(57)【要約】【課題】起動時に反応ガスの供給遅れが生じても、燃料電池の過電圧ひいては劣化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、該燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の発電電圧が所定の高電位化回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御において決定される高電位化回避目標出力と、反応ガスストイキに基づいて決定される燃料電池許容出力とを比較し、これら高電位化回避目標出力及び燃料電池許容出力のうちのいずれか大きい出力に基づいて決定される燃料電池発電指令値によって前記燃料電池を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
該燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の発電電圧が所定の高電位化回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御において決定される高電位化回避目標出力と、反応ガスストイキに基づいて決定される燃料電池許容出力とを比較し、これら高電位化回避目標出力及び燃料電池許容出力のうちのいずれか大きい出力に基づいて決定される燃料電池発電指令値によって前記燃料電池を制御する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池許容出力よりも前記高電位化回避目標出力の方が大きい場合には、前記燃料電池発電指令値を高電位化回避目標電圧に設定する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、前記燃料電池許容出力を超える出力を許可する時間を制限する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、起動時における反応ガスの供給遅れを見込んだ所定の時間、起動から反応ガス流量が所定値に達するまでの時間、起動から反応ガス供給コンプレッサの回転数が所定値に達するまでの時間、及び起動から前記燃料電池許容出力が前記高電位化回避目標出力を超えるまでの時間のうちの少なくともいずれか一つに基づいて、前記燃料電池許容出力を超える出力を許可する時間を設定する燃料電池システム。
【請求項５】
反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、
該燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を有し、
該制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の反応ガスストイキに基づいて決定される燃料電池許容出力を超える出力を許可する燃料電池システムであって、
前記制御部により決定される反応ガス供給指令値よりも実測値が小さい反応ガス不足時にのみ、前記燃料電池許容出力を超える出力を許可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係り、特に、その制御の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とする燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、燃料電池のアノードに燃料タンクから高圧の燃料ガスを供給するとともに、カソードに酸化ガスとしての空気を供給し、これら燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させ、起電力を発生させるものである。
このような燃料電池システムにおいて、燃料電池の起動時の過電圧を抑制するために、通常の上限値より低い電圧から出力の取り出しを開始し、上限電圧を超えないように電圧フィードバック制御を行うものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２６８９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の燃料電池システムにおいては、燃料電池の起動時に生じる反応ガスの供給遅れを考慮した制御になっていないため、出力低下に伴う過電圧を十分に抑制できず、燃料電池の劣化を抑制できない可能性がある。
【０００４】
そこで、本発明は、起動時に反応ガスの供給遅れが生じても、燃料電池の過電圧ひいては劣化を抑制することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、該燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の発電電圧が所定の高電位化回避電圧閾値以上になることを抑制する高電位化回避制御において決定される高電位化回避目標出力と、反応ガスストイキに基づいて決定される燃料電池許容出力とを比較し、これら高電位化回避目標出力及び燃料電池許容出力のうちのいずれか大きい出力に基づいて決定される燃料電池発電指令値によって前記燃料電池を制御する。
【０００６】
かかる構成によれば、高電位化回避目標出力と燃料電池許容出力とのうちのいずれか大きい出力から決定される燃料電池発電指令値によって燃料電池を制御するため、燃料電池の起動時に反応ガスの供給遅れが生じた場合であっても、燃料電池許容出力に律速されて燃料電池の制御電圧が高くなってしまう不具合の発生を抑制すること可能となり、燃料電池の劣化を抑制できる。
【０００７】
この場合、前記制御部は、前記燃料電池許容出力よりも前記高電位化回避目標出力の方が大きい場合には、前記燃料電池発電指令値を高電位化回避目標電圧に設定することもできる。
【０００８】
また、前記制御部は、前記燃料電池許容出力を超える出力を許可する時間を制限することもできる。
【０００９】
かかる構成によれば、燃料電池の燃料電池許容出力を超える出力が長引くことによる燃料電池の劣化を抑制できる。
【００１０】
また、前記制御部は、起動時における反応ガスの供給遅れを見込んだ所定の時間、起動から反応ガス流量が所定値に達するまでの時間、起動から反応ガス供給コンプレッサの回転数が所定値に達するまでの時間、及び起動から前記燃料電池許容出力が前記高電位化回避目標出力を超えるまでの時間のうちの少なくともいずれか一つに基づいて、前記燃料電池許容出力を超える出力を許可する時間を設定することもできる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、反応ガスの電気化学反応によって発電する燃料電池と、該燃料電池の発電状態を制御する制御部と、を有し、該制御部は、前記燃料電池の起動時に、前記燃料電池の反応ガスストイキに基づいて決定される燃料電池許容出力を超える出力を許可する燃料電池システムであって、前記制御部により決定される反応ガス供給指令値よりも実測値が小さい反応ガス不足時にのみ、前記燃料電池許容出力を超える出力を許可する。
【００１２】
かかる構成によれば、燃料電池の燃料電池許容出力を超える出力が長引くことによる燃料電池の劣化を抑制できる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池システムによれば、起動時に反応ガスの供給遅れが生じても、燃料電池の過電圧を抑制することが可能となり、燃料電池の劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）、電気自動車、ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、二輪車や船舶、飛行機、ロボットなど）にも適用可能である。さらに、移動体に搭載された燃料電池システムに限らず、定置型の燃料電池システムや携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１６】
この車両は、減速ギア１２を介して車輪６３Ｌ、６３Ｒに連結されたトラクションモータ６１を駆動力源として走行する。トラクションモータ６１の電源は、電源システム１である。電源システム１から出力される直流は、インバータ６０で三相交流に変換され、トラクションモータ６１に供給される。トラクションモータ６１は制動時に発電機としても機能することができる。電源システム１は、燃料電池４０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０などから構成される。
【００１７】
燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する部であり、固体高分子型、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、フッ素系樹脂などで形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜４１を備え、高分子電解質膜の表面には白金触媒（電極触媒）が塗布されている。
なお、高分子電解質膜４１に塗布する触媒は白金触媒に限らず、白金コバルト触媒（以下、単に触媒という）などにも適用可能である。燃料電池４０を構成する各セルは、高分子電解質膜４１の両面にアノード極４２とカソード極４３とをスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体４４を備えている。燃料電池４０は、複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。
【００１８】
この燃料電池４０の出力電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、それぞれ電圧センサ９２及び電流センサ９３によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源７０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源８０から空気などの酸化ガスが供給される。
【００１９】
燃料ガス供給源７０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。
【００２０】
酸化ガス供給源８０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
【００２１】
バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ２０の代わりに二次電池以外の充放電可能なあらゆる蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。このバッテリ２０は、燃料電池４０の放電経路に介挿され、燃料電池４０と並列に接続されている。バッテリ２０と燃料電池４０とはトラクションモータ用のインバータ６０に並列接続されており、バッテリ２０とインバータ６の間にはＤＣ／ＤＣコンバータ３０が設けられている。
【００２２】
インバータ６０は、例えば複数のスイッチング素子によって構成されたパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置１０から与えられる制御指令に応じて燃料電池４０またはバッテリ２０から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ６１へ供給する。トラクションモータ６１は、車輪６３Ｌ、６３Ｒを駆動するためのモータであり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、例えば４つのパワー・トランジスタと専用のドライブ回路（いずれも図示略）によって構成されたフルブリッジ・コンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、バッテリ２０から入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧して燃料電池４０側に出力する機能、燃料電池４０などから入力されたＤＣ電圧を昇圧または降圧してバッテリ２０側に出力する機能を備えている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の機能により、バッテリ２０の充放電が実現される。
【００２４】
バッテリ２０とＤＣ／ＤＣコンバータ３０の間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類５０が接続されている。バッテリ２０は、これら補機類５０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。
【００２５】
上述した各要素の運転は制御装置（制御部）１０によって制御される。制御装置１０は、内部にＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。
【００２６】
制御装置１０は、入力される各センサ信号に基づいて燃料ガス通路に設けられた調圧弁７１や酸化ガス通路に設けられた調圧弁８１、燃料ガス供給源７０、酸化ガス供給源８０、バッテリ２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、インバータ６０など、システム各部を制御する。
この制御装置１０には、例えば圧力センサ９１によって検知される燃料ガスの供給圧力や電圧センサ９２によって検知される燃料電池４０のＦＣ電圧、電流センサ９３によって検知される燃料電池４０のＦＣ電流、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるバッテリ２０の充電状態ＳＯＣ（State Of Charge）をあらわすＳＯＣ値など、種々のセンサ信号が入力される。
【００２７】
次に、制御装置１０によって間欠的に実行される高電位化回避制御処理について説明する。
【００２８】
制御装置１０は、燃料電池４０に対する要求電力を算出する。要求電力としては、例えばトラクションモータ６１や補機類５０を駆動するための電力である。そして、制御装置１０は、不図示のＩ−Ｖ特性及びＩ−Ｐ特性をあらわす特性マップを利用して、要求電力に応じた燃料電池４０の出力電圧を算出する。この特性マップは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。なお、この特性マップの値は固定しても良いが、逐次書き換え可能な値としても良い。
【００２９】
そして、制御装置１０は、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があるか否かを判断する。具体的には、出力電圧と高電位化回避目標閾値電圧Ｖｔｈとを比較し、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈを超えている場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断する一方、出力電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合には、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要はないと判断する。
この閾値電圧Ｖｔｈは、予め実験などにより求められ、製造出荷時などに制御装置１０の内部メモリ１１に格納される。また、閾値電圧Ｖｔｈは固定値としても良いが、例えば周囲環境（外気温度や燃料電池温度、湿度、運転モードなど）に応じて逐次書き換え可能な値としても良い。
【００３０】
制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要がないと判断した場合には、燃料電池４０の高電位化を回避する制御は不要であるため、当該高電位回避制御処理を終了する。
【００３１】
一方、制御装置１０は、上記の判断において、燃料電池４０の出力電圧を強制的に下げる必要があると判断した場合には、該燃料電池４０の出力電圧を閾値電圧Ｖｔｈを下回る値まで強制的に下げる制御を行う。このとき、燃料電池４０の出力電圧を強制的にどの値まで下げるかは任意に設定可能である。そして、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収可能か否か（すなわち、バッテリ２０に蓄電できるか否か）を判断する。詳述すると、制御装置１０は、ＳＯＣセンサ２１によって検知されるＳＯＣ値から検出し、バッテリ２０の残容量を把握するなどして余剰電力をバッテリ２０で吸収できるか否かを判断する。
【００３２】
制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できると判断した場合には、余剰電力をバッテリ２０で吸収（バッテリ２０に蓄電）した後、処理を終了する。
【００３３】
一方、制御装置１０は、余剰電力をバッテリ２０で吸収できないと判断した場合には、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ３０のスイッチング周波数を高く設定し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０のエネルギー損失を増大させることで余剰電力Ｐを吸収した後、処理を終了する。
【００３４】
ところで、上記のような高電位化回避制御時において、図２（ａ）に示すように、間欠フラグがオンからオフになり、燃料電池４０の間欠運転がオン（停止）からオフ（運転）に切り換わったときに（図２に示すｔ１時点）、図２（ｂ）に示すように、閾値電圧Ｖｔｈ（図２（ｂ）に示す実線ｂ１）よりも燃料電池４０の制御電圧（図２（ｂ）に示す破線ｂ２）が上昇してしまうことがある（図２に示すｔ１時点〜ｔ２時点）。
これは、図２（ｃ）に示すように、ｔ１時点以降に生じる、酸化ガス供給源８０からの酸化ガスの供給遅れによって、燃料電池４０の発電パワーが、図２（ｄ）に実線ｄ１で示す高電位化回避目標パワーではなく、図２（ｄ）に破線ｄ２で示す、酸化ガスストイキによって決まる燃料電池許容パワーに律速されてしまうことによる。この場合、燃料電池許容パワーは、酸化ガスストイキを維持するものであり、例えば酸化ガスの流量、燃料ガスの圧力、燃料ガスの流量及び燃料電池４０の温度等によって決定される。
【００３５】
つまり、エアコンプレッサの応答遅れに起因する酸化ガスの供給遅れがある場合、図３にも示すように、酸化ガスストイキによって決まる燃料電池許容パワー（図３に示す点Ｚ２）が高電位化回避制御において決定される高電位化回避目標パワー（図３に示す点Ｚ１）よりも低くなってしまい、その結果、高電位化回避制御で決定される高電位化回避目標電圧Ｖ１よりも燃料電池許容パワーから決定される燃料電池許容電圧Ｖ２が高くなってしまう。
【００３６】
これを回避するために、制御装置１０は、燃料電池４０の間欠運転明けの再起動時を含む起動時に、高電位化回避制御で決定される高電位化回避目標パワー（高電位化回避目標出力）と、酸化ガスストイキ（反応ガスストイキ）を維持するための燃料電池許容パワー（燃料電池許容出力）とを比較し、高電位化回避目標パワーよりも燃料電池許容パワーの方が小さい時には、この小側の燃料電池許容パワーから決定される燃料電池許容電圧ではなく、大側の高電位化回避目標パワーから決定される高電位化回避目標電圧（＜燃料電池許容電圧）を制御電圧（燃料電池発電指令値）とし、この制御電圧によって燃料電池４０を制御する。つまり、この制御では燃料電池許容パワーは無視される。
【００３７】
制御装置１０は、図４に示すように、高電位化回避目標電圧と高電位化回避目標パワーとの関係を示すマップから高電位化回避目標電圧に基づいて高電位化回避目標パワーＰ１を求める機能ブロック１０ａと、酸化ガスストイキを維持するための酸化ガス流量と燃料電池許容パワーとの関係を示すマップから酸化ガス流量に基づいて燃料電池許容パワーＰ２を求める機能ブロック１０ｂと、これら機能ブロック１０ａ，１０ｂで求められた高電位化回避目標パワーＰ１及び燃料電池許容パワーＰ２のうちの小さい方を選択する機能ブロック１０ｃと、パワーと電圧との関係を示すマップから、機能ブロック１０ｃで選択されたパワーに基づいて制御電圧を決定する機能ブロック１０ｄと、高電位化回避目標パワーＰ１よりも燃料電池許容パワーＰ２の方が小さい時（図２のｔ１時点〜ｔ２時点）に、図２（ｅ）に示すように判定フラグをオンする機能ブロック１０ｅと、通常は機能ブロック１０ｄで決定された制御電圧を指令電圧として出力する一方、機能ブロック１０ｅにて判定フラグがオンされている場合のみ、高電位化回避目標パワーＰ１から決定される高電位化回避目標電圧を制御電圧とする機能ブロック１０ｆとを有している。
【００３８】
以上に述べた本実施形態に係る燃料電池システム１００によれば、燃料電池４０の起動時に、高電位化回避制御において決定される高電位化回避目標パワーＰ１と、酸化ガスストイキによって決定される燃料電池許容パワーＰ２とのうちのいずれか大きい出力から決定される制御電圧で燃料電池４０を制御するため、酸化ガスの供給遅れが生じてこの酸化ガスにより決まる燃料電池許容パワーＰ２に律速されて燃料電池４０の制御電圧が高くなってしまう不具合の発生を抑制することが可能になり、燃料電池４０の劣化を抑制できる。また、常時電圧で上限電圧にガードを掛けるのではないことから、好適な電力配分をも満足することができる。
【００３９】
ここで、制御装置１０は、燃料電池４０の起動時に実行される上記制御において、燃料電池許容パワーＰ２から決定される燃料電池許容電圧ではなく、高電位化回避目標パワーＰ１から決定される高電位化回避目標電圧を制御電圧とする場合、言い換えれば、燃料電池４０の出力電圧が燃料電池許容電圧を超える出力を許可する場合に、その制御時間を制限するようにしても良い。
【００４０】
つまり、燃料電池４０の起動時に、高電位化回避目標パワーＰ１よりも燃料電池許容パワーＰ２の方が小さい時には、起動時から所定の制御時間だけ、燃料電池許容パワーＰ２から決定される燃料電池許容電圧ではなく、高電位化回避目標パワーＰ１から決定される高電位化回避目標電圧を制御電圧とする。
【００４１】
この場合、制御装置１０は、上記した所定の制御時間として、起動時におけるエアコンプレッサの応答遅れに起因する酸化ガス（反応ガス）の燃料電池４０への供給遅れを見込んで設定される所定の時間、起動から酸化ガス（反応ガス）の流量が予め設定された所定値に達するまでの時間、起動からエアコンプレッサの回転数が予め設定された所定値に達するまでの時間、及び起動から燃料電池許容パワーＰ２が高電位化回避目標パワーＰ１を超えるまでの時間のうちの少なくともいずれか一つに、許可する時間を設定する。つまり、例えばこれら時間のうち最も短い一つの時間が経過すると、燃料電池許容電圧ではなく高電位化回避目標電圧を制御電圧とする制御を終了する。
【００４２】
このように、燃料電池４０の起動時に実行される、燃料電池許容電圧ではなく高電位化回避目標電圧を制御電圧とする時間を制限することによって、燃料電池４０の燃料電池許容パワーＰ２を超える出力が長引くことによる燃料電池４０の劣化を抑制できる。
【００４３】
また、制御装置１０は、酸化ガス（反応ガス）の不足時のみ、燃料電池４０の燃料電池許容パワーＰ２を超える出力を許可するようにしても良い。つまり、燃料電池４０の起動時に、酸化ガスが所定の必要量よりも少ないときのみ、燃料電池許容パワーＰ２から決定される燃料電池許容電圧ではなく、高電位化回避目標パワーＰ１から決定される高電位化回避目標電圧を制御電圧とする。
このように制御することによって、エアコンプレッサの応答遅れに起因する酸化ガスの供給遅れ以外の状況、例えば水素供給不足が生じている状況下において、燃料電池４０の燃料電池許容パワーＰ２を超える出力が長引くことによる燃料電池４０の劣化を抑制できる。また、この場合、酸化ガス流量のみで決まる燃料電池許容パワーＰ２と高電位化回避目標パワーＰ１とを比較した後に、その他の要件で決まる燃料電池許容パワーＰ２から決定される燃料電池許容電圧で制限を行うようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。
【図２】制御装置の制御内容を説明するタイミングチャートである。
【図３】燃料電池のＰ−Ｖ特性を示す図である。
【図４】制御装置の要部の機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０・・・制御装置（制御部）、４０・・・燃料電池、１００・・・燃料電池システム。
【図１】
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【図２】
2009129679.tif 000004
【図３】
2009129679.tif 000005
【図４】
2009129679.tif 000006