JP3843680B2

JP3843680B2 - 燃料電池システムの出力制御装置

Info

Publication number: JP3843680B2
Application number: JP2000014674A
Authority: JP
Inventors: 剛麻生; 慎一出口
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2006-11-08
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP2001210345A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの出力制御装置に関し、燃料電池で発電された電力を最適に負荷系に供給して十分な運転性能を引き出すことができる燃料電池システムの出力制御装置を提供することにある。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムで発電された電力を駆動用モータに供給するように構成された燃料電池車両では、一般に、運転者の操作に応じて燃料電池の出力が変化することとなる。同時に、駆動用モータに供給すべき電力をスタックに発電させるため、改質器で発生させる水素量を変化するように制御されるが、改質器の応答速度は負荷変動より遅い傾向にある。
【０００３】
このため、駆動用モータによる負荷増加に合せて電力をスタックから引き出すと、スタックに供給されている水素量が不足するので、スタック電圧が異常に降下するといった問題が発生する。
そこで、スタックに供給される水素量及び空気量に応じた電力を引き出すようにしておき、スタックによる応答の遅れ分だけ、すなわち、スタックからの電力と負荷により要求される電力との過不足が生じた電力差だけ２次電池から充放電することにより吸収するようにしている。
【０００４】
従来、燃料電池車両に搭載されている燃料電池システムの出力制御装置においては、スタックでの発電電力を制御するのに、図１０に示すような基本構成を有する昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ１２１をスタックと負荷の間に配置させている。
このＤＣ／ＤＣコンバータ１２１においては、昇圧変換と降圧変換とでは、動作させるスイッチング素子がそれぞれ異なっており、トランジスタＴｒ１０１，Ｔｒ１０３のベースに加える制御信号のデューティ比に応じて所望の電圧を発生させている。図１１は、トランジスタＴｒ１０１，Ｔｒ１０３のベースに加える制御信号のデューティ比と昇降圧比との関係を示すグラフである。
【０００５】
昇圧時には、ＣＮＴ１０１にＯＮ制御信号（１）を加えてトランジスタＴｒ１０１をＯＮ動作させるとともに、ＣＮＴ１０３に所望のデューティ比の制御信号を加えてトランジスタＴｒ１０３をＯＮ−ＯＦＦ動作させ、入力電圧Ｖin以上の電圧を出力するように制御されている。
一方、降圧時には、ＣＮＴ１０３にＯＦＦ制御信号（０）を加えてトランジスタＴｒ１０３をＯＦＦ動作させるとともに、ＣＮＴ１０１に所望のデューティ比の制御信号を加えてトランジスタＴｒ１０１をＯＮ−ＯＦＦ動作させ、入力電圧Ｖin以下の電圧を出力するように制御されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１から引き出すことができる出力電圧には必ずしも連続性があるわけではない。特に、入出力電圧がほぼ等しく、昇圧変換から降圧変換に切り替わる場合や、降圧変換から昇圧変換に切り替わる場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１により電力を安定的に変換させることが困難なことが考えられる。
【０００７】
すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の出力側に設けられている２次電池や負荷の電圧を検出するために、電圧センサを用いた場合、センサ自体がある程度の検出誤差を有しており、センサ出力信号をＡ／Ｄコンバータに入力して量子化しても、Ａ／Ｄコンバータ自体の分解能や誤差などが加わる。このため、例えば２次電池や負荷の電圧とスタックからの出力電圧を比較して、両者の大小関係に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２１の変換機能を切り替えたとしても、上述した検出誤差が加算され切替判定に誤差が生じるため、適切な変換機能を選択できないことが考えられる。
【０００８】
このように、ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧変換と降圧変換との切り替わり境界領域では、切替制御の判断情報となる入出力電圧やスタック電流等の検出誤差によって、適切な切替制御が阻害されることが考えられ、この結果、所望の運転性能を確保し難いおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、燃料電池で発電された電力を最適に負荷系に供給して十分な運転性能を引き出すことができる燃料電池システムの出力制御装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、上記課題を解決するため、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの出力制御装置であって、燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、空気を圧縮する圧縮器と、改質器から供給される改質ガスと圧縮器から供給される空気とを用いて発電する燃料電池と、燃料電池から出力される電力を要求指令に応じて昇圧変換または降圧変換する電力制御手段と、電力制御手段から出力される電力を貯蔵する電力貯蔵手段と、電力貯蔵手段と並列に接続され、電力制御手段から出力される電力を運転状況に応じて消費する負荷とを備え、前記電力制御手段の入力側および出力側の入力電圧および出力電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出された入力電圧と出力電圧との電圧差を算出する算出手段と、燃料電池の出力電圧を一定値に固定する機能、及び燃料電池の出力電圧の固定を解除する機能を有した固定制御手段と、を備え、固定制御手段は、電圧検出手段により検出された入力電圧と出力電圧との電圧差を算出する算出手段と、算出手段により算出された電圧差が所定の範囲内にある場合に、燃料電池の出力電圧を一定値に固定することを要旨とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、上記課題を解決するため、前記固定制御手段は、前記燃料電池の出力電流を一定値になるように制御することを要旨とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、上記課題を解決するため、前記電力制御手段は、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定した後に、前記燃料電池に所望される出力としたときの出力電圧を推定する電圧推定手段と、電圧推定手段により推定された推定出力電圧と、前記電力制御手段の出力電圧値との電圧差を算出する電圧差算出手段とを備え、電圧差算出手段により算出される電圧差が所定値以上の場合には、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することを要旨とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、上記課題を解決するため、前記改質器に設けられ燃料電池から排出される水素を燃焼する排水素燃焼器と、排水素燃焼器の温度を検出する温度検出手段とを備え、前記固定制御手段は、前記排水素燃焼器の温度が所定の温度範囲以外にある場合に、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することを要旨とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、上記課題を解決するため、前記燃料電池の入力側および出力側の水素量を検出する水素量検出手段と、水素量検出手段により検出された入力側および出力側の水素量に基づいて、前記燃料電池での水素利用率を算出する水素利用率算出手段を備え、前記固定制御手段は、前記水素利用率算出手段により算出された水素利用率が所定値を超えた場合に、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することを要旨とする。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、電力制御手段の入力側および出力側の入力電圧および出力電圧を検出するようにしておき、検出された入力電圧と出力電圧との電圧差が所定の範囲内にある場合に、燃料電池の出力電圧を一定値に固定するように制御することで、電力制御手段が昇圧変換と降圧変換との切替領域で動作しているときでも一方の変換動作により出力電圧を固定することができる。この結果、切替制御の判断情報となる入出力電圧やスタック電流等の検出誤差によって、適切な切替制御が阻害されることを防止でき、十分な運転性能を引き出すことができる。
【００１６】
また、請求項２記載の本発明によれば、燃料電池の出力電流を一定値になるように制御することで、燃料電池の出力電圧を一定値に固定することができる。
【００１７】
また、請求項３記載の本発明によれば、電力制御手段は、燃料電池の出力電圧を一定値に固定した後に、燃料電池に所望される出力としたときの出力電圧を推定し、この推定出力電圧と電力制御手段の出力電圧値との電圧差が所定値以上の場合には、燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することで、電力制御手段が一方の変換動作から他方の変換動作に移行することができる。
【００１８】
また、請求項４記載の本発明によれば、改質器に設けられ燃料電池から排出される水素を排水素燃焼器で燃焼するようにしておき、排水素燃焼器の温度を検出しておく。ここで、排水素燃焼器の温度が所定の温度範囲以外にある場合に、燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することで、燃料電池は要求電力値に応じて発電して水素量を消費することで、排水素燃焼器へ入る水素量を元に戻し、排水素燃焼器の温度が予め定められた範囲を超えることを防止することができる。
【００１９】
また、請求項５記載の本発明によれば、燃料電池の入力側および出力側の水素量を検出しておき、検出された水素量に基づいて、燃料電池での水素利用率を算出し、この水素利用率が所定値を超えた場合に、燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することで、電力制御手段が一方の変換動作から他方の変換動作に移行することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの電力制御装置のシステム構成を示す図である。
【００２１】
図１において、燃料タンク１には、燃料となるメタノールが貯蔵されており、このメタノールは改質器３へ送られ水素ガスを含む改質ガスに改質され、更にスタック７に供給される。同時に、コンプレッサ５は、空気を吸い込んで圧縮してスタック７に供給する。このスタック７は、多数枚からなる燃料電池の集合体であり、流入した水素ガスと空気中の酸素を反応させて電気エネルギーを得る。
【００２２】
なお、スタック７内での反応に使われず残った排水素は、改質器３内の排水素燃焼器（図示せず）に戻されて燃焼され、改質器３内で熱源として利用される。また、スタック７から排空気が車外に排気される。
スタック７から発電される電流は、電力制御部９により電力制御され、充放電可能な例えば２次電池からなる電力貯蔵部１１、インバータや駆動用モータや燃料電池のシステム機器からなる負荷１３に供給される。
【００２３】
システム制御部１５は、装置全体を制御するための制御プログラム及び制御データを記憶するＲＯＭと、制御データや制御フラグ等を常時記憶するＲＡＭと、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って装置全体を制御するＣＰＵとから構成されている。
温度センサ１７は、改質器に設けられている排水素燃焼器の温度を検出してシステム制御部１５に出力する。
【００２４】
図２は、電力制御部９を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ２１の具体的構成を示す図である。
このＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入力側と出力側には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入力電圧Ｖin及び出力電圧Ｖout を検出するための電圧検出部２３，２５が設けられており、電圧検出部２３，２５で検出される出力電圧はシステム制御部１５に出力される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、システム制御部１５から与えられる指令値ＣＮＴ１，ＣＮＴ３に基づいてトランジスタＴｒ１及びＴｒ３をスイッチング動作させ、出力電流を所望の値に制御する。
【００２５】
次に、図３〜図８を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの電力制御装置の動作を説明する。なお、図３は、メイン制御フローを表すフローチャートである。図４は、出力保持判定処理の詳細を表すサブルーチンのフローチャートである。図５は、出力保持解除判定処理の詳細を表すサブルーチンのフローチャートである。図６は、スタックの電流−電圧特性を示すグラフである。図７は、要求電力量が増加する場合のスタック出力電力（ａ）、スタック電圧（ｂ）、排水素量（ｃ）の時間変化の一例を示した図である。図８は、要求電力量が減少する場合のスタック出力電力（ａ）、スタック電圧（ｂ）、排水素量（ｃ）の時間変化の一例を示した図である。
【００２６】
まず、図３において、ステップＳ１０では、スタック７から引き出す電力を要求電力値の変化に関わらず一定値に保持するか否かを判定する。ここで、図４に示すサブルーチンを参照して、出力保持判定処理について詳細に説明する。
【００２７】
図４に移り、まず、ステップＳ１１０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入力電圧及び出力電圧を電圧検出部２３，２５でそれぞれ検出する。
次に、ステップＳ１２０では、検出された入力電圧Ｖin及び出力電圧Ｖout の電圧差に対して絶対値を求め、予め定められた基準値ΔＶ未満かどうかを判定する。すなわち、入出力電圧差が基準範囲（−ΔＶ〜ΔＶ）内にあるかどうかを判定する。
【００２８】
｜Ｖin−Ｖout ｜≦ΔＶ
なお、上述した判断に用いられる基準値ΔＶは、制御系の検出誤差により昇降圧判断を誤る程度の電圧幅より大きく設定することが望ましい。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入出力電圧の大小関係が逆転することが考えられる境界領域に対して、電圧検出部２３，２５による入出力電圧の検出誤差により両者がほぼ等しくなっている時間や、システム制御部１５を構成するＣＰＵ内のＡ／Ｄコンバータが分解能以下となる時間などをサンプリング周期以下となるように設定することが望ましい。
【００２９】
そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入出力電圧差の絶対値が基準値ΔＶ以上の場合には、スタック７から引き出す電力を一定値に保持する必要がないと判断し、保持フラグをセットすることなく、本サブルーチンを終了する。なお、スタック７から引き出す電力指令値は、アクセル開度やブレーキ踏力、負荷となる例えばインバータや駆動用モータ（図示せず）やシステム機器から要求される電力量と、電力貯蔵部１１の充放電可能量を考慮して求められたスタック７に要求される全電力の指令値であり、本実施の形態では、システム制御部１５により算出されることとする。
【００３０】
一方、ステップＳ１３０では、この入出力電圧差の絶対値が基準値ΔＶ未満の場合には、入出力電圧の大小関係がしばらく後に逆転する可能性がある境界領域にあるので、スタック７から引き出す電力指令値を保持するため、保持フラグをセット（１）する。
【００３１】
次に、図３に移り、ステップＳ２０では、保持されている電力指令値を維持すべきか、解除すべきかを判定する。ここで、図５に示すサブルーチンを参照して、出力保持解除判定処理について詳細に説明する。
まず、ステップＳ２１０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の出力電圧Ｖout を電圧検出部２５で検出する。
【００３２】
そして、ステップＳ２２０では、電力指令値の保持を解除した時にスタック７からＤＣ／ＤＣコンバータ２１へ入力される入力電圧、すなわち、スタック７の出力電圧を推定する。具体的には、電力指令値の保持を継続するとともに、元々要求されている電力指令値を監視し、その電力をスタック７から引き出した時の電圧値Ｖin’を図６に示す電流−電圧特性を参照して推定する。
【００３３】
なお、スタック７の電流−電圧特性は、図６に示すように、電流Ｉの増加に伴い電圧Ｖが降下する傾向を示している。図６は、発電に必要な水素及び空気が十分供給されている場合の例である。また、スタック７に供給される水素量や空気量または両者の圧力を用いて、図６に示す電流−電圧特性を補正してもよいが、本発明とは直接関係がないのでその詳細な説明を省略する。
【００３４】
そして、ステップＳ２３０では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の出力電圧Ｖout と、推定した入力電圧Ｖin’との電圧差の絶対値を求め、予め定められた基準値ΔＶ未満かどうかを判定する。
この電圧差が基準値ΔＶ以上の場合には、スタック７から引き出す電力指令値の保持を維持する必要がないと判断し、ステップＳ３００では、保持フラグをクリア（０）する。
【００３５】
一方、入出力電圧差が基準値ΔＶ未満の場合には、まだ電力指令値の保持を解除する必要がないと判定し、ステップＳ２４０に進む。
ステップＳ２４０では、改質器３内の排水素燃焼器（図示せず）に設けられた温度センサ１７により排水素燃焼器の温度Ｔを検出する。
【００３６】
なお、排水素燃焼器は、スタック７で消費されなかった排水素を燃焼して改質器３内の温度を保っており、スタック７で消費される水素量をある一定値で保持し、その結果、スタック７から引き出す電力をある一定値で保持している。
【００３７】
さて、改質器３の応答速度は、スタック７や他の負荷よりも一般的に遅いので出力保持を解除した時点で、スタック７から十分な出力を引き出せるよう、改質器３で発生させる水素量をスタック７で消費される水素量に関わらず、燃料電池システムとして要求される電力に応じて変化させることを考える。この場合、スタック７で消費されない排水素量が、排水素燃焼器で燃焼を予定している所要量と差異が生じることになり、排水素量が過剰な場合、排水素燃焼器の温度Ｔは上昇傾向となり、また、排水素量が不足の場合、温度Ｔは下降気味となる。
【００３８】
そこで、ステップＳ２５０では、温度センサ１７により検出された排水素燃焼器の温度Ｔが、予め定められた下限温度Ｔlow から上限温度Ｔhiまでの範囲を超えるかどうかを判定する。
【００３９】
Ｔlow ≦ Ｔ ≦ Ｔhi
排水素燃焼器の温度Ｔがこの範囲を超えると判定された場合には、ステップＳ３００に進み、電力指令値の保持フラグをクリア（０）し、そして、スタック７は要求電力値に応じて発電して水素量を消費することで、排水素燃焼器へ入る水素量を元に戻し、温度Ｔがこの範囲を超えることを防止する。
【００４０】
図７（ｂ）に示すように、スタック電圧（入力電圧）がバッテリ電圧（出力電圧）に近づいた時間ｔ１で、スタック７から引き出す電流を一定値に制御し始める。この場合、図７（ｂ）に示すように、スタック７で消費される水素量が一定値になり、改質器３は要求電力量に応じて水素を発生するようになるため、排水素量が増加する。さらに、時間ｔ２で保持フラグがクリア（０）されて出力保持が解除され、要求電力量をスタック７から引き出すと、電圧がその電力値に応じて低下し、また水素消費量も増加するので、図７（ｃ）に示すように、排水素量も元に近い値に戻ることになる。
【００４１】
また、図８（ｂ）に示すように、スタック電圧（入力電圧）がバッテリ電圧（出力電圧）に近づいた時間ｔ３で、スタック７から引き出す電流を一定値に制御し始める。この場合、図８（ｂ）に示すように、スタック７で消費される水素量が一定量になり、改質器３は要求電力量に応じて発生水素量を減じるようにするため、排水素量が減少する。さらに、時間ｔ４で保持フラグがクリア（０）されて出力保持が解除され、要求電力量をスタック７から引き出すと、電圧がその電力値に応じて低下し、また水素消費量も減少するので、図８（ｃ）に示すように、排水素量も元に近い値に戻ることになる。
【００４２】
図５に移り、ステップＳ２６０では、要求電力が保持決定後も引き続き同傾向にあるかどうかを判定する。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入出力電圧の大小関係が交差すると予想判定した後に、要求電力値の変化方向が反転し、交差することがなくなるかどうかを推定する。
【００４３】
具体的には、要求電力変化量の時間変化を算出し、今回値と前回値とが同一符号、すなわち、引き続き増加あるいは減少している場合には、スタック電圧もそれぞれ減少傾向または増加傾向が続くと判断し、保持フラグをクリアせずに、スタック７からの電力を保持し続ける。
【００４４】
符号が反転していた場合、スタック７からの電力保持の解除を判断するため、ステップＳ２７０では、保持解除時点でのスタック電圧を推定する。なお、本ステップの内容は上述したステップＳ２２０と同様である。
【００４５】
そして、ステップＳ２８０では、既に入出力電圧が交差したかどうかを判定する。既に交差済みだった場合には再び交差するまで保持を継続する。
そして、入出力電圧の大小関係がまだ交差していないと推定された場合には、次に、ステップＳ２９０へと進み、保持フラグをクリア（０）して解除するかどうかを判定する。すなわち、このステップＳ２８０は、要求電力値の変化方向が反転し、スタック電圧の変化傾向も反転する場合、入出力電圧の大小関係がそのまま変化しないと考えられるため、一度入出力電圧の大小関係が反転してしまっている場合には再度反転し、元の関係に戻るのを待つようにする。
【００４６】
ステップＳ２９０では、出力電圧Ｖout と推定した入力電圧Ｖin’との電圧差の絶対値が予め定められた基準値ΔＶ以内かどうかを判定する。入出力電圧差の絶対値が基準値を超える場合には、ステップＳ３００に進み、出力保持フラグをクリア（０）して解除し、図３に示すメインルーチンに復帰する。
【００４７】
一方、入出力電圧差の絶対値が基準値以下の場合には、そのまま図３に示すメインルーチンに復帰する。
図３に移り、ステップＳ３０では、保持フラグがセット状態（１）かどうかを判定し、保持フラグが（１）の場合にはステップＳ４０に進み、出力保持制御を行い、入出力電圧の大小関係が元に戻るのを待つ。
【００４８】
一方、保持フラグがセット状態（１）ではない場合にはステップＳ５０に進み、通常制御を行い、処理を終了する。すなわち、通常制御としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入出力側に設けられた電圧検出部２３，２５で検出される入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖout を比較する。
【００４９】
Ｖin ＜Ｖout
となり、入力電圧Ｖinの方が出力電圧Ｖout より低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に昇圧動作を行せるため、ＣＮＴ１によりトランジスタＴｒ１をＯＮ制御した状態で、所望の電流Ｉが流れるように、あるデューティ比の矩形波からなるＣＮＴ３をトランジスタＴｒ３に出力してスイッチング動作させる。この結果、トランジスタＴｒ３がＯＮ制御時に、スタック７から入力される電力がインダクタＬ１に充電され、トランジスタＴｒ３がＯＦＦ制御時に、インダクタＬ１から電力が放電されてコンデンサＣ３の端子間電圧に加わり昇圧される。
【００５０】
一方、入力電圧Ｖinと出力電圧Ｖout を比較して、Ｖin ＞Ｖoutとなり、入力電圧Ｖinの方が出力電圧Ｖout より高い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に降圧動作を行せるため、まず、ＣＮＴ３によりトランジスタＴｒ３をＯＦＦ制御し、所望の電流Ｉが流れるように、あるデューティ比の矩形波からなるＣＮＴ１をトランジスタＴｒ１に出力してスイッチング動作させる。この結果、トランジスタＴｒ１がＯＮ制御時に、スタック７から入力される電力がインダクタＬ１、ダイオードＤ３を介してコンデンサＣ３に充電され、トランジスタＴｒ１がＯＦＦ制御時に、コンデンサＣ３から電力が放電されてコンデンサＣ３の端子間電圧が降圧される。
【００５１】
第１の実施の形態に関する効果は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入力側および出力側の入力電圧および出力電圧を電圧検出部２３，２５で検出するようにしておき、検出された入力電圧と出力電圧との電圧差が所定の範囲内にある場合に、スタック７の出力電圧を一定値に固定するように制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が昇圧変換と降圧変換との切替領域で動作しているときでも一方の変換動作により出力電圧を固定することができる。この結果、切替制御の判断情報となる入出力電圧やスタック電流等の検出誤差によって、適切な切替制御が阻害されることを防止でき、十分な運転性能を引き出すことができる。
【００５２】
また、スタック７の出力電流を一定値になるように制御することで、スタック７の出力電圧を一定値に固定することができる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、スタック７の出力電圧を一定値に固定した後に、スタック７に所望される出力としたときの出力電圧を推定し、この推定出力電圧とＤＣ／ＤＣコンバータ２１の出力電圧値との電圧差が所定値以上の場合には、スタック７の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が一方の変換動作から他方の変換動作に移行することができる。
【００５３】
また、改質器３に設けられスタック７から排出される排水素を排水素燃焼器で燃焼するようにしておき、排水素燃焼器の温度を温度センサ１７で検出しておく。ここで、排水素燃焼器の温度が所定の温度範囲以外にある場合に、スタック７の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することで、スタック７は要求電力値に応じて発電して水素量を消費することで、排水素燃焼器へ入る水素量を元に戻し、排水素燃焼器の温度が予め定められた範囲を超えることを防止することができる。
【００５４】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの電力制御装置は、図１に示す第１の実施の形態に対応する燃料電池システムの電力制御装置と同様の基本的構成を有しており、その説明を省略することとする。
【００５５】
次に、図９に示す出力保持解除判定処理に関するサブルーチンのフローチャートに従って電力制御装置の制御動作の一部を説明する。なお、図９に示す制御フローチャートは、図５に示す制御フローチャートと同様の基本的手順を有しており、同一の手順には同一の符号を付している。また、図９に示す制御フローチャートも、システム制御部１５の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
【００５６】
図８（ａ）に示すように、要求電力値が減少傾向にある時に、スタック７からの出力を保持する場合、スタック７からの排水素量が減少する。これは改質器３で改質された水素が要求電力量に応じて減じる一方で、スタック７の出力電力をある一定値に保持するため、スタック７に供給される水素に対し電力に変換された割合、すなわち、消費した水素の割合（以下、水素利用率という）が増加することによる。
【００５７】
この水素利用率がある限度を超えると、スタック７を構成するセル全てに均等に水素の圧力や量が配分されないなどの理由により、スタック７の出力電圧が低下するなどの電圧特性が低下してしまう場合が考えられる。
【００５８】
そこで、第２の実施の形態の特徴は、この水素利用率が限度を超えて上昇することを防止する点にある。
詳しくは、図９において、ステップＳ２５３では、水素利用率Ｓｒを算出する。すなわち、図１に示す改質器３からスタック７に供給される水素経路、スタック７から排出される排水素の水素経路にそれぞれ水素流量計（図示せず）を設け、両検出値の流量差から利用率Ｓｒを算出する。
【００５９】
そして、ステップＳ２５５では、算出された水素利用率Ｓｒが予め定められた基準値Ｓｒ’を超えたかどうかを判断する。ここで、水素利用率Ｓｒが予め定められた基準値Ｓｒ’を超えた場合には、ステップＳ３００に進み、スタック７の出力保持フラグをクリア（０）して解除する。
【００６０】
一方、水素利用率Ｓｒが予め定められた基準値Ｓｒ’を超えてなければ出力保持フラグはセット状態（１）に継続して保持される。
なお、ステップＳ２５３，Ｓ２５５に代わって、スタック７の出力電圧の変化を検出して水素利用率が限度を超えて上昇したことを推定してもよい。これはスタック７の出力電流を一定値に維持している場合で、十分な水素量がスタック７に供給されているときに、スタック７の出力電圧も一定値に維持されているので、改質器３から供給される水素量が相対的に減少すると、スタック７の出力電圧が低下するなどの電圧特性が変化することを利用するものである。
【００６１】
スタック７の出力保持中にスタックの出力電圧、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の入力電圧Ｖinの変化を検出し、予め定められた値以上の低下幅を検出した場合、水素利用率Ｓｒがある限度を超えて上昇したと判断する。
なお、ステップＳ２５３＆Ｓ２５５において、水素利用率Ｓｒが予め定められた基準値Ｓｒ’を超えたと判断した場合に、スタック７の出力保持フラグをクリア（０）して解除するように選択しているが、改質器３からスタック７に供給される水素量をその時点での水素量に維持してもよい。
【００６２】
具体的には、スタック７の出力保持を解除するときの判断に用いる水素利用率Ｓｒより小さい閾値Ｓｒ”を別途に設定しておき、水素利用率Ｓｒがこの閾値を超えたと判断したときに、改質器３を要求電力値に応じて制御するのを一旦停止し、その時点での水素生成量で改質器３の運転を継続する。これにより水素利用率Ｓｒを前記閾値Ｓｒ”前後の値に保つことが可能となり、スタック７の出力保持を継続することができる。
【００６３】
スタック７の出力電圧で水素利用率Ｓｒを推定する場合は、スタック出力保持解除を判断するための電圧の変化幅より小さい電圧変化幅の閾値を別途設定し、この閾値を超えた時点の水素生成量を保つことで表現される。この場合の改質器３の制御は、スタック７の出力保持が解除された時点で、生成量の目標値をシステムから求まる要求電力値に応じた値に戻すのが適当である。
【００６４】
第２の実施の形態に関する効果は、第１の実施の形態に関する効果に加えて、スタック７の入力側および出力側の水素量を検出しておき、検出された水素量に基づいて、スタック７での水素利用率を算出し、この水素利用率が所定値を超えた場合に、スタック７の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１が一方の変換動作から他方の変換動作に移行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムの電力制御装置のシステム構成を示す図である。
【図２】電力制御部９を構成するＤＣ／ＤＣコンバータ２１の具体的構成を示す図である。
【図３】メイン制御フローを表すフローチャートである。
【図４】出力保持判定処理の詳細を表すサブルーチンのフローチャートである。
【図５】出力保持解除判定処理の詳細を表すサブルーチンのフローチャートである。
【図６】スタックの電流−電圧特性を示すグラフである。
【図７】要求電力量が増加する場合のスタック出力電力（ａ）、スタック電圧（ｂ）、排水素量（ｃ）の時間変化の一例を示した図である。
【図８】要求電力量が減少する場合のスタック出力電力（ａ）、スタック電圧（ｂ）、排水素量（ｃ）の時間変化の一例を示した図である。
【図９】出力保持解除判定処理の詳細を表すサブルーチンのフローチャートである。
【図１０】従来のＤＣ／ＤＣコンバータの具体的構成を示す図である。
【図１１】従来のＤＣ／ＤＣコンバータを構成するトランジスタＴｒ１０１，Ｔｒ１０３のベースに加える制御信号のデューティ比と昇降圧比との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１燃料タンク
３改質器
５コンプレッサ
７スタック
９電力制御部
１１電力貯蔵部
１３負荷
１５システム制御部
１７温度センサ
２１ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３，２５電圧検出部

Claims

燃料電池車両に搭載される燃料電池システムの出力制御装置であって、
燃料を改質して水素を含む改質ガスを生成する改質器と、
空気を圧縮する圧縮器と、
改質器から供給される改質ガスと圧縮器から供給される空気とを用いて発電する燃料電池と、
燃料電池から出力される電力を要求指令に応じて昇圧変換または降圧変換する電力制御手段と、
電力制御手段から出力される電力を貯蔵する電力貯蔵手段と、
電力貯蔵手段と並列に接続され、電力制御手段から出力される電力を運転状況に応じて消費する負荷とを備え、
前記電力制御手段の入力側および出力側の入力電圧および出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する機能、及び前記燃料電池の出力電圧の固定を解除する機能を有した固定制御手段と、を備え、
前記固定制御手段は、前記電圧検出手段により検出された入力電圧と出力電圧との電圧差を算出する算出手段と、算出手段により算出された電圧差が所定の範囲内にある場合に、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する
ことを特徴とする燃料電池システムの出力制御装置。
前記固定制御手段は、
前記燃料電池の出力電流を一定値になるように制御す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出力制御装置。
前記電力制御手段は、
前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定した後に、前記燃料電池に所望される出力としたときの出力電圧を推定する電圧推定手段と、
電圧推定手段により推定された推定出力電圧と、
前記電力制御手段の出力電圧値との電圧差を算出する電圧差算出手段とを備え、
電圧差算出手段により算出される電圧差が所定値以上の場合には、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除す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出力制御装置。
前記改質器に設けられ燃料電池から排出される水素を燃焼する排水素燃焼器と、
排水素燃焼器の温度を検出する温度検出手段とを備え、
前記固定制御手段は、
前記排水素燃焼器の温度が所定の温度範囲以外にある場合に、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除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出力制御装置。
前記燃料電池の入力側および出力側の水素量を検出する水素量検出手段と、
水素量検出手段により検出された入力側および出力側の水素量に基づいて、前記燃料電池での水素利用率を算出する水素利用率算出手段を備え、
前記固定制御手段は、
前記水素利用率算出手段により算出された水素利用率が所定値を超えた場合に、前記燃料電池の出力電圧を一定値に固定する制御を解除することを特徴とする請求項１または請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムの出力制御装置。