特許 5835331 燃料電池の発電特性推定装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5835331

(24)【登録日】2015年11月13日

(45)【発行日】2015年12月24日

(54)【発明の名称】燃料電池の発電特性推定装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20060101AFI20151203BHJP

   H01M 8/10 20060101ALN20151203BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04 Z

   H01M8/04 Y

   H01M8/04 X

   H01M8/04 P

   !H01M8/10

【請求項の数】20

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2013-529979(P2013-529979)

(86)(22)【出願日】2012年8月14日

(86)【国際出願番号】JP2012070691

(87)【国際公開番号】WO2013027634

(87)【国際公開日】20130228

【審査請求日】2014年1月17日

(31)【優先権主張番号】特願2011-181540(P2011-181540)

(32)【優先日】2011年8月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075513

【弁理士】

【氏名又は名称】後藤 政喜

(74)【代理人】

【識別番号】100120260

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅昭

(74)【代理人】

【識別番号】100130638

【弁理士】

【氏名又は名称】野末 貴弘

(72)【発明者】

【氏名】松本 充彦

【審査官】 上野 力

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−３４９１１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０５４４２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０３４１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−３５１４２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２６９２２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１２３６１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−０４４７９５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、
燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、
燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、
前記電流検出部により検出される異なる実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、
を含み、
前記特性推定部は、燃料電池の暖機運転中は、燃料電池に供給するガスの圧力が燃料電池の発電特性により定められる所定圧力よりも低いときには発電特性の推定を実施せず、燃料電池に供給するガスの圧力が前記所定電力以上のときに、発電特性の推定を実施する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
前記特性推定部は、前記所定圧力での少なくとも２つの実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差のうち少なくとも２つのデータに基づいて実電流及び電圧差の相関を推定し、その推定した相関及び燃料電池の基準発電特性に基づいて、燃料電池の発電特性を推定する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
零下において、燃料電池から走行モーターへの電力供給を禁止する禁止部と、
燃料電池の補機への電力供給によって暖機を実施すると共に、燃料電池に供給するガスの圧力を暖機後の運転中の最大圧力に制御する暖機運転部と、
を備える燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項4】

請求項３に記載の発電特性推定装置において、
前記発電特性推定部による発電特性の推定に基づいて走行モーターへの電力供給を許可する走行許可部をさらに含み、
前記暖機運転部は、走行許可後も前記最大圧力での暖機運転を継続する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項5】

請求項１に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
燃料電池の内部抵抗を検出する抵抗検出部をさらに含み、
前記特性推定部は、前記実電流、前記電圧差及び前記内部抵抗に基づいて実電流及び電圧差の相関を推定し、その推定した相関及び燃料電池の基準発電特性に基づいて、燃料電池の発電特性を推定する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項6】

請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発電特性推定装置において、
前記基準特性設定部は、予め定められた所定温度であるときの燃料電池の基準発電特性に基づいて基準発電特性上の電圧を設定する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項7】

請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の発電特性推定装置において、
燃料電池の発電特性の推定処理を開始するときの内部抵抗に基づいて、燃料電池の運転許可温度を演算する許可温度演算部をさらに含み、
前記基準特性設定部は、前記運転許可温度に基づいて基準発電特性上の電圧を設定する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項8】

燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、
燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、
燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、
前記電流検出部により検出される異なる実電圧における、基準発電特性上の電流と実電流との電流差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、
を含み、
前記特性推定部は、燃料電池の暖機運転中は、燃料電池に供給するガスの圧力が燃料電池の発電特性により定められる所定値よりも低いときには発電特性の推定を実施せず、燃料電池に供給するガスの圧力が前記所定値以上のときに、発電特性の推定を実施する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項9】

請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の発電特性推定装置において、
前記燃料電池が運転を停止するときに内部を乾燥させる乾燥制御部をさらに備える、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項10】

燃料電池と、燃料電池に接続されて燃料電池から供給される電力によって駆動される走行モーターと、燃料電池に接続される補機と、システムを制御するコントローラーと、を備えた燃料電池システムであって、
前記コントローラーは、
燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、
燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、
燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、
前記電流検出部により検出される異なる実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、
を含み、
燃料電池の暖機運転中は、燃料電池に供給するガスの圧力が燃料電池の発電特性により定められる所定圧力よりも低いときには発電特性の推定を実施せず、燃料電池に供給するガスの圧力が前記所定圧力以上のときに前記特性推定部が推定した発電特性に基づいて走行許可を出す、
燃料電池システム。

【請求項11】

請求項１０に記載の燃料電池システムにおいて、
前記特性推定部は、前記所定圧力での少なくとも２つの実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差のうち少なくとも２つのデータに基づいて実電流及び電圧差の相関を推定し、その推定した相関及び燃料電池の基準発電特性に基づいて、燃料電池の発電特性を推定する、
燃料電池システム。

【請求項12】

請求項１０又は請求項１１に記載の燃料電池システムにおいて、
零下において、燃料電池から走行モーターへの電力供給を禁止する禁止部と、
燃料電池の補機への電力供給によって暖機を実施すると共に、燃料電池に供給するガスの圧力を暖機後の運転中の最大圧力に制御する暖機運転部と、
を備える燃料電池システム。

【請求項13】

請求項１２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記発電特性推定部による発電特性の推定に基づいて走行モーターへの電力供給を許可する走行許可部をさらに含み、
前記暖機運転部は、走行許可後も前記最大圧力での暖機運転を継続する、
燃料電池システム。

【請求項14】

請求項１０から請求項１３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記基準特性設定部は、予め定められた所定温度であるときの燃料電池の基準発電特性に基づいて基準発電特性上の電圧を設定する、
燃料電池システム。

【請求項15】

燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、
燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、
燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、
前記電流検出部により検出される異なる実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、
を含み、
燃料電池の暖機時に、燃料電池のガス圧力を燃料電池の発電特性により定められる所定圧力以上にして暖機運転を実施する暖機運転部と、を含み、
前記暖機運転部により実施される暖機運転時に、前記特性推定部により燃料電池の発電特性を推定する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項16】

請求項１５に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
前記特性推定部が暖機時に推定した発電特性に基づいて、燃料電池から負荷に電力を供給した場合に電圧落ちするか否かを判断する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項17】

請求項１５又は請求項１６に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
前記所定圧力は、通常の運転圧力よりも高い圧力であり、
前記通常の運転圧力は、燃料電池の走行許可前の発電電流に応じて発電電流が大きくなるほど大きくなる、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項18】

請求項１５から請求項１７までのいずれか１項に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
零下において、燃料電池から走行モーターへの電力供給を禁止する禁止部と、
燃料電池の補機への電力供給によって暖機を実施すると共に、燃料電池に供給するガスの圧力を前記所定圧力に制御する暖機運転部と、
を備える燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項19】

請求項１８に記載の発電特性推定装置において、
前記発電特性推定部による発電特性の推定に基づいて走行モーターへの電力供給を許可する走行許可部をさらに含み、
前記暖機運転部は、走行許可後も前記所定圧力での暖機運転を継続する、
燃料電池の発電特性推定装置。

【請求項20】

請求項１８又は請求項１９に記載の燃料電池の発電特性推定装置において、
前記燃料電池から前記補機への小さな電力を用いて前記特性推定部により推定された燃料電池の発電特性に基づいて、前記走行モーターへ大きな電力を供給したときに電圧落ちをさせないか否かで走行許可を出す、
燃料電池の発電特性推定装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、燃料電池の発電特性を推定する装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＪＰ２００６−２６９２２３Ａでは、温度毎に記憶されている基準発電特性(基準ＩＶ特性)から求められる基準電圧Ｖｂと実電圧Ｖｒとの電圧差ΔＶ(＝Ｖｂ−Ｖｒ)に基づいて、燃料電池の実際の発電特性(実ＩＶ特性)を推定する。すなわち、基準発電特性に対する実電圧の偏差とそのときの電流との関係「ΔＶ＝ＡＩ＋Ｂ」という一次式の関係があるので、ΔＶ及びＩをそれぞれ２つ与えることで、Ａ及びＢを解くことができる。そして上記関係式に全ての電流Ｉを代入し、そこで得られたΔＶを基準ＩＶ特性から差し引くことで、実ＩＶ特性の特性線を引くことができるのである。

【発明の概要】

【0003】

しかしながら、低温領域では、高負荷側の特性において、基準ＩＶ特性に対するΔＶが１次式にならないことがわかった。したがって特許文献１の手法を零下起動に適用すると、高負荷側での推定精度が悪くなる可能性がある。

【0004】

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、本発明の目的は、暖機運転するような低温域の場合にも精度良く燃料電池の発電特性を推定できる装置を提供することである。

【0005】

本発明のある態様の燃料電池の発電特性推定装置は、燃料電池の基準発電特性を設定する基準特性設定部と、燃料電池の実電流を検出する電流検出部と、燃料電池の実電圧を検出する電圧検出部と、前記実電流における、基準発電特性上の電圧と実電圧との電圧差に基づいて燃料電池の実際の発電特性を推定する特性推定部と、を含む。そして、前記特性推定部は、燃料電池の暖機運転中は燃料電池に供給するガスの圧力が所定値以上のときに、発電特性の推定を実施する。

【0006】

本発明の実施形態、本発明の利点は、添付された図面とともに以下に詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置を適用するシステムの一例を示す図である。

【図2】図２は、燃料電池の発電特性を示す図である。

【図3】図３は、燃料電池の一般的な発電特性を示す図である。

【図4】図４は、基準発電特性図である。

【図5】図５は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。

【図6】図６は、発電特性推定処理するときのカソード圧力について説明する図である。

【図7】図７は、基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。

【図8】図８は、第１実施形態の作用効果を説明する図である。

【図9】図９は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第２実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。

【図10】図１０は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第３実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。

【図11】図１１は、燃料電池の内部抵抗（電解質膜抵抗）について説明する図である。

【図12】図１２は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第４実施形態の燃料電池の発電特性を推定について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置を適用するシステムの一例を示す図である。

【0009】

最初に図１を参照して、本発明による燃料電池の発電特性推定装置を適用する基本的なシステムについて説明する。

【0010】

燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)が供給されて発電する。そこで燃料電池スタック１０には、カソードライン２０と、アノードライン３０と、冷却水循環ライン４０と、が接続される。なお燃料電池スタック１０の発電電流は、電流センサー１０１で検出される。燃料電池スタック１０の発電電圧は、電圧センサー１０２で検出される。

【0011】

カソードライン２０には、燃料電池スタック１０に供給されるカソードガスＯ₂が流れる。カソードライン２０には、コンプレッサー２１と、カソード調圧弁２２と、が設けられる。

【0012】

コンプレッサー２１は、燃料電池スタック１０よりも上流のカソードライン２０に設けられる。コンプレッサー２１は、モーターＭによって駆動される。コンプレッサー２１は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ₂の流量を調整する。カソードガスＯ₂の流量は、コンプレッサー２１の回転速度によって調整される。

【0013】

カソード調圧弁２２は、燃料電池スタック１０よりも下流のカソードライン２０に設けられる。カソード調圧弁２２は、カソードライン２０を流れるカソードガスＯ₂の圧力を調整する。カソードガスＯ₂の圧力は、カソード調圧弁２２の開度によって調整される。

【0014】

カソードライン２０を流れるカソードガスＯ₂の流量は、カソード流量センサー２０１で検出される。このカソード流量センサー２０１は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。

【0015】

カソードライン２０を流れるカソードガスＯ₂の圧力は、カソード圧力センサー２０２で検出される。このカソード圧力センサー２０２は、コンプレッサー２１よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。さらに図１では、カソード圧力センサー２０２は、カソード流量センサー２０１の下流に位置する。

【0016】

アノードライン３０には、燃料電池スタック１０に供給されるアノードガスＨ₂が流れる。アノードライン３０には、アノード再循環ライン３００が並設される。アノード再循環ライン３００は、燃料電池スタック１０よりも下流のアノードライン３０から分岐し、燃料電池スタック１０よりも上流のアノードライン３０に合流する。アノードライン３０には、ボンベ３１と、アノード調圧弁３２と、エゼクター３３と、アノードポンプ３４と、パージ弁３５と、が設けられる。

【0017】

ボンベ３１には、アノードガスＨ₂が高圧状態で貯蔵されている。ボンベ３１は、アノードライン３０の最上流に設けられる。

【0018】

アノード調圧弁３２は、ボンベ３１の下流に設けられる。アノード調圧弁３２は、ボンベ３１から新たにアノードライン３０に供給するアノードガスＨ₂の圧力を調整する。アノードガスＨ₂の圧力は、アノード調圧弁３２の開度によって調整される。

【0019】

エゼクター３３は、アノード調圧弁３２よりも下流に設けられる。エゼクター３３は、アノード再循環ライン３００がアノードライン３０に合流する部分に位置する。このエゼクター３３で、アノード再循環ライン３００を流れたアノードガスＨ₂が、ボンベ３１から新たに供給されたアノードガスＨ₂に混合される。

【0020】

アノードポンプ３４は、エゼクター３３の下流に位置する。アノードポンプ３４は、エゼクター３３を流れたアノードガスＨ₂を燃料電池スタック１０に送る。

【0021】

パージ弁３５は、燃料電池スタック１０の下流であって、さらにアノード再循環ライン３００の分岐部分の下流のアノードライン３０に設けられる。パージ弁３５が開くと、アノードガスＨ₂がパージされる。

【0022】

アノードライン３０を流れるアノードガスＨ₂の圧力は、アノード圧力センサー３０１で検出される。このアノード圧力センサー３０１は、アノードポンプ３４よりも下流であって燃料電池スタック１０よりも上流に設けられる。

【0023】

冷却水循環ライン４０には、燃料電池スタック１０に供給される冷却水が流れる。冷却水循環ライン４０には、ラジエーター４１と、三方弁４２と、ウォーターポンプ４３と、が設けられる。また冷却水循環ライン４０には、バイパスライン４００が並設される。バイパスライン４００は、ラジエーター４１よりも上流から分岐し、ラジエーター４１よりも下流に合流する。このためバイパスライン４００を流れる冷却水は、ラジエーター４１をバイパスする。

【0024】

ラジエーター４１は、冷却水を冷却する。ラジエーター４１には、クーリングファン４１０が設けられている。

【0025】

三方弁４２は、バイパスライン４００の合流部分に位置する。三方弁４２は、開度に応じて、ラジエーター側のラインを流れる冷却水の流量と、バイパスラインを流れる冷却水の流量と、を調整する。これによって冷却水の温度が調整される。

【0026】

ウォーターポンプ４３は、三方弁４２の下流に位置する。ウォーターポンプ４３は、三方弁４２を流れた冷却水を燃料電池スタック１０に送る。

【0027】

冷却水循環ライン４０を流れる冷却水の温度は、水温センサー４０１で検出される。この水温センサー４０１は、バイパスライン４００が分岐する部分よりも上流に設けられる。

【0028】

コントローラーは、電流センサー１０１、電圧センサー１０２、カソード流量センサー２０１、カソード圧力センサー２０２、アノード圧力センサー３０１、水温センサー４０１の信号を入力する。そして、信号を出力して、コンプレッサー２１、カソード調圧弁２２、アノード調圧弁３２、アノードポンプ３４、パージ弁３５、三方弁４２、ウォーターポンプ４３の作動を制御する。

【0029】

このような構成によって、燃料電池スタック１０は、適温に維持されつつ反応ガス(カソードガスＯ₂、アノードガスＨ₂)が供給されて発電する。燃料電池スタック１０によって発電された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバーター１１を介してバッテリー１２や負荷１３に供給される。

【0030】

図２は、燃料電池の発電特性を示す図である。

【0031】

ここで本発明の理解を容易にするために、燃料電池の発電特性について説明する。

【0032】

暖機が完了した後の状態(定常状態)での燃料電池の発電特性(電流電圧特性；以下適宜「ＩＶ特性」という)は、図２に示されるようになり、大きな電流も取り出せる。通常走行するときには、燃料電池は、この発電特性に則って制御される。

【0033】

しかしながら、零下起動直後の燃料電池の発電特性(ＩＶ特性)は、図２に示される通りである。そして暖機が進むにつれて燃料電池の発電特性(ＩＶ特性)が変化する。

【0034】

零下起動して暖機中の状態(過渡状態)で過剰な出力が要求されれば、燃料電池の発電特性が低いことに起因して、燃料電池から十分な出力が供給されず、バッテリーの過放電などを招いてしまう。したがって、零下起動して暖機中の状態(過渡状態)では、補機への出力のみで(すなわち低い出力のみで)燃料電池の発電特性(ＩＶ特性)を正確に推定した上で過剰な出力を要求しないように走行用のモーターを制御することが望まれる。

【0035】

上述の特許文献１には、燃料電池の発電特性(ＩＶ特性)を推定するひとつの手法が開示されている。しかしながら、この手法では、低温領域では、高負荷側の特性において、基準ＩＶ特性に対するΔＶが１次式にならないことがわかった。したがって特許文献１の手法を零下起動に適用すると、高負荷側での推定精度が悪くなる可能性がある。

【0036】

図３は、燃料電池の一般的な発電特性を示す図である。

【0037】

発明者は、燃料電池の発電特性が一般的に次式(1)で表されることに着目した。なおこの式(1)では、アノード反応は、十分速やかに進行して、カソード反応に対して損失が十分に小さいとしている。

【0038】

【数1】

【0039】

図３は、上式(1)の関係を示す図である。式(1)に示されているように、ｌｏｇ項が多い。このような場合には、ｌｏｇ項の影響によって高出力側の精度が悪くなる。すなわち低い出力に基づいて高出力側をも推定しようとしても、ｌｏｇ項の影響によって精度が悪くなってしまうのである。

【0040】

これに対して発明者は、ＩＶ特性が特に低温時に圧力に対する感度が高いことに着目した。そして燃料電池に供給するガスの圧力(カソード圧及びアノード圧の少なくとも一方)を高圧化することでｌｏｇ項の影響を減らせることに想到した。すなわちカソード圧を高圧化すれば、カソード反応の限界拡散電流密度ｉ_L,cは大きくなる傾向である。したがって次式(2)のようになる。

【0041】

【数2】

【0042】

またカソード反応の交換電流密度ｉ^c₀が一定値に収束する。したがって次式(3)のようになる。

【0043】

【数3】

【0044】

したがってカソード圧を高圧化することでｌｏｇ項の影響を減らせるのである。そして残るｌｏｇ項については、確定パラメーターとして算出可能である。なおカソード反応の交換電流密度ｉ^c₀は、温度Ｔが高いほど大きな値に収束する。また電解質膜抵抗Ｒ_sは、温度Ｔが低くなるほど増加する。これらの影響があって、ｌｏｇ項も含めて基準発電特性図をマップ化すると、図４に示すような基準発電特性図を得ることができる。

【0045】

そして過渡状態において燃料電池が問題なく出力可能な範囲の電流及び電圧を測定して、基準発電特性との偏差を学習する。この偏差は一次関数で示されるので、高出力範囲についても、燃料電池の発電特性を推定できる。このようにして得られた発電特性に則って過度な出力を要求しないことで、燃料電池に過剰な負担をかけることなく運転できるのである。

【0046】

以下では、このような技術思想を具現化する燃料電池の発電特性推定装置について、説明する。

【0047】

図５は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第１実施形態の動作を説明するフローチャートである。

【0048】

次に、コントローラーの動作を中心として、燃料電池の発電特性推定装置の第１実施形態の動作を説明する。このフローチャートは発電特性を推定するための一連の処理を順に記述している。そこで、コントローラーは、この処理を発電特性を推定する度に繰り返し実行する。例えば、１０秒ごとに実施しても良い。

【0049】

ステップＳ１において、コントローラーは、燃料電池の発電特性を推定する必要があるか否かを判定する。たとえば零下起動運転であれば、燃料電池の発電特性を推定する必要がある。コントローラーは、必要であればステップＳ２へ処理を移行し、不要であれば処理を終了する。

【0050】

ステップＳ２において、コントローラーは、カソード圧力が通常運転での圧力よりも高い所定圧力であるか否かを判定する。なおこの所定圧力については、図６を参照して説明する。そして、コントローラーは、所定圧力でなければ発電特性を推定すること無く本ルーチンを終了し、所定圧力以上であればステップＳ３へ処理を移行して発電特性を推定する。

【0051】

図６は、発電特性推定処理するときのカソード圧力について説明する図である。

【0052】

通常運転では、燃料電池に要求される発電電流が大きくなるにつれて、カソード圧力も大きくなる。

【0053】

これに対して、本実施形態では、暖機運転では通常運転とは異なり、発電電流によらずカソード圧力を暖機用の所定圧力（運転中の最大圧力）にする。暖機を行う温度領域でも、零下のように走行許可が出せずモーターへの電力供給をできない場合、若しくは、零度以上であってもドライバーがモータートルクを要求しない場合は、燃料電池の暖機を促進するためにはコンプレッサーやヒーター等の強電系補機を最大限に運転させることが、燃料電池の発電に伴う自己発熱によって早期暖機につながる。このため、カソード下流に設けられる調圧弁を絞り、その状態でコンプレッサーを最大出力とすることが望ましく、通常運転中の最大圧力を目標値として与えることでコンプレッサーと調圧弁が上記の状態に制御されることとなる。

【0054】

このように、暖機運転中であれば正常に暖機運転が実施されていると、ＩＶ推定にとって好ましい状態となっている。ステップＳ２において所定圧力以上であるかを判定する理由は、何等かの影響で零下であっても通常の暖機運転が実施されなかった場合はカソード圧力が低下した状態での推定となり、推定精度が悪化するからである。

【0055】

再び図５に戻る。

【0056】

ステップＳ３において、コントローラーは、燃料電池の発電電流Ｉ0を電流センサー１０１で検出するとともに、発電電圧Ｖ0を電圧センサー１０２で検出する。また、上記検出が完了すると、燃料電池の負荷（若しくは、バッテリーへの充電量）を変更して発電電流Ｉ０を前述の電流とは変えて発電電流と発電電圧を検出する。

【0057】

ステップＳ４において、コントローラーは、発電電流Ｉ0における基準発電特性上の電圧(基準電圧)Ｖbaseを設定する。具体的な設定方法は、図７を参照して説明する。

【0058】

図７は、基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。

【0059】

基準電圧設定ルーチン(ステップＳ４)では、所定水温Ｔでの基準発電特性を利用する。燃料電池の発電特性は温度が高くなると、高負荷側での圧力感度を持たなくなる。このため、コンピューターに記憶しておく基準の発電特性は圧力感度を持たない温度での特性が望ましい。そしてこの基準発電特性に発電電流Ｉ0を適用して、基準電圧Ｖbaseを設定する。同様にして変更した発電電流Ｉ0を適用した場合の基準電圧Ｖbaseも設定する。

【0060】

再び図５に戻る。

【0061】

ステップＳ５において、コントローラーは、発電電流Ｉ0における電圧差ΔＶを求める。具体的には、発電電圧Ｖ0と基準電圧Ｖbaseとの電圧差ΔＶを演算する。また、同様にして電流を変化させた発電電流Ｉ１における電圧差ΔＶも求める。

【0062】

ステップＳ６での処理について説明する。基準特性と現在の特性との偏差ΔＶは、実験的に求めた複数の電圧差ΔＶのデータを逐次最小二乗法で処理すると、発電電流Ｉ0と電圧差ΔＶとの間に一次関数で示される相関が得られることが分かった。すなわち、実験的に「ΔＶ＝ａＩ0＋ｂ」の関係を得ることができた。従って、発電電流Ｉ0と電圧差ΔＶの値を２通り与えてやることで、一次関数から係数ａと切片ｂの値を解くことができる。すると、電流毎の基準特性に対する電圧差ΔＶが全て求められることから、現在のＩＶ特性は基準特性から電流毎の電圧差ΔＶを減算することで記述できるのである。

【0063】

このようにして現在の発電特性を推定できれば、図８に示すように、モーターへの電力供給ができない零下であっても、補機への小さな電力のみで、仮にモーターへ大きな電力を供給したとしても、電圧落ちをさせないか否かを正確に判断できる。このため、安全、かつ、正確に走行許可を出すことができるのである。

【0064】

また、走行許可を出した後も、所定期間は最大圧力での暖機運転を継続する。これにより、走行許可直後にモーターに電力が供給されても、圧力低下に伴って高負荷側の発電特性が悪化して電圧落ちをする可能性が抑制できる。

【0065】

そして、最低電圧Ｖminを下回らない最大発電電流Ｉmaxを求めることができるので、ドライバーの要求が暖機運転中の燃料電池にとって過大な場合は、それを制限して安定して発電を継続することができる。

【0066】

しかも、本実施形態では、所定温度以上の特性を基準とし、実際の発電特性の推定に際しては暖機運転により圧力が高くなっているため、高負荷での基準特性に対する電圧差ΔＶが、上記の１次関数から外れてしまうという不都合を生じないのである。

【0067】

図８は、発電電流Ｉ0における電圧差ΔＶのデータを多く取得するための一手法を示す図である。

【0068】

なお、燃料電池の発電電流を変動させるには、バッテリー１２の充放電電力を変動させればよい。バッテリーの充放電電力を変動させれば、補機の消費電力を変えることなく燃料電池の発電電力を変動させることができる。

【0069】

また、本実施形態では、現在の発電特性を正確に求めるために、「ΔＶ＝ａＩ0＋ｂ」の一次式を使い、２通りのΔＶとＩ０を代入することで、ａ及びｂを解いた。しかしながら、ｂに予め所定値を与えておくことで、それぞれ１つのΔＶとＩ０を与えてやることで、ａを求めることが出来る。切片の精度は多少悪化する懸念はあるが、このようにしてもＩＶ特性を推定できる。この場合、燃料電池に与える電圧変動が１度だけでＩＶ特性を推定できるというメリットがある。

【0070】

（第２実施形態）
図９は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第２実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。

【0071】

なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

【0072】

第１実施形態においては、基準電圧設定ルーチン(ステップＳ４)では、走行を許可できる水温Ｔを決め打ちして、基準発電特性を求めるようにした。このようにしても相応の効果は得られる。これに対して本実施形態では、起動初期の水温に応じて基準発電特性を求める。そしてこの基準発電特性に発電電流Ｉ0を適用して、基準電圧Ｖbaseを設定する。

【0073】

このようにすれば、より正確に燃料電池の発電特性を推定することができる。なお特許文献１では、温度を正確に検出しておく必要があるが、本実施形態では、おおよその温度が検出できればよい。そのようであっても、第１実施形態に比較して、より正確な燃料電池の発電特性を推定することができるのである。

【0074】

（第３実施形態）
図１０は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第３実施形態の基準電圧設定ルーチンについて説明する図である。

【0075】

本実施形態では、起動初期の内部抵抗（電解質膜抵抗）に応じて基準発電特性を求める。すなわち起動初期の内部抵抗に応じて、走行を許可できる水温Ｔを求める。そしてこの水温Ｔに基づいて基準発電特性を設定する。このようにすれば、燃料電池の正確な温度が検出できなくても、燃料電池の発電特性を推定することができるのである。なお燃料電池の内部抵抗（電解質膜抵抗）は、たとえば発電電流Ｉ0を例えば１ｋＨｚの正弦波で変動させて電圧の変動を見る。そして１ｋＨｚの交流電圧振幅を交流電流振幅で除算することで得ることができる。

【0076】

また燃料電池の内部抵抗（電解質膜抵抗）は、図１１に示されるように、湿潤状態であるよりも乾燥状態であるほうが、大きい。特に燃料電池の温度が低温のときに顕著である。そこで燃料電池の運転を停止するときに、カソードコンプレッサー２１を延長運転するなどして、電解質膜を乾燥させるとよい。そのようにしておけば、起動初期の内部抵抗が大きくなるので、内部抵抗により燃料電池の初期水温を一層正確に把握でき、この結果、燃料電池の発電特性をさらに精度良く推定することができるようになる。

【0077】

（第４実施形態）
図１２は、本発明による燃料電池の発電特性推定装置の第４実施形態の燃料電池の発電特性を推定について説明する図である。

【0078】

上述の実施形態では、発電電流Ｉ0における電圧差ΔＶのデータを多く取得し、これらのデータを逐次最小二乗法で処理することで、発電電流Ｉ0と電圧差ΔＶとの間に一次関数で示される相関、すなわち「ΔＶ＝ａＩ0＋ｂ」の相関を得た。これに対して、発明者は、「ａ」が燃料電池の内部抵抗（電解質膜抵抗）Ｒ_sである点に着目した。すなわち上式(1)から判るように、電流項の係数はＲ_sである。そこで燃料電池の内部抵抗（電解質膜抵抗）を求め、それを電流項の係数にする。また電圧差ΔＶは、上述のようにして求められている。そして、これらから残りのｂについても求めることができるので、「ΔＶ＝ａＩ0＋ｂ」の相関が得られる。

【0079】

第１実施形態では、発電電流Ｉ0を１Ｈｚの正弦波で変動させて、発電電流Ｉ0における電圧差ΔＶのデータを多く取得したが、本実施形態では、発電電流Ｉ0を１ｋＨｚの正弦波で変動させることで、電流項の係数を求めた。このようにすれば、第１実施形態に比較して、補機に与える影響を小さく抑えることができるのである。

【0080】

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

【0081】

たとえば、上記説明においては、燃料電池に供給するガスの圧力として特にカソード圧を高圧化する方法で説明したが、アノード圧を高圧化してもよい。

【0082】

また上記説明においては、発電電流と電圧差との間に一次関数で示される相関を得た。しかしながらこれに限られず、電流と電圧とを逆にして、発電電圧と電流差との間に一次関数で示される相関を得てもよい。

【0083】

さらに上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

【0084】

本願は、２０１１年８月２３日に日本国特許庁に出願された特願２０１１−１８１５４０に基づく優先権を主張し、これらの出願の全ての内容は参照によって本明細書に組み込まれる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】