JP2005085622A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電を停止した状態において、電気負荷に対する要求出力又は電気負荷からの要求電力が増加したときに、燃料電池の発電を速やかに再開させることができる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】アクセルペダルの踏込み量（Ap)が上限踏込み量を超えたとき、アクセルベダルの踏込み量（Ap）の増加率が上限増加率を超えたとき、及び電気負荷からの要求電力（Ｌreq）が上限電力増加率を超えたときに、燃料電池の発電再開を判断するための第２の下限電流値（＋hyp）を減少させる発電再開条件変更手段５２と、ノイズ防止フィルタ４１における時定数（τ）を目標出力電流（Ｉfc_CMD）の変動の抑制を緩和する方向に変更するフィルタリング条件変更手段４３と、電流増加率リミッタ４２における上限増加率（dＩfc_LMT）を増大する上限電流増加率変更手段４４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池とキャパシタとを並列に接続して構成され、燃料電池による電気負荷に対する電力供給が不足するときに、キャパシタの放電電流により電力供給をアシストする燃料電池発電システムに関する。

従来より、燃料電池とキャパシタとを並列に接続して構成されたハイブリッド型の燃料電池発電システムが知られている。かかる燃料電池発電システムは、例えば電動車両の動力源として使用され、走行用モータ等の電気負荷からの要求電力に応じて、燃料電池に供給される反応ガス（燃料となる水素等の還元性ガス及び／又は該還元性ガスと反応させて電子を取出すための空気等の酸化性ガス）の供給量が制御される。

ここで、燃料電池の単位発電量に対する燃料消費率は、低負荷では（燃料電池の発電量に対する電気負荷の消費電力の割合が相対的に高く、）燃料電池の発電量増大とともに増加する傾向がある。そのため、例えば車両のアイドリング停止時のように、電気負荷からの要求電力が小さく、それに応じて燃料電池の発電量も少なくなるときには、燃料電池の燃料消費率が低下して発電効率が悪化する。

そこで、電気負荷からの要求電力が所定レベル以下となったときに、燃料電池の発電を停止してキャパシタからの放電電流のみを電気負荷に供給するようにし、これにより発電効率が低い状態で燃料電池の発電が実行されることを禁止して、燃料電池の発電効率の向上を図った燃料電池発電システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

そして、このように燃料電池の発電を停止したアイドリング状態から、運転者がアクセルペダルを踏み込んで車両を発進させる操作をしたときは、走行用モータに電力供給をするために要求電力が増大して燃料電池の発電が再開される。しかし、燃料電池の発電が速やかに再開されないときには、使用者のアクセルペダルの操作に対して車両の発進動作が遅れ、ドライバビリィティが悪化するという不都合がある。
特開２００１−３５９２０４号公報

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、電気負荷からの要求電力の低下に応じて燃料電池の発電が停止された状態において、電気負荷に対する要求出力又は電気負荷からの要求電力が増大したときに、燃料電池の発電を速やかに再開させることができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、燃料電池と、該燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、電気負荷からの要求電力に基づいて前記燃料電池の目標出力電流値を決定する目標出力電流決定手段と、該目標出力電流値に応じて前記燃料電池の発電量を制御する燃料電池制御手段と、該目標出力電流値が所定の第１の下限電流値未満となったときに、前記燃料電池の発電を停止して前記キャパシタのみにより電気負荷に電力を供給する低負荷停止状態とすると共に、該低負荷停止状態において所定の発電再開条件が成立したときに前記燃料電池の発電を再開させる発電停止制御手段とを備えた燃料電池発電システムの改良に関する。

そして、本発明の第１の態様は、前記発電再開条件を、電気負荷に対する要求出力又は電気負荷からの要求電力に基づく要求値の大きさ又は増加率に応じて変更する発電再開条件変更手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記低負荷停止状態において前記発電再開条件が成立したときに、前記発電停止制御手段により前記燃料電池の発電が再開される。そして、前記発電再開条件は、前記発電再開条件変更手段により電気負荷に対する要求出力又は電気負荷からの要求電力に基づく前記要求値の大きさ又は増加率に応じて変更されるため、電気負荷に対する作動指示や電気負荷の作動態様に応じて前記燃料電池の発電を速やかに再開させることが可能となる。そのため、電気負荷に対する電力供給の不足が生じることを抑制することができる。

また、前記発電再開条件は、前記低負荷停止状態において該目標出力電流値が前記第１の下限電流値よりも大きい値に設定された第２の下限電流値を超えることであり、前記発電再開条件変更手段は、前記要求値の大きさが所定の上限要求値を超えたとき又は前記要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を超えたときに、前記第２の下限電流値を減少させることによって、前記発電再開条件を変更することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記発電停止制御手段は、前記目標出力電流値が前記第１の下限電流値未満となったときに前記燃料電池の発電を停止して前記低負荷停止状態とし、前記低負荷停止状態において前記目標出力電流値が前記第２の下限電流値を超えたときに前記燃料電池の発電を再開させる。そして、このように、前記第１の下限電流値と前記第２の下限電流値との間にヒステリシスを設けることにより、前記目標出力電流値が前記第１の下限電流値付近で変動したときに、前記燃料電池の発電停止と発電再開とが頻繁に繰り返されて、前記燃料電池の動作が不安定になることを抑制することができる。

しかし、このように、前記第１の下限電流値と前記第２の下限電流値との間にヒステリシスを設けた場合、前記要求値の増加に対する前記燃料電池の発電再開の応答性は低下する。すなわち、前記低負荷停止状態において前記要求値が増加し、それに応じて前記目標出力電流値が増加して前記第１の下限電流値を超えても、前記目標出力電流値がさらに増加して前記第２の下限電流値を超えるまで前記燃料電池の発電が再開されない。

そこで、前記発電再開条件変更手段は、前記要求値の大きさが所定の上限要求値を超えたとき又は前記要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を超えたときには、前記第２の下限電流値を減少させる。これにより、前記低負荷停止状態において前記要求値が増加したときに、前記目標出力電流値が前記第２の下限電流値以上となるまでの時間が短縮され、速やかに前記燃料電池の発電を再開させることができる。

また、本発明の第２の態様においては、前記目標出力電流決定手段は前記目標出力電流値の増加率が前記上限電流増加率を超えないように前記目標出力電流値を決定し、前記発電停止制御手段は、前記目標出力電流値が所定の下限電流値未満となったときに前記燃料電池の発電を停止して前記低負荷停止状態とすると共に、該低負荷停止状態において前記目標出力電流値が前記下限電流値を超えたときに前記燃料電池の発電を再開させる。そして、前記低負荷停止状態において、前記要求値の大きさが所定の上限要求値を超えたとき又は前記要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を超えたときに、前記上限電流増加率を高くする上限電流増加率変更手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明において、前記目標出力電流決定手段は、前記上限電流増加率を超えないように前記目標出力電流値を決定することにより、前記燃料電池の応答遅れによって、前記燃料電池への反応ガスの供給量に対して前記燃料電池の発電量が過剰となり、前記燃料電池の劣化が生じることを防止している。しかし、このように、前記燃料電池の前記目標出力電流の増加率を制限すると、前記低負荷停止状態において前記要求値が増加したときに、それに応じて前記目標出力電流値が増加して前記下限電流値を超えるまでの時間が長くなる。その結果、前記前記燃料電池の発電の再開が遅れ、前記要求値の増加に対して電力供給の不足が生じてしまう。

そこで、前記上限電流増加率変更手段は、前記低負荷停止状態において、前記要求値の大きさが所定の上限要求値を超えたとき又は前記要求値の増加率が所定の上限要求値電力率を超えたときに、前記上限電流増加率を高くする。これにより、前記目標出力電流値の増加率の制限が緩和され、前記低負荷停止状態において前記要求値が増加したときに、それに応じて前記目標出力電流値が前記下限電流値を超えるまで増加する時間が短縮される。そのため、前記要求値の増加に応じて速やかに前記燃料電池の発電を再開させることができる。

また、本発明の第３の態様においては、前記目標出力電流決定手段は前記目標出力電流値の変化を抑制するフィルタリング処理を行って前記目標出力電流値を決定し、前記発電停止制御手段は、前記目標出力電流値が所定の下限電流値未満となったときに前記燃料電池の発電を停止して前記低負荷停止状態とすると共に、該低負荷停止状態において前記目標出力電流値が前記下限電流値を超えたときに前記燃料電池の発電を再開させる。そして、前記低負荷停止状態において、前記要求値の大きさが所定の上限電力値を超えたとき又は前記要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を超えたときに、前記フィルタリング処理における前記目標出力電流値の変化の抑制度合を緩和するフィルタリング条件変更手段を備えたことを特徴とする。

かかる本発明において、前記目標出力電流決定手段は、前記フィルタリング処理を行って前記目標出力電流値を決定することにより、前記目標出力電流値が前記下限電流値付近で変動して、前記燃料電池の発電停止と発電再開とが頻繁に繰り返されることを防止することができる。しかし、このように、前記目標出力電流値の変化を制限すると、前記低負荷停止状態において前記要求値が増加したときに、それに応じた前記目標出力電流値の増加が抑制される。その結果、前記目標出力電流値が前記下限電流値を超えるまで増加することが抑制されて前記燃料電池の発電再開が遅れ、前記要求値の増加に対して電力供給の不足が生じてしまう。

そこで、前記フィルタリング条件変更手段は、前記低負荷停止状態において、前記要求値の大きさが所定の上限要求値を越えたとき又は前記要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を越えたときに、前記フィルタリング処理における前記目標出力電流の変化の抑制度合を緩和する。これにより、前記目標出力電流の増加に対する制限が緩和されて前記目標出力電流値が前記下限電流値を超え易くなる。そのため、前記要求値の増加に応じて速やかに前記燃料電池の発電を再開させることができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図５を参照して説明する。図１は本発明の燃料電池発電システムの全体構成図、図２は図１に示した電源管理制御部及び燃料電池制御部の制御ブロック図、図３は燃料電池発電システムの効率と燃料電池の低負荷停止処理を説明するためのグラフ、図４は燃料電池の発電再開条件の変更処理を説明するためのグラフ、図５は燃料電池の発電停止／再開処理のフローチャートである。

図１を参照して、本発明の燃料電池発電システム１は、車両に搭載されて該車両の駆動用電源として機能する。燃料電池発電システム１は、水素と空気を反応ガスとした電気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池２と、電気二重層キャパシタ３（以下、単にキャパシタ３という）とを並列に接続して構成されたハイブリッド型の燃料電池発電システムであり、その出力電力が、マイクロコンピュータ、メモリ等により構成されたコントローラ４によって制御される。

燃料電池発電システム１の出力電力は、モータ駆動装置５、空調機器６、１２Ｖ出力のＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して接続された１２Ｖ系の車載負荷８等の電気負荷に供給される。モータ駆動装置５は、コントローラ４に備えられた駆動制御部９から出力されるトルク指令値（TRQ_CMD）に応じて、モータ１０の電機子に流れる電流を制御する。そして、モータ１０の駆動力はトランスミッション１１を介して駆動輪１２に伝達される。

駆動制御部９は、アクセルペダル１３の踏込み量（Ap)とモータ１０の回転数（Nm)に基づいて、モータ駆動装置５で必要となる電力であるモータ要求電力（PD_REQ）の指示信号を電源管理制御部１４に出力する。

また、電源管理制御部１４には、モータ１０以外の電装補機で消費される電力を把握するために、負荷センサ１５により検出される負荷電流（I_load）と負荷電圧（V_load）の検出信号が入力され、これらの検出信号により、電源管理制御１４は、モータ１０以外の電装補機で消費される電力を把握する。

そして、電源管理制御部１４は、燃料電池制御部１６から出力される燃料電池２から供給可能な電流の上限値である出力上限電流（Ifc_LMT）と、キャパシタ３を構成するキャパシタセル（図示しない）の個々の状態（出力電圧や温度）等を考慮した上で、モータ要求電力（PD_REQ）とモータ１０以外の電装補機で消費される電力との合計電力に応じて、燃料電池２から出力される電流の目標値である目標出力電流（Ifc_CMD）を決定し、該目標出力電流（Ifc_CMD）を指示する信号を燃料電池制御部１６に出力する。また、電源管理制御部１４は、駆動制御部９に対して、燃料電池２から供給可能な電量の上限値である出力制限電力（PLD）を通知する信号を出力する。

なお、燃料電池制御部１６には、反応ガスセンサ２０から出力される燃料電池２に供給される反応ガス（水素及び空気）の圧力（Pgas）、流量（Qgas）、及び温度（Tgas）の各検出信号と、燃料電池２のスタック（図示しない）の個々の状態（Vcell_indiv）の検出信号とが入力され、燃料電池制御部１６は、これらの検出信号から把握される燃料電池２の状態を考慮して出力上限電流（Ifc_CMD）を決定する。

また、駆動制御部９は、電源管理制御部１４から通知された出力制限電力（PLD）を超えないように、モータ駆動装置５に対してトルク指令（TEQ_CND)の指示信号を出力し、モータ駆動装置５は、モータ１０が該トルク指令（TRQ_CMD）に応じたトルクを発生するように、モータ１０の電機子電流を制御する。

また、燃料電池制御部１６は、燃料電池２から目標出力電流（Ifc_CMD）の電流が出力されるように、反応ガス供給装置２１に対して、燃料電池２に供給する反応ガスの目標供給量（CMP_CMD)を指示する信号を出力する。これにより、目標出力電流（Ifc_CMD）に応じた流量の空気と水素が燃料電池２に供給される。

そして、反応ガス供給装置２１から供給される水素は、イジェクタ（図示しない）及び加湿器（図示しない）を経由して燃料電池２の水素極に供給され、空気極に供給される空気中の酸素と電気化学反応を生じて水となり、排出弁２２を介して排出される。ここで、排出弁２２の開度は、空気及び水素の供給圧に応じて燃料電池２内部の圧力勾配が一定に保たれるように、燃料電池制御部１６からの制御信号（VLV_CMD）により制御される。

また、燃料電池２には、水冷式の冷却器（図示しない）が備えられ、燃料電池制御部１６は、該冷却器の入水温度と出水温度に応じて該冷却器に供給される冷却水の流量と温度を制御する。

また、燃料電池電源装置１には、キャパシタ３の充放電電流（Ｉcap）と端子電圧（Ｖcap）を検出するキャパシタセンサ３１が備えられ、該キャパシタセンサ３１の検出信号も電源管理制御部１４に入力される。

さらに、燃料電池電源装置１には、入力側が燃料電池２の出力端子と接続され、出力側がキャパシタ３の出力端子と接続された電圧変換ユニット３０が備えられている。電圧変換ユニット３０は、燃料電池２の出力電圧を所定電圧に変換して出力する出力電圧可変型のＤＣ／ＤＣコンバータ（図示しない）の機能と、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）と出力電圧（Ｖfc）を検出する機能とを有している。そして、電圧変換ユニット３０は、電源管理制御部１４から出力される電圧設定信号（VCU_CMD）に応じた電圧を出力する。

以上説明した構成により、モータ要求電力（PD_REQ）と負荷電流（Ｉload）及び負荷電圧（Ｖload）により算出される電装補機の消費電力とに応じて決定される目標出力電流（Ｉfc_CMD）に応じた電流が燃料電池２から出力されるように、燃料電池２に対する反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）が制御される。

次に、図２を参照して、電源管理制御部１４には、モータ要求電力（PD_REQ)と負荷電流（Ｉload）及び負荷電圧（Ｖload）により算出される電装補機の消費電力とにより算出される要求電力（Ｌreq）に応じた、燃料電池２の要求出力電流（Ｉfc_cal）を算出する目標出力電流算出手段４０、該要求出力電流（Ｉfc_cal）の変化を抑制するフィルタリング処理を施すフィルタ４１、及び該フィルタリング処理が施された要求出力電流（Ｉfc_cal）から増加率が所定の上限電流増加率（dＩfc_LMT）を超えないように制限して目標出力電流（Ｉfc_CMD）を出力する電流増加率リミッタ４２が備えられている。なお、目標出力電流算出手段４０と、フィルタ４１と、電流増加率リミッタ４２とにより、本発明の目標出力電流決定手段が構成される。

さらに、電源管理制御部１４には、要求電力（Ｌreq）及びアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）に応じて、フィルタ４１における要求出力電流（Ｉfc_cal）の変化の抑制度合を決定する時定数（τ）を変更するフィルタリング条件変更手段４３と、要求電力（Ｌreq）及びアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）に応じて、電流増加率リミッタ４２における上限電流増加率（dＩfc_LMT）を変更する上限電流増加率変更手段４４とが備えられている。なお、要求電力（Ｌreq）は本発明の電気負荷からの要求電力に基づく要求値に相当する。また、アクセルペダル１３の踏込み操作は本発明の電気負荷に対する出力要求に相当し、アクセルペダル１３の踏込み量（Ap)は本発明の電気負荷に対する出力要求に基づく要求値に相当する。

また、燃料電池制御部１６には、キャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）を把握する開回路電圧把握手段５０、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が所定の第１の下限電流値未満となったときに燃料電池２の発電を停止して、キャパシタ３の放電電流のみにより電気負荷に電力供給する低負荷停止状態とする電停止制御手段５１、該第１の下限電流値を変更して燃料電池２の発電停止条件を変更する発電停止条件変更手段５３、及び低負荷停止状態から燃料電池２の発電を再開させる条件を変更する発電再開条件変更手段５２が備えられている。

次に、図３（ａ）は燃料電池発電システム１と燃料電池２の効率の変動を示したグラフであり、縦軸が効率に設定され横軸が燃料電池２の出力電力に設定されている。また、図中ａは燃料電池２の効率の推移を示し、ｂは燃料電池発電システム１の効率の推移を示し、ｃは燃料電池発電システム１の効率が良好な高効率領域を示している。

ここで、燃料電池発電システム１の効率は、以下の式（１）で算出され、図３（ａ）に示したように、燃料電池２の出力電力が小さい領域では燃料電池発電システム１の効率が低下する。

システム効率＝（燃料電池の出力電力−電気負荷の消費電力）／消費Ｈ₂の発熱量
・・・・・（１）
そこで、発電停止制御手段５１は、燃料電池２の出力電力が高効率領域（ｃ）よりも低い領域に設定した低負荷領域にあるときに、燃料電池２の発電を停止してキャパシタ３の放電電流のみにより電気負荷に電力供給する低負荷停止状態とする。そして、これにより、燃料電池発電システム１の効率の向上を図っている。

また、図３（ｂ）は低負荷停止状態に移行する条件及び低負荷停止状態から燃料電池２の発電を再開する条件と、フィルタ４１によるフィルタリング処理の効果を説明するためのグラフであり、縦軸が燃料電池の目標出力電流（Ｉfc_CMD）に設定され横軸が時間（ｔ）に設定されている。

図３（ｂ）において、ｄは目標出力電流算出手段４０により算出された要求出力電流（Ｉfc_cal）の推移を示し、ｅはノイズ除去フィルタ４１により変化を抑制して生成された目標出力電流（Ｉfc_CMD）の推移を示している。そして、発電停止制御手段５１は、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が基準閾値（Ｉstp，本発明の下限電流値に相当する）に対して負のヒステリシスを持たせた第１の下限電流値（−hys）以下となったとき（図中ｔ₁₀）に燃料電池２の発電を停止し（低負荷停止状態）、低負荷停止状態において目標出力電流（Ｉfc_CMD）が基準閾値（Ｉstp）に対して正のヒステリシスを持たせた第２の下限電流値（＋hys）以上となったとき（図中ｔ₁₂）に、燃料電池２の発電を再開させる。

図３（ｂ）に示したように、基準閾値（Ｉstp）に対してヒステリシスを設けて第２の下限電流値（＋hys）と第１の下限電流値（−hys）を設定することにより、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が基準閾値（Ｉstp）付近で変動したときに、それに応じて燃料電池２の発電停止と発電再開とが頻繁に繰り返されることを防止することができる。

また、フィルタ４１によるフィルタリング処理を行うことによって、図３（ｂ）に示したように、要求出力電流（Ｉfc_cal，図中ｄ）の変動を抑制した目標出力電流（Ｉfc_CMD，図中ｅ）を生成することができる。これにより、ノイズ等の影響により要求出力電流（Ｉfc_cal）が基準閾値（Ｉstp）付近で急激に増減したときに、それに応じて燃料電池２の発電停止と発電再開とが頻繁に繰り返されることを防止することができる。

また、発電再開条件変更手段５２は、基準閾値（Ｉstp）に対する第２の下限電流値（＋hys）のヒステリシスの幅を変更することにより、低負荷停止状態から燃料電池２の発電を再開させる条件を変更する。また、発電停止条件変更手段５３は、基準閾値（Ｉstp）に対する第１の下限電流値（−hys）のヒステリシスの幅を変更することにより、燃料電池２の発電を停止させる条件を変更する。

次に、図５に示したフローチャートに従って、電源管理制御部１４と燃料電池制御部１６による燃料電池２の発電停止と発電再開の処理について説明する。先ず、ＳＴＥＰ１で、電源管理制御部１４と燃料電池制御部１６は、モータ要求電力（PD_REQ）と負荷電流（Ｉload）及び負荷電圧（Ｖload）により算出される電装補機の消費電力とにより、要求電力（Ｌreq）を算出する。

次のＳＴＥＰ２は発電停止制御手段５１による処理であり、開回路電圧把握手段５０により把握されるキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）が所定の下限開回路電圧（Ｖco_LMT）よりも低く、低負荷停止状態とするにはキャパシタ３の充電電荷量が不十分であると判断できるときは、ＳＴＥＰ１２に分岐して処理を終了し、発電停止制御手段５１は燃料電池２の発電停止は行わない。

続くＳＴＥＰ３で既に燃料電池２が低負荷停止状態にあるときはＳＴＥＰ４に進む。ＳＴＥＰ４、ＳＴＥＰ５、及びＳＴＥＰ６の判断は、フィルタリング条件変更手段４３と上限電流増加率変更手段４４と発電再開条件変更手段５２とによりそれぞれ行われる。

そして、ＳＴＥＰ４でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）が所定の上限踏込み量（Ap_LMU)を超えたとき、ＳＴＥＰ５でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）の増加率（dAp/dt）が所定の上限踏込み量増加率（dAp_LMT）を超えたとき、及びＳＴＥＰ６で要求電力（Ｌreq）の増加率（Ｌreq/dt）が所定の上限電力増加率（dＬreq_LMT）を超えたときに、ＳＴＥＰ４０に分岐する。

ここで、ＳＴＥＰ４でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）が所定の上限踏込み量（Ap_LMU，本発明の上限要求値に相当する)を超えたときは、車両の運転者が走行モータ１０の出力の大幅な増加を要求していると判断でき、ＳＴＥＰ５でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）の増加率（dAp/dt）が所定の上限踏込み量増加率（dAp_LMT，本発明の上限要求値増加率に相当する）を超えたときは、車両の運転者が走行モータ１０の出力の速やかな増加を要求していると判断できる。また、ＳＴＥＰ６で要求電力（Ｌreq）の増加率（Ｌreq/dt）が所定の上限電力増加率（dＬreq_LMT，本発明の上限要求値に相当する）を超えるのは、例えば空調機器６が作動を開始して電装補機での消費電力が増加したような場合である。

そして、このようにＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６の要件のいずれかが成立したときに、燃料電池２の発電を速やかに再開させることによって、アクセルペダル１３の操作に応じて速やかに走行モータ１０に対する電力供給を増加させ、ドライバビリティの向上を図ることができる。また、電気負荷からの要求電力に対して、電力供給が不足する状態となることを抑制することができる。

そこで、ＳＴＥＰ４０において、発電再開条件変更手段５２は、図４に示したように、基準閾値（Ｌstp）に対してヒステリシスの幅を通常値（hys_P1）よりも小さくして第２の下限電流値（＋hys）を設定する（＋hys＝Ｉstp＋hys_P2，hys_P2＜hys_P1）。図４は縦軸を目標出力電流（Ｉfc_CMD）を設定し横軸を時間（ｔ）に設定して、目標出力電流（Ｉfc_CMD）の変化をｆで示したグラフである。図４において、ヒステリシスの幅を通常値（hys_P1）よりも小さい値（hys_P2）に変更することにより、燃料電池２の目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第２の下限電流値（＋hys）を超える時点を早めることができる（ｔ₂₂→ｔ₂₁）。

また、次のＳＴＥＰ４１において、フィルタリング条件変更手段４３は、フィルタ４１の時定数（τ）を通常値（τl）よりも小さい値（τs）に設定する。これにより、目標出力電流（Ｉfc_CMD）の変動の抑制度合が緩和されるため、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第２の下限電流値（＋hys）を超えるまで増加し易くなる。例えば、図３（ｂ）を参照して、フィルタ４１によるフィルタリング処理を中止すると、目標出力電流（Ｉfc_CMD）の推移は図中ｅからｄに変化する。そして、これにより、低負荷停止状態において目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第２の下限電流値（＋hys）を超える時点を、フィルタリング処理を行った場合よりも早めることができる（ｔ₁₂→ｔ₁₁）。

また、ＳＴＥＰ４２は上限電流増加率変更手段４４による処理であり、上限電流増加率変更手段４４は、電流増加率リミッタ４２における上限電流増加率（dＩfc_LMT）を、通常値（dＩfc_ｏ）よりも大きい値（dＩfc_l）に設定する。これにより、目標出力電流（Ｉfc_CMD）の増加に対する抑制度合が緩和されて、低負荷停止状態において目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第２の下限電流値（＋hys）を超える時点を早めることができる。

一方、ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６のいずれの条件も成立しなかったときには、ＳＴＥＰ７に進む。ＳＴＥＰ７は発電再開条件変更手段５２による処理であり、発電再開条件変更手段５２は、基準閾値（Ｉstp）に対する第２の下限電流値（＋hys）の幅を通常値（hys_P1）とする。

また、ＳＴＥＰ８はフィルタリング条件変更手段４３による処理であり、フィルタリング条件変更手段４３は、ノイズ防止フィルタ４１の時定数（τ）を通常値（τl）に設定する。また、ＳＴＥＰ９は上限電流増加率変更手段４４による処理であり、上限電流増加率変更手段４４は、電流増加率リミッタ４２における上限電流増加率（dＩfc_LMT）を、通常値（dＩfc_ｏ）に設定する。

このように、ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６のいずれの条件も成立しなかったときには、燃料電池２の発電を再開させる必要性が少ないと判断できるため、第２の下限電流値（＋hys）、ノイズ防止フィルタ４１における時定数（τ）、及び電流増加率リミッタ４２における上限電流増加率（dＩfc_LMT）は、燃料電池２の安定作動のために設定された通常値に設定される。

次のＳＴＥＰ１０〜ＳＴＥＰ１１は発電停止制御手段５１による処理であり、ＳＴＥＰ１０で目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第２の下限電流値（＋hys）を超えたときに、ＳＴＥＰ１１に進んで、発電停止制御手段５１は燃料電池２の発電を再開させる。一方、ＳＴＥＰ１０で目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第２の下限電流値（＋hys）以下であったときには、ＳＴＥＰ１２に進み、発電停止制御手段５１は低負荷停止状態を維持して処理を終了する。

また、ＳＴＥＰ３で燃料電池２が低負荷停止状態でなかったときには、ＳＴＥＰ２０に分岐する。ＳＴＥＰ２０〜ＳＴＥＰ２１、及びＳＴＥＰ３０は発電停止条件変更手段５３による処理であり、ＳＴＥＰ２０でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）が所定の下限踏込み量（Ap_LML）以上であったときは、ＳＴＥＰ２１に進んで、発電停止条件変更手段５３は、図４を参照して、基準閾値（Ｉstp）に対してヒステリシスの幅を通常値（hys_M1）として第１の下限電流値（−hys）を設定する（−hys＝Ｉstp−hys_M1）。

一方、ＳＴＥＰ２０でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）が下限踏込み量（Ap_LML）未満であったときには、ＳＴＥＰ３０に分岐し、発電停止条件変更手段５３は、図４を参照して、基準閾値（Ｉstp）に対してヒステリシスの幅を通常値（hys_M1）よりも小さくして第１の下限電流値（−hys）を設定する（−hys＝Ｉstp−hys_M2，hys_M2＜hys_M1）。これにより、アクセルペダル１３の操作量が少なく、走行モータ１０に対する出力要求のレベルが低いと判断されるときに、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第１の下限電流値（−hys）以下となり易くしている。

続くＳＴＥＰ２２はフィルタリング条件変更手段４３による処理であり、フィルタリング条件変更手段４３は、ノイズ除去フィルタ４１における時定数（τ）を通常値（τl）に設定する。また、ＳＴＥＰ２３は上限電流増加率変更手段４４による処理であり、上限電流増加率変更手段４４は、電流増加率リミッタ４２における上限電流増加率（dＩfc_LMT）を通常値（dＩfc_o）に設定する。

続くＳＴＥＰ２４，ＳＴＥＰ２５は発電停止制御手段５１による処理であり、ＳＴＥＰ２４で目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第１の下限電流値（−hys）未満となったときに、ＳＴＥＰ２５に進んで、発電停止制御手段５１は燃料電池２の発電を停止する（低負荷停止状態）。また、ＳＴＥＰ２４で目標出力電流（Ｉfc_CMD）が第１の下限電流値（−hys）以上であるときは、ＳＴＥＰ１２に分岐し、発電停止制御手段５１は燃料電池２の発電を継続して処理を終了する。

なお、本実施の形態においては、ＳＴＥＰ４でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）が所定の上限踏込み量（Ap_LMU)を超えたとき、ＳＴＥＰ５でアクセルペダル１３の踏込み量（Ap）の増加率（dAp/dt）が所定の上限踏込み量増加率（dAp_LMT）を超えたとき、及びＳＴＥＰ６で要求電力（Ｌreq）の増加率（Ｌreq/dt）が所定の上限電力増加率（dＬreq_LMT）を超えたときに、ＳＴＥＰ４０に分岐して、ＳＴＥＰ４０〜ＳＴＥＰ４２の処理を実行したが、ＳＴＥＰ４〜ＳＴＥＰ６のうちのいずれか１つの条件のみ、或いはいずれか２つの条件のみを判断して、ＳＴＥＰ４０〜ＳＴＥＰ４２の処理を実行するか否かを決定するようにしてもよい。

また、ＳＴＥＰ４０における第２の下限電流値（＋hys）の変更処理、ＳＴＥＰ４１におけるノイズ防止フィルタ４１の時定数（τ）の変更処理、及びＳＴＥＰ４２における上限電流増加率（dＩfc_LMT）の変更処理とのうちのいずれか１つの処理のみ、或いはいずれか２つの処理のみを行うようにしてもよい。

また、本実施の形態では、基準閾値（Ｉstp）に対してヒステリシスを設けて第２の下限電流値（＋hys）と第１の下限電流値（−hys）とを設定したが、該ヒステリシスを設けずに、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が基準閾値（Ｉstp）未満となったときに燃料電池２の発電を停止し、目標出力電流（Ｉfc_CMD）が基準閾値（Ｉstp）を超えたときに燃料電池２の発電を再開する仕様として、上述した図５のＳＴＥＰ４１におけるノイズ防止フィルタ４１の時定数（τ）の変更処理とＳＴＥＰ４２における上限電流増加率（dＩfc_LMT）の変更処理とのうちの少なくともいずれか一方の処理を行う場合にも、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、走行モータ１０を備えた車両に搭載された燃料電池発電システムを示したが、本発明の実施形態はこれに限られず、燃料電池に対する目標出力電流に応じて燃料電池の発電停止と発電再開とを制御するシステムであれば、本発明の適用が可能である。

本発明の燃料電池発電システムの全体構成図。 電源管理制御部及び燃料電池制御部の制御ブロック図。 燃料電池発電システムの効率と燃料電池の低負荷停止処理を説明するためのグラフ。 燃料電池の発電再開条件の変更処理を説明するためのグラフ。 燃料電池の発電停止／再開処理のフローチャート。

符号の説明

１…燃料電池発電システム、２…燃料電池、３…電気二重層キャパシタ、４…コントローラ、５…モータ駆動装置、９…駆動制御部、１４…電源管理制御部、１６…燃料電池制御部、２１…反応ガス供給装置、３０…電圧変換ユニット、４０…目標出力電流算出手段、４１…ノイズ除去フィルタ、４２…電流増加率リミッタ、４３…フィルタリング条件変更手段、４４…上限電流増加率変更手段、５０…開回路電圧把握手段、５１…発電停止制御手段、５２…発電再開条件変更手段、５３…発電停止条件変更手段

Claims (4)

1. 燃料電池と、該燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、電気負荷からの要求電力に基づいて前記燃料電池の目標出力電流値を決定する目標出力電流決定手段と、該目標出力電流値に応じて前記燃料電池の発電量を制御する燃料電池制御手段と、該目標出力電流値が所定の第１の下限電流値未満となったときに、前記燃料電池の発電を停止して前記キャパシタのみにより電気負荷に電力を供給する低負荷停止状態とすると共に、該低負荷停止状態において所定の発電再開条件が成立したときに前記燃料電池の発電を再開させる発電停止制御手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記発電再開条件を、電気負荷に対する要求出力又は電気負荷からの要求電力に基づく要求値の大きさ又は増加率に応じて変更する発電再開条件変更手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 前記発電再開条件は、前記低負荷停止状態において該目標出力電流値が前記第１の下限電流値よりも大きい値に設定された第２の下限電流値を超えることであり、
   前記発電再開条件変更手段は、前記要求値の大きさが所定の上限要求値を超えたとき又は前記要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を超えたときに、前記第２の下限電流値を減少させることによって、前記発電再開条件を変更することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。
3. 燃料電池と、該燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、電気負荷からの要求電力に基づいて、前記燃料電池の出力電流の増加率が所定の上限電流増加率を超えないように前記燃料電池の目標出力電流値を決定する目標出力電流決定手段と、該目標出力電流値に応じて前記燃料電池の発電量を制御する燃料電池制御手段と、該目標出力電流値が所定の下限電流値未満となったときに、前記燃料電池の発電を停止して前記キャパシタのみにより電気負荷に電力を供給する低負荷停止状態とすると共に、該低負荷停止状態において該目標出力電流値が前記下限電流値を超えたときに前記燃料電池の発電を再開する発電停止制御手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記低負荷停止状態において、電気負荷に対する要求出力又は電気負荷からの要求電力に基づく要求値の大きさが所定の上限要求値を超えたとき又は該要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を超えたときに、前記上限電流増加率を高くする上限電流増加率変更手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
4. 燃料電池と、該燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、電気負荷からの要求電力に基づく前記燃料電池の目標出力電流値を、該目標出力電流値の変化を抑制するフィルタリング処理を行って決定する目標出力電流決定手段と、該目標出力電流値に応じて前記燃料電池の発電量を制御する燃料電池制御手段と、該目標出力電流値が所定の下限電流値未満となったときに、前記燃料電池の発電を停止して前記キャパシタのみにより電気負荷に電力を供給する低負荷停止状態とすると共に、該低負荷停止状態において該目標出力電流値が前記下限電流値を超えたときに前記燃料電池の発電を再開する発電停止制御手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
   前記低負荷停止状態において、電気負荷に対する要求出力又は電気負荷からの要求電力に基づく要求値の大きさが所定の上限要求値を越えたとき又は該要求値の増加率が所定の上限要求値増加率を越えたときに、前記フィルタリング処理における前記目標出力電流値の変化の抑制度合を緩和するフィルタリング条件変更手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。

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