JP2004214131A

JP2004214131A - 燃料電池の制御装置

Info

Publication number: JP2004214131A
Application number: JP2003002015A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Aoki; 哲也青木; Takeaki Obata; 武昭小幡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-01-08
Filing date: 2003-01-08
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】燃料ガスと酸化剤ガスの圧力制御の応答性が変化する場合でも、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差を許容値以下に抑制する。
【解決手段】燃料ガス目標圧力算出手段２１，酸化剤ガス目標圧力算出手段２２は、運転条件に基づいて、それぞれ水素の目標圧力、空気の目標圧力を算出する。圧力差検出手段は２３は、水素入口圧力センサ６と空気入口圧力センサ１０の検出値に基づいて水素と空気との圧力差を算出する。圧力位相検出手段２４は、水素入口圧力センサ６及び空気入口圧力センサ１０の検出値がそれぞれの目標圧力に対して先行しているか遅行しているかを示す位相を検出する。目標圧力変更手段２５は、圧力差検出手段２３が検出した圧力差と圧力位相検出手段２４が検出した位相とに基づいて、水素目標圧力及び空気目標圧力の、少なくともいずれか一方を変更する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の制御装置に係り、特に燃料ガス圧力及び酸化剤ガス圧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】
近年、プロトン交換膜形燃料電池（ＰＥＭ形燃料電池）を電源とした電気自動車の開発が行われている。このＰＥＭ形燃料電池は、燃料電池内の燃料ガス（水素）の圧力と酸化剤ガス（空気）の圧力との差が大きくなると効率が悪くなる恐れがあるため、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差を許容値内となるように、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力が制御される。
【０００３】
例えば、特許文献１には、酸化剤ガスの目標圧力に基づいて酸化剤ガスの圧力制御を行う一方、酸化剤ガスの実際の圧力を目標値として燃料ガスの圧力を制御し、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差を所定の範囲内に抑えるシステムが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−４２８３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力制御の応答性は、燃料電池の状態によって変化する可能性がある。例えば、燃料ガス供給システムではエゼクタを使用して燃料電池から排出される燃料ガスを循環し、再利用する構成が考えられるが、燃料電池内部で酸化剤ガス（空気）中の窒素が燃料ガスに混入した場合には、燃料ガスの循環性能が低下し、圧力制御の応答性が低下する可能性がある。
【０００６】
また、空気を酸化剤ガスとして利用した場合、大気圧や空気に含まれる水蒸気の蒸気圧の変化によって、酸化剤ガスの圧力制御の応答性が変化する場合がある。
【０００７】
このように、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力制御の応答性が変化して、上記従来のシステムにおいて燃料ガスの圧力応答が酸化剤ガスの圧力応答にくらべて遅くなった場合には、燃料ガスの圧力変化が酸化剤ガスの圧力変化に追従することができず、その結果、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差の許容値を越えてしまう可能性があるという問題点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、燃料電池の運転条件に基づいて、燃料極における燃料ガスの目標圧力を算出する燃料ガス目標圧力算出手段と、燃料電池の運転条件に基づいて、酸化剤極における酸化剤ガスの目標圧力を算出する酸化剤ガス目標圧力算出手段と、前記燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、前記酸化剤ガスの圧力を検出する酸化剤ガス圧力検出手段と、前記燃料ガスの目標圧力と前記検出した燃料ガスの圧力とに基づいて、前記燃料極における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段と、前記酸化剤ガスの目標圧力と前記検出した酸化剤ガスの圧力とに基づいて、前記酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段と、を備えた燃料電池の制御装置において、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの圧力差を検出する圧力差検出手段と、前記燃料ガス圧力及び酸化剤ガス圧力がそれぞれの目標圧力変化に対して先行しているか遅行しているかを示す位相を検出する圧力位相検出手段と、前記圧力差検出手段が検出した圧力差と前記圧力位相検出手段が検出した位相とに基づいて、前記燃料ガス目標圧力及び前記酸化剤ガス目標圧力の、少なくともいずれか一方を変更する目標圧力変更手段と、を備えたことを要旨とする。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力応答性が変化した場合においても、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差と、燃料ガス圧力及び酸化剤ガス圧力がそれぞれの目標圧力に対して先行しているか遅行しているかを示す位相と、に基づいて、いずれの圧力応答が速いかを判断することができ、圧力応答の速い方の圧力を変化させないように圧力応答の速い方の目標圧力を変更することによって圧力差の絶対値を減少させることができる。
【００１０】
したがって、燃料ガスと酸化剤ガスで圧力応答が変化した場合においても、燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力の差の絶対値を所定範囲内に抑えることができるという効果がある。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明に係る燃料電池の制御装置の一実施形態が適用される燃料電池システムの構成を例示するシステム構成図である。
【００１２】
図１において、燃料電池システムは、燃料極３ａ及び酸化剤極３ｂを備える燃料電池スタック３と、燃料極３ａから排出される排水素ガスを燃料極３ａの入口側へ還流させる水素循環流路２と、図外の水素供給源から供給される水素の圧力を調整する水素圧力制御弁９と、水素圧力調整弁９から供給される水素と水素循環流路２から還流する水素とを混合して燃料極３ａに供給するエゼクタ１と、排水素ガスを系外へ放出する水素パージ弁４と、図外の空気供給源から酸化剤極３ｂへ空気を供給する空気供給流路５と、燃料極入口の水素圧力を検出する水素入口圧力センサ６と、酸化剤極出口から系外へ排出する空気量を絞る空気圧力制御弁７と、酸化剤極入口の空気圧力を検出する空気入口圧力センサ１０と、燃料電池の出力電流を検出する電流センサ１１と、燃料電池の出力電圧を検出する電圧センサ１２と、各センサの検出信号を入力して、各弁４，７，９を制御するコントローラ８と、を備えている。
【００１３】
尚、燃料電池スタック３の温度を適温に制御する冷却系や水素ガス及び又は空気を加湿する加湿系等は、図１には図示を省略している。
【００１４】
燃料となる水素は、図外の水素供給源から供給され、水素圧力制御弁９を経由して、エゼクタ１に供給される。エゼクタ１で水素循環流路２を通過してきた水素と混合され、燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３の入口での圧力は水素入口圧力センサ６で測定される。水素圧力制御弁９の制御は、水素入口圧力センサ６で測定される圧力と運転条件に従ってコントローラ８により行われる。
【００１５】
通常運転時には水素パージ弁４は閉じており、燃料電池スタック３の燃料極３ａから排出される水素は、水素循環流路２を介してエゼクタ１へ戻される。
【００１６】
酸化剤となる空気は、図外の空気供給源から燃料電池スタック３の酸化剤極３ｂへ供給される。燃料電池スタック３の酸化剤極３ｂ入口での空気の圧力は、空気入口圧力センサ１０で測定され、空気圧力制御弁７で制御される。燃料電池スタック３の出力電流は電流センサ１１で、出力電圧は電圧センサ１２で測定される。
【００１７】
本実施形態では、燃料電池スタック３の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池スタック３から取り出す出力が高いときには、水素圧力及び空気圧力を高め、出力が低いときはこれらのガス圧力を低める。
【００１８】
燃料電池スタック３内に水溢れ（以下フラッディング）等が発生した場合や、燃料電池スタック３の運転圧を低下させるときに水素パージ弁４を動作させて水素循環流路２および燃料極３ａに存在する水素を排出する。
【００１９】
これら圧力センサ６，１０，電流センサ１１，電圧センサ１２の出力及び水素パージ弁４、空気圧力制御弁７，水素圧力制御弁１０等のアクチュエータ駆動信号はコントローラ８に接続されている。コントローラ８は、特に限定されないが本実施形態では、Ｉ／Ｏインタフェース、プログラムＲＯＭ、ワークＲＡＭ、及びＣＰＵを備えたマイクロプロセッサで構成されている。
【００２０】
図２は、本発明の実施形態におけるコントローラ８の機能構成を説明する制御ブロック図である。
【００２１】
図２において、燃料電池の制御装置であるコントローラ８は、燃料電池の運転条件に基づいて、燃料極３ａにおける水素の目標圧力を算出する燃料ガス目標圧力算出手段２１と、燃料電池の運転条件に基づいて、酸化剤極３ｂにおける空気の目標圧力を算出する酸化剤ガス目標圧力算出手段２２と、水素の目標圧力と水素入口圧力センサ６が検出した水素ガスの圧力とに基づいて燃料極３ａにおける水素ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段２６と、空気の目標圧力と空気入口圧力センサ１０が検出した空気の圧力とに基づいて、酸化剤極３ｂにおける空気の圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段２７と、水素と空気との圧力差を検出する圧力差検出手段２３と、水素圧力及び空気圧力がそれぞれの目標圧力に対して先行しているか遅行しているかを示す位相を検出する圧力位相検出手段２４と、圧力差検出手段２３が検出した圧力差と圧力位相検出手段２４が検出した位相とに基づいて、水素目標圧力及び空気目標圧力の、少なくともいずれか一方を変更する目標圧力変更手段２５と、を備えている。
【００２２】
コントローラ８の概略動作は、以下の通りである。図外の入力装置等から与えられる運転条件に基づいて、燃料ガス目標圧力算出手段２１，酸化剤ガス目標圧力算出手段２２が、それぞれ水素の目標圧力、空気の目標圧力を算出する。圧力差検出手段は２３は、水素入口圧力センサ６と空気入口圧力センサ１０の検出値に基づいて、燃料極３ａ入口の水素と酸化剤極３ｂの入口の空気との圧力差を算出する。圧力位相検出手段２４は、水素入口圧力センサ６及び空気入口圧力センサ１０の検出値がそれぞれの目標圧力に対して先行しているか遅行しているかを示す位相を検出する。目標圧力変更手段２５は、圧力差検出手段２３が検出した圧力差と圧力位相検出手段２４が検出した位相とに基づいて、水素目標圧力及び空気目標圧力の、少なくともいずれか一方を変更することができる。
【００２３】
燃料ガス圧力制御手段２６は、水素の目標圧力に基づいて水素圧力制御弁９の駆動信号を出力し、酸化剤ガス圧力制御手段２７は、空気の目標圧力に基づいて空気圧力制御弁７の駆動信号を出力する。
【００２４】
図３は、本実施形態における水素と空気の圧力制御方法を示した概略フローチャートであり、マイクロプロセッサ等を利用したコントローラの制御周期（例えば、１０〔ｍＳ〕）毎に実行するものとする。
【００２５】
尚、本実施形態は、水素と空気の圧力の変化がそれぞれの目標圧力の変化に対してともに先行していない場合の制御方法を説明する。水素あるいは空気の圧力の変化がそれぞれの目標圧力の変化に対して先行している場合には、圧力の変化が目標圧力の変化に対して先行しているガスの目標圧力を、本実施形態と同様に変更すればよい。
【００２６】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、運転条件の読み込みを行う。ここでは、スタックの運転制御ロジックで定める目標グロス出力を読み込む。この目標グロス出力とは、空気を供給するコンプレッサや冷却水を循環させる冷却水ポンプ、ラジエータファン等の燃料電池補機の消費電力を差し引かない燃料電池スタックの発電出力である。
【００２７】
次いで、Ｓ１２において、目標グロス出力に基づいて水素（燃料ガス）の目標圧力ｔＰｈ２０を算出する。これは図５に示したような、予め定義したグロス出力に対する目標水素ガス圧力のテーブルデータを用いて算出する。次いでＳ１４において、目標グロス出力に基づいて空気の目標圧力ｔＰａｉｒ０を算出する。これも図５に示したような予め定義したグロス出力に対する目標空気圧力のテーブルデータを用いて算出する。
【００２８】
Ｓ１６では、水素入口圧力センサ６の信号に基づいて水素の圧力Ｐｈ２を検出し、Ｓ１８では空気入口圧力センサ１０の信号に基づいて空気の圧力Ｐａｉｒを検出する。
【００２９】
Ｓ２０では、水素の圧力と空気の圧力との圧力差を求め（圧力差検出手段）、この圧力差の絶対値が、燃料電池の効率が悪くならないように設定した第１の所定値以上となった場合に、水素の圧力と空気の圧力とがそれぞれの目標圧力の変化に対して先行しているか遅行しているかを示す位相を検出し（圧力位相検出手段）、この位相検出に基づいて、水素と空気のうち、目標圧力と実圧力の差である制御偏差の絶対値が小さい方のガスの圧力を変化させないように、該ガスの目標圧力を変更する（目標圧力変更手段）。詳細は後述のサブルーチンの説明で行う。
【００３０】
Ｓ２２では、Ｓ１６で検出した水素の圧力Ｐｈ２とＳ２０で算出した水素の目標圧力ｔＰｈ２に基づいて、水素圧力制御弁９の駆動信号を出力する。ここで、水素圧力制御弁９はＰＷＭ制御で駆動するものとし、ＰＩＤ制御などを用いて水素圧力制御弁９の駆動信号のデューティー比を算出する。尚、ＰＩＤ制御は一般的なフィードバック制御であるのでその実現方法の説明は割愛する。次に、算出したデューティー比のＰＷＭ駆動信号を出力する。
【００３１】
Ｓ２４では、Ｓ１４で検出した空気の圧力ＰａｉｒとＳ２０で算出した空気の目標圧力ｔＰａｉｒに基づいて、空気圧力制御弁７を水素圧力制御弁９と同様に制御し、空気圧力制御弁７の駆動信号を出力する。
【００３２】
図４は、図３のＳ２０における目標圧力変更処理を行うサブルーチンを説明する詳細フローチャートである。
【００３３】
まずＳ３０では、式（１）に示した、水素の圧力Ｐｈ２と空気の圧力Ｐａｉｒの圧力差を求め、圧力差の絶対値ΔＰが第１の所定値ＳＬ１を超えているか判断している。
【００３４】
【数１】
ΔＰ＝｜Ｐｈ２−Ｐａｉｒ｜ …（１）
ここで第１の所定値ＳＬ１は、燃料電池の効率が悪くならないように、水素と空気の圧力差の許容値をあらかじめ設定する。
【００３５】
Ｓ３０において、水素の圧力Ｐｈ２と空気の圧力Ｐａｉｒの圧力差の絶対値ΔＰが第１の所定値ＳＬ１を超えている場合は、Ｓ３２に進み、また、水素の圧力Ｐｈ２と空気の圧力Ｐａｉｒの圧力差の絶対値ΔＰが第１の所定値ＳＬ１以下である場合は、Ｓ５２に進む。
【００３６】
Ｓ３２では、水素の目標圧力ｔＰｈ２もしくは空気の目標圧力ｔＰａｉｒのいずれかが変更中であるか否かを、フラグｆｌａｇの値に基づいて判断する。ガス目標圧力を変更している場合はフラグｆｌａｇに１〜４の値がセットされている。尚、フラグｆｌａｇのセット、クリアについての詳細は後述する。
【００３７】
Ｓ３２において、水素の目標圧力ｔＰｈ２もしくは空気の目標圧力ｔＰａｉｒのいずれも変更していない場合（フラグｆｌａｇ＝０）は、Ｓ３４に進み、また、水素の目標圧力ｔＰｈ２あるいは空気の目標圧力ｔＰａｉｒのいずれかが変更中である場合は、処理を終了する。
【００３８】
Ｓ３４では、式（２）で表される水素の目標圧力ｔＰｈ２０と水素の圧力Ｐｈ２の差である制御偏差の絶対値εｈ２と、式（３）で表される空気の目標圧力ｔＰａｉｒ０と空気の圧力Ｐａｉｒの差である制御偏差の絶対値εａｉｒとの大きさを比較する。
【数２】
εｈ２＝｜ｔＰｈ２０ −Ｐｈ２｜ …（２）
εａｉｒ＝｜ｔＰａｉｒ０−Ｐａｉｒ｜ …（３）
Ｓ３４において、εａｉｒの値がεｈ２以上である場合、すなわち目標圧力に対する制御偏差が、水素に比べて空気の方が大きくなった場合には、Ｓ３６に進み、逆の場合はＳ４４に進む。
【００３９】
Ｓ３６では、水素目標圧力ｔＰｈ２０と水素の圧力Ｐｈ２を比較し、水素目標圧力の方が大きければＳ３８でｆｌａｇに１を代入してからＳ４２へ進み、水素の圧力の方が大きければＳ４０でｆｌａｇに２を代入してＳ４２へ進む。Ｓ４２では、水素の目標圧力ｔＰｈ２をその時点の水素の圧力Ｐｈ２へ変更して処理を終える。
【００４０】
Ｓ４４では、空気目標圧力ｔＰａｉｒ０と空気の圧力Ｐａｉｒを比較し、空気目標圧力の方が大きければＳ４６でｆｌａｇに３を代入してからＳ５０へ進み、空気の圧力の方が大きければＳ４８でｆｌａｇに４を代入してＳ５０へ進む。Ｓ５０では、空気の目標圧力ｔＰａｉｒをその時点の空気の圧力Ｐａｉｒへ変更して処理を終える。
【００４１】
Ｓ５２では、水素の目標圧力ｔＰｈ２もしくは空気の目標圧力ｔＰａｉｒのいずれかが変更中であるか否かを、フラグｆｌａｇの値に基づいて判断する。Ｓ５２において水素の目標圧力ｔＰｈ２もしくは空気の目標圧力ｔＰａｉｒのいずれかが変更中である場合（ｆｌａｇ≠０）はＳ５４に進み、また、水素の目標圧力ｔＰｈ２と空気の目標圧力ｔＰａｉｒの両方が変更中でない場合（ｆｌａｇ＝０）は処理を終了する。
【００４２】
Ｓ５４では、水素の圧力Ｐｈ２と空気の圧力Ｐａｉｒの圧力差の絶対値ΔＰが第２の所定値ＳＬ２を下回っているか判断している。ここで、例えば水素の圧力と空気の圧力が等しくなったか判断するために第２の所定値ＳＬ２には０を設定する。
【００４３】
Ｓ５４において水素の圧力Ｐｈ２と空気の圧力Ｐａｉｒの圧力差の絶対値ΔＰが第２の所定値ＳＬ２未満の場合は、Ｓ５６に進み、また、水素の圧力Ｐｈ２と空気の圧力Ｐａｉｒの圧力差の絶対値ΔＰが第２の所定値ＳＬ２以上の場合はＳ６０へ進む。
【００４４】
Ｓ６０ではｆｌａｇが１であるか判断し、ｆｌａｇが１である場合にはＳ６２へ進み、ｆｌａｇが１でない場合はＳ６４へ進む。
【００４５】
Ｓ６２ではｆｌａｇを１にセットしたときの水素目標圧力ｔＰｈ２と水素の圧力Ｐｈ２の大小関係と、現在の水素目標圧力ｔＰｈ２と水素の圧力Ｐｈ２の大小関係が異なる場合はＳ５６へ進み、大小関係が同じ場合はＳ６４へ進む。
【００４６】
Ｓ６４ではｆｌａｇが２であるか判断し、ｆｌａｇが２である場合にはＳ６６へ進み、ｆｌａｇが２でない場合はＳ６８へ進む。
【００４７】
Ｓ６６ではｆｌａｇを２にセットしたときの水素目標圧力ｔＰｈ２と水素の圧力Ｐｈ２の大小関係と、現在の水素目標圧力ｔＰｈ２と水素の圧力Ｐｈ２の大小関係が異なる場合はＳ５６へ進み、大小関係が同じ場合はＳ６８へ進む。
【００４８】
Ｓ６８ではｆｌａｇが３であるか判断し、ｆｌａｇが３である場合にはＳ７０へ進み、ｆｌａｇが３でない場合はＳ７２へ進む。
【００４９】
Ｓ７０ではｆｌａｇを３にセットしたときの空気目標圧力ｔＰａｉｒと空気の圧力Ｐａｉｒの大小関係と、現在の空気目標圧力ｔＰａｉｒと空気の圧力Ｐａｉｒの大小関係が異なる場合はＳ５６へ進み、大小関係が同じ場合はＳ７２へ進む。
【００５０】
Ｓ７２ではｆｌａｇが４であるか判断し、ｆｌａｇが４である場合にはＳ７４へ進み、ｆｌａｇが４でない場合は処理を終了する。
【００５１】
Ｓ７４ではｆｌａｇを４にセットしたときの空気目標圧力ｔＰａｉｒと空気の圧力Ｐａｉｒの大小関係と、現在の空気目標圧力ｔＰａｉｒと空気の圧力Ｐａｉｒの大小関係が異なる場合はＳ５６へ進み、大小関係が同じ場合は処理を終了する。
【００５２】
Ｓ５６では、水素の目標圧力ｔＰｈ２に図３のＳ１２で算出した水素の目標圧力ｔＰｈ２０を代入し、空気の目標圧力ｔＰａｉｒに図３のＳ１４で算出した空気の目標圧力ｔＰａｉｒ０を代入する。すなわち目標圧力の値を運転条件に基づいて算出した値に戻して、目標圧力を変更した運転状態を終了する。
【００５３】
Ｓ５８では、水素の目標圧力あるいは空気の目標圧力の変更を開始したことを示すフラグｆｌａｇをクリアして処理を終了する。
【００５４】
尚、本実施形態では燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（空気）との圧力差の絶対値を判断する第２の所定値ＳＬ２を０としたが、燃料電池の発電効率が正常になる差圧であればＳＬ２を０以外の値としても良い。
【００５５】
本発明によれば、水素の圧力応答の方が速い場合には、目標圧力を変化させた時の水素の圧力変化（水素流路内の圧力変化）と空気の圧力変化は図６のようになる。この場合は水素の圧力応答の方が速く、水素と空気の圧力差が許容値を超える可能性がある場合に、その時点の水素の圧力を保持するように水素の目標圧力を変更するので、水素と空気の圧力差が許容値（第１の所定値）を上回ることはない。したがって、水素と空気との圧力差が大きくなって燃料電池スタックの発電効率が低下することはない。
【００５６】
また、本発明によれば、空気の圧力応答の方が速い場合には、水素の圧力変化（水素流路内の圧力変化）と空気の圧力変化は図７のようになる。水素と空気の圧力差が許容値を超える可能性がある場合に、その時点の空気の圧力を保持するように空気の目標圧力を変更するので、水素と空気の圧力差が許容値（第１の所定値）を上回ることはない。したがって、水素と空気の圧力差で燃料電池スタックの発電効率が低下することはない。
【００５７】
このように、本発明によれば、水素と空気の圧力応答性が未知である場合においても、水素と空気の圧力差を許容値以内に抑えることができるので水素と空気の圧力差で燃料電池スタックの発電効率が低下することを防止できるという効果がある。
【００５８】
また本発明によれば、目標圧力変更を開始する燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差である第１の所定値を燃料電池の効率が低下する燃料ガスの圧力と酸化剤ガスの圧力の差の絶対値に基づいて定めたので、燃料電池スタックの発電効率が低下することを防止できる。
【００５９】
また本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差の絶対値が第２の所定値未満となった場合に、燃料ガス目標圧力あるいは酸化剤ガス目標圧力の変更を終了することとしたので燃料と酸化剤の圧力応答を可能な範囲で速くすることができる。
【００６０】
さらに本発明によれば、第２の所定値を燃料電池の効率が正常となる燃料の圧力と酸化剤の圧力の差に基づいて定めるようにすれば、燃料電池の効率が低下しない範囲でかつ燃料と酸化剤の圧力応答を可能な範囲で速くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の制御装置の一実施形態が適用される燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。
【図２】実施形態におけるコントローラの構成を示す制御ブロック図である。
【図３】実施形態における水素ガス及び空気の圧力制御方法を説明するフローチャートである。
【図４】図３のフローチャートの目標圧力変更のサブルーチンの内容を説明する詳細フローチャートである。
【図５】燃料電池スタックの運転条件（グロス発電量）からガス目標圧力を算出するためのテーブルデータである。
【図６】本実施形態における水素の圧力応答の方が空気と比較して速い場合の目標圧力変化時の水素と空気の圧力変化を説明する図である。
【図７】本実施形態における空気の圧力応答の方が水素と比較して速い場合の目標圧力変化時の水素と空気の圧力変化を説明する図である。
【符号の説明】
１…エゼクタ
２…水素循環流路
３…燃料電池スタック
３ａ…燃料極
３ｂ…酸化剤極
４…水素パージ弁
５…空気供給通路
６…水素入口圧力センサ
７…空気圧力調整弁
８…コントローラ
９…水素圧力制御弁
１０…空気入口圧力センサ
１１…電圧センサ
１２…電流センサ
２１…燃料ガス目標圧力算出手段
２２…酸化剤ガス目標圧力算出手段
２３…圧力差検出手段
２４…圧力位相検出手段
２５…目標圧力変更手段
２６…燃料ガス圧力制御手段
２７…酸化剤ガス圧力制御手段

Claims

燃料電池の運転条件に基づいて、燃料極における燃料ガスの目標圧力を算出する燃料ガス目標圧力算出手段と、
燃料電池の運転条件に基づいて、酸化剤極における酸化剤ガスの目標圧力を算出する酸化剤ガス目標圧力算出手段と、
前記燃料ガスの圧力を検出する燃料ガス圧力検出手段と、
前記酸化剤ガスの圧力を検出する酸化剤ガス圧力検出手段と、
前記燃料ガスの目標圧力と前記検出した燃料ガスの圧力とに基づいて、前記燃料極における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御手段と、
前記酸化剤ガスの目標圧力と前記検出した酸化剤ガスの圧力とに基づいて、前記酸化剤極における酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御手段と、
を備えた燃料電池の制御装置において、
前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの圧力差を検出する圧力差検出手段と、
前記燃料ガス圧力及び酸化剤ガス圧力がそれぞれの目標圧力変化に対して先行しているか遅行しているかを示す位相を検出する圧力位相検出手段と、
前記圧力差検出手段が検出した圧力差と前記圧力位相検出手段が検出した位相とに基づいて、前記燃料ガス目標圧力及び前記酸化剤ガス目標圧力の、少なくともいずれか一方を変更する目標圧力変更手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池の制御装置。
前記目標圧力変更手段は、
前記圧力差検出手段が検出した圧力差の絶対値が第１の所定値以上となり、かつ前記圧力位相検出手段が検出した燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力の位相がそれぞれの目標圧力変化に対して先行している場合は、前記燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差の絶対値が小さくなるように、その先行している燃料ガスあるいは酸化剤ガスの目標圧力を変更する一方、
前記圧力差検出手段が検出した圧力差の絶対値が第１の所定値以上となり、かつ前記圧力位相検出手段が検出した燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力の位相がそれぞれの目標圧力変化に対してともに先行していない場合は、前記燃料ガス目標圧力と前記燃料ガス圧力との差である燃料ガス圧力の制御偏差の絶対値と、前記酸化剤ガス目標圧力と酸化剤ガス圧力との差である酸化剤ガス圧力の制御偏差の絶対値とを比較し、制御偏差の絶対値が小さい方のガスの目標圧力を前記燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差の絶対値が小さくなるように変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。
前記第１の所定値は、燃料電池の効率が低下する前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの圧力差の絶対値に基づいて定めたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の制御装置。
前記目標圧力変更手段は、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとの圧力差の絶対値が第１の所定値より小さい第２の所定値未満となった場合に、前記燃料ガス目標圧力あるいは前記酸化剤ガス目標圧力の変更を終了することを特徴とする請求項２または請求項３記載の燃料電池の制御装置。
前記第２の所定値は、前記燃料電池の効率が正常となる前記燃料ガスの圧力と前記酸化剤ガスの圧力との圧力差に基づいて定めたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池の制御装置。