(57)【要約】【課題】高電位回避電力の不要な誤計算を防いで、高電位回避のための電力算出を精度良く実施することができる燃料電池車システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１００は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池２０と、燃料電池２０で発電した電力の一部を蓄電する二次電池５０と、燃料電池２０の出力電圧に高電位回避用の余剰電力を上乗せして高電位を回避する際に、燃料電池２０の発電電圧と高電位回避目標電圧との偏差に基づいて、高電位を回避する高電位回避電圧をフィードバック制御により算出する算出手段６０と、燃料電池２０の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件Ａか、あるいは許可条件かを判断する判定手段７０と、禁止条件Ａの場合には積分項の更新を停止し、許可条件の場合には積分項の更新を実施するフィードバック制御条件決定手段８０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】
反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池で発電した電力の一部を蓄電する二次電池と、
前記燃料電池の出力に高電位回避用の余剰電力を上乗せして高電位を回避する際に、前記燃料電池の発電電圧と高電位回避目標電圧との偏差に基づいて、高電位を回避する高電位回避電圧をフィードバック制御により算出する算出手段と、
前記燃料電池の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件か、あるいは許可条件かを判断する判定手段と、
前記禁止条件の場合には積分項の更新を停止し、前記許可条件の場合には積分項の更新を実施するフィードバック制御条件決定手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記積分項更新条件は、燃料電池の運転状態によるものであり、
前記積分項更新の禁止条件は、
高電位回避電力よりも、燃料電池システムの発電要求パワーの方が大きいこと、
間欠運転停止直後の空気欠乏状態であること、
車両が回生制動中もしくは回生制動停止直後であること、
または車両の始動処理中もしくは始動処理直後であること、
のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池の発電電圧に、高電位回避用の余剰電力を印加して高電位を回避する燃料電池システムの運転方法であって、
燃料電池の発電電圧と高電位回避目標電圧との偏差に基づいて、高電位を回避する高電位回避電圧をフィードバック制御により算出し、燃料電池の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件か、あるいは許可条件かを判断して、禁止条件の場合には積分項の更新を停止し、許可条件の場合には積分項の更新を実施し、フィードバック制御を行って、高電位回避制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックの耐久性を向上させるための高電位回避制御を実施する燃料電池システム、および燃料電池システムの運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池スタックは、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムである。燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有する。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有する。
【０００３】
燃料電池システムを電力源として搭載する燃料電池車両では、発電効率のよい高出力領域では、燃料電池スタックを発電させて、燃料電池スタックと二次電池の両方又は燃料電池スタックのみからトラクションモータに電力を供給する一方、発電効率の悪い低出力領域では、燃料電池スタックの発電を一時休止し、二次電池のみからトラクションモータに電力を供給する運転制御を行っている。このように、燃料電池システムの発電効率の低い低負荷領域において、燃料電池スタックの運転を一時休止することを間欠運転と称する。燃料電池システムの発電効率が低下する低負荷領域では、間欠運転を実施することで、燃料電池スタックをエネルギー変換効率の高い範囲内で運転させることが可能となり、燃料電池システム全体の効率を高めることができる。
【０００４】
燃料電池システムでは、燃料電池スタックの耐久性を向上させるための高電位回避制御を実施する。例えば、特許文献１には、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として高電位回避制御するコントローラとを備える燃料電池システムが開示されている。当該燃料電池システムは、燃料電池が発電した電力の一部を二次電池に蓄電する際、二次電池の蓄電量を考慮して二次電池の充放電をフィードバック制御する。その際、高電位回避制御が禁止されているときにはフィードバック制御を許可し、高電位制御が許可されているときはフィードバック制御を禁止することで、二次電池の要求電力を超えて蓄電されてフィードバック制御の積分項が誤積分されるのを回避する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２９６３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献１の燃料電池システムのフィードバック制御は、燃料電池の現在電圧が高電位回避目標電圧よりも低い場合は、高電圧回避電力が十分大きいと判定し、高電位回避電力を減らす演算を行ってフィードバック制御の積分項を計算する。しかし、現在電圧の低下が高電位回避電力による効果ではなく、一時的な発電状態の変化によるものであった場合には、高電位回避電力を減らしてしまうと、発電状態が回復したときに、十分な高電位回避電力が印加できず、高電位が発生してしまう。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みて創案されたものであり、燃料電池スタックの耐久性を向上させるための高電位回避制御を実施する燃料電池システムにおいて、高電位回避電力の不要な誤計算を防いで、高電位回避のための電力算出を精度良く実施することができる燃料電池システム、および燃料電池システムの運転方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、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、上記燃料電池で発電した電力の一部を蓄電する二次電池と、上記燃料電池の出力に高電位回避用の余剰電力を上乗せして高電位を回避する際に、上記燃料電池の発電電圧と高電位回避目標電圧との偏差に基づいて、高電位を回避する高電位回避電圧をフィードバック制御により算出する算出手段と、上記燃料電池の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件か、あるいは許可条件かを判断する判定手段と、上記禁止条件の場合には積分項の更新を停止し、上記許可条件の場合には積分項の更新を実施するフィードバック制御条件決定手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記積分項更新条件は、燃料電池の運転状態によるものであり、上記積分項更新の禁止条件は、高電位回避電力よりも、燃料電池システムの発電要求パワーの方が大きいこと、間欠運転停止直後の空気欠乏状態であること、車両が回生制動中もしくは回生制動停止直後であること、または車両の始動処理中もしくは始動処理直後であることのいずれかによるものである。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池システムの運転方法は、燃料電池の発電電圧に、高電位回避用の余剰電力を印加して高電位を回避する運転方法であって、燃料電池の発電電圧と高電位回避目標電圧との偏差に基づいて、高電位を回避する高電位回避電圧をフィードバック制御により算出し、燃料電池の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件か、あるいは許可条件かを判断して、禁止条件の場合には積分項の更新を停止し、許可条件の場合には積分項の更新を実施し、フィードバック制御を行って、高電位回避制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、セル電圧の低下が高電位回避電力の効果ではなく、一次的な運転条件によるものである場合には、フィードバック制御の積分項の更新を行わない。したがって、高電位回避電力の不要な誤計算を防いで、高電位回避のための電力算出を精度良く実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池車両の模式図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１４】
まず、図１を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムについて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る燃料電池車両の模式図である。図２は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムのブロック図である。
【００１５】
図１および図２に示すように、燃料電池システム１００は、燃料電池車両１０に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、燃料電池２０、二次電池５０、算出手段６０、判定手段７０、およびフィードバック制御条件決定手段８０を備える。
【００１６】
燃料電池２０は、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する。燃料電池車両１０は、燃料電池２０で発電した電気によってトラクションモータ３０や図示しない補機類を駆動して走行する。なお、図１中の４０は、燃料ガスとしての水素を貯留するための高圧水素タンクである。
【００１７】
燃料電池２０は、燃料電池セルが複数積層された燃料電池スタックを有する（いずれも図示せず）。例えば、固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、少なくとも、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを供給するためのガス拡散層を備えている。燃料電池セルは、一対のセパレータで挟持される。
【００１８】
二次電池５０は、燃料電池２０で発電した電力の一部を蓄電するための蓄電池（バッテリ）である。二次電池５０は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両１０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。二次電池５０としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン蓄電池等の蓄電池が好適であるが、例示の電池に限定されない。
【００１９】
燃料電池２０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）９０によって制御される。ＥＣＵ９０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備え、本発明に係る燃料電池システムの運転方法を実現するためのソフトウェアプログラムを実行することにより、算出手段６０、判定手段７０、およびフィードバック制御条件決定手段８０を機能的に有する。
【００２０】
算出手段６０は、高電位を回避するための高電位回避電圧をフィードバック制御により算出する。具体的には、燃料電池２０の出力に高電位回避用の余剰電力を上乗せして高電位を回避する際に、燃料電池２０の発電電圧と高電位回避目標電圧との偏差に基づいて、高電位を回避する高電位回避電圧をフィードバック制御により算出する。
【００２１】
判定手段７０は、燃料電池２０の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件Ａか、あるいは許可条件かを判断する。禁止条件Ａとしては、Ａ１）高電位回避電力よりも、燃料電池システムの発電要求パワーの方が大きいこと、Ａ２）間欠運転停止直後（例えば間欠運転停止から２ｓｅｃ以内）の空気欠乏状態であること、Ａ３）車両が回生制動中もしくは回生制動停止直後（例えば回生制動停止から２ｓｅｃ以内）であること、またはＡ４）車両の始動処理中もしくは始動処理直後（例えば始動開始から２ｓｅｃ以内）であることが挙げられる。
【００２２】
フィードバック制御条件決定手段８０は、判定手段７０において、燃料電池２０の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件であると判断した場合には、積分項の更新を停止する。他方、判定手段７０において、燃料電池２０の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の許可条件であると判断した場合には、積分項の更新を実施する。
【００２３】
次に、図１から図３を参照して、本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの作用とともに、当該燃料電池システムの運転方法について説明する。図３は本発明の実施の形態に係る燃料電池システムの運転方法のフローチャートである。
【００２４】
図１に示すように、燃料電池車両１０に搭載された燃料電池システム１００は、燃料電池（燃料電池スタック）２０の出力電力が当該燃料電池２０への要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を二次電池５０に蓄積するとともに、燃料電池２０の出力電力が燃料電池２０への要求電力よりも小さい場合に二次電池５０がその不足分を補う。すなわち、燃料電池２０と二次電池５０の両方又は燃料電池２０のみからトラクションモータ３０等に電力を供給する一方、発電効率の悪い低出力領域では、燃料電池２０の発電を一時休止し、二次電池５０のみからトラクションモータ３０等に電力を供給する。
【００２５】
図３に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システム１００の運転が開始されると（Ｓ１１０）、当該燃料電池システム１００はＥＣＵ９０によって制御される。ＥＣＵ９０は、燃料電池２０の耐久性を向上させるために、ＥＣＵ９０は燃料電池２０の平均セル電圧を一定値Ｖｔｈ未満（本実施形態では、例えば、０．８Ｖ未満）に制御する（Ｓ１２０／ＮＯ）。他方、燃料電池２０の平均セル電圧が一定値Ｖｔｈ以上（本実施形態では、例えば０．８Ｖ以上）になると（Ｓ１２０／ＹＥＳ）、算出手段６０は高電位回避電力(電流)を算出する（Ｓ１３０）。
【００２６】
次に、算出手段６０は、燃料電池２０の発電電圧と高電位回避目標電圧との偏差に基づいて、高電位を回避する高電位回避電圧をフィードバック（ＰＩ）制御により、積分項（Ｉ項）を算出する（Ｓ１４０）。フィードバック（ＰＩ）制御では、電圧(電流)制御において、現在電圧が目標電圧よりも低い場合は、高電圧回避電力(電流)が十分に大きいと判定し、積分項(Ｉ項)の計算時に高電圧回避電力(電流)を減らす計算を行う。
【００２７】
ただし、燃料電池２０の平均セル電圧の低下が、計算された高電位回避電力（電流）による効果でない場合（一時的な燃料電池２０の発電状態の悪化による電圧低下）は、高電位回避電力（電流）を減らしてしまうと、燃料電池２０の発電状態が回復したときに、十分な高電位回避電力（電流）が印加できず、高電位（高電圧）が発生してしまう。そこで、燃料電池２０の平均セル電圧の低下が、一時的なスタック発電状態の悪化による電圧低下で起こっている場合は、フィードバック制御（特に積分項の積算・更新）を一時的に停止し、一時的な燃料電池２０の発電状態の悪化を下記の禁止条件Ａによって判定する。
【００２８】
すなわち、判定手段７０は、燃料電池２０の運転状態がフィードバック制御の積分項更新の禁止条件か、あるいは許可条件かを判断する。具体的には、判定手段７０は、燃料電池２０の運転状態が下記禁止条件Ａのいずれかに合致するか否かを判断する（Ｓ１５０）。
【００２９】
禁止条件Ａとしては、Ａ１）高電位回避電力よりも、燃料電池システムの発電要求パワーの方が大きいこと、Ａ２）間欠運転停止直後（例えば間欠運転停止から２ｓｅｃ以内）の空気欠乏状態であること、Ａ３）車両が回生制動中もしくは回生制動停止直後（例えば回生制動停止から２ｓｅｃ以内）であること、またはＡ４）車両の始動処理中もしくは始動処理直後（例えば始動開始から２ｓｅｃ以内）であることが挙げられる。
【００３０】
まず、Ａ１の高電位回避電力よりも、燃料電池システムの発電要求パワーの方が大きいことを条件とするのは、高電位回避が燃料電池システムの発電要求パワーで実現されているからである。また、Ａ２の間欠運転停止直後の空気欠乏状態であることを条件とするのは、高電位回避が空気欠乏状態で実現されているからである。さらに、Ａ３の車両が回生制動中もしくは回生制動停止直後であることを条件とするのは、高電位回避が空気欠乏状態で実現されているからである。そして、Ａ４の車両の始動処理中もしくは始動処理直後であることを条件とするのは、高電位回避が空気欠乏状態で実現されているからである。
【００３１】
燃料電池２０の運転状態が上記禁止条件Ａのいずれかに合致する場合には（Ｓ１５０／ＹＥＳ）、フィードバック制御条件決定手段８０が積分項の更新を停止する（Ｓ１６０）。他方、燃料電池２０の運転状態が上記禁止条件Ａのいずれにも合致しない場合（許可条件の場合）には（Ｓ１５０／ＹＥＳ）、フィードバック制御条件決定手段８０が積分項の更新を実施する（Ｓ１７０）。これにより、燃料電池２０の出力電圧に高電位回避用の余剰電力が上乗せされて高電位が回避され、フィードバック制御が終了する（Ｓ１８０）。
【００３２】
以上、説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システム、およびその運転方法によれば、平均セル電圧の低下が高電位回避電力の効果ではなく、一次的な運転条件によるものである場合には、禁止条件Ａに合致するとしてフィードバック制御の積分項の更新を行わない。したがって、高電位回避電力の不要な誤計算を防いで、高電位回避のための電力算出を精度良く実施することができるという優れた効果を奏する。
〔その他の実施の形態〕
【００３３】
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば、上記実施の形態では、高電位回避電力の演算によりフィードバック制御の積分項を更新することを前提としていたが、これに限られない。例えばシステムの制御がフィードフォワード制御による場合であっても、妥当な場合であれば本願発明を適用可能である。また積分項の更新に限定されるものではなく、積分項に代えて、または、積分項に加えて、加算項等の更新を除外するものではない。高電位回避電力の不要な誤計算に繋がる演算項についてその更新を停止したり許可したりすればよいからである。
【００３４】
さらに積分項更新の禁止条件は、上記実施の形態に限定されない。高電位回避電力以外の影響でセル電圧の低下に繋がる一時的な運転条件であれば、上記実施の形態以外の条件でも本願発明の禁止条件として採用することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
２０    燃料電池
５０    二次電池
６０    算出手段
７０    判定手段
８０    フィードバック制御条件決定手段
１００    燃料電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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