JP5386950B2

JP5386950B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP5386950B2
Application number: JP2008303534A
Authority: JP
Inventors: 祥朋浅井
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: JP2010130806A

Description

本発明は、燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給し、燃料電池から出力を取り出して車両の駆動モータに供給する燃料電池システムに関する。

従来、車両に搭載される燃料電池システムとして、燃料電池と二次電池とを負荷に対して並列に接続し、燃料電池を変換効率が高い範囲で運転させながら燃料電池による出力の不足分を二次電池からの出力でアシストするシステムが知られている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載の燃料電池システムでは、負荷要求が二次電池からの出力のみで賄える場合に燃料電池の発電運転を停止することで、燃料電池での発電の無駄を削減するようにしている。
特開２００１−３０７７５８号公報

ところで、特許文献１に記載された構成の燃料電池システムでは、二次電池の残存容量が大幅に減少した場合など、二次電池から出力を取り出せない状況においては、燃料電池からの出力のみで負荷要求を賄う必要があるため、負荷の増減に合わせて燃料電池から取り出す出力を増減させる必要がある。また、そもそも二次電池を持たない燃料電池システムにおいても同様に、負荷の増減に合わせて燃料電池から取り出す出力を増減させる必要がある。ここで、負荷要求に応じた電力を燃料電池で適切に発電させるためには、負荷要求に見合う流量の空気（酸化剤ガス）を燃料電池に瞬時に供給することが求められるが、燃料電池に供給される空気は、圧力が上昇した後、この圧力上昇により流量が増加することになる。このため、車両ドライバによってアクセルが緩やかに踏み増しされる緩加速時においては、空気の圧力上昇が緩やかになるために空気の供給流量の増加に遅れが生じる。そして、空気流量が不足している状態での発電が続くと、燃料電池の電圧低下により燃料電池自体の劣化を招いたり、燃料電池から出力を取り出すパワーマネージャーに負担をかけて故障の要因となるといった問題があった。

上記の問題点を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両ドライバのアクセル操作に基づいて燃料電池の基準目標発電電力を算出し、基準目標発電電力の変化量を制限した目標発電電力を算出し、目標発電電力に対応する目標電流を算出し、燃料電池に供給される空気圧力に対応する最大取出電流を算出し、基準目標発電電力と目標発電電力との差分に基づき当該差分が大きいほど大きな値となる電流補正量を算出し、この電流補正量を加算した最大取出電流と目標電流とを比較して、値の小さい方を燃料電池が出力する修正目標電流として算出する制御手段を備える。

また、上記の問題点を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、車両ドライバのアクセル操作に基づいて燃料電池の基準目標発電電力を算出し、基準目標発電電力の変化量を制限した目標発電電力を算出し、目標発電電力に対応する目標電流を算出し、燃料電池に供給される空気圧力に対応する最大取出電流を算出し、目標電流に基づいて燃料電池に供給される酸化剤ガスのシステム要求目標空気流量及びシステム要求目標空気圧力を算出し、システム要求目標空気流量及びシステム要求目標空気圧力に基づいて修正目標空気圧力を算出し、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分に基づき当該差分が小さいほど大きな値となる電流補正量を算出し、この電流補正量を加算した最大取出電流と目標電流とを比較して、値の小さい方を燃料電池が出力する修正目標電流として算出する制御手段を備える。

本発明によれば、車両ドライバによってアクセルが緩やかに踏み増しされる緩加速時には、基準目標発電電力と目標発電電力との差が小さいために、あるいはシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差が大きくなるために、最大取出電流に加算される電流補正量は小さくなり、結果的に、目標発電電力に見合う目標電流よりも空気圧力に見合う最大取出電流が、燃料電池が出力する修正目標電流として優先的に選択されることになる。したがって、車両の緩加速時における酸化剤ガスの流量増加の遅れに伴う燃料電池の電圧低下を有効に抑制して、電圧低下に起因する燃料電池の劣化等の問題を有効に回避することができる。一方、車両ドライバがアクセルを強く踏み込む車両の急加速時においては、空気圧力に見合う最大取出電流よりも目標発電電力に見合う目標電流が、燃料電池が出力する修正目標電流として優先的に選択されることになるので、車両ドライバが望む加速性能を実現することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明を適用した燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。この図１に示す燃料電池システムは、例えば、燃料電池車両の駆動源として車載され、燃料電池車両の駆動モータやシステム内部の補機などの電気負荷装置に電力供給するものであり、例えば固体高分子型の燃料電池１を備える。

固体高分子型の燃料電池１は、アノードに燃料ガスとして水素ガス、カソードに酸化剤ガスとして空気がそれぞれ供給されることで、下記の式（１）及び式（２）示す電極反応が進行させて発電する。
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）

アノードへの水素供給は、高圧水素を貯蔵する水素タンク２から水素タンク元弁３、減圧弁４、水素供給弁５を通じてなされる。水素タンク２から供給される高圧水素は、減圧弁４で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素供給弁５で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧となるように制御される。ポンプ等を用いた水素循環装置７は、アノードで消費されなかった水素を水素循環路２４を介して再循環させるために設置する。アノードの水素圧は、圧力センサ６ａで検出した水素圧力をフィードバックして水素供給弁５を駆動することによって制御される。水素圧を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に補われる。

パージ弁８は、アノード出口から排出された燃料ガスを排水素処理装置９へ排出する弁である。パージ弁８は、次のような場合に一時的に開かれる。
・アノード及び水素循環装置７及び水素循環路２４（これらを水素系と呼ぶ。）の内部に蓄積した窒素などの不純物ガスの濃度を減じて水素分圧を高めるために、水素系内に蓄積した不純物ガスを排出する。
・アノード内のガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばして、セル電圧を回復させる。
・燃料電池システムの起動時に、水素系を水素で置換するために水素系内の空気などのガスを排出する。

排水素処理装置９は、パージ弁８から排出されたガスの水素濃度が水素の可燃濃度未満となるように、空気で希釈するか、あるいは水素と空気を反応させて燃焼させることで排出水素濃度を下げる。

カソードへの空気供給は、内蔵するモータで駆動されるコンプレッサ１０ａにより外気を取り込むことによってなされる。インバータ１０ｂは、制御用のマイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）を内蔵し、コンプレッサ１０ａの内蔵モータの回転数を制御するものである。なお、コンプレッサ１０ａに吸入される外気の温度は温度センサ６ｄ、大気圧は圧力センサ６ｅによりそれぞれ検知される。

加湿装置１１は、コンプレッサ１０ａから供給される空気を加湿して、燃料電池１のカソードへ供給する。カソードに供給される空気圧力、空気流量は、圧力センサ６ｂ、流量センサ６ｃでそれぞれ検出される。これら圧力センサ６ｂ及び流量センサ６ｃの検出値はコントローラ３０に入力される。コントローラ３０は、圧力センサ６ｂで検出した空気圧力と流量センサ６ｃで検出した空気流量をフィードバックして空気調圧弁１２及びインバータ１０ｂを制御することにより、カソードに供給される空気を目標空気流量及び目標空気圧力となるように制御する。空気調圧弁１２は、弁を駆動するモータと弁開度を制御するマイコンとを内蔵する。なお、上述したインバータ１０ｂのマイコン及び空気調圧弁１２のマイコン等は、必要がなければ取り外してもかまわない。

燃料電池１には、冷却水を流通させて当該燃料電池１の温度調整を行うための図示しない冷却水流路が設けられている。この冷却水流路への冷却水の供給は、冷却水ポンプ１３の作動により行われる。三方弁１６は、冷却水の流路をラジエタ１７の方向と、ラジエタ１７をバイパスするバイパス流路１９の方向に切り替えや分流する。ラジエタファン１８は、ラジエタ１７へ風を通過させることでラジエタ１７での冷却水の放熱を促進させる。冷却水の温度は、温度センサ１４によって燃料電池１入口における温度を、温度センサ１５によって燃料電池１出口における温度をそれぞれ検出し、これらに基づいてコントローラ３０が三方弁１６とラジエタファン１８を駆動することによって調整する。

パワーマネージャー２０は、燃料電池１から出力を取り出す装置であり、燃料電池１から取り出した出力（電流あるいは電力）を図示しない車両駆動モータ等へ供給する。このパワーマネージャー２０には、例えばコントローラ３０によって動作制御されるＤＣ／ＤＣコンバータが用いられる。電圧センサ２１ａは、燃料電池１のスタック電圧値を検出し、電流センサ２１ｂは、燃料電池１から取り出される電流値を検出する。これら電圧センサ２１ａ及び電流センサ２１ｂの検出値はコントローラ３０に入力される。

コントローラ３０は、燃料電池システム全体の動作を制御するものであり、例えば、ＣＰＵとプログラムＲＯＭと作業用ＲＡＭと周辺インターフェースとを有するマイコンで構成されている。このコントローラ３０には、上述した燃料電池システム内の各種センサのほか、燃料電池システムのオン／オフを指示するキースイッチ２２や、ドライバのアクセル操作に応じたアクセル開度を検出するアクセル開度センサ２３などが接続されている。コントローラ３０は、ＣＰＵが作業用ＲＡＭをワークエリアとして利用し、プログラムＲＯＭに内蔵された制御プログラムに従って各種センサなどからの入力信号を用いた各種の演算処理を実行することによって、燃料電池システムにおける全体の動作を統括的に制御する。本発明は、このコントローラ３０による制御機能の１つとして実施される。

図２は、本発明に関わるコントローラ３０の制御機能の概要を示す制御ブロック図である。図２に示すように、コントローラ３０は、本発明に関わる制御機能を実現するための機能構成として、目標値生成手段３１と、操作量生成手段３２と、修正目標電流生成手段３３とを有する。なお、図２中の空気系システムは、燃料電池１の空気極、正確にはコンプレッサ１０ａから燃料電池１のカソード内空気流路を経て空気調圧弁１２に至るまでの空気系の容積・圧損を表している。

目標値生成手段３１は、アクセル開度センサ２３の検出値に基づき、現在のアクセル開度に対応した燃料電池１への負荷要求を生成するための基準目標発電電力と、基準目標発電電力の時間的変化を制約して得られる電力の目標値である目標発電電力と、目標発電電力を実現するための電流の目標値である目標電流とを生成する。また、目標値生成手段３１は、現在のアクセル開度に応じた空気圧力の目標値である修正目標空気圧力を生成する。

操作量生成手段３２は、空気系の圧力センサ６ｂの検出値が目標値生成手段３１で生成された修正目標空気圧力に漸次近づくように、空気系のコンプレッサ１０ａ及び空気調圧弁１２の操作量を生成する。

修正目標電流生成手段３３は、目標値生成手段３１により生成された基準目標発電電力、目標発電電力、目標電流と、操作量生成手段３２により生成された操作量から予測される空気系システムの空気圧力、もしくは空気系の圧力センサ６ｂにより検出された空気系システムの空気圧力とに基づいて、パワーマネージャー２０への電流取り出しの指令値となる修正目標電流を生成する。

次に、本発明に関わるコントローラ３０の動作について説明する。図３は、本発明に関わる制御機能を実現するためにコントローラ３０により実行される処理の概要を示すメインフローチャートである。この図３のメインフローチャートで示す一連の処理は、例えばキースイッチ２２からのシステムオン信号に応じて燃料電池システムを起動させた後、所定時間毎（例えば１ｍｓ毎）にコントローラ３０によって繰り返し実行される。

図３のフローが開始されると、コントローラ３０は、まずステップＳ１において、アクセル開度センサ２３の検出値を読み込んで、燃料電池１への負荷要求に対応する各種目標値を生成する。具体的には、コントローラ３０は、例えば図４に示すような制御テーブルを予め記憶しており、アクセル開度センサ２３の検出値を読み込むと、この制御テーブルを検索して現在のアクセル開度に対応した基準目標発電電力を求める。なお、この制御テーブルは、例えば、燃料電池車両として実現しようとする車両の性格、車両の操縦性、乗り心地等を鑑みて決めればよく、事前に様々なパターンを実際に走行してみてアクセル開度と基準目標発電電力との関係として最適なパターンを選択し、記憶しておけばよい。

また、コントローラ３０は、アクセル開度に基づいた基準目標発電電力だけでなく、実際の車両の挙動を考慮した上で必要とされる電力を目標発電電力として求める。これは例えば、路面がすべり易いことを検知した場合などは目標発電電力を急激に大きくするのは車両がスリップをしてしまうため避けたほうがよい。そのため、例えば車両の路面の摩擦係数を検知し、検知した値に応じて、基準目標発電電力の時間的変化を制約することで生成される。また、その他の要因で車両を急加速をさせたくない場合なども同様に基準目標発電電力の時間的変化を制約し、目標発電電力を生成すればよい。具体的には、例えば負荷が大きくなるときは下記式（３）と式（４）で得られる値の小さい方を目標発電電力とすればよい。
目標発電電力＝目標発電電力（前回値）＋ ΔＰ・・・（３）
目標発電電力＝基準目標発電電力・・・（４）
ここで、ΔＰは単位演算時間あたりの発電電力の最大増加分であり、燃料電池１から取出可能な出力の増加分を予め実験で求めてその値を決めておけばよい。

また、コントローラ３０は、例えば図５のような変換テーブルを用い、目標発電電力が得られる電流の目標値である目標電流を求める。なお、ここで用いる変換テーブルは、一定電流で発電を行った場合の各電流値と電力値との関係を予め実験等で求めて記憶しておけばよい。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ２において、ステップＳ１で生成した目標電流に基づいて、燃料電池１での発電に必要な空気流量の目標値であるシステム要求目標空気流量と、空気圧力の目標値であるシステム要求目標空気圧力とを設定する。この目標電流に基づいたシステム要求目標空気流量及びシステム要求目標空気圧力の設定には、例えば図６及び図７のような制御テーブルを用いればよい。これらの制御テーブルは、実際に燃料電池１が十分な発電を行える空気流量及び空気圧力を実験等で求めて記憶しておけばよい。なお、ここでは目標発電電力に対応した目標電流に基づいてシステム要求目標空気流量及びシステム要求空気圧力を設定しているが、基準目標発電電力を図５と同様の変換テーブルを用いて変換した電流値に基づいてシステム要求空気流量及びシステム要求空気圧力を設定するようにしてもよい。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ３において、ステップＳ２で設定したシステム要求目標空気流量とシステム供給目標空気圧力とに基づいて、修正目標空気流量と修正目標空気圧力とを生成する。本ステップは、必要がなければシステム要求目標空気流量をそのまま修正目標空気流量、システム要求目標空気圧力をそのまま修正目標空気圧力とすることで省略することもできる。なお、修正目標空気流量及び修正目標空気圧力の生成方法の詳細は後述するが、コントローラ３０は、修正目標空気流量をシステム要求目標空気流量に近づけ、且つ、修正目標空気圧力をシステム要求目標空気圧力に近づけるような制御を行う。また、コントローラ３０は、修正目標空気圧力とシステム要求目標空気圧力との乖離度合いに応じて修正目標空気流量をシステム要求目標空気流量よりも大きく生成し、修正目標空気圧力のシステム要求目標空気圧力への追従性能を向上させる。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ４において、空気系の圧力センサ６ｂ及び流量センサ６ｃによりそれぞれ検出した実際の空気圧力値及び空気流量値と、ステップＳ３で生成した修正目標空気圧力及び修正目標空気流量とを用いて、コンプレッサ１０ａの操作量と空気調圧弁１２の操作量を生成する。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ５において、パワーマネージャー２０への電流取り出しの指令値となる修正目標電流を生成する。具体的には、コントローラ３０は、例えば、ステップＳ４で生成した操作量から予測される空気系システムの空気圧力、もしくは空気系の圧力センサ６ｂにより検出された実際の空気系システムの空気圧力をもとに、圧力と電流制限値との関係から当該空気圧力における最大取出電流を求める。また、コントローラ３０は、ステップＳ１で生成した基準目標発電電力と目標発電電力との差分に応じて、これらの差が大きくなるほど大きな値をとる過大取出電流を求める。そして、最大取出電流に過大取出電流を加算した値を修正最大取出電流とし、この修正最大取出電流とステップＳ１で生成した目標電流とのうちで値が小さい方の電流値を、修正目標電流として生成する。なお、過大取出電流を求める方法としては、基準目標発電電力と目標発電電力との差分を用いる以外に、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分を用い、これらの差が小さくなるほど大きな値をとる過大取出電流を求めるようにしてもよい。修正目標電流の生成方法については詳細を後述する。

図８は、図３のステップＳ３における修正目標空気流量及び修正目標空気圧力を生成する処理の詳細を示すフローチャートである。なお、この図８に示す処理は、上述したように、必要がなければシステム要求目標空気流量をそのまま修正目標空気流量とし、システム要求目標空気圧力をそのまま修正目標空気圧力とすることで省略することもできる。

図８のフローが開始されると、コントローラ３０は、まずステップＳ３０１において、前回の処理において生成した修正目標空気圧力の値を読み込み、ステップＳ３０２において、図３のステップＳ２で設定したシステム要求目標空気圧力と、ステップＳ３０１で読み込んだ修正目標空気圧力（前回値）との差を計算する。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ３０３において、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力（前回値）との差が正の値、つまりシステム要求目標空気圧力が前回の処理で生成した修正目標空気圧力よりも増加しているかどうかを判定する。そして、増加している場合にはステップＳ３０４において、下記式（５）により目標空気流量の補正値を求め、増加していなければステップＳ３０５において目標空気流量の補正値をゼロとする。
目標空気流量補正値＝Ｋｐ × （システム要求目標空気圧力−修正目標空気圧力（前回値））・・・（５）
ここで、Ｋｐは定数であり、事前のシミュレーションや実験などを通じて定められる値である。このＫｐを大きな値にすれば修正目標空気流量は大きくなり、修正目標空気圧力とシステム要求目標空気圧力との乖離も小さくできるが、その一方で、Ｋｐの値が大きすぎるとコンプレッサ１０ａへの負担が大きくなったり、加速時にコンプレッサ１０ａからの音がドライバに違和感を与える虞があるので、これらを考慮して最適な値に定めておけばよい。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ３０６において、図３のステップＳ２で設定したシステム要求目標空気流量と目標空気流量の補正値とを用いて修正目標空気流量を生成する。具体的には、下記式（６）と式（７）で得られる値の小さい方を修正目標空気流量とすればよい。
修正目標空気流量＝システム要求目標空気流量＋目標流量補正値・・・（６）
修正目標空気流量＝システム要求目標空気流量＋ Δｓ・・・（７）
ここで、Δｓは単位演算時間あたりの空気流量の最大増加分であり、コンプレッサ１０ａが追従可能な空気流量の増加分を予め実験で求めてその値を決めておけばよい。また、温度センサ６ｄや圧力センサ６ｅの検出値を読み込み、外気温が高くなるに応じて、あるいは大気圧が低くなるに応じて（つまり大気の空気密度が低くなるに応じて）、Δｓが小さくなるように設定してもよい。これは、空気密度が低くなるとコンプレッサ１０ａが供給できる流量が小さくなることに対応している。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ３０７において、図３のステップＳ２で設定したシステム要求目標空気圧力に基づき、修正目標空気圧力を生成する。具体的には、下記式（８）と式（９）で得られる値の小さい方を修正目標空気圧力とすればよい。
修正目標空気圧力＝システム要求目標空気圧力・・・（８）
修正目標空気圧力＝システム要求目標空気圧力（前回値）＋ Δｐ・・・（９）
ここで、Δｐは単位演算時間あたりの空気圧力の最大増加分であり、例えば図９に示すような制御マップを用いて求めればよい。

また、修正目標空気流量及び修正目標空気圧力の生成に関しては、特願２００８−３６５７２号の明細書及び図面に記載された手法を用いて求めることも可能である。すなわち、特願２００８−３６５７２号の図３において、第１目標値をシステム要求目標空気流量とし、第１目標修正手段によりシステム要求目標空気流量から修正目標空気流量を求める。また、希望操作関連量については特願２００８−３６５７２号の明細書の記載に従い、第２目標値をシステム要求目標空気圧力、修正第２目標値を修正目標空気圧力とすればよい。より詳細には、特願２００８−３６５７２号の図１５において、伝達関数Ｍｆ＝Ｉとし、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力（前回値）との偏差ｅｐから目標空気流量の補正値を求めて、この目標空気流量の補正値をシステム要求目標空気流量の前段で加算すればよい。また、加算した後段に第１目標修正手段を設ければよい。以上の手法を用いた場合の制御ブロック図を図１０に示す。なお、以上の手法を用いて修正目標空気流量及び修正目標空気圧力を生成する場合、図１０に示すように、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との偏差を用いて、当該偏差が小さいほど大きな値をとる過大取出電流を求めることができ、基準目標発電電力と目標発電電力との差分から求めた過大取出電流の代わりに、このシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分から求めた過大取出電流を最大取出電流に加算して修正最大取出電流を求めることができる。

図１１は、図３のステップＳ４における空気系の操作量を生成する処理の詳細を示すフローチャートである。

図１１のフローが開始されると、コントローラ３０は、まずステップＳ４０１において、空気系の圧力センサ６ｂにより検出される空気圧力値と図３のステップＳ３で生成された修正目標空気圧力との偏差である圧力偏差を演算する。また、コントローラ３０は、ステップＳ４０２において、空気系の流量センサ６ｃにより検出される空気流量値と図３のステップＳ３で生成された修正目標空気流量との偏差である流量偏差を演算する。なお、ステップＳ４０１における圧力偏差の演算とステップＳ４０２における流量偏差の演算は、どちらを先に行ってもかまわない。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ４０３において、ステップＳ４０１で求めた圧力偏差とステップＳ４０２で求めた流量偏差とに基づいて、空気系におけるコンプレッサ１０ａの操作量及び空気調圧弁１２の操作量を演算する。

例えば、空気調圧弁１２の操作量は、空気調圧弁１２を駆動するモータおよびマイコンに伝達する目標値とすればよい。空気調圧弁１２を最終的に駆動するマイコンは、空気調圧弁１２の開度を測定する開度センサ（例えばポテンショメータ）の検出値と、コントローラ３０から伝達された目標値とをＰＩＤ制御理論のような公知の制御手法を用いて実現すればよい。

コンプレッサ１０ａの操作量として、例えばコンプレッサ指令回転数を用いる場合には、コンプレッサ１０ａの回転数を制御しているインバータ１０ｂへ指令回転数が伝達される。インバータ１０ｂでは伝達されたコンプレッサ指令回転数を目標値として、コンプレッサ１０ａの回転数がコンプレッサ指令回転数となるようにコンプレッサ１０ａを駆動するモータへトルクを印加する。このとき、トルクの演算方法は、例えばＰＩＤ制御理論やベクトル制御のような公知の制御手法を用いて容易に実現できる。もちろんコンプレッサ指令回転数のかわりにコンプレッサ１０ａに印加するトルクを演算してもよい。この場合もＰＩＤ制御理論のような公知の制御理論を用いて容易に実現できる。

このとき圧力センサ６ｂ、流量センサ６ｃの検出信号を特にフィードバックする必要がなければ、公知の手法であるフィードフォワード制御も使うことができる。本実施形態ではフィードバック制御を適用した場合を例に挙げて説明しているが、目標値から操作量を演算する手段は公知の制御手法で構わない。

図１２は、図３のステップＳ５における修正目標電流を生成する処理の詳細を示すフローチャートである。

図１２のフローが開始されると、コントローラ３０は、まずステップＳ５０１において、図３のステップＳ１で生成した基準目標発電電力と目標発電電力との差分を求め、これを補正値とする。このように基準目標発電電力と目標発電電力との差分を補正値とすることで、燃料電池車両の急加速時は補正値が大きくなり、緩加速時には補正値が小さくなる。つまり、加速度合いあるいはアクセルの踏み込み具合が大きくなるにつれて補正値が大きくなる。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ５０２において、ステップＳ５０１で求めた補正値が正の値であるか否かを判断し、補正値が負の値であればステップＳ５０３において補正値を０とする。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ５０４において、補正値に対して遅れ演算をほどこす。この遅れ演算は、例えば一次遅れ演算等により行えばよい。なお、このステップＳ５０４における遅れ演算は、必要がなければ省略することもできる。また、遅れ演算の結果に定数をかけることもできる。この場合の定数は、補正値を電流の次元に変換するための変換定数であり、前回の処理で求めた修正目標電流をパワーマネージャ２０に指令した結果を見ながら、過渡状態で燃料電池１の総電圧が低下しない程度の大きな値とすればよい。

以上のステップＳ５０１からステップＳ５０４までの処理で、最大取出電流に加算する過大取出電流が生成される。燃料電池車両の急加速時における過大取出電流生成のタイムチャートを図１３、緩加速時における過大取出電流生成のタイムチャートを図１４にそれぞれ示す。これら図１３及び図１４において、（ａ）は基準目標発電電力及び目標発電電力の時間変化を示し、（ｂ）は基準目標発電電力と目標発電電力との差分である補正値を示し、（ｃ）は補正値に対して遅れ演算を行って得られる過大取出電流を示している。これら図１３及び図１４から分かるように、燃料電池車両の挙動が急加速の場合ほど、過大取出電流は大きな値となる。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ５０５において、空気系システムの空気圧力を検知する。この空気圧力の検知は、空気系の圧力センサ６ｂの検出値を用いてもよいし、操作量生成手段３２により生成された操作量から空気圧力の挙動を予測した値を用いてもよい。また、両者の小さい方の値を用いても同様の効果が得られる。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ５０６において、ステップＳ５０５で検知した空気圧力の値を電流の次元に変換する。この空気圧力から電流への変換には、例えば図７に示したような空気圧力と電流との対応関係を示した制御テーブルを用いればよい。以上のステップＳ５０５及びステップＳ５０６の処理により、空気圧力に対応した最大取出電流が生成される。なお、ステップＳ５０５及びステップＳ５０６の最大取出電流を生成する処理は、ステップＳ５０１からステップＳ５０６までの過大取出電流を生成する処理よりも先に行うようにしてもかまわない。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ５０７において、ステップＳ５０１からステップＳ５０６までの処理で生成した過大取出電流をステップＳ５０５及びステップＳ５０６の処理で生成した最大取出電流に加算して修正最大取出電流を求め、この修正最大取出電流を図３のステップＳ１で生成した目標電流と比較して、小さい方の値を修正目標電流として生成する。この修正目標電流は、パワーマネージャー２０が燃料電池１から電流を取り出す目標値として、コントローラ３０からパワーマネージャー２０に対して指令される。

なお、以上は、基準目標発電電力と目標発電電力との差分をもとに過大取出電流を求める場合の例であるが、過大取出電流は、上述したようにシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分から求めることもできる。図１５は、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分から過大取出電流を求める場合のコントローラ３０による修正目標電流生成処理の詳細を示すフローチャートである。

図１５のフローが開始されると、コントローラ３０は、まずステップＳ５１１において、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分を求め、これを基準値から減算した値を補正値とする。ここで、基準値はある一定値でもよいし、時間に応じて変化する値であってもよい。この基準値は、前回の処理で求めた修正目標電流をパワーマネージャ２０に指令した結果を見ながら、過渡状態で燃料電池１の総電圧が低下しない程度に大きな値とすればよい。以上のように求める補正値は、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差が小さいときほど大きな値になる。

次に、コントローラ３０は、ステップＳ５１２において、ステップＳ５１１で求めた補正値が正の値であるか否かを判断し、負の値であれば補正値を０とし（ステップＳ５１３）、正の値であればこれに例えば一時遅れ演算等の遅れ演算をほどこして（ステップＳ５１４）、過大取出電流を生成する。また、コントローラ３０は、空気圧力に応じた最大取出電流を生成し（ステップＳ５１５、ステップＳ５１６）、最大取出電流に過大取出電流を加算して修正最大取出電流を求めて、この修正最大取出電流と目標電流のうちで小さい方の値を修正目標電流として生成する（ステップＳ５１７）。これらの処理は上述した図１２の処理と同様である。

燃料電池車両の急加速時における空気系の流量及び圧力に関する各パラメータの時間変化の一例を図１６、緩加速時における空気系の流量及び圧力に関する各パラメータの時間変化の一例を図１７にそれぞれ示す。これら図１６及び図１７において、（ａ）は空気流量に関する各パラメータの時間変化を示し、（ｂ）は空気圧力に関する各パラメータの時間変化を示している。これら図１６及び図１７から分かるように、負荷要求から求めた目標電流に応じて空気流量を供給した場合、急加速時にはシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分（図１６におけるｄ１）が小さくなる（つまり、圧力の応答遅れが小さくなる）のに対し、緩加速時にはシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分（図１７におけるｄ２）が大きくなる。したがって、システム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差が小さいときほど大きな値となる過大取出電流を生成することにより、基準目標発電電力と目標発電電力との差分をもとに過大取出電流を生成する場合と同様に、急加速時には過大取出電流が大きく、緩加速時には過大最大取出電流が小さくなる。

コントローラ３０は、上述したように、最大取出電流に過大取出電流を加算して修正最大取出電流を求め、この修正最大取出電流と目標電流とのうちで小さい方の値を修正目標電流として生成するようにしているので、燃料電池車両の急加速時には負荷要求に見合った目標電流が修正目標電流として優先され、緩加速時には空気圧力に見合った修正最大取出電流が修正目標電流として優先される傾向となる。

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によれば、燃料電池車両のドライバによってアクセルが緩やかに踏み増しされる緩加速時においては、基準目標発電電力と目標発電電力との差が小さくなるため、あるいはシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差が大きくなるために、過大取出電流が小さくなり、空気圧力に見合う最大取出電流に過大電流を加算して得られる修正最大取出電流が比較的小さな値となる。その結果、燃料電池１からの電流取り出しの指令値となる修正目標電流としては、負荷要求を実現させるための目標電流よりも空気圧力に見合った修正最大取出電流が優先的に選択されるようになる。したがって、燃料電池車両の緩加速時には空気圧力に見合った電流取り出しが行われることとなり、燃料電池１の総電圧の低下を有効に抑制して、電圧低下に起因する燃料電池１の劣化や、パワーマネージャ２０に過度な負担をかけることによる故障などの問題を有効に回避することができる。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池車両のドライバによってアクセルが強く踏み込まれる急加速時においては、基準目標発電電力と目標発電電力との差が大きくなるため、あるいはシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差が小さくなるために、過大取出電流が大きくなり、空気圧力に見合う最大取出電流に過大電流を加算して得られる修正最大取出電流が比較的大きな値となる。その結果、燃料電池１からの電流取り出しの指令値となる修正目標電流としては、空気圧力に見合った修正最大取出電流よりも負荷要求を実現させるための目標電流が優先的に選択されるようになる。したがって、燃料電池車両の急加速時には負荷要求を実現させる電流取り出しが行われることとなり、良好な加速性能を実現することができる。

燃料電池車両の緩加速時においては、車両ドライバは緩い加速を望んでいるために、負荷要求に対する発電の応答遅れはある程度許容されるが、その一方で、空気の圧力上昇が遅れることに伴う流量不足が顕著になる。これに対して、燃料電池車両の急加速時においては、車両ドライバは鋭い加速を望んでいるために、負荷要求に対する発電の応答性が求められるが、その一方で、空気圧力は短時間で上昇することが期待できるため、空気流量の不足による燃料電池１の電圧低下はさほど問題とならない。本実施形態の燃料電池システムでは、以上のような緩加速時と急加速時とのそれぞれの性質に合った電流の取り出しを行うことで、燃料電池１の総電圧低下による劣化等の問題を有効に回避しながら、車両ドライバが満足する加速性能を実現すること可能にしている。

また、本実施形態の燃料電池システムによれば、基準目標発電電力と目標発電電力との差分値、あるいはシステム要求目標空気圧力と修正目標空気圧力との差分値が負の値のときは過大取出電流をゼロとして最大取出電流を変化させないようにしているので、燃料電池車両の減速時に燃料電池１からの電流の取り出しが不必要に制限されることを回避することができる。

なお、上記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この実施形態として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、上記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。

本発明を適用した燃料電池システムの概略構成を示すシステム構成図である。本発明に関わるコントローラの制御機能の概要を示す制御ブロック図である。本発明に関わる制御機能を実現するためにコントローラにより実行される処理の概要を示すメインフローチャートである。アクセル開度と基準目標発電電力との関係を表す制御テーブルの一例を示す図である。目標発電電力を目標電流に変換する変換テーブルの一例を示す図である。目標電流とシステム要求目標空気流量との関係を表す制御テーブルの一例を示す図である。目標電流とシステム要求目標空気圧力との関係を表す制御テーブルの一例を示す図である。図３のステップＳ３における修正目標空気流量及び修正目標空気圧力を生成する処理の詳細を示すフローチャートである。修正目標空気流量と空気圧力の変化率制限値Δｐとの関係を表す制御テーブルの一例を示す図である。修正目標空気流量及び修正目標空気圧力を生成する手法の他の例を説明する制御ブロック図である。図３のステップＳ４における空気系の操作量を生成する処理の詳細を示すフローチャートである。図３のステップＳ５における修正目標電流を生成する処理の詳細を示すフローチャートである。燃料電池車両の急加速時における過大取出電流の生成を説明するタイムチャートである。燃料電池車両の緩加速時における過大取出電流の生成を説明するタイムチャートである。修正目標電流を生成する処理の他の例を示すフローチャートである。燃料電池車両の急加速時における空気系の流量及び圧力に関する各パラメータの時間変化の一例を示す図である。燃料電池車両の緩加速時における空気系の流量及び圧力に関する各パラメータの時間変化の一例を示す図である。

符号の説明

１燃料電池
２水素タンク
７水素循環装置
１０ａコンプレッサ
２０パワーマネージャー
３０コントローラ
３１目標値生成手段
３２操作量生成手段
３３修正目標電流生成手段

Claims

燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する供給手段と、前記燃料電池から出力を取り出して車両の駆動モータに供給する出力取出手段と、前記供給手段及び前記出力取出手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、
車両ドライバのアクセル操作に基づいて前記燃料電池の基準目標発電電力を算出する基準目標発電電力算出手段と、
前記基準目標発電電力の変化量を制限した目標発電電力を算出する目標発電電力算出手段と、
前記目標発電電力に対応する目標電流を算出する目標電流算出手段と、
前記燃料電池に供給される空気圧力に対応する最大取出電流を算出する最大取出電流算出手段と、
前記基準目標発電電力と前記目標発電電力との差分に基づき、当該差分が大きいほど大きな値となる電流補正量を算出する補正量算出手段と、
前記電流補正量を加算した最大取出電流と前記目標電流とを比較して、値の小さい方を前記燃料電池が出力する修正目標電流として算出する修正目標電流算出手段と、有することを特徴とする燃料電池システム。
前記補正量算出手段は、前記基準目標発電電力から前記目標発電電力を減じた差分値が負の値であれば前記電流補正量をゼロと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。
燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する供給手段と、前記燃料電池から出力を取り出して車両の駆動モータに供給する出力取出手段と、前記供給手段及び前記出力取出手段を制御する制御手段と、を備える燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、
車両ドライバのアクセル操作に基づいて前記燃料電池の基準目標発電電力を算出する基準目標発電電力算出手段と、
前記基準目標発電電力の変化量を制限した目標発電電力を算出する目標発電電力算出手段と、
前記目標発電電力に対応する目標電流を算出する目標電流算出手段と、
前記燃料電池に供給される空気圧力に対応する最大取出電流を算出する最大取出電流算出手段と、
前記目標電流に基づいて前記燃料電池に供給される酸化剤ガスのシステム要求目標空気流量及びシステム要求目標空気圧力を算出するシステム要求目標空気流量・圧力算出手段と、
前記システム要求目標空気流量及びシステム要求目標空気圧力に基づいて修正目標空気圧力を算出する修正目標空気圧力算出手段と、
前記システム要求目標空気圧力と前記修正目標空気圧力との差分に基づき、当該差分が小さいほど大きな値となる電流補正量を算出する補正量算出手段と、
前記電流補正量を加算した最大取出電流と前記目標電流とを比較して、値の小さい方を前記燃料電池が出力する修正目標電流として算出する修正目標電流算出手段と、有することを特徴とする燃料電池システム。
前記補正量算出手段は、前記システム要求目標空気圧力から前記修正目標空気圧力を減じた差分値が負の値であれば前記電流補正量をゼロとすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。