JP4138616B2

JP4138616B2 - 燃料電池発電システム

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Publication number: JP4138616B2
Application number: JP2003317189A
Authority: JP
Inventors: 英彦高瀬; 浩司為乗; 尚彦沖; 浅雄上野臺; 直之円城寺
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005085623A

Description

本発明は、燃料電池とキャパシタとを並列に接続して構成され、電気負荷に対する燃料電池の電力供給が不足する状態となったときに、キャパシタの放電電流により電力供給をアシストする燃料電池発電システムに関する。

従来より、燃料電池とキャパシタとを並列に接続して構成されたハイブリッド型の燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる燃料電池発電システムによれば、燃料電池及びキャパシタと接続される電気負荷からの要求電力に応じて、燃料電池に供給される反応ガス（燃料となる水素等の還元性ガス及び／又は該還元性ガスと反応させて電子を取出すための空気等の酸化性ガス）の供給量が制御される。

そして、電気負荷からの要求電力が急激に増加して、反応ガスの供給量の増加に対する燃料電池の発電量の応答遅れから、該要求電力に対して燃料電池からの電力供給が不足する状態となったときに、キャパシタの放電電流により電力供給の不足分をアシストするようにしている。

しかし、キャパシタの充電状態によっては、電気負荷の要求電力に対して燃料電池からの電力供給が不足する状態となったときに、キャパシタから放電することができず、電気負荷に対する電力供給の不足を解消することができない場合があった。
特開２００２−３０５０１１号公報

本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、燃料電池から電気負荷に供給される電力が不足する状況となったときに、キャパシタの放電電流による電力供給のアシストが不能となることを抑制した燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、燃料電池と、該燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、該反応ガス供給手段により前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量を調節する反応ガス供給量調節手段と、電気負荷からの要求電力に応じた電流が前記燃料電池から供給されるように前記反応ガス供給量調節手段を制御する燃料電池制御手段とを備えた燃料電池発電システムの改良に関する。

前記燃料電池発電システムにおいては、前記燃料電池の出力電圧と前記キャパシタの開回路電圧との相対的な高低関係によって、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給のアシストが可能か否かが決まる。すなわち、前記燃料電池の出力電圧が前記キャパシタの開回路電圧よりも低いときは、高電位側の前記キャパシタから低電位側の前記燃料電池の出力部に対して放電されるため、放電電流による電力供給のアシストが可能となる。一方、前記燃料電池の出力電圧が前記キャパシタの開回路電圧よりも高いときには、低電位側の前記キャパシタから高電位側の前記燃料電池に電流は流れないため、放電電流による電力供給のアシストが不能となる。

そこで、本発明は、前記燃料電池と前記キャパシタとの間に、入力側を燃料電池の出力端子に接続すると共に出力側をキャパシタの入出力端子と接続して設けられた出力電圧可変型のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記キャパシタの開回路電圧を把握する開回路電圧把握手段と、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助が必要であるか否かを判断する電力供給補助判断手段と、該電力供給補助判断手段により、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助が必要であると判断されたときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記キャパシタの開回路電圧よりも低くなるように制御する出力電圧制御手段とを備えたことを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記燃料電池と前記キャパシタとの間に設けられた前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより、前記キャパシタの端子間電圧を調節できるようにしている。そして、前記電力供給補助判断手段により前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助が必要であると判断されたときに、前記出力電圧制御手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧（＝前記キャパシタの端子間電圧）を前記キャパシタの開回路電圧よりも低くなるように制御する。これにより、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助が必要となったときに、確実に前記キャパシタからの放電電流の供給が可能な状態にすることができる。

また、前記燃料電池が前記要求電力に応じた電力を出力する状態となったときの前記燃料電池の出力電圧を推定する燃料電池電圧推定手段と、前記燃料電池が前記要求電力に応じた電力を出力する状態となったときの前記キャパシタの開回路電圧を推定する開回路電圧推定手段とを有し、前記電流補助判断手段は、前記燃料電池電圧推定手段により推定された前記燃料電池の出力電圧が、前記開回路電圧推定手段により推定された前記キャパシタの開回路電圧以上であるときに、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する供給電流の補助が必要であると判断することを特徴とする。

かかる本発明において、前記燃料電池電圧推定手段により推定される前記燃料電池の出力電圧が、前記開回路電圧推定手段により推定される前記キャパシタの開回路電圧以上であるときは、電気負荷からの要求電力が増加して前記燃料電池の出力電圧が該要求電力に応じた電圧に向かって低下して行く過程において、前記キャパシタの開回路電圧が前記燃料電池の出力電圧以上となることがない。そのため、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助を行うことができない。そこで、この場合は、前記電力供給補助判断手段により前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電流供給が必要であると判断し、前記出力電圧制御手段により前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記キャパシタの開回路電圧よりも低くなるように制御することによって、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助が可能な状態とすることができる。

一方、前記燃料電池電圧推定手段により推定される前記燃料電池の出力電圧が、前記開回路電圧推定手段により推定される前記キャパシタの開回路電圧よりも低いときには、前記燃料電池の出力電圧が電気負荷からの要求電力に応じた電圧に向かって低下して行く途中で、前記燃料電池の出力電圧が前記キャパシタの開回路電圧よりも低くなる。そのため、前記出力制御手段による前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力制御を行なわなくとも、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電流供給の補助が可能である。そこで、この場合には、前記電流補助手段により前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電流供給が必要でないと判断し、前記出力電圧制御手段による前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧の制御を禁止することにより、前記キャパシタの放電電流が過剰となって前記キャパシタの端子間電圧の低下幅が大きくなることを抑制する。これにより、前記燃料電池の出力電圧を速やかに前記キャパシタの端子間電圧まで低下させて、前記燃料電池と前記キャパシタとを前記ＤＣ／ＤＣコンバータにおける損失が少ない直結状態とすることができる。

本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照して説明する。図１は本発明の燃料電池発電システムの全体構成図、図２は図１に示した電源管理制御部の制御ブロック図、図３はキャパシタの放電電流による電力供給のアシスト処理のフローチャート、図４，図５は目標出力電流に対応した燃料電池の出力電圧及びキャパシタの開回路電圧の推定方法を説明するためのグラフ、図６は燃料電池及びキャパシタの出力電圧の推移を示したグラフである。

図１を参照して、本発明の燃料電池発電システムは、車両に搭載されて該車両の駆動用電源として機能する。燃料電池発電システム１は、水素と空気を反応ガスとした電気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池２と、電気二重層キャパシタ３（以下、単にキャパシタ３という）とを並列に接続して構成されたハイブリッド型の発電システムであり、その出力電力が、マイクロコンピュータ、メモリ等により構成されたコントローラ４によって制御される。

燃料電池発電システム１の出力電力は、モータ駆動装置５、空調機器６、１２Ｖ出力のＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して１２Ｖ系の車載負荷８等の電気負荷に供給される。モータ駆動装置５は、コントローラ４に備えられた駆動制御部９から出力されるトルク指令値（TRQ_CMD）に応じて、モータ１０の電機子に流れる電流を制御する。そして、モータ１０の駆動力はトランスミッション１１を介して駆動輪１２に伝達される。

駆動制御部９は、アクセルペダル１３の踏込み量（Ap)とモータ１０の回転数（Nm)に基づいて、モータ駆動装置５で必要となる電力であるモータ要求電力（PD_REQ）の指示信号を電源管理制御部１４に出力する。

また、電源管理制御部１４には、モータ１０以外の電装補機で消費される電力を把握するために、負荷センサ１５により検出される負荷電流（I_load）と負荷電圧（V_load）の検出信号が入力され、これらの検出信号により、電源管理制御１４は、モータ１０以外の電装補機で消費される電力を把握する。

そして、電源管理制御部１４は、燃料電池制御部１６から出力される燃料電池２から供給可能な電流の上限値である出力上限電流（Ifc_LMT）と、キャパシタ３を構成するキャパシタセル（図示しない）の個々の状態（出力電圧や温度）等を考慮した上で、モータ要求電力（PD_REQ）とモータ１０以外の電装補機で消費される電力との合計電力に応じて、燃料電池２から出力される電流の目標値である目標出力電流（Ifc_CMD）を決定し、該目標出力電流（Ifc_CMD）を指示する信号を燃料電池制御部１６に出力する。また、電源管理制御部１４は、駆動制御部９に対して、燃料電池２から供給可能な電力の上限値である出力制限電力（PLD）を通知する信号を出力する。

なお、燃料電池制御部１６には、反応ガスセンサ２０から出力される燃料電池２に供給される反応ガス（水素及び空気）の圧力（Pgas）、流量（Qgas）、及び温度（Tgas）の各検出信号と、燃料電池２のスタック（図示しない）の個々の状態（Vcell_indiv）の検出信号とが入力され、燃料電池制御部１６は、これらの検出信号から把握される燃料電池２の状態を考慮して出力上限電流（Ifc_CMD）を決定する。

また、駆動制御部９は、電源管理制御部１４から通知された出力制限電力（PLD）を超えないように、モータ駆動装置５に対してトルク指令（TRQ_CMD)の指示信号を出力し、モータ駆動装置５は、モータ１０が該トルク指令（TRQ_CMD）に応じたトルクを発生するように、モータ１０の電機子電流を制御する。

また、燃料電池制御部１６は、燃料電池２から目標出力電流（Ifc_CMD）の電流が出力されるように、反応ガス供給装置２１（本発明の反応ガス供給手段及び反応ガス供給量調節手段の機能を含む）に対して、燃料電池２に供給する反応ガスの目標供給量（CMP_CMD)を指示する信号を出力する。これにより、目標出力電流（Ifc_CMD）に応じた流量の空気と水素が燃料電池２に供給される。

そして、反応ガス供給装置２１から供給される水素は、イジェクタ（図示しない）及び加湿器（図示しない）を経由して燃料電池２の水素極に供給され、空気極に供給される空気中の酸素と電気化学反応を生じて水となり、排出弁２２を介して排出される。ここで、排出弁２２の開度は、空気及び水素の供給圧に応じて燃料電池２内部の圧力勾配が一定に保たれるように、燃料電池制御部１６からの制御信号（VLV_CMD）により制御される。

また、燃料電池２には、水冷式の冷却器（図示しない）が備えられ、燃料電池制御部１６は、該冷却器の入水温度と出水温度に応じて該冷却器に供給される冷却水の流量と温度を制御する。

また、燃料電池電源装置１には、キャパシタ３の充放電電流（Ｉcap）と端子電圧（Ｖcap）を検出するキャパシタセンサ３１が備えられ、該キャパシタセンサ３１の検出信号も電源管理制御部１４に入力される。

さらに、燃料電池電源装置１には、入力側が燃料電池２の出力端子と接続され、出力側がキャパシタ３の出力端子と接続された電圧変換ユニット３０が備えられている。電圧変換ユニット３０は、燃料電池２の出力電圧を所定電圧に変換して出力する出力電圧可変型のＤＣ／ＤＣコンバータの機能（本発明のＤＣ／ＤＣコンバータに相当する）と、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）と出力電圧（Ｖfc）を検出する機能とを有している。そして、電圧変換ユニット３０は、電源管理制御部１４から出力される電圧設定信号（VCU_CMD）に応じた電圧を出力する。

以上説明した構成により、モータ要求電力（PD_REQ）と負荷電流（Ｉload）及び負荷電圧（Ｖload）により算出される電装補機の消費電力とに応じて決定される目標出力電流（Ｉfc_CMD）に応じた電流が燃料電池２から出力されるように、燃料電池２に対する反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）が制御される。

しかし、目標出力電流（Ifc_CMD）が増加したときに、それに応じて反応ガスの目標供給量（CMP_CMD）が変更されて燃料電池２の出力電流（Ifc）が実際に目標出力電流（Ifc_CMD）に達するまでには、ある程度の応答遅れが生じる。そして、かかる応答遅れが生じたときに、キャパシタ３の放電電流により電気負荷に対する電力供給をアシストすることができれば、目標出力電流（Ifc_CMD）に対する供給電流の不足が生じることを抑制することができる。

ここで、図２に示したように、キャパシタ３は、内部抵抗が０で開回路電圧がＶcoのキャパシタ４０と内部抵抗４１とを直列に接続した等価回路で表すことができる。そして、キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）がキャパシタ４０の開回路電圧（＝キャパシタ３の開回路電圧，Ｖco）よりも低いとき（Ｖcap＜Ｖco）は、キャパシタ４０から端子４２に向かって放電電流（Ｉcap_out）が流れるため、電力供給のアシストが可能である。

一方、キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）がキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）よりも高いとき（Ｖcap＞Ｖco）には、端子４２からキャパシタ４０に向かって充電電流（Ｉcap_in）が流れるため、電力供給のアシストが不能となる。

そこで、キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）がキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）よりも高い状態にあるときに、キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）を低下させて、キャパシタ３の放電電流による電力供給のアシストを可能とする「強制電力アシスト処理」を実行するため、電源管理制御部１４には、キャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）を把握する開回路電圧把握手段５０と、モータ要求電力（PD_REQ）及びモータ１０以外の電装補機の消費電力（負荷電流（Ｉ_load）と負荷電圧（Ｖ_load）により算出される）とにより決定される要求電力（Ｌreq）を出力するときの燃料電池２の出力電圧（Ｖfc_e）を推定する燃料電池電圧推定手段５１と、燃料電池２が要求電力（Ｌreq）を出力するときのキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco_e）を推定する開回路電圧推定手段５２と、「強制電力アシスト処理」の実行が必要であるか否かを判断する電力供給補助判断手段５３と、「強制電力アシスト処理」の実行が可能となるように電圧変換ユニット３０の出力電圧（＝キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap））を制御する出力電圧制御手段５４とが備えられている。

以下、図３に示したフローチャートに従って、「強制電力アシスト処理」の実行手順について説明する。図３のＳＴＥＰ１は開回路電圧把握手段５０による処理であり、開回路電圧把握手段５０は、以下の式（１）によりキャパシタセンサ３１により検出されるキャパシタ３の入出力電流（Ｉcap）を積算し、以下の式（２）によりキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）を算出する。

Ｑ＝ ∫Ｉcap dt ・・・・・（１）
Ｖco ＝Ｑ／Ｃ・・・・・（２）
但し、Ｑ：キャパシタ３の充電電荷量、Ｉcap：キャパシタ３の入出力電流の検出値、Ｃ：キャパシタ３の容量、Ｖco：キャパシタ３の開回路電圧。

なお、例えばアイドリング状態やクルーズ状態において、キャパシタ３の入出力電流（Ｉcap）がゼロとなったときに、キャパシタセンサ３１により検出されるキャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap，この場合はキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）と等しくなる）により、上記式（２）により算出したキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）を補正してもよい。

次のＳＴＥＰ２及びＳＴＥＰ３は電力供給補助判断手段５３による処理であり、ＳＴＥＰ３でキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）が予め定められた下限電圧（Ｖco_low）よりも低く、キャパシタ３の充電電荷量が放電電流による電力供給のアシストを行うためには不十分であるときは、電力供給補助判断手段５３は、「強制電力供給アシスト処理」の実行は不要であると判断する。

そして、ＳＴＥＰ２０に分岐し、電力供給補助判断手段５３は、ＳＴＥＰ２０で「強制電力アシスト処理」の禁止を指示するために、強制アシストフラグ（As_Flag）をリセット（As_Flag＝０）し、ＳＴＥＰ１０に進んで処理を終了する。

また、ＳＴＥＰ３で燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）がキャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）と等しく（Ｖfc＝Ｖcap）、燃料電池２とキャパシタ３とが直結状態であるときは、電圧変換ユニット３０における損失が少なくなる。そのため、この場合も、電力供給補助判断手段５３は、直結状態を維持するために「強制電力供給アシスト処理」の実行は不要であると判断する。そして、ＳＴＥＰ２０に分岐して、電力供給補助判断手段５３は、強制アシストフラグ（As_Flag）をリセット（As_Flag＝０）し、ＳＴＥＰ１０に進んで処理を終了する。

一方、ＳＴＥＰ２でキャパシタ３の開放電圧（Ｖco）が下限電圧（Ｖco_low）以上であり、且つ、ＳＴＥＰ３で燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）とキャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）とが等しくないときには、ＳＴＥＰ４に進む。

ＳＴＥＰ４は燃料電池電圧推定手段５１による処理であり、燃料電池電圧推定手段５１は、先ず、図４（ａ）に示した「Ｌreq／Ｖfc ＭＡＰ」に今回の要求電力（Ｌreq_1）を適用して、該要求電力（Ｌreq_1）に対応した燃料電池２の出力電圧（Ｖfc_1）を求める。なお、「Ｌreq／Ｖfc ＭＡＰ」は、燃料電池２の出力電流密度の増加率（ｄｉfc／ｄｔ、ｉfc＝Ｉfc／Ｃ，ｉfc：電流密度(A/cm²)，Ｃ：燃料電池のセル面積(cm²)）の制限値や車速、アクセルペダル１３の操作量等に選択パラメータに応じた複数種類の相関データ（図４（ａ）ではａ１，ａ２，ａ３）を有しており、燃料電池電圧推定手段５１は、これらの選択パラメータに応じて使用する相関データを選択する。

次に、燃料電池電圧推定手段５１は、図５（ｂ）に示した「Ｉfc／Ｖfc ＭＡＰ」（燃料電池の出力電流／電圧特性グラフ）に、出力電圧（Ｖfc_1）を適用して、出力電圧（Ｖfc_1）に対応した出力電流（Ｉfc_1）を取得する。そして、燃料電池電圧推定手段５１は、出力電圧（Ｖfc_1）と出力電流（Ｉfc_1）とを乗じた出力電力（Ｌfc_1，Ｌfc_1＝Ｖfc_1×Ｉfc_1）を、図５（ｃ）に示した「Ｌfc／Ｖfc ＭＡＰ」に適用して、出力電力（Ｌfc_1）に対応した出力電圧（Ｖfc_e）を、燃料電池２から要求電力（Ｌfc_1）が出力されるときの燃料電池２の出力電圧の推定値として取得する。

なお、図４（a）に示した「Ｌreq／Ｖfc ＭＡＰ」、図４（ｂ）に示した「Ｉfc／Ｖfc ＭＡＰ」、及び図４（ｃ）に示した「Ｌfc／Ｖfc ＭＡＰ」のデータは、予めメモリに記憶されている。

続くＳＴＥＰ５は開回路電圧推定手段５２による処理であり、開回路電圧推定手段５２は、図５（ａ）に示した燃料電池２の出力電力（Ｌfc）の時系列グラフから、燃料電池２から目標電力（Ｌreq）に応じた電力が出力されるまでに要する時間（Δｔ）を求める。図５（ａ）において、ｔ₁₀〜ｔ₁₁は、車両がアイドリング状態等であって要求電力（Ｌreq）が小さい状態である。そして、ｔ₁₁で要求電力（Ｌreq）が増大し、燃料電池２自体や反応ガス供給装置２１の応答遅れによる無駄時間（ｔd）が経過したｔ₁₂から、燃料電池２の出力電力（Ｌfc）が、燃料電池２の出力電流の増加率（ｄＩfc／ｄｔ）の制限値に応じた直線ｂに沿って増加する。

燃料電池２の出力電力（Ｌfc）が要求出力（Ｌreq）に応じたレベル（Ｌfc_1）に達したときにキャパシタ３に要求される出力電力（Ｌcap_1）は、以下の式（３）で算出される。

Ｌcap_1 ＝Ｌreq − Ｌfc_1 ・・・・・（３）
また、ｔ₁₁〜ｔ₁₃の期間中（Δｔ）にキャパシタ３から出力される電力の総量は、以下の式（４）で算出される。

Ｅcap ＝Ｌcap_1・Δｔ／２・・・・・（４）
但し、Ｅcap：Δｔにおけるキャパシタ３の出力電力の総量。

これにより、以下の式（５），式（６）によって、ｔ₁₁〜ｔ₁₃までの期間（Δｔ）におけるキャパシタ３の開放電圧の低下幅（ΔＶco）を算出することができる。

ΔＱ＝Ｅcap／Ｖcap ・・・・・（５）
ΔＶco ＝ ΔＱ／Ｃ・・・・・（６）
但し、ΔＱ：Δｔにおけるキャパシタ３の放電電流の総量、Ｖcap：キャパシタ３の端子間電圧、ΔＶco：Δｔにおけるキャパシタ３の開回路電圧の低下幅。

そして、開回路電圧推定手段５２は、以下の式（７）により、燃料電池２から要求電力（Ｌreq）に対応した電力が出力されているときのキャパシタ３の開回路電圧の推定値（Ｖco_e）を算出する。

Ｖco_e ＝Ｖco − ΔＶco ・・・・・（７）
なお、上述した式（３）〜式（７）の演算によりキャパシタ３の開回路電圧の推定値（Ｖco_e）を算出する方法の他に、図５（ｂ）に示したように、要求電力（Ｌreq）が増加したときのキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）の初期値や燃料電池２の出力電流の増加率（ｄＩfc／ｄｔ）の制限値に応じた複数種類のデータ（図５（ｂ）ではｃ1，ｃ2，ｃ3）を有する「Ｌreq／ΔＶco ＭＡＰ」を予めメモリに記憶し、該「Ｌreq／ΔＶco ＭＡＰ」に増加した要求電力（Ｌreq_1）を適用して、Δｔにおけるキャパシタ３の開回路電圧の低下分（ΔＶco_1）を求めるようにしてもよい。

続くＳＴＥＰ６〜ＳＴＥＰ７及びＳＴＥＰ３０は、電力供給補助判断手段５３による処理である。ＳＴＥＰ６において、電流補助判断手段５３は、要求電力（Ｌreq）に応じた燃料電池２の出力電圧の推定値（Ｖfc_e）とキャパシタ３の開回路電圧の推定値（Ｖco_e）とを比較する。

ここで、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、要求電力（Ｌreq）が増大したときの燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）と、キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）及び開回路電圧（Ｖco）の変化を示したグラフであり、縦軸が電圧（Ｖ）に設定され、横軸が時間（ｔ）に設定されている。

図６（ａ）のグラフでは、ｔ₂₁で要求電力（Ｌreq）が増大し、該要求電力（Ｌreq）に応じた推定電圧（Ｖfc_e）が、該要求電力（Ｌreq）に応じたキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco_e）よりも低くなっている（Ｖfc_e＜Ｖco_e）。この場合は、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）が推定電圧（Ｖfc_e）に向かって低下している期間（Δｔ）の途中のｔ₂₂で、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）がキャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）と等しくなって、燃料電池２とキャパシタ３が直結状態となる。

そして、ｔ₂₂以降、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）（＝キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap））がキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）よりも低くなるため、キャパシタ３の放電電力による電力供給のアシストが可能である。そして、燃料電池２とキャパシタ３が非直結状態である期間（ｔ₂₁〜ｔ₂₂）が相対的に短いため、非直結状態で「強制電流アシスト処理」を行うよりも、電圧変換ユニット３０における損失が大きくなる非直結状態から、該非直結状態よりも電圧変換ユニット３０における損失が小さくなる直結状態に速やかに移行させるほうが有効と考えられる。

次に、図６（ｂ）のグラフでは、ｔ₃₁で要求電力（Ｌreq）が増加し、該要求出力（Ｌreq）に応じた燃料電池２の出力電圧の推定値（Ｖfc_e）が、該要求電力（Ｌreq）に応じたキャパシタ３の開回路電圧の推定値（Ｖco_e）以上となっている（Ｖfc_e≧Ｖco_e）。そして、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）が推定値（Ｖfc_e）に向かって低下していく期間（Δｔ）の途中のｔ₃₂で、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）がキャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）と等しくなって、燃料電池２とキャパシタ３が直結状態となる。

しかし、ｔ₃₂以降、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）（＝キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap））がキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）よりも低くなることはないため、キャパシタ３の放電電流による電力供給のアシストは不能となる。そして、この場合は、Δｔの間、要求電力（Ｌreq）に対して燃料電池２からの電力供給が不足する状態が継続される。

そこで、この場合は、図６（ｃ）に示したように、要求電力（Ｌreq）が増加したｔ₄₁から、「強制電力アシスト処理」を行って、キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap）がキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）よりも低くなるように制御し、キャパシタ３の放電電流による電力供給の補助を可能とすることによって、要求電力（Ｌreq）に対して電力供給が不足する状態となることを抑制することができる。

そこで、電力供給補助判断手段５３は、ＳＴＥＰ６で、要求電力（Ｌreq）に応じた燃料電池２の出力電圧の推定値（Ｖfc_e）が、要求電力（Ｌreq）に応じたキャパシタ３の開回路電圧の推定値（Ｖcap_e）以上であるとき（図６（ｂ）に示した状態）は、「強制電力アシスト処理」の実行が必要であると判断する。そして、ＳＴＥＰ７に進んで、電力供給補助判断手段５３は、「強制電力アシスト処理」の実行を指示するために、強制アシストフラグ（As_Flag）をセットする（As_Flag＝１）。

一方、ＳＴＥＰ６で、要求電力（Ｌreq）に応じた燃料電池２の出力電圧の推定値（Ｖfc_e）が、要求電力（Ｌreq）に応じたキャパシタ３の開回路電圧の推定値（Ｖcap_e）よりも低いとき（図６（ａ）に示した状態）には、電力供給補助判断手段５３は、「強制電力アシスト処理」の実行が必要でないと判断する。そして、ＳＴＥＰ３０に分岐して、電力供給補助判断手段５３は、「強制電力アシスト処理」の実行を禁止するために、強制アシストフラグ（As_Flag）をリセットする（As_Flag＝０）。

続くＳＴＥＰ８〜ＳＴＥＰ９及びＳＴＥＰ４０は出力電圧制御手段５４による処理であり、ＳＴＥＰ８で強制アシストフラグがセットされていたとき（As_Flag＝１）は、ＳＴＥＰ９に進み、出力電圧制御手段５４は、電圧変換ユニット３０に対する電圧設定信号（VCU_CMD）をキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）よりも所定値（α）低い電圧を指示するものとする。これにより、電圧変換ユニット３０の出力電圧（＝キャパシタ３の端子間電圧（Ｖcap））が、キャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）よりも低くなり、「強制電力アシスト処理」が実行される。

一方、ＳＴＥＰ８で強制アシストフラグがリセットされていたとき（As_Flag＝０）には、ＳＴＥＰ４０に分岐し、出力電力制御手段５４は、電圧変換ユニット３０に対する電圧設定信号（VCU_CMD）をキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）を指示するものとする。これにより、電圧変換ユニット３０の出力電圧（＝キャパシタの端子間電圧（Ｖcap））が、キャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）と等しくなるように制御され、「強制電力アシスト処理」が禁止されると共にキャパシタ３への充電電流の流入が禁止される。

なお、本実施の形態では、図３のＳＴＥＰ６で電力供給補助判断手段５３は、燃料電池電圧推定手段５１により推定された要求電力（Ｌreq）に応じた燃料電池２の出力電圧（Ｖfc_e）と、開回路電圧推定手段５２により推定された要求電力（Ｌreq）に応じたキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco_e）とを比較して、「強制電力アシスト処理」の実行の要否を判断したが、他の判断方法として、例えば、電圧変換ユニット３０に備えられたセンサによる燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）の検出値をキャパシタ３の開回路電圧（Ｖco）と比較して、「強制電力アシスト処理」の実行の要否を判断するようにしてもよい。

本発明の燃料電池発電システムの全体構成図。電源管理制御部の制御ブロック図。キャパシタの放電電流による電力供給のアシスト処理のフローチャート。目標出力電流に対応した燃料電池の出力電圧及びキャパシタの開回路電圧の推定方法を説明するためのグラフ。目標出力電流に対応した燃料電池の出力電圧及びキャパシタの開回路電圧の推定方法を説明するためのグラフ。燃料電池及びキャパシタの出力電圧の推移を示したグラフ。

符号の説明

１…燃料電池発電システム、２…燃料電池、３…電気二重層キャパシタ、４…コントローラ、５…モータ駆動装置、９…駆動制御部、１４…電源管理制御部、１６…燃料電池制御部、２１…反応ガス供給装置、３０…電圧変換ユニット、５０…開回路電圧把握手段、５１…燃料電池電圧推定手段、５２…開回路電圧推定手段、５３…電力供給補助判断手段、５４…出力電圧制御手段

Claims

燃料電池と、該燃料電池と並列に接続されたキャパシタと、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、該反応ガス供給手段により前記燃料電池に供給される反応ガスの供給量を調節する反応ガス供給量調節手段と、電気負荷からの要求電力に応じた電流が前記燃料電池から供給されるように前記反応ガス供給量調節手段を制御する燃料電池制御手段とを備えた燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池と前記キャパシタとの間に、入力側を燃料電池の出力端子に接続すると共に出力側をキャパシタの入出力端子と接続して設けられた出力電圧可変型のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記キャパシタの開回路電圧を把握する開回路電圧把握手段と、
前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助が必要であるか否かを判断する電力供給補助判断手段と、
該電力供給補助判断手段により、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する電力供給の補助が必要であると判断されたときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を前記キャパシタの開回路電圧よりも低くなるように制御する出力電圧制御手段とを備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
前記燃料電池が前記要求電力に応じた電力を出力する状態となったときの前記燃料電池の出力電圧を推定する燃料電池電圧推定手段と、
前記燃料電池が前記要求電力に応じた電力を出力する状態となったときの前記キャパシタの開回路電圧を推定する開回路電圧推定手段とを有し、
前記電流補助判断手段は、前記燃料電池電圧推定手段により推定された前記燃料電池の出力電圧が、前記開回路電圧推定手段により推定された前記キャパシタの開回路電圧以上であるときに、前記キャパシタの放電電流による電気負荷に対する供給電流の補助が必要であると判断することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電システム。