JP2004178858A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】制御サスペンションを考慮して適正に燃料電池の発電パワーを制御する。
【解決手段】制御部６００は圧力センサ５１４の検出結果からシリンダ５１０内の圧力を取得し、ストロークセンサ５１６の検出結果からシリンダ５１０に対するピストン５１２の相対的な速度を取得する。取得したシリンダ５１０内の圧力とピストン５１２の速度の積を算出して、制御サスペンション５００の負荷パワーの値を取得する。取得した制御サスペンション５００の負荷パワーに対して、ＦＣ２００により過不足なく発電パワーを供給するために、その取得した負荷パワーをＦＣ２００に対する発電パワー要求値に設定する。制御部６００は、その設定した発電パワー要求値に基づいて、ＦＣ２００から出力されるべきＦＣ電流の要求値を導き出し、その要求値に基づいて、ＦＣ２００において必要な水素の量を導き出す。その導出した必要水素量に基づいて、改質器１００において必要となるメタンの量および水の量を導き出す。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、制御サスペンションを搭載した車両に用いられる燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境保護，省エネルギに優れた燃料電池システムは、次世代の車両用エネルギ源として、大変期待されており、乗用車用や路線パス用のシステムが活発に開発されている。
【０００３】
一般的に、車両用の燃料電池システムにおいては、制御部が、車両全体で必要な負荷パワー（例えば、走行負荷，補機負荷など）の値を求めて、そのパワーを供給するために必要な燃料電池での発電パワー（すなわち、電力）を決定する。そして、制御部では、その決定した発電パワーに応じて、燃料電池に対する入力量（すなわち、水素量，酸素量）を決定し、さらに、燃料電池システムが改質器搭載タイプのシステムである場合には、その水素量を得るために必要な改質燃料量（例えば、その改質が天然ガス〔ＣＮＧ〕改質である場合は、メタンガス量）を順次決定する。
【０００４】
このように、燃料電池システム（改質器搭載タイプ）における基本入力と基本出力は、改質燃料量と発電パワー（電力）であり、燃料電池システムでは、負荷パワーに対して、発電パワーを過不足なく供給することが望ましい。
【０００５】
なお、従来において、この種の燃料電池システムとして関連するものには、例えば、下記の特許文献１，２に記載のものなどが挙げられる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３１５２１号公報
【特許文献２】
特開平３−２７６５７３号公報
【０００７】
一方、また近年では、油圧や空気圧を用いた制御サスペンションも開発されている。このような制御サスペンションは、コンベンショナルサスペンションに比較して、路面の凹凸やドライバの運転操作に対する乗り心地や車体姿勢を画期的に向上させることが可能であるが、油圧や空気圧を調整するために、油圧源や空気圧源であるポンプを駆動するためのモータが必要となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、制御サスペンションを搭載した車両においては、制御サスペンションのモータが新たな補機負荷となるため、そのような車両用の燃料電池システムとしては、制御サスペンションを考慮して、如何に燃料電池の発電パワーを制御するかが問題となる。
【０００９】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、制御サスペンションを考慮して適正に燃料電池の発電パワーを制御することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の燃料電池システムは、車両に用いられる燃料電池システムであって、
水素リッチなガスの供給を受けて、電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池からの発電パワーを受けて、モータによってシリンダに流体を供給させると共に、前記シリンダ内で前記流体の圧力によってピストンを往復動させることにより、車体の安定化を図る制御サスペンションと、
該制御サスペンションでの負荷パワーの値を取得し、該負荷パワーの値に基づいて、前記燃料電池に供給される前記ガスの量を制御する制御部と、
を備えることを要旨とする。
【００１１】
このように、本発明の燃料電池システムでは、制御サスペンションでの負荷パワーの値を取得し、その負荷パワーの値に基づいて、燃料電池に供給される水素リッチなガスの量を制御するようにしている。なお、本発明において、水素リッチなガスには、当然に、純水素も含まれる。
【００１２】
従って、本発明の燃料電池システムによれば、制御サスペンションを考慮して適正に燃料電池の発電パワーを制御することができ、制御サスペンションの負荷パワーに対して、燃料電池により発電パワーを可能な限り不足なく供給することができる。
【００１３】
本発明の燃料電池システムにおいて、改質燃料の供給を受けて、改質反応により前記ガスを生成して、前記燃料電池に供給する改質器をさらに備え、
前記制御部は、前記負荷パワーの値に基づいて、前記改質器に供給される前記改質燃料の量を制御することにより、前記燃料電池に供給される前記ガスの量を制御するようにしてもよい。
【００１４】
このように改質器を備える場合でも、上記制御によって、改質器での応答遅れを防ぐことが可能となる。
【００１５】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記制御サスペンションにおける前記シリンダ内の圧力と該シリンダに対する前記ピストンの相対的な速度とから、前記負荷パワーの値を取得することが好ましい。
【００１６】
シリンダ内の圧力とピストンの速度から制御サスペンションでの仕事量を算出できるので、その仕事量として負荷パワーの値を容易に取得することができる。
【００１７】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記車両の乗員の数に基づいて前記車両の総重量を算出し、該総重量から前記シリンダ内の圧力を取得するようにしてもよい。
【００１８】
こうすることにより、乗員の数に応じて変換するシリンダ内の圧力を容易に取得することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記車両の旋回時に、前記車両のステアリング角と車速から、前記シリンダ内の圧力の増分を導き出し、該増分を加味した前記シリンダ内の圧力を取得するようにしてもよい。なお、本発明において、増分には、負の値の増分、すなわち、減分も含まれる。
【００２０】
こうすることにより、車両の旋回時における増分も考慮して、シリンダ内の圧力を取得することができる。
【００２１】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、ロードマップ情報と前記車両の現在位置の情報に基づいて、前記ステアリング角を取得するようにしてもよい。
【００２２】
こうすることにより、道路のコーナ部が接近してきた場合に、車両がそのコーナ部に差し掛かるときのステアリング角を、予測値として取得することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記車両に対する、走行中の路面変位から、前記ピストンの速度を取得するようにしてもよい。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記制御部は、前記車両に対する、該車両の前方を走行する他の車両の車体変位から、前記ピストンの速度を取得するようにしもよい。
【００２５】
前方を走行する車両の車体変位の変化から、これから走行する路面の状態を把握して、所定時間後のピストンの速度を予測値として取得することができる。従って、制御サスペンションにおける負荷パワーを予測しながら、燃料電池の発電パワーを制御することができる。
【００２６】
なお、本発明は、上記した燃料電池システムなどの装置発明の態様に限ることなく、燃料電池制御方法などの方法発明としての態様で実現することも可能である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．実施例の構成：
Ｂ．各構成要素の機能および動作：
Ｃ．制御部による制御内容：
Ｄ．変形例：
Ｄ−１．シリンダ圧力取得のための変形例：
Ｄ−１−１．変形例１：
Ｄ−１−２．変形例２：
Ｄ−１−３．変形例３：
Ｄ−２．ピストン速度取得のための変形例：
Ｄ−２−１．変形例４：
Ｄ−２−２．変形例５：
Ｄ−２−３．変形例６：
Ｄ−２−４．変形例７：
Ｄ−３．その他の変形例：
【００２８】
Ａ．実施例の構成：
図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図１に示す燃料電池システムは、車両用の燃料電池システムであって、改質器搭載タイプである。車両は、制御サスペンションを搭載しており、図１に示す燃料電池システムには、その制御サスペンションが組み込まれる。
【００２９】
従って、この燃料電池システムは、改質燃料としてメタンを主成分とする天然ガスを用い、その天然ガスから水素リッチな改質ガスを生成し、この生成した改質ガスを利用して発電を行い、補機負荷である、制御サスペンションのモータに電力を供給する。
【００３０】
この燃料電池システムは、主として、改質燃料と水から水素リッチな改質ガスを生成する改質器１００と、改質ガスとエアの供給を受けて電気化学反応により起電力（パワー）を発生する燃料電池（以下、ＦＣと略す。）２００と、そのＦＣ２００に並列に接続され、電力を供給または回収する２次電池３００と、ＦＣ２００または２次電池３００からの直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４００と、路面の凹凸やドライバの運転操作に対して車体を安定化させるための制御サスペンション５００と、ＣＰＵなどで構成される制御部６００と、を備えている。
【００３１】
このうち、改質器１００は、改質燃料および水の供給を受けてこれらを気化・昇温させる蒸発部１０２と、メタンを主成分とする天然ガスなどの燃焼燃料を受けてそれを燃焼させることにより、蒸発部１０２で要する熱を発生する燃焼部１０４と、燃焼部１０４で発生した熱を蒸発部１０２に伝える熱交換器１０６と、蒸発部１０２で気化された改質燃料から水素リッチな改質ガスを改質反応により生成する改質部１０８と、改質部１０８で生成された改質ガス中の一酸化炭素（ＣＯ）濃度を酸化反応により低減するＣＯ酸化部１１０と、を備えている。
【００３２】
ＦＣ２００は、改質ガスが供給される水素極２０２と、エアが供給される酸素極２０４と、を備えている。
【００３３】
制御サスペンション５００は、インバータ４００から電力（パワー）の供給を受けて後述のポンプ５０４を駆動するモータ５０２と、後述のタンク５０６内のオイルを汲み上げて圧力をかけて供給する油圧源としてのポンプ５０４と、オイルを貯蔵するタンク５０６と、タンク５０６からポンプ５０４を介して後述の制御弁５０８にオイルを供給するための油流路５０５ａと、制御弁５０８と後述のシリンダ５１０との間でオイルの供給／回収を行うための油流路５０５ｂと、制御弁５０８からタンク５０６にオイルを回収するための油流路５０５ｃと、油流路５０５ａから油流路５０５ｂに流れるオイルの流量，油流路５０５ｂから油流路５０５ｃに流れるオイルの流量を調整して、シリンダ５１０における作動油圧を制御する制御弁５０８と、車体姿勢の調整や路面の凹凸による衝撃の吸収を行うシリンダ５１０およびピストン５１２と、シリンダ５１０内の圧力を検出する圧力センサ５１４と、ピストン５１２の変位を検出するストロークセンサ５１６と、サスペンションアーム５１８と、を備えている。
【００３４】
サスペンションアーム５１８は、一端がピボット５１８ａによって回動自在に車体７００に取り付けられており、他端がピボット５１８ｂによって回動自在に車輪８００に接続されている。また、シリンダ５１０の上端はピボット５１０ａによって回動自在に車体７００に取り付けられており、ピストン５１２の下端はピボット５１２ａによって回動自在にサスペンションアーム５１８の中央部に取り付けられている。また、圧力センサ５１４は、シリンダ５１０の内部に取り付けられており、ストロークセンサ５１６は、ピストン５１２の近傍に取り付けられている。
【００３５】
なお、車両は、通常、車輪８００を４つ有しているため、実際には、制御サスペンション５００は、それら車輪８００毎にそれぞれ設けられている。
【００３６】
その他、蒸発部１０２には、改質燃料を供給するための改質燃料流路５２と、水を供給するための水流路５４が接続されている。改質燃料流路５２には、流量制御弁５８と、流量センサ６０が設けられており、水流路５４には、流量制御弁６２と、流量センサ６４が設けられている。また、燃焼部１０４には、燃焼燃料を供給するための燃焼燃料流路５６が接続されており、その燃焼燃料流路５６には、流量制御弁６６が設けられている。
【００３７】
また、燃焼部１０４，改質部１０８，ＣＯ酸化部１１０およびＦＣ２００には、酸化ガスであるエアを圧縮して供給するブロア６８，７０，７２および７４がそれぞれ接続されている。
【００３８】
Ｂ．各構成要素の機能および動作：
流量制御弁５８および流量制御弁６２は、それぞれ、図示せざる制御線によって制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、蒸発部１０２に供給される改質燃料の量および水の量を調節する。また、流量センサ６０および流量センサ６４は、それぞれ、図示せざる検出線を介して制御部６００に接続されており、蒸発部１０２に実際に供給されている改質燃料の量および水の量を検出して、その検出結果を制御部６００に送信する。
【００３９】
蒸発部１０２は、水流路５４を介して供給される水を気化させて、改質燃料流路５２を介して供給される改質燃料である天然ガス（メタンなど）と混合し、天然ガスと水蒸気とから成る原燃料ガスを生成し、これを所定の温度に昇温して、改質部１０８に供給する。
【００４０】
また、蒸発部１０２には、天然ガスおよび水を気化・昇温させるための熱源として、内部に燃焼触媒を備えた燃焼部１０４が併設されている。この燃焼部１０４には、燃焼燃料流路５６を介して天然ガスなどの燃焼燃料が供給されると共に、ブロワ６８によって酸化ガスであるエアが供給される。流量制御弁６６は、図示せざる制御線によって制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、燃焼部１０４に供給される燃焼燃料の量を調節する。
【００４１】
燃焼部１０４では、燃焼燃料が供給されると、この燃料とエアとを用いて触媒上で燃焼反応が進行し、所望の熱を発生する。燃焼部１０４と蒸発部１０２との間には熱交換器１０６が設けられており、この熱交換器１０６によって燃焼部１０４で発生した熱が蒸発部１０２に伝えられる。
【００４２】
改質部１０８は、内部に改質触媒を備えており、供給された天然ガスと水蒸気とから成る原燃料ガスを水蒸気改質反応によって改質して、水素リッチな改質ガスを生成し、ＣＯ酸化部１１０に供給する。天然ガスの主成分はメタンであり、改質触媒としては、例えば、ニッケル触媒を用いることができる。水蒸気改質反応は、式（１）に従って起こる。
【００４３】
ＣＨ_４＋２Ｈ_２Ｏ → ４Ｈ_２＋ＣＯ_２ （１）
【００４４】
改質部１０８では、水蒸気改質反応によって水素リッチな改質ガスを生成しているが、改質部１０８には、さらに、ブロワ７０によって、酸化ガスであるエアが供給されており、天然ガス（メタン）の部分酸化反応によっても、水素の生成がなされている。この場合、水蒸気改質反応で要する熱を、部分酸化反応で生じる熱によって賄うことが可能となる。
【００４５】
ＣＯ酸化部１１０は、改質部１０８で生成された改質ガス中の一酸化炭素濃度を低減して、ＦＣ２００に供給する。改質部１０８で生成された改質ガスは、所定量の一酸化炭素を含有しており、ＦＣ２００にこのまま供給されると、改質ガス中の一酸化炭素によって触媒が被毒して、電気化学反応が阻害されるからである。ＣＯ酸化部１１０で進行する反応は、改質ガス中に豊富に含まれる水素に優先して、一酸化炭素を酸化する一酸化炭素選択酸化反応である。このため、ＣＯ酸化部１１０には、ブロア７２によって、酸化ガスであるエアが供給されていると共に、一酸化炭素の選択酸化触媒である白金触媒、ルテニウム触媒、パラジウム触媒、金触媒、あるいはこれらを第１元素とした合金触媒を担持した担体が充填されている。
【００４６】
ＦＣ２００は、改質器１００から水素リッチな改質ガスの供給を受けると共に、ブロア７４によって酸化ガスであるエアの供給を受けて、水素極２０２と酸素極２０４において、下記に示すような反応式に従って、電気化学反応を起こし、電力を発生させる。
【００４７】
即ち、水素極２０２に水素リッチな改質ガスが、酸素極２０４に酸化ガスであるエアがそれぞれ供給されると、水素極側では式（２）の反応が、酸素極側では式（３）の反応がそれぞれ起こり、ＦＣ全体としては、式（４）の反応が行なわれる。
【００４８】
Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ （２）
２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ （３）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ （４）
【００４９】
また、ＦＣ２００は、複数の単セルが積層されたスタック構造となっており、１つの単セルは、電解質膜（図示せず）と、それを両側から挟み込む拡散電極である水素極２０２及び酸素極２０４と、さらにそれらを両側から挟み込む２枚のセパレータ（図示せず）と、で構成されている。セパレータの両面には、凹凸が形成されており、挟み込んだ水素極２０２と酸素極２０４との間で、単セル内ガス流路を形成している。このうち、水素極２０２との間で形成される単セル内ガス流路には、前述したごとく供給された改質ガスが、酸素極２０４との間で形成される単セル内ガス流路には、酸化ガスが、それぞれ流れている。そして、上記電気化学反応に供された改質ガスおよび酸化ガスは、オフガスとして排出される。
【００５０】
２次電池３００は、ＦＣ２００による発電パワーに過不足が発生した場合に、放電または充電によって、過渡的にその過不足分を供給または回収する。
【００５１】
ＦＣ２００などで発生される電圧は直流電圧であるのに対し、制御サスペンション５００におけるモータ５０２で用いられる電圧は交流電圧である。そのため、ＦＣ２００などとモータ５０２との間には、インバータ４００が設けられており、これによって、ＦＣ２００などで発生された直流電圧を交流電圧に変換している。
【００５２】
モータ５０２は、ＦＣ２００などからインバータ４００を介して供給される電力（パワー）によって、ポンプ５０４を駆動する。ポンプ５０４は、タンク５０６内に貯蔵されたオイルを汲み上げ、所望の圧力（供給圧）を加えて、油流路５０５ａを介して制御弁５０８に供給する。このとき、モータ５０２は、ポンプ５０４からの供給圧がシリンダ５１０内の圧力よりも常に高圧となるよう、制御される。
【００５３】
制御弁５０８は、図示せざる制御線によって制御部６００に接続されており、制御部６００からの制御信号に基づいて、シリンダ５１０に対し、油圧制御によってオイルの出し入れを行うことにより、ピストン５１２の上下動を生じさせる。制御弁５０８は、電磁式制御弁であり、シリンダ５１０にオイルを供給するときは、ポンプ５０４側を開き、タンク５０６側を閉じて、ポンプ５０４によって加えられた圧力によって、オイルを油流路５０５ａから油流路５０５ｂを介してシリンダ５１０に供給する。また、シリンダ５１０からオイルを回収するときは、ポンプ５０４側を閉じ、タンク５０６側を開いて、シリンダ５１０内の圧力によって、オイルを油流路５０５ｂ，５０５ｃを介してタンク５０６に回収する。
【００５４】
シリンダ５１０およびピストン５１２は、車輪８００とサスペンションアーム５１８との間で、シリンダ５１０内でピストン５１２が上下動することによって、車体７００の姿勢を調整したり、路面の凹凸による衝撃を吸収したりする。具体的には、ピボット５１８ｂの部分では、路面から車輪８００に受ける力によってサスペンションアーム５１８に対し上下方向に力が加わり、これに対し、ピボット５１２ａの部分では、シリンダ５１０およびピストン５１２が、油圧によってサスペンションアーム５１８に対し上記力とは反対向きの力を加えて、車体７００を安定化させる。そして、路面の凹凸により車輪８００に衝撃が加わった場合は、シリンダ５１０内でピストン５１２を上下動させて、その衝撃を吸収して、乗員に乗り心地良さを与える。また、車両がカーブを曲がる際に、４つの車輪８００のうち、内輪側が浮き上がり、外輪側が沈んで、車体７００の水平姿勢が保たれない場合は、外輪側において、ピストン５１２を下げて車体７００を上げ、内輪側において、ピストン５１２を上げて車体７００を下げ、車体７００全体の水平姿勢を保つ。
【００５５】
圧力センサ５１４およびストロークセンサ５１６は、それぞれ、図示せざる検出線を介して制御部６００に接続されており、圧力センサ５１４はシリンダ５１０内の圧力を検出し、ストロークセンサ５１６はピストン５１２の変位を検出して、それら検出結果を制御部６００に送信する。
【００５６】
制御部６００は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行するＣＰＵ（図示せず）や、ＣＰＵで各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納されたＲＯＭ（図示せず）や、同じくＣＰＵで各種演算処理をするのに必要な各種データが一時的に読み書きされるＲＡＭ（図示せず）や、流量センサ６０，６４、圧力センサ５１４およびストロークセンサ５１６等の各種センサからの検出結果などを入力すると共に、ＣＰＵでの演算結果に応じて流量制御弁５８，６２，６６、ブロア６８〜７４および制御弁５０８などの制御対象に制御信号を出力する入出力ポートなどを備えている。制御部６００は、このように各種の信号を入出力することによって、ＦＣシステム全体の運転状態を制御する。具体的には、例えば、圧力センサ５１４およびストロークセンサ５１６などから得られた検出結果に基づいて、制御弁５０８などを制御することにより、シリンダ５１０における油圧を制御して、車体７００の姿勢の変化を抑えたり、路面からの振動入力を低減したりする。
【００５７】
以上のように、本実施例のＦＣシステムでは、ＦＣ２００によって得られる発電パワーを、補機負荷である制御サスペンション５００のモータ５０２に供給し、そのモータ５０２によってポンプ５０４を駆動して、ポンプ５０４からの供給圧が、シリンダ５１０内の圧力よりも常に高圧になるようにしている。
【００５８】
Ｃ．制御部による制御内容：
そこで、このような制御サスペンション５００の負荷パワーに対して、ＦＣ２００により発電パワーを可能な限り過不足なく供給するために、制御部６００は、次のよう制御を行っている。
【００５９】
図２は図１のＦＣシステムにおける制御部６００の制御手順を示すフローチャートである。図２に示す制御ルーチンは、制御部６００によって一定時間毎に繰り返される。
【００６０】
図２に示す制御ルーチンが開始されると、制御部６００は、圧力センサ５１４からの検出結果を入力して、シリンダ５１０内の圧力を取得する（ステップＳ１０２）。また、制御部６００は、ストロークセンサ５１６からの検出結果を入力して、シリンダ５１０に対するピストン５１２の変位を導き出し、その変位を時間について微分して、シリンダ５１０に対するピストン５１２の相対的な速度（以下、単に、ピストン５１２の速度という）を取得する（ステップＳ１０４）。なお、シリンダ５１０内の圧力，ピストン５１２の速度共に、各車輪についての制御サスペンション５００毎にそれぞれ取得する。そして、第ｉ車輪（但し、ｉ＝１，２，３，４）について取得したシリンダ５１０内の圧力をＰｉ［Ｐａ］とし、ピストン５１２の速度Ｖｉ［ｍ／ｓ］とする。
【００６１】
次に、制御部６００は、取得したシリンダ５１０内の圧力とピストン５１２の速度の積を算出して、制御サスペンション５００の負荷パワー（すなわち、モータ５０２に供給すべきパワー）の値を取得する（ステップＳ１０６）。すなわち、全ての制御サスペンション５００の負荷パワーの値をＰｅｓｔ［Ｊ／ｓ］とすると、その値は、式（５）によって求められる。
【００６２】
Ｐｅｓｔ＝Σ（Ｆｉ×Ｖｉ） （５）
ここで、Σはｉ＝１，２，３，４の合計を表す。
【００６３】
次に、制御部６００は、取得した制御サスペンション５００の負荷パワーに対して、ＦＣ２００により過不足なく発電パワーを供給するために、その取得した負荷パワー値ＰｅｓｔをＦＣ２００に対する発電パワー要求値Ｐｒｅｑ［Ｊ／ｓ］に設定する（ステップＳ１０８）。
【００６４】
続いて、制御部６００は、その設定した発電パワー要求値Ｐｒｅｑに基づいて、ＦＣ２００から出力されるべきＦＣ電流の要求値を導き出す（ステップＳ１１０）。すなわち、ＦＣ電流の要求値をＩｆｃ［Ａ］とすると、その値は、機械電気変換を考慮して、式（６）によって求められる。
【００６５】
Ｉｆｃ＝Ｋｍ２ｅ×Ｐｒｅｑ／Ｖｆｃ （６）
ここで、Ｋｍ２ｅは機械電気変換効率等を含む定数であり、Ｖｆｃ［Ｖ］はＦＣ２００から出力されるＦＣ電圧である。なお、このＦＣ電圧は、例えば、ＦＣ２００の出力に電圧センサを設けて、その電圧センサの検出値を用いてもよいし、近似的なノミナル定数を用いてもよい。
【００６６】
さらに、制御部６００は、その導出したＦＣ電流の要求値Ｉｆｃに基づいて、ＦＣ２００において、発電によりＦＣ電流としてその値Ｉｆｃを出力させる際に必要な水素の量を導き出す（ステップＳ１１２）。その必要水素量をＦｈ［ｍｏｌ／ｓ］とすると、その値は、前述の式（２）に基づいて、式（７）によって求められる。
【００６７】
Ｆｈ＝Ｉｆｃ×Ｋｆｃｈ／（２×Ｆ） （７）
ここで、Ｋｆｃｈは水素利用率の逆数であり、Ｆはファラデ定数を表す。なお、水素利用率は、ＦＣ２００に供給される水素量のうち、実際に発電に使用される水素量の割合である。
【００６８】
次に、制御部６００は、その導出した必要水素量Ｆｈに基づいて、改質器１００において、改質によりその量Ｆｈの水素を生成するのに必要となるメタンの量および水の量を導き出す（ステップＳ１１４）。その必要メタン量をＦｍ［ｍｏｌ／ｓ］、必要水量をＦｗ［ｍｏｌ／ｓ］とすると、それらの値は、前述の式（１）に基づいて、式（８），（９）によって求められる。
【００６９】
Ｆｍ＝Ｆｈ／４ （８）
Ｆｗ＝Ｆｈ／２ （９）
【００７０】
続いて、制御部６００は、その導出した必要メタン量Ｆｍに基づいて、改質器１００にその量Ｆｍのメタンを供給するために必要な改質燃料の供給量目標値を導き出す（ステップＳ１１６）。その供給量目標値をＦｒｋ［ｍｏｌ／ｓ］とすると、その値は、式（１０）によって求められる。
【００７１】
Ｆｒｋ＝Ｋｍ２ｋ×Ｆｍ （１０）
ここで、Ｋｍ２ｋは補正係数である。改質燃料として用いる天然ガスには、或る一定割合の窒素が混入しているため、その量をこの係数によって補正するのである。
【００７２】
次に、制御部６００は、流量センサ６０からの検出結果を入力して、改質器１００に供給されている改質燃料の量Ｆｋ［ｍｏｌ／ｓ］を取得する（ステップＳ１１８）。 続いて、制御部６００は、導出した改質燃料の供給量目標値Ｆｒｋと取得した現在の改質燃料の供給量Ｆｋとに基づいて、改質燃料を改質器１００に供給するための流量制御弁５８に対する指令値を導き出す（ステップＳ１２０）。その指令値（電圧）をＶｋｆｃ［Ｖ］とすると、その値は、フィードフォワード制御と、フィードバック制御であるＰＩ制御と、を組み合わせて、式（１１）の如く求められる。
【００７３】
Ｖｋｆｃ＝Ｖｋｆｃ０＋Ｋｐ×（Ｆｒｋ−Ｆｋ）＋Ｋｉ×（Ｆｒｋ−Ｆｋ）（１１）
ここで、Ｖｋｆｃ０は初期フィードフォワード値であり、Ｋｐ，Ｋｉはフィードバック制御器のパラメータである。なお、右辺において、１項目がフィードフォワード制御の項であり、２項目がフィードフォワード制御のＰ制御の項であり、３項目がフィードバック制御のＩ制御の項である。
【００７４】
改質器１００の特性として、反応量が多くなるほど（すなわち、改質燃料の供給量が多くなるほど）、蒸発部１０２の流入口部での圧力が高くなる傾向がある。改質燃料は圧縮性液体であるため、このような圧力変化は、流量制御弁５８に影響を与える。従って、流量制御弁５８をフィードフォワードで制御するだけでは、所望通りの供給量を精密に制御することが困難となる。そこで、本実施例では、このようなフィードフォワード制御の欠点を補って、供給量制御の精度を向上させるために、上記したようなフィードバック制御も併せて行うようにしている。
【００７５】
最後に、制御部６００は、導出した指令値Ｖｋｆｃを流量制御弁５８に与えて、流量制御弁５８を制御し、所望量（すなわち、供給量目標値Ｆｒｋに近い量）の改質燃料を改質器１００に供給させる（ステップＳ１２２）。この結果、改質器１００には、必要メタン量Ｆｍに近い量のメタンが供給されて、水素リッチな改質ガスの生成に用いられ、さらに、改質器１００からＦＣ２００には、改質ガスとして、必要水素量Ｆｈに近い量の水素が供給されることになる。従って、ＦＣ２００では、供給された水素を、所定の割合（すなわち、水素利用率）で電気化学反応に供して、発電パワー要求値Ｐｒｅｑに近い値の発電パワーを発電する。
【００７６】
以上説明したように、本実施例では、制御サスペンション５００における負荷パワーの値を取得し、その取得した負荷パワーの値をＦＣ２００に対する発電パワー要求値として設定して、ＦＣ２００において必要とされる水素量や、改質器１００において必要とされる改質燃料の量などを決定し、その決定した量に基づいて改質器１００に供給する改質燃料の量を制御し、延いては、ＦＣ２００に供給される水素の量を制御し、結果として、ＦＣ２００における発電パワーを制御している。従って、本実施例によれば、制御サスペンション５００を考慮して適正にＦＣ２００の発電パワーを制御することができ、制御サスペンション５００の負荷パワーに対して、ＦＣ２００により発電パワーを可能な限り過不足なく供給することができる。
【００７７】
また、本実施例では、制御サスペンション５００の負荷パワーに対するＦＣ２００の発電パワーの過不足を低減することができるので、過渡的にその過不足分を供給または回収するための２次電池３００の容量を小さくすることができ、その分、システム全体の低コスト化，小型化を図ることができる。
【００７８】
また、本実施例では、ＦＣ２００を、制御サスペンション５００の負荷パワーの変化に対応して、必要なときに必要な量のみ発電させているため、改質器１００やＦＣ２００だけでなく、制御サスペンション５００におけるモータ５０２やポンプ５０４などの耐久時間も延長させることができると共に、改質器１００に供給する改質燃料の量も必要最小限で済むため、燃費の向上につながり、また、改質器１００から余分な改質ガスも発生させないため、改質ガス中に存在する二酸化炭素の排出量も低減することができる。
【００７９】
また、本実施例では、ＦＣ２００に対する発電パワーの制御として、制御サスペンション５００の負荷パワー、言い換えれば、モータ５０２での消費電力の予測値を用いた見込み制御が主体となっているため、ハイゲインのフィードバック制御は必要としない。従って、ハンチングなどを発生させることなく、システムの安定性を向上させることができる。
を向上させることができる。
【００８０】
Ｄ．変形例：
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００８１】
Ｄ−１．シリンダ圧力取得のための変形例：
Ｄ−１−１．変形例１：
上記した実施例においては、シリンダ５１０内の圧力を、圧力センサ５１４の検出結果に基づいて取得していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のように、取得するようにしてもよい。
【００８２】
一般に、シリンダ５１０内の圧力は車両の重量と相関があり、その車両の重量は乗員の数に応じて変化する。そこで、この変形例では、車両に取り付けたシートベルトロックセンサや着座センサによって乗員の数を検出し、その検出結果に基づいてシリンダ５１０内の圧力を取得する。
【００８３】
具体的には、まず、制御部６００は、シートベルトロックセンサ（図示せず）や着座センサ（図示せず）からの検出結果を入力し、乗員の数Ｎ［人］を把握する。次に、制御部６００は、その乗員の数Ｎを用いて車両の総質量を算出する。車両の総質量は、車両質量と乗員質量との和によって求められるため、車両の総質量をＭ［ｋｇ］とすると、その値は、式（１２）によって求められる。
【００８４】
Ｍ＝Ｍｖ＋Ｍｈ×Ｎ （１２）
ここで、Ｍｖ［ｋｇ］は車両の質量であり、Ｍｈ［ｋｇ］は乗員１人当たりの標準質量である。
【００８５】
次に、制御部６００は、求めた車両総質量Ｍから各制御サスペンションの軸力、すなわち、シリンダ５１０全体に加わる力を算出する。第ｉ車輪（但し、ｉ＝１，２，３，４）についての制御サスペンション軸力をＦｉ［Ｎ］とすると、その値は、式（１３）によって求められる。
【００８６】
Ｆｉ＝（Ｍ×ｇ）×Ｋｉ （１３）ここで、ｇは重力加速度であり、従って、Ｍ×ｇが車両の総重量［ｋｇ重］となる。また、Ｋｉは、前後左右の４つの車輪に対する重量配分比（通常、車両の左右では、重量配分比は１：１、前後では３：２である。）やサスペンションアーム比（具体的には、ピボット５１２ａ，５１０ａ間の長さとピボット５１２ａ，５１２ｂ間の長さの比）などに基づいて導き出される係数である。なお、上述したシートベルトロックセンサや着座センサの検出結果から、車両内での乗員の配置が把握できるので、その配置に基づいて上記重量配分比を決定した上で、上記係数を導き出すようにしてもよい。
【００８７】
そして、制御部６００は、算出した制御サスペンション軸力Ｆｉに基づいて、各制御サスペンションにおけるシリンダ５１０内の圧力を取得する。すなわち、第ｉ車輪についてのシリンダ５１０内の圧力を前述したとおりＰｉ［Ｐａ］とすると、その値は、式（１４）によって求められる。
【００８８】
Ｐｉ＝Ｆｉ／Ａｐ （１４）
ここで、Ａｐ［ｍ^２］はピストン５１２の受圧面積である。
【００８９】
以上のように、この変形例では、シートベルトロックセンサや着座センサの検出結果を基に車両の重量を算出して、シリンダ５１０内の圧力を取得するようにしている。
【００９０】
Ｄ−１−２．変形例２：
上記した変形例１においては、単に、車両の重量からシリンダ５１０内の圧力を取得していたが、実際には、車両の動きによって、シリンダ５１０内の圧力は変化する。例えば、車両が直進しているときに比較して、車両が旋回しているときには、横加速度に基づくロールによって、シリンダ５１０内の圧力は増大する。そこで、この変形例では、車両の旋回時における増分も考慮して、シリンダ５１０内の圧力を取得する。
【００９１】
具体的には、まず、制御部６００は、角度センサ（図示せず）などから車両のステアリング角δ［ｄｅｇ］を検出すると共に、車速センサ（図示せず）などから車両の速度Ｖ［ｋｇ／ｓ］を検出する。次に、制御部６００は、予め、用意されたマップＭＡＰに基づいて、検出したステアリング角δおよび車速Ｖから、各制御サスペンションの軸力の増分値を算出する。第ｉ車輪（但し、ｉ＝１，２，３，４）についての制御サスペンション軸力の増分値をＦｉｃ［Ｎ］とすると、その値は、式（１５）によって求められる。
【００９２】
Ｆｉｃ＝ＭＡＰ（δ，Ｖ） （１５）
【００９３】
ここで、上記マップＭＡＰは、図３に示すように、車速Ｖをパラメータとして、ステアリング角δに対する制御サスペンション軸力の増分値Ｆｉｃを表すマップであり、図３（Ａ）に示すような旋回外輪（すなわち、旋回時に外側となる２つの車輪）についてのマップと、図３（Ｂ）に示すような旋回内輪（すなわち、旋回時に内側となる２つの車輪）についてのマップと、がそれぞれ用意されている。このようなマップＭＡＰは、車両における運動力学に基づいて決定される。
【００９４】
そして、制御部６００は、各制御サスペンション毎に、変形例１で取得したシリンダ５１０内の圧力値Ｆｉに、算出した増分値Ｆｉｃを加算し、式（１６）に示すように、旋回時の増分も加味したシリンダ５１０内の圧力Ｆｉ’［Ｎ］を取得する。
【００９５】
Ｆｉ’＝Ｆｉ＋Ｆｉｃ （１６）
【００９６】
以上のようにして、この変形例では、車両の旋回時における増分も考慮して、シリンダ５１０内の圧力を取得することができる。
【００９７】
Ｄ−１−３．変形例３：
上記した変形例２においては、車両のステアリング角δを角度センサにより検出していたが、車両に搭載されたＧＰＳ（全地球測位システム：Ｇｒｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）によるナビゲーションシステムを用いて、ステアリング角δを取得してもよい。すなわち、制御部６００は、ナビゲーションシステム（図示せず）から、ロードマップ情報と、ＧＰＳによって検出される車両の現在位置の情報と、を入力し、それらの情報に基づいて、車両に接近してくる道路のコーナ部の曲率を算出し、その算出した曲率と、車速センサから得られた車速Ｖと、を用いて、ステアリング角δを算出する。
【００９８】
このようにして、この変形例では、コーナ部が接近してきた場合に、車両がそのコーナ部に差し掛かるときのステアリング角δを、予測値として取得することができる。
【００９９】
Ｄ−２．ピストン速度取得のための変形例：
Ｄ−２−１．変形例４：
上記した実施例においては、ストロークセンサ５１６を用いて、ピストン５１２の変位を導き出していたが、ピボット５１２ａの部分に角度センサを設け、その角度センサからピストン５１２の振れ角を得て、その振れ角に基づいて、ピストン５１２の変位を導き出すようにしてもよい。
【０１００】
Ｄ−２−２．変形例５：
上記した実施例においては、ストロークセンサ５１６の検出結果から、ピストン５１２の変位を導き出し、その変位を時間について微分して、ピストン５１２の速度を取得していたが、ストロークセンサ５１６の代わりに、ピボット５１０ａの部分とピボット５１２ａの部分にそれぞれ加速度センサを設け、それら２つの加速度センサの検出値の差分として、シリンダ５１０に対するピストン５１２の相対的な加速度を求め、その加速度を時間について積分することにより、ピストン５１２の速度を取得するようにしてもよい。
【０１０１】
Ｄ−２−３．変形例６：
一般に、ピストン５１２の速度は車両が走行している路面の状態（悪路，良路）と相関があるので、この変形例では、車両に取り付けた非接触距離センサによって路面変位を検出し、その検出結果に基づいてピストン５１２の速度を取得する。
【０１０２】
具体的には、まず、制御部６００は、非接触距離センサ（図示せず）からの検出結果を入力し、路面変位を取得する。非接触距離センサは、例えば、車両のフロントバンパの下に取り付けられた超音波センサによって構成され、超音波により路面までの距離を測定し、その距離を路面変位Ｚｒ［ｍ］として出力する。
【０１０３】
次に、制御部６００は、この路面変位Ｚｒに基づいて、各制御サスペンションにおけるピストン５１２の速度を取得する。すなわち、第ｉ車輪（但し、ｉ＝１，２，３，４）についての制御サスペンションのピストン５１２の速度を、上述したとおりＶｉ［ｍ／ｓ］とすると、その値は、制御サスペンションの周波数的な動特性を示す伝達関数ＴＦ１を用いて、式（１７）によって求められる。
【０１０４】
Ｖｉ＝ＴＦ１（ｓ）×Ｚｒ （１７）
ここで、ｓはラプラス演算子である。
【０１０５】
上記伝達関数ＴＦ１は、制御サスペンションの動特性として、図４のような特性を示す伝達関数である。式（１７）に示すように、この伝達関数ＴＦ１の入力は路面変位Ｚｒであり、出力はピストン速度Ｖｉであり、ゲインはＶｉ（出力）／Ｚｒ（入力）である。一般に、路面変位は変動する周波数が高いため、動特性としては、図４に示すように、ばね下共振点にピークを持つような特性を用いる。
【０１０６】
以上のように、この変形例では、非接触距離センサによって路面変位を検出し、その検出結果に基づいてピストン５１２の速度を取得するようにしている。
【０１０７】
Ｄ−２−４．変形例７：
上記した変形例６においては、路面変位に基づいてピストン５１２の速度を検出するようにしていたが、代わりに、自己の車両に対して、前方を走行する他の車両の車体の変位を検出し、その検出結果に基づいてピストン５１２の速度を取得するようにしてもよい。具体的には、前方の車両の挙動を検出するための画像センサとして、自己の車両におけるフロントパンパにカメラを取り付けて、走行中に、そのカメラで前方の車両をリアルタイムで撮影する。制御部６００は、その撮影された画像を取り込んで、２値化により輪郭抽出を行い、前方の車両について、車体の変位Ｚｂ［ｍ］を導き出す。
【０１０８】
次に、制御部６００は、この車体変位Ｚｂに基づいて、各制御サスペンションにおけるピストン５１２の速度を取得する。すなわち、各制御サスペンションのピストン５１２の速度Ｖｉ［ｍ／ｓ］は、制御サスペンションの周波数的な動特性を示す伝達関数ＴＦ２を用いて、式（１８）によって求められる。
【０１０９】
Ｖｉ＝ＴＦ２（ｓ）×Ｚｂ （１８）
ここで、ｓはラプラス演算子である。
【０１１０】
上記伝達関数ＴＦ２は、制御サスペンションの動特性として、図５のような特性を示す伝達関数である。式（１８）に示すように、この伝達関数ＴＦ２の入力は車体変位Ｚｂであり、出力はピストン速度Ｖｉであり、ゲインはＶｉ（出力）／Ｚｂ（入力）である。一般に、車体変位は変動する周波数が低いため、動特性としては、図５に示すように、ばね上共振点にピークを持つような特性を用いる。
【０１１１】
以上のように、この変形例では、画像センサによって前方を走行する他の車両の車体変位を検出し、その車両の車体変位の変化から、これから自己の車両が走行する路面の状態を把握して、所定時間後のピストンの速度を予測値として取得することができる。従って、制御サスペンション５００における負荷パワーを予測しながら、ＦＣ２００の発電パワーを制御することができる。
【０１１２】
Ｄ−３．その他の変形例：
上記した実施例においては、本発明を改質器搭載タイプのＦＣシステムに適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、別で生成された水素リッチな改質ガスや、高圧タンクに蓄えられた純水素などを直接、ＦＣ２００に供給するようなシステムに適用できることは言うまでもない。
【０１１３】
この場合、制御部６００は、例えば、制御サスペンション５００における負荷パワーの値を取得し、その取得した負荷パワーの値をＦＣ２００に対する発電パワー要求値として設定して、ＦＣ２００において必要とされる水素量を決定し、その決定した量に基づいて、ＦＣ２００に供給される水素の量を制御し、結果として、ＦＣ２００における発電パワーを制御するようにする。
【０１１４】
上記した実施例においては、制御サスペンション５００は、シリンダ５１０にオイルを供給し、油圧によってピストン５１２を上下動させて、車体の安定化を図っているが、シリンダにエアを供給し、空気圧によってピストンを上下動させて、車体の安定化を図るようにしてもよい。
【０１１５】
上記した実施例においては、改質燃料として、天然ガスを用いたが、プロパンガスや、エタノール，メタノールなどのアルコールや、ガソリン，灯油などの石油系燃料や、アルデヒド，エーテルなどを用いるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としてのＦＣシステムの構成を示すブロック図である。
【図２】図１のＦＣシステムにおける制御部６００の制御手順を示すフローチャートである。
【図３】変形例２において、車速Ｖをパラメータとして、ステアリング角δに対する制御サスペンション軸力の増分値Ｆｉｃを表すマップの例を示す説明図である。
【図４】変形例６において用いる伝達関数によって表される制御サスペンションの動特性を示す説明図である。
【図５】変形例７において用いる伝達関数によって表される制御サスペンションの動特性を示す説明図である。
【符号の説明】
５２…改質燃料流路
５４…水流路
５６…燃焼燃料流路
５８…流量制御弁
６０…流量センサ
６２…流量制御弁
６４…流量センサ
６６…流量制御弁
６８…ブロワ
７０…ブロワ
７２…ブロア
７４…ブロア
１００…改質器
１０２…蒸発部
１０４…燃焼部
１０６…熱交換器
１０８…改質部
１１０…ＣＯ酸化部
２０２…水素極
２０４…酸素極
４００…インバータ
５００…制御サスペンション
５０２…モータ
５０４…ポンプ
５０５ａ…油流路
５０５ｂ…油流路
５０５ｃ…油流路
５０６…タンク
５０８…制御弁
５１０…シリンダ
５１０ａ…ピボット
５１２…ピストン
５１２ａ…ピボット
５１２ｂ…ピボット
５１４…圧力センサ
５１６…ストロークセンサ
５１８…サスペンションアーム
５１８ａ…ピボット
５１８ｂ…ピボット
６００…制御部
７００…車体
８００…車輪

Claims (8)

1. 車両に用いられる燃料電池システムであって、
   水素リッチなガスの供給を受けて、電気化学反応により発電する燃料電池と、
   該燃料電池からの発電パワーを受けて、モータによってシリンダに流体を供給させると共に、前記シリンダ内で前記流体の圧力によってピストンを往復動させることにより、車体の安定化を図る制御サスペンションと、
   該制御サスペンションでの負荷パワーの値を取得し、該負荷パワーの値に基づいて、前記燃料電池に供給される前記ガスの量を制御する制御部と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   改質燃料の供給を受けて、改質反応により前記ガスを生成して、前記燃料電池に供給する改質器をさらに備え、
   前記制御部は、前記負荷パワーの値に基づいて、前記改質器に供給される前記改質燃料の量を制御することにより、前記燃料電池に供給される前記ガスの量を制御することを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記制御サスペンションにおける前記シリンダ内の圧力と該シリンダに対する前記ピストンの相対的な速度とから、前記負荷パワーの値を取得することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記車両の乗員の数に基づいて前記車両の総重量を算出し、該総重量から前記シリンダ内の圧力を取得することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項３または請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記車両の旋回時に、前記車両のステアリング角と車速から、
   前記シリンダ内の圧力の増分を導き出し、該増分を加味した前記シリンダ内の圧力を取得することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項５に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、ロードマップ情報と前記車両の現在位置の情報に基づいて、前記ステアリング角を取得することを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記車両に対する、走行中の路面変位から、前記ピストンの速度を取得することを特徴とする燃料電池システム。
8. 請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御部は、前記車両に対する、該車両の前方を走行する他の車両の車体変位から、前記ピストンの速度を取得することを特徴とする燃料電池システム。

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