JP5482277B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

一方、家庭用電源を用いて、車両の蓄電装置を充電するシステムが開発されている。この蓄電装置への電力供給手段として、燃料電池を用いる試みがなされている。例えば、特許文献１は、定置型の燃料電池が発生する電力を利用して車両の蓄電装置を充電する技術を開示している。

特開２００４−４８８９５号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、燃料電池の過剰な発電電力の成り行きで蓄電装置を充電しているため、蓄電装置を十分に充電できない場合がある。また、燃料電池の発電効率が高い状態で蓄電装置を充電できるとは限らない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電効率が高い状態で蓄電装置を充電可能な燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池による蓄電装置に対する充電履歴を記憶する記憶部と、蓄電装置の充電要求電力量と充電履歴とに基づいて、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の運転条件を決定する運転条件決定部と、を備え、充電履歴は、燃料電池のユーザが蓄電装置の充電に許容する充電可能時間の学習値を含み、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の運転条件は、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の発電電力を含み、運転条件決定部は、蓄電装置の充電要求電力量を充電可能時間の学習値で除することによって、または、蓄電装置の充電要求電力量を充電可能時間の学習値で除することによって得られる電力と補正値との積によって、蓄電装置への目標充電電力を算出し、目標充電電力に基づいて、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の発電電力を決定することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の発電効率が高い状態で蓄電装置を充電することができる。

充電可能時間とは、蓄電装置の充電プラグオンから充電プラグオフまでの時間であってもよい。

運転条件決定部は、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池の定格出力以上の場合、燃料電池の発電電力を定格出力としてもよい。運転条件決定部は、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池の定格出力未満である場合に、燃料電池の発電電力を、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和に設定してもよい。運転条件決定部は、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池に設定された最小発電電力未満である場合に、燃料電池の発電電力を、最小発電電力に設定してもよい。

目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池の定格出力以上の場合に、系統電源から蓄電装置および／または蓄電装置以外の電力負荷に電力供給する系統連携装置を備えていてもよい。蓄電装置は、車両駆動電源として車両に搭載された蓄電装置であってもよい。

本発明に係る燃料電池の制御方法は、燃料電池による蓄電装置に対する充電履歴を記憶する記憶ステップと、蓄電装置の充電要求電力量と充電履歴とに基づいて、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の運転条件を決定する運転条件決定ステップと、を含み、充電履歴は、燃料電池のユーザが蓄電装置の充電に許容する充電可能時間の学習値を含み、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の運転条件は、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の発電電力を含み、運転条件決定ステップにおいて、蓄電装置の充電要求電力量を充電可能時間の学習値で除することによって、または、蓄電装置の充電要求電力量を充電可能時間の学習値で除することによって得られる電力と補正値との積によって、蓄電装置への目標充電電力を算出し、目標充電電力に基づいて、蓄電装置に対する充電時の燃料電池の発電電力を決定することを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池の制御方法によれば、燃料電池の発電効率が高い状態で蓄電装置を充電することができる。

充電可能時間とは、蓄電装置の充電プラグオンから充電プラグオフまでの時間であってもよい。

運転条件決定ステップにおいて、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池の定格出力以上の場合、燃料電池の発電電力を定格出力としてもよい。運転条件決定ステップにおいて、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池の定格出力未満である場合に、燃料電池の発電電力を、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和に設定してもよい。運転条件決定ステップにおいて、目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池に設定された最小発電電力未満である場合に、燃料電池の発電電力を、最小発電電力に設定してもよい。

目標充電電力と蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が燃料電池の定格出力以上の場合に、系統電源から蓄電装置および／または蓄電装置以外の電力負荷に電力供給する系統連携ステップを含んでいてもよい。蓄電装置は、車両駆動電源として車両に搭載された蓄電装置であってもよい。

本発明によれば、燃料電池の発電効率が高い状態で蓄電装置を十分に充電可能な燃料電池システムおよび燃料電池の制御方法を提供することができる。

実施例１に係る燃料電池システムを含むシステムの全体構成を示すブロック図である。 燃料電池装置の全体構成を示すブロック図である。 燃料電池の断面を含む部分斜視図である。 燃料電池の負荷と発電効率との関係を示す図である。 一般電気負荷の要求電力の推移の一例を示す図である。 一般電気負荷の要求電力と燃料電池の定格出力との関係を示す図である。 比較例として、蓄電装置に対する充電履歴を考慮せずに蓄電装置を充電する場合について説明する図である。 本実施例に係る制御に従って蓄電装置を充電する場合について説明する図である。 本実施例に係る制御の詳細なフローチャートを示す図である。 図９のフローチャートと並行して実行されるフローチャートを示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る燃料電池システム１００を含む充電システムの全体構成を示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、系統連携装置１１０、燃料電池装置１２０、および充電装置１３０を備える。燃料電池装置１２０は、制御部１０、燃料電池７０等を備える。

系統連携装置１１０は、燃料電池７０と一般電気負荷２００と系統電源との間の電気的接続および切断を切り替える装置である。系統電源は、各家庭に供給される家庭用電源等であり、店舗、工場等に供給される業務用電源等であってもよい。一般電気負荷２００は、各家庭、店舗、工場等における後述する蓄電装置３３０以外の電気負荷である。充電装置１３０は、充電プラグ４００を介した燃料電池７０と車両３００との間の電気的接続および切断を切り替える装置である。

車両３００は、車両駆動電源として蓄電装置を搭載する自動車等であり、プラグ差込口３１０、通信装置３２０、蓄電装置３３０、蓄電残量センサ３４０等を備えている。プラグ差込口３１０は、充電プラグ４００を差し込むための差込口であり、通信装置３２０を介して蓄電装置３３０と電気的に接続されている。蓄電残量センサ３４０は、蓄電装置３３０の蓄電残量率を検出するセンサである。

以下の説明では、充電プラグ４００がプラグ差込口３１０に差し込まれた（充電プラグ４００がオンされた）状態をオン状態であるとし、充電プラグ４００がプラグ差込口３１０から取り外された（充電プラグ４００がオフされた）状態をオフ状態であるとする。

図１を参照しつつ、燃料電池システム１００の動作の概要を説明する。制御部１０は、一般電気負荷２００の要求電力を系統連携装置１１０を介して取得する。次に、制御部１０は、燃料電池７０から一般電気負荷２００に、上記要求電力に相当する電力が供給されるように、燃料電池７０の運転条件を決定する。充電プラグ４００がオン状態の場合には、蓄電残量センサ３４０の検出結果が通信装置３２０から充電プラグ４００を介して制御部１０に送信される。それにより、制御部１０は、蓄電装置３３０の充電要求電力量を取得する。充電要求電力量とは、例えば、蓄電装置３３０の最大容量から現状の充電量を差し引いた電力量、車両３００のユーザが設定した充電量等である。

制御部１０は、蓄電装置３３０の充電要求電力量に基づいて、燃料電池装置１２０から車両３００の蓄電装置３３０に電力が供給されるように、充電装置１３０を制御する。一般電気負荷２００が要求する電力および／または蓄電装置３３０への充電電力が大きい場合には、制御部１０は、燃料電池７０および系統電源から一般電気負荷２００および／または蓄電装置３３０に電力が供給されるように、系統連携装置１１０を制御する。

図２は、燃料電池装置１２０の全体構成を示すブロック図である。図２に示すように、燃料電池装置１２０は、制御部１０、原燃料供給部２０、改質水供給部３０、酸化剤ガス供給部４０、改質器５０、燃焼室６０、燃料電池７０、および熱交換器８０を備える。

制御部１０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）等から構成され、ＣＰＵ１１、タイマ１２、記憶部１３等を含む。タイマ１２は、時刻および時刻に関する情報をＣＰＵ１１に与える。記憶部１３は、ＣＰＵ１１が演算に用いる変数、学習値等を記憶する。なお、タイマ１２は、ＣＰＵ１１が所定のプログラムを実行することによって実現された機能であってもよい。

原燃料供給部２０は、炭化水素等の原燃料を改質器５０に供給するための燃料ポンプ等を含む。改質水供給部３０は、改質器５０における水蒸気改質反応に必要な改質水を貯蔵する改質水タンク３１、改質水タンク３１に貯蔵された改質水を改質器５０に供給するための改質水ポンプ３２等を含む。酸化剤ガス供給部４０は、燃料電池７０のカソード７１にエア等の酸化剤ガスを供給するためのエアポンプ等を含む。改質器５０は、改質水を気化させるための気化部５１、および、水蒸気改質反応によって燃料ガスを生成するための改質部５２を含む。燃料電池７０は、カソード７１とアノード７２とによって電解質７３が挟持された構造を有する。

図３は、燃料電池７０の断面を含む部分斜視図である。図３に示すように、燃料電池７０は、平板柱状の全体形状を有する。ガス透過性を有する導電性支持体２１の内部に、軸方向（長手方向）に沿って貫通する複数の燃料ガス通路２２が形成されている。導電性支持体２１の外周面における一方の平面上に、燃料極２３、固体電解質２４、および酸素極２５がこの順に積層されている。酸素極２５に対向する他方の平面上には、接合層２６を介してインターコネクタ２７が設けられ、その上に接触抵抗低減用のＰ型半導体層２８が設けられている。燃料極２３が図２のアノード７２として機能し、酸素極２５が図２のカソード７１として機能し、固体電解質２４が図２の電解質７３として機能する。なお、燃料電池７０は、図３に示す単セルが複数積層されたスタック構造を有していてもよい。

燃料ガス通路２２に水素を含む改質ガスが供給されることによって、燃料極２３に水素が供給される。一方、燃料電池７０の周囲に酸素を含む酸化剤ガスが供給されることによって、酸素極２５に酸素が供給される。それにより、酸素極２５及び燃料極２３において下記の電極反応が生じることによって発電が行われる。発電反応は、例えば、６００℃〜１０００℃で行われる。
酸素極：１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
燃料極：Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

酸素極２５の材料は、耐酸化性を有し、気体の酸素が固体電解質２４との界面に到達できるように多孔質である。固体電解質２４は、酸素極２５から燃料極２３へ酸素イオンＯ^２−を移動させる機能を有する。固体電解質２４は、酸素イオン導電性酸化物によって構成される。また、固体電解質２４は、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するため、酸化／還元雰囲気中において安定でありかつ緻密質である。燃料極２３は、還元雰囲気中で安定でありかつ水素との親和性を有する材料によって構成される。インターコネクタ２７は、燃料電池７０同士を電気的に直列に接続するために設けられており、燃料ガスと酸化剤ガスとを物理的に隔離するために緻密質である。

例えば、酸素極２５は、電子およびイオンの双方の導電性が高いランタンコバルタイト系のペロブスカイト型複合酸化物等から形成される。固体電解質２４は、イオン導電性の高いＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）等によって形成される。燃料極２３は、電子導電性の高いＮｉとＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２（ＹＳＺ）との混合物等によって形成される。インターコネクタ２７は、電子導電性の高い、アルカリ土類酸化物を固溶したＬａＣｒＯ_３等によって形成される。これらの材料は、熱膨張率が近いものが好適である。

続いて、図２を参照しつつ、燃料電池装置１２０の発電時の動作の概要を説明する。原燃料供給部２０は、制御部１０の指示に従って必要量の原燃料ガスを改質器５０に供給する。改質水ポンプ３２は、制御部１０の指示に従って必要量の改質水を改質器５０に供給する。改質器５０において生成された燃料ガスは、燃料電池７０のアノード７２に供給される。

酸化剤ガス供給部４０は、制御部１０の指示に従って必要量の酸化剤ガスを燃料電池７０のカソード７１に供給する。それにより、燃料電池７０において発電が行われる。カソード７１から排出された酸化剤オフガスおよびアノード７２から排出された燃料オフガスは、燃焼室６０に流入する。燃焼室６０においては、燃料オフガスが酸化剤オフガス中の酸素によって燃焼する。燃焼によって得られた熱は、改質器５０および燃料電池７０に与えられる。このように、燃料電池装置１２０においては、燃料オフガス中に含まれる水素、一酸化炭素等の可燃成分を燃焼室６０において燃焼させることができる。熱交換器８０は、燃焼室６０から排出された排気ガスと熱交換器８０内を流れる水道水との間で熱交換する。熱交換によって排気ガスから得られた凝縮水は、改質水タンク３１に貯蔵される。

ここで、燃料電池７０の発電効率について説明する。図４は、燃料電池７０の負荷と発電効率との関係を示す図である。図４において、横軸は燃料電池７０の負荷を示し、縦軸は燃料電池７０の発電効率を示す。図４に示すように、燃料電池７０は、定格負荷から所定の負荷（例えば定格負荷の半分程度）までは高い発電効率を維持する。しかしながら、上記所定の負荷以下になると、発電効率が急激に低下する。したがって、発電効率の観点からすれば、燃料電池７０は、高負荷運転を維持することが好ましい。

ここで、燃料電池７０から系統電源への逆潮流が禁止されている場合においては、燃料電池７０に電力需要を上回る発電をさせることができない。したがって、燃料電池７０に要求される電力が小さい場合には、燃料電池７０は、低い発電効率で発電せざるを得なくなる。

図５は、家庭内の一般電気負荷２００の要求電力の推移の一例を示す図である。図５において、横軸は時刻を示し、縦軸は要求電力を示す。図５に示すように、例えば、要求電力は、夕刻以降のしばらくの間に大きくなり、深夜から翌朝にかけて小さくなり、起床時刻あたりで大きくなる。このように、要求電力は一定ではなく、時刻の変化とともに変化する。燃料電池装置１２０は、一般電気負荷２００の要求電力に追従するように燃料電池７０に発電させる。したがって、一般電気負荷２００の要求電力の推移に応じて、燃料電池７０の発電効率も変化する。

図６は、一般電気負荷２００の要求電力と燃料電池７０の定格出力（定格発電電力）との関係を示す図である。図６において、横軸は時刻を示し、縦軸は一般電気負荷２００の要求電力を示す。図６に示すように、一般電気負荷２００の要求電力が一時的に燃料電池７０の定格出力を上回る場合がある。この場合、一般電気負荷２００に供給される電力が不足する。そこで、制御部１０は、系統電源から一般電気負荷２００に電力が供給されるように系統連携装置１１０を制御する。それにより、一般電気負荷２００における電力不足が抑制される。

続いて、燃料電池７０の発電電力を利用して車両３００の蓄電装置３３０を充電する場合について説明する。図７（ａ）〜図７（ｃ）は、比較例として、蓄電装置３３０に対する充電履歴を考慮せずに蓄電装置３３０を充電する場合について説明する図である。図７（ａ）の縦軸は、燃料電池７０の発電効率を示す。図７（ｂ）の縦軸は、一般電気負荷２００の要求電力および燃料電池７０の発電電力を示す。図７（ｃ）縦軸は、蓄電装置３３０の充電量を示す。図７（ａ）〜図７（ｃ）の横軸は、時刻を示す。

図７（ｂ）に示すように、燃料電池７０の発電電力は、一般電気負荷２００の要求電力に応じて変化するため、時刻とともに変化する。燃料電池７０は、一般電気負荷２００の要求電力に追従するように発電する。一般電気負荷２００が比較的大きい時間帯において充電プラグ４００がオン状態になると、一般電気負荷２００の要求電力と蓄電装置３３０の要求電力との和が燃料電池７０の定格出力を上回る。それにより、燃料電池７０は定格運転を行う。それにより、燃料電池７０は高い発電効率で発電を行う。しかしながら、蓄電装置３３０の充電が完了すると燃料電池７０に要求される電力は一般電気負荷２００の要求電力だけになるので、燃料電池７０の発電電力は低下し、それに伴って燃料電池７０の発電効率が低下する。

このように、図７（ａ）〜図７（ｃ）の制御では、充電プラグ４００のオン状態が継続される期間が予測されていないため、充電プラグ４００のオン状態の最初の期間に集中して蓄電装置３３０が充電される。この場合、蓄電装置３３０の充電が完了した後に一般電気負荷２００の要求電力が低下すれば、燃料電池７０の発電効率が非常に低くなってしまう。それにより、燃料電池７０が低い発電効率で発電を行う期間が長くなってしまう。

そこで、本実施例においては、蓄電装置３３０の充電要求電力量と蓄電装置３３０への充電履歴とに基づいて、蓄電装置３３０の充電時の燃料電池７０の運転条件を決定する。本実施例においては、制御部１０が運転条件決定部として機能する。

充電履歴は、例えば、燃料電池７０のユーザが蓄電装置３３０の充電に許容する充電可能時間の学習値を含む。ユーザが許容する充電可能時間は、例えば、ユーザが充電プラグ４００をプラグ差込口３１０に差し込んでから取り外すまでの期間のことである。すなわち、ユーザが許容する充電可能時間は、ユーザが蓄電装置３３０に充電完了して欲しいと希望する期間である。例えば、ユーザが車両３００を自宅で駐車させておく期間などが該当する。以下、制御部１０による具体的な制御について説明する。以下の制御は、例えば制御部１０のＣＰＵ１１が所定のプログラムを実行することによって実現される。

まず、充電プラグ４００がオン状態となった場合、制御部１０は、燃料電池装置１２０から蓄電装置３３０への充電を待機させるように充電装置１３０を制御する。次に、制御部１０は、蓄電残量センサ３４０の検出結果に基づいて、蓄電装置３３０の充電要求電力量ＰＨＶ＿ｒｅｑを取得する。制御部１０は、記憶部１３から、蓄電装置３３０の充電可能時間の学習値Ｔ＿ｆｂを取得する。ここで、充電可能時間の学習値Ｔ＿ｆｂとは、充電プラグ４００がオン状態になった時刻からオフ状態になった時刻までの時間の、過去の履歴に基づく学習値である。次に、制御部１０は、記憶部１３から、一般電気負荷２００の要求電力量の学習値Ｐ＿ｅを取得する。ここで、一般電気負荷２００の要求電力量の学習値Ｐ＿ｅとは、蓄電装置３３０の充電可能時間内における一般電気負荷２００の要求電力量の、過去の履歴に基づく学習値である。

制御部１０は、充電要求電力量ＰＨＶ＿ｒｅｑ、学習値Ｔ＿ｆｂおよび学習値Ｐ＿ｅに基づいて、燃料電池７０の発電電力Ｐ＿ｆｃを下記式（１）に従って算出する。なお、式中の「ｋ」は学習結果と現実との差分調整用の補正係数であり、例えば「１．１」程度とすることができる。
Ｐ＿ｆｃ ＝ ｋ×（（ＰＨＶ＿ｒｅｑ＋Ｐ＿ｅ）／Ｔ＿ｆｂ） （１）

制御部１０は、上記式（１）で求めた発電電力Ｐ＿ｆｃと燃料電池７０の最小発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｌｍｔとのうち、いずれか大きい方を、燃料電池７０の出力として採用する。それにより、燃料電池７０の発電効率が過剰に低下することが抑制される。ここで、最小発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｌｍｔは、燃料電池７０が所定の発電効率を維持可能な最小出力のことである。例えば、最小発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｌｍｔは、燃料電池７０の定格発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘ×０．７程度とすることができる。

また、制御部１０は、上記式（１）で求めた発電電力Ｐ＿ｆｃと燃料電池７０の定格発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘとのうち、いずれか小さい方を燃料電池７０の出力として採用する。それにより、燃料電池７０が過剰に発電することが抑制される。ただし、制御部１０は、一般電気負荷２００および蓄電装置３３０の需要電力が発電電力Ｐ＿ｆｃを上回った場合には、燃料電池７０の出力を定格発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘ以下で制御する。

図８（ａ）〜図８（ｃ）は、上記制御に従って蓄電装置３３０を充電する場合について説明する図である。図８（ａ）の縦軸は、燃料電池７０の発電効率を示す。図８（ｂ）の縦軸は、一般電気負荷２００の要求電力および燃料電池７０の発電電力を示す。図８（ｃ）縦軸は、蓄電装置３３０の充電量を示す。図８（ａ）〜図８（ｃ）の横軸は、時刻を示す。

図８（ｂ）に示すように、充電プラグ４００がオン状態になっても、燃料電池７０は定格運転を行わない。また、図８（ｃ）に示すように、学習値として得た蓄電装置３３０の充電可能時間に近い時間をかけて蓄電装置３３０が徐々に充電される。それにより、燃料電池７０は、長時間にわたって比較的高い発電効率で発電を継続する。それにより、低い発電効率での発電期間を短くすることができる。以上のことから、蓄電装置３３０を十分に充電可能であり、燃料電池７０の発電効率が高い状態で蓄電装置３３０を充電することができる。また、図８（ｂ）に示すように、一般電気負荷２００の要求電力が大きい場合には、燃料電池７０はその要求電力に追従して発電を行う。したがって、電力不足が抑制される。

図９は、上記制御のより詳細なフローチャートを示す図である。図９のフローチャートでは、充電可能時間の学習、および、充電可能時間において一般電気負荷２００から要求される要求電力量について表されている。また、蓄電装置３３０への目標充電電力について表されている。以下、図９のフローチャートに従って、より詳細な制御について説明する。

まず、ＣＰＵ１１は、充電プラグ４００がオン状態からオフ状態になったか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１で「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、タイマ１２から充電終了時刻Ｔ＿ｓｔｐを読み込む（ステップＳ２）。次に、ＣＰＵ１１は、充電終了時刻Ｔ＿ｓｔｐから充電開始時刻Ｔ＿ｓｔｒを差し引くことによって、充電可能時間Ｔ＿ｉｔｖを得る（ステップＳ３）。なお、充電開始時刻Ｔ＿ｓｔｒは、後述するステップＳ１１において読み込まれたものである。

次に、ＣＰＵ１１は、記憶部１３に記憶されている充電可能時間の学習値Ｔ＿ｆｂが充電可能時間Ｔ＿ｉｔｖと学習値更新判定時間Ｔ＿ｅｒｒとの和よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ４）。なお、ステップＳ４〜ステップＳ８は、学習値Ｔ＿ｆｂを実際の充電可能時間Ｔ＿ｉｔｖで補正するための処理である。学習値更新判定時間Ｔ＿ｅｒｒは、例えば１分程度とすることができる。

ステップＳ４において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、学習値Ｔ＿ｆｂを更新ゲインｄＴ＿ｆｂだけ小さくする（ステップＳ５）。更新ゲインｄＴ＿ｆｂは、例えば１分程度とすることができる。ステップＳ４において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、学習値Ｔ＿ｆｂが充電可能時間Ｔ＿ｉｔｖから学習値更新判定時間Ｔ＿ｅｒｒを差し引いた値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ６）。

ステップＳ６において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、フローチャートの実行を終了する。この場合、学習値Ｔ＿ｆｂは更新されず、現在の値で維持される。ステップＳ６において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、学習値Ｔ＿ｆｂを更新ゲインｄＴ＿ｆｂだけ大きくする（ステップＳ７）。ステップＳ５またはステップＳ７が実行された後、ＣＰＵ１１は、学習値Ｔ＿ｆｂにスリップ率ＳＬＰを掛けることによって、最終的な学習値Ｔ＿ｆｂを得て、記憶部１３に記憶させる（ステップＳ８）。なお、スリップ率ＳＬＰとは、更新された学習値Ｔ＿ｆｂと次回の実際の充電可能時間Ｔ＿ｉｔｖとの間に生じる可能性があるスリップ率のことであり、例えば０．９程度である。

以上のステップＳ４〜Ｓ８の実行により、充電可能時間の学習値を得ることができる。なお、充電可能時間の学習値を得る過程は、上記に限られない。例えば、ステップＳ４，Ｓ６において学習値更新判定時間Ｔ＿ｅｒｒを用いなくてもよい。また、ステップＳ３で得られた時間を充電可能時間の学習値としてもよい。

次に、ＣＰＵ１１は、先回得られた充電可能時間Ｔ＿ｉｔｖにおける一般電気負荷２００の要求電力量Ｐ＿ｅを学習値Ｔ＿ｆｂで除することによって、充電可能時間における一般電気負荷２００の要求電力の学習値Ｐ＿ｅ＿ｏｌｄを得て、記憶部１３に記憶させる（ステップＳ９）。その後、ＣＰＵ１１は、フローチャートの実行を終了する。

ステップＳ１において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、充電プラグ４００がオフ状態からオン状態になったか否かを判定する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、タイマ１２から充電開始時刻Ｔ＿ｓｔｒを読み込む（ステップＳ１１）。次に、ＣＰＵ１１は、前回のフローチャート実行時に得られた一般電気負荷２００の要求電力の積算値Ｐ＿ｅと今回の一般電気負荷２００の要求電力Ｐ＿ｅとを足し合わせた値を、要求電力量Ｐ＿ｅとして得る（ステップＳ１２）このステップＳ１２を繰り返すことによって、充電可能時間Ｔ＿ｉｔｖに該当する期間中の一般電気負荷２００の要求電力量Ｐ＿ｅを得ることができる。ステップＳ１０において「Ｎｏ」と判定された場合、ＣＰＵは、ステップＳ１１を実行せずにステップＳ１２を実行する。

次に、ＣＰＵ１１は、蓄電残量センサ３４０から蓄電装置３３０の蓄電残量率ＳＯＣを読み込む（ステップＳ１３）。次に、ＣＰＵ１１は、蓄電装置３３０の最大容量Ｐ＿ｖ＿ｍａｘと蓄電残量率ＳＯＣと学習値Ｔ＿ｆｂとから、下記式（２）に従って単位時間あたりの目標充電電力Ｐ＿ｖを得る（ステップＳ１４）。下記式（２）の（Ｐ＿ｖ＿ｍａｘ×（１−ＳＯＣ））が、蓄電装置３３０の充電要求電力量に相当する。なお、下記式（２）で得られる結果に補正値（例えば、「０．９」、「１．１」等）をかけて得られる電力を目標充電電力としてもよい。
Ｐ＿ｖ＝（Ｐ＿ｖ＿ｍａｘ×（１−ＳＯＣ））／Ｔ＿ｆｂ （２）

次に、ＣＰＵ１１は、下記式（３）が成立する場合には燃料電池７０の適正発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｓｅｔを定格発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘに設定し、下記式（４）が成立する場合には適正発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｓｅｔを学習値Ｐ＿ｅ＿ｏｌｄと目標充電電力Ｐ＿ｖとの和に設定し、下記式（５）が成立する場合には適正発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｓｅｔを燃料電池７０の最小適正発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｌｍｔに設定する（ステップＳ１５）。その後、ＣＰＵ１１は、フローチャートの実行を終了する。なお、最小適正発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｌｍｔは、定格発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘの３割減程度の値とすることができる。
Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘ≦Ｐ＿ｅ＿ｏｌｄ＋Ｐ＿ｖ （３）
Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘ＞Ｐ＿ｅ＿ｏｌｄ＋Ｐ＿ｖ＞Ｐ＿ｆｃ＿ｌｍｔ （４）
Ｐ＿ｆｃ＿ｌｍｔ≧Ｐ＿ｅ＿ｏｌｄ＋Ｐ＿ｖ （５）

ＣＰＵ１１は、図９のフローチャートと並行して図１０のフローチャートを実行する。まず、ＣＰＵ１１は、充電プラグ４００がオン状態であるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ステップＳ２１の実行によって、蓄電装置３３０への充電が要求されているか否かを判定することができる。ステップＳ２１において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、蓄電残量センサ３４０から得られた蓄電残量率ＳＯＣが１．０未満であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。ステップＳ２２の実行によって、蓄電装置３３０の充電が完了しているか否かを判定することができる。

ステップＳ２２において「Ｙｅｓ」と判定された場合、ＣＰＵ１１は、下記式（６）が成立する場合には燃料電池７０の発電電力Ｐ＿ｆｃを定格発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘに設定し、下記式（７）が成立する場合には発電電力Ｐ＿ｆｃを今回の一般電気負荷２００の要求電力Ｐ＿ｅと目標充電電力Ｐ＿ｖとの和に設定し、下記式（８）が成立する場合には発電電力Ｐ＿ｆｃを図９のフローチャートで求めた適正発電電力Ｐ＿ｆｃ＿ｓｅｔに設定する（ステップＳ２３）。その後、ＣＰＵ１１は、フローチャートの実行を終了する。
Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘ≦（[今回のＰ＿ｅ]＋Ｐ＿ｖ） （６）
Ｐ＿ｆｃ＿ｍａｘ＞（[今回のＰ＿ｅ]＋Ｐ＿ｖ）≧Ｐ＿ｆｃ＿ｓｅｔ （７）
Ｐ＿ｆｃ＿ｓｅｔ＞（[今回のＰ＿ｅ]＋Ｐ＿ｖ） （８）

図９および図１０のフローチャートによれば、蓄電装置３３０の充電可能時間の学習値を得ることができる。また、充電可能時間において一般電気負荷２００から要求される要求電力量を得ることができる。また、蓄電装置３３０への目標充電電力を得ることができる。得られた目標充電電力に基づいて、燃料電池７０の適正発電電力を得ることができる。それにより、蓄電装置３３０を十分に充電可能であるとともに、燃料電池７０の発電効率が高い状態で蓄電装置３３０を充電することができる。

なお、上記実施例は、固体高分子型、固体酸化物型、炭酸溶融塩型等の他のいずれのタイプの燃料電池にも適用可能である。ただし、固体酸化物型燃料電池は、熱自律型の燃料電池であるため、低発電負荷において一定量の熱量供給を必要としている点で、本実施例に係る燃料電池システム１００を用いる効果が大きくなる。

１０ 制御部
７０ 燃料電池
１００ 燃料電池システム
１１０ 系統連携装置
１２０ 燃料電池装置
１３０ 充電装置
２００ 一般電気負荷
３００ 車両
３１０ プラグ差込口
３２０ 通信装置
３３０ 蓄電装置
３４０ 蓄電残量センサ
４００ 充電プラグ

Claims (14)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池による蓄電装置に対する充電履歴を記憶する記憶部と、
   前記蓄電装置の充電要求電力量と前記充電履歴とに基づいて、前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の運転条件を決定する運転条件決定部と、を備え、
   前記充電履歴は、前記燃料電池のユーザが前記蓄電装置の充電に許容する充電可能時間の学習値を含み、
   前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の運転条件は、前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の発電電力を含み、
   前記運転条件決定部は、前記蓄電装置の充電要求電力量を前記充電可能時間の学習値で除することによって、または、前記蓄電装置の充電要求電力量を前記充電可能時間の学習値で除することによって得られる電力と補正値との積によって、前記蓄電装置への目標充電電力を算出し、前記目標充電電力に基づいて、前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の発電電力を決定することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記充電可能時間とは、前記蓄電装置の充電プラグオンから充電プラグオフまでの時間であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記運転条件決定部は、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池の定格出力以上の場合、前記燃料電池の発電電力を定格出力とすることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記運転条件決定部は、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池の定格出力未満である場合に、前記燃料電池の発電電力を、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
5. 前記運転条件決定部は、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池に設定された最小発電電力未満である場合に、前記燃料電池の発電電力を、前記最小発電電力に設定することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
6. 前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池の定格出力以上の場合に、系統電源から前記蓄電装置および／または前記蓄電装置以外の電力負荷に電力供給する系統連携装置を備えることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
7. 前記蓄電装置は、車両駆動電源として車両に搭載された蓄電装置であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
8. 燃料電池による蓄電装置に対する充電履歴を記憶する記憶ステップと、
   前記蓄電装置の充電要求電力量と前記充電履歴とに基づいて、前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の運転条件を決定する運転条件決定ステップと、を含み、
   前記充電履歴は、前記燃料電池のユーザが前記蓄電装置の充電に許容する充電可能時間の学習値を含み、
   前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の運転条件は、前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の発電電力を含み、
   前記運転条件決定ステップにおいて、前記蓄電装置の充電要求電力量を前記充電可能時間の学習値で除することによって、または、前記蓄電装置の充電要求電力量を前記充電可能時間の学習値で除することによって得られる電力と補正値との積によって、前記蓄電装置への目標充電電力を算出し、前記目標充電電力に基づいて、前記蓄電装置に対する充電時の前記燃料電池の発電電力を決定することを特徴とする燃料電池の制御方法。
9. 前記充電可能時間とは、前記蓄電装置の充電プラグオンから充電プラグオフまでの時間であることを特徴とする請求項８記載の燃料電池の制御方法。
10. 前記運転条件決定ステップにおいて、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池の定格出力以上の場合、前記燃料電池の発電電力を定格出力とすることを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池の制御方法。
11. 前記運転条件決定ステップにおいて、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池の定格出力未満である場合に、前記燃料電池の発電電力を、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和に設定することを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池の制御方法。
12. 前記運転条件決定ステップにおいて、前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池に設定された最小発電電力未満である場合に、前記燃料電池の発電電力を、前記最小発電電力に設定することを特徴とする請求項８または９に記載の燃料電池の制御方法。
13. 前記目標充電電力と前記蓄電装置以外の電気負荷の要求電力との和が前記燃料電池の定格出力以上の場合に、系統電源から前記蓄電装置および／または前記蓄電装置以外の電力負荷に電力供給する系統連携ステップを含むことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池の制御方法。
14. 前記蓄電装置は、車両駆動電源として車両に搭載された蓄電装置であることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池の制御方法。

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