(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
複数のセルを有する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの各セルの電圧を測定するセル電圧測定部と、
測定されたセル電圧の中の最低値である最低セル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するとともに、前記出力可能な電力量以下の電力量を前記燃料電池スタックに発生させる制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記最低セル電圧が所定の閾値よりも低く、かつ、前記最低セル電圧の降下率が所定値未満のときに、前記最低セル電圧と前記閾値との差分に応じて前記出力可能な電力量を徐々に低下させるとともに、
前記最低セル電圧の降下率が前記所定値以上のときに、前記出力可能な電力量をゼロに設定することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）複数のセルを有する燃料電池スタックの各セルの電圧を測定する工程と、
（ｂ）測定されたセル電圧の中の最低値である最低セル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するとともに、前記出力可能な電力量以下の電力量を前記燃料電池スタックに発生させる工程と、
を備え、
前記工程（ｂ）は、
前記最低セル電圧が所定の閾値よりも低く、かつ、前記最低セル電圧の降下率が所定値未満のときに、前記最低セル電圧と前記閾値との差分に応じて前記出力可能な電力量を徐々に低下させる工程と、
前記最低セル電圧の降下率が前記所定値以上のときに、前記出力可能な電力量をゼロに設定する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの制御技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、環境に優しいクリーンな電源として注目されている。また、近年では、燃料電池を効率的に運転するための種々の努力がなされている。例えば、特開２００−２０８１６１号公報では、燃料電池スタックを構成する複数のセルのセル電圧の標準偏差を算出し、この標準偏差に基づいて燃料電池の電流を制御して、運転効率を向上させる方法が記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池スタックは多数のセルで構成されており、その中の１つでも発電不能になると、燃料電池全体が発電不能になる。しかし、上述した従来技術では、１つのセルのみが発電不能に近い状態になったときには、セル電圧の標準偏差にあまり大きな変化が無いので、燃料電池内で発生している不具合を検出できないという問題があった。
【０００４】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタック内の任意の１つのセルの性能が低下したときにも、燃料電池スタックをこれに応じた適切な運転状態で運転させることのできる技術を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明による燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの各セルの電圧を測定するセル電圧測定部と、測定されたセル電圧の中の最低値である最低セル電圧に基づいて、前記燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するとともに、前記出力可能な電力量以下の電力量を前記燃料電池スタックに発生させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記最低セル電圧が所定の閾値よりも低く、かつ、前記最低セル電圧の降下率が所定値未満のときに、前記最低セル電圧と前記閾値との差分に応じて前記出力可能な電力量を徐々に低下させるとともに、前記最低セル電圧の降下率が前記所定値以上のときに、前記出力可能な電力量をゼロに設定することを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、最低セル電圧に基づいて燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するので、任意の１つのセルの性能が低下したときにも、燃料電池スタックをこれに応じた適切な運転状態で運転させることが可能である。また、最低セル電圧と閾値との差分に応じた低下量で出力可能な電力量を低下させるので、燃料電池システムの発電量をより適切に制御することが可能である。さらに、最低セル電圧が所定値以上の降下率を示したときに、出力可能な電力量をゼロに設定するので、セルの不具合の進行を素早く停止させることが可能である。
【００１５】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムおよびその制御方法、それらのシステムを備える移動体およびその制御方法、それらの方法または装置の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した記録媒体、そのコンピュータプログラムを含み搬送波内に具現化されたデータ信号、等の態様で実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例：
Ｂ．変形例：
【００１７】
Ａ．実施例：
図１は、本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図である。この電気自動車（以下、単に「車両」と呼ぶ）の車輪駆動機構は、モータ２０と、トルクコンバータ３０と、変速機４０とを有している。モータ２０の回転軸１３は、トルクコンバータ３０に結合されている。トルクコンバータの出力軸１４は、変速機４０に結合されている。変速機４０の出力軸１５は、ディファレンシャルギヤ１６を介して車輪１８の車軸１７に結合されている。
【００１８】
モータ２０は、ロータ２２と、ステータ２４とを備える三相の同期モータである。ロータ２２の外周面には、複数個の永久磁石が設けられている。また、ステータ２４には、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されている。モータ２０は、ロータ２２に備えられた永久磁石による磁界と、ステータ２４の三相コイルによって形成される磁界との相互作用により回転駆動する。また、ロータ２２が外力によって回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生じさせる。この場合には、モータ２０は発電機として機能する。
【００１９】
モータ２０には、主電源としての燃料電池システム６０と、補助電源としてのバッテリ（２次電池）５０と、の２つの電源が備えられている。バッテリ５０は燃料電池システム６０が故障した場合や、車両の始動時等のように燃料電池システム６０から十分な電力を出力することができない場合などに、不足する電力をモータ２０に供給する。バッテリ５０の電力は、さらに、車両の制御を行う制御ユニット７０や、照明装置などの電力機器（図示せず）にも供給される。
【００２０】
２つの電源５０，６０からの電力は、それぞれの駆動回路５１，５２と、切替スイッチ８０とを介してモータ２０に供給される。切替スイッチ８０は、バッテリ５０と、燃料電池システム６０と、モータ２０の３者間の接続状態を任意に切り替えることができる。ステータ２４は、切替スイッチ８０および第１の駆動回路５１を介してバッテリ５０に電気的に接続され、また、切替スイッチ８０および第２の駆動回路５２を介して燃料電池システム６０に接続される。２つの駆動回路５１，５２は、それぞれトランジスタインバータで構成されており、モータ２０の三相それぞれに対して、ソース側とシンク側の２つを一組としてトランジスタが複数備えられている。これらの駆動回路５１，５２は、制御ユニット７０と電気的に接続されている。
【００２１】
制御ユニット７０は、シフトレバー７２と、アクセルペダル７４と、ブレーキペダル７６とから与えられる運転者の指令に基づいて、車両のための各種の制御を実行する。制御ユニット７０が駆動回路５１，５２の各トランジスタのオン・オフの時間をＰＷＭ制御すると、バッテリ５０および燃料電池システム６０を電源とする擬似三相交流がステータ２４の三相コイルに流れ、回転磁界が形成される。モータ２０は、このような回転磁界の作用によって、先に説明した通り電動機または発電機として機能する。
【００２２】
なお、制御ユニット７０の各種の制御動作は、制御ユニット７０に内蔵されている図示しないメモリ内に格納されたコンピュータプログラムを、制御ユニット７０が実行することによって実現される。このメモリとしては、ＲＯＭやハードディスクなどの種々の記録媒体を利用することが可能である。
【００２３】
図２は、燃料電池システム６０の構成を示す説明図である。この燃料電池システム６０は、ＦＣ制御部１００と、燃料電池１１０と、燃料ガス供給部１２０と、空気供給部１４０とを有している。燃料電池１１０は、複数の単位セルが積層された構成を有しており、以下では「燃料電池スタック」とも呼ぶ。燃料電池１１０には、各単位セルの電圧を測定するためのセル電圧センサ１１２が設けられている。
【００２４】
燃料ガス供給部１２０は、燃料ガス供給源１２２と燃料ガス用配管１２４とを有しており、燃料電池１１０内部の燃料ガス通路に、水素を含む燃料ガスを供給する。燃料ガス供給源１２２としては、水素ボンベや水素吸蔵合金、改質装置などを利用することができる。燃料ガス用配管１２４には、圧力調整弁１２６と、ガスフローメータ１２８と、圧力センサ１３０と、排出弁１３２とが設けられている。排出弁１３２は、必要に応じて外部への燃料排ガス（水素排ガス）の排出を停止するための開閉弁である。
【００２５】
空気供給部１４０は、コンプレッサ１４２と空気用配管１４４とを有しており、燃料電池１１０内部の空気通路に空気を供給する。空気用配管１４４には、圧力調整弁１４６と、ガスフローメータ１４８と、圧力センサ１５０とが設けられている。
【００２６】
図２に示されている電力制御部２００は、図１に示す制御ユニット７０に含まれている。この電力制御部２００は、車両の出力要求に応じて燃料電池システム６０とバッテリ５０との出力配分を決定し、燃料電池システム６０の要求電力Ｐreq をＦＣ制御部１００に出力する。この要求電力Ｐreq は、燃料電池システム６０に出力させたい電力量を意味している。ＦＣ制御部１００は、この要求電力Ｐreq を受けると、出力可能電力Ｐmax を算出して電力制御部２００に返信する。ＦＣ制御部１００による出力可能電力Ｐmax の算出方法については後述する。電力制御部２００は、この出力可能電力Ｐmax に基づいて、燃料電池システム６０から実際に発生させる電力量Ｐexを決定して、ＦＣ制御部１００に再度指令する。
【００２７】
ＦＣ制御部１００は、電力制御部２００からの電力指令値Ｐexと、燃料電池システム６０内の各種のセンサからの検出信号とに基づいて、燃料電池システム６０の各構成要素の動作を制御する。
【００２８】
図３は、燃料電池システム６０の電力量制御の構成を示すブロック図である。ＦＣ制御部１００は、電流値算出部１０１と、第１の減算器１０２と、ガード処理部１０３と、出力可能電力算出部１０４と、第２の減算器１０５と、ＰＩ補償部１０６とを有している。
【００２９】
図４は、電力量制御の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１では、電流値算出部１０１が、電力制御部２００から与えられた要求電力Ｐreq に応じて、これに対応する燃料電池スタック１１０の電流値Ｉ０を算出する。図５は、燃料電池スタック１１０の電流と電圧と電力の三者の関係を示すグラフである。一般に、電流の増大に伴って電圧は減少するが、出力電力は増大する。電流値算出部１０１は、このような出力電力とＦＣ電流との関係を用いて、要求電力Ｐreq に対応する電流値Ｉ０を求める。
【００３０】
ステップＳ２では、この電流値Ｉ０が、セル電圧センサ１１２（図２）で測定されたセル電圧の中の最低値Ｖmin （「最低セル電圧Ｖmin 」と呼ぶ）に応じて補正される。図３に示すように、最低セル電圧Ｖmin は、第２の減算器１０５にフィードバックされている。減算器１０５は、所定の閾値Ｖthから最低セル電圧Ｖmin を減算して、差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）を求める。なお、閾値Ｖthの値は、セル電圧がこの閾値Ｖth以下のときに、そのセルに不具合が発生している可能性があると判断できるような値に予め設定されている。
【００３１】
ＰＩ補償部１０６は、減算器１０５から与えられた差分ΔＶを用い、以下の（１）式に従って電流補正量Ｉｃを算出する。
【００３２】
Ｉｃ＝Ｋｐ×ΔＶ＋Ｋｉ×ΣΔＶ      …（１）
【００３３】
ここで、Ｋｐ，Ｋｉは所定の係数であり、Σは一定周期毎に累算する演算を表す演算子である。この（１）式からも理解できるように、ＰＩ補償部１０６は、電圧の差分ΔＶに対していわゆる比例補償と積分補償とを行っている。この電流補正量Ｉｃは、第１の減算器１０２において電流値Ｉ０から減算され、この結果、以下の（２）式で与えられる補正後の電流値Ｉ１が得られる。
【００３４】
Ｉ１＝Ｉ０−Ｋｐ×ΔＶ−Ｋｉ×ΣΔＶ      …（２）
【００３５】
すべてのセルが正常に動作している場合には、最低セル電圧Ｖmin は閾値Ｖthよりも大きいので、これらの差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）は負の値を取る。従って、このときには補正後の電流値Ｉ１は元の電流値Ｉ０よりも大きくなる。これは、燃料電池スタック１１０が要求電力Ｐreq 以上の電力を出力できることを意味する、と考えることもできる。一方、１つのセルでも不具合が発生していると、電圧の差分ΔＶが正の値になり、補正後の電流値Ｉ１は元の電流値Ｉ０よりも小さくなる。これは、燃料電池スタック１１０で発電できる電力量が要求電力Ｐreq よりも小さいことを意味している。（２）式の演算は、一定周期毎に実行されるので、最低セル電圧Ｖmin が閾値Ｖthよりも低いときには、補正後の電流値Ｉ１は徐々に低下する。
【００３６】
図４のステップＳ３では、ガード処理部１０３が最低セル電圧Ｖmin の変化率に応じて所定のガード処理を実行し、ガード処理後の電流値Ｉ２を求める。ガード処理の内容は、以下の通りである。
【００３７】
（１）最低セル電圧Ｖmin の降下率がその閾値δ未満のとき：
Ｉ２＝Ｉ１
（２）最低セル電圧Ｖmin の降下率がその閾値δ以上のとき：
Ｉ２＝０
【００３８】
最低セル電圧Ｖmin の降下率としては、例えば最低セル電圧Ｖmin の近似微分値の符号を反転した値を利用することができる。ガード処理は、最低セル電圧Ｖmin が急激に降下したときに、燃料電池スタック１１０の発電を中止して、セルに発生し始めている不具合の進行を停止させるためのものである。このガード処理の利点についてさらに後述する。
【００３９】
ステップＳ４では、出力可能電力算出部１０４が、ガード処理後の電流値Ｉ２から、燃料電池スタック１１０が出力可能な電力量Ｐmax を算出する。この算出は、図５に示した電流と出力との関係を参照して行われる。
【００４０】
ステップＳ５では、電力制御部２００が、ＦＣ制御部１００から出力可能電力量Ｐmax を受け取り、これに応じて電力の再配分を行って、燃料電池システム６０（具体的にはＦＣ制御部１００）に実行電力量Ｐexを指令する。この実行電力量Ｐexは、出力可能電力量Ｐmax と等しい値でもよく、これより小さな値でもよい。燃料電池システム６０は、この実行電力量Ｐexを発生するように運転される。具体的には、燃料電池スタック１１０への燃料ガスと空気の供給量が実行発電量Ｐexに応じて調整され、また、燃料電池システム６０から実行電力量Ｐexが出力されるように駆動回路５２（図１）が制御される。
【００４１】
以上のように、本実施例によれば、最低セル電圧Ｖmin に基づいて燃料電池スタック１１０から出力可能な電力量Ｐmax を決定しているので、任意の１つのセルのセル電圧が低下したときに、そのセル電圧に応じて燃料電池システム６０の運転状態を制御することが可能である。この結果、燃料電池スタック１１０の運転を可能な限り継続させることが可能である。特に、本実施例では、最低セル電圧Ｖmin とその閾値Ｖthとの差分ΔＶに応じて出力可能な電流値Ｉ１，Ｉ２（すなわち出力可能な電力量Ｐmax ）をフィードバック補正しているので、最低セル電圧Ｖmin が閾値Ｖthと等しい値に達するするまで、出力可能な電力量Ｐmax が徐々に低下する。従って、セル電圧の低下の原因となっているセルの不具合の進行を防止するように、燃料電池スタック１１０の電力量を制御することが可能である。
【００４２】
また、ガード処理においては、最低セル電圧Ｖmin が所定値δ以上の降下率を示したときに、出力可能な電流値Ｉ２（すなわち出力可能な電力量Ｐmax ）を、ゼロに設定している。このガード処理を行えば、最低セル電圧Ｖmin を示すセルに何らかの不具合が発生し始めたときに、直ちに発電を一時的に中止して、その不具合の進行を停止させることが可能である。
【００４３】
ガード処理によって電流値Ｉ２をゼロに設定して燃料電池スタック１１０による発電を停止したときには、ガード処理部１０３は、最低セル電圧Ｖmin を監視しつつ徐々に電流値Ｉ２を増加させるようにしてもよい。例えば、最低セル電圧Ｖmin をその閾値Ｖthとほぼ等しい値に保ちつつ、電流値Ｉ２を徐々に回復するようにするしてもよい。このようにすれば、セルの不具合の進行を可能な限り防止しつつ、燃料電池スタック１１０による発電を継続させることが可能である。
【００４４】
なお、最低セル電圧Ｖmin の降下率がその閾値δ以上のときに電流値Ｉ２を完全にゼロに設定せずに、他の規則に応じてゼロに近い値に電流値Ｉ２を設定してもよい。換言すれば、ガード処理では、最低セル電圧Ｖmin の降下率がその閾値δ以上のときに最低セル電圧Ｖmin とその閾値Ｖthとの差分ΔＶに応じた低下量以上の量で燃料電池スタック１１０の出力可能な電流値Ｉ２（すなわち出力可能な電力量）を低下させるようにすればよい。また、ガード処理は省略することも可能である。
【００４５】
Ｂ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００４６】
Ｂ１．変形例１：
上記実施例では、燃料電池スタック１１０の電力／電流関係を用いて、電力量を電流値に変換し、この電流値を最低セル電圧Ｖthに基づいて補正していたが、この代わりに、電力量を最低セル電圧Ｖthに基づいて補正するようにしてもよい。
【００４７】
Ｂ２．変形例２：
上記実施例では、すべてのセルが正常に動作しているときに、最低セル電圧Ｖmin とその閾値との差分ΔＶ（＝Ｖth−Ｖmin ）は負の値を取り、補正後の電流値Ｉ１は元の電流値Ｉ０よりも大きくなるものとしていたが、この代わりに、電圧の差分ΔＶが負のときには比例補償のゲインＫｐをゼロに設定してもよい。
【００４８】
また、上記実施例では、いわゆるＰＩ制御を利用して燃料電池スタック１１０の電流値や電力量を補正していたが、ＰＩ制御以外の方法を利用して電流値や電力量の補正を行ってもよい。例えば、最低セル電圧Ｖmin が閾値Ｖthを下回ったときには、燃料電池スタック１１０の出力可能な電力量Ｐmax をゼロでない所定の低い値に設定するようにしてもよい。一般には、最低セル電圧Ｖmin に基づいて燃料電池スタック１１０から出力可能な電力量Ｐmax を決定すればよい。
【００４９】
Ｂ３．変形例３：
上記実施例では、燃料電池システム６０を使用した電気自動車の例について説明したが、本発明は、船舶や電車などのような、自動車以外の移動体にも適用可能である。すなわち、本発明は、一般に、燃料電池を含む電源から供給される電力によって駆動される原動機を備える移動体にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての電気自動車の概略構成図。
【図２】燃料電池システム６０の内部構成を示す説明図。
【図３】燃料電池システム６０の電力量制御の構成を示すブロック図。
【図４】電力量制御の手順を示すフローチャート。
【図５】燃料電池スタック１１０の電流と電圧と電力の三者の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１３…回転軸
１４…出力軸
１５…出力軸
１６…ディファレンシャルギヤ
１７…車軸
１８…車輪
２０…モータ
２２…ロータ
２４…ステータ
３０…トルクコンバータ
４０…変速機
５０…バッテリ
５１，５２…駆動回路
６０…燃料電池システム
７０…制御ユニット
７２…シフトレバー
７４…アクセルペダル
７６…ブレーキペダル
８０…切替スイッチ
１００…ＦＣ制御部
１０１…電流値算出部
１０２…減算器
１０３…ガード処理部
１０４…出力可能電力算出部
１０５…減算器
１０６…ＰＩ補償部
１１０…燃料電池（燃料電池スタック）
１１２…セル電圧センサ
１２０…燃料ガス供給部
１２２…燃料ガス供給源
１２４…燃料ガス用配管
１２６…圧力調整弁
１２８…ガスフローメータ
１３０…圧力センサ
１３２…排出弁
１４０…空気供給部
１４２…コンプレッサ
１４４…空気用配管
１４６…圧力調整弁
１４８…ガスフローメータ
１５０…圧力センサ
２００…電力制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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