JP2005094917A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池スタックと少なくとも１つの電力貯蔵手段との各電力供給手段における内部電力損失を低下させて、発熱量を抑制する。
【解決手段】 システム制御装置１は、スタック制御ユニット６およびバッテリ制御ユニット８から入力した状態信号に基づいて、燃料電池スタック５の経時変化の程度を示す経時変化係数、及びバッテリ７の経時変化の程度を示す経時変化係数を推定する。システム制御装置１は、これら推定した経時変化係数に基づいて、燃料電池スタック５及びバッテリ７から電力負荷であるモータインバータ２に対する供給電力の配分を決定し、この決定した配分比率でモータインバータ２へ電力が供給されるように、電力配分制御ユニット４を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池及び電力貯蔵手段から電力負荷へ電力供給する燃料電池システムに係り、特に燃料電池及び電力貯蔵手段の劣化の程度に応じて電力負荷に対する電力配分を可能な燃料電池システムの出力制御装置に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

燃料電池と二次電池とを電力供給手段として備えた燃料電池車両において、燃料電池スタックの温度をモニタして、所定温度以下であると判定すると、燃料電池スタックの発電制限を行い、この時には二次電池から電力を供給することで、電力負荷から要求される電力を賄うことが示されている（例えば、特許文献１）。

また、上記従来の燃料電池と二次電池とを備えた燃料電池システムにおける出力電力の配分制御においては、燃料電池の暖機終了後は、常に一定の電力配分比率にて各電力供給手段から電力負荷へ電力供給していた。
特開２００２−０３４１０３号公報（第３頁、図２）

しかしながら、燃料電池と二次電池とでは、経時変化による内部抵抗の増加具合等が異なっているために、一定の電力配分制御を継続していると、内部抵抗値が増大した特定の電力供給手段に発熱が多く生じ、この発熱分だけ効率の低下が発生するという問題点があった。

また、経時変化が進み送電効率が低下すると、電力が無駄にジュール熱となって発生する割合が増加することが知られている。電力損失により発生した熱は電力供給手段を必要以上に発熱させ、これらの発熱による熱量が電力供給手段を高温にし、電力供給手段の劣化を進め寿命を縮めてしまうという問題点があった。

ところで内部抵抗値が大きくなることで単位時間当りの発熱量が増えることは、電力供給手段の温度勾配が急になることでもあり、発熱源での温度バラツキも大きくなることが容易に想像できる。温度バラツキが大きいと熱歪量も大きくなり、熱歪による経時変化への影響が大きくなって、結果的に電力供給手段の寿命を縮めてしまうことになる。

以上の問題点を解決するため、本発明は、燃料電池スタックと少なくとも一つの電力貯蔵手段とを電力供給手段として、これら何れの電力供給手段からも電力負荷へ電力供給可能な燃料電池システムにおいて、前記電力供給手段毎にそれぞれの経時変化の程度を示す経時変化係数を推定する経時変化係数推定手段と、該経時変化係数推定手段が推定した経時変化係数に基づいて、各電力供給手段毎の前記電力負荷に対する供給電力の配分を変更する電力配分制御手段と、を備えたことを要旨とする。

本発明によれば、複数ある電力供給手段の経時変化状態に応じて各電力供給手段から電力負荷への供給電力の配分を変更することができるので、無駄に消費される電力を低減させることができ、また電力供給手段の内部で発生する熱量を抑制し、その経時変化を遅らせることができるという効果がある。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の各実施例は、燃料電池車両の電源として好適な燃料電池システムを示すものである。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明する構成図である。図２〜４は、本実施例におけるシステム制御ユニットが実行する制御フローチャートであり、図２は運転制御フローチャート、図３は燃料電池スタックの経時変化係数を算出するフローチャート、図４はバッテリの経時変化係数を算出するフローチャートである。

図１において、本実施例の燃料電池システムは、システム全体の制御を行なうシステム制御ユニット１と、電力負荷としてモータ消費電力の制御を行なうモータインバータ２と、車両の駆動を行なう等の電力から運動エネルギを取り出すためのモータ３と、電力供給手段の一つとしての燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５の発電を制御するとともに燃料電池スタックの状態や温度を監視するスタック制御ユニット６と、電力貯蔵手段としてのバッテリ７と、バッテリ７の充電状態（ＳＯＣ）や温度を監視するバッテリ制御ユニット８と、燃料電池スタック５及びバッテリ７からモータインバータ２へ供給する電力の配分を制御し、モータ３からの回生電力や燃料電池スタック５で発生した電力にてバッテリ７を充電させるための電力配分制御ユニット４と、電力のやり取りを行なう電力ケーブル９と、制御信号のやり取りを行なう制御用ハーネス１０とを備えている。

システム制御ユニット１は、特に限定されないが、例えばプログラムＲＯＭと、作業用のＲＡＭと、入出力インタフェースとＣＰＵとを備えたマイクロコンピュータで構成されている。

電力配分制御ユニット４は、システム制御ユニット１から指示された電力配分比率で、燃料電池スタック５及びバッテリ７から電力負荷であるモータインバータ２へ電力供給を制御する回路である。このため、電力配分制御ユニット４は、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子を備えた電力供給手段の数だけ（本実施例では２組）のスイッチング回路と、各スイッチング回路の出力の和をとるダイオードによるオワ回路と、オワ回路の出力を平滑する平滑回路とを備えている。２組のスイッチング回路は、燃料電池スタック５の出力と、バッテリ７の出力にそれぞれ割り当てられ、システム制御ユニット１から指示された電力配分比率に従うデューティで各電力供給手段からの供給電流をオン・オフスイッチングする。スイッチングされた供給電流は、オワ回路で和がとられた後、平滑回路で平滑されて出力される。

スタック制御ユニット６は、燃料電池スタック５の状態を検出し、状態信号としてシステム制御ユニット１へ制御用ハーネス１０を介して通知する。この状態信号としては、燃料電池スタック５の電圧、電流、温度、燃料電池スタック５から取り出した電力の積算値である総電力量等がある。

バッテリ制御ユニット８は、バッテリ７の状態を検出し、状態信号としてシステム制御ユニット１へ制御用ハーネス１０を介して通知する。この状態信号としては、バッテリ７の電圧、電流、温度、充電状態（ＳＯＣ）、バッテリ７から取り出した電力の積算値である総電力量等がある。

システム制御装置１は、スタック制御ユニット６およびバッテリ制御ユニット８から入力した状態信号に基づいて、燃料電池スタック５の経時変化の程度を示す経時変化係数、及びバッテリ７の経時変化の程度を示す経時変化係数を推定する。そして、システム制御装置１は、これら推定した経時変化係数に基づいて、燃料電池スタック５及びバッテリ７から電力負荷であるモータインバータ２に対する供給電力の配分を決定し、この決定した配分比率でモータインバータ２へ電力が供給されるように、電力配分制御ユニット４を制御する。

次に、実施例１における制御フローを図２乃至図４を参照して説明する。図２は、通常運転時に実行される運転制御フローであり、システム制御ユニット１で一定時間毎に呼び出されて実行される。

図２において、先ず始めに、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、システム制御ユニットは、キースイッチ（以下、キーＳＷ）の状態を読み込む。次いでＳ１２で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ１２の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ１４へ進み、燃料電池スタック５の経時変化係数（ｓ）とバッテリ７の経時変化係数（ｂ）とを呼び出す。これらの経時変化係数は、図３、図４を参照して後述する各経時変化係数算出ルーチンで算出され、システム制御ユニット１の内部に記憶されているものとする。

次いでＳ１６で、これら経時変化係数（ｓ）、経時変化係数（ｂ）を比較し、Ｓ１８で、これらの経時変化係数に応じて、燃料電池スタック５及びバッテリ７から電力負荷であるモータインバータ２へ供給する電力の電力配分率を決定する。実際の電力配分量は、要求電力に対して電力配分率を乗じることにより、各電力供給手段である燃料電池スタック５及びバッテリ７からモータインバータ２への電力配分量が決定される。

ここで、経時変化係数（ｓ）、経時変化係数（ｂ）に基づく、電力配分率の決定方法の詳細例を説明する。

まず、経時変化前の基本電力配分率をＰdst0とする。この電力配分率Ｐdst0は、バッテリ側の電力配分率を示し、燃料電池側の電力配分率は、（１−Ｐdst0）となる。後述する図５，６では、Ｐdst ＝０．６をバッテリ補助率６０［％］と呼んでいる。

そして、経時変化係数を考慮した補正後のバッテリの電力配分率Ｐdst は、基本電力配分率Ｐdst0と、経時変化係数（ｓ）と、経時変化係数（ｂ）とを用いて以下の式（１）により算出することができる。

（数１）
Ｐdst ＝Ｐdst0 ×｛１＋ｋ（経時変化係数（ｂ）−経時変化係数（ｓ））｝ …(1)
ここで、ｋは、システムの特性に合わせて任意に設定可能な係数である。
このとき、Ｐdst を用いて燃料電池スタックの補正後の電力配分率は、（１−Ｐdst ）である。

最後に、Ｓ２０で、上記電力配分率で燃料電池スタック５及びバッテリ７からモータインバータ２へ供給する電力を制御するように電力配分制御ユニットを制御して、メインルーチンへリターンする。

次に、本実施例における経時変化係数（ｓ）及び経時変化係数（ｂ）の算出方法と、これら経時変化係数（ｓ）、経時変化係数（ｂ）に基づく電力配分率の決定方法を詳述する。

燃料電池スタックの経時変化係数（ｓ）は、現在または直近の燃料電池スタックの電圧電流特性を記憶し、予め記憶した設計上の電圧電流特性又は燃料電池システム製造時の電圧電流特性を基準値として、現在の特性値を基準値で除算することにより求めることができる。

より具体的には、所定の出力電流値Ｉ0 における燃料電池スタックの出力電圧値Ｖ0 、又は数点の出力電流値Ｉ1 ，Ｉ2 ，…，Ｉn における出力電圧値Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖn を検出する。これらの出力電圧値Ｖ0 ，Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖn は、経時変化に伴って低下する。そこで、予め記憶した基準値ＶS0 で検出値Ｖ0 を除算、又は予め記憶した数点の基準値ＶS1 ，ＶS2 ，…，ＶSn でそれぞれの検出値Ｖ1 ，Ｖ2 ，…，Ｖn を除算後に平均値をとって、以下の式（２）または式（３）のようにスタックの経時変化係数（ｓ）とする。この経時変化係数（ｓ）は、数値が小さいほど経時変化による出力能力が低下していることを示す。

（数２）
経時変化係数（ｓ）＝Ｖ0 ／ＶS0 …(2)
経時変化係数（ｓ）＝(１／ｎ)(Ｖ1／ＶS1＋Ｖ2／ＶS2＋…＋Ｖn／ＶSn) …(3)
バッテリの経時変化係数（ｂ）も同様に、所定の出力電流値ｉ0 におけるバッテリの出力電圧値ｖ0 、又は数点の出力電流値ｉ1 ，ｉ2 ，…，ｉn における出力電圧値ｖ1 ，ｖ2 ，…，ｖn を検出する。これらの出力電圧値ｖ0 ，ｖ1 ，ｖ2 ，…，ｖn は、経時変化に伴って低下する。そこで、予め記憶した基準値ｖS0 で検出値ｖ0 を除算、又は予め記憶した数点の基準値ｖS1 ，ｖS2 ，…，ｖSn でそれぞれの検出値ｖ1 ，ｖ2 ，…，ｖn を除算後に平均値をとって、以下の式（４）または式（５）のようにバッテリの経時変化係数（ｂ）とする。この経時変化係数（ｂ）は、数値が小さいほど経時変化による出力能力が低下していることを示す。

（数３）
経時変化係数（ｂ）＝ｖ0 ／ｖS0 …(4)
経時変化係数（ｂ）＝(１／ｎ)(ｖ1／ｖS1＋ｖ2／ｖS2＋…＋ｖn／ｖSn) …(5)
次に、図３を参照して、スタック経時変化係数（ｓ）の算出処理を説明する。
図３において、先ず始めに、Ｓ２２において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ２４で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ２４の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ２６へ進み、現在の燃料電池スタック５の電圧電流特性を検出する。次いでＳ２８で、予め記憶した設計上の燃料電池スタックの電圧電流特性を呼び出して、Ｓ３０で、現在の値を設計上の値で除算する。次いでＳ３２で、Ｓ３０で得られた値をスタック設計経時変化率とし、Ｓ３４でスタック設計経時変化率をスタックの経時変化係数（ｓ）とする。そしてＳ３６で、経時変化係数（ｓ）をシステム制御ユニット内部の記憶装置に記憶して、リターンする。

次に、図４を参照して、バッテリ経時変化係数（ｂ）の算出処理を説明する。
図４において、先ず始めに、Ｓ４０において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ４２で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ４２の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ４４へ進み、現在のバッテリ７の電圧電流特性を検出する。次いでＳ４６で、予め記憶した設計上のバッテリの電圧電流特性を呼び出して、Ｓ４８で、現在の値を設計上の値で除算する。次いでＳ５０で、Ｓ４８で得られた値をバッテリ設計経時変化率とし、Ｓ５２でバッテリ設計経時変化率をバッテリの経時変化係数（ｂ）とする。そして、Ｓ５４で経時変化係数（ｂ）をシステム制御ユニット内部の記憶装置に記憶して、リターンする。

キーＳＷがＯＮの状態のままなら再度図２のフローを繰り返し、一時的に記憶した燃料電池スタックないしバッテリの経時変化係数を呼び出し、この経時変化係数を基に各電力供給手段の電力配分補正を行なう。

尚、各電力供給手段の経時変化の程度を示す経時変化係数として、電圧電流特性以外に、各電力供給手段の電圧電流特性に基づいて内部抵抗値を算出し、この内部抵抗値に初期値（設計値）に対する変化率を経時変化係数としてもよい。また、各電力供給手段の開放電圧を検出し、この開放電圧の初期値（設計値）各電力供給手段の内部抵抗値の変化に基づいて経時変化係数を算出してもよい。さらに、各電力供給手段を構成する各セルまたは各モジュールの最低電圧または平均電圧を検出して、これらの電圧の初期値（設計値）に対する変化率を経時変化係数としてもよい。

図５は、比較例の電力損失を示し、図６は本実施例の電力損失を示す図である。何れの場合も、燃料電池スタックにおける発電電力が出力できる有効電力割合τを設計値（初期値）９０［％］、経時変化後の現在値を８５［％］、バッテリの入力電力に対する出力電力の比率τを設計値（初期値）９５［％］、経時変化後の現在値を７５［％］としている。

図５の比較例では、電力負荷へ供給する電力のバッテリ補助率を６０［％］に固定しているので、設計値（初期値）における電力損失は、燃料電池スタック分が４［ｋＷ］、バッテリ分が３［ｋＷ］となり、総電力損失は７［ｋＷ］となる。経時変化が進んで所定時間運転後の現在では、電力損失は、燃料電池スタック分が６［ｋＷ］、バッテリ分が１５［ｋＷ］となり、総電力損失は２１［ｋＷ］となる。

これに対して、図６の本実施例では、経時変化係数に応じて、電力負荷への電力配分を変更しているので、バッテリ補助率が設計値（初期値）６０［％］から経時変化に連れて２０［％］に低下する。このため、設計値（初期値）における電力損失は、燃料電池スタック分が４［ｋＷ］、バッテリ分が３［ｋＷ］となり、総電力損失は７［ｋＷ］で変化はない。しかし、経時変化が進んで所定時間運転後の現在では、電力損失は、燃料電池スタック分が１２［ｋＷ］、バッテリ分が５［ｋＷ］、総電力損失は１７［ｋＷ］になり、比較例に対して実施例は、総電力損失が４［ｋＷ］低減されている。

以上説明したように、本実施例によれば、経時変化係数に基づいて各電力供給手段から電力負荷に対する電力配分補正を行なうことで電力供給手段の内部で熱に変わる電力損失を抑制することができる。

また発熱量が減ることで電力供給手段の温度上昇が抑制され、電力供給手段の経時変化を抑制することが可能になる。電力配分補正分で減少した電力は、相対的に経時変化係数の小さい電力供給手段から賄い、電力負荷の要求に対応させる。

図７は、本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明する構成図である。図８〜１０は、本実施例におけるシステム制御ユニットが実行する制御フローチャートであり、図８は運転制御フローチャート、図９は燃料電池スタックの経時変化係数（ｓ）を算出するフローチャート、図１０はバッテリの経時変化係数（ｂ）を算出するフローチャートである。

図７において、本実施例の燃料電池システムは、図１の実施例１のシステムに対して、燃料電池スタック５を冷却する冷却能力が可変である燃料電池スタック冷却制御装置１１と、燃料電池スタック５の冷却水温度を検出するスタック冷却水温度検出手段１２と、バッテリ７を冷却する冷却能力が可変であるバッテリ冷却制御装置１３と、バッテリ７の冷却水温度を検出するバッテリ冷却水温度検出手段１４と、冷却水配管１５とが追加されている。その他の構成は、図１に示した実施例１と同様であるので、同じ構成要素には、同じ符号を付与して重複する説明を省略する。

尚、図示しないが、燃料電池スタック冷却制御装置１１と、バッテリ冷却制御装置１３とは、それぞれ独立に冷却能力を変更できるように構成してもよいが、本実施例では、燃料電池スタック冷却制御装置１１とバッテリ冷却制御装置１３とは、冷却水の熱を放熱するラジエータ及び冷却水ポンプ等を共有し、燃料電池スタック冷却制御装置１１とバッテリ冷却制御装置１３に対する冷却水の配分率を変化させることで、冷却能力を変化させている。

次に、実施例２における制御フローを図８乃至図１０を参照して説明する。図８は、通常運転時に実行される運転制御フローであり、システム制御ユニット１で一定時間毎に呼び出されて実行される。

図８において、先ず始めに、Ｓ６０において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ６２で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ６２の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ６４へ進み、燃料電池スタック５の経時変化係数（ｓ）とバッテリ７の経時変化係数（ｂ）とを呼び出す。これらの経時変化係数は、図３、図４を参照して後述する各経時変化係数算出ルーチンで算出され、システム制御ユニット１の内部に記憶されているものとする。

次いでＳ６６で、これら経時変化係数（ｓ）、経時変化係数（ｂ）を比較し、Ｓ６８で、これらの経時変化係数に応じて、燃料電池スタック５及びバッテリ７に供給する冷却水の配分率を決定する。

最後に、Ｓ７０で、この冷却水配分率で燃料電池スタック５及びバッテリ７へ冷却水を供給して燃料電池スタック冷却制御装置１１及びバッテリ冷却制御装置１３を運転して、メインルーチンへリターンする。

次に、図９を参照して、スタック経時変化係数（ｓ）の算出処理を説明する。
図９において、先ず始めに、Ｓ７２において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ７４で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ７４の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ７６へ進み、現在の燃料電池スタック５の電力−温度特性を検出する。この電力−温度特性は、燃料電池スタック５の出力電力に対するスタック冷却水温度検出手段１２で検出される燃料電池スタック５の温度として求められる。

次いでＳ７８で、予め記憶した設計上の燃料電池スタックの電力−温度特性を呼び出して、Ｓ８０で、現在の値を設計上の値で除算する。次いでＳ８２で、Ｓ８０で得られた値をスタック設計経時変化率とし、Ｓ８４でスタック設計経時変化率をスタックの経時変化係数（ｓ）とする。そして、Ｓ８６で経時変化係数（ｓ）をシステム制御ユニット内部の記憶装置に記憶する。

次いでＳ８８で、燃料電池起動から１回目の本ルーチン実行か否かを判定し、起動後１回目でなければ、本ルーチンを終了して、メインルーチンへリターンする。Ｓ８８の判定で、起動後１回目であれば、Ｓ９０へ進み、起動直後の燃料電池スタック５の出力電力に対する温度特性である電力−温度特性を検出し、Ｓ９２で、起動直後の電力−温度特性をシステム制御ユニット内部の記憶装置に記憶して、メインルーチンへリターンする。

次に、図１０を参照して、バッテリ経時変化係数（ｂ）の算出処理を説明する。
図１０において、先ず始めに、Ｓ１００において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ１０２で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ１０２の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ１０４へ進み、現在のバッテリ７の電力−温度特性を検出する。この電力−温度特性は、バッテリ７の出力電力に対するバッテリ冷却水温度検出手段１４で検出されるバッテリ７の温度として求められる。

次いでＳ１０６で、予め記憶した設計上のバッテリの電力−温度特性を呼び出して、Ｓ１０８で、現在の値を設計上の値で除算する。次いでＳ１１０で、Ｓ１０８で得られた値をバッテリ設計経時変化率とし、Ｓ１１２でバッテリ設計経時変化率をバッテリの経時変化係数（ｂ）とする。そして、Ｓ１１４で経時変化係数（ｂ）をシステム制御ユニット内部の記憶装置に記憶する。

次いでＳ１１６で、燃料電池起動から１回目の本ルーチン実行か否かを判定し、起動後１回目でなければ、本ルーチンを終了して、メインルーチンへリターンする。Ｓ１１６の判定で、起動後１回目であれば、Ｓ１１８へ進み、起動直後のバッテリ７の出力電力に対する温度特性である電力−温度特性を検出し、Ｓ１２０で、起動直後の電力−温度特性をシステム制御ユニット内部の記憶装置に記憶して、メインルーチンへリターンする。

以上説明した実施例２によれば、電力供給手段である燃料電池スタック及びバッテリにそれぞれ冷却能力が可変である冷却手段を備え、経時変化係数の変化が大きい電力供給手段の冷却手段の冷却能力を増加させるようにしたので、経時変化した電力供給手段の温度上昇を抑制し、電力供給手段の経時変化の進行を遅らせることが可能になる。

本実施例の構成は、図７に示した実施例２と同様である。図１１は、通常運転時に実行される運転制御フローであり、システム制御ユニット１で一定時間毎に呼び出されて実行される。本実施例は、電力供給手段である燃料電池スタックとバッテリの温度をそれぞれの温度検出手段で検出し、検出した温度が各電力供給手段の上限温度に達していれば、その電力供給手段からの取り出し電流を更に小さくなるように制限することを特徴としている。

図１１において、先ず始めに、Ｓ１２２において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ１２４で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ１２４の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ１２６へ進み、スタック冷却水温度検出手段１２から燃料電池スタック５の温度を読み込む。次いでＳ１２８で温度が所定の上限温度に達したか否かを判定し、所定の上限温度以上となっていれば、Ｓ１３０へ進み、燃料電池スタック５からの取り出し電流をさらに小さく制限して、本ルーチンを終了し、メインルーチンへリターンする。

Ｓ１２８の判定で、所定の上限温度に達していなければ、Ｓ１３２へ進み、バッテリ冷却水温度検出手段１４からバッテリ７の温度を読み込む。次いでＳ１３４で温度が所定の上限温度に達したか否かを判定し、所定の上限温度以上となっていれば、Ｓ１３６へ進み、バッテリ７からの取り出し電流をさらに小さく制限して、本ルーチンを終了し、メインルーチンへリターンする。

Ｓ１３４の判定で、所定の上限温度に達していなければ、Ｓ１３８へ進み、燃料電池スタック５の経時変化係数（ｓ）とバッテリ７の経時変化係数（ｂ）とを呼び出す。これらの経時変化係数は、実施例２の図９、図１０の各経時変化係数算出ルーチンで算出され、システム制御ユニット１の内部に記憶されているものとする。

次いでＳ１４０で、これら経時変化係数（ｓ）、経時変化係数（ｂ）を比較し、Ｓ１４２で、これらの経時変化係数に応じて、燃料電池スタック５及びバッテリ７から電力負荷であるモータインバータ２へ供給する電力の電力配分率を決定する。

経時変化係数（ｓ）、経時変化係数（ｂ）に基づく、電力配分率の決定方法の詳細例は、実施例１で説明したとおりである。

最後に、Ｓ１４４で、上記電力配分率で燃料電池スタック５及びバッテリ７からモータインバータ２へ供給する電力を制御するように電力配分制御ユニットを制御して、メインルーチンへリターンする。

本実施例では、電力と温度の特性から経時変化係数に応じて電力配分補正を行なうことで、出力抵抗の増加した電力供給手段から出力電流の取り出し量を制限し、熱に変わる電力を抑えることができる。その際に、温度検出手段が検出した電力供給手段の温度が運転上限温度付近に近づいた時には、その電力供給手段からの最大取り出し電流を低下させ、
運転上限温度付近に近づいた電力供給手段の保護と経時変化の進行を抑制することが可能になる。

本実施例の構成は、図７に示した実施例２と同様である。図１２は、通常運転時に実行される運転制御フローであり、システム制御ユニット１で一定時間毎に呼び出されて実行される。図１３は、燃料電池スタックの経時変化係数を算出するフローチャート、図１４はバッテリの経時変化係数を算出するフローチャートである。

本実施例の特徴は、各電力供給手段から取り出された電力量を積算して総電力量を算出し、この総電力量に従って各電力供給手段の経時変化が進行するものとしている。このため、各電力供給手段毎に積算した総電力量に基づいて、予め記憶した制御マップを参照して、経時変化係数を求め、この経時変化係数に応じた冷却水配分率により各電力供給手段の冷却制御装置を運転している。尚、この制御マップは、予め実験により求めた数値をマップ化して、システム制御ユニットの内部に記憶させておくものとする。

図１２において、先ず始めに、Ｓ１５０において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ１５２で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ１５２の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ１５４へ進み、燃料電池スタック５の経時変化係数（ｓ）とバッテリ７の経時変化係数（ｂ）とを呼び出す。これらの経時変化係数は、図３、図４を参照して後述する各経時変化係数算出ルーチンで算出され、システム制御ユニット１の内部に記憶されているものとする。

次いでＳ１５６で、これら経時変化係数（ｓ）、経時変化係数（ｂ）を比較し、Ｓ１５８で、これらの経時変化係数に応じて、燃料電池スタック５及びバッテリ７に供給する冷却水の配分率を決定する。

最後に、Ｓ１６０で、この冷却水配分率で燃料電池スタック５及びバッテリ７へ冷却水を供給して燃料電池スタック冷却制御装置１１及びバッテリ冷却制御装置１３を運転して、メインルーチンへリターンする。

次に、図１３を参照して、スタック経時変化係数（ｓ）の算出処理を説明する。
図１３において、先ず始めに、Ｓ１６２において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ１６４で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ１６４の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ１６６へ進み、現在迄の燃料電池スタック５からの取り出した総電力量を検出する。次いでＳ１６８で、予めシステム制御ユニット内に記憶した制御マップを呼び出して、総電力量で制御マップを検索し、Ｓ１７０で、制御マップから総電力量に対応する経時変化係数を読み出して、スタックの経時変化係数（ｓ）とする。次いでＳ１７２で、Ｓ１７０で得られた値を経時変化係数（ｓ）として、システム制御ユニット内部の記憶装置に記憶して、リターンする。

次に、図１４を参照して、バッテリ経時変化係数（ｂ）の算出処理を説明する。
図１４において、先ず始めに、Ｓ１７４において、システム制御ユニットは、キーＳＷの状態を読み込む。次いでＳ１７６で、キーＳＷの状態がオン（ＯＮ）かオフ（ＯＦＦ）かを判定する。オンでない場合は、そのままフローを抜けて何も行なわない。

Ｓ１７６の判定で、キーＳＷがオンの場合、Ｓ１７８へ進み、現在迄のバッテリ７からの取り出した総電力量を検出する。次いでＳ１８０で、予めシステム制御ユニット内に記憶した制御マップを呼び出して、総電力量で制御マップを検索し、Ｓ１８２で、制御マップから総電力量に対応する経時変化係数を読み出して、バッテリの経時変化係数（ｂ）とする。次いでＳ１８４で、Ｓ１８２で得られた値を経時変化係数（ｂ）として、システム制御ユニット内部の記憶装置に記憶して、リターンする。

キーＳＷがＯＮの状態のままなら再度図１２のフローを繰り返し、一時的に記憶した燃料電池スタックないしバッテリの経時変化係数を呼び出し、この経時変化係数を基に各電力供給手段に冷却水分配を行って冷却する。

本実施例によれば、各電力供給手段から取り出された電力の積算値である総電力量を経時変化係数として、この経時変化係数に応じて各電力供給手段を冷却する冷却装置の冷却能力を増加させ、経時変化した電力供給手段の温度上昇を抑制し、電力供給手段の経時変化の進行を遅らせることが可能になる。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施例５を説明する。実施例５のシステム構成は、図１に示した実施例１と同様である。電力供給手段である燃料電池スタック及びバッテリの経時変化係数の算出方法、及び経時変化数に基づく電力配分も同様である。

本実施例では、いずれかの電力供給手段の経時変化係数が所定限度に達するか所定限度を超えている場合、この電力供給手段における電力損失による発熱が著しく大きくなり、このまま運転を継続することに支障があるとして、この電力供給手段からの電力供給を停止する。そして、残った電力供給手段から電力負荷に電力供給することにより、最低限の運転を続けることが可能になる。

このため、システム制御ユニット１は、スタック制御ユニット６及びバッテリ制御ユニット８から状態信号を入力し、これら状態信号に基づいて、燃料電池スタック５及びバッテリ７の経時変化係数を算出する。そして、経時変化係数が予め記憶した所定値に達した場合、その電力供給手段は経時変化の限度に達したとして、システム制御ユニット１は、その電力供給手段からの電力供給を停止する。

電力供給手段から負荷への電力供給の停止には、システム制御ユニット１の指示により電力配分制御ユニット４が対象の電力供給手段の電力配分率を０に設定することにより達成される。

以上説明した本実施例によれば、経時変化係数が所定限度に達したか所定限度を超えた場合、その電力供給手段からの電力供給を停止させることにより、この電力供給手段の発熱を停止させ、システム機能を縮退した状態で運転を継続することができる。

図１５は、本発明に係る燃料電池システムの実施例６の構成を説明する構成図である。本実施例は、電力貯蔵手段としてバッテリとキャパシタとを備えた例である。

図１に示した実施例１との相違は、キャパシタ１５と、キャパシタ１６の充放電を制御すると共にキャパシタ１６の蓄電量（ＳＯＣ）を監視するキャパシタモニタ１６とが追加され、電力配分制御ユニット４は、燃料電池スタック５，バッテリ７及びキャパシタ１５の三つの電力供給手段から電力負荷であるモータインバータ２へ供給する電力の配分を制御することである。本実施例の場合、電力供給手段の数が３であるので、電力配分制御ユニット４は、３組のスイッチング回路と、３入力オワ回路と、平滑回路とを備えている。そして、電力配分制御ユニット４は、システム制御ユニット１からの指示された電力配分比率に従う相補的なデューティで各電力供給手段からの供給電流をスイッチングする。

各電力供給手段の経時変化係数の検出または算出方法は、上記各実施例において説明したのと同様の方法で、検出または算出することができる。また、通常運転における制御フローも上記各実施例と同様であるが、三種類の電力供給手段の経時変化係数に基づいて、各電力供給手段の電力配分率を制御し、電力損失の低減を行なう。

本実施例６においては、特に燃料電池スタックが発電を行なっていない状態で、残りの電力供給手段であるバッテリとキャパシタのみを使用した運転においても、バッテリとキャパシタとのそれぞれの経時変化状態を検出し、この経時変化係数に応じた電力配分を行うことにより、出力抵抗の増加した電力供給手段から電流の取り出し量を制限し、この電力供給手段の発熱を効果的に抑制して劣化の進行を抑制することができるという効果がある。

本発明に係る燃料電池システムの実施例１の構成を説明するシステム構成図である。 実施例１における運転制御動作を説明するフローチャートである。 実施例１における燃料電池スタックの経時変化係数算出動作を説明するフローチャートである。 実施例１におけるバッテリの経時変化係数算出動作を説明するフローチャートである。 比較例における運転時間に対する電力損失の経時変化を説明する図である。 実施例１における運転時間に対する電力損失の経時変化を説明する図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施例２の構成を説明するシステム構成図である。 実施例２における運転制御動作を説明するフローチャートである。 実施例２における燃料電池スタックの経時変化係数算出動作を説明するフローチャートである。 実施例２におけるバッテリの経時変化係数算出動作を説明するフローチャートである。 実施例３における運転制御動作を説明するフローチャートである。 実施例４における運転制御動作を説明するフローチャートである。 実施例４における燃料電池スタックの経時変化係数算出動作を説明するフローチャートである。 実施例４におけるバッテリの経時変化係数算出動作を説明するフローチャートである。 本発明に係る燃料電池システムの実施例６の構成を説明するシステム構成図である。

符号の説明

１…システム制御ユニット
２…電力負荷（モータインバータ）
３…モータ
４…電力配分制御ユニット
５…燃料電池スタック
６…スタック制御ユニット
７…バッテリ
８…バッテリ制御ユニット
９…電力ケーブル
１０…制御用ハーネス

Claims (11)

1. 燃料電池スタックと少なくとも一つの電力貯蔵手段とを電力供給手段として、これら何れの電力供給手段からも電力負荷へ電力供給可能な燃料電池システムにおいて、
   前記電力供給手段毎にそれぞれの経時変化の程度を示す経時変化係数を推定する経時変化係数推定手段と、
   該経時変化係数推定手段が推定した経時変化係数に基づいて、各電力供給手段毎の前記電力負荷に対する供給電力の配分を決定する電力配分制御手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電力配分制御手段は、
   前記電力負荷からの要求供給電力に対し、各電力供給手段の基本電力配分量を算出する基本配分量算出手段と、
   各電力供給手段の経時変化係数に基づいて前記基本電力配分量の補正を行なう電力配分量補正手段を備え、
   該電力配分量補正手段は、経時変化係数の変化が大きい電力供給手段からの電力配分量を低下させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記電力供給手段毎に冷却能力が可変である冷却装置を備え、
   前記経時変化係数の変化が大きい電力供給手段の冷却装置の冷却能力を増加させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記電力供給手段毎にその温度を検出する温度検出手段を備え、
   前記電力配分量補正手段は、前記電力供給手段の温度が上限温度以上になった場合には、前記電力供給手段の電力配分量を減少させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
5. 前記経時変化係数推定手段は、
   各電力供給手段の温度と各電力供給手段の送電電力である仕事率とに基づいて仕事率当たりの温度変化率を算出し、仕事率当たりの温度変化率を経時変化係数として推定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
6. 前記経時変化係数推定手段は、
   各電力供給手段の電圧と電流の特性から得られた出力抵抗値に基づいて前記経時変化係数を推定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
7. 前記経時変化係数推定手段は、
   各電力供給手段の開放電圧を初期開放電圧で除算して前記経時変化係数とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
8. 前記経時変化係数推定手段は、
   各電力供給手段を構成する基本単位毎の電圧の最低値または平均値をそれぞれの初期電圧で除算して前記経時変化係数とすることを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
9. 前記経時変化係数推定手段は、
   各電力供給手段から取り出した電力の積算値である総電力量に基づいて、それぞれの電力供給手段の前記経時変化係数を推定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
10. 前記電力供給手段の経時変化係数が所定限度に達したか所定限度を超えた場合、その電力供給手段から負荷への電力供給を停止することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
11. 前記電力供給手段として二種類以上の電力貯蔵手段を備え、
    前記電力配分制御手段は、燃料電池スタックから電力負荷へ電力供給しない場合に、各電力貯蔵手段の経時変化係数に応じて、前記電力負荷に対する供給電力の配分を決定することを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。

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