JP5119568B2

JP5119568B2 - 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

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Publication number: JP5119568B2
Application number: JP2004293687A
Authority: JP
Inventors: 武昭小幡
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: JP2006107948A

Description

本発明は燃料電池システムの制御装置及び制御方法に関し、特に、電気負荷に応じて燃料電池スタックの発電電圧及び反応ガスの供給を制御する燃料電池システムの制御装置及び制御方法に関する。

燃料電池システムは、天然ガス等の燃料を改質して得られる水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電する発電システムであり、燃料の持つ化学エネルギーを有効に利用することが出来、環境にもやさしい特性を有しているため、実用化に向けて技術開発が本格化している。特に、燃料電池システムに要求される外部負荷に応じて燃料電池システムの発電電圧及び反応ガス圧などを制御する制御装置が盛んに研究されている。

燃料電池システムの外部負荷が急激に減少した場合、燃料電池スタックの出力もそれに合わせて低下させる必要がある。そして、燃料電池スタックの出力の低下に合わせて水素供給量も減少させる必要がある。しかし、一般的に水素の供給は循環系を構成することが多く、この場合、水素供給を減少させても水素圧力の減少がこれに追従せずに遅れてしまう。これにより、水素系と空気系の圧力バランスが崩れて、燃料電池スタック内の反応膜の耐久性が悪化してしまう。

この反応膜の耐久性悪化を防止する技術の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１では、電流目標値の減少率が所定の減少率を超えた時に、電流指令値は目標値の減少率よりもゆっくりと、目標値の減少率に応じて決定される減少率で減少させ、指令値の上限値である電流限界値は目標値に応じて定めている。これにより、燃料電池スタックの出力の低下が遅れるため、燃料電池システム内の水素消費が増加するので、水素圧力の減少を早めることができる。
特開２０００−３４８７４８号公報

しかし、燃料電池スタックの出力の低下を遅らせたことにより、余剰の電力が生じてしまう。この余剰の電力を吸収するために２次電池を備えることが考えられる。しかし、２次電池の充電状態によっては、この余剰電力を充電できない恐れもある。

本発明の第１の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御装置であって、当該制御装置が、燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出する第１の目標発電電力算出手段と、第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出する第２の目標発電電力算出手段と、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタックの発電電力を制御する発電電力制御手段と、前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて燃料ガスの供給を制御するガス供給制御手段とを有することを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出し、第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出し、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタックの発電電力を制御し、前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて燃料ガスの供給を制御することを要旨とする。

本発明によれば、燃料電池スタックの電気負荷が減少する場合に、余剰電力の発生を抑制する燃料電池システムの制御装置及び制御方法を提供することが出来る。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似の部分には同一あるいは類似な符号を付している。

図１に示すように、本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３へ供給される燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素タンク２３と、水素タンク２３から供給される水素ガスの圧力を制御する水素圧力制御弁１４と、水素圧力制御弁１４を通過した水素ガスと燃料電池スタック３から排出された未反応の水素ガス（排水素ガス）とを混合して燃料電池スタック３の水素導入口へ供給するエゼクタ１と、燃料電池スタック３の水素ガスの排出口とエゼクタ１とを繋ぐ水素循環流路２と、燃料電池スタック３の水素ガスの排出口に接続された水素パージ弁４と、燃料電池スタック３へ供給される酸化剤ガスとしての空気を圧縮して燃料電池スタック３の空気導入口へ供給するコンプレッサ６と、コンプレッサ６から送出される空気の流量を測定する空気流量センサ１６と、燃料電池スタック３の空気の排出口に接続された空気圧力制御弁１２と、燃料電池スタック３と電気負荷の間に配置された電力制御装置２４と、燃料電池システムの構成要素の動作を制御するコントローラ１３とを有する。本発明の実施の形態に係わる燃料電池システムの制御装置は、コントローラ１３によって実現されている。

水素タンク２３から供給される水素ガスは、水素圧力制御弁１４を経由してエゼクタ１に供給される。水素ガスは、エゼクタ１で水素循環流路２を通過してきた排水素ガスと混合されて燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３の水素ガスの導入口での水素ガスの温度Ｔ及び圧力Ｐはそれぞれ、水素入口温度センサ８及び水素入口圧力センサ９で測定される。コントローラ１３は、水素入口圧力センサ９で測定される圧力に基づいて水素圧力制御弁１４の開度を制御する。通常、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ガスは水素循環流路２に流される。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２２及びタンク圧力センサ２１によって測定される。

酸化剤ガスとしての空気はコンプレッサ６により供給される。空気流量センサ１６は、コンプレッサ６により供給された空気の流量を計量する。計量された空気は、燃料電池スタック３へ供給される。燃料電池スタック３の空気導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による発電により取り出される電流、即ち燃料電池スタック３の発電電流は電流センサ１７で測定される。燃料電池スタック３による発電により取り出される電圧、即ち燃料電池スタック３の発電電圧は電圧センサ１８で測定される。燃料電池スタック３による発電により取り出される電力、即ち燃料電池スタック３の発電電力は、電力制御装置２４によって制御される。

電力制御装置２４は、昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック３と電気負荷の間に配置され、燃料電池スタック３の発電電力を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、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、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。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、また、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る。

本発明の実施の形態において、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の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。ここで、「運転圧力」には、燃料電池スタック３内の水素ガス及び空気の圧力が含まれる。

燃料電池スタック３内に水溢れ（以下、「フラッディング」という）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内に存在する水及び水素を排出する。

総てのセンサの出力及び総ての弁のアクチュエータ駆動信号はコントローラ１３に接続されている。

図２に示すように、コントローラ１３は、燃料電池スタック３に要求される発電電力（以後、「第１の目標発電電力」という）を算出する第１の目標発電電力算出部３０と、第１の目標発電電力に対して位相を遅らせた発電電力（以後、「第２の目標発電電力」という）を算出する第２の目標発電電力算出部３１と、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する発電電力制御部３２と、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の小さい方に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御するガス供給制御部３３とを備える。

ガス供給制御部３３は、燃料電池スタック３内における水素ガスの圧力を制御する燃料ガス圧力制御部３４と、燃料電池スタック３内における空気の圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御部３５とを備える。

燃料ガス圧力制御部３４は、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御し、燃料電池スタック３の発電電力が減少する場合には、第１の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する通常制御部３６と、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合であって、且つ第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きい場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する特別制御部３７とを備える。

一方、酸化剤ガス圧力制御部３５は、燃料電池スタック３へ供給される水素ガスの実際の圧力を目標酸化剤ガス圧力（以後、「目標空気圧力」という）として設定し、目標空気圧力に基づいて燃料電池スタック３へ供給される空気の圧力を制御する。

第１の目標発電電力算出部３０は、例えば、燃料電池スタック３を搭載する車両のアクセル操作量に基づいて第１の目標発電電力を算出する。第２の目標発電電力算出部３１は、第１の目標発電電力の変化に対して少し遅れた位相の第２の目標発電電力を算出する。発電電力制御部３２は、電力制御装置２４を操作して、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する。ガス供給制御部３３は、水素圧力制御弁１４及び水素パージ弁４の開度を操作して水素ガスの圧力及び流量を制御し、コンプレッサ６の回転数及び空気圧力制御弁１２の開度を操作して空気の圧力及び流量を制御する。

次に、図３乃至図６を参照して、図１及び図２に示した燃料電池システムの制御方法、即ち制御装置（コントローラ）の制御手順を説明する。なお、図３のフローチャートは、図１及び図２の燃料電池システムの発電制御及びガス供給制御の全体を示すが、図３のＳ０１〜Ｓ０５段階は、所定時間周期、例えば１０ｍsec周期で実行される。

（イ）先ず、図３に示すように、Ｓ０１段階において、第１の目標発電電力算出部３０は、燃料電池スタック３を搭載する車両のアクセル操作量に基づいて第１の目標発電電力を算出する。

（ロ）Ｓ０２段階において、第２の目標発電電力算出部３１は、第１の目標発電電力の変化に対して少し遅れた位相の第２の目標発電電力を算出する。

（ハ）Ｓ０３段階において、ガス供給制御部３３は、水素ガス及び空気の供給を制御する基準と成る目標発電電力を選択する。即ち、ガス供給制御部３３は、第１の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御するか、或いは第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御するかの何れかを選択する。

（ニ）Ｓ０４段階において、ガス供給制御部３３は、選択された目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。

（ホ）Ｓ０５段階において、発電電力制御部３２は、電力制御装置２４を操作して、第２の目標発電電力に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する。

図４に示すように、図３のＳ０１段階は、Ｓ１０１〜Ｓ１０３段階からなる。Ｓ０１段階では、燃料電池システムに接続された電気負荷の運転状態に基づいて、第１の目標発電電力を算出する。ここでは、ハイブリッド型電気自動車へ燃料電池システムを搭載した場合の処理を例にとり説明する。

（Ａ）先ず、Ｓ１０１段階において、車両に備えたアクセルセンサの出力に基づいて、ドライバのアクセル操作量を検出する。

（Ｂ）Ｓ１０２段階において、車両に備えた車速センサの出力に基づいて、車両の速度を検出する。

（Ｃ）最後に、Ｓ１０３段階において、アクセル操作量及び車両の速度に基づいて、第１の目標発電電力を算出する。例えば、アクセル操作量と車両速度とに基づいて、図７に示したマップデータを用いて第１の目標発電電力を算出する。第１の目標発電電力を算出することによって、ドライバのアクセル操作量と第１の目標発電電力は同じ位相で変化するようになる。図７に示すように、第１の目標発電電力は、アクセル操作量の増加と共に増加し、所定の電力値まで到達すると、アクセル操作量が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、第１の目標発電電力には最大電圧値が存在する。また、車両速度が早くなるにつれて第１の目標発電電力の上昇速度は上昇し、最大電圧値は高くなる。

図３のＳ０２段階では、第１の目標発電電力に基づいて、位相を遅らせる処理を行うことによって、第２の目標発電電力を算出する。この位相遅れ処理は、第１の目標発電電力に対して変化率を制限することによって実施することができ、例えば、単位時間あたりの変化率の上下限値を設定して変化率の制限を行う方法や、一次遅れなどのフィルタ処理を行う方法などによって行われる。燃料電池スタック３の発電電力を変化させることが可能な変化速度の上限を超えないように、変化率の上下限値やフィルタの特性を設定する。第２の目標発電電力を算出することによって、ドライバのアクセル操作量に対して所定の位相遅れをもって、第２の目標発電電力が変化するようになる。

図５に示すように、図３のＳ０３段階は、Ｓ３０１〜Ｓ３０４段階からなる。Ｓ０３段階では、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の何れかを、水素ガス及び空気のガス供給制御を行うための目標発電電力として選択する。

（ａ）先ず、Ｓ３０１段階において、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の小さい方を、水素ガス及び空気の供給を制御するための目標発電電力として選択する。これを「セレクトロー」と呼ぶ。

（ｂ）Ｓ３０２段階において、発電電力が増加しているか否かを判定する。この判定は、第１の目標発電電力が増加しているか否かによって、実施することができる。発電電力が増加している場合（Ｓ３０２段階においてＹＥＳ）ＳＳ３０３段階に進み、発電電力が増加していない場合（Ｓ３０２段階においてＮＯ）処理を終了する。

（ｃ）Ｓ３０３段階において、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きいか否かを判定する。第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合（Ｓ３０３段階においてＹＥＳ）Ｓ３０４段階に進み、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が小さいか、あるいは等しい場合（Ｓ３０３段階においてＮＯ）処理を終了する。

（ｄ）最後に、Ｓ３０４段階において、第２の目標発電電力を、水素ガス及び空気の供給を制御するための目標発電電力として選択する。これにより、発電電力の増加時であって、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合には、ガス供給制御を行うための目標発電電力として、第２の目標発電電力が選択される。

このように、ガス供給制御部３３は、通常、第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の小さい方に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する（Ｓ３０１段階）。第２の目標発電電力は第１の目標発電電力に対して所定の位相遅れをもって変化する。即ち、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合には、第１の目標発電電力は第２の目標発電電力より大きくなり、燃料電池スタック３の発電電力が減少する場合には、第１の目標発電電力は第２の目標発電電力より小さくなる。したがって、ガス供給制御部３３は、通常、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御し、燃料電池スタック３の発電電力が減少する場合には、第１の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する通常制御部３６を稼動させる。

これに対して、ガス供給制御部３３は、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合であって、且つ第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きい場合（Ｓ３０２及びＳ３０３段階においてＹＥＳ）には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する（Ｓ３０４段階）。したがって、ガス供給制御部３３は、燃料電池スタック３の発電電力が増加する場合であって、且つ第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きい場合には、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する特別制御部３７を稼動させる。

図６に示すように、図３のＳ０４段階は、Ｓ４０１〜Ｓ４０６段階からなる。Ｓ０４段階では、ガス供給制御部３３が、選択された目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。

（１）先ず、Ｓ４０１段階において、目標発電電流を演算する。燃料電池スタック３のガス消費量は発電電流に比例するため、目標発電電流はガス供給制御の目標値として演算される。目標発電電流の演算は、図３のＳ０３段階において選択された目標発電電力に基づいて、図８に示したマップデータを用いて実施する。図８は、燃料電池スタック３の電流に対する電圧の特性をマップデータに設定したものである。燃料電池スタック３の電圧は、電流の増加と共に増加し、所定の電流値まで到達すると、電圧が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、燃料電池スタック３の電流電圧特性には最大電流値が存在する。また、燃料電池スタック３の温度が高くなるにつれて電流の上昇速度は低下するが、最大電流値は変化しない。この電流電圧特性は燃料電池システムの台上実験などで確認することができる。なお、燃料電池スタック３の温度は、燃料電池システムに備えた冷却液温度センサなどで検出することができる。

（２）Ｓ４０２段階において、目標水素圧力を算出する。ここでは、目標発電電流に基づいて、図９に示したテーブルデータを用いて目標水素圧力を算出する。なお、図９のテーブルデータは燃料電池スタック３の発電効率などを考慮して設定される。目標水素圧力は、目標発電電流の増加と共に増加し、所定の圧力値まで到達すると、目標発電電流が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、目標水素圧力には最大圧力値が存在する。

（３）Ｓ４０３段階において、目標空気圧力を算出する。ここでは、酸化剤ガス圧力制御部３５が、水素入口圧力センサ９によって検出された水素ガスの実際の圧力を目標空気圧力として設定する。

（４）Ｓ４０４段階において、水素ガスの圧力制御を行う。ここでは、燃料ガス圧力制御部３４が、目標水素圧力に基づいて、水素圧力制御弁１４を操作することによって水素ガスの圧力を制御する。水素圧力制御弁１４の操作は、水素入口圧力センサ９で検出した燃料電池スタック３内の水素ガスの圧力と目標水素圧力との偏差に基づいて、Ｆ／Ｂ制御により水素圧力制御弁１４の指令開度を決定することにより、実行される。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、水素圧力制御弁１４の指令開度は、コントローラ１３から水素圧力制御弁１４の駆動回路に対して指示され、水素圧力制御弁１４はこの指令開度に従って駆動される。

（５）Ｓ４０５段階において、空気の流量制御を行う。ここでは、＜405-1＞先ず、目標発電電流に基づいて、図１０に示したテーブルデータを用いて目標空気流量を算出する。図１０のテーブルデータは、燃料電池スタック３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る。目標空気流量は、目標発電電流の増加と共に増加し、所定の流量値まで到達すると、目標発電電流が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、目標空気流量には最大流量値が存在する。＜405-2＞次に、Ｓ４０３段階で算出した目標空気圧力と上記の目標空気流量とに基づいて、図１１に示したマップデータを用いてコンプレッサ６の指令回転数を算出する。図１１のマップデータは、コンプレッサ６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る。コンプレッサ６の指令回転数は、目標空気流量の増加と共に増加し、所定の値まで到達すると、目標空気流量が増加してもそれ以上大きな値を取ることはない。即ち、コンプレッサ６の指令回転数には最大値が存在する。また、目標空気圧力が高くなるにつれてコンプレッサ６の指令回転数は低下するが、最大値は変化しない。ここで算出されたコンプレッサ６の指令回転数は、コントローラ１３からコンプレッサ６の駆動回路に対して指示され、コンプレッサ６は指令回転数に従って駆動される。

（６）最後に、Ｓ４０６段階において、空気の圧力制御を行う。ここでは、目標空気圧力に基づいて、空気圧力制御弁１２を操作することによって空気圧力を制御する。空気圧力制御弁１２の操作は、空気入口圧力センサ１５で検出した燃料電池スタック３内の空気圧力と目標空気圧力との偏差に基づいて、Ｆ／Ｂ制御により空気圧力制御弁１２の指令開度を決定することにより、実行される。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１２の指令開度は、コントローラ１３から空気圧力制御弁１２の駆動回路に対して指示されて、空気圧力制御弁１２はこの指令開度に従って駆動される。

図３のＳ０５段階では、第２の目標発電電力に基づいて、燃料電池スタック３の発電電力制御を行う。第２の目標発電電力は、コントローラ１３から電力制御装置２４に対して指示され、発電指令電力（第２の目標発電電力）に従って燃料電池スタック３の発電電力が制御される。

図１２（ａ）に示すように、関連技術に係わる燃料電池システムにおいて、時刻ｔ₁以後に燃料電池スタックへの電気負荷が増加した場合に、取り出し電流の変化と目標ガス圧力の変化の位相が一致しているので、ガス圧力の過大なオーバーシュートは発生することがない。一方、時刻ｔ₂以後に燃料電池スタックへの電気負荷が減少した場合にも、取り出し電流の変化と目標ガス圧力の変化の位相が一致している。したがって、水素ガスの供給は循環系を構成しているため、取り出し電流が低下しても、水素ガスの圧力の減少がこれに追従することができず、空気と水素ガスの差圧が大きくなってしまい、燃料電池スタック内の反応膜の耐久性が悪化してしまう。

これに対して、図１２（ｂ）に示すように、図１に示した燃料電池システムにおいて、時刻ｔ₁以後に燃料電池スタック３への電気負荷が増加した場合、第１の目標発電電力よりも第２の目標発電電力の方が小さくなる。よって、目標ガス圧力は第２の目標発電電力に基づいて設定される。よって、上述した関連技術と同じ作用により、ガス圧力の過大なオーバーシュートは発生することがない。一方、時刻ｔ₂以後に燃料電池スタック３への電気負荷が減少した場合、第１の目標発電電力よりも第２の目標発電電力の方が大きくなる。よって、目標ガス圧力は第１の目標発電電力に基づいて設定される。よって、取り出し電流の変化に対して目標ガス圧力の変化の位相が進んでいるので、取り出し電流の減少に対して目標ガス圧力の減少が早まり、水素圧力の減少が取り出し電流の減少に追従して遅れることがない。これにより、水素ガスと空気の差圧を小さくすることができる。

図１２（ｂ）は、目標発電電力に基づいて、目標空気圧力及び目標水素圧力を同じ値として算出した場合の結果である。したがって、目標空気圧力を水素入口圧力センサ９が測定した水素ガスの実際の圧力と等しく設定した場合、時刻ｔ₂以後に燃料電池スタック３への電気負荷が減少した場合、水素と空気の差圧をさらに減少させることができる。

図１３に示すように、時刻ｔ_a以後に燃料電池スタック３への電気負荷が減少している最中に時刻ｔ_bを境に増加に転じた場合、即ち、燃料電池スタック３の発電電力が減少している最中に増加に転じた場合、時刻ｔ_bから時刻ｔ_cの間で、第２の目標発電電力が第１の目標発電電力よりも大きくなることがある。この場合、通常どおり、図３のＳ０３段階で第１の目標発電電力と第２の目標発電電力の小さい方、つまり第１の目標発電電力を選択して、その選択した目標発電電力に基づいてガス供給制御を行うと、電気負荷が増加に転じた後に、燃料電池スタック３の取り出し電流の増加に対して、水素ガス及び空気の供給が不足してしまう。

図１３に示すように、燃料電池スタック３への電気負荷が増加している時（ｔ_b−ｔ_c）であって、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合には、特別制御部３７を稼動させて、ガス供給制御を行うための目標発電電力として、第２の目標発電電力を選択する。このことにより、燃料電池スタック３の発電制御とガス供給制御がともに第２の目標発電電力に基づいて実施されるので、ガス供給の不足が発生しない。

以上説明したように、第１に、第２の目標発電量に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御する一方、発電電力が増加する場合には第２の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御し、発電電力が減少する場合には第１の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。これにより、燃料電池スタック３の発電電力の減少に対して、水素ガス及び空気の供給量の減少を早めることが可能となる。したがって、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、水素ガスの圧力の減少を早めることができるので、水素ガスと空気の圧力差を抑制することができる。また、その際に、燃料電池システムに余剰電力が発生せず、空気供給を増量する必要もない。

第２に、第２の目標発電量に基づいて燃料電池スタック３の発電電力を制御し、第１の目標発電電力と第２の目標発電電力の小さい方に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御することにより、大小関係の比較という容易な演算によって、目標発電電力を選択することができる。つまり、燃料電池スタック３への電気負荷が増加する場合には、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が小さいため第２の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給が制御され、また、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合には、第２の目標発電電力より第１の目標発電電力の方が小さいため第１の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給が制御される。したがって、容易な演算によって、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、水素ガスの圧力の減少を早めることができ、水素ガスと空気の圧力差を抑制することができる。

第３に、発電電力の増加時であって、第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きい場合には、第２の目標発電量に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御する。これにより、燃料電池スタック３への電気負荷が減少している最中に増加に転じた場合であって、且つ第１の目標発電電力より第２の目標発電電力の方が大きくなった場合でも、第２の目標発電電力に基づいて水素ガス及び空気の供給を制御することができる。したがって、燃料電池スタック３への電気負荷が頻繁に変化する場合においても、電気負荷の増加時には、発電電力制御とガス供給制御を同じ目標発電電力に基づいて行うことができるので、発電電力に対応した水素ガス及び空気の供給が可能である。

第４に、ドライバのアクセル操作量に基づいて第１の目標発電量を算出することにより、容易な手段によって、燃料電池スタック３への電気負荷の減少要求を検知することができる。したがって、車両に搭載された燃料電池スタック３の電気負荷が減少する場合に、容易な手段によって、水素ガス及び空気の圧力の減少を早めることができるので、水素ガスと空気の圧力差を抑制することができる。

第５に、水素ガスの実際の圧力を目標空気圧力に設定して、目標空気圧力に基づいて空気圧力を制御することにより、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、燃料電池スタック３の発電電力の減少に対して、水素ガス及び空気の供給量の減少を早めた上で、空気の圧力を水素ガスの圧力に追従させることができる。したがって、燃料電池スタック３への電気負荷が減少する場合に、水素ガス圧力の減少を早めることができると同時に、空気の圧力を水素ガスの圧力と一致させることができるので、水素ガスと空気の圧力差をほぼ無くすことができる。

上記のように、本発明は、１つの実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、本発明の実施の形態では、図４に示したように、ドライバのアクセル操作量に基づいて第１の目標発電電力を算出したが、本発明はこれに限定されることはなく、燃料電池スタック３が発電するために稼動させる補機類の消費電力を考慮して第１の目標発電電力を算出しても構わない。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係わる燃料電池システム及びその制御装置を示すブロック図である。図１のコントローラの詳細な構成を示すブロック図である。図１及び図２に示した燃料電池システムの制御装置（コントローラ）の制御手順を示すフローチャートである。図３のＳ０１段階の詳細な構成を示すフローチャートである。図３のＳ０３段階の詳細な構成を示すフローチャートである。図３のＳ０４段階の詳細な構成を示すフローチャートである。車両速度をパラメータとしたドライバのアクセル操作量と第１の目標発電電力の相互関係を示すグラフである。燃料電池スタックの温度をパラメータとした燃料電池スタックの電流電圧特性を示すグラフである。目標発電電流と目標水素圧力との相互関係を示すグラフである。目標発電電流と目標空気流量との相互関係を示すグラフである。目標空気圧力をパラメータとした目標空気流量とコンプレッサの指令回転数との相互関係を示すグラフである。図１２（ａ）は本発明に関連する他の技術（関連技術）に係わる燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックへの電気負荷が変動した場合の、目標発電電力、燃料電池スタックから取り出される電流（出力電流）、目標ガス圧力、及び実際の水素ガス圧及び空気圧力の変化をそれぞれ示したグラフであり、図１２（ｂ）は図１の燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックへの電気負荷が変動した場合の、目標発電電力、燃料電池スタックの出力電流、目標ガス圧力、及び実際の水素ガス圧及び空気圧力の変化をそれぞれ示したグラフである。燃料電池スタックへの電気負荷が減少している最中に増加に転じた場合の第１の目標発電電力及び第２の目標発電電力の変化を示したグラフである。

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
６…コンプレッサ
８…水素入口温度センサ
９…水素入口圧力センサ
１２…空気圧力制御弁
１３…制御装置（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
２１…タンク圧力センサ
２２…タンク温度センサ
２３…水素タンク
２４…電力制御装置
３０…第１の目標発電電力算出部
３１…第２の目標発電電力算出部
３２…発電電力制御部
３３…ガス供給制御部
３４…燃料ガス圧力制御部
３５…酸化剤ガス圧力制御部
３６…通常制御部
３７…特別制御部

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御装置において、
前記燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出する第１の目標発電電力算出手段と、
前記第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出する第２の目標発電電力算出手段と、
前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料電池スタックの発電電力を制御する発電電力制御手段と、を備え、
前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御するガス供給制御手段とを有することを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
前記ガス供給制御手段は、前記燃料電池スタックの発電電力が増加する場合には、前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御する通常制御部を備え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制御装置。
前記ガス供給制御手段は、前記燃料電池スタックの発電電力が増加する場合であって、且つ前記第２の目標発電電力が前記第１の目標発電電力よりも大きい場合には、前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御する特別制御部を更に備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
前記第１の目標発電電力算出手段は、前記燃料電池スタックを搭載する車両のアクセル操作量に基づいて前記第１の目標発電電力を算出することを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
前記燃料電池スタックへ供給される前記燃料ガスの圧力を目標酸化剤ガス圧力として設定し、前記目標酸化剤ガス圧力に基づいて前記燃料電池スタックへ供給される前記酸化剤ガスの圧力を制御する酸化剤ガス圧力制御部を備えることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の燃料電池システムの制御装置。
燃料ガスと酸化剤ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池スタックを備えた燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池スタックに要求される第１の目標発電電力を算出し、
前記第１の目標発電電力に対して変化率制限、若しくは、一次遅れ処理により得られる第２の目標発電電力を算出し、
前記第２の目標発電電力に基づいて前記燃料電池スタックの発電電力を制御し、
前記燃料電池スタックの発電電力が減少する場合には、前記第１の目標発電電力に基づいて前記燃料ガスの供給を制御することを特徴とする燃料電池システムの制御方法。