JP2009129783A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】どのような運転状態においてもシステム要求電流の制限を確実にし、かつ、供給電流を電流制限時に迅速に応答しつつ電流回復時に安定して収束させる。
【解決手段】複数のセルを有する燃料電池を備え、システムに要求されるシステム要求電力に対応したシステム要求電流に対してセルの最低セル電圧Ｖｍに基づいた補償演算を行うことにより負荷への供給電流を制限する処理を行う燃料電池システムにおいて、最低セル電圧Ｖｍが所定の最低セル電圧許容値Ｖｔｈを下回った時のシステム要求電流Ｉ０の電流値を基準値としてＰＩ補償により供給電流Ｉ１を制限するための補償演算を行うものであって、供給電流Ｉ１を制限する場合のＰＩ補償のゲインと、供給電流を回復する場合のＰＩ補償のゲインとを異なる値とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特にシステム要求電流制御時の電流制限処理と電流回復処理に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。

ここで、複数のセルを有する燃料電池を用いた場合、複数のセルの中の１つでも発電不能になると、燃料電池全体が発電不能になることがある。そこで、例えば、特開２００３−１８７８４２号公報では、各セルの電圧を測定し、測定されたセル電圧の中の最低値である最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するとともに、出力可能な電力量以下の電力量を燃料電池スタックに発生させ、任意の１つのセルの性能が低下したときにも、燃料電池スタックをこれに応じて適切な運転状態で運転させるようにした発明が提案されている（特許文献１参照）。

さらに、特開２００５−１９７００８号公報では、最低セル電圧ＶＬＯＷに応じて燃料電池から取り出す発電電流を制限するための電流目標制限値を設定し、実際の電流制限値と発電電流との差が所定値を下回った時に電流制限値を前記電流目標電流値に置き換えることを要旨とする発明が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００３−１８７８４２号公報 特開２００５−１９７００８号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムにあっては、ある条件において燃料電池の発電電力を制御したり負荷への供給電流を制限したりすると、制限演算の基準となる燃料電池のシステム要求電力が上昇し、発電電力や供給電力の制限処理が結局できなくなる場合があった。例えば、燃料電池システムが搭載されている自動車において、運転者が加速しようとしている場合に発電電力や供給電流が制限されるような場合が考えられる。発電電力や供給電力が制限されると、モータ出力が不足していると運転者が感じ、さらにアクセルを踏み込む等の操作を行う。この操作によりシステム要求電力が上昇する結果、発電電力や供給電流も上昇してしまい、結局、必要な制限処理が行えなくなるのである。

また、従来の燃料電池システムでは、供給電流を減少させる電流制限処理と制限された供給電流を上昇させる電流回復処理とにおいて求められる応答性に違いがあるにも拘わらず、それが考慮されず、同じ応答性が設定されていた。すなわち、いずれかのセル電圧が最低セル電圧許容値以下に低下した場合には、実際の供給電流の電流値が制限される。その後、セル電圧が許容値に上昇するまで制限状態が維持され、許容値に達した後は供給電流値をシステム要求電流にまで回復される。このとき、電流制限処理は迅速に電流を制限することが要求されるところ、電流回復処理においても電流制限処理と同じ応答性で制御されていたために、電流回復処理における供給電流がオーバーシュートする可能性があった。一方、電流回復処理においてオーバーシュートをしないような応答性を設定したとすれば、電流制限処理における応答性が悪くなってしまうことが予想される。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の課題に鑑みたものであり、どのような運転状態においてもシステム要求電流の制限を確実にし、かつ、供給電流を電流制限時に迅速に応答しつつ電流回復時に安定して収束させることが可能な燃料電池システムを提供することにある。

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池を備え、システムに要求されるシステム要求電力に対応したシステム要求電流に対して該セルの最低セル電圧に基づいた補償演算を行うことにより負荷への供給電流を制限する処理を行う燃料電池システムにおいて、該最低セル電圧が所定の最低セル電圧許容値を下回った時の該システム要求電流の電流値を基準値としてＰＩ補償により該供給電流を制限するための該補償演算を行うものであって、該供給電流を制限する場合の該ＰＩ補償のゲインと該供給電流を回復する場合の該ＰＩ補償のゲインとを異なる値とすることを特徴とする。

係る構成によれば、セルの最低セル電圧が所定の最低セル電圧許容値を下回った時には、この時のシステム要求の電流値を基準値としてＰＩ補償演算がされるので、電流制限処理時に供給電流低下に対応してシステム要求電力が上昇してしまうことを抑制でき、確実な電流制限処理が可能となる。例えば、燃料電池システムを搭載した自動車において電流制限を出力不足であると運転者が感じてアクセル操作を行ったとしても、供給電流の演算の基準値が電流制限処理開始時の電流値に固定されるので、セル電圧が回復するまで確実に電流制限を行うことが可能である。

また係る構成によれば、供給電流の制限時におけるゲインと回復時におけるゲインとをそれぞれの状況に適合して設定することにより、迅速な電流制限を確保するとともに収束する供給電流のオーバーシュートの発生を抑制することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記電流制限処理の最中に、前記燃料電池全体の目標出力電圧が変更された場合には、変更された該目標出力電圧が安定するまで制限された供給電流の電流値を保持してから前記電流制限処理を再開することは好ましい。

燃料電池システムでは運転モードに応じて燃料電池の目標出力電圧を変更する場合があるが、上記のように構成することにより、目標出力電圧の変更時にＰＩ補償による電流制限が不安定になることを防止することができるので、燃料電池が出力する供給電流を目標電流値にするための安定性の良い制御が可能となる。

さらに、前記燃料電池システムにおいて、総ての前記セル電圧が前記最低セル電圧許容値を上回り、かつ、前記システム要求電流の電流値が制限された供給電流の電流値を下回った場合に、前記電流制限処理を解除するように処理することは好ましい。

このように構成することにより、セル電圧が最低セル電圧許容値以上に回復し、かつ、供給電流が回復して始めて電流回復処理を含む電流制限処理が解除されるので、燃料電池システムに生じる不都合を確実に回避することが可能である。

また、前記燃料電池システムにおいて、該燃料電池の各セルにおけるセル電圧を検出するセル電圧検出部と、該セル電圧検出部により検出される該セル電圧から得られる前記最低セル電圧に基づいて前記システム要求電流を前記ＰＩ補償する制御演算部と、を備え、該制御演算部は、前記最低セル電圧許容値からの前記最低セル電圧の偏差をΔＶ、比例ゲインをＫｐ、積分ゲインをＫｉとした場合に、前記供給電流の制限のための補正値ΔＩを、Ｋｐ×ΔＶ＋Ｋｉ×ΣΔＶという関係に従って演算するものであり、該供給電流を制限する場合と該供給電流を回復する場合とで、前記の比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを共に異ならせることを特徴とする。

このように構成することにより、セル電圧のうち最低セル電圧が所定の最低セル電圧許容値を下回った時には、最低セル電圧許容値からの最低セル電圧の偏差ΔＶを変数とし、比例ゲインＫｐをＰ制御の係数、積分ゲインＫｉをＩ制御の係数としたＰＩ補償演算が行われる。

そして、このとき供給電流の制限時と回復時とで比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを相応しい適切な値に変更するので、電流制限時期には素早く電流制限することが可能となり、また、電流回復時期では、急速な電流回復を避けてオーバーシュートの発生を抑制するように、応答性を向上させることができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記供給電流を制限する場合の前記ＰＩ補償の前記ゲインよりも、前記供給電流を回復する場合の前記ＰＩ補償の前記ゲインを小さくすることを要旨とする。

このように構成することにより、電流制限時期ではＰＩ補償のゲインを大きくして迅速な電流制限を行うことが可能となり、また、電流回復時期では、ＰＩ補償のゲインを小さくしてオーバーシュートの発生を抑制した電流回復が可能となるので、燃料電池が出力する供給電流を目標電流値にするための制御性を高めることができる。

本発明によれば、セルの最低セル電圧が所定の最低セル電圧許容値を下回った時のシステム要求の電流値が基準値としてＰＩ補償演算がされるので、電流制限処理時に供給電流低下に対応してシステム要求電力が上昇してしまうことを抑制でき、セル電圧が回復するまで確実に電流制限が可能である。また、本発明によれば、供給電流の制限時におけるゲインと回復時におけるゲインとがそれぞれの状況に適合して変更されるので、迅速な電流制限を確保するとともに収束する供給電流のオーバーシュートの発生を抑制することができる。

図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と、燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９とを備えて構成されている。

燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３）

なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスを貯蔵する燃料ガス供給装置４２、当該燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁（エジェクタ）４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。

循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７および水素ポンプ５５前後の循環経路圧力を検出する圧力センサ５８・５９が設置されている。

また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１、およびカソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとしてカソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５のエア供給圧力を検出する圧力センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器６４、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー６５が設けられている。気液分離器６４から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。

さらに、燃料電池２０には、燃料電池２０の各セルにおける電圧を検出するセルモニタ１０１が燃料電池２０に接続されている。セルモニタ１０１は、各セルのセル電圧を検出するようになっており、さらにセル電圧の最低値である最低セル電圧も検出するものであり、本発明の最低セル電圧検出部として機能するものである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。

さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、５８、５９、回転数センサ５７、９９からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。

制御部８０は、燃料電池システム１０の出力電力を制御するに際して、例えば、急速暖機中（走行用モータ９４の動作がない状態）では、車両用補機損失パワー、バッテリ充電量、高圧補機９６のパワー制限率に基づいて、車両システム要求パワー（システムに要求されるシステム要求電力）Ｐｒｅｑを演算し、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の出力する二次側電圧でシステム要求パワーＰｒｅｑを除して車両システム要求電流Ｉｒｅｑを演算する。その際、セルモニタ１０１が検出した最低セル電圧に基づく電流制限処理を行う。

特に本実施形態においては、制御部８０は、最低セル電圧が最低セル電圧許容値を下回った時点から開始される電流制限期間と、最低セル電圧が許容値を回復した時点以降、制限された供給の電流回復期間とに分けて、それぞれ供給電流を演算し、この演算により得られた供給電流に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に対して指令する電圧値を演算し、この演算結果にしたがってＤＣ−ＤＣコンバータ９０を駆動する制御演算部としての機能を備えている。

図２に、制御部８０が所定のコンピュータプログラムを実行することにより実現される本実施形態の機能ブロック図を示す。
図２に示すように、制御部８０は、制御演算部として、要求電流算出部８０ａと、第１の減算器８０ｂと、電力分配計算部８０ｃと、電流・電圧指令値計算部８０ｄと、第２の減算器８０ｅと、ＰＩ演算部８０ｆとを備えて構成されている。

要求電流算出部８０ａは、システム要求電力Ｐｒｅｑに基づいて要求電流（車両システム要求電流）Ｉ０を算出し、算出した要求電流Ｉ０を第１の減算器８０ｂに出力する。具体的には、システム要求電力Ｐｒｅｑを燃料電池２０の出力電力ＶFCで除して、要求電流Ｉ０を演算する。

第２の減算器８０ｅは、最低セル電圧許容値としてのしきい値Ｖｔｈとセルモニタ１０１が検出した最低セル電圧Ｖｍとの偏差ΔＶ＝Ｖｔｈ−Ｖｍを算出し、算出した偏差ΔＶをＰＩ演算部８０ｆに出力する。
図３に温度に対応した最低セル電圧許容値特性を示す。

最低セル電圧許容値とは、燃料電池の保護のため、低温時にセル電圧として許容できる逆電圧であり、水素ガス欠乏時の逆電位と抵抗値によるカソード電位減少量から算出される値である。制御部８０は、予め図３に示すような最低セル電圧許容値特性を最低セル電圧許容値マップ１０３としてメモリに保持している。

第２の減算器８０ｅは、燃料電池２０の出力電流ＩFCおよび燃料電池２０の温度に基づき最低セル電圧許容値特性マップ１０３を参照する。すなわち、第２の減算器８０ｅは、偏差ΔＶを算出するに際し、電流センサ９８によって検出された検出電流と、温度センサ３２等によって検出された燃料電池２０の内部温度または温度センサ１０２によって検出されたシステムの環境温度を基に、図３のような、制御部８０のメモリに格納された最低セル電圧許容値マップ１０３を検索し、検出温度に対応した最低セル電圧許容値を示すしきい値Ｖｔｈを選択する。しきい値Ｖｔｈは温度と電流に依存するところから、検出温度に応じて検出電流に対応した変化率が変化する。例えば、図３において、しきい値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２、Ｖｔｈ３は、それぞれ温度異なる温度における最低セル電圧許容値を示し、各最低セル電圧許容値は温度が高い程傾きが緩い直線の特性となっている。

ＰＩ演算部８０ｆは、第２の減算器８０ｅが算出した偏差ΔＶに基づいて、次の（４）式にしたがって、要求電流Ｉ０に対する電流制限値ΔＩを演算するようになっている。

電流制限値ΔＩ＝最低セル電圧偏差ΔＶ×比例ゲインＫｐ＋最低セル電圧積分値ΣΔＶ×積分ゲインＫｉ・・・（４）。

ＰＩ演算部８０ｆは、電流制限値ΔＩを要求電流Ｉ０の補正量として算出し、この算出値を第１の減算器８０ｂに出力する。第１の減算器８０ｂは、要求電流Ｉ０と電流制限値ΔＩとの偏差から、今回の目標電流値Ｉ１を算出し、算出した目標電流値Ｉ１を電力分配計算部８０ｃに出力する。

ここで、ＰＩ演算部８０ｆおよび第１の減算器８０ｂは、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧許容値Ｖｔｈを下回り、電流制限処理に入った場合は、車両システム要求電流Ｉ０を電流制限値ΔＩにしたがって補正して目標電流である供給電流Ｉ１を算出する。このとき、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧許容値Ｖｔｈ以上になり、かつ供給電流Ｉ１が電流制限処理に入った時の要求電流Ｉ０を上回った時に、電流制限を禁止すること、すなわち、電流制限値ΔＩによる要求電流の補償をせずに供給電流Ｉ１（＝Ｉ０）を算出するように制御している。

また、ＰＩ演算部８０ｆおよび第１の減算器８０ｂは、電源制限処理の最中に燃料電池２０の目標出力電圧が変更された場合には、目標出力電圧の変更に伴う燃料電池２０の出力電圧が安定するまで、目標出力電圧変更時の供給電流Ｉ１を維持するようになっている。この目標出力電圧は、燃料電池２０の出力電圧の目標値であり、燃料電池の運転モードが例えば低効率運転であるか否かに応じて変更されうる値である。

以上のような処理を経て得られた供給電流Ｉ１に基づいて、電力分配計算部８０ｃは、燃料電池２０に対する電力指令値の上下限を算出し、算出結果Ｐｃを電流・電圧指令値計算部８０ｄに出力する。この電力指令値に対する上下限は、スタックの容量成分等によって充放電が発生することによる出力精度の悪化、エア供給量変動に起因するシステム要求パワーのハンチングの発生を防止するためである。

電流・電圧指令値計算部８０ｄは、電力分配計算部８０ｃの算出結果を基に、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する。この電流指令値および電圧指令値は、燃料電池２０における実際の出力電流・出力電圧を規定する制御信号となる。

図４に、電流制限処理の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。図４では、縦軸に燃料電池２０の電圧、電流（車両システム要求電流Ｉ０）、セル電圧、およびアクセル開度が示され、横軸に経過時間が示される。

以下、図１および２を参照しながら、図４のタイミングチャートを参照して、制御部８０の処理動作のシーケンスを説明する。
図４に示すように、燃料電池２０の目標出力電圧は、最初、低電圧Ｖｌを示している。時刻ｔ０において、車両システムのアクセルが踏み込まれると、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の二次側の電圧が制御され、各セルのセル電圧は降下を示す一方、燃料電池２０の電流はＩ−Ｖ特性に従って増加を示す。これにより燃料電池の発電電力が増加する。いま、時刻ｔ１において、セル電圧のうち最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧許容値Ｖｔｈを下回ったものとする。ＰＩ演算部８０ｆは、セル電圧のうち最低セル電圧が最低セル電圧許容値を下回った時点から、ＰＩ補償による電流制限処理を開始させ、供給電流が減少するように制御することによってセル電圧の回復を図る。

なお、このＰＩ補償では、セル電圧が許容値を下回った時点（時刻ｔ１）における車両システム要求電流Ｉ０の電流値が第１の減算器８０ｂによって基準値として記憶され、電流制限処理の終了まで保持される。電流制限処理の期間中は、この電流の基準値に対して、ＰＩ演算部８０ｆがＰＩ補償演算で算出した電流制限値ΔＩが減算される。

ここで、ＰＩ演算部８０ｆは、このＰＩ補償演算を上記（４）式に基づいて行うが、供給電流Ｉ１を制限する電流制限期間中（時刻ｔ１〜ｔ２）に適用するＰＩ補償のゲインを相対的に大きくし、供給電流Ｉ１を回復する電流回復期間中（時刻ｔ３〜ｔ５）に適用するＰＩ補償のゲインを相対的に小さくする。

上記ＰＩ補償演算の結果として、電流制限開始直後から供給電流Ｉ１は減少を開始するが、セル電圧の回復は緩慢であり、若干遅れてセル電圧が増加に転じ、セル電圧が許容値まで回復する。セル電圧が最低セル電圧許容値に達した時点（図４では時刻ｔ３が相当）から、ＰＩ演算部８０ｆは、電流回復を図る電流回復処理のためのＰＩ補償を（４）式に基づいて行う。ただし、この電流回復期間では、ＰＩ演算部８０ｆは、ゲインＫｐおよびゲインＫｉの値として、共に上記の電流制限期間のゲイン値よりも小さな値を使用する。ＰＩ補償のゲインが小さくなることにより、補正量である電流制限値ΔＩの急激な変動が抑制され、結果として供給電流Ｉ１にオーバーシュートが発生することが抑止される。セル電圧が最低セル電圧許容値Ｖｔｈ以上になり、かつ、車両システム要求電流Ｉ０が制限された供給電流Ｉ１に達したら、電流制限処理は解除される。

なお、電流回復期間中においても、セル電圧についての最低セル電圧が許容値を上回っているか否かの監視は継続され、万一、最低セル電圧が再び許容値を下回った場合には、電流制限処理が再開される。

ここで、上述したように、ＰＩ演算部８０ｆおよび第１の減算器８０ｂは、電源制限処理の最中に燃料電池２０の目標出力電圧が変更された場合には、目標出力電圧の変更に伴う燃料電池２０の出力電圧が安定するまで、目標出力電圧変更時の供給電流Ｉ１を維持するようになっている。図４では、時刻２に達した時に燃料電池の目標出力電圧が低電圧Ｖｌから高電圧Ｖｈに変更されている。よって、この目標出力電圧が低電圧Ｖｌから変更された時刻ｔ２から燃料電池２０の出力電圧が高電圧Ｖｈで安定する時刻ｔ３までの期間、供給電流Ｉ１は維持されている。すなわちこの保持期間においては、ＰＩ演算部８０ｆは、（４）式に基づくＰＩ補償演算を行わず、供給電流Ｉ１の値として直前のＰＩ補償演算で算出された値を使用する。

電流回復期間において、アクセル操作が中断されると、制限されない車両システム要求電流Ｉ０が急激に低下する。この要求電流Ｉ０の電流値が供給電流Ｉ１を下回った（同一値を含む）時点（時刻ｔ５）において、最低セル電圧が許容値Ｖｔｈ以上であることを条件に電流回復期間が終了し、電流制限処理全体が解除される。

図５に、上記電流制限処理を説明するためのフローチャートを示す。以下、図１および２を参照しながら、図５のフローチャートを使用して、制御部８０の処理動作の流れを説明する。

まず、ステップＳ１において、制御部８０の要求電流算出部８０ａは、状態フラグを参照することで、電流制御の初回のタイミングであるか否かを検証する。その結果、初回のタイミングであれば（ＹＥＳ）、ステップＳ２に進み、初回のタイミングでなければ（ＮＯ）、ステップＳ１４に移る。

ステップＳ１４では、制御部８０の要求電流算出部８０ａは、内部領域に記憶していた要求電流Ｉ０の値を取り出し、ステップＳ４に移る。
ステップＳ２では、制御部８０の要求電流算出部８０ａは、タイミングを非初回に設定する。

ステップＳ３において、制御部８０の要求電流算出部８０ａは、燃料電池システム１０の出力電力を制御するに際して、システム要求電力Ｐｒｅｑを算出し、システム要求電力Ｐｒｅｑから燃料電池２０に対する要求電流Ｉ０を算出する。

次いでステップＳ４において、制御部８０の第２の減算器８０ｅは、セルモニタ１０１が検出したセル電圧のうち最低の値を示す最低セル電圧Ｖｍを取得する。

ステップＳ５において、第２の減算器８０ｅは、燃料電池２０の温度および出力電流を検出し、検出温度に対応した最低セル電圧許容値マップ１０３を参照し、検出電流に対応する最低セル電圧許容値Ｖｔｈを読み出す。

ステップＳ６において、第２の減算器８０ｅは、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧許容値Ｖｔｈ以上であるか否かを判定し、この判定の結果、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧基準値以上であるときには（ＹＥＳ）、ステップＳ１５に移り、一方、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧基準値よりも小さいときには（ＮＯ）、ステップＳ７に進んで、以下、本発明の主たる電流制限処理を実施する。

ステップＳ７において、制御部８０の第２の減算器８０ｅは、最低セル電圧基準マップ１０３から得られたしきい値（最低セル電圧許容値）Ｖｔｈと、検出されたセル電圧Ｖｍとの偏差ΔＶを算出する。

そしてステップＳ８において、制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、（４）式の比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉとにそれぞれ電流制限時のために予め定められたゲイン値を設定する。

次いでステップＳ９において、制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、算出した偏差ΔＶと、設定された比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉとから、（４）式にしたがって要求電流Ｉ０の補正量として電流制限値ΔＩを算出する。

次いでステップＳ１０において、制御部８０の第１の減算器８０ｂは、要求電流Ｉ０と電流制限値ΔＩとの偏差を求め、この偏差を今回の供給電流（目標電流値）Ｉ１とするために出力する。

そしてステップＳ１１では、制御部８０の第１の減算器８０ｂは、要求電流Ｉ０と目標電流値Ｉ１とを内部領域に記憶する。

次いでステップＳ１２では、制御部８０の電力分配計算部８０ｃは、要求電流Ｉ０を電流制限値ΔＩで補正して得られた供給電流Ｉ１にしたがって電力指令値の上下限を算出する。

ステップＳ１３では、制御部８０の電流・電圧指令値計算部８０ｄは、算出された電力指令値を基にＤＣ−ＤＣコンバータ９０を制御するための駆動信号である電圧指令値および電流指令値を出力する。すなわち、セル電圧Ｖｍがしきい値（最低セル電圧許容値）Ｖｔｈ以下にならないようにするための供給電流Ｉ１にしたがって燃料電池２０の発電量および出力電力を制御し、このルーチンでの処理を終了する。

一方、ステップＳ６において、最低セル電圧が最低セル電圧許容値以上であった場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１５に移行し、制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、供給電流Ｉ１がステップＳ１０において算出済であるか否かを検証する。供給電流Ｉ１がステップＳ１０において算出済である場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１６に進み、供給電流Ｉ１がステップＳ１０において算出済でない場合（ＮＯ）、即ち、制御の流れがステップＳ１０を通過しなかった場合）には、ステップＳ２０に移る。

ステップＳ１６において、制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、内部領域に記憶していた供給電流Ｉ１の値を取り出す。

次いでステップＳ１７に移行し、制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、燃料電池２０の目標出力電圧が安定しているか否かを現在設定されている目標出力電圧と電圧センサ９７等で検出される実際の出力電圧とを比較して検証する。燃料電池２０の目標出力電圧が安定していると判定された場合（ＹＥＳ）、ステップＳ１８に進み、燃料電池２０の目標出力電圧が安定していないと判定された場合（ＮＯ）、ステップＳ１２に移る。

ステップＳ１８では、制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、供給電流Ｉ１が電流制限を開始した時の要求電流Ｉ０を上回っているか否かを検証する。そして供給電流Ｉ１が電流制限を開始した時の要求電流Ｉ０を上回っていない場合は（ＮＯ）、電流制限を継続すべきとしてステップＳ１９に進む。一方、供給電流Ｉ１が電流制限を開始した時の要求電流Ｉ０を上回っている場合は（ＹＥＳ）、電流制限処理を終了すべきとしてステップＳ２０に移る。

ステップＳ１９において、制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、（４）式の比例ゲインＫｐと積分ゲインＫｉとにそれぞれ電流回復時ために予め定められたゲイン値を設定し、ステップＳ９に移る。

ステップＳ２０では、制御部８０の要求電流算出部８０ａは、タイミングを初回に設定する。

以上、本実施形態によれば、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧許容値Ｖｔｈを下回った時には、この時のシステム要求の電流値Ｉ０が基準値としてＰＩ補償演算がされるので、電流制限処理時に供給電流低下に対応してシステム要求電力が上昇してしまうことを抑制でき、確実な電流制限処理が可能となる。例えば、燃料電池システムを搭載した自動車において電流制限を出力不足であると運転者が感じてアクセル操作を行ったとしても、供給電流の演算の基準値が電流制限処理開始時の電流値に固定されるので、セル電圧が回復するまで確実に電流制限を行うことが可能である。

また本発明によれば、供給電流Ｉ１の制限時におけるゲインＫｐ・Ｋｉと回復時におけるゲインＫｐ・Ｋｉとをそれぞれの状況に適合して設定するので、迅速な電流制限を確保するとともに収束する供給電流のオーバーシュートの発生を抑制することができる。

また、電流制限期間では、燃料電池全体の目標出力電圧が変更された場合には、変更された該目標出力電圧が安定するまで制限された電流の電流値を保持してから前記電流制限処理を再開するので、ＰＩ補償による電流制限が不安定になることが防止可能となる。

さらに供給電流Ｉ１、最低セル電圧Ｖｍが共に回復し、要求電力Ｐｒｅｑの供給が可能となった状態で電流回復処理を含む電流制限処理を解除するので、燃料電池の保全が図れると共に、システムの運転に支障の無い制御が可能となる。

（その他の変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々に変更して適用することが可能である。
例えば、上記実施形態では、ＰＩ補償を式（４）に基づくものとして例示していたが、これの関係式に限定されない。燃料電池システムの応答制御として適する関係式に本発明し、電流制限期間におけるゲインと電流回復期間におけるゲインとを変更するように構成することができる。要は、電流制限時には迅速に電流を制限し、電流回復時にはオーバーシュート等の不安定な制御とならないように過渡応答を制御できればよい。

また上記実施形態では、電流制限値ΔＩを演算し、基準値となる電流値Ｉ０から減算するように演算したが、これに限定されない。例えば、基準値を直接的に変更するような演算をしても構わない。

本発明に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 制御部のブロック構成図である。 最低セル電圧許容値マップの特性図である。 電流制限処理の動作を説明するためのタイミングチャートである。 制御部による処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、４０ 燃料ガス流路、５５ 水素ポンプ、７５ エアコンプレッサ、８０ 制御部、８０ａ 要求電流算出部、８０ｂ 第１の加算部、８０ｃ 電力分配計算部、８０ｄ 電流・電圧指令値計算部、８０ｅ 第２の加算部、８０ｆ ＰＩ演算部、１０１ セルモニタ、１０２ 温度センサ。

Claims (5)

1. 複数のセルを有する燃料電池を備え、システムに要求されるシステム要求電力に対応したシステム要求電流に対して該セルの最低セル電圧に基づいた補償演算を行うことにより負荷への供給電流を制限する処理を行う燃料電池システムにおいて、
   該最低セル電圧が所定の最低セル電圧許容値を下回った時の該システム要求電流の電流値を基準値としてＰＩ補償により該供給電流を制限するための該補償演算を行うものであって、
   該供給電流を制限する場合の該ＰＩ補償のゲインと該供給電流を回復する場合の該ＰＩ補償のゲインとを異なる値とすること、
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電流制限処理の最中に、前記燃料電池全体の目標出力電圧が変更された場合には、変更された該目標出力電圧が安定するまで制限された供給電流の電流値を保持してから前記電流制限処理を再開する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 総ての前記セル電圧が前記最低セル電圧許容値を上回り、かつ、前記システム要求電流の電流値が前記制限された供給電流の電流値を下回った場合に、前記電流制限処理を解除する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 該燃料電池の各セルにおけるセル電圧を検出するセル電圧検出部と、
   該セル電圧検出部により検出される該セル電圧から得られる前記最低セル電圧に基づいて前記システム要求電流を前記ＰＩ補償する制御演算部と、を備え、
   該制御演算部は、
   前記最低セル電圧許容値からの前記最低セル電圧の偏差をΔＶ、比例ゲインをＫｐ、積分ゲインをＫｉとした場合に、前記供給電流の制限のための補正値ΔＩを、
   Ｋｐ×ΔＶ＋Ｋｉ×ΣΔＶ
   という関係に従って演算するものであり、
   該供給電流を制限する場合と該供給電流を回復する場合とで、前記の比例ゲインＫｐおよび積分ゲインＫｉを共に異ならせる、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記供給電流を制限する場合の前記ＰＩ補償の前記ゲインよりも、前記供給電流を回復する場合の前記ＰＩ補償の前記ゲインを小さくする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。

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