WO2006080471A1

WO2006080471A1 - 電源装置

Info

Publication number: WO2006080471A1
Application number: PCT/JP2006/301377
Authority: WO
Inventors: Tomohiro Saito; Tadaichi Matsumoto; Shigeto Kajiwara
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2006-01-23
Publication date: 2006-08-03
Also published as: JP2006210100A

Abstract

　燃料電池と、電気負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、燃料電池の出力及び蓄電装置の充電を制御する制御装置とを含む電源装置であって、制御装置は、負荷要求が燃料電池の高効率点での電力よりも小さい場合（ステップＳ１３：ＹＥＳ）には、当該高効率点にて燃料電池を駆動させる（ステップＳ１５、Ｓ１７）と共に余剰電力を蓄電装置に充電する。一方、負荷要求が前記高効率点での電力以上の場合（ステップＳ１３：ＮＯ）には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池から出力させる（ステップＳ３１、Ｓ１７）。これにより、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求への対応が可能となる。

Description

明細書電源装置技術分野

本発明は、燃料電池と蓄電装置とを含む電源装置に関し、特に、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求への対応を可能にした電源装置に関する。背景技術

近年、燃料ガスと酸化ガスの酸化還元反応による化学エネルギーを電気工ネルギ一として直接取り出すことのできる燃料電池を備えた車両システム等の開発が進められている。また、この種の車両システムとして、例えば特開平 0 5— 1 8 2 6 7 5号公報には、トラクションモータや補機類等の電気負荷に対してそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電装置を備え、負荷要求に拘わらず燃料電池を高効率の動作点で駆動（発電）させる一方、負荷要求に対する燃料電池出力の不足分を蓄電装置にて賄う技術が提案されている。発明の開示

しかしながら、この公報に開示の技術では、燃料電池を常に高効率領域に制限して運転するため、蓄電装置の残容量（S O C ) が少ないときに負荷要求が急増した場合には、燃料電池出力の不足分を蓄電装置にて賄わなければならない状況であるにも拘わらず、燃料電池出力を補えない虞がある。つまり、燃料電池の発電効率を重視するあまり、高負荷要求に十分に対応できない場合がある、という課題がある。

そこで、本発明は、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求への対応を可能にした電源装置を提供することを目的とする。上記の課題を解決するため、本発明は、燃料電池と蓄電装置とを含む電源装置であって、負荷要求が燃料電池の高効率領域（高効率点）での電力よりも小さい場合には、当該高効.率領域（高効率点）にて燃料電池を駆動させると共に余剰電力を蓄電装置に充電する一方、負荷要求が前記高効率領域（高効率点）での電力以上の場合には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池から出力させる。

また、本発明は、燃料電池と、電気負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、燃料電池の出力及び蓄電装置の充電を制御する制御装置とを含む電源装置であって、前記制御装置は、負荷要求より燃料電池に対する要求電力 P rを設定する要求設定部と、燃料電池の発電動作点 P f cを設定する動作点設定部と、を備え、該動作点設定部は、燃料電池に対する要求電力 P rが燃料電池の高効率領域（高効率点）での電力 P mよりも小さい場合には、燃料電池の発電動作点 P f cを当該高効率領域（高効率点）での電力 P mに設定すると共に該設定の結果生じる余剰電力を蓄電装置に充電し、燃料電池に対する要求電力 P rが前記高効率領域（高効率点）での電力 P m以上の場合には、燃料電池の発電動作点 P f cを当該要求電力 P rに設定する。これらの構成によれば、負荷要求（要求電力 P r ) が高効率領域（高効率点）での燃料電池出力（電力 P m) よりも小さい場合には、当該高効率領域 (高効率点）にて燃料電池を駆動させている、言い換えれば、燃料電池の発電動作点 P f cを当該高効率領域（高効率点）での電力 P mに設定しているので、燃費の向上が図られる。一方、負荷要求が前記高効率領域（高効率点）での燃料電池出力以上の場合には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池に出力させている、言い換えれば、燃料電池の発電動作点 P f cを当該要求電力 P rに設定しているので、高負荷要求への対応が可能である。

前記高効率領域（高効率点）のうち、最も発電効率の良い発電動作点が選択されてもよい。かかる構成によれば、所定以下の負荷要求に対しては最高の発電効率にて燃料電池が駆動されるため、更なる燃費向上が図られる。前記高効率領域（高効率点）は、燃料電池の電流対電圧特性に応じて更新されてもよい。かかる構成によれば、燃料電池の状態等により常に変動する電流対電圧特性に応じて高効率領域（高効率点）が更新されるので、高効率領域（高効率点）が変動することによる発電効率の低下を抑制することが可能である。

前記燃料電池の高効率領域（高効率点）に代えて、燃料電池とその補機（燃料電池の運転を補助的に支える装置）とを含む燃料電池システムの高効率領域（高効率点）を用いてもよい。燃料電池単体の発電効率の特性と、燃料電池の出力電力と補機消費電力の双方を考慮した燃料電池システムの発電効率の特性とは必ずしも一致していないので、かかる構成によれば、より実システムに即した高効率領域（高効率点）を用いて燃料電池を駆動させることが可能となり、発電効率の更なる向上が図られる。

上記いずれかの構成において、「効率を重視したモード」と「負荷要求を重視したモード」とのいずれかの動作モードを選択する指示を受け付ける入力手段を有し、「負荷要求を重視したモード」を受け付けた場合にのみ、上記燃料電池の出力制御及び蓄電装置の充電制御を行い、「効率を重視したモード」を受け付けた場合には、負荷要求に拘わらず燃料電池の出力を高効率領域 (高効率点）で駆動させるようにしてもよい。

かかる構成によれば、燃料電池の発電に用いられる燃料ガスの残容量が少ない場合等、負荷要求に対する応答性よりも燃費を優先させるべき状況下においては、選択的に燃費を最優先して燃料電池を駆動させることが可能となる。

なお、「負荷要求」とは、制御ロジックの過程において便宜的に設定される要求値であり、燃料電池に対する負荷要求の設定に係る各種の要因のうち、「燃料電池の出力が高効率領域（高効率点）以上か否か」という要因については考慮することなく設定される要求値をいうものとする。

図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施の形態による電源装置を燃料電池車両に適用した車両システムの概略構成図。

図 2は、図 1に示す電子制御ュニットによる燃料電池の発電動作点制御の内容を記述したフローチヤ一ト。

発明を実施するための最良の形態

図 1は、本発明の一実施の形態による電源装置を燃料電池車両に適用した車両システムの概略構成図であり、同図中、実線は電力フロー、破線は制御信号を示している。なお、本発明の電源装置は、燃料電池車両の車載発電システムに適用可能である他、例えば定置用発電システムへの適用も可能である。

燃料電池 1の燃料ガス系には、例えば高圧水素タンク等の水素貯蔵源ある V、は改質原料を水素リッチガスに改質する改質器等によって構成される燃料ガス供給源、該燃料ガス供給源から放出される燃料ガスを燃料電池 1のァノ一ドに導く燃料ガス供給路、燃料電池 1から排出されたァノードオフガスをシステム外に排気するアノードオフガス流路、及びアノードオフガスに含まれる未反応燃料ガスを燃料ガス循環ポンプ（補機）によって燃料電池 1に還流させる燃料ガス循環路と、が配設されている。

燃料電池 1の酸化ガス系には、エアフィルタを介して外気から取り込んだ空気を圧縮し酸化ガスとして燃料電池 1の力ソードに供給するエアコンプレッサ（補機）、該エアコンプレッサによつて圧送される酸化ガスを燃料電池 1 の力ソードに導く酸化ガス供給路、及び燃料電池 1から排出された力ソードオフガスをシステム外に排気する力ソードオフガス流路が配設されている。燃料電池 1に供給される酸化ガスの背圧は、力ソードオフガス流路のカソード出口付近に配設された圧力調整弁よって調圧される。

燃料電池 1は、複数の単セルを直列に積層して成るスタック構造を備えており、例えば、固体高分子電解質型燃料電池等から構成されている。そして、この燃料電池 1と、上記燃料ガス循環ポンプやエアコンプレッサ等の補機類 (図 1では、燃料電池補機装置 3 ) を含む燃料ガス系及び酸化ガス系とを備えて燃料電池システムが構成されている。

電源装置 1 0は、燃料電池 1，二次電池（蓄電装置） 2 , 及び D C /D C コンバータ等の電力変換装置 4を備えて構成されており、燃料電池システムにおける燃料ガス循環ポンプやエアコンプレッサ等の燃料電池捕機装置（電気負荷） 3 , トラクシヨンモータ等の走行用駆動装置（電気負荷） 5，及びエアコンやランプ等の車両補機装置（電気負荷） 6用の低圧二次電池（図示略）に電力を供給する。

燃料電池 1から出力（発電）される電力の一部は、電力変換装置 4により所定圧に降圧されて二次電池 2に充電される。二次電池 2は、車両走行時における余剰電力及び車両制動時における回生電力の貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時の電力バッファ等の役割を担うものであり、ニッケノレ -力ドミゥム蓄電池、ニッケル ·水素蓄電池、リチウム二次電池等で構成されている。

電子制御ユニット（制御装置） 7は、 C P U、 R OM、 R AM、 H D D , 入出力ィンタフエース及ぴディスプレイなどの制御コンピュータシステムによって構成されており、燃料電池 1に対する要求電力（要求出力、要求発電量）を設定する要求設定部と、燃料電池 1が間欠運転中であるかどうかを判定する F C間欠判定部と、燃料電池 1の出力電力（目標発電量)、つまり、発電動作点を設定する動作点設定部と、を備える。

要求設定部は、アクセル開度やモータ回転数等から各装置 3 , 4， 6での消費電力を含む車両要求電力を算出し、該車両要求電力と二次電池 2の充放電量等から燃料電池 1に対する要求電力 P rを求める。この要求電力 P rは、制御ロジックの過程において便宜的に設定される要求値であり、燃料電池 1 に対する負荷要求の設定に係る各種の要因のうち、「燃料電池 1の出力が高効率領域（高効率点）以上か否か」という要因については考慮することなく設定される要求値である。

動作点設定部は、二次電池 2の残容量 S O Cと、燃料電池 1に対する要求電力 P rと、燃料電池システムの発電効率とに基づき、燃料電池 1の出力電力、すなわち、発電動作点 P f cを決定する。具体的には、二次電池 2の残容量 S O Cが所定率 X未満である場合において、燃料電池 1に対する要求電力 P rが燃料電池システムの効率の良い発電動作点（以下、高効率点）での電力よりも小さいときは、燃料電池 1の発電動作点 P f cを当該高効率点での電力に設定する。

かかる設定の結果生じる、要求電力 P rに対する発電動作点 P f cの余剰電力（= P f c— P r ) は、電力変換装置 4にて所定圧に降圧して蓄電装置 2に充電される。また、二次電池 2の残容量 S O Cが所定率 X未満である場合において、燃料電池 1に対する要求電力 P rが前記高効率点で出力される電力以上のときは、燃料電池 1の発電動作点 P f cを当該要求電力 P rに設定する。 .

一方、二次電池 2の残容量 S O Cが所定率 X以上である場合には、二次電池 2から走行用駆動装置 5に電力を供給した方が高効率であるため、燃料電池 1の発電動作点 P f cを当該要求電力 P rに設定する。かかる設定において、車両要求電力 P rに対して電力不足が生じた場合、この不足分（= P r 一 P i c ) は二次電池 2で賄われる。

図 2のステップ S 1 1には、燃料電池 1と燃料電池補機装置 3とを含む燃料電池システムの効率（F Cシステム効率）と、燃料電池 1の発電動作点（F C出力電力）との関係が示されている。同図において、 FCシステム効率が最も良い燃料電池 1の出力電力は電力 Pmである。

なお、本発明における高効率領域とは、燃料電池システムの発電効率が（例えば、 60%〜65%の範囲、あるいは、 60%以上）となるような、一定の幅をもつた燃料電池 1の発電動作領域をいうものであるが、本実施形態では当該領域内で最も効率の良い発電動作点（高効率点）に特化して説明してレヽる。

図 2は、電子制御ュニット 7による燃料電池 1の発電動作点制御の内容を記述したフローチャートである。この電子制御ュニット 7が実行する主制御プログラムの中で、所定のイベント発生時にこのフローチャートに示すルーチンが呼び出されると、アクセル開度や回転数等から車両要求電力を算出し、この車両要求電力から燃料電池 1に対する要求電力 P _rを求める（ステップ S 1)。

次に、燃料電池システムの間欠判定を行い（ステップ S 3)、間欠状態判定フラグに「ON」がセットされている場合（ステップ S 3： YES)、つまり、間欠運転中である場合には、処理をステップ S 2 1に移し、燃料電池 1の発電動作点 P f cを 0 [kW] に設定する。一方、間欠状態判定フラグに「0 N」がセットされていない場合（ステップ S 3 ： NO) には、処理をステツプ S 5に移し、二次電池 2の残容量 SO Cを読み込む（ステップ S 5)。なお、間欠運転とは、燃料電池捕機装置 3を停止して燃料電池 1の発電を停止することが可能な状況で行われるものであり、例えば、燃料電池 1に対する要求電力 P rと二次電池 2の定格出力との関係や、燃料ガス漏れ判定や燃料電池暖機中等の燃料電池システムの状態等により、間欠運転可能かどうかが判定（決定）される。間欠運転可能であると判定されると、間欠状態判定フラグに「ON」がセットされる。

ステップ S 7の判定において、二次電池 2の残容量 SO Cが所定率 X以上 (例えば、 60%以上）の場合（ステップ S 7 ： NO) には、燃料電池 1の発電動作点 P f cを燃料電池 1に対する要求電力 P r [kW] に設定する（ステツプ S 3 1)。このとき、車両要求電力 P rに対して電力が不足する場合には、該不足分は二次電池 2で賄われる。

—方、ステップ S 7の判定において、二次電池 2の残容量 SO Cが所定率 X未満の場合（ステップ S 7 ： YES) には、燃料電池 1の I—V特性（電流対電圧特性）を R OM等の記憶手段から読み込む（ステップ S 9 )。次いで、読み込んだ I一 V特性に対応する F Cシステム効率マップを参照し、燃料電池システムの発電効率が最も高くなる燃料電池 1の動作点（以下、最高動作点 Pm) を読み取る（ステップ S 11)。

燃料電池 1の I一 V特性は一定ではなく、燃料電池 1の温度、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の状態量（流量，圧力，湿度等）、電解質膜の水分変化による内部抵抗の変動、燃料電池 1の運転状態（過渡状態、定常状態等）、経年劣化等によって変動するため、効率の良い発電動作点 P i cも変動する。本実施形態では、かかる変動による発電効率の低下を防止すべく、変動要因に応じた複数の I— V特性と F Cシステム効率マップを備えることにより、燃料電池 1の I _V特性に応じて高効率点（高効率領域）が更新されるようにしている。

ステップ S 13では、ステップ S 11にて読み取った燃料電池システムの最高動作点 Pmと、ステップ S 1で求めた燃料電池 1に対する要求電力 P r とを比較する。燃料電池 1に対する要求電力 P rが最高動作点 Pmよりも小さい場合（ステップ S 1 3 ： YE S) は、燃料電池 1の発電動作点 P f cを最高動作点 Pmに設定し（ステップ S 15)、 FCシステム効率が最高の状態で燃料電池 1を駆動する。要求電力 P rに対する最高動作点 Pmの余剰電力 (=Pm-P r) は、電力変換装置 4を介して所定圧に降圧して二次電池 2 に充電する。一方、燃料電池 1に対する要求電力 P rが最高動作点 P m以上の場合（ステツプ S 1 3 ： N O) は、燃料電池 1の発電動作点 P f cを燃料電池 1に対する要求電力 P rに設定する（ステップ S 3 1 )。つまり、要求電力 P rに対する最高動作点 P mの不足分を二次電池 2で賄うのではなく、 F Cシステム効率の低下をあえて許容した上で、燃料電池 1に対する要求電力 P rの全てを燃料電池 1で発電する。よって、二次電池 2の残容量 S O Cが少ない（所定率 X未満）場合であっても、高負荷要求への十分な対応が可能である。ステップ S 1 7では、上記ステップ S 2 1 , ステップ S 1 5，ステップ S 3 1でそれぞれ設定した発電動作点 P f cにて燃料電池 1を駆動する。

なお、以上のステップにおいて、ステップ S 1は要求設定部、ステップ S 3は F C間欠判定部で行われ、これらステップ S l， S 3以外のステップ S 5， …， S 3 1は動作点設定部で行われる。

以上説明したとおり、本実施形態の発電装置 1 0を備えた燃料電池車両によれば、燃料電池 1に対する要求電力 P rが最高動作点 P mでの電力よりも小さい場合は、当該最高動作点 P mにて燃料電池 1を駆動させて燃費の向上を図る一方、燃料電池 1に対する要求電力 P rが最高動作点 P mでの電力以上の場合は、当該要求電力 P rに相当する電力を燃料電池 1に出力させて高負荷要求への対応を可能にしている。よって、燃費の向上と高負荷要求に対する応答性の両立を図ることができる。

<他の実施形態 >

図 1の構成に加えて、「効率を重視したモード」と「負荷要求を重視したモ一ド」とのいずれかの動作モードを選択する指示をユーザから受け付ける入力手段を設け、さらに、電子制御ュ-ット 7は、「負荷要求を重視したモード」を受け付けた場合にのみ、上記実施形態による燃料電池 1の出力制御及ぴ蓄電装置 2の充電制御を行い、「効率を重視したモド」を受け付けた場合には、負荷要求に拘わらず燃料電池 1を高効率点（高効率領域）で駆動させるように構成してもよレ、。力かる構成によれば、燃料電池 1の発電に用いられる燃料ガスの残容量が少ない場合等、負荷要求に対する応答性よりも燃費を優先させるべき状況下においては、選択的に燃費を最優先させた燃料電池 1の運転が可能となる。

また、本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。例えば、図 2のステップ S 1 3における判定においては、燃料電池 1に対する要求電力 P rとの大小比較に、 F Cシステム効率の最も良い動作点での F C出力電力（最高動作点 P m) を用いているが、この最高動作点 P mに代えて、例えば所定以上あるいは所定範囲の F Cシステム効率での F C 出力電力（発電動作点）を用いてもよい。

さらに、上記実施形態の二次電池 2に代えて、キャパシタを蓄電装置として用いることもできる。産業上の利用可能性

本発明によれば、負荷要求が、高効率領域（高効率点）での燃料電池出力よりも小さい場合は、当該高効率領域（高効率点）にて燃料電池を駆動させる一方、高効率領域（高効率点）での燃料電池出力以上の場合は、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池に出力させているので、燃料電池の発電効率を加味しつつ高負荷要求にも十分に対応可能な電源装置の提供が可能となる。よって、本発明は、そのような要求のある電源装置に広く利用することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池と蓄電装置とを含む電源装置であって、

負荷要求が燃料電池の高効率領域での電力よりも小さい場合には、当該高効率領域にて燃料電池を駆動させると共に余剰電力を蓄電装置に充電する一方、

燃料電池に対する負荷要求が前記高効率領域での電力以上の場合には、当該負荷要求に相当する電力を燃料電池から出力させる電源装置。

2 . 燃料電池と、電気負荷に対して燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、燃料電池の出力及び蓄電装置の充電を制御する制御装置と、を含む電源装置であって、

前記制御装置は、負荷要求より燃料電池に対する要求電力 P rを設定する要求設定部と、燃料電池の発電動作点 P f cを設定する動作点設定部とを備え、

該動作点設定部は、燃料電池に対する要求電力 P rが燃料電池の高効率領域での電力 P mよりも小さい場合には、燃料電池の発電動作点 P f cを当該高効率領域での電力 P mに設定すると共に該設定の結果生じる余剰電力を蓄電装置に充電し、燃料電池に対する要求電力 P rが前記高効率領域での電力 P m以上の場合には、燃料電池の発電動作点 P f cを当該要求電力 P rに設定する電源装置。

3 . 請求項 1又は 2に記載の電源装置において、

前記高効率領域のうち、最も発電効率の良い発電動作点が選択される。

4 . 請求項 1〜 3のいずれかに記載の電¾ 装置において、

前記高効率領域は、燃料電池の電流対電圧特性に応じて更新される。

5 . 請求項 1〜4のいずれかに記載の電源装置において、

前記燃料電池の高効率領域に代えて、燃料電池とその補機とを含む燃料電池システムの高効率領域を用いる。

6 . 請求項 1〜 5のいずれかに記載の電源装置において、

「効率を重視したモード」と「負荷要求を重視したモード」とのいずれかの動作モードを選択する指示を受け付ける入力手段を有し、

「負荷要求を重視したモード」を受け付けた場合にのみ、請求項 1又は 2 に記載の燃料電池の出力制御及び蓄電装置の充電制御を行い、

「効率を重視したモード」を受け付けた場合には、負荷要求に拘わらず燃料電池の出力を高効率領域で駆動させる。