JP2007172888A - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素調圧弁下流圧力センサに異常が生じたときにも応答性よく水素を供給して燃料電池システムの運転を継続する。
【解決手段】水素圧力制御部３５は、水素調圧弁下流圧力センサ２９の検出値が異常であるか、２重化した水素調圧弁下流圧力センサ２９の検出値の差が所定値以上の時に、水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常と判定する。水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常と判定されたとき、スタック入口水素圧力センサ３１の検出値に基づいて、水素調圧弁１５を制御して、燃料電池システムの運転を継続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池システムの制御装置に係り、特に、アノードに供給する燃料ガスの圧力センサの異常時にもシステム運転を継続することができる燃料電池システムの制御装置に関する。

燃料電池を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転圧力は、一般に、燃料電池入口の圧力を調圧弁を用いて目標圧に制御する。例えば、特許文献１に開示の「燃料電池制御装置」では、燃料電池入口の水素圧力に応じて水素レギュレータをフィードバック制御して、燃料電池入口水素圧を所望の値に制御している。
特開２００３−９２１２５号公報（第４頁、図１）

しかしながら上記の従来技術においては、燃料電池の入口水素圧力を水素調圧弁で直接フィードバック制御しているため、レギュレータから燃料電池入口圧力センサまでの圧損や体積要素によって、目標圧力への制御精度と応答性が悪くなるという問題があった。

この問題を解決する方法として、水素圧を検出する圧力センサを燃料電池入口と燃料ガス調圧装置下流の２箇所に設置して、燃料電池入口水素圧力が目標圧力になるように調圧装置と燃料電池入口水素圧力センサ間の圧損要素や体積要素を考慮して目標水素調圧装置下流圧力を演算し、該目標水素調圧装置下流圧力と水素調圧装置下流圧力検出値に応じて水素調圧弁を制御することによって、水素圧力制御の制御性能を向上させる方法が考えられる。

しかしながら、このような制御方法であっても、燃料ガス調圧装置下流圧力センサに異常が発生した場合には、水素圧力制御を継続することはできず、燃料電池システムを停止しなくてはならないという問題点があった。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、燃料ガス調圧装置下流圧力センサが異常であると判定された場合であっても、運転を継続できる燃料電池システムを提供することを目的としている。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、前記燃料ガス供給経路に合流部で接続し、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池の入口側へと循環させる燃料ガス循環経路と、前記合流部よりも下流の前記燃料ガス供給経路における燃料電池入口燃料ガス圧力を検知する燃料電池入口燃料ガス圧検知手段と、前記合流部よりも上流の前記燃料ガス供給経路における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス調圧弁と、前記燃料電池入口燃料ガス圧検知手段の検知結果に基づいて、燃料ガス調圧弁下流圧の目標値を演算する目標調圧弁下流圧演算手段と、前記合流部よりも上流の前記燃料ガス供給経路において、燃料ガス調圧弁の下流の燃料ガス圧力を検知する調圧弁下流圧検知手段と、前記調圧弁下流圧力検知手段の検知結果が、前記目標調圧弁下流圧演算手段が演算した目標圧力に近づくように、燃料ガス調圧弁を制御する調圧弁制御手段と、前記調圧弁下流圧検知手段の異常を判定する異常判定手段と、を備え、前記調圧弁制御手段は、前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合に、燃料電池入口燃料ガス圧力に基づいて、燃料ガス調圧弁を制御して燃料ガス圧力の圧力制御を行い、システムの運転を継続することを要旨とする。

本発明によれば、調圧弁制御手段は、調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定されたときにでも、調圧弁下流圧を使用せずに、少なくとも燃料電池入口燃料ガス圧力を基に燃料ガス調圧弁を制御して燃料ガス圧力の圧力制御を行うので、燃料電池システムの運転を継続することができるという効果がある。

次に図面を参照して、本発明の実施例を説明する。尚、以下の各実施例は、特に限定されないが、燃料電池車両の電源となる燃料電池システムに本発明を適用した実施例である。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例１が適用される燃料電池システム１を示す構成図である。図１において、燃料電池３は、例えば水素イオン伝導性の固体高分子電解質膜を使用した固体高分子型燃料電池である。燃料電池３の図示しないアノード（水素極）に水素ガスが、図示しないカソード（酸素極）に空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。

アノード：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- （１）
カソード：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ (1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （２）
燃料電池３のカソードには、酸化剤供給経路５を介して、例えば図示しないコンプレッサにより圧縮された空気が供給される。カソードで使用済みの空気は、酸化剤排出経路７を介して排出される。酸化剤排出経路７には、例えば図示しない空気調圧弁が配置され、その開度を制御することによりカソードの空気圧力が調整可能となっている。

アノードへの水素供給は、水素タンク９から燃料電池３へ至る水素供給経路１３を介して行われる。水素供給経路１３上には、減圧弁１１、水素調圧弁１５が配置されている。水素タンク９から供給される高圧水素は、減圧弁１１で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素調圧弁１５で燃料電池入口での水素圧力が所望の水素圧に制御される。圧力センサ２７、２９、３１は、それぞれ水素調圧弁上流圧、水素調圧弁下流圧、スタック入口水素圧を検出するセンサである。

アノード出口から排出された未反応燃料ガスをアノード入口へ循環させるために、水素循環経路１９と、エゼクタ１７とが設置されている。エゼクタ１７は、水素調圧弁１５から供給される新規水素ガスを駆動流として水素循環経路１９内の未反応水素ガスを吸引し、これらの混合ガスを燃料電池３のアノード入口へ供給する流体ポンプである。またエゼクタ１７は、水素供給経路１３と水素循環経路１９との合流部でもある。

また、エゼクタ１７と並列に配置された水素循環ポンプ２５は、エゼクタ１７が機能しない発電領域で作動させ、水素を循環させる。このように、必要に応じて水素循環ポンプを用いて水素を循環させて再利用しても良く、これにより発電効率を向上することができる。ここで、エゼクタ１７は大きな圧損要素となり、また水素循環経路１９を有することで、これが体積要素となる。

また水素循環経路１９から分岐する排気経路２１と、排気経路２１を開閉するパージ弁２３が配置されている。例えばカソードに空気を供給した場合には、カソードからアノードへ空気中の窒素が透過してくるので水素系内の水素分圧が低下し、燃料電池の発電性能が低下する。そこで、所望の水素分圧を確保するために、定期的にパージ弁２３を開いて水素系内に蓄積した窒素を排出する。また、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばし、セル電圧を回復させるという用途にも用いられる。

パワーマネージャー４１は、燃料電池３から電力を取り出して車両を駆動するモータ（図示しない）へ電力を供給する。

以上、燃料電池のシステムについて説明したが、次に、この燃料電池システムの制御装置について説明する。

燃料電池システムの制御装置は、水素調圧弁１５を制御して燃料電池３へ供給する水素ガス圧力を目標圧力に制御する水素圧力制御部３５と、パージ弁２３を制御するパージ弁制御部３７と、水素循環ポンプ２５を制御する水素循環ポンプ制御部３９と、電流制限部４３とを備えている。尚、この燃料電池システム制御装置は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、プログラム及び制御テーブルを記憶したＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースとを備えたマイクロプロセッサにより構成されている。

水素循環ポンプ制御部３９は、例えばアイドル時などの燃料電池の目標取出電力が小さいところでは、水素消費量が少なく、従って供給水素流量が少ないために、エゼクタ１７では水素が循環しない領域があるので水素循環ポンプ２５を作動させる。

パージ弁制御部３７は、例えばマイクロプロセッサに内蔵するタイマーにより定められた周期でパージ弁２３を開閉させる。

電流制限部４３は、水素圧力制御部３５，水素循環ポンプ制御部３９，パワーマネージャー４１へ目標取出電流を出力する。通常時は、燃料電池に対する要求取出電流をそのまま目標取出電流として出力し、水素圧力制御部３５が水素調圧弁下流圧力センサ２９の異常を検出して、水素調圧弁下流圧力センサ異常信号を出力した場合には、要求取出電流に対して燃料電池システムの性能を考慮して電流制限した目標取出電流を出力する。

水素圧力制御部３５は、燃料電池入口水素圧力が目標圧力になるように水素調圧弁１５を制御する。本実施例において目標圧力は目標取出電流に基づいた値とするが、目標電力に基づいた値としたり、所定の一定圧力としたりしてもよい。

図２は、水素圧力制御部３５の制御内容を説明する概略フローチャートである。水素圧力制御部３５は、最初にステップ（以下ステップを Sと略す）S102で目標取出電流を読み込む。次いでS104では、S102で読み込んだ目標取出電流に基づき目標燃料電池入口水素圧力を演算する。目標取出電流から目標燃料電池入口水素圧力を演算する方法としては、例えば目標取出電流に対応する所望の燃料電池入口水素圧力の関係を定義した制御テーブルを制御装置のＲＯＭに記憶させておき、その制御テーブルを用いて演算する方法がある。

次いでS106では、図１に記載の燃料電池入口水素圧力センサ３１により検出した燃料電池入口水素圧力を読み込む。次いでS108では、S102で読み込んだ目標取出電流と、S104で演算した目標燃料電池入口水素圧力と、S106で読み込んだ燃料電池入口水素圧力に基づいて、燃料電池入口水素圧力が目標値となるような目標水素調圧弁下流圧力を演算する。

ここで、S108目標水素調圧弁下流圧力演算のフローチャートを図３に示す。目標水素調圧弁下流圧力演算部は、最初にS202において、図２のS102で読み込んだ目標取出電流に基づいて目標水素調圧弁下流圧力のフィードフォワード（ＦＦ）値を演算する。具体的な演算方法としては、例えば定常状態における燃料電池からの取出電流と水素調圧弁下流圧力との関係を定義した制御テーブルを制御装置のＲＯＭに記憶させておき、その制御テーブルを用いて演算する方法がある。

次いでS204では、図２のS104で演算した目標燃料電池入口水素圧力とS106で読み込んだ燃料電池入口水素圧力との差に基づいた目標水素調圧弁下流圧力フィードバック（ＦＢ）補正値を演算する。このフィードバック補正によって、燃料電池入口水素圧力が定常的に目標値と一致するようにS202のＦＦ値演算誤差の補正ができ、また過渡状態での燃料電池入口水素圧力の応答性を向上させることができる。次いでS206において、S202で演算したＦＦ値とS204で演算したＦＢ補正値に基づき目標水素調圧弁下流圧力を演算し、S208でS206の演算結果を出力する。以上で、図３の目標水素調圧弁下流圧力演算のフローチャートの説明を終える。

図２の説明に戻り、S110では図１に記載の水素調圧弁下流圧力センサ２９を用いて水素調圧弁下流圧力を読み込む。次いで、S112で水素調圧弁下流圧力を推定する演算を行うが、これは水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常と判定されたときにでも水素調圧弁下流圧力を推定した結果を用いて水素圧力制御を継続するために設けてある。

図４に水素調圧弁下流圧力推定演算のフローチャートを示す。水素調圧弁下流圧力推定演算は、本実施例では、水素調圧弁上流圧力と、燃料電池入口水素圧力と、水素調圧弁操作量と、に基づいて水素調圧弁下流圧力を推定する。最初にS302で、図１記載の水素調圧弁上流圧力センサ２７が検出した水素調圧弁上流圧力を読み込む。次いでS304では、S302で読み込んだ水素調圧弁上流圧力と、図２のS106で読み込んだ燃料電池入口水素圧力とを用いて、水素調圧弁１５を流れる水素流量を演算する。この演算は、例えば水素調圧弁上流圧力から燃料電池入口水素圧力を差し引いて圧損を求め、あらかじめ計算して制御装置のＲＯＭに記憶させておいた圧損と水素流量の関係を表す制御テーブルと求めた圧損から、水素流量を演算する方法がある。必要に応じて、流れる水素の温度を計測した結果で流量を補正して演算精度を向上させてもよい。次いでS306で、水素調圧弁１５の操作量を読み込むが、この値は水素調圧弁１５に操作量センサを取り付けてセンサ値を読み込んだり、または水素調圧弁１５に出している操作量指令値（図２のS118）を用いたりしてもよい。次いでS308では、S304で演算した水素流量とS306で読み込んだ水素調圧弁操作量から水素調圧弁１５での圧力損失を演算する。この演算方法としては、例えばあらかじめ計算してコントローラに記憶させておいた水素流量と水素調圧弁操作量と水素調圧弁１５での圧損の関係を表す制御マップから、水素流量と水素調圧弁操作量に応じた水素調圧弁での圧損を演算する。

次いでS310では、S302で読み込んだ水素調圧弁上流圧力からS308で演算した水素調圧弁１５での圧損を差し引いて水素調圧弁下流圧力推定値を演算するが、必要であれば水素調圧弁上流圧力センサ２７の取り付け位置から水素調圧弁１５までの圧損を考慮した演算を行ってもよく、水素調圧弁下流圧力の推定精度を更に向上させることができる可能性がある。次いでS312では、S310で演算した水素調圧弁下流圧力推定値に進み補償をかけるが、これにより擬似的に水素調圧弁上流圧力センサ取り付け位置から燃料電池入口水素圧力センサ取り付け位置までにある体積要素と圧損要素を考慮することができ、過渡状態での水素調圧弁下流圧力推定演算の精度を向上させることができる。最後にS314では、S312で演算した水素調圧弁下流圧力推定値を出力し、終了する。以上で図４の水素調圧弁下流圧力推定演算のフローチャートの説明を終えるが、水素調圧弁下流圧力推定の演算はここで説明した方法以外にも、システムの動特性を物理法則に基づいた微分方程式で表したモデルを用意して、これを解くことで推定してもよい。

図２の説明に戻り、S112で水素調圧弁下流圧力を推定したら、次いでS114で水素調圧弁下流圧力センサが正常か異常かを判定する異常判定を行う。この判定方法としては、例えば、S110で読み込んだ水素調圧弁下流圧力センサ２９の検出値がセンサ異常を示す値であったり、水素調圧弁下流圧力センサ２９を２重化し、それぞれのセンサが示す値の差が所定値以上あったりすることを検知することで行うことができる。またS114では、後続の処理が水素調圧弁下流圧力センサの正常／異常を容易に判定するために、例えばセンサ異常フラグの値を設定する。このセンサ異常フラグは、初期値を０として、値が０の時にセンサが正常、値が１の時にセンサが異常を示すものとする。次いでS116で、水素調圧弁操作量の指令値を演算する。

図５に、本実施例における水素調圧弁操作量指令値演算のフローチャートを示す。水素調圧弁操作量の指令値演算は、最初にS402において、図２のS114での水素調圧弁下流圧力センサ異常判定結果（センサ異常フラグの値）に応じて、２通りの水素調圧弁操作量指令値演算方法を切り替える。水素調圧弁下流圧力センサ２９が正常であると判定された場合は、S404に進んで、図２のS110で読み込んだ水素調圧弁下流圧力が図２のS108で演算した目標水素調圧弁下流圧力に一致するように水素調圧弁操作量指令値を演算する（第１調圧弁操作量指令値演算）。この演算方法は、例えば水素調圧弁下流圧力と目標値の差に基づき比例演算と積分演算と（ＰＩ制御演算）を行う。

S402の判定で、水素調圧弁下流圧力センサが異常であると判定された場合は、S406に進んで、図２のS112で演算した水素調圧弁下流圧力推定値が図２のS108で演算した目標水素調圧弁下流圧力に一致するように水素調圧弁操作量指令値を演算する（第２調圧弁操作量指令値演算）。最後にS408で、S404もしくはS406で演算した水素調圧弁操作量指令値を出力して、終了する。このように、本実施例では、調圧弁下流圧力センサが異常と判定されたときに、水素調圧弁下流圧力を推定して水素調圧弁を制御するので、ガス圧力制御の応答性を損なわずに燃料電池システムの運転を継続することができるという効果がある。以上で、図５の水素調圧弁操作量指令値演算のフローチャートの説明を終える。

図２の説明に戻り、S116で水素調圧弁操作量指令値を演算したら、次いでS118に進み、S116の水素調圧弁操作量指令値演算結果を図１の水素調圧弁１５に出力し、水素調圧弁操作量を制御する。最後にS120において、S112で行う水素調圧弁下流圧力推定演算に使用しているパラメータの補正を行って、水素圧力制御フローを抜ける。

図６に水素調圧弁下流圧力推定演算パラメータ補正のフローチャートを示す。水素調圧弁下流圧力推定演算パラメータ補正は、最初にS502で、図２のS114での水素調圧弁下流圧力センサ異常判断結果に応じて補正処理を行うか行わないかの判断をする。水素調圧弁下流圧センサが正常であると判断されている場合はS504に進み、図２のS110で読み込んだ水素調圧弁下流圧力と図２のS112で演算する水素調圧弁下流圧力推定値との誤差が小さくなるように図２のS112の水素調圧弁下流圧力推定演算で用いるパラメータ（例えば各種テーブルデータや、進み補償演算のパラメータなど）を補正して終了する。反対に、水素調圧弁下流圧力センサが異常であると判断されている場合は、パラメータ補正を行わずに終了する。以上で図６の水素調圧弁下流圧力推定演算パラメータ補正フローチャートの説明を終る。

以上説明したように水素圧力制御フローは実行されるが、制御装置の演算負荷の低減が必要な場合などは、S312の進み補償演算や、S120のパラメータ補正を行わなくてもよい。

次に、実施例２について説明する。図７は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例２が適用される燃料電池システム１を示す構成図であり、実施例１の構成に対して水素調圧弁上流圧力センサ２７を備えていない。その他の構成は、実施例１と同様であり、同じ構成要素には同じ符号を付与する。

次に、図８〜図１１を参照して、実施例２における水素圧力制御を説明する。本実施例の水素圧力制御の概略フローチャートを図８に示す。本実施例の図８のS602〜S610までは、実施例１の図２のS102〜S110と同じであるので、説明は省略する。水素圧力制御は、S612でS114と同様な方法で水素調圧弁下流圧力センサ２９が正常か異常かを判断し、その後の処理が参照可能なように、センサの正常／異常を示すセンサ異常フラグを設定する。次いで、S614で水素調圧弁操作量の指令値を演算する。

図９に本実施例における水素調圧弁操作量指令値演算のフローチャートを示す。水素調圧弁操作量指令値演算は、最初にS702で水素調圧弁下流圧力センサ２９が正常であるか異常であるかの判断結果（センサ異常フラグの値）を判定する。ここで圧力センサが正常であれば、S704に進んでS404と同様の第１調圧弁操作量指令値演算を行う。S702で圧力センサが異常であると判断されていたら、S706に進んで第３調圧弁操作量指令値演算を行う。第３調圧弁操作量指令値演算では、目標取出電流と目標燃料電池入口水素圧力と燃料電池入口水素圧力に基づき、燃料電池入口水素圧力が目標値となるような水素調圧弁操作量の指令値を演算する。

図１０に、第３調圧弁操作量指令値演算の詳細フローチャートを示す。第３調圧弁操作量指令値演算は、まず最初にS802では、S602で読み込んだ目標取出電流に基づいた水素調圧弁開度フィードフォワード（ＦＦ）値を演算する。本実施例においてＦＦ値の演算は、燃料電池入口水素圧力が所望の値となるような電流と水素調圧弁操作量の関係を示した制御テーブルを用いて演算することとする。

次いでS804では、S604で演算した目標燃料電池入口水素圧力とS606で読み込んだ燃料電池入口水素圧力との差に応じて、水素調圧弁操作量のフィードバック（ＦＢ）補正値を演算する。次いでS806では、S802で演算したＦＦ値とS804で演算したＦＢ値を足し合わせて、水素調圧弁操作量指令値を演算する。そして最後にS808では、S806で演算した水素調圧弁操作量指令値を出力する。以上で、第３水素調圧弁操作量指令値演算フローの説明を終える。

図９の説明に戻り、最後にS708では、S704もしくはS706で演算した調圧弁操作量指令値演算結果を出力する。以上で、水素調圧弁操作量指令値演算フローの説明を終える。

図８の説明に戻り、S616では、S614で演算した水素調圧弁操作量指令値の演算結果を図１の水素調圧弁１５に出力し、水素調圧弁操作量を制御する。これにより、水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常である場合には、目標取出電流（燃料電池３の負荷）に応じて水素調圧弁１５の操作量がフィードフォワード制御されるとともに、S606で読み込んだ燃料電池入口水素圧力と、S604で演算した目標燃料電池入口水素圧力とのずれに基づき水素調圧弁１５の操作量がフィードバック制御するように制御系が切り替えられる。最後にS618では、S706第３調圧弁操作量演算のS802水素調圧弁操作量ＦＦ値演算で使用する電流−水素調圧弁操作量テーブルを補正する。

図１１に電流−水素調圧弁開度テーブル値補正処理フローチャートを示す。電流−水素調圧弁開度テーブル値補正処理は、最初にS902で、水素調圧弁下流圧力センサが正常であるか異常であるかを確認する。S902で正常であることを確認した場合はS904に進み、目標取出電流と水素調圧弁操作量の関係に基づき、ＦＦ値を演算する制御テーブルを補正して、補正処理を終了する。これにより、目標取出電流に応じた水素調圧弁操作量が学習され、この結果が制御テーブルに反映される。このテーブルは、不揮発性メモリに記憶しておくと、燃料電池システムの制御装置の電源を落とした後の再起動時にも前回更新したテーブル値を利用できる。この場合、水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常である場合には、学習した制御テーブル（目標取出電流に応じた水素調圧弁操作量）を用いて、上述したフィードフォワード制御が行われる。

S902で異常であることを確認した場合は、補正処理を行わずに終了する。以上で、電流−水素調圧弁開度テーブル値補正処理フローチャートの説明を終了する。図８の説明に戻り、S618で補正処理を終えたら、水素圧力制御フローを終える。

次に、実施例３について説明する。本実施例は実施例２の第３調圧弁指令値演算において、電流変化率（燃料電池３の負荷の変化率）に基づき水素調圧弁操作量指令値に進み補償をかけることを加える構成とした。本実施例における第３調圧弁操作量指令値演算フローチャートを図１２に示す。S1002 〜S1006 までは、図１０のS802〜S806と同じであるので、説明は省略する。S1008 では、今回読み込んだ目標取出電流と前回読み込んだ目標取出電流の差から、目標取出電流の変化率を演算する。次いでS1010 では、S1008 で演算した目標取出電流変化率に基づいてS1006 で演算した水素調圧弁操作量指令値演算結果に進み補償をかける。

具体的には、例えば電流変化率に対して応答性良く燃料電池入口水素圧力が目標値に一致するような水素調圧弁操作量の進み補償演算に用いる定数を、予め制御装置のＲＯＭに制御テーブルとして記憶させておき、この制御テーブルを用いて目標取出電流変化率に応じた水素調圧弁操作量指令値の進み補償演算を行う。最後にS1012 では、S1010 で演算した進み補償をかけた水素調圧弁操作量指令値演算結果を出力して、終了する。以上で、図１２のフローチャートの説明を終了する。

図１３に、本実施例３と、本実施例を採用しない比較例とを比較した図（負荷増加時）を示す。燃料電池の負荷を増加させるときは、発電に必要な水素流量増加に加えて、運転圧力を増加させるためにも水素流量が必要であり、水素調圧弁操作量指令値に進み補償をかけて過渡的に流量を多くすると、水素圧力を早く上昇させることができるので、応答性のよい圧力制御ができるという効果がある。

また図示しないが、負荷を減少させるときも同様に水素調圧弁操作量指令値に進み補償をかけて過渡的に流量を少なくすることで水素圧力を早く低下させることができるので、応答性のよい圧力制御ができるという効果がある。

ここでこの実施例では、進み補償演算に用いる定数を予め制御装置のＲＯＭに記憶させておくこととしたが、水素圧力制御の応答性や精度を向上させたい時には、S618の電流−水素調圧弁開度テーブル値補正処理と同様に、水素調圧弁下流圧力センサ２９が正常であるときに、実際の調圧弁操作量の進み具合と、目標取出電流変化率に応じて進み補償演算を行った水素調圧弁操作量の進み具合とが一致するように、進み補償演算に用いる定数を補正（学習）するような構成を加えることもできる。この場合、制御装置に備えた書き換え可能な不揮発性メモリに定数の補正値を記憶すればよい。この場合、水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常である場合には、学習した進み補償の定数を用いて目標取出電流変化率に基づき水素調圧弁操作量に進み補償がかけられることとなる。

次に、実施例４について説明する。本実施例は水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常であると判定されたときに、燃料電池３から取り出す最大電流（燃料電池３の最大負荷）を制限する構成としており、実施例１〜３の全てと組み合わせて適用できる。図１４に本実施例における電流制限部４３のフローチャートを示す。電流制限部４３は水素圧力制御部３５とは別に演算されている。最初にS1102 で要求取出電流を読み込み、次いでS1104 では水素圧力制御部３５から出力される水素調圧弁下流圧力センサ異常信号を読み込む。次いでS1106 で水素調圧弁下流圧力センサ異常信号に基づき最大電流を制限するか否かを判断する。水素調圧弁下流圧力センサ２９が正常である場合は要求取出電流を制限せずにS1110 に進み、要求取出電流を目標取出電流として出力して終了する。水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常である場合はS1108 に進んで、要求取出電流を所定の異常時最大電流値に制限し、S1110 で制限された要求取出電流を目標取出電流として出力して終了する。

異常時最大電流値を決める方法としては、例えばつぎのような第１の方法が考えられる。燃料電池で発電を行う場合は、一般にアノードに水素、カソードに空気もしくは酸素を使用する。また、効率と出力の向上をねらい、電流に応じて燃料電池入口のガス圧力を大きくする。同時に、燃料電池を構成する高分子膜を損傷してしまわないように、アノードの水素圧力とカソードの空気圧力とを同じ圧力に制御することが望ましい。ここで水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常となり、例えば実施例３で説明した方法で圧力制御を継続した場合、水素調圧弁下流圧力センサが正常である場合に比べて燃料電池入口の水素圧力の応答性は低下する。この状態のまま通常時と同じ最大電流まで急激に負荷を上げると、水素圧力と空気圧力との差が大きくなって許容差圧を超え、燃料電池を構成している高分子膜が差圧で損傷してしまう可能性がある。そこで、燃料電池入口の水素圧力の制御精度と応答性に応じて、電流を変化させても許容差圧を超えないような所定の値に最大電流を制限する。図１５に、調圧弁下流圧力センサ異常時の第１の最大電流の決め方を示す。これにより、差圧を許容値以下にできる所望の圧力制御性能を確保できる範囲で、燃料電池システムの運転を継続することができる。

また、最大電流を決める他の例としては、次のような第２の方法が考えられる。高分子膜が損傷してしまわないように、調圧弁下流圧力センサが異常したときは応答性が遅い水素の圧力に空気の圧力を合わせるように制御したとする。これにより差圧はつきにくくなくなるが、電流を上げたときに電流に対する所望のガス圧力が得られなくなるため、図１６に示すような加圧による燃料電池の電流−電圧特性の向上が望めなくなり燃料電池の電圧が低下することで、結果として燃料電池の劣化や所望の出力が取れなくなる問題が発生する可能性がある。この問題が発生しない最低の燃料電池電圧を、許容最低電圧とする。そこで、電流が上がったときに燃料電池入口のガス圧力の応答性や制御精度に基づいて、許容最低電圧より燃料電池の電圧が下がることがない所定の値に最大電流を制限する。図１７に、調圧弁下流圧力センサ異常時の第２の最大電流の決め方を示す。これにより、電圧が許容値以下にならないような所望の圧力制御性能を確保できる範囲で、燃料電池システムの運転を継続することができる。

次に、実施例５について説明する。本実施例は水素調圧弁下流圧力センサ２９が異常であると判定されたときに燃料電池３の取出電流の変化率（負荷変化速度）を制限する構成としており、実施例１〜３の全てと組み合わせて適用できる。図１８に本実施例における電流制限部４３のフローチャートを示す。最初にS1202 で要求取出電流を読み込み、次いでS1204 では水素圧力制御部３５から出力される水素調圧弁下流圧力センサ異常信号を読み込む。次いでS1206 で水素調圧弁下流圧力センサの異常信号に基づき、電流変化率を制限するか否かを判断する。水素調圧弁下流圧力センサが正常である場合は、電流変化率を制限せずにS1210 に進み、要求取出電流を目標取出電流として出力して終了する。水素調圧弁下流圧力センサが異常である場合は、S1208 に進んで電流変化率を所定の値に制限し、S1210 で変化率を制限された要求取出電流を目標取出電流として出力して終了する。

電流変化率の制限値の決め方の基準としては、実施例４で例を挙げて説明した決め方と同様であるが、図１９に示すように、電流を急激に変えたときに、水素の圧力制御の応答性や精度の低下により、カソードの空気圧力とアノードの水素圧力との圧力差によって高分子膜が損傷しないような電流変化率に制限する方法がある。このような基準で電流の変化率に制限する方法で動かし方を制限することで、差圧を許容値以下にできる所望の圧力制御性能を確保できる範囲で、燃料電池システムの運転を継続することができる。

最後に、実施例６について説明する。本実施例は、実施例１〜３の各種学習・補正演算を行わない場合と組み合わせて適用できる。本実施例は、実施例１〜３の各種学習・補正演算を行わない場合の方法で水素圧力制御を行うときに、燃料電池入口の目標ガス圧力を電流にかかわらず一定として、その圧力で発電可能な所定値に最大電流を制限する構成とした。一定の圧力とは、例えば大気圧としたり、また燃料電池システムの効率を考えて設定したりすることが考えられる。一定の圧力を大気圧として設定したときの、最大電流の決め方を図２０に示す。このように電流が変ったときにでも燃料電池入口の目標ガス圧力を一定とすることで、圧力制御の過渡状態における圧力制御精度と応答性を確保することができ、また一定圧力で発電できる最大電流を燃料電池の電圧が下がり劣化してしまうことや出力が取れなくなってしまうことがない所定値とすることで、燃料電池を劣化させず出力が取れる範囲で燃料電池システムを運転することができる。

実施例１の燃料電池システムを示す構成図である。 実施例１における水素圧力制御の概略フローチャートである。 目標水素調圧弁下流圧力演算のフローチャートである。 水素調圧弁下流圧力推定演算のフローチャートである。 実施例１における水素調圧弁操作量指令値演算のフローチャートである。 水素調圧弁下流圧力推定演算パラメータ補正のフローチャートである。 実施例２の燃料電池システムを示す構成図である。 実施例２における水素圧力制御の概略フローチャートである。 実施例２における水素調圧弁操作量指令値演算のフローチャートである。 実施例２における第３調圧弁操作量演算のフローチャートである。 電流―水素調圧弁操作量テーブル値補正処理のフローチャートである。 実施例３における第３調圧弁操作量演算のフローチャートである。 （ａ）負荷電流、（ｂ）水素調圧弁操作量、（ｃ）燃料電池入口水素圧のタイムチャートにより、負荷増加時の実施例３と比較例とを比較する図である。 実施例４における電流制限部のフローチャートである。 実施例４における調圧弁下流圧力センサ異常時の第１の最大電流の決め方を説明するタイムチャートである。 燃料電池入口圧力の上昇による燃料電池の電流−電圧特性の向上を示す図である。 実施例４における調圧弁下流圧力センサ異常時の第２の最大電流の決め方を説明するタイムチャートである。 実施例５における電流制限部のフローチャートである。 実施例５における調圧弁下流圧センサ異常時の電流変化率制限値の決め方を説明するタイムチャートである。 実施例６における、調圧弁下流圧センサ異常時の最大電流の決め方を説明するタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料電池システム
３ 燃料電池
５ 空気供給経路
７ 空気排出経路
９ 水素タンク
１１ 減圧弁
１３ 水素供給経路
１５ 水素調圧弁
１７ エゼクタ
１９ 水素循環経路
２１ 水素排出経路
２３ パージ弁
２５ 水素循環ポンプ
２７ 水素調圧弁上流圧力センサ
２９ 水素調圧弁下流圧力センサ
３１ スタック入口水素圧力センサ
３５ 水素圧力制御部
３７ パージ弁制御部
３９ 水素循環ポンプ制御部
４１ パワーマネージャー
４３ 電流制限部

Claims (11)

1. 燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給経路と、
   前記燃料ガス供給経路に合流部で接続し、前記燃料電池から排出された燃料ガスを前記燃料電池の入口側へと循環させる燃料ガス循環経路と、
   前記合流部よりも下流の前記燃料ガス供給経路における燃料電池入口燃料ガス圧力を検知する燃料電池入口燃料ガス圧検知手段と、
   前記合流部よりも上流の前記燃料ガス供給経路における燃料ガスの圧力を制御する燃料ガス調圧弁と、
   前記燃料電池入口燃料ガス圧検知手段の検知結果に基づいて、燃料ガス調圧弁下流圧の目標値を演算する目標調圧弁下流圧演算手段と、
   前記合流部よりも上流の前記燃料ガス供給経路において、燃料ガス調圧弁の下流の燃料ガス圧力を検知する調圧弁下流圧検知手段と、
   前記調圧弁下流圧力検知手段の検知結果が、前記目標調圧弁下流圧演算手段が演算した目標圧力に近づくように、燃料ガス調圧弁を制御する調圧弁制御手段と、
   前記調圧弁下流圧検知手段の異常を判定する異常判定手段と、を備え、
   前記調圧弁制御手段は、前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合に、燃料電池入口燃料ガス圧力に基づいて、燃料ガス調圧弁を制御して燃料ガス圧力の圧力制御を行い、システムの運転を継続することを特徴とする、燃料電池システムの制御装置。
2. 前記燃料ガス調圧弁の上流の燃料ガス圧力を検知する調圧弁上流圧検知手段と、
   少なくとも調圧弁上流圧と、前記燃料ガス調圧弁の操作量と、燃料電池入口燃料ガス圧力とに基づき、調圧弁下流圧を推定する調圧弁下流圧推定手段とをさらに備え、
   前記調圧弁制御手段は、前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合に、前記調圧弁下流圧推定手段によって推定された調圧弁下流圧の推定値が前記調圧弁下流圧の目標値となるように前記燃料ガス調圧弁を制御す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。
3. 前記調圧弁下流圧推定手段は、前記調圧弁下流圧検知手段が正常であるときに、調圧弁下流圧力検知手段の検知結果と調圧弁下流圧推定手段の推定値の差に基づいて調圧弁下流圧推定手段で用いているパラメータを補正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。
4. 前記調圧弁制御手段は、前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合、前記燃料電池入口燃料ガス圧検知手段の検知結果と燃料電池入口燃料ガス圧力の目標値のずれに基づき前記燃料ガス調圧弁の操作量をフィードバック制御するように制御系を切り替え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。
5. 前記調圧弁制御手段は、前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合、燃料電池の負荷に応じて前記燃料ガス調圧弁の操作量をフィードフォワード制御することを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 前記フィードフォワード制御は、前記調圧弁下流圧検知手段が正常であるときに燃料電池の負荷に応じた燃料ガス調圧弁の操作量を学習し、前記調圧弁下流圧検知手段が異常であるときに前記学習した燃料電池の負荷に応じた燃料ガス調圧弁の操作量を用いてフィードフォワード制御することを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池システムの制御装置。
7. 前記調圧弁制御手段は、前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合、燃料電池の負荷の変化率に基づき前記燃料ガス調圧弁の操作量に進み補償をかけることを特徴とする、請求項４乃至請求項６の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
8. 前記調圧弁制御手段は、前記調圧弁下流圧検知手段が正常であるときに実際の燃料ガス調圧弁の操作量と進み補償をかけた燃料ガス調圧弁の操作量の誤差に応じて適切な前記進み補償の定数を学習し、前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定されたときに前記学習した進み補償の定数を用いて燃料電池の負荷の変化率に基づき前記燃料ガス調圧弁の操作量に進み補償をかけることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池システムの制御装置。
9. 前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合、燃料電池入口燃料ガス圧力の制御精度と応答性に基づき決めた所定の値に前記燃料電池の最大負荷を制限することを特徴とする、請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
10. 前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常である判定された場合、燃料電池入口燃料ガス圧力の制御精度と応答性に基づき決めた所定の値に燃料電池の負荷変化速度を制限することを特徴とする、請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
11. 前記異常判定手段により前記調圧弁下流圧検知手段が異常であると判定された場合、燃料電池入口燃料ガス圧力の目標値を一定圧力とし、その圧力で発電ができる所定の値に最大負荷を制限することを特徴とする、請求項１乃至請求項５の何れか１項、または請求項７に記載の燃料電池システムの制御装置。

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