燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
【課題】劣化や温度などの燃料電池の状態に適合するように二次電池への充電制御を行いドライバビリティの向上、あるいは燃料電池の耐久性の向上を実現する。
【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池の電圧が予め設定された高電位回避電圧以上にならないように制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が、前記燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下した場合に、前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定する。
【解決手段】燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池の電圧が予め設定された高電位回避電圧以上にならないように制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が、前記燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下した場合に、前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を有する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリ（二次電池）を有する燃料電池システムの制御方法としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１の燃料電池システムの制御ユニットは、システム要求電力Ｗｒｅｑが徐々に上がっていく場合であっても、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃを酸化還元電位で一度制限し、制限した電圧に相当する電力をバッテリで補う制御をする。その後、アクセル開度が下がるなどして燃料電池の発電が必要なくなった場合でも、制御ユニットは、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下で維持して、発電を継続する。制御ユニットは、このとき生成される余剰電力を二次電池に充電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池は、通常、長期間の使用により、劣化し、特性や燃料電池の状態が変動する。従来、特性や燃料電池の状態の変動に対し、バッテリ（二次電池）への電力充填制御をどうように行うかについては、十分に考慮されていなかった。また、燃料電池が劣化していない場合であっても、燃料電池やバッテリの温度が低い場合には、これらの昇温に最適な運転方法に変えることが好ましいが、この点についても十分な工夫がなされていないのが実情であった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、劣化や温度などの燃料電池の状態に適合するように二次電池への充電制御を行い、ドライバビリティの劣化抑制、あるいは燃料電池の耐久性の向上を実現することを目的とする。また、燃料電池やバッテリの温度が低い場合に、これらの温度を上昇させる制御を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池の電圧が予め設定された高電位回避電圧以上にならないように制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が、前記燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下した場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定し、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池の劣化の進行を遅らせることにより、燃料電池の耐久性の向上、あるいはドライバビリティの向上を実現することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、さらに、前記燃料電池の累積使用時間が予め定められた時間以上になった場合には、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を前記初期設定値よりも小さな値に再設定し、または（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値を、前記初期設定値よりも大きな小さな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
累積使用時間が長くなると、燃料電池は劣化する。この適用例によれば、累積使用時間を用いて、燃料電池の劣化を容易に検知することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の累積使用時間が長いほど、（ｉ）前記高電位回避電圧の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくし、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくする、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
一般に、累積使用時間が長いほどより劣化が進行していると考えられる。より劣化しているほど初期値との差を大きくすることにより、燃料電池の劣化の進行を遅らせて燃料電池の耐久性を向上させ、あるいはドライバビリティを向上させることが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記二次電池及び前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、前記燃料電池に供給する酸化ガスの流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、（ｉ）前記二次電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記二次電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を低下させ、前記燃料電池システムへの要求出力に対し、前記燃料電池からの出力を減少させるとともに、前記二次電池からの出力を増加させ、（ｉｉ）前記燃料電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記燃料電池の電圧が予め定められた高電位回避電圧以上にならないようにしながら、前記燃料電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を減少させて、前記燃料電池の電流電圧特性において前記酸化ガスの流量を減少させる前の状態で高電位回避電圧以上となる低電流域において熱損失を発生させ、前記熱損失により生じる熱エネルギーを用いて前記燃料電池を昇温する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、二次電池や燃料電池が低いときに、それらの温度を上昇させることができる。
【００１１】
［適用例５］
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料電池の電流電圧特性を取得する工程と、
（ｂ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下したか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下している場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定する、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【００１２】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の特性を示すグラフである。
【図３】燃料電池の出力電力の時間変化を示すグラフである。
【図４】燃料電池の初期の特性と劣化したときの特性とを比較する説明図である。
【図５】初期における余剰電力と劣化時における余剰電力とを比較する説明図である。
【図６】高電位回避上限電圧を下げたときの余剰電力を示す説明図である。
【図７】本実施例の効果を示す説明図である。
【図８】第２の実施例を示す説明図である。
【図９】第２の実施例における燃料電池の特性を示す説明図である。
【図１０】二次電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。
【図１１】燃料電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施例］
図１は、本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、二次電池２００と、燃料ガス供給部３００と、酸化ガス供給部４００と、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００と、セルモニタ６００と、制御部７００と、を備える。燃料電池システム１０は、負荷８００に対して電力を供給する。燃料電池１００は、複数の単セル（図示せず）を含んでいる。各単セルには、セルモニタ６００が接続されており、各単セルの状態、例えば、電圧及び電流モニタすることが可能である。また、燃料電池１００には、温度計１１０が接続され、燃料電池１００の温度がモニタできるようになっている。
【００１５】
燃料ガス供給部３００は燃料電池１００に接続されている。本実施例では、燃料ガスとして水素を用いる。燃料ガス供給部３００は、燃料ガスタンク３１０と、遮断弁３２０と、レギュレータ３３０と、を有する。遮断弁３２０は、燃料電池システム１０の停止時に遮断し、水素ガスの供給を停止する。レギュレータ３３０は、燃料電池１００の供給する水素の圧力を調整する。
【００１６】
酸化ガス供給部４００は、燃料電池１００に接続されている。本実施例では、酸化ガスとして空気を用いる。酸化ガス供給部４００は、エアクリーナー４１０と、エアポンプ４２０と、インタークーラー４３０と、フィルター４４０と、を有する。エアクリーナー４１０は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去する。エアポンプ４２０は、空気を圧縮して燃料電池１００に供給する。エアポンプ４２０には、モーター４２１が接続されている。インタークーラー４３０は、圧縮により熱くなった空気を冷却する。フィルター４３５は、エアクリーナー４１０により除去できなかった細かな塵や埃を除去する。
【００１７】
二次電池２００は、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００の補助電源として機能する。すなわち、燃料電池１００の出力が負荷８００からの出力要求に満たない場合には、二次電池２００は、その差を出力して補う。逆に、燃料電池１００の出力が負荷８００の出力要求よりも大きい場合には、二次電池２００はその差を充電する。二次電池２００としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。二次電池２００には、温度計２１０が接続され、二次電池２００の温度がモニタできるようになっている。
【００１８】
ＤＣ−ＤＣコンバーター５００は、二次電池２００の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部７００の指示によって二次電池２００の充・放電を制御するとともに、負荷８００に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００１９】
制御部７００（「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７００」とも呼ぶ。）は、例えば、主記憶装置と中央演算処理装置とを備えるマイクロコンピューターとして構成することができる。制御部７００は、負荷８００からの出力要求に応じて、レギュレータ３３０を制御して燃料ガスの供給量を制御し、モーター４２１を制御して酸化ガスの供給量を制御する。また、制御部７００は、負荷８００からの出力要求に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００を制御する。
【００２０】
図２は、燃料電池の特性を示すグラフである。図２（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図２（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。図２（Ａ）に示すように、燃料電池１００の出力電流が大きくなると、燃料電池１００の出力電圧は小さくなる。一方、図２（Ｂ）に示すように燃料電池１００の出力電流が大きくなると、燃料電池の出力電力は大きくなる。図２（Ａ）には、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０を示す線が引かれている。制御部７００は、燃料電池１００を制御するときに、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０よりも出力電圧が高い状態にならないように制御する。その理由は、燃料電池１００の出力電圧が高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０よりも高いと、燃料電池１００の触媒（図示せず）から触媒金属（例えば白金）が溶出し易くなり、燃料電池１００が劣化し易くなるからである。
【００２１】
本実施例では、燃料電池１００の出力電圧が高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０となるときの電流をＩ０とする。なお、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０は、開放電圧（ＯＣＶ、Open Circuit Voltage）よりも低く、触媒金属の溶出を防止または緩和できる電圧値として、実験的に予め設定される。このときの出力電力は、図２（Ｂ）に示すようにＰｌｏｗとする。この出力電力Ｐｌｏｗは出力下限であるので下限出力Ｐｌｏｗとも呼ぶ。燃料電池１００は、出力電圧を高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０以下に維持する場合、燃料電池１００の出力は下限出力Ｐｌｏｗ以下にはならない。例えば、アイドリング状態のように負荷８００の要求電力Ｐｒｅｑ１が下限出力Ｐｌｏｗよりも小さい場合、Ｐｌｏｗ−Ｐｒｅｑ１が余剰となる。制御部７００は、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００に対し、その余剰分（Ｐｌｏｗ−Ｐｒｅｑ１）を二次電池２００に充填するように命令する。
【００２２】
一方、負荷８００の要求電力Ｐｒｅｑ２が下限出力Ｐｌｏｗよりも大きい場合、制御部７００は、燃料電池１００から引く電流をＩ２に増加する。このときの燃料電池の出力は、負荷８００の要求電力Ｐｒｅｑ２である。なお、二次電池２００には、充電量（「ＳＯＣ（State of Charge）」とも呼ぶ。）の目標値（例えば、全充電量に対するパーセンテージ）が定められている。二次電池２００の充電量が目標値に満たない場合には、制御部７００は、燃料電池１００の出力電流をＩ２より多くして、燃料電池１００の出力電力を大きくして、その差を二次電池２００に充電させてもよい。また、アイドリング状態の期間が長く、二次電池２００の充電量が目標値を越えている場合には、制御部７００は、燃料電池１００の出力電流をＩ２より少なくして、燃料電池１００の出力電力を小さくしてもよい。このとき、燃料電池１００の出力電力は、負荷８００の要求電力よりも小さくなるが、その差分は、二次電池２００からの出力で補うことができる。これにより、二次電池２００の充電量を目標値まで下げることが可能となる。
【００２３】
図３は、燃料電池の出力電力の時間変化を示すグラフである。図３（Ａ）は、高電位回避上限電圧を設けた場合であり、図３（Ｂ）は、高電位回避上限電圧を設けない場合である。図３（Ａ）に示すように、高電位回避上限電圧を設けた場合、燃料電池の出力電圧が下限電力Ｐｌｏｗを下回ることはなく、負荷８００からの要求電力が下限電力Ｐｌｏｗを下回る場合には、その差分（Ｐｌｏｗ−要求電力）が二次電池２００に充電される。一方、高電位回避上限電圧を設けない場合、負荷８００からの要求電力が下限電力Ｐｌｏｗを下回る場合、燃料電池１００の出力電力も小さくなり、負荷８００からの要求電力が下限電力Ｐｌｏｗを下回る期間、触媒金属（例えば白金）が溶出し易い状態となる。
【００２４】
図４は、燃料電池の初期の特性と劣化したときの特性とを比較する説明図である。図４（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図４（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフであり、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示すグラフの一部を拡大したものである。燃料電池１００は、劣化すると、同じ出力電流でも、出力電圧、出力電力が小さくなる。例えば、燃料電池１００が劣化していないときに出力電圧がＶＨｌｉｍｉｔ０となる出力電流Ｉ０が、劣化した燃料電池１００に流れるとき、その出力電圧、出力電力はそれぞれＶｏｕｔ２（Ｖｏｕｔ２＜ＶＨｌｉｍｉｔ）、Ｐｏｕｔ２（Ｐｏｕｔ２＜Ｐｌｏｗ）となる。
【００２５】
図５は、初期における余剰電力と劣化時における余剰電力とを比較する説明図である。高電位回避時の余剰電力は、燃料電池１００が出力する電力（ＰｌｏｗまたはＰｏｕｔ２）と負荷８００が要求する電力（Ｐｒｅｑ）の差である。すなわち、初期にはΔＱ１（ΔＱ１＝Ｐｌｏｗ−Ｐｒｅｑ）の余剰電力があり、劣化した場合には、余剰電力はΔＱ２（ΔＱ２＝Ｐｏｕｔ２−Ｐｒｅｑ）に減少する。
【００２６】
第１の実施例では、制御部７００は、燃料電池１００が劣化したときには、図４（Ａ）に示すように、高電位回避上限電圧を下げる制御を行う。本実施例では、制御部７００は、例えば、劣化時の高電位回避上限電圧における出力電力が、初期における下限電力Ｐｌｏｗと同じになるように、劣化時の高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ３を定める。このときの燃料電池１００の出力電流はＩ３に増加する。
【００２７】
図６は、高電位回避上限電圧を下げたときの余剰電力を示す説明図である。本実施例では、高電位回避上限電圧をＶＨｌｉｍｉｔ３に下げることにより、出力電流がＩ０からＩ３に増加し、燃料電池１００の出力電力が、Ｐｏｕｔ２からＰｌｏｗに増大する。したがって、負荷の要求電力Ｐｒｅｑとの差である余剰電力は、ΔＱ２からΔＱ１に増大する。
【００２８】
図７は、本実施例の効果を示す説明図である。図７の横軸は燃料電池１００の累積運転時間であり、縦軸は出力電圧である。燃料電池の出力電圧は、一般に運転時間が長くなるにつれて劣化により下がってくる。累積運転時間が長くなると、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０近傍での運転時間の累積も長くなり、僅かずつではあるが、触媒金属が溶出し、燃料電池１００の劣化が進んでいく。本実施例では、燃料電池１００がある程度劣化した場合には、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ３に下げる。その結果、それ以降の燃料電池１００の劣化を緩和することが可能となる。
【００２９】
上記説明では、燃料電池１００の劣化の検知方法については、説明していないが、例えば、制御部７００は、予め定められた出力電流における出力電圧を比較し、予め定められた値以上下がった場合には、劣化したと判断してもよい。あるいは、制御部７００は、燃料電池１００の運転時間（長いほど劣化）、電位の変動回数（多いほど劣化）、温度（高いほど劣化）、加湿状態（高いほど劣化）、始動停止の回数（多いほど劣化）に基づいて燃料電池１００の劣化を推測してもよい。また、制御部７００は、燃料電池１００の劣化を考慮せず、単に燃料電池の累積運転時間に基づいて、高電位回避上限電圧を下げてもよい。累積運転時間がより長ければ、より劣化が進んでいると考えられるからである。こうすれば、制御部７００は累積時間のみを計測すれば良く、燃料電池の劣化を測定する必要がなくなる。なお、制御部７００は、累積時間が長いほど、高電位回避上限電圧の下げ幅を大きくしてもよい。燃料電池１００は、より劣化が進行していると考えられるからである。
【００３０】
［第２の実施例］
図８は、第２の実施例を示す説明図である。第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じである。ただし、燃料電池１００の制御が異なる。第２の実施例では、燃料電池１００が劣化したときは、制御部７００は、二次電池２００の充電量の目標値（ＳＯＣ）を上げる。本実施例では、制御部７００は、燃料電池１００が劣化したときの充電量の目標値を、初期の５５％から６５％に引き上げている。
【００３１】
図５に示すように、燃料電池１００は、劣化すると、余剰電力が少なくなる。逆に言えば、初期は余剰電力が多い。したがって、二次電池２００の充電量の目標値（ＳＯＣ）が小さいと、二次電池の充填量が１００％になる場合がある。二次電池の充填量が１００％になると、充填できなくなるため、燃料電池１００の発電電力を下げるか、負荷８００に消費させる必要がある。しかし、燃料電池１００の発電電力を下げると、出力電圧があがる。その結果、触媒金属が流出し、燃料電池１００が劣化する恐れがある。一方、負荷８００に消費させる場合には、無駄なエネルギー消費となる。したがって、二次電池２００の充電量の目標値を、初期には少なめに設定することが好ましい。
【００３２】
図９は、第２の実施例における燃料電池の特性を示す説明図である。図９（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図９（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。負荷８００からのＰｒｅｑ２の出力要求があったとき、初期では、燃料電池１００は、出力電流Ｉ４を流すことにより、負荷８００の要求する出力を出力することができる。一方、燃料電池１００が劣化した後、負荷８００からのＰｒｅｑ２の出力要求があったとき、燃料電池１００は、出力電流Ｉ４では、負荷８００の要求を満たすことが出来ず、足りない分は、二次電池２００から補われる。
【００３３】
ところで、燃料電池１００が劣化すると、燃料電池１００の内部抵抗が増大するので、燃料電池１００の発熱が大きくなる。かかる場合には、制御部７００は、燃料電池１００の出力を制限する。したがって、燃料電池１００は、出力電流Ｉ４よりも少ない出力電流Ｉ５の電流しか流すことが出来ず、出力電力もＰｌｉｍに制限される。この場合、二次電池２００が補う電力が増大する。このとき、劣化したときの二次電池２００の充電量の目標値を大きく設定しておけば、負荷８００は、長時間にわたり二次電池２００からの電力供給を受けることが出来る。すなわち、燃料電池１００及び二次電池２００からの出力の合計が、要求電力より下回り難いので、ドライバビリティの劣化を抑制することが可能となる。
【００３４】
なお、第２の実施例においても、単に燃料電池の累積運転時間に基づいて、二次電池２００の充電量の目標値を上げてもよい。累積運転時間がより長ければ、より劣化が進んでいると考えられるからである。こうすれば、制御部７００は累積時間のみを計測すれば良く、燃料電池の劣化を測定する必要がなくなる。なお、制御部７００は、累積時間が長いほど、二次電池２００の充電量の目標値の上げ幅を大きくしてもよい。燃料電池１００は、より劣化が進行していると考えられるからである。
【００３５】
［第３の実施例］
第３の実施例の構成は、第１、第２の実施例と同じである。第３の実施例では、制御部７００は、二次電池２００の温度が低い場合に、その温度を上昇させるように制御する。具体的には、制御部７００は、酸化ガスの流量を少なくする。
【００３６】
図１０は、二次電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。図１０（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図１０（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。図１０のグラフと、図４あるいは図９のグラフと、を比較すると、酸化ガスの流量を減らした場合の特性と、燃料電池が劣化した場合の特性と、が良く似ていることがわかる。
【００３７】
二次電池２００の温度が低い場合には、制御部７００は空気の流量を少なくする。負荷８００よりＰｒｅｑ６の出力要求があった場合、酸化ガスの流量を減少させていなければ、制御部７００は、出力電流Ｉ６で電流を引けば、要求出力を出力することが出来る。一方、酸化ガスの流量を減少させている場合でも、制御部７００は、出力電流Ｉ７で電流を引けば、要求出力を出力することが出来る。本実施例では、制御部７００は、出力電流Ｉ６で電流を引く。この場合、燃料電池１００の出力電力は、Ｐｏｕｔ６であり、負荷８００の要求出力Ｐｒｅｑ６よりも小さい。制御部７００は、不足する分を二次電池２００から出力する。この結果、二次電池２００の充放電回数が増加させ、二次電池２００の温度を増加させることが可能となる。
【００３８】
第２の実施例では、ドライバビリティの劣化を抑制するために、積極的に二次電池を用いたが、本実施例では、二次電池の温度を上昇させるために、第２の実施例と同様な動作原理の元、積極的に二次電池２００を用いることにより、二次電池の温度を上昇させることが可能となる。
【００３９】
［第４の実施例］
第４の実施例の構成は、第１、第２の実施例と同じである。第４の実施例では、制御部７００は、燃料電池１００の温度が低い場合に、その温度を上昇させるように制御する。具体的には、制御部７００は、高電位回避上限電圧を維持したまま酸化ガスの流量を少なくする。
【００４０】
図１１は、燃料電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。図１１（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図１１（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示すグラフの一部を拡大したものである。制御部７００は、高電位回避上限電圧を維持したまま酸化ガスの流量（供給量）を少なくすると、高電位回避上限電圧のときの燃料電池の出力電流は、Ｉ８に減少する。このときの燃料電池の出力をＰｏｕｔ８とする。一方、制御部７００が、高電位回避上限電圧を維持せずに、燃料電池１００から出力電流Ｉ８を引いたときの出力をＰｏｕｔ９とする。このときＰｏｕｔ９＞Ｐｏｕｔ８である。制御部７００が燃料電池１００から同じ電流を引いた場合でも、出力電力は（Ｐｏｕｔ９−Ｐｏｕｔ８）だけ少なくなっている。すなわち、この分だけ燃料電池１００の効率が悪くなっており、燃料電池１００を発熱させる。燃料電池１００が冷えている場合には、制御部７００は、高電位回避上限電圧を維持したまま燃料電池に供給する酸化ガスの流量を少なくすることにより、燃料電池の効率を下げ、その効率が下がることによる発熱を用いて、燃料電池１００の温度を上昇させることが可能となる。
【００４１】
上記各実施例につき、任意の２つ以上、例えば、制御部７００は、実施例１と実施例２と、を同時に実行するようにしてもよい。すなわち、制御部７００は、燃料電池１００が劣化したときには、高電位回避上限電圧を下げると共に、二次電池２００の充電量の目標値を上げてもよい。また、燃料電池１００と二次電池２００の温度が共に低い場合には、制御部７００は、実施例３と実施例４と、を同時に実行するようにしてもよい。さらに、燃料電池１００が劣化し、燃料電池１００と二次電池２００の温度が共に低い場合には、制御部７００は、全ての実施例を実施してもよい。
【００４２】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４３】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…温度計
２００…二次電池
２１０…温度計
３００…燃料ガス供給部
３１０…燃料ガスタンク
３２０…遮断弁
３３０…レギュレータ
４００…酸化ガス供給部
４１０…エアクリーナー
４２０…エアポンプ
４２１…モーター
４３０…インタークーラー
４３５…フィルター
４４０…フィルター
６００…セルモニタ
７００…制御部
８００…負荷
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池を有する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリ（二次電池）を有する燃料電池システムの制御方法としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１の燃料電池システムの制御ユニットは、システム要求電力Ｗｒｅｑが徐々に上がっていく場合であっても、燃料電池の出力電圧Ｖｆｃを酸化還元電位で一度制限し、制限した電圧に相当する電力をバッテリで補う制御をする。その後、アクセル開度が下がるなどして燃料電池の発電が必要なくなった場合でも、制御ユニットは、燃料電池の出力電圧を酸化還元電位以下で維持して、発電を継続する。制御ユニットは、このとき生成される余剰電力を二次電池に充電する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池は、通常、長期間の使用により、劣化し、特性や燃料電池の状態が変動する。従来、特性や燃料電池の状態の変動に対し、バッテリ（二次電池）への電力充填制御をどうように行うかについては、十分に考慮されていなかった。また、燃料電池が劣化していない場合であっても、燃料電池やバッテリの温度が低い場合には、これらの昇温に最適な運転方法に変えることが好ましいが、この点についても十分な工夫がなされていないのが実情であった。
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、劣化や温度などの燃料電池の状態に適合するように二次電池への充電制御を行い、ドライバビリティの劣化抑制、あるいは燃料電池の耐久性の向上を実現することを目的とする。また、燃料電池やバッテリの温度が低い場合に、これらの温度を上昇させる制御を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池の電圧が予め設定された高電位回避電圧以上にならないように制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が、前記燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下した場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定し、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、燃料電池の劣化の進行を遅らせることにより、燃料電池の耐久性の向上、あるいはドライバビリティの向上を実現することが可能となる。
【０００８】
［適用例２］
適用例１に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、さらに、前記燃料電池の累積使用時間が予め定められた時間以上になった場合には、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を前記初期設定値よりも小さな値に再設定し、または（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値を、前記初期設定値よりも大きな小さな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
累積使用時間が長くなると、燃料電池は劣化する。この適用例によれば、累積使用時間を用いて、燃料電池の劣化を容易に検知することが可能となる。
【０００９】
［適用例３］
適用例２に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記燃料電池の累積使用時間が長いほど、（ｉ）前記高電位回避電圧の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくし、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくする、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
一般に、累積使用時間が長いほどより劣化が進行していると考えられる。より劣化しているほど初期値との差を大きくすることにより、燃料電池の劣化の進行を遅らせて燃料電池の耐久性を向上させ、あるいはドライバビリティを向上させることが可能となる。
【００１０】
［適用例４］
燃料電池システムであって、燃料電池と、前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、前記二次電池及び前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、前記燃料電池に供給する酸化ガスの流量を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、（ｉ）前記二次電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記二次電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を低下させ、前記燃料電池システムへの要求出力に対し、前記燃料電池からの出力を減少させるとともに、前記二次電池からの出力を増加させ、（ｉｉ）前記燃料電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記燃料電池の電圧が予め定められた高電位回避電圧以上にならないようにしながら、前記燃料電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を減少させて、前記燃料電池の電流電圧特性において前記酸化ガスの流量を減少させる前の状態で高電位回避電圧以上となる低電流域において熱損失を発生させ、前記熱損失により生じる熱エネルギーを用いて前記燃料電池を昇温する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
この適用例によれば、二次電池や燃料電池が低いときに、それらの温度を上昇させることができる。
【００１１】
［適用例５］
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料電池の電流電圧特性を取得する工程と、
（ｂ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下したか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下している場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定する、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【００１２】
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法等、様々な形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。
【図２】燃料電池の特性を示すグラフである。
【図３】燃料電池の出力電力の時間変化を示すグラフである。
【図４】燃料電池の初期の特性と劣化したときの特性とを比較する説明図である。
【図５】初期における余剰電力と劣化時における余剰電力とを比較する説明図である。
【図６】高電位回避上限電圧を下げたときの余剰電力を示す説明図である。
【図７】本実施例の効果を示す説明図である。
【図８】第２の実施例を示す説明図である。
【図９】第２の実施例における燃料電池の特性を示す説明図である。
【図１０】二次電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。
【図１１】燃料電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１の実施例］
図１は、本実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、二次電池２００と、燃料ガス供給部３００と、酸化ガス供給部４００と、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００と、セルモニタ６００と、制御部７００と、を備える。燃料電池システム１０は、負荷８００に対して電力を供給する。燃料電池１００は、複数の単セル（図示せず）を含んでいる。各単セルには、セルモニタ６００が接続されており、各単セルの状態、例えば、電圧及び電流モニタすることが可能である。また、燃料電池１００には、温度計１１０が接続され、燃料電池１００の温度がモニタできるようになっている。
【００１５】
燃料ガス供給部３００は燃料電池１００に接続されている。本実施例では、燃料ガスとして水素を用いる。燃料ガス供給部３００は、燃料ガスタンク３１０と、遮断弁３２０と、レギュレータ３３０と、を有する。遮断弁３２０は、燃料電池システム１０の停止時に遮断し、水素ガスの供給を停止する。レギュレータ３３０は、燃料電池１００の供給する水素の圧力を調整する。
【００１６】
酸化ガス供給部４００は、燃料電池１００に接続されている。本実施例では、酸化ガスとして空気を用いる。酸化ガス供給部４００は、エアクリーナー４１０と、エアポンプ４２０と、インタークーラー４３０と、フィルター４４０と、を有する。エアクリーナー４１０は、大気中の空気を取り込むときに、空気中のゴミや塵を除去する。エアポンプ４２０は、空気を圧縮して燃料電池１００に供給する。エアポンプ４２０には、モーター４２１が接続されている。インタークーラー４３０は、圧縮により熱くなった空気を冷却する。フィルター４３５は、エアクリーナー４１０により除去できなかった細かな塵や埃を除去する。
【００１７】
二次電池２００は、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００を介して燃料電池１００に接続されており、燃料電池１００の補助電源として機能する。すなわち、燃料電池１００の出力が負荷８００からの出力要求に満たない場合には、二次電池２００は、その差を出力して補う。逆に、燃料電池１００の出力が負荷８００の出力要求よりも大きい場合には、二次電池２００はその差を充電する。二次電池２００としては、例えば、鉛蓄電池や、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池などを採用することができる。二次電池２００には、温度計２１０が接続され、二次電池２００の温度がモニタできるようになっている。
【００１８】
ＤＣ−ＤＣコンバーター５００は、二次電池２００の充・放電を制御する充放電制御部としての機能を有しており、制御部７００の指示によって二次電池２００の充・放電を制御するとともに、負荷８００に掛かる電圧レベルを可変に調整する。
【００１９】
制御部７００（「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７００」とも呼ぶ。）は、例えば、主記憶装置と中央演算処理装置とを備えるマイクロコンピューターとして構成することができる。制御部７００は、負荷８００からの出力要求に応じて、レギュレータ３３０を制御して燃料ガスの供給量を制御し、モーター４２１を制御して酸化ガスの供給量を制御する。また、制御部７００は、負荷８００からの出力要求に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００を制御する。
【００２０】
図２は、燃料電池の特性を示すグラフである。図２（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図２（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。図２（Ａ）に示すように、燃料電池１００の出力電流が大きくなると、燃料電池１００の出力電圧は小さくなる。一方、図２（Ｂ）に示すように燃料電池１００の出力電流が大きくなると、燃料電池の出力電力は大きくなる。図２（Ａ）には、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０を示す線が引かれている。制御部７００は、燃料電池１００を制御するときに、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０よりも出力電圧が高い状態にならないように制御する。その理由は、燃料電池１００の出力電圧が高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０よりも高いと、燃料電池１００の触媒（図示せず）から触媒金属（例えば白金）が溶出し易くなり、燃料電池１００が劣化し易くなるからである。
【００２１】
本実施例では、燃料電池１００の出力電圧が高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０となるときの電流をＩ０とする。なお、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０は、開放電圧（ＯＣＶ、Open Circuit Voltage）よりも低く、触媒金属の溶出を防止または緩和できる電圧値として、実験的に予め設定される。このときの出力電力は、図２（Ｂ）に示すようにＰｌｏｗとする。この出力電力Ｐｌｏｗは出力下限であるので下限出力Ｐｌｏｗとも呼ぶ。燃料電池１００は、出力電圧を高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０以下に維持する場合、燃料電池１００の出力は下限出力Ｐｌｏｗ以下にはならない。例えば、アイドリング状態のように負荷８００の要求電力Ｐｒｅｑ１が下限出力Ｐｌｏｗよりも小さい場合、Ｐｌｏｗ−Ｐｒｅｑ１が余剰となる。制御部７００は、ＤＣ−ＤＣコンバーター５００に対し、その余剰分（Ｐｌｏｗ−Ｐｒｅｑ１）を二次電池２００に充填するように命令する。
【００２２】
一方、負荷８００の要求電力Ｐｒｅｑ２が下限出力Ｐｌｏｗよりも大きい場合、制御部７００は、燃料電池１００から引く電流をＩ２に増加する。このときの燃料電池の出力は、負荷８００の要求電力Ｐｒｅｑ２である。なお、二次電池２００には、充電量（「ＳＯＣ（State of Charge）」とも呼ぶ。）の目標値（例えば、全充電量に対するパーセンテージ）が定められている。二次電池２００の充電量が目標値に満たない場合には、制御部７００は、燃料電池１００の出力電流をＩ２より多くして、燃料電池１００の出力電力を大きくして、その差を二次電池２００に充電させてもよい。また、アイドリング状態の期間が長く、二次電池２００の充電量が目標値を越えている場合には、制御部７００は、燃料電池１００の出力電流をＩ２より少なくして、燃料電池１００の出力電力を小さくしてもよい。このとき、燃料電池１００の出力電力は、負荷８００の要求電力よりも小さくなるが、その差分は、二次電池２００からの出力で補うことができる。これにより、二次電池２００の充電量を目標値まで下げることが可能となる。
【００２３】
図３は、燃料電池の出力電力の時間変化を示すグラフである。図３（Ａ）は、高電位回避上限電圧を設けた場合であり、図３（Ｂ）は、高電位回避上限電圧を設けない場合である。図３（Ａ）に示すように、高電位回避上限電圧を設けた場合、燃料電池の出力電圧が下限電力Ｐｌｏｗを下回ることはなく、負荷８００からの要求電力が下限電力Ｐｌｏｗを下回る場合には、その差分（Ｐｌｏｗ−要求電力）が二次電池２００に充電される。一方、高電位回避上限電圧を設けない場合、負荷８００からの要求電力が下限電力Ｐｌｏｗを下回る場合、燃料電池１００の出力電力も小さくなり、負荷８００からの要求電力が下限電力Ｐｌｏｗを下回る期間、触媒金属（例えば白金）が溶出し易い状態となる。
【００２４】
図４は、燃料電池の初期の特性と劣化したときの特性とを比較する説明図である。図４（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図４（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフであり、図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示すグラフの一部を拡大したものである。燃料電池１００は、劣化すると、同じ出力電流でも、出力電圧、出力電力が小さくなる。例えば、燃料電池１００が劣化していないときに出力電圧がＶＨｌｉｍｉｔ０となる出力電流Ｉ０が、劣化した燃料電池１００に流れるとき、その出力電圧、出力電力はそれぞれＶｏｕｔ２（Ｖｏｕｔ２＜ＶＨｌｉｍｉｔ）、Ｐｏｕｔ２（Ｐｏｕｔ２＜Ｐｌｏｗ）となる。
【００２５】
図５は、初期における余剰電力と劣化時における余剰電力とを比較する説明図である。高電位回避時の余剰電力は、燃料電池１００が出力する電力（ＰｌｏｗまたはＰｏｕｔ２）と負荷８００が要求する電力（Ｐｒｅｑ）の差である。すなわち、初期にはΔＱ１（ΔＱ１＝Ｐｌｏｗ−Ｐｒｅｑ）の余剰電力があり、劣化した場合には、余剰電力はΔＱ２（ΔＱ２＝Ｐｏｕｔ２−Ｐｒｅｑ）に減少する。
【００２６】
第１の実施例では、制御部７００は、燃料電池１００が劣化したときには、図４（Ａ）に示すように、高電位回避上限電圧を下げる制御を行う。本実施例では、制御部７００は、例えば、劣化時の高電位回避上限電圧における出力電力が、初期における下限電力Ｐｌｏｗと同じになるように、劣化時の高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ３を定める。このときの燃料電池１００の出力電流はＩ３に増加する。
【００２７】
図６は、高電位回避上限電圧を下げたときの余剰電力を示す説明図である。本実施例では、高電位回避上限電圧をＶＨｌｉｍｉｔ３に下げることにより、出力電流がＩ０からＩ３に増加し、燃料電池１００の出力電力が、Ｐｏｕｔ２からＰｌｏｗに増大する。したがって、負荷の要求電力Ｐｒｅｑとの差である余剰電力は、ΔＱ２からΔＱ１に増大する。
【００２８】
図７は、本実施例の効果を示す説明図である。図７の横軸は燃料電池１００の累積運転時間であり、縦軸は出力電圧である。燃料電池の出力電圧は、一般に運転時間が長くなるにつれて劣化により下がってくる。累積運転時間が長くなると、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ０近傍での運転時間の累積も長くなり、僅かずつではあるが、触媒金属が溶出し、燃料電池１００の劣化が進んでいく。本実施例では、燃料電池１００がある程度劣化した場合には、高電位回避上限電圧ＶＨｌｉｍｉｔ３に下げる。その結果、それ以降の燃料電池１００の劣化を緩和することが可能となる。
【００２９】
上記説明では、燃料電池１００の劣化の検知方法については、説明していないが、例えば、制御部７００は、予め定められた出力電流における出力電圧を比較し、予め定められた値以上下がった場合には、劣化したと判断してもよい。あるいは、制御部７００は、燃料電池１００の運転時間（長いほど劣化）、電位の変動回数（多いほど劣化）、温度（高いほど劣化）、加湿状態（高いほど劣化）、始動停止の回数（多いほど劣化）に基づいて燃料電池１００の劣化を推測してもよい。また、制御部７００は、燃料電池１００の劣化を考慮せず、単に燃料電池の累積運転時間に基づいて、高電位回避上限電圧を下げてもよい。累積運転時間がより長ければ、より劣化が進んでいると考えられるからである。こうすれば、制御部７００は累積時間のみを計測すれば良く、燃料電池の劣化を測定する必要がなくなる。なお、制御部７００は、累積時間が長いほど、高電位回避上限電圧の下げ幅を大きくしてもよい。燃料電池１００は、より劣化が進行していると考えられるからである。
【００３０】
［第２の実施例］
図８は、第２の実施例を示す説明図である。第２の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じである。ただし、燃料電池１００の制御が異なる。第２の実施例では、燃料電池１００が劣化したときは、制御部７００は、二次電池２００の充電量の目標値（ＳＯＣ）を上げる。本実施例では、制御部７００は、燃料電池１００が劣化したときの充電量の目標値を、初期の５５％から６５％に引き上げている。
【００３１】
図５に示すように、燃料電池１００は、劣化すると、余剰電力が少なくなる。逆に言えば、初期は余剰電力が多い。したがって、二次電池２００の充電量の目標値（ＳＯＣ）が小さいと、二次電池の充填量が１００％になる場合がある。二次電池の充填量が１００％になると、充填できなくなるため、燃料電池１００の発電電力を下げるか、負荷８００に消費させる必要がある。しかし、燃料電池１００の発電電力を下げると、出力電圧があがる。その結果、触媒金属が流出し、燃料電池１００が劣化する恐れがある。一方、負荷８００に消費させる場合には、無駄なエネルギー消費となる。したがって、二次電池２００の充電量の目標値を、初期には少なめに設定することが好ましい。
【００３２】
図９は、第２の実施例における燃料電池の特性を示す説明図である。図９（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図９（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。負荷８００からのＰｒｅｑ２の出力要求があったとき、初期では、燃料電池１００は、出力電流Ｉ４を流すことにより、負荷８００の要求する出力を出力することができる。一方、燃料電池１００が劣化した後、負荷８００からのＰｒｅｑ２の出力要求があったとき、燃料電池１００は、出力電流Ｉ４では、負荷８００の要求を満たすことが出来ず、足りない分は、二次電池２００から補われる。
【００３３】
ところで、燃料電池１００が劣化すると、燃料電池１００の内部抵抗が増大するので、燃料電池１００の発熱が大きくなる。かかる場合には、制御部７００は、燃料電池１００の出力を制限する。したがって、燃料電池１００は、出力電流Ｉ４よりも少ない出力電流Ｉ５の電流しか流すことが出来ず、出力電力もＰｌｉｍに制限される。この場合、二次電池２００が補う電力が増大する。このとき、劣化したときの二次電池２００の充電量の目標値を大きく設定しておけば、負荷８００は、長時間にわたり二次電池２００からの電力供給を受けることが出来る。すなわち、燃料電池１００及び二次電池２００からの出力の合計が、要求電力より下回り難いので、ドライバビリティの劣化を抑制することが可能となる。
【００３４】
なお、第２の実施例においても、単に燃料電池の累積運転時間に基づいて、二次電池２００の充電量の目標値を上げてもよい。累積運転時間がより長ければ、より劣化が進んでいると考えられるからである。こうすれば、制御部７００は累積時間のみを計測すれば良く、燃料電池の劣化を測定する必要がなくなる。なお、制御部７００は、累積時間が長いほど、二次電池２００の充電量の目標値の上げ幅を大きくしてもよい。燃料電池１００は、より劣化が進行していると考えられるからである。
【００３５】
［第３の実施例］
第３の実施例の構成は、第１、第２の実施例と同じである。第３の実施例では、制御部７００は、二次電池２００の温度が低い場合に、その温度を上昇させるように制御する。具体的には、制御部７００は、酸化ガスの流量を少なくする。
【００３６】
図１０は、二次電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。図１０（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図１０（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。図１０のグラフと、図４あるいは図９のグラフと、を比較すると、酸化ガスの流量を減らした場合の特性と、燃料電池が劣化した場合の特性と、が良く似ていることがわかる。
【００３７】
二次電池２００の温度が低い場合には、制御部７００は空気の流量を少なくする。負荷８００よりＰｒｅｑ６の出力要求があった場合、酸化ガスの流量を減少させていなければ、制御部７００は、出力電流Ｉ６で電流を引けば、要求出力を出力することが出来る。一方、酸化ガスの流量を減少させている場合でも、制御部７００は、出力電流Ｉ７で電流を引けば、要求出力を出力することが出来る。本実施例では、制御部７００は、出力電流Ｉ６で電流を引く。この場合、燃料電池１００の出力電力は、Ｐｏｕｔ６であり、負荷８００の要求出力Ｐｒｅｑ６よりも小さい。制御部７００は、不足する分を二次電池２００から出力する。この結果、二次電池２００の充放電回数が増加させ、二次電池２００の温度を増加させることが可能となる。
【００３８】
第２の実施例では、ドライバビリティの劣化を抑制するために、積極的に二次電池を用いたが、本実施例では、二次電池の温度を上昇させるために、第２の実施例と同様な動作原理の元、積極的に二次電池２００を用いることにより、二次電池の温度を上昇させることが可能となる。
【００３９】
［第４の実施例］
第４の実施例の構成は、第１、第２の実施例と同じである。第４の実施例では、制御部７００は、燃料電池１００の温度が低い場合に、その温度を上昇させるように制御する。具体的には、制御部７００は、高電位回避上限電圧を維持したまま酸化ガスの流量を少なくする。
【００４０】
図１１は、燃料電池の温度を上昇させる制御を説明する説明図である。図１１（Ａ）は、電流−電圧特性を示すグラフであり、図１１（Ｂ）は、電流−出力特性を示すグラフである。図４（Ｃ）は、図４（Ｂ）に示すグラフの一部を拡大したものである。制御部７００は、高電位回避上限電圧を維持したまま酸化ガスの流量（供給量）を少なくすると、高電位回避上限電圧のときの燃料電池の出力電流は、Ｉ８に減少する。このときの燃料電池の出力をＰｏｕｔ８とする。一方、制御部７００が、高電位回避上限電圧を維持せずに、燃料電池１００から出力電流Ｉ８を引いたときの出力をＰｏｕｔ９とする。このときＰｏｕｔ９＞Ｐｏｕｔ８である。制御部７００が燃料電池１００から同じ電流を引いた場合でも、出力電力は（Ｐｏｕｔ９−Ｐｏｕｔ８）だけ少なくなっている。すなわち、この分だけ燃料電池１００の効率が悪くなっており、燃料電池１００を発熱させる。燃料電池１００が冷えている場合には、制御部７００は、高電位回避上限電圧を維持したまま燃料電池に供給する酸化ガスの流量を少なくすることにより、燃料電池の効率を下げ、その効率が下がることによる発熱を用いて、燃料電池１００の温度を上昇させることが可能となる。
【００４１】
上記各実施例につき、任意の２つ以上、例えば、制御部７００は、実施例１と実施例２と、を同時に実行するようにしてもよい。すなわち、制御部７００は、燃料電池１００が劣化したときには、高電位回避上限電圧を下げると共に、二次電池２００の充電量の目標値を上げてもよい。また、燃料電池１００と二次電池２００の温度が共に低い場合には、制御部７００は、実施例３と実施例４と、を同時に実行するようにしてもよい。さらに、燃料電池１００が劣化し、燃料電池１００と二次電池２００の温度が共に低い場合には、制御部７００は、全ての実施例を実施してもよい。
【００４２】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【符号の説明】
【００４３】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…温度計
２００…二次電池
２１０…温度計
３００…燃料ガス供給部
３１０…燃料ガスタンク
３２０…遮断弁
３３０…レギュレータ
４００…酸化ガス供給部
４１０…エアクリーナー
４２０…エアポンプ
４２１…モーター
４３０…インタークーラー
４３５…フィルター
４４０…フィルター
６００…セルモニタ
７００…制御部
８００…負荷
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、
前記燃料電池の電圧が予め設定された高電位回避電圧以上にならないように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が、前記燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下した場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定し、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、さらに、前記燃料電池の累積使用時間が予め定められた時間以上になった場合には、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を前記初期設定値よりも小さな値に再設定し、または（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値を、前記初期設定値よりも大きな小さな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の累積使用時間が長いほど、（ｉ）前記高電位回避電圧の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくし、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくする、のうちの少なくとも一方を実行する燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、
前記二次電池及び前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、
前記燃料電池に供給する酸化ガスの流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、（ｉ）前記二次電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記二次電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を低下させ、前記燃料電池システムへの要求出力に対し、前記燃料電池からの出力を減少させるとともに、前記二次電池からの出力を増加させ、または、（ｉｉ）前記燃料電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記燃料電池の電圧が予め定められた高電位回避電圧以上にならないようにしながら、前記燃料電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を減少させて、前記燃料電池の電流電圧特性において前記酸化ガスの流量を減少させる前の状態で高電位回避電圧以上となる低電流域において熱損失を発生させ、前記熱損失により生じる熱エネルギーを用いて前記燃料電池を昇温する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料電池の電流電圧特性を取得する工程と、
（ｂ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下したか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下している場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定する、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、
前記燃料電池の電圧が予め設定された高電位回避電圧以上にならないように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池の電流電圧特性が、前記燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下した場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定し、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、さらに、前記燃料電池の累積使用時間が予め定められた時間以上になった場合には、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を前記初期設定値よりも小さな値に再設定し、または（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値を、前記初期設定値よりも大きな小さな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記制御部は、前記燃料電池の累積使用時間が長いほど、（ｉ）前記高電位回避電圧の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくし、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電残量目標値の再設定後の値と、前記初期設定値との差を大きくする、のうちの少なくとも一方を実行する燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の出力電力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも大きい場合にその余剰の電力を蓄積するとともに、前記燃料電池の出力が前記燃料電池システムへの要求電力よりも小さいときにその不足分を補う二次電池と、
前記燃料電池の電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池の電流を測定する電流測定部と、
前記二次電池及び前記燃料電池の温度を測定する温度測定部と、
前記燃料電池に供給する酸化ガスの流量を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、（ｉ）前記二次電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記二次電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を低下させ、前記燃料電池システムへの要求出力に対し、前記燃料電池からの出力を減少させるとともに、前記二次電池からの出力を増加させ、または、（ｉｉ）前記燃料電池の温度が予め定められた下限温度よりも低い場合には、前記燃料電池の電圧が予め定められた高電位回避電圧以上にならないようにしながら、前記燃料電池の温度が予め定められた温度よりも高い場合に比べて前記酸化ガスの流量を減少させて、前記燃料電池の電流電圧特性において前記酸化ガスの流量を減少させる前の状態で高電位回避電圧以上となる低電流域において熱損失を発生させ、前記熱損失により生じる熱エネルギーを用いて前記燃料電池を昇温する、のうちの少なくとも一方を実行する、燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）燃料電池の電流電圧特性を取得する工程と、
（ｂ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下したか否かを判断する工程と、
（ｃ）前記電流電圧特性が燃料電池の初期における特性よりも予め定められた量以上低下している場合に、（ｉ）前記高電位回避電圧の値を初期設定値よりも小さな値に再設定する、または、（ｉｉ）前記二次電池の充電量を保持する下限である充電残量目標値を、初期における設定値よりも大きな値に再設定する、のうちの少なくとも一方を実行する工程と、
を備える、燃料電池システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２２２２８１（Ｐ２０１１−２２２２８１Ａ）
【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２０１０−８９９６９（Ｐ２０１０−８９９６９）
【出願日】平成２２年４月９日（２０１０．４．９）
【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９日（２０１０．４．９）
【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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