JP2018073677A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の電力超過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。【解決手段】本発明は、燃料電池１１と燃料電池１１と並列に接続された二次電池１６とを備えた燃料電池システム１０であって、燃料電池１１から二次電池１６へ電力を充電し、二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐに制限か掛かった場合、二次電池１６は、制限が掛かる前の二次電池１６の電力よりも高く、充電許可電力Ｐ１６ｐよりも高い電力で充電される、ことを特徴とする燃料電池システムである。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムの電力制御方法に関するものであり、特に、二次電池の電力超過を抑制することが可能な燃料電池システムに関する。

燃料電池を高効率で運転させるためには、燃料電池の内部水分量の管理を最適に行う必要がある。燃料電池の内部水分量は、燃料電池のインピーダンスと相関関係があり、交流インピーダンス法により燃料電池のインピーダンスを測定し、間接的に燃料電池内部の水分状態を把握することが行われている。

特許文献１には、振幅を周期的に変化させた交流電流を燃料電池に印加し、前述の交流インピーダンス法によって、燃料電池のインピーダンスを測定することが開示されている。

特開２０１４−２３５７８０号公報

前述の交流インピーダンス法によると、燃料電池の電流振幅が周期的に変化するので、それに伴って、二次電池の電流振幅及び電力振幅も周期的に変化する。二次電池の電力振幅が周期的に変化し二次電池の充電許可電力を超過すると、二次電池が劣化するという問題があった。例えば、リチウムイオンニ次電池の場合、Ｌｉ（リチウム）が析出して二次電池が劣化する。

尚、明細書中、充電許可電力を超過するとは、二次電池の電力が充電許可電力以下となることとする。また、充電許可電力が超過しないとは、二次電池の電力が充電許可電力よりも高くなることとする。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、二次電池の電力超過を抑制することが可能な燃料電池システムの電力制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、
燃料電池と前記燃料電池と並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池システムであって、
前記燃料電池から前記二次電池へ電力を充電し、前記二次電池の充電許可電力に制限か掛かった場合、
前記二次電池は、前記制限が掛かる前の前記二次電池の電力よりも高く、前記充電許可電力よりも高い電力で充電される、
ことを特徴とする燃料電池システムである。
このような燃料電池システムによれば、二次電池は、充電許可電力よりも高い電力で充電されるので、二次電池に掛かる負荷を低減し、二次電池が劣化することを抑制することができる。

本発明によれば、二次電池の電力超過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ができる。

実施形態に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。 実施形態に係る燃料電池システムのコントローラを例示するブロック図である。 実施形態に係る燃料電池システムのコントローラの制御フローを例示するフローチャートである。 （Ａ）は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の発電電力を例示するグラフである。（Ｂ）は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の電流を例示するグラフである。（Ｃ）は、実施形態に係る燃料電池システムの二次電池の電力及び充電許可電力を例示するグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図面において、同一又は対応する要素には同一の符号が付されており、説明の明確化のため、必要に応じて重複説明を省略する。

［実施形態］
先ず、実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。
図１は、実施形態に係る燃料電池システムを例示するブロック図である。

図１に示すように、実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池１１とＦＤＣ(Fuel cell Direct current Converter)１２とＰＣＵ(Power control Unit)１３とエアーコンプレッサ１４と回転電機１５ａと回転電機１５ｂと二次電池１６とコントローラ１７とを備える。ＦＤＣ１２は、燃料電池１１とＰＣＵ１３との間に設けられ、ＰＣＵ１３は、ＦＤＣ１２と二次電池１６との間に設けられる。燃料電池１１と二次電池１６とは並列に接続される。ＦＤＣ１２は、燃料電池１１のインピーダンスを測定するため、燃料電池１１に交流電流を印加する。

尚、二次電池を二次バッテリーと称することもある。また、二次電池は、充放電可能な電池であり、例えば、リチウム二次電池である。エアーコンプレッサ１４は、ＡＣＰ(Air ComPressor)と称することもあり、回転電機は、ＭＧ(Moter Generator)と称することもある。

燃料電池１１は、複数の燃料電池セルを積層して構成される。複数の燃料電池セルのそれぞれのアノード電極には、水素を含有するアノードガス（燃料ガス）が供給され、燃料電池セルのカソード電極には、酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）が供給される。そして、アノードガスとカソードガスとが反応して電力が発生する。

ＦＤＣ１２は、昇圧ＩＰＭ(Intelligent Power Module)１２１とダイオードＤ１とコンデンサＣ１とコンデンサＣ２とを有する。昇圧ＩＰＭ１２１は、入力された電圧Ｖ１１を昇圧する。昇圧ＩＰＭ１２１は、燃料電池１１の電圧変換を行う。昇圧ＩＰＭ１２１からＰＣＵ１３へ繋がる回路には、二次電池１６からの電流が燃料電池１１に流れるのを防ぐためのダイオードＤ１が設けられる。昇圧ＩＰＭ１２１の入力側には、燃料電池１１から出力される電圧を平滑化するためのコンデンサＣ１が設けられる。昇圧ＩＰＭ１２１の出力側には、昇圧ＩＰＭ１２１から出力される電圧を平滑化するためのコンデンサＣ２が設けられる。

ＰＣＵ１３は、ＩＰＭ(Intelligent Power Module)１３１と昇圧ＩＰＭ１３２とリアクトルＬ１とコンデンサＣ３とコンデンサＣ４とを有する。ＩＰＭ１３１は、昇圧ＩＰＭ１２１及び昇圧ＩＰＭ１３２とそれぞれ直列に接続される。昇圧ＩＰＭ１３２は、昇圧ＩＰＭ１２１と並列に接続される。

ＩＰＭ１３１は、昇圧ＩＰＭ１３２の出力電圧である電圧ＶＨ(Voltage high)を、ＡＣＰ１４、回転電機１５ａ及び回転電機１５ｂのそれぞれに必要とされる電圧に変換し供給する。昇圧ＩＰＭ１３２は、二次電池１６の充電中は、電圧ＶＨを電圧ＶＬ(Voltage Low)に変換して二次電池１６に供給する。昇圧ＩＰＭ１３２は、二次電池１６の放電中は、電圧ＶＬを電圧ＶＨに変換する。

ＩＰＭ１３１の入力側には、昇圧ＩＰＭから出力される電圧を平滑化するためのコンデンサＣ３が設けられる。昇圧ＩＰＭ１３２の入力側には、二次電池１６から出力される電圧を平滑化するためのコンデンサＣ４が設けられる。また、コンデンサＣ１、コンデンサＣ３及びコンデンサＣ４には、各コンデンサの電圧を検出する電圧センサ（不図示）がそれぞれ設けられている。

ＡＣＰ１４は、ＩＰＭ１３１から供給された電力に応じて回転電機１５ａ及び回転電機１５ｂを駆動させ、また、発電に使用する酸素（空気）を燃料電池１１に供給する。

回転電機１５ａは、例えば、車両の車輪を駆動するモータである。ＩＰＭ１３１から供給された電力により、回転電機１５ａが動作する。回転電機１５ｂは、回転電機１５ａとは別の回転電機である。回転電機１５ｂも回転電機１５ａと同様に、ＩＰＭ１３１から供給された電力により動作する。

コントローラ１７は、その内部に信号処理を行うＣＰＵと、プログラムや制御データを格納する記憶部と、を有する。コントローラ１７は、燃料電池１１、昇圧ＩＰＭ１２１、ＩＰＭ１３１、昇圧ＩＰＭ１３２、エアーコンプレッサ１４、回転電機１５ａ、回転電機１５ｂ及び二次電池１６にそれぞれ接続され、それらを制御する。コンデンサＣ１、Ｃ３及びＣ４の電圧センサ（不図示）は、それぞれがコントローラ１７に接続される。各電圧センサの検出信号がコントローラ１７に入力されるように接続される。

燃料電池１１から二次電池１６へ電力を充電し、後述する二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐに制限か掛かった場合、二次電池１６は、制限が掛かる前の二次電池１６の電力よりも高く、充電許可電力Ｐ１６ｐよりも高い電力で充電されることを要求する。また、燃料電池１１は、要求された電力で二次電池１６を充電する。この要求は、コントローラ１７を介して行われてもよい。

図２は、実施形態に係る燃料電池システムのコントローラを例示するブロック図である。
図３は、実施形態に係る燃料電池システムのコントローラの制御フローを例示するフローチャートである。

図２に示すように、コントローラ１７は、処理部１７０を有する。処理部１７０は、第１演算１７１と第２演算１７２とを有する。処理部１７０は、実施形態に係る燃料電池システム１０の電力制御方式に関する演算を行う。そして、処理部１７０の出力であって後述する補正電力Ｐ１６ｈにより、充電要求電力Ｐ１６ｒを補正する。

図２及び図３に示すように、先ず、ＦＤＣ１２が燃料電池１１に周波数ｆの交流電流を印加して、燃料電池１１のインピーダンスＺ１１を測定する（ステップＳ１０１）。次に、燃料電池１１の出力端での電流振幅値Ｉ１１を求める（ステップＳ１０２）。具体的には、コンデンサＣ１の電圧センサの値を燃料電池１１の電圧Ｖ１１とした場合、電流振幅値Ｉ１１は、電圧Ｖ１１をインピーダンスＺ１１で割った値である。尚、電流振幅値を、単に、電流と称することもある。

コンデンサのインピーダンスは、コンデンサの容量及び周波数から求めることができる。また、リアクトルのインピーダンスは、リアクトルのインダクタンス及び周波数から求めることができる。よって、燃料電池１１の出力端の電流振幅値Ｉ１１と周波数ｆが分かれば、それらと、リアクトルＬ１、コンデンサＣ１〜Ｃ４、抵抗のインピーダンスから、電気回路的に、二次電池１６の端での電流振幅値Ｉ１６を推定することができる。

このようにして、第１演算１７１において、周波数ｆ、燃料電池１１の電流振幅値Ｉ１１を引数として、二次電池１６の充電時における電流振幅値Ｉ１６を推定する（ステップＳ１０３）。

次に、二次電池１６の電流振幅値Ｉ１６から二次電池１６の電力Ｐ１６を求める（ステップＳ１０４）。具体的には、コンデンサＣ４の電圧センサの値を二次電池１６の電圧Ｖ１６とした場合、電力Ｐ１６は、電圧Ｖ１６と推定した電流振幅値Ｉ１６とを掛け算した値である。

次に、二次電池１６の電力Ｐ１６と二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐとに基づいて、二次電池１６の偏差電力Ｐ１６ｓを求める（ステップＳ１０５）。二次電池の偏差電力Ｐ１６ｓは、二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐから二次電池１６の電力Ｐ１６を引いた値である。充電許可電力Ｐ１６ｐとは、二次電池１６に対して充電を許可する電力である。二次電池１６は、充電許可電力Ｐ１６ｐよりも小さな電力で充電した場合、劣化する。二次電池１６は、充電許可電力Ｐ１６ｐよりも大きな電力で充電することが好ましい。

次に、第２演算１７２において、二次電池１６の電力Ｐ１６と二次電池１６の電流振幅値Ｉ１６と二次電池１６の偏差電力Ｐ１６ｓとに基づいて、二次電池１６の補正電力Ｐ１６ｈを求める（ステップＳ１０６）。二次電池１６の電力Ｐ１６が、二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐよりも大きな電力となるように、補正電力Ｐ１６ｈを求める。第２演算１７２からは、補正電力Ｐ１６ｈが出力される。

次に、二次電池１６の補正電力Ｐ１６ｈにより、二次電池１６の充電要求電力Ｐ１６ｒを補正した補正後充電要求電力Ｐ１６ｔを求める（ステップＳ１０７）。具体的には、補正後充電要求電力Ｐ１６ｔは、充電要求電力Ｐ１６ｒから補正電力Ｐ１６ｈを引いた値である。

次に、駆動モータ要求電力Ｐｍとエアーコンプレッサ駆動電力Ｐａと燃料電池補機駆動電力Ｐｆと補正後充電要求電力Ｐ１６ｔとに基づいて、燃料電池１１に対する要求電力Ｐ１１ｒを求める（Ｓ１０８）。具体的には、燃料電池１１に対する要求電力Ｐ１１ｒは、駆動モータ要求電力Ｐｍとエアーコンプレッサ駆動電力Ｐａと燃料電池補機駆動電力Ｐｆと補正後充電要求電力Ｐ１６ｔとを加算した値である。

実施形態に係る燃料電池システムの効果について説明する。
図４（Ａ）は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の発電電力を例示するグラフである。図４（Ａ）の横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池の発電電力を示す。
図４（Ｂ）は、実施形態に係る燃料電池システムの燃料電池の電流を例示するグラフである。図４（Ｂ）の横軸は時間を示し、縦軸は燃料電池の電流を示す。
図４（Ｃ）は、実施形態に係る燃料電池システムの二次電池の電力及び充電許可電力を例示するグラフである。図４（Ｃ）の横軸は時間を示し、縦軸は二次電池の電力及び充電許可電力を示す。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に実施形態とその比較例を示す。比較例に係る燃料電池システムは、図２に示す処理部１７０が無く、それに伴って図３に示すステップＳ１０３、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７が無い。

図４（Ｃ）に示すように、時刻Ｔｗにおいて、二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐが、階段状に電力ΔＰだけ増加する場合について説明する。
尚、電力ΔＰだけ増加することを、充電許可電力Ｐ１６ｐが制限されると称することもある。

時刻Ｔｗにおいて充電許可電力Ｐ１６ｐが電力ΔＰだけ増加すると、二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐから電力Ｐ１６を引いた値である二次電池の偏差電力Ｐ１６ｓは、電力ΔＰだけ増加する。

この増加した電力ΔＰに応じて、処理部１７０（第２演算１７２）から出力される補正電力Ｐ１６ｈも変化する。電力ΔＰの増加に伴って、補正電力Ｐ１６ｈは、電力ΔＰｈだけ増加する。ただし、補正電力Ｐ１６ｈの変化量を電力ΔＰｈとした。

二次電池１６の充電要求電力Ｐ１６ｒから補正電力Ｐ１６ｈを引いた値である補正後充電要求電力Ｐ１６ｔは、電力ΔＰｈだけ減少する。補正後充電要求電力Ｐ１６ｔが電力ΔＰｈだけ減少するので、駆動モータ要求電力Ｐｍとエアーコンプレッサ駆動電力Ｐａと燃料電池補機駆動電力Ｐｆと補正後充電要求電力Ｐ１６ｔとを加算した値である燃料電池１１に対する要求電力Ｐ１１ｒは、電力ΔＰｈだけ減少する。すなわち、燃料電池１１に対する要求電力Ｐ１１ｒは、電力ΔＰｈだけ低下する。

従って、図４（Ａ）に示すように、時刻Ｔｗ以降において、実施形態に係る燃料電池１１の発電電力は、比較例に係る燃料電池の発電電力よりも低下する。同様に、図４（Ｂ）に示すように、時刻Ｔｗ以降において、実施形態に係る燃料電池１１の電流振幅値Ｉ１１は、比較例に係る燃料電池の電流よりも低下する。

図４（Ｃ）に示すように、時刻Ｔｗ以降において、実施形態に係る二次電池１６の電力Ｐ１６は、比較例に係る二次電池の電力よりも高くなる。比較例に係る二次電池の電力は、領域Ｓ１及び領域Ｓ２に示すように、充電許可電力Ｐ１６ｐよりも低い場合がある。実施形態に係る二次電池１６の電力Ｐ１６は、充電許可電力Ｐ１６ｐよりも高く、領域Ｓ１及び領域Ｓ２のような充電許可電力Ｐ１６ｐよりも低い場合がなく、比較例と比べて改善している。

実施形態に係る燃料電池システムにおいては、二次電池１６の電力Ｐ１６が大きい場合、二次電池１６の充電許可電力Ｐ１６ｐが制限される（上昇する）と予測し、充電要求電力Ｐ１６ｒに補正電力Ｐ１６ｈを上乗せする。

これにより、二次電池１６の電力Ｐ１６の充電許可電力Ｐ１６ｐに対する超過量が低減し、二次電池１６に掛かる負荷を低減することができる。その結果、二次電池の電力超過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ができる。

また、実施形態によれば、二次電池がリチウムイオン二次電池の場合、リチウムの析出を抑制し、二次電池の劣化を抑制することができる。

また、二次電池は、リチウムイオン二次電池に限定されず、その他の充放電可能な二次電池を使用することも可能である。

また、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０…燃料電池システム １１…燃料電池 １２…ＦＤＣ １３…ＰＣＵ １４…エアーコンプレッサ １５ａ、１５ｂ…回転電機 １６…二次電池 １７…コントローラ １２１、１３２…昇圧ＩＰＭ １３１…ＩＰＭ １７０…処理部 １７１…第１演算 １７２…第２演算 Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４…コンデンサ Ｄ１…ダイオード ｆ…周波数 Ｉ１１、Ｉ１６…電流振幅値 Ｌ１…リアクトル Ｐ１１ｒ…要求電力 Ｐ１６…電力 Ｐ１６ｈ…補正電力 Ｐ１６ｐ…充電許可電力 Ｐ１６ｒ…充電要求電力 Ｐ１６ｓ…偏差電力 Ｐ１６ｔ…補正後充電要求電力 Ｐａ…エアーコンプレッサ駆動電力 Ｐｆ…燃料電池補機駆動電力 Ｐｍ…駆動モータ要求電力 Ｔｗ…時刻 Ｖ１１、Ｖ１６、ＶＨ、ＶＬ…電圧 Ｚ１１、Ｚ１６…インピーダンス ΔＰ…電力 ΔＰｈ…電力 Ｓ１、Ｓ２…領域

Claims (1)

1. 燃料電池と前記燃料電池と並列に接続された二次電池とを備えた燃料電池システムであって、
   前記燃料電池から前記二次電池へ電力を充電し、前記二次電池の充電許可電力に制限か掛かった場合、
   前記二次電池は、前記制限が掛かる前の前記二次電池の電力よりも高く、前記充電許可電力よりも高い電力で充電される、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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