JP2005302489A

JP2005302489A - 燃料電池システムの制御装置

Info

Publication number: JP2005302489A
Application number: JP2004115802A
Authority: JP
Inventors: Masaru Okamoto; 勝岡本
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-04-09
Filing date: 2004-04-09
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】燃料電池内の燃料ガス圧力の変動を防止すると共に、燃料ガス圧力を調整する機構に対するダメージを低減する。
【解決手段】水素圧力制御弁２４の開度を調整するに際して、オンオフ切替演算部１２１により、実燃料ガス圧力を目標燃料ガス圧力とするために、実燃料ガス圧力と目標燃料ガス圧力との圧力偏差の正負に応じて水素圧力制御弁２４の開度を演算すると共に、ＰＩ制御演算部１２２により、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差及びゲインパラメータを使用したゲイン演算を行って水素圧力制御弁２４の開度を演算する。そして、マイクロコンピュータ２は、オンオフ切替演算部１２１によって求めた開度とするように水素圧力制御弁２４を駆動させる制御と、ＰＩ制御演算部１２２によって求めた開度とするように水素圧力制御弁２４を駆動させる制御との間で変更する圧力偏差閾値を、燃料ガス供給状態の変化に応じて変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に水素や酸素を供給させて発電させる燃料電池システムにおいて、燃料電池への水素供給圧力を目標とする圧力に制御する燃料電池システムの制御装置に関する。

従来より、燃料電池に酸素を供給すると共に燃料ガスとしての水素ガスを供給して燃料電池を目標とする発電量で発電させる燃料電池システムの制御装置が知られている。この燃料電池システムの制御装置では、水素を貯蔵タンクから燃料電池に供給する場合、燃料電池の水素極入口に接続された流路に制御弁を設け、当該制御弁の開度を操作することにより水素極に流入する水素量を制御する。

通常、燃料電池システムの制御装置では、水素極入口の水素ガス圧力を、燃料電池の発電量に応じた目標水素ガス圧力に制御する。このように制御した場合、燃料電池で発電反応によって水素が消費されると、燃料電池内の水素ガス圧力が低下するので、制御弁を通過して燃料電池に流入する水素流量が増えるよう作用する。逆に、燃料電池で消費する水素が減少すると、燃料電池内の水素ガス圧力が増加するので、制御弁を通過して燃料電池に流入する水素ガス流量が減るように作用し、発電に使用する水素のみを供給できるようになる。

通常、制御弁には、開度を変更する制御信号をアクチュエータに供給しても開度が変化しない領域である不感帯や、目標とする開度変更量に対して実際の開度の変更量が少ないヒステリシス領域がある。このような不感帯やヒステリシスをもつ弁を使って、実際の水素ガス圧力を検出して、当該検出した水素ガス圧力を目標水素ガス圧力とする圧力フィードバック制御を行うと、目標水素ガス圧力を境とした正方向と負方向とで実際の水素ガス圧力が入れ替わる圧力ハンチングを引き起こす場合がある。

すなわち、制御弁の開度が不感帯やヒステリシス領域である場合には、制御弁に制御信号を供給しても開度が変更しないため燃料電池内の水素ガス圧力が変化しない。これに対し、フィードバック制御では、制御弁の開度が不感帯やヒステリシス領域である場合であっても、目標水素ガス圧力にしようとして制御演算を繰り返し、積分器の演算量を増加させてしまう。その結果、フィードバック制御器によって決定する制御弁の開度がある値を超えると、制御弁が急に動作して燃料電池内の水素ガス圧力も変動する。このとき、過剰になった積分器の演算量によって制御弁が開きすぎると燃料電池内の水素ガス圧力が増加し過ぎ、その後、水素ガス圧力をハンチングさせながら実際の水素ガス圧力を目標水素ガス圧力に収束させている。

これに対し、従来において、不感帯やハンチング領域がある制御対象を制御するに際して、実際の値を目標値にする有効な制御例としては、下記の特許文献１に記載された技術が知られている。この技術では、スライディングモード制御を採用している。

このスライディングモード制御は、目標値と実際の値との圧力偏差の符号に応じて、高速で制御則を切り替える制御であって、スライディングモード時には外乱に影響されないという特徴がある。
特開平７−１３３７３９号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術において、スライディングモード制御を継続し、制御弁開度の目標値に対して実際の制御弁開度値がハンチングすると、当該ハンチングに基づく制御則の高速切り替えに応答して制御弁が動作し続けるチャタリングが発生するので、制御弁に与える負担が大きくなり、制御弁にダメージを与える場合がある。

また、水素ガス圧力がハンチングするとシステム全体が不安定となるばかりでなく、燃料電池内で固体高分子電解質膜を挟んで設けられた空気極のガス圧力と水素極のガス圧力との差圧制限を超える場合や、目標とする発電量に対して水素ガスが不足する場合等のリスクが増大するという不具合をもたらす。

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池内の燃料ガス圧力の変動を防止すると共に、燃料電池や燃料ガス圧力を調整する機構に対するダメージを低減することができる燃料電池システムの制御装置を提供することを目的とする。

本発明では、燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電させるために、燃料ガスの圧力を調整する制御弁の開度を調整するに際して、第１演算手段により、燃料電池内の実燃料ガス圧力を、燃料電池に要求される発電電力に応じた目標燃料ガス圧力とするように、実燃料ガス圧力と目標燃料ガス圧力との圧力偏差の正負に応じて制御弁の開度を演算すると共に、第２演算手段により、燃料電池内の実燃料ガス圧力を、燃料電池に要求される発電電力に応じた目標燃料ガス圧力とするように、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差及びゲインパラメータを使用したゲイン演算を行って制御弁の開度を演算する。そして、制御演算変更手段は、第１演算手段によって求めた開度とするように制御弁を駆動させる制御と、第２演算手段によって求めた開度とするように制御弁を駆動させる制御との間で変更する圧力偏差閾値を、燃料電池への燃料ガス供給状態の変化に応じて変更することにより、上述の課題を解決する。

本発明に係る燃料電池システムの制御装置によれば、第１演算手段によって求めた開度とするように制御弁を駆動させる制御と、第２演算手段によって求めた開度とするように制御弁を駆動させる制御との間で変更する圧力偏差閾値を、燃料電池への燃料ガス供給状態の変化に応じて変更するので、第１演算手段と第２演算手段とを燃料電池への水素供給状態に応じて使い分けて実燃料ガス圧力を目標燃料ガス圧力とすることができる。

したがって、この燃料電池システムの制御装置によれば、第２演算手段によって制御弁の開度を制御している場合に実燃料ガス圧力がハンチングして差圧制限を超える前に第１演算手段に変更することができ、燃料電池へのダメージを防止することができる。また、この燃料電池システムの制御装置によれば、第１演算手段のみでは制御弁に与える負担が大きくダメージを与える可能性があるが、第１演算手段に代えて第２演算手段によって開度調整を行うことができるので、制御弁へのダメージを軽減することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。

［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、図１に示すように、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されることにより発電する燃料電池スタック１を備える。この燃料電池スタック１は、例えば、固体高分子電解質膜１１を挟んでカソード極１２とアノード極１３とを対設した燃料電池セル構造体を多孔質プレートからなる多孔質セパレータ１４で挟み込み、複数積層して構成されている。本例においては、燃料電池スタック１が発電反応を発生させるための燃料ガスとして水素ガスをアノード極１３に供給すると共に、酸化剤ガスとして酸素を含む空気をカソード極１２に供給する燃料電池システムについて説明する。なお、以下の説明においては、各燃料電池単セルにカソード極１２及びアノード極１３が存在し、全てのカソード極１２及びアノード極１３に空気及び水素ガスを供給する必要があるが、複数のカソード極１２及びアノード極１３を総称するときには、単に「カソード極１２」、「アノード極１３」と呼ぶ。

燃料電池スタック１は、水素ガス及び空気が供給されると、下記の式に示すような電極反応をアノード極１３及びカソード極１２で発生させて、発電電力を生成する。

アノード極：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
カソード極：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ
また、この燃料電池スタック１は、各多孔質セパレータ１４を純水極１５で挟み込み、一方の純水極１５にソリッドプレートセパレータ１６を介して冷却水流路１７が設けられている。

このような燃料電池システムは、燃料電池スタック１を発電させている時に、純水極１５に純水を供給することで、多孔質セパレータ１４を介してカソード極１２及びアノード極１３内のガスに水分を与え、当該ガスに与えられた水分により固体高分子電解質膜１１を湿潤状態に保持する。また、この燃料電池システムは、冷却水流路１７に冷却水を循環させることにより、燃料電池スタック１の温度を発電反応に適した温度に調整する。

この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１に空気を供給して排出する空気系、燃料電池スタック１に水素ガスを循環させる水素ガス系、燃料電池スタック１を加湿する加湿用純水を循環させる加湿用純水系、燃料電池スタック１の温度調整をする冷却水を循環させる冷却水系を備える。この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１の発電を制御するに際して、空気、水素ガス、加湿用純水、冷却水の各流体の流量及び圧力をマイクロコンピュータ２により制御する。

水素ガス系は、水素供給流路Ｌ１に、水素タンク２１、水素タンク元弁２２、減圧弁２３、水素圧力制御弁２４、エゼクタポンプ２５が設けられる。この水素ガス系は、燃料電池システムの通常運転時において、水素タンク２１に貯蔵した高圧水素を水素ガスとしてアノード極１３に導く。このとき、水素ガス系は、マイクロコンピュータ２により水素タンク元弁２２が開状態とされ、マイクロコンピュータ２の制御により動作する水素圧力制御部２７によって水素圧力制御弁２４の開度が調整される。これにより、水素ガスは、水素タンク２１から減圧弁２３に導かれ、当該減圧弁２３で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素圧力制御弁２４で燃料電池スタック１内の水素ガス圧力が所望の水素圧に制御される。

また、この水素ガス系は、減圧弁２３と水素圧力制御弁２４との間の水素供給流路Ｌ１に水素供給温度センサ２８が設けられ、アノード極１３の水素ガス入口の水素供給流路Ｌ１に水素圧力センサ２９及びアノード極１３入口の水素温度を検出する水素入口温度センサ３０が設けられている。そして、これらのセンサ２８〜３０により検出した検出値は、センサ信号としてマイクロコンピュータ２に読み込まれる。

更に、この水素ガス系は、アノード極１３の水素排出側に、アノード極１３から排出された水素ガスを再度アノード極１３に戻す水素循環流路Ｌ２が設けられて構成されている。この水素循環流路Ｌ２には、アノード極１３の水素ガス出口から分岐して、エゼクタポンプ２５に接続されている。これにより、水素ガス系は、アノード極１３で消費されなかった水素ガスを再度エゼクタポンプ２５からアノード極１３の水素ガス入口に戻す。

また、この水素循環流路Ｌ２には、エゼクタポンプ２５への接続部より上流側から分岐して、エゼクタポンプ２５の水素ガス下流側に接続されている分岐流路が設けられ、当該分岐流路に水素循環ポンプ２６が設けられている。この水素循環ポンプ２６は、エゼクタポンプ２５が水素タンク２１からの水素ガス流速によって水素循環流路Ｌ２から水素ガスを取り込んでアノード極１３の水素ガス入口に導く構成であるため、当該エゼクタポンプ２５で水素循環流路Ｌ２の水素ガスを取り込めないような作動領域において、駆動される。これにより、水素ガス系は、例えば水素タンク２１からアノード極１３に供給する必要がある水素ガス流量が少ない場合に、水素循環ポンプ２６を駆動して水素循環流路Ｌ２の水素ガスを確実にアノード極１３に循環させることができる。

このような水素ガス系に対し、マイクロコンピュータ２及び水素圧力制御部２７は、水素圧力センサ２９からのセンサ信号から実水素ガス圧力を読み込み、燃料電池スタック１内の実水素ガス圧力を目標水素ガス圧力とするように水素圧力制御弁２４の開度を調整することで、アノード極１３で消費した分量の水素ガスを自動的に補うようにする。なお、このマイクロコンピュータ２及び水素圧力制御部２７による水素圧力制御処理の処理手順については後述する。

更に、この水素ガス系は、アノード極１３内のガスをパージするためのパージ流路Ｌ３が設けられて構成されている。このパージ流路Ｌ３には、例えばマイクロコンピュータ２の制御に従って開閉するパージ弁３１、パージ弁３１を通過したガス流量を検出する流量センサ３２、及び外部に放出するガスの水素ガス濃度を希釈する希釈ブロア３３が設けられている。

この水素ガス系は、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に流れるガスの水素濃度が低下した場合に水素循環機能を確保するために、パージ弁３１を開状態にして蓄積した窒素等の不純物を排出する。また、マイクロコンピュータ２は、燃料電池スタック１のセル電圧を回復させるために、パージ弁３１を開状態にして水素循環流路Ｌ２等に蓄積した水詰まりを解消させる。また、マイクロコンピュータ２は、パージ弁３１を開状態とするのと略同時に希釈ブロア３３を駆動開始させ、パージ弁３１から排出されるガスの水素濃度が可燃濃度未満となるように空気で希釈させて、システム外に排出する。

このような水素ガス系は、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に定常的に水素ガスが流れるようになるように、後述の空気系により空気をカソード極１２に供給しない状態で、水素ガスのみをアノード極１３に供給するように制御される。

空気系は、カソード極１２の空気入口と接続された空気供給流路Ｌ４にコンプレッサ４１及び空気圧力センサ４２が設けられ、カソード極１２の空気出口と接続された空気排出流路Ｌ５に空気調圧弁４３が設けられて構成されている。

この空気系は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２によりコンプレッサ４１のコンプレッサモータ（図示せず）の回転数が制御され、外気を取り込んで圧縮空気としてカソード極１２の空気入口に導入する。このとき、マイクロコンピュータ２は、空気圧力センサ４２からのセンサ信号を読み込んでカソード極１２内の空気圧力を検出し、当該空気圧力を所望の圧力値とするように空気圧力制御部４４に指令を送り、当該空気圧力制御部４４により空気調圧弁４３の開度を調整する。これにより、カソード極１２は、空気に含まれる酸素を消費して発電反応を行い、消費されなかった空気を排出する。

このような空気系は、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に定常的に水素ガスが流れるようになるように、空気をカソード極１２に供給しない状態とされる。

加湿用純水系は、純水循環流路Ｌ６に、純水タンク５１、純水ポンプ５２、純水回収弁５３，５４，５５、純水シャット弁５６が設けられて構成されている。この加湿用純水系は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２により純水ポンプ５２の回転数及び純水回収弁５３，５４及び純水シャット弁５６が開状態となされることで、純水タンク５１に蓄積した加湿用純水を各純水極１５に送る。これにより、燃料電池スタック１内の空気及び水素ガスを加湿させて、固体高分子電解質膜１１を湿潤状態とする。このとき、マイクロコンピュータ２は、純水ポンプ５２の回転数を制御することにより、各純水極１５への加湿用純水流量を調整し、固体高分子電解質膜１１への加湿量を調整する。

また、この加湿用純水系は、燃料電池システムを停止する場合に、純水循環流路Ｌ６に残存している加湿用純水を回収するための純水回収部５７を備える。この純水回収部５７は、マイクロコンピュータ２からシステムを停止する指令が送られると、純水回収弁５３，５４，５５の開閉動作を制御することにより、純水循環流路Ｌ６にカソード極１２から排出された空気を導入し、純水循環流路Ｌ６及び純水極１５に存在する加湿用純水を空気圧により純水タンク５１に回収する。これは、加湿用純水が各純水極１５に残存したままシステムを停止状態にして放置し、システム周囲が氷点下雰囲気となった場合に、加湿用純水が膨張することによる燃料電池スタック１の劣化を防止するためである。

更に、燃料電池システムの起動時に、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３及び水素循環流路Ｌ２に定常的に水素ガスが流れるようになるように、後述の空気系により空気をカソード極１２に供給しない状態で、水素ガスのみがアノード極１３に供給する状態とされるが、この加湿用純水系は、加湿用純水を各純水極１５に供給しない状態とされ、更に、純水回収弁５４及び純水シャット弁５６が閉状態となされる。これにより、加湿用純水系は、アノード極１３から各純水極１５に水素ガスがリークすることを抑制する。また、加湿用純水系は、燃料電池システムの起動時に、固体高分子電解質膜１１の加湿量を増加させる場合に、マイクロコンピュータ２により各純水極１５に加湿用純水を循環させる。

なお、この燃料電池システムにおいては、カソード極１２内の空気圧力、アノード極１３内の水素ガス圧力、及び各純水極１５内の加湿用純水圧力が燃料電池スタック１の発電効率や水収支を考慮して設定され、更には、固体高分子電解質膜１１や各多孔質セパレータ１４に歪みを生じないように各圧力間の差圧が管理される。

冷却水系は、冷却水循環流路Ｌ７に、冷却水ポンプ６１、冷却水温度センサ６２、三方弁６３、ラジエタ６４及びラジエタファン６５が設けられて構成されている。また、この冷却水系は、三方弁６３によって冷却水循環流路Ｌ７から分岐して、冷却水ポンプ６１の上流側の冷却水循環流路Ｌ７と接続されたバイパス流路Ｌ８を備える。

この冷却水系は、燃料電池システムの通常運転時において、冷却水温度制御部６６により冷却水ポンプ６１の駆動量、三方弁６３の動作、ラジエタファン６５の駆動量が調整される。これにより、冷却水ポンプ６１から吐出された冷却水は、冷却水温度センサ６２で温度が検出され、燃料電池スタック１の温度を低くする場合にはラジエタファン６５の駆動量が増加され、三方弁６３のラジエタ６４側開口が開状態にされることにより、冷却水流路１７で熱交換された後に、ラジエタ６４で冷却される。また、燃料電池スタック１の温度を高くする場合には、三方弁６３のバイパス流路Ｌ８側開口が開状態とされ、冷却水流路１７で熱交換された冷却水をラジエタ６４からバイパスして再度冷却水流路１７に導入する。

更に、この燃料電池システムは、燃料電池スタック１の発電電力を取り出すパワーマネージャ７１、燃料電池スタック１の発電電圧を検出する電圧センサ７２及びカソード極１２内の酸素を消費させるための酸素消費部７３を備える。

パワーマネージャ７１は、例えばリレー回路やインバータ等からなり、カソード極１２の電極及びアノード極１３の電極に電気的に接続されている。このパワーマネージャ７１は、燃料電池システムの通常運転時において、マイクロコンピュータ２からの指令に従って燃料電池スタック１の発電電力を取り出し、当該発電電力を図示しない車両用駆動モータ等に供給する。

電圧センサ７２は、燃料電池スタック１の発電電圧を検出し、当該発電電圧がセンサ信号としてマイクロコンピュータ２に読み込まれる。このセンサ信号は、マイクロコンピュータ２により燃料電池スタック１の発電量を制御する場合や、燃料電池スタック１を構成する燃料電池単セルの状態を監視するために使用される。

酸素消費部７３は、燃料電池システムの起動時や停止時にカソード極１２内の酸素を消費するために発電した電力を消費する。この酸素消費部７３は、本例において、パワーマネージャ７１と接続されたダミー抵抗８１と開閉器８２とからなる。この酸素消費部７３は、マイクロコンピュータ２により開閉器８２が開状態（開放状態）とされている場合には、パワーマネージャ７１により取り込んだ発電電力をダミー抵抗８１で消費させず、マイクロコンピュータ２により開閉器８２が閉状態（導通状態）とされている場合には、パワーマネージャ７１により取り込んだ発電電力をダミー抵抗８１で消費させる。

このような酸素消費部７３は、燃料電池システムの起動時や停止時において、マイクロコンピュータ２により開閉器８２が閉状態とされ、各燃料電池単セルのアノード極１３の水素分布によって引き起こされるカソード触媒腐食劣化抑制のために使用される。

なお、酸素消費部７３は、ダミー抵抗８１として固定抵抗値のものを使用したが、可変抵抗にしてマイクロコンピュータ２により負荷制御可能としても良く、更には、直流電圧変換回路を備え、負荷電流を任意に制御可能なものであっても良く、更にはパワーマネージャ７１から取り出した電力を二次電池（図示せず）に充電する構成であっても良い。

マイクロコンピュータ２は、後述する燃料電池システムの起動処理等を行う手順を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）や、上述した各部とのインターフェース回路等からなる。このマイクロコンピュータ２は、例えば外部からの燃料電池システムの起動命令や停止命令、更には車両用駆動モータに要求される駆動トルクに従って、上述した各部を制御する。

［水素圧力制御処理］
つぎに、上述した燃料電池システムにおける燃料電池スタック１のアノード極１３内での水素圧力制御処理について説明する。

この水素圧力制御処理において、マイクロコンピュータ２は、実燃料ガス圧力を目標燃料ガス圧力とするために、水素圧力制御弁２４の開度を目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差の正負符号に応じてオンオフ的に制御するオンオフ切替演算（第１演算手段）によって求めると共に、水素圧力制御弁２４の開度をゲイン演算であるＰＩ演算（第２演算手段）によって求める。そして、マイクロコンピュータ２は、燃料電池スタック１の運転状態に相当する水素ガスの供給状態の変化に応じて、オンオフ切替演算によって求めた開度とするように水素圧力制御弁２４を駆動させる制御と、ＰＩ制御演算によって求めた開度とするように水素圧力制御弁２４を駆動させる制御との制御タイミングを変更する（制御演算変更手段）。

オンオフ切替演算は、下記の式１及び式２に示すような単位時間当たりの実燃料ガス圧力Ｐｃ［Ｐａ］が、目標水素ガス圧力となるように水素圧力制御弁２４の開度を決定する。ここで、式１におけるＲは気体定数［Ｎｍ／（ｋｇ＊Ｋ）］、γは比熱比（ポアソン定数）、Ｖｃ［ｍ^３］は水素供給流路Ｌ１やアノード極１３の容積、Ｐｓ［Ｐａ］は水素タンク２１の水素貯蔵圧力、Ｔｓ［Ｋ］は水素タンク２１出口における水素ガス温度であって水素供給温度センサ２８による検出値、Ｗｓ［ｍ^２］は水素圧力制御弁２４の開口面積、Ｃｓは水素圧力制御弁２４の流量係数、Ｔｃはアノード極１３の水素入口温度であって水素入口温度センサ３０の検出値、ｄは外乱要素である。

この上記式１における負荷消費水素量は、燃料電池スタック１の発電電圧を電圧センサ７２で検出した結果によって推定する燃料電池スタック１の水素消費量であり、パージ水素量は、流量センサ３２で検出される流量値である。また、消費水素量は、例えば０．０００００００１０３６４３という一定数である単位変換係数と、電圧センサ７２の検出値から求められる負荷電流と、燃料電池スタック１のセル数とを乗算することによって求めることが可能となる。更に、上記式２における関数ｆｒは、図３に示すように、０〜１の範囲で、水素タンク２１の水素貯蔵圧力Ｐｓによって変化する。

そして、マイクロコンピュータ２は、燃料電池スタック１の目標発電電力を決定して、当該目標発電電力に応じたアノード極１３の目標水素ガス圧力が決定されると、水素圧力制御弁２４の目標とする開口面積、当該開口面積とするための操作量Ｕを決定することになる。

このとき、マイクロコンピュータ２は、目標水素ガス圧力Ｐｍと実燃料ガス圧力Ｐｓとの圧力偏差σを定義するが、オンオフ切替演算、すなわちスライディングモード制御を行うためには、下記の式３に示す条件を満たすように制御則を決定する。

そして、実燃料ガス圧力Ｐｃが目標水素ガス圧力Ｐｍよりも高い場合には、正値である単位時間当たりの実燃料ガス圧力Ｐｃの変化から、下記の式５及び式６で定義される式４で示される水素圧力制御弁２４の操作量Ｗｓ（＝開度）を導出する。ここで、式５及び式６に示す各値は、実際に水素圧力制御弁２４の開度を決定するに際して検出された値を使用し、更に、式５におけるＧは、式７に示すように定義され、当該式７を満たす定数であって、燃料電池システムでの最大外乱、最小負荷消費水素量、最小パージ水素量を実験等によって求めておいて予め設定される値である。

更に、実燃料ガス圧力Ｐｃが目標水素ガス圧力Ｐｍよりも低い場合には、負値である単位時間当たりの実燃料ガス圧力Ｐｃの変化から、下記の式５及び式６で定義される式８で示される水素圧力制御弁２４の操作量Ｗｓ（＝開度）を導出する。なお、変数Ａ及びＢは、式５及び式６から求められる。

このオンオフ切替演算によって決定される水素圧力制御弁２４の開度Ｕは、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差σが所定値Ｅである場合の開度Ｕａ、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差σが所定値Ｅに対して正値（＞Ｅ）である場合の開度Ｕｂ、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差σが所定値Ｅに対して負値（＜Ｅ）である場合の開度Ｕｃから、
Ｕ＝Ｕａ（圧力偏差＝Ｅの場合）＋Ｕｂ（圧力偏差＞Ｅの場合）＋Ｕｃ（圧力偏差＜Ｅの場合）
で求められる。なお、このような開度Ｕの決定手法は、制御則を所定値Ｅに対する圧力偏差σの符号に応じて高速で切り替えるスライディングモード制御と呼ばれている。

ここで、開度Ｕａは、
Ｕａ＝Ｕａ’＋ＰＩ制御結果
とする。ここで、開度Ｕａ’は、通常のスライディングモード制御において、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差がない場合（圧力偏差＝０）に設定されている定数となる。

この上記式におけるＰＩ制御結果は、ＰＩ制御演算によって求められる。このＰＩ制御演算は、式４及び式８における定数Ｋを「１」とし、不確定な外乱ｄを保証するために、
ｄ＝ｋｐ×σ＋ｋｉ∫σｄｔ
とする。ここで、ｋｐは比例ゲインであり、ｋｉは積分ゲインであって、比例ゲインｋｐ及び積分ゲインｋｉは、ＰＩ演算ゲインパラメータとしてＰＩ制御演算の結果を修正するために変更される。

このようなＰＩ制御演算の結果が安定するためには、単位時間当たりの圧力偏差σのダイナミクスが安定するようにＰＩ演算ゲインパラメータを決定する必要があるが、当該ＰＩ演算ゲインパラメータは、線形システム制御理論を使用する。この線形システム制御理論によれば、
単位時間当たりのσ＝−（ｋｐ×σ）−（ｋｉ×ｚ）＋ｄ，ｚ＝∫σｄｔ
となる。ここで、変数である外乱ｄを圧力偏差σで表現するために変換するが、完全に不確定な外乱ｄが除去された時、（ｋｉ×ｚｒ）＝ｄなる関係となるので、当該関係を使用して上記単位時間当たりの圧力偏差σを整理すると、
単位時間当たりのσ＝−（ｋｐ×σ）−（ｋｉ×（ｚ−ｚｒ））＝−（ｋｐ×σ）＋（ｋｉ×ｅｚ），ｅｚ＝ｚｒ−ｚ，単位時間当たりのｅｚ＝−（単位時間当たりのｚ）＝−σ
となる。そして、当該単位時間当たりの圧力偏差σを行列式に整理すると、下記の式９に示すようになり、単位時間当たりの圧力偏差σのダイナミクスを求めることができる。ここで、圧力偏差σを安定させるためには、下記式９におけるＡｅの固有値の実数部が負値であればよく、線形システム制御理論におけるリアプノフ方程式を解くことにより解を求めることができる。

このようなオンオフ切替演算及びＰＩ制御演算を行うマイクロコンピュータ２では、所定値Ｅに対する圧力偏差σの正負の符号に応じて式４又は式８によってオンオフ切替演算を行って実燃料ガス圧力を目標燃料ガス圧力に近づけ、ＰＩ制御演算を行うことによって実燃料ガス圧力を目標燃料ガス圧力に維持する。

このとき、マイクロコンピュータ２は、ＰＩ制御演算を行っている場合、図４に示すように、圧力偏差σ＝０を中心とした圧力偏差閾値を高くしてσ１〜σ２の範囲Ｅを広くし、当該σ１〜σ２の範囲Ｅを圧力偏差σが超えた場合には、オンオフ切替演算に切り替える。また、マイクロコンピュータ２は、オンオフ切替演算を行っている場合、図５に示すように、圧力偏差閾値を低くしてσ１〜σ２の範囲Ｅを図４の場合と比較して狭くして、当該σ１〜σ２の範囲Ｅ以内に圧力偏差σがなった場合には、ＰＩ制御演算に切り替える。なお、当該σ１〜σ２の範囲Ｅは、後述するが、燃料電池スタック１の状態に応じて変更する。

これにより、オンオフ切替演算を行って水素圧力制御弁２４の開度制御を行う期間を限定し、オンオフ切替演算に代えてＰＩ制御演算を行う期間を長くする水素圧力制御処理を行う。

このようなマイクロコンピュータ２は、一構成例を図２に示すように、目標燃料ガス圧力と、水素圧力センサ２９の検出値である実燃料ガス圧力との圧力偏差σを加算器１１０により求め、当該圧力偏差σを制御演算変更部１２０に出力する。この制御演算変更部１２０は、オンオフ切替演算を行うオンオフ切替演算部１２１、ＰＩ制御演算を行うＰＩ制御演算部１２２及び演算切換部１２３からなる。

そして、制御演算変更部１２０では、圧力偏差σと圧力偏差閾値σ１〜σ２とを比較して、圧力偏差σが圧力偏差閾値σ１〜σ２に該当しない場合には、オンオフ切替演算部１２１で
Ｕ＝Ｕｂ（圧力偏差＞Ｅの場合）＋Ｕｃ（圧力偏差＜Ｅの場合）
なる演算を行って演算切換部１２３から開度制御信号を水素圧力制御弁２４に送る。一方、圧力偏差σが圧力偏差閾値σ１〜σ２に該当する場合には、ＰＩ制御演算部１２２で
Ｕ＝Ｕａ’＋ＰＩ制御結果
なる演算を行って演算切換部１２３から開度制御信号を水素圧力制御弁２４に送る。

［燃料電池システムの起動処理］
つぎに、上述した水素圧力制御処理を行う燃料電池システムの制御装置であるマイクロコンピュータ２の起動処理の処理手順について説明する。

この燃料電池システムの起動処理は、図６に示すように、マイクロコンピュータ２に例えば燃料電池スタック１の発電を開始する旨の命令が入力されることに応じて、ステップＳ１の処理を開始する。このステップＳ１では、燃料電池スタック１の起動時において燃料電池スタック１内で水素濃度が均一でないことに起因した燃料電池スタック１の劣化を抑制する起動劣化抑制処理を開始する。

このとき、マイクロコンピュータ２は、アノード極１３のみに水素ガスを供給開始するために、水素タンク元弁２２を開状態、パージ弁３１を開状態、希釈ブロア３３を駆動状態、水素循環ポンプ２６を駆動状態とする。

次に、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ２において、開閉器８２を閉状態とすることにより、パワーマネージャ７１とダミー抵抗８１とを導通状態とする。

次に、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ３において、マイクロコンピュータ２及び水素圧力制御部２７により、水素圧力制御弁２４を開状態とさせ、水素供給流路Ｌ１、水素循環流路Ｌ２及びパージ流路Ｌ３のガスを水素ガスに置換開始させる。一方、コンプレッサ４１を駆動させず、カソード極１２には空気を供給しない状態となっている。

ここで、パージ弁３１を開状態とすると共に希釈ブロア３３を駆動状態とするのは、水素タンク２１、水素供給流路Ｌ１、アノード極１３、パージ流路Ｌ３と通ずる水素ガス流路を確保するためである。また、水素循環ポンプ２６を駆動状態とすると共にエゼクタポンプ２５の水素循環流路Ｌ２側を開状態とするのは、アノード極１３内のガス流速を増加させるためである。これにより、水素ガスの供給開始時に短時間で水素ガス出口付近の燃料電池単セルまで水素ガスを到達させて、燃料電池スタック１内の水素分布を均一にさせるための動作を開始する。

また、システムの起動時には水素配管Ｌ１〜Ｌ３内、アノード極１３内には水素以外のガスが満ちている。これは、カソード極１２の空気が固体高分子電解質膜１１を通過してアノード極１３に滞留するためと、水素配管Ｌ１〜Ｌ３や継ぎ手や各弁などの隙間から空気が混入するためである。

したがって、水素濃度が高い水素ガスの供給を開始した直後では、燃料電池スタック１の水素ガス入口側のアノード極１３の水素ガス濃度が、水素ガス出口側のアノード極１３の水素ガス濃度よりも高い水素リッチ状態となっており、燃料電池スタック１の全体でみるとアノード極１３内で水素分布勾配を生じている状態となっている。このとき、水素ガス出口側のアノード極１３では、プロトンが不足し、このプロトン不足を補うためカソード極１２側ではカソード触媒を支持しているカーボン材とＨ_２Ｏとが反応する触媒腐食劣化反応が発生する。この触媒腐食劣化反応が進行すると、カソード触媒の有効面積が減少する。また、プロトンが不足している各燃料電池単セルの水素ガス出口側では、水素ガス入口側に比べて電位が上昇し、この電位上昇が腐食劣化反応を引き起こすエネルギとして作用する。

これに対し、この燃料電池システムの起動処理は、ステップＳ２において、ダミー抵抗８１とカソード極１２及びアノード極１３とを電気的に接続したので、ダミー抵抗８１に燃料電池スタック１からの電流を流すことにより燃料電池スタック１の電圧を低下させて、カソード極１２での触媒腐食劣化を引き起こすエネルギを減少させて触媒腐食劣化反応を抑制する。

また、ステップＳ３において、マイクロコンピュータ２は、圧力偏差σの符号に基づいて制御則をオンオフ的に切り替えて、目標燃料ガス圧力に対する実燃料ガス圧力の圧力偏差σを「０」に近づけるオンオフ切替演算によって水素圧力制御弁２４の開度調整を行って、アノード極１３入口における圧力制御を開始する。

ここで、マイクロコンピュータ２は、劣化抑制処理の実行中においては、劣化反応が促進しないように発電電圧を所定の管理電圧値以下とする。また、アノード極１３内の水素濃度を短時間で高くして起動時間を短縮するためにできるだけ多くの水素を供給するが、カソード極１２−アノード極１３の差圧制限を維持する。すなわち、空気供給をしない状態なのでカソード極１２は大気圧であるので、アノード極１３の圧力を差圧制限上限値に設定する。

このような時に実水素ガス圧力がハンチングすると、カソード極１２とアノード極１３との差圧制限を超えてしまい燃料電池スタック１にダメージを与えてしまうが、これに対し、マイクロコンピュータ２では、オンオフ切替演算に応じた水素圧力制御弁２４の開度制御を行って、水素ガス圧力のハンチングを防止して差圧制限を超えないようにする。

また、起動時においてＰＩ制御演算でなく、オンオフ切替演算を行うのは、起動時においては水素圧力制御弁２４を全閉状態から制御を開始することになり、水素圧力制御弁２４の不感帯が原因でＰＩ制御演算ではハンチングを起こしやすくなることによる。なお、水素圧力制御弁２４の不感帯においてＰＩ制御演算を行うと、水素圧力制御弁２４に開度制御信号を送出しても水素圧力制御弁２４の開度が変化せず、このため、水素は供給されないのでアノード極１３入口の水素ガス圧力も上昇しない。この状態でアノード極１３入口の水素ガス圧力を目標水素ガス圧力にしようとＰＩ演算を続けるためＰＩ演算の積分制御量（ＰＩのＩ）が過剰になり、結果として開度制御信号が過大になり、水素圧力制御弁２４の不感帯を脱出して水素圧力制御弁２４が開いたとき過剰な開度となってしまう。この結果、アノード極１３入口の実燃料ガス圧力が過剰に高くなり、当該実燃料ガス圧力を目標燃料ガス圧力に修正しようとしてＰＩ演算が作用してハンチングしながら収束するようになるためである。

更に、劣化抑制処理の開始時には発電をほとんどしないので、燃料電池スタック１で消費する水素量が少ない。このような状態で、アノード極１３入口の実燃料ガス圧力を目標燃料ガス圧力にするためには、水素圧力制御弁２４の開度が小さくなり、水素圧力制御弁２４のヒステリシスの影響を受けてハンチングを引き起こしやすくなる。アノード極１３入口に設けた制御弁は水素遮断性能を確保するために弁可動部の静止時の摩擦が非常に大きい特徴があり（弁の不感帯の原因）、低開度領域ではヒステリシスも大きくなる特徴がありハンチング助長する。

したがって、マイクロコンピュータ２では、オンオフ切替演算によって水素圧力制御弁２４の開度を決定することにより、ハンチングを防止し、カソード極１２とアノード極１３との差圧制限が超えることを防止する。

また、このステップＳ３において、マイクロコンピュータ２は、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更する圧力偏差閾値を図７に示す関係から決定する。このとき、水素圧力制御部２７は、燃料電池スタック１の起動直後であるので、圧力偏差閾値を最も小さい所定値ＳＳとする。

ここで、ステップＳ３〜ステップＳ５までの間において、オンオフ切替演算とＰＩ制御演算とを変更する場合があるが、これは、圧力偏差σが所定値ＳＳ以下か否かを判定し、そうである場合にはオンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更し、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更するための圧力偏差閾値を所定値Ｍ（図７参照）に設定する。一方、圧力偏差σが所定値ＳＳ以下でない場合には、アノード極１３の圧力偏差σが所定値Ｍ以上か否かを判定し、圧力偏差σ所定値Ｍ以上である場合にはＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する。

また、ステップＳ３の次のステップＳ４において、マイクロコンピュータ２は、ダミー抵抗２６を接続している劣化抑制処理を終了するタイミングを判断する。このとき、マイクロコンピュータ２は、電圧センサ７２の検出値が所定電圧（例えば１０Ｖ）以下の状態が所定時間（例えば３０秒）を経過した場合には、劣化抑制処理を終了すると判定してステップＳ５に処理を進め、そうでない場合にはステップＳ１からの処理を継続する。

次のステップＳ５において、マイクロコンピュータ２は、開閉器８２を開状態とすることによりダミー抵抗８１をパワーマネージャ７１に対して遮断して、劣化抑制処理を終了する。また、このステップＳ５において、マイクロコンピュータ２は、カソード極１２に空気を供給するようにコンプレッサ４１を制御して、燃料電池スタック１の発電を開始させる。このとき、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ４での条件を満たした後に、アノード極１３内の水素濃度が十分な値となるまでの所定期間の後に、空気の供給を開始することにより、駆動モータなどの負荷を燃料電池スタック１に接続した時の水素不足を回避する。

次に、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ６において、起動終了フラグをセットして通常発電状態に移行し、次にマイクロコンピュータ２は、ステップＳ７において、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を所定値Ｍに設定して、ステップＳ８に処理を進める。

ステップＳ８において、マイクロコンピュータ２は、燃料電池スタック１に要求される発電電力に応じて燃料電池スタック１を発電させて駆動モータ等の負荷に供給する通常発電を行わせる。このような通常発電状態でアノード極１３入口の実燃料ガス圧力がハンチングする場合がある。これは、パージ弁３１の開度操作や水素循環ポンプ２６の駆動量操作による外乱や経年変化や運転状態、運転環境変化等によるプラント特性変化によりＰＩ演算ゲインパラメータが適当でなくなることによる。

これに対し、マイクロコンピュータ２は、図８に示す処理を行うことにより、アノード極１３入口の実燃料ガス圧力がハンチングすることによって水素不足の可能性が増大すると共に、カソード極１２とアノード極１３との差圧制限を超えて燃料電池スタック１にダメージを与える場合を回避する。

この処理は、図８のステップＳ１１において、マイクロコンピュータ２により、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に切り替えるための圧力偏差閾値を設定する。このとき、マイクロコンピュータ２は、図９に示す処理を行う。

この図９に示す処理において、マイクロコンピュータ２は、ステップＳ２１において、負荷変化幅の予定値、すなわち次に燃料電池スタック１に要求される発電電力と、現在の発電電力との差が所定幅ΔＬ以上か否かを判定する。このとき、マイクロコンピュータ２は、駆動モータ等の負荷が要求する電力の変化分を調べる。

ここで、負荷が高くなった場合には、アノード極１３の水素不足緩和及び燃料電池スタック１の発電効率を低下を抑制するために、水素循環ポンプ２６の回転数を増加させて単位時間あたりにアノード極１３を通過する水素流量を増加させて、水素ストイキ比を増加させる。逆に、負荷が低い場合には、水素循環ポンプ２６の回転数を低減して余分な水素を消費しないようにする。このため、負荷変化に応じて水素循環ポンプ２６の回転数の変化が生じ、水素循環ポンプ２６の回転数の変化が大きいと、アノード極１３入口の実燃料ガス圧力の外乱として作用してハンチングを引き起こす要因になる。このため、ステップＳ２１では、負荷変化幅の予定値が所定幅ΔＬ以上である場合に、水素循環ポンプ２６の回転数の変化が大きくアノード極１３入口の実燃料ガス圧力に外乱として作用すると判断する。

そして、負荷変化幅の予定値が所定幅ΔＬ以上であると判定した場合には、ステップＳ２２において、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を所定値Ｓに設定し、次のステップＳ２３において、水素循環ポンプ２６の回転数の変更を許可し、更には負荷の変更を許可して、図８のステップＳ１２に処理を進める。

一方、負荷変化幅の予定値が所定幅ΔＬ以上でないと判定した場合には、ステップＳ２４において、パージ弁３１を閉状態から開状態に変更するタイミングか否かを判定する。このとき、マイクロコンピュータ２は、前回にパージ弁３１を閉状態とした時刻からのタイマのカウント値が所定値となった場合に、パージ弁３１を閉状態から開状態にするタイミングであると判定する。なお、本例では、パージ弁３１の閉状態がＴ１秒（例えば１０秒）以上経過した場合に、パージ弁３１をＴ２秒（例えば１秒）開状態にするように設定されている。

ここで、パージ弁３１を閉状態から開状態にすると、水素供給流路Ｌ１、水素循環流路Ｌ２及びパージ流路Ｌ３の水素ガスに対する圧損が変化してアノード極１３入口の実燃料ガス圧力に外乱として作用してハンチングの要因となる。このため、パージ弁３１を閉状態から開状態とするタイミングである場合に、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を低く設定することにより、実燃料ガス圧力のハンチングが小さい段階でオンオフ切替演算に変更して、大きなハンチングを防止するようにしている。

そして、パージ弁３１を開状態にするタイミングであると判定した場合には、ステップＳ２５において、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を所定値Ｓに設定し、ステップＳ２６において、パージ弁３１を開状態とする動作を許可して、図８のステップＳ１２に処理を進める。

一方、パージ弁３１を開状態にするタイミングではないと判定した場合には、ステップＳ２７において、パージ弁３１を開状態から閉状態にするタイミングであるか否かを判定する。このとき、マイクロコンピュータ２は、前回にパージ弁３１を開状態とした時刻からのタイマのカウント値が所定値（例えば１秒）となった場合に、パージ弁３１を開状態から閉状態にするタイミングであると判定する。

ここで、パージ弁３１を開状態から閉状態にすると、各流路Ｌ１〜Ｌ３の水素ガスに対する圧損が変化してアノード極１３入口の実燃料ガス圧力に外乱として作用してハンチングの要因となるが、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を低く設定することにより、実燃料ガス圧力のハンチングが小さい段階でオンオフ切替演算に変更して、大きなハンチングを防止するようにしている。

そして、パージ弁３１を閉状態にするタイミングであると判定した場合には、ステップＳ２８において、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を所定値Ｓに設定し、ステップＳ２９において、パージ弁３１を閉状態とする動作を許可して、図８のステップＳ１２に処理を進める。

一方、パージ弁３１を閉状態にするタイミングではないと判定した場合には、ステップＳ３０に処理を進め、ＰＩ制御からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を所定値Ｍ（初期値）に設定して、図８のステップＳ１２に処理を進める。

このように、ステップＳ２１、ステップＳ２４及びステップＳ２７の条件を満たした場合であって、実燃料ガス圧力に外乱として作用する可能性がある場合には、圧力偏差閾値を小さくして、ＰＩ制御演算に代えてオンオフ切替演算を実行させやすくすることにより、ＰＩ制御演算を優先しつつ、ハンチングを防止するためのオンオフ切替演算を限定するようにしている。これにより、オンオフ切替演算の高速制御則切り替えによって、アノード極１３入口の水素圧力制御弁２４が高速に動作してダメージを受けるのを防止するようにでき、かつ実燃料ガス圧力のハンチングを防止してアノード極１３−カソード極１２の差圧制限を超えないようにして燃料電池スタック１へのダメージを防止することができるようになる。

図８のステップＳ１２において、マイクロコンピュータ２は、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力の圧力偏差の絶対値が、ステップＳ１１で設定したＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値を超えたか否かを判定する。そして、圧力偏差の絶対値が圧力偏差閾値を超えた場合にはステップＳ１３に処理を進め、そうでない場合にはステップＳ１８で前回の制御（ＰＩ制御演算又はオンオフ切替演算）を継続させる。

次にマイクロコンピュータ２は、ステップＳ１３において、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更し、ステップＳ１４において、オンオフ切替演算の実行中にＰＩ制御演算に使用するゲインパラメータの変更を行う。これは、ＰＩ演算の実行中に比例ゲイン及び積分ゲインのゲインパラメータの変更を行うと、ゲインパラメータ変更自体が制御系の外乱として作用して、アノード極１３入口の実燃料ガス圧力のハンチングの要因となるためである。

次にマイクロコンピュータ２は、ステップＳ１５において、目標燃料ガス圧力実燃料ガス圧力の圧力偏差の絶対値が、ステップＳ２３，ステップＳ２６又はステップＳ２９で設定した圧力偏差閾値Ｓよりも小さい圧力偏差閾値ＳＳ以下となったか否かを判定する。そして、圧力偏差の絶対値が圧力偏差閾値ＳＳ以下ではないと判定した場合には、オンオフ切替演算を継続させるために図６のステップＳ９に処理を進め、圧力偏差の絶対値が圧力偏差閾値ＳＳ以下であると判定した場合には、ステップＳ１６に処理を進める。

次にマイクロコンピュータ２は、ステップＳ１６において、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更し、ステップＳ１７において、圧力偏差閾値を所定値Ｍ（初期値）に設定して、図６のステップＳ９に処理を進める。このように、ステップＳ１５において、圧力偏差閾値Ｓよりも範囲が狭い圧力偏差閾値ＳＳ以下となった場合に、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更するようにしたので、ＰＩ制御演算とオンオフ切替演算との変更が頻繁に起きないようにしている。

このとき、マイクロコンピュータ２は、急にオンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更すると、急激に水素圧力制御弁２４の開度を変更する必要があり、圧力変動を招く場合があるので、滑らかに切り替えるようにした。これは、圧力偏差が閾値ＳＳ以下の小さい値になってからオンオフ切替演算からＰＩ制御演算に切り替えるようにしているが、ＰＩ制御演算の積分演算が過去の演算結果に依存するので、水素圧力制御弁２４の開度変更量と、それまでオンオフ切替演算で演算していた開度変更量とが異なる場合があることによる。

これに対し、マイクロコンピュータ２は、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更する時に、オンオフ切替演算及びＰＩ制御演算を同時に行って所定の変化率でオンオフ切替演算の出力比率を０％に低減すると共に、逆に、所定の変化率でＰＩ制御演算の出力比率１００％になるようにする。または、マイクロコンピュータ２は、オンオフ切替演算の出力とＰＩ制御演算の出力との圧力偏差が所定値以下になった時に、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更するようにしても良い。なお、オンオフ切替演算とＰＩ制御演算との間で演算が変更した時に外乱となってしまうことが考えられるが、これを防止する方策については既にいくつかの公知例があり、例えばIEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL.48, NO.1, FEBRUALY, 2001に示された手法を使用しても良い。

次にマイクロコンピュータ２は、図６のステップＳ９において、システム停止要求があるか否かを判定し、ない場合にはステップＳ８の通常発電を継続し、あった場合には、ステップＳ９においてシステムを停止する。

このステップＳ９において、マイクロコンピュータ２は、次に燃料電池スタック１の発電を開始するに際して、水素圧力制御弁２４が全閉であること及びオンオフ切替演算を行うことを条件としているので、水素圧力制御弁２４の開度を全閉とすると共に、オンオフ切替演算を行う設定を行うことになる。

［実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本発明を適用した燃料電池システムによれば、水素ガスを燃料電池スタック１に供給して発電させる場合に、水素圧力制御弁２４の開度を制御するに際して、オンオフ切替演算とＰＩ制御演算との双方を行って、オンオフ切替演算とＰＩ制御演算とを切り替える圧力偏差閾値を変更することができるので、オンオフ切替演算とＰＩ制御演算とを燃料電池スタック１への水素供給状態に応じて使い分けて実水素ガス圧力を目標水素ガス圧力とすることができる。

したがって、この燃料電池システムによれば、ＰＩ制御演算によって水素圧力制御弁２４の開度を制御している場合に実水素ガス圧力がハンチングしてカソード極１２とアノード極１３との差圧が制限を超える前にオンオフ切替演算に変更することができ、燃料電池スタック１へのダメージを防止することができる。また、この燃料電池システムによれば、オンオフ切替演算のみでは水素圧力制御弁２４に与える負担が大きくダメージを与える可能性があるが、オンオフ切替演算に代えてＰＩ制御演算を行うことができるので、水素圧力制御弁２４へのダメージを軽減することができる。

また、この燃料電池システムによれば、図８で説明したように、ＰＩ制御演算を行っている場合に、圧力偏差が圧力偏差閾値を超えたら、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に移行させ、当該オンオフ切替演算を行っている間にＰＩ制御演算のゲイン演算で使用するゲインパラメータを変更し、圧力偏差が圧力偏差閾値ＳＳよりも小さくなった場合に、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に移行させるので、ゲインパラメータが不適当となって圧力偏差やハンチングを生じた時にオンオフ切替演算を行って圧力偏差をなくすように制御することができる。また、ＰＩ制御演算を行っている時にゲインパラメータを変更すると、パラメータ変更自体が外乱となってハンチングを起こす場合があるが、オンオフ切替演算に切り替えて外乱を防止しつつ圧力偏差をなくすことができる。更に、ゲインパラメータを変更した後には圧力偏差閾値ＳＳとするので、ＰＩ制御演算とオンオフ切替演算との切替が頻繁に起こることを防止することができ、オンオフ切替演算を実行する期間を限定して水素圧力制御弁２４に与える負担を軽減することができる。

更に、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の起動時に劣化抑制処理（ＶＬＤ起動時）を行っている時に、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更する圧力偏差閾値をＳＳとするので、ＰＩ制御演算を行っていて圧力偏差が大きくなった時に、オンオフ切替演算で水素圧力制御弁２４の開度を制御する時間を長くすることができる。したがって、燃料電池スタック１の起動時に劣化抑制処理をできるだけ短時間とするために水素ガス流量を高くしていて、カソード極１２とアノード極１３との差圧が制限に近づいていても、実水素ガス圧力をハンチングさせることを防止して、燃料電池スタック１のダメージを抑制することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、図９で説明したように、燃料電池スタック１の発電電力を高くするために水素循環量を増加させる前に、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に変更するための圧力偏差閾値を小さく変更するので、水素循環ポンプ２６のオンオフ及び回転数の変更、又はエゼクタポンプ２５のオンオフによって循環量が変化した場合に、外乱として実水素ガス圧力が変化してカソード極１２とアノード極１３との差圧制限を超えることを防止することができる。また、オンオフ切替演算がＰＩ制御演算と比較して外乱を受けにくいという特徴を利用して、オンオフ切替演算を行う期間を長くすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、図９で説明したように、パージ弁３１の開度を変更する前にＰＩ制御演算からオンオフ切替演算とするための圧力偏差閾値を小さくするので、パージ弁３１を開閉することによって外乱として実水素ガス圧力が変化してカソード極１２とアノード極１３との差圧制限を超えることを防止することができる。また、オンオフ切替演算がＰＩ制御演算と比較して外乱を受けにくいという特徴を利用して、オンオフ切替演算を行う期間を長くすることができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に変更するに際して、オンオフ切替演算によって求めた開度を所定の変化率で減少させた開度と、ＰＩ制御演算によって求めた開度を前記所定の変化率で増加させた開度とを加算した開度とするように水素圧力制御弁２４を駆動させるので、オンオフ切替演算の出力を１００％から０％まで徐々に減少して、ＰＩ制御演算の出力を０％から１００％まで徐々に増加してなめらかに演算を切り替えることができ、演算切り替え時に圧力変動が生じることを防止することができる。これは、オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に切り替える時には、圧力偏差が圧力偏差閾値ＳＳの小さい値になってからとしているが、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に切り替える時には、圧力偏差閾値ＳＳよりも高い圧力偏差閾値となっている場合があり、ＰＩ制御演算の出力とオンオフ切替演算の出力とが異なる場合があるが、急な開度変更をなくして滑らかに開度を変更することができる。

更にまた、この燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１への水素ガスの供給を停止する場合に水素圧力制御弁２４を全閉状態とした後に、燃料電池スタック１への水素ガスの供給を開始する場合には、オンオフ切替演算によって求めた開度とするように水素圧力制御弁２４を駆動させる制御を行わせるので、水素圧力制御弁２４に不感帯やヒステリシスがある場合であっても、ＰＩ制御演算ではなくオンオフ切替演算を行って、ＰＩ制御演算を行うことによる開度のハンチングを防止することができる。

なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

本発明を適用したマイクロコンピュータを備えた燃料電池システムの構成を示すブロック図である。本発明を適用したマイクロコンピュータの機能的な構成を示すブロック図である。関数ｆｒの変化を示す図である。ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に切替を行う場合の圧力偏差閾値について説明するための図である。オンオフ切替演算からＰＩ制御演算に切替を行う場合の圧力偏差閾値について説明するための図である。本発明を適用したマイクロコンピュータによる水素圧力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。圧力偏差閾値の設定を説明するための図である。本発明を適用したマイクロコンピュータによる通常時における水素圧力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。本発明を適用したマイクロコンピュータによる通常時の水素圧力制御処理において、ＰＩ制御演算からオンオフ切替演算に切り替える圧力偏差閾値を設定する処理のの処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池スタック
２マイクロコンピュータ
１１固体高分子電解質膜
１２カソード極
１３アノード極
１４多孔質セパレータ
１５純水極
１６ソリッドプレートセパレータ
１７冷却水流路
２１水素タンク
２２水素タンク元弁
２３減圧弁
２４水素圧力制御弁
２５エゼクタポンプ
２６水素循環ポンプ
２７水素圧力制御部
２８水素供給温度センサ
２９水素圧力センサ
３０水素入口温度センサ
３１パージ弁
３２流量センサ
３３希釈ブロア
４１コンプレッサ
４２空気圧力センサ
４３空気調圧弁
４４空気圧力制御部
５１純水タンク
５２純水ポンプ
５３，５４，５５純水回収弁
５６純水シャット弁
５７純水回収部
６１冷却水ポンプ
６２冷却水温度センサ
６３三方弁
６４ラジエタ
６５ラジエタファン
６６冷却水温度制御部
７１パワーマネージャ
７２電圧センサ
７３酸素消費部
８１ダミー抵抗
８２開閉器
１１０加算器
１２０制御演算変更部
１２１オンオフ切替演算部
１２２ＰＩ制御演算部
１２３演算切換部

Claims

燃料ガス及び酸化剤ガスを燃料電池に供給して発電させる場合に、前記燃料ガスの圧力を調整する制御弁の開度を調整する燃料電池システムの制御装置において、
前記燃料電池内の実燃料ガス圧力を、前記燃料電池に要求される発電電力に応じた目標燃料ガス圧力とするように、前記実燃料ガス圧力と前記目標燃料ガス圧力との圧力偏差の正負に応じて、前記制御弁の開度を演算する第１演算手段と、
前記燃料電池内の実燃料ガス圧力を、前記燃料電池に要求される発電電力に応じた目標燃料ガス圧力とするように、目標燃料ガス圧力と実燃料ガス圧力との圧力偏差及びゲインパラメータを使用したゲイン演算を行って、前記制御弁の開度を演算する第２演算手段と、
前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御と、前記第２演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御との間で変更する圧力偏差閾値を、前記燃料電池への燃料ガス供給状態の変化に応じて変更する制御演算変更手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
前記制御演算変更手段は、
前記第２演算手段によって求めた開度に前記制御弁を制御している場合に、圧力偏差が第１圧力偏差閾値を超えた場合に、前記第２演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御から、前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御に移行させ、
前記第１演算手段によって求めた開度に前記制御弁を制御している場合に、前記第２演算手段のゲイン演算で使用するゲインパラメータを変更し、圧力偏差が前記第１圧力偏差閾値よりも小さい第２圧力偏差閾値以内となった場合に、前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御から、前記第２演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御に移行させること
を特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記制御演算変更手段は、前記燃料電池に燃料ガスを供給開始した時であって、前記燃料電池で発電した電力を消費させている時に、前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御から、前記第２演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御に変更する圧力偏差閾値を前記第１圧力偏差閾値よりも小さく変更することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記制御演算変更手段は、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池に循環させる燃料循環手段による燃料ガス循環量を変更する前に、前記第２演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御から、前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御に変更するための圧力偏差閾値を第１圧力偏差閾値より小さく変更することを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記制御演算変更手段は、前記燃料電池から排出された燃料ガスを外部に排出するパージ流量制御弁の開度を変更する前に、前記第２演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御から、前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御に変更するための圧力偏差閾値を第１圧力偏差閾値より小さく変更することを特徴とする請求項２〜請求項４の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。
前記制御演算変更手段は、前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御から、前記第２演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御に変更するに際して、前記第１演算手段によって求めた開度を所定の変化率で減少させた開度と、前記第２演算手段によって求めた開度を前記所定の変化率で増加させた開度とを加算した開度とするように前記制御弁を駆動させることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。
前記制御演算変更手段は、前記燃料電池への燃料ガスの供給を停止する場合に前記制御弁を全閉状態とした後に、前記燃料電池への燃料ガスの供給を開始する場合には、前記第１演算手段によって求めた開度とするように前記制御弁を駆動させる制御を行わせることを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の燃料電池システムの制御装置。