JP2006309979A - 燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力制限のハンチングを起こすことなく安定的に出力を取り出せる燃料電池の制御装置１１４ａ及び燃料電池の制御方法を提供する。
【解決手段】
制御装置１１４ａは、燃料電池の出力電圧が燃料電池が安定して発電することができる電圧下限閾値を下回った場合に燃料電池から取り出す電流を制限する手段２と、出力電圧が上昇して電圧下限閾値以上となった時に燃料電池から取り出す電流の制限を解除する手段と、電流の制限を解除する時の電流の増加量上限を演算する手段５とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池の制御装置及び燃料電池の制御方法に関し、特に、出力制限のハンチングを起こすことなく安定的に燃料電池から出力を取り出すための制御装置及び制御方法に関する。

燃料電池システムは、天然ガス等の燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電する発電システムであり、燃料の持つ化学エネルギを有効に利用することが出来、環境にもやさしい特性を有しているため、実用化に向けて技術開発が本格化している。

燃料電池は水素および酸素を安定かつ充分に供給していれば一定の特性を維持することができるが、一時的に水素または酸素不足になったり、過大負荷によって急激に過大電流が流れたり、さらには電池寿命により特性が低下したりすると電池の出力特性が低下する、つまりセル電圧が低下する現象が発生する。

異常な電圧低下のまま運転を継続すると、要求に応じた出力をしようとして電流が増加し、電池の寿命を早めることになるので、従来は異常な電圧低下が発生したら、即刻異常緊急停止しなければいけない。

しかし、異常緊急停止を頻繁に行ってしまうと、燃料電池の寿命を短くしてしまう。そこで、例えば特許文献１に開示された燃料電池の発電制御方法では、緊急停止電圧値（Ｖｐ）よりも高い値（Ｖｓ）を設定して燃料電池電圧を監視し、燃料電池電圧がその設定値を越えたら電力調整装置の入力電流を徐々に低下させることで、緊急停止電圧値を越えないようにして頻繁な停止を回避し、長寿命化を図っている。
特開平１１−１４４７４９号公報

しかし特許文献１に記載された従来例では、燃料電池電圧に応じて燃料電池からの取出し電流制限量を演算する構成であり、燃料電池電圧が回復するのに対応して、電流制限を解除する。電流制限が解除されることで燃料電池の目標発電量が上昇すると、出力制御器による燃料電池からの電力取出し速度に対して、燃料ガス、および酸化ガスの供給増加応答に遅れが生じる。この遅れは、目標発電量に応じたガス供給装置の応答遅れや配管中のガスの移動時間などに起因する。

そのため、電流制限解除量に対してガス供給量に遅れが生じている場合、燃料電池にガス不足状態が発生する。ガス不足状態になると燃料電池電圧は低下するため、出力制御器は燃料電池の出力電流を増加させて目標電力を達成しようとする。これに起因して電流電圧特性（Ｉ-Ｖ特性）が低下することで再度電流制限にかかるという悪循環が陥り、最終的に緊急停止電圧まで燃料電池電圧が低下して燃料電池の連続運転に支障を来す可能性があった。

また、緊急停止電圧まで燃料電池電圧が低下しなくとも、Ｉ-Ｖ特性が悪化した領域で燃料電池の運転を行うと、燃料電池の発電効率が悪くなるうえに、急激に出力が低下して外部負荷の運転性能が低下してしまうという問題があった。

本発明の第１の特徴は、燃料電池の出力電圧が燃料電池が安定して発電することができる電圧下限閾値を下回った場合に燃料電池から取り出す電流を制限する手段と、出力電圧が上昇して電圧下限閾値以上となった時に燃料電池から取り出す電流の制限を解除する手段と、電流の制限を解除する時の電流の増加量上限を演算する手段とを備える燃料電池の制御装置であることである。

本発明の第２の特徴は、燃料電池の出力電圧を検出し、出力電圧が所定の電流制限開始電圧より低下した場合に、燃料電池から取出す電流を制限し、燃料電池の目標発電量を演算し、燃料電池から取出す電流が制限されている下での電流の増加量上限を演算し、目標発電量と燃料電池から取出す電流と電流の増加量上限とに基づいて燃料電池から取出す電流を制御する燃料電池の制御方法であることである。

本発明によれば、出力制限のハンチングを起こすことなく安定的に出力を取り出せる燃料電池の制御装置及び燃料電池の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の実施例）
[構成]
図１を参照して、本発明の第1実施例としての燃料電池システムの構成を説明する。

燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの反応によって電気的エネルギを生成する燃料電池スタック１０１と、燃料電池スタック１０１へ適切な量の燃料ガスを供給する燃料系部材と、燃料電池スタック１０１へ適切な量の酸化ガスの一例としての空気を供給する空気系部材と、燃料電池スタック１０１から出力さえる電力により駆動する駆動ユニット１１３と、燃料電池スタック１０１から電力を取出し、この電力を外部負荷としての駆動ユニット１１３へ供給する出力制御器１１２と、燃料電池スタック１０１から取り出される電圧（出力電圧＝燃料電池電圧）を検出する燃料電池電圧計１１０と、燃料電池スタック１０１から取り出される電流（燃料電池電流）を検出する燃料電池電流計１１１と、燃料電池システム全体の動作を制御するコントローラ１１４とを備える。

燃料電池スタック１０１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んでアノード極１０１ａ及びカソード極１０１ｂを対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。アノード極１０１ａに水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、カソード極１０１ｂに酸素を含有する酸化ガスを供給し、これら一対の電極の電解質膜側の表面で生じる（１）式及び（２）式の電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出すものである。

アノード反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ⁻ （１）
カソード反応：２Ｈ⁺＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ （２）
このように、燃料電池システムは、燃料が有するエネルギを直接電気エネルギに変換する装置である。アノード極１０１ａに供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や水素を含有する燃料を改質して水素含有ガスを供給する方法などが知られている。水素を含有する燃料としては、天然ガス、メタノール、ガソリン等が考えられる。カソードに供給する酸化ガスとしては、一般的に空気が利用されている。

燃料系部材として、燃料電池システムは、高圧水素ガスを貯蔵する高圧水素タンク１０５と、高圧水素タンク１０５から供給される水素ガスの圧力を減調整する可変バルブ１０６と、可変バルブ１０６を通過した水素ガスと燃料電池スタック１０１から排出される余剰水素ガスとを混合させるエゼクタ１０７と、燃料電池スタック１０１のアノード極１０１ａから排出される水素ガスを外部に排気するパージ弁１０８と、アノード極１０１ａ入口の水素圧力を検出する水素圧力センサ１０９と、アノード極１０１ａへ流入する水素流量を検出する水素流量センサ１１５とを備える。

空気系部材として、燃料電池システムは、空気を圧縮して燃料電池スタック１０１のカソード極１０１ｂへ供給するコンプレッサ１０２と、カソード極１０１ｂ内での空気の圧力を調整するスロットル１０３と、カソード極１０１ｂ入口の空気圧力を検出する空気圧力センサ１０４と、カソード極１０１ｂへ流入する空気流量を検出する空気流量センサ１１６からなる。

コントローラ１１４は、本発明に係わる燃料電池の制御装置の実施例に相当する。コントローラ１１４には、燃料電池システムの運転状態を検出するために、燃料電池電圧計１１０及び燃料電池電流計１１１が検出した電圧値（燃料電池電圧）及び電流値（燃料電池電流）が入力される。更に、コントローラ１１４には、水素圧力センサ１０９、水素流量センサ１１５、空気圧力センサ１０４、空気流量センサ１１６を含む各種センサの測定値が入力される。コントローラ１１４は、目標発電量に応じて決まる目標水素ガス圧力及び流量と目標の空気圧力及び流量を実現するように、コンプレッサ１０２、スロットル１０３、水素可変バルブ１０６を制御すると共に、燃料電池スタック１０１から駆動ユニット１１３へ取出す電力（電流）を出力制御器１１２に指令し制御を行う。

次に、本発明の第１の実施例に係わる燃料電池の制御装置に相当するコントローラ１１４ａの構成について説明する。コントローラ１１４ａは、以下に示す機能手段により、燃料電池スタック１０１の発電制御を行う。

コントローラ１１４ａは、燃料電池スタック１０１の目標発電量を演算する目標発電量演算部１と、燃料電池スタック１０１が出力する燃料電池電圧VFCが所定の電流制限開始電圧（電圧下限閾値VMIN）より低下した場合に、燃料電池スタック１０１から取出す電流を制限する電流制限演算部２と、電流制限演算部２による電流制限下で燃料電池スタック１０１から取出す電流の増加量上限を演算する電流増加量上限演算部５と、目標発電量演算部１の出力と電流制限演算部２の出力と電流増加量上限演算部５の出力とに基づいて燃料電池スタック１０１から取出す電流を制御する取出し電流演算部６とを少なくとも備える。

更に、コントローラ１１４ａは、目標発電量演算部１の出力と電流制限演算部２の出力とに基づいてガス（燃料ガス及び空気）の動作点を演算するガス目標動作点演算部３と、ガス目標動作点演算部３の出力に基づいてガスの圧力及び流量の少なくとも一方を制御するガス制御部７と、ガス目標動作点演算部３の出力に基づいて燃料電池スタック１０１に供給されるガスの動作点を推定するガス動作点推定部４とを備える。

ここで、「ガスの動作点」は、燃料電池スタック１０１に供給される燃料ガス及び空気の圧力又は流量を含む概念である。

目標発電量演算部１は、例えば車載時には、図示しないアクセル開度と車両速度に基づいて目標発電量を演算する。

電流制限演算部２は、燃料電池電圧計１１０が検出した燃料電池電圧VFCに基づいて燃料電池スタック１０１から取出す電流の制限を行う。具体的には、電流制限演算部２は、燃料電池電圧計１１０が出力した燃料電池電圧VFCが所定値以下であれば、取出し電流の制限が必要と判断して電流制限値を演算し、取出し電流演算部６へと出力する。

ガス目標動作点演算部３は、コンプレッサ１０２の回転速度、スロットル１０３の開度を制御することにより、燃料電池１０１へ供給する空気の圧力および流量を制御する。また、ガス目標動作点演算部３は、可変バルブ１０６の開度を制御することにより、燃料電池スタック１０１へ供給する水素の圧力および流量を制御する。

電流増加量上限演算部５は、ガス動作点推定部４の出力とガス動作点検知部９の出力とに基づいて電流制限下で燃料電池スタック１０１から取出す電流の増加量上限を演算する。

取出し電流演算部６は、目標発電量演算部１の出力と電流制限演算部２の出力と電流増加量上限演算部５の出力とに基づいて実際に燃料電池スタック１０１から取出す電流或いは電力を出力制御器１１２に指令する。

ガス制御部７は、コンプレッサ１０２、スロットル１０３、水素可変バルブ１０６が備えるガス制御アクチュエータ１１を操作することにより、ガスの圧力及び流量の少なくとも一方を制御する。

ガス動作点検知部９は、実際に燃料電池スタック１０１に供給されているガスの動作点を検知する機能手段であり、例えば、水素圧力センサ１０９、水素流量センサ１１５、空気圧力センサ１０４、空気流量センサ１１６が含まれる。

[動作]
図３を参照して、図２の制御装置による図１の燃料電池システムの制御方法を説明する。図３はゼネラルフローチャートであり、所定時間毎（例えば１０[ms]毎）に演算される。

（イ）先ずＳ２０１段階にて目標発電量演算部１は目標発電量基本値ITARG0を演算する。その後、Ｓ２０２段階にてガス目標動作点演算部３は目標発電量基本値ITARG0に基づいて目標ガス動作点基本値TGAS0を演算する。Ｓ２０２段階の演算において、例えば目標発電量基本値ITARG0から目標ガス動作点基本値TGAS0（圧力・流量）を求めるマップをコントローラ１１４ａ内の記憶装置に予め記憶しておき、必要に応じてこのマップを検索して、目標ガス動作点基本値TGAS0を演算する。

（ロ）Ｓ２０３段階に進み、燃料電池電圧計１１０を用いて燃料電池電圧VFCを検出する。その後、Ｓ２０４段階にて電流制限演算部２は、電流制限の判断基準となる電圧下限閾値VMINを演算する。ここで、電圧下限閾値VMINは、燃料電池スタック１０１の特性から決めた緊急停止電圧VFAILよりも所定量（例えば１０[V]）高い値の定数とする。

（ハ）Ｓ２０５段階において、燃料電池電圧VFC が電圧下限閾値VMINよりも小さいか否かを判断する。VFCがVMIN以上である場合（Ｓ２０５にてＮＯ）、Ｓ２０７段階に進み、電流制限フラグfCURLMTを０に設定してＳ２０９へ進む。VFCがVMINよりも小さい場合（Ｓ２０５にてＹＥＳ）、Ｓ２０６段階に進み、電流制限フラグfCURLMTを１に設定する。そして、Ｓ２０８段階において、電流制限演算部２は、電流制限値IMAXを演算する。Ｓ２０８段階の演算には、図４に示すような燃料電池電圧VFCから電流制限値IMAXを求めるマップをコントローラ１１４ａ内の記憶装置に予め記憶しておき、必要に応じて検索して、電流制限値IMAXを演算する。

（ニ）Ｓ２０９段階にて、目標発電量演算部１は目標発電量ITARGの演算を行う。電流制限フラグfCURLMT＝０の場合には、Ｓ２０１段階で求めた目標発電量基本値ITARG0をそのまま目標発電量ITARGとして用いる。電流制限フラグfCURLMT＝１の場合には、目標発電量基本値ITARG0及びＳ２０８段階で求めた電流制限値IMAXのうち小さい方を目標発電量ITARGとして用いる。

（ホ）Ｓ２１０段階にて、ガス目標動作点演算部３は、Ｓ２０９段階で演算した目標発電量ITARGに基づいたガス目標動作点TGASを演算する。その後、Ｓ２１１段階に進み、Ｓ２１０段階で求めたガス目標動作点TGASに基づいて、燃料電池スタック１０１に供給する燃料ガス及び酸化ガスの圧力及び流量を制御するガス制御を行う。

（ヘ）Ｓ２１２段階にて、ガス動作点推定部４は、ガス動作点推定値SGASを演算する。ガス動作点推定値SGASは、Ｓ２１０段階で演算したガス目標動作点TGASに対して、ガス制御アクチュエータ１１の応答遅れや、配管容積などによる影響を考慮して、予め実験で求めた燃料電池システムの過渡特性を元に演算する。

（ト）Ｓ２１３段階にて、ガス動作点検知部９がガス動作点RGASを検出する。その後、Ｓ２１４段階にて、電流増加量上限演算部５は、Ｓ２１２段階で求めたガス動作点推定値SGASからＳ２１３段階で検出したガス動作点RGASを減算したガス不足量DGAS（＝SGAS−RGAS）を求める。そして、電流増加量上限演算部５は、ガス不足量DGASに基づいて、燃料電池スタック１０１から取出す電流の増加量上限値DIMAXを演算する。

なおＳ２１４段階の演算では、電流増加量上限演算部５は、ガス不足量DGASが所定値内に収まるように、電流の増加量を制限する。ガス不足量DGASから増加量上限値DIMAXを求めるマップをコントローラ１１４ａ内の記憶装置に予め記憶しておき、必要に応じて検索することで増加量上限値DIMAXを求めることができる。或いは、ガス不足量DGASが所定値以上になったことを検知して、増加量上限値DIMAXを所定値（定数）に設定するようにしても構わない。

（チ）Ｓ２１５段階にて、取出し電流演算部６は、燃料電池スタック１０１からの取出し電流値IOUTの演算を行う。Ｓ２１６段階にて、取出し電流演算部６は、出力制御器１１２を介して取出し電流制御を行う。

図５は、第１の実施例の比較例として、燃料電池電圧低下時の様子を示すグラフであり、燃料電池電圧が低下したら燃料電池スタック１０１から取出す電流を制限することで、低下した燃料電池電圧を回復させる構成を適用した場合の燃料電池電圧低下時の様子を示す。

図５（ａ）に示すように燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMINを下回った時点で、図５（ｂ）のように取出し電流を制限、つまり電流制限値IMAXとする。これにより、図５（ａ）に示すように燃料電池電圧VFCを上昇させることは可能である。しかし、図５（ｃ）に示すように出力の低下に伴いガス圧力（ガス動作点RGAS）、流量とも低下させるため、燃料電池電圧上昇に伴い、もともとの目標電流まで回復させると、ガス応答遅れによるガス不足（ガス不足量DGAS）が生じてしまう。これにより、再び燃料電池電圧VFCが低下するという悪循環に陥ることとなる。

これに対して、図６は、図１〜図３に示したコントローラ１１４ａ及び制御方法による燃料電池電圧低下時の様子を示す。図６（ａ）及び（Ｂ）に示すように、燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMINを下回った時点で取出し電流を制限（IMAX）することで燃料電池電圧VFCを上昇させる。これと同時に、図５（ｄ）のガス不足量（DGAS）が所定値内に収まるように目標電流の増加量をフィードバック制御する。これにより、ガス不足に陥る心配は無くなり、良好な運転を継続できるようになる。

なおここでは、「ガス動作点」は、燃料ガス及び酸化ガスの「ガス圧力」及び「ガス流量」が含まれる概念である。また、ここでは主に「ガス圧力」で述べているが、「ガス圧力」の代わりに「ガス流量」で同様の制御を行ってもよい。

[効果]
以上説明したように、コントローラ１１４ａが、電流制限下で燃料電池スタック１０１から取出す電流の増加量上限を演算する電流増加量上限演算部５を有することにより、電流制限後の電流取出しを緩やかにすることができ、燃料電池スタック１０１内のガス不足による燃料電池電圧VFCの異常低下を引き起こすことなく、燃料電池スタック１０１の発電が可能となる。

電流増加量上限演算部５は、ガス動作点推定部４の出力と燃料電池スタック１０１に実際に供給されているガスの圧力あるいは流量とを使用して、電流の増加量上限を演算する。これにより、電流制限下での取出し電流とガス供給量との位相を合わせることで、燃料電池スタック１０１内のガス不足による燃料電池電圧VFCの異常低下を引き起こすことなく、燃料電池スタック１０１の発電が可能となる。

従来では、燃料電池電圧VFCの回復に応じて電流制限を解除して電流を取り出してしまうと、ガス不足でＩ-Ｖ特性が悪化し、電流制限と解除のハンチングを引き起こしてＩ-Ｖ特性の悪化が助長され、緊急停止電圧VFAILまで燃料電池電圧VFCが低下する場合があった。

そこで、第１の実施例に係わるコントローラ１１４ａは、燃料電池スタック１０１の出力電圧VFCが燃料電池スタック１０１が安定して発電することができる電圧下限閾値VMINを下回った場合に燃料電池スタック１０１から取り出す電流を制限する手段と、出力電圧VFCが上昇して電圧下限閾値VMIN以上となった時に燃料電池から取り出す電流の制限を解除する手段と、電流の制限を解除する時の電流の増加量上限を演算する手段とを備える。

このように、制限解除時の取り出し電流の増加量を制限することで、上記問題点を回避することができる。

（第２の実施例）
[構成]
第２の実施例に係わる燃料電池システムの構成は、図１を参照して前述した第１の実施例と同じであり、図示及び説明を省略する。

次に、本発明の第２の実施例に係わる燃料電池の制御装置に相当するコントローラ１１４ｂの構成について説明する。コントローラ１１４ｂは、以下に示す機能手段により、燃料電池スタック１０１の発電制御を行う。

コントローラ１１４ｂは、燃料電池スタック１０１の目標発電量を演算する目標発電量演算部１と、燃料電池電圧VFCと燃料電池電流IFCとに基づいて燃料電池スタック１０１の電流電圧特性（Ｉ-Ｖ特性）が悪化したことを予測または検知する劣化検出部１２と、燃料電池電圧VFCと劣化検出部１２の出力とに基づいて、燃料電池スタック１０１から取出す電流の制限を行う電流制限演算部２と、目標発電量演算部１の出力と電流制限演算部２の出力とに基づいてガスの動作点を演算するガス目標動作点演算部３と、目標発電量演算部１の出力と電流制限演算部２の出力とに基づいて実際に燃料電池スタック１０１から取出す電流あるいは電力を出力制御器１１２に指令する取出し電流演算部６と、ガス目標動作点演算部３の出力に基づいてガスの圧力または流量または双方を制御するガス制御部７とを備える。

劣化検出部１２によりＩ-Ｖ特性が劣化したことが検出された場合、電流制限演算部２は電流制限開始電圧（＝電圧下限閾値VMIN）を増加させる。

劣化検出部１２は、燃料電池電圧VFCが所定の劣化判定電圧（例えば１８０[V]）を下回った場合に燃料電池スタック１０１の劣化を検出するか、あるいは、図８に示すように、正常時の計画Ｉ-Ｖ特性に対して、燃料電池電圧VFCが所定値△Ｖ低下したことを検知して劣化を検出する。Ｉ-Ｖ特性が図８の劣化判定領域にある場合に、劣化を検出する。所定値△Ｖは、例えば、正常時の計画Ｉ-Ｖ特性の２０[%]、あるいは定数、例えば２０[V]である。

[動作]
図９を参照して、図７の制御装置による図１の燃料電池システムの制御方法を説明する。図９はゼネラルフローチャートであり、所定時間毎（例えば１０[ms]毎）に演算される。

なお、図９のＳ３０１、Ｓ３０２、Ｓ３０３段階では、それぞれ、図３のＳ２０１、Ｓ２０２、Ｓ２０３段階と同じ処理を行うため、説明を省略し、Ｓ３０４段階から説明を始める。

（Ａ）Ｓ３０４段階にて、燃料電池電流計１１１を用いて燃料電池電流IFCを検出する。Ｓ３０５段階にて、劣化検出部１２は、劣化検出フラグfIVDECの演算を行う。検出した燃料電池電圧VFC及び燃料電池電流IFCに基づいて、劣化検出部１２がＩ-Ｖ特性が悪化していることを検知した場合には、劣化検出フラグfIVDECを１に設定する。

（Ｂ）Ｓ３０６段階では、電流制限演算部２は、電圧下限閾値VMINを演算する。Ｓ３０７段階では、燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMINよりも小さいか否かを判断する。燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMIN 以上であると判断した場合（Ｓ３０７にてＮＯ）、Ｓ３０８段階に進み、電流制限フラグfCURLMTを０に設定してＳ３１１段階に進む。一方、燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMINよりも小さいと判断した場合（Ｓ３０７にてＹＥＳ）、Ｓ３０９段階に進み、電流制限フラグfCURLMTを１に設定して、Ｓ３１０段階に進み、電流制限演算部２は、電流制限値IMAXを演算する。Ｓ３１０段階の演算では、図３のＳ２０８段階と同様の処理を行う。

（Ｃ）Ｓ３１１段階にて、目標発電量演算部１は目標発電量ITARGの演算を行う。電流制限フラグfCURLMT＝０の場合には、Ｓ３０１段階で求めた目標発電量基本値ITARG0をそのまま目標発電量ITARGとして用いる。電流制限フラグfCURLMT＝１の場合には、目標発電量基本値ITARG0及びＳ３１０段階で求めた電流制限値IMAXのうち小さい方を目標発電量ITARGとして用いる。

（Ｄ）Ｓ３１２段階にて、ガス目標動作点演算部３は、Ｓ３１１段階で演算した目標発電量ITARGに基づいたガス目標動作点TGASを演算する。その後、Ｓ３１３段階に進み、Ｓ３１２段階で求めたガス目標動作点TGASに基づいて、燃料電池スタック１０１に供給する燃料ガス及び酸化ガスの圧力及び流量を制御するガス制御を行う。

（Ｅ）Ｓ３１４段階にて、取出し電流演算部６は、燃料電池スタック１０１からの取出し電流値IOUTの演算を行う。Ｓ３１５段階にて、取出し電流演算部６は、出力制御器１１２を介して取出し電流制御を行う。

図１０を参照して、図９のＳ３０５段階における演算内容の詳細を説明する。

（ａ）Ｓ４０１段階では、検出した燃料電池電圧VFC及び燃料電池電流IFCに基づき、燃料電池スタック１０１の発電状態が図８の劣化判定領域にあるか否かを判定する。この判定は、検出した燃料電池電流IFCに対応した劣化判定電圧VDECに対して、燃料電池電圧VFCが劣化判定電圧VDECよりも小さいか否かで行う。劣化判定領域にある（VFC＜VDEC）と判定された場合には（Ｓ４０１にてＹＥＳ）、Ｓ４０５段階に進み、劣化検出フラグfIVDECを１に設定して、本演算処理を終了する。

（ｂ）劣化判定領域にある（VFC＜VDEC）と判定された場合には（Ｓ４０１にてＹＥＳ）、Ｓ４０２段階に進み、劣化検出フラグfIVDECが１であるか否かを判定する。fIVDEC＝１でなかった場合には（Ｓ４０２にてＮＯ）、Ｓ４０３段階に進み、劣化検出フラグfIVDECを０に設定して、本演算処理を終了する。

（ｃ）劣化検出フラグfIVDEC＝１である場合には（Ｓ４０２にてＹＥＳ）、Ｓ４０４段階に進み、燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMINより大きいか否かを判定する。燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMINより大きいと判定された場合には（Ｓ４０４にてＹＥＳ）、Ｓ４０３段階に進み、劣化検出フラグfIVDECを０に設定して、本演算処理を終了する。燃料電池電圧VFCが電圧下限閾値VMIN以下であると判定された場合には（Ｓ４０４にてＮＯ）、Ｓ４０５段階に進み、劣化検出フラグfIVDECを１に設定して、本演算処理を終了する。

なお、Ｓ４０４段階の判定を入れたのは、以下理由に拠る。電流電圧特性が劣化判定領域に無く（VFC＞VDEC）、かつ、劣化検出フラグfIVDECが１であるという発電状態は、その前に一度VFC＜VDECとなった後に、電流制限されることでVFC＞VDEC以上まで回復したことにより、生成される。fIVDEC＝１の期間は、電圧下限閾値VMINを通常より高い値に設定する。そのため、Ｓ４０１段階でVFC＞VDECとなっただけでfIVDEC＝０としてしまうと、電圧下限閾値VMINが切り替わって低い値になる。これにより、電流制限値IMAXが増加して、燃料電池スタック１０１の出力が不安定になってしまう可能性がある。以上の理由から、Ｓ４０４段階の判定をおこなう。

図１１を参照して、図９のＳ３０６段階における演算内容の詳細を説明する。

（Ｉ）Ｓ５０１段階では、劣化検出フラグfIVDECが１であるか否かを判定する。劣化検出フラグfIVDECが１で無いと判定された場合には（Ｓ５０１にてＮＯ）Ｓ５０３段階に進み、電圧下限閾値VMINをVMIN1に設定して処理を終了する。ここでVMIN1は、緊急停止電圧VFAILよりも所定量（例えば10[V]）高い値を設定する。

（II）劣化検出フラグfIVDECが１であると判定された場合には（Ｓ５０１にてＹＥＳ）、燃料電池電圧ＶＦＣが図８の劣化判定領域内にあるとして、Ｓ５０２段階に進み、電圧下限閾値VMINをVMIN2に設定して処理を終了する。ここでVMIN2は、緊急停止電圧VFAILに対してVMIN1よりもさらに所定量（例えば、20[V]）高い値に設定する。

第２の実施例に拠れば、燃料電池電圧VFCが劣化したことが検出された場合に、劣化検出部１２が電流制限開始電圧を所定量増加させることにより、電流制限後の電流取出しを緩やかにすることができ、燃料電池スタック１０１内のガス不足を引き起こすことなく、燃料電池スタック１０１の発電運転が可能となる。また、燃料電池スタック１０１内の水詰りや燃料電池スタック１０１の劣化などで、Ｉ-Ｖ特性が悪化している場合においても、燃料電池スタック１０１の発電効率の悪いＩ-Ｖ領域での運転をさけ、急激な出力低下を招くことなく安定した燃料電池の発電を行うことができる。

具体的には、図１２に示すとおり、燃料電池スタック１０１内の水詰りや燃料電池スタック１０１の劣化などで、Ｉ-Ｖ特性が悪化している場合においても、電圧下限閾値VMINをVMIN1よりも高いVMIN2に設定することで、燃料電池スタック１０１の発電効率の悪いＩ-Ｖ領域（電圧降下の大きい拡散領域）での運転をさけ、急激な出力低下を招くことなく安定した燃料電池の発電を行うことができる。

このように、従来では、水詰りや燃料電池劣化等により電圧-電流特性が悪化した場合、頻繁に出力制限がかかっていたが、第２の実施例によれば、ＩＶ特性が悪化した状態であっても、出力制限のハンチングを起こすことなく安定的に出力を取り出すことができる。

（第３の実施例）
[構成]
第３の実施例に係わる燃料電池システムの構成は、図１を参照して前述した第１の実施例とほぼ同じであり、図示及び説明を省略する。

次に、本発明の第３の実施例に係わる燃料電池の制御装置に相当するコントローラ１１４ｃの構成について説明する。コントローラ１１４ｃは、以下に示す機能手段により、燃料電池スタック１０１の発電制御を行う。

コントローラ１１４ｃは、図２に示したコントローラ１１４ａに比べて、劣化検出部１２を更に備え、劣化検出部１２の出力に基づき、電流制限演算を行っている点が異なる。劣化検出部１２の実施する内容は、第２の実施例と同じであり、Ｉ-Ｖ特性劣化検出時には劣化検出フラグfIVDECを１に設定する。

[動作]
図１４を参照して、図１３の制御装置（コントローラ１１４ｃ）による図１の燃料電池システムの制御方法を説明する。図１３はゼネラルフローチャートであり、所定時間毎（例えば１０[ms]毎）に演算される。

なお、基本的なフローは、第１実施例、あるいは第２実施例と同じである。図１４のＳ６０１〜Ｓ６１３、Ｓ６１４〜Ｓ６１５段階までの処理は、それぞれ、図９のＳ３０１〜Ｓ３１３、図３のＳ２１２〜Ｓ２１３段階までの処理と同じであるため、説明を省略し、Ｓ６１６段階から説明を始める。

Ｓ６１６段階では、劣化検出フラグfIVDECが１であるかどうかを判定する。劣化検出フラグfIVDECが１で無いと判断した場合には（Ｓ６１６にてＮＯ）、Ｓ６１７段階の処理を飛ばし、Ｓ６１８段階へ進む。劣化検出フラグfIVDECが１であると判断した場合には、Ｓ６１７段階へ進み、図３のＳ２１４段階と同様にして、電流増加量上限値DIMAXの演算を行う。

Ｓ６１８、Ｓ６１９段階の処理はそれぞれ、図３のＳ２１５、Ｓ２１６段階の処理と同じであるため、説明は省略する。

以上説明したように、劣化検出部１２により燃料電池電圧VFCが劣化したことが検出された場合にのみ電流増加量上限演算を実施する。これにより、Ｉ-Ｖ特性が低下していないときは過剰な電流増加量制限を行わないようにすることができ、燃料電池電圧VFCの回復に伴い、速やかに燃料電池スタック１０１からの電力取出しを行い、外部負荷へ供給することが出来る。したがって、外部負荷の運転性能の低下を低減することができる。また、燃料電池以外の動力源として、例えばバッテリやキャパシタなどの二次電池を搭載しているシステムであった場合、速やかに燃料電池の発電を行うことで、燃料電池の電流制限中における二次電池の過放電を防止することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は、第１乃至第３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。

例えば、電流増加量制限は、燃料ガスあるいは酸化ガスの圧力増加に応じて設定しても構わない。つまり、制限解除時のガス不足を防ぐために、ガス圧力に応じて電流増加制限量を制御してもよい。

また、電流増加量制限は、酸化ガスの目標流量と実流量との偏差を所定値以内に抑えるよう制限することで実現しても構わない。

このように、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。

本発明の第１実施例としての燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。 図１のコントローラの基本制御構成を示すブロック図である。 図２の制御装置による図１の燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 燃料電池電圧VFCから電流制限値IMAXを求めるマップの一例を示すグラフである。 第１の実施例の比較例として、燃料電池電圧低下時の様子を示すグラフであり、（ａ）は燃料電池電圧の時間変化を示し、（ｂ）は燃料電池電流の時間変化を示し、（ｃ）はガス圧力の時間変化を示し、（ｄ）はガス不足量の時間変化を示す。 第１の実施例として、燃料電池電圧低下時の様子を示すグラフであり、（ａ）は燃料電池電圧の時間変化を示し、（ｂ）は燃料電池電流の時間変化を示し、（ｃ）はガス圧力の時間変化を示し、（ｄ）はガス不足量の時間変化を示す。 本発明の第２の実施例に係わるコントローラの基本制御構成を示すブロック図である。 正常時のＩ-Ｖ特性と劣化判定時のＩ-Ｖ特性との関係を示すグラフである。 図７の制御装置による図１の燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。 図９のＳ３０５段階における演算内容の詳細を示すフローチャートである。 図９のＳ３０６段階における演算内容の詳細を示すフローチャートである。 第２の実施例にかかわる、Ｉ-Ｖ特性が悪化している時の燃料電池スタックの運転領域を示すグラフである。 本発明の第３の実施例に係わるコントローラの基本制御構成を示すブロック図である。 図１３の制御装置による図１の燃料電池システムの制御方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１…目標発電量演算部
２…電流制限演算部
３…ガス目標動作点演算部
４…ガス動作点推定部
５…電流増加量上限演算部
６…電流演算部
７…ガス制御部
９…ガス動作点検知部
１１…ガス制御アクチュエータ
１２…劣化検出部
１０１…燃料電池スタック（燃料電池）
１０１ａ…アノード極
１０１ｂ…カソード極
１０２…コンプレッサ
１０３…スロットル
１０４…空気圧力センサ
１０５…高圧水素タンク
１０６…水素可変バルブ
１０７…エゼクタ
１０８…パージ弁
１０９…水素圧力センサ
１１０…燃料電池電圧計
１１１…燃料電池電流計
１１２…出力制御器
１１３…駆動ユニット
１１４ａ〜１１４ｃ…コントローラ
１１５…水素流量センサ
１１６…空気流量センサ

Claims (7)

1. 燃料電池が出力する燃料電池電圧が所定の電流制限開始電圧より低下した場合に、前記燃料電池から取出す電流を制限する電流制限演算部と、
   前記燃料電池の目標発電量を演算する目標発電量演算部と、
   前記電流制限演算部による電流制限下で前記燃料電池から取出す電流の増加量上限を演算する電流増加量上限演算部と、
   前記目標発電量演算部の出力と、前記電流制限演算部の出力と、前記電流増加量上限演算部の出力とに基づいて前記燃料電池から取出す電流を制御する取出し電流演算部
   とを備えることを特徴とする燃料電池の制御装置。
2. 前記目標発電量演算部の出力と前記電流制限演算部の出力とに基づいて前記燃料電池に供給するガスの目標動作点を演算するガス目標動作点演算部と、
   前記ガス目標動作点演算部の出力に基づいて、前記燃料電池に供給するガスの圧力あるいは流量を推定するガス動作点推定部とを更に備え、
   前記電流増加量上限演算部は、前記ガス動作点推定部の出力と前記燃料電池に実際に供給されているガスの圧力あるいは流量とを使用して、前記電流の増加量上限を演算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。
3. 前記燃料電池の電流電圧特性が悪化したことを予測または検知する劣化検出部をさらに備え、
   前記劣化検出部により前記電流電圧特性が劣化したことが検出された場合、前記電流制限演算部は前記電流制限開始電圧を増加させることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の制御装置。
4. 前記燃料電池の電流電圧特性が悪化したことを予測または検知する劣化検出部をさらに備え、
   前記劣化検出部により前記電流電圧特性が劣化したことが検出された場合に限り、前記電流増加量上限演算部は前記電流の増加量上限を演算することを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池の制御装置。
5. 燃料電池の出力電圧が前記燃料電池が安定して発電することができる電圧下限閾値を下回った場合に前記燃料電池から取り出す電流を制限する手段と、
   前記出力電圧が上昇して前記電圧下限閾値以上となった時に前記燃料電池から取り出す電流の制限を解除する手段と、
   前記電流の制限を解除する時の前記電流の増加量上限を演算する手段
   とを備えることを特徴とする燃料電池の制御装置。
6. 燃料電池の出力電圧を検出し、
   前記出力電圧が所定の電流制限開始電圧より低下した場合に、前記燃料電池から取出す電流を制限し、
   前記燃料電池の目標発電量を演算し、
   前記燃料電池から取出す電流が制限されている下での当該電流の増加量上限を演算し、
   前記目標発電量と、前記燃料電池から取出す電流と、当該電流の増加量上限とに基づいて前記燃料電池から取出す電流を制御する
   ことを特徴とする燃料電池の制御方法。
7. 前記目標発電量と前記燃料電池から取出す電流の増加量上限とに基づいて前記燃料電池に供給するガスの目標動作点を演算し、
   前記目標動作点に基づいて、前記燃料電池に供給するガスの圧力あるいは流量を推定し、
   前記燃料電池から取出す電流を制御することは、前記ガスの圧力あるいは流量の推定値と前記燃料電池に実際に供給されているガスの圧力あるいは流量とを使用して、前記電流の増加量上限を演算することであることを特徴とする請求項６記載の燃料電池の制御方法。

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