JP5229523B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料ガスと酸化ガスとの供給を受けて発電する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る膜−電極アッセンブリを複数積層して成るスタック構造を有している。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。

この種の燃料電池は、一般に７０〜８０℃が発電に最適な温度域とされているが、寒冷地などの環境では、起動してから最適温度域に達するまでに長時間を要する場合があるので、各種の暖機システムが検討されている。例えば、特開２００４−３０９７９号公報には、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施することにより燃料電池の自己発熱量を制御し、燃料電池を暖機する手法について開示されている。かかる手法によれば、燃料電池による自己暖機が可能であるため、暖機用の装置を搭載する必要がなく、利便性に優れている。
特開２００４−３０９７９号公報

低効率運転を実施するには、燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性曲線（電流対電圧特性曲線）により定まる電圧よりも低い電圧に、システムへ電力供給を行いながら設定する必要がある。電圧降下処理の実施方法として、例えば、燃料電池へ燃料ガスを供給しつつ酸化ガス供給を停止した状態で、システムの要求パワーと現在電圧から決まる燃料電池の目標電流と電流フィルタ値との差分を基にＰＩ制御（比例積分制御）により電圧偏差を演算周期毎に算出し、燃料電池の出力がシステム要求パワーに一致するようにフィードバック制御する方法がある。

しかし、燃料電池の電圧を降下させていくと、電圧降下に対する電流特性が変化するポイントがあるので、ＰＩ制御により電圧降下を制御すると、定常偏差を示す積分項の影響で電力制御性が低下することがある。これは、燃料電池の出力電圧を降下させる要因が燃料電池の容量成分（寄生容量）からの放電による電圧降下から燃料電池内部の残留酸化ガスが発電することによる電圧降下に変わるポイントが存在するためである。

そこで、本発明は、かかる問題を解決し、電力制御性に優れた燃料電池の電圧降下処理を実施できる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の目標電流と実測電流との偏差に比例ゲインを乗じてなる比例項と、偏差を時間積分し更に積分ゲインを乗じてなる積分項とを加算して得られる電圧偏差を基に電圧フィードバック制御により、燃料電池の出力電圧を目標電圧まで降下させるフィードバック制御手段と、を備える。フィードバック制御手段は、燃料電池内部に寄生的に形成されている容量成分からの放電による電圧降下から燃料電池内部に存在する酸化ガスと燃料電池内部に供給された燃料ガスとを用いて燃料電池が発電したことによる電圧降下に変化するポイントで積分項をゼロクリアする。

本発明の他の観点に係わる燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の目標電流と実測電流との偏差に比例ゲインを乗じてなる比例項と、偏差を時間積分し更に積分ゲインを乗じてなる積分項とを加算して得られる電圧偏差を基に電圧フィードバック制御により、燃料電池の出力電圧を目標電圧まで降下させるフィードバック制御手段と、を備える。フィードバック制御手段は、燃料電池の実測電流が目標電流に一致するポイントで積分項をゼロクリアする。

本発明の他の観点に係わる燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池の目標電流と実測電流との偏差に比例ゲインを乗じてなる比例項と、偏差を時間積分し更に積分ゲインを乗じてなる積分項とを加算して得られる電圧偏差を基に電圧フィードバック制御により、燃料電池の出力電圧を目標電圧まで降下させるフィードバック制御手段と、を備える。フィードバック制御手段は、燃料電池の出力電圧の時間微分が、燃料電池に寄生的に形成されている容量成分からの放電により電圧降下したときの燃料電池の出力電圧の時間微分よりも大きな値である所定の閾値以上となるポイントで積分項をゼロクリアする。

本発明によれば、電圧降下に対する電流特性が変化するポイントで目標電流と実測電流との定常偏差を示す積分項をゼロクリアすることにより、電圧制御性を高めることができる。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却系６０と、システム全体を制御するコントローラ（ＥＣＵ）７０とを備えている。

燃料電池スタック２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び発電電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。

酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４７と、循環通路４７に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。

レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。

インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４７は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ７０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

冷却系６０は、燃料電池スタック２０内部を循環する冷媒を流すための冷媒通路６１、６２，６３，６４、冷媒を圧送するための循環ポンプ６５、冷媒と外気との間で熱交換するためのラジエータ６６、冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁６７、及び冷媒温度を検出するための温度センサ７４を備えている。暖機運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６４を流れてラジエータ６６にて冷却された後、冷媒通路６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。一方、システム起動直後における暖機運転時には、燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６２，６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。

コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部（酸化ガス供給系３０、燃料ガス供給系４０、電力系５０、及び冷却系６０）を制御するための制御手段として機能する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基にシステム全体の要求電力を求める。

システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御する。更にコントローラ７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。

図２は燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。
セル２１は、電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７とから構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。

アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし、電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂとを有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。電解質膜２２、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜−電極アッセンブリ２５が形成される。

電解質膜２２と触媒層２３ａとの界面、電解質膜２２と触媒層２４ａとの界面には、上記の（１）〜（２）式に示す電気化学反応に関与する電子と水素イオンとが集合することにより、電気二重層が形成される。電気二重層に集まる電子と水素イオンとによって生じる電圧は、基底状態にある水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを活性化するためのエネルギー源として消費されるので、一般的に活性化過電圧と称される。上記界面に形成される電気二重層は、電気エネルギー貯蔵源として機能するものであり、その動的な電気特性は、キャパシタと等価であることが知られている。

発電電流を急激に増減させると、電解質膜２２のオーム抵抗に起因するオーム電圧降下は、発電電流の変化に対して応答性よく追従していくが、電気二重層に生じる活性化過電圧は、発電電流の変化に対して応答性よく追従することができず、ある程度の時間をかけてゆっくりと平衡状態に落ち着く。このような相違が生じる理由は、電解質膜２２の電気特性は、抵抗素子としてモデル化できるのに対し、電気二重層の電気特性は、キャパシタとしてモデル化できるためである。

図３は燃料電池スタック２０の動的な電気特性をモデル化した等価回路図である。
燃料電池スタック２０は、理想燃料電池２８とキャパシタ２９とが並列接続されてなる回路構成を有している。理想燃料電池２８は、上述のＣ−Ｖ特性を有しない仮想的な燃料電池をモデル化したものであり、電気特性上、可変電源と等価な振る舞いをする。キャパシタ２９は、上記界面に形成される電気二重層の電気的な振る舞いを容量素子としてモデル化したものである。外部負荷５６は電力系５０をモデル化したものである。理想燃料電池２８から流れ出す電流をＩｆｃ、理想燃料電池２８の出力電圧（燃料電池スタック２０の出力電圧）をＶｆｃ、キャパシタ２９に流れ込む電流をＩｃ、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流をＩｓ、キャパシタ２９の容量をＣ、時間をｔとすると、以下に示す（４）〜（５）式が成立する。

Ｉｆｃ＝Ｉｃ＋Ｉｓ …（４）
Ｉｃ＝Ｃ・ΔＶｆｃ／Δｔ …（５）

（４）〜（５）式に示すように、出力電圧Ｖｆｃを昇圧すると、単位時間あたりの変化量ΔＶｆｃ／Δｔに応じて、キャパシタ２９に流れ込む電流Ｉｃが増加するので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓは減少する。一方、出力電圧Ｖｆｃを降圧すると、単位時間あたりの変化量ΔＶｆｃ／Δｔに応じて、キャパシタ２９に流れ込む電流Ｉｃが減少するので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓは増加する。

本実施形態では、燃料電池システム１０を起動したときのスタック温度が所定温度（例えば０℃）未満である場合に車両走行しながらの低効率運転を実施し、燃料電池スタック２０を暖機する。低効率運転とは、エアストイキ比を１．０未満に設定して燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を制御することにより発電損失を高めて低い発電効率で運転することをいう。エアストイキ比とは、酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給酸素がどれだけ余剰であるかを示す。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を実施すると、通常運転時よりも濃度過電圧が大きくなるので、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち熱損失（発電損失）が増大する。

車両走行しながらの低効率運転では、燃料電池スタック２０の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧値よりも低い一定の電圧値に固定しつつ、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガス流量を要求電力に応じて可変制御する。ここで、燃料電池スタック２０の出力電圧を一定の電圧値に固定する理由は、燃料電池スタック２０の出力電圧を変動させると、（４）〜（５）式に示すように、燃料電池スタック２０の容量特性によりキャパシタ２９からの電力の充放電が生じてしまい、燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力に過不足が生じるためである。

低効率運転時の燃料電池スタック２０の出力電圧は、迅速な暖機運転を実現するとともに、車両走行に最低限度必要なモータ出力を得ることのできる電圧値に設定される。早期暖機の観点からは、燃料電池スタック２０の出力電圧をできるだけ低く設定するのが望ましいが、過度に低すぎると、車両走行に必要なモータ出力を得ることができない場合があるので、暖機性能を満足しつつ車両走行時の適度なモータ出力を得ることのできる電圧に設定するのが望ましい。

このように、低効率運転時における燃料電池スタック２０の出力電圧は、一定電圧に固定されるので、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給量を可変制御することにより、要求電力（アクセル開度等）に応じた発電制御を実施する。例えば、高負荷時には、燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を増大し、低負荷時には、燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を減少させる。但し、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給は一定流量に保持されるものとする。

尚、低効率運転は、スタック温度が所定温度（例えば０℃）に昇温するまで実施され、スタック温度が所定温度に達すると、通常運転に切り替えられる。

図４は燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性を示している。
通常運転時には、発電効率を高めるため、運転ポイント（出力電流Ｉｆｃ、出力電圧Ｖｆｃ）は、Ｉ−Ｖ特性曲線（電流対電圧特性曲線）２００上の何れかの運転ポイント（例えば、ＯＰ２）に設定される。一方、低効率運転時には、発電効率を低下させて熱損失を高めるので、運転ポイントは、Ｉ−Ｖ特性曲線２００よりも低い電圧値を有する運転ポイント（例えば、ＯＰ１）に設定される。低効率運転では、出力電圧ＶｆｃはＶ１に固定されるので、エアコンプレッサ３２から燃料電池スタック２０に供給されるエア流量を制御することにより、出力電流Ｉｆｃを調整し、運転負荷（例えば、アクセル開度）に応じた発電制御を実施する。

ところで、システム起動直後（イグニッションスイッチをオンにした段階）では、燃料電池スタック２０の出力電圧は、開放端電圧ＯＣＶに等しいので、暖機運転のために低効率運転を実施するには、電圧降下処理を実施し、燃料電池スタック２０の出力電圧を所望の電圧値（例えば、Ｖ１）にまで降圧させる。

次に電圧降下処理の詳細について説明する。
図５は電圧降下処理時の燃料電池スタック２０の電圧指令値Ｖ_refを算出するための機能ブロック図を示している。これらの各機能は、コントローラ７０の演算機能により実現されるものである。

目標電流算出機能３０１は、外部負荷５６からの要求電力に応じて算出される燃料電池スタック２０の目標電力Ｐ_refと、電圧センサ７１の出力値である電圧フィルタ値Ｖ_fltとを基に燃料電池スタック２０の目標電流Ｉ_regを算出する。減算器３０２は、電流センサ７２の出力値である電流フィルタ値Ｉ_fltと、目標電流算出機能３０１によって算出された目標電流Ｉ_regとの偏差ΔＩを求める。

ＰＩ制御機能３０３は、偏差ΔＩに比例ゲインＫ_Pを乗じることにより、比例型フィードバック補正値（比例項：Ｐ＝Ｋ_P×ΔＩ）を算出するとともに、偏差の時間積分値（∫ΔＩｄｔ）に積分ゲインＫ_Iを乗じることにより、積分型フィードバック補正値（積分項：Ｉ＝Ｋ_I×∫ΔＩｄｔ）を算出し、これらを加算したフィードバック電圧補正値ΔＶ_refを算出する。

遅延回路３０４は、一演算周期前の電圧指令値Ｖ_refを記憶する。減算器３０５は、一演算周期前の電圧指令値Ｖ_refからフィードバック電圧補正値ΔＶ_refを差し引くことにより、次の演算周期の電圧指令値Ｖ_refを算出する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃが電圧指令値Ｖ_refに一致するように制御する。

コントローラ７０は、燃料電池スタック２０の目標電流Ｉ_regと電流フィルタ値Ｉ_fltとの偏差ΔＩに比例ゲインＫ_Pを乗じてなる比例項Ｐと、偏差ΔＩを時間積分し更に積分ゲインＫ_Iを乗じてなる積分項Ｉとを加算して得られるフィードバック電圧補正値ΔＶ_refを基に燃料電池スタック２０の出力電圧をフィードバック制御するフィードバック制御手段として機能する。コントローラ７０は、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃが目標電圧Ｖ１に一致するまで、上記のようにして演算周期毎に電圧指令値Ｖ_refを算出する。

尚、電圧降下処理時には、燃料ガス供給系４０から燃料電池スタック２０への燃料ガス供給が維持されたまま、酸化ガス供給系３０から燃料電池スタック２０への酸化ガス供給が停止される。

図６は電圧降下処理時における燃料電池スタック２０の電圧対時間特性を示している。
電圧降下曲線４００は、電圧降下処理時の電圧フィルタ値Ｖ_fltの時間変化を示しており、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間、及び時刻ｔ２〜時刻ｔ３の期間は、主としてキャパシタ２９からの放電による急激な電圧降下を示し、時刻ｔ１〜時刻ｔ２の期間は、主として燃料電池スタック２０内部に残留する酸化ガスの発電による緩やかな電圧降下を示している。このグラフに示すように、時刻ｔ１において電圧降下に対する電流特性が変化するポイントＡが存在することが理解できる。

図７は電圧降下処理時における燃料電池スタック２０の電流対時間特性を示している。
同図において、電流フィルタ値５００は、電圧降下処理時の電流フィルタ値Ｉ_fltの時間変化を示しており、目標電流６００は、電圧降下処理時の目標電流Ｉ_regの時間変化を示している。電圧降下処理を始めた直後では、電流フィルタ値５００と目標電流６００との偏差は大きく、電流フィルタ値５００は、目標電流６００になかなか追従することができない。そして、時間経過に伴い両者の偏差は次第に小さくなり、時刻ｔ１では、電流フィルタ値５００は、目標電流６００に一致する。ここで、符号８００は、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の期間に電流フィルタ値５００と目標電流６００との偏差を時間積分した定常偏差を示しており、時刻ｔ１の時点における積分項Ｉに等しい。

電流フィルタ値５００が目標電流６００に一致する時点、即ち、電圧降下に対する電流特性が変化するポイントＡにおいて、定常偏差を示す積分項Ｉをゼロクリアすることにより、時刻ｔ１以降における電流追従制御性を高めることができる。

本実施形態の理解を容易にするため、電流フィルタ値５００が目標電流６００に一致する時点において、積分項Ｉをゼロクリアしない場合の電流フィルタ値Ｉ_fltの時間変化を符号７００に示す。積分項Ｉをゼロクリアしないと、定常偏差が積み重なった状態で電流追従制御することになるので、電流追従制御性が低下することが理解できる。

尚、電圧降下に対する電流特性が変化するポイントＡは、電流フィルタ値５００が目標電流６００に一致するか否かを検出することにより、或いは電圧フィルタ値Ｖ_fltの時間微分が所定の閾値以下となることを検出することにより、その存在を検出することができる。電圧降下に対する電流特性が変化するポイントＡが検出された時点で積分項Ｉをゼロクリアすればよい。

尚、電圧降下処理は、上述した低効率運転による暖気運転を実施するための前準備として実施される他、例えば、触媒活性化処理のために実施することもできる。燃料電池スタック２０を酸化電位で連続運転すると、白金触媒の表面に酸化皮膜が形成されてしまい、過電圧が増大するので、Ｉ−Ｖ特性が低下することが知られている。燃料電池スタック２０の出力電圧を還元電位まで低下させることにより、白金触媒を被覆する酸化皮膜を除去し、Ｉ−Ｖ特性を回復させることができる。

上述の実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。

本実施形態に関る燃料電池システムのシステム構成図である。 セルの分解斜視図である。 燃料電池スタックの等価回路図である。 燃料電池スタックの運転ポイントの説明図である。 電圧降下処理時における電圧指令値を演算するための機能ブロック図である。 電圧降下処理時における燃料電池スタックの電圧対時間特性を示すグラフである。 電圧降下処理時における燃料電池スタックの電流対時間特性を示すグラフである。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ３０…酸化ガス供給系 ４０…燃料ガス供給系 ５０…電力系 ６０…冷却系 ７０…コントローラ

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の目標電流と実測電流との偏差に比例ゲインを乗じてなる比例項と、前記偏差を時間積分し更に積分ゲインを乗じてなる積分項とを加算して得られる電圧偏差を基に電圧フィードバック制御により、前記燃料電池の出力電圧を目標電圧まで降下させるフィードバック制御手段と、を備え、
   前記フィードバック制御手段は、前記燃料電池内部に寄生的に形成されている容量成分からの放電による電圧降下から前記燃料電池内部に存在する酸化ガスと前記燃料電池内部に供給された燃料ガスとを用いて前記燃料電池が発電したことによる電圧降下に変化するポイントで前記積分項をゼロクリアする、燃料電池システム。
2. 燃料電池と、
   前記燃料電池の目標電流と実測電流との偏差に比例ゲインを乗じてなる比例項と、前記偏差を時間積分し更に積分ゲインを乗じてなる積分項とを加算して得られる電圧偏差を基に電圧フィードバック制御により、前記燃料電池の出力電圧を目標電圧まで降下させるフィードバック制御手段と、を備え、
   前記フィードバック制御手段は、前記燃料電池の実測電流が目標電流に一致するポイントで前記積分項をゼロクリアする、燃料電池システム。
3. 燃料電池と、
   前記燃料電池の目標電流と実測電流との偏差に比例ゲインを乗じてなる比例項と、前記偏差を時間積分し更に積分ゲインを乗じてなる積分項とを加算して得られる電圧偏差を基に電圧フィードバック制御により、前記燃料電池の出力電圧を目標電圧まで降下させるフィードバック制御手段と、を備え、
   前記フィードバック制御手段は、前記燃料電池の出力電圧の時間微分が、前記燃料電池に寄生的に形成されている容量成分からの放電により電圧降下したときの前記燃料電池の出力電圧の時間微分よりも大きな値である所定の閾値以上となるポイントで前記積分項をゼロクリアする、燃料電池システム。

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