燃料電池の状態推定装置
【課題】暖機運転中の燃料電池の起電圧を推定する。
【解決手段】 標準ＩＶ特性マップ１２には、温度によって変化する、燃料電池の電流電圧特性を示す標準ＩＶ特性マップが保持されている。エアストイキ比過電圧マップ２６には、燃料電池の電池反応における空気の化学量論比であるエアストイキ比を制限したときに発生する燃料電池における濃度過電圧を示す濃度過電圧マップが保持されている。ＩＶ特性マップおよび濃度過電圧マップを利用して、暖機運転時の燃料電池の起電圧を推定する。
【解決手段】 標準ＩＶ特性マップ１２には、温度によって変化する、燃料電池の電流電圧特性を示す標準ＩＶ特性マップが保持されている。エアストイキ比過電圧マップ２６には、燃料電池の電池反応における空気の化学量論比であるエアストイキ比を制限したときに発生する燃料電池における濃度過電圧を示す濃度過電圧マップが保持されている。ＩＶ特性マップおよび濃度過電圧マップを利用して、暖機運転時の燃料電池の起電圧を推定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暖機運転時における燃料電池の動作点を推定する燃料電池の状態推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスと酸素ガスから水を生じる反応を利用して出力を得る。ここで、低温時には、十分な反応が得られないため、暖機する必要があり、燃料電池を低効率運転することによって、燃料電池を暖機することが提案されている。例えば、酸素ガス（通常空気として供給）の燃料電池への供給量を化学量論的に必要な量に比べ少なく抑える（エアストイキ比を制限する）と、電池内部での濃度過電圧が高くなり、結果として出力電圧が低くなり、燃料電池におけるエネルギーロスが大きくなり、発熱量が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９５３５号公報
【特許文献２】特開２００７−２８０７９９号公報
【特許文献３】特開２００７−１１０３５５号公報
【特許文献４】特開２００８−２６９９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、低温時は、燃料電池の出力が小さいため、車両の走行が十分には行えない。そこで、上述のような暖機運転を行うが、暖機運転中は燃料電池を低効率運転しており、最大出力がどの程度になるかを見積もれず、暖機運転は十分な時間行っていた。従って、始動時間が長く、また余分なエネルギーを消費していた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、温度によって変化する、燃料電池の電流電圧特性を示すＩＶ特性をＩＶ特性マップとして保持するＩＶ特性マップ保持手段と、燃料電池の電池反応における空気の化学量論比であるエアストイキ比を制限したときに発生する燃料電池における濃度過電圧を濃度過電圧マップとして保持する濃度過電圧マップ保持手段と、を有し、前記ＩＶ特性マップおよび濃度過電圧マップを利用して、暖機運転時の燃料電池の起電圧を推定することを特徴とする。
【０００６】
また、前記燃料電池の出力電流と、起電圧に基づいて、その時の燃料電池の最大出力を推定することが好適である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、暖機運転中において、燃料電池の起電圧を検出することができ、これに基づいて燃料電池のその時点での能力を推定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の構成を示す図である。
【図２】ＩＶ特性を示す図である。
【図３】差電圧とエアストイキ比の関係を示す図である。
【図４】エアストイキ比と過電圧の関係を示す図である。
【図５】全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、全体構成図である。発熱量要求、出力要求は処理部１０に供給される。発熱量要求は、車両の他の処理部において、その時の温度などから、燃料電池において必要な発熱量であって可能な発熱量を決定される。また、出力要求は、車両のシステム起動時において、車両走行を除外して必要な電力量から計算される。処理部１０は、これら発熱量要求、出力要求から燃料電池の出力電圧および出力電流を決定し、これを基準出力電圧、基準出力電流として出力する。
【００１１】
処理部１０からの基準出力電流は、標準ＩＶ特性マップ１２に入力される。この標準ＩＶ特性マップ１２は、温度に応じた燃料電池の基準出力電流Ｉとその時の基準出力電圧Ｖの関係を示すものである。この標準ＩＶ特性マップ１２には、計測された燃料電池の温度も入力されるため、図２に示すように、その時の温度において基準出力電流を得た場合における標準的な出力電圧（標準出力電圧）が得られる。
【００１２】
標準ＩＶ特性マップ１２からの標準出力電圧と処理部１０からの基準出力電圧は加算器１４に入力され、ここで両者の差が演算される。低温時においては、標準出力電圧の方が高く、標準出力電圧から基準出力電圧を減算しその差が求められる。そして、得られた差の電圧値がエアストイキ比マップ１６に供給される。
【００１３】
このエアストイキ比マップ１６には、加算器１４において得られた差の電圧値に基づいて、エアストイキ比を出力する。すなわち、図３に示すように、差電圧が小さい程エアストイキ比を大きくし、差電圧が大きいほど、エア量を少なくして燃料電池における発熱量を大きくして要求通りの発熱量が得られるように小さなエアストイキ比がエアストイキ比マップ１６から出力される。
【００１４】
エアストイキ比マップ１６の出力は加算器１８に供給される。ここで、燃料電池の実際の電流値が、加算器２０に供給され、ここで両者の差（目標との誤差になる）がとられ、この誤差がＰＩＤ制御部２２を介し加算器１８に供給されている。ここで、ＰＩＤ制御部２２は電流の誤差分をそれに対応して変更すべきエアストイキ比に換算し、電流誤差に対応するエアストイキ比の変更分を出力する。加算器１８では、エアストイキ比マップ１６から出力される目標とするエアストイキ比から電流誤差に応じたエアストイキ比の変更分が減算され、これが空気量演算部２４に供給される。空気量演算部２４には基準出力電流も供給されており、基準出力電流を得ると共に、加算器１８から供給されるエアストイキ比に該当する供給空気量を演算算出し、これを出力する。
【００１５】
燃料電池は、基準出力電圧、基準出力電流、供給空気量に応じて制御され、発熱要求、出力要求に応じた発熱量、出力に制御される。
【００１６】
ここで、本実施形態では、加算器１８の出力であるエアストイキ比の目標値がエアストイキ比過電圧マップ２６に供給される。この加算器１８から出力されるエアストイキ比は、燃料電池の出力電流についてフィードバックした値であり、その時の燃料電池の濃度過電圧を反映したものになっている。
【００１７】
エアストイキ比過電圧マップ２６は、図４に示すように、エアストイキ比とその時の過電圧の関係を示す。すなわち、燃料電池において、エアストイキ比を下げると、それだけ濃度過電圧が大きくなるので、これについて調べ予めマップとして持っておく。従って、その時点でのエアストイキ比が決定されると、その時の濃度過電圧がエアストイキ比過電圧マップ２６から出力される。
【００１８】
エアストイキ比過電圧マップ２６の出力は、加算器２８に供給され、ここで濃度過電圧が標準出力電圧から減圧され、燃料電池の起電圧が算出され、これが可能出力電圧として出力される。すなわち、ここで得られる可能出力電圧は、その時の燃料電池の実際の運転における濃度過電圧を標準出力電圧から減算したものであり、その時の燃料電池の出力可能電圧になっている。
【００１９】
このようにして、本実施形態によれば、エアストイキ比を制限した暖機運転中においても、その時の燃料電池の起電圧を常に把握することができる。また、起電圧とその時の出力電流を乗算することにより燃料電池の出力電力を計算することもできる。
【００２０】
従って、暖機運転中においても、その時の電流値と、出力可能電圧とから、燃料電池の能力を推定することができ、可能なＩＶの動作点を知ることができる。また、最大出力も常に把握できる。そこで、通常運転遷移後の燃料電池の出力特性を推定することができ、また暖機が十分進んでいるかも判断することができる。
【００２１】
図５には、全体システムが示されている。燃料電池３０には、水素ガスボンベなどからの水素ガスが供給され、水素ガスポンプ３２によって、燃料電極側の流路に循環されている。また、酸化極電極側の流量には、空気が空気ポンプ３４によって供給されている。燃料電池３０の温度は温度計３６によって計測され、また出力電流は電流計３８によって計測され、これら計測値が制御部４０に供給される。この制御部４０が図１の構成に対応する。
【００２２】
制御部４０には、発熱要求、出力要求も供給されており、制御部４０が空気ポンプ３４を制御して酸化剤電極側流路に対する空気の供給量を制御する。
【符号の説明】
【００２３】
１０ 処理部、１２ 特性マップ、１４，１８，２０，２８ 加算器、１６ エアストイキ比マップ、２２ ＰＩＤ制御部、２４ 空気量演算部、２６ エアストイキ比過電圧マップ、３０ 燃料電池、３２ 水素ガスポンプ、３４ 空気ポンプ、３６ 温度計、３８ 電流計、４０ 制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、暖機運転時における燃料電池の動作点を推定する燃料電池の状態推定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスと酸素ガスから水を生じる反応を利用して出力を得る。ここで、低温時には、十分な反応が得られないため、暖機する必要があり、燃料電池を低効率運転することによって、燃料電池を暖機することが提案されている。例えば、酸素ガス（通常空気として供給）の燃料電池への供給量を化学量論的に必要な量に比べ少なく抑える（エアストイキ比を制限する）と、電池内部での濃度過電圧が高くなり、結果として出力電圧が低くなり、燃料電池におけるエネルギーロスが大きくなり、発熱量が大きくなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９５３５号公報
【特許文献２】特開２００７−２８０７９９号公報
【特許文献３】特開２００７−１１０３５５号公報
【特許文献４】特開２００８−２６９９２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、低温時は、燃料電池の出力が小さいため、車両の走行が十分には行えない。そこで、上述のような暖機運転を行うが、暖機運転中は燃料電池を低効率運転しており、最大出力がどの程度になるかを見積もれず、暖機運転は十分な時間行っていた。従って、始動時間が長く、また余分なエネルギーを消費していた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、温度によって変化する、燃料電池の電流電圧特性を示すＩＶ特性をＩＶ特性マップとして保持するＩＶ特性マップ保持手段と、燃料電池の電池反応における空気の化学量論比であるエアストイキ比を制限したときに発生する燃料電池における濃度過電圧を濃度過電圧マップとして保持する濃度過電圧マップ保持手段と、を有し、前記ＩＶ特性マップおよび濃度過電圧マップを利用して、暖機運転時の燃料電池の起電圧を推定することを特徴とする。
【０００６】
また、前記燃料電池の出力電流と、起電圧に基づいて、その時の燃料電池の最大出力を推定することが好適である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、暖機運転中において、燃料電池の起電圧を検出することができ、これに基づいて燃料電池のその時点での能力を推定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の構成を示す図である。
【図２】ＩＶ特性を示す図である。
【図３】差電圧とエアストイキ比の関係を示す図である。
【図４】エアストイキ比と過電圧の関係を示す図である。
【図５】全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は、全体構成図である。発熱量要求、出力要求は処理部１０に供給される。発熱量要求は、車両の他の処理部において、その時の温度などから、燃料電池において必要な発熱量であって可能な発熱量を決定される。また、出力要求は、車両のシステム起動時において、車両走行を除外して必要な電力量から計算される。処理部１０は、これら発熱量要求、出力要求から燃料電池の出力電圧および出力電流を決定し、これを基準出力電圧、基準出力電流として出力する。
【００１１】
処理部１０からの基準出力電流は、標準ＩＶ特性マップ１２に入力される。この標準ＩＶ特性マップ１２は、温度に応じた燃料電池の基準出力電流Ｉとその時の基準出力電圧Ｖの関係を示すものである。この標準ＩＶ特性マップ１２には、計測された燃料電池の温度も入力されるため、図２に示すように、その時の温度において基準出力電流を得た場合における標準的な出力電圧（標準出力電圧）が得られる。
【００１２】
標準ＩＶ特性マップ１２からの標準出力電圧と処理部１０からの基準出力電圧は加算器１４に入力され、ここで両者の差が演算される。低温時においては、標準出力電圧の方が高く、標準出力電圧から基準出力電圧を減算しその差が求められる。そして、得られた差の電圧値がエアストイキ比マップ１６に供給される。
【００１３】
このエアストイキ比マップ１６には、加算器１４において得られた差の電圧値に基づいて、エアストイキ比を出力する。すなわち、図３に示すように、差電圧が小さい程エアストイキ比を大きくし、差電圧が大きいほど、エア量を少なくして燃料電池における発熱量を大きくして要求通りの発熱量が得られるように小さなエアストイキ比がエアストイキ比マップ１６から出力される。
【００１４】
エアストイキ比マップ１６の出力は加算器１８に供給される。ここで、燃料電池の実際の電流値が、加算器２０に供給され、ここで両者の差（目標との誤差になる）がとられ、この誤差がＰＩＤ制御部２２を介し加算器１８に供給されている。ここで、ＰＩＤ制御部２２は電流の誤差分をそれに対応して変更すべきエアストイキ比に換算し、電流誤差に対応するエアストイキ比の変更分を出力する。加算器１８では、エアストイキ比マップ１６から出力される目標とするエアストイキ比から電流誤差に応じたエアストイキ比の変更分が減算され、これが空気量演算部２４に供給される。空気量演算部２４には基準出力電流も供給されており、基準出力電流を得ると共に、加算器１８から供給されるエアストイキ比に該当する供給空気量を演算算出し、これを出力する。
【００１５】
燃料電池は、基準出力電圧、基準出力電流、供給空気量に応じて制御され、発熱要求、出力要求に応じた発熱量、出力に制御される。
【００１６】
ここで、本実施形態では、加算器１８の出力であるエアストイキ比の目標値がエアストイキ比過電圧マップ２６に供給される。この加算器１８から出力されるエアストイキ比は、燃料電池の出力電流についてフィードバックした値であり、その時の燃料電池の濃度過電圧を反映したものになっている。
【００１７】
エアストイキ比過電圧マップ２６は、図４に示すように、エアストイキ比とその時の過電圧の関係を示す。すなわち、燃料電池において、エアストイキ比を下げると、それだけ濃度過電圧が大きくなるので、これについて調べ予めマップとして持っておく。従って、その時点でのエアストイキ比が決定されると、その時の濃度過電圧がエアストイキ比過電圧マップ２６から出力される。
【００１８】
エアストイキ比過電圧マップ２６の出力は、加算器２８に供給され、ここで濃度過電圧が標準出力電圧から減圧され、燃料電池の起電圧が算出され、これが可能出力電圧として出力される。すなわち、ここで得られる可能出力電圧は、その時の燃料電池の実際の運転における濃度過電圧を標準出力電圧から減算したものであり、その時の燃料電池の出力可能電圧になっている。
【００１９】
このようにして、本実施形態によれば、エアストイキ比を制限した暖機運転中においても、その時の燃料電池の起電圧を常に把握することができる。また、起電圧とその時の出力電流を乗算することにより燃料電池の出力電力を計算することもできる。
【００２０】
従って、暖機運転中においても、その時の電流値と、出力可能電圧とから、燃料電池の能力を推定することができ、可能なＩＶの動作点を知ることができる。また、最大出力も常に把握できる。そこで、通常運転遷移後の燃料電池の出力特性を推定することができ、また暖機が十分進んでいるかも判断することができる。
【００２１】
図５には、全体システムが示されている。燃料電池３０には、水素ガスボンベなどからの水素ガスが供給され、水素ガスポンプ３２によって、燃料電極側の流路に循環されている。また、酸化極電極側の流量には、空気が空気ポンプ３４によって供給されている。燃料電池３０の温度は温度計３６によって計測され、また出力電流は電流計３８によって計測され、これら計測値が制御部４０に供給される。この制御部４０が図１の構成に対応する。
【００２２】
制御部４０には、発熱要求、出力要求も供給されており、制御部４０が空気ポンプ３４を制御して酸化剤電極側流路に対する空気の供給量を制御する。
【符号の説明】
【００２３】
１０ 処理部、１２ 特性マップ、１４，１８，２０，２８ 加算器、１６ エアストイキ比マップ、２２ ＰＩＤ制御部、２４ 空気量演算部、２６ エアストイキ比過電圧マップ、３０ 燃料電池、３２ 水素ガスポンプ、３４ 空気ポンプ、３６ 温度計、３８ 電流計、４０ 制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度によって変化する、燃料電池の電流電圧特性を示すＩＶ特性をＩＶ特性マップとして保持するＩＶ特性マップ保持手段と、
燃料電池の電池反応における空気の化学量論比であるエアストイキ比を制限したときに発生する燃料電池における濃度過電圧を濃度過電圧マップとして保持する濃度過電圧マップ保持手段と、
を有し、
前記ＩＶ特性マップおよび濃度過電圧マップを利用して、暖機運転時の燃料電池の起電圧を推定することを特徴とする燃料電池の状態推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の状態推定装置において、
前記燃料電池の出力電流と、起電圧に基づいて、その時の燃料電池の最大出力を推定することを特徴とする燃料電池の状態推定装置。
【請求項１】
温度によって変化する、燃料電池の電流電圧特性を示すＩＶ特性をＩＶ特性マップとして保持するＩＶ特性マップ保持手段と、
燃料電池の電池反応における空気の化学量論比であるエアストイキ比を制限したときに発生する燃料電池における濃度過電圧を濃度過電圧マップとして保持する濃度過電圧マップ保持手段と、
を有し、
前記ＩＶ特性マップおよび濃度過電圧マップを利用して、暖機運転時の燃料電池の起電圧を推定することを特徴とする燃料電池の状態推定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池の状態推定装置において、
前記燃料電池の出力電流と、起電圧に基づいて、その時の燃料電池の最大出力を推定することを特徴とする燃料電池の状態推定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２２２１８３（Ｐ２０１１−２２２１８３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８７７８７（Ｐ２０１０−８７７８７）
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月４日（２０１１．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月６日（２０１０．４．６）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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