JP5327229B2 - 燃料電池の発電制御装置及び発電制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給により発電する燃料電池の発電制御装置及び発電制御方法に関する。

従来、燃料電池の発電制御装置として、下記特許文献１に記載されたものが知られている。この特許文献１に記載の発電制御装置では、過渡状態でのガス供給不足などによる燃料電池の応答遅れを考慮して、燃料電池から取り出す電流の変化速度を燃料電池が追従できる速度に制限することにより燃料電池の発電効率低下を抑制するようにしている。

特開平５−１５１９８３号公報

ところで、燃料電池の発電効率が低下する要因としては、ガス供給不足によるもののほか、低温環境下で燃料電池から短時間で急激に電流を取り出した場合に、例えばカソード触媒層のポア内に水詰まりが発生して酸素拡散性能が低下するなどの要因が考えられる。しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池の発電制御装置では、このような低温環境下での発電効率低下については考慮されていないため、低温環境下で燃料電池から電流を取り出す場合の過渡状態において、大幅な発電効率低下を招いてしまう懸念がある。

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の運転温度と相関のある運転状態パラメータに基づいて、燃料電池から取り出す目標発電電流の変化速度を制限することにある。

本発明の第１態様にかかる燃料電池の発電制御装置は、燃料電池に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて、前記燃料電池の目標発電電力を算出する目標発電電力演算部と、前記目標発電電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す目標発電電流を算出する目標発電電流演算部と、前記燃料電池の運転温度と相関のある運転状態パラメータに基づいて、前記目標発電電流の変化速度に対する制限値を算出する電流変化速度制限値演算部と、前記目標発電電流の前記変化速度が前記電流変化速度制限値演算部で算出した前記制限値を越えないように前記目標発電電流を制限する電流制限部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２態様にかかる燃料電池の発電制御方法は、燃料電池の運転温度と相関のある運転状態パラメータに基づいて、燃料電池から取り出す目標発電電流の変化速度を制限することを特徴とする。

本発明の第３態様にかかる燃料電池の発電制御装置は、燃料電池に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて、前記燃料電池の目標発電電力を算出する目標発電電力演算部と、前記目標発電電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す目標発電電流を算出する目標発電電流演算部と、所定要求負荷に対して決められる低温起動時の目標発電電流値を、暖機時に前記要求負荷に対して決められる目標発電電流値よりも小さくして発電を行うように制限する電流制限部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第４態様にかかる燃料電池の発電制御方法は、燃料電池に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて、前記燃料電池の目標発電電力を算出することと、前記目標発電電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す目標発電電流を算出することと、前記燃料電池の運転温度と相関のある運転状態パラメータに基づいて、前記目標発電電流の変化速度に対する制限値を算出することと、前記目標発電電流の前記変化速度が、前記算出することによる前記制限値を越えないように前記目標発電電流を制限することと、を備えることを特徴とする。

本発明の第５態様にかかる燃料電池の発電制御装置は、燃料電池に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて、前記燃料電池の目標発電電力を算出する目標発電電力演算手段と、前記目標発電電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す目標発電電流を算出する目標発電電流演算手段と、前記燃料電池の運転温度と相関のある運転状態パラメータに基づいて、前記目標発電電流の変化速度に対する制限値を算出する電流変化速度制限値演算手段と、前記目標発電電流の前記変化速度が前記電流変化速度制限値演算手段で算出した前記制限値を越えないように前記目標発電電流を制限する電流制限手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池内部の温度上昇による水詰まり解消状況を考慮しながら目標発電電流の変化速度に制限を加えることができるので、低温環境下で燃料電池を発電させる場合であっても過渡状態での大幅な発電効率低下を防止することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、燃料電池スタックから取り出す目標発電電流の最大値のみを制限した場合の目標発電電力に対する実発電電力の追従結果を示す従来のタイムチャートである。 図３は、コントローラが本発明を適用した発電制御処理を実施した場合の目標発電電力に対する実発電電力の追従結果を示すタイムチャートである。 図４は、コントローラにより実施される発電制御処理の流れを示すフローチャートである。 図５は、走行可能時の発電制御である通常発電制御を実現するためのコントローラの機能構成を示すブロック図である。 図６は、通常発電制御の概要を示すフローチャートである。 図７は、図６のステップＳ２０１における目標発電電力演算処理の詳細を示すフローチャートである。 図８は、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。 図９は、図６のステップＳ２０２における実発電電力演算処理の詳細を示すフローチャートである。 図１０は、図６のステップＳ２０３におけるガス供給制御の詳細を示すフローチャートである。 図１１は、目標発電電力と燃料電池スタックの運転温度とに基づいてガス指令電流を算出するためのマップデータを示す図である。 図１２は、ガス指令電流に基づいて目標ガス圧力を算出するためのテーブルデータを示す図である。 図１３は、ガス指令電流に基づいて目標空気流量を算出するためのテーブルデータを示す図である。 図１４は、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。 図１５は、図６のステップＳ２０４における電流変化速度制限値演算処理の詳細を示すフローチャートである。 図１６は、燃料電池スタックの運転温度に基づいて電流変化上昇変化速度の制限値を算出するためのテーブルデータを示す図である。 図１７は、図６のステップＳ２０５における最大電流制限演算処理の詳細を示すフローチャートである。 図１８は、図６のステップＳ２０６における目標発電電流演算処理の詳細を示すフローチャートである。 図１９は、目標発電電力増加代の演算方法の一例を説明する図である。 図２０は、制限後目標発電電流に基づいて定常推定電力を算出するためのテーブルデータを示す図である。 図２１は、補正後目標発電電力の演算方法の一例を説明する図である。 図２２は、補正後目標発電電力に基づいて目標発電電流を算出するためのテーブルデータを示す図である。 図２３は、図６のステップＳ２０７における電流制限処理の詳細を示すフローチャートである。 図２４は、図６のステップＳ２０８における電力変動抑制処理の詳細を示すフローチャートである。 図２５は、低域通過フィルタの特性を説明する図である。 図２６は、図６のステップＳ２０９における目標発電電圧演算処理の詳細を示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示す図である。この燃料電池システム１００は、例えば、ハイブリッド型電気自動車に電力供給源として搭載され、ハイブリッド型電気自動車の駆動モータ（燃料電池システム１００外部）や補機（燃料電池システム１００内部）などの電気負荷装置に電力供給するものであり、複数の燃料電池セルが積層されて構成される燃料電池スタック１を備える。

燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルは、例えば、燃料ガスの供給を受ける燃料極（アノード）と酸化剤ガスの供給を受ける酸化剤極（カソード）とが固体高分子電解質膜を挟んで対向配置されてなる膜電極接合体をセパレータで挟持した構成とされる。この燃料電池スタック１を構成する各燃料電池セルのセパレータには、燃料ガスが流れる燃料ガス流路がアノード側に、酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス流路がカソード側にそれぞれ設けられている。そして、燃料電池スタック１は、水素を含有する燃料ガスが各燃料電池セルのアノード側に供給され、酸素を含有する酸化剤ガス（空気）が各燃料電池セルのカソード側に供給されることで、以下式（１）及び式（２）に示す電気化学反応によって発電が行われる。

アノード（燃料極）：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ ・・・（１）
カソード（酸化剤極）：２Ｈ^＋＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
本実施形態に係る燃料電池システム１００は、発電を行う燃料電池スタック１のほかに、燃料電池スタック１に燃料ガス（以下、燃料ガスとして純水素を用いるものとする。）を供給するための水素供給系と、燃料電池スタック１に酸化剤ガスである空気を供給するための空気供給系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系と、燃料電池スタック１からの電力の取り出しを制御する電力制御装置２と、当該燃料電池システム１００における動作を統括的に制御するコントローラ３（発電制御装置）とを備えている。

水素供給系は、燃料ガスである水素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と再循環してきた水素とを混合するエゼクタ６と、燃料電池スタック１で消費されなかった水素を再循環させる水素循環流路７と、燃料電池スタック１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１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１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とを備える。

この水素供給系では、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。水素タンク４から取り出された高圧の水素は、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、エゼクタ６において水素循環流路７を通過してきた水素と混合される。そして、エゼクタ６で混合された水素が燃料電池スタック１のアノードに供給される。ここで、燃料電池スタック１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の制御がコントローラ３において行われる。また、燃料電池スタック１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１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１の運転圧を低下させる場合などには水素パージ弁８が開放され、水素循環流路７及び燃料電池スタック１内に存在する水素が排出される。ここで、燃料電池スタック１の運転圧力は可変である。すなわち、燃料電池スタック１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。

空気供給系は、酸化剤ガスである空気を加圧して送出するコンプレッサ１３と、コンプレッサ１３から送出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から送出された空気を燃料電池スタック１のカソードへ供給する空気供給流路１５と、燃料電池スタック１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１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１における空気の圧力を制御する空気圧力制御弁１８とを備える。

この空気供給系では、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する。コンプレッサ１３から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１のカソードへ供給される。このとき、燃料電池スタック１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が制御する。

冷却系は、燃料電池スタック１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１から排出された冷却液の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とを備える。

この冷却系では、燃料電池スタック１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１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る。

電力制御装置２は昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。燃料電池スタック１と、駆動モータなどのシステム外部の電気負荷装置と、の間に配置されて、電力制御装置２は燃料電池スタック１からの電力の取り出しを制御する。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る。

また、燃料電池システム１００には、燃料電池スタック１の発電電流を検出する電流センサ２２と、燃料電池スタック１の発電電圧を検出する電圧センサ２３とが設けられており、これら電流センサ２２及び電圧センサ２３の検出値がコントローラ３に出力される。

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され、所定の制御プログラムを実行することによって、燃料電池システム１００の動作を統括的に制御する。具体的には、コントローラ３は、上述した燃料電池システム１００内部の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などの各種補機を駆動するアクチュエータに対して駆動信号を出力することで、燃料電池システム１００の動作を制御する。また、このコントローラ３は、詳細を後述する発電制御処理を実施することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータよりなる電力制御装置２の動作を制御して、発電効率の大幅な低下を招くことなく、燃料電池スタック１の実発電電力が目標発電電力に精度良く追従できるようにしている。つまり、このコントローラ３（発電制御装置）に対して本発明が適用されている。なお、このコントローラ３は、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するようにしてもよい。

ここで、以上のように構成される本実施形態の燃料電池システム１００において、後述する発電制御処理をコントローラ３が実施した場合の燃料電池スタック１の目標発電電力に対する実発電電力の追従結果について説明する｛図３（ａ）、図３（ｂ）｝。その際、燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の最大値のみを制限した場合｛図２（ａ）、図２（ｂ）｝と対比しながら説明する。

燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の最大値のみを制限する場合には、低温環境下において燃料電池スタック１から発電電流を取り出す際に、図２（ｂ）に示すように、過渡状態において燃料電池スタック１の発電電圧は急激に低下してしまう場合がある。そして、この過渡状態における発電電圧の急激な低下により、燃料電池スタック１から取り出される実発電電力が、図２（ａ）に示すように、目標発電電力に対して大きく乖離してしまう。

これに対して、後述する発電制御処理をコントローラ３が実施した場合には、低温環境下（零下も含む）において燃料電池スタック１から発電電流を取り出す際に、図３（ｂ）に示すように、過渡状態における燃料電池スタック１の発電電圧低下を抑制することができる。これは、例えば、カソード触媒層のポア内に水詰まりが発生している状況下で酸素拡散性能が低下している影響と、燃料電池スタック１から取り出される発電電流によって、燃料電池内部の温度上昇による水詰まり解消状況を考慮しながら、燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の変化速度（上昇変化速度）を制限しているためである。また、目標発電電流の変化速度を制限値の近傍を維持した上で、目標発電電力に対して、実発電電力を追従させることができることから、燃料電池スタック１の運転温度に応じた最短の電力応答性を実現することができる。

次に、本発明を適用したコントローラ３による発電制御処理について、図４のフローチャートを参照して説明する。この図４のフローチャートで示す一連の処理は、所定時間周期（例えば１０ｍｓ周期）でコントローラ３により実行される。

図４のフローが開始されると、コントローラ３は、まずステップＳ１０１において、燃料電池スタック１の運転温度を検出する。ここでは、燃料電池スタック１の運転温度として、燃料電池スタック１の運転温度と相関のある運転状態パラメータ、例えば、燃料電池スタック１の温度を吸熱した冷却液の温度を用いる。つまり、コントローラ３は、冷却液温度センサ２０の温度検出値を入力し、この冷却液温度センサ２０の温度検出値を燃料電池スタック１の運転温度として用いる。

次に、ステップＳ１０２では、燃料電池スタック１が、走行可能な発電状態にあるか否かを判断する。ここでは、ステップＳ１０１で検出した燃料電池スタック１の運転温度がＴ１以上であり、且つ、暖機完了フラグが「１」の場合に、走行可能な発電状態に燃料電池スタック１があると判断してステップＳ１０３に移行する。一方、上記の条件が成立しない場合には走行可能な発電状態に燃料電池スタック１がないと判断してステップＳ１０４に移行する。なお、暖機完了フラグとは、後述するステップＳ１０５の処理を実施する必要がないことを表すフラグである。また、温度閾値Ｔ１は、例えば、ステップＳ１０１で用いた冷却液温度センサ２０と燃料電池スタック１との位置誤差を考慮して、燃料電池スタック１が凍結している可能性がある温度に設定される。

ステップＳ１０３では、走行可能時の発電制御である通常発電制御を実施する。この通常発電制御の具体的な制御内容については、詳細を後述する。

一方、ステップＳ１０４では、暖機完了フラグを「０」に設定するとともに、暖機運転を実施することを判断するために暖機運転実施フラグを「１」に設定する。

次に、ステップＳ１０５では、燃料電池スタック１を走行可能な発電状態にするための暖機運転を実施する。ここでの暖機運転は、例えば、燃料電池スタック１を発電させることによって発生する自己発熱により、燃料電池スタック１の温度を上昇させる運転である。

次に、ステップＳ１０６では、暖機運転を終了するかどうかの判断を行う。ここでは、例えば、ステップＳ１０１で検出した燃料電池スタック１の運転温度がＴ２以上であれば、燃料電池スタック１が走行可能な発電状態になったと判断し、暖機運転を終了させる。そして、次のステップＳ１０７において暖機完了フラグに「１」を設定し、発電制御の処理を終了する。一方、ステップＳ１０１で検出した燃料電池スタック１の運転温度がＴ２未満の場合は、暖機運転を継続させて、発電制御の処理を終了する。ここで、温度閾値Ｔ２は、例えば、ステップＳ１０１で用いた冷却液温度センサ２０と燃料電池スタック１との位置誤差、及び、暖機運転中に発生した膜中生成水詰まりによる発電状態の変化を考慮して、燃料電池スタック１が走行可能な発電状態であると判断できる温度、もしくは、その後の燃料電池スタック１が再度暖機運転を必要とする状態に陥らない温度に設定される。

次に、図４のフローチャートにおけるステップＳ１０３の通常発電制御について、更に詳しく説明する。

図５は、通常発電制御を実現するためのコントローラ３の機能構成を示すブロック図である。この通常発電制御は、燃料電池スタック１に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて行われる制御であるが、以下では、例えばハイブリッド型電気自動車に燃料電池システムを搭載した場合を念頭において、通常発電制御の一例について説明する。

コントローラ３は、通常発電制御を実現するための機能構成として、図５に示すように、目標発電電力演算部３１と、実発電電力演算部３２と、ガス供給制御部３３と、目標発電電流演算部３４と、電流変化速度制限値演算部３５と、最大電流制限演算部３６（電流上限値演算部）と、電流制限部３７と、電力変動抑制部３８と、目標発電電圧演算部３９と、発電電圧制御部４０とを備える。

目標発電電力演算部３１は、ドライバの要求により駆動される駆動モータの負荷パラメータ等に基づいて、燃料電池スタック１の目標発電電力を演算する。

実発電電力演算部３２は、電力制御装置２により燃料電池スタック１から取り出される実発電電力を、電流センサ２２の電流検出値と、電圧センサ２３の電圧検出値とに基づいて演算する。

ガス供給制御部３３は、目標発電電力演算部３１により算出された目標発電電力に基づき、燃料電池スタック１に対する水素及び空気の供給制御を行う。

目標発電電流演算部３４は、目標発電電力に対して実発電電力が精度良く追従できるように、目標発電電力演算部３１で算出された目標発電電力と、実発電電力演算部３２で算出された実発電電力と、電流制限部３７の出力とに基づいて、電力制御装置２により燃料電池スタック１から取り出す電流の目標値である目標発電電流を算出する。

電流変化速度制限値演算部３５は、目標発電電流の変化速度に対する制限値として、目標発電電流の上昇変化速度の制限値及び目標発電電流の下降変化速度の制限値を算出する。

最大電流制限演算部３６は、目標発電電流の上限値（最大電流制限）を算出する。

電流制限部３７は、電流変化速度制限値演算部３５で算出された電流変化速度の制限値と、最大電流制限演算部３６で算出された最大電流制限とに基づいて、目標発電電流演算部３４で算出された目標発電電流に制限を加え、制限を加えた後の目標発電電流を出力する。

電力変動抑制部３８は、電流制限部３７の出力である制限後目標発電電流に対して、燃料電池スタック１の膜中生成水詰まりなどの影響によりＩＶ特性（電流−電圧特性）が瞬時に変動することによって、実発電電力の振動が助長されないように、低域通過フィルタ処理を行う。

目標発電電圧演算部３９は、電力変動抑制部３８により低域通過フィルタ処理が行われた後の目標発電電流を、電力制御装置２で制御する目標発電電圧に変換する。

発電電圧制御部４０は、目標発電電圧演算部３９で算出された目標発電電圧に基づいて、電力制御装置２の動作を制御する。

以上のように構成されるコントローラ３は、例えば図６のフローチャートで示す手順に従って、通常発電制御を実施する。

すなわち、まずステップＳ２０１において、目標発電電力演算部３１により燃料電池スタック１の目標発電電力を算出する。

次に、ステップＳ２０２において、実発電電力演算部３２により燃料電池スタック１の実発電電力を算出する。

次に、ステップＳ２０３において、ガス供給制御部３３により、ステップＳ２０１で算出された目標発電電力に基づいて燃料電池スタック１に対する水素及び空気の供給制御を実施する。

次に、ステップＳ２０４において、電流変化速度制限値演算部３５により、目標発電電流の上昇変化速度の制限値、及び、目標発電電流の下降変化速度の制限値を算出する。

次に、ステップＳ２０５において、最大電流制限演算部３６により、ステップＳ２０２で算出された実発電電力に基づいて目標発電電流の上限値（最大電流制限）を算出する。

次に、ステップＳ２０６において、目標発電電流演算部３４により、燃料電池スタック１の目標発電電流を算出する。

次に、ステップＳ２０７において、電流制限部３７により、ステップＳ２０４で算出された目標発電電流の上昇変化速度の制限値及び下降変化速度の制限値と、ステップＳ２０５で算出された目標発電電流の上限値（最大電流制限）とに基づいて、ステップＳ２０６で算出された目標発電電流に対して制限を加える。

次に、ステップＳ２０８において、電力変動抑制部３８により、ステップＳ２０７で制限が加えられた後の目標発電電流に対して、低域通過フィルタ処理を実施する。

次に、ステップＳ２０９において、目標発電電圧演算部３９により、ステップＳ２０８で低域通過フィルタ処理が行われた目標発電電流を目標発電電圧に変換する。

次に、ステップＳ２１０において、発電電圧制御部４０により、ステップＳ２０９で求めた目標発電電圧が実現されるように電力制御装置２の動作を制御することで、通常発電制御の処理を終了する。

図７は、図６のステップＳ２０１の目標発電電力演算部３１による処理の詳細を示すフローチャートである。

目標発電電力演算部３１は、まずステップ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ドライバ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で検出したアクセル操作量とステップＳ３０２で検出した車両速度とに基づき、図８に示すマップデータを用いて駆動モータに供給する電力目標値（目標駆動モータ電力）を算出する。

次に、ステップＳ３０４において、実際に燃料電池システム１００内の補機で消費されている電力（実補機消費電力）を算出する。この実補機消費電力とは、燃料電池スタック１の発電を行うための各補機の電圧と電流を検出し、これらを乗じて演算した補機消費電力や、冷却液ポンプ１９、及び、コンプレッサ１３などであれば回転数とトルクとを検出し、これら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。

次に、ステップＳ３０５において、ステップＳ３０３で算出した目標駆動モータ電力とステップＳ３０４で算出した実補機消費電力とを加算して、燃料電池スタック１で発電する電力の目標値である目標発電電力を算出する。以上で、目標発電電力演算部３１による処理が終了する。

図９は、図６のステップＳ２０２の実発電電力演算部３２による処理の詳細を示すフローチャートである。

実発電電力演算部３２は、まずステップＳ４０１において、電流センサ２２の出力に基づいて燃料電池スタック１の発電電流を検出し、ステップＳ４０２において、電圧センサ２３の出力に基づいて燃料電池スタック１の発電電圧を検出する。

次に、ステップＳ４０３において、ステップＳ４０１で検出した燃料電池スタック１の発電電流に、ステップＳ４０２で検出した燃料電池スタック１の発電電圧を乗算して、燃料電池スタック１の実発電電力を算出する。以上で、実発電電力演算部３２による処理が終了する。

図１０は、図６のステップＳ２０３のガス供給制御部３３による処理の詳細を示すフローチャートである。

ガス供給制御部３３は、まずステップＳ５０１において、暖機運転実施フラグが「１」となっているか否かにより暖機運転中かどうかを判断する。そして、暖機運転実施フラグが「１」、つまり暖機運転中であれば、ステップＳ５０２において、例えば図１１に示すようなマップデータを用いて、ガス圧力、ガス流量を決定する際のガス指令電流を算出する。ここで用いるマップデータは、例えばＩＶ特性の温度感度、及び、暖機運転中に燃料電池スタック１により発生した膜中生成水詰まりなどの影響による定常状態でのＩＶ特性低下を実験データなどで把握し、電力制御装置２により取り出される発電電流に対してガス指令電流が下回らないように設計する。

一方、暖機運転実施フラグが「０」、つまり暖機運転を実施していない場合は、ステップＳ５０３において、ステップＳ５０２同様、マップデータを用いてガス指令電流を演算する。ここで用いるマップデータは、暖機運転中に燃料電池スタック１により発生した膜中生成水詰まりなどの影響による定常状態でのＩＶ特性低下代を含めずに、実験などの計測値に基づいて設計する。

次に、ステップＳ５０４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Ｓ５０２又はステップＳ５０３で算出したガス指令電流に基づいて、図１２に示すテーブルデータを用いて算出する。このテーブルデータは、例えば、燃料電池スタック１の発電効率などを考慮して設定されている。

次に、ステップＳ５０５において、水素の圧力制御を行う。この水素の圧力制御は、ステップＳ５０４で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り、アノードの水素圧力を制御するものである。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１の水素圧力と目標ガス圧力との偏差に基づくフィードバック制御により水素圧力制御弁５の指令開度を決定して、実行している。なお、このフィードバック制御は、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Ｓ５０６において、空気の流量制御を行う。この空気の流量制御は、例えば以下のように行う。まず、ステップＳ５０２又はステップＳ５０３で算出したガス指令電流に基づいて、図１３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、燃料電池スタック１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。次に、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１４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Ｓ５０７において、空気の圧力制御を行う。この空気の圧力制御は、ステップＳ５０４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り、空気圧力を制御するものである。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１の空気圧力と、目標ガス圧力との、偏差に基づくフィードバック制御によって空気圧力制御弁１８の指令開度を決定して、実行している。なお、このフィードバック制御は、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。以上で、ガス供給制御部３３による処理が終了する。

図１５は、図６のステップＳ２０４の電流変化速度制限値演算部３５による処理の詳細を示すフローチャートである。

電流変化速度制限値演算部３５は、まずステップＳ６０１において、暖機運転実施フラグが「１」となっているか否かにより暖機運転中かどうかを判断する。そして、暖機運転実施フラグが「１」、つまり暖機運転中であれば、ステップＳ６０２において、暖機運転実施後の燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の上昇変化速度の制限値を算出する。ここでは、図４のステップＳ１０１で検出した燃料電池スタック１の運転温度に基づいて、図１６のテーブルデータを用いて目標発電電流の上昇変化速度の制限値を算出する。つまり、燃料電池スタック１の運転温度が上昇するに従い、目標発電電流の上昇変化速度の制限値としては高い値が算出される、即ち、上昇速度の制限値が緩和される。このテーブルデータは、暖機運転後の過渡状態での大幅な発電効率低下を防止する観点で設計する。具体的には、例えば、暖機運転中に発生したカソード触媒層の水詰まり量と、電力制御装置２により燃料電池スタック１から取り出す発電電流の変化速度に対する燃料電池スタック１内部の温度上昇時の水詰まり解消状況を、机上設計に基づいて設定する。また、燃料電池スタック１の運転温度以外にも、暖機運転中に電力制御装置２により取り出した目標発電電流、あるいは、実発電電流の積算値などを加えたマップデータを用いるようにしてもよい。

一方、暖機運転実施フラグが「０」、つまり暖機運転を実施していない場合は、ステップＳ６０３において、暖機運転不実施用の目標発電電流の上昇変化速度の制限値として固定値を設定する。この固定値は、駆動モータ電力などに要求される過渡応答性などを踏まえて、実発電電力が目標発電電力から大きく乖離しないように設定する。

次に、ステップＳ６０４において、目標発電電流の下降変化速度の制限値を算出する。ここでは、図６のステップＳ２０１で求めた目標発電電力が、演算に用いた負荷パラメータの計測振動などによって変動した場合においても、実発電電力が目標発電電力と定常偏差を生じないように、即ち、目標発電電力と実発電電力とが所定値以上乖離しないように、目標発電電流の下降変化速度についても制限値を設定する。この下降変化速度の制限値は、例えば、ステップＳ６０２又はステップＳ６０３で算出した上昇変化速度の制限値に−１を乗じた値とすることで設定する。その他にも、燃料電池スタック１のＩＶ特性と、目標発電電流の上昇変化速度制限の関係を、実験データに基づき調べた上で、目標発電電力と実発電電力に所定値以上の定常偏差が生じないように設定するようにしてもよい。以上で、電流変化速度制限値演算部３５による処理が終了する。

図１７は、図６のステップＳ２０５の最大電流制限演算部３６による処理の詳細を示すフローチャートである。この最大電流制限演算部３６による処理は、詳細を後述するように、燃料電池スタック１の発電電圧が所定の下限値を下回らないように目標発電電力を制限することに対応させて、目標発電電流の最大値を制限するためのものである。

最大電流制限演算部３６は、まずステップＳ７０１において、所定時間前までの実発電電力（図６のステップＳ２０２で算出した実発電電力）を全て記憶する。ここで、所定時間としては、例えば、実発電電力の演算に用いる電流センサ２２、電圧センサ２３の定常状態における計測振動、及び、外乱振動などを考慮し、最も遅い周期の振動要素が１周期以上含まれる時間を設定する。

次に、ステップＳ７０２において、目標発電電流の上限値（最大電流制限）を演算するために用いる実発電電力（最大電流演算用電力）を、ステップＳ７０１で記憶した所定時間前までの実発電電力の中から選択する。ここでは、発電電圧制御部４０にて目標発電電圧の下限値が制限されていないシーンにおいて、目標発電電流の最大電流を必要以上に制限してしまうことを抑制する観点で、記憶した実発電電力のうちの最大値を最大電流演算用電力として選択する。

次に、ステップＳ７０３において、発電電圧の下限値として固定値を設定する。ここでの固定値は、燃料電池スタック１のセル電圧転極防止による劣化防止、及び、燃料電池スタック１と接続されている駆動モータなどの電気負荷装置の電源電圧低下による動作不良防止の観点で下限電圧を設定する。また、燃料電池スタック１の運転温度、あるいは、暖機運転の実施状態などに応じて、発電電圧の下限値を可変に設定してもよい。可変に設定することで、燃料電池スタック１のＩＶ特性が高い場合において、より発電電圧の下限値を低く設定できるため、発電電力の最大値を上昇させることができる。

次に、ステップＳ７０４において、ステップＳ７０２で選択した最大電流演算用電力を、Ｓ７０３で求めた発電電圧の下限値で除算することにより、燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の上限値（最大電流制限）を算出する。なお、このステップＳ７０４での目標発電電流の上限値（最大電流制限）の演算は、図６のステップＳ２０９で算出する目標発電電圧と、電圧センサ２３を用いて検出した実発電電圧との関係に応じて、有効、無効を切り替えるようにしてもよい。この場合には、目標発電電圧と実発電電圧との関係から、目標発電電流の最大値を制限する必要が無いシーンでは演算を無効にすることで、コントローラ３と電力制御装置２との通信遅れにて生じる演算遅れなどによって、必要以上に目標発電電流が制限されることを防止することができる。以上で、最大電流制限演算部３６による処理が終了する。

図１８は、図６のステップＳ２０６の目標発電電流演算部３４による処理の詳細を示すフローチャートである。

目標発電電流演算部３４は、まずステップＳ８０１において、図６のステップＳ２０１で算出された目標発電電力に対して、ステップＳ２０２で算出された実発電電力を一致させるために、目標発電電力に対して、実発電電力を所定時間先にどの程度増加させるかを決める目標発電電力増加代を目標発電電力増加代３４Ａによって算出する。ここでは、燃料電池スタック１に接続された電気負荷装置である駆動モータの動特性を時定数Ａの１次遅れ特性と見做した場合の目標発電電力増加代の演算方法について、図１９を用いて説明する。

駆動モータの動特性を１次遅れ特性と見做せるため、所定時間先［ｋ＋Ｈ］での目標発電電力増加代は、目標発電電力と実発電電力との偏差に基づいて、下記式（３）により算出できる。

目標発電電力増加代［ｋ＋Ｈ］＝（目標発電電力［ｋ］−実発電電力［ｋ］）×（１−ｅｘｐ（−制御周期／時定数Ａ）^Ｈ） ・・・（３）
ただし、ｋは現在の演算タイミング、Ｈは制御周期のステップ数
ここでの所定時間先のパラメータを決めるＨは、１を下限として、下限値の整数倍で設定する。なお、駆動モータの動特性を１次では見做せない場合は、１次より高い次数の関数を用いて目標発電電力増加代を算出してもよい。また、本実施形態においては、１０ｍｓ周期でフローチャートを実行するので、制御周期は秒換算して０．０１となる。

次に、ステップＳ８０２において、電流制限部３７の出力である制限後目標発電電流を入力とし、定常状態のＩＶ特性に基づいて、制限後目標発電電力を電力に変換した定常推定電力を算出する。ここでは、図２０のテーブルデータに基づいて定常推定電力を算出する。このテーブルデータは、燃料電池スタック１の定常状態のＩＶ特性の中で、製造バラツキなども考慮した上限のＩＶ特性を、机上設計及び実験により計測して設定したものである。このように、上限特性を設定することによって、目標発電電力に対して実発電電力がオーバーシュートしづらい応答となり、ドライバのアクセル要求に対して違和感なく駆動モータを作動させることが可能となる。また、テーブルデータではなく、計算式、あるいは、燃料電池スタック１のＩＶ特性の運転温度感度を更に加えたマップデータなどを用いるようにしてもよい。

次に、ステップＳ８０３において、ステップＳ８０２で算出した定常推定電力を入力として、過渡状態での発電電力の推定値である動的推定電力を、発電電力の過渡応答を推定した過渡応答モデルを用いて算出する。ここで、過渡応答モデルとは、コントローラ３の電流制限部３７の出力である制限後目標発電電流を入力とし、実発電電力演算部３２の出力である実発電電力を出力とした動特性を表現したものである。ここでは、この動特性を時定数Ｂの１次遅れ特性と見做した場合の動的推定電力を、下記式（４）を用いて算出する。

動的推定電力［ｋ］＝（１−ｅｘｐ（−制御周期／時定数Ｂ））×定常発電電力［ｋ−１］＋（ｅｘｐ（−制御周期／時定数Ｂ））×動的推定電力［ｋ−１］ ・・・（４）
なお、過渡応答モデルを１次では見做せない場合は、１次より高次の関数を用いて動的推定電力を算出してもよい。

次に、ステップＳ８０４において、ステップＳ８０１で算出した目標発電電力増加代と、ステップＳ８０３で算出した動的推定電力とを用いて、目標発電電力に対して実発電電力を一致させるために補正した補正後目標発電電力を算出する。ここでの詳細な演算方法を、図２１を用いて説明する。まず、所定時間先［ｋ＋Ｈ］の動的推定電力の増加代である過渡応答モデル増加代（過渡応答モデル増加代演算部３４Ｂによって演算）は下記式（５）で表すことができる。

過渡応答モデル増加代［ｋ＋Ｈ］＝動的推定電力［ｋ＋Ｈ］−動的推定電力［ｋ］ ・・・（５）
更に、上述した発電電力の過渡応答モデルを用いて上記式（５）を置き換えると、下記式（６）で表すことができる。

過渡応答モデル増加代［ｋ＋Ｈ］＝動的推定電力［ｋ］×ｅｘｐ（−制御周期／時定数Ｂ）^Ｈ＋補正後目標発電電力×（１−ｅｘｐ（−制御周期／時定数Ｂ）^Ｈ）−動的推定電力［ｋ］ ・・・（６）
上記式（６）で求まる過渡応答モデル増加代と、ステップＳ８０１で算出した目標発電電力増加代が等価となる（一致する）ように、補正後目標発電電力を算出する。

次に、ステップＳ８０５において、ステップＳ８０４で算出した補正後目標発電電力を入力とし、定常状態のＩＶ特性に基づいて、電流に変換した目標発電電流を算出する。ここでは、図２２のテーブルデータに基づいて目標発電電流を算出する。このテーブルデータは、ステップＳ８０２で用いたテーブルデータのＩＶ特性と同じＩＶ特性に基づいて設定する。結果、目標発電電力と実発電電力の定常偏差を生じさせない目標発電電流が得られる。以上で、目標発電電流演算部３４による処理が終了する。

図２３は、図６のステップＳ２０７の電流制限部３７による処理の詳細を示すフローチャートである。

電流制限部３７は、まずステップＳ９０１において、図６のステップＳ２０６で算出された目標発電電流を、下記式（７）及び下記式（８）に示すように、今回の演算タイミング［ｋ］と前回［ｋ−１］との偏差と、図６のステップＳ２０４で算出された上昇変化速度の制限値とに基づいて制限する。

目標発電電流［ｋ］−目標発電電流［ｋ−１］＞上昇変化速度の制限値［ｋ］の場合、
目標発電電流ＴＡ１［ｋ］＝目標発電電流［ｋ−１］＋上昇変化速度の制限値［ｋ］ ・・・（７）
目標発電電流［ｋ］−目標発電電流［ｋ−１］≦上昇変化速度の制限値［ｋ］の場合、
目標発電電流ＴＡ１［ｋ］＝目標発電電流［ｋ］ ・・・（８）
次に、ステップＳ９０２において、ステップＳ９０１で算出した目標発電電流ＴＡ１を、下記式（９）及び下記式（１０）に示すように、今回の演算タイミング［ｋ］と前回［ｋ−１］との偏差と、図６のステップＳ２０４で算出された下降変化速度の制限値とに基づいて制限する。

目標発電電流ＴＡ１［ｋ］−目標発電電流ＴＡ１［ｋ−１］＜下降変化速度の制限値［ｋ］の場合、
目標発電電流ＴＡ２［ｋ］＝目標発電電流ＴＡ１［ｋ−１］＋下降変化速度の制限値［ｋ］ ・・・（９）
目標発電電流ＴＡ１［ｋ］−目標発電電流ＴＡ２［ｋ−１］≧下降変化速度の制限値［ｋ］の場合、
目標発電電流ＴＡ２［ｋ］＝目標発電電流ＴＡ１［ｋ］ ・・・（１０）
次に、ステップＳ９０３において、ステップＳ９０２で算出した目標発電電流ＴＡ２を、図６のステップＳ２０５で算出された目標発電電流の上限値（最大電流制限）に基づいて、下記式（１１）及び下記式（１２）に示すように制限する。

目標発電電流ＴＡ２［ｋ］＞ 最大電流制限［ｋ］の場合、
目標発電電流ＴＡ３［ｋ］＝最大電流制限［ｋ］ ・・・（１１）
目標発電電流ＴＡ２［ｋ］≦最大電流制限［ｋ］の場合、
目標発電電流ＴＡ３［ｋ］＝目標発電電流ＴＡ２［ｋ］ ・・・（１２）
以上で、電流制限部３７による処理が終了する。

図２４は、図６のステップＳ２０８の電力変動抑制部３８による処理の詳細を示すフローチャートである。

電力変動抑制部３８は、まずステップＳ１００１において、電流制限部３７の出力である制限後目標発電電流を入力とし、定常状態のＩＶ特性に基づいて、制限後目標発電電力を電力に変換した定常推定電力を算出する。ここでは、図１８のステップＳ８０２で用いた定常状態のＩＶ特性と同じテーブルデータ（図２０）を用いる。

次に、ステップＳ１００２において、ステップＳ１００１で算出した定常推定電力を、低域通過フィルタに透過させる。ここで用いる低域通過フィルタの特性を、図２５を用いて説明する。まず、この低域通過フィルタは、周波数領域Ｆ１でのゲイン特性が十分に低くなるように設定される。換言すると、周波数領域Ｆ１（高周波域）に燃料電池がもつピークゲインを、この低域通過フィルタは所定値まで抑制する。ここで、周波数領域Ｆ１とは、燃料電池スタック１の膜中生成水詰まりの瞬時の変化による発電電力変動が、図６のステップＳ２０５における目標発電電流の演算によって助長してしまう周波数領域である。例えば、実験により低温環境下での定常状態における実発電電力の変動成分の周波数帯を確認し、この周波数帯に設定する。次に、周波数領域Ｆ２に、燃料電池スタック１に接続された駆動モータの過渡要求を満足させる周波数領域を含ませる。これにより、ドライバのアクセル要求に対して違和感なく駆動モータを作動させることが可能となる。

次に、ステップＳ１００３において、定常状態のＩＶ特性に基づいて、ステップＳ１００２で低域通過フィルタ処理を行った定常推定電力を電流（目標発電電流）に変換する。ここでは、図１８のステップＳ８０５で用いた定常状態のＩＶ特性と同じテーブルデータ（図２２）を用いる。以上のように、電力変動抑制部３８は、電流制限部３７の出力である制限後目標発電電流を電力に変換した上で低域通過フィルタを透過させるようにしている。このため、目標発電電流演算部３４で目標発電電流を算出する際に用いる発電電力の過渡応答モデルを、ステップＳ１００２で設定した低域通過フィルタから推定することができ、過渡応答モデルの推定精度を向上できるといった効果も得られる。以上で、電力変動抑制部３８による処理が終了する。

図２６は、図６のステップＳ２０９の目標発電電圧演算部３９による処理の詳細を示すフローチャートである。

目標発電電圧演算部３９は、まずステップＳ１１０１において、電力制御装置２で制御する目標発電電圧の発電電圧の下限値を設定する。ここでは、図６のステップＳ２０５の最大電流制限を算出する過程で用いた発電電圧下限値と同じ値を使用する。

次に、ステップＳ１１０２において、電力変動抑制部３８により低域通過フィルタ処理が行われた後の目標発電電流に対して、電流センサ２２で検出された実発電電流を追従させる目標発電電圧を算出する。ここでは、例えば、目標発電電流と実発電電流との偏差に基づくフィードバック制御を行なって目標発電電圧を決定する。なお、このフィードバック制御は、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。なお、この際、目標発電電圧がステップＳ１１０１で設定した下限値を下回らないように制限を加える。以上で、目標発電電圧演算部３９による処理が終了する。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料電池システム１００においては、本発明を適用したコントローラ３により発電制御を行うことで、以下のような効果が得られる。

燃料電池スタック１の低温環境下の特性として、短時間で急激に燃料電池スタック１から電流の取り出しを行うと、過渡状態での大幅な発電効率低下が生じてしまう。これは、例えば、カソード触媒層のポア内に水詰まりが発生している状況下での酸素拡散性能低下などによるものと考えられる。ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ３が、燃料電池スタック１の運転温度と相関のある運転状態パラメータ（例えば、冷却液温度センサ２０による温度検出値）に基づいて燃料電池スタック１から取り出す目標発電電流の変化速度の制限値を算出し、目標発電電流の変化速度がこの制限値を越えないように、目標発電電流に対して制限を加えるようにしている。したがって、燃料電池スタック１内部の温度上昇による水詰まり解消状況を考慮しながら、燃料電池スタック１から過度に急激な電流の取り出しが行われないように制御することができ、低温環境下で燃料電池スタック１を発電させる場合であっても、過渡状態での大幅な発電効率低下を防止しながら、目標発電電力に対して実発電電力を精度良く追従させることができる。

また、燃料電池スタック１から電流を取り出す場合の過渡状態での発電効率低下代は、燃料電池スタック１の運転温度が高くなるにつれて、小さくなる。これは、例えば、燃料電池スタック１内部の温度上昇によりカソード触媒層の水詰まりが解消していくためと考えられる。ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ３が、燃料電池スタック１の運転温度と相関のある温度検出値（例えば、冷却液温度センサ２０による温度検出値）が上昇するに従い、目標発電電流の上昇変化速度の制限値を高い値に設定するようにしているので、大幅な発電効率低下を招かない範囲で最速の過渡性能を実現しながら、目標発電電力に対して実発電電力を精度良く追従させることができる。

また、低温発電時による生成水凍結、水詰まりなどによって定常状態においてＩＶ性能が低下してしまい、目標発電電流の上昇変化速度制限を守ったとしても、目標発電電力に対して、実発電電力に定常偏差が発生してしまう懸念がある。また、このＩＶ性能低下は、燃料電池セル間の配流バラツキ、放置状況などによっても異なることから推定することが困難である。ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ３が、電流変化速度に制限を加えた後の目標発電電流に基づいて、目標発電電力と実発電電力との偏差がなくなるように目標発電電流を算出するようにしているので、低温環境下で燃料電池スタック１を発電させる場合のＩＶ性能の低下も考慮しながら目標発電電流を適切に算出することができ、ＩＶ性能低下による定常偏差を生じさせずに、目標発電電力に対して実発電電力を精度良く追従させることができる。

また、目標発電電力に実発電電力を追従させるフィードバック制御を実施し、目標発電電流の変化速度を制限する場合、ＰＩ制御をはじめとする積分器を持つフィードバック制御では、目標発電電流の変化速度を制限する際の積分器の演算が適正に行われず、目標発電電力の変化に、短時間で実発電電力を追従させることができない。あるいは、目標発電電力に対して実発電電力がオーバーシュートする懸念がある。オーバーシュートが発生することによって、例えば、２次電池を有するシステムにおいては、燃料電池スタック１と接続された駆動モータなどの電気負荷装置の実発電電力が目標発電電力から大幅に乖離して２次電池内部に過電流が流れ、保護モードに至る可能性がある。また、積分器を設けなければ、実発電電力が目標発電電力に対して定常偏差が発生してしまうため、低温環境下においては、発電による自己発熱による迅速な温度上昇を妨げてしまう可能性がある。ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ３が、目標発電電力と実発電電力の偏差から、実発電電力に対して上昇すべき所定時間先の目標発電電力増加代を算出し、電流変化速度に制限を加えた後の目標発電電力を入力として、発電電力の過渡応答モデルを用いることで、所定時間先の過渡応答モデル増加代と、目標発電電力増加代とが一致する（等価となる）ように目標発電電流を算出するようにしているので、電流変化速度を制限する場合にも連続的に目標発電電流を算出することが可能となる。その結果、目標発電電流の上昇変化速度が制限を受けているシーンにおいても、目標発電電力に対して、実発電電力を制限された変化速度近傍での追従、及び、オーバーシュートを抑制した上で、一致させることができる。

また、低温環境下での発電時などは、瞬時の触媒層内の水詰まり状況の変化により、ＩＶ特性が瞬時に変動する可能性があり、その結果、実発電電力の振動が助長されてしまう場合がある。ここで、本実施形態の燃料電池システムでは、コントローラ３が、瞬時の触媒層内の水詰まり状況の変化による実発電電力変動の高周波成分を除去する低域通過フィルタを設定し、電流変化速度を制限した後の目標発電電流に対して低域通過フィルタ処理を実施するようにしてるので、実発電電力の振動を有効に抑制することができ、また、発電電力の過渡応答モデルを、設定した低域通過フィルタに基づいて設定することができるため、実発電電力の過渡応答に対して、発電電力の過渡応答モデルの精度が向上する。その結果、瞬時の実発電電力の変動が発生した場合においても、目標発電電力に対して、実発電電力のオーバーシュート量を最小限に抑制した上で実発電電力を追従させることができる。

また、目標発電電力を電気負荷装置の負荷パラメータ検出値に基づいて精度良く算出しようとすると、計測ノイズなどによる振動成分が加味されてしまい、その結果、目標発電電力近傍に実発電電力が追従しているシーンにおいて、目標発電電力と実発電電力に偏差が生じてしまう場合がある。ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ３が、目標発電電流の上昇変化速度の制限を考慮した上で、目標発電電力と実発電電力が所定値以上乖離しないように下降変化速度の制限値を設定し、目標発電電力の上昇速度だけでなく下降速度も制限するようにしているので、実発電電力の計測ノイズなどにより目標発電電力に振動成分が加味された場合でも、目標発電電力に対して実発電電力を定常偏差なく追従させることができる。

また、上述したように、低温環境下による生成水凍結、生成水詰まりなどによって燃料電池スタック１のＩＶ性能は低下してしまう場合がある。このＩＶ性能低下は、燃料電池セル間の配流バラツキ、放置状況などによっても異なることから、推定することが困難である。そのため、目標発電電流の上昇変化速度を制限していたとしても、接続した電気負荷装置が正常に作動しない電圧になる可能性、あるいは、燃料電池セル電圧転極による劣化が生じる可能性がある。ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、コントローラ３が、燃料電池スタック１の発電電圧が所定の下限値を下回らないように目標発電電圧を算出するようにしているので、接続した電気負荷装置が正常に作動しない電圧にならない、あるいは、燃料電池セル電圧転極による劣化が生じない下限電圧を守ることができる。また、実発電電力の振動成分により目標発電電流が必要以上制限されないように、所定時間前までの実発電電力の中から選択した値を目標発電電圧の下限値で除算した値に基づいて目標発電電流の上限値（最大電流制限）を算出して、目標発電電流の最大値を制限するようにしている。従って、目標発電電力の変化に対して、発電電圧の制限時においても短時間で追従可能となる。その結果、燃料電池セル電圧の転極による劣化防止、あるいは、燃料電池スタック１と接続された電気負荷装置の動作を損なわない電圧を下回らない範囲で、目標発電電力に対して実発電電力を精度良く追従させることができる。

また、燃料電池スタック１は、低温環境下で発電状態が低下している状態を経験することにより、経験しない場合と比べて、発電効率低下が顕著に現れる傾向にある。これは、例えば、低温時の低い排水性能の中で発電することで、カソード触媒層のポア内に水詰まりが詰まりやすくなるなどの影響があると考えられる。ここで、本実施形態の燃料電池システム１００では、起動時における燃料電池スタック１の発電状態を判断し、発電状態が低下している可能性があると判断した場合のみ目標発電電流の制限を電流制限部３７によって実施するようにしているので、過渡状態での発電効率低下が顕著に発生しないシーンにおいて、より短時間で、目標発電電力に対して実発電電力を精度良く追従させることができる。

以上、本発明の実施形態としての燃料電池システムについて詳細に説明したが、以上の実施形態は本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲が以上の実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、以上の実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

日本国特許出願２００８−２８３１４９（出願日２００８年１１月４日）の全内容がここに援用され、誤訳や記載漏れから保護される。

以上、実施形態によって本発明の内容を記載したが、本発明はこれら記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者に自明である。

本発明によれば、燃料電池内部の温度上昇による水詰まり解消状況を考慮しながら目標発電電流の変化速度に制限を加えることができるので、低温環境下で燃料電池を発電させる場合であっても過渡状態での大幅な発電効率低下を防止できる。

Claims (10)

1. 燃料電池に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて、前記燃料電池の目標発電電力を算出する目標発電電力演算部と、
   前記目標発電電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す目標発電電流を算出する目標発電電流演算部と、
   前記燃料電池の運転温度に基づいて、前記目標発電電流の変化速度に対する制限値を算出する電流変化速度制限値演算部と、
   前記目標発電電流の前記変化速度が前記電流変化速度制限値演算部で算出した前記制限値を越えないように前記目標発電電流を制限する電流制限部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池の発電制御装置。
2. 前記電流変化速度制限値演算部は、前記燃料電池の前記運転温度に基づいて、前記目標発電電流の上昇変化速度の制限値を算出し、
   前記燃料電池の前記運転温度が上昇するに従い、前記電流変化速度制限値演算部が算出する前記目標発電電流の前記上昇変化速度の前記制限値が緩和されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の発電制御装置。
3. 前記燃料電池の発電電流の検出値及び発電電圧の検出値に基づいて、前記燃料電池の実発電電力を算出する実発電電力演算部を更に備え、
   前記目標発電電流演算部は、前記電流制限部の出力である制限後目標発電電流と、前記目標発電電力と前記実発電電力との偏差に基づいて、前記目標発電電力と前記実発電電力とが一致するように前記目標発電電流を算出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の発電制御装置。
4. 前記目標発電電流演算部は、
   前記目標発電電力と前記実発電電力との前記偏差に基づいて、所定時間先までの実発電電力の目標発電電力増加代を算出する目標発電電力増加代演算部と、
   前記制限後目標発電電流と、発電電力の過渡応答モデルとに基づいて、前記所定時間先での過渡応答モデル増加代を算出する過渡応答モデル増加代演算部とを有し、
   前記目標発電電力増加代と前記過渡応答モデル増加代とが一致するように前記目標発電電流を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の発電制御装置。
5. 前記燃料電池が高周波域にもつピークゲインを所定値まで抑制する低域通過フィルタに、前記電流制限部の出力である制限後目標発電電流を透過させる電力変動抑制部を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の発電制御装置。
6. 前記電流変化速度制限値演算部は、前記目標発電電力と前記実発電電力が所定値以上乖離しないように、前記目標発電電流の下降変化速度の制限値を算出することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の発電制御装置。
7. 前記燃料電池の前記発電電圧が所定下限値を下回らないように、前記目標発電電流に基づいて前記燃料電池の目標発電電圧を算出する目標発電電圧演算部と、
   所定時間前までの実発電電力の中から選択した値を前記発電電圧の前記所定下限値で除算して求めた値に基づいて、前記目標発電電流の上限値を算出する電流上限値演算部と、を更に備え、
   前記電流制限部は、前記目標発電電流の最大値が前記電流上限値演算部で算出した前記上限値を越えないように前記目標発電電流を制限することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の発電制御装置。
8. 前記燃料電池の前記運転温度に基づいて起動時における前記燃料電池の発電状態を判断し、前記発電状態が低下している可能性があると判断した場合に前記電流制限部による前記目標発電電流の制限を実施することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の発電制御装置。
9. 燃料電池に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて、前記燃料電池の目標発電電力を算出することと、
   前記目標発電電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す目標発電電流を算出することと、
   前記燃料電池の運転温度に基づいて、前記目標発電電流の変化速度に対する制限値を算出することと、
   前記目標発電電流の前記変化速度が、前記算出することによる前記制限値を越えないように前記目標発電電流を制限することと、
   を備えることを特徴とする燃料電池の発電制御方法。
10. 燃料電池に接続された電気負荷装置の負荷状態に基づいて、前記燃料電池の目標発電電力を算出する目標発電電力演算手段と、
    前記目標発電電力に基づいて、前記燃料電池から取り出す目標発電電流を算出する目標発電電流演算手段と、
    前記燃料電池の運転温度に基づいて、前記目標発電電流の変化速度に対する制限値を算出する電流変化速度制限値演算手段と、
    前記目標発電電流の前記変化速度が前記電流変化速度制限値演算手段で算出した前記制限値を越えないように前記目標発電電流を制限する電流制限手段と、
    を備えることを特徴とする燃料電池の発電制御装置。

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