JP4335303B2

JP4335303B2 - 燃料電池電源装置

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Publication number: JP4335303B2
Application number: JP2009061223A
Authority: JP
Inventors: 暁青柳; 和男香高; 響佐伯; 和典渡邉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
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Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2009-09-30
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Description

本発明は、燃料電池とキャパシタを並列に接続して構成された燃料電池電源装置に関し、特に燃料電池に対する反応ガスの供給量の制御に関する。

従来より、燃料電池とキャパシタを並列に接続することにより、負荷の要求電流が急激に増加して、燃料電池の応答遅れにより燃料電池の出力電流が不足する状態となった場合に、キャパシタからの放電電流により不足分の電流を補うようにしたハイブリッド型の燃料電池電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

かかるハイブリッド型の燃料電池電源装置において、燃料電池に対する反応ガス（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）の供給量は、負荷の要求電流に基づいて決定される目標供給電流に応じて制御されていた。しかし、本願発明者らは、燃料電池とキャパシタを並列に接続したハイブリッド型の燃料電池電源装置において、このように、燃料電池に対する反応ガスの供給量を負荷の要求電流に基づいて決定された目標決定される目標供給電流に応じて制御したときに、反応ガスの供給系の応答遅れに起因して、反応ガスを供給するコンプレッサが過剰に作動する場合や反応ガスの供給が不足する場合があることを知見した。

そして、このようにコンプレッサが過剰に作動すると電力が無駄に消費されるという不都合があり、また、反応ガスの供給が不足すると、燃料電池の電解質膜の劣化等が生じて燃料電池の性能悪化を招くという不都合がある。

特開平６−２７５２９６号公報

本発明は、上記不都合を解消し、燃料電池とキャパシタを並列に接続して構成され、該燃料電池の出力電流を制御する際に無駄な電力消費や反応ガスの過不足が生じることを抑制した燃料電池電源装置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、反応ガスにより電気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池と、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、前記燃料電池の出力した電流が供給される負荷と、前記負荷で消費される電力に応じた目標供給電流を決定する電力管理手段と、前記電力管理手段より目標供給電流を入力し、該目標供給電流が前記燃料電池から出力されるように前記反応ガス供給手段を制御する燃料電池制御手段とを備えた燃料電池電源装置に関する。

かかる電源装置によれば、前記目標供給電流が増加したときに、前記応答遅れが生じて負荷に対する前記燃料電池の供給電流が不足すると、前記不足電流出力手段から不足分の電流が出力される。そして、この場合に、負荷の要求電流に基づいて決定された前記目標供給電流に応じて、前記反応ガス供給手段により反応ガスの供給量を制御すると、前記応答遅れが解消していく過程において、前記反応ガス供給手段が過剰に作動することになって、無駄なエネルギーが消費される。

一方、前記目標供給電流が減少したときに、前記応答遅れが生じて負荷に対する前記燃料電池の供給電流が過剰になると、前記充電手段は過剰分の電流により充電される。そして、この場合に、前記負荷の要求電流に基づいて決定された前記目標供給電流に応じて、前記反応ガス供給手段により反応ガスの供給量を制御すると、前記応答遅れが解消してゆく過程において、前記充電手段の充電に使用される分だけ、反応ガスの供給が不足する。

そこで、本発明の第１の態様は、前記目標供給電流の増大に対して、前記燃料電池制御手段が前記燃料電池の出力を制御する際に発生する前記燃料電池の出力電流の応答遅れ期間中、負荷へ供給する電流の不足分を出力する不足電流出力手段を備え、前記応答遅れ期間中、前記電力管理手段は、前記不足電流出力手段が出力する電流に基づいて前記目標供給電流を減少させる第１の補正を行い、前記燃料電池制御手段は、前記第１の補正がなされた前記目標供給電流に基づいて前記反応ガス供給手段を制御することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記目標供給電流の増大に対する前記燃料電池の出力電流の応答遅れ期間中、前記不足電流出力手段が出力する電流に基づいて前記目標供給電流を減少させる前記第１の補正を行うことによって、前記反応ガス供給手段が過剰に作動して無駄なエネルギーが消費されることを抑制することができる。

また、本発明の第２の態様は、前記目標供給電流の減少に対して、前記燃料電池制御手段が前記燃料電池の出力を制御する際に発生する前記燃料電池の出力電流の応答遅れ期間中、負荷に供給する電流の余剰分を充電する充電手段を備え、前記応答遅れ期間中、前記電力管理手段は、前記充電手段が入力する電流に基づいて前記目標供給電流を増加させる第２の補正を行い、前記燃料電池制御手段は、前記第２の補正がなされた前記目標供給電流に基づいて前記反応ガス供給手段を制御することを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記目標供給電流の減少に対する前記燃料電池の出力電流の応答遅れ期間中、前記充電手段が入力する電流に基づいて前記目標供給電流を増加させる前記第２の補正を行うことによって、前記充電手段への充電電流により、反応ガスの供給が不足することを抑制することができる。

本発明の燃料電池電源装置の構成図。図１に示した燃料電池電源装置の等価回路。燃料電池の応答遅れが生じた場合のキャパシタの出力電流の推移を示したグラフ。目標供給電流の補正量の算出方法を説明したグラフ。目標供給電流を補正するための制御ブロック図。目標供給電流を補正するためのデータテーブル。

本発明の実施の形態の一例について、図１〜図６を参照して説明する。図１は本発明の燃料電池電源装置の構成図、図２は図１に示した燃料電池電源装置の等価回路、図３は燃料電池の電流出力に応答遅れが生じた場合のキャパシタの出力電流の推移を示したグラフ、図４は目標供給電流の補正量の算出方法を示したグラフ、図５は目標供給電流を補正するための制御ブロック図、図６は目標供給電流を補正するためのデータテーブルを示した図である。

図１を参照して、本発明の燃料電池電源装置１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。燃料電池電源装置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）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電源装置であり、その出力電力が、マイクロコンピュータ等により構成される電力管理手段４と燃料電池制御手段５により制御される。

燃料電池電源装置１の出力電力は、モータ駆動ユニット６、エアコン７、及びＤＣ／ＤＣコンバータ８を介して１２Ｖ負荷９に供給される。モータ駆動ユニット６は、角度センサ１４によりモータ１０のロータ（図示しない）の電気角を検知し、該電気角に応じた３相の交流電圧をモータ１０の電機子（図示しない）に出力するものであり、電気自動車制御ユニット９から出力されるトルク指令（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。

電気自動車制御ユニット９は、アクセルペダル１３の踏込み量（Ａp）、モータ１０の回転数（Ｎｍ）、及びモータ１０の電機子に印加される電圧（Ｖpdu）と該電機子に流れる電流（Ｉpdu）に基づいて、モータ駆動ユニット６で必要となる電力（PCMDMG）を知らせる信号を電力管理手段４に出力する。

電力管理手段４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、負荷電流センサ１５により検出される負荷電流（Ｉ_load）の検出信号と、負荷電圧センサ１６により検出される負荷電圧（Ｖ_load）の検出信号とが入力され、これらの検出信号により、電力管理手段４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、電力管理手段４は、燃料電池制御手段５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（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）の個々の出力電圧（Ｖcap_indiv）と温度（Ｔcap_indiv）等を考慮して、モータ駆動ユニット６で消費される電力とモータ４以外の電装補機で消費される電力との合計電力に応じた目標供給電流（Ｉfc_REQ）を決定し、該目標供給電流（Ｉfc_REQ）を指示する信号を燃料電池制御手段５に出力する。また、電気自動車制御ユニット９に対して、供給可能な電力（PLD）を知らせる信号を出力する。

なお、燃料電池制御手段５には、空気供給センサ部２３から出力される燃料電池２の空気極に供給される空気の圧力（Ｐair）、量（Ｑair）、及び温度（Ｔair）の検出信号と、水素供給センサ部２２から出力される燃料電池２の水素極に供給される水素の圧力（ＰH_２）、量（ＱH₂）、及び温度（ＴH₂）の検出信号と、モニタユニット２４から出力される燃料電池２のスタック（図示しない）を構成する燃料電池セル（図示しない）の個々の状態の検出信号とが入力され、燃料電池制御手段５は、これらの検出信号から把握される燃料電池２の状態を考慮して燃料電池３から供給可能な電流の上限値（Ｉfc_LMT）を決定する。

また、電気自動車制御ユニット９は、電力管理手段４から知らされた供給可能な電力（PLD）を超えないように、モータ駆動ユニット６に対してトルク指令（TRQ_CMD）を出力し、モータ駆動ユニット６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、燃料電池制御手段５は、電力管理手段４から出力された目標供給電流（Ｉfc_REQ）が燃料電池２から出力されるように、燃料電池２の空気極に空気を供給するエアコンプレッサ１７のコンプレッサモータ（図示しない）の回転数を制御するエアコンプレッサ制御器１８に対して、該コンプレッサモータの回転数指令値（SCN_CMD）を出力する。

これにより、エアコンプレッサ制御器１８によってエアコンプレッサモータの回転数が回転数指令値（SCN_CMD）に制御され、目標供給電流（Ｉfc_REQ）に応じた流量の空気が燃料電池２の空気極に供給される。そしてこのとき、エアコンプレッサ１７からの空気の供給圧力に応じてその開度が変化する比例圧力レギュレータ１９により、高圧水素タンク２０から燃料電池２の水素極に供給される水素の圧力が調節され、燃料電池２に対する空気の供給量と水素の供給量とがバランスされる。

なお、エアコンプレッサ制御器１８、エアコンプレッサ１７、高圧水素タンク２０、及び比例圧力レギュレータ１９により本発明の反応ガス供給手段が構成される。

そして、比例圧力レギュレータ１９により圧力調整された水素は、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、排気バルブ２１を介して排出される。ここで、排気バルブ２１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、燃料電池制御手段２１からの制御信号（DBW_CMD）により制御される。

また、冷却器２１は、ラジエータ（図示しない）によって放熱、冷却された冷却水を燃料電池２内を循環させるための冷却ポンプ（図示しない）と、冷却ファンとを有し、燃料電池制御手段５は、燃料電池２に給水される冷却水の温度（Ｔw_in）及び燃料電池２から排水される冷却水の温度（Ｔw_out）に応じて、冷却ポンプと冷却ファンの作動を制御する。

また、燃料電池電源装置１には、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）を検出する燃料電池電流センサ３０、燃料電池２の出力電圧（Ｖfc）を検出する燃料電池電圧センサ３１、及びキャパシタ３の充放電電流（Ｉcap）を検出するキャパシタ電流センサ３２が備えられ、これらのセンサの検出信号も電力管理手段４に供給される。

次に、電力管理手段４から燃料電池制御手段５に出力される目標供給電流（Ｉfc_REQ）が変化した場合の燃料電池電源装置１の作動について、図２を参照して説明する。図２は燃料電池電源装置１の等価回路であり、燃料電池２を内部抵抗が０で開放電圧がＶfc_Oの電圧源３０と抵抗値がＲfcである内部抵抗３１とを直列接続した回路で表し、キャパシタ３を内部抵抗が０で開放電圧がＶcap_Oのキャパシタ３２と抵抗値がＲcapである内部抵抗３２とを直列接続した回路で表している。また、Ｉfcは燃料電池２の出力電流、Ｉcapはキャパシタ３の出力電流、３５は電流値Ｉ1の定電流源、３６は電流値Ｉ₂（＞Ｉ₁）の定電流源、Ｖoutは燃料電池２の出力電圧（＝キャパシタ３の出力電圧）である。

図２に示した等価回路において、負荷電流（図１におけるモータ駆動ユニット６への供給電流と電装補機への供給電流との合計電流）がＩ₁（スイッチ３４の接点ｃ−ａが導通した状態）からＩ₂（スイッチ３４の接点ｃ−ｂが導通した状態）へと増加すると、電力管理手段４は、負荷電流の増加分に応じて燃料電池制御手段５に出力する目標供給電流（Ｉfc_REQ）を増加させる。

しかし、図１で説明したように、燃料電池２は、エアコンプレッサ１７を駆動するエアコンプレッサ制御器１８に対して負荷変動に応じた回転数指令値（SCN_CMD）が燃料電池制御装置５から出力され、これに応じてエアコンプレッサ１７のコンプレッサモータの回転数が上がり、その結果、燃料電池２に対する空気と水素の供給量が増加し、その後、燃料電池２内における電気化学反応量が増大して初めて増加された目標供給電流（Ｉfc_REQ）に応じた電流出力が得られるものである。そのため、燃料電池２の出力電流が負荷変動に応じた電流となるまでにはある程度の応答遅れを生じる。

そこで、燃料電池電源装置１においては、このような燃料電池２の応答遅れが生じる間、燃料電池２と並列に接続されたキャパシタ３から負荷に電流を供給することにより、負荷に対する電流供給の不足が生じないようにしている。なお、このように、負荷に対する電流供給の不足が生じないように電流を供給する構成が、本発明の不足電流出力手段に相当する。

図３（ａ）は、負荷電流が増加して燃料電池２の応答遅れが生じた場合のキャパシタ３の放電電流（Ｉcap）変化を示した図であり、(1)が縦軸を目標供給電流（Ｉfc_REQ）とし横軸を時間としたグラフ、(2)が縦軸をキャパシタ３の放電電流（Ｉcap）とし横軸を時間としたグラフである。

ｔ₁₀〜ｔ₁₁は、目標供給電流（Ｉfc_REQ）がＩ₁であり、燃料電池２の出力電流がＩ₁に制御されている平衡状態を示しており、この場合はキャパシタ３からは電流は放電されない（Ｉcap＝０）。そして、ｔ₁₂で負荷電流がＩ₁からＩ₂にステップ応答的に増加し、それに応じて目標供給電流（Ｉfc_REQ）をＩ₁からＩ₂にステップ応答的に増加させても、上述した応答遅れが生じるため燃料電池２の出力電流は直ちにＩ₂とはならない。

そのため、(2)に示したように、キャパシタ３から負荷に対して放電電流（Ｉcap）が流れ、この場合、図２に示した等価回路においては、以下の式（１），（２）の関係が成立する。

Ｉ₂ ＝Ｉfc ＋Ｉcap ・・・・・（１）
Ｉcap ＝（Ｖcap_O−Ｖout）／Ｒcap ・・・・・（２）
燃料電池２における電気化学反応量が増加して燃料電池２の出力電流（Ｉfc）が増加するにつれて、負荷電流（Ｉ₂）は一定であるから上記式（１）より、図３（ａ）の(2)に示したように放電電流（Ｉcap）は次第に減少する。

このように、応答遅れ期間中（ｔ₁₁〜ｔ₁₂）は、キャパシタ３から放電電流（Ｉcap）が出力されるため、燃料電池２はＩ₂分の電流を出力する必要はなく、Ｉ₂−Ｉcap分の電流を出力すればよい。そのため、応答遅れ期間中（ｔ₁₁〜ｔ₁₂）にＩ₂に応じた回転数指令（SCN_CMD）をエアコンプレッサ制御器１８に出力すると、エアコンプレッサ１７が必要以上に過剰に作動することになって、無駄な電力が消費されてしまう。

そこで、電力管理手段４は、図３（ａ）の(1)のｓ₁に示したように、目標供給電流（Ｉfc_REQ）をキャパシタ３の放電電流（Ｉcap）の大きさに応じて減少させる第１の補正を行い、これによりエアコンプレッサ１７が必要以上に作動することを抑制している。

次に、目標供給電流（Ｉfc_REQ）が減少する場合にも、上述した目標供給電流（Ｉfc_REQ）が増加する場合と同様に、燃料電池２における電気化学反応量が減少して燃料電池２の出力電流が目標供給電流に応じた電流まで減少する際には応答遅れが生じる。図３（ｂ）は、負荷電流が減少して燃料電池２の応答遅れが生じた場合のキャパシタ３の充電電流（Ｉcap）の変化を示した図であり、(3)が縦軸を目標供給電流（Ｉfc_REQ）とし横軸を時間としたグラフ、(4)が縦軸をキャパシタ３の充電電流（Ｉcap）とし横軸を時間としたグラフである。

ｔ₂₀〜ｔ₂₁は、目標供給電流（Ｉfc_REQ）がＩ₂であって燃料電池２の出力電流がＩ₂に制御されている平衡状態を示しており、この場合はキャパシタ３には充電電流は流れ込まない（Ｉcap＝０）。そして、ｔ₂₁で負荷電流がＩ₂からＩ₁にステップ応答的に減少し、それに応じて目標供給電流（Ｉfc_REQ）をＩ₂からＩ₁に減少させても、上述した応答遅れが生じるため燃料電池２の出力電流は直ちにＩ₁とはならない。

そのため、(4)に示したように、燃料電池２からキャパシタ３に充電電流（Ｉcap）が流れ、この場合、図２に示した等価回路においては、以下の式（３），（４）の関係が成立する。

Ｉ₁ ＝Ｉfc − Ｉcap ・・・・・（３）
Ｉcap ＝（Ｖout−Ｖcap_O）／Ｒcap ・・・・・（４）
であるから、燃料電池２における電気化学反応量が減少して燃料電池２の出力電流（Ｉfc）が減少するにつれて、負荷電流（Ｉ₁）は一定であるから上記式（３）より、図３（ｂ）の(4)に示したように充電電流（Ｉcap）は次第に減少する。

このように、応答遅れ期間中（ｔ₂₁〜ｔ₂₂）は、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）の一部がキャパシタ３の充電に使用されるため、燃料電池２からＩ₁＋Ｉcap分の電流を出力する必要がある。そのため、応答遅れ期間中（ｔ₂₁〜ｔ₂₂）にＩ₁に応じた回転数指令（SCN_CMD）をエアコンプレッサ制御器１８に出力すると、エアコンプレッサ１７のコンプレッサモータの回転数に応じて供給される空気と水素のうちの少なくともいずれか一方の供給量が不足するいわゆるガス欠状態となり、燃料電池２の劣化を生じるおそれがある。

そこで、電力管理手段４は、図３（ｂ）の(3)に示したように、目標供給電流（Ｉfc_REQ）をキャパシタ３の充電電流（Ｉcap）の大きさに応じて増加させる第２の補正を行い、これにより燃料電池２がガス欠状態となることを抑制している。

次に、図４を参照して、燃料電池３の応答遅れ期間中における目標供給電流（Ｉfc_REQ）の補正量を決定する具体的な手順について説明する。

電力管理手段４は、先ず、燃料電池電圧センサ３１により燃料電池２の出力電圧（Ｖout＝キャパシタ３の出力電圧）を検出し、キャパシタ電流センサ３２によりキャパシタ３の充放電電流（Ｉcap）を検出する。そして、以下の式（５）により、キャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）を算出する。

Ｖcap_O ＝Ｖout ＋Ｉcap・Ｒcap ・・・・・（５）
なお、キャパシタ３の内部抵抗（Ｒcap）は、電力管理手段４を構成するマイコンのデータメモリに記憶されている。

そして、図４を参照して、Ｉ＝Ｆ（Ｖ）は、燃料電池２の電流−電圧特性であり、Ｉ＝Ｇ₁（Ｖ）は、開放電圧Ｖ₁（Ｖcap_O＝Ｖ₁）におけるキャパシタ３の電流−電圧特性である。燃料電池２の出力電圧Ｖoutと出力電流Ｉfcが、Ｉfc＝Ｆ（Ｖout）の関係を満たしていれば、燃料電池２に対する空気と水素の供給量が適切であり、Ｉfc＞Ｆ（Ｖout）のときはガス欠の状態となる。そのため、Ｉfc≦Ｆ（Ｖout）の関係が保たれるように目標供給電流（Ｉfc_REQ）を設定することにより、燃料電池２に対する空気と水素の供給量を適切に設定して燃料電池２の出力電流（Ｉfc）を制御することができる。

先ず、目標供給電流（Ｉfc_REQ）が増加する場合の補正量の算出手順を説明するため、燃料電池２の出力電流が負荷電流Ｉ₁に制御された平衡状態（Ｐ₁）で、負荷電流がＩ₁からＩ₂へとステップ応答的に変化し、それに応じて目標供給電流（Ｉfc_REQ）がＩ₁からＩ₂に変更され、応答遅れを伴って燃料電池２の出力電流がＩ₂に制御された状態（Ｐ₂）まで移行していく場合を考える。Ｐ₁においては、負荷電流が急激に増加し、燃料電池２の出力電流の不足分を補うようにキャパシタ３から放電電流が出力される。

このとき、燃料電池２の出力電圧（Ｖout＝キャパシタ３の出力電圧）がＶ₁からＶmまで低下したとすると、キャパシタ３の放電電流（Ｉcap）は、
Ｉcap ＝Ｇ₁（Ｖm）＝（Ｖcap_O−Ｖm）／Ｒcap
＝（Ｖ₁ −Ｖm）／Ｒcap ・・・・・（６）
となり、一方、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）は、
Ｉfc ＝ｆ（Ｖm）・・・・・（７）
となる。そのため、以下の式（８）に示したように、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）にキャパシタ３の放電電流（Ｉcap）を加えた電流が、目標供給電流であるＩ₂となる出力電圧Ｖm（本発明の所定電圧に相当する）を求め、
Ｆ（Ｖm）＋Ｇ₁（Ｖm）＝Ｉ₂ ・・・・・（８）
このＶmに応じたキャパシタ３の放電電流（図中Ｉmc）を、目標供給電流Ｉ₂から減じる補正を行なうことにより、エアコンプレッサ１７が無駄に作動することを抑制して、燃料電池２の出力電流を制御することができる。

そして、燃料電池２の応答遅れが解消されるまで、すなわち、キャパシタ３からの放電が終了して（Ｉcap＝０）、キャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）が目標供給電流Ｉ₂に応じたＶ₂となるまで、電力管理手段４は、所定のサンプリング間隔でキャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）を検知し、検知した該開放電圧（Ｖcap_O）に応じたキャパシタ３の電流−電圧特性を上記式（８）の電流−電圧特性（Ｉ＝Ｇ₁（Ｖ））に置き換えて出力電圧Ｖmを求め、該Ｖmに応じたキャパシタ３の放電電流を、目標供給電流（Ｉ₂）から減じる補正を繰り返し実行する（この場合、キャパシタ３の電流−電流特性はＩ＝Ｇ₂（Ｖ）に向かってシフトしていく）。これにより、燃料電池２の応答遅れ期間中、キャパシタ３の放電電流（Ｉcap）の大きさに応じて、燃料電池２の目標供給電流（Ｉfc_REQ）が適切に設定される。

次に、目標供給電流（Ｉfc_REQ）が減少する場合の補正量の算出手順を説明するため、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）が目標供給電流（Ｉ₁）に制御された平衡状態（Ｐ₁）で、負荷電流がＩ₁からＩ₃へとステップ応答的に変化し、それに応じて目標供給電流（Ｉfc_REQ）がＩ₁からＩ₃に変更され、応答遅れを伴って燃料電池２の出力電流がＩ₃に制御された状態（Ｐ₃）まで移行していく場合を考える。Ｐ₁においては、負荷電流が急激に減少して燃料電池２の出力電圧（Ｖout）が上昇するため、燃料電池２からキャパシタ３に充電電流が流入する。なお、このように、負荷に供給する電流の余剰分を充電する構成が、本発明の充電手段に相当する。

このとき、燃料電池２の出力電圧（Ｖout＝キャパシタ３の出力電圧）がＶ₁からＶnまで上昇したとすると、キャパシタ３の充電電流（Ｉcap）は、
Ｉcap ＝Ｇ₁（Ｖn）＝（Ｖn−Ｖcap_O）／Ｒcap
＝（Ｖn −Ｖ₁）／Ｒcap ・・・・・（９）
となり、一方、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）は、
Ｉfc ＝Ｆ（Ｖn）・・・・・（１０）
となる。そのため、以下の式（１１）に示したように、燃料電池２の出力電流（Ｉfc）からキャパシタ３の充電電流（Ｉcap）を減じた電流が、目標供給電流であるＩ3となる出力電圧Ｖn（本発明の所定電圧に相当する）を求め、
Ｆ（Ｖn）−Ｇ₁（Ｖn）＝Ｉ₃ ・・・・・（１１）
このＶnに応じたキャパシタ３の充電電流（図中Ｉnc）を、目標供給電流Ｉ₃に加える補正を行なうことにより、キャパシタ３に充電電流が流れ込むことにより燃料電池２がガス欠状態となることを抑制することができる。

そして、燃料電池2の応答遅れ期間中、すなわち、キャパシタ３の充電が終了し（Ｉcap＝０）、キャパシタ３の開放電圧が目標供給電流Ｉ₃に応じたＶ₃となるまで、電力管理手段４は、所定のサンプリング間隔でキャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）を検知し、検知した該開放電圧（Ｖcap_O）に応じたキャパシタ３の電流−電圧特性を上記式（１１）の電流−電圧特性（Ｉ＝Ｇ₁（Ｖ））に置き換えて出力電圧Ｖnを求め、該Ｖnに応じたキャパシタ３の充電電流を目標供給電流Ｉ₃に加える補正を繰り返し実行する（この場合、キャパシタ３の電流−電圧特性はＩ＝Ｇ₃（Ｖ）に向かってシフトしていく）。これにより、燃料電池２の応答遅れ期間中、キャパシタ３の充電電流（Ｉcap）の大きさに応じて、燃料電池２の目標供給電流（Ｉfc_REQ）が適切に設定される。

以上説明した目標供給電流（Ｉfc_REQ）の第１の補正と第２の補正を行なうため、電力管理手段４は、図５に示した制御ブロック４０の構成を備えている。制御ブロック４０は、電気自動車制御ユニット９から出力されるモータ目標出力電力（PCMDMG）と、負荷電流センサ１５と負荷電圧電圧センサ１６の検出信号から算出された電装補機の消費電力（Ｅload）とを加算した総消費電力（Ｐ_TL）を出力する第１加算器４１、該総消費電力（Ｐ_TL）を目標供給電流（Ｉfc_REQ）に変換する電力／電流変換部４２、キャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）を上記式（５）により算出するキャパシタ開放電圧算出部４３、キャパシタ３の内部抵抗（Ｒcap）のデータが記憶されたデータメモリ４４、キャパシタ３の開放電圧（Ｖout）と目標供給電流（Ｉfc_REQ）に応じて、目標供給電流（Ｉfc_REQ）の補正量（Ｉfc_AM）を算出する補正量算出部４５、及び目標供給電流（Ｉfc_REQ）に補正量（Ｉfc_AM）を加算して、目標供給電流（Ｉfc_REQ）を補正する第２加算部４６を有する。

キャパシタ開放電圧算出部４３は、キャパシタ電流センサ３２からの検出信号によりキャパシタ３の充放電電流（Ｉcap）を検出し、また、燃料電池電圧センサ３１からの検出信号によりキャパシタ３の出力電圧（Ｖout）を検出する。そして、データメモリ４４に記憶されたキャパシタ３の内部抵抗（Ｒcap）を取得し、キャパシタ３の充放電電流（Ｉcap）とキャパシタ３の出力電圧（Ｖout）とキャパシタ３の内部抵抗（Ｒcap）から、上記式（５）によりキャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）を算出する。

補正量算出部４５は、キャパシタ開放電圧算出部４３から出力されるキャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）と、電力／電流変換部４２から出力される燃料電池２の目標供給電流（Ｉfc_REQ）と、データメモリ４４から取得した燃料電池２の電流−電圧特性データ（図中Ｉcap−Ｖcap，図４におけるＩ＝Ｆ（Ｖ）に相当する）及びキャパシタ３の電流−電圧特性データ（図中Ｉfc−Ｖfc，図４におけるＩ＝Ｇ₁（Ｖ）に相当する）とから、図４を参照して上述した手順により、目標供給電流の補正量（Ｉfc_AM）を算出する。

そして、第２加算器４６により、目標供給電流（Ｉfc_REQ）に、補正量（Ｉfc_AMD）を加算することによって、目標供給電流（Ｉfc_REQ）が補正される。

なお、図５の５０の部分を図６に示したように予めマップ化しておくことにより、補正量（Ｉfc_AM）の算出に要する時間を短縮することができる。図６は、キャパシタ３の開放電圧（Ｖcap_O）と、総消費電力（Ｐ_TOTAL）を入力パラメータとして、図４を参照して上述した手順により算出した燃料電池２の目標供給電流（Ｉfc_REQ）を設定したマップである。例えば、Vcap_O＝３００（Ｖ）、Ｐ_TOTAL＝２０（kＷ）の入力に対する目標供給電流としては、Ｉfc_REQ＝７７（Ａ）が即座に得られる。

また、本実施の形態では、前記第１の補正と前記第２の補正の双方を行なって、キャパシタ３から放電される場合とキャパシタ３が充電される場合の双方について、燃料電池２の目標供給電流（Ｉfc_REQ）を補正する処理を行なったが、いずれか一方の補正を行なう場合にも本発明の効果を得ることができる。

また、本実施の形態では、予めデータメモリ４４に記憶されたキャパシタ３の電流−電圧特性と、燃料電池２の電圧−電流特性とを使用して、燃料電池２の目標供給電流（Ｉfc_REQ）を精度良く算出したが、これらの電流−電圧特性を用いずに、例えば、キャパシタ電流センサ３２の検出電流値に応じて、目標供給電流（Ｉfc_REQ）を補正する場合であっても、本発明の効果を得ることができる。

１…燃料電池電源装置、２…燃料電池、３…キャパシタ、４…電力管理手段、５…燃料電池制御手段、６…モータ駆動ユニット、９…電気自動車制御ユニット、１７…エアコンプレッサ、１８…エアコンプレッサ制御器、１９…比例圧力レギュレータ、２０…高圧水素タンク、３０…燃料電池電流センサ、３１…燃料電池電圧センサ、３２…キャパシタ電流センサ。

Claims

反応ガスにより電気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池と、
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、
前記燃料電池の出力した電流が供給される負荷と、
前記負荷で消費される電力に応じた目標供給電流を決定する電力管理手段と、
前記電力管理手段より目標供給電流を入力し、該目標供給電流が前記燃料電池から出力されるように前記反応ガス供給手段を制御する燃料電池制御手段と、
前記目標供給電流の増大に対して、前記燃料電池制御手段が前記燃料電池の出力を制御する際に発生する前記燃料電池の出力電流の応答遅れ期間中、負荷へ供給する電流の不足分を出力する不足電流出力手段と、
を備えた燃料電池電源装置であって、
前記応答遅れ期間中、前記電力管理手段は、前記不足電流出力手段が出力する電流に基づいて前記目標供給電流を減少させる第１の補正を行い、前記燃料電池制御手段は、前記第１の補正がなされた前記目標供給電流に基づいて前記反応ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池電源装置。
反応ガスにより電気化学反応を生じさせて電流を出力する燃料電池と、
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、
前記燃料電池の出力した電流が供給される負荷と、
前記負荷で消費される電力に応じた目標供給電流を決定する電力管理手段と、
前記電力管理手段より目標供給電流を入力し、該目標供給電流が前記燃料電池から出力されるように前記反応ガス供給手段を制御する燃料電池制御手段と、
前記目標供給電流の減少に対して、前記燃料電池制御手段が前記燃料電池の出力を制御する際に発生する前記燃料電池の出力電流の応答遅れ期間中、負荷に供給する電流の余剰分を充電する充電手段と、
を備えた燃料電池電源装置であって、
前記応答遅れ期間中、前記電力管理手段は、前記充電手段が入力する電流に基づいて前記目標供給電流を増加させる第２の補正を行い、前記燃料電池制御手段は、前記第２の補正がなされた前記目標供給電流に基づいて前記反応ガス供給手段を制御することを特徴とする燃料電池電源装置。