JP2006156165A - 燃料電池システムの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックから電力を取り出す際の電流値を変えることによって、燃料ガスの圧力を早く下げる燃料電池システムの制御装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池スタックに要求される発電量を検知する要求発電量検知部３１と、要求発電量検知部３１が検知する発電量を燃料電池スタックが発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値を演算する圧力制御演算部３２と、圧力制御演算部３２が演算する酸化剤ガスの圧力値に基づいて酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤極圧力制御部３３と、酸化剤極圧力制御部３３が酸化剤ガスの圧力を下げる場合、酸化剤ガスの圧力又は圧力制御演算部３２が演算する酸化剤ガスの圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタックから取り出す電流量を決定する取り出し電流制御部３４とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システムの制御装置及び制御方法に関し、特に、燃料電池スタックへの要求発電量が変化した際の燃料電池システムの制御技術に関する。

燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料のもつ化学エネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。その変換効率は非常に高いため、燃料電池の利用用途は広く、モータを備えた自動車のエネルギ供給源としても利用されている。

燃料電池の発電量を増加させるためには、単電池を数多く積層させる方法がある。しかし、自動車などでは搭載スペースが限られているため、単電池の数を増やすことに限界がある。したがって発電量を増加させるためには、単電池あたりの変換効率を高める必要があり、燃料ガスと酸化剤ガスを高圧化して燃料電池に供給することにより、発電量を増加することができる。

酸化剤ガスを燃料電池へ高圧化して供給するためには、コンプレッサなどを用いて空気を加圧する。燃料電池への要求発電量が高い状態から低い状態へ遷移した場合には、燃料電池内への空気供給量を少なくし、空気の圧力を下げる。これによりコンプレッサの消費電力を下げることができる。しかし、燃料ガスは、その利用率を上げるために、燃料電池の出口からの排ガスを燃料電池の入口へ循環させて利用する。したがって、燃料ガス極側は密閉状態であり、燃料ガスの圧力を下げようとしても、燃料ガスの量を減らさない限り圧力を下げることができない。そこで、燃料極と酸化剤極との圧力差を所定圧以内に保つために、コンプレッサを動かして酸化剤極側の圧力を上げている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、コンプレッサを動かすことにより、消費電力が増加してしまうため、実際に燃料電池から取り出して利用できる電力に比べ、発電に要する電力が高くなってしまう。よって燃料極側の圧力を早く下げるために、燃料極内のガスを外部に排出する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２１７６３１号公報 特開２００３−１０９６２７号公報

しかし、特許文献２に開示された方法では、燃料極内のガスを外部に放出する際に、燃料ガスを外部に放出してしまうため、燃料ガスを無駄にしてしまう。つまり、燃料ガスを外部に放出することなく、燃料極内の圧力を下げることができない。

本発明の第１の特徴は、燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御装置であって、燃料電池スタックに要求される発電量を検知する要求発電量検知部と、要求発電量検知部が検知する発電量を燃料電池スタックが発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値を演算する圧力制御演算部と、圧力制御演算部が演算する酸化剤ガスの圧力値に基づいて酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤極圧力制御部と、酸化剤極圧力制御部が酸化剤ガスの圧力を下げる場合、酸化剤ガスの圧力又は圧力制御演算部が演算する酸化剤ガスの圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタックから取り出す電流量を決定する取り出し電流制御部とを有することを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックに要求される発電量を検知し、検知した発電量を燃料電池スタックが発電するために必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値を演算し、酸化剤ガスの圧力値に基づいて酸化剤ガスの圧力を制御し、酸化剤ガスの圧力を下げる場合、酸化剤ガスの圧力又は酸化剤ガスの圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタックから取り出す電流量を決定することを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池スタックから電力を取り出す際の電流量を変えることによって、燃料ガスの圧力を早く下げる燃料電池システムの制御装置及び制御方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料極（アノード）に供給される燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤極（カソード）に供給される酸化剤ガスとしての空気とを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１へ空気を圧縮して供給するコンプレッサ９と、燃料電池スタック１から排出される空気（排空気）の流量を調整する空気調圧弁１０と、マフラー２３と、燃料電池スタック１の水素導入口へ水素ガスを供給する水素タンク２と、水素タンク２に接続された水素タンク元弁３と、水素タンク元弁３を通過した水素ガスの圧力を減圧する減圧弁２６と、減圧弁２６を通過した水素ガスの圧力を調整する水素供給弁４と、燃料電池スタック１の水素排出口から排出される水素ガスを再び燃料電池スタック１の水素導入口へ循環させる水素循環ポンプ８と、燃料電池スタック１の水素排出口に接続されたパージ弁７と、燃料電池スタック１を冷却する冷却水を冷却するラジエタ１７と、ラジエタ１７へ通風を送るラジエタファン１８と、燃料電池スタック１とラジエタ１７との間に冷却水を循環させる冷却水ポンプ１５と、冷却水の循環路上に配置された三方弁１６と、燃料電池スタック１から取り出される電力を管理するパワーマネージャ２１と、燃料電池スタック１から取り出される電圧を測定する電圧センサ２２と、燃料電池スタック１から取り出される電力を充電する２次電池５と、上記の各構成要素の動作を制御するコントローラ３０とを備える。本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置は、コントローラ３０に相当する。

燃料電池スタック１は、水素ガスが供給されるアノード１２と、空気が供給されるカソード１１と、アノード１２とカソード１１により挟持された電解質膜１９と、アノード１２及びカソード１１へ水素ガス及び空気をそれぞれ供給するセパレータ（ソリッドプレート）２５と、燃料電池スタック１を冷却する冷却水が流れる冷却水流路２４とを備える。

アノード１２に水素ガスが供給され、カソード１１に空気が供給されると、（１）式及び（２）式に示す電極反応が進行され、電力が発電される。このときカソード１１で生成された水（Ｈ₂Ｏ）は水蒸気となって、電解質膜１９を透過してアノード１２側へ侵入する。

アノード（水素極）：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋(1/2)Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）

アノード１２へ供給される水素ガスは、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁２６、水素供給弁４を通じてなされる。なお、水素タンク元弁３及び減圧弁２６は、閉じた状態と開いた状態の２つの状態のみを取りうるオン／オフ弁であるのに対し、水素供給弁４はその開度を連続的に調整することができる可変弁である。水素タンク２から供給される高圧水素ガスは、減圧弁２６で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁４で燃料電池スタック１での水素ガス圧力が所望の水素圧に制御される。アノード１２で消費されなかった水素ガスは水素循環ポンプ８により再循環させる。パージ弁７は、次の役割を果たす。

・水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出する。

・セル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす。

カソード１１へ供給される空気は先ずコンプレッサ９に圧送される。この空気量を外気環境が変わった場合にでも目標の空気流量を満たすように、コンプレッサ９の回転数センサ１４、大気圧センサ２０の測定値を参照しながらコンプレッサ９を制御する。カソード１１の空気圧は、圧力センサ６ｂの検出値を用いながら、空気調圧弁１０の開口面積（開度）を変化させることによって制御される。なお、空気調圧弁１０は可変弁である。

燃料電池スタック１内の冷却水流路２４は、冷却水ポンプ１５、ラジエタ１７及び三方弁１６が配置された冷却水が流通する冷却水路に接続されている。冷却水は、冷却水ポンプ１５により冷却水流路２４及び冷却水路を循環する。三方弁１６を切り替えることにより、冷却水をラジエタ１７へ流すか、或いはラジエタ１７をバイパスさせて冷却水流路２４と冷却水ポンプ１５の間を循環させるかを切り替えることができる。つまり、三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７方向とラジエタバイパス方向に切り替えや分流を行う。冷却水の温度は三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整される。

パワーマネージャ２１は、燃料電池スタック１から電力を取り出して、移動体を駆動する駆動モータ（図示しない）へ電力を供給する。バッテリ又はキャパシタからなる２次電池５は、燃料電池スタック１の発電が要求発電量を満たせない場合に補助電源としてエネルギを供給する。或いは、燃料電池スタック１が発電した電力を一時的に蓄えることもできる。

コントローラ３０は、起動、発電、停止する際に燃料電池システム内の各アクチュエータを、センサ信号を用いて制御する。

図２に示すように、図１のコントローラは、燃料電池スタック１に要求される発電量を検知する要求発電量検知部３１と、要求発電量検知部３１が検知する発電量を燃料電池スタック１が発電するために必要な水素ガス及び空気の圧力値を演算する圧力制御演算部３２と、圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値に基づいて空気の圧力を制御する酸化剤極圧力制御部３３と、酸化剤極圧力制御部３３が空気の圧力を下げる場合、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する取り出し電流制御部３４と、圧力制御演算部３２が演算する水素ガスの圧力値に基づいて燃料ガスの圧力を制御する燃料極圧力制御部３５と、取り出し電流制御部３４が決定する燃料電池スタック１から取り出す電流量に基づいて、水素ガスの圧力の挙動を予測する燃料極圧力予測部３６と、燃料電池スタック１から取り出すエネルギ量が外部装置により吸収可能なエネルギ量よりも小さいか否かを判断する取り出しエネルギ演算部３７とを備える。更に圧力制御演算部３２は、酸化剤ガスの圧力の挙動を予測する酸化剤極圧力予測演算部３８を有する。

要求発電量検知部３１は、燃料電池スタック１を発電機のように直接エネルギ供給源として用いる、若しくは移動体の駆動力へのエネルギ供給源のように間接的に燃料電池をエネルギ供給源として用いる際の燃料電池スタック１への要求発電量を検知する。圧力制御演算部３２は、この燃料電池スタック１への要求発電量に基づき、燃料電池スタックの目標圧力を設定する「燃料電池圧力制御演算」を行う。酸化剤極圧力制御部３３は、この燃料電池圧力制御演算の結果に従い、カソード１１の空気の圧力を変化させる。取り出しエネルギ演算部３７は、水素ガスの圧力と燃料極圧力予測部３６が予測する水素ガスの圧力値との差と、燃料電池スタック１の内部温度とから、燃料電池スタック１から取り出すエネルギ量を演算し、演算したエネルギ量が外部装置により吸収可能なエネルギ量よりも小さいか否かを判断する。酸化剤極圧力予測演算部３８は、現在の要求発電量に応じた圧力から、要求発電量が下がり、酸化剤極圧力を酸化剤極圧力制御部により下げる場合に、圧力が要求発電量相当へ下がる際の圧力の挙動値を推定する。

図３を参照して、図１の燃料電池システムの制御装置を用いた燃料電池システムの制御方法の概要を説明する。

（イ）先ず、Ｓ１０段階において、要求発電量検知部３１は、パワーマネージャ２１を介して燃料電池スタック１に要求される発電量を検知する。

（ロ）Ｓ２０段階において、圧力制御演算部３２は、要求発電量検知部３１が検知した発電量を燃料電池スタック１が発電するために必要な水素ガス及び空気の圧力値を演算する。

（ハ）Ｓ３０段階において、酸化剤極圧力制御部３３は、圧力制御演算部３２が演算した空気の圧力値に基づいて、コンプレッサ９の回転数及び空気調圧弁１０の開度の少なくとも一方を操作して空気の圧力を制御する。

（ニ）最後に、Ｓ４０段階において、酸化剤極圧力制御部３３が空気の圧力を下げる場合、取り出し電流制御部３４は、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。決定された電流量がパワーマネージャ２１により燃料電池スタック１から取り出される。

図４は、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の詳細を示すフローチャートであって、図３のフローチャートをより具体的に示すものである。

（Ａ）先ず、Ｓ１０１段階において、要求発電量検知部３１がユーザからの要求発電量の低下を検知する。この場合、Ｓ１０２段階において、圧力制御演算部３２は、要求発電量検知部３１が検知した発電量の低下に応じて、これまでよりも低い水素ガス及び空気の圧力値（目標運転圧力）を設定する。Ｓ１０３段階において、酸化剤極圧力制御部３３は、圧力センサ６ｂの測定値を用いて、空気圧力を目標運転圧力にするために空気調圧弁１０の開口面積を広げて、空気の圧力の減圧を開始する。

（Ｂ）Ｓ１０４段階において、取り出し電流制御部３４は、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値の変化量（低下量）を計算し、Ｓ１０５段階において、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。即ち、空気圧力の変化分の水素圧力を落とすために消費しなければならない水素量を計算する。Ｓ１０６段階において、パワーマネージャ２１により、燃料電池スタック１からの電流取り出しが開示される。

（Ｃ）一方、水素圧を早く下げるため、水素供給弁４を早く閉じて、供給を早く停止したい。そのため、空気の圧力の減圧を開始するＳ１０３段階の後、Ｓ１０８段階において、水素供給弁４の動作変化量を、供給時に対して大きくするように切り替える。換言すれば、燃料極圧力制御部３５は、水素ガスの圧力を上げる際と下げる際とで動作変化量を切り替えて、水素ガスの圧力を下げる際は上げる際よりも早く変化させて水素ガスの供給を停止する。

（Ｄ）Ｓ１０７段階において、コントローラ３０は、圧力センサ６ａの測定値（水素圧力）が圧力制御演算部３２が演算する水素ガスの圧力値（目標運転圧力）以下であるか否かを判断する。水素圧力が目標運転圧力以下である場合（Ｓ１０７段階においてＹＥＳ）Ｓ１１１段階に進み、水素圧力が目標運転圧力よりも高い場合（Ｓ１０７段階においてＮＯ）Ｓ１０９段階に進む。

（Ｅ）Ｓ１０９段階において、Ｓ１０４段階と同様に、取り出し電流制御部３４は、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値の変化量を計算し、Ｓ１１０段階において、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量を変更する。その後、Ｓ１０７段階に進む。Ｓ１０７段階においてＹＥＳとなるまで、Ｓ１０９及びＳ１１０段階を繰り返し実施する。

（Ｆ）目標電流を繰り返し修正して、水素圧力が目標運転圧力以下になった時点で、Ｓ１１１段階において、取り出し電流制御部３４は、取り出し電流量を要求発電量相当に設定する。

なお、Ｓ１０４及びＳ１０５段階における空気圧力の変化量を△Ｐとし、取り出し電流量をＩとし、取り出し電流の設定を所定時間△ｔ毎に変更するとした場合、（３）式に従って、取り出し電流制御部３４は取り出し電流量Ｉを決定する。ここで、α（Ｔ）は、体積、温度Ｔの関数である。また水素の温度Ｔの変化は圧力変動に対して遅いために一定値として扱うことができ、温度センサ１３ｄの測定値を用いて係数を計算してもよい。

△Ｐ＝α(Ｔ)×△ｔ×Ｉ （３）

図５は図４の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示す。要求発電量の低下により取り出し電流量の目標値も一度は同様に低下するが、直ぐに増加し、徐々に低下していく。よって、取り出し電流量の実測値も同様にして徐々に減少していく。したがって、水素ガス及び空気の圧力を下げる場面において、取り出し電流を空気圧力に基づいて変化させることによって、水素圧力を早く下げることができる。これにより水素圧の実測値と空気圧の実測値の差を小さく抑えることができる。

本発明の第１の実施の形態によれば、燃料電池スタック１内の運転圧力を下げる場合に、酸化剤極圧力検出値もしくは酸化剤極目標圧力のどちらか一方の変化量に応じて、取り出し電流の大きさを決定することにより、酸化剤極の圧力の下がり方に応じて、取り出し電流を決定し、燃料極圧力を酸化剤極圧力との差圧を守りながら下げることができ、かつ電流を取り出すため、エネルギを回収することエネルギ利用効率を上げることができる。

本発明の第１の実施の形態によれば、燃料極圧力制御部３５が、目標燃料極圧力が上がる際と下がる際とで動作量を切り替えることによって、燃料極圧力を下げる場合に、燃料の供給を早く停止させることによって、制御開始直後の燃料極圧力と酸化剤極圧力との圧力差を小さくすることができる。

（比較例）
図１７を参照して、比較例に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。

（Ａ）先ず、Ｓ００１段階において、ユーザからの要求発電量の低下を検知する。この場合、Ｓ００２段階において、コンプレッサ９の消費電力を抑えるために、検知した発電量の低下に応じて、これまでよりも低い水素ガス及び空気の圧力値（目標運転圧力）を設定する。Ｓ００３段階において、酸化剤極圧力制御部３３は、圧力センサ６ｂの測定値を用いて、空気圧力を目標運転圧力にするために空気調圧弁１０の開口面積を広げて、空気の圧力の減圧を開始する。

（Ｂ）Ｓ００１段階の後に、Ｓ００２段階と並行してＳ００４〜Ｓ００５段階を実施する。即ち、Ｓ００４段階において、検知した発電量の低下量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。即ち、燃料電池スタック１から取り出すエネルギ量を減少させるため、取り出し電流量を小さく設定する。Ｓ００５段階において、パワーマネージャ２１により、小さく設定された取り出し電流量にしたがって、燃料電池スタック１からの電流取り出しの制御が開示される。このときの水素圧力は、燃料電池スタック１からの取り出し電流量に応じて下がっていく。

図１８及び図１９は、図１７の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化の例を示すタイムチャートであって、図１８は要求発電量が低下して零になった場合を示し、図１９は要求発電量が低下して零でない場合を示す。

図１８に示すように、要求発電量が零になると、取り出し電流量（目標値）も零になる。そして、目標運転圧力（目標値）も同様に低下する。空気圧力（実測値）は目標値に対し、ある遅れ時間を持って下がり、最終的には目標値となる。しかし、電流の取り出しがなくなった後、即ち取り出し電流量（実測値）が零になった後は、水素ガスは消費されないため、水素圧力（実測値）は下がらなくなり、定常的に空気と水素ガスとの差圧が発生してしまう。このため、コンプレッサ９を回して空気を供給することにより、空気圧を上げなくてはならない。

図１９に示すように、要求発電量が低下するが零にならない場合、取り出し電流量（目標値）も零にならない。要求発電量が低下した後も電流の取り出しがなくならず、水素ガスは少しずつ消費されて水素圧力（実測値）は徐々に低下していく。しかし、取り出し電流量が小さい場合、水素圧力の低下速度は空気圧力に比べて遅くなり、空気と水素ガスの差圧が過渡的に大きくなってしまう。そこで、水素ガスを装置外部に放出することによって、水素圧をさげなくてはならない。

これに対して、上述した本発明の第１の実施の形態によれば、図４のＳ１０５段階において、取り出し電流制御部３４が、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値の変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。即ち、圧力を下げる場面において、取り出し電流を空気圧力に基づいて変化させることによって、図５に示すように水素圧力を早く下げて、空気と水素ガスの差圧を小さく保つことができる。

（第２の実施の形態）
図６を参照して、本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。

（Ａ）先ず、Ｓ２０１段階において、要求発電量検知部３１がユーザからの要求発電量の低下を検知する。この場合、Ｓ２０２段階において、圧力制御演算部３２は、要求発電量検知部３１が検知した発電量の低下に応じて、これまでよりも低い水素ガス及び空気の圧力値（目標運転圧力）を設定する。Ｓ２０３段階において、酸化剤極圧力制御部３３は、圧力センサ６ｂの測定値を用いて、空気圧力を目標運転圧力にするために空気調圧弁１０の開口面積を広げて、空気の圧力の減圧を開始する。

（Ｂ）Ｓ２０１段階の後に、Ｓ２０２段階と並行してＳ２０４段階を実施する。酸化剤極圧力予測演算部３８は、Ｓ２０４段階において、現在の空気圧力から目標空気圧力への挙動を予測し、取り出し電流制御部３４は酸化剤極圧力予測演算部３８で予測した空気の圧力の挙動から所定時間経過後の空気の圧力の予測変化量を求め、Ｓ２０５段階において、所定時間経過後の空気の圧力の予測変化量に基づいて燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。目標圧力を設定する際（Ｓ２０２段階）に、予め空気圧力の挙動を予測して、初期の目標電流を決定する。Ｓ２０６段階において、パワーマネージャ２１により、燃料電池スタック１からの電流取り出しが開示される。その後、Ｓ２０８段階に進む。

（Ｃ）更に、Ｓ２０１段階の後に、Ｓ２０２段階と並行してＳ２０７段階を実施する。水素供給弁４の動作変化量を、供給時に対して大きくするように切り替える。換言すれば、燃料極圧力制御部３５は、水素ガスの圧力を上げる際と下げる際とで動作変化量を切り替えて、水素ガスの圧力を下げる際は上げる際よりも早く変化させて水素ガスの供給を停止する。水素供給弁４を早く閉じて、水素圧を早く下げることができる。

（Ｄ）Ｓ２０８段階において、コントローラ３０は、圧力センサ６ａの測定値（水素圧力）が圧力制御演算部３２が演算する水素ガスの圧力値（目標運転圧力）以下であるか否かを判断する。水素圧力が目標運転圧力以下である場合（Ｓ２０８段階においてＹＥＳ）Ｓ２０９段階に進み、水素圧力が目標運転圧力よりも高い場合（Ｓ２０８段階においてＮＯ）Ｓ２１０に進む。

（Ｅ）Ｓ２１０段階において、コントローラ３０は、水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以上であるか否かを判断する。当該差圧が所定圧以上である場合（Ｓ２１０段階においてＹＥＳ）Ｓ２１３段階に進み、当該差圧△Ｐ_ahが所定圧よりも大きい場合（Ｓ２１０段階においてＮＯ）Ｓ２１１段階に進む。Ｓ２１０段階で水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以内であると判断される場合、圧力制御演算部３２で設定された目標運転圧力で、酸化剤極圧力制御部３３は制御を行う。その後Ｓ２１２段階乃至Ｓ２１３段階に進む。

（Ｆ）Ｓ２１２段階において、取り出し電流制御部３４は、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値（酸化剤極圧力予測演算部３８の挙動予測値を含む）の変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量ΔInを決定する。即ち、空気圧力の変化分の水素圧力を落とすために消費しなければならない水素量を計算する。

（Ｇ）Ｓ２１２段階と並行して、Ｓ２１３段階において、取り出し電流制御部３４は、圧力センサ６ｂ及び圧力センサ６ａにより測定された空気の圧力及び水素ガスの圧力との差に基づいて、Ｓ２１２段階で決定した電流量に対する補正量ΔIhを決定する。そして、Ｓ２１７段階において、取り出し電流制御部３４は、当該補正量に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流量Iを変更する。その後、Ｓ２０８段階に戻る。

（Ｈ）Ｓ２１４段階では、Ｓ２１０段階で水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以上であると判断される場合には、空気の圧力が水素ガスの圧力より早く下がりすぎて、スタックの耐圧を超える可能性があるため、目標空気圧力を水素ガスの圧力を用いてスタックの耐圧を守るように変更し、変更された空気目標運転圧力に応じて、酸化剤極圧力制御部３３は制御を行う。その後Ｓ２１５段階乃至Ｓ２１６段階に進む。

（Ｉ）Ｓ２１５段階では、取り出し電流制御部３４は、Ｓ２１４段階で設定された空気目標運転圧力を用いて変化量を計算し、燃料電池スタック１から取り出す電流量ΔInを決定する。Ｓ２１５段階と並行してＳ２１６段階では、Ｓ２１４段階で設定された空気目標運転圧力と水素ガスとの圧力差に基づいて、Ｓ２１５段階で決定した電流量に対する補正量ΔIhを決定する。そして、Ｓ２１７段階において、取り出し電流制御部３４は、当該補正量に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流量Iを変更する。その後、Ｓ２０８段階に戻る。

（Ｊ）Ｓ２０８段階においてＹＥＳとなるまで、Ｓ２１０〜２１７段階を繰り返し実施する。目標電流を繰り返し修正して、水素圧力が目標運転圧力以下になった時点で、Ｓ２０９段階において、取り出し電流制御部３４は、取り出し電流量を要求発電量相当に設定する。

図７は図６の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示す。要求発電量の低下により、取り出し電流量の要求発電量相当も同様に低下する。しかし、目標圧力を設定する際（Ｓ２０５段階）に、Ｓ２０４段階において、予め空気圧の挙動を予測して、初期の目標電流を決定する。したがって、図５のタイムチャートで示したように圧力の変化量が０である制御開始直後の初期の目標電流が零になることがなくなり、制御の遅れを回避することができ、迅速に水素ガスの圧力を低下させることができる。

水素圧力が目標運転圧力を下回らなかった場合（Ｓ２０８段階でＮＯ）には、空気圧の変化量もしくは空気圧予測値を用いて目標電流△Inを計算する（Ｓ２１２段階）。そして、図７に示すように、Ｓ２１３段階では実際の空気圧力と水素圧力との差△Ｐ_ah1、△Ｐ_ah2を計算し、この圧力差分の水素圧を下げるために消費すべき水素量からもとまる電流値△Inとして、これと前述の電流値を足し合わせて、パワーマネージャ２１の目標電流とする。これを水素圧が燃料電池スタック１の目標運転圧力以下になるまで繰り返す。

なお、△Inを差分のみから電流値を決定すると、必ず水素圧力は空気圧力に比較して遅く下がることになるため、圧力差分より大きく設定したほうがよい。

また、水素圧力に比べ、空気圧力の下がり方が早く、空気と水素ガスの差圧がパワーマネージャ２１の目標電流に対する実際に取り出す電流の遅れを考慮した場合に大きくなってしまう場合には、コンプレッサ９を回すことにより空気圧力を上げることが望ましい。

酸化剤極圧力予測演算部３８がＳ２０４段階において空気の圧力の挙動を予測するために、図８（ａ）に示すように、予め、制御開始時の圧力から目標圧力へ下がる際の空気圧力の挙動を実験的に調べ、目標電流の変更周期△ｔ秒後の圧力の変化分△Ｐを求めておく。そして、このとき水素圧力を点線のように下げたいための目標電流Ｉを（３）式を用いて求める。したがって、この電流Ｉをマップ上にならべ、図８（ｂ）に示すような制御開始時の空気圧力検出値４１と目標空気圧力４２から電流を求める目標電流マップ４０を作成することが望ましい。

△ｔは一定の値であっても可変であっても構わない。△ｔを可変にしたい場合には、制御開始時の空気圧力と目標運転圧力ごとに、時系列データを蓄えておき、Δｔ秒後の圧力変動を時系列データから検索して求めることによって、Δｔを固定にした場合と同じ計算ができる。

上記の時系列データを空気の圧力ごとに保存するのは、大容量の記憶装置が必要となるため、そのかわりに数式モデルを用いて逐次計算しても構わない。例えば、図９のように、空気調圧弁１０上流の体積を「Ｖ」とおいて、燃料電池スタック１内部の圧力を「Ｐin」とし、温度センサ１３ａ〜１３ｃの何れか１つで検出される温度をＴで代表する。そして空気調圧弁１０の開口面積「Ａ」と大気圧センサ２０で検出される大気圧「Ｐout」から、体積Ｖから排出されるガスの流速Ｑを（４）式に従って求め、体積Ｖ内の圧力の下がり方を計算する。ρは空気のガス密度を示す。

Ｑ=ｃＡ√｛２(Ｐin−Ｐout)/ρ｝ （４）

上記の数式モデルを用いて計算を行う場合には、演算量が増加するため、そのかわりに近似式モデルをもちいて計算を行ってもよい。近似モデルは一次遅れとむだ時間のモデルを（５）式に示すように設定する。各パラメータ（Ｋ、Ｔs、Ｌs）を、制御開始時圧力や、燃料電池スタック１の温度Ｔや外気圧Ｐoutの応じて変えてもよいし、パラメータ（Ｋ、Ｔs、Ｌs）の値を、圧力検出値から推定して変更してもよい。近似モデルは（５）式のモデルでも良いし、演算装置への負荷を上げてもよいのであれば、より高次のモデルにしてもよい。

Ｐ=Ｋ/(Ｔs+１)・exp(-Ｌs) （５）

本発明の第２の実施の形態によれば、酸化剤極圧力の圧力挙動を予測し、予測結果から、所定時間経過後の圧力変化量より、圧力変化量に基づき取り出し電流目標値を決定することによって、目標値を予測して与えることができるため、制御遅れを減らし、制御精度を上げることができる。

本発明の第２の実施の形態によれば、酸化剤圧力検出値と燃料極圧力検出値との差に応じて、取り出し電流目標値を補正するため、燃料極圧力と酸化剤極との差圧を小さくするよう、燃料極の圧力を変化させて、差圧を所定圧力以内にすることができる。

本発明の第２の実施の形態では、酸化剤圧力予測値を酸化剤温度、外気圧力に応じて補正しても構わない。酸化剤圧力予測値を演算する基準運転時と、酸化剤極温度、および外気圧力が異なる場合に、予め予測値を修正することにより、燃料極圧力と酸化剤極との差圧を所定圧力以内にすることができる。

本発明の第２の実施の形態によれば、酸化剤圧力検出値と燃料極圧力検出値との差が生じた場合、酸化剤供給手段であるコンプレッサ９の動作を変化させる、もしくは空気調圧弁１０の開口面積を狭めることで、酸化剤圧力を維持もしくは高める。これにより、酸化剤極圧力の低下が、燃料極圧力の低下と比較して、急激に下がってしまった場合に、酸化剤を供給して、圧力を上げて、燃料極圧力と酸化剤極との差圧を所定圧力以内にすることができる。

（第３の実施の形態）
図１０を参照して、本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。

（Ａ）先ず、Ｓ３０１段階において、要求発電量検知部３１がユーザからの要求発電量の低下を検知する。この場合、Ｓ３０２段階において、圧力制御演算部３２は、要求発電量検知部３１が検知した発電量の低下に応じて、これまでよりも低い水素ガス及び空気の圧力値（目標運転圧力）を設定する。Ｓ３０３段階において、酸化剤極圧力制御部３３は、圧力センサ６ｂの測定値を用いて、空気圧力を目標運転圧力にするために空気調圧弁１０の開口面積を広げて、空気の圧力の減圧を開始する。

（Ｂ）Ｓ３０１段階の後に、Ｓ３０２段階と並行してＳ３０４段階を実施する。酸化剤極圧力予測演算部３８は、Ｓ３０４段階において、現在の空気圧力から目標空気圧力への挙動を予測し、取り出し電流制御部３４は酸化剤極圧力予測演算部３８で予測した空気の圧力の挙動から所定時間経過後の空気の圧力の予測変化量を求め、Ｓ３０５段階において、所定時間経過後の空気の圧力の予測変化量に基づいて燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。目標圧力を設定する際（Ｓ３０２段階）に、予め空気圧力の挙動を予測して、初期の目標電流を決定する。Ｓ３０６段階において、パワーマネージャ２１により、燃料電池スタック１からの電流取り出しが開示される。

（Ｃ）一方、Ｓ３０１段階の後に、Ｓ３０２段階と並行してＳ３０７段階を実施する。水素供給弁４の動作変化量を、供給時に対して大きくするように切り替える。換言すれば、燃料極圧力制御部３５は、水素ガスの圧力を上げる際と下げる際とで動作変化量を切り替えて、水素ガスの圧力を下げる際は上げる際よりも早く変化させて水素ガスの供給を停止する。水素供給弁４を早く閉じて、水素圧を早く下げることができる。

（Ｄ）Ｓ３０８段階において、コントローラ３０は、圧力センサ６ａの測定値（水素圧力）が圧力制御演算部３２が演算する水素ガスの圧力値（目標運転圧力）以下であるか否かを判断する。水素圧力が目標運転圧力以下である場合（Ｓ３０８段階においてＹＥＳ）Ｓ３０９段階に進み、水素圧力が目標運転圧力よりも高い場合（Ｓ３０８段階においてＮＯ）Ｓ３１０に進む。

（Ｅ）Ｓ３１０段階において、コントローラ３０は、水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以上であるか否かを判断する。当該差圧が所定圧以上である場合（Ｓ３１０段階においてＹＥＳ）Ｓ３１３段階に進み、当該差圧△Ｐ_ahが所定圧よりも大きい場合（Ｓ３１０段階においてＮＯ）Ｓ３１１段階に進む。Ｓ３１０段階で水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以内であると判断される場合、圧力制御演算部３２で設定された目標運転圧力で、酸化剤極圧力制御部３３は制御を行う。その後Ｓ３１２段階乃至Ｓ３１３段階に進む。

（Ｆ）Ｓ３１２段階において、取り出し電流制御部３４は、空気の圧力又は圧力制御演算部３２が演算する空気の圧力値（酸化剤極圧力予測演算部３８の挙動予測値を含む）の変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量△Inを決定する。即ち、空気圧力の変化分の水素圧力を落とすために消費しなければならない水素量を計算する。

（Ｇ）Ｓ３１２段階と並行して、Ｓ３１３段階において、取り出し電流制御部３４は、水素圧挙動推定値と実際の水素圧力とを比較する。前回の目標電流から推定される水素圧の予測値と実際の値がずれた分△Ｐhだけ、余計に水素ガスを消費しなければならないため、Ｓ３１２段階で決定した電流量に対する補正量として消費分の電流△Ｉhを計算する。そして、Ｓ３１７段階において、取り出し電流制御部３４は、当該補正量に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流量Iを変更する。その後、Ｓ３０８段階に戻る。

（Ｈ）Ｓ３１４段階では、Ｓ３１０段階で水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以上であると判断される場合には、空気の圧力が水素ガスの圧力より早く下がりすぎて、スタックの耐圧を超える可能性があるため、目標空気圧力を水素ガスの圧力を用いてスタックの耐圧を守るように変更し、変更された空気目標運転圧力に応じて、酸化剤極圧力制御部３３は制御を行う。その後Ｓ３１５段階乃至Ｓ３１６段階に進む。

（Ｉ）Ｓ３１５段階では、取り出し電流制御部３４は、Ｓ３１４段階で設定された空気目標運転圧力を用いて変化量を計算し、燃料電池スタック１から取り出す電流量△Inを決定する。Ｓ３１５段階と並行してＳ３１６段階では、Ｓ３１４段階で設定された空気目標運転圧力と水素ガスとの圧力差に基づいて、Ｓ３１５段階で決定した電流量に対する補正量ΔIhを決定する。そして、Ｓ３１７段階において、取り出し電流制御部３４は、当該補正量に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流量Iを変更する。その後、Ｓ３０８段階に戻る。

（Ｊ）Ｓ３０８段階においてＹＥＳとなるまで、Ｓ３１０〜Ｓ３１７段階を繰り返し実施する。目標電流を繰り返し修正して、水素圧力が目標運転圧力以下になった時点で、Ｓ３０９段階において、取り出し電流制御部３４は、取り出し電流量を要求発電量相当に設定する。

図１１は図１０の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示す。図７と同様に、予め空気圧の挙動を予測して、初期の目標電流を決定する。したがって、図１１のタイムチャートで示したように圧力の変化量が零である制御開始直後の初期の目標電流が零になることがなくなり、制御の遅れを回避することができ、迅速に水素ガスの圧力を低下させることができる。

水素圧力が目標運転圧力を下回らなかった場合（Ｓ３０８段階でＮＯ）には、空気圧の変化量もしくは空気圧予測値を用いて目標電流△Inを計算する（Ｓ３１２段階）。そして、Ｓ３１３段階において、取り出し電流制御部３４は、前回の目標電流から推定される水素圧の予測値と実際の値がずれた分△Ｐhだけ、余計に水素ガスを消費しなければならないため、消費分の電流△Ｉhを計算する。Ｓ３１７段階では△Ｉh＋△Ｉnを最終的なパワーマネージャ２１の目標電流としている。図１１では実際の水素圧力が予測値を上回った場合を現しているが、逆の場合は余分に消費してしまった水素分相当の電流を、次の目標電流更新時に引かないようにすればよい。

第２及び第３の実施の形態では、空気の目標圧力を要求発電量から決定される運転圧力としていたが、酸化剤極圧力制御部３３が、空気の目標圧力と実測値を等しくするように空気調圧弁１０の開口面積を変化させる制御演算を実施し、この制御演算の目標圧力に酸化剤極圧力予測演算部３８で求めた空気圧挙動推測値を用いてもよい。空気圧挙動推測値を目標圧力にすることによって、空気圧実測値が空気圧挙動推測値に近い状態へ制御されて、Ｓ２１２、およびＳ３１２の取り出し目標電流を空気圧挙動推測値に基づいて設定した場合でも、差圧を所定圧以内にすることができる。

本発明の第３の実施の形態によれば、燃料極圧力予測部３６が、取り出し目標電流から燃料極圧力の挙動を予測し、燃料極圧力検出値と燃料極圧力予測値との差に応じて取り出し電流目標値を変化させる。したがって、取り出し目標電流と実際に燃料電池から取り出す電流とに差が生じて、燃料極圧力予測値と実際の圧力値とがずれた場合でも、そのずれ量に応じて、取り出し目標電流を補正することができ、燃料極圧力の制御精度を上げることができる。

（第４の実施の形態）
図１２を参照して、本発明の第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。

（Ａ）先ず、Ｓ４０１段階において、要求発電量検知部３１がユーザからの要求発電量の低下を検知する。この場合、Ｓ４０２段階において、圧力制御演算部３２は、要求発電量検知部３１が検知した発電量の低下に応じて、これまでよりも低い水素ガス及び空気の圧力値（目標運転圧力）を設定する。Ｓ４０３段階において、酸化剤極圧力制御部３３は、圧力センサ６ｂの測定値を用いて、空気圧力を目標運転圧力にするために空気調圧弁１０の開口面積を広げて、空気の圧力の減圧を開始する。

（Ｂ）Ｓ４０１段階の後に、Ｓ４０２段階と並行してＳ４０４段階を実施する。酸化剤極圧力予測演算部３８は、Ｓ４０４段階において、現在の空気圧力から目標空気圧力への挙動を予測し、取り出し電流制御部３４は酸化剤極圧力予測演算部３８で予測した空気の圧力の挙動から所定時間経過後の空気の圧力の予測変化量を求め、Ｓ４０５段階において、所定時間経過後の空気の圧力の予測変化量に基づいて燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。目標圧力を設定する際（Ｓ４０２段階）に、予め空気圧力の挙動を予測して、初期の目標電流を決定する。Ｓ４０６段階において、パワーマネージャ２１により、燃料電池スタック１からの電流取り出しが開示される。

（Ｃ）一方、Ｓ４０１段階の後に、Ｓ４０２段階と並行してＳ４０７段階を実施する。水素供給弁４の動作変化量を、供給時に対して大きくするように切り替える。換言すれば、燃料極圧力制御部３５は、水素ガスの圧力を上げる際と下げる際とで動作変化量を切り替えて、水素ガスの圧力を下げる際は上げる際よりも早く変化させて水素ガスの供給を停止する。水素供給弁４を早く閉じて、水素圧を早く下げることができる。

（Ｄ）Ｓ４０８段階において、コントローラ３０は、圧力センサ６ａの測定値（水素圧力）が圧力制御演算部３２が演算する水素ガスの圧力値（目標運転圧力）以下であるか否かを判断する。水素圧力が目標運転圧力以下である場合（Ｓ４０８段階においてＹＥＳ）Ｓ４０９段階に進み、水素圧力が目標運転圧力よりも高い場合（Ｓ４０８段階においてＮＯ）Ｓ４１０に進む。

（Ｅ）Ｓ４１０段階において、コントローラ３０は、水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以上であるか否かを判断する。当該差圧が所定圧以上である場合（Ｓ４１０段階においてＹＥＳ）Ｓ４１３段階に進み、当該差圧△Ｐ_ahが所定圧よりも大きい場合（Ｓ４１０段階においてＮＯ）Ｓ４１１段階に進む。Ｓ４１０段階で水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以内であると判断される場合、圧力制御演算部３２で設定された目標運転圧力で、酸化剤極圧力制御部３３は制御を行う。その後Ｓ４１２段階乃至Ｓ４１３段階に進む。

（Ｆ）Ｓ４１２段階において、酸化剤極圧力予測演算部３８は、空気の圧力から再度挙動予測値を求め、その変化量に応じて、燃料電池スタック１から取り出す電流量△Inを決定する。即ち、実際の空気の圧力変動に応じて、挙動予測値を修正し、その変化分の水素圧力を落とすために消費しなければならない水素量を計算する。

（Ｇ）Ｓ４１２段階と並行して、Ｓ４１３段階において、取り出し電流制御部３４は、Ｓ４０４段階での空気圧挙動推定値と実際の空気圧力とを比較する。前回の目標電流から推定される空気圧の予測値と実際の値がずれた分△Ｐdだけ、余計に水素ガスを消費しなければならないため、Ｓ４１２で決定した電流量に対する補正量として消費分の電流△Ｉdを計算する。そして、Ｓ４１７段階において、取り出し電流制御部３４は、当該補正量に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流量Ｉを変更する。その後、Ｓ４０８段階に戻る。

（Ｈ）Ｓ４１４段階では、Ｓ４１０段階で水素ガスの圧力から空気の圧力を引いた差圧△Ｐ_ahが所定圧以上であると判断される場合には、空気の圧力が水素ガスの圧力より早く下がりすぎて、スタックの耐圧を超える可能性があるため、目標空気圧力を水素ガスの圧力を用いてスタックの耐圧を守るように変更し、変更された空気目標運転圧力に応じて、酸化剤極圧力制御部３３は制御を行う。その後Ｓ４１５段階乃至Ｓ４１６段階に進む。

（Ｉ）Ｓ４１５段階では、取り出し電流制御部３４は、Ｓ４１４段階で設定された空気目標運転圧力を用いて変化量を計算し、燃料電池スタック１から取り出す電流量△Inを決定する。Ｓ４１５段階と並行してＳ４１６段階では、Ｓ４１４段階で設定された空気目標運転圧力と水素ガスとの圧力差に基づいて、Ｓ４１５段階で決定した電流量に対する補正量△Ihを決定する。そして、Ｓ４１７段階において、取り出し電流制御部３４は、当該補正量に基づいて、燃料電池スタック１から取り出す電流量Iを変更する。その後、Ｓ４０８段階に戻る。

（Ｊ）Ｓ４０８段階においてＹＥＳとなるまで、Ｓ４１０〜Ｓ４１７段階を繰り返し実施する。目標電流を繰り返し修正して、水素圧力が目標運転圧力以下になった時点で、Ｓ４０９段階において、取り出し電流制御部３４は、取り出し電流量を要求発電量相当に設定する。

以上説明したように、図１２のフローチャートは、図１０に比べてＳ４１２とＳ３１２、Ｓ４１３とＳ３１３とが異なり、その他の段階は総て同じである。即ち、制御開始時において空気圧の予測値を用いて取り出し目標電流を計算する（Ｓ４０５）。つぎに電流を変更する際（Ｓ４１４）に、空気圧予測値と実際の空気圧力とを比較する（Ｓ４１３）。このとき予測値と実際の値がずれた分△Ｐdだけ、余計に水素を消費しなければならないため、消費分の電流△Ｉdを計算する。また予測値がずれているので、新たに予測値を計算し、この予測値に基づき電流△Ｉnを計算し（Ｓ４１２）、両者を足し合わせて最終的なパワーマネージャ２１の目標電流とする。

図１３は図１１の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示す。図７と同様に、予め空気圧の挙動を予測して、初期の目標電流を決定する。したがって、図１３のタイムチャートで示したように圧力の変化量が零である制御開始直後の初期の目標電流が零になることがなくなり、制御の遅れを回避することができ、迅速に水素ガスの圧力を低下させることができる。

また、Ｓ４１３段階において、取り出し電流制御部３４は、前回の目標電流から推定される空気圧の予測値と実際の値がずれた分△Ｐdだけ、余計に水素ガスを消費しなければならないため、消費分の電流△Ｉdを計算する。そして、Ｓ４１２段階において、酸化剤極圧力予測演算部３８は、空気の圧力を用いて再度圧力挙動を推測し、取り出し電流制御部３４は、空気圧挙動推測値に基づく電流△Ｉnを計算し、Ｓ４１７で△Ｉd＋△Ｉnを最終的なパワーマネージャ２１の目標電流としている。図１３では実際の空気圧力が予測値を下回った場合を現しているが、逆の場合は余分に消費してしまった水素分相当の電流を、次の目標電流更新時に引かないようにすればよい。

なお、第２乃至第４の実施の形態のＳ２１３、Ｓ３１３、Ｓ４１２，Ｓ４１３において、それぞれ異なる補正方法を１つずつ示したが、これらを組み合わせて使用しても構わない。

また、第２乃至第４の実施の形態において、空気圧予測値を空気の温度、外気圧力に応じて変化させても構わない。

本発明の第４の実施の形態によれば、酸化剤目標圧力と酸化剤圧力検出値との偏差を零にするように、酸化剤極圧力制御部３３の動作を決定する制御演算を実施し、その制御演算の目標圧力として、酸化剤極圧力予測値を用いる。これにより、実際の酸化剤極圧力は予測値どおりに制御されるため、取り出し電流目標値に予測値を与えても、燃料極圧力を酸化剤極との差圧を所定圧力以内にすることができる。

本発明の第４の実施の形態によれば、酸化剤圧力検出値と酸化剤圧力予測値との差に応じて、取り出し電流目標値を変化させるために、酸化剤極圧力予測値に対し設定された取り出し目標電流を、実際の酸化剤極圧力の変動に応じて補正することができ、予測値と実際の圧力とがずれた場合にも、燃料極圧力と酸化剤極との差圧を所定圧力以内にすることができる。

（第５の実施の形態）
第１乃至第４の実施の形態では、取り出し電流を要求発電量相当以上に取り出していたが、第５の実施の形態では、２次電池５の空き容量、ユーザの消費電力、そして発電に必要な補機類を動かすために必要な消費電力など、外部装置での消費電力が、水素圧力を下げるために消費する水素ガスによる発電量より少なく、電流をある値以上に上げられない場合について示す。

図１４は、第５の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法における要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示す。空気予測値から決定される目標電流（所望とする水素圧を満たすための電流）に対し、外部装置の条件から制限される電流（外部装置が受け入れ可能な電流）が小さい場合には、水素圧の落ち方は所望の挙動に対して遅くなってしまう。そこで、取り出し電流が制限された場合には、目標となる空気圧を修正する。

図１５を参照して、本発明の第５の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法を説明する。

（Ａ）先ず、Ｓ５０１段階において、要求発電量検知部３１がユーザからの要求発電量の低下を検知する。この場合、Ｓ５０２段階において、圧力制御演算部３２は、要求発電量検知部３１が検知した発電量の低下に応じて、これまでよりも低い水素ガス及び空気の圧力値（目標運転圧力）を設定する。酸化剤極圧力予測演算部３８は、Ｓ５０３段階において、空気の圧力の挙動を予測し、取り出し電流制御部３４は予測した空気の圧力の挙動から所定時間経過後の空気の圧力の変化量を求め、Ｓ５０５段階において、所定時間経過後の空気の圧力の変化量に基づいて燃料電池スタック１から取り出す電流量を決定する。圧力を下げるために消費すべき水素量から決定される目標電流Ｉを計算する。

（Ｂ）Ｓ５０２段階の後に、Ｓ５０３段階と並行してＳ５０４段階を実施する。即ち、Ｓ５０４段階において、水素供給弁４の動作変化量を、供給時に対して大きくするように切り替える。換言すれば、燃料極圧力制御部３５は、水素ガスの圧力を上げる際と下げる際とで動作変化量を切り替えて、水素ガスの圧力を下げる際は上げる際よりも早く変化させて水素ガスの供給を停止する。水素供給弁４を早く閉じて、水素圧を早く下げることができる。

（Ｃ）Ｓ５０２段階の後に、Ｓ５０３段階と並行してＳ５０６段階を実施する。即ち、Ｓ５０６段階において、外部装置が受け入れ可能な電流、つまり外部装置とのバランスにより決定する制限電流Ｉ’を計算する。その後、Ｓ５０７段階に進む。

（Ｄ）Ｓ５０７段階において、Ｓ５０５段階で求めた目標電流ＩがＳ５０６段階で求めた制限電流Ｉ’以下であるか否かを判断する。目標電流Ｉが制限電流Ｉ’以下である場合（Ｓ５０７段階においてＹＥＳ）Ｓ５０８段階に進み、目標電流Ｉが制限電流Ｉ’を上回っている場合（Ｓ５０７段階においてＮＯ）Ｓ５１０段階に進む。

（Ｅ）Ｓ５０８段階において、推定から求められた目標電流Ｉをそのままパワーマネージャ２１の目標電流とし、空気目標圧は、Ｓ５０３段階で求めた推定値とする。一方、Ｓ５１０段階において、制限電流Ｉ’をパワーマネージャ２１の目標電流とし、Ｓ５１１段階において、制限電流Ｉ’を引いた際の所定時間Δt経過後の水素圧の変化分△Ｐを計算し、空気目標圧を現在の圧力から△Ｐ分引いたものを目標空気圧として用いる。

（Ｆ）Ｓ５１２において、制御を開始して最初の操作であるか否かを判断する。最初の操作である場合（Ｓ５１２段階においてＹＥＳ）Ｓ５１４段階に進み、酸化剤極圧力制御部３３は、圧力センサ６ｂの測定値を用いて、空気圧力を目標運転圧力にするために空気調圧弁１０の開口面積を広げて、空気の圧力の減圧を開始する。これと並行して、Ｓ５１５段階において、パワーマネージャ２１により、燃料電池スタック１からの電流取り出しが開示される。その後、Ｓ５１６段階に進む。

（Ｇ）Ｓ５１６段階において、コントローラ３０は、圧力センサ６ａの測定値（水素圧力）が圧力制御演算部３２が演算する水素ガスの圧力値（目標運転圧力）以下であるか否かを判断する。水素圧力が目標運転圧力以下である場合（Ｓ５１６段階においてＹＥＳ）Ｓ５１７段階に進み、水素圧力が目標運転圧力よりも高い場合（Ｓ５１６段階においてＮＯ）Ｓ５０３乃至Ｓ５０６段階に戻る。

（Ｈ）Ｓ５１６段階においてＹＥＳとなるまで、Ｓ５０３〜Ｓ５１５段階を繰り返し実施する。目標電流を繰り返し修正して、水素圧力が目標運転圧力以下になった時点で、Ｓ５１７段階において、取り出し電流制御部３４は、取り出し電流量を要求発電量相当に設定する。

以上説明したように、要求発電量が下がることに従い、空気の目標圧を低い値に設定する（Ｓ５０２）。空気の目標圧力と現在の圧力から、所定時間△ｔ経過後の空気圧力の変化量△Ｐを推定する。そして水素の圧力を下げるために消費すべき水素量から決定される目標電流Ｉと、外部装置とのバランスにより決定する制限電流Ｉ’とを比較し、制限電流Ｉ’が上回った場合には、推定から求められた目標電流Ｉをそのままパワーマネージャ２１の目標電流とし、空気目標圧は推定値とする。制限電流Ｉ’が下回った場合には、制限電流Ｉ’をパワーマネージャ２１の目標電流とし、制限電流Ｉ’を引いた際の所定時間△ｔ経過後の水素圧の変化分△Ｐを計算する。そして空気目標圧を、現在の圧力から△Ｐ分引いたものを目標圧として用いる。

なお、Ｓ５０３段階の空気圧の挙動推定からＳ５０５段階の目標電流を計算する部分については、第１乃至第４の実施の形態を利用しても構わない。

図１６を参照して、制限電流Ｉ’を求める方法について説明する。２次電池５の受け入れ可能電力、ユーザの消費電力（要求発電量）、そして発電に必要な補機類など、外部装置での消費電力を全て加算し、この電力（外部装置受け入れ可能電力）から燃料電池スタック１から取り出すのに必要な電流を計算する。このときの計算は燃料電池スタック１の電流/電圧特性を用いて計算する。電流/電圧特性は温度によって変化するので、温度センサ１３ａ〜１３ｅの値を用いて切り替える。

そして、電流/電圧特性から計算した上記の電流を引いたときに消費する水素量△Ｐ’を、（３）式を元に計算する。こうして決定した水素量△Ｐ’と、水素圧力を下げるために消費しなければならない水素量△Ｐとを比較し、△Ｐ’の方が小さい場合には制限電流Ｉ’を用いる。なお電流/電圧特性は、圧力や燃料電池スタック１内の湿度によっても変化するため、これを考慮してもよい。

本発明の第５の実施の形態では、燃料極圧力検出値と燃料極圧予測値との差と、燃料電池スタック１の内部温度から、燃料電池スタック１から取り出すエネルギ量を演算し、この演算結果と、外部装置により吸収可能なエネルギ量とを比較する。そして、吸収可能なエネルギ量のほうが小さい場合には、燃料電池スタック１での電気化学的反応により得るエネルギの総てを、外部装置により取り出せずに燃料極圧力を下げられないため、酸化剤極圧力を高く維持するように、酸化剤極目標圧力を補正することにより、燃料極圧力を下げられない場合にも燃料極圧力と酸化剤極との差圧を所定圧力以内にすることができる。

上記のように、本発明は、第１乃至第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム全体を示すブロック図である。 図１のコントローラの詳細な構成を示すブロック図である。 図１の燃料電池システムの制御装置を用いた燃料電池システムの制御方法の概要を示すフローチャートである。 図３のフローチャートをより具体的に示すフローチャートであって、本発明の第１の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の詳細を示す。 図４の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明の第２の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の詳細を示すフローチャートである。 図６の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示すタイムチャートである。 図８（ａ）は要求発電量が低下し始める時に予測する空気圧の挙動を示すグラフであり、図８（ｂ）は目標圧力へ下がる際の空気圧力の挙動を実験的に調べて作成されるマップを示すブロック図である。 空気調圧弁から排出されるガスの流速から燃料電池スタック内部の空気の圧力の下がり方を計算する方法を説明するブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の詳細を示すフローチャートである。 図１０の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明の第４の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の詳細を示すフローチャートである。 図１２の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示すタイムチャートである。 第５の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法における要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化を示すタイムチャートである。 本発明の第５の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御方法の詳細を示すフローチャートである。 外部装置が受け入れ可能な電力と取り出し可能制限電流の関係を温度をパラメータとして示すグラフである。 比較例に係わる燃料電池システムの制御方法の詳細を示すフローチャートである。 図１７の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化の例を示すタイムチャートである（その１）。 図１７の制御方法に係わる要求発電量、取り出し電流量、及び空気及び水素ガスの圧力の時間変化の例を示すタイムチャートである（その２）。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…水素タンク
３…水素タンク元弁
４…水素供給弁
５…２次電池
６ａ、６ｂ…圧力センサ
７…パージ弁
８…水素循環ポンプ
９…コンプレッサ
１０…空気調圧弁
１１…カソード
１２…アノード
１３ａ〜１３ｅ…温度センサ
１４…回転数センサ
１５…冷却水ポンプ
１６…三方弁
１７…ラジエタ
１８…ラジエタファン
１９…電解質膜
２０…大気圧センサ
２１…パワーマネージャ
２２…電圧センサ
２３…マフラー
２４…冷却水流路
２６…減圧弁
３０…コントローラ
３１…要求発電量検知部
３２…圧力制御演算部
３３…酸化剤極圧力制御部
３４…取り出し電流制御部
３５…燃料極圧力制御部
３６…燃料極圧力予測部
３７…エネルギ演算部
４０…目標電流マップ
４１…空気圧力検出値
４２…目標空気圧力

Claims (11)

1. 燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御装置であって、
   前記燃料電池スタックに要求される発電量を検知する要求発電量検知部と、
   前記要求発電量検知部が検知する前記発電量を前記燃料電池スタックが発電するために必要な前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの圧力値を演算する圧力制御演算部と、
   前記圧力制御演算部が演算する前記酸化剤ガスの圧力値に基づいて前記酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤極圧力制御部と、
   前記酸化剤極圧力制御部が前記酸化剤ガスの圧力を下げる場合、前記酸化剤ガスの圧力又は前記圧力制御演算部が演算する前記酸化剤ガスの圧力値の変化量に応じて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を決定する取り出し電流制御部
   とを有することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 圧力制御演算部は、前記酸化剤ガスの圧力の挙動を予測する酸化剤ガス圧力予測演算部を更に有し、前記取り出し電流制御部は、予測した前記酸化剤ガスの圧力の挙動値から所定時間経過後の前記酸化剤ガスの圧力の予測変化量を求め、前記圧力の予測変化量に基づいて前記燃料電池スタックから取り出す電流量を決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
3. 前記圧力制御演算部が演算する前記燃料ガスの圧力値に基づいて前記燃料ガスの圧力を制御する燃料極圧力制御部を更に有し、
   前記燃料極圧力制御部は、前記燃料ガスの圧力を上げる際と下げる際とで動作変化量を切り替えて、前記燃料ガスの圧力を下げる際は上げる際よりも早く変化させて前記燃料ガスの供給を停止することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記取り出し電流制御部は、前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料ガスの圧力との差に基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を補正することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記取り出し電流制御部が決定する前記燃料電池スタックから取り出す電流量に基づいて、前記燃料ガスの圧力の挙動を予測する燃料極圧力予測部を更に有し、
   前記取り出し電流制御部は、前記燃料ガスの圧力と前記燃料極圧力予測部が予測する前記燃料ガスの圧力値との差に基づいて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を補正することを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 酸化剤極圧力制御部は、前記圧力制御演算部が演算する前記酸化剤ガスの圧力値と前記酸化剤ガスの圧力との差が無くなるように、前記酸化剤ガスの圧力を制御し、前記圧力制御演算部が演算する前記酸化剤ガスの圧力値として、前記酸化剤ガス圧力予測演算部が予測する酸化剤ガスの圧力挙動値を用いることを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 前記取り出し電流制御部は、前記圧力制御演算部が演算する前記酸化剤ガスの圧力値と前記酸化剤ガスの圧力との差に応じて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を補正することを特徴とする請求項１乃至５何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
   
8. 前記酸化剤ガスの圧力と前記燃料ガスの圧力との差が前記燃料電池スタックの耐圧を超える場合、前記酸化剤極圧力制御部は、前記酸化剤ガスの圧力を高めることを特徴とする請求項１乃至７何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
9. 前記燃料ガスの圧力と前記燃料極圧力予測部が予測する前記燃料ガスの圧力値との差と、前記燃料電池スタックの内部温度とから、前記燃料電池スタックから取り出すエネルギ量を演算し、演算したエネルギ量が外部装置により吸収可能なエネルギ量よりも小さいか否かを判断する取り出しエネルギ演算部を更に有し、
   演算したエネルギ量が外部装置により吸収可能なエネルギ量よりも小さい場合、前記酸化剤極圧力制御部は、前記酸化剤ガスの圧力の変化量を緩めることを特徴とする請求項１乃至８何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
10. 前記圧力制御演算部は、前記酸化剤ガスの温度及び外気圧力に応じて、前記酸化剤ガスの圧力値を補正することを特徴とする請求項１乃至９何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
11. 燃料極に供給される燃料ガスと酸化剤極に供給される酸化剤ガスとを電気化学的に反応させて発電する燃料電池スタックを備える燃料電池システムの制御方法であって、
    前記燃料電池スタックに要求される発電量を検知し、
    前記発電量を前記燃料電池スタックが発電するために必要な前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの圧力値を演算し、
    前記酸化剤ガスの圧力値に基づいて前記酸化剤ガスの圧力を制御し、
    前記酸化剤ガスの圧力を下げる場合、前記酸化剤ガスの圧力又は前記酸化剤ガスの圧力値の変化量に応じて、前記燃料電池スタックから取り出す電流量を決定する
    ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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