JP5394324B2 - 制御装置，燃料電池システム，制御方法，および燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は，熱交換媒体の流量を制御する制御装置，燃料電池システム，制御方法，および燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池を用いて発電する燃料電池装置が開発されている。燃料電池装置は，電解質体，燃料極，空気極を備える燃料電池スタックを有する。燃料極および空気極それぞれに，燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給し，電解質体を介して化学反応させることで，電力を発生させる。例えば，電解質体に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ），電解質体に固体高分子を用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。

燃料電池装置を含むシステム全体でのエネルギー効率の向上のため，燃料電池装置のコジェネレーションへの適用が進められている。即ち，燃料電池スタックでの発電に伴い発生する熱（燃料電池装置から排出される熱）によって，水を加熱し，温水（湯）として利用する。

燃料電池スタックから排出される熱量は発電量（例えば，家庭等での負荷量）に依存する。このため，温水の温度（水温）を一定に保つためには，発電量等に応じて水の流量を調節する必要がある。このため，フィードバック制御やフィードフォワード制御によって，水温を一定範囲に保つ技術が開示されている（特許文献１参照）。水の流量調節用の熱回収ポンプを，例えば，ＰＩＤやＤｕｔｙ（ＰＷＭ）で制御する。

特開２００９−１８１８５２号公報

ＰＥＦＣのように，燃料電池スタックからの発熱を温水の生成に直接用いる場合には，水温の調節が比較的容易である。即ち，発電量による熱量が予想しやすく，ポンプの回転数の制御によって水温を容易に調節できる。またその熱量が比較的多く，水流量が多くなるため，水温の変動は起こりにくい。

一方，ＳＯＦＣでは，燃料電池スタックからの排気ガスが燃料電池装置内で熱交換され，熱交換後の排気ガスにより温水が生成される。このため，ＳＯＦＣでは，燃料電池スタックからの発熱は温水の生成に間接的に用いられる。ＳＯＦＣのように，燃料電池スタックからの発熱を温水の生成に間接的に用い，これに加えて，発電効率が高い場合には，水温の調節が困難となる。即ち，温水の生成に利用される熱エネルギー量が少ないため，大きな水流量を要しないことから，発熱量や水流量のわずかな変化でも水温が変動する。さらに燃料電池からの発電出力の変動に伴う，排気ガスの流量の変化が，外部要因として，熱回収量を大きく変化し，ポンプの制御を困難とする。以上のように，ＳＯＦＣでは，水流量の広範囲かつ高精度な制御が要求されることとなる。

追従性を優先させて，温度の偏差と傾きからＰＩＤ制御で流量を制御することが考えられる。この場合，変動の大きさ（燃料電池の出力の変化）にあわせたパラメーターを使用すると，水温を一定に保つことが困難となり，変動の小さなパラメーターで最適化を行うと変動に対して応答が遅くなってしまう。一方で単調なＤｕｔｙ制御ではある燃料電池出力範囲においては安定かつ高速で温度コントロールできるが，範囲外の領域への急激な負荷変動には追従し難い。
上記に鑑み，本発明は，水等の熱交換媒体の温度の安定化を図った，熱交換媒体の流量の制御装置，制御方法を提供することを目的とする。

Ａ．本発明の一態様に係る制御装置は，第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する制御部と，前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する比率決定部と，前記熱源の前回の出力と今回の出力の出力差が所定範囲外の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量を決定する制御量決定部と，を備える。

熱交換媒体の測定温度ｔｍと目標温度ｔｃの温度差ｔｄ（＝ｔｍ−ｔｃ）に基づいて，第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）を決定する。熱源の前回の出力Ｐｂｆと今回の出力Ｐｎｗの出力差Ｐｄ（＝Ｐｂｆ−Ｐｎｗ）が所定範囲外（例えば，Ｐｄ＞Ｘ）の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量（例えば，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆ）を決定する。温度差ｔｄおよび出力差Ｐｄを用いて，時間の比率，第１，第２の制御量が適正に決定され，熱交換媒体の温度の安定化が図れる。

・前記熱源の出力と，第１，第２の制御量を対応して記憶する記憶部をさらに備え，前記制御量決定部が，前記記憶部の記憶内容を参照して第１，第２の制御量を決定しても良い。記憶部を用いることで，第１，第２の制御量の計算が不要となる。

Ｂ．本発明の一態様に係る制御装置は，第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する制御部と，前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差が所定の範囲内の場合に，前記温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する比率決定部と，前記温度差が前記所定の範囲外の場合に，前記第１，第２の制御量を決定する制御量決定部と，を備える。

熱交換媒体の測定温度ｔｍと目標温度ｔｃの温度差ｔｄ（＝ｔｍ−ｔｃ）が所定の範囲内（例えば，−Ｘ≦ｔｄ≦Ｘ）の場合に，前記温度差ｔｄに基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）を決定する。前記温度差ｔｄが前記所定の範囲外（例えば，ｔｄ＞Ｘ，ｔｄ＜−Ｘ）の場合に，前記第１，第２の制御量（例えば，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆ）を決定する。温度差ｔｄが所定の範囲内か否かに応じて，時間の比率，および第１，第２の制御量が適正に決定され，熱交換媒体の温度の安定化が図れる。

・前記制御量決定部が，前回の第１の制御量および前記温度差に基づき（例えば，式「Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ＋Ｃ１＊ｔｄ」を用いて），前記第１の制御量（例えば，高回転数Ｒｏｎ）を決定しても良い。第１の制御量の適正化が図れる。

・前記第１の制御量が第１の値（例えば，上限Ｒｈ）より大きい場合に，前記制御量決定部が，前記第１の制御量を前記第１の値以下（例えば，上限Ｒｈ以下）に決定し，前回の第２の制御量および前記温度差に基づき（例えば，式「Ｒｏｆ＝Ｒｏｆ＋Ｃ２＊ｔｄ」を用いて），前記第２の制御量（例えば，低回転数Ｒｏｆ）を決定しても良い。第１の制御量が上限を超えたような場合に，第２の制御量を調節して，適正な制御を可能とする。

・前記第１の制御量（例えば，高回転数Ｒｏｎ）が前記第１の値より小さい第２の値（例えば，下限Ｒｌ）よりも小さい場合に，前記制御量決定部が，前記第１の制御量を前記第２の値以上（下限Ｒｌ以上）に決定し，前回の第２の制御量および前記温度差に基づき（例えば，式「Ｒｏｆ＝Ｒｏｆ＋Ｃ２＊ｔｄ」を用いて），前記第２の制御量（例えば，低回転数Ｒｏｆ）を決定しても良い。第１の制御量が下限より小さいような場合に，第２の制御量を調節して，適正な制御を可能とする。

（１）Ａ，Ｂの制御装置において，前記比率決定部が，前回の比率および前記温度差に基づき（例えば，式「Ｄ＝Ｄ＋Ｃ３＊ｔｄ」を用いて），前記比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）を決定しても良い。比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）の適正化が図れる。

（２）Ａ，Ｂの制御装置において，前記比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）が第３の値（例えば，上限Ｄｈ）より大きい場合に，前記比率決定部が，前記比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）を前記第３の値Ｄ１以下（例えば，上限Ｄｈより小さい値，一例として，境界値Ｄｍ）に決定し，前記第１の制御量（例えば，高回転数Ｒｏｎ）を前回の第１の制御量より大きく（例えば，Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ＋Ｃ１１，あるいはＲｏｎ＝Ｒｏｎ＋Ｃ４＊（Ｄ−Ｄ１）とする）決定しても良い。比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）が上限より大きいような場合に，第１の制御量を調節して，適正な制御を可能とする。

（３）Ａ，Ｂの制御装置において，前記比率決定部が，前記比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）が前記第３の値より小さい第４の値（例えば，境界値Ｄｍ）よりも小さい場合に，前記第１の制御量（例えば，高回転数Ｒｏｎ）を前回の第１の制御量より小さく（例えば，Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ−Ｃ１３，あるいはＲｏｎ＝Ｒｏｎ−Ｃ６＊（Ｄｍ−Ｄ）とする）決定しても良い。比率（例えば，Ｄｕｔｙ比Ｄ）が非線形領域内のような場合に，第１の制御量を調節して，適正な制御を可能とする。

（４）Ａ，Ｂの制御装置において，熱源は、発電反応により電力を出力すると共に熱を発生する燃料電池であっても良い。燃料電池と熱交換する熱交換媒体の温度の安定化が図れる。

Ｃ．本発明の一態様に係る燃料電池システムは，燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と，前記燃料電池からの排熱により熱交換媒体を加熱する加熱部と，前記加熱部に前記熱交換媒体を供給するポンプと，Ａ〜Ｃに記載され，前記ポンプを制御する制御装置と，を備える。燃料電池システム内で熱交換する熱交換媒体の温度の安定化が図れる。

Ｄ．本発明の一態様に係る制御方法は，第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する工程と，前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，前記熱源の前回の出力と今回の出力の出力差が所定範囲外の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，を備える。

Ｅ．本発明の一態様に係る制御方法は，第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する工程と，前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差が所定の範囲内の場合に，前記温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，前記温度差が前記所定の範囲外の場合に，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，を備える。

Ｄ，Ｅにおいて，熱源は、発電反応により電力を出力すると共に熱を発生する燃料電池であっても良い。

Ｆ．本発明の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は，燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と，前記燃料電池からの排熱により熱交換媒体を加熱する加熱部と，前記加熱部に前記熱交換媒体を供給するポンプと，を備える燃料電池システムの制御方法であって，第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，前記ポンプによる前記熱交換媒体の流量を制御する工程と，前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，前記燃料電池の前回の出力と今回の出力の出力差が所定範囲外の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，を備える。

Ｇ．本発明の一態様に係る燃料電池システムの制御方法は，燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と，前記燃料電池からの排熱により熱交換媒体を加熱する加熱部と，前記加熱部に前記熱交換媒体を供給するポンプと，を備える燃料電池システムの制御方法であって，第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，前記ポンプによる前記熱交換媒体の流量を制御する工程と，前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差が所定の範囲内の場合に，前記温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，前記温度差が前記所定の範囲外の場合に，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，を備える。

本発明によれば，水等の熱交換媒体の温度の安定化を図った，熱交換媒体の流量の制御装置，制御方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００を表すブロック図である。 ポンプ１２１の動作状態の時間的変化の一例を表すグラフである。 Ｄｕｔｙ比Ｄと冷却水の相対流量Ｌｒの関係の一例を表すグラフである。 コントローラ１３０によるポンプ１２１の制御手順の一例を表すフロー図である。 第１実施形態での制御結果の一例を比較例での制御結果を比較して表すグラフである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム２００を表すブロック図である。 コントローラ２３０によるポンプ１２１の制御手順の一例を表すフロー図である。 発電出力Ｐ，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの対応関係を表すマップの一例を表す図である。

以下，図面を参照して，本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１００を表すブロック図である。図１に示すように，燃料電池システム１００は，燃料電池装置１１０，パワーコンディショナ１１７，ポンプ１２１，熱交換器１２２，タンク１２３，温度センサＳ，コントローラ１３０を備える。

燃料電池装置１１０は，気化器１１１，改質器１１２，燃料電池スタック１１３，燃焼器１１４，熱交換器１１５，断熱容器１１６を有する。

燃料電池装置１１０に，燃料ガス（都市ガス等の炭化水素系物質），酸化剤ガス（酸素ガスを含むガス，例えば，大気），および純水が供給される。燃料ガス，酸化剤ガスはそれぞれ不図示のポンプによって燃料電池装置１１０に供給される。また，燃料ガス，酸化剤ガスそれぞれの流量を測定する不図示の流量計が配置されている。

気化器１１１は，改質水（水蒸気改質用の水，例えば，純水）を気化して水蒸気とし，燃料ガスと混合する。
改質器１１２は，燃料ガスと水蒸気を反応させ，水素ガスを生成する（水蒸気改質）。

燃料電池スタック１１３に，改質器１１２からの水素ガス，および酸化剤ガスが供給され，水素と酸素の反応により電力を生成し（発電），発電後のオフガス（水蒸気を含む排ガス）を排出する。

燃焼器１１４は，発電後の排ガスに含まれる未反応の水素やＣＯ（一酸化炭素）を燃焼させ，排ガスを浄化する。後述のように，浄化された排ガスは熱交換器１２２で冷却され，大気中に放出される。

熱交換器１１５は，排ガス，酸化剤ガス，燃料ガス，改質水間での熱交換を可能とする。即ち，排ガスの熱により，酸化剤ガス，燃料ガス，改質水が加熱される。

断熱容器１１６は，気化器１１１，改質器１１２，燃料電池スタック１１３，燃焼器１１４，熱交換器１１５を外部から断熱する。

パワーコンディショナ１１７は，燃料電池スタック１１３からの直流出力を交流出力に変換して家庭用の機器類等に供給する。

ポンプ１２１は，熱交換器１２２に冷却水を供給する。後述のように，ポンプ１２１は，コントローラ１３０によって制御される。

熱交換器１２２は，冷却水によって，排ガスを冷却する。冷却された排ガスは熱交換器１２２から大気に放出される。冷却水は加熱されて温水としてタンク
熱交換器１２２の冷却に用いられた上水は，熱交換によって温水となりタンク１２３に供給される。

タンク（貯湯槽）１２３は，熱交換器１２２からの温水を蓄積する。タンク１２３に蓄積された温水は，例えば，家庭での風呂，シャワー，炊事等に利用される。このため，熱交換器１２２からタンク１２３に供給される温水の温度が一定であることが好ましい。タンク１２３に供給される温水の温度が一定に保たれると，タンク１２３内で層状の温度分布（上部温度が高く下部が低くなるように温度域が層状に幾重にも重なった状態）が可能となる。この結果，タンクに蓄積された温水を安全に使用できるようになる。後述のように，コントローラ１３０が冷却水の供給量を制御することで，タンク１２３に供給される温水の温度の一定化が図られる。

温度センサＳは，熱交換器１２２からタンク１２３に供給される温水の温度を測定する。
コントローラ１３０は，温度差ｔｄ（測定温度と目標温度の温度差）に基づき，ポンプ１２１の動作を制御し，熱交換器１２２からタンク１２３に供給される温水の温度の一定化を図る。

コントローラ２３０は，次の（１）〜（４）として機能する。
（１）第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する制御部
（２）前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する比率決定部
（３）前記熱源の前回の出力と今回の出力の出力差が所定範囲外の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量を決定する制御量決定部
（４）熱源の出力と，第１，第２の制御量を対応して記憶する記憶部

図２は，ポンプ１２１の動作状態の時間的変化の一例を表すグラフである。ポンプ１２１は，ＯＮ時間Ｔｏｎの高回転数Ｒｏｎでの制御（ＯＮ制御），ＯＦＦ時間Ｔｏｆの低回転数Ｒｏｆでの制御（ＯＦＦ制御）が繰り返される。次の式に示すように，ＯＮ時間ＴｏｎとＯＦＦ時間Ｔｏｆの和（総時間Ｔａｌ＝Ｔｏｎ＋Ｔｏｆ）に対するＯＮ時間Ｔｏｎの比率をＤｕｔｙ比Ｄという。
Ｄ［％］＝（Ｔｏｎ／Ｔａｌ）＊１００
＝［Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆ）］＊１００

本実施形態では，総時間Ｔａｌを一定とし，Ｄｕｔｙ比Ｄ，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆが適宜に決定され，ポンプ１２１が制御される。基本的にはＤｕｔｙ比Ｄによってポンプ１２１を制御するＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）方式（Ｄｕｔｙ制御）である。Ｄｕｔｙ比Ｄのみならず，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを変化させることで，応答の高速性の確保を図っている。

なお，図２のサイクルＣ１〜Ｃ３では，ＯＮ時間Ｔｏｎ１，ＯＦＦ時間Ｔｏｆ１，高回転数Ｒｏｎ１，低回転数Ｒｏｆ１である。図２のサイクルＣ４，Ｃ５では，ＯＮ時間Ｔｏｎ２，ＯＦＦ時間Ｔｏｆ２，高回転数Ｒｏｎ２，低回転数Ｒｏｆ１である。

以下，コントローラ１３０によるポンプ１２１の制御手順を説明する。
この説明に先立って，Ｄｕｔｙ比Ｄ，高回転数Ｒｏｎと，冷却水の流量Ｌの関係を説明する。図３は，Ｄｕｔｙ比Ｄと冷却水の相対流量Ｌｒの関係の一例を表すグラフである。グラフの横軸，縦軸がそれぞれ，「％」標記のＤｕｔｙ比Ｄ，「％」標記の相対流量Ｌｒを表す。グラフ１〜４はそれぞれ，低回転数Ｒｏｆが等しく，高回転数Ｒｏｎが異なる。グラフ１〜４の順に高回転数Ｒｏｎが大きくなる。高回転数Ｒｏｎを変化することで，流量を大きく変化できることが判る。

本図で示されるように，Ｄｕｔｙ比Ｄが境界値Ｄｍ（例えば，５０％）前後で，グラフの傾向が異なる。即ち，グラフの前半（Ｄｕｔｙ比Ｄが５０％程度以下）のとき，グラフの傾きが比較的大きく，かつ非線形である（非線形領域）。一方，グラフの後半（Ｄｕｔｙ比Ｄが５０％程度より大きい）のとき，グラフの傾きが比較的小さく（Ｄｕｔｙ比Ｄの変化に対する流量Ｌの変化が小さい），かつ線形である（線形領域）。即ち，境界値Ｄｍは線形領域と非線形領域を区分する境界である。なお，図３では，境界値Ｄｍとして５０％を採用しているが，この値は適宜に変更可能である。例えば，５０％前後の値（４０％，６０％など）を境界値Ｄｍとして採用できる。

流量Ｌを精密に制御する観点からは，グラフの傾きが比較的小さく，線形な線形領域で制御することが好ましい。０〜１００％のＤｕｔｙ比Ｄを境界値Ｄｍで区分して，ポンプ１２１の流量が制御される。即ち，非線形領域の場合，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆが調節され，流量の適正化が図られる。この詳細は後述する。

図４は，コントローラ１３０によるポンプ１２１の制御手順の一例を表すフロー図である。以下，図４に基づき，コントローラ１３０による制御手順の詳細を説明する。図４に示されるように，以下の処理が周期的，例えば，数百ｍ秒の間隔で繰り返される。

Ａ．温度差ｔｄの算出（ステップＳ１１）
温度差ｔｄが算出される。即ち，コントローラ１３０が温度センサＳから現在の測定温度ｔｍの情報を受け取る。この測定温度ｔｍから目標温度ｔｃが差し引かれ，温度差（温度偏差）ｔｄが算出される（ｔｄ＝ｔｍ−ｔｃ）。コントローラ１３０は，温度差ｔｄが０になるように，ポンプ１２１を制御する。

Ｂ．温度差ｔｄが所定範囲外の場合（ｔｄ＜−Ｘ，Ｘ＜ｔｄ）（ステップＳ１２〜Ｓ１８，Ｓ２１〜Ｓ２７）
温度差ｔｄが所定範囲外（ｔｄ＜−Ｘ，Ｘ＜ｔｄ）の場合，次のように，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆが決定される。測定温度ｔｍが目標温度ｔｃから大きくずれた場合に，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを変化させ，測定温度ｔｍを目標温度ｔｃに速やかに到達させるためである。なお，後述のように，温度差ｔｄが所定範囲内の場合（−Ｘ≦ｔｄ≦Ｘ），Ｄｕｔｙ比Ｄが決定される。

（１）高回転数Ｒｏｎの算出（ステップＳ１２，Ｓ１３，Ｓ２１，Ｓ２２）
温度差ｔｄが所定範囲外（ｔｄ＜−Ｘ，Ｘ＜ｔｄ）の場合，次の式（１）に基づき，高回転数Ｒｏｎが算出される。
Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ＋Ｃ１＊ｔｄ ……式（１）
ここで，Ｃ１：比例定数（Ｃ１＞０）
この式（１）は，温度差ｔｄに基づく，比例制御（Ｐ制御）を意味する。

（２）高回転数Ｒｏｎの調節（ステップＳ１４，Ｓ１５，Ｓ２３，Ｓ２４）
ここで，温度差ｔｄがＸより大きい場合（ステップＳ１２），高回転数Ｒｏｎが上限Ｒｈ以上か否かが判断される（ステップＳ１４）。高回転数Ｒｏｎが上限Ｒｈ以上の場合，高回転数Ｒｏｎが上限Ｒｈに設定される（ステップＳ１５）。
なお，上限Ｒｈは，例えば，ポンプ１２１の許容最大回転数（仕様範囲の上限）である。

また，温度差ｔｄが−Ｘより小さい場合（ステップＳ２１），高回転数Ｒｏｎが下限Ｒｌ以下か否かが判断される（ステップＳ２３）。高回転数Ｒｏｎが下限Ｒｌ以下の場合，高回転数Ｒｏｎが下限Ｒｌに設定される（ステップＳ２４）。
なお，下限Ｒｌは，例えば，ポンプ１２１の許容最小回転数（駆動開始回転数）である。

（３）低回転数Ｒｏｆの算出（ステップＳ１６，Ｓ２５）
高回転数Ｒｏｎが調節された場合，次の（２）に基づき，低回転数Ｒｏｆが算出される。
Ｒｏｆ＝Ｒｏｆ＋Ｃ２＊ｔｄ ……式（２）
ここで，Ｃ２：比例定数（Ｃ２＞０）
なお，式（１），（２）において，「Ｃ２＝Ｃ１」としても良い。

（４）低回転数Ｒｏｆの調節（ステップＳ１７，Ｓ１８，Ｓ２６，Ｓ２７）
低回転数Ｒｏｆが算出され，温度差ｔｄがＸより大きい場合（ステップＳ１２），低回転数Ｒｏｆが上限Ｒｈ以上か否かが判断される（ステップＳ１７）。低回転数Ｒｏｆが上限Ｒｈ以上の場合，低回転数Ｒｏｆが上限Ｒｈに設定される（ステップＳ１８）。

また，低回転数Ｒｏｆが算出され，温度差ｔｄが−Ｘより小さい場合（ステップＳ２１），低回転数Ｒｏｆが下限「０」以下か否かが判断される（ステップＳ２６）。低回転数Ｒｏｆが下限「０」以下の場合，低回転数Ｒｏｆが下限「０」に設定される（ステップＳ２７）。

Ｃ．温度差ｔｄが所定範囲内（−Ｘ≦ｔｄ≦Ｘ）の場合（ステップＳ３１〜Ｓ３９，Ｓ４１〜Ｓ４７）
（１）Ｄｕｔｙ比Ｄの算出（ステップＳ３１）
温度差ｔｄが所定範囲内の場合（−Ｘ≦ｔｄ≦Ｘ），次の式（３）に基づき，Ｄｕｔｙ比Ｄが算出される。
Ｄ＝Ｄ＋Ｃ３＊ｔｄ ……式（３）
ここで，Ｃ３：比例定数（Ｃ３＞０）
この式（２）は，温度差ｔｄに基づく，比例制御（Ｐ制御）を意味する。

（２）Ｄｕｔｙ比Ｄの調節（ステップＳ３２，Ｓ３３）
Ｄｕｔｙ比Ｄが上限Ｄｈ（例えば，１００％）以上か否かが判断される（ステップＳ３３）。Ｄｕｔｙ比Ｄが上限Ｄｈ以上の場合（Ｄ≧Ｄｈの場合），Ｄｕｔｙ比Ｄが所定の値Ｄ１（上限Ｄｈより小さい値，例えば，境界値Ｄｍ）に設定される（ステップＳ３４）。また，元のＤがＤ０として保存される。
なお，値Ｄ１は，境界値Ｄｍ以上で，上限Ｄｈ以下の値を適宜に採用できる。例えば，値Ｄ１を上限Ｄｈとしても良い。

１）高回転数Ｒｏｎの算出（ステップＳ３４）
Ｄｕｔｙ比Ｄが調節された場合，次の式（４）に基づき，高回転数Ｒｏｎが算出される。
Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ＋Ｃ４＊（Ｄ０−Ｄ１） ……式（４）
ここで，Ｃ４：比例定数（Ｃ４＞０）

２）高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの調節（ステップＳ３５〜Ｓ３９）
高回転数Ｒｏｎが上限Ｒｈ以上か否かが判断される（ステップＳ３５）。高回転数Ｒｏｎが上限Ｒｈ以上の場合，次の式（５）に基づき，低回転数Ｒｏｆが算出され，高回転数Ｒｏｎが上限Ｒｈに設定される（ステップＳ３６，Ｓ３７）。
Ｒｏｆ＝Ｒｏｆ＋Ｃ５＊（Ｒｏｎ−Ｒｈ）……式（５）
ここで，Ｃ５：比例定数（Ｃ５＞０）

算出された低回転数Ｒｏｆが上限Ｒｈ以上の場合，低回転数Ｒｏｆが上限Ｒｈに設定される（ステップＳ３８，Ｓ３９）。

（３）高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの調節（ステップＳ４１〜Ｓ４７）
ステップＳ３１で算出されたＤｕｔｙ比Ｄが境界値Ｄｍより小さい場合（Ｄ≦Ｄｍの場合），高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆが調節される。この調節は，既述の図２のグラフの前半の非線形性に対応するためのものである。具体的には，次のように，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆが調節される。

１）高回転数Ｒｏｎの算出（ステップＳ４１，Ｓ４２）
Ｄｕｔｙ比Ｄが境界値Ｄｍより小さい場合（Ｄ≦Ｄｍの場合），次の式（６）に基づき，高回転数Ｒｏｎが算出される。
Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ−Ｃ６＊（Ｄｍ−Ｄ） ……式（６）
ここで，Ｃ６：比例定数（Ｃ６＞０）

２）高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの調節（ステップＳ４３〜Ｓ４７）
高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの大小関係が逆転しているか（Ｒｏｎ＜Ｒｏｆ）否かが判断される（ステップＳ４３）。
高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの大小関係が逆転している場合，大きい方（低回転数Ｒｏｆ）を高回転数Ｒｏｎとし，次の式（７）に基づき，低回転数Ｒｏｆが算出される（ステップＳ４４，Ｓ４５）。また，元のＲｏｎがＲ０として保存される。
Ｒｏｆ＝Ｒｏｆ−Ｃ７＊（Ｒｏｆ−Ｒ０） ……式（７）
ここで，Ｃ７：比例定数（Ｃ７＞０）

算出された低回転数Ｒｏｆが０より小さい場合，低回転数Ｒｏｆが「０」に設定される（ステップＳ４６，Ｓ４７）。

この実施形態では，目標温度ｔｃと，温度センサＳでの測定温度ｔｍとの温度差ｔｄから，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを決定する（ＰＩＤ制御）。この結果，ポンプ１２１の追従速度を維持したまま，高精度で水温を制御可能となる。例えば，燃料電池装置１１０の出力変動があり温度差ｔｄが大きく変動した場合に，高回転数Ｒｏｎを変化させ，流量を速やかに変化させる。また，燃料電池装置１１０の出力変動が小さな場合には，Ｄｕｔｙ比Ｄを変化させ，流量を高精度で制御し，水温を一定に保つ。

具体的には，本実施形態では，温度差ｔｄが所定範囲内のときに，温度差ｔｄに基づき，Ｄｕｔｙ比を変更し，温度差ｔｄを小さくするようにする（Ｄｕｔｙ制御）。一方，負荷変動時などにより温度差ｔｄが一定以上ずれた場合に，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを温度差ｔｄに応じて変更する（ＰＩＤ制御）。

図５は，第１実施形態での制御結果の一例を比較例での制御結果を比較して表すグラフである。（Ａ），（Ｂ）のグラフはそれぞれ，比較例および実施例での発電出力Ｐおよび温度ｔｍｐの時間的変化を表す。比較例では，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを一定とし，Ｄｕｔｙ比Ｄのみを変化させている。比較例では，最適化された領域において温度ｔｍｐ１の変化は比較的小さいが，発電出力Ｐ１が最適化された領域から外れると，温度ｔｍｐ１が不安定になる。一方，実施例では，発電出力Ｐ２が変動しても温度ｔｍｐ２の安定性が保たれている。

このように，温度差ｔｄが小さいときはＤｕｔｙ制御で，温度差ｔｄが大きいときはＰＩＤ制御で，流量を制御する。このため，ＰＩＤの高速の応答性とＤｕｔｙ制御の高精度をあわせもった制御が可能となる。この結果，タンク１２３に供給される温水の温度を一定に保つことが容易となる。

（第２の実施の形態）
図６は本発明の第２実施形態に係る燃料電池システム２００を表すブロック図である。燃料電池システム２００は，燃料電池装置１１０，パワーコンディショナ１１７，ポンプ１２１，熱交換器１２２，タンク１２３，温度センサＳ，コントローラ２３０を備える。

コントローラ２３０は，温度差ｔｄ（測定温度と目標温度の温度差）および発電出力によって，に基づき，ポンプ１２１の動作を制御し，熱交換器１２２からタンク１２３に供給される温水の温度の一定化を図る。即ち，コントローラ２３０は，コントローラ１３０と異なり，温度差ｔｄに加え，発電出力によって，冷却水の供給を制御する。

発電出力として，燃料電池装置１１０からの出力，具体的には，パワーコンディショナ１１７からのＡＣ電流，ＡＣ電力，パワーコンディショナ１１７に入力される前のＤＣ電流，ＤＣ電力のいずれかを用いることができる。燃料電池装置１１０からの出力の情報を利用することで，水温の制御を高精度化，高速化できる。

コントローラ２３０は，温度差ｔｄ（測定温度と目標温度の温度差）および発電出力によって，に基づき，ポンプ１２１の動作を制御し，熱交換器１２２からタンク１２３に供給される温水の温度の一定化を図る。
コントローラ２３０は，次の（１）〜（３）として機能する。
（１）第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する制御部
（２）前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差が所定の範囲内の場合に，前記温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する比率決定部
（３）前記温度差が前記所定の範囲外の場合に，前記第１，第２の制御量を決定する制御量決定部

図７は，コントローラ２３０によるポンプ１２１の制御手順の一例を表すフロー図である。以下，図７に基づき，コントローラ２３０による制御手順の詳細を説明する。図７に示されるように，以下の処理が周期的，例えば，数百ｍ秒の間隔で繰り返される。

Ａ．出力差Ｐｄの算出（ステップＳ５１）
出力差Ｐｄが算出される。即ち，コントローラ２３０がパワーコンディショナ１１７から現在の発電出力Ｐｎｗの情報を受け取る。この現在の発電出力Ｐｎｗを前回の発電出力Ｐｂｆが差し引かれ，出力差Ｐｄが算出される（Ｐｄ＝Ｐｂｆ−Ｐｎｗ）。

Ｂ．高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの決定
出力差Ｐｄが所定値Ｘより大きい（発電出力Ｐの時間的増加が大きい）場合，現在の発電出力Ｐｎｗに基づいて，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆが決定される（ステップＳ５２，Ｓ５３）。温度差ｔｄに大きな影響を与える要因として考えられる発電出力に応じて高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを変更することで，スムーズかつ精度良く水温をコントロールすることができる。即ち，発電出力Ｐの急激な増加に対応して，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを変更する。

図８は，発電出力Ｐ，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの対応関係を表すマップの一例を表す。例えば，定格１００％出力時に要求される水流量がポンプ能力の８０％程度の場合，Ｒｏｎ＝３０００［ｒｐｍ］，Ｒｏｆ＝１０００［ｒｐｍ］とする。この結果，線形領域（例えば，Ｄｕｔｙ比が５０〜１００％の範囲）における流量制御範囲がポンプ能力の７０〜９０％となり，高精度で高速な水温制御が可能となる。また，定格５０％出力時に要求される水流量がおおよそポンプ能力の５０％程度の場合，Ｒｏｎ＝１８００［ｒｐｍ］，Ｒｏｆ＝５００［ｒｐｍ］とする。この結果，線形領域における流量制御範囲をポンプ能力の４０〜６０％とすることができる。

Ｃ．温度差ｔｄの算出（ステップＳ１１）
温度差ｔｄが算出される。即ち，コントローラ１３０が温度センサＳで測定された現在の測定温度ｔｍの情報を受け取る。この測定温度ｔｍから目標温度ｔｃが差し引かれ，温度差ｔｄが算出される（ｔｄ＝ｔｍ−ｔｃ）。コントローラ２３０は，温度差ｔｄが０になるように，ポンプ１２１を制御する。その後は，図４のステップＳ３１〜Ｓ３９，Ｓ４１〜Ｓ４７と同様に，Ｄｕｔｙ比Ｄが決定される。

（その他の実施形態）
本発明の実施形態は上記の実施形態に限られず拡張，変更可能であり，拡張，変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
（１）上記実施形態では，燃料電池装置が熱源となり，冷却水を加熱している。これに対して，燃料電池装置以外の熱源一般に本発明を適用できる。また，冷却水以外の熱交換媒体一般，例えば，流体一般（気体，液体）に本発明を適用できる。

（２）上記実施形態では，ポンプによって熱交換媒体の流量を制御している。これに対して，熱交換媒体の流量を供給するための弁によって熱交換媒体の流量を制御してもよい。

（３）上記実施形態では，制御パラメータ（制御量）として，ポンプの回転数（高回転数，低回転数）を用いている。これに対して，熱交換媒体の流量の変化が可能であれば，他のパラメータ，ポンプを制御する制御電圧（高制御電圧，低制御電圧），弁の開度（高開度，低開度）等を制御量として用いることができる。

（４）式（４）〜（７）に替えて，例えば，次の式（１１）〜（１４）を採用しても良い。
Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ＋Ｃ１１ ……式（１１）
Ｒｏｆ＝Ｒｏｆ＋Ｃ１２ ……式（１２）
Ｒｏｎ＝Ｒｏｎ−Ｃ１３ ……式（１３）
Ｒｏｆ＝Ｒｏｆ−Ｃ１４ ……式（１４）
ここで，Ｃ１１〜Ｃ１４：定数（Ｃ１１〜Ｃ１４＞０）

即ち，式（４）〜（７）では，差（Ｄｍ−Ｄ）等による比例制御として，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆの速やかな適正化を図っている。これに対して，式（１１）〜（１４）のように，高回転数Ｒｏｎ，低回転数Ｒｏｆを一定量ずつ変化させても良い。既述のように処理が繰り返しなされることから，仮に１回目の処理では適正値に到達しない場合でも，繰り返しの結果，適正値に到達可能である。また，加算，減算する値Ｃ１１〜Ｃ１４を比較的小さな値とすることで，動作の安定化を図ることができる。
なお，定数Ｃ１１〜Ｃ１４の一部，または全部を同一の値としても良い。

１００ 燃料電池システム
１１０ 燃料電池装置
１１１ 気化器
１１２ 改質器
１１３ 燃料電池スタック
１１４ 燃焼器
１１５ 熱交換器
１１６ 断熱容器
１１７ パワーコンディショナ
１２１ ポンプ
１２２ 熱交換器
１２３ タンク
１３０ コントローラ
Ｓ 温度センサ

Claims (16)

1. 第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する制御部と，
   前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する比率決定部と，
   前記熱源の前回の出力と今回の出力の出力差が所定範囲外の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量を決定する制御量決定部と，
   を備える制御装置。
2. 前記熱源の出力と，第１，第２の制御量を対応して記憶する記憶部をさらに備え，
   前記制御量決定部が，前記記憶部の記憶内容を参照して第１，第２の制御量を決定する
   請求項１記載の制御装置。
3. 第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する制御部と，
   前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差が所定の範囲内の場合に，前記温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する比率決定部と，
   前記温度差が前記所定の範囲外の場合に，前記第１，第２の制御量を決定する制御量決定部と，
   を備える制御装置。
4. 前記制御量決定部が，前回の第１の制御量および前記温度差に基づき，前記第１の制御量を決定する
   請求項３記載の制御装置。
5. 前記第１の制御量が第１の値より大きい場合に，前記制御量決定部が，前記第１の制御量を前記第１の値以下に決定し，前回の第２の制御量および前記温度差に基づき，前記第２の制御量を決定する，
   請求項３または４に記載の制御装置。
6. 前記第１の制御量が前記第１の値より小さい第２の値よりも小さい場合に，前記制御量決定部が，前記第１の制御量を前記第２の値以上に決定し，前回の第２の制御量および前記温度差に基づき，前記第２の制御量を決定する，
   請求項３乃至５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記比率決定部が，前回の比率および前記温度差に基づき，前記比率を決定する
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記比率が第３の値より大きい場合に，前記比率決定部が，前記比率を前記第３の値以下に決定し，前記第１の制御量を前回の第１の制御量より大きく決定する，
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 前記比率決定部が，前記比率が前記第３の値より小さい第４の値よりも小さい場合に，前記第１の制御量を前回の第１の制御量より小さく決定する，
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の制御装置。
10. 前記熱源は、発電反応により電力を出力すると共に熱を発生する燃料電池である
    請求項１乃至９のいずれか１項に記載の制御装置。
11. 燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と，
    前記燃料電池からの排熱により熱交換媒体を加熱する加熱部と，
    前記加熱部に前記熱交換媒体を供給するポンプと，
    請求項１乃至１０のいずれか１項に記載され，前記ポンプを制御する制御装置と，
    を備える燃料電池システム。
12. 第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する工程と，
    前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，
    前記熱源の前回の出力と今回の出力の出力差が所定範囲外の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，
    を備える制御方法。
13. 第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，熱源との熱交換により熱を取り出す熱交換媒体の流量を制御する工程と，
    前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差が所定の範囲内の場合に，前記温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，
    前記温度差が前記所定の範囲外の場合に，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，
    を備える制御方法。
14. 前記熱源は、発電反応により電力を出力すると共に熱を発生する燃料電池である
    請求項１２又は請求項１３のいずれか１項に記載の制御方法。
15. 燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と，前記燃料電池からの排熱により熱交換媒体を加熱する加熱部と，前記加熱部に前記熱交換媒体を供給するポンプと，を備える燃料電池システムの制御方法であって，
    第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，前記ポンプによる前記熱交換媒体の流量を制御する工程と，
    前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，
    前記燃料電池の前回の出力と今回の出力の出力差が所定範囲外の場合に，前記今回の出力に基づいて，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，
    を備える燃料電池システムの制御方法。
16. 燃料ガスと酸化剤ガスの反応により発電する燃料電池と，前記燃料電池からの排熱により熱交換媒体を加熱する加熱部と，前記加熱部に前記熱交換媒体を供給するポンプと，を備える燃料電池システムの制御方法であって，
    第１の制御量での第１の時間の動作制御と，この第１の制御量より小さい第２の制御量での第２の時間の動作制御の繰り返しによって，前記ポンプによる前記熱交換媒体の流量を制御する工程と，
    前記熱交換媒体の測定温度と目標温度の温度差が所定の範囲内の場合に，前記温度差に基づいて，前記第１，第２の時間の和に対する，前記第１の時間の比率を決定する工程と，
    前記温度差が前記所定の範囲外の場合に，前記第１，第２の制御量を決定する工程と，
    を備える燃料電池システムの制御方法。

Images