WO2008133318A1 - 燃料電池システムおよび電源制御方法 - Google Patents

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Yoshiaki Naganuma
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and more particularly to an air amount estimation calculation during low-efficiency operation at start-up.
  • An example of a fuel cell that generates electricity using an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen is a solid polymer fuel cell.
  • This polymer electrolyte fuel cell has a stack formed by stacking a plurality of cells.
  • the cell constituting the stack includes a node (fuel electrode) and a force sword (air electrode), and a solid polymer electrolyte having a sulfonic acid group as an ion exchange group between the anode and the force sword.
  • a membrane is interposed.
  • a fuel gas containing a fuel gas hydrogen gas or modified hydrogen obtained by reforming hydrocarbons into hydrogen rich gas
  • a gas containing oxygen as an oxidizing agent oxidizing gas
  • air is supplied.
  • the air supply amount to the fuel cell is set to be smaller than the supply amount at the time of normal power generation, Control is performed to increase the amount of self-heating of the fuel cell due to lack of oxygen. At this time, the supply amount of the reaction gas is reduced, and the voltage of the fuel cell is controlled to around 0 volts. As a result, a reverse potential may be generated in the cell. Since the current value at which no reverse potential is generated varies depending on the temperature of the fuel cell, for example, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 06-7 3 5 01, it is a potential at which no reverse potential is generated. An oxygen supply amount necessary for operating a fuel cell and a temperature of the fuel cell are related and mapped in advance, and an oxygen supply amount is determined based on the temperature of the fuel cell.
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell system that accurately determines an air stoichiometric ratio in a fuel cell during low-efficiency power generation without using a multidimensional map.
  • the present invention provides a fuel cell system that performs low-efficiency power generation, a command value calculation unit that calculates a command current value and a command voltage value to the fuel cell during the low-efficiency power generation, An air concentration overvoltage target value calculation unit that estimates a reference voltage of the fuel cell when the command current value is a reference current, and calculates a difference between the reference voltage and the command voltage value as an air concentration overvoltage target value; An air stoichiometric ratio calculating unit that calculates an air stoichiometric ratio based on the air concentration overvoltage target value, and an air amount calculating unit that calculates an air amount during the low-efficiency power generation based on the air stoichiometric ratio. It is characterized by this.
  • the command current value and command to the fuel cell during low-efficiency power generation When determining the air stoichiometric ratio that satisfies the voltage value, the reference voltage of the fuel cell is estimated using the command current value as the reference current, and the difference between the estimated reference voltage and the command voltage value is obtained as the target air concentration overvoltage value. Since the air stoichiometric ratio is calculated based on the air concentration overvoltage target value, and the air amount during low-efficiency power generation is calculated based on the air stoichiometric ratio obtained by the calculation, the air stoichiometric ratio is used without using a multidimensional map. Can be requested. This contributes to a reduction in memory capacity and does not use a multidimensional map, so that the required air stoichiometric accuracy can be improved.
  • the reference voltage of the fuel cell is estimated when the command current value is used as the reference current, and the reference voltage and command voltage value based on this estimation are estimated. Therefore, the air stoichiometric ratio can be determined based on the air concentration overvoltage target value, and the air stoichiometric ratio can be determined without using a multidimensional map. At this time, by estimating the reference voltage in consideration of the temperature and water content of the fuel cell, it is possible to obtain an accurate air stoichiometric ratio in consideration of the effect of the temperature and water content of the fuel cell.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit detects the temperature of the fuel cell, and estimates the reference voltage from the detected temperature and the command current value.
  • the temperature of the fuel cell is detected, and the reference voltage is estimated from the detected temperature and the command current value, thereby obtaining a more accurate air stoichiometric ratio in consideration of the influence of the temperature of the fuel cell. be able to.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit estimates the impedance of the fuel cell, and estimates the reference voltage from the estimated impedance and the command current value. According to this configuration, by estimating the impedance of the fuel cell and estimating the reference voltage from the estimated impedance and the command current value, the reference voltage corresponding to the water content can be obtained, and the water content of the fuel cell can be obtained. A more accurate air bag that takes into account the effects of The ratio can be obtained.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit estimates the impedance of the fuel cell at the end of the previous time, and estimates the reference voltage from the estimated impedance and the command current value.
  • the reference voltage whose temperature has been corrected is added to the water content at the previous stop. It is possible to obtain a more accurate air stoichiometric ratio that takes into consideration the effects of the water content and temperature of the fuel cell at the previous stop.
  • the air stoichiometric ratio calculation unit further measures the water content of the fuel cell and calculates the air stoichiometric ratio with reference to the measured water content.
  • the air stoichiometric ratio calculation unit calculates the air stoichiometric ratio based on a one-dimensional map of the air concentration overvoltage target value and the air stoichiometric ratio.
  • the air stoichiometric ratio calculation unit calculates the air stoichiometric ratio based on a two-dimensional map of the air concentration overvoltage target value, the measured water content of the fuel cell, and the air stoichiometric ratio.
  • the power control method of the present invention is a power control method for a fuel cell system that performs low-efficiency power generation.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system according to the present invention.
  • Figure 2 Functional block diagram for explaining the functions of the control unit.
  • Fig. 3 Reference I-V characteristic diagram of fuel cell showing the relationship between command current value and command voltage value.
  • Figure 5 Relationship diagram of air stoichiometric ratio determined from air concentration target voltage value.
  • FIG. 6 is a flowchart for explaining the operation in the first embodiment.
  • Figure 7 Relationship between reference IV characteristics and impedance.
  • FIG. 8 is a flowchart for explaining the operation in the second embodiment.
  • FIG. 1 is a system configuration diagram of a fuel cell system to which the present invention is applied.
  • a fuel cell system 10 includes a fuel gas supply system 4 for supplying fuel gas (hydrogen gas) to the fuel cell 20 and an oxidation for supplying oxidizing gas (air) to the fuel cell 20.
  • the fuel cell 20 has an anode electrode 2 2 and a force sword electrode 2 3 formed on both sides of a polymer electrolyte membrane 21 made of a proton-conducting ion exchange membrane made of fluorine resin or the like by screen printing or the like.
  • a membrane electrode assembly 24 is provided. Membrane-electrode assembly 24 Both surfaces of the electrode assembly 24 are sandwiched by separators (not shown) having flow paths of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water.
  • a grooved anode gas channel 25 and a force sword gas channel 26 are formed between the separator, the anode electrode 22 and the force sword electrode 23, respectively.
  • the anode electrode 22 is configured by providing a fuel electrode medium layer on a porous support layer
  • the force electrode electrode 23 is configured by providing an air electrode catalyst layer on a porous support layer. Yes.
  • the catalyst layers of these electrodes are configured by adhering platinum particles, for example.
  • the anode electrode 2 2 undergoes an oxidation reaction of the following formula (1), and the force sword electrode 23 produces a reduction reaction of the following formula (2).
  • the fuel cell 20 as a whole undergoes an electromotive reaction of the following equation (3).
  • FIG. 1 for convenience of explanation, the structure of a unit cell composed of a membrane electrode assembly 24, an anode gas channel 25, and a force sword gas channel 26 is schematically shown. It has a stack structure in which a plurality of unit cells (cell groups) are connected in series via a separator.
  • the coolant supply system 3 of the fuel cell system 10 includes a cooling path 31 for circulating the coolant, a temperature sensor 3 2 for detecting the temperature of the coolant drained from the fuel cell 20, and the heat of the coolant.
  • Radiator that radiates heat (heat exchanger) 3 3
  • Valve 3 4 that adjusts the amount of coolant flowing into the radiator 3 3
  • Coolant pump 3 5 that pressurizes and circulates coolant
  • Fuel A temperature sensor 36 for detecting the temperature of the coolant supplied to the fuel cell 20 is provided.
  • a fuel gas supply system 4 of the fuel cell system 10 includes a fuel gas flow path 4 for supplying fuel gas (anode gas), for example, hydrogen gas, from the fuel gas supply device 4 2 to the anode gas channel 2 5. 0 and a circulation flow path (circulation path) 5 1 for circulating the fuel off-gas exhausted from the anode gas channel 25 to the fuel gas flow path 40, and the fuel flow through these gas flow paths.
  • a gas circulation system is configured.
  • the fuel gas flow path 4 0 includes a shutoff valve (source valve) 4 3 for controlling the outflow of fuel gas from the fuel gas supply device 4 2, a pressure sensor 4 4 for detecting the pressure of the fuel gas, and a circulation path 5 1
  • An adjustment valve (injector) 4 5 for adjusting the fuel gas pressure and a shutoff valve 4 6 for controlling the supply of fuel gas to the fuel cell 20 are installed.
  • the fuel gas supply device 42 includes, for example, a high-pressure hydrogen tank, a hydrogen storage alloy, a reformer, and the like.
  • the circulation channel 51 includes a shut-off valve 52 that controls the supply of fuel off-gas from the fuel cell 20 to the circulation channel 51, a gas-liquid separator 53 that removes water contained in the fuel off-gas, and a discharge valve.
  • a shut-off valve 52 that controls the supply of fuel off-gas from the fuel cell 20 to the circulation channel 51
  • a gas-liquid separator 53 that removes water contained in the fuel off-gas
  • a discharge valve a discharge valve.
  • hydrogen pump (circulation pump) that compresses the fuel gas that has been subjected to pressure loss when it passes through the anode gas channel 25, boosts it to an appropriate gas pressure, and recirculates it to the fuel gas channel 40.
  • a backflow prevention valve 5 6 is installed to prevent the fuel gas in the fuel gas flow path 40 from flowing back to the circulation flow path 51.
  • the fuel off-gas generated by driving the hydrogen pump 55 is merged with the fuel gas supplied from the fuel gas supply device 42 in the fuel gas flow path 40, and then the fuel cell. Supplied to 20 for reuse.
  • the hydrogen pump 55 is provided with a rotation speed sensor 57 that detects the rotation speed of the hydrogen pump 55.
  • the circulation flow path 51 is divided into an exhaust flow path 61 for exhausting the fuel off-gas exhausted from the fuel cell 20 to the outside of the vehicle through a diluter (for example, a hydrogen concentration reduction device) 62. And are piped.
  • a purge valve 63 is installed in the exhaust passage 61 so that the exhaust gas gas can be controlled. By opening and closing the purge valve 6 3 By repeating the circulation in the fuel cell 20, the fuel off-gas whose impurity concentration has increased can be discharged to the outside, and a new fuel gas can be introduced to prevent the cell voltage from decreasing.
  • the oxidizing gas supply system 7 of the fuel cell system 10 includes an oxidizing gas channel 7 1 for supplying oxidizing gas (powered sword gas) to the power sword gas channel 26, and a cathode gas channel 2 6
  • a cathode-off gas flow path 72 for exhausting the power sword-off gas exhausted from the pipe is provided.
  • the oxidant gas flow path 7 1 includes an air cleaner 7 4 that takes in air from the atmosphere, and an air compressor that compresses the taken-in air and supplies the compressed air as oxidant gas to the force sword gas channel 26. 7 5 is set.
  • the air compressor 75 is provided with a rotational speed sensor 73 that detects the rotational speed of the air compressor 75.
  • a humidifier 76 for exchanging humidity is provided between the oxidizing gas channel 7 1 and the force sword-off gas channel 7 2.
  • the power sword off gas flow path 7 2 includes a pressure regulating valve 7 7 that adjusts the exhaust pressure of the power sword off gas flow path 7 2, and a gas-liquid separator 6 4 that is an optional configuration that removes moisture from the cathode off gas flow path 6 4
  • a muffler that absorbs the exhaust sound of the power sword off gas is provided.
  • the cathode off-gas discharged from the gas-liquid separator 64 is divided and flows into the diluter 62 and mixed and diluted with the fuel off-gas staying in the diluter 62.
  • the other divided sword-off gas is absorbed by the muffler 65, mixed with the gas diluted by the diluter 62, and discharged outside the vehicle.
  • the power system 9 of the fuel cell system 10 is a DC-DC converter 9 0 in which the output terminal of the battery 9 1 is connected to the primary side and the output terminal of the fuel cell 20 is connected to the secondary side.
  • a battery 91 that stores surplus power as a secondary battery
  • a battery computer 9 2 that monitors the charging status of the battery 91, a load of the fuel cell 20 or an AC power to the vehicle driving motor 94 that is the target of driving Inverter 9 3 that supplies power
  • voltage sensor 9 7 that measures the output voltage of fuel cell 20 and inverter 9 5 that supplies AC power to various high-voltage auxiliary machines 9 6 in fuel cell system 10, and output current
  • the current sensor 9 8 to be connected is connected.
  • the DC-DC converter 90 converts the surplus power of the fuel cell 20 or the regenerative power generated by the braking operation to the vehicle driving motor 94 into a voltage, supplies the battery 91, and charges it. In addition, in order to compensate for the shortage of the power generated by the fuel cell 20 with respect to the power required by the vehicle driving motor 94, the DC-DC converter 90 converts the discharge power from the battery 91 into a voltage by Output to the next side.
  • Inverters 9 3 and 9 5 convert a direct current into a three-phase alternating current and output the three-phase alternating current to vehicle drive motor 94 and high-voltage auxiliary machine 96, respectively.
  • the vehicle travel motor 94 is provided with a rotational speed sensor 99 that detects the rotational speed of the motor 94.
  • the motor 94 is mechanically coupled with wheels 100 through a differential, so that the rotational force of the motor 94 can be converted into the driving force of the vehicle.
  • the voltage sensor 97 and the current sensor 98 are for measuring the AC impedance based on the phase and amplitude of the current with respect to the voltage of the AC signal superimposed on the power system 9.
  • the AC impedance corresponds to the water content of the fuel cell 20.
  • control unit 80 for controlling the power generation of the fuel cell 12.
  • the control unit 80 is composed of, for example, a general-purpose computer including a CPU (central processing unit), RAM, ROM, an interface circuit, and the like.
  • Control unit 80 includes temperature sensor 3 2, 3 6, pressure sensor 4 4, speed sensor 5 7, 7 3, 9 9 sensor signal and voltage sensor 9 7, current sensor 9 8, ignition switch 8 2
  • the motors are driven according to the battery operation status, for example, the power load, and the rotation speeds of the hydrogen pump 55 and air compressor 75 are adjusted, and various valves are opened and closed. It is designed to control or adjust the valve opening.
  • FIG. 2 shows functional blocks realized by the control unit 80 executing a predetermined computer program.
  • the command value calculation unit 8 0 a that calculates the command current value and command voltage value to the fuel cell 20 during low-efficiency power generation and the command value calculation unit 8 0 a
  • Air concentration overvoltage target value calculation unit 8 Estimates the reference voltage of the fuel cell 20 when the command current value is the reference current, and calculates the difference between the estimated reference voltage and the command voltage value as the air concentration overvoltage target value 8 0 b and air concentration overvoltage target value calculation unit 8 0 Based on the air concentration overvoltage target value obtained by the calculation of b, the air stoichiometric ratio (when the minimum air amount required for power generation of the fuel cell 20 is set to 1)
  • the air stoichiometric ratio calculation unit 8 0 c for calculating the air ratio at the time of low efficiency power generation based on the air stoich
  • Embodiment 1 when the air concentration overvoltage target value calculation unit 80 b estimates the reference voltage of the fuel cell 20, the temperature sensors 3 2 and 3 6 are used as the water temperature sensors, and the detected temperature of the water temperature sensor Estimate the reference voltage from the command current value.
  • the impedance of the fuel cell 20 is estimated based on the detected current of the current sensor 98 and the detected voltage of the voltage sensor 97, and the fuel cell 2 is calculated from the estimated impedance and the command current value.
  • a reference voltage of 0 it is possible to estimate a reference voltage corresponding to impedance, that is, moisture content.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 80 b estimates the reference voltage of the fuel cell 20
  • the impedance of the fuel cell 20 at the end of the previous operation is determined from the detected current of the current sensor 9 8 and the voltage sensor 9. It is also possible to estimate based on the detected voltage in Fig. 7, estimate the reference voltage of the fuel cell from the estimated impedance and command current value, and obtain the reference voltage by adding the temperature correction to the water content at the previous end. it can.
  • FIG. 3 shows the I-V characteristics of the fuel cell, which is the relationship between the command current value and the command voltage value.
  • FIG. 3 shows the command operating point P 1 determined from the command current value I 1 and the command voltage value V 1 for the fuel cell during low-efficiency operation. Meanwhile, oxidizing gas (air) and fuel gas
  • the reference I-V characteristic determined from the temperature during normal operation when hydrogen (hydrogen gas) is sufficient is shown as curve f 1.
  • the difference between the voltage V 1 at the command operating point P 1 and the reference voltage V th on the curve f 1 at the current I 1 at the command operating point P 1 is the ⁇ air concentration overvoltage target value ''. It becomes.
  • the air concentration overvoltage target value calculator 8 0 b uses the command operating point P 1 determined from the command current value and the command voltage value when estimating the reference voltage of the fuel cell 20 when the command current value is used as the reference current.
  • the difference between the command voltage value V 1 at the reference voltage and the reference voltage value V th at the reference I-one V characteristic curve f 1 is calculated and output as the air concentration overvoltage target value.
  • Figure 4 shows the relationship between the reference I-V characteristic and the fuel cell temperature t.
  • the reference IV characteristic curve indicating the relationship between the current command value and the reference voltage value varies depending on the temperature of the fuel cell 20. That is, the reference I-V characteristic curve f1 to f6, which shows the relationship between the current command value and the reference voltage value, is a characteristic according to the reference I-V characteristic curve f1 when the temperature of the fuel cell 20 is low. As the temperature of the fuel cell 20 increases, the reference IV characteristic curve indicating the reference voltage value Vth changes to f2, f3, f4, f5, and f6.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 80 b holds the relationship between the fuel cell temperature t and the reference I-V characteristic curve as shown in FIG. 4 as a one-dimensional map in advance.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 8 0 b uses the map 2 0 0 representing the relationship shown in FIG. The reference voltage value corresponding to the current value is calculated, and the air concentration overvoltage target value is calculated therefrom.
  • Figure 5 shows the relationship between the air stoichiometric ratio determined from the air concentration target voltage value.
  • the air stoichiometric ratio calculation unit 80 c stores the relationship diagram shown in FIG. 5 as a one-dimensional map in advance. Then, when calculating the air stoichiometric ratio based on the air concentration overvoltage target value, the air stoichiometric ratio calculating unit 80 c is a reference voltage value indicating the relationship shown in FIG. Using the map 202, the air stoichiometric ratio corresponding to the air concentration overvoltage target value is calculated.
  • the command value calculation unit 80 a of the control unit 80 0 calculates the command current value and command voltage value for the fuel cell 20 based on the required power P req for the fuel cell system 10 that performs low-efficiency power generation.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 8 Ob of the control unit 80 takes in the detected temperature (water temperature) of the temperature sensors 3 2 and 3 6 (S 2), detects the detected temperature, the command current value, and the command voltage value. Accordingly, a reference voltage value map 200 representing the relationship shown in FIG. 4 is searched to estimate the reference voltage value V th (S 3).
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 80 b calculates the difference between the estimated reference voltage value V th and the command voltage value as the air concentration overvoltage target value (S 4).
  • the air stoichiometric ratio calculation unit 80 c of the control unit 80 searches the reference voltage value map 20 2 representing the relationship shown in FIG. 5 on the basis of the calculated air concentration overvoltage target value. Find the air stoichiometric ratio corresponding to the target value (S 5). Then, the air amount calculation unit 80 d of the control unit 80 calculates the air amount according to the obtained air stoichiometric ratio, for example, the current value detected by the current sensor 98, the X conversion coefficient, and the air amount according to the air stoichiometric ratio. (S 6) and the processing in this routine is terminated.
  • the control unit 80 drives the air conditioner 75 corresponding to the amount of air obtained by these processes, and a required amount of air is supplied to the fuel cell 20.
  • the reference voltage is estimated based on the command current value and the temperature of the fuel cell 20.
  • the reference voltage corresponding to the temperature of the fuel cell 20 can be obtained, and the air flow ratio is obtained based on the air concentration overvoltage target value obtained from the difference between the reference voltage and the command voltage.
  • the memory capacity can be reduced.
  • the air stoichiometric ratio can be obtained with high accuracy.
  • Embodiment 2 relates to an example in which the air stoichiometric ratio is estimated based on the impedance of the fuel cell.
  • Figure 7 shows the relationship between the reference IV characteristics and impedance.
  • the reference IV characteristics change as affected by the impedance of the fuel cell, as in the case of the temperature of the fuel cell.
  • the impedance of the fuel cell corresponds to the amount of water remaining in the fuel cell, that is, the water content of the fuel cell.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 8 Ob of the control unit 80 stores in advance a relationship as shown in FIG. 7 as a one-dimensional map.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 80 b measures the AC impedance of the fuel cell 20 based on the voltage and current of the fuel cell detected by the voltage sensor 97 and the current sensor 98, and is measured.
  • the air concentration overvoltage target value is calculated directly from the measured impedance.
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 80 b is configured to use a reference voltage value map 2 04 as shown in FIG. 7 instead of the map 2 0 0 showing the relationship as shown in FIG. ing.
  • the command value calculation unit 80 a of the control unit 80 0 calculates the command current value and command voltage value for the fuel cell 20 based on the required power P req for the fuel cell system 10 that performs low-efficiency power generation. Calculate (S 1 1).
  • the air concentration overvoltage target value calculation unit 80 b of the control unit 80 calculates the impedance of the fuel cell 20 based on the detection current of the current sensor 98 and the detection voltage of the voltage sensor 97 (S 1 2). Then, the air concentration overvoltage target value calculation unit 8 0 b searches the reference voltage value map 2 0 4 in which the relationship shown in FIG.
  • the air stoichiometric ratio calculation unit 80c of the control unit 80 searches the map 202 shown in FIG. 5 based on the calculated air concentration overvoltage target value, and the air stoichiometric ratio corresponding to the air concentration overvoltage target value. (S 15). Then, the air amount calculation unit 80 d of the control unit 80 calculates the air amount according to the obtained air stoichiometric ratio, for example, the current value X conversion coefficient X air stoichiometric ratio detected by the current sensor 98 ( S 16)) The processing in this routine is terminated.
  • control unit 80 drives the air conditioner 75 and a necessary amount of air is supplied to the fuel cell 20.
  • the estimation is based on the command voltage value and the impedance of the fuel cell 20.
  • the reference voltage corresponding to the impedance of the fuel cell 20 can be obtained, and the air stoichiometric ratio can be obtained based on the air concentration overvoltage target value obtained from the difference between the reference voltage and the command voltage. Can be reduced.
  • the air stoichiometric ratio can be obtained with high accuracy.
  • the impedance was measured to calculate the air concentration overcurrent target value as a premise for calculating the air amount, but instead, the impedance of the fuel cell 20 at the previous termination ( By estimating the water content) and estimating the reference voltage from the estimated impedance and command voltage value, it is possible to obtain a reference voltage obtained by adding a temperature correction to the water content at the previous end.
  • the previous impedance eliminates the need for impedance only for air volume calculation. This makes it possible to calculate the air stoichiometric ratio with high accuracy using impedance and to supply the air accurately.
  • the water content of the fuel cell 20 is set by impedance measurement, and the water content and the air concentration overvoltage are set.
  • the reference voltage of the fuel cell is estimated using the command current value as the reference current, the difference between the estimated reference voltage and the command voltage value is obtained as the air concentration overvoltage target value, and this air concentration overvoltage target value is obtained.
  • the air stoichiometric ratio is calculated based on the air stoichiometric ratio, and the air amount during low-efficiency power generation is calculated based on the air stoichiometric ratio obtained by the calculation, so there is no need to use a multidimensional map, reducing memory capacity, and high accuracy. To obtain the air stoichiometric ratio.

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Abstract

多次元マップを用いることなくエアストイキ比を求めるために、本発明に係る燃料電池システムは、要求電力を基に低効率発電時における燃料電池２０における指令電流値および指令電圧値を演算し、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池２０の基準電圧を指令電圧値と水温から推測し、得られた基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求め、エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算し、エアストイキ比に基づいて低効率発電時におけるエア量を演算し、演算されたエア量にしたがって燃料電池２０に対するエアの供給量を制御する。この際、指令電圧値と水温から基準電圧を推測し、基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求め、エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を算出することで、多次元マップを用いることなくエアストイキ比を求める。

Description

明細書
燃料電池システムおよび電源制御方法
技術分野
本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気工ネルギを発生させる燃料電 池を備えた燃料電池システムに係り、特に始動時の低効率運転時のエア量推定演算 に関する。
背景技術
水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固 体高分子型燃料電池がある。 この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して 構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、ァノード（燃料極） と力ソード （空気極） とを備えており、 これらのアノードと力ソードとの間には、 イオン交換基としてスルフォン酸基を有する固体高分子電解質膜が介在している。 アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リツチにした改 質水素）を含む燃料ガスが供給され、力ソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸 化剤ガス） 、 一例として、 空気が供給される。 アノードに燃料ガスが供給されるこ とで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、 これ によって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過 して、 力ソードで酸素と電気反応を起こす。 この電気化学反応によって発電が行わ れる構成となっている。
ところで、 燃料電池システムにおいては、低温起動時に、前回システム停止時の 水分が燃料電池内に残留していると水分が凍結し、 起動しないことがある。 また、 起動したとしても、自己の反応によって生じた生成水が凍結し発電が停止すること ¾あ 。
そこで、例えば、特開 2 0 0 4— 3 0 9 7 9号公報に記載されているように、始 動時に、 燃料電池に対する空気供給量を通常発電時の供給量よリも少なく設定し、 酸素不足によつて燃料電池の自己発熱量を増大させる制御することが行われてい る。 この際、 反応ガスの供給量を減少させて、 燃料電池の電圧を 0ボルト付近に制 御すると、セルに逆電位が生じることがある。逆電位が発生しない電流値は燃料電 池の温度によって変化するところから、例えば、特開 2 0 0 6 - 7 3 5 0 1号公報 に記載されているように、逆電位が発生しない電位で燃料電池を動作させるのに必 要な酸素供給量と、燃料電池の温度とを予め関係付けてマップ化し、燃料電池の温 度に基づいて酸素供給量を決定することが行われている。
発明の開示
反応ガスの供給量を減少させて低効率発電を行って燃料電池を昇温するに際し て、 低効率発電時の要求電流'電圧を満たすように、 エアストィキ比 （燃料電池の 発電に必要最低限の空気量を 1とした場合の比） を決定するには、燃料電池の温度 や含水量などの影響を考慮する必要がある。 しかし、燃料電池の温度や含水量など の影響を考慮してエアストィキ比を決定するには、 多次元マップが必要となり、 こ の多次元マップのための電子制御ユニット （E C U ) のメモリ容量が大きくなる。 また、 多次元マップを用いた演算は一般に数値適合性が悪く、推定精度が悪くなる 傾向があり、 電力誤差や必要燃料ガス量推定にも誤差を生ずる可能性があった。 そこで、本発明は、 多次元マップを用いることなく低効率発電時の燃料電池にお けるエアストイキ比を精度よく決定する燃料電池システムを提供することを目的 とするものである。
前記課題を解決するために、本発明は、低効率発電を実施する燃料電池システム において、該低効率発電時における該燃料電池への指令電流値および指令電圧値を 演算する指令値演算部と、該指令電流値を基準電流とした場合の該燃料電池の基準 電圧を推測し、該基準電圧と該指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演 算するエア濃度過電圧目標値演算部と、該エア濃度過電圧目標値に基づいてエアス トイキ比を演算するエアストイキ比演算部と、該エアストイキ比に基づいて該低効 率発電時におけるエア量を演算するエア量演算部と、を備えてなることを特徴とす る。
かかる構成によれば、低効率発電時における燃料電池への指令電流値および指令 電圧値を満たすようなエアストイキ比を決定するに際して、指令電流値を基準電流 として、燃料電池の基準電圧を推測し、推測した基準電圧と指令電圧値との差をェ ァ濃度過電圧目標値として求め、このエア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイ キ比を演算し、演算によって得られたエアストイキ比に基づいて低効率発電時にお けるエア量を求めるようにしたため、多次元マップを用いることなくエアストイキ 比を求めることができる。 このため、 メモリ容量の低減に寄与し、 多次元マップを 用いないため、 求められるエアストイキ比の精度を高めることができる。
すなわち、指令電流値と指令電圧値を満たすためのエアストイキ比を求めるに際 して、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池の基準電圧を推測し、 この推測 による基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求めこととし たので、 エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストィキ比を求めることができ、 多 次元マップを用いることなくエアストイキ比を決定することができる。 この際、燃 料電池の温度や含水量を考慮して基準電圧を推測することで、燃料電池の温度や含 水量の影響を考慮して正確なエアストイキ比を求めることが可能になる。
前記燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができ る。
好適には、前記エア濃度過電圧目標値演算部は、該燃料電池の温度を検出し、検 出された該温度と該指令電流値から該基準電圧を推測する。
かかる構成によれば、燃料電池の温度を検出し、検出された温度と指令電流値か ら基準電圧を推測することで、燃料電池の温度の影響を考慮した、 より精度の高い エアストイキ比を求めることができる。
好適には、前記エア濃度過電圧目標値演算部は、該燃料電池のインピーダンスを 推測し、 推測された該インピーダンスと該指令電流値から該基準電圧を推測する。 かかる構成によれば、燃料電池のインピーダンスを推測し、推測されたインピー ダンスと指令電流値から基準電圧を推測することで、含水量に対応した基準電圧を 求めることができ、燃料電池の含水量の影響を考慮した、 より精度の高いエアス卜 ィキ比を求めることができる。
好適には、前記エア濃度過電圧目標値演算部は、前回終了時における該燃料電池 のインピーダンスを推測し、推測された該インピーダンスと該指令電流値から該基 準電圧を推測する。
かかる構成によれば、 前回終了時における燃料電池のインピーダンスを推測し、 推測されたインピーダンスと指令電流値から基準電圧を推測することで、前回停止 時の含水量に温度の補正された基準電圧を求めることができ、前回停止時における 燃料電池の含水量と温度の影響を考慮した、より精度の高いエアストイキ比を求め ることができる。
好適には、 前記エアストィキ比演算部は、 さらに該燃料電池の含水量を測定し、 測定された含水量を参照して該エアストイキ比を演算する。
かかる構成によれば、燃料電池の含水量を測定し、測定された含水量を参照して エアストイキ比を演算することで、燃料電池の含水量の影響を考慮した、 より精度 の高いエアストイキ比を求めることができる。
好適には、前記エアストイキ比演算部は、該エア濃度過電圧目標値と該エアスト ィキ比との一次元マップに基づいて該エアストイキ比を演算する。
かかる構成によれば、予め特性を測定することにより作られた一次元マップを参 照し、 該エア濃度過電圧目標値からエアストイキ比を簡単に求めることができる。 好適には、前記エアストイキ比演算部は、該エア濃度過電圧目標値と測定された 該燃料電池の含水量と該エアストイキ比との二次元マップに基づいて該エアス卜 ィキ比を演算する。
かかる構成によれば、含水量の影響も含めて、 より精度の高いエアストィキ比を 求めることができる。
また本発明の電源制御方法は、低効率発電を実施する燃料電池システムのための 電源制御方法において、
1 )該低効率発電時における該燃料電池への指令電流値および指令電圧値を演算す るステップと、
2 )該指令電流値を基準電流とした場合の該燃料電池の基準電圧を推測するステツ プと、
3 )該基準電圧と該指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算するステ ップと、
4 ) 該エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算するステップと、
5 )該エアストイキ比に基づいて該低効率発電時におけるエア量を演算するステツ プと、 を備えることを特徴とする。 図面の簡単な説明
図 1 ：本発明に係る燃料電池システムのシステム構成図である。
図 2 ：制御部の機能を説明するための機能ブロック図である。
図 3：指令電流値と指令電圧値との関係である燃料電池の基準 I一 V特性図であ る。
図 4 ：基準 I一 V特性と燃料電池温度 tとの関係図である。
図 5 ：エア濃度目標電圧値から定まるエアストィキ比の関係図である。
図 6 ：実施形態 1における作用を説明するためのフローチャートである。
図 7 ：基準 I—V特性とインピーダンスとの関係図である。
図 8 ：実施形態 2における作用を説明するためのフローチャートである。 発明を実施するための最良の形態
(全体構成）
図 1は、 本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
図 1において、 燃料電池システム 1 0は、 燃料電池 2 0に燃料ガス （水素ガス） を供給するための燃料ガス供給系統 4と、 燃料電池 2 0に酸化ガス （空気） を供給 するための酸化ガス供給系統 7と、燃料電池 2 0を冷却するための冷却液供給系統 3と燃料電池 2 0からの発電電力を充放電する電力系統 9とを備えて構成されて いる。
燃料電池 2 0は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交 換膜などから成る高分子電解質膜 2 1の両面にアノード極 2 2と力ソード極 2 3 をスクリーン印刷などで形成した膜■電極接合体 2 4を備えている。膜■電極接合 体 2 4の両面は、 燃料ガス、 酸化ガス、 冷却水の流路を有するセパレータ （図示せ ず） によってサンドイッチされている。 このセパレ一タとアノード極 2 2および力 ソード極 2 3との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル 2 5および力ソー ドガスチャンネル 2 6を形成している。アノード極 2 2は、燃料極用^媒層を多孔 質支持層上に設けて構成され、力ソ一ド極 2 3は、空気極用触媒層を多孔質支持層 上に設けて構成されている。 これら電極の触媒層は、例えば、 白金粒子を付着して 構成されている。
アノード極 2 2では、 次の （1 ) 式の酸化反応が生じ、 力ソード極 2 3では、 次 の （2 ) 式の還元反応が生じる。 燃料電池 2 0全体としては、 次の （3 ) 式の起電 反応が生じる。
H2→2 H + + 2 e—■ ■ ■ ( 1 )
( 1 / 2 ) 02+ 2 H++ 2 e—→H20 ■ ' · ( 2 )
H2+ ( 1 / 2 ) 02→H20 ■ ■ ■ ( 3 )
なお、 図 1では説明の便宜上、 膜■電極接合体 2 4、 アノードガスチャンネル 2 5および力ソードガスチャンネル 2 6からなる単位セルの構造を模式的に図示し ているが、 実際には、 上述したセパレータを介して複数の単位セル （セル群） が直 列に接続したスタック構造を備えている。
燃料電池システム 1 0の冷却液供給系統 3には、.冷却液を循環させる冷却路 3 1、 燃料電池 2 0から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ 3 2、冷却液の熱 を外部に放熱するラジェータ （熱交換器） 3 3、 ラジェータ 3 3へ流入する冷却液 の水量を調整するバルブ 3 4、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ 3 5、燃 料電池 2 0に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ 3 6などが設けられ ている。
燃料電池システム 1 0の燃料ガス供給系統 4には、燃料ガス供給装置 4 2からの 燃料ガス （アノードガス） 、 例えば、 水素ガスをアノードガスチャンネル 2 5に供 給するための燃料ガス流路 4 0と、アノードガスチャンネル 2 5から排気される燃 料オフガスを燃料ガス流路 4 0に循環させるための循環流路（循環経路） 5 1が配 管されており、 これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。 燃料ガス流路 4 0には、燃料ガス供給装置 4 2からの燃料ガス流出を制御する遮 断弁 （元弁） 4 3、 燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ 4 4、 循環経路 5 1の燃 料ガス圧力を調整する調整弁 （インジェクタ） 4 5、 燃料電池 2 0への燃料ガス供 給を制御する遮断弁 4 6が設置されている。燃料ガス供給装置 4 2は、例えば、 高 圧水素タンク、 水素吸蔵合金、 改質器などより構成される。
循環流路 5 1には、燃料電池 2 0から循環流路 5 1への燃料オフガス供給を制御 する遮断弁 5 2、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器 5 3および排 出弁 5 4、アノードガスチャンネル 2 5を通過する際に、圧力損失を受けた燃料ォ フガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路 4 0に還流させる水 素ポンプ （循環ポンプ） 5 5、 燃料ガス流路 4 0の燃料ガスが循環流路 5 1側に逆 流するのを防止する逆流阻止弁 5 6が設置されている。水素ポンプ 5 5をモータに よって駆動することで、水素ポンプ 5 5の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流 路 4 0で燃料ガス供給装置 4 2から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池 2 0に供給されて再利用される。 なお、 水素ポンプ 5 5には、 水素ポンプ 5 5の回転 数を検出する回転数センサ 5 7が設置されている。
また、 循環流路 5 1には、 燃料電池 2 0から排気された燃料オフガスを、希釈器 (例えば水素濃度低減装置） 6 2を介して車外に排気するための排気流路 6 1が分 岐して配管されている。排気流路 6 1にはパージ弁 6 3が設置されており、燃料ォ フガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁 6 3を開閉することで、 燃料電池 2 0内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排 出し、 新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。
—方、燃料電池システム 1 0の酸化ガス供給系統 7には、 力ソードガスチャンネ ル 2 6に酸化ガス （力ソードガス） を供給するための酸化ガス流路 7 1と、 カソー ドガスチャンネル 2 6から排気される力ソードオフガスを排気するためのカソー ドオフガス流路 7 2が配管されている。酸化ガス流路 7 1には、大気からエアを取 リ込むエアクリーナ 7 4、 および、 取り込んだエアを圧縮し、 圧縮したエアを酸化 剤ガスとして、力ソードガスチャンネル 2 6に送給するエアコンプレッサ 7 5が設 定されている。 エアコンプレッサ 7 5には、 エアコンプレッサ 7 5の回転数を検出 する回転数センサ 7 3が設置されている。酸化ガス流路 7 1 と力ソードオフガス流 路 7 2との間には湿度交換を行う加湿器 7 6が設けられている。力ソードオフガス 流路 7 2には、 力ソードオフガス流路 7 2の排気圧力を調整する調圧弁 7 7、 カソ 一ドオフガス中の水分を除去する、オプションとしての構成である気液分離器 6 4、 力ソードオフガスの排気音を吸収するマフラ一 6 5が設けられている。気液分離器 6 4から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器 6 2に流れ込み、 希釈器 6 2内に滞留する燃料オフガスと混合希釈される。また分流された他方の力 ソードオフガスは、 マフラー 6 5にて吸音され、希釈器 6 2により混合希釈された ガスと混合されて、 車外に排出される。
また、燃料電池システム 1 0の電力系統 9には、一次側にバッテリ 9 1の出力端 子が接続され、二次側に燃料電池 2 0の出力端子が接続された D C— D Cコンパー タ 9 0、二次電池として余剰電力を蓄電するパッテリ 9 1、バッテリ 9 1の充電状 況を監視するバッテリコンピュータ 9 2、燃料電池 2 0の負荷または駆動対象とな る車両走行用モータ 9 4に交流電力を供給するインバータ 9 3、燃料電池システム 1 0の各種高圧補機 9 6に交流電力を供給するインバータ 9 5、燃料電池 2 0の出 力電圧を測定する電圧センサ 9 7、および出力電流を測定する電流センサ 9 8が接 続されている。 D C— D Cコンバータ 9 0は、燃料電池 2 0の余剰電力または車両走行用モータ 9 4への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ 9 1に供給し て充電させる。 また、車両走行用モータ 9 4の要求電力に対する、燃料電池 2 0の 発電電力の不足分を補填するため、 D C— D Cコンバータ 9 0は、バッテリ 9 1か らの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。
ィンバータ 9 3および 9 5は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用 モータ 9 4および高圧補機 9 6にそれぞれ出力する。 車両走行用モータ 9 4には、 モータ 9 4の回転数を検出する回転数センサ 9 9が設置されている。モータ 9 4は、 ディファレンシャルを介して車輪 1 0 0が機械的に結合されており、モータ 9 4の 回転力を車両の推進力に変換可能となっている。
電圧センサ 9 7および電流センサ 9 8は、電力系統 9に重畳された交流信号の電 圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するための ものである。 交流インピーダンスは、 燃料電池 2 0の含水量に対応している。
さらに、燃料電池システム 1 0には、燃料電池 1 2の発電を制御するための制御 部 8 0が設置されている。 制御部 8 0は、 例えば、 C P U (中央処理装置） 、 R A M、 R O M , インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されてい る。 制御部 8 0は、 温度センサ 3 2、 3 6、 圧力センサ 4 4、 回転数センサ 5 7、 7 3、 9 9からのセンサ信号や電圧センサ 9 7、 電流センサ 9 8、 ィグニッシヨン スィッチ 8 2からの信号を取り込み、 電池運転の状態、例えば、 電力負荷に応じて 各モータを駆動して、水素ポンプ 5 5およびエアコンプレッサ 7 5の回転数を調整 し、 さらに、 各種の弁 （バルブ） の開閉制御または弁開度の調整などを行うように なっている。
図 2に、制御部 8 0が所定のコンピュータプログラムを実行することによって実 現される機能ブロックを示す。
図 2に示すように、制御部 8 0は、燃料電池 2 0に対する反応ガスの供給量を減 少させて低効率発電を行うに際して、燃料電池システム 2 0に対する要求電力 P r e qを基に、低効率発電時における燃料電池 2 0への指令電流値および指令電圧値 を演算する指令値演算部 8 0 aと、指令値演算部 8 0 aの演算によリ得られた指令 電流値を基準電流とした場合の燃料電池 2 0の基準電圧を推測し、推測された基準 電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算するエア濃度過電圧 目標値演算部 8 0 bと、エア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bの演算によって得られ たエア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比（燃料電池 2 0の発電に必要な 最低限の空気量を 1とした場合の比） を演算するエアストイキ比演算部 8 0 cと、 エアストイキ比演算部 8 0 cの演算によって得られたエアストイキ比に基づいて 低効率発電時におけるエア量を演算するエア量演算部 8 0 dとを備えて構成され ている。
(実施形態 1 )
本実施形態 1では、 エア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bにおいて、燃料電池 2 0 の基準電圧を推測するに際しては、温度センサ 3 2、 3 6を水温センサとして用い、 水温センサの検出温度と指令電流値から基準電圧を推測する。
但し、 後述するように、 その他、 燃料電池 2 0のインピーダンスを電流センサ 9 8の検出電流と電圧センサ 9 7の検出電圧を基に推測し、推測されたインピーダン スと指令電流値から燃料電池 2 0の基準電圧として、インピーダンス、すなわち含 水量に対応した基準電圧を推測することができる。
また、 エア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bにおいて、燃料電池 2 0の基準電圧を 推測するに際しては、前回終了時における燃料電池 2 0のインピーダンスを電流セ ンサ 9 8の検出電流と電圧センサ 9 7の検出電圧を基に推測し、推測されたィンピ 一ダンスと指令電流値から燃料電池の基準電圧を推測し、前回終了時の含水量に温 度の補正を加えた基準電圧を求めることもできる。
図 3に、 指令電流値と指令電圧値との関係である燃料電池の I一 V特性を示す。 図 3には、低効率運転時における燃料電池に対する指令電流値 I 1と指令電圧値 V 1から定まる指令動作点 P 1が示されている。 一方、 酸化ガス （エア） や燃料ガ ス（水素ガス）が十分である場合の通常運転時の温度から定まる基準 I一 V特性は、 曲線 f 1 として示されている。指令電流値を基準として考えた場合、指令動作点 P 1における電圧 V 1 と、指令動作点 P 1の電流 I 1における曲線 f 1上の基準電圧 V t hとの差が 「エア濃度過電圧目標値」 となる。
エア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bは、指令電流値を基準電流とした場合の燃料 電池 2 0の基準電圧を推測するに際しては、指令電流値と指令電圧値から定まる指 令動作点 P 1における指令電圧値 V 1 と基準 I一 V特性曲線 f 1における基準電 圧値 V t hとの差を演算し、エア濃度過電圧目標値として出力するように構成され ている。
図 4に、 基準 I一 V特性と燃料電池温度 tとの関係図を示す。
図 4に示すように、電流指令値と基準電圧値との関係を示す基準 I— V特性曲線 は、燃料電池 2 0の温度によって変化する。 すなわち、 電流指令値と基準電圧値と の関係を示す基準 I一 V特性曲線 f 1〜 f 6は、燃料電池 2 0の温度が低いときに は基準 I一 V特性曲線 f 1にしたがった特性を示し、燃料電池 2 0の温度が高くな るにしたがって、基準電圧値 V t hを示す基準 I—V特性曲線は f 2、 f 3、 f 4、 f 5、 f 6と変化する。 エア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bは、 図 4に示すような 燃料電池温度 tと基準 I一 V特性曲線との関係を、予め一次元マップとして保持し ている。そして、指令電流値と燃料電池 2 0の温度から基準電圧を推測するときに は、 エア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bは、図 4に示す関係を表すマップ 2 0 0を 用いて、指令電流値に対応する基準電圧値を演算し、そこからエア濃度過電圧目標 値を算出することとしている。
図 5に、 エア濃度目標電圧値から定まるエアストイキ比の関係図を示す。
エアストイキ比演算部 8 0 cは、 図 5に示す関係図を、予め一次元マップとして 保存している。そして、 エア濃度過電圧目檫値に基づいてエアストィキ比を演算す るに際しては、 エアストイキ比演算部 8 0 cは、 図 5に示す関係を示す基準電圧値 マップ 2 0 2を用いて、エア濃度過電圧目標値に対応するエアストイキ比を演算す ることとしている。
次に、図 7のブローチャートにしたがって、実施形態 1における作用を説明する。 まず、制御部 8 0の指令値演算部 8 0 aは、低効率発電を実施する燃料電池シス テム 1 0に対する要求電力 P r e qを基に燃料電池 2 0に対する指令電流値と指 令電圧値を演算する （S 1 ) 。 次に、 制御部 8 0のエア濃度過電圧目標値演算部 8 O bは、 温度センサ 3 2、 3 6の検出温度 （水温） を取り込み （S 2 ) 、 検出温度 と指令電流値および指令電圧値にしたがって図 4に示す関係を表す基準電圧値マ ップ 2 0 0を検索して、 基準電圧値 V t hを推測する （S 3 ) 。 このあとエア濃度 過電圧目標値演算部 8 0 bは、推測された基準電圧値 V t hと指令電圧値との差を エア濃度過電圧目標値として演算する （S 4 ) 。
次に、制御部 8 0のエアストイキ比演算部 8 0 cは、算出されたエア濃度過電圧 目標値を基に図 5に示す関係を表す基準電圧値マップ 2 0 2を検索し、エア濃度過 電圧目標値に対応したエアストィキ比を求める （S 5 ) 。 そして、 制御部 8 0のェ ァ量演算部 8 0 dは、 求めたエアストイキ比にしたがってエア量、例えば、 電流セ ンサ 9 8の検出による電流値 X換算係数 Xエアストイキ比にしたがってエア量を 算出し （S 6 ) 、 このルーチンでの処理を終了する。
これらの処理によリ求められたエア量に対応して、制御部 8 0はエアコンプレツ サ 7 5を駆動し、 必要な量のエアが燃料電池 2 0に供給されることになる。
以上、本実施形態 1によれば、指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池 2 0 の基準電圧を推測するに際して、指令電流値と燃料電池 2 0の温度を基に基準電圧 を推測するようにしたため、燃料電池 2 0の温度に対応した基準電圧を求めること ができるとともに、基準電圧と指令電圧との差から得られたエア濃度過電圧目標値 に基づいてエアス卜ィキ比を求めることができ、メモリ容量の低減を図ることがで きる。 また、 多次元マップを用いないため、 高い精度でエアストイキ比を求めるこ とができる。 (実施形態 2 )
次に、 実施形態 2について説明する。本実施形態 2は、 燃料電池のインピーダン スに基づきエアストイキ比を推定する例に関する。
図 7に、 基準 I—V特性とインピーダンスとの関係図を示す。
図 7に示すように、基準 I— V特性は、上記燃料電池の温度における場合と同様 に、燃料電池のインピーダンスに影響を受けて変化する。燃料電池のインピーダン スは、燃料電池のセルに残留している水分量、すなわち燃料電池の含水量に対応し ている。
本実施形態 2では、制御部 8 0のエア濃度過電圧目標値演算部 8 O bは、図 7に 示すような関係を一次元マップとして予め記憶している。そして、 エア濃度過電圧 目標値演算部 8 0 bは、電圧センサ 9 7および電流センサ 9 8によって検出された 燃料電池の電圧および電流に基づいて、燃料電池 2 0の交流インピーダンスを測定 し、 測定されたインピーダンスから直接エア濃度過電圧目標値を演算する。
すなわち、 エア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bは、 図 4に示すような関係を示す マップ 2 0 0に代わりに、図 7に示すような基準電圧値マップ 2 0 4を用いるよう に構成されている。 その他の構成は実施形態 1 と同様である。 なお、 マップ 2 0 4 における特性曲線 f 1 1〜 f 1 6は、 f 1 1が最もインピーダンスが低く、インピ 一ダンスが高くなるにしたがって特性曲線 f 1 2〜！ = 1 6の特性となる。
次に、図 8のフローチャートにしたがつて本実施形態 2における作用を説明する。 まず、制御部 8 0の指令値演算部 8 0 aは、低効率発電を実施する燃料電池シス テム 1 0に対する要求電力 P r e qを基に燃料電池 2 0に対する指令電流値と指 令電圧値を演算する （S 1 1 ) 。 次に、 制御部 8 0のエア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bは、電流センサ 9 8の検出電流と電圧センサ 9 7の検出電圧を基に燃料電池 2 0のインピーダンスを算出する （S 1 2 ) 。 そしてエア濃度過電圧目標値演算部 8 0 bは、算出したインピーダンスと指令電流値および指令電圧値にしたがって図 7に示すような関係を記録した基準電圧値マップ 2 0 4を検索して、対応する基準 電圧値 V t hを推測する （S 1 3 ) 。 そして、 推測された基準電圧値と指令電圧値 との差をエア濃度過電圧目標値として演算する （S 1 4 ) 。
次に、制御部 8 0のエアストイキ比演算部 8 0 cは、算出されたエア濃度過電圧 目標値を基に図 5に示すマップ 2 0 2を検索し、エア濃度過電圧目標値に対応した エアストィキ比を求める （S 1 5 ) 。 そして制御部 8 0のエア量演算部 8 0 dは、 求めたエアストイキ比にしたがったエア量、例えば、電流センサ 9 8の検出による 電流値 X換算係数 Xエアストィキ比にしたがってエア量を算出し （S 1 6 ) 、 この ルーチンでの処理を終了する。
これらの処理により求められたエア量に対応して、制御部 8 0はエアコンプレツ サ 7 5を駆動し、 必要な量のエアが燃料電池 2 0に供給されることになる。
以上、本実施形態 2によれば、 指令電流値を基準電流とした場合の燃料電池 2 0 の基準電圧を推測するに際して、指令電圧値と燃料電池 2 0のインピーダンスを基 に推測するようにしたため、燃料電池 2 0のインピーダンスに対応した基準電圧を 求めることができるとともに、基準電圧と指令電圧との差から得られたエア濃度過 電圧目標値に基づいてエアストイキ比を求めることができ、メモリ容量の低減を図 ることができる。 また、 多次元マップを用いないため、 高い精度でエアストィキ比 を求めることができる。
(変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々に変形して適用することが 可能である。
例えば、上記実施形態 2において、 エア量を演算する前提としてエア濃度過電流 目標値を算出するためにインピーダンスを測定していたが、その代わりに、前回終 了時における燃料電池 2 0のインピーダンス （含水量） を推測し、推測されたイン ピーダンスと指令電圧値から基準電圧を推測することで、前回終了時における含水 量に温度の補正を加えた基準電圧を求めることができる。前回のインピーダンスを 利用することにより、エア量演算のためだけにインピーダンスをする必要が無くな リ、 インピーダンスを利用した、 精度の高いエアストィキ比演算、 ひいては正確な エア量供給が可能となる。
また上記実施形態においては、エア濃度過電圧目標値とエアストイキ比との関係 を示すマップ 2 0 2を用いる代わりに、燃料電池 2 0の含水量をインピーダンスの 測定で設定し、含水量とエア濃度過電圧目標値の 2次元マップからエアストィキ比 を求める構成を採用することで、燃料電池 2 0の含水量の影響を考慮したエアスト ィキ比をよリ正確に求めることができる。
(産業上の利用可能性）
本発明によれば、 指令電流値を基準電流として、 燃料電池の基準電圧を推測し、 推測した基準電圧と指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として求め、このェ ァ濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算し、演算によって得られたェ ァストイキ比に基づいて低効率発電時におけるエア量を求めるようにしたため、多 次元マップを用いる必要がなく、 メモリ容量を低減し、高い精度でエアストイキ比 を求めることができる。

Claims

請求の範囲
1 . 低効率発電を実施する燃料電池システムにおいて、
該低効率発電時における該燃料電池 の指令電流値および指令電圧値を演算す る指令値演算部と、
該指令電流値を基準電流とした場合の該燃料電池の基準電圧を推測し、該基準電 圧と該指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算するエア濃度過電圧 目標値演算部と、
該エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算するエアストイキ比 演算部と、
該エアストイキ比に基づいて該低効率発電時におけるエア量を演算するエア量 演算部とを備えてなることを特徴とする燃料電池システム。
2 . 前記エア濃度過電圧目標値演算部は、
該燃料電池の温度を検出し、検出された該温度と該指令電流値から該基準電圧を 推測する、 請求項 1に記載の燃料電池システム。
3 . 前記エア濃度過電圧目標値演算部は、
該燃料電池のインピーダンスを推測し、推測された該インピーダンスと該指令電 流値から該基準電圧を推測する、 請求項 1に記載の燃料電池システム。
4 . 前記エア濃度過電圧目標値演算部は、
前回終了時における該燃料電池のインピーダンスを推測し、推測された該インピ 一ダンスと該指令電流値から該基準電圧を推測する、請求項 1に記載の燃料電池シ ステム。
5 . 前記エアストイキ比演算部は、
さらに該燃料電池の含水量を測定し、測定された含水量を参照して該ェァストイ キ比を演算する、 請求項 1に記載の燃料電池システム。
6 . 前記エアストィキ比演算部は、 該エア濃度過電圧目標値と該エアストイキ比との一次元マップに基づいて該ェ ァストイキ比を演算する、 請求項 1乃至 5のいずれかに記載の燃料電池システム。
7 . 前記エアストイキ比演算部は、
該エア濃度過電圧目標値と測定された該燃料電池の含水量と該エアストイキ比 との二次元マップに基づいて該エアストイキ比を演算する、請求項 1乃至 5のいず れかに記載の燃料電池システム。
8 . 低効率発電を実施する燃料電池システムのための電源制御方法において、 該低効率発電時における該燃料電池 の指令電流値および指令電圧値を演算す るステップと、
該指令電流値を基準電流とした場合の該燃料電池の基準電圧を推測するステツ プと、
該基準電圧と該指令電圧値との差をエア濃度過電圧目標値として演算するステ ップと、
該エア濃度過電圧目標値に基づいてエアストイキ比を演算するステップと、 該エアストイキ比に基づいて該低効率発電時におけるエア量を演算するステツ プと、
を備えてなることを特徴とする燃料電池システムのための電源制御方法。
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