JP5339195B2

JP5339195B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP5339195B2
Application number: JP2009092198A
Authority: JP
Inventors: 陽宍戸
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2029-04-06
Also published as: JP2010244843A

Description

本発明は、燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。

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。

この種の燃料電池システムには、複数の区分に分けられた二次電池の残容量と、複数の区分に分けられたシステム要求電力とから燃料電池の目標発電電力値を導出するマトリクス状のデータテーブルを具備し、各区分内のシステム要求電力および二次電池の残容量の上限値および下限値が、それぞれ隣接する区分間で互いに重複するように設定されており、制御ユニットが、データテーブルの各区分に画定された目標発電電力値に基づいて燃料電池の発電量を制御する制御部を含んでいるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−８４７６９号公報

ところで、燃料電池システムの許容パワーは、駆動モータ等の駆動部での消費パワー、バッテリに充電できるパワー、高圧補機での消費パワー、コンバータでの損失パワー、その他の損失を加算して求められるが、バッテリの残存容量であるＳＯＣ（State Of Charge）の過度の上昇を防止してバッテリの劣化を抑えるためには、ＳＯＣの状態に応じて燃料電池での出力を絞る（制限する）必要がある。
しかし、システム許容パワーをＳＯＣによって一様に制限してしまうと、不具合を生ずることがある。例えば、低温環境下ではバッテリに充電できるパワーが制限されてしまうため、氷点下始動時のように燃料電池を急速に暖機したい状況下であっても、システム許容パワーの範囲内で燃料電池の発電量を制限してしまうと、それだけ燃料電池の暖機が遅れ、始動性の悪化を招く。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、二次電池の充電状態に基づく制御と二次電池の充電状態に依存せずに優先的に行う必要がある制御とを互いに干渉させることなく行う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。

上述した課題を解決するため、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当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力の充電あるいは負荷への電力の供給を行う二次電池と、前記燃料電池に対する発電指令パワーを算出して該発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御部は、少なくとも前記二次電池が過充電とならない当該二次電池に充電可能なパワーに依存して設定されるシステム許容パワーの範囲内にて発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する連続定格制御と、所定の要求に対応するために前記二次電池に充電可能なパワーを超えて設定される優先的に行うべき制御を可能にする発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する短時間定格制御と、を選択的に行うものである。

かかる構成の燃料電池システムによれば、二次電池の充電状態に基づく制御と、二次電池の充電状態がどうであれ優先的に行わなければならない制御とを互いに干渉させることなく行うことができる。

例えば、平常時は、二次電池のＳＯＣの状態に基づいて算出した発電指令パワーにて燃料電池の発電を制御することにより、二次電池への過充電を予防して二次電池の劣化を抑制することができる一方で、例えば、燃料電池内の含水量測定のためのインピーダンス計測時や、燃料電池の急速暖機が必要な低温環境下（例えば、氷点下）での始動時などのように、イレギュラーな要求が発生した場合には、かかる要求に対応可能な発電指令パワーを算出し、仮にこの発電指令パワーがシステム許容パワーを上回っていたとしても、二次電池のＳＯＣの状態を考慮せずに優先的に行うべき制御の実施を選択することができる。

本発明によれば、二次電池の状態に基づく制御と二次電池の状態に依存せずに優先的に行う必要がある制御とを互いに干渉させることなく行うことができる。

本発明の一実施形態における燃料電池システムを概略的に示した構成図である。バッテリのＳＯＣに基づくシステム許容パワーによってＦＣパワーに一定の制限を加える連続定格制御でのＳＯＣ、システム許容パワー及び燃料電池の電圧の相互関係を示すグラフ図である。バッテリのＳＯＣに基づく連続定格制御中に割り込み的に短時間定格制御が行われた場合における燃料電池のＦＣパワー、バッテリパワー及び燃料電池の発電電力の相互関係を示すグラフ図である。制御部による制御内容を説明するブロック図である。制御部による制御内容の変形例を説明する制御ブロック図である。バッテリのＳＯＣ、システム許容パワー及び一時拡大要求の有無の相互関係を示すグラフ図である。制御部による制御内容の他の変形例を説明する制御ブロック図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

まず、図１を参照して、本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に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスと燃料ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池２を備えており、この燃料電池２の発電状態は制御部１１によって制御される。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面に空気極を有し、他方の面に燃料極を有し、さらに空気極および燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスである空気が供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。

この燃料電池２には、ＦＣ昇圧コンバータ３が接続されており、このＦＣ昇圧コンバータ３に、それぞれインバータ４，５を介して駆動モータ６及びエアコンプレッサ７が接続されている。
また、ＦＣ昇圧コンバータ３には、バッテリ昇圧コンバータ８を介して、二次電池であるバッテリ９及び各種の補機１０が接続されている。

バッテリ昇圧コンバータ８は、直流の電圧変換器であり、バッテリ９から入力された直流電圧を調整してインバータ４，５側に出力する機能と、燃料電池２または駆動モータ６から入力された直流電圧を調整してバッテリ９に出力する機能と、を有する。このようなバッテリ昇圧コンバータ８の機能により、バッテリ９の充放電が実現される。また、バッテリ昇圧コンバータ８により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ９は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって、燃料電池２の発電電力のうち駆動モータ６を含む負荷全体で消費される電力等を指し引いた余剰電力を充電したり、駆動モータ６に対して補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。

駆動モータ６は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。駆動モータ６が接続されたインバータ４は、直流電流を三相交流に変換し、駆動モータ６に供給する。

エアコンプレッサ７は、燃料電池２へ酸化剤である空気を送り込むコンプレッサである。エアコンプレッサ７が接続されたインバータ５は、エアコンプレッサ７の駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換してエアコンプレッサ７のモータに供給する。インバータ５は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部１１からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ９から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、エアコンプレッサ７のモータで発生する回転トルクを制御する。

制御部１１は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（アクセル等）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、駆動モータ６等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、駆動モータ６の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばエアコンプレッサ７や他の各種の補機１０のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

ところで、燃料電池２の発電電力であるＦＣパワーＰｆｃは、燃料電池システム１の運転に必要とされるシステム要求パワーＰｒと、過充電とならないようにバッテリ９に充電可能なパワーＰ２とからなる。また、システム要求パワーＰｒは、駆動モータ６及びエアコンプレッサ７でのモータ消費パワーＰ１と、各種の補機１０で消費される高圧補機消費パワーＰ３と、ＦＣ昇圧コンバータ３やバッテリ昇圧コンバータ８における損失パワーＰ４とからなる。

バッテリ９は、バッテリ９の残存容量であるＳＯＣ（State Of Charge）が極端に高い領域あるいは低い領域で使用され続けると、劣化が進んでしまうおそれがある。このため、バッテリ９は、ＳＯＣの極端に高い領域と極端に低い領域とを除いた中間領域にて使用されることが望ましい。

したがって、バッテリ９の残存容量であるＳＯＣの過度の上昇を防止するためには、ＳＯＣの状態（充電状態）に応じて、燃料電池２のＦＣパワーＰｆｃを絞る（制限する）必要がある。例えば、長時間にわたって燃料電池２での発電を継続して高電位状態を回避する高電位回避制御が行われているときは、バッテリ９のＳＯＣを監視してＳＯＣの上昇を抑える必要がある。

つまり、本実施形態の燃料電池システム１では、バッテリ９のＳＯＣに基づいてシステム許容パワーＰｓを求め、ＦＣパワーＰｆｃがこのシステム許容パワーＰｓの範囲内となるように必要に応じて当該ＦＣパワーＰｆｃに一定の制限を加えて燃料電池２の発電を制御する連続定格制御を行う。

図２は、連続定格制御におけるバッテリ９のＳＯＣ、システム許容パワーＰｓ及び燃料電池２の電圧の相互関係を示すグラフ図である。
図２に示す高電位回避制御中のように、長時間にわたって燃料電池２の発電状態が継続すると、ＦＣパワーＰｆｃとシステム許容パワーＰｓとの差分の一部がバッテリ９に充電されるので、バッテリ９のＳＯＣが次第に上昇する。

このため、バッテリ９のＳＯＣを監視し、当該ＳＯＣが所定値に到達したところでシステム許容パワーＰｓを減少させ、バッテリ９のＳＯＣの上昇を抑える。そして、高電位回避制御停止後も、バッテリ９のＳＯＣが減らない間は、システム許容パワーＰｓを一定値になるまで漸減させる。なお、燃料電池２の出力電圧であるＦＣ電圧Ｖは、高電位回避制御停止後は、開放電圧ＯＣＶに近づくこととなる。

また、燃料電池システム１では、燃料電池２内の含水量を測定すべくインピーダンス計測を行う場合があり、この場合には、燃料電池２のＦＣパワーＰｆｃを一時的に増加させる必要がある。かかるインピーダンス計測時に行なうシステム許容パワーＰｓの短時間定格制御は、当該制御の開始時に記憶したバッテリ９の制御開始時電力に対して、その制御開始時電力を充電方向に超えた電力の積算値が、予め設定した電力量閾値に達するまで行われる。

一方、氷点下などの低温環境下においては、バッテリ９が充電可能なパワーＰ２も制限されることとなるので、そのような場合にバッテリ９のＳＯＣに基づく連続定格制御によってシステム許容パワーＰｓが制限されてＦＣパワーＰｆｃに一定の制限が加えられていると、燃料電池２の昇温制御が制限されて燃料電池システム１が長時間起動しない状態となり、市場適応性が悪化することとなる。

よって、このような場合には、バッテリ９の寿命への影響が許容できる範囲内においてシステム許容パワーＰｓを一時的に拡大する短時間定格制御を実施する。また、このとき、必要であれば、バッテリ９で充電可能なパワーＰ２も一時的に拡大する。

以上のとおり、本実施形態の燃料電池システム１では、例えばインピーダンス計測時や低温始動時のように、バッテリ９のＳＯＣに基づく連続定格制御の実施よりも優先すべき要求がある場合には、一時的に燃料電池２のＦＣパワーＰｆｃを増加させるべく、システム許容パワーＰｓを増加させる短時間定格制御を行う。

図３は、ＳＯＣに基づくシステム許容パワーＰｓの連続定格制御中に、割り込み的に短時間定格制御が行われた場合における燃料電池２のＦＣパワーＰｆｃ、バッテリパワーＰｂ及び燃料電池２の発電電力の相互関係を示すグラフ図である。
図３に示すように、連続定格制御の状態から、割り込みによって短時間定格制御が行われると（図３におけるｔ１の時点）、燃料電池２のＦＣパワーＰｆｃが上昇し、バッテリパワーＰｂが低下する。

そして、上記インピーダンス計測時における短時間定格制御の場合は、当該制御の開始時に記憶したバッテリ９の制御開始時電力に対して、その制御開始時電力を充電方向に超えた電力超え量積算値が、予め設定した電力量閾値に達したとき（図３におけるｔ２）に、また、上記低温始動時における短時間定格制御の場合は、燃料電池２が所定温度にまで昇温して暖気運転が終了したとき（図３におけるｔ２）に、短時間定格制御が終了する。すると、燃料電池２のＦＣ（発電）パワーＰｆｃが、連続定格制御時のパワーに低下し、バッテリパワーＰｂが連続定格制御時のパワーに上昇する。

次に、上記の連続定格制御及び短時間定格制御を考慮した制御部１１による制御内容の一実施例について詳細に説明する。
図４は制御部による制御内容を説明するブロック図、図５は制御部による制御内容の一実施例を示すブロック図である。

制御部１１は、駆動モータ６及びエアコンプレッサ７でのモータ消費パワーＰ１、各種の補機１０で消費される高圧補機消費パワーＰ３、ＦＣ昇圧コンバータ３やバッテリ昇圧コンバータ８における損失パワーＰ４を加算し（図４中符号ａ参照）、システム要求パワーＰｒを求める。
そして、制御部１１は、システム要求パワーＰｒとバッテリ９で充電可能なパワーＰ２とを加算したシステム許容パワーを算出し、これを前述した短時間定格制御時に用いる短時間定格時システム許容パワーＰｓ２とする。

また、制御部１１は、バッテリ９のＳＯＣと制限率との関係を対応付けたマップＭを保有しており、このマップＭに基づきバッテリ９のＳＯＣから制限率を求め、この制限率を上記システム許容パワー（システム要求パワーＰｒとバッテリ９で充電可能なパワーＰ２との加算値）に掛け合わせたシステム許容パワー（図４中符号ｂ参照）を算出し、これをバッテリ９のＳＯＣに依存した連続定格制御を行うための連続定格時システム許容パワーＰｓ１とする。

以上説明したように、上記実施形態に係る燃料電池システム１によれば、バッテリ９の状態に基づく制御とバッテリ９の状態に依存せずに優先的に行う必要がある制御との切り替えが可能であるため、両制御を互いに干渉させることなく行うことが可能となる。

これにより、バッテリ９のＳＯＣの状態に基づいて算出したＦＣ指令パワーＰｆｃｏにて燃料電池２を制御する連続定格制御を行うことで、バッテリ９の劣化を抑制することができる。
また、含水量測定のためのインピーダンス計測時や低温環境下での暖機運転時などの制御が必要なときには、このような制御を可能にするＦＣ指令パワーＰｆｃｏによる短時間定格制御を連続定格制御に対して優先的に行うことができる。

次に、上記実施形態の変形例について説明する。
図５に示す制御は、連続定格時システム許容パワーＰｓ１あるいは短時間定格時システム許容パワーＰｓ２のいずれかを切り替えて選択するものである。

この制御では、バッテリ９のＳＯＣが上昇してシステム許容パワーＰｓの制限を要する場合に、連続定格時システム許容パワーＰｓ１を選択し（図５中符号ｃ参照）、システム要求パワーＰｒから割り出したＦＣ要求パワーＰｆｃｒをシステム許容パワーＰｓ１によって制限し（図５中符号ｄ参照）、更にその制限されたＦＣ要求パワーＰｆｃｒとシステム要求パワーＰｒとを比較し（図５中符号ｅ参照）、いずれか大きい方を燃料電池２へのＦＣ指令パワーＰｆｃｏとする。

これに対して、一時拡大要求（例えば、インピーダンス計測時や低温環境下での運転時などの制御が必要なとき）が発生すると、制御部１１は、システム要求パワーＰｒに基づいて算出した短時間定格制御時システム許容パワーＰｓ２を選択し（図５中符号ｃ参照）、短時間定格制御の実施に伴い増加させたＦＣ要求パワーＰｆｃｒをシステム許容パワーＰｓ２によって制限し（図５中符号ｄ参照）、更にその制限されたＦＣ要求パワーＰｆｃｒとシステム要求パワーＰｒとを比較し（図５中符号ｅ参照）、いずれか大きい方を燃料電池２へのＦＣ指令パワーＰｆｃｏとする。

図６は、バッテリのＳＯＣ、システム許容パワー及び一時拡大要求の有無の相互関係を示すグラフ図であり、図５に示す制御に対応するものである。
図６に示すように、バッテリ９のＳＯＣの上昇を抑えるべく連続定格制御が開始されると、この連続定格制御では、システム許容パワーＰｓが連続定格時システム許容パワーＰｓ１とされ、次第に減少する（図６におけるシステム許容パワーの実線参照）。

また、この連続定格制御中において、システム許容パワーＰｓの一時拡大要求が発生し、かかる要求に応じて短時間定格制御を割り込み的に実行する時には、システム許容パワーＰｓが短時間定格時システム許容パワーＰｓ２とされる（図６におけるシステム許容パワーの破線参照）。

つまり、一時拡大要求が生じてそのフラグがＯＮになると、システム許容パワーＰｓが、連続定格時システム許容パワーＰｓ１から短時間定格時システム許容パワーＰｓ２に変更される。また、この状態から一時拡大要求が消滅してそのフラグがＯＦＦになると、システム許容パワーＰｓが、短時間定格時システム許容パワーＰｓ２から連続定格時システム許容パワーＰｓ１に変更される（戻る）。

なお、上記実施形態では、連続定格時システム許容パワーＰｓ１の算出に、バッテリ９のＳＯＣと制限率との関係を対応付けたマップＭを用い、このマップＭから制限率を割り出して当該制限率をシステム要求パワーＰｒに掛け合わせたが、図７に示すように、バッテリ９のＳＯＣとシステム許容パワーとの関係を対応付けたマップＭ２を保有しておき、このマップＭ２を用いるようにしても良い。

この場合、制御部１１では、連続定格時において、バッテリ９のＳＯＣに基づいてマップＭ２からシステム許容パワーを直接割り出し、このシステム許容パワーによってシステム要求パワーＰｒを制限し（図７中符号ｆ参照）、連続定格時システム許容パワーＰｓ１を算出する。

なお、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、９…バッテリ（二次電池）、１１…制御部、Ｐｆｃｏ…ＦＣ指令パワー（指令パワー）、Ｐｓ…システム許容パワー、Ｐｓ１…連続定格時システム許容パワー（システム許容パワー）、Ｐｓ２…短時間定格時システム許容パワー（システム許容パワー）。

Claims

反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、前記燃料電池から供給される電力の充電あるいは負荷への電力の供給を行う二次電池と、前記燃料電池に対する発電指令パワーを算出して該発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を備えた燃料電池システムであって、
前記制御部は、少なくとも前記二次電池が過充電とならない当該二次電池に充電可能なパワーに依存して設定されるシステム許容パワーの範囲内にて発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する連続定格制御と、所定の要求に対応するために前記二次電池に充電可能なパワーを超えて設定される優先的に行うべき制御を可能にする発電指令パワーを算出し、この発電指令パワーに基づいて前記燃料電池の発電を制御する短時間定格制御と、を選択的に行う燃料電池システム。