JP6225957B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池には、燃料電池内の水分が電極内の細孔やセパレータの流路を塞ぐフラッディングが発生する場合がある。燃料電池がフラッディング状態にある場合、高電流域で急な電圧降下が発生して燃料電池の出力が低下する場合がある。このような電圧降下の発生を抑制する技術として、例えば、カソードガスを増量させて燃料電池からの排水を促進してフラッディングを解消する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、モータの運転状態に応じた燃料電池の電圧の低下度合を推定して、電圧の低下度合に応じてモータの出力を制限することにより、電圧降下の発生を抑制する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１３−１９６７８２号公報 特開２００６−３４５６５１号公報

しかしながら、カソードガスの増量によりフラッディングを解消する技術では、カソードガスの増量要求があってからフラッディングが解消されるまでに所定の時間を要する。従って、例えば、フラッディング状態で燃料電池に出力増大要求があると、フラッディングが解消される前に燃料電池の運転状態が高電流域に移行して電圧降下が生じ、燃料電池の出力が低下するおそれがある。

また、電圧の低下度合を推定してモータの出力を制限する技術では、実測された現時点での燃料電池の出力電圧値に基づいて、現時点での電圧の低下度合が推定される。このため、例えば燃料電池の運転状態が短期間で低電流域から高電流域に移行した場合には、電圧の低下度合の推定が燃料電池の運転状態の移行に対応できずに、電圧の低下度合が制限すべき度合を超えて、高電流域で電圧降下が発生する可能性がある。この場合、その後に推定された電圧の低下度合に基づいて、電圧が降下前の状態に復帰するように制御される可能性がある。このような場合には、燃料電池の出力の収束性が低下する可能性がある。

そこで、燃料電池の出力の低下と出力の収束性の低下を抑制した燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池への出力要求に基づいて前記燃料電池の目標電流値を設定する設定部と、設定された前記目標電流値に基づいて前記燃料電池の出力電流値を低電流域から高電流域まで制御可能な出力制御部と、前記燃料電池の出力電流値が前記低電流域内にあり、かつ前記目標電流値が前記高電流域内に設定された電流閾値を超えている場合に、前記低電流域での前記燃料電池の出力電圧値に基づいて前記高電流域で前記燃料電池の電圧降下が発生すると予測する予測部と、前記電圧降下が発生すると予測された場合に、設定されている前記目標電流値よりも小さい電流値に目標電流値を再設定する再設定部と、を備え、前記予測部は、前記低電流域での所定の電流値における前記燃料電池の出力電圧値が電圧閾値を超えている場合に、前記電圧降下が発生すると予測する、燃料電池システムを提供する。

低電流域での燃料電池の出力電圧値は燃料電池の湿潤状態に相関し、湿潤状態は高電流域の電圧降下の発生に相関する。このため、低電流域での燃料電池の出力電圧値に基づいて、高電流域での電圧降下の発生を事前に予測できる。従って、電圧降下が発生すると予測された場合には、目標電流値が小さい電流値に再設定されるので、電圧降下の発生が抑制されて、燃料電池の出力の低下が抑制される。また、高電流域での電圧降下の発生を事前に予測して電圧降下の発生を未然に抑制できるため、燃料電池の運転状態が短期間で低電流域から高電流域に移行した場合であっても、燃料電池の出力の収束性の低下が抑制される。また、低電流域での所定の電流値における燃料電池の出力電圧値が電圧閾値を超えている場合に電圧降下が発生すると予測し、このような簡易な方法で電圧降下を予測できる。

前記電流閾値及び電圧閾値を記憶した記憶部と、前記燃料電池の電流‐電圧特性を推定する特性推定部と、推定された前記電流‐電圧特性に基づいて前記燃料電池の性能が低下したか否かを判定する判定部と、前記燃料電池の性能が低下したと判定された場合には、推定された前記電流‐電圧特性に基づいて前記記憶部に記憶された前記電流閾値及び電圧閾値の少なくとも一方を更新する更新部と、を備えてもよい。これにより、燃料電池の経時的な性能低下に対応して、燃料電池の出力の低下及び出力の収束性の低下が抑制される。

燃料電池の出力の低下と出力の収束性の低下を抑制した燃料電池システムを提供できる。

燃料電池システムの構成を示す説明図である。 燃料電池の電流‐電圧特性を説明するためのグラフである。 電流‐電圧特性曲線を示したマップである。 電圧降下抑制制御の一例を示すフローチャートである。 電流‐電圧特性曲線と等出力曲線を示したマップである。 電流‐出力特性曲線を示したマップである。 目標電流値再設定処理の一例を示したフローチャートである。 更新制御の一例を示したフローチャートである。 燃料電池の発電性能の低下に伴う電流‐電圧特性曲線の変化を示したマップである。 燃料電池の発電性能の低下に伴う電流‐電圧特性曲線の変化を示したマップである。

図１は、燃料電池システム１０の構成を示す説明図である。この実施例は、燃料電池システムを車両に適用した例である。図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック（以下、燃料電池と称する）２０、酸化剤ガス配管系３０、燃料ガス配管系４０、電力系５０、及び制御ユニット６０を含む。燃料電池２０は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて発電を行い、発電に伴う電力を発生する。酸化剤ガス配管系３０は、酸化剤ガスとしての、酸素を含む空気を燃料電池２０に供給する。燃料ガス配管系４０は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２０に供給する。電力系５０は、システムの電力を充放電する。制御ユニット６０は、システム全体を統括制御する。

燃料電池２０は、固体高分子電解質型であり、多数の単電池（セル）を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２０の単電池は、電解質からなるイオン交換膜の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有している。カソード極とアノード極を含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられている。カソード極の表面には、カソード側のガス拡散層が配置され、同様にアノード極の表面にもアノード側のガス拡散層が配置されている。さらにカソード側及びアノード側のガス拡散層を両側から挟み込むように一対のセパレータが設けられている。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化剤ガス流路に酸化剤ガスが供給されて、燃料電池２０は電力を発生する。

燃料電池２０には、出力電流及び電圧をそれぞれ検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂ、燃料電池２０の温度を検出する温度センサ２ｃが取り付けられている。

酸化剤ガス配管系３０は、エアコンプレッサ３１、酸化剤ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、及びエアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１を有している。

エアコンプレッサ３１は、モータＭ１により駆動され、外気から取り込んだ酸素を含む空気（酸化剤ガス）を圧縮して燃料電池２０のカソード極に供給する。モータＭ１には、その回転数を検出する回転数検出センサ３ａが取り付けられている。酸化剤ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２０のカソード極に導く。燃料電池２０のカソード極からはカソードオフガスがカソードオフガス流路３４を介して排出される。

加湿モジュール３３は、酸化剤ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化剤ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスとの間で水分交換を行い、燃料電池２０に供給される酸化剤ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気し、カソード極出口付近には背圧調整弁Ａ１が配設されている。燃料電池２０から排出される酸化剤ガスの圧力、即ちカソード背圧は背圧調整弁Ａ１によって調圧される。カソードオフガス流路３４における燃料電池２０と背圧調整弁Ａ１の間には、カソード背圧を検出する圧力センサ３ｂが取り付けられている。

燃料ガス配管系４０は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、気液分離器４６、及び水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２を有している。

燃料ガス供給源４１は、燃料電池２０へ燃料ガスである水素ガスを供給するタンクである。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２０のアノード極に導き、上流側から順にタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３が配設されている。これらバルブは、燃料電池２０へ燃料ガスを供給、遮断する電磁弁である。

燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２０へ還流させ、上流側から順に気液分離器４６、水素循環ポンプ４５、及び不図示の逆止弁が配設されている。燃料電池２０から排出された未反応燃料ガスは、水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２０から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスや気液分離器４６内に貯留された水をシステム外に排気し、排気排水弁Ｈ５が配設されている。

電力系５０は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、及び補機モータＭ４を備えている。

高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２からの直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力でき、燃料電池２０からの直流電圧又はトラクションインバータ５３により直流に変換されたトラクションモータＭ３からの電圧を調整してバッテリ５２に出力可能である。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２０の出力電圧が制御される。

バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、余剰電力の充電や補助的な電力供給が可能である。燃料電池２０で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、その充電状態を検出するＳＯＣセンサ５ａが取り付けられている。

トラクションインバータ５３、補機インバータ５４は、燃料電池２０又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７１及び７２を駆動する。トラクションモータＭ３には、その回転数を検出する回転数検出センサ５ｂが取り付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、モータＭ１及びＭ２を総称したものである。

制御ユニット６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭを含み、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御ユニット６０は、アクセルペダル８０の回動を検出するアクセルペダルセンサ８１、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検出センサ５ｂから送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２０への出力要求の有無を判定し、目標出力値を算出する。制御ユニット６０は、後述する電流‐出力曲線（ＩＰ曲線）に基づいて、燃料電池２０の目標電流値を設定する。詳しくは後述する。

制御ユニット６０は、この目標電流値を出力するように燃料電池２０を低電流域から高電流域まで制御する。制御ユニット６０は、トラクションインバータ５３および補機インバータ５４の出力パルスを制御して、トラクションモータＭ３および補機モータＭ４等を制御する。

ここで、燃料電池２０は、湿潤状態によっては、高電流域でガス拡散抵抗の増大に起因して電圧降下して所望の要求出力を出力できない可能性がある。本実施例では、制御ユニット６０は燃料電池２０の電圧降下を抑制する電圧降下抑制制御を実行する。また、制御ユニット６０は燃料電池２０の経時的な性能低下を考慮した更新制御を実行する。これら制御は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭにより機能的に実現される、設定部、出力制御部、予測部、再設定部、記憶部、特性推定部、判定部、及び更新部により実行される。これら制御を説明する前に、燃料電池２０の電流‐電圧特性（ＩＶ特性）と高電流域での電圧降下について説明する。

図２は、燃料電池２０のＩＶ特性を説明するためのグラフである。燃料電池２０の出力電圧は、出力電流が増大するにつれて低下する。燃料電池２０の出力電圧が低下する主な要因は、活性化過電圧、抵抗過電圧、及び濃度過電圧である。活性化過電圧とは、カソード電極での酸素の還元の際に消費される活性化エネルギーによる電圧の低下分である。抵抗過電圧とは、燃料電池２０内の電解質膜、触媒層、ガス拡散層、セパレータ、及び集電板の内部抵抗による電圧の低下分である。濃度過電圧とは、燃料電池２０のセルに供給される水分及びセル内での生成水によるガス拡散抵抗の増大に起因した電圧の低下分である。

活性化過電圧、抵抗過電圧、及び濃度過電圧は、それぞれ燃料電池２０の出力電流の低電流域、中電流域、及び高電流域で増大する。低電流域は、活性化過電圧、抵抗過電圧、及び濃度過電圧のうち活性化過電圧の影響を最も大きく受けて電圧が低下する領域である。中電流域は、抵抗過電圧の影響を最も大きく受けて電圧が低下する領域である。高電流域は、濃度過電圧の影響を最も大きく受けて電圧が低下する領域である。例えば低電流域は、燃料電池２０が電流を出力可能な全電流域のうち前半の約４分の１の領域である。高電流域は、全電流域のうち後半の約４分の１の領域である。中電流域は、全電流域のうち低電流域及び高電流域を除いた、全電流域の約２分の１の領域である。図２に示すように、電圧値は高電流域で最小となる。尚、燃料電池２０が電流を出力可能な全電流域は、燃料電池２０の発電性能の低下により縮小される。詳しくは後述する。

次に燃料電池２０の電圧降下について説明する。図３は、電流‐電圧特性曲線（ＩＶ曲線）を示したマップである。図３には、複数のＩＶ曲線Ｃ〜Ｃ２を示している。ＩＶ曲線Ｃ〜Ｃ２は、燃料電池２０の湿潤状態に応じた燃料電池２０の電流‐電圧特性（ＩＶ特性）を示す線である。図３のマップは、予め実験により算出されＲＯＭに記憶されている。尚、図３には、ＩＶ曲線Ｃ〜Ｃ２のみを示しているが、これ以外のＩＶ曲線が複数ＲＯＭに記憶されていてもよい。

ＩＶ曲線Ｃは、燃料電池２０の電解質膜の湿潤状態が良湿潤であって低電流域から高電流域に移行した場合であっても高電流域で濃度過電圧の増大の起因した電圧降下が発生しない、理想的なＩＶ曲線である。良湿潤とは、電解質膜が適度に湿潤してプロトン移動抵抗が小さく、かつフラッディング等が発生していない状態である。ＩＶ曲線Ｃ１は、燃料電池２０内の水分量が多い高湿潤状態で低電流域から高電流域に移行した場合に電圧が降下する場合のＩＶ曲線である。ＩＶ曲線Ｃ２は、燃料電池２０内の水分量が更に多い過加湿状態で低電流域から高電流域に移行した場合に、高電流域で大きく電圧が降下する場合のＩＶ曲線である。

図３に示すように、低電流域では、ＩＶ曲線ＣよりもＩＶ曲線Ｃ１及びＣ２の方が電圧値は大きい。この理由は、燃料電池２０内の水分量が多いほど、カソード極の白金触媒への被毒量が少なくなり、還元反応に有効な白金表面積が増加し、活性化過電圧が小さくなって、出力電圧が増大するからと考えられる。一方、高電流域では、ＩＶ曲線ＣよりもＩＶ曲線Ｃ１及びＣ２の方が電圧値は低い。この理由は以下による。燃料電池２０内の水分量が多い状態で運転状態が高電流域に移行すると、より多くの電気化学反応が必要となり、燃料電池２０内に多く反応ガスが供給される。一方、電極内の細孔やセパレータの流路の一部は水により塞がれているため、反応ガスの拡散や反応が阻害されるフラッディングが生じ、濃度過電圧が増大して電圧降下が生じるからである。特に、高湿潤又は過加湿状態で燃料電池２０の運転状態が短期間で低電流域から高電流域へ移行した場合、燃料電池２０から排水が促進される前に燃料電池２０の運転状態が高電流域へ移行して電圧降下が発生する可能性がある。また、製造コストの低減を目的として電極触媒である白金の使用量を低減した場合に、フラッディングにより白金有効面積が低減されて電圧降下が発生しやすい状況になる。以上のように、燃料電池２０内の水分量が多いほど、低電流域での電圧値は高くなり、高電流域での電圧降下は発生しやすくなる。換言すれば、低電流域の電圧値は燃料電池２０の湿潤状態に相関し、湿潤状態は高電流域での電圧降下の発生に相関する。

次に、このような高電流域での電圧降下を抑制する電圧降下抑制制御について説明する。図４は、制御ユニット６０が実行する電圧降下抑制制御の一例を示すフローチャートである。図５は、電流‐電圧特性曲線と等出力曲線Ｄ１及びＤ２を示したマップである。図６は、電流‐出力特性曲線を示したマップである。尚、図６に示すＩＰ曲線Ｅ〜Ｅ２は、燃料電池２０の運転状態がＩＶ曲線Ｃ〜Ｃ２にそれぞれ従って移行する場合での燃料電池２０が出力電流と出力電力との関係を示す。図５及び図６に示したマップは、予め実験により算出されＲＯＭに記憶されている。尚、図６には、ＩＰ曲線Ｅ〜Ｅ２のみを示しているが、それ以外のＩＰ曲線が複数ＲＯＭに記憶されていてもよい。また、これらのＩＰ曲線は、ＩＶ曲線に対応付けられてＲＯＭに記憶されている。

電圧降下抑制制御は、所定時間毎に繰り返し実行される。まず制御ユニット６０は、電流センサ２ａからの出力値に基づいて燃料電池２０の出力電流値が低電流域内にあり、かつ電流基準値ＩＫＬ未満か否かを判定する（ステップＳ１）。電流基準値ＩＫＬは、低電流域内にある所定の電流値であり、燃料電池２０のアイドル運転状態での出力電流値ＩＤより大きい値に設定されている。肯定判定の場合には、制御ユニット６０は燃料電池２０への出力増大要求があるか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ１及びＳ２の何れかが否定判定の場合には、制御ユニット６０は本制御を終了する。

ステップＳ２で肯定判定の場合には、制御ユニット６０は、燃料電池２０へ要求される目標出力値に対応した目標電流値を設定する（ステップＳ３）。具体的には、図６に示したＩＰ曲線Ｅ上での目標出力値に対応した目標電流値を設定する。尚、ＩＰ曲線Ｅは、高電流域でフラッディングが発生しない理想的なＩＶ曲線Ｃに対応する。図６では、目標出力値Ｐ１の場合に、目標電流値はＩＰ曲線Ｅ上の目標電流値ＩＡとなる場合を例示している。

制御ユニット６０は、燃料電池２０の出力電流値が目標電流値に到達するように、燃料電池２０の出力の増大を開始する（ステップＳ４）。次に制御ユニット６０は、目標電流値が、電流閾値ＩＫＨを超えているか否かを判定する（ステップＳ５）。電流閾値ＩＫＨは、制御ユニット６０のＲＯＭに記憶され高電流域内に設定されている。否定判定の場合には、制御ユニット６０は本制御を終了する。図５には、目標電流値ＩＡが電流閾値ＩＫＨよりも超えている場合を例示している。尚、燃料電池２０の出力電流値が低電流域内にある状態で目標電流値が高電流域内に設定される場合とは、例えばアイドル運転状態でアクセルペダル８０が踏み込まれてから数秒以内に燃料電池２０の運転状態が高電流域へ移行する場合である。即ち、アイドル運転状態から急加速する場合である。

ステップＳ５で肯定判定の場合には、制御ユニット６０は、燃料電池２０の低電流域での出力電圧値を取得する（ステップＳ６）。具体的には、電流センサ２ａにより検出された出力電流値が低電流域内に設定された電流基準値ＩＫＬに到達した場合での燃料電池２０の出力電圧値を、低電流域での出力電圧値として取得される。前述したように目標電流値が設定されてから出力増大が開始されるため、目標電流値が設定されてから短期間内に低電流域での出力電圧値が取得される。図５では、低電流域での出力電圧値Ｖ１が取得される場合と、出力電圧値Ｖ１より大きい出力電圧値Ｖ２が取得される場合とを例示している。ここで、上述したように、低電流域での出力電圧値は実測値であるため、図５に示すように出力電圧値Ｖ１及びＶ２はそれぞれＩＶ曲線Ｃ１及びＣ２上にあるとは限らず、近似している場合がある。

次に制御ユニット６０は、取得された低電流域での出力電圧値に基づいて、高電流域で電圧降下が発生するか否かを予測する（ステップＳ７）。具体的には、取得された出力電圧値が電圧閾値ＶＫ未満の場合には、湿潤状態は良好又は低いと推定され、高電流域で濃度過電圧の増大に起因する電圧降下は発生しないと予測される。取得された出力電圧値が電圧閾値ＶＫを超えている場合には、湿潤状態は高いと推定され、高電流域で電圧降下が発生すると事前に予測される。前述したように、低電流域での出力電圧値が高いほど、燃料電池２０内の水分量が多いと考えられ、高電流域で電圧降下が発生しやすくなるからである。また、このように低電流域での出力電圧値と電圧閾値ＶＫと用いた簡易な方法により、電圧降下の発生を事前に予測できる。電圧閾値ＶＫは、低電流域内に設定され予めＲＯＭに記憶されている。電圧閾値ＶＫは、ＩＶ曲線Ｃに基づいて規定され、電流基準値ＩＫＬでのＩＶ曲線Ｃ上の電圧値であるが、この電圧値よりも少し高い値であってもよい。このように、アイドル運転状態での出力電流値ＩＤよりも高い低電流域内での電流値に対応した出力電圧値に基づいて電圧降下の発生が予測される。その理由は、アイドル運転状態では湿潤状態が異なる場合であっても出力電圧値の差が小さく、予測の精度が低下するおそれがあるからである。また、低電流域での出力電圧値に基づいて電圧降下の発生を予測することにより、燃料電池２０の出力電流値が少なくとも高電流域に到達する前に、早期に電圧降下の発生を予測できるからである。

ステップＳ７で高電流域での電圧降下が発生すると予測された場合には、制御ユニット６０は設定された目標電流値より小さい電流値に目標電流値を再設定する目標電流値再設定処理を実行する（ステップＳ８）。このように、電圧降下の発生が事前に予測されて、目標電流値より小さい電流値に目標電流値を再設定されることにより、電圧降下の発生が未然に抑制される。従って、燃料電池２０の出力の低下も抑制される。また、燃料電池２０の運転状態が短期間で低電流域から高電流域に移行する場合であっても、燃料電池２０の出力の収束性の低下が抑制される。

尚、ステップＳ７では、取得された出力電圧値が電圧閾値ＶＫを超えているか否かに応じて、電圧降下の発生を予測したがこれに限定されない。例えば、低電流域内での、単位電流増加あたりの出力電圧値の低下率が所定の閾値よりも小さい場合に、電圧降下が発生すると予測してもよい。また、低電流域内において、第１の所定の電流値と、第１の所定の電流値よりも大きい第２の所定の電流値の間における出力電圧値の最大値と最小値との差が所定の閾値より小さい場合に、電圧降下が発生すると予測してもよい。低電流域内において、第３の所定の電流値と、第３の所定の電流値よりも大きい第４の所定の電流値の間で出力電圧値を出力電流値で積分した値が所定の閾値よりも大きい場合に、電圧降下が発生すると予測してもよい。

上記の電圧降下抑制制御において、ステップＳ３の処理は、燃料電池２０への出力要求に基づいて燃料電池２０の目標電流値を設定する設定部が実行する処理の一例である。ステップＳ４の処理は、目標電流値に応じて燃料電池２０の出力電流値を低電流域から高電流域内で制御する出力制御部が実行する処理の一例である。ステップＳ７の処理は、燃料電池２０の出力電流値が低電流域内にあり、かつ目標電流値が高電流域内に設定された電流閾値を超えている場合に、低電流域での燃料電池２０の出力電圧値に基づいて高電流域で燃料電池２０の電圧降下が発生すると予測する予測部が実行する処理の一例である。ステップＳ８の処理、電圧降下が発生すると予測された場合に、設定されている目標電流値よりも小さい電流値に目標電流値を再設定する再設定部が実行する処理の一例である。

次に、目標電流値再設定処理について説明する。図７は、目標電流値再設定処理の一例を示したフローチャートである。制御ユニット６０は、取得された燃料電池２０の低電流域での出力電圧値に基づいて、ＲＯＭに記憶された複数のＩＶ曲線のうち一つを、現時点でのＩＶ特性として特定する（ステップＳ１１）。具体的には、複数のＩＶ曲線のうち、取得された燃料電池２０の低電流域での出力電圧値に近似したＩＶ曲線が特定される。図５には、出力電圧値Ｖ１が取得された場合にはＩＶ曲線Ｃ１が特定され、出力電圧値Ｖ２が取得された場合にはＩＶ曲線Ｃ２が特定される場合を例示している。

次に、制御ユニット６０は、特定されたＩＶ曲線上に、目標出力値と同じ同出力動作点があるか否かを判定する（ステップＳ１２）。肯定判定の場合には、制御ユニット６０は、目標電流値を同出力動作点での電流値に再設定する（ステップＳ１３）。これにより、電圧降下を抑制しつつ燃料電池２０の出力を確保できる。図５には、ＩＶ曲線Ｃ１と、ＩＶ曲線Ｃ上での目標電流値ＩＡを通過する等出力曲線Ｄ１とが接する例を示している。例えばステップＳ１１でＩＶ曲線Ｃ１が特定されると、ＩＶ曲線Ｃ１上に目標出力値と同じ同出力動作点があると判定され、目標電流値ＩＡは、ＩＶ曲線Ｃ１上の同出力動作点での電流値Ｉ１に再設定される。電流値Ｉ１は、初期に設定された目標電流値ＩＡよりも小さいため、電圧降下を抑制しつつ燃料電池２０の出力を確保できる。図６には、目標出力値Ｐ１に対応するＩＰ曲線Ｅ１上での目標電流値Ｉ１に目標電流値が再設定される例を示している。尚、特定されたＩＶ曲線上に、同出力動作点が２つある場合には、制御ユニット６０は、２つの同出力動作点のうち電流値が小さいほうに目標電流値を再設定する。これにより、早期に燃料電池２０の出力電流値を目標電流値に到達させることができる。

ステップＳ１２で否定判定の場合には、制御ユニット６０は、特定されたＩＶ曲線上での出力が最大となる最大出力動作点での電流値に目標電流値を再設定する（ステップＳ１４）。これにより、電圧降下を抑制しつつ燃料電池２０の出力低下を最小限に抑制できる。図５には、ＩＶ曲線Ｃ２と等出力曲線Ｄ１とは接せずに、等出力曲線Ｄ１よりも出力が小さい等出力曲線Ｄ２に接する例を示している。例えばステップＳ１１でＩＶ曲線Ｃ２が特定されると、ＩＶ曲線Ｃ２上には同出力動作点はないと判断され、目標電流値ＩＡは、等出力曲線Ｄ２が通過するＩＶ曲線Ｃ２上の最大出力動作点での電流値Ｉ２に再設定される。電流値Ｉ２は初期に設定された目標電流値ＩＡよりも小さいため、電圧降下を抑制しつつ燃料電池２０の出力低下を最小限に抑制できる。図６には、当初の目標出力値Ｐ１よりも低いがＩＰ曲線Ｅ２上での最大出力値Ｐ２に対応した電流値Ｉ２に目標電流値が再設定される例を示している。ＩＰ曲線Ｅ２上での最大出力を確保することにより、燃料電池２０の出力低下を最低限に抑制している。

尚、図６に示すように、目標出力値Ｐ１が要求されて上記の再設定が行われず、ＩＰ曲線Ｅに基づいて目標電流値が設定され、燃料電池２０の実際の出力がＩＰ曲線Ｅ１に従って移行する場合、燃料電池２０の実際の出力値はＩＰ曲線Ｅ１上の目標電流値ＩＡに対応した目標出力値Ｐ１´となり、目標出力値Ｐ１から大きく低下する。同様に、燃料電池２０の実際の出力がＩＰ曲線Ｅ２に従って移行する場合も、燃料電池２０の実際の出力値は、後述する設計上の下限電圧値に制限された出力値となり、目標出力値Ｐ１から大きく低下する。

尚、目標電流値を同出力動作点での電流値や、特定されたＩＶ曲線上での最大出力動作点での電流値に再設定する場合に限定されない。目標電流値を目標電流値よりも小さい電流値に再設定すればよい。例えば、目標電流値を、電流閾値ＩＫＨと同じ電流値に再設定してよいし、目標電流値よりも小さい電流値に再設定してもよい。また、目標電流値を、中電流域の中心から高電流域までの間の電流値に再設定してもよい。この場合であっても、高電流域での電圧降下を抑制できるからであり、電圧降下が発生した場合よりも燃料電池２０の出力を確保できる場合があり得るからである。また、電流閾値ＩＫＨは、高電流域内での最小電流値に設定してもよい。

ところで燃料電池２０は、継続的な使用により、例えば触媒や電解質膜が経時変化して、燃料電池２０の出力電圧が低下する場合がある。性能低下後では、燃料電池２０の全ての運転状態でＩＶ特性やＩＰ特性が低下する。このように性能低下後においても、上述の電圧閾値ＶＫ及び電流閾値ＩＫＨに基づいて燃料電池２０の電圧降下の発生を予測すると、電圧閾値ＶＫ及び電流閾値ＩＫＨは性能低下後の燃料電池２０に対応していないため予測精度が低下する可能性がある。そこで制御ユニット６０は、電圧閾値ＶＫ及び電流閾値ＩＫＨを含む燃料電池２０の性能情報を更新する更新制御を実行する。

次に、燃料電池２０の性能情報を更新する更新制御について説明する。図８は、更新制御の一例を示したフローチャートである。図９、図１０は、燃料電池２０の発電性能の低下に伴うＩＶ曲線の変化を示したマップである。図９には、ＩＶ曲線Ｃに対応する性能低下後のＩＶ曲線Ｃａ、Ｃｂ、及びＣｃを示している。図１０には、ＩＶ曲線Ｃ１に対応する性能低下後のＩＶ曲線Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、及びＣ１ｃを示している。尚、図９には、ＩＶ曲線Ｃ〜Ｃｃのそれぞれにより規定される電圧閾値ＶＫ、ＶＫａ、ＶＫｂ、及びＶＫｃを示している。電圧閾値ＶＫと同様に、電圧閾値ＶＫａ、ＶＫｂ、及びＶＫｃは、それぞれＩＶ曲線Ｃａ〜Ｃｃ上の電圧値であってもよいし、その電圧値よりも少し高い値であってもよい。図９及び図１０に示したマップは、予め実験により算出されてＲＯＭに記憶されている。

更新制御は、所定時間毎に繰り返し実行される。まず制御ユニット６０は、燃料電池２０の性能低下を検出するタイミングであるか否かを判定する（ステップＳ２１）。否定判定の場合には制御ユニット６０は本制御を終了する。肯定判定の場合には、制御ユニット６０は、燃料電池２０の複数の出力電流値と、複数の出力電流値にそれぞれ対応した複数の出力電圧値とを検出する（ステップＳ２２）。制御ユニット６０は、検出結果に基づいて燃料電池２０のＩＶ特性を推定する（ステップＳ２３）。制御ユニット６０は、推定されたＩＶ特性と、ＲＯＭに予め記憶されたＩＶ特性とを比較することにより、燃料電池２０の性能が低下したか否かを判定する（ステップＳ２４）。否定判定の場合には、制御ユニット６０は本制御を終了する。

ステップＳ２４で肯定判定の場合には、制御ユニット６０は燃料電池２０の性能の低下度合に応じて、ＲＯＭに記憶された性能低下前の性能情報を性能低下後の性能情報に更新する（ステップＳ２５）。性能低下前の性能情報及び性能低下後の性能情報は、予め実験により算出されてＲＯＭに記憶されている。性能情報は、ＩＶ曲線、ＩＰ曲線、等出力曲線、電流閾値、及び電圧閾値を含む。性能の低下度合毎の性能情報がＲＯＭに記憶されている。ＩＶ曲線、ＩＰ曲線、等出力曲線、電流閾値、及び電圧閾値は互いに関連付けられている。

例えば、検出された複数の出力電流値及び出力電圧値に基づいて、燃料電池２０が高電流域でフラッディングが発生しない場合でのＩＶ特性を推定する。性能が低下していない場合には推定されたＩＶ特性はＲＯＭに予め記憶されているＩＶ曲線Ｃと略同じになる。性能が低下している場合には、推定されたＩＶ特性は図９のマップのＩＶ曲線Ｃａ〜Ｃｃの何れかに近似する。例えば推定されたＩＶ特性がＩＶ曲線Ｃａに最も近似している場合には、ＲＯＭに記憶されているＩＶ曲線ＣをＩＶ曲線Ｃａに更新する。この更新と同時に、ＩＶ曲線Ｃ１、電圧閾値ＶＫを、ＩＶ曲線Ｃａに対応付けされているＩＶ曲線Ｃ１ａ、電圧閾値ＶＫａにそれぞれ更新する。また、図９には示していないが、電流閾値ＩＫＨを、ＩＶ曲線Ｃａに対応付けされている電流閾値に更新する。その他のＩＶ曲線、ＩＰ曲線、及び等出力曲線を、それぞれ、ＩＶ曲線Ｃａに対応付けされている他のＩＶ曲線、ＩＰ曲線、及び等出力曲線に更新する。尚、性能低下に伴い、電圧閾値ＶＫ及び電流閾値ＩＫＨは、いずれも小さい値に更新される。

以上のように性能低下後での性能情報を更新し、その性能情報に基づいて上記の電圧降下抑制制御が実行される。このため、性能低下後も電圧降下を適切に抑制できる。詳細には、ＩＶ曲線、電圧閾値、及び電流閾値が更新されることにより、性能低下後も電圧降下の発生を精度よく予測して電圧降下を抑制できる。更に等出力曲線を更新することにより、性能低下後でも電圧降下を抑制した際の燃料電池２０の出力低下を抑制できる。

尚、上記実施例では、電圧閾値ＶＫ及び電流閾値ＩＫＨの双方が性能低下に伴い更新されるが、一方のみを更新し他方を更新しなくてもよい。例えば、性能低下に伴う燃料電池２０の低電流域での電圧の低下度合は小さく、高電流域での電圧の低下度合が大きい場合には、電流閾値ＩＫＨのみを更新してもよい。

上記の更新制御において、ステップＳ２３の処理は、燃料電池２０の電流‐電圧特性を推定する特性推定部が実行する処理の一例である。ステップＳ２４の処理は、推定された電流‐電圧特性に基づいて燃料電池２０の性能が低下したか否かを判定する判定部が実行する処理の一例である。ステップＳ２５の処理は、燃料電池２０の性能が低下したと判定された場合には、推定された電流‐電圧特性に基づいてＲＯＭに記憶された電流閾値及び電圧閾値の少なくとも一方を更新する更新部が実行する処理の一例である。

尚、図９及び図１０に示すように、燃料電池２０の運転が許容される運転許容領域は、設計上の上限電流値ＵＩ及び下限電圧値ＬＶにより規定されている。この上限電流値ＵＩ及び下限電圧値ＬＶは、燃料電池システム１０側の正常動作を確保することを考慮して規定されたものであり、燃料電池２０の理論的に出力可能な最大電流値及び最低電圧値ではない。例えば、運転許容領域内で燃料電池２０の最大電流値は、図９のＩＶ曲線Ｃのように性能低下前は上限電流値ＵＩであり、ＩＶ曲線Ｃａのように性能低下後であっても性能低下の度合が小さい場合では上限電流値ＵＩである。しかしながら、ＩＶ曲線Ｃｂ及びＣｃのように更に性能が低下した後では、燃料電池２０の最大電流値は上限電流値ＵＩ未満となりこのときの電圧値は下限電圧値ＬＶとなる。ここで、ＩＶ曲線Ｃ〜Ｃｃは、前述したように高電流域で濃度過電圧の増大が起きない理想的なＩＶ曲線を示しており、各性能状態において高電流域での電圧値が最も高いＩＶ曲線である。従って本実施例において、燃料電池２０が電流を出力可能な「全電流域」とは、電流値がゼロから、上限電流値ＵＩと燃料電池２０が出力可能であり最大電流値とのうちの小さい方までの区間である。本実施例においては、このように定義される全電流域に従って、低電流域、中電流域、及び高電流域が定義される。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 燃料電池システム
２０ 燃料電池
３０ 酸化剤ガス配管系
４０ 燃料ガス配管系
６０ 制御ユニット

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池への出力要求に基づいて前記燃料電池の目標電流値を設定する設定部と、
   設定された前記目標電流値に基づいて前記燃料電池の出力電流値を低電流域から高電流域まで制御可能な出力制御部と、
   前記燃料電池の出力電流値が前記低電流域内にあり、かつ前記目標電流値が前記高電流域内に設定された電流閾値を超えている場合に、前記低電流域での前記燃料電池の出力電圧値に基づいて前記高電流域で前記燃料電池の電圧降下が発生すると予測する予測部と、
   前記電圧降下が発生すると予測された場合に、設定されている前記目標電流値よりも小さい電流値に目標電流値を再設定する再設定部と、を備え、
   前記予測部は、前記低電流域での所定の電流値における前記燃料電池の出力電圧値が電圧閾値を超えている場合に、前記電圧降下が発生すると予測する、燃料電池システム。
2. 前記電流閾値及び電圧閾値を記憶した記憶部と、
   前記燃料電池の電流‐電圧特性を推定する特性推定部と、
   推定された前記電流‐電圧特性に基づいて前記燃料電池の性能が低下したか否かを判定する判定部と、
   前記燃料電池の性能が低下したと判定された場合には、推定された前記電流‐電圧特性に基づいて前記記憶部に記憶された前記電流閾値及び電圧閾値の少なくとも一方を更新する更新部と、を備えた請求項１の燃料電池システム。
   

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