JP4590836B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に供給される空気の流量に対応して空気の圧力を制御する燃料電池システムの制御装置に関する。

従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された燃料電池の制御システムでは、燃料電池の発電量の変更に伴ってカソードの入口側に供給される空気の流量および圧力をそれぞれ目標空気流量および目標空気圧に制御する際に、実際の空気流量が目標空気流量に到達するまでの過渡期には、実際の空気流量を検出し、検出した空気流量に対応して空気圧を逐次目標空気圧に制御するものである。
特開２００２−４２８３９号公報

上記従来の燃料電池システムの制御装置では、燃料電池の発電量が増加した場合に、空気圧力の増加に対して、空気流量の増加が遅れてしまう可能性があった。燃料電池へ空気を供給するコンプレッサと、空気の圧力を制御する圧力制御弁の応答性を比べると、前者より後者の方が応答が早い場合がある。このような場合に、圧力の増加が早いため、コンプレッサの出口圧力の上昇により燃料電池へ供給される空気の流量の増加が遅れていた。

さらに、検出した実際の空気流量に基づいて空気圧力を制御した場合には、空気流量の遅れにより圧力制御弁の弁開度は閉じ方向へ補正されるため、空気流量の増加をさらに遅らせる原因となっていた。

特に、燃料電池の発電量が増加して圧力制御弁の開度が全閉状態となった場合には、図１５に示すように、空気圧力の上昇が急峻であった。このため、燃料電池へ供給される空気の流量は一旦減少した後に、増加へ転じるような変化を示す場合がある。このような場合には、燃料電池の発電量に対応して必要な空気流量が確保できない場合があった。これにより、燃料電池の発電量が減少するだけでなく、燃料電池内の空気量が均一でなくなり、一部のセルの電流密度が非常に大きくなった場合には、触媒の熱劣化等の問題を招くことになる。

そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃料電池の発電量が増加した場合に、燃料電池へ供給される空気の流量が不足することなく、所望の発電を行うことができる燃料電池システムの制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料ガスと空気の供給を受けて、供給された燃料ガスと空気を反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池のカソードに空気を供給するコンプレッサと、前記燃料電池のカソードから排出される空気の圧力を制御する空気圧力制御弁とを備えた燃料電池システムにおける、目標空気流量に基づいて前記コンプレッサを駆動制御して、前記燃料電池のカソードに供給される空気の流量を制御する空気流量制御手段と、前記空気圧力制御弁の弁開度に基づいて、前記カソード入口の空気圧力を目標空気圧力に制御する空気圧力制御手段とを備えた燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電池の発電量を増加させる場合に、前記燃料電池に供給される空気の流量の増加に対して、前記燃料電池に供給される空気の圧力の増加を遅らせる空気圧力変化制限手段を有し、前記空気圧力変化制限手段は、前記燃料電池の発電量と目標空気圧力との関係を表すテーブルデータ、または前記テーブルデータと同様の関係が得られる演算式に基づいて、第１の目標空気圧力を算出する第１の目標空気圧力算出手段と、前記燃料電池の発電量の増加量と遅れ量との関係を表すテーブルデータに基づいて遅れ量を算出し、算出した遅れ量に基づいて、前記第１の目標空気圧力に対して遅れ処理を行って前記目標空気圧力を算出する目標空気圧力遅れ処理手段とを備え、前記燃料電池の発電量の増加量に基づいて、該増加量が大きいほど、目標空気圧力に対する遅れが大きくなるように、前記空気流量の増加に対して前記空気圧力の増加を遅らせることを特徴とする。
請求項２に記載の発明は、燃料ガスと空気の供給を受けて、供給された燃料ガスと空気を反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池のカソードに空気を供給するコンプレッサと、前記燃料電池のカソードから排出される空気の圧力を制御する空気圧力制御弁とを備えた燃料電池システムにおける、目標空気流量に基づいて前記コンプレッサを駆動制御して、前記燃料電池のカソードに供給される空気の流量を制御する空気流量制御手段と、前記空気圧力制御弁の弁開度に基づいて、前記カソード入口の空気圧力を目標空気圧力に制御する空気圧力制御手段とを備えた燃料電池システムの制御装置において、前記燃料電池の発電量を増加させる場合に、前記燃料電池に供給される空気の流量の増加に対して、前記燃料電池に供給される空気の圧力の増加を遅らせる空気圧力変化制限手段を有し、前記空気圧力変化制限手段は、前記燃料電池の発電量と目標空気圧力との関係を表すテーブルデータ、または前記テーブルデータと同様の関係が得られる演算式に基づいて、第１の目標空気圧力を算出する第１の目標空気圧力算出手段と、目標空気圧力の増加量と遅れ量との関係を表すテーブルデータに基づいて遅れ量を算出し、算出した遅れ量に基づいて、前記第１の目標空気圧力に対して遅れ処理を行って前記目標空気圧力を算出する目標空気圧力遅れ処理手段とを備え、前記目標空気圧力の増加量に基づいて、該増加量が大きいほど、前記目標空気圧力に対する遅れが大きくなるように、前記空気流量の増加に対して前記空気圧力の増加を遅らせることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記空気圧力変化制限手段は、前記目標空気圧力遅れ処理手段で目標空気圧力の遅れ処理を行う場合には、前記空気圧力制御弁の弁開度を、マップデータに基づいて算出された上限値以下に制限する弁開度上限制限手段を有し、前記マップデータは、目標空気圧力と前記コンプレッサの回転数との関係を表し、前記燃料電池に供給される空気流量が十分に確保できる空気圧力の範囲内で前記空気圧力制御弁の弁開度の上限値を定めることを特徴とする。
請求項４に記載の発明は、請求項１又は２記載の発明において、前記空気圧力変化制限手段は、前記空気圧力制御弁の弁開度を、テーブルデータに基づいて算出された下限値以上に制限する弁開度下限制限手段を有し、前記テーブルデータは、前記燃料電池の発電量と前記空気圧力制御弁の弁開度の下限値との関係を表し、前記燃料電池に供給される空気流量が十分に確保できる空気圧力の範囲内で前記空気圧力制御弁の弁開度の下限値を定めることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池の発電量を増加させる場合に、発電量の増加量が大きいほど目標空気圧力に対する遅れが大きくなるように、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせるようにした。あるいは、本発明によれば、燃料電池の発電量を増加させる場合に、目標空気圧力の増加量が大きいほど目標空気圧力に対する遅れが大きくなるように、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせるようにした。これにより、燃料電池の発電量を増加させる場合に、空気圧力の急峻な上昇によって、燃料電池へ供給される空気流量が一時的に減少することを防止でき、空気流量を単調に増加させることが可能となる。この結果、燃料電池の発電量を急激に増加させる場合においても、空気流量の不足を発生させることなく、発電量の増加を実現することができる。

以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１の燃料電池システムは、エゼクタ１、水素循環流路２、燃料電池スタック３、水素パージ弁４、排水素燃焼器５、燃料電池スタック３に空気を圧縮して供給するコンプレッサ６、コンプレッサ６から排出された空気を燃料電池スタック３に導く空気供給流路７、水素入口温度センサ８、水素入口圧力センサ９、燃焼器温度センサ１０、燃料電池スタック３から排出された空気を排水素燃焼器５に導く排空気流路１１、燃料電池スタック３に供給される空気の圧力を制御する空気圧力制御弁１２を備えている。

また、この燃料電池システムは、後述するこの実施例１に特徴的な動作処理を実施するための制御中枢となり、図１に示す各種センサからの検出値を入力し、ならびに動作の制御が必要となる図１に示す構成要素を制御して燃料電池システムの制御装置として機能するコントローラ１３、水素圧力制御弁１４、空気供給流路７に設けられて燃料電池スタック３の入口側の空気圧を検出する空気入口圧力センサ１５、コンプレッサ６と燃料電池スタック３の間の空気供給流路７に設けられて、燃料電池スタック３に供給される空気の流量を検出する空気流量センサ１６、電流センサ１７、電圧センサ１８、タンク出口水素流量センサ２０、タンク温度センサ２１、タンク圧力センサ２２ならびに水素タンク２３を備えて構成されている。

上記構成において、水素タンク２３から供給される水素は、水素圧力制御弁１４を経由して、エゼクタ１に供給される。エゼクタ１で水素循環流路２を通過してきた水素と混合され、燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３の入口での水素の温度と圧力は、それぞれ水素入口温度センサ８、水素入口圧力センサ９で測定される。水素圧力制御弁１４の制御は、水素入口圧力センサ９で測定される圧力により行われる。通常は水素パージ弁４は閉じており、燃料電池スタック３から排出される水素を水素循環流路２に流すようにする。また、水素タンク２３から供給される水素流量は、タンク出口水素流量センサ２０によって測定され、水素タンク２３内の温度及び圧力はそれぞれタンク温度センサ２１、タンク圧力センサ２２によって測定される。

酸化剤となる空気は、コンプレッサ６により供給される。コンプレッサ６により供給された空気は、空気流量センサ１６で計量された後、燃料電池スタック３へ供給される。燃料電池スタック３の入口での空気の圧力は、空気入口圧力センサ１５で測定され、空気圧力制御弁１２で制御される。燃料電池スタック３から排出された空気（以下、排空気と呼ぶ）は、排水素燃焼器５を経由して大気中に放出される。

燃料電池スタック３の出力電流は電流センサ１７で測定され、出力電圧は電圧センサ１８で測定される。この実施例１では、燃料電池スタック３の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池スタック３から取り出す出力が高いときには運転圧力を高め、出力が低いときは運転圧力を低める。

燃料電池スタック３内に水溢れ（以下フラッディングと呼ぶ）等が発生した場合や、燃料電池スタック３の運転圧を低下させる場合、あるいは水素タンク２３から供給される水素を排水素燃焼器５で燃焼させてシステムを暖機する場合などには、水素パージ弁４を開けて水素循環流路２および燃料電池スタック３に存在する水素を排水素燃焼器５へ排出する。排水素燃焼器５では、排出された水素（以下、排水素と呼ぶ）と排空気を反応させて処理する。その際の排水素燃焼器５の温度は、燃焼器温度センサ１０で測定される。

これらすべてのセンサの出力及び水素パージ弁４等のアクチュエータの駆動信号は、コントローラ１３に対して入出力されている。

図２は図１に示すコントローラ１３の構成を示す図である。図２において、コントローラ１３は、目標空気流量算出部１３１、空気流量制御部（コンプレッサ制御部）１３２、第１の目標空気圧力算出部１３３、空気圧力制限部１３４、空気圧力制御部（圧力制御弁制御部）１３５を備えて構成されている。

目標空気流量算出部１３１は、燃料電池スタック３の目標発電電流を入力し、この目標発電電流に基づいて、燃料電池スタック３に供給される目標空気流量を算出する。算出された目標空気流量は、空気流量制御部１３２に与えられる。空気流量制御部１３２は、目標空気流量算出部１３１で算出された目標空気流量と目標空気圧力とに基づいて、目標空気流量を制御するために、コンプレッサ６に駆動信号を出力して、コンプレッサ６の駆動を制御する。第１の目標空気圧力算出部１３３は、燃料電池スタック３の目標発電電流を入力し、この目標発電電流に基づいて第１の目標空気圧力を算出する。算出された第１の目標空気圧力は空気圧力制限部１３４に与えられる。

空気圧力制限部１３４は、第１の目標空気圧力算出部１３３で算出された第１の目標空気圧力を入力し、この第１の目標空気圧力に基づいて空気圧力の制限を行い、第１の目標空気圧力に対して後述する遅れ処理を実行して目標空気圧力、ならびに空気圧力制御弁１２の弁開度上限値と弁開度下限値を算出する。算出された目標空気圧力は、空気流量制御部１３２ならびに空気圧力制御部１３５に与えられ、算出された弁開度上限値ならびに弁開度下限値は、空気圧力制御部１３５に与えられる。空気圧力制御部１３５は、空気圧力制限部１３４で算出された目標空気圧力、ならびに弁開度上限値と弁開度下限値を入力し、これらの目標空気圧力、ならびに弁開度上限値と弁開度下限値に基づいて、空気圧力を制御するために、空気圧力制御弁１２に駆動信号を出力して、空気圧力制御弁１２の弁開度を制御する。

図３は上記実施例１における、燃料電池システムの空気流量制御ならびに空気圧力制御の実行手順を示すフローチャートである。この図３のフローチャートに示す実行手順は、所定の周期、例えば周期ΔＴ＝０．０１［ｓｅｃ］毎に実行される。

図３において、まずステップＳ３０１では、燃料電池スタック３の発電電流に基づいて、図４に示す発電電流と目標空気流量との関係を表して作成されたテーブルデータを使用して、燃料電池スタック３に供給する目標空気流量ｔＱＡ［ＮＬ／ｍｉｎ］を算出する。このテーブルデータは、燃料電池スタック３の発電電流に対して所定の空気過剰率（例えば２．０程度）となるように値が設定される。また、テーブルデータに代えてテーブルデータと同様の関係が得られる演算式を用いて算出してもよい。

次に、ステップＳ３０２において、燃料電池スタック３の発電電流に基づいて、図５に示す発電電流と目標空気圧力との関係を表して作成されたテーブルデータを使用して、第１の目標空気圧力ｔＰＡ0 ［ｋＰａ］（燃料電池スタック３のカソード側入口の空気圧力の目標値）を算出する。このテーブルデータは、発電電流に対して燃料電池スタック３のの発電効率などを考慮して値が設定される。また、テーブルデータに代えてテーブルデータと同様の関係が得られる演算式を用いて算出してもよい。

次に、ステップＳ３０３において、空気圧力の制限を行うため、目標空気圧力ｔＰＡ［ｋＰａ］と、空気圧力制御弁１２の弁開度の上限値ＴＶＯUL［ｄｅｇ］、あるいは下限値ＴＶＯLL［ｄｅｇ］の算出を行う。ここでの処理の詳細の説明は後述する。

次に、ステップＳ３０４において、コンプレッサ６の制御を行う。ここでは、前記目標空気流量ｔＱＡ［ＮＬ／ｍｉｎ］と前記目標空気圧力ｔＰＡ［ｋＰａ］とに基づいて、図６に示す目標空気流量とコンプレッサ６の駆動デューティ比との関係を表して作成されたマップデータを用いて、コンプレッサ６の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ｃｏｍｐ［％］を算出し、ＰＷＮ駆動信号を出力する。なお、このマップデータはコンプレッサ６の特性を予め実験的に取得して作成される。

次に、ステップＳ３０５において、空気圧力制御弁１２の制御を行う。ここでは、前記目標空気圧力ｔＰＡと、空気入口圧力センサ１５の圧力検出信号にしたがって検出した空気入口圧力ＰＡ[ｋＰａ]とに基づいて、ＰＩＤ制御を用いて、空気圧力制御弁１２の目標開度ｔＴＶＯを算出する。なお、ＰＩＤ制御の実現方法は一般的によく知られているので、ここでは説明は割愛する。そして、空気圧力制御弁１２の弁開度の上限値ＴＶＯUL［ｄｅｇ］と下限値ＴＶＯLL［ｄｅｇ］によって前記目標開度ｔＴＶＯの制限を行う。次に、その目標開度ｔＴＶＯと、空気圧力制御弁１２の実際の開度ＴＶＯ［ｄｅｇ］とに基づいて、ＰＩＤ制御を用いて、空気圧力制御弁１２の駆動デューティ比Ｄｕｔｙ＿ａを算出し、ＰＷＭ駆動信号を出力する。

図７は図３のステップＳ３０３で示す空気圧力制限処理の具体的な実行手順を示すフローチャートである。

図７において、まずステップＳ７０１では、前記第１の目標空気圧力ｔＰＡ0 の上昇が所定値以上、例えば３００［ｋＰａ／ｓｅｃ］以上であるか否かを判定する。判定結果において、所定値以上である場合は、ステップＳ７０２へ進み、所定値未満である場合には、ステップＳ７０５へ進む。

次に、ステップＳ７０２において、前記第１の目標空気圧力ｔＰＡ0 に対して遅れ処理を行うための遅れ量の算出を行う。この遅れ処理は、例えばむだ時間処理と、一次遅れ処理とし、ここでは、むだ時間Ｔｃと時定数τを算出する。燃料電池スタック３の発電量の増加量が大きいほど、遅れが大きくなるように空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせる場合には、発電電流の増加量に基づいて、図８に示す発電電流の増加量とむだ時間との関係を表して作成されたテーブルデータを用いてむだ時間Ｔｃを算出する。また、図９に示す発電電流の増加量と時定数との関係を表して作成されたテーブルデータを用いて時定数τを算出する。

一方、目標空気圧力の増加量が大きいほど、遅れが大きくなるように、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせる場合には、第１の目標空気圧力ｔＰＡ0 の増加量に基づいて、むだ時間Ｔｃと時定数τを算出する。なお、この場合も、図８及び図９に示すような、目標空気圧力の増加量が大きいほど遅れが大きくなるようなテーブルデータを用いて、むだ時間Ｔｃと時定数τを算出すればよい。

次に、ステップＳ７０３において、第１の目標空気圧力ｔＰＡ0 に対して遅れ処理を行って、目標空気圧力ｔＰＡを算出する。前述したように、この遅れ処理は、例えばむだ時間処理と一次遅れ処理で容易に実現することができる。また、これら以外の遅れ処理を用いてもよく、発電量が急激に増加した場合においても燃料電池スタック３への供給空気流量が十分確保できるような方法及び遅れの大きさを設定すればよい。

次に、ステップＳ７０４において、コンプレッサ６の回転数Ｒｍｐ＿Ｃｏｍｐ［ｒｐｍ］と目標空気圧力ｔＰＡとに基づいて、図１０に示す目標空気圧力とコンプレッサ６の回転数との関係を表して作成されたマップデータを用いて空気圧力制御弁１２の開度の上限値ＴＶＯULを算出する。このマップデータは、燃料電池スタック３の発電量が急激に増加した場合に、空気圧力が上昇したとしても燃料電池スタック３への供給空気流量が十分確保できるような空気圧力の範囲内で、空気圧力の上昇を抑えるように空気圧力制御弁１２の開度の上限値を定める。

一方、ステップＳ７０５では、第１の目標空気圧力ｔＰＡ0 の上昇が所定値未満である場合には、目標空気圧力ｔＰＡを第１の目標空気圧力ｔＰＡ0 と等しい値とし、かつ空気圧力制御弁１２の開度の上限値ＴＶＯULを全開の相当値、例えば９０［ｄｅｇ］とする。すなわち、目標圧力の遅れ処理及び空気圧力制御弁１２の開度の上限制限が実質的に行われないようにする。

図１１は図７に示す空気圧力の制限処理を行った場合の、空気流量及び空気圧力の様子を示す図である。図１１において、目標空気流量に対して目標空気圧力の増加を遅らせたことによって、空気流量が一時的に減少することはなく、燃料電池スタック３に供給される空気が不足することなく発電量の上昇を実現することができる。

以上説明したように、上記実施例１においては、燃料電池スタック３の発電量を増加させる場合に、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせるようにしたので、燃料電池スタック３の発電量を増加させる場合に、空気圧力の急峻な上昇によって、燃料電池スタック３に供給される空気流量が一時的に減少することを防止することができ、空気流量を単調に増加させることが可能となる。したがって、燃料電池スタック３の発電量を急激に増加させる場合においても、空気流量の不足を発生させることなく、発電量の増加を実現することができる。

また、燃料電池スタック３の発電量に基づいて第１の目標空気圧力を算出し、算出した第１の目標空気圧力に対して遅れ処理を行って目標空気圧力を算出するようにしたので、燃料電池スタック３の発電量を増加させる場合に、目標空気圧力の遅れ処理という容易な手段で、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を確実に遅らせることができ、かつ空気流量を単調に増加させることが可能となる。したがって、燃料電池スタック３の発電量を急激に増加させる場合においても、容易な手段で、かつ確実に空気流量の不足を発生させることなく、発電量の増加を実現することができる。

さらに、目標空気圧力の遅れ処理を行う場合に、空気圧力制御弁１２の弁開度を所定値以下に制限するようにしたので、燃料電池スタック３の発電量を増加させる場合に、空気流量の増加によって空気圧力が上昇した場合に、空気圧力制御弁１２の弁開度の上限が制限されるので、空気圧力を下げる操作を制限することができる。これにより、発電量の増加に対して、空気圧力の増加を必要以上に遅らせることを防止することができる。したがって、燃料電池スタック３の発電量を急激に増加させる場合においても、空気流量の不足を発生させることなく、発電量の増加を実現することができ、かつ空気圧力の上昇を必要以上に遅らせることを防止することができる。

また、燃料電池スタック３の発電量の増加量に基づいて、発電量の増加量が大きいほど遅れが大きくなるように、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせるようにしたので、発電量の増加量が大きく、空気流量の不足が大きくなる可能性がある場合においては、空気圧力の遅れを大きくすることができる。これにより、発電量の増加量が大きい場合でも確実に空気流量の不足を防止することができる。また、発電量の増加量が小さく、空気流量の不足が小さいような場合には、空気圧力の遅れを小さくすることができる。これにより、空気圧力の応答性を向上させることができる。

さらに、目標空気圧力の増加量に基づいて、目標空気圧力の増加量が大きいほど、遅れが大きくなるように、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせるようにしたので、目標空気圧力の増加量が大きく、空気流量の不足が大きくなる可能性がある場合においては、空気圧力の遅れを大きくすることができる。これにより、目標空気圧力の増加量が大きい場合でも確実に空気流量の不足を防止することができる。また、目標空気圧力の増加量が小さく、空気流量の不足が小さいような場合には、空気圧力の遅れを小さくすることができる。これにより、空気圧力の応答性を向上させることができる。

図１２は本発明の実施例２に係る空気圧力の制限処理、すなわち図３に示す手順のステップＳ３０３に示す処理の、具体的な手順を示すフローチャートである。

図１２において、ステップＳ１２０１では、燃料電池スタック３の発電電流に基づいて、図１３に示す発電電流と空気圧力制御弁１２の弁開度下限値の関係を表して作成されたテーブルデータを用いて、空気圧力制御弁１２の開度の下限値ＴＶＯLLを算出する。このテーブルデータは、発電量が急激に増加した場合においても燃料電池スタック３への供給空気流量が十分確保できるような範囲内で弁開度下限値が設定されている。

図１４は図１２に示す空気圧力の制限処理を行った場合の、空気流量及び空気圧力の様子を示す図である。図１４において、空気圧力制御弁１２の開度の下限値が制限されるので、空気圧力の上昇が鈍くなり、空気流量の一時的な減少量が小さくなっている。これにより、燃料電池スタック３に供給される空気が不足することなく発電量の上昇を実現することができる。

以上説明したように、上記実施例２においては、空気圧力制御弁１２の弁開度を所定値以上に制限するようにしたので、燃料電池スタック３の発電量を増加させる場合に、空気圧力制御弁１２の開度を制限するという容易な手段で、空気流量の増加に対して空気圧力の増加を遅らせることができ、空気流量の減少量を小さくすることが可能となる。したがって、燃料電池スタック３の発電量を急激に増加させる場合においても、容易な手段で、空気流量の不足を発生させることなく、発電量の増加を実現することができる。

本発明の実施例１に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムの構成を示す図である。 コントローラ１３の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る燃料電池システムの制御装置の処理動作を示すフローチャートである。 発電電流と目標空気流量との関係を表すテーブルデータを示す図である。 発電電流と目標空気圧力との関係を表すテーブルデータを示す図である。 目標空気流量とコンプレッサ６の駆動デューティ比との関係を表すマップデータを示す図である。 空気圧力の制限処理の手順をフローチャートである。 発電電流の増加量とむだ時間との関係を表すテーブルデータを示す図である。 発電電流の増加量と時定数との関係を表すテーブルデータを示す図である。 目標空気圧力と圧力制御弁開度の上限値との関係を表すマップデータを示す図である。 実施例１における空気流量と空気圧力の応答性の様子を示す図である。 本発明の実施例２に係る空気圧力の制限処理の手順を示すフローチャートである。 発電電流と圧力制御弁開度の下限値との関係を表すテーブルデータを示す図である。 実施例２における空気流量と空気圧力の応答性の様子を示す図である。 空気流量と空気圧力の従来の応答性の様子を示す図である。

符号の説明

１…エゼクタ
２…水素循環流路
３…燃料電池スタック
４…水素パージ弁
５…排水素燃焼器
６…コンプレッサ
７…空気供給流路
８…水素入口温度センサ
９…水素入口圧力センサ
１０…燃焼器温度センサ
１１…排空気流路
１２…空気圧力制御弁
１３…コントローラ
１４…水素圧力制御弁
１５…空気入口圧力センサ
１６…空気流量センサ
１７…電流センサ
１８…電圧センサ
２０…タンク出口水素流量センサ
２１…タンク温度センサ
２２…タンク圧力センサ
２３…水素タンク
１３１…目標空気流量算出部
１３２…空気流量制御部
１３３…第１の目標空気圧力算出部
１３４…空気圧力制限部
１３５…空気圧力制御部

Claims (4)

1. 燃料ガスと空気の供給を受けて、供給された燃料ガスと空気を反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池のカソードに空気を供給するコンプレッサと、前記燃料電池のカソードから排出される空気の圧力を制御する空気圧力制御弁とを備えた燃料電池システムにおける、目標空気流量に基づいて前記コンプレッサを駆動制御して、前記燃料電池のカソードに供給される空気の流量を制御する空気流量制御手段と、
   前記空気圧力制御弁の弁開度に基づいて、前記カソード入口の空気圧力を目標空気圧力に制御する空気圧力制御手段と
   を備えた燃料電池システムの制御装置において、
   前記燃料電池の発電量を増加させる場合に、前記燃料電池に供給される空気の流量の増加に対して、前記燃料電池に供給される空気の圧力の増加を遅らせる空気圧力変化制限手段を有し、
   前記空気圧力変化制限手段は、
   前記燃料電池の発電量と目標空気圧力との関係を表すテーブルデータ、または前記テーブルデータと同様の関係が得られる演算式に基づいて、第１の目標空気圧力を算出する第１の目標空気圧力算出手段と、
   前記燃料電池の発電量の増加量と遅れ量との関係を表すテーブルデータに基づいて遅れ量を算出し、算出した遅れ量に基づいて、前記第１の目標空気圧力に対して遅れ処理を行って前記目標空気圧力を算出する目標空気圧力遅れ処理手段とを備え、
   前記燃料電池の発電量の増加量に基づいて、該増加量が大きいほど、目標空気圧力に対する遅れが大きくなるように、前記空気流量の増加に対して前記空気圧力の増加を遅らせることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 燃料ガスと空気の供給を受けて、供給された燃料ガスと空気を反応させて発電する燃料電池と、前記燃料電池のカソードに空気を供給するコンプレッサと、前記燃料電池のカソードから排出される空気の圧力を制御する空気圧力制御弁とを備えた燃料電池システムにおける、目標空気流量に基づいて前記コンプレッサを駆動制御して、前記燃料電池のカソードに供給される空気の流量を制御する空気流量制御手段と、
   前記空気圧力制御弁の弁開度に基づいて、前記カソード入口の空気圧力を目標空気圧力に制御する空気圧力制御手段と
   を備えた燃料電池システムの制御装置において、
   前記燃料電池の発電量を増加させる場合に、前記燃料電池に供給される空気の流量の増加に対して、前記燃料電池に供給される空気の圧力の増加を遅らせる空気圧力変化制限手段を有し、
   前記空気圧力変化制限手段は、
   前記燃料電池の発電量と目標空気圧力との関係を表すテーブルデータ、または前記テーブルデータと同様の関係が得られる演算式に基づいて、第１の目標空気圧力を算出する第１の目標空気圧力算出手段と、
   目標空気圧力の増加量と遅れ量との関係を表すテーブルデータに基づいて遅れ量を算出し、算出した遅れ量に基づいて、前記第１の目標空気圧力に対して遅れ処理を行って前記目標空気圧力を算出する目標空気圧力遅れ処理手段とを備え、
   前記目標空気圧力の増加量に基づいて、該増加量が大きいほど、前記目標空気圧力に対する遅れが大きくなるように、前記空気流量の増加に対して前記空気圧力の増加を遅らせることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
3. 前記空気圧力変化制限手段は、
   前記目標空気圧力遅れ処理手段で目標空気圧力の遅れ処理を行う場合には、前記空気圧力制御弁の弁開度を、マップデータに基づいて算出された上限値以下に制限する弁開度上限制限手段を有し、
   前記マップデータは、目標空気圧力と前記コンプレッサの回転数との関係を表し、前記燃料電池に供給される空気流量が十分に確保できる空気圧力の範囲内で前記空気圧力制御弁の弁開度の上限値を定める
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記空気圧力変化制限手段は、
   前記空気圧力制御弁の弁開度を、テーブルデータに基づいて算出された下限値以上に制限する弁開度下限制限手段を有し、
   前記テーブルデータは、前記燃料電池の発電量と前記空気圧力制御弁の弁開度の下限値との関係を表し、前記燃料電池に供給される空気流量が十分に確保できる空気圧力の範囲内で前記空気圧力制御弁の弁開度の下限値を定める
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システムの制御装置。

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