JP3724365B2 - 燃料電池システムの制御装置及び方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電して、発電電力を負荷回路に供給して負荷を駆動するとともに、燃料電池からの発電電力を電力貯蔵部に貯蔵する燃料電池システムの制御装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の動力源として使用される燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持し、これらを複数に亘って積層した燃料電池スタックを使用することが多い。この燃料電池スタックから発電した電力は、バッテリに充電することで車両内のモータ駆動に使用される。
【０００３】
燃料電池システムにおいて、特開平２０００−９２６１０号公報には、モータの駆動力を確保するために、低車速時には目標とするバッテリの充電レベル（ＳＯＣ）を高く設定し、バッテリから出力することが可能な電力を確保する制御を行うことが開示されている。
【０００４】
また、従来の燃料電池システムにおいて、特開平１０−２７１７０６号公報には、例えば車両内のモータ等の主負荷が略零となる状態を検出し、検出したときにバッテリに充電を行うと判定してバッテリに対する充電を行うことが開示されている。これにより、従来の燃料電池システムでは、負荷が要求する電力が大きく変動する場合でも、常に十分な電力を供給可能としていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平２０００−９２６１０号公報に開示された燃料電池システムでは、車両速度を検出し、検出した車両速度に応じて目標とする充電レベルを設定してバッテリの出力可能電力を確保する制御をしているので、実際にバッテリに充電が行われ、出力が確保できるようになるにはある程度の時間を必要とし、瞬時の要求には応えられない場合があるという問題点があった。
【０００６】
また、上記特開平１０−２７１７０６号公報では、バッテリの充電すべき状態を主負荷が略零となる状態を検出し、その時に充電を行うと判定する制御をしていたので、比較的中程度の負荷が連続したとき等、主負荷が略零の時間が短いと、バッテリに十分な充電を行うことができない。したがって、この燃料電池システムでは、結果として負荷が要求する使用電力の変動に対して供給する電力が不足するという問題点があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した問題に鑑みて提案されたものであり、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる燃料電池システムの制御装置及び方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電して、発電電力を負荷回路に供給して負荷を駆動するとともに、燃料電池からの発電電力を電力貯蔵部に貯蔵する燃料電池システムの制御装置において、上記負荷回路の負荷が所定の最大速度で増加したときに、上記燃料電池の発電電力の不足分を補償するために上記電力貯蔵部から上記負荷回路に供給する必要がある余裕負荷電力を予め記憶した余裕負荷電力記憶手段と、上記電力貯蔵部の出力可能電力を演算する出力可能電力演算手段と、上記電力貯蔵部に入力して蓄積可能な電力を演算する入力可能電力演算手段と、上記出力可能電力が上記余裕負荷電力よりも小さくなる場合に、上記入力可能電力と、上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差とを比較して大小判定結果を生成し、上記大小判定結果により上記入力可能電力より上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、上記入力可能電力を上記電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、上記余裕負荷電力から上記入力可能電力と上記出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように上記燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御する制御手段とを備える。
【００１０】
また、請求項２に係る燃料電池システムの制御装置は、上記燃料電池の温度、酸化剤ガスについてのストイキ比、流量、圧力、燃料ガスについてのストイキ比、流量、圧力の少なくとも１つに基づいて、上記必要余裕電力に対する不足電力分が上記燃料電池で発電不能であることを判定する手段を更に備えていても良い。
【００１１】
更に、請求項３に係る燃料電池システムの制御装置は、上記不足電力分が上記燃料電池で発電不能である場合に、利用者に上記余裕負荷電力が確保できないことを提示する提示手段を更に備えることが望ましい。
【００１２】
更にまた、請求項４に係る燃料電池システムの制御装置において、制御手段は、上記電力貯蔵部から負荷回路に供給する電力を出力可能電力以内とするとともに、上記燃料電池から上記電力貯蔵部に入力する電力を上記電力貯蔵部の入力可能電力以内とすることが望ましい。
【００１４】
請求項５に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電して、発電電力を負荷回路に供給して負荷回路を駆動するとともに、燃料電池からの発電電力を電力貯蔵部に貯蔵する燃料電池システムの制御方法において、上記負荷回路の負荷が所定の最大速度で増加したときに、上記燃料電池の発電電力の不足分を補償するために上記電力貯蔵部から上記負荷回路に供給する必要がある余裕負荷電力を予め記憶しておき、上記電力貯蔵部に入力して蓄積可能な電力を演算するとともに、上記電力貯蔵部の出力可能電力を演算し、上記入力可能電力と、上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差とを比較して大小判定結果を生成し、上記大小判定結果により入力可能電力より上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、上記入力可能電力を上記電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、上記余裕負荷電力から上記入力可能電力と上記出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように上記燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御する。
【００１５】
また、請求項６に係る燃料電池システムの制御方法は、上記燃料電池の温度、酸化剤ガスについてのストイキ比、流量、圧力、燃料ガスについてのストイキ比、流量、圧力の少なくとも１つに基づいて、上記必要余裕電力に対する不足電力分が上記燃料電池で発電不能であることを判定しても良い。
【００１６】
更に、請求項７に係る燃料電池システムの制御方法は、上記不足電力分が上記燃料電池で発電不能である場合に、利用者に必要余裕電力が確保できないことを提示ことが望ましい。
【００１７】
更にまた、請求項８に係る燃料電池システムの制御方法において、電力貯蔵部から負荷回路に供給する電力を出力可能電力以内とするとともに、燃料電池から上記電力貯蔵部に入力する電力を上記電力貯蔵部の入力可能電力以内とすることが望ましい。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、出力可能電力が余裕負荷電力よりも大きくなる場合に、余裕負荷電力と出力可能電力との電力差以上の充電電力とするように燃料電池の発電量を制御するので、負荷回路の負荷が変動しても、電力貯蔵部から電力供給をして、余裕負荷電力分の電力を供給可能とすることにより、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。また、大小判定結果により入力可能電力より余裕負荷電力と出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、入力可能電力を電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、余裕負荷電力から入力可能電力と出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御するので、電力貯蔵部が低温などの理由により負荷変動に対して十分に電力が供給できないときでも、速やかに負荷回路に電力供給をすることができる。
【００２０】
また、請求項２に係る燃料電池システムの制御装置によれば、燃料電池の温度、酸化剤ガスについてのストイキ比、流量、圧力、燃料ガスについてのストイキ比、流量、圧力の少なくとも１つに基づいて、必要余裕電力に対する不足電力分が燃料電池で発電不能であることを判定するので、燃料電池の状態に応じて負荷変動に対する余力が少ないことを提示することができる。
【００２１】
更に、請求項３に係る燃料電池システムの制御装置によれば、不足電力分が燃料電池で発電不能である場合に、利用者に必要余裕電力が確保できないことを提示するので、負荷変動に対する余力が少ないことを正確に利用者に提示することができる。
【００２２】
更にまた、請求項４に係る燃料電池システムの制御装置において、電力貯蔵部から負荷回路に供給する電力を出力可能電力以内とするとともに、燃料電池から電力貯蔵部に入力する電力を電力貯蔵部の入力可能電力以内とするので、電力貯蔵部の劣化が進むことを防止することができる。
【００２４】
請求項５に係る燃料電池システムの制御方法によれば、大小判定結果により入力可能電力より余裕負荷電力と出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、入力可能電力を電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、余裕負荷電力から入力可能電力と出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御するので、電力貯蔵部が低温などの理由により負荷変動に対して十分に電力が供給できないときでも、速やかに負荷回路に電力供給をすることができる。
【００２５】
また、請求項６に係る燃料電池システムの制御方法によれば、燃料電池の温度、酸化剤ガスについてのストイキ比、流量、圧力、燃料ガスについてのストイキ比、流量、圧力の少なくとも１つに基づいて、必要余裕電力に対する不足電力分が燃料電池で発電不能であることを判定するので、燃料電池の状態に応じて負荷変動に対する余力が少ないことを提示することができる。
【００２６】
更に、請求項７に係る燃料電池システムの制御方法によれば、不足電力分が燃料電池で発電不能である場合に、利用者に必要余裕電力が確保できないことを提示するので、負荷変動に対する余力が少ないことを正確に利用者に提示することができる。
【００２７】
更にまた、請求項８に係る燃料電池システムの制御方法において、制御手段は、電力貯蔵部から負荷回路に供給する電力を出力可能電力以内とするとともに、燃料電池から電力貯蔵部に入力する電力を電力貯蔵部の入力可能電力以内とするので、電力貯蔵部の劣化が進むことを防止することができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２９】
本発明は、例えば図１に示すように構成された燃料電池システムに適用される。
【００３０】
この燃料電池システムは、水素含有ガス及び燃料ガスが供給されて発電する燃料電池スタック１を備えるものである。この燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極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。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源として利用される。
【００３１】
［燃料電池システムの構成］
この燃料電池システムは、図１からわかるように、燃料電池スタック１に供給する水素ガスを貯蔵する燃料タンク２、燃料電池スタック１に供給する燃料ガスの圧力及び流量を調整する圧力制御弁３を備え、燃料電池スタック１、燃料タンク２及び圧力制御弁３との間が水素ガス挿通管で接続されている。圧力制御弁３は、後述の制御部１０からの開度制御信号Ｓ１に従って開度が調整され、燃料電池スタック１に向かって供給する燃料ガス圧力及び流量を制御する。
【００３２】
また、この燃料電池システムは、酸化剤ガスを燃料電池スタック１に供給するコンプレッサ４、コンプレッサ４を駆動するモータ５、燃料電池スタック１の酸化剤ガス排出側に設けられた圧力制御弁６を備え、コンプレッサ４、燃料電池スタック１、圧力制御弁６の間が酸化剤ガス挿通管で接続されている。制御部１０は、モータ５に駆動力制御信号Ｓ２を出力してモータ５の駆動力に基づいたコンプレッサ４の駆動力を制御するとともに、圧力制御弁６に開度制御信号Ｓ３を出力して制御して燃料電池スタック１内の酸化剤ガス圧力を制御して、燃料電池スタック１に供給する酸化剤ガス流量を制御する。
【００３３】
更に、この燃料電池システムでは、燃料電池スタック１と電気的に接続された電力制御部７、燃料電池スタック１により発電した電力を蓄積する電力貯蔵部８、燃料電池スタック１により発電した電力により駆動する例えば駆動モータ等の負荷部９を備える。電力貯蔵部８は、所謂バッテリからなる。
【００３４】
電力制御部７は、制御部１０からの電力制御信号Ｓ４に従って、燃料電池スタック１から電力を取り出し、コンプレッサ４のモータ５，負荷部９及び電力貯蔵部８等に電力を供給する。電力貯蔵部８は、負荷部９で消費される電力量よりも電力制御部７から供給される電力量が大きい場合には燃料電池スタック１からの余剰電力を充電電力として蓄積し、負荷部９で消費される電力量よりも電力制御部７から供給される電力量が小さい場合には負荷部９に不足している分だけ電力を供給する。
【００３５】
制御部１０は、車両運転者が操作するアクセル操作量情報、車速パルス信号に基づく車両速度情報を演算する。制御部１０は、アクセル操作量情報が示す大きさに応じて駆動力制御信号Ｓ５を負荷部９に出力して駆動力を制御する。更に、制御部１０は、アクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいて目標発電量を演算して得る。
【００３６】
制御部１０は、燃料電池スタック１から発電する電力の目標となる目標発電量を演算し、所望とする発電量が得られるように圧力制御弁３の開度、モータ５の駆動力及び圧力制御弁６の開度を制御して、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス圧力及び流量、酸化剤ガス圧力及び流量を制御して、燃料電池スタック１の発電量を制御する。また、制御部１０は、電力制御部７を制御することで、電力貯蔵部８及び負荷部９に電力を供給する。
【００３７】
「制御部１０の機能的な構成」
図２は、制御部１０の機能的な構成を示すブロック図である。制御部１０は、図２からわかるように、上記アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力される要求負荷演算部２１と、図示しない電力貯蔵部８の状態を検出するバッテリセンサからのバッテリ温度情報、及び電力貯蔵部８の充電レベルを示す充電レベル情報が入力される入出力可能電力演算部２２と、負荷部９に車両の最大加速時等に要求される電力に対して補償する電力値が格納された余裕負荷電力記憶部２３とを備える。
【００３８】
更に、制御部１０は、入出力可能電力演算部２２及び余裕負荷電力記憶部２３からの情報を用いた演算をする目標充電量演算部２４と、目標ＦＣ余裕電力演算部２５と、燃料電池システムを構成する負荷部９外の各部の消費電力を演算する補機消費電力演算部２６と、要求負荷演算部２１、目標充電量演算部２４及び補機消費電力演算部２６からの情報を用いた演算をする目標発電量演算部２７と、目標発電量演算部２７及び目標ＦＣ余裕電力演算部２５からの情報を用いた演算をする供給ガス量制御部２８とを備える。
【００３９】
要求負荷演算部２１は、アクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいて、負荷部９が駆動するために要求する要求負荷電力を演算する。要求負荷演算部２１は、演算した要求負荷電力情報Ｓ１１を目標発電量演算部２７に出力する。
【００４０】
入出力可能電力演算部２２は、バッテリ温度及び充電レベル情報に基づいて、電力貯蔵部８に蓄積可能な電力値を示す入力可能電力情報、及び電力貯蔵部８から負荷部９に出力可能な電力値を示す出力可能電力情報を演算し、入力可能電力情報Ｓ１４及び出力可能電力情報Ｓ１３を目標充電量演算部２４及び目標ＦＣ余裕電力演算部２５に出力する。
【００４１】
目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力情報Ｓ１２、入力可能電力情報Ｓ１４、出力可能電力情報Ｓ１３に基づいて、燃料電池スタック１により発電して電力貯蔵部８に蓄積する目標となる目標充電量を演算する。目標充電量演算部２４は、入力可能電力の範囲内で、充電電力が余裕負荷電力に近づくように目標充電量を決定して、目標充電電力情報Ｓ１６を目標発電量演算部２７に出力する。
【００４２】
目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、余裕負荷電力情報Ｓ１２、出力可能電力情報Ｓ１３及び入力可能電力情報Ｓ１４に基づいた演算をして、瞬時に取り出して負荷部９に供給することができる目標ＦＣ余裕電力を示す目標ＦＣ余裕電力情報Ｓ１７を得て供給ガス量制御部２８に出力する。
【００４３】
目標発電量演算部２７は、補機消費電力情報Ｓ１５、目標充電電力情報Ｓ１６及び要求負荷電力情報Ｓ１１に基づく演算をして、燃料電池スタック１による発電電力の目標となる電力値を示す目標発電電力情報Ｓ１８を得て供給ガス量制御部２８に出力する。
【００４４】
供給ガス量制御部２８は、目標発電電力情報Ｓ１８及び目標ＦＣ余裕電力情報Ｓ１７に基づいて、圧力制御弁３、モータ５、圧力制御弁６を制御して、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力及び流量を制御して、燃料電池スタック１の発電電力を制御する。
【００４５】
図３に、負荷部９が要求する電力の変化に対応した余裕負荷電力の変化を示す。図３からわかるように、余裕負荷電力とは、曲線Ａが負荷部９が駆動するのに必要な電力である場合、燃料電池スタック１からは曲線Ｂに示す電力しか発電できないときに曲線Ｃに示すように、電力貯蔵部８から負荷部９に電力を供給することで、燃料電池スタック１の発電量を補償する電力である。すなわち、余裕負荷電力は、図中の斜線部分を補償するための電力である。ここで、余裕負荷電力の値は、車両の最大加速時に要求される電力を想定して予め設定されて、余裕負荷電力記憶部２３に格納されている。
【００４６】
図４に、燃料電池スタック１の出力電力と、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値、流量との関係を示す。図４において、燃料電池スタック１から電力を取り出すための最低必要流量、及び最低必要圧力を実線で示す。ここで、供給ガス量制御部２８は、制御目標流量及び圧力を、目標ＦＣ余裕電力だけ増加させた流量値及び圧力値（図中●）とするように各部を制御し、実際に燃料電池スタック１から取り出す電力を目標発電量（図中○）とする。これにより、燃料電池スタック１は、目標発電量と目標ＦＣ余裕電力との和の電力が取り出し可能状態となり、負荷部９が最大負荷で動作して要求負荷電力の要求が発生したときには瞬時に燃料電池スタック１から目標ＦＣ余裕電力分を取り出して負荷部９に供給する制御をする。
【００４７】
一方、供給ガス量制御部２８は、上記目標ＦＣ余裕電力が零である場合には、最低必要流量及び最低必要圧力とするようにモータ５を制御しコンプレッサ４の駆動量を少なくし、実際に燃料電池スタック１から取り出す電力を目標発電量とする。換言すれば、供給ガス量制御部２８は、図中○で示す出力電力を得るときには図中○からのびる点線と各特性とが交差する点を制御目標流量及び圧力とする。
【００４８】
図５に、充電レベル（ＳＯＣ）に対する出力可能電力及び入力可能電力の変化を示す。入力可能電力及び出力可能電力は、温度によっても変化し、図５では常温と低温での各特性を示す。
【００４９】
［制御部１０の電力制御処理］
図６及び図７に、上述した構成を有する制御部１０による電力制御処理の処理手順を示す。図６によれば、制御部１０は、負荷部９を駆動するに際して、先ずステップＳＴ１において、図示しないバッテリセンサからのセンサ信号に基づいて電力貯蔵部８の温度を入出力可能電力演算部２２により検出すると、次のステップＳＴ２に進む。
【００５０】
制御部１０は、ステップＳＴ２において、電力貯蔵部８の電流値及び電圧値に基づいて充電レベルを計算し、入出力可能電力演算部２２に入力する。
【００５１】
次に、入出力可能電力演算部２２は、ステップＳＴ３において、ステップＳＴ１及びステップＳＴ２で得たバッテリ温度及び充電レベルに応じて、入力可能電力情報Ｓ１４及び出力可能電力情報Ｓ１３を計算する。ここで、入出力可能電力演算部２２は、図５に示したような充電レベルに対する入力可能電力及び出力可能電力の特性と、バッテリ温度及び充電レベルを基に入力可能電力及び出力可能電力を得る。
【００５２】
次に、制御部１０は、ステップＳＴ４において、余裕負荷電力記憶部２３に格納された余裕負荷電力情報を読み出す。
【００５３】
次のステップＳＴ５において、要求負荷演算部２１には、アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力され、次のステップＳＴ６において要求負荷演算部２１は、アクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいて負荷部９が要求する要求負荷電力を演算する。
【００５４】
次のステップＳＴ７において、補機消費電力演算部２６は、補機消費電力情報Ｓ１５を演算する。
【００５５】
次の図７に示すステップＳＴ８において、目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力記憶部２３に格納された余裕負荷電力とステップＳＴ３で得た出力可能電力との大きさを比較し、余裕負荷電力が出力可能電力よりも小さいか否かの判定をする。目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力が出力可能電力よりも小さいときにはステップＳＴ９に処理を進め、小さくないときには後述のステップＳＴ１１に処理を進める。
【００５６】
目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力が出力可能電力よりも小さいときには、図８（ａ）に示すように余裕負荷電力を出力可能電力で賄え、新たな充電を要さずに余裕負荷電力を確保することができると認識して、目標充電量を零にした目標充電電力情報Ｓ１６を目標発電量演算部２７に出力して、ステップＳＴ９に処理を進める。
【００５７】
ステップＳＴ９において目標発電量演算部２７は、目標発電量をステップＳＴ６で得た要求負荷電力と同じとして、目標発電電力情報Ｓ１８を供給ガス量制御部２８に出力して処理をステップＳＴ１０に進める。ここで、目標発電量演算部２７は、目標発電量に、上述のステップＳＴ７で得た補機消費電力も含める。
【００５８】
次のステップＳＴ１０において、供給ガス量制御部２８は、目標発電量演算部２７からの目標発電電力情報Ｓ１８に基づいて各部を制御する制御信号を出力して目標発電量となるように燃料ガス、酸化剤ガスの流量及び圧力とする。
【００５９】
一方、目標充電量演算部２４は、ステップＳＴ８で余裕負荷電力が出力可能電力よりも小さくないと判定したステップＳＴ１１において、余裕負荷電力に対する出力可能電力の不足分を演算する。このとき、目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力から出力可能電力を減算することで不足分を認識する。
【００６０】
次に、目標充電量演算部２４は、ステップＳＴ１２において、ステップＳＴ１１で演算された不足分が、入力可能電力より小さいか否かの判定をする。目標充電量演算部２４は、不足分が入力可能電力より小さいと判定したときにはステップＳＴ１３に処理を進め、不足分が入力可能電力より小さくないと判定したときには後述のステップＳＴ１５に進める。
【００６１】
ステップＳＴ１３において、目標充電量演算部２４は、入力可能電力分を充電することで不足分を賄えるような図８（ｂ）に示す関係にあると認識し、目標充電量をそのままステップＳＴ１１で演算された不足分とする。
【００６２】
次のステップＳＴ１４において、目標発電量演算部２７は、ステップＳＴ６で得た要求負荷電力を要求負荷演算部２１から入力するとともに、ステップＳＴ１３で得た目標充電量を目標充電量演算部２４から入力して、要求負荷電力と目標充電量とを加算した電力量を目標発電量としてステップＳＴ１０に処理を進める。次のステップＳＴ１０において、供給ガス量制御部２８は、目標発電電力情報Ｓ１８に基づいて各部を制御する制御信号を出力して目標発電量となるように燃料ガス、酸化剤ガスの流量及び圧力とする。ここで、目標発電量演算部２７は、目標発電量に、上述のステップＳＴ７で得た補機消費電力も含める。
【００６３】
ステップＳＴ１２で不足分が入力可能電力よりも小さくないと判定されたステップＳＴ１５において、目標充電量演算部２４は、不足分が入力可能電力で賄えないような図８（ｃ）に示す関係にあると認識し、入力可能電力を目標充電量する。
【００６４】
次のステップＳＴ１６において、目標発電量演算部２７は、要求負荷演算部２１からの要求負荷電力と目標充電量とを加算して目標発電量を得る。ここで、目標発電量演算部２７は、目標発電量に、上述のステップＳＴ７で得た補機消費電力も含める。
【００６５】
次のステップＳＴ１７において、目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、余裕負荷電力から出力可能電力を減算して不足分を求め、この不足分から入力可能電力を減算することで目標ＦＣ余裕電力を得て、ステップＳＴ１０に処理を進める。次のステップＳＴ１０において、供給ガス量制御部２８は、目標発電電力情報Ｓ１８に基づいて各部を制御する制御信号を出力して前述の図４のように目標発電量、目標ＦＣ余裕電力となるように燃料ガス、酸化剤ガスの流量及び圧力とする。
【００６６】
［実施の形態の効果］
このような処理をする制御部１０によれば、図８（ｂ）に示すように余裕負荷電力より出力可能電力が小さい場合に、不足電力分より入力可能電力が大きいときには、目標充電量で不足分を補うように目標発電量を設定することで、いつでも余裕負荷電力を取りだせる状態にしておくことができる。
【００６７】
例えば図９（ａ）に示すように負荷部９の負荷が変化する前の期間Ｔ１では要求負荷に対して燃料電池スタック１の発電出力が上回り、図９（ｂ）に示すように電力貯蔵部８に充電が行われている。このときの目標充電電力と、出力可能電力との和が余裕負荷電力となる。なお、燃料電池出力（Net）と燃料電池出力（Gross）との差は補機で消費されている電力である。
【００６８】
ここで、図９（ａ）のように次の期間Ｔ２で要求負荷が大きく変動し、燃料電池スタック１からの電力出力の変化が、要求負荷の変化速度に対して遅れ、要求負荷が燃料電池スタック１からの電力出力と電力貯蔵部８の出力可能電力の合計値を上回るような場合にでも、余裕負荷電力を常に確保するように目標充電量を設定しているので、この目標充電量分の電力を供給することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、急激に負荷部９の負荷が変動したときでも、余裕負荷電力を負荷部９に供給でき、要求負荷の変動に電力供給を追従させることができる。
【００６９】
また、この燃料電池システムでは、電力貯蔵部８から負荷部９に供給する電力を出力可能電力以内に押さえることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、電力貯蔵部８の劣化の進みを抑制することができる。
【００７０】
更に、負荷変化の終了後の期間Ｔ３において、燃料電池システムは、引き続き電力貯蔵部８に充電を行うことで、余裕負荷電力を出力可能電力でまかなえるような充電レベルとすることができる。したがって、燃料電池システムによれば、負荷部９の要求負荷が変動していないときには、電力貯蔵部８に充電を行って、余裕負荷電力を供給可能な状態とすることができる。
【００７１】
また、このような処理をする制御部１０によれば、図８（ｃ）に示すように余裕負荷電力より出力可能電力が小さい場合に、不足分より入力可能電力が小さいときであっても、目標ＦＣ余裕電力を設定して余裕負荷電力を確保することができる。
【００７２】
例えば図１０（ａ）に示すように、負荷部９の負荷が変化する前の期間Ｔ１は要求負荷に対して燃料電池出力（Net）が上回り、図１０（ｂ）に示すように電力貯蔵部８に充電が入力可能電力以下での充電が行われている。
【００７３】
ここで、期間Ｔ１においては電力貯蔵部８の入力可能電力が小さいため、この期間Ｔ１の充電電力と出力可能電力の和だけでは余裕負荷電力をまかないきれないとする。これに対し、燃料電池システムでは、ステップＳＴ１７で目標ＦＣ余裕電力が設定され、常に余分な電力出力が可能な状態とする。そして、負荷部９の要求負荷が大きくなると、燃料電池スタック１から、既に取り出していた電力と、目標ＦＣ余裕電力を取り出すとともに、電力貯蔵部８の充電電力を負荷部９に供給する。
【００７４】
したがって、この燃料電池システムによれば、目標ＦＣ余裕電力を瞬時に取り出すことができ、負荷に対して燃料電池スタック１の出力が不足する期間及び量を小さくすることができ、要求負荷の変化に応答して電力を供給することができる。
【００７５】
また、この燃料電池システムによれば、電力貯蔵部８が低温時で、図５に示すように、常温時と比較して多くの電力の出力ができずに負荷変動に対して十分に電力が供給できない場合においても、目標ＦＣ余裕電力を負荷部９に供給して速やかに負荷の変動に対応することができる。
【００７６】
また、この燃料電池システムによれば、電力貯蔵部８に入力する電力を入力可能電力以内に押さえるとともに、電力貯蔵部８から出力する電力を出力可能電力以内に押さえることができ、電力貯蔵部８の劣化が進むのを抑制することができる。
【００７７】
「制御部１０の提示処理」
つぎに、制御部１０による目標ＦＣ余裕電力を負荷部９に供給するに際して、利用者に対する提示処理について図１１を参照して説明する。
【００７８】
図１１によれば、先ず、ステップＳＴ２１において、例えば上述のステップＳＴ１７と同様に目標ＦＣ余裕電力を目標ＦＣ余裕電力演算部２５により演算して、次のステップ２２に進む。
【００７９】
ステップＳＴ２２では、目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、圧力制御弁３、モータ５及び圧力制御弁６を制御して、ステップＳＴ２１で求めた目標ＦＣ余裕電力を得ることができるか否かの判定をする。目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、目標ＦＣ余裕電力を得ることが可能と判定したときには処理をステップＳＴ２３に進め、目標ＦＣ余裕電力を得ることが可能でないと判定したときにはステップＳＴ２４に処理を進める。
【００８０】
ステップＳＴ２３において、目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、目標ＦＣ余裕電力が供給不可能であることを車両利用者に提示する余裕不足ランプを消灯させる制御をする。
【００８１】
ステップＳＴ２４において、目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、余裕不足ランプを点灯させる制御をする。
【００８２】
これにより燃料電池システムでは、車両運転者に加速性能が低下していることを知らせることができ、また、急加速等の過度における余力が少ないことを提示し、状況に応じて運転操作を促進させることができる。
【００８３】
ここで、目標ＦＣ余裕電力が実現不可能であることを車両利用者に提示する手段としては、ランプに限らず、図示しない表示機構、放音機構を利用しても良い。
【００８４】
「燃料電池スタック１の温度に基づく判定処理」
つぎに、図１１におけるステップＳＴ２２の判定を、燃料電池スタック１の温度に基づいて行う一例について図１２を参照して説明する。
【００８５】
図１２によれば、ステップＳＴ３１において、目標ＦＣ余裕電力演算部２５により上述した処理と同様に目標ＦＣ余裕電力を演算して、以下の処理を開始する。
【００８６】
次のステップＳＴ３２において、燃料電池スタック１に供給する冷却水温度を図示しない温度センサにより検出する。
【００８７】
次のステップＳＴ３３において、ステップＳＴ３２で検出された冷却水温度に基づいて、燃料電池スタック１の最大発電可能電力が演算される。ここで、図１３に示すような燃料電池スタック１からの冷却水温度（燃料電池温度）と燃料電池スタック１の最大出力可能電力との関係を参照して、冷却水温度に基づいて燃料電池スタック１の最大発電可能電力を得る。
【００８８】
次のステップＳＴ３４において、目標発電電力と目標ＦＣ余裕電力との和と、ステップＳＴ３３で求めた燃料電池スタック１の最大発電可能電力とを大小比較し、目標発電電力と目標ＦＣ余裕電力との和が、燃料電池スタック１の最大発電可能電力より小さいときにはステップＳＴ３５に処理を進め、目標発電電力と目標ＦＣ余裕電力との和が、燃料電池スタック１の最大発電可能電力より小さくないときにはステップＳＴ３７に処理を進める。
【００８９】
ステップＳＴ３５において、目標発電電力と目標ＦＣ余裕電力との和の電力を燃料電池スタック１で発電するための燃料ガス及び酸化剤ガスの流量及び圧力を演算してステップＳＴ３６に処理を進める。
【００９０】
ステップＳＴ３６において、余裕負荷電力を演算して、演算して得た余裕負荷電力を燃料電池スタック１に供給可能であると判定して図１１のステップＳＴ２３に処理を進める。
【００９１】
一方、ステップＳＴ３４で目標発電電力と目標ＦＣ余裕電力との和が燃料電池スタック１の最大発電可能電力よりも大きいと判定されたステップＳＴ３７では、供給ガス量制御部２８は、ステップＳＴ３３で演算された燃料電池スタック１の最大発電可能電力で燃料ガス及び酸化剤ガスの流量及び圧力を演算して、ステップＳＴ３８に進む。
【００９２】
ステップＳＴ３８では、余裕負荷電力が実現不可能であると判定して図１１のステップＳＴ２４に処理を進める。
【００９３】
このような処理をする燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の温度変化により変化する燃料電池スタック１の最大発電可能電力を得て、余裕負荷電力をまかなうための目標ＦＣ余裕電力を供給可能か否かを判定するので、燃料電池スタック１の温度状態に基づいて正確に負荷変動の過渡における余力が少ないことを判断できる。
【００９４】
「ストイキ比に基づく判定処理」
つぎに、図１１におけるステップＳＴ２２の判定を、図１４に示す燃料ガス又は酸化剤ガスのストイキ比に基づいて行う一例について説明する。
【００９５】
図１４によれば、ステップＳＴ４１において、目標ＦＣ余裕電力演算部２５により上述した処理と同様に目標ＦＣ余裕電力を演算してステップＳＴ４２に進んで、以下の処理を開始する。
【００９６】
ステップＳＴ４２では、目標発電量と目標ＦＣ余裕電力に基づいて、限界ストイキ比を演算してステップＳＴ４３に進む。ここで、ストイキ比は、燃料電池スタック１に対する供給ガス量を燃料電池スタック１で消費する供給ガス量で除算した値となり、図１５に示すように燃料電池スタック１の発電電力に従って変化する。ここで、限界ストイキ比は、燃料電池システムの純水回収性能や、加湿特性によっても変化する。
【００９７】
ステップＳＴ４３では、目標発電電力と目標ＦＣ余裕電力との和の発電を実現するのに必要な燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を、発電したときに消費される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量で除算して目標ＦＣ余裕電力分実現ストイキ比を演算してステップＳＴ４４に進む。
【００９８】
ステップＳＴ４４では、ステップＳＴ４２で演算した限界ストイキ比とステップＳＴ４３で演算した目標ＦＣ余裕電力分実現ストイキ比との大小比較をし、限界ストイキ比より目標ＦＣ余裕電力分実現ストイキ比が大きいと判定したときにはステップＳＴ４５に処理を進め、限界ストイキ比より目標ＦＣ余裕電力分実現ストイキ比が大きくないと判定したときにはステップＳＴ４７に処理を進める。
【００９９】
ステップＳＴ４５では、目標とするストイキ比を目標ＦＣ余裕電力分実現ストイキ比にしてステップＳＴ４６に処理を進める。
【０１００】
ステップＳＴ４６では、目標ＦＣ余裕電力が実現可能であると判定して、図１１のステップＳＴ２３に処理を進める。
【０１０１】
ステップＳＴ４７では、目標とするストイキ比を図１５に示す限界ストイキ比にしてステップＳＴ４８に処理を進める。
【０１０２】
ステップＳＴ４８では、目標ＦＣ余裕電力が実現不可能であるとして、図１１のステップＳＴ２４に処理を進める。
【０１０３】
このような処理をする燃料電池システムによれば、燃料電池スタック１の消費変化により変化する燃料電池スタック１の最大発電可能電力を得て、余裕負荷電力をまかなうための目標ＦＣ余裕電力を供給可能か否かを判定するので、燃料電池スタック１の消費状態に基づいて正確に負荷変動の過渡における余力が少ないことを判断できる。
【０１０４】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】 本発明を適用した燃料電池システムに備えられる制御部の機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】 負荷部が要求する電力と余裕負荷電力との関係を示す図である。
【図４】 燃料電池スタックの出力電力と、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値、流量との関係を示す図である。
【図５】 充電レベルと出力可能電力及び入力可能電力との関係を示す図である。
【図６】 制御部による電力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】 制御部による電力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図８】 （ａ）は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量及び出力可能電力との関係を示し、（ｂ）は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量、出力可能電力及び不足分の関係を示し、（ｃ）は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量、出力可能電力、目標ＦＣ余裕電力、及び不足分の関係を示す図である。
【図９】 （ａ）は燃料電池スタックの出力と負荷部で要求される負荷との関係を示し、（ｂ）は電力貯蔵部の出力可能電力及び入力可能電力の変化を示す図である。
【図１０】 （ａ）は燃料電池スタックの出力と負荷部で要求される負荷との関係を示し、（ｂ）は電力貯蔵部の出力可能電力及び入力可能電力の変化を示す他の図である。
【図１１】 制御部による目標ＦＣ余裕電力を負荷部に供給するに際して、利用者に対する提示処理のフローチャートである。
【図１２】 目標ＦＣ余裕電力分の電力が発電可能か否かの判定を燃料電池スタックの温度に基づいて行うときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１３】 燃料電池スタックからの冷却水温度（燃料電池温度）と燃料電池スタックの最大出力可能電力との関係を示す図である。
【図１４】 目標ＦＣ余裕電力分の電力が発電可能か否かの判定を燃料ガス又は酸化剤ガスのストイキ比に基づいて行うときの処理手順を示すフローチャートである。
【図１５】 ストイキ比と燃料電池スタックから発電する電力との関係を示す図である。

Claims (8)

  1. 燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電して、発電電力を負荷回路に供給して負荷を駆動するとともに、燃料電池からの発電電力を電力貯蔵部に貯蔵する燃料電池システムの制御装置において、
    上記負荷回路の負荷が所定の最大速度で増加したときに、上記燃料電池の発電電力の不足分を補償するために上記電力貯蔵部から上記負荷回路に供給する必要がある余裕負荷電力を予め記憶した余裕負荷電力記憶手段と、
    上記電力貯蔵部の出力可能電力を演算する出力可能電力演算手段と、
    上記電力貯蔵部に入力して蓄積可能な電力を演算する入力可能電力演算手段と、
    上記出力可能電力が上記余裕負荷電力よりも小さくなる場合に、上記入力可能電力と、上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差とを比較して大小判定結果を生成し、上記大小判定結果により上記入力可能電力より上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、上記入力可能電力を上記電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、上記余裕負荷電力から上記入力可能電力と上記出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように上記燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御する制御手段と
    を備えることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
  2. 上記燃料電池の温度、酸化剤ガスについてのストイキ比、流量、圧力、燃料ガスについてのストイキ比、流量、圧力の少なくとも１つに基づいて、上記余裕負荷電力に対する不足電力分が上記燃料電池で発電不能であることを判定する手段を更に備え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. 上記不足電力分が上記燃料電池で発電不能である場合に、利用者に上記余裕負荷電力が確保できないことを提示する提示手段を更に備えることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
  4. 上記制御手段は、上記電力貯蔵部から負荷回路に供給する電力を上記出力可能電力以内とするとともに、上記燃料電池から上記電力貯蔵部に入力する電力を上記電力貯蔵部の上記入力可能電力以内とすることを特徴とする請求項１〜請求項３記載の燃料電池システムの制御装置。
  5. 燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給して燃料電池を発電して、発電電力を負荷回路に供給して負荷回路を駆動するとともに、燃料電池からの発電電力を電力貯蔵部に貯蔵する燃料電池システムの制御方法において、
    上記負荷回路の負荷が所定の最大速度で増加したときに、上記燃料電池の発電電力の不足分を補償するために上記電力貯蔵部から上記負荷回路に供給する必要がある余裕負荷電力を予め記憶しておき、
    上記電力貯蔵部に入力して蓄積可能な電力を演算するとともに、上記電力貯蔵部の出力可能電力を演算し、
    上記入力可能電力と、上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差とを比較して大小判定結果を生成し、
    上記大小判定結果により入力可能電力より上記余裕負荷電力と上記出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、上記入力可能電力を上記電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、上記余裕負荷電力から上記入力可能電力と上記出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように上記燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  6. 上記燃料電池の温度、酸化剤ガスについてのストイキ比、流量、圧力、燃料ガスについてのストイキ比、流量、圧力の少なくとも１つに基づいて、上記必要余裕電力に対する不足電力分が上記燃料電池で発電不能であることを判定することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの制御方法。
  7. 上記不足電力分が上記燃料電池で発電不能である場合に、利用者に必要余裕電力が確保できないことを提示することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの制御方法。
  8. 上記電力貯蔵部から上記負荷回路に供給する電力を出力可能電力以内とするとともに、上記燃料電池から上記電力貯蔵部に入力する電力を上記電力貯蔵部の入力可能電力以内とすることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システムの制御方法。
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