JP4972943B2 - 燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムの制御装置及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、補機を利用して燃料電池の発電を実施する燃料電池システムの制御装置に係り、特に補機で実際に消費される電力に基づいて定常補機消費電力を補正し、電力の取り出しとガス供給との間に不一致が生じることを防止する燃料電池システムの制御装置及びその方法に関する。
燃料電池システムは、高分子電解質膜（例えば、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜など）に代表されるイオン交換物質の両側に、白金等からなる触媒電極をそれぞれ配置することによって膜−電極集合体（ＭＥＡ）を形成し、この膜−電極集合体を積層することによって燃料電池スタックを構成している。この燃料電池スタックでは、水素を含有する燃料ガスが燃料極（アノード極）に供給され、酸素を含有する酸化剤ガスが酸化剤極（カソード極）に供給されて発電が実施されている。
このような燃料電池システムは、化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電システムであり、高い発電効率を有することや有害物質の排出量が極めて少ないこと等から最近注目されている。
上述した燃料電池システムを車両に搭載した場合には、燃料電池の発電電力を制御するために、まず車両を駆動するために必要な車両要求電力を目標ネット電力として求める。そして、この目標ネット電力に基づいて燃料電池の発電に必要な目標グロス電力（目標発電電力）をコンプレッサ等の補機の消費電力を加味して演算し、この目標グロス電力に基づいて燃料電池における発電を制御している。
ただし、目標グロス電力には、燃料電池からの電力取出制御に用いる目標グロス電力と、補機制御（即ち、ガス供給制御）に用いる目標グロス電力とがあり、このうち電力取出制御に用いる目標グロス電力の算出方法としては、補機の負荷パラメータ（例えば、コンプレッサの回転数やトルクなど）をフィードバックして補機の消費電力を演算することによって目標グロス電力を算出している。
一方、補機制御に用いる目標グロス電力の算出方法としては、燃料電池の定常特性を考慮したマップを予め用意しておき、このマップに目標ネット電力を入力して補機の消費電力を演算することによって目標グロス電力を求めている。
ここで、補機制御に用いる目標グロス電力を算出する際にマップを用いる理由としては、制御対象である補機の負荷パラメータをフィードバックしてしまうと、自己の状態を入力とした制御ループ（ポジティブフィードバック）となってしまい、制御が振動的になってしまうからである。
このような車両に搭載された燃料電池システムにおける発電電力の制御方法の従来例としては、例えば特開２００４−１８５８２１号公報（特許文献１）が開示されている。
特開２００４−１８５８２１号公報
しかしながら、マップを用いて求めた目標グロス電力に基づいて補機制御を行なうと、過度的な変動による消費電力の変化まで考慮することはできず、その結果としてネット要求（目標ネット電力）に対する実現精度が低下してしまう。そのため、ガス供給制御と燃料電池スタックからの取出電流との間に不一致が生じ、高分子電解質膜のドライアウトや水素スタベーションによる燃料電池スタックの性能低下を引き起こしてしまうという問題点があった。
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システムの制御装置は、補機を利用して燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムの制御装置において、前記補機の負荷パラメータを検出する負荷パラメータ検出手段と、前記負荷パラメータに基づいて実際に補記が消費する電力を、実補機消費電力として演算する実補機消費電力演算手段と、前記燃料電池システムに要求された要求発電電力を発電するために必要となる補機の消費電力を、前記補機の定常特性に基づいて定常補機消費電力として演算する定常補機消費電力演算手段と、前記定常補機消費電力を前記実補機消費電力に近づけるための電力補正量を演算し、この電力補正量に基づいて前記定常補機消費電力を補正する補機消費電力補正手段と、前記補機消費電力補正手段によって補正された定常補機消費電力と前記要求発電電力とに基づいて、前記燃料電池システムの発電制御を実施する発電制御手段とを備え、前記補機消費電力補正手段は、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制するとともに、前記燃料電池システムの制御を実施する速度に対して、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制する速度を遅くするように、前記電力補正量を算出することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池システムの制御方法は、補機を利用して燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムの制御方法において、前記補機の負荷パラメータを検出する負荷パラメータ検出ステップと、前記負荷パラメータに基づいて実際に補記が消費する電力を、実補機消費電力として演算する実補機消費電力演算ステップと、前記燃料電池システムに要求された要求発電電力を発電するために必要となる補機の消費電力を、前記補機の定常特性に基づいて定常補機消費電力として演算する定常補機消費電力演算ステップと、前記定常補機消費電力を前記実補機消費電力に近づけるための電力補正量を演算し、この電力補正量に基づいて前記定常補機消費電力を補正する補機消費電力補正ステップと、前記補機消費電力補正ステップで補正された定常補機消費電力と前記要求発電電力とに基づいて、前記燃料電池システムの発電制御を実施する発電制御ステップとを含み、前記補機消費電力補正ステップでは、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制するとともに、前記燃料電池システムの制御を実施する速度に対して、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制する速度を遅くするように、前記電力補正量を算出することを特徴とする。
本発明に係る燃料電池システムの制御装置では、定常補機消費電力を実補機消費電力に近づけるための電力補正量を演算し、この電力補正量に基づいて定常補機消費電力を補正して燃料電池システムの発電制御を実施するので、経時劣化等によって補機消費電力の定常特性が変化した場合や設計誤差が生じた場合であっても実際の補機の負荷パラメータを用いて電力補正量を算出して補正することができ、これによってシステムの変化に関わらず補機の消費電力の演算精度を高く実現することができる。さらに、燃料電池システムが必要とする定常的な正味発電量の実現精度を高く維持することが可能になるとともに、電力の取出しとガス供給との間に不一致が生じることを抑制することが可能になる。
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池スタック２と、燃料電池システム１の全体を制御するコントローラ（制御装置）３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４から供給される水素ガスの圧力を調整する水素圧力制御弁５と、水素タンク４から供給された水素ガスと再循環してきた水素ガスとを混合するエゼクタ６と、燃料電池スタック２で消費されなかった水素ガスを再循環させる水素循環流路７と、燃料電池スタック２における反応で使用されない不純物を排出する水素パージ弁８と、水素タンク４内の温度を検出するタンク温度センサ９と、水素タンク４内の圧力を検出するタンク圧力センサ１０と、燃料電池スタック２のアノード入口における水素温度を検出する水素入口温度センサ１１と、燃料電池スタック２のアノード入口における水素圧力を検出する水素入口圧力センサ１２と、空気を加圧して燃料電池スタック２のカソードに供給するコンプレッサ１３と、コンプレッサ１３から供給される空気の流量を検出する空気流量センサ１４と、コンプレッサ１３から燃料電池スタック２のカソードへ空気を供給する空気供給流路１５と、燃料電池スタック２のカソード入口における空気圧力を検出する空気入口圧力センサ１６と、燃料電池スタック２のカソードから空気を排出する排空気流路１７と、燃料電池スタック２における空気の圧力を制御する空気圧力制御弁１８と、燃料電池スタック２を冷却するための冷却液を循環させる冷却液循環ポンプ１９と、燃料電池スタック２から排出された冷却液温度を検出する冷却液温度センサ２０と、循環する冷却液を放熱させて冷却する熱交換器２１と、燃料電池スタック２によって発電される電力を制御する電力制御装置２２と、燃料電池スタック２の出力電流を検出する電流センサ２３と、燃料電池スタック２の出力電圧を検出する電圧センサ２４とを備えている。
ここで、上述した燃料電池システム１において、燃料電池スタック２ではアノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。
アノード（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- （１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ （２）
また、燃料電池スタック２のアノードに水素を供給する水素供給系では、水素タンク４に水素が貯蔵されており、この水素タンク４内の温度及び圧力はそれぞれタンク温度センサ９とタンク圧力センサ１０によって測定される。そして、水素タンク４から供給された高圧の水素ガスは水素圧力制御弁５によって圧力が制御されてエゼクタ６に供給される。そして、エゼクタ６では水素循環流路７を通過してきた水素と混合され、混合された水素が燃料電池スタック２に供給される。ここで、燃料電池スタック２のアノード入口における水素の温度と圧力はそれぞれ水素入口温度センサ１１と水素入口圧力センサ１２とによって検出され、コントローラ３に送信される。そして、水素入口圧力センサ１２で測定された圧力に基づいて水素圧力制御弁５の制御が行われる。また、燃料電池スタック２から排出された水素は、通常、水素パージ弁８を閉じておくことにより水素循環流路７へ流れるようになっている。ただし、燃料電池スタック２内に水溢れ（フラッディング）等が発生した場合や、燃料電池スタック２の運転圧を低下させる場合などには水素パージ弁８は開放されて水素循環流路７及び燃料電池スタック２内に存在する水素は排出される。ここで、燃料電池スタック２の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池スタック２から取り出される出力や温度によってガス圧力を適切に設定している。
一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ１３が外気から空気を吸入し、吸入した空気を加圧して送出している。送出された空気は空気流量センサ１４で計量された後に空気供給流路１５へ送られ、燃料電池スタック２のカソードへ供給されている。このとき、燃料電池スタック２のカソード入口における空気の圧力を空気入口圧力センサ１６によって検出し、検出された圧力に基づいて空気圧力制御弁１８の開度をコントローラ３が制御している。
また、燃料電池スタック２を冷却する冷却系では、燃料電池スタック２を冷却するための冷却液が冷却液循環ポンプ１９によって循環されており、燃料電池スタック２の熱を吸収して暖められた冷却液は冷却液温度センサ２０によって温度が計測された後に熱交換器２１へ送られ、熱交換器２１で放熱して冷却されている。
さらに、燃料電池スタック２の出力電流は電流センサ２３によって検出され、出力電圧は電圧センサ２４によって検出されてコントローラ３に出力されている。また、燃料電池スタック２から取り出される電力は、電力制御装置２２によって制御され、この電力制御装置２２は昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック２とモータなどの外部負荷との間に配置されて燃料電池スタック２の取出電力を制御している。このＤＣ／ＤＣコンバータでは、昇圧変換と降圧変換のときにはそれぞれ動作させるスイッチング素子が異なっており、スイッチング素子へ加える制御信号のデューティ比に応じて所望の電圧を出力させることができる。したがって、昇圧時には入力電圧以上の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御され、降圧時には入力電圧以下の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御されている。
また、コントローラ３は上述したすべてのセンサからの出力を受信し、コンプレッサ１３や水素パージ弁８などを駆動するアクチュエータに対して駆動信号を出力している。さらに、燃料電池システム１に対して以下に示す発電制御処理を実施している。ここで、コントローラ３の構成を図２に基づいて説明する。
図２に示すように、コントローラ３は、コンプレッサ１３などの補機の負荷パラメータを検出する負荷パラメータ検出部３１と、負荷パラメータに基づいて実際に補記が消費する電力を実補機消費電力として演算する実補機消費電力演算部３２と、補機の定常特性に基づいて燃料電池システム１に要求された要求発電電力を発電するために必要となる補機の消費電力を定常補機消費電力として演算する定常補機消費電力演算部３３と、定常補機消費電力を実補機消費電力に近づけるための電力補正量を演算し、この電力補正量に基づいて定常補機消費電力を補正する補機消費電力補正部３４と、燃料電池スタック２の発電量に基づいて電力補正量を負荷領域に分類し、この負荷領域毎に電力補正量を記憶する電力補正量記憶部３５と、補機消費電力補正部３４によって補正された定常補機消費電力と要求発電電力とに基づいて燃料電池システム１の発電制御を実施する発電制御部３６とを備えている。
これら各部からなるコントローラ３は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータによって構成することができる。ただし、コントローラ３を複数のマイクロコンピュータによって構成することも可能であり、後述する発電制御処理の制御の他にも複数の制御を実行する装置として構成してもよい。
次に、本実施形態のコントローラ３による発電制御処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。ただし、このフローチャートは所定時間周期（例えば１０ｍｓｅｃ周期）で実行されている。
図３に示すように、まずステップＳ２０１において燃料電池システム１の要求発電電力を算出し、ステップＳ２０２において燃料電池スタック２の発電に必要となる目標総発電電力の算出を行う。次に、ステップＳ２０３において目標電流の算出を行い、ステップＳ２０４において水素及び空気のガス供給制御を行う。そして、ステップＳ２０５において燃料電池スタック２の発電電力制御を行って本実施形態のコントローラ３による発電制御処理を終了する。
次に、上述した図２のステップＳ２０１〜Ｓ２０５の各ステップにおいて実施される処理の詳細について説明する。まず、ステップＳ２０１における要求発電電力の算出処理を図４のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、燃料電池システム１に接続された電気負荷の運転状態に基づいて要求発電電力を算出するが、例えばハイブリッド型電気自動車に本実施形態の燃料電池システム１を搭載した場合を一例として説明する。
図４に示すように、ステップＳ３０１において車両に設置されているアクセルセンサの出力に基づいて運転者のアクセル操作量を検出し、ステップＳ３０２において車両に設置された車速センサの出力に基づいて車両の速度を検出する。
次に、ステップＳ３０３において、ステップＳ３０１及びＳ３０２で検出したアクセル操作量と車両速度とに基づいて、図５に示すマップデータを用いて要求発電電力を算出して要求発電電力の算出処理を終了する。
次に、ステップＳ２０２における目標総発電電力の算出処理を図６のフローチャートに基づいて説明する。ここでは、車両から要求された要求発電電力を実現するために必要となる補機消費電力を加味して目標総発電電力を算出する。
図６に示すように、ステップＳ４０１において事前に机上あるいは実機で求めておいた定常特性に基づいて定常補機消費電力を算出する。
そして、ステップＳ４０２において実際に補機で消費されている電力を実補機消費電力として演算する。この実補機消費電力とは、各補機の電圧と電流から演算した補機消費電力や、ポンプあるいはコンプレッサなどであれば回転数とトルクとを乗じた演算値を求め、これらの値に損失電力を加えて演算したものである。この損失電力は損失マップデータへ回転数とトルクを入力して推定したものである。ただし、各補機の電圧、電流、回転数、トルクの計測ノイズを考慮して、ローパスフィルタを透過した値を用いるようにしても良い。
次に、ステップＳ４０３において、定常補機消費電力を実補機消費電力に近づけるように定常補機消費電力を補正するための電力補正量を算出する。
ここで、電力補正量を演算するための補記消費電力の補正処理を図７のフローチャートに基づいて説明する。図７に示すように、まずステップ５０１において電力補正量を更新するための学習条件を満たすか否かを判定する学習実施許可判定を行う。この学習実施許可判定では、学習条件を満たさないときには電力補正量の更新を禁止し、学習条件を満たすときには電力補正量を更新する。
この学習実施許可判定処理を、図８のフローチャートに基づいて説明する。図８に示すように、ステップＳ６０１において燃料電池システム１が定常発電中であるか否かの判定を行う。これにより燃料電池システム１の運転状態によって安定して計測が行なえない場合を除去している。
この定常発電中であるか否かの判断については、燃料電池スタック２の運転圧力を水素入口圧力センサ１２及び空気入口圧力センサ１６によって検出し、この検出された圧力が、ステップＳ２０４で求められる目標水素入口圧力と目標空気入口圧力との差を所定値以下にするという条件を満たす場合にタイマーを加算していく。そして、このタイマーが所定時間以上経過した場合に、燃料電池システム１が定常発電中であると判定する。ただし、燃料電池スタック２の総発電電力及び実補機消費電力が定常発電中と大差が生じないように、所定値及び所定時間の設定を行う。また、ガス流量、出力取出電流、運転温度などの燃料電池スタック２の運転状態に起因するその他の値を用いて同様の判断を行うようにしてもよい。
次に、ステップＳ６０２では、定常発電中か否かの判定を行い、定常発電中であると判定された場合にはステップＳ６０３へ進み、発電要求によりガス供給を実施しているか否かの判定を行う。また、ステップＳ６０２で定常発電中であると判定されなかった場合には学習条件を満たさないので、ステップＳ６０６に進んで、学習実施許可フラグを「０」に設定して学習実施許可判定処理を終了する。
一方、ステップＳ６０３ではステップＳ２０４で演算されるガス供給制御の全パラメータが、ステップＳ２０３で求めた目標電流に基づいて決められている場合には、発電要求によってガス供給を実施していると判定する。
ここで、定常補機消費電力は、発電要求中のガス供給に基づいて設計されており、発電以外の要求によってガス供給を実施している場合（例えば、パワープラント起動時、パワープラント停止時、アイドルストップ中などの車両要求ではなくパワープラントの都合により動かしているような場合）に電力補正量を演算してしまうと誤学習してしまうため、このステップＳ６０３を実施している。
次に、ステップＳ６０４では、ステップＳ６０３で発電要求によってガス供給を実施していると判定された場合には、ステップＳ６０５に進んで学習実施許可フラグを「１」に設定して学習実施許可判定処理を終了し、ステップＳ６０３で発電要求によってガス供給を実施していると判定されなかった場合には、電力補正量を更新すると誤学習してしまう条件であるため、ステップＳ６０６に進んで学習実施許可フラグを「０」に設定して学習実施許可判定処理を終了する。
次に、ステップＳ５０２における電力補正量の演算処理を図９のフローチャートに基づいて説明する。図９に示すように、まずステップＳ７０１において、電力補正量を演算するときの基準となる基準目標総発電電力を演算する。ここでは、ステップＳ３０３で算出した要求発電電力に、ステップＳ４０１で算出した定常補機消費電力を加算して基準目標総発電電力を求める。
そして、ステップＳ７０２ではステップＳ５０１で求めた学習実施許可フラグが「１」であるか否かを判定し、学習実施許可フラグが「１」である場合には電力補正量を更新するためにステップＳ７０３へ進み、学習実施許可フラグが「０」である場合にはステップＳ７０６へ進む。
まず、学習実施許可フラグが「１」で電力補正量を更新する場合には、ステップＳ７０３においてステップＳ４０１で算出した定常補機消費電力と、ステップＳ４０２で算出した実補機消費電力との差を求める。
次に、ステップＳ７０４において電力補正量の演算を行う。この電力補正量の演算では、ステップＳ７０１で算出した基準目標総発電電力を入力として、電力補正量を出力とする１次関数の学習式
電力補正量(k)＝Ａ(k)*基準目標総発電電力(k) ・・・（１）
ここで、Ａ（ｋ）＝θ（k-1）＋ε（ｋ）・ｋ
θ（k-1）：初期値（ステップＳ７０１で算出した基準目標総発電電力に対応して記憶された従前の電力補正量）に相当する項
ε（ｋ）：ステップＳ４０１で算出した定常補機消費電力と、ステップＳ４０２で算出した実補機消費電力との差に相当する項
を用いる。この学習式では、ステップＳ７０３で算出した定常補機消費電力と実補機消費電力との差に基づいて学習パラメータＡを更新することにより、電力補正量を算出する。ただし、式（１）は１次関数よりも高い次数の式を用いるようにしても良い。
この学習式により、定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制するとともに、燃料電池スタック２を制御する速度に対して、定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を補正する速度を遅くするように電力補正量を算出する。
また、学習式では基準目標総発電電力を入力として電力補正量を出力としたことにより、主に発電量に基づいて駆動される燃料電池システム１の補機類の動きを精度良く模擬することができ、負荷変動に対する演算精度を向上させることができる。
ただし、学習パラメータＡは、燃料電池システム１の経時劣化及び暖気過程時の様々な特性変化に対して時々刻々と変化する特性であることや、実補機消費電力が検出センサの分解能の影響によって計測誤差を含んでいる事などにより、例えばアダプティブコントロールの分野で使用され、適応パラメータ推定アルゴリズムとして一般的に知られている逐次最小２乗法等を適用する。また、その他の学習方法を用いても良い。
さらに、電力補正量の算出を、学習式を用いた形式ではなく、定常補機消費電力と実補機消費電力との差が小さくなるように、積分演算などのその他の方法を用いてもよい。
次に、ステップＳ７０５における電力補正量の記憶処理を図１０のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ８０１においてステップＳ７０４で算出した電力補正量を記憶するための負荷領域を、ステップＳ７０１で算出した基準目標総発電電力に基づいて決定する。
そして、ステップＳ８０２において、ステップＳ８０１で決定した負荷領域に対する電力補正量として、ステップＳ７０４で算出した電力補正量を記憶する。また、ステップＳ７０４において学習式を用いて電力補正量を算出している場合には、学習式の学習パラメータＡを記憶するようにしても良い。
次に、ステップＳ７０２において学習実施許可フラグが「１」でない場合には、ステップＳ７０６において、ステップＳ７０５で負荷領域毎に記憶した電力補正量の中から、ステップＳ７０１で算出した基準目標総発電電力に基づいて電力補正量を算出する。
ここで、この電力補正量の算出処理を図１１のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ９０１において、ステップＳ７０１で算出した基準目標総発電電力に基づいて該当する負荷領域を判定する。
そして、ステップＳ９０２ではステップＳ９０１で決定した負荷領域においてステップＳ７０５で記憶された電力補正量データに基づいて電力補正量を算出する。ただし、記憶している電力補正量を使用するのではなく、基準目標総発電電力の前後の負荷領域で記憶されている電力補正量を線形補間して使用するようにしても良い。
次に、図６のステップＳ４０４における目標総発電電力の演算処理を図１２のフローチャートに基づいて説明する。図１２に示すように、ステップＳ１００１において、ステップＳ７０１で算出した基準目標総発電電力に、ステップＳ５０２で算出した電力補正量を加算することによって目標総発電電力を算出して目標総発電電力の演算処理を終了し、図６に示す目標総発電電力の算出処理を終了する。
次に、ステップＳ２０３における目標電流の算出処理を説明する。この目標電流の算出処理では、ステップＳ２０２で算出した目標総発電電力と、冷却液温度センサ２０で検出した燃料電池スタック２の運転温度とに基づいて、図１３に示すマップデータを用いて目標電流を算出する。なお、図１３のマップデータは燃料電池スタック２の電流電圧特性を考慮して設定されている。ただし、目標総発電電力及び燃料電池スタック２の運転圧力等の運転状態によって変化する電流電圧特性を入力とし、目標電流を出力とするマップデータや関数を適用するようにしてもよい。
次に、ステップＳ２０４における水素及び空気のガス供給制御処理を図１４のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ１２０１において目標ガス圧力の算出を行なう。この目標ガス圧力は、ステップＳ２０３で算出した目標電流に基づいて、図１５に示すテーブルデータを用いて算出する。なお、このテーブルデータは燃料電池スタック２の発電効率などを考慮して設定されている。
そして、ステップＳ１２０２では水素ガスの圧力制御を行う。この水素ガスの圧力制御では、算出した目標ガス圧力に基づいて水素圧力制御弁５を操作することによってアノードの水素圧力を制御している。このとき、水素圧力制御弁５の操作は、水素入口圧力センサ１２で検出された燃料電池スタック２の水素圧力と目標ガス圧力との差に基づいてＦ／Ｂ制御を行なって水素圧力制御弁５の指令開度を決定し、実行されている。なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られているその他の方法によって構成することもできる。また、ここで算出される水素圧力制御弁５の指令開度は、コントローラ３から水素圧力制御弁５の駆動回路に対して指示されて、水素圧力制御弁５が指令開度に従って駆動される。
次に、ステップＳ１２０３において空気ガスの流量制御を行う。まず、ステップＳ２０３で算出した目標電流に基づいて、図１６に示すテーブルデータを用いて目標空気流量を算出する。このテーブルデータは、燃料電池の内部で局所的な空気供給不足が起きないような空気利用率となるように設定されている。
そして、目標空気流量を算出したら、この目標空気流量と目標ガス圧力とに基づいて、図１７に示すマップデータを用いてコンプレッサ指令回転数を算出する。なお、このマップデータは、コンプレッサ１３の回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定されている。また、ここで算出したコンプレッサ指令回転数は、コントローラ３からコンプレッサ駆動回路に対して指示されて、コンプレッサ１３が指令回転数に従って駆動される。
次に、ステップＳ１２０４において空気ガスの圧力制御を行う。この空気ガスの圧力制御では、ステップＳ１２０１で算出した目標ガス圧力に基づいて空気圧力制御弁１８を操作することによって空気圧力の制御を行う。空気圧力制御弁１８の操作は、空気入口圧力センサ１６で検出した燃料電池スタック２の空気圧力と目標空気圧力との差に基づいてＦ／Ｂ制御を行なって空気圧力制御弁１８の指令開度を決定し、実行されている。なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された空気圧力制御弁１８の指令開度は、コントローラ３から空気圧力制御弁１８の駆動回路に対して指示されて、空気圧力制御弁１８が指令開度に従って駆動されることになる。
次に、ステップＳ２０５における発電電力制御処理を説明する。この発電電力制御処理では、ステップＳ２０２で算出した目標総発電電力に基づいて燃料電池スタック２の発電電力を制御する。目標総発電電力は、コントローラ３から電力制御装置２２に対して指示され、発電指令電力に従って燃料電池スタック２の発電電力が制御されて本実施形態のコントローラ３による発電制御処理を終了する。
ここで、上述した発電制御処理を実施した場合における効果を説明する。まず、従来の発電制御処理を実施した場合のタイムチャートを図１８に示す。図１８に示すように、補機消費電力の時間変化を見ると、実際に補機で消費されている実補機消費電力に対して定常補機消費電力は少なくなっている。これにより、正味発電電力の時間変化においても要求発電電力に対して実際に燃料電池が発電する実正味発電電力は少なくなっており、燃料電池システムが要求されている電力を供給できていないことが分かる。
これに対して、本実施形態の発電制御処理を実施した場合のタイムチャートを図１９に示す。図１９に示すように、本実施形態の発電制御処理を実施した場合には、補機消費電力の時間変化を見ると、定常補機消費電力に電力補正量を加算して補正したことにより、実補機消費電力と定常補機消費電力とが一致していることが分かる。また、これによって正味発電電力の時間変化においても要求発電電力に対して実正味発電電力が一致するようになり、燃料電池システムが要求されている電力を供給できていることが分かる。
このように、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、定常補機消費電力を実補機消費電力に近づけるための電力補正量を演算し、この電力補正量に基づいて定常補機消費電力を補正して燃料電池システム１の発電制御を実施するので、経時劣化等によって補機消費電力の定常特性が変化した場合や設計誤差が生じた場合であっても実際の補機の負荷パラメータを用いて電力補正量を算出して補正することができ、これによってシステムの変化に関わらず補機の消費電力の演算精度を高く実現することができる。さらに、燃料電池システムが必要とする定常的な正味発電量の実現精度を高く維持することが可能になるとともに、電力の取出しとガス供給との間に不一致が生じることを抑制することが可能になる。
また、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制するとともに、燃料電池システム１の制御を実施する速度に対して、定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制する速度を遅くするように電力補正量を算出する。そのため、実補機消費電力と定常補機消費電力との間の乖離を縮小することができるとともに、この乖離を抑制する際に、目標値へ到達する速度が遅くなるように制御されるので、ポジティブフィードバックになってしまうことを防止することもでき、発電制御と干渉することなく補機で消費される電力の演算精度を高く維持することができる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、燃料電池スタック２の電力取出制御に用いる定常補機消費電力を補正するので、経時劣化等によって補機消費電力の定常特性が変化した場合や設計誤差が生じた場合であっても、実際の補機負荷パラメータを用いて補正を行うことができ、システムの変化に関わらず補機消費電力の演算精度を高く実現することができる。さらに、燃料電池システム１で発電される定常的な正味発電量の実現精度を高く維持することが可能となる。
また、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、燃料電池スタック２の電力取出制御に用いる定常補機消費電力と、燃料電池スタック２のガス制御に用いる定常補機消費電力とを補正するので、経時劣化等によって補機消費電力の定常特性が変化した場合や設計誤差が生じた場合であっても実際の補機の負荷パラメータを用いて電力補正量を算出して補正することができ、これによってシステムの変化に関わらず補機の消費電力の演算精度を高く実現することができる。さらに、燃料電池システム１が必要とする定常的な正味発電量の実現精度を高く維持することが可能になるとともに、電力の取出しとガス供給との間に不一致が生じることを抑制することが可能になる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、補機の消費電力を含む燃料電池スタック２の総発電量を入力とする学習式に基づいて電力補正量を演算し、学習式の係数を更新することによって電力補正量を求めるので、主に発電量に基づいて駆動する燃料電池システム１の補機類の動きを精度良く模擬することができ、これによって負荷変動に対する演算精度を向上させることができる。例えば、車両のように運転状況によって負荷変動が頻繁に起こる状況下であっても、速やかに補正を行うことが可能となる。
また、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、燃料電池スタック２の発電量に基づいて電力補正量を負荷領域に分類し、この負荷領域毎に電力補正量を記憶するので、補機の消費電力の定常特性が経時劣化により初期状態に対して複雑に変化した場合であっても、定常特性を精度良く学習することが可能になる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、電力補正量を更新するための学習条件を予め設定しておき、学習条件を満たさないときには電力補正量の更新を禁止し、学習条件を満たすときには電力補正量を更新するので、電力補正量の誤学習を防止することが可能となる。
また、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、学習条件を燃料電池システム１が定常発電中であるという条件にしたので、燃料電池システム１の実総発電量及び補機消費電力の過渡変動時に誤学習してしまうことを防止することができる。
さらに、本実施形態の燃料電池システム１のコントローラ３では、学習条件を燃料電池スタック２へのガス供給が発電要求に基づいて実施されているという条件にしたので、補機の消費電力に基づいてガス制御を行っていない状態で誤学習してしまうことを防止することが可能となる。
さらに、本実施形態では、燃料電池スタック２の電力取出制御に用いる定常補機消費電力と、燃料電池スタック２のガス制御に用いる定常補機消費電力の両方を補正しているが、電力取出制御に用いる定常補機消費電力とガス制御に用いる定常補機消費電力のいずれか一方を補正するようにしてもよい。
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図２０に基づいて説明する。図２０は、本実施形態の燃料電池システムによる目標総発電電力の演算処理を示すフローチャートである。なお、本実施形態の燃料電池システムの構成は第１の実施形態と同一なので、詳しい説明は省略する。
第１の実施形態では、図１２のフローチャートで説明したように目標総発電電力は基準目標総発電電力に電力補正量を加算して求めていた。したがって、燃料電池スタック２の電力取出制御に用いる目標総発電電力もガス制御に用いる目標総発電電力も同じ値となっていた。しかし、本実施形態では電力取出制御に用いる目標総発電電力とガス制御に用いる目標総発電電力とを別々に演算するようにしたことが第１の実施形態と異なっている。
図２０に示すように、本実施形態の目標総発電電力の演算処理では、まずステップＳ１１０１において、ステップＳ２０１で算出した要求発電電力にステップＳ４０２で算出した実補機消費電力を加算することによってステップＳ２０５で実施される発電電力制御に使用される目標総発電電力を算出する。
そして、ステップＳ１１０２ではステップＳ７０１で算出した基準目標総発電電力に、ステップＳ５０２で算出した電力補正量を加算することによってステップＳ２０４で実施されるガス供給制御に使用される目標総発電電力を算出して本実施形態の目標総発電電力の演算処理を終了する。
ここで、上述した目標総発電電力の演算処理を実施した場合における効果を説明する。まず、従来の目標総発電電力の演算処理を実施した場合のタイムチャートを図２１に示す。図２１に示すように、補機消費電力の時間変化を見ると、実際に補機で消費されている実補機消費電力に対して定常補機消費電力は少なくなっている。これにより、総発電電力の時間変化では実総発電電力に対して電力発電制御で使用される目標総発電電力は実総発電電力に達しているものの、ガス供給制御で使用される目標総発電電力は実総発電電力に達していないことが分かる。
これに対して、本実施形態の目標総発電電力の演算処理を実施した場合のタイムチャートを図２２に示す。図２２に示すように、本実施形態の目標総発電電力の演算処理を実施した場合には、補機消費電力の時間変化を見ると、定常補機消費電力に電力補正量を加算して補正したことにより、実補機消費電力と定常補機消費電力とが一致していることが分かる。また、これによって総発電電力の時間変化では実総発電電力に対して電力発電制御で使用される目標総発電電力だけでなく、ガス供給制御で使用される目標総発電電力についても実総発電電力に達していることが分かる。
このように、本実施形態の燃料電池システムのコントローラ３では、燃料電池スタック２のガス制御に用いる定常補機消費電力を補正するので、経時劣化等によって補機消費電力の定常特性が変化した場合や設計誤差が生じた場合であっても、実際の補機の負荷パラメータを用いて補正することができ、これによってシステムの変化に関わらず補機消費電力の演算精度を高く実現することができる。さらに、燃料電池システムで発電される定常および過渡的な正味発電量の実現精度を高く維持することが可能になると同時に、電力の取出しとガス供給との間に不一致が生じることを抑制することができる。
以上、本発明の燃料電池システムについて、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムのコントローラの構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる発電制御処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる要求発電電力の算出処理を示すフローチャートである。 アクセル操作量と車両速度とに基づいて要求発電電力を算出するためのマップデータを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる目標総発電電力の算出処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる補機消費電力の補正処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる学習実施許可判定処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる電力補正量の演算処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる電力補正量の記憶処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる電力補正量の算出処理を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによる目標総発電電力の演算処理を示すフローチャートである。 目標総発電電力と運転温度とに基づいて目標発電電流を算出するためのマップデータを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムによるガス供給の制御処理を示すフローチャートである。 目標発電電流に基づいて目標ガス圧力を算出するためのマップデータを示す図である。 目標発電電流に基づいて目標空気流量を算出するためのマップデータを示す図である。 目標空気流量と目標ガス圧力とに基づいてコンプレッサ指令回転数を算出するためのマップデータを示す図である。 従来の発電制御処理を実施した場合における電力変化のタイムチャートを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る発電制御処理を実施した場合における電力変化のタイムチャートを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムによる目標総発電電力の演算処理を示すフローチャートである。 従来の発電制御処理を実施した場合における電力変化のタイムチャートを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る発電制御処理を実施した場合における電力変化のタイムチャートを示す図である。
符号の説明
１ 燃料電池システム
２ 燃料電池スタック
３ コントローラ（制御装置）
４ 水素タンク
５ 水素圧力制御弁
６ エゼクタ
７ 水素循環流路
８ 水素パージ弁
９ タンク温度センサ
１０ タンク圧力センサ
１１ 水素入口温度センサ
１２ 水素入口圧力センサ
１３ コンプレッサ
１４ 空気流量センサ
１５ 空気供給流路
１６ 空気入口圧力センサ
１７ 排空気流路
１８ 空気圧力制御弁
１９ 冷却液循環ポンプ
２０ 冷却液温度センサ
２１ 熱交換器
２２ 電力制御装置
２３ 電流センサ
２４ 電圧センサ
３１ 負荷パラメータ検出部
３２ 定常補機消費電力演算部
３３ 実補機消費電力演算部
３４ 補機消費電力補正部
３５ 電力補正量記憶部
３６ 発電制御部

Claims (18)

  1. 補機を利用して燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムの制御装置において、
    前記補機の負荷パラメータを検出する負荷パラメータ検出手段と、
    前記負荷パラメータに基づいて実際に補機が消費する電力を、実補機消費電力として演算する実補機消費電力演算手段と、
    前記燃料電池システムに要求された要求発電電力を発電するために必要となる補機の消費電力を、前記補機の定常特性に基づいて定常補機消費電力として演算する定常補機消費電力演算手段と、
    前記定常補機消費電力を前記実補機消費電力に近づけるための電力補正量を演算し、この電力補正量に基づいて前記定常補機消費電力を補正する補機消費電力補正手段と、
    前記補機消費電力補正手段によって補正された定常補機消費電力と前記要求発電電力とに基づいて、前記燃料電池システムの発電制御を実施する発電制御手段と、
    を備え、
    前記補機消費電力補正手段は、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制するとともに、前記燃料電池システムの制御を実施する速度に対して、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制する速度を遅くするように、前記電力補正量を算出することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
  2. 前記補機消費電力補正手段は、前記燃料電池の電力取出制御に用いる定常補機消費電力を補正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制御装置。
  3. 前記補機消費電力補正手段は、前記燃料電池の電力取出制御に用いる定常補機消費電力と、前記燃料電池のガス制御に用いる定常補機消費電力とを補正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制御装置。
  4. 前記補機消費電力補正手段は、前記燃料電池のガス制御に用いる定常補機消費電力を補正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制御装置。
  5. 前記補機消費電力補正手段は、前記補機の消費電力を含む前記燃料電池の総発電量を入力とする学習式に基づいて前記電力補正量を演算し、前記学習式の係数を更新することによって前記電力補正量を求めることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
  6. 前記燃料電池の発電量に基づいて前記電力補正量を負荷領域に分類し、この負荷領域毎に前記電力補正量を記憶する電力補正量記憶手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
  7. 前記補機消費電力補正手段は、前記電力補正量を更新するための学習条件を予め設定しておき、前記学習条件を満たさないときには前記電力補正量の更新を禁止し、前記学習条件を満たすときには前記電力補正量を更新することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
  8. 前記学習条件は、前記燃料電池システムが定常発電中であるという条件であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池システムの制御装置。
  9. 前記学習条件は、前記燃料電池へのガス供給が発電要求に基づいて実施されているという条件であることを特徴とする請求項７または請求項８のいずれかに記載の燃料電池システムの制御装置。
  10. 補機を利用して燃料ガスと酸化剤ガスとを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムの制御方法において、
    前記補機の負荷パラメータを検出する負荷パラメータ検出ステップと、
    前記負荷パラメータに基づいて実際に補記が消費する電力を、実補機消費電力として演算する実補機消費電力演算ステップと、
    前記燃料電池システムに要求された要求発電電力を発電するために必要となる補機の消費電力を、前記補機の定常特性に基づいて定常補機消費電力として演算する定常補機消費電力演算ステップと、
    前記定常補機消費電力を前記実補機消費電力に近づけるための電力補正量を演算し、この電力補正量に基づいて前記定常補機消費電力を補正する補機消費電力補正ステップと、
    前記補機消費電力補正ステップで補正された定常補機消費電力と前記要求発電電力とに基づいて、前記燃料電池システムの発電制御を実施する発電制御ステップと、
    を含み、
    前記補機消費電力補正ステップでは、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制するとともに、前記燃料電池システムの制御を実施する速度に対して、前記定常補機消費電力と実補機消費電力との乖離を抑制する速度を遅くするように、前記電力補正量を算出することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
  11. 前記補機消費電力補正ステップでは、前記燃料電池の電力取出制御に用いる定常補機消費電力を補正することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法。
  12. 前記補機消費電力補正ステップでは、前記燃料電池の電力取出制御に用いる定常補機消費電力と、前記燃料電池のガス制御に用いる定常補機消費電力とを補正することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法。
  13. 前記補機消費電力補正ステップでは、前記燃料電池のガス制御に用いる定常補機消費電力を補正することを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池システムの制御方法。
  14. 前記補機消費電力補正ステップでは、前記補機の消費電力を含む前記燃料電池の総発電量を入力とする学習式に基づいて前記電力補正量を演算し、前記学習式の係数を更新することによって前記電力補正量を求めることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
  15. 前記燃料電池の発電量に基づいて前記電力補正量を負荷領域に分類し、この負荷領域毎に前記電力補正量を記憶する電力補正量記憶ステップをさらに備えていることを特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
  16. 前記補機消費電力補正ステップでは、前記電力補正量を更新するための学習条件を予め設定しておき、前記学習条件を満たさないときには前記電力補正量の更新を禁止し、前記学習条件を満たすときには前記電力補正量を更新することを特徴とする請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法。
  17. 前記学習条件は、前記燃料電池システムが定常発電中であるという条件であることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池システムの制御方法。
  18. 前記学習条件は、前記燃料電池へのガス供給が発電要求に基づいて実施されているという条件であることを特徴とする請求項１６または請求項１７のいずれかに記載の燃料電池システムの制御方法。
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