WO2009005136A1

WO2009005136A1 - 燃料電池システムおよびその電流制御方法

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Publication number: WO2009005136A1
Application number: PCT/JP2008/062115
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Imanishi; Kota Manabe; Tomoya Ogawa
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-01-08
Also published as: DE112008001661B4; DE112008001661T5; CN101682061A; JP4877656B2; JP2009016089A; US20100136451A1; DE112008001661B8; CN101682061B; US8227123B2

Abstract

制御部８０は、システム要求電力Ｐｒｅｑにしたがって要求電流Ｉ０を算出し、要求電流Ｉ０をセルモニタ１０１の検出による最低セル電圧Ｖｍに基づいてＰＩ補償演算で要求電流Ｉ０を補正して目標電流Ｉ１を算出するに際して、要求電流Ｉ０の補正量としての電流制限値ΔＩをΔＩ＝ΔＶ×Ｋｐ＋ΣΔＶ×Ｋｉにしたがって行うときに、現時点の電流値にしたがって比例ゲインＫｐを可変に変更し、燃料電池２０の電流を目標電流値Ｉ１にするための制御性を高める。最低セル電圧としきい値電圧との差分を用いたＰＩ補償で要求電流を補正して目標電流値を求めて燃料電池の電流を制御する際に、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることが可能である。

Description

明細書

燃料電池システムおよびその電流制御方法

技術分野

本発明は、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特にシステム要求電力制御時の電流制限に関する。

背景技術

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）と力ソード（空気極）とを備えており、これらのアノードと力ソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リツチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、力ソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによつて水素ィォンが発生する。発生した水素ィオンは固体高分子電解質膜を通過して、力ソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。

ところで、自動車用動力源として燃料電池を用いる場合、低負荷から高負荷まで広い範囲の使用状態に対応できることが必要であるが、不適な条件で燃料電池を運転すると、期待どおりの電気化学反応が得られなくなることがある。例えば、高分子電解質膜に含まれる水分量が不足すると、特に低温時には、その飽和蒸気圧が低いことに伴って、必要十分な水分を供給ガスに与えることが難しくなる。

そこで、例えば、特開平 7— 2 7 2 7 3 6号公報では、燃料電池の反応温度を検出し、この反応温度により、制御用テーブルを検索して、許容し得る最低電圧のしきい値を選択し、燃料電池のモニタ電圧がしきい値よりも小さいときには、電解質に含まれる水分量が不足しているとして、負荷に供給する電流を力ッ卜するようにした発明が提案されている。

一方、複数のセルを有する燃料電池を用いた場合、複数のセルの中の 1つでも発電不能になると、燃料電池全体が発電不能になることがある。そこで、例えば、特開 2003— 1 87842号公報では、各セルの電圧を測定し、測定されたセル電圧の中の最低値である最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するとともに、出力可能な電力量以下の電力量を燃料電池スタックに発生させ、任意の 1つのセルの性能が低下したときにも、燃料電池スタックをこれに応じて適切な運転状態で運転させるようにした発明が提案されている。

発明の開示

複数のセルのうち任意の 1つのセルの性能が低下したときにも、これに応じて適切な運転状態で燃料電池スタックを運転させるに際して、燃料電池スタックの最低セル電圧としきい値電圧との差分を用いた P I (P r o p o r t i o n a l I n t e g r a t i o n) 制御で要求電流を補正制御することが好ましい。

しかしな力《ら、要求電流を P I補償にしたがって補正する際に、現時点の電流によって P I補償のゲインを一定にすると制御性が低下することが危惧される。本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、最低セル電圧としきい値電圧との差分を用いた P I補償で要求電流を補正して目標電流値を求めて燃料電池の電流を制御する際に、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることにある。

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、該燃料電池の電流を検出する電流検出部と、各該セルにおけるセル電圧を検出するセル電圧検出部と、システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を該セル電圧検出部の検出による最低セル電圧に基づいて P I補償する制御演算部と、を備え、該制御演算部は、該現在の該燃料電池の電流に基づいて要求電流の該 P I補償のための比例ゲインを変更することを特徴とする。

具体的に、本発明の燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池と、各セルにおけるセル電圧を検出するセルモニタと、システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を該セルモニタの検出による最低セル電圧に基づいて P I補償する制御演算部と、を備える。

そして、該制御演算部は、

( 1 )所定の最低セル電圧基準値と該セルモニタの検出した最低セル電圧との偏差を算出する最低セル電圧偏差演算手段と、

( 2 )該最低セル電圧基準値と検出された該最低セル電圧との偏差に基づいて電流制限値を演算する P I演算手段と、

( 3 ) 該システム要求電力に基づいて要求電流を算出する要求電流算出手段と、

( 4 )該要求電流と該電流制限値との偏差を目標電流値として算出する目標電流値演算手段と、

( 5 )該目標電流値に基づいて該燃料電池に対する電力指令値の上限および下限を算出する電力分配計算手段と、

( 6 )該電力指令値の上限および下限に基づいて該燃料電池の出力電流および出力電圧を規定する電流指令値および電圧指令値を算出する電流 ·電圧指令値計算手段と、を備える。

そして特に、制御演算部は、検出された該最低セル電圧が所定のしきい値以下になった場合には、現在の該燃料電池の電流値に基づいて該要求電流の該 P I補償のための比例ゲインを変更することを特徴とする。

また本発明の燃料電池システムのための電流制御方法は、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電流制御方法であって、各該セルにおけるセル電圧を検出するステップと、システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を、最低セル電圧に基づいて P I補償するステップと、現在の該燃料電池の電流値に基づいて要求電流の該 P I補償のための比例ゲインを変更するステップを備えたことを特徴とする。

係る構成によれば、燃料電池の発電量を制御するに際して、各セルにおける最低セル電圧を検出し、システム要求電力に対応した要求電流を最低セル電圧に基づいて P I補償するときに、現在の電流（現時点で検出された電流）に基づいて要求電流の P I補償のための比例ゲインを変更するようにしたため、システム要求電力に対^した要求電流が現時点の電流に基づいて可変に調整されるため、例えば、現時点の電流が大きい程、比例ゲインを大きくすることで、 P I補償の比例ゲインを一定にしたときよりも、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることができる。

前記燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。

例えば、好適には、前記制御演算部は、前記最低セル電圧検出部の検出による最低セル電圧が所定の許容電圧以下となった場合に、システムを停止する。

係る構成によれば、最低セル電圧が所定の許容電圧以下、より具体的には、最低電圧基準値（最低電圧しきい値）以下になったときに、最低電圧基準値と最低セル電圧との偏差を所定時間積分し、その積分値が一定値以下のときにシステムを停止することで、最低セル電圧を記録したセル、ひいてはシステム全体を保護することができる。

好適には、前記制御演算部は、所定の最低セル電圧しきい値 V t hと前記最低セル電圧 V mとの差を A Vとし、該比例ゲインを K pとし、積分ゲインを K i としたときに、前記要求電流の補正量△ Iを、 K p x A V + K i χ∑ Δ νで演算する。係る構成によれば、現時点の電流によって比例ゲイン K pを可変にすることで、要求電流を最低セル電圧に基づいて P I補償された要求電流を求めると、最低セル電圧が最低セル電圧基準値（最低セル電圧しきい値）以下にならないように燃料電池の電流量を制御することが可能になる。

本発明によれば、 P I補償の比例ゲインを一定にしたときよりも、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることができる。図面の簡単な説明

図 1 ：本発明に係る燃料電池システムのシステム構成図である。

図 2 ：制御部のブロック構成図である。

図 3 ：最低セル電圧基準値マップの特性図である。

図 4 ：電流制限値と最低セル電圧偏差を求めるための I V特性図である。

図 5 ：制御部による処理を説明するためのフローチヤ一トである。発明を実施するための最良の形態

図 1は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。

図 1において、燃料電池システム 1 0は、燃料電池 2 0に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統 4と、燃料電池 2 0に酸化ガス (空気）を供給するための酸化ガス供給系統 7と、燃料電池 2 0を冷却するための冷却液供給系統 3と、燃料電池 2 0からの発電電力を充放電する電力系統 9とを備えて構成されている。

燃料電池 2 0は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜 2 1の両面にアノード極 2 2とカソード極 2 3 をスクリーン印刷などで形成した膜■電極接合体（M E A ) 2 4を備えている。膜 ' 電極接合体 2 4の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ (図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極 2 2および力ソード極 2 3との間に、それぞれ溝状のァノードガスチャンネル 2 5および力ソードガスチャンネル 2 6を形成している。アノード極 2 2は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、力ソード極 2 3は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。 H₂→2 H + + 2 e"■ - - ( 1 )

(1/2) 0₂+2 H + +2 e—→H₂0■ ■ ■ (2)

H₂+ ( 1/2) 0₂→H₂0■ ■ ■ (3)

なお、図 1では説明の便宜上、膜■電極接合体 24、アノードガスチャンネル 2 5およびカソードガスチャンネル 26からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム 1 0の冷却液供給系統 3には、冷却液を循環させる冷却路 31、燃料電池 20から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ 32、冷却液の熱を外部に放熱するラジェータ（熱交換器） 33、ラジェータ 33へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ 34、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ 35、燃料電池 20に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ 36などが設けられている。

燃料電池システム 1 0の燃料ガス供給系統 4には、燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスを貯蔵する燃料ガス供給装置 42、当該燃料ガス供給装置 42からの燃料ガスをアノードガスチャンネル 25に供給するための燃料ガス流路 40、アノードガスチャンネル 25から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路 40に循環させるための循環流路（循環経路） 51が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス供給装置 42は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。燃料ガス流路 40には、燃料ガス供給装置 42からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁） 43、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ 44、循環経路 51の燃料ガス圧力を調整する調整弁（ェジェクタ） 45、燃料電池 20への燃料ガス供給を制御する遮断弁 46が設置されている。

循環流路 51には、燃料電池 20から循環流路 51への燃料オフガス供給を制御する遮断弁 52、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器 53および排出弁 5 4、アノードガスチャンネル 2 5を通過する際に、圧力損失を受けた燃料ォフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路 4 0に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ） 5 5、燃料ガス流路 4 0の燃料ガスが循環流路 5 1側に逆流するのを防止する逆流阻止弁 5 6が設置されている。水素ポンプ 5 5をモータによって駆動することで、水素ポンプ 5 5の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路 4 0で燃料ガス供給装置 4 2から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池 2 0に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ 5 5には、水素ポンプ 5 5の回転数を検出する回転数センサ 5 7および水素ポンプ 5 5前後の循環経路圧力を検出する圧力センサ 5 8 ■ 5 9が設置されている。

また、循環流路 5 1には、燃料電池 2 0から排気された燃料オフガスを、希釈器 (例えば水素濃度低減装置） 6 2を介して車外に排気するための排気流路 6 1が分岐して配管されている。排気流路 6 1にはパージ弁 6 3が設置されており、燃料ォフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁 6 3を開閉することで、燃料電池 2 0内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路 5 1の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもでさる。

—方、燃料電池システム 1 0の酸化ガス供給系統 7には、力ソードガスチャンネル 2 6に酸化ガス（力ソードガス）を供給するための酸化ガス流路 7 1、および力ソードガスチャンネル 2 6から排気されるカソードオフガスを排気するための力ソードオフガス流路 7 2が配管されている。酸化ガス流路 7 1には、大気からエアを取り込むエアクリーナ 7 4、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとしてカソードガスチャンネル 2 6に送給するエアコンプレッサ 7 5 が設定されており、エアコンプレッサ 7 5には、エアコンプレッサ 7 5のエア供給圧力を検出する圧力センサ 7 3が設置されている。酸化ガス流路 7 1と力ソードォフガス流路 7 2との間には湿度交換を行う加湿器 7 6が設けられている。力ソードオフガス流路 7 2には、力ソードオフガス流路 7 2の排気圧力を調整する調圧弁 7 7、力ソードオフガス中の水分を除去する気液分離器 6 4、力ソードオフガスの排気音を吸収するマフラー 6 5が設けられている。気液分離器 6 4から排出された力ソードオフガスは分流され、一方は、希釈器 6 2に流れ込み、希釈器 6 2内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方の力ソードオフガスは、マフラー 6 5にて吸音され、希釈器 6 2により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム 1 0の電力系統 9には、一次側にバッテリ 9 1の出力端子が接続され、二次側に燃料電池 2 0の出力端子が接続された D C— D Cコンパ一タ 9 0、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ 9 1、バッテリ 9 1の充電状況を監視するバッテリコンピュータ 9 2、燃料電池 2 0の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ 9 4に交流電力を供給するインバータ 9 3、燃料電池システム 1 0の各種高圧補機 9 6に交流電力を供給するインバ一タ 9 5、燃料電池 2 0の出力電圧を測定する電圧センサ 9 7、および出力電流を測定する電流センサ 9 8が接続されている。

さらに、燃料電池 2 0の各セルにおける電圧を検出するセルモニタ 1 0 1が燃料電池 2 0に接続されている。セルモニタ 1 0 1は、セルの最低電圧も検出するものであり、本発明の最低セル電圧検出部として機能するものである。

D C— D Cコンバータ 9 0は、燃料電池 2 0の余剰電力または車両走行用モータ 9 4への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ 9 1に供給して充電させる。また、車両走行用モータ 9 4の要求電力に対する、燃料電池 2 0の発電電力の不足分を補填するため、 D C— D Cコンバータ 9 0は、ノくッテリ 9 1からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ 9 3および 9 5は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ 9 4および高圧補機 9 6にそれぞれ出力する。車両走行用モータ 9 4には、モータ 9 4の回転数を検出する回転数センサ 9 9が設置されている。モータ 9 4は、ディファレンシャルを介して車輪 1 0 0が機械的に結合されており、モータ 9 4の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ 9 7および電流センサ 9 8は、電力系統 9に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池 2 0の含水量に対応している。

さらに、燃料電池システム 1 0には、燃料電池 2 0の発電を制御するための制御部 8 0が設置されている。制御部 8 0は、例えば、 C P U (中央処理装置）、 R A M、 R O M,インタ一フェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されておリ、温度センサ 3 2、 3 6、圧力センサ 4 4、 5 8、 5 9、回転数センサ 5 7、 7 3、 9 9からのセンサ信号や電圧センサ 9 7、電流センサ 9 8、ィグニッシヨンスイッチ 8 2からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ 5 5およびエアコンプレッサ 7 5の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになつている。

特に本実施形態において、制御部 8 0は、燃料電池システム 1 0の出力電力を制御するに際して、例えば、急速暖機中（走行用モータ 9 4の動作がない状態）では、車両用補機損失パワーくッテリ充電量、高圧補機 9 6のパワー制限率に基づいて、車両システム要求パワー（システムに要求されるシステム要求電力） P r e qを演算し、システム要求パワー P r e qに対して、セルモニタ 1 0 1の検出による最低セル電圧から定まる電流下限値を考慮して、車両システム要求電流を演算し、この演算により得られた車両システム要求電流に基づいて、 D C— D Cコンバータ 9 0 に対する指令値としての電流値 ·電圧値を演算し、この演算結果にしたがって D C — D Cコンバータ 9 0の駆動を制御する制御演算部としての機能を備えている。図 2に、制御部 8 0が所定のコンピュータプログラムを実行することにより実現される本実施形態の機能ブロック図を示す。

図 2に示すように、制御部 8 0は、制御演算部として、要求電流算出部 8 0 aと、第 1の減算器 8 0 bと、電力分配計算部 8 0 cと、電流 ·電圧指令値計算部 8 0 d と、第 2の減算器 8 0 eと、 P I演算部 8 0 f を備えて構成されている。

要求電流算出部 8 0 aは、システム要求電力 P r e qに基づいて要求電流（車両システム要求電流） I 0を算出し、算出した要求電流 I 0を第 1の減算器 8 0 bに出力する。第 2の減算器 8 0 eは、最低セル電圧基準値としてのしきい値 V t hとセルモニタ 1 0 1の検出による最低セル電圧 V mとの偏差 Δ V = V t h— V mを算出し、算出した偏差 Δ νを P I演算部 8 0 f に出力する。

図 3に温度に対応した最低セル電圧基準値特性を示す。

最低セル電圧基準値とは、燃料電池の保護のため、低温時にセル電圧として許容できる逆電圧であり、水素ガス欠乏時の逆電位と抵抗値による力ソード電位減少量から算出される値である。制御部 8 0は、予め図 3に示すような最低セル電圧基準値特性を最低セル電圧基準値マップ 1 0 3としてメモリに保持している。

第 2の減算器 8 0 eは、しきい値 V t hとして最低セル電圧基準値特性のマップを参照する。そして第 2の減算器 8 0 eは、偏差 Δ νを算出するに際し、電流センサ（電流検出部） 9 8の検出電流と燃料電池 2 0の内部温度を検出する温度センサ 3 2、またはシステムの環境温度を検出する温度センサ 1 0 2の検出温度を基に、図 3のような、制御部 8 0のメモリに格納された最低セル電圧基準値マップ 1 0 3 を検索し、検出温度に対応した最低セル電圧基準値を示すしきい値 V t hを選択する。すなわち、しきい値 V t hは温度と電流に依存するところから、検出温度と検出電流とにしたがって最低セル電圧基準値マップ 1 0 3を検索することとしている。図 3において、しきい値 V t h 1、 V t h 2、 V t h 3は、それぞれ温度 0 °C、一 2 0 °C、一 3 0 °Cにおける最低セル電圧基準値を示し、各最低セル電圧基準値は温度が高い程傾きが緩い直線の特性となっている。

P I演算部 8 0 f は、第 2の減算器 8 0 eが算出した偏差 Δ νに基づいて、次の ( 4 )式にしたがって、要求電流 I 0に対する電流制限値△ Iを演算するようになつている。電流制限値 Δ 1 =最低セル電圧偏差 AVx比例ゲイン Κρ+最低セル電圧積分値 ΣΔνχ積分ゲイン K i ■ · ■ (4) 。

P I演算部 80 f は、電流制限値 Δ Iを要求電流 I 0の補正量として算出し、この算出値を第 1の減算器 80 bに出力する。第 1の減算器 80 bは、要求電流 I 0 と電流制限値△ Iとの偏差から、今回の目標電流値 I 1を算出し、算出した目標電流値 I 1を電力分配計算部 80 cに出力する。

ここで、 P I演算部 80 f および第 1の減算器 80 bは、要求電流 I 0を電流制限値 Δ Iにしたがって補正して目標電流値 I 1を算出するに際し、最低セル電圧 V mがしきい値 V t h以下になった場合には、電流制限を禁止、すなわち電流制限値 △ Iによる要求電流の補償をせずに目標電流値 I 1を算出することとしている。図 4に低効率運転時における I V特性と最低セル電圧基準値特性との関係を示す。

図 4に示すように、例えば、ある条件の下で一 20°Cにおける動作点が P 1で、最低セル電圧が Vm1であったときには、セルモニタ 1 01から得られたセルの I V特性は直線 f 1で表される。また条件が異なるときに、一 20°Cにおける動作点が P 2で、最低セル電圧が Vm 2であったときには、セルモニタ 1 01から得られるセルの I V特性は f 2で表される。例えば、所定温度における最低セル電圧基準値特性を直線 f 3で表すと、直線 f 1と直線 f 3との交点は P 1 ' となり、直線 f 2と直線 f 3との交点は P 2' となる。この場合、燃料電池 20による発電を継続するには、しきい値 V t h 2より低い最低セル電圧 Vm 1を示す動作点 P 1を動作点 P 1 ' に移動し、しきい値 V t h 2より低い最低セル電圧 Vm2を示す動作点 P 2を動作点 P 2' に移動する必要がある。

動作点を移動するために、 P I演算部 80 f において、 I V特性の比例成分 Pと積分成分 Iとの和を基に演算を行うが、本実施形態では、説明を簡単にするために、図 4では、比例成分 Pの I V特性のみを示し、積分成分 Iは省略している。

ここで、比例成分 Pについてのみ考えると、動作点 P 1、 P 2における最低セル電圧偏差は、それぞれ AV 1 = f 3 (VP 1 ) -Vm 1、 Δ V2= f 3 (VP 2) 一 Vm2となる。ここで電圧 VP 1は、動作点 P 1におけるセル電圧、電圧 VP 2 は、動作点 P 2におけるセル電圧を表す。

一方、求めるべき電流制限値△ Iは、動作点 P 1、 P 2をそれぞれ動作点 P 1 '、 P 2' に移動するために、 △ I 1、 △ I 2となる。これらは（5) 式 · （6) 式で演算される。

△ I 1 =K p X△ V 1 +K i X∑△ V 1 · ■ ■ (5)

△ I 2 = Kp XAV2 + K i x∑AV2 ■ ■ ■ (6)

ここで、直線 f 1と直線 f 2とを比べると、各直線 f 1、 f 2の傾きである比例ゲイン Kpは電流値の大小に伴って変化していることが分かる。すなわち△ I 1よリも Δ I 2の方が△ Iとしての値は小さくよいことになる。

そこで、本実施形態では、電流制限値 Δ Iを求めるに際しては、電流センサ 98 の検出による電流値にしたがって比例ゲイン Κ ρを可変に変更するように構成している。例えば、電流値が増加するにしたがって比例ゲイン Κ ρの値を大きくする。以上のような処理を経て得られた今回の目標電流値 I 1に基づいて、電力分配計算部 80 cは、燃料電池 20に対する電力指令値の上下限を算出し、算出結果 P c を電流■電圧指令値計算部 80 dに出力する。この電力指令値に対する上下限は、スタックの容量成分等によって充放電が発生することによる出力精度の悪化、ェァ供給量変動に起因するシステム要求パワーのハンチングの発生を防止するためである。

電流■電圧指令値計算部 80 dは、電力分配計算部 80 cの算出結果を基に、 D C一 DCコンバータ 90に電流指令値および電圧指令値を出力する。この電流指令値および電圧指令値は、燃料電池 20における実際の出力電流■出力電圧を規定する制御信号となる。

次に、図 5のフローチャートにしたがって、制御部 80の処理内容を説明する。まず、制御部 80の要求電流算出部 80 aは、燃料電池システム 1 0の出力電力を制御するに際して、システム要求電力 P r e qから燃料電池 20に対する要求電流 I 0を算出する（S 1 ) 。次いで、制御部 80の第 1の減算器 80 bは、セルモニタ 101の検出による最低セル電圧 Vmを取り込む（S 2) 。次いで第 2の減算器 80 bは、燃料電池 20の温度および出力電流を検出し、検出温度に対応した最低セル電圧基準値マップ 1 03を参照し、検出電流に対応する最低セル電圧基準値を読み出す（S3) 。そして、第 1の減算器 8 O bは、最低セル電圧 Vmが最低セル電圧基準値よりも低いか否かを判定する（S4) 。

判定の結果、最低セル電圧 Vmが最低セル電圧基準値よりも低いときには（YE S) 、システムを停止し（S5) 、このルーチンでの処理を終了する。

一方、最低セル電圧 Vmが最低セル電圧基準値よりも大きいときには（NO) 、制御部 80の第 2の減算器 80 eは、最低セル電圧基準マップ 1 03から得られたしきい値（最低セル電圧基準値） V t hと、検出されたセル電圧 Vmとの偏差 AV を算出する（S 6) 。次いで制御部 80の Ρ I演算部 80 f は、算出した偏差厶 V から（4)式にしたがって要求電流 I 0の補正量として電流制限値△ Iを算出する (S7) 。この際、現時点の電流値（例えば電流センサ 98の検出電流）に応じて比例ゲイン Kpを可変に変更し、 Ρ I演算を行って電流制限値 Λ Iを算出する。次に、制御部 80の第 1の減算器 80 bは、要求電流 I 0と電流制限値△ Iとの偏差を求め、この偏差を今回の目標電流値 I 1とするために出力する（S 8)。次いで、制御部 80の電力分配計算部 80 cは、要求電流 I 0を電流制限値△ Iで補正して得られた目標電流値 I 1にしたがって電力指令値の上下限を算出する（S 9) 。そして制御部 80の電流，電圧指令値計算部 80 は、算出された電力指令値を基に D C— D Cコンバータ 90を制御するための駆動信号である電圧指令値および電流指令値を出力する（S 1 0) 。すなわち、セル電圧 Vmがしきい値 (最低セル電圧基準値） V t h以下にならないようにするための目標電流値 I 1にしたがって燃料電池 20の発電量および出力電力を制御し、このルーチンでの処理を終了する。以上、本実施形態によれば、システム要求電力 P r e qにしたがって要求電流 I 0を算出し、要求電流 I 0をセルモニタ 101の検出によるセル電圧 Vmに基づいて P I補償演算で要求電流 I 0を補正して目標電流 1 1を算出するに際して、要求電流 I 0の補正量としての電流制限値 Δ Iを A l =AVxKp +∑AVx K iにしたがって算出するときに、現時点の電流値にしたがって比例ゲイン Kpを可変に変更するようにしたため、燃料電池 20の電流を目標電流値 I 1にするための制御性を高めることができる。

また、システムを停止するに際しては、セル電圧 Vmとしきい値（最低セル電圧基準値） V t hとの最低セル電圧偏差 AVを所定時間積分し、最低セル電圧偏差厶 Vの積分値が判定時間 X積分時間よリも小さくなったときにシステムを停止することができる。

この場合、判定電圧が仮に 0. 5Vであり、積分時間を 1秒とすると、最低セル電圧偏差 Δν = 0. 1 Vが 5秒間継続されると、システムの動作の継続が許容されるので、最低セル電圧偏差 Δν=最低セル電圧基準値 V t h—最低セル電圧 Vmが正となることが、一定時間以上継続することを条件とすることもできる。

(産業上の利用可能性）

本発明によれば、 P I補償の比例ゲインを一定にしたときよりも、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることができる。

本発明は、燃料ガス（水素等）と酸化ガス（エア等）との化学反応により電気工ネルギーを発生させる燃料電池を備えた燃料電池システム一般に適用可能であり、特に、最低セル電圧が定められている燃料電池システムに好適である。

Claims

請求の範囲

1 . 複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、各該セルにおけるセル電圧を検出するセル電圧検出部と、

システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を該セル電圧検出部の検出による最低セル電圧に基づいて P I補償する制御演算部と、を備え、該制御演算部は、現在の該燃料電池の電流値に基づいて該要求電流の該 P I補償のための比例ゲインを変更することを特徴とする燃料電池システム。

2 . 前記制御演算部は、

前記セル電圧検出部の検出による最低セル電圧が所定の許容電圧以下となった場合に、システムを停止する、請求項 1に記載の燃料電池システム。

3 . 前記制御演算部は、

所定の最低セル電圧しきい値 V t hと前記最低セル電圧 V mとの差を Δ νとし、該比例ゲインを Κ ρとし、積分ゲインを K i としたときに、前記要求電流の補正量 Δ Ιを、 K p x A V+ K ί X∑A Vで演算する、請求項 1または 2に記載の燃料電池システム。

4. 複数のセルを有する燃料電池と、

各セルにおけるセル電圧を検出するセルモニタと、

システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を該セルモニタの検出による最低セル電圧に基づいて Ρ I補償する制御演算部と、を備え、

該制御演算部は、

所定の最低セル電圧基準値と該セルモニタの検出した最低セル電圧との偏差を算出する最低セル電圧偏差演算手段と、

該最低セル電圧基準値と検出された該最低セル電圧との偏差に基づいて電流制限値を演算する Ρ I演算手段と、

該システム要求電力に基づいて要求電流を算出する要求電流算出手段と、該要求電流と該電流制限値との偏差を目標電流値として算出する目標電流値演算手段と、

該目標電流値に基づいて該燃料電池に対する電力指令値の上限および下限を算出する電力分配計算手段と、

該電力指令値の上限および下限に基づいて該燃料電池の出力電流および出力電圧を規定する電流指令値および電圧指令値を算出する電流 ·電圧指令値計算手段と、を備え、

該制御演算部は、検出された該最低セル電圧が所定のしきい値以下になった場合には、現在の該燃料電池の電流値に基づいて該要求電流の該 P I補償のための比例ゲインを変更することを特徴とする燃料電池システム。

5. 複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電流制御方法であって、

各該セルにおけるセル電圧を検出するステップと、

システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を、最低セル電圧に基づいて P I補償するステツプと、

現在の該燃料電池の電流値に基づいて該要求電流の該 P I補償のための比例ゲインを変更するステップを備えたことを特徴とする燃料電池システムのための電流制御方法。