(57)【要約】      （修正有）【課題】車両の減速時などに、燃料電池が安定して発電可能な許容発電量に基づいて燃料電池が出力する発電量を制限することが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池を動力源とする車両に搭載され、燃料電池の発電量などの制御を行うシステムであって、要求発電量算出手段と、目標運転状態算出手段と、運転状態検出手段とを有する。出力発電量決定手段は、補正発電量算出手段と、許容発電量算出手段とによって補正発電量によって要求発電量を補正した発電量と許容発電量との関係に基づいて、燃料電池の出力発電量を決定する。したがって、上記の燃料電池システムによれば、要求発電量が高負荷から低負荷へと変化した際に補正発電量により発電量を増加させる処理を行うことによって生じ得る、ガス不足による燃料電池の劣化やセル電圧の不安定などを効果的に防止することができる。【選択図】図５
2006310217.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、
前記要求発電量に応じた目標運転状態を算出する目標運転状態算出手段と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記目標運転状態と、検出された前記運転状態との偏差に基づいて、前記要求発電量を補正するために用いる補正発電量を算出する補正発電量算出手段と、
検出された前記運転状態に基づいて、前記燃料電池が安定して発電可能な許容発電量を算出する許容発電量算出手段と、
前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量と、前記許容発電量との関係に基づいて、前記燃料電池の出力発電量を決定する出力発電量決定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記出力発電量決定手段は、
前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量が前記許容発電量以上である場合には、当該許容発電量を前記出力発電量として決定し、
前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量が前記許容発電量未満である場合には、当該補正した発電量を前記出力発電量として決定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。
【請求項３】
蓄電装置の充電可能量を算出する蓄電装置充電可能量算出手段を有し、
前記出力発電量決定手段は、前記補正発電量が前記充電可能量以上であり、且つ、前記要求発電量と前記充電可能量との和が前記許容発電量未満である場合には、前記要求発電量と前記充電可能量との和を前記出力発電量として決定することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記補正発電量算出手段は、前記偏差が大きいほど前記要求発電量を補正する度合いが大きくなるように、前記補正発電量を算出することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記補正発電量算出手段は、前記要求発電量が所定値以上である場合には、前記補正発電量を「０」とすることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
燃料電池の要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、
前記要求発電量に応じた目標運転状態を算出する目標運転状態算出手段と、
前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、
前記目標運転状態と、検出された前記運転状態との偏差に基づいて、前記要求発電量を補正するために用いる補正発電量を算出する補正発電量算出手段と、
蓄電装置の充電可能量を算出する蓄電装置充電可能量算出手段と、
前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量と、前記充電可能量との関係に基づいて、前記燃料電池の出力発電量を決定する出力発電量決定手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両などの動力源として燃料電池（燃料電池スタック）が用いられている。このような燃料電池における発電量などの制御を行う燃料電池システムについて、種々の技術が開示されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、車両の減速時に燃料電池における発電量を増加させて水素を消費させる技術が記載されている。特許文献２及び３には、燃料電池停止時に、水素の供給を停止した後も発電を継続することによって水素を消費する技術が記載されている。また、特許文献４には、燃料電池の出力可能電力よりも要求電力の方が大きいときは、出力可能電力で燃料電池の発電を行う技術が記載されている。更に、特許文献５には、燃料電池のカソード極とアノード極との差圧を許容範囲内に維持するように制御する技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８９２３８号公報
【特許文献２】特開２００４−７９４５１号公報
【特許文献３】特開２００４−１２７７４８号公報
【特許文献４】特開平７−７５２１４号公報
【特許文献５】特開平８−４５５２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した特許文献１に記載の技術においては、車両の減速時における発電量の増加によって、燃料電池が安定に発電可能な発電量（以下、単に「許容発電量」とも呼ぶ。）以上の出力を取り出してしまい、水素のガス不足によって燃料電池が劣化してしまう場合があった。また、特許文献２乃至５に記載された技術では、車両が加速状態から減速状態に移行したときに、本来必要とする水素量以上の水素が燃料電池に供給されてしまい、多量の未反応水素が発生してしまう場合があった。
【０００６】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、車両の減速時などに、燃料電池が安定して発電可能な許容発電量に基づいて、燃料電池が出力する発電量を制限することが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの観点では、燃料電池システムは、燃料電池の要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、前記要求発電量に応じた目標運転状態を算出する目標運転状態算出手段と、前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記目標運転状態と、検出された前記運転状態との偏差に基づいて、前記要求発電量を補正するために用いる補正発電量を算出する補正発電量算出手段と、検出された前記運転状態に基づいて、前記燃料電池が安定して発電可能な許容発電量を算出する許容発電量算出手段と、前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量と、前記許容発電量との関係に基づいて、前記燃料電池の出力発電量を決定する出力発電量決定手段と、を備える。
【０００８】
上記の燃料電池システムは、燃料電池を動力源とする車両に搭載され、燃料電池の発電量などの制御を行うシステムである。要求発電量算出手段は、燃料電池の要求発電量を算出し、目標運転状態算出手段は、要求発電量に応じた目標運転状態を算出し、運転状態検出手段は、燃料電池の運転状態を検出する。また、補正発電量算出手段は、要求発電量を補正するために用いる補正発電量を算出し、許容発電量算出手段は、燃料電池の運転状態に基づいて、燃料電池が安定して発電可能な許容発電量を算出する。出力発電量決定手段は、補正発電量によって要求発電量を補正した発電量と許容発電量との関係に基づいて、燃料電池に最終的に出力させる出力発電量を決定する。つまり、出力発電量算出手段は、許容発電量を考慮に入れて出力発電量を決定する。したがって、上記の燃料電池システムによれば、要求発電量が高負荷から低負荷へと変化した際に補正発電量により発電量を増加させる処理を行うことによって生じ得る、ガス不足による燃料電池の劣化やセル電圧の不安定などを効果的に防止することができる。
【０００９】
上記の燃料電池システムの一態様では、前記出力発電量決定手段は、前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量が前記許容発電量以上である場合には、当該許容発電量を前記出力発電量として決定し、前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量が前記許容発電量未満である場合には、当該補正した発電量を前記出力発電量として決定する。
【００１０】
この態様では、出力発電量決定手段は、出力発電量を許容発電量によって制限する。具体的には、出力発電量決定手段は、要求発電量と補正発電量との和が許容発電量以上である場合には、許容発電量を出力発電量として決定する。したがって、燃料電池システムは、運転状態に応じた許容発電量の範囲内で、燃料電池から発電量を得ることができる。これにより、要求発電量が高負荷から低負荷へと減少した状況などにおいて、燃料電池の劣化などの不具合の発生を防止して、水素のガス圧力の減圧を適切に実行することが可能となる。
【００１１】
上記の燃料電池システムの他の一態様では、蓄電装置の充電可能量を算出する蓄電装置充電可能量算出手段を有し、前記出力発電量決定手段は、前記補正発電量が前記充電可能量以上であり、且つ、前記要求発電量と前記充電可能量との和が前記許容発電量未満である場合には、前記要求発電量と前記充電可能量との和を前記出力発電量として決定する。
【００１２】
この態様では、出力発電量決定手段は、許容発電量だけでなく、蓄電装置の充電可能量を考慮に入れて出力発電量を決定する。具体的には、出力発電量決定手段は、補正発電量が充電可能量以上であり、且つ、要求発電量と充電可能量との和が許容発電量未満である場合には、要求発電量と充電可能量との和を出力発電量として決定する。即ち、出力発電量を蓄電装置の充電可能量によって制限する。これにより、蓄電装置への過剰な電流充電を抑制して、蓄電装置の劣化を防止することができる。逆に、充電可能量が十分に大きければ、出力発電量を蓄電装置の充電可能量によって制限はしない。これにより、減圧によって発生した余剰な電力を蓄電装置に充電させることによりエネルギー回収ができ、走行に必要なエネルギー消費を減らすことが可能となる。
【００１３】
上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記補正発電量算出手段は、前記偏差が大きいほど前記要求発電量を補正する度合いが大きくなるように、前記補正発電量を算出する。
【００１４】
この態様では、補正発電量算出手段は、目標運転状態と実際の運転状態との偏差が大きいほど要求発電量を補正する度合いが大きくなるように補正発電量を算出する。逆に、補正発電量算出手段は、偏差が小さいほど要求発電量を補正する度合いが小さくなるように補正発電量を算出する。即ち、運転状態を目標運転状態に設定するためのフィードバック制御において、偏差が大きい場合にはゲインが大きくなり、偏差が小さい場合にはゲインが小さくなる。これにより、偏差が大きいときには目標運転状態への収束速度を速くすることができると共に、偏差が小さいときには目標運転状態への収束性を向上させることができる。
【００１５】
上記の燃料電池システムの他の一態様では、前記補正発電量算出手段は、前記要求発電量が所定値以上である場合には、前記補正発電量を「０」とする。
【００１６】
この態様では、補正発電量算出手段は、要求発電量が所定値以上である場合には、補正発電量を「０」とする、即ち、要求発電量を補正しない。言い換えると、目標運転状態に設定するためのフィードバック制御を実行しない。これにより、減速状態から再度加速された状況などの要求発電量が所定値以上である場合に、要求発電量に対して十分に確保された水素のガス圧力を利用して、必要な要求発電量をそのまま出力発電量として決定することが可能となる。
【００１７】
本発明の他の観点では、燃料電池システムは、燃料電池の要求発電量を算出する要求発電量算出手段と、前記要求発電量に応じた目標運転状態を算出する目標運転状態算出手段と、前記燃料電池の運転状態を検出する運転状態検出手段と、前記目標運転状態と、検出された前記運転状態との偏差に基づいて、前記要求発電量を補正するために用いる補正発電量を算出する補正発電量算出手段と、蓄電装置の充電可能量を算出する蓄電装置充電可能量算出手段と、前記補正発電量によって前記要求発電量を補正した発電量と、前記充電可能量との関係に基づいて、前記燃料電池の出力発電量を決定する出力発電量決定手段と、を備える。
【００１８】
上記の燃料電池システムは、蓄電装置の充電可能量を考慮に入れて出力発電量を決定する。これにより、蓄電装置への過剰な充電を抑制して、蓄電装置の劣化を防止することができると共に、蓄電装置に発電電流を充電させることによってエネルギー効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２０】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について説明する。
【００２１】
（燃料電池システムの構成）
まず、第１実施形態に係る燃料電池システムのシステム構成について、図１を用いて説明する。
【００２２】
図１は、第１実施形態に係る燃料電池システムが搭載された車両の概略構成を示すブロック図を示している。車両は燃料電池（燃料電池スタック）１０が発電した電力によって駆動され、燃料電池システムは燃料電池１０の発電などを制御するシステムである。
【００２３】
車両は、主に、エア供給装置１と、水素供給装置２と、エアフロメータ３と、圧力センサ４、５と、ラジエータ６と、三方弁７と、冷却水ポンプ８と、温度センサ９と、燃料電池１０と、インバータ１２と、駆動モータ１３と、コンバータ１４と、バッテリ（蓄電装置）１５と、システム制御装置２０と、を備えている。
【００２４】
エア供給装置１は、システム制御装置２０から供給される制御信号Ｓ１にしたがって、大気中から空気を吸入して空気（酸素）を燃料電池１０に供給する。エアフロメータ３は、エア供給装置１から供給された空気の流量を検出し、検出した流量を信号Ｓ３としてシステム制御装置２０に出力する。圧力センサ４は、燃料電池１０に供給される空気の圧力を検出し、検出した圧力を信号Ｓ４としてシステム制御装置２０に出力する。
【００２５】
水素供給装置２は、システム制御装置２０から供給される制御信号Ｓ２にしたがって、図示しない燃料タンク内の燃料（水素）を取得して、この水素を燃料電池１０に供給する。圧力センサ５は、燃料電池１０に供給される水素の圧力を検出し、検出した圧力を信号Ｓ５としてシステム制御装置２０に出力する。
【００２６】
燃料電池１０は、電解質膜（不図示）の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極を成膜した電池セルを、層間に導電性のセパレータを挟んで積層したもので、積層数に応じた出力電圧を取り出すことができる。具体的には、燃料電池１０は、このような電解質膜面にカソード極（不図示）とアノード極（不図示）を形成して構成されている。カソード極にはエア供給装置１から空気が供給され、アノード極には水素供給装置２から水素が供給される。燃料電池１０は、このようにして供給された空気と水素との化学反応を利用して電力を発生する。なお、燃料電池１０は、システム制御装置２０から供給される制御信号Ｓ１０によって種々の制御が実行される。
【００２７】
ラジエータ６は、燃料電池１０内を循環させる冷却水の熱を外部に放出する機能を有する装置である。三方弁７は、燃料電池１０を通過後の冷却水をラジエータ６に供給するか、或いは燃料電池１０を通過後の冷却水をラジエータ６に供給せずに燃料電池１０へ供給するかの選択を可能にするバルブである。三方弁７は、システム制御装置２０から供給される信号Ｓ７によって開閉の切り替えが制御される。冷却水ポンプ８は、冷却水を燃料電池１０内に循環させるためのポンプであり、システム制御装置２０から供給される信号Ｓ８によって制御される。
【００２８】
温度センサ９は、燃料電池１０を通過後の冷却水の温度を検出し、検出した温度を信号Ｓ９としてシステム制御装置２０に出力する。温度センサ９が検出した温度は、燃料電池１０の温度に概ね対応する。前述したシステム制御装置２０による三方弁７の制御は、主に、温度センサ９が検出した温度に基づいて行われる。例えば、システム制御装置２０は、温度センサ９が検出した温度が高い場合には、燃料電池１０の温度が高いため、冷却水がラジエータ６を通過するように三方弁７を制御する。一方、システム制御装置２０は、温度センサ９が検出した温度が低い場合には、燃料電池１０の温度が低いため、冷却水をラジエータ６に通過させないように三方弁７を制御する。
【００２９】
インバータ１２は、燃料電池１０が発電した電流を取得し、システム制御装置２０から供給される信号Ｓ１２に応じた電流を駆動モータ１３に供給する。駆動モータ１３は、供給される電流に基づいて車両の車輪を駆動する。コンバータ１４は、燃料電池１０が発電した電流、又はバッテリ１５から供給される電流を取得し、取得した電流を直流電流に変換して出力する。バッテリ１５は、コンバータ１４から供給される電流を充電すると共に、充電している電流をコンバータ１４に出力する。なお、システム制御装置２０は、バッテリ１５から信号Ｓ１５を取得することによって、残りの充電可能な量（以下、単に「充電可能量」と呼ぶ。）を検出する。充電可能量は、バッテリ１５の全容量（充電量が０のときの容量）と現在のバッテリ１５の充電量との差分に対応する。
【００３０】
システム制御装置２０は、所謂ＥＣＵ（Electric Control Unit）などによって構成され、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インタフェイスなどを有している。システム制御装置２０は、前述したように、各種センサからの出力に基づいて、燃料電池システム内の構成要素の制御を実行する。システム制御装置２０が行う制御の詳細については後述する。
【００３１】
（システム制御装置の構成）
次に、図２を参照して、システム制御装置２０の具体的な構成について説明する。
【００３２】
図２は、システム制御装置２０の概略構成を示すブロック図である。システム制御装置２０は、要求発電量算出部２１と、目標運転状態算出部２２と、運転状態検出部２３と、ガス圧力偏差算出部２４と、補正発電量算出部２５と、許容発電量算出部２６と、出力発電量決定部２７と、を備えている。
【００３３】
要求発電量算出部２１は、運転者の操作などに基づいて燃料電池１０を発電させる要求発電量を算出する。例えば、要求発電量算出部２１は、運転者のアクセル開度などを取得することによって要求発電量を算出する。要求発電量算出部２１は、算出した要求発電量を目標運転状態算出部２２、及び出力発電量決定部２７に供給する。なお、要求発電量は、電流によって表すことができる。
【００３４】
目標運転状態算出部２２は、要求発電量算出部２１で算出された要求発電量に対応する目標運転状態を算出する。具体的には、目標運転状態算出部２２は、目標運転状態として、燃料電池１０に供給する空気及び水素のガス量（ガス流量）の目標値や、空気及び水素のガス圧力の目標値などを算出する。そして、目標運転状態算出部２２は、算出した目標運転状態をガス圧力偏差算出部２４に供給する。
【００３５】
運転状態検出部２３は、目標運転状態算出部２２で算出された目標運転状態にしたがって燃料電池１０が運転されたときの、燃料電池１０の運転状態を取得する。具体的には、運転状態検出部２３は、燃料電池１０に供給される空気及び水素のガス量やガス圧力をエアフロメータ３や圧力センサ４、５から取得すると共に、燃料電池１０の温度を温度センサ９から取得する。そして、運転状態検出部２３は、検出した運転状態をガス圧力偏差算出部２４と許容発電量算出部２６に供給する。
【００３６】
ガス圧力偏差算出部２４は、目標運転状態算出部２２から供給される目標運転状態と、運転状態検出部２３から供給される燃料電池１０の運転状態とを取得する。具体的には、ガス圧力偏差算出部２４は、これらの運転状態をガス圧力として取得する。そして、ガス圧力偏差算出部２４は、目標運転状態に対応するガス圧力と、燃料電池１０の運転状態に対応するガス圧力との偏差（以下、この偏差を「ガス圧力偏差」とも呼ぶ。）を算出する。ガス圧力偏差算出部２４は、算出したガス圧力偏差を補正発電量算出部２５に供給する。
【００３７】
補正発電量算出部２５は、ガス圧力偏差算出部２４が算出したガス圧力偏差に基づいて、要求発電量を補正するために用いる補正発電量を算出する。補正発電量は、ガス圧力偏差に応じて、水素などのガス圧力を補正（減圧）するために用いる発電量である。具体的には、補正発電量算出部２５は、ガス圧力偏差と補正発電量との関係を示すマップに基づいて補正発電量を算出する。なお、補正発電量は、電流によって表すことができる。
【００３８】
図３は、補正発電量を算出するために用いるマップの一例を示している。図３は、横軸にガス圧力偏差を示し、縦軸に補正発電量を示している。補正発電量算出部２５は、図３中の符号３５で示す曲線に基づいて、ガス圧力偏差から補正発電量を決定する。符号３５で示す曲線より、ガス圧力偏差が大きいときには、ガス圧力偏差の変化に対する補正発電量の変化量が大きいことがわかる。よって、ガス圧力偏差が大きいときには、運転状態の制御に係るフィードバックのゲインが大きくなる。したがって、ガス圧力偏差が大きいほど要求発電量を補正する度合いを大きくすることができるため、燃料電池ステムは、運転状態を目標運転状態へ収束させる速度を速くすることが可能となる。一方、ガス圧力偏差が小さいときには、符号３５で示す曲線より、ガス圧力偏差の変化に対する補正発電量の変化量が小さいことがわかる。よって、ガス圧力偏差が小さいときには、運転状態の制御に係るフィードバックのゲインが小さくなる。したがって、検出された運転状態が目標運転状態に近づいた際における補正を細かく行うことができるため、目標運転状態への収束性を高めることが可能となる。これにより、例えば目標のガス圧力に対する過減圧（オーバーシュート／アンダーシュート）などが生じることを防止することが可能となる。以上のようにして算出された補正発電量は、出力発電量決定部２７に供給される。
【００３９】
図２に戻って、許容発電量算出部２６について説明する。許容発電量算出部２６は、運転状態検出部２３から燃料電池１０の運転状態を取得し、取得した運転状態に基づいて、燃料電池１０が安定して発電可能な許容発電量を算出する。例えば、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の運転状態として、水素又は空気のガス圧力やガス量、或いは燃料電池１０の温度を取得する。具体的には、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の運転状態と許容発電量との関係を示すマップに基づいて許容発電量を算出する。なお、許容発電量は、電流によって表すことができる。
【００４０】
図４は、許容発電量を算出するために用いるマップの一例を示している。許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の運転状態としてガス圧力を用いる場合には図４（ａ）に示すマップを用い、燃料電池１０の運転状態としてガス量を用いる場合には図４（ｂ）に示すマップを用いる。
【００４１】
図４（ａ）は、横軸にガス圧力を示し、縦軸に許容発電量を示している。許容発電量算出部２６は、符号３０で示す曲線に基づいて許容発電量を決定する。具体的には、許容発電量算出部２６は、ガス圧力が大きくなるほど許容発電量として大きな値を決定する。更に、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の温度に基づいて、許容発電量を算出するために用いるマップを変更する。具体的には、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の温度が高い場合には、符号３１で示すような曲線を用い、燃料電池１０の温度が低い場合には、符号３２で示すような曲線を用いる。即ち、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の温度が高い場合には、ガス圧力の変化に対する許容発電電量の変化率が大きなマップを用い、逆に、燃料電池１０の温度が低いほど、ガス圧力の変化に対する許容発電電量の変化率が小さなマップを用いる。
【００４２】
図４（ｂ）は、横軸にガス量を示し、縦軸に許容発電量を示している。許容発電量算出部２６は、符号４０で示す曲線に基づいて許容発電量を決定する。具体的には、許容発電量算出部２６は、ガス量が大きくなるほど許容発電量として大きな値を決定する。更に、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の温度を温度センサ９から取得し、この燃料電池１０の温度に基づいて、許容発電量を算出するために用いるマップを変更する。具体的には、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の温度が高い場合には、符号４１で示すような曲線を用い、燃料電池１０の温度が低い場合には、符号４２で示すような曲線を用いる。具体的には、許容発電量算出部２６は、燃料電池１０の温度が高い場合には、ガス量の変化に対する許容発電電量の変化率が大きなマップを用い、逆に、燃料電池１０の温度が低いほど、ガス量の変化に対する許容発電電量の変化率が小さなマップを用いる。
【００４３】
以上のようにして決定された許容発電量は、出力発電量決定部２７に供給される。
【００４４】
図２に戻って、出力発電量決定部２７について説明する。出力発電量決定部２７は、要求発電量算出部２１から供給される要求発電量と、補正発電量算出部２５から供給される補正発電量と、許容発電量算出部２６から供給される許容発電量とを取得する。そして、出力発電量決定部２７は、取得したこれらの発電量に基づいて、最終的に燃料電池１０から出力させる発電量（出力発電量）を決定する。この出力発電量も、発電電流を示している。
【００４５】
具体的には、出力発電量決定部２７は、補正発電量によって要求発電量を補正した発電量と許容発電量とを比較して、出力発電量を決定する。より詳しくは、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量との和と、許容発電量とを比較することによって、出力発電量を決定する。この場合、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量との和が許容発電量以上であるときには、許容発電量を出力発電量として決定する。逆に、要求発電量と補正発電量との和が許容発電量未満であるときには、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量との和を出力発電量として決定する。このようにして決定された出力発電量は、信号Ｓ２０として、燃料電池システムの各制御部に供給される。
【００４６】
（出力発電量決定処理）
次に、システム制御装置２０内で行われる出力発電量決定処理について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。この出力発電量決定処理は、最終的に燃料電池１０から出力させる出力発電量を決定するための処理である。なお、出力発電量決定処理は、所定の周期で繰り返し実行される。
【００４７】
まず、ステップＳ１０１では、システム制御装置２０内の要求発電量算出部２１が、運転者の操作などに基づいて要求発電量を算出する。そして、処理はステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、目標運転状態算出部２２が、要求発電量に応じた目標運転状態を算出する。例えば、目標運転状態算出部２２は、水素の目標ガス圧力を算出する。そして、処理はステップＳ１０３に進む。
【００４８】
ステップＳ１０３では、運転状態検出部２３が、燃料電池１０の現在の運転状態を検出する。この場合、運転状態検出部２３が検出する運転状態は、目標運転状態算出部２２で算出された目標運転状態に基づいて制御を行ったときの燃料電池１０の運転状態に対応する。例えば、運転状態検出部２３は、水素のガス圧力などを圧力センサ５から取得する。そして、処理はステップＳ１０４に進む。
【００４９】
ステップＳ１０４では、ガス圧力偏差算出部２４が、目標運転状態算出部２２で算出された目標運転状態と、運転状態検出部２３で検出された燃料電池１０の運転状態との偏差を算出する。具体的には、ガス圧力偏差算出部２４は、これらの運転状態をガス圧力として取得してガス圧力偏差を算出する。そして、処理はステップＳ１０５に進む。
【００５０】
ステップＳ１０５では、補正発電量算出部２５が、ガス圧力偏差算出部２４で算出されたガス圧力偏差に基づいて、要求発電量を補正するための補正発電量を算出する。具体的には、補正発電量算出部２５は、図３に示したようなマップに基づいて補正発電量を算出する。そして、処理はステップＳ１０６に進む。
【００５１】
ステップＳ１０６では、許容発電量算出部２６が、燃料電池１０の現在の運転状態に基づいて、燃料電池１０が安定して発電可能な許容発電量を算出する。具体的には、許容発電量算出部２６は、水素又は空気のガス圧力やガス量、及び燃料電池１０の温度に基づいて、図４に示したようなマップを用いて許容発電量を算出する。そして、処理はステップＳ１０７に進む。
【００５２】
ステップＳ１０７では、出力発電量決定部２７が、要求発電量と補正発電量との和と、許容発電量とを比較する。具体的には、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量の和が、許容発電量未満であるか否かを判定する。要求発電量と補正発電量の和が許容発電量未満である場合（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ１０８に進み、要求発電量と補正発電量の和が許容発電量以上である場合（ステップＳ１０７；Ｎｏ）には、処理はステップＳ１０９に進む。
【００５３】
ステップＳ１０８では、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量の和を出力発電量として決定する。この場合は、要求発電量と補正発電量の和が許容発電量未満であるため、燃料電池１０の発電量を許容発電量によって制限する必要がないためである。したがって、出力発電量決定部２７は、要求発電量を補正発電量によって補正した発電量を出力発電量として決定する。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００５４】
一方、ステップＳ１０９では、出力発電量決定部２７は、許容発電量を出力発電量として決定する。この場合は、要求発電量と補正発電量の和が許容発電量以上であるため、燃料電池１０の出力発電量を許容発電量によって制限する必要があるからである。即ち、燃料電池１０から許容発電量以上の発電量を出力させないようにする必要がある。したがって、出力発電量決定部２７は、要求発電量を補正発電量によって補正した発電量を用いずに、許容発電量を出力発電量として決定する。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００５５】
このように、第１実施形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池１０の現在の運転状態に基づいて許容発電量を求め、この許容発電量によって要求発電量を制限して出力発電量を決定する。したがって、燃料電池システムは、運転状態に応じた許容発電量の範囲内で、燃料電池１０から発電量を得ることができる。これにより、高負荷から低負荷へと要求発電量が減少した状況などにおいて、燃料電池１０の出力発電量を許容発電量によって制限するため、水素のガス圧力の減圧を適切に実行することが可能となる。詳しくは、高負荷から低負荷へと変化した場合、水素を早期に消費するために発電量を増加させる処理を行うことによって、ガス不足による燃料電池１０の劣化やセル電圧の不安定が生じる恐れがあるが、第１実施形態に係る燃料電池システムは、出力発電量を許容発電量によって制限するため、このような不具合の発生を防止することができる。
【００５６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
【００５７】
第２実施形態に係る燃料電池システムは、要求発電量が所定値以上である場合には、運転状態を目標運転状態に設定するためのフィードバック制御を行わない点で、第１実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。詳しくは、第２実施形態では、要求発電量が所定値未満であるときにのみ補正発電量によって要求発電量を補正し、要求発電量が所定値以上であるときには要求発電量を補正しない（補正発電量を「０」にする）。こうするのは、減速状態から再度加速された状況などの要求発電量が所定値以上となる状況においては、要求発電量に対して十分な水素のガス圧力が確保されているため、要求発電量を補正せずに、要求発電量をそのまま出力発電量として決定することが望ましいからである。
【００５８】
ここで、第２実施形態に係る出力発電量決定処理について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。なお、第２実施形態に係る出力発電量決定処理を行う燃料電池システム及びシステム制御装置は、図１に示した燃料電池システム、及び図２に示したシステム制御装置２０と同一の構成を有している。また、第２実施形態に係る出力発電量決定処理は、所定の周期で繰り返し実行される。
【００５９】
ステップＳ２０１では、要求発電量算出部２１が、運転者の操作などに基づいて要求発電量を算出し、処理はステップＳ２０２に進む。ステップＳ２０２では、目標運転状態算出部２２が、要求発電量に応じた目標運転状態を算出し、処理はステップＳ２０３に進む。ステップＳ２０３では、運転状態検出部２３が、燃料電池１０の現在の運転状態を検出し、処理はステップＳ２０４に進む。このように、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０３の処理は、第１実施形態に係る出力発電量決定処理のステップＳ１０１〜ステップＳ１０３の処理と同様である。
【００６０】
ステップＳ２０４では、要求発電量が所定値未満であるか否かの判定が行われる。例えば、ステップＳ２０４の判定で用いる所定値は、高負荷と低負荷との概ね境界付近の値を用いることができる。要求発電量が所定値未満である場合（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ２０５に進み、要求発電量が所定値以上である場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）には、処理はステップＳ２０７に進む。
【００６１】
要求発電量が所定値未満である場合（ステップＳ２０４；Ｙｅｓ）には、低負荷の減速状態であるため、前述したステップＳ１０４及びステップＳ１０５と同様の処理を行って補正発電量を算出する。具体的には、ステップＳ２０５では、ガス圧力偏差算出部２４が、目標運転状態と燃料電池１０の運転状態との偏差を算出し、処理はステップＳ２０６に進む。ステップＳ２０６では、補正発電量算出部２５が、ガス圧力偏差算出部２４で算出されたガス圧力偏差に基づいて補正発電量を算出する。そして、処理はステップＳ２０８に進む。
【００６２】
一方、要求発電量が所定値以上である場合（ステップＳ２０４；Ｎｏ）には、ステップＳ２０７の処理を行う。ステップＳ２０７では、補正発電量算出部２５は、補正発電量として「０」を出力する。この場合、要求発電量が所定値以上であるため、低負荷ではなく、加速状態などである。したがって、要求発電量に対して十分な水素のガス圧力が確保されている可能性が高いため、要求発電量に対して補正を行わない。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ２０８に進む。
【００６３】
ステップＳ２０８では、上記したステップＳ１０６での処理と同様に、許容発電量算出部２６が、燃料電池１０の運転状態に基づいて許容発電量を算出する。そして、処理はステップＳ２０９に進む。ステップＳ２０９では、出力発電量決定部２７が、上記したステップＳ１０７での処理と同様に、要求発電量と補正発電量の和が、許容発電量未満であるか否かを判定する。要求発電量と補正発電量の和が許容発電量未満である場合（ステップＳ２０９；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ２１０に進み、要求発電量と補正発電量の和が許容発電量以上である場合（ステップＳ２０９；Ｎｏ）には、処理はステップＳ２１１に進む。なお、補正発電量が「０」である場合（ステップＳ２０７における処理を行っている場合）には、要求発電量と許容発電量とが比較される。
【００６４】
ステップＳ２１０では、上記したステップＳ１０８での処理と同様に、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量の和を出力発電量として決定する。この場合は、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量の和が許容発電量未満であるため、要求発電量を補正発電量によって補正した発電量を出力発電量として決定する。なお、補正発電量が「０」である場合には、要求発電量が出力発電量として決定される。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００６５】
一方、ステップＳ２１１では、上記したステップＳ１０９での処理と同様に、出力発電量決定部２７は、許容発電量を出力発電量として決定する。この場合は、要求発電量と補正発電量の和が許容発電量以上であるため、出力発電量決定部２７は、許容発電量を出力発電量として決定する。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００６６】
以上のように、第２実施形態に係る燃料電池システムによれば、要求発電量に応じて、即ち燃料電池１０における負荷に応じて、要求発電量を補正するか否かを決定し、燃料電池１０の出力発電量を決定する。これにより、減速状態から再度加速された状況などの要求発電量が所定値以上である場合に、要求発電量に対して十分に確保された水素のガス圧力を利用して、必要な要求発電量をそのまま出力発電量として決定することができる。逆に、要求発電量が所定値未満である状況においては、空気のガス流量を減少させたことに起因して発生する余剰な空気を利用することによって、無駄なエネルギーの消費を防止することが可能となる。具体的には、余剰な空気はエアコンプレッサの応答遅れやエアコンプレッサの最低エア送気量が原因で生じるが、この余剰な空気を利用することによって、エアコンプレッサを運転するためのエネルギーを削減することができる。
【００６７】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
【００６８】
第３実施形態に係る燃料電池システムは、バッテリ１５の充電可能量を考慮に入れて燃料電池１０の出力発電量を決定する点で、前述した第１実施形態及び第２実施形態に係る燃料電池システムとは異なる。具体的には、第３実施形態では、燃料電池１０の許容発電量及びバッテリ１５の充電可能量によって、出力発電量を制限する。こうするのは、バッテリ１５への過剰な充電を抑制して、バッテリ１５の劣化を防止すると共に、バッテリ１５に発電電流を充電させることによってエネルギー効率の向上を図るためである。
【００６９】
図７は、第３実施形態に係る燃料電池システムのシステム制御装置２０ａの概略構成を示すブロック図である。システム制御装置２０ａは、前述したシステム制御装置２０とは、バッテリ状態検出部２８とバッテリ充電可能量算出部２９を有する点で異なる。したがって、システム制御装置２０と同一の構成要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００７０】
バッテリ状態検出部２８は、バッテリ１５から取得される信号Ｓ１５に基づいて、バッテリ１５の充電状態を検出する。そして、バッテリ状態検出部２８は、検出されたバッテリ１５の充電状態をバッテリ充電可能量算出部２９に供給する。
【００７１】
バッテリ充電可能量算出部２９は、バッテリ１５の充電可能量を算出する。具体的には、バッテリ充電可能量算出部２９は、記憶しているバッテリ１５の全容量と、バッテリ状態検出部２８から供給されるバッテリ１５の充電状態との差分を求めることによって、バッテリ１５の充電可能量を算出する。そして、バッテリ充電可能量算出部２９は、算出したバッテリ１５の充電可能量を出力発電量決定部２７に供給する。このように、バッテリ充電可能量算出部２９は、蓄電装置充電可能量算出手段として機能する。なお、充電可能量は、電流によって表すことができる。
【００７２】
出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量との和、許容発電量、及び要求発電量と充電可能量との和の関係に基づいて、燃料電池１０の出力発電量を決定する。具体的には、出力発電量決定部２７は、上記の３つの発電量のうち最も値が小さい発電量を出力発電量として決定する。このようにして決定された出力発電量は、信号Ｓ２１として、燃料電池システムの各制御部に供給される。
【００７３】
次に、第３実施形態に係る出力発電量決定処理について、図８に示すフローチャートを用いて説明する。なお、第３実施形態に係る出力発電量決定処理は、所定の周期で繰り返し実行される。
【００７４】
まず、ステップＳ３０１では、許容発電量を算出するための許容発電量算出処理が行われる。この許容発電量算出処理では、第１実施形態で示した図５中のステップＳ１０１〜ステップＳ１０６の処理、或いは第２実施形態で示した図６中のステップＳ２０１〜ステップＳ２０８の処理を実行する。即ち、許容発電量算出処理を実行することにより、許容発電量が算出されると共に、要求発電量や補正発電量なども算出される。以上の処理が終了すると、処理はステップＳ３０２に進む。
【００７５】
ステップＳ３０２では、バッテリ充電可能量算出処理が行われる。図９に、バッテリ充電可能量算出処理のフローチャートを示す。まず、ステップＳ３０２１では、バッテリ状態検出部２８が、バッテリ１５から取得される信号Ｓ１５に基づいて、バッテリ１５の充電状態を検出する。そして、処理はステップＳ３０２２に進む。ステップＳ３０２２では、バッテリ充電可能量算出部２９は、記憶しているバッテリ１５の全容量と、バッテリ１５の充電状態との差分を求めることによって、バッテリ１５の充電可能量を算出する。そして、処理は当該フローを抜け、メインルーチンにおけるステップＳ３０３に進む。
【００７６】
図８に戻って、ステップＳ３０３の処理について説明する。ステップＳ３０３では、出力発電量決定部２７が、補正発電量がバッテリ１５の充電可能量未満であるか否かの判定を行う。補正発電量が充電可能量未満である場合（ステップＳ３０３；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ３０４に進み、補正発電量が充電可能量以上である場合（ステップＳ３０３；Ｎｏ）には、処理はステップＳ３０７に進む。
【００７７】
ステップＳ３０４では、出力発電量決定部２７が、要求発電量と補正発電量との和が許容発電量未満であるか否かの判定を行う。要求発電量と補正発電量との和が許容発電量未満である場合（ステップＳ３０４；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ３０５に進み、要求発電量と補正発電量との和が許容発電量未満である場合（ステップＳ３０４；Ｎｏ）には、処理はステップＳ３０６に進む。
【００７８】
ステップＳ３０５では、出力発電量決定部２７は、要求発電量と補正発電量との和を出力発電量として決定する。このような決定がなされるのは、要求発電量と補正発電量との和、許容発電量、及び要求発電量と充電可能量との和において、要求発電量と補正発電量との和が最も小さいためである。したがって、この場合には、出力発電量を許容発電量及び充電可能量によって制限する必要はない。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００７９】
ステップＳ３０６では、出力発電量決定部２７は、許容発電量を出力発電量として決定する。このような決定がなされるのは、要求発電量と補正発電量との和、許容発電量、及び要求発電量と充電可能量との和において、許容発電量が最も小さいためである。即ち、出力発電量決定部２７は、出力発電量を許容発電量によって制限する。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００８０】
一方、ステップＳ３０７では、出力発電量決定部２７は、要求発電量と充電可能量との和が許容発電量未満であるか否かの判定を行う。要求発電量と充電可能量との和が許容発電量未満である場合（ステップＳ３０７；Ｙｅｓ）には、処理はステップＳ３０８に進む。
【００８１】
ステップＳ３０８では、出力発電量決定部２７は、要求発電量と充電可能量との和を出力発電量として決定する。このような決定がなされるのは、要求発電量と補正発電量との和、許容発電量、及び要求発電量と充電可能量との和において、要求発電量と充電可能量との和が最も小さいためである。したがって、出力発電量決定部２７は、出力発電量をバッテリ１５の充電可能量によって制限する。このように充電可能量を用いて表された出力発電量で燃料電池１０を発電させることにより、バッテリ１５の劣化を防止することが可能となると共に、バッテリ１５の充電電流を用いて車両内の補機を駆動することによって、補正発電量分を確保することが可能となる。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００８２】
逆に、要求発電量と充電可能量との和が許容発電量以上である場合（ステップＳ３０７；Ｎｏ）には、処理はステップＳ３０６に進む。この場合、ステップＳ３０６では、出力発電量決定部２７は、許容発電量を出力発電量として決定する。このような決定がなされるのは、要求発電量と補正発電量との和、許容発電量、及び要求発電量と充電可能量との和において、許容発電量が最も小さいためである。以上の処理が終了すると、処理は当該フローを抜ける。
【００８３】
このように、第３実施形態に係る燃料電池システムでは、燃料電池１０の許容発電量だけでなく、バッテリ１５の充電可能量にも基づいて、出力発電量を決定する。これにより、バッテリ１５への過剰な電流充電を抑制して、バッテリ１５の劣化を防止することができる。また、バッテリ１５が概ね満充電の状態になった場合でも、エアコンプレッサや電熱ヒータなどの補機で減圧相当分の電力の消費を行うことができるため、減圧のために水素排気弁（パージ弁）などで排出する水素を減少させることが可能となる。よって、排気ガス中の水素濃度を薄くすることができる。一方、充電可能量が比較的大きい状態においては、減圧によって発生した余剰な電力をバッテリ１５に充電させることによりエネルギー回収ができるため、走行に必要なエネルギー消費を減らすことが可能となる。
【００８４】
上記の第３実施形態では、燃料電池１０の許容発電量とバッテリ１５の充電可能量に基づいて出力発電量を決定しているが、その代わりに、バッテリ１５の充電可能量のみを考慮して出力発電量を決定することも可能である。その場合には、出力発電量決定部２７は、補正発電量の方が充電可能量より大きい場合には要求発電量と充電可能量との和を出力発電量に決定し、補正発電量の方が充電可能量以下の場合には要求発電量と補正発電量との和を出力発電量に決定する。このように、出力発電量を充電可能量で制限することにより、バッテリの劣化を防止することが可能となる。
【００８５】
なお、上記した実施形態では、燃料電池１０の運転状態を目標運転状態に近づけるために、マップを用いてフィードバック制御を行う例を示したが、他の例では、マップを用いる代わりに、ＰＩＤ制御によってフィードバック制御を行うことができる。この場合、目標値と実際の値との差分が大きいときに積分項の更新を禁止することによって、オーバーシュートを抑制することが可能となる。
【００８６】
また、本発明は、蓄電装置としてバッテリ１５を用いることに限定はされず、バッテリ１５の代わりにキャパシタなどを蓄電装置として用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態に係るシステム制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図３】補正発電量を算出するために用いるマップの一例を示す図である。
【図４】許容発電量を算出するために用いるマップの一例を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る出力発電量決定処理を示すフローチャートである。
【図６】第２実施形態に係る出力発電量決定処理を示すフローチャートである。
【図７】第３実施形態に係るシステム制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図８】第３実施形態に係る出力発電量決定処理を示すフローチャートである。
【図９】バッテリ充電可能量算出処理を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８８】
１  エア供給装置
２  水素供給装置
３  エアフロメータ
４、５  圧力センサ
６  ラジエータ
９  温度センサ
１０  燃料電池
１２  インバータ
１３  駆動モータ
１５  バッテリ
２０  システム制御装置
【図１】
2006310217.tif 000003
【図２】
2006310217.tif 000004
【図３】
2006310217.tif 000005
【図４】
2006310217.tif 000006
【図５】
2006310217.tif 000007
【図６】
2006310217.tif 000008
【図７】
2006310217.tif 000009
【図８】
2006310217.tif 000010
【図９】
2006310217.tif 000011