JP7586801B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとして、多段階発電制御により燃料電池の発電を制御するものがある。多段階発電制御とは、燃料電池の発電電力が供給される蓄電装置の状態変数（蓄電装置の電圧や充電率など）が増加している場合、蓄電装置の状態変数と複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により燃料電池の発電を制御し、蓄電装置の状態変数が減少している場合、蓄電装置の状態変数と複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により燃料電池の発電を制御するものである。関連する技術として、特許文献１がある。

また、多段階発電制御の他に無段階発電制御として、蓄電装置の状態変数に応じた目標発電電力により燃料電池の発電を制御するものがある。

しかしながら、多段階発電制御と無段階発電制御とを併用する場合、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するときに適切な閾値が利用されていないと、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移した後すぐに目標発電電力が変化することで燃料電池の電圧が変動し燃料電池を劣化させてしまうおそれがある。例えば、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するときに蓄電装置の状態変数が減少しているにもかかわらず、充電側閾値が利用されて目標発電電力が求められてしまうと、その後、すぐに、放電側閾値が利用されて目標発電電力が変化するおそれがある。

特開２０１８－６３８０３号公報

本発明の一側面に係る目的は、多段階発電制御と無段階発電制御とを併用する燃料電池システムにおいて、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する際の燃料電池の電圧の変動を抑制することである。

本発明に係る一つの形態である燃料電池車両は、蓄電装置と、前記蓄電装置に電力を供給する燃料電池と、多段階発電制御時において、前記蓄電装置の状態変数が増加している場合、前記蓄電装置の状態変数と複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、前記蓄電装置の状態変数が減少している場合、前記蓄電装置の状態変数と複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、無段階発電制御時において、前記蓄電装置の状態変数に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御する制御部とを備える。

前記制御部は、前記無段階発電制御から前記多段階発電制御に遷移するとき、前記蓄電装置の状態変数が増加している場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、前記無段階発電制御から前記多段階発電制御に遷移するとき、前記蓄電装置の状態変数が減少している場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御する。

これにより、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する際の蓄電装置の状態変数の変動に伴う目標発電電力の変動を抑制することができるため、燃料電池の電圧の変動を抑えることができ、燃料電池の劣化を抑制することができる。

また、前記制御部は、前記多段階発電制御から前記無段階発電制御に遷移するときの前記蓄電装置の状態変数が前記無段階発電制御から前記多段階発電制御に遷移するときの前記蓄電装置の状態変数より大きい場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、前記多段階発電制御から前記無段階発電制御に遷移するときの前記蓄電装置の状態変数が前記無段階発電制御から前記多段階発電制御に遷移するときの前記蓄電装置の状態変数より小さい場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御するように構成してもよい。

本発明によれば、多段階発電制御と無段階発電制御とを併用する燃料電池システムにおいて、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する際の燃料電池の電圧の変動を抑制することができる。

実施形態の燃料電池システムの一例を示す図である。 多段階発電制御による燃料電池の発電制御を説明するための図である。 フラグの状態に関する制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 燃料電池の発電制御に関する制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。

図１は、実施形態の燃料電池車両の一例を示す図である。

図１に示す燃料電池システム１は、車両Ｖｅに搭載され、負荷Ｌｏなどに電力を供給する。なお、車両Ｖｅは、フォークリフトなどの産業車両や自動車などとする。また、負荷Ｌｏは、走行用モータを駆動するインバータなどとする。

また、燃料電池システム１は、燃料電池ＦＣと、水素タンクＨＴと、水素タンク弁ＨＴＶと、インジェクタＩＮＪと、気液分離機ＧＬＳと、水素循環ポンプＨＰと、排気排水弁ＥＤＶと、希釈器ＤＩＬと、エアコンプレッサＡＣＰと、エア調圧弁ＡＲＶと、エアシャット弁ＡＳＶとを備える。

また、燃料電池システム１は、さらに、ラジエタＲと、ファンＦと、ウォータポンプＷＰと、インタークーラＩＣと、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと、蓄電装置Ｂと、電流センサＳｉｆと、電圧センサＳｖｆと、電流センサＳｉｂと、電圧センサＳｖｂと、記憶部２と、制御部３とを備える。

燃料電池ＦＣは、互いに直列接続される複数の燃料電池セルにより構成される燃料電池スタックであり、燃料ガス（水素ガスなど）に含まれる水素と酸化剤ガス（空気など）に含まれる酸素との電気化学反応により電気を発生させる。

水素タンクＨＴは、燃料ガスの貯蔵容器である。水素タンクＨＴに貯蔵された燃料ガスは水素タンク弁ＨＴＶ及びインジェクタＩＮＪを介して燃料電池ＦＣに供給される。

水素タンク弁ＨＴＶは、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスを減圧する。

インジェクタＩＮＪは、燃料電池ＦＣに供給される燃料ガスの流量を調整する。

気液分離機ＧＬＳは、燃料電池ＦＣから排出される燃料ガスと液水とを分離する。

水素循環ポンプＨＰは、気液分離機ＧＬＳにより分離された燃料ガスを燃料電池ＦＣに再度供給する。

排気排水弁ＥＤＶは、気液分離機ＧＬＳにより分離された液水を希釈器ＤＩＬに送る。希釈器ＤＩＬに送られた液水は、希釈器ＤＩＬ内のタンクに溜まる。また、燃料電池ＦＣから排出された燃料ガスと酸化剤ガスは希釈器ＤＩＬで合流し、燃料電池システム１の外部に排出される。

エアコンプレッサＡＣＰは、燃料電池システム１の周囲に存在する酸化剤ガスを圧縮しインタークーラＩＣ及びエアシャット弁ＡＳＶを介して燃料電池ＦＣに供給する。なお、エアコンプレッサＡＣＰの圧縮率は、燃料電池ＦＣの下流に設けられるエア調圧弁ＡＲＶの開度を調節することで制御される。

インタークーラＩＣは、圧縮により高温になった酸化剤ガスをインタークーラＩＣに流れる冷却水などの冷媒と熱交換させる。

エアシャット弁ＡＳＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスを遮断する。なお、車両Ｖｅのイグニッションキーがオンしているとき、エアシャット弁ＡＳＶは常に全開になっているものとする。

エア調圧弁ＡＲＶは、燃料電池ＦＣに供給される酸化剤ガスの圧力や流量を調整する。

ラジエタＲは、燃料電池ＦＣの発熱により温められた冷媒を外気と熱交換させる。

ファンＦは、ラジエタＲの放熱量を上昇させる。

ウォータポンプＷＰは、ラジエタＲにより冷却された冷媒をインタークーラＩＣを介して燃料電池ＦＣに供給する。

ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣの後段に接続され、燃料電池ＦＣから出力される電圧Ｖｆを所定の電圧に変換する。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力は、負荷Ｌｏ、水素循環ポンプＨＰなどの補機、及び蓄電装置Ｂに供給される。例えば、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶは、燃料電池ＦＣの電圧を４８［Ｖ］に変換する。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力の一部は、４８［Ｖ］系の補機である水素循環ポンプＨＰ、エアコンプレッサＡＣＰ、及びウォータポンプＷＰに供給される。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶにより４８［Ｖ］に変換された電圧は、他のＤＣＤＣコンバータ（不図示）により１２［Ｖ］の電圧に変換される。他のＤＣＤＣコンバータから出力される電力は、１２［Ｖ］系の補機であるファンＦ、エアシャット弁ＡＳＶ、及びエア調圧弁ＡＲＶに供給される。

蓄電装置Ｂは、キャパシタなどにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶと負荷Ｌｏとの間に接続されている。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、４８［Ｖ］系の補機及び１２［Ｖ］系の補機にそれぞれ供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、燃料電池システム１の外部（例えば、車両Ｖｅに搭載される走行制御部４）から要求される要求電力より大きい場合、その供給電力のうち、要求電力分の電力が負荷Ｌｏに供給されるとともに、残りの電力が蓄電装置Ｂに供給される。ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから蓄電装置Ｂに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが充電され蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが増加する。また、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから出力される電力と、４８［Ｖ］系の補機及び１２［Ｖ］系の補機にそれぞれ供給される電力の合計値との差に相当する供給電力が、燃料電池システム１の外部から要求される要求電力より小さい場合、その供給電力が負荷Ｌｏに供給されるとともに、足りない分の電力が蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに供給される。蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに電力が供給されると、蓄電装置Ｂが放電され蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが減少する。なお、状態変数Ｓとは、蓄電装置Ｂの充電率［％］（蓄電装置Ｂの満充電容量に対する残容量の割合）、または、蓄電装置Ｂに電流が流れていないときの蓄電装置Ｂの開回路電圧［Ｖ］、または、蓄電装置Ｂに電流が流れているときの蓄電装置Ｂの閉回路電圧［Ｖ］、または、蓄電装置Ｂに流れる電流の積算値［Ａｈ］などとする。

電流センサＳｉｆは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、燃料電池ＦＣからＤＣＤＣコンバータＣＮＶに流れる電流Ｉｆを検出し、その検出した電流Ｉｆを制御部３に送る。

電圧センサＳｖｆは、分圧抵抗などにより構成され、燃料電池ＦＣから出力される電圧Ｖｆを検出し、その検出した電圧Ｖｆを制御部３に送る。

電流センサＳｉｂは、シャント抵抗やホール素子などにより構成され、ＤＣＤＣコンバータＣＮＶから蓄電装置Ｂに流れる電流Ｉｂまたは蓄電装置Ｂから負荷Ｌｏに流れる電流Ｉｂを検出し、その検出した電流Ｉｂを制御部３に送る。

電圧センサＳｖｂは、分圧抵抗などにより構成され、蓄電装置Ｂの電圧Ｖｂを検出し、その検出した電圧Ｖｂを制御部３に送る。

記憶部２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などにより構成され、後述する閾値Ｃｔｈ１０などを記憶する。

制御部３は、マイクロコンピュータなどにより構成される。

また、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御により燃料電池ＦＣの発電電力を制御し、無段階発電制御要求がオンであるとき、無段階発電制御により燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。例えば、制御部３は、負荷Ｌｏが高負荷状態でないと判定しているとき、無段階発電制御要求をオフにし、負荷Ｌｏが高負荷状態であると判定しているとき、無段階発電制御要求をオンにする。例えば、制御部３は、車両Ｖｅが登り坂を走行していない（車両Ｖｅが勾配を有する坂を上っていない）と判定しているとき、負荷Ｌｏが高負荷状態でないと判定し、車両Ｖｅが登り坂を走行している（車両Ｖｅが勾配を有する坂を上っている）と判定しているとき、負荷Ｌｏが高負荷状態であると判定する。また、車両Ｖｅが登り坂を走行しているか否かの判定方法については後述する。

すなわち、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御として、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓに応じて目標発電電力Ｐｔを段階的に変化させる。

また、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御として、燃料電池ＦＣの発電電力が目標発電電力Ｐｔに追従するように、４８［Ｖ］系の補機や１２［Ｖ］系の補機の動作を制御することで、燃料電池ＦＣの発電電力を制御する。例えば、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御として、ＰＩ（Proportional-Integral）制御により、燃料電池ＦＣの発電電力と目標発電電力Ｐｔとの差がゼロになるように、４８［Ｖ］系の補機や１２［Ｖ］系の補機の動作を制御する。

ここで、図２は、多段階発電制御による燃料電池ＦＣの発電制御を説明するための図である。なお、閾値Ｓｔｈ１０、閾値Ｓｔｈ２１、及び閾値Ｓｔｈ３２を充電側閾値とし、閾値Ｓｔｈ０１、閾値Ｓｔｈ１２、及び閾値Ｓｔｈ２３を放電側閾値とする。また、閾値Ｓｔｈ２３＜閾値Ｓｔｈ３２＜閾値Ｓｔｈ１２＜閾値Ｓｔｈ２１＜閾値Ｓｔｈ０１＜閾値Ｓｔｈ１０とする。また、目標発電電力Ｐｔ０＜目標発電電力Ｐｔ１＜目標発電電力Ｐｔ２＜目標発電電力Ｐｔ３とし、目標発電電力Ｐｔ０をゼロとする。また、目標発電電力Ｐｔ３と目標発電電力Ｐｔ２との差、目標発電電力Ｐｔ２と目標発電電力Ｐｔ１との差、目標発電電力Ｐｔ１と目標発電電力Ｐｔ０との差は、それぞれ、一定値でもよいし、異なる値でもよい。目標発電電力Ｐｔが大きくなるほど、燃料電池ＦＣから出力される電力が大きくなり、目標発電電力Ｐｔが小さくなるほど、燃料電池ＦＣから出力される電力が小さくなるものとする。また、目標発電電力Ｐｔが目標発電電力Ｐｔ０になると、燃料電池ＦＣの発電が停止して燃料電池ＦＣから出力される電力がゼロになるものとする。

制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御として、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが閾値Ｓｔｈ３２より大きくなると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ３から目標発電電力Ｐｔ２に変化させ、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが閾値Ｓｔｈ２１より大きくなると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ２から目標発電電力Ｐｔ１に変化させ、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが閾値Ｓｔｈ１０より大きくなると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔｈ１から目標発電電力Ｐｔｈ０に変化させる。すなわち、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御として、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが大きくなるほど、燃料電池ＦＣから出力される電力が段階的に小さくなるように、燃料電池ＦＣの発電を制御する。

また、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御として、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが閾値Ｓｔｈ０１より小さくなると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ０から目標発電電力Ｐｔ１に変化させ、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが閾値Ｓｔｈ１２より小さくなると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ１から目標発電電力Ｐｔ２に変化させ、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが閾値Ｓｔｈ２３より小さくなると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ２から目標発電電力Ｐｔ３に変化させる。すなわち、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるとき、多段階発電制御として、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが小さくなるほど、燃料電池ＦＣから出力される電力が段階的に大きくなるように、燃料電池ＦＣの発電を制御する。

このように、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓに応じて燃料電池ＦＣから出力される電力を段階的に変化させているため、燃料電池ＦＣから出力される電圧の単位時間あたりの変動回数を抑制することができ、燃料電池ＦＣの劣化を抑制することができる。

一方、制御部３は、無段階発電制御要求がオンであるとき、無段階発電制御として、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓに応じて目標発電電力Ｐｔを線形的に制御する。例えば、制御部３は、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが、無段階発電制御要求がオフからオンに切り替わったときの蓄電装置Ｂの状態変数Ｓに維持されるように、目標発電電力Ｐｔを線形的に変化させる。または、制御部３は、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが閾値Ｓｔｈ１０より大きくならないように、かつ、燃料電池システム１から負荷Ｌｏに供給される電力が走行制御部４から要求される電力に追従するように、目標発電電力Ｐｔを線形的に変化させる。

また、制御部３は、無段階発電制御要求がオフからオンに切り替わる直前において状態変数Ｓと閾値Ｓｔｈとの比較結果により求めた目標発電電力Ｐｔを、無段階発電制御要求がオンしているときの目標発電電力Ｐｔの下限値に設定するように構成してもよい。

これにより、無段階発電制御から多段階発電制御に戻ったときの目標発電電力Ｐｔの変動幅を抑えることができるため、補機の動作制御の安定性を向上させることができ、燃料電池システム１全体の動作制御の安定性を向上させることができる。

また、制御部３は、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する場合において、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが増加しているとき、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓと複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力Ｐｔにより燃料電池ＦＣの発電を制御する。

また、制御部３は、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する場合において、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが減少しているとき、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓと複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力Ｐｔにより燃料電池ＦＣの発電を制御する。

また、制御部３は、無段階発電制御要求がオンになると、負荷Ｌｏの状態を示すフラグを立ち上げ、無段階発電制御要求がオフになると、フラグを立ち下げる。

ここで、図３は、フラグに関する制御部３の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図３に示すフローチャートは制御タイミング毎に繰り返し実行されるものとする。

制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるときで（ステップＳ１１：Ｎｏ）、かつ、フラグが立ち下がっていないと判定すると（ステップＳ１２：Ｙｅｓ）、フラグを立ち下げる（ステップＳ１３）。

一方、制御部３は、無段階発電制御要求がオンであるときで（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、かつ、フラグが立ち上がっていないと判定すると（ステップＳ１４：Ｙｅｓ）、フラグを立ち上げる（ステップＳ１５）。

なお、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるときで（ステップＳ１１：Ｎｏ）、かつ、フラグが立ち下がっていると判定すると（ステップＳ１２：Ｎｏ）、または、無段階発電制御要求がオンであるときで（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、かつ、フラグが立ち上がっていると判定すると（ステップＳ１４：Ｎｏ）、次の制御タイミングまでフラグの状態を維持する。

また、図４は、燃料電池ＦＣの発電制御に関する制御部３の動作の一例を示すフローチャートである。なお、図４に示すフローチャートは制御タイミング毎に繰り返し実行されるものとする。

まず、制御部３は、無段階発電制御要求がオンであるときで（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、かつ、今回の制御タイミングがフラグの立ち上がりタイミングと一致する場合（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、今回の制御タイミングにおける蓄電装置Ｂの状態変数Ｓを状態変数Ｓ０として記憶部２に記憶する（ステップＳ２３）。

また、制御部３は、無段階発電制御要求がオンであるときで（ステップＳ２１：Ｙｅｓ）、かつ、今回の制御タイミングがフラグの立ち上がりタイミングと一致しない場合、すなわち、すでにフラグが立ち上がっている場合（ステップＳ２２：Ｎｏ）、無段階発電制御により燃料電池ＦＣの発電を制御する（ステップＳ２４）。

一方、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるときで（ステップＳ２１：Ｎｏ）、かつ、今回の制御タイミングがフラグの立ち下がりタイミングと一致する場合（ステップＳ２５：Ｙｅｓ）、今回の制御タイミングにおける蓄電装置Ｂの状態変数Ｓを状態変数Ｓ１として記憶部２に記憶する（ステップＳ２６）。

次に、制御部３は、記憶部２に記憶されている状態変数Ｓ０が記憶部２に記憶されている状態変数Ｓ１より大きい場合（ステップＳ２７：Ｙｅｓ）、多段階発電制御において利用される閾値として放電側閾値を選択する（ステップＳ２８）。すなわち、制御部３は、多段階発電制御から無段階発電制御に遷移するときの蓄電装置Ｂの状態変数Ｓ０が無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するときの蓄電装置Ｂの状態変数Ｓ１より大きく、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する際に蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが減少傾向にある場合、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓと複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力Ｐｔにより燃料電池ＦＣの発電を制御する。

一方、制御部３は、状態変数Ｓ０が状態変数Ｓ１より小さい場合（ステップＳ２７：Ｎｏ）、多段階発電制御において利用される閾値として充電側閾値を選択する（ステップＳ２９）。すなわち、制御部３は、多段階発電制御から無段階発電制御に遷移するときの蓄電装置Ｂの状態変数Ｓ０が無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するときの蓄電装置Ｂの状態変数Ｓ１より小さく、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する際に蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが増加傾向にある場合、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓと複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力Ｐｔにより燃料電池ＦＣの発電を制御する。

そして、制御部３は、無段階発電制御要求がオフであるときで（ステップＳ２１：Ｎｏ）、かつ、今回の制御タイミングがフラグの立ち下がりタイミングと一致しない場合、すなわち、すでにフラグが立ち下がっている場合（ステップＳ２５：Ｎｏ）、ステップＳ２８で選択した放電側閾値またはステップＳ２９で選択した充電側閾値を利用して多段階発電制御により燃料電池ＦＣの発電電力を制御する（ステップＳ３０）。

ここで、例えば、状態変数Ｓを蓄電装置Ｂの開回路電圧［Ｖ］とし、閾値Ｓｔｈ２１を４２［Ｖ］とし、閾値Ｓｔｈ１２を３９［Ｖ］とし、記憶部２に状態変数Ｓ０として４３［Ｖ］が記憶され、記憶部２に状態変数Ｓ１として３７［Ｖ］が記憶されている場合を想定する。

既存の燃料電池システムでは、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移した直後、充電側閾値として閾値Ｓｔｈ２１（４２［Ｖ］）を利用して目標発電電力Ｐｔを求めてしまうおそれがある。すなわち、既存の燃料電池システムでは、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移した直後、状態変数Ｓ０（４３［Ｖ］）が閾値Ｓｔｈ２１（４２［Ｖ］）より大きいと判断して目標発電電力Ｐｔ１を求めてしまうおそれがある。そのため、既存の燃料電池システムでは、その後の多段階発電制御時において、状態変数Ｓ１（３７［Ｖ］）が閾値Ｓｔｈ１２（３９［Ｖ］）より小さくなったと判断すると、目標発電電力Ｐｔを目標発電電力Ｐｔ１から目標発電電力Ｐｔ２に変化させてしまう。燃料電池ＦＣの一般的な特性として、出力電力が大きくなるほど、電圧が低くなる特性がある。よって、目標発電電力Ｐｔは、無段階発電制御における目標発電電力から目標発電電力Ｐｔ１となり、そして目標発電電力Ｐｔ２に変化することは、電位変動が生じることになり、燃料電池ＦＣが劣化する原因となってしまう。

このように、既存の燃料電池システムでは、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するとき、状態変数Ｓが減少傾向であるにもかかわらず、充電側閾値を利用していると、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移した後において、目標発電電力Ｐｔを変化させてしまうおそれがある。

一方、実施形態の燃料電池システム１では、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するとき、状態変数Ｓ０（４３［Ｖ］）が状態変数Ｓ１（３７［Ｖ］）より大きいと判断すると、すなわち、状態変数Ｓが減少傾向であると判定すると、多段階発電制御時の放電側閾値として閾値Ｓｔｈ１２（３９［Ｖ］）を利用する。そのため、実施形態の燃料電池システム１では、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移した直後、状態変数Ｓ１（３７［Ｖ］）が閾値Ｓｔｈ１２（３９［Ｖ］）より小さいと判定すると、目標発電電力Ｐｔ２を求めることができ、その後の多段階発電制御において、目標発電電力Ｐｔの変動を抑制することができる。

このように実施形態の燃料電池システム１では、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するとき、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが減少傾向にある場合、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓと複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力Ｐｔにより燃料電池ＦＣの発電を制御する構成である。

また、実施形態の燃料電池システム１では、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するとき、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓが増加傾向にある場合、蓄電装置Ｂの状態変数Ｓと複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力Ｐｔにより燃料電池ＦＣの発電を制御する構成である。

これにより、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移する際の蓄電装置Ｂの状態変数Ｓの変動に伴う目標発電電力Ｐｔの変動を抑制することができるため、燃料電池ＦＣの出力電圧の変動を抑えることができ、燃料電池ＦＣの劣化を抑制することができる。

また、実施形態の燃料電池システム１によれば、無段階発電制御から多段階発電制御に遷移するときに最適な目標発電電力Ｐｔを求めることができるため、補機駆動によるＮＶ（Noise Vibration）性や官能性の悪化を抑制することができる。

＜車両Ｖｅが登り坂を走行しているか否かの判定方法＞
制御部３は、走行制御部４から送られてくる情報に基づいて、車両Ｖｅが登り坂を走行しているか否かの判定を行う。

走行制御部４は、負荷Ｌｏの動作を制御することで、車両Ｖｅの走行や荷役などを制御する。

また、走行制御部４は、運転者によるアクセルペダルの操作量をアクセル開度として制御部３に送る。

また、走行制御部４は、負荷Ｌｏを動作させるために必要な電力を要求電力として制御部３に送る。例えば、走行制御部４は、運転者の指示に基づく負荷Ｌｏの動作制御から予想される負荷Ｌｏの消費電力を、要求電力とする。

また、走行制御部４は、車両Ｖｅの速度及び加速度を制御部３に送る。例えば、走行制御部４は、（走行用モータの回転数［ｒｐｍ］×タイヤ外径［ｍ］×円周率）／（ギア比×減速比）の計算結果を、速度Ｖとする。また、走行制御部４は、１秒間あたりの速度の変化量を、加速度とする。

制御部３は、走行制御部４から送られてくる、アクセル開度、要求電力、速度、及び加速度に基づいて、車両Ｖｅが登り坂を走行しているか否かを判定する。

一般に、登り坂の勾配［％］が大きくなるほど、走行用モータで消費される電力が大きくなる傾向がある。特に、車両Ｖｅが産業車両である場合、車両Ｖｅの重量が比較的大きくなるため、上り坂の勾配が大きくなるほど、走行用モータで消費される電力がさらに大きくなる傾向がある。また、登り坂の勾配が大きくなるほど、車両Ｖｅの速度が小さくなる傾向がある。また、車両Ｖｅが登り坂を走行している場合、平坦路を走行している場合に比べて、車両Ｖｅの速度が小さくなるため、平坦路と同じ速度に保とうとする運転者の心理によりアクセルペダルの操作量が比較的大きくなる傾向がある。また、車両Ｖｅが登り坂を走行している場合、車両Ｖｅの速度が一定速度になり易いため、車両Ｖｅの加速度が比較的小さくなる傾向がある。すなわち、車両Ｖｅが登り坂を走行しているとき、要求電力及びアクセル開度が比較的大きくなるとともに、速度及び加速度が比較的小さくなる。

そこで、制御部３は、要求電力が所定要求電力以上であり、かつ、アクセル開度が所定アクセル開度以上であり、かつ、速度が所定速度以下であり、かつ、加速度が所定加速度以下である場合、車両Ｖｅが登り坂を走行していると判定する。また、制御部３は、要求電力が所定要求電力より小さい場合、または、アクセル開度が所定アクセル開度より小さい場合、または、速度が所定速度より大きい場合、または、加速度が所定加速度より大きい場合、車両Ｖｅが登り坂を走行していない（車両Ｖｅが平坦な道または下り坂を走行している）と判定する。

なお、制御部３は、要求電力、アクセル開度、速度、及び加速度の４つのパラメータのうちの少なくとも１つのパラメータを用いて、車両Ｖｅが登り坂を走行しているか否かを判定するように構成してもよい。

また、走行制御部４において、車両Ｖｅが登り坂を走行しているか否かを判定し、その判定結果を制御部３に送るように構成してもよい。

また、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

＜変形例＞
上記実施形態の燃料電池システム１は、車両Ｖｅに搭載される負荷Ｌｏに電力を供給する発電機として構成しているが、燃料電池システム１を、商用電源と協働して燃料電池システム１の外部に設けられる負荷に電力を供給する定置発電機として構成してもよい。その場合、制御部が負荷の要求電力量を監視し、要求電力量が所定電力閾値以上、かつ所定時間以上継続場合に、高負荷状態であると判断するのが好ましい。

１ 燃料電池システム
２ 記憶部
３ 制御部
４ 走行制御部
Ｖｅ 車両
Ｌｏ 負荷
ＦＣ 燃料電池
ＨＴ 水素タンク
ＨＴＶ 水素タンク弁
ＩＮＪ インジェクタ
ＧＬＳ 気液分離機
ＨＰ 水素循環ポンプ
ＥＤＶ 排気排水弁
ＤＩＬ 希釈器
ＡＣＰ エアコンプレッサ
ＡＲＶ エア調圧弁
ＡＳＶ エアシャット弁
Ｒ ラジエタ
Ｆ ファン
ＷＰ ウォータポンプ
ＩＣ インタークーラ
ＣＮＶ ＤＣＤＣコンバータ
Ｂ 蓄電装置
Ｓｉｆ、Ｓｉｂ 電流センサ
Ｓｖｆ、Ｓｖｂ 電圧センサ

Claims (2)

1. 蓄電装置と、
   前記蓄電装置に電力を供給する燃料電池と、
   多段階発電制御時において、前記蓄電装置の状態変数が増加している場合、前記蓄電装置の状態変数と複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、前記蓄電装置の状態変数が減少している場合、前記蓄電装置の状態変数と複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、無段階発電制御時において、前記蓄電装置の状態変数に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記無段階発電制御から前記多段階発電制御に遷移するとき、前記蓄電装置の状態変数が増加している場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、
   前記無段階発電制御から前記多段階発電制御に遷移するとき、前記蓄電装置の状態変数が減少している場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御部は、
   前記多段階発電制御から前記無段階発電制御に遷移したときの前記蓄電装置の状態変数を第１状態変数として記憶部に記憶した後、前記無段階発電制御から前記多段階発電制御に遷移したときの前記蓄電装置の状態変数を第２状態変数として前記記憶部に記憶し、
   前記第１状態変数が前記第２状態変数より大きい場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の放電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御し、
   前記第１状態変数が前記第２状態変数より小さい場合、前記蓄電装置の状態変数と前記複数の充電側閾値との比較結果に応じた目標発電電力により前記燃料電池の発電を制御する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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