JP5167026B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

この発明は、電力源としての燃料電池を有する燃料電池システムに関する。より詳細には、燃料電池の出力制御により燃料電池の劣化防止を実現可能な燃料電池システムに関する。

環境に優しい電力源として、水素ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池が知られている。燃料電池については、その長寿命化（劣化防止）を目的とする技術が開発されている（特許文献１、２）。

特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池の劣化を防止するため、燃料電池の反応温度を検出し、許容し得る最低電圧の閾値を前記反応温度により設定する。そして、燃料電池のモニタ電圧が、前記閾値より低い場合、燃料電池から負荷に供給する電流を制限する（特許文献１の要約参照）。

また、特許文献２のシステムでは、燃料電池を保護しながら、発電効率を高いレベルで維持するため、燃料電池の複数のセルのうち最も発電電圧が低いセルの電圧（最低セル電圧）を特定し、最低セル電圧に応じて燃料電池の出力を制御する（特許文献２の要約参照）。

特開平７−２７２７３６号公報 特開２００４−１７２０５５号公報

特許文献１、２に記載されたシステムでは、燃料電池の保護が図られているものの未だ改善の余地がある。

この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、燃料電池の劣化をより好適に防止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。

この発明に係る燃料電池システムは、膜・電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサと、前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池の出力を制御する出力制御器とを備えるものであって、前記出力制御器は、前記燃料電池の温度と発電電圧との関係上で前記膜・電極接合体の劣化抑制領域及び劣化領域を規定し、前記劣化抑制領域及び前記劣化領域を用いて、前記燃料電池の各温度における電圧上限閾値を設定し、前記燃料電池の発電電圧が前記電圧上限閾値以下となるように、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の温度に応じて電圧上限閾値を設定し、燃料電池の発電電圧が前記電圧上限閾値以下となるように、燃料電池の出力を制限する。燃料電池の劣化は、その発電電圧に影響されるため、上記構成により、燃料電池の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、燃料電池の発電電圧を過度に抑制する必要がなくなることから、燃料電池の出力応答性を高く設定することが可能となる。

この発明に係る燃料電池システムは、膜・電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池の発電電流を検出する電流センサと、前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池の出力を制御する出力制御器とを備えるものであって、前記出力制御器は、前記燃料電池の温度と発電電圧との関係上で前記膜・電極接合体の劣化抑制領域及び劣化領域を規定し、前記劣化抑制領域及び前記劣化領域を用いて、前記燃料電池の各温度における電圧上限閾値を設定し、これら電圧上限閾値を前記燃料電池の電流−電圧特性に適用することで電流下限閾値を求め、前記燃料電池の発電電流が前記電流下限閾値以上となるように、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の温度に応じて電流下限閾値を設定し、燃料電池の発電電流が前記電流下限閾値以上となるように、燃料電池の出力を制限する。燃料電池の電流―電圧特性より、燃料電池の発電電流と発電電圧との間には対応関係がある。このため、上記構成により、燃料電池の温度に応じた燃料電池の出力電圧の制限が可能となる。燃料電池の劣化は、その発電電圧に影響されることから、上記構成により、燃料電池の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、燃料電池の発電電圧を過度に抑制する必要がなくなることから、燃料電池の出力応答性を高く設定することが可能となる。

この発明に係る燃料電池システムは、膜・電極接合体を備える燃料電池と、前記燃料電池の発電電力を測定する電力測定器と、前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、前記燃料電池の出力を制御する出力制御器とを備えるものであって、前記出力制御器は、前記燃料電池の温度と発電電圧との関係上で前記膜・電極接合体の劣化抑制領域及び劣化領域を規定し、前記劣化抑制領域及び前記劣化領域を用いて、前記燃料電池の各温度における電圧上限閾値を設定し、これら電圧上限閾値を前記燃料電池の電流−電圧特性に適用することで電力下限閾値を求め、前記燃料電池の発電電力が前記電力下限閾値以上となるように、前記燃料電池の出力を制限することを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池の温度に応じて電力下限閾値を設定し、燃料電池の発電電力が前記電力下限閾値以上となるように、燃料電池の出力を制限する。燃料電池の電流―電圧特性より、燃料電池の発電電流と発電電圧との間には対応関係があるため、発電電流と発電電圧の積である発電電力と発電電圧との間にも対応関係がある。このため、上記構成により、燃料電池の温度に応じた燃料電池の出力電圧の制限が可能となる。燃料電池の劣化は、その発電電圧に影響されることから、上記構成により、燃料電池の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、燃料電池の発電電圧を過度に抑制する必要がなくなることから、燃料電池の出力応答性を高く設定することが可能となる。

前記出力制御器は、前記燃料電池システムの補機の消費電力を増加させることにより、前記燃料電池の出力を制限してもよい。

また、前記燃料電池システムは、さらに、蓄電装置と、前記燃料電池と前記蓄電装置との間に配置され、前記燃料電池から前記蓄電装置への供給電力を制御する供給電力制御器とを備え、前記出力制御器は、前記供給電力制御器を介して前記燃料電池から前記蓄電装置への供給電力を増加させることにより、前記燃料電池の出力を制限してもよい。

前記燃料電池システムは、さらに、負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された第２電力源と、前記第２電力源の出力電圧を変圧して前記負荷に印加するＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、前記出力制御器は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧比を減少させ、前記燃料電池の発電電流を増加させることにより、前記燃料電池の出力を制限してもよい。

この発明によれば、燃料電池の出力を制限するための電圧上限閾値を、燃料電池の温度に応じて設定し、燃料電池の発電電圧が前記電圧上限閾値以下となるように、燃料電池の出力を制限する。燃料電池の劣化は、その発電電圧に影響されるため、上記構成により、燃料電池の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、燃料電池の発電電圧を過度に抑制する必要がなくなることから、燃料電池の出力応答性を高く設定することが可能となる。

また、この発明によれば、燃料電池の出力を制限するための電流下限閾値を、燃料電池の温度に応じて設定し、燃料電池の発電電流が前記電流下限閾値以上となるように、燃料電池の出力を制限する。燃料電池の電流―電圧特性より、燃料電池の発電電流と発電電圧との間には対応関係がある。このため、上記構成により、燃料電池の温度に応じた燃料電池の出力電圧の制限が可能となる。燃料電池の劣化は、その発電電圧に影響されることから、上記構成により、燃料電池の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、燃料電池の発電電圧を過度に抑制する必要がなくなることから、燃料電池の出力応答性を高く設定することが可能となる。

さらに、この発明によれば、燃料電池の出力を制限するための電力下限閾値を、燃料電池の温度に応じて設定し、燃料電池の発電電力が前記電力下限閾値以上となるように、燃料電池の出力を制限する。燃料電池の電流―電圧特性より、燃料電池の発電電流と発電電圧との間には対応関係があるため、発電電流と発電電圧の積である発電電力と発電電圧との間にも対応関係がある。このため、上記構成により、燃料電池の温度に応じた燃料電池の出力電圧の制限が可能となる。燃料電池の劣化は、その発電電圧に影響されることから、上記構成により、燃料電池の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、燃料電池の発電電圧を過度に抑制する必要がなくなることから、燃料電池の出力応答性を高く設定することが可能となる。

Ａ．一実施形態
以下、この発明の一実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両について図面を参照して説明する。

１．燃料電池車両１０の構成
（１）全体構成
図１は、この発明の一実施形態に係る燃料電池システム（以下「ＦＣシステム１２」と称する。）を搭載した燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」と称する。）の回路図である。ＦＣ車両１０は、ＦＣシステム１２に加え、モータユニット２０を有する。ＦＣシステム１２は、ＦＣユニット４０と、バッテリユニット６０と、統合制御部８０｛以下「統合ＥＣＵ８０」（ＥＣＵ：Electric Control Unit）と称する。｝とを有する。

モータユニット２０は、ＦＣ車両１０の力行時には、走行用のモータ２２を用いてＦＣ車両１０の走行駆動力を生成し、ＦＣ車両１０の回生時には、モータ２２が発生した回生電力（モータ回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリユニット６０及び補機１４に供給する。補機１４は、モータユニット２０とＦＣユニット４０の間に配置されており、例えば、ＦＣユニット４０やバッテリユニット６０で用いられる冷却ポンプ（図示せず）を含む。

ＦＣユニット４０は、ＦＣ車両１０の力行時には、モータユニット２０に対して燃料電池４２（以下「ＦＣ４２」と称する。）が発生した電力（ＦＣ出力電力Ｐｆｃ）［Ｗ］を供給し、ＦＣ車両１０の回生時には、ＦＣ出力電力Ｐｆｃをバッテリユニット６０及び補機１４に供給する。

バッテリユニット６０は、ＦＣ車両１０の力行時には、エネルギストレージである蓄電装置６２（以下「バッテリ６２」と称する。）からの電力（バッテリ出力電力Ｐｂａｔ）［Ｗ］をモータユニット２０に対して供給し、ＦＣ車両１０の回生時には、モータ回生電力Ｐｒｅｇ及びＦＣ出力電力Ｐｆｃをバッテリ６２に蓄電する。

統合ＥＣＵ８０は、モータユニット２０、ＦＣユニット４０及びバッテリユニット６０を制御する。詳細については後述する。

（２）モータユニット２０
モータユニット２０は、モータ２２に加え、パワー・ドライブ・ユニット２４（以下「ＰＤＵ２４」と称する。）と、減速機２６と、シャフト２８と、車輪３０と、モータ制御部３２（以下「モータＥＣＵ３２」と称する。）とを備える。

ＰＤＵ２４は、ＦＣ車両１０の力行時において、ＦＣ４２からの出力電流（ＦＣ出力電流Ｉｆｃ）［Ａ］及びバッテリ６２からの出力電流（バッテリ出力電流Ｉｂａｔ）［Ａ］とを直流／交流変換し、モータ２２を駆動する電流（モータ駆動電流Ｉｍｄ）［Ａ］としてモータ２２に供給する。このモータ駆動電流Ｉｍｄの供給に伴うモータ２２の回転は、減速機２６、シャフト２８を通じて車輪３０に伝達される。

また、ＰＤＵ２４は、ＦＣ車両１０の回生時において、モータ２２からの回生電流（モータ回生電流Ｉｍｒ）［Ａ］を交流／直流変換し、バッテリ充電電流Ｉｂｃとしてバッテリユニット６０に供給する。このバッテリ充電電流Ｉｂｃの供給によりバッテリ６２が充電される。なお、バッテリ充電電流Ｉｂｃは、補機１４及び後述する補機７９に供給してもよい。

（３）ＦＣユニット４０
ＦＣユニット４０は、ＦＣ４２に加え、水素タンク４４と、エアコンプレッサ４６と、ＦＣ制御部４８（以下「ＦＣ ＥＣＵ４８」と称する。）と、逆流防止用ダイオード５０と、電圧センサユニット５２と、温度センサユニット５４と、電圧センサ５６と、電流センサ５８とを有する。

ＦＣ４２は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセル４２ａを積層したスタック構造にされている。ＦＣ４２には、水素タンク４４とエアコンプレッサ４６が配管により接続されている。水素タンク４４内の加圧水素は、ＦＣ４２のアノード電極に供給される。また、エアコンプレッサ４６により空気がＦＣ４２のカソード電極に供給される。水素タンク４４及びエアコンプレッサ４６の動作は、ＦＣ ＥＣＵ４８により制御される。ＦＣ４２内で反応ガスである水素（燃料ガス）と空気（酸化剤ガス）の電気化学反応によりＦＣ出力電流Ｉｆｃが生成される。ＦＣ出力電流Ｉｆｃは、電流センサ５８及び逆流防止用ダイオード５０を介し、ＦＣ車両１０の力行時には補機１４及びＰＤＵ２４に供給され、回生時には補機１４及びバッテリユニット６０に供給される。

電圧センサユニット５２は、ＦＣ４２の各セル４２ａの発電電圧（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）［Ｖ］を測定する複数の電圧センサを備える。温度センサユニット５４は、各セル４２ａの温度（セル温度Ｔｃｅｌｌ）［℃］を測定する複数の温度センサを備える。電圧センサ５６は、ＦＣ４２の各セル４２ａのセル電圧Ｖｃｅｌｌの和としてのＦＣ４２の出力電圧（ＦＣ出力電圧Ｖｆｃ）［Ｖ］を検出する。電流センサ５８は、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを検出する。

（４）バッテリユニット６０
バッテリユニット６０は、バッテリ６２に加え、電圧センサ６４、６６と、電流センサ６８、７０と、バッテリ制御部７２（以下「バッテリＥＣＵ７２」と称する。）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４と、コンバータ制御部７６（以下「コンバータＥＣＵ７６」と称する。）とを有する。

バッテリ６２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の１次側１Ｓに接続されており、例えばリチウムイオン２次電池やニッケル水素２次電池又はキャパシタを利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。電圧センサ６４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を検出し、通信線８２に出力する。電圧センサ６６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］を検出し、通信線８２に出力する。電流センサ６８は、１次側１Ｓの電流（１次電流Ｉ１）を検出し、通信線８２に出力する。電流センサ７０は、２次側２Ｓの電流（２次電流Ｉ２）を検出し、通信線８２に出力する。

バッテリＥＣＵ７２は、バッテリ６２の温度［℃］や電圧（バッテリ出力電圧Ｖｂａｔ）［Ｖ］などを監視し、異常を検出した場合には、充放電の制限や停止によりバッテリ６２を保護する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７４は、いわゆるチョッパ方式の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータであり、ＦＣ車両１０の力行時には、１次電圧Ｖ１を昇圧して２次側２Ｓに供給し、回生時には、２次電圧Ｖ２を降圧して１次側１Ｓに供給する。すなわち、モータ２２が発生した回生電圧（モータ回生電圧Ｖｒｅｇ）［Ｖ］又はＦＣ４２のＦＣ出力電圧Ｖｆである２次電圧Ｖ２がＤＣ／ＤＣコンバータ７４により低電圧に変換された１次電圧Ｖ１によりバッテリ６２を充電する。

コンバータＥＣＵ７６は、統合ＥＣＵ８０からの指令並びに電圧センサ６４、６６及び電流センサ５８、６８、７０の検出値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４を制御する。コンバータＥＣＵ７６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の制御を介してＦＣ出力電流Ｉｆを制御することができる。

バッテリ６２とＤＣ／ＤＣコンバータ７４の間には、ダウンバータ７８及び補機７９が接続されている。補機７９には、例えば、ライト、パワーウインド、ワイパー用電動機が含まれる。

（５）統合ＥＣＵ８０
統合ＥＣＵ８０は、モータ２２の要求電力（モータ要求電力Ｐｍｒ＿ｒｅｑ）［Ｗ］やＦＣユニット４０（エアコンプレッサ４６等）の要求電力、補機１４、７９の要求電力に基づいて、モータＥＣＵ３２、ＦＣ ＥＣＵ４８、バッテリＥＣＵ７２及びコンバータＥＣＵ７６を制御する（詳細は後述する。）。

統合ＥＣＵ８０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、タイマの他、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェース、並びに、必要に応じてＤＳＰ（Digital Signal Processor）等を有している（図１では特にメモリ８０ａを示している。）。モータＥＣＵ３２、ＦＣ ＥＣＵ４８、バッテリＥＣＵ７２及びコンバータＥＣＵ７６も同様である。

統合ＥＣＵ８０と、モータＥＣＵ３２、ＦＣ ＥＣＵ４８、バッテリＥＣＵ７２及びコンバータＥＣＵ７６とは、車内ＬＡＮであるＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信線８２を通じて相互に接続されている。これらの制御部は、各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を共有し、これら各種スイッチ及び各種センサからの入出力情報を入力として各ＣＰＵが各ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することにより各種機能を実現する。

（６）その他
車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、上述した電圧センサ５６、６４、６６、電流センサ５８、６８、７０の他、通信線８２に接続されるイグニッションスイッチ９０、アクセルセンサ９２、ブレーキセンサ９４、及び車速センサ９６等がある。

２．各種制御／処理
（１）統合ＥＣＵ８０における処理の概要
統合ＥＣＵ８０は、モータ要求電力Ｐｍｒ＿ｒｅｑ、ＦＣユニット４０の要求電力、補機１４、７９の要求電力に応じてＦＣ車両１０全体での要求電力（全体要求電力Ｐａｌｌ＿ｒｅｑ）［Ｗ］を算出する。なお、モータ要求電力Ｐｍｒ＿ｒｅｑは、アクセルセンサ９２から通知される図示しないアクセルペダルの踏込み量等に応じて算出される。

次いで、統合ＥＣＵ８０は、この全体要求電力Ｐａｌｌ＿ｒｅｑ及びモータ回生電力Ｐｒｅｇに基づき、ＦＣ出力電力Ｐｆｃ及びバッテリ出力電力Ｐｂａｔを決定する。さらに、統合ＥＣＵ８０は、決定したＦＣ出力電力Ｐｆｃ及びバッテリ出力電力Ｐｂａｔに基づいて、ＦＣ ＥＣＵ４８及びコンバータＥＣＵ７６に動作指令を行う。例えば、ＦＣ ＥＣＵ４８に対し、水素の供給量指令値、又は水素タンク４４とＦＣ４２の間に配置された図示しない流量弁の開度指令値を通知する。また、コンバータＥＣＵ７６に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４に対する駆動デューティＤＵＴの指令値又はＦＣ出力電流Ｉｆｃの指令値を通知する。

（２）ＦＣ４２の出力制御
図２には、統合ＥＣＵ８０によるＦＣ４２の出力制御のフローチャートが示されている。ステップＳ１において、統合ＥＣＵ８０は、電圧センサユニット５２から各セル４２ａのセル電圧Ｖｃｅｌｌを、温度センサユニット５４から各セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌを取得する。

続くステップＳ２において、統合ＥＣＵ８０は、セル温度Ｔｃｅｌｌに応じてセル４２ａの電圧上限閾値（セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌ）［Ｖ］を設定する。これは、セル電圧Ｖｃｅｌｌに伴う膜・電極接合体（ＭＥＡ：membrane-electrode assembly）の劣化の度合いがセル温度Ｔｃｅｌｌに依存して変化するという知見に基づくものである。図３には、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを設定するための特性図の一例が示されている。

図３に示すように、本実施形態では、セル温度Ｔｃｅｌｌとセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌとの関係を規定した特性１００を設定する。図３中、特性１００よりも下側は、各セル４２ａを構成するＭＥＡが劣化しにくい領域（ＭＥＡ劣化抑制領域）であり、特性１００よりも上側は、ＭＥＡが劣化し易い領域（ＭＥＡ劣化領域）として規定している。特性１００は、実測値、理論値又はシミュレーション値を用いることができる。本実施形態の特性１００では、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ１１（例えば、−２０℃）のときのセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌは、電圧Ｖ１１であり、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ１２（例えば、−１０℃）のときのセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌは、電圧Ｖ１１よりも高い電圧Ｖ１２（Ｖ１２＞Ｖ１１）であり、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ１３｛例えば、常温（２０℃）｝のときのセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌは、電圧Ｖ１２よりも高い電圧Ｖ１３である（Ｖ１３＞Ｖ１２）。温度Ｔ１３まではセル温度Ｔｃｅｌｌの上昇に伴って、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌが増加するが、温度Ｔ１３を超えると、セル温度Ｔｃｅｌｌの上昇にかかわらず、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌは一定である。

特性１００は、統合ＥＣＵ８０のメモリ８０ａに予め記憶されており、統合ＥＣＵ８０は、セル温度Ｔｃｅｌｌに基づいてセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを設定する。

なお、本実施形態において、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌの設定に用いるセル温度Ｔｃｅｌｌは、各セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌのうち最も低いものを用いる。上述のように、同じセル電圧Ｖｃｅｌｌでも、セル温度Ｔｃｅｌｌが低い方が、ＭＥＡが劣化し易い（図３参照）。このため、最低のセル温度Ｔｃｅｌｌを基準とすることにより、全てのセル４２ａの劣化を防止することができる。後述するように、別の方法で決定したセル温度Ｔｃｅｌｌを用いてもよい。

図２に戻り、ステップＳ３において、統合ＥＣＵ８０は、ステップＳ１で取得したセル電圧Ｖｃｅｌｌと、ステップＳ２で設定したセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌとを比較する。なお、ステップＳ３で用いるセル電圧Ｖｃｅｌｌは、各セル４２ａのセル電圧Ｖｃｅｌｌのうち最も高いものを用いる。後述するように、別の方法で比較対象とするセル電圧Ｖｃｅｌｌ及びセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを選択することもできる。

セル電圧Ｖｃｅｌｌが、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌ以下である場合（Ｓ３：Ｙｅｓ）、ステップＳ４において、統合ＥＣＵ８０は、通常モードを選択する。すなわち、統合ＥＣＵ８０は、全体要求電力Ｐａｌｌ＿ｒｅｑに基づき、ＦＣ ＥＣＵ４８及びコンバータＥＣＵ７６に対して動作指令を行う。この場合、後述するＦＣ出力電圧Ｖｆｃを制限する処理（Ｖｆｃ制限処理）は行わない。

セル電圧Ｖｃｅｌｌが、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを超える場合（Ｓ３：Ｎｏ）、ステップＳ５において、統合ＥＣＵ８０は、Ｖｆｃ制限モードを選択し、Ｖｆｃ制限モードで動作することにより、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させ、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃ（セル電圧Ｖｃｅｌｌ）を減少させる（ステップＳ６）。すなわち、統合ＥＣＵ８０は、補機１４に対し、消費電力を増加させるように指令する。一般的な燃料電池と同様、本実施形態のＦＣ４２の電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）１０２、１０４、１０６（図４参照）は、ＦＣ出力電流Ｉｆｃが増加するに連れてＦＣ出力電圧Ｖｆｃ（及びセル電圧Ｖｃｅｌｌ）が減少する。従って、補機１４の消費電力を増加させ、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させることにより、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させることができる。なお、図４の詳細については、後述する項目Ｂ−４において説明する。

また、バッテリ６２からモータユニット２０に対してバッテリ出力電流Ｉｂａｔが供給されている場合、統合ＥＣＵ８０は、コンバータＥＣＵ７６に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の駆動デューティＤＵＴを所定値又は所定割合で低下させ、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の昇圧率を減少させるように指令する。これにより、バッテリ出力電流Ｉｂａｔを減少させ、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させる。

なお、後述するように、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させるには、別の方法を用いることもできる。

ステップＳ４又はステップＳ６の後は、ステップＳ１に戻り、図２の処理が繰り返される。これにより、セル電圧Ｖｃｅｌｌは、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌ以下になるように制御される。

３．本実施形態の効果
以上のように、本実施形態では、セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌに応じてセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを設定し、セル電圧Ｖｃｅｌｌがセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌ以下となるように、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させてＦＣ出力電圧Ｖｆｃを制限する。セル４２ａ（ＦＣ４２）の劣化は、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ出力電圧Ｖｆｃ）に影響されるため、本実施形態により、ＦＣ４２の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、セル電圧Ｖｃｅｌｌ（ＦＣ出力電圧Ｖｆｃ）を過度に抑制する必要がなくなることから、ＦＣ４２の出力応答性を高く設定することが可能となる。

本実施形態では、補機１４の消費電力を増加させることにより、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させる。その結果、ＦＣ４２のＩ−Ｖ特性１０２、１０４、１０６（図４）より、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させることができる。従って、モータ２２の出力を変化させずに、ＦＣ出力電力Ｐｆｃを制限することができる。

本実施形態では、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の駆動デューティＤＵＴ（変圧比）を減少させることにより、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させる。その結果、ＦＣ４２のＩ−Ｖ特性１０２、１０４、１０６より、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させることができる。従って、モータ２２の出力を変化させずに、ＦＣ出力電力Ｐｆｃを制限することができる。

Ｂ．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限られず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

１．搭載対象
上記実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限られず、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を家庭用燃料電池システムとして用いてもよい。

２．セル温度Ｔｃｅｌｌ及びセル電圧Ｖｃｅｌｌ
上記実施形態では、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを設定するために用いる温度（ＦＣ４２の温度を示すもの）として、各セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌのうち最も低いものを用いたが、これに限られない。例えば、各セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌの平均値を用いてセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを設定することもできる。或いは、予め特定のセル４２ａを１つ又は複数選択しておき、そのセル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌを用いることもできる。この場合、セル４２ａが複数であれば、上述のように、最低のセル温度Ｔｃｅｌｌやセル温度Ｔｃｅｌｌの平均値を用いてもよい。

上記実施形態の図２では、制御対象として、各セル４２ａのセル電圧Ｖｃｅｌｌのうち最も高いものを用いたが、これに限られない。例えば、各セル４２ａのセル電圧Ｖｃｅｌｌの平均値を用いることもできる。或いは、予め特定のセル４２ａを１つ又は複数選択しておき、そのセル４２ａのセル電圧Ｖｃｅｌｌを用いることもできる。この場合、セル４２ａが複数であれば、上述のように、最大のセル電圧Ｖｃｅｌｌやセル電圧Ｖｃｅｌｌの平均値を用いてもよい。

３．セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌ
上記実施形態では、異なる複数のセル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌとセル電圧Ｖｃｅｌｌからセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを設定することもあり得たが、各セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌ及びセル電圧Ｖｃｅｌｌから各セル４２ａのセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを算出し、最も低いセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを用いることもできる。

上記実施形態では、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌの設定を統合ＥＣＵ８０で行ったが、コンバータＥＣＵ７６等、他の部位で行うこともできる。

４．制御対象（制限閾値の単位）
上記実施形態の図２では、セル電圧Ｖｃｅｌｌを制御対象とし、セル電圧Ｖｃｅｌｌとセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌとを比較して、ＦＣ出力電力Ｐｆｃを制限したが、これに限られない。例えば、電圧センサ５６で検出されたＦＣ出力電圧Ｖｆｃ、電流センサ５８で検出されたＦＣ出力電流Ｉｆｃ、又はＦＣ出力電圧Ｖｆｃ及びＦＣ出力電流Ｉｆｃの積として算出されるＦＣ出力電力Ｐｆｃを制御対象として、ＦＣ出力電力Ｐｆｃを制限することもできる。

例えば、上述の通り、ＦＣ４２にはＩ−Ｖ特性１０２、１０４、１０６（図４）が存在するため、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌの代わりに、ＦＣ出力電流Ｉｆｃの下限閾値（ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃ）［Ａ］を用いることができる。

図４は、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌの代わりに、ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃを決定するための説明図である。図４中、Ｉ−Ｖ特性１０２は、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ２１（例えば、−２０℃）のときのＦＣ４２のＩ−Ｖ特性であり、Ｉ−Ｖ特性１０４は、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ２２（例えば、−１０℃）のときのＦＣ４２のＩ−Ｖ特性であり、Ｉ−Ｖ特性１０６は、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ２３（例えば、０℃）のときのＦＣ４２のＩ−Ｖ特性である。また、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ２１のときのセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを電圧Ｖ２１とすると、ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃは電流Ｉ２１に設定される。同様に、セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ２２のときのセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを電圧Ｖ２２とすると、ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃは電流Ｉ２２に設定される。セル温度Ｔｃｅｌｌが温度Ｔ２３のときのセル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌを電圧Ｖ２３とすると、ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃは電流Ｉ２３に設定される。

図５には、制御対象としてＦＣ出力電流Ｉｆｃを用いたフローチャートが示されている。ステップＳ１１において、統合ＥＣＵ８０は、電流センサ５８からＦＣ出力電流Ｉｆｃを、温度センサユニット５４から各セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌを取得する。続くステップＳ１２において、統合ＥＣＵ８０は、セル温度Ｔｃｅｌｌに応じてＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃを設定する。ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃは、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌとの関係から予め求めておき、セル温度Ｔｃｅｌｌと対応付けて予めメモリ８０ａに記憶されている。或いは、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌをその都度求め、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌからＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃを演算することもできる。この場合、セル電圧上限閾値ＴＨｖ＿ｃｅｌｌとＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃとの関係を予めメモリ８０ａに記憶しておく。

ステップＳ１３において、統合ＥＣＵ８０は、ステップＳ１１で取得したＦＣ出力電流Ｉｆｃと、ステップＳ２で設定したＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃとを比較する。ＦＣ出力電流Ｉｆｃが、ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃ以上である場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、ステップＳ１４において、統合ＥＣＵ８０は、通常モードを選択する。ステップＳ１４は、図２のステップＳ４と同様の処理である。ＦＣ出力電流Ｉｆｃが、ＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃ未満である場合（Ｓ１３：Ｎｏ）、ステップＳ１５において、統合ＥＣＵ８０は、Ｖｆｃ制限モードを選択し、Ｖｆｃ制限モードで動作することにより、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させ、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させる（ステップＳ１６）。ステップＳ１５、Ｓ１６は、それぞれ図２のステップＳ５、Ｓ６と同様の処理である。

図５の変形例では、セル温度Ｔｃｅｌｌに応じてＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃを設定し、ＦＣ出力電流ＩｆｃがＦＣ出力電流下限閾値ＴＨｉ＿ｆｃ以上となるように、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させてＦＣ出力電圧Ｖｆｃを制限する。ＦＣ４２のＩ−Ｖ特性１０２、１０４、１０６より、ＦＣ出力電流ＩｆｃとＦＣ出力電圧Ｖｆｃ（及びセル電圧Ｖｃｅｌｌ）との間には対応関係がある。このため、図５の変形例により、セル温度Ｔｃｅｌｌに応じたＦＣ出力電圧Ｖｆｃの制限が可能となる。ＦＣ４２の劣化は、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃに影響されることから、図５の変形例により、ＦＣ４２の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃ（又はセル電圧Ｖｃｅｌｌ）を過度に抑制する必要がなくなることから、ＦＣ４２の出力応答性を高く設定することが可能となる。

また、ＦＣ出力電力Ｐｆｃは、ＦＣ出力電流ＩｆｃとＦＣ出力電圧Ｖｆｃの積で表されることから、ＦＣ４２のＩ−Ｖ特性１０２、１０４、１０６がわかっていれば、ＦＣ出力電力Ｐｆｃを制御対象としてＦＣ出力電力Ｐｆｃを制限することもできる。

図６には、制御対象としてＦＣ出力電力Ｐｆｃを用いたフローチャートが示されている。ステップＳ２１において、統合ＥＣＵ８０は、電圧センサ５６からのＦＣ出力電圧Ｖｆｃと電流センサ５８からのＦＣ出力電流Ｉｆｃとに基づきＦＣ出力電力Ｐｆｃを取得すると共に、温度センサユニット５４から各セル４２ａのセル温度Ｔｃｅｌｌを取得する。続くステップＳ２２において、統合ＥＣＵ８０は、セル温度Ｔｃｅｌｌに応じてＦＣ出力電力Ｐｆｃの下限閾値（ＦＣ出力電力下限閾値ＴＨｐ＿ｆｃ）［Ｗ］を設定する。

ステップＳ２３において、統合ＥＣＵ８０は、ステップＳ２１で取得したＦＣ出力電力Ｐｆｃと、ステップＳ２２で設定したＦＣ出力電力下限閾値ＴＨｐ＿ｆｃとを比較する。ＦＣ出力電力Ｐｆｃが、ＦＣ出力電力下限閾値ＴＨｐ＿ｆｃ以上である場合（Ｓ２３：Ｙｅｓ）、ステップＳ２４において、統合ＥＣＵ８０は、通常モードを選択する。ステップＳ２４は、図２のステップＳ４と同様の処理である。ＦＣ出力電力Ｐｆｃが、ＦＣ出力電力下限閾値ＴＨｐ＿ｆｃ未満である場合（Ｓ２３：Ｎｏ）、ステップＳ２５において、統合ＥＣＵ８０は、Ｖｆｃ制限モードを選択し、Ｖｆｃ制限モードで動作することにより、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させ、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させ、その結果、ＦＣ出力電力Ｐｆｃを増加させる（ステップＳ２６）。ステップＳ２５、Ｓ２６は、それぞれ図２のステップＳ５、Ｓ６と同様の処理である。

図６の変形例では、セル温度Ｔｃｅｌｌに応じてＦＣ出力電力下限閾値ＴＨｐ＿ｆｃを設定し、ＦＣ出力電力ＰｆｃがＦＣ出力電力下限閾値ＴＨｐ＿ｆｃ以上となるように、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させてＦＣ出力電圧Ｖｆｃを制限する。ＦＣ４２のＩ−Ｖ特性１０２、１０４、１０６より、ＦＣ出力電流ＩｆｃとＦＣ出力電圧Ｖｆｃ（及びセル電圧Ｖｃｅｌｌ）との間には対応関係があるため、ＦＣ出力電流ＩｆｃとＦＣ出力電圧Ｖｆｃの積であるＦＣ出力電力ＰｆｃとＦＣ出力電圧Ｖｆｃとの間にも対応関係がある。このため、図６の変形例により、セル温度Ｔｃｅｌｌに応じたＦＣ出力電圧Ｖｆｃの制限が可能となる。ＦＣ４２の劣化は、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃに影響されることから、図６の変形例により、ＦＣ４２の劣化をより好適に防止することが可能となる。また、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃ（又はセル電圧Ｖｃｅｌｌ）を過度に抑制する必要がなくなることから、ＦＣ４２の出力応答性を高く設定することが可能となる。

５．ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させる方法
上記実施形態では、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させる方法（ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させる方法）として、補機１４の消費電力の増加及びＤＣ／ＤＣコンバータ７４の昇圧率の減少を用いたが、いずれか一方のみでもよい。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４の昇圧率の減少を用いる場合、バッテリ６２の代わりに他の電力源（例えば、エンジンを用いた発電機）を適用することもできる。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４を介してＦＣ出力電力Ｐｆｃをバッテリ６２に供給し、バッテリ６２を充電することにより、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させ、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させることもできる。これにより、モータ２２の出力を変化させずに、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させる。その結果、ＦＣ４２のＩ−Ｖ特性１０２、１０４、１０６より、ＦＣ出力電圧Ｖｆｃを減少させることができる。同時に、バッテリ６２への充電が可能となる。

さらにまた、バッテリ６２を充電することにより、ＦＣ出力電流Ｉｆｃを増加させる場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ７４は必ずしも必要ではなく、充電を制御できる装置（ＦＣ４２からバッテリ６２への供給電力を制御する装置）があればよい。例えば、バッテリ６２とＦＣ４２との間にスイッチを設けておき、充電の際に前記スイッチをオンとする構成も可能である。

この発明の一実施形態に係る燃料電池車両の回路図である。 燃料電池のセル電圧を制御対象として燃料電池の出力を制御するフローチャートである。 セル温度とセル電圧上限閾値との関係を示す説明図である。 燃料電池の電流−電圧特性の説明図である。 燃料電池の出力電流を制御対象として燃料電池の出力を制御するフローチャートである。 燃料電池の出力電力を制御対象として燃料電池の出力を制御するフローチャートである。

符号の説明

１０…燃料電池車両 １２…燃料電池システム
１４…補機 ２２…モータ（負荷）
４２…燃料電池 ５２…電圧センサユニット
５４…温度センサユニット ５８…電流センサ
６２…バッテリ（蓄電装置、第２電源）
７４…ＤＣ／ＤＣコンバータ（供給電力制御器）
７９…補機
８０…統合ＥＣＵ（出力制御器、出力測定器）
１０２、１０４、１０６…電流―電圧特性
ＤＵＴ…駆動デューティ（昇圧率） Ｉｆｃ…ＦＣ出力電流
Ｔｃｅｌｌ…セル温度 ＴＨｉ＿ｆｃ…ＦＣ出力電流下限閾値
ＴＨｐ＿ｆｃ…ＦＣ出力電力下限閾値 ＴＨｖ＿ｃｅｌｌ…セル電圧上限閾値
Ｖｂａｔ…バッテリ出力電圧 Ｖｃｅｌｌ…セル電圧
Ｖｆｃ…ＦＣ出力電圧

Claims (6)

1. 膜・電極接合体を備える燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電圧を検出する電圧センサと、
   前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料電池の出力を制御する出力制御器と
   を備える燃料電池システムであって、
   前記出力制御器は、
   前記燃料電池の温度と発電電圧との関係上で前記膜・電極接合体の劣化抑制領域及び劣化領域を規定し、前記劣化抑制領域及び前記劣化領域を用いて、前記燃料電池の各温度における電圧上限閾値を設定し、
   前記燃料電池の発電電圧が前記電圧上限閾値以下となるように、前記燃料電池の出力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 膜・電極接合体を備える燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電流を検出する電流センサと、
   前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料電池の出力を制御する出力制御器と
   を備える燃料電池システムであって、
   前記出力制御器は、
   前記燃料電池の温度と発電電圧との関係上で前記膜・電極接合体の劣化抑制領域及び劣化領域を規定し、前記劣化抑制領域及び前記劣化領域を用いて、前記燃料電池の各温度における電圧上限閾値を設定し、これら電圧上限閾値を前記燃料電池の電流−電圧特性に適用することで電流下限閾値を求め、
   前記燃料電池の発電電流が前記電流下限閾値以上となるように、前記燃料電池の出力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 膜・電極接合体を備える燃料電池と、
   前記燃料電池の発電電力を測定する電力測定器と、
   前記燃料電池の温度を検出する温度センサと、
   前記燃料電池の出力を制御する出力制御器と
   を備える燃料電池システムであって、
   前記出力制御器は、
   前記燃料電池の温度と発電電圧との関係上で前記膜・電極接合体の劣化抑制領域及び劣化領域を規定し、前記劣化抑制領域及び前記劣化領域を用いて、前記燃料電池の各温度における電圧上限閾値を設定し、これら電圧上限閾値を前記燃料電池の電流−電圧特性に適用することで電力下限閾値を求め、
   前記燃料電池の発電電力が前記電力下限閾値以上となるように、前記燃料電池の出力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記出力制御器は、前記燃料電池システムの補機の消費電力を増加させることにより、前記燃料電池の出力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、さらに、
   蓄電装置と、
   前記燃料電池と前記蓄電装置との間に配置され、前記燃料電池から前記蓄電装置への供給電力を制御する供給電力制御器と
   を備え、
   前記出力制御器は、前記供給電力制御器を介して前記燃料電池から前記蓄電装置への供給電力を増加させることにより、前記燃料電池の出力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、さらに、
   負荷に対して前記燃料電池と並列に接続された第２電力源と、
   前記第２電力源の出力電圧を変圧して前記負荷に印加するＤＣ／ＤＣコンバータと
   を備え、
   前記出力制御器は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧比を減少させ、前記燃料電池の発電電流を増加させることにより、前記燃料電池の出力を制限する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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