JP2001266918A - 燃料電池の制御装置 - Google Patents

燃料電池の制御装置

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JP2001266918A JP2000085292A JP2000085292A JP2001266918A JP 2001266918 A JP2001266918 A JP 2001266918A JP 2000085292 A JP2000085292 A JP 2000085292A JP 2000085292 A JP2000085292 A JP 2000085292A JP 2001266918 A JP2001266918 A JP 2001266918A
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健一郎 上田
Giichi Murakami
義一 村上
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷変動に対する応答性及び発電効率を向上
させる。 【解決手段】 燃料電池の制御装置10を、燃料電池1
1と、燃料供給部12と、蒸気発生部13と、燃焼部1
4と、改質部15と、CO低減部16と、酸化剤供給部
17と、制御部18と、燃料蒸気温度検出器21と、燃
焼部温度検出器22と、発電電流検出器23と、出力制
御部24とを備えて構成した。制御部18には、蒸気発
生部13にて生成される燃料蒸気の温度T1を検出する
燃料蒸気温度検出器21からの信号と、燃料電池11か
ら排出された排出燃料を燃焼させる燃焼部14の温度T
2を検出する燃焼部温度検出器22からの信号と、燃料
電池11にて発生した発電電流Iを検出する発電電流検
出器23からの信号とを入力した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば改質器を備
えた燃料電池に対する燃料供給及び燃料電池からの出力
を制御する燃料電池の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、固体高分子膜型燃料電池は、固体
高分子電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟み
込んで形成されたセルに対し、複数のセルを積層して構
成されたスタック(以下において燃料電池と呼ぶ)を備
えており、アノードに燃料として水素が供給され、カソ
ードに酸化剤として空気が供給されて、アノードで触媒
反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜
を通過してカソードまで移動して、カソードで酸素と電
気化学反応を起こして発電するようになっている。ここ
で、例えばメタノール等のアルコール系化合物やガソリ
ン等の炭化水素系化合物等を原燃料として、これらの原
燃料を改質して水素リッチな改質燃料を生成する改質器
を備えた燃料電池装置として、例えば特開昭62−29
868号公報に開示された燃料電池装置が知られてい
る。このような改質器を備えた燃料電池装置では、燃料
電池から排出された排出燃料は燃焼部に送られて燃焼さ
せられ、この燃焼部で発生した熱量を利用して、蒸気発
生部で原燃料が蒸発させられて燃料蒸気が生成され、こ
の燃料蒸気が改質器に供給されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術の一例による燃料電池装置では、例えば負荷上昇時等
において、燃料電池装置に要求される発電電流が増大し
た場合であっても、直ちに要求された発電電流を得るこ
とはできず、例えば蒸気発生部に供給される原燃料が増
量されてから、要求された発電電流に相当する出力が得
られるまでに適宜の時間遅れが存在する。従って、この
時間遅れを適切に把握していないと、負荷に対する応答
を適切に制御することができなくなるという問題が生じ
る。また、例えば要求される発電電流が大きな値の場合
に、蒸気発生部が保持している熱量に応じた蒸発可能な
原燃料の量を超えて過剰の原燃料が供給されると、蒸発
させられなかった原燃料が蒸気発生部に滞留してしま
い、安定した制御が困難になる恐れがある。本発明は上
記事情に鑑みてなされたもので、燃料供給及び発電指令
を適切に行うことで負荷変動に対する応答性を向上させ
ることが可能な燃料電池の制御装置を提供することを目
的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決して係る
目的を達成するために、請求項1に記載の本発明の燃料
電池の制御装置は、液体燃料を蒸発させて燃料蒸気を生
成する蒸気発生手段(例えば、後述する実施の形態にお
いては蒸気発生部13)と、前記燃料蒸気を改質して水
素リッチな改質燃料を生成する改質手段(例えば、後述
する実施の形態においては改質部15)を有する燃料電
池(例えば、後述する実施の形態においては燃料電池1
1)に、前記改質燃料を供給する燃料供給手段(例え
ば、後述する実施の形態においては燃料供給部12及び
改質部15が兼ねる)と、前記燃料電池から排出される
排出燃料を燃焼して、発生した熱量を前記蒸気発生手段
に供給する燃焼手段(例えば、後述する実施の形態にお
いては燃焼部14)と、前記燃料蒸気の温度(例えば、
後述する実施の形態においては温度T1)を検出する燃
料蒸気温度検出手段(例えば、後述する実施の形態にお
いては燃料蒸気温度検出器21)と、前記燃焼手段の温
度(例えば、後述する実施の形態においては温度T2及
びバーナー温度)を検出する温度検出手段(例えば、後
述する実施の形態においては燃焼部温度検出器22)
と、前記燃料電池の発電電流(例えば、後述する実施の
形態においては発電電流I)を検出する電流検出手段
(例えば、後述する実施の形態においては発電電流検出
器23)と、前記燃料蒸気の温度及び前記燃焼手段の温
度及び前記発電電流に基づいて(例えば、後述する実施
の形態においては、検出された燃料蒸気温度及び発電電
流に基づいて、マップMAP1をマップ検索して、蒸発
器熱量つまり蒸気発生部14自体の熱量を求めると共
に、検出された発電電流に基づいてテーブルTABLE
0をテーブル検索して、オフガス流量つまり燃料電池1
1から排出される排出燃料の流量を求め、検出されたバ
ーナー温度及びテーブル検索されたオフガス流量に基づ
いて、マップMAP2をマップ検索して、蒸発器流入熱
量つまり蒸気発生部13に流入する熱量を求める。)、
前記燃料の蒸発に利用される前記蒸気発生手段の保持熱
量(例えば、後述する実施の形態においては、蒸発器熱
量及び蒸発器流入熱量に基づく蒸発器保持熱量)を算出
し、この保持熱量に基づいて、前記燃料供給手段に対す
る燃料供給指令値(例えば、後述する実施の形態におい
ては燃料噴射指令値)、及び/又は、前記燃料電池に対
する発電電流指令値(例えば、後述する実施の形態にお
いては発電電流指令値)を制御する制御手段(例えば、
後述する実施の形態においては制御部18)とを備えた
ことを特徴としている。
【0005】上記構成の燃料電池の制御装置によれば、
燃料蒸気温度及び発電電流に基づいて蒸発器熱量を求め
ると共に、検出された発電電流に基づいてオフガス流量
を求め、このオフガス流量及び検出されたバーナー温度
に基づいて蒸発器流入熱量を求める。そして、蒸発器熱
量及び蒸発器流入熱量に基づく蒸発器保持熱量、つまり
燃料の蒸発に利用される蒸気発生手段の保持熱量を予測
して、この保持燃料に基づいて、例えば過渡応答時の蒸
気発生手段に供給する燃料の加速レート、つまり要求さ
れた発電電流に応じて設定された燃料供給量に到達する
までの時間変化率や、発電電流を出力するための指令値
に対するむだ時間及び時定数等を算出することによっ
て、例えば負荷上昇時における蒸気発生手段での熱量の
過不足を改善することができ、燃料電池の出力応答性を
向上させることができる。さらに、蒸気発生手段の保持
熱量を予測しているため、過剰な熱量を蒸気発生手段に
供給する必要が無く、燃料電池の発電効率を向上させる
ことができる。
【0006】さらに、請求項2に記載の本発明の燃料電
池の制御装置では、前記制御手段は、燃料供給指令値、
及び/又は、発電電流指令値に対する制御定数を設定
し、前記制御定数は、遅れ時間及び時定数及び加速レー
トのうちの少なくとも1つからなることを特徴としてい
る。
【0007】上記構成の燃料電池の制御装置によれば、
加速レートは、要求された発電電流値に応じた要求燃料
供給量に対して、実際に燃料電池に供給される燃料供給
量を設定する燃料供給指令値が、要求燃料供給量に到達
するまでの時間変化率と同値である。むだ時間は、燃料
電池から発電電流の出力を開始するまでの待ち時間とさ
れ、時定数は、発電電流の出力を増大させる際の増大率
の変化を調整するパラメータであり、例えば時定数とし
て一次遅れを設定した場合、この一次遅れは、発電電流
指令値の時間変化において、発電電流指令値の出力開始
時刻での一次微分、つまり出力開始時刻での発電電流指
令値の接線が、要求された発電電流値に到達する時刻
と、発電電流指令値の出力開始時刻との差分で定義され
る。すなわち、むだ時間が長いほど、燃料電池の出力開
始が遅れ、一次遅れの値が大きいほど、発電電流指令値
は緩やかに増加する。
【0008】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態に係る
燃料電池の制御装置ついて添付図面を参照しながら説明
する。図1は本発明の一実施形態に係る燃料電池の制御
装置10の構成図である。本実施の形態による燃料電池
の制御装置10は、燃料電池11と、例えばメタノール
と水の混合液等からなる液体燃料を供給する燃料供給部
12と、液体燃料を蒸発させて燃料蒸気を生成する蒸気
発生部13と、蒸気発生部13の暖気及び液体燃料の蒸
発に利用される燃焼ガスを生成する燃焼部14と、燃料
蒸気から水素リッチな改質燃料を生成する改質部15
と、改質燃料中の一酸化炭素を選択的に酸化して除去す
るCO低減部16と、燃料電池11へ例えば空気等の酸
化剤を供給する酸化剤供給部17と、制御部18と、燃
料蒸気温度検出器21と、燃焼部温度検出器22と、発
電電流検出器23と、出力制御部24とを備えて構成さ
れている。
【0009】燃料電池11は、例えば固体ポリマーイオ
ン交換膜等からなる固体高分子電解質膜をアノードとカ
ソードとで両側から挟み込んで形成されたセルに対し、
複数のセルを積層して構成されたスタックからなり、燃
料として例えば水素が供給される水素極と、酸化剤とし
て例えば酸素を含む空気が供給される空気極とを備えて
いる。そして、空気極及び燃料極には、供給された燃料
及び酸化剤のうち、未反応の燃料及び酸化剤を外部へ排
出するための排出口が設けられており、各排出口には燃
焼部14へ至る配管が設けられている。
【0010】燃料供給部12は、例えばメタノール等の
アルコール系化合物や、メタン、エタン、ガソリン等の
炭化水素系化合物等からなる燃料と水とを、所定の比率
で混合した混合液等の液体燃料を蒸気発生部13へ供給
する。蒸気発生部13は、内部に液体燃料を供給するた
めの例えばノズル等を備えた蒸発器からなり、このノズ
ルから噴霧された液体燃料は燃焼部14から供給された
燃焼ガスの熱量により蒸発させられる。
【0011】燃焼部14は、例えば、燃料電池11の燃
料極から排出された未反応水素を含む排出燃料と、空気
極から排出された未反応酸素を含む排出酸化剤とを導入
するためのノズルと、排出燃料及び排出酸化剤の燃焼状
態を持続するための燃焼用触媒と、着火源である例えば
電気ヒータとを備えている。そして、排出燃料及び排出
酸化剤の燃焼により生成された燃焼ガスを蒸気発生部1
3へ供給する。
【0012】改質部15は、例えば改質触媒を備えてお
り、この改質触媒により燃料蒸気から水素の含有率が高
められた(水素リッチな)改質燃料が生成される。例え
ばメタノールと水の混合液からなる燃料蒸気の場合に
は、下記反応式(1)〜(3)によって、水素、水、一
酸化炭素を含む改質燃料が生成される。 CH3OH+H2O→3H2+CO2 … (1) CH3OH+2O2→2H2O+CO2 … (2) CH3OH→2H2+CO … (3) 反応式(1)は、メタノールと水による改質反応であ
り、燃料である水素が生成される。反応式(2)は、メ
タノールの酸化反応であり、吸熱反応である反応式
(1)で必要とされる熱量を補給する。なお、反応式
(3)は、不可避的に発生するメタノールの分解反応で
あり、一酸化炭素が生成される。この一酸化炭素は、燃
料電池11内に含まれる、例えばPt触媒等を被毒して
発電効率を低下させると共に、燃料電池11の寿命を短
くするため、CO低減部16にて除去する。
【0013】CO低減部16は、例えばPtやRu等か
らなる選択酸化触媒を備えており、下記反応式(4)に
よって、改質燃料に含まれている一酸化炭素を選択的に
酸化して除去する。 2CO2+O2→2CO2 … (4) そして、一酸化炭素の含有量が低減された改質燃料は、
燃料電池11の燃料極へ供給される。
【0014】酸化剤供給部17は、酸化剤としての酸素
を含む空気等を、燃料電池11の空気極へ供給する。そ
して、燃料電池11では、改質燃料中の水素(燃料)と
酸化剤(酸素)が電気化学反応を起こして発電が行われ
る。
【0015】制御部18は、例えば電気自動車等の車両
におけるアクセルペダルの操作等に基づいて発電を要求
する信号の発生から、実際に発電が行われるまでの遅れ
時間等を考慮して、液体燃料の供給量や、液体燃料を供
給するタイミング等を制御する。このため、制御部18
には、蒸気発生部13にて生成される燃料蒸気の温度T
1を検出する燃料蒸気温度検出器21からの信号と、燃
料電池11から排出された排出燃料を燃焼させる燃焼部
14の温度T2を検出する燃焼部温度検出器22からの
信号と、燃料電池11にて発生した発電電流Iを検出す
る発電電流検出器23からの信号とが入力されている。
そして、燃料噴射指令値が燃料供給部12へ出力され、
発電電流指令値が、例えばDC−DCコンバータやイン
バータ等からなる出力制御部24に出力されて、負荷に
対する出力制御に利用される。
【0016】本実施の形態による燃料電池の制御装置1
0は上記構成を備えており、次に、この燃料電池の制御
装置10の動作、特に、燃料供給部12に対する燃料供
給の指令値と、燃料電池11から出力される発電電流に
対する指令値とを算出する処理について説明する。図2
は燃料電池の制御装置10の動作を示すフローチャート
であり、図3(a)〜(g)は、燃料噴射の指令及び発
電電流指令値を算出する際に参照される各テーブル又は
マップを示すグラフ図であり、図4(a)は要求発電電
流値の時間変化を示すグラフ図であり、図4(b)は目
標発電電流の時間変化を示すグラフ図であり、図4
(c)は燃料噴射量の時間変化を示すグラフ図であり、
図4(d)は発電電流指令値の時間変化を示すグラフ図
である。
【0017】先ず、ステップS01において、例えばア
クセルペダルの操作量等に応じて、燃料電池11に要求
された要求発電電流値を算出する。一方、ステップS0
2において、蒸気発生部13から供給される燃料蒸気の
燃料蒸気温度を燃料蒸気温度検出器21により検出し、
ステップS03において、燃料電池11から出力される
発電電流を発電電流検出器23により検出し、ステップ
S04において、燃焼部14の温度(バーナー温度)を
燃焼部温度検出器22により検出する。
【0018】そして、ステップS05において、検出さ
れた燃料蒸気温度及び発電電流に基づいて、例えば図3
(a)に示す発電電流に応じて変化する燃料蒸気温度の
マップMAP1をマップ検索して、蒸発器熱量つまり蒸
気発生部14自体の熱量を求める。なお、図3(a)に
示すマップMAP1では、燃料蒸気温度の上昇に伴い蒸
発器熱量が増加するように設定され、さらに、発電電流
が大きくなることに伴って、燃料蒸気温度に対する蒸発
器熱量の増加率が上昇するように設定されている。
【0019】一方、ステップS06において、検出され
た発電電流に基づいて、例えば図3(c)に示すよう
に、発電電流の増大に伴って増加するオフガス流量(燃
料電池11から排出される排出燃料の流量)のテーブル
TABLE0をテーブル検索して、オフガス流量を求め
る。そして、ステップS07において、検出されたバー
ナー温度及びテーブル検索されたオフガス流量に基づい
て、例えば図3(b)に示すバーナー温度に応じて変化
する蒸発器流入熱量のマップMAP2をマップ検索し
て、蒸発器流入熱量つまり蒸気発生部13に流入する熱
量を求める。なお、図3(c)に示すマップMAP2で
は、バーナー温度の上昇に伴い蒸発器流入熱量が増加す
るように設定され、さらに、オフガス流量が大きくなる
ことに伴って、バーナー温度に対する蒸発器流入熱量の
増加率が上昇するように設定されている。
【0020】そして、ステップS08において、マップ
検索された蒸発器熱量及び蒸発器流入熱量に基づいて、
蒸気発生部13が液体燃料を蒸発させるために保持して
いる熱量、つまり蒸発器保持熱量を算出する。次に、ス
テップS09において、算出した蒸発器保持熱量に基づ
いて、例えば図3(d)に示す蒸発器保持熱量に応じて
変化する加速レートのテーブルTABLE1をテーブル
検索して、後述する加速レートを求める。また、ステッ
プS10において、算出した蒸発器保持熱量に基づい
て、例えば図3(e)に示す蒸発器保持熱量に応じて変
化するむだ時間のテーブルTABLE2をテーブル検索
して、後述するむだ時間を求める。さらに、ステップS
11において、算出した蒸発器保持熱量に基づいて、例
えば図3(f)に示す蒸発器保持熱量に応じて変化する
時定数のテーブルTABLE3をテーブル検索して、後
述する時定数を求める。
【0021】そして、ステップS12において、テーブ
ル検索した加速レートに基づいて、加減速レートフィル
ターにより、例えば図4(a)に示す要求発電電流値か
ら図4(b)に示す目標発電電流値を算出する。例え
ば、図4(a)に示すように、適宜の時刻t0において
要求発電電流値として電流値I0が設定された場合に、
目標発電電流値は時刻t0から所定の時間変化率つまり
加速レートで増加して電流値I0に至る。このため、図
3(d)に示すように、蒸発器保持熱量が小さい場合に
は、液体燃料を蒸発させるための熱量が十分ではないこ
とから、加速レートは小さな値に設定され、逆に、蒸発
器保持熱量が大きい場合には、液体燃料を蒸発させるた
めの熱量が十分に保持されていることから、加速レート
が大きな値に設定されている。なお、図4(b)には、
大きさの異なる複数、例えば3つの加速レートac1,
ac2,ac3(ただし、ac1>ac2>ac3)の
それぞれに対する目標発電電流値の時間変化(図4
(b)に示す実線ac1、点線ac2、破線ac3)を
示した。
【0022】次に、ステップS13において、算出され
た目標発電電流値に基づいて、例えば図3(g)に示す
目標発電電流に比例して増加する燃料噴射量のテーブル
TABLE4をテーブル検索して、図4(c)に示す燃
料噴射量を求める。そして、ステップS14において、
テーブル検索した燃料噴射量を燃料噴射指令値として、
例えば燃料供給部12へ出力する。なお、図4(c)に
は、大きさの異なる3つの加速レートac1,ac2,
ac3(ただし、ac1>ac2>ac3)のそれぞれ
に対応した燃料噴射量の時間変化(図4(c)に示す実
線ac1、点線ac2、破線ac3)を示した。
【0023】また、ステップS15において、テーブル
検索されたむだ時間及び時定数に基づいて、例えば図4
(b)に示す目標発電電流値から図4(d)に示す発電
電流指令値を算出する。ここで、むだ時間は、時刻t0
での要求発電電流値の変化に伴って発電電流指令値が変
化を開始するまでの時間差であり、時定数は、発電電流
指令値が変化を開始してから電流値I0に到達するまで
の時間に関するパラメータである。例えば図4(d)に
示す実線τ1、点線τ2、破線τ3は、加速レートac
1の目標発電電流値(図4(b)に示す実線ac1)に
対して、むだ時間が(t1−t0)とされ、さらに、時
定数(特に、1次遅れ)が、順次、τ1,τ2,τ3
(ただし、τ1<τ2<τ3)とされた場合の発電電流
指令値の変化を示している。また、例えば図4(d)に
示す一点破線T2は、むだ時間が(t2−t0)とさ
れ、時定数(特に、1次遅れ)がτ1とされた場合の発
電電流指令値の変化を示している。
【0024】このため、図3(e),(f)に示すよう
に、蒸発器保持熱量が小さい場合には、液体燃料を蒸発
させるための熱量が十分ではないことから、むだ時間及
び時定数は大きな値に設定され、逆に、蒸発器保持熱量
が大きい場合には、液体燃料を蒸発させるための熱量が
十分に保持されていることから、むだ時間及び時定数は
小さな値に設定されている。そして、ステップS16に
おいて、むだ時間及び1次遅れを考慮して算出された発
電電流指令値が、例えばDC−DCコンバータやインバ
ータ等からなる出力制御部24に出力されて、燃料電池
11から出力される発電電流の制御に利用される。
【0025】上述したように、本実施の形態による燃料
電池の制御装置10によれば、蒸気発生部13が保持す
る熱量を予測することで、燃料噴射指令値に対する加速
レートと、発電電流指令値に対するむだ時間及び時定数
とを精度良く算出することができ、例えば負荷上昇時等
における蒸気発生部13での熱量の過不足を改善して、
蒸気発生部13に液体燃料が滞留する等を防止して、燃
料電池11の出力応答性及び発電効率を向上させること
ができる。
【0026】なお、本実施の形態においては、燃料噴射
指令値に対する加速レートと、発電電流指令値に対する
むだ時間及び時定数とを設定したが、これに限定され
ず、加速レート及びむだ時間及び時定数のうちの何れか
を省略しても良いし、加速レート及びむだ時間及び時定
数から適宜に選択された1つ以上の制御定数を設定して
も良い。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1に記載の
本発明の燃料電池の制御装置によれば、予測した蒸気発
生手段の保持熱量に応じて、燃料供給指令値及び発電電
流指令値に対する時間特性を精度良く算出することがで
き、燃料電池の出力応答性及び発電効率を向上させるこ
とができる。さらに、請求項2に記載の本発明の燃料電
池の制御装置によれば、遅れ時間、時定数、加速レート
を設定することで、燃料電池の出力応答性及び発電効率
を、より一層、向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明の一実施形態に係る燃料電池の
制御装置の構成図である。
【図2】 図1に示す燃料電池の制御装置の動作を示す
フローチャートである。
【図3】 (a)〜(g)は、燃料噴射の指令値及び発
電電流指令値を算出する際に参照される各テーブル又は
マップを示すグラフ図である。
【図4】 (a)は要求発電電流値の時間変化を示すグ
ラフ図であり、(b)は目標発電電流の時間変化を示す
グラフ図であり、(c)は燃料噴射量の時間変化を示す
グラフ図であり、(d)は発電電流指令値の時間変化を
示すグラフ図である。
【符号の説明】 10 燃料電池の制御装置 11 燃料電池 12 燃料供給部(燃料供給手段) 13 蒸気発生部(蒸気発生手段) 14 燃焼部(燃焼手段) 15 改質部(改質手段、燃料供給手段) 18 制御部(制御手段) 21 燃料蒸気温度検出器(燃料蒸気温度検出手段) 22 燃焼部温度検出器(温度検出手段) 23 発電電流検出器(電流検出手段)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 液体燃料を蒸発させて燃料蒸気を生成す
    る蒸気発生手段と、前記燃料蒸気を改質して水素リッチ
    な改質燃料を生成する改質手段を有する燃料電池に、前
    記改質燃料を供給する燃料供給手段と、 前記燃料電池から排出される排出燃料を燃焼して、発生
    した熱量を前記蒸気発生手段に供給する燃焼手段と、 前記燃料蒸気の温度を検出する燃料蒸気温度検出手段
    と、前記燃焼手段の温度を検出する温度検出手段と、前
    記燃料電池の発電電流を検出する電流検出手段と、 前記燃料蒸気の温度及び前記燃焼手段の温度及び前記発
    電電流に基づいて、前記燃料の蒸発に利用される前記蒸
    気発生手段の保持熱量を算出し、この保持熱量に基づい
    て、前記燃料供給手段に対する燃料供給指令値、及び/
    又は、前記燃料電池に対する発電電流指令値を制御する
    制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池の制御装
    置。
  2. 【請求項2】 前記制御手段は、燃料供給指令値、及び
    /又は、発電電流指令値に対する制御定数を設定し、 前記制御定数は、遅れ時間及び時定数及び加速レートの
    うちの少なくとも1つからなることを特徴とする請求項
    1に記載の燃料電池の制御装置。
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