の車載された燃料電池システムの例を説明する説明図である。
【図２】図２は、燃料電池の基本出力特性を得る手順を説明するフローチャートである。
【図３】図３は、燃料電池の基本出力特性を修正する手順を説明するフローチャートである。
【図４】図４は、燃料電池の基本出力特性を修正する手順を説明する説明図ある。
【図５】図５は、電圧偏差の配分を説明するグラフである。
【図６】図６は、出力特性の推定を行って燃料電池システムを制御する例を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
２６  燃料電池、４０  電子制御ユニット、５４  電圧センサ、５６  電流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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