JP2007173074A

JP2007173074A - 燃料電池システムの制御装置

Info

Publication number: JP2007173074A
Application number: JP2005369768A
Authority: JP
Inventors: Shiyouho Asai; 祥朋浅井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2007-07-05

Abstract

【課題】反応ガスの状態量を検出する状態量検出手段の誤差が大きい領域でも、燃料電池の反応ガス不足を防止する。
【解決手段】燃料電池システムの制御装置は、一方の反応ガスである空気の流量の目標値を生成する目標値生成手段５１と、空気流量を検出する状態量検出手段５２と、空気の圧力、温度をそれぞれ外環境検出値として検出する外環境検出手段５３と、目標値および検出値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段５４を備える。操作量生成手段５４の時間計測部６３は、検出値が第1所定値以下の状態の継続時間を計測し、この継続時間に応じて、行き過ぎ時間設定部６２が行き過ぎ時間を設定する。行き過ぎ時間の間、操作量演算部６１は、状態量が目標値より大きくなるように操作量を演算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池システムの制御装置に関する。

燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化剤ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。

燃料電池車両においては、車両の走行状態に応じて燃料電池の負荷変動が大きく、アイドル状態からフル加速状態まで、短時間で出力増加が望まれる。しかしながら、燃料電池に空気を供給するコンプレッサ等の慣性モーメントや空気供給管路の容積等により、空気供給量の増加率が制限され、所望の供給量が得られない場合があった。

このような問題に対処するために、特許文献１に記載の燃料電池発電装置にあっては、電流に基づいてガスの規定流量を設定する規定流量設定手段と、外部負荷の増大に応じてガスの補正流量を設定する補正流量設定手段とを備え、前記補正流量設定手段は、前記外部負荷の増大発生から所定時間にわたって、前記規定流量よりも所定量だけ多くなるように前記補正流量を設定していた。
特開平９−１４７８９３号公報（第５頁、図１）

従来例とは別に、流量の制御性能を向上させるために空気流量をフィードバック制御とする手法がある。ここで、空気流量検出のために、熱線式の流量センサを用いる場合には、起動時、アイドルストップからの復帰時等の空気が流れていない状況下で熱の滞留によりセンサ精度が低下し、空気を流してからしばらくは流量が正確に検出できない場合がある。この場合に、上記の従来例を適用して流量のフィードバック制御を行った場合、流量センサの検出精度が悪いため適切な空気流量を燃料電池へ供給できなくなるという問題点があった。

これは、誤差を含むセンサ信号を目標流量に合わせるため、センサ信号が真値より過大な値を検出している場合は空気流量が目標流量に対して不足してしまうためである。燃料電池に十分な空気流量が供給されないと、燃料電池の出力低下や劣化につながる可能性がある。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池に供給される反応ガスの状態量を検出して、検出した状態量に応じた検出値を出力する状態量検出手段と、前記燃料電池への負荷に基づいて、前記燃料電池へ供給する反応ガスの状態量の目標値を生成する目標値生成手段と、前記検出値と前記目標値とに基づいて検出値が目標値に近づくように、前記燃料電池へ供給する反応ガスの状態量を変化させる操作量を生成する操作量生成手段と、前記操作量に基づいて前記燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス供給手段とを備え、前記操作量生成手段は、前記検出値が、前記検出値の最大誤差が所定値以上となる第１所定値以下である第１状態から、前記検出値が第１所定値より大きい第２状態へ遷移した場合に、前記状態量が前記目標値より設定時間の間、大きくなるように前記操作量を生成することを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。

本発明においては、反応ガスの状態量を検出する状態量検出手段の検出値が第１所定値以下の範囲における最大誤差が、検出値が第１所定値を超える範囲における最大誤差よりも大きい場合、検出値が第１所定値を超えたときから或る設定時間の間、検出値が目標値よりも大きくなるように操作量を生成することにより、反応ガスの状態量にオーバーシュート（行き過ぎ）を起こさせて、反応ガス不足を防止させるものである。

本発明によれば、状態量検出手段の検出値が第１状態から第２状態に遷移した際に、検出値の誤差が大きくも目標値に対して十分な反応ガスを燃料電池へと供給できるようになるので、燃料電池の出力低下を防止することができるという効果がある。

［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの全体構成例を説明するシステム構成図である。同図において、燃料電池１は、例えば、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池であり、アノードに水素ガスが、カソードに空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され発電される。

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）
アノードへの水素供給は、水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５を通じてなされる。水素タンクから供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁５で燃料電池での水素圧力が所望の水素圧力に制御される。水素ポンプ等を用いた水素循環装置７は、アノードで消費されなかった水素を水素循環路１９を介して再循環させるために設置する。アノードの水素圧力は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁５を駆動することによって制御される。水素圧力を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池が消費した分だけの水素が自動的に補われる。

パージ弁８は、つぎのような役割を果たす。（１）水素循環機能を確保するために、水素系（アノード、水素循環装置７、水素循環路１９）内に蓄積した窒素を排出する。（２）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。（３）起動時に水素系を水素で置換するために水素系内のガスを排出する。

排水素処理装置９は、パージ弁８から排出されるガスに含まれる水素濃度を水素の可燃濃度未満になるように、空気で希釈して系外へ排出するか、あるいは水素と空気中の酸素とを燃焼触媒により反応させることで排出水素濃度を下げる。

カソードへの空気はコンプレッサ１０により供給される。加湿装置１１は、供給する空気を加湿する。カソードの空気圧力は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力をフィードバックして空気調圧弁１２・コンプレッサ１０を駆動することによって制御される。

カソードの空気流量は、制御装置３０が流量センサ６ｃで検出した空気流量をフィードバックして空気調圧弁１２・コンプレッサ１０を駆動することによって制御される。

ここで、流量センサ６ｃは、反応ガスとしての空気の質量流量を検出する熱線式（ホットワイヤ式）流量センサであり、空気とセンサを構成する通電線（熱線）とが熱交換し、空気温度と通電線温度との差が一定となる通電線の発熱量に基づいて、空気の質量流量を検出するものである。また、流量センサ６ｃの流量検出値が第１所定値以下の範囲で、検出値の最大誤差が所定値以上となり、流量検出値が第１所定値を超えた範囲で、検出値の最大誤差が所定値以下となる誤差特性を有している。

また、流量センサ６ｃが流量を検出する空気の圧力、温度は、それぞれ圧力センサ６ｅ、温度センサ６ｄにより検出され、制御装置３０に入力される。

冷却水流路への冷却水は冷却水ポンプ１３により供給される。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する。ラジエタファン１８は、ラジエタ１７へ風を通過させて冷却水を冷やす。冷却水の温度は、温度センサ１４によって燃料電池入口の温度を、温度センサ１５によって燃料電池出口の温度を検出し、これらに基づいて制御装置３０が三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整する。

パワーマネージャー２０は、燃料電池１から出力を取り出して、図示しない車両駆動モータ等の負荷装置へ供給する。

制御装置３０は、燃料電池システム全体を制御すると共に、本発明に係る燃料電池の制御装置である。また、制御装置３０は、ＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータで実現されている。

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例１を説明する。実施例１が適用される燃料電池システムは、図１で説明した通りである。図２は、実施例１における制御装置の要部を説明する制御ブロック図である。同図において、制御装置は、負荷要求に基づいて一方の反応ガスである空気の流量の目標値を生成する目標値生成手段５１と、空気流量を検出する状態量検出手段５２（図１の流量センサ６ｃ）と、空気の圧力、温度をそれぞれ外環境検出値として検出する外環境検出手段５３（図１の圧力センサ６ｅ、温度センサ６ｄ）と、目標値生成手段５１が生成した目標値、状態量検出手段５２が検出した検出値、および外環境検出手段５３が検出した外環境検出値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段５４を備えている。

尚、操作量生成手段５４が生成した操作量は、反応ガス供給手段５５の操作量となり、反応ガスの供給状態を変化させる。

反応ガス供給手段５５は、反応ガスとして空気を考える場合、図１のコンプレッサ１０および空気調圧弁１２であり、操作量は、コンプレッサ１０の駆動トルクや回転速度、空気調圧弁１２の開度である。また、反応ガス供給手段５５は、反応ガスとして水素を考える場合、図１の水素供給弁５および水素循環装置７であり、操作量は、水素循環装置７の駆動トルクや回転速度、水素供給弁５の開度である。

目標値生成手段５１は、燃料電池に対する負荷要求（要求発電電力、或いは要求発電電流）に基づいて、例えば空気流量の目標値を予め記憶した制御マップに基づいて生成する。

操作量生成手段５４は、目標値と検出値に基づいて操作量を演算する操作量演算部６１と、操作量演算部６１が演算する操作量を設定された時間の間、状態量が目標値より大きくなるように変更させる行き過ぎ時間設定部６２と、検出値が第１所定値以下である第１状態の時間を計測する時間計測部６３とを備えている。

操作量演算部６１は、目標値と検出値とに基づいて、例えば周知のＰＩ演算により、反応ガス供給手段５５の操作量を演算する。

次に、図５の制御フローチャートを参照して、本実施例における制御装置の動作を説明する。この手続きは、所定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に繰り返し実行される。

まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）２０１において、コンプレッサ１０が吸入する空気流量を流量センサ６ｃ、空気温度を温度センサ６ｄ、大気圧（空気圧力）を圧力センサ６ｅにより、それぞれ検出する（本実施例における空気流量は流量センサ６ｃにより検出された値を示す）。次いでＳ２０２で、検出された空気流量が第１所定値以下か否かを判断する。このとき第１所定値は流量センサの検出精度が低下するとみなせる空気流量の値（最低流量）とすればよい。これは、空気流量が少なくなることにより、熱線と流体（空気）との間で熱交換が十分に行えなくなる値（あるいは熱線を制御する制御回路の制御性能）をあらかじめ実験等により求めておくことで決定できる。最も簡単な値としては空気流量が流れていない場合の値「０」や、センサによるノイズ分を見込んだ値とすればよい。ここで、Ｓ２０２で空気流量が第１所定値以下と判断した場合は、Ｓ２０３へと遷移する。第１所定値よりも大きいと判断した場合にはＳ２０４ａへと遷移する。

Ｓ２０３では、Ｓ２０２で空気流量が第１所定値を下回ったことを記憶するため、「行き過ぎフラグ」の値を「１」にセットする。

Ｓ２０４では、空気流量が第１所定値以下となってから、再度第１所定値よりも大きくなるまでの時間、（第１状態の時間、以下本実施例では、行き過ぎパラメータと呼ぶ）を計測する。これは一定周期ごとに実行されるプログラムやタイマＩＣを用いることで容易に計測できる。

Ｓ２０４ａでは、Ｓ２０２で空気流量が第１所定値よりも大きいと判断された場合に、行き過ぎフラグの状態を検出する。行き過ぎフラグが「１」の場合はＳ２０５へと遷移し、行き過ぎフラグが「０」の場合はＳ２１０へと遷移する。

Ｓ２０５では流量センサ６ｃで検出された値が第１所定値よりも大きいか否かを判断する。ここで検出された空気流量が第１所定値より大きい場合は、行き過ぎパラメータの計測を停止した上で、Ｓ２０６へと遷移し、それ以下の場合はＳ２１０へ進む。

Ｓ２０６では、Ｓ２０５で求めた、行き過ぎパラメータに応じて、操作量演算部６１（図２）におけるＰＩ演算の積分ゲインを第１積分ゲインから第２積分ゲインと変更する。ここで、第１積分ゲインは、通常時に設定されているゲインであり、空気流量の応答特性に応じて決定されている固定値である。

例えば、操作量に対する空気流量の応答特性を俊敏にさせるのであれば、この第１積分ゲインは大きな値に設定され、操作量に対する空気流量の応答特性を滑らかにさせるのであれば、この第１積分ゲインは小さな値に設定される。一方で、第２積分ゲインは、たとえば、図８に示すようなマップを用いて求めればよい。つまり第１所定値が小さい場合ほど第２積分ゲインを大きくするとともに、行き過ぎパラメータが大きい場合ほど第２積分ゲインを大きくなるようにする。

このとき、必要に応じて圧力センサ６ｅにより検出された圧力あるいは温度センサ６ｄにより検出された温度に応じて補正値を求め、この補正値と第２積分ゲインとを乗じて、その演算結果を改めて第２積分ゲインと定めることもできる。このように温度と圧力による補正は用いる流量センサの特性により補正テーブルを決めればよい。例えば図１０に示すようなマップがある。図１０は温度が低い場合、圧力が低い場合にそれぞれ流量センサの誤差が大きくなる流量センサを用いた場合の図である。温度と圧力に対する誤差の生じ方に応じて図１０のマップは修正すれば本手順は適用できる。

Ｓ２０７では、積分ゲインが第２積分ゲインとなってからの時間（計測時間）と第２行き過ぎパラメータの大きさを比較する。このとき、第２行き過ぎパラメータの設定は例えば図１３に示すように、Ｓ２０４の行き過ぎパラメータに基づいて、決定できる。ここで、計測時間が第２行き過ぎパラメータより大きい場合はＳ２０８へ遷移し、計測時間が第２行き過ぎパラメータ以下の場合にはＳ２１０へと遷移する。

Ｓ２０８では、計測時間が第２行き過ぎパラメータより大きくなった場合に、行き過ぎフラグを「０」にする。

Ｓ２０９では、積分ゲインを第１積分ゲインへと戻す。

Ｓ２１０では、設定された積分ゲインを利用して、コンプレッサ１０および空気調圧弁１２の操作量を演算する。このとき、操作量を生成する制御系はパワーマネージャー２０が取り出す電流（または電力）に応じて決める目標流量との差に応じて、公知のＰＩ制御技術などにより実現できる。また、目標流量は、図９に示すようなテーブルを用いて決めればよい。また、公知の手法により実現される制御系には定常偏差をなくすために少なくともひとつの積分演算を行い、積分演算結果に積分ゲイン（その時点において設定されている第１積分ゲインまたは第２積分ゲイン）を乗じて操作量の一部を演算する。この操作量は例えばコンプレッサへ印加するトルクとして計算される。

以上の手順により、反応ガス供給手段（コンプレッサ１０，空気調圧弁１２）の操作量を生成することで、空気流量が流れていない状況から流れ始めた状況で積分演算結果による操作量が大きくなり、空気流量が目標値より大きくすることができる。

以上の実施例は、Ｓ２０６からＳ２０９では流量センサでの検出値が所定値を超えてからの時間に基づいて積分ゲインを変更する例を示したが、流量センサの検出値が所定値を超えた場合に積分ゲインを第２積分ゲインから第１積分ゲインにもどすことも同様に行える。

本実施例によれば、積分ゲインを変更するという容易な方法で、状態量検出手段の検出値の誤差が大きい範囲でも、目標値に対して十分な流量を燃料電池へと供給できるようになるので、燃料電池の出力低下を防止できるという効果がある。

また、本実施例によれば、外環境の変化に応じて、反応ガスの状態量検出値の誤差の大きさが変化する場合にも、発電に必要な流量を燃料電池へ供給できるようになるので、燃料電池の出力低下を防止できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例２を説明する。実施例２が適用される燃料電池システムの構成は、図１に示した構成と同様である。本実施例は、状態量の検出値を位相遅延させることにより、状態量が目標値より大きくなるように操作量を生成する実施例である。

図３は、実施例２における制御装置の要部を説明する制御ブロック図である。同図において、制御装置は、負荷要求に基づいて一方の反応ガスである空気の流量の目標値を生成する目標値生成手段５１と、空気流量を検出する状態量検出手段５２（図１の流量センサ６ｃ）と、目標値生成手段５１が生成した目標値、状態量検出手段５２が検出した検出値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段５４とを備えている。

目標値生成手段５１は、上位装置等からの負荷要求（要求発電電力、或いは要求発電電流）に基づいて、例えば空気流量の目標値を予め記憶した制御マップに基づいて生成する。

操作量生成手段５４は、状態量検出手段５２が検出した検出値を位相遅延させた遅延検出値を生成する位相遅延手段６４と、目標値と遅延検出値に基づいて、反応ガス供給手段５５の操作量を演算する操作量演算部６１と、設定された時間の間、状態量検出手段５２が検出した検出値を位相遅延手段６４に遅延させて操作量演算部６１へ供給させることにより、状態量が目標値より大きくなるように変更させる行き過ぎ時間設定部６２とを備えている。

操作量演算部６１は、目標値と遅延検出値とに基づいて、例えば周知のＰＩ演算により、反応ガス供給手段５５の操作量を演算する。

図６は、本実施例における制御装置の動作を説明するフローチャートである。この手続きは、所定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に繰り返し実行されるものである。また、本実施例において空気流量とは、熱線式の流量センサ６ｃで検出された値に基づいたものとする。

図６において、Ｓ３０１・Ｓ３０２・Ｓ３０３・Ｓ３０４ａは、それぞれＳ２０１・Ｓ２０２・Ｓ２０３・Ｓ２０４ａと同じであるため、説明を省略する。また、Ｓ３０４はＳ２０５と同じであるため、説明を省略する。ただし空気流量が第１所定値より小さいと判断した場合にはＳ３０８に遷移する。

Ｓ３０５では流量センサ６ｃの検出値の位相を遅らせる処理を行う。これはたとえばローパスフィルタを用いれば容易に検出値の位相を遅らせることができる。また、本手順ではローパスフィルタでの演算結果を新たに遅延検出値として記憶しておく。

Ｓ３０６はＳ２０７と同じであるため省略する。Ｓ３０７はＳ２０８と同じであるため省略する。

Ｓ３０８では、遅延検出値と燃料電池への負荷に応じて求まる目標値との差に応じて、操作量を演算する。このとき目標値（目標流量）は、図９のようなテーブルを用いることにより求めることができる。

また、操作量を演算する制御系は、ＰＩ制御理論のような公知の制御理論を適用することで容易に実現できる。このとき、公知の手法により実現される制御系には定常偏差をなくすために少なくともひとつの積分演算を行い、積分演算結果に積分ゲイン（第１積分ゲイン）を乗じ操作量の一部を演算する。この操作量は例えばコンプレッサへ印加するトルクとして計算される。

以上の手順により、流量センサ６ｃの検出値の位相を遅らせることで、制御系に存在する積分演算が過剰に行われ操作量が過剰に印加され、目標値より状態量である流量を大きくすることができる。

以上説明した本実施例によれば、状態量検出手段の検出値の位相を遅らせるという容易な方法で制御系を変更することなく、検出値の誤差が大きい範囲でも、発電に必要な流量を燃料電池へ供給できるようになるので、燃料電池の出力低下を防止できるという効果がある。

次に、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の実施例３を説明する。実施例３が適用される燃料電池システムの構成は、図１に示した構成と同様である。本実施例は、目標値を補正することにより、状態量が目標値より大きくなるように操作量を生成する実施例である。

図４は、実施例３における制御装置の要部を説明する制御ブロック図である。同図において、制御装置は、負荷要求に基づいて一方の反応ガスである空気の流量の目標値を生成する目標値生成手段５１と、空気流量を検出する状態量検出手段５２（図１の流量センサ６ｃ）と、目標値生成手段５１が生成した目標値、状態量検出手段５２が検出した検出値に基づいて操作量を生成する操作量生成手段５４とを備えている。

操作量生成手段５４は、目標値生成手段５１が生成した目標値を補正した補正目標値を生成する目標値補正手段６５と、補正目標値と検出値に基づいて、反応ガス供給手段５５の操作量を演算する操作量演算部６１と、設定された時間の間、目標値生成手段５１が生成した目標値を目標値補正手段６５に補正させて操作量演算部６１へ供給させることにより、状態量が目標値より大きくなるように変更させる行き過ぎ時間設定部６２とを備えている。

図７は、本実施例における制御装置の動作を説明するフローチャートである。この手続きは、所定時間（例えば１０［ｍｓ］）毎に繰り返し実行されるものである。また、本実施例において空気流量とは、熱線式の流量センサ６ｃで検出された値に基づいたものとする。

図７において、Ｓ４０１からＳ４０５まではＳ２０１からＳ２０５と同じであるため、説明を省略する。また、Ｓ４０４ａはＳ２０４ａと同じであるため、説明を省略する。

Ｓ４０６では、目標値より大きな検出値を得るために補正目標値を演算する。この補正目標値は行き過ぎパラメータによって、燃料電池への負荷に応じて図９のようなテーブルを用いて目標空気流量を生成し、この目標空気流量にたとえば所定倍率を乗じて補正量目標値とすることができる。このときの所定倍率は１より大きい一定値とすればよい。また、この所定倍率を１より大きくしている時間（所定倍率継続時間）をＳ４０４で求めた行き過ぎパラメータに対応させて変化させることもできる。このとき行き過ぎパラメータから所定倍率継続時間を求める関係を図１１に示す。さらに、この所定倍率の設定方法も同様に求めることができる。このとき行き過ぎパラメータから所定倍率を求める関係を図１２に示す。

Ｓ４０７、Ｓ４０８は、それぞれＳ２０７、Ｓ２０８と同じであるため、説明を省略する。Ｓ４０９では操作量を求める。この操作量は流量センサ６ｃで検出した空気流量の検出値と目標値との差に応じて、ＰＩ制御理論のような公知の制御理論を用いて操作量を演算する。また、必要に応じてフィードバック制御以外にも、補正目標値を用いてフィードフォワード制御理論により操作量の一部を演算することもできる。このときのフィードフォワード制御理論は公知の制御理論を適用すればよい。この操作量は例えばコンプレッサへ印加するトルクとして計算される。

以上の手順により補正目標値が目標空気流量よりも大きくなるため、目標空気流量に対して流量センサ６ｃで検出された空気流量を大きくさせることができる。

また、どのくらい目標空気流量より検出値を大きくするかは所定倍率により容易に設定できるとともに、目標空気流量より検出値が大きくなっている時間は図１１により直接設計できる。さらに、フローチャートには示していないがこれら所定倍率・所定倍率継続時間は必要に応じて図１０、図１２を用いて大気圧と外気温度の補正も行える。

以上説明した本実施例によれば、目標値を補正するという容易な方法で制御系を変更することなく、状態量検出手段の検出値の誤差が大きい範囲でも、発電に必要な流量を燃料電池へ供給できるようになるので、燃料電池の出力低下を防止できるという効果がある。

図１４は、実施例１、実施例２を適用した場合に想定される時刻歴応答の概略を示す図であり、（ａ）空気の流量、（ｂ）コンプレッサのトルクを示す。比較例（太破線）に対して、実施例（太実線）の流量の立ち上がりが早くなり、発電開始時のガス流量不足が解消されているのが明らかである。

図１５は、実施例３を適用した場合に想定される時刻歴応答の概略を示す図であり、（ａ）空気の流量、（ｂ）コンプレッサのトルクを示す。比較例（太破線）に対して、実施例（太実線）の流量の立ち上がりが早くなり、発電開始時のガス流量不足が解消されているのが明らかである。なお、実施例３の補正後の目標流量を細実線で示し、比較例の目標流量を細破線で示している。

以上、好ましい実施例を説明したが、これらは、本発明を限定するものではない。上記各実施例では、反応ガスとしてカソードに空気を供給する空気系について説明したが、同様のことは、反応ガスとしてアノードに水素を供給する水素系にもいえることはいうまでもない。

本発明が適用される燃料電池システムの構成例を示すシステム構成図である。実施例１における制御装置の制御ブロック図である。実施例２における制御装置の制御ブロック図である。実施例３における制御装置の制御ブロック図である。実施例１の動作を説明する制御フローチャートである。実施例２の動作を説明する制御フローチャートである。実施例３の動作を説明する制御フローチャートである。第１所定値と行き過ぎパラメータに対する第２積分ゲインの選択マップ例を示す図である。発電量（発電電流、発電電力）に対する反応ガスの目標流量の選択テーブル例を示す図である。大気圧と外気温度に対する第２積分ゲインの補正値の選択マップ例を示す図である。行き過ぎパラメータに対する補正目標値算出のための所定倍率継続時間の選択テーブル例を示す図である。行き過ぎパラメータに対する補正目標値算出のための所定倍率の選択テーブル例を示す図である。行き過ぎパラメータに対する第２行き過ぎパラメータ算出のための選択テーブル例を示す図である。実施例１、２と比較例の（ａ）空気流量、（ｂ）コンプレッサトルクを説明するタイムチャートである。実施例３と比較例の（ａ）空気流量、（ｂ）コンプレッサトルクを説明するタイムチャートである。

符号の説明

５１目標値生成手段
５２状態量検出手段
５３外環境検出手段
５４操作量生成手段
５５反応ガス生成手段
６１操作量演算部
６２行き過ぎ時間設定部
６３時間計測部

Claims

燃料電池に供給される反応ガスの状態量を検出して、検出した状態量に応じた検出値を出力する状態量検出手段と、
前記燃料電池への負荷に基づいて、前記燃料電池へ供給する反応ガスの状態量の目標値を生成する目標値生成手段と、
前記検出値と前記目標値とに基づいて検出値が目標値に近づくように、前記燃料電池へ供給する反応ガスの状態量を変化させる操作量を生成する操作量生成手段と、
前記操作量に基づいて前記燃料電池へ反応ガスを供給する反応ガス供給手段とを備え、
前記操作量生成手段は、前記検出値が、前記検出値の最大誤差が所定値以上となる第１所定値以下である第１状態から、前記検出値が第１所定値より大きい第２状態へ遷移した場合に、前記状態量が前記目標値より設定時間の間、大きくなるように前記操作量を生成することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
前記操作量生成手段は、第１所定値が小さい場合ほど、前記設定時間を長く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。
前記操作量生成手段は、前記第１状態の時間を計測する時間計測手段を備え、該時間計測手段での計測時間が長いときほど前記設定時間が長くなるように設定し、該計測時間が短いときほど前記設定時間が短くなるように設定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記状態量検出手段は、反応ガスと前記状態量検出手段との間で行われる熱交換の度合いに基づいて前記燃料電池へ供給される反応ガスの流量を検出する流量検出手段であって、
前記操作量生成手段は、前記流量が流れていない状態から流量を供給する場合に、前記状態量が前記目標値より前記設定時間の間、大きくなるように操作量を生成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。
前記操作量生成手段は、目標値と検出値との差に積分ゲインを乗じて積分する積分演算手段と、
前記検出値が第１状態から第２状態になってからの時間を計測する第２状態時間計測手段とを備え、
前記第２状態となった場合、前記第２状態時間計測手段での計測時間が第３所定値以下の間は、前記積分ゲインを、検出値が正常な範囲で用いられる第１積分ゲインより大きい第２積分ゲインとすることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記積分演算手段は、前記時間計測手段で計測した前記第１状態の時間が長いときほど前記第２積分ゲインを大きく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。
前記操作量生成手段は、前記目標値を補正し、補正した目標値である補正目標値を生成する目標値補正手段を備え、該補正目標値と検出値との乖離度合いに基づいて操作量を生成する手段であって、
前記検出値が第１状態から第２状態へと遷移した場合に、前記目標値補正手段は、補正目標値が目標値より前記設定時間の間、大きくなるように補正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。
前記操作量生成手段は、前記状態量検出手段が検出した検出値の位相遅延演算を行うことができる位相遅延手段を備え、該位相遅延手段が生成した値を検出値として前記操作量を生成するとともに、
該位相遅延手段は、検出値が前記第１状態から前記第２状態へと遷移した場合に、検出値の位相遅延演算を行う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。
前記操作量生成手段は、外環境を認識する外環境認識手段を備え、該外環境認識手段の認識結果に基づいて、前記設定時間を変化させ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。
前記状態量検出手段は、燃料電池へ供給される反応ガスの流量を検出する流量検出手段であり、
前記外環境認識手段は、前記流量検出手段で検出される反応ガスの温度を検出する温度検出手段であって、前記温度検出手段での検出温度に応じて、前記検出値が目標値より大きくなる度合いを大きくすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記状態量検出手段は、燃料電池へ供給される反応ガスの流量を検出する流量検出手段であって、前記外環境認識手段は前記流量検出手段で検出される反応ガスの温度を検出する温度検出手段であって、前記温度検出手段での検出温度に応じて、前記検出値が目標値より大きくなる時間を長くすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記外環境認識手段は、前記反応ガスの圧力を検出する圧力検出手段であって、該圧力検出手段での検出圧力に応じて、前記検出値が目標値より大きくなる度合いを大きくすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの制御装置。
前記外環境認識手段は、前記反応ガスの圧力を検出する圧力検出手段であって、該圧力検出手段での検出圧力に応じて、前記検出値が目標値より大きくなる時間を長くすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システムの制御装置。