(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池への負荷要求が変化した場合でも燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力バランスを一定に保つことのできる燃料電池システム制御装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池システム制御装置１は、燃料電池への負荷要求に基づいて第１負荷パラメータを生成し、第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成し、これら第１及び第２負荷パラメータのいずれかを圧力制御用パラメータ、流量制御用パラメータ、電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定する。そして、圧力制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御し、流量制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御し、電気的エネルギー取出し用パラメータに基づいて燃料電池を制御して発電させる。【選択図】図１
2006202683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して電気化学反応により発電させる燃料電池システムの制御を行う燃料電池システム制御装置であって、
前記燃料電池への負荷要求に基づいて、第１負荷パラメータを生成する第１負荷パラメータ生成手段と、
前記第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成する第２負荷パラメータ生成手段と、
前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのいずれかを圧力制御用パラメータ、流量制御用パラメータ、電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定する負荷パラメータ切替手段と、
前記圧力制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧力制御手段と、
前記流量制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、
前記電気的エネルギー取出し用パラメータに基づいて前記燃料電池を制御して発電させる電気的エネルギー取出し手段と
を備えることを特徴とする燃料電池システム制御装置。
【請求項２】
前記負荷パラメータ切替手段は、前記第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのうち小さいほうを圧力制御用パラメータとして選定し、大きいほうを流量制御用パラメータとして選定し、前記第２負荷パラメータを電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項３】
前記負荷パラメータ切替手段は、前記燃料電池への負荷要求が増加するときには、前記第１負荷パラメータを前記流量制御用パラメータとして選定し、前記第２負荷パラメータを前記圧力制御用パラメータと前記電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定し、
前記燃料電池への負荷要求が減少するときには、前記第１負荷パラメータを前記圧力制御用負荷パラメータとして選定し、前記第２負荷パラメータを流量制御用パラメータと電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項４】
前記第１負荷パラメータ生成手段は、前記第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替手段は、前記変化率制限第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのうち小さいほうを前記圧力制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのうち大きいほうを前記流量制御用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項５】
前記第２負荷パラメータ生成手段は、前記第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替手段は、前記変化率制限第２負荷パラメータと前記第１負荷パラメータのうち小さいほうを前記圧力制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第２負荷パラメータと前記第１負荷パラメータのうち大きいほうを前記流量制御用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項６】
前記第２負荷パラメータ生成手段は、前記第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替手段は、前記変化率制限第２負荷パラメータを前記電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１、４、５のいずれか１項記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項７】
前記第１負荷パラメータ生成手段は、前記第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成し、
前記第２負荷パラメータ生成手段は、前記第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替手段は、前記変化率制限第１負荷パラメータと前記変化率制限第２負荷パラメータのうち小さいほうを前記圧力制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第１負荷パラメータと前記変化率制限第２負荷パラメータのうち大きいほうを前記流量制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第２負荷パラメータを前記電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項８】
前記ガス圧力制御手段は、前記圧力制御用パラメータに基づいて前記燃料ガスの圧力を制御し、前記燃料ガスの圧力に基づいて前記酸化剤ガスの圧力を制御することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項９】
前記第１負荷パラメータ生成手段は、当該装置を搭載した車両の運転状態を操作する操作量に基づいて、前記第１負荷パラメータを生成することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項１０】
前記第１負荷パラメータ生成手段は、前記第２負荷パラメータに基づいて前記ガス圧力制御手段と前記ガス流量制御手段と前記電気的エネルギー取出し手段とが制御する前記燃料電池システム各部の動作特性を補償する第１負荷パラメータを生成することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項１１】
前記第１負荷パラメータあるいは前記第２負荷パラメータは前記燃料電池から取り出される電流の値を指令するための電流指令値であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項１２】
前記第１負荷パラメータあるいは前記第２負荷パラメータは前記燃料電池から取り出される電力の値を指令するための電力指令値であることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項記載の燃料電池システム制御装置。
【請求項１３】
燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して電気化学反応により発電させる燃料電池システムの制御を行う燃料電池システム制御方法であって、
前記燃料電池への負荷要求に基づいて、第１負荷パラメータを生成する第１負荷パラメータ生成ステップと、
前記第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成する第２負荷パラメータ生成ステップと、
前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのいずれかを圧力制御用パラメータ、流量制御用パラメータ、電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定する負荷パラメータ切替ステップと、
前記圧力制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧力制御ステップと、
前記流量制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御ステップと、
前記電気的エネルギー取出し用パラメータに基づいて前記燃料電池を制御して発電させる電気的エネルギー取出しステップと
を含むことを特徴とする燃料電池システム制御方法。
【請求項１４】
前記負荷パラメータ切替ステップは、前記第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのうち小さいほうを圧力制御用パラメータとして選定し、大きいほうを流量制御用パラメータとして選定し、前記第２負荷パラメータを電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項１５】
前記負荷パラメータ切替ステップは、前記燃料電池への負荷要求が増加するときには、前記第１負荷パラメータを前記流量制御用パラメータとして選定し、前記第２負荷パラメータを前記圧力制御用パラメータと前記電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定し、
前記燃料電池への負荷要求が減少するときには、前記第１負荷パラメータを前記圧力制御用負荷パラメータとして選定し、前記第２負荷パラメータを流量制御用パラメータと電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項１６】
前記第１負荷パラメータ生成ステップは、前記第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替ステップは、前記変化率制限第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのうち小さいほうを前記圧力制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのうち大きいほうを前記流量制御用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項１７】
前記第２負荷パラメータ生成ステップは、前記第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替ステップは、前記変化率制限第２負荷パラメータと前記第１負荷パラメータのうち小さいほうを前記圧力制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第２負荷パラメータと前記第１負荷パラメータのうち大きいほうを前記流量制御用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項１８】
前記第２負荷パラメータ生成ステップは、前記第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替ステップは、前記変化率制限第２負荷パラメータを前記電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１３、１６、１７のいずれか１項記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項１９】
前記第１負荷パラメータ生成ステップは、前記第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成し、
前記第２負荷パラメータ生成ステップは、前記第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、
前記負荷パラメータ切替ステップは、前記変化率制限第１負荷パラメータと前記変化率制限第２負荷パラメータのうち小さいほうを前記圧力制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第１負荷パラメータと前記変化率制限第２負荷パラメータのうち大きいほうを前記流量制御用パラメータとして選定し、
前記変化率制限第２負荷パラメータを前記電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定することを特徴とする請求項１３記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項２０】
前記ガス圧力制御ステップは、前記圧力制御用パラメータに基づいて前記燃料ガスの圧力を制御し、前記燃料ガスの圧力に基づいて前記酸化剤ガスの圧力を制御することを特徴とする請求項１３から請求項１９のいずれか１項記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項２１】
前記第１負荷パラメータ生成ステップは、当該装置を搭載した車両の運転状態を操作する操作量に基づいて、前記第１負荷パラメータを生成することを特徴とする請求項１３から請求項２０のいずれか１項記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項２２】
前記第１負荷パラメータ生成ステップは、前記第２負荷パラメータに基づいて前記ガス圧力制御ステップと前記ガス流量制御ステップと前記電気的エネルギー取出しステップにおいて制御する前記燃料電池システム各部の動作特性を補償する第１負荷パラメータを生成することを特徴とする請求項１３から請求項２０のいずれか１項記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項２３】
前記第１負荷パラメータあるいは前記第２負荷パラメータは前記燃料電池から取り出される電流の値を指令するための電流指令値であることを特徴とする請求項１３から請求項２０のいずれか１項記載の燃料電池システム制御方法。
【請求項２４】
前記第１負荷パラメータあるいは前記第２負荷パラメータは前記燃料電池から取り出される電力の値を指令するための電力指令値であることを特徴とする請求項１３から請求項２０のいずれか１項記載の燃料電池システム制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムを制御するための燃料電池システム制御装置及び燃料電池システム制御方法に係り、特に燃料電池への負荷要求が変化した場合に燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力バランスが崩れることを防止するように制御する燃料電池システム制御装置及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを電気化学反応によって反応させて起電力を発生させている。この起電力は燃料電池システムの外部負荷に供給されており、この外部負荷が急激に減少した場合には、燃料電池の出力もそれに合せて低下させる必要がある。そこで、燃料電池の出力の低下に合せて燃料ガスである水素ガスの供給も減少させる必要があるが、一般的に水素ガスの供給は循環系を構成することが多いので、水素ガスの供給を減少させても水素ガスの圧力減少は遅れてしまう。これにより、水素系と空気系の圧力バランスが崩れて、燃料電池の反応膜の耐久性を悪化させてしまう可能性がある。
【０００３】
そこで、従来から、このような圧力バランスが崩れることによる反応膜への悪影響を防止する燃料電池の制御方法が研究開発されている（例えば、特許文献１参照）
特許文献１では、電流目標値の減少率が所定の減少率を超えて急激に減少したときに、電流指令値を電流目標値の減少率よりもゆっくりと減少させ、電流指令値の上限となる電流限界値を電流目標値に応じて定めるようにしたものである。
【０００４】
これにより、燃料電池の出力の低下が遅れるため、燃料電池システム内における水素ガスの消費が増加するので、水素ガスの圧力減少を早めることができる。
【特許文献１】特開２０００−３４８７４８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、上述した特許文献１に開示された従来例では、燃料電池の出力低下を遅らせたことにより、余剰の電力が生じてしまうという問題点がある。この余剰電力を吸収するために２次電池を備えるようにすることが考えられるが、２次電池の充電状態によってはこの余剰電力を充電できない可能性もある。
【０００６】
また、水素と空気の圧力差を減少させるために、空気圧力を水素圧力に追従させるように空気圧力を高めることが考えられるが、空気圧力を高めるために空気流量を増量させる必要があり、この場合には空気コンプレッサ等の空気供給装置の消費電力の増加及び動作音の増大という問題点がある。
【０００７】
さらに、燃料電池への負荷が増加する場合には負荷の増加に伴って空気圧力及び水素圧力を増加させる必要があるので、負荷の増加が急激な場合には圧力も急激に増加させる必要がある。しかし、昇圧に必要な流量が一時的に確保できなくなり、圧力上昇に時間がかかってしまうという問題点もある。
【０００８】
また、空気と水素の圧力が上昇するときの特性は異なるので、水素系と空気系の圧力バランスが崩れて燃料電池の反応膜の耐久性を悪化させてしまうという問題点もある。さらに、空気あるいは水素の流量不足により燃料電池への負荷要求に対して十分な発電が行えないという問題点もある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために、本発明の燃料電池システム制御装置は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して電気化学反応により発電させる燃料電池システムの制御を行う燃料電池システム制御装置であって、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、第１負荷パラメータを生成する第１負荷パラメータ生成手段と、前記第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成する第２負荷パラメータ生成手段と、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのいずれかを圧力制御用パラメータ、流量制御用パラメータ、電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定する負荷パラメータ切替手段と、前記圧力制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧力制御手段と、前記流量制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御手段と、前記電気的エネルギー取出し用パラメータに基づいて前記燃料電池を制御して発電させる電気的エネルギー取出し手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の燃料電池システム制御方法は、燃料電池に燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して電気化学反応により発電させる燃料電池システムの制御を行う燃料電池システム制御方法であって、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、第１負荷パラメータを生成する第１負荷パラメータ生成ステップと、前記第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成する第２負荷パラメータ生成ステップと、前記燃料電池への負荷要求に基づいて、前記第１負荷パラメータと前記第２負荷パラメータのいずれかを圧力制御用パラメータ、流量制御用パラメータ、電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定する負荷パラメータ切替ステップと、前記圧力制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧力制御ステップと、前記流量制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御ステップと、前記電気的エネルギー取出し用パラメータに基づいて前記燃料電池を制御して発電させる電気的エネルギー取出しステップとを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システム制御装置では、燃料電池への負荷要求に基づいて第１負荷パラメータを生成し、第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成して、第１及び第２負荷パラメータに基づいて水素及び空気の圧力と流量を制御するので、燃料電池の負荷が減少する場合には余剰電力の発生やコンプレッサの消費電力の増加及び動作音の増大を防止して水素と空気の圧力差を抑制することができ、燃料電池の負荷が増加する場合には水素圧力と空気圧力の差圧を小さくして燃料電池の劣化を抑制しながら、発電に必要となる空気および水素の流量を不足させることなく供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
＜第１の実施形態＞
[燃料電池システム制御装置の構成]
以下、本発明の第１の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システム制御装置の構成を示すブロック図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム制御装置１は、燃料電池への負荷要求に基づいて、第１負荷パラメータを生成する第１負荷パラメータ生成部（第１負荷パラメータ生成手段）２と、第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成する第２負荷パラメータ生成部（第２負荷パラメータ生成手段）３と、燃料電池への負荷要求に基づいて第１負荷パラメータと第２負荷パラメータのいずれかを圧力制御用パラメータ、流量制御用パラメータ、電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定する負荷パラメータ切替部（負荷パラメータ切替手段）４と、圧力制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力を制御するガス圧力制御部（ガス圧力制御手段）５と、流量制御用パラメータに基づいて燃料ガス及び酸化剤ガスの流量を制御するガス流量制御部（ガス流量制御手段）６と、電気的エネルギー取出し用パラメータに基づいて燃料電池を制御して発電させる電気的エネルギー取出し部（電気的エネルギー取出し手段）７とを備えている。
【００１４】
ここで、上述した燃料電池システム制御装置１の各部はＣＰＵと周辺インターフェースを有するマイクロコンピュータによって実行される。
【００１５】
次に、本実施形態の燃料電池システム制御装置１を備えた燃料電池システムの構成を図２に基づいて説明する。図２は本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００１６】
図２に示すように、本実施形態の燃料電池システム２０は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池２１と、燃料電池システム２０を制御する図１で説明した燃料電池システム制御装置１とを備えている。
【００１７】
燃料電池２１では、アノードに燃料ガスである水素ガスが、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電されている。
【００１８】
アノード（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-                     （１）
カソード（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋(1/2)Ｏ2→Ｈ2Ｏ         （２）
また、燃料電池システム２０は、燃料電池２１に水素ガスを供給する水素ガス供給系と、空気を供給する空気供給系と、燃料電池２１を冷却する冷却系とを備えている。
【００１９】
まず、水素ガス供給系は、水素ガスを貯蔵する水素タンク２２と、水素タンク２２から水素ガスを供給する水素タンク元弁２３と、水素タンク２２から供給される高圧水素を減圧する減圧弁２４と、水素ガスを燃料電池２１に供給する水素供給弁２５と、燃料電池２１に供給される水素ガスの圧力を検出する水素ガス圧力センサ２６と、燃料電池２１で消費されなかった水素ガスを再循環させる水素循環装置２７と、水素の排出をコントロールするパージ弁２８と、排出された水素ガスの濃度を調整する排水素処理装置２９とを備えている。
【００２０】
このように構成された水素供給系によって、水素タンク２２から水素タンク元弁２３、減圧弁２４、水素供給弁２５を通じて燃料電池２１のアノードに水素ガスが供給される。水素タンク２２から供給される高圧水素は、減圧弁２４で機械的に所定の圧力まで減圧され、次に水素供給弁２５によって燃料電池２１における水素圧力が所望の圧力になるように制御される。また、水素循環装置２７はポンプ等で構成され、燃料電池２１のアノードで消費されなかった水素ガスを再循環させている。
【００２１】
そして、アノードにおける水素圧は、水素ガス圧力センサ２６で検出された水素圧力を燃料電池システム制御装置１にフィードバックし、燃料電池システム制御装置１が水素供給弁２５を駆動することによって制御されている。水素圧力を所望の目標圧力に制御することによって、燃料電池２１が消費した分だけの水素が自動的に補われるようになっている。
【００２２】
次に、パージ弁２８は、水素循環機能を確保するために水素供給系内に蓄積した窒素を排出しており、またセル電圧を回復させるために、ガス流路に詰まった水詰まりを吹き飛ばす機能も果たしている。また、燃料電池２１の起動時には水素供給系を水素ガスで置換するために水素供給系内にあるガスの排出も行っている。
【００２３】
排水素希釈装置２９は、パージ弁２８から排出される水素ガスを可燃濃度未満の水素濃度になるように空気で希釈するか、あるいは水素ガスと空気を反応させて燃焼させることによって、水素の濃度を低下させてから燃料電池システム２０の外へ排出する。
【００２４】
次に、空気供給系は、空気を加圧して燃料電池に供給するコンプレッサ３０と、供給される空気を加湿する加湿装置３１と、空気の圧力を検出する空気圧力センサ３２と、燃料電池２１における空気の圧力を調整する空気調圧弁３３とを備えている。
【００２５】
このように構成された空気供給系によって、コンプレッサ３０から送られた空気が加湿装置３１で加湿され、燃料電池２１のカソードに供給される。カソードにおける空気圧は、空気圧力センサ３２で検出された空気圧力を燃料電池システム制御装置１にフィードバックし、燃料電池システム制御装置１がコンプレッサ３０の回転数及び空気調圧弁３３を駆動することによって制御されている。
【００２６】
次に、冷却系は、燃料電池２１に冷却水を循環させる冷却水ポンプ３４と、循環する冷却水から放熱させるラジエタ３５と、ラジエタに冷却風を送風するラジエタファン３６と、冷却水の流路をラジエタ方向とラジエタバイパス方向とに切り替える三方弁３７と、燃料電池入口における冷却水の温度を検出する入口側温度センサ３８と、燃料電池出口における冷却水の温度を検出する出口側温度センサ３９とを備えている。
【００２７】
また、燃料電池２１には、燃料電池２１から電力や電流などの出力を取り出してモータなどの外部負荷に供給するパワーマネージャー４０と、燃料電池２１から出力される電圧を検出する電圧センサ４１と、燃料電池２１から出力される電流を検出する電流センサ４２とが備えられている。そして、燃料電池システム制御装置１は電圧センサ４１及び電流センサ４２で検出された電圧と電流に基づいてパワーマネージャー４０を制御して燃料電池２１から電力あるいは電流を取り出している。
【００２８】
[燃料電池システムの制御処理]
次に、本実施形態の燃料電池システム制御装置１による燃料電池システムの制御処理を図３のフローチャートに基づいて説明する。図３は、燃料電池システムの制御処理全体を示すフローチャートであり、各ステップの詳細については後述する。また、図３に示す燃料電池システムの制御処理は所定時間周期（例えば１０ｍｓｅｃ周期）で実行される。
【００２９】
まず、ステップＳ３０１において燃料電池２１への負荷要求に基づいて第１負荷パラメータである第１の目標発電電力を算出し、ステップＳ３０２では第１の目標発電電力に対して位相を遅らせて、第２負荷パラメータである第２の目標発電電力を算出する。
【００３０】
次に、ステップＳ３０３において、水素ガス及び空気の流量を制御するための流量制御用パラメータと、水素ガス及び空気の圧力を制御するための圧力制御用パラメータと、電気的エネルギー取出し用パラメータである目標電力の選定を行う。これらのパラメータは第１の目標発電電力と第２の目標発電電力のいずれかから選定される。
【００３１】
そして、ステップＳ３０４では、ステップＳ３０３において選定された圧力制御用パラメータに基づいて水素ガス及び空気の圧力制御を行い、ステップＳ３０５では、ステップＳ３０３で選定された流量制御用パラメータに基づいて水素ガス及び空気の流量制御を行う。ステップＳ３０６では、ステップＳ３０３で選定された目標電力に基づいて燃料電池２１の発電制御を行って本実施形態の燃料電池システム制御装置１による燃料電池システムの制御処理を終了する。ただし、上述した制御処理は空気及び水素ガスの両方の制御に適用してもよいし、空気あるいは水素ガスのどちらかの制御に限って適用してもよい。
【００３２】
次に、上述した燃料電池システムの制御処理におけるステップＳ３０１〜Ｓ３０６の各ステップの詳細について説明する。
【００３３】
まず、ステップＳ３０１における第１の目標発電電力の算出処理を説明する。ステップＳ３０１では、燃料電池２１への負荷要求に基づいて第１負荷パラメータである第１の目標発電電力が算出される。ここで、燃料電池２１への負荷要求としては、例えば本実施形態の燃料電池システム２０が電気自動車に搭載されている場合にはモータの回転数に応じて燃料電池２１に要求される電流指令値や電力指令値などがあり、これらの値を燃料電池２１から取り出すために必要となる発電電力を算出して第１の目標発電電力とする。
【００３４】
また、第１の目標発電電力の代わりに電流指令値や電力指令値を第１負荷パラメータとしてもよい。このように電流指令値、あるいは電力指令値を第１負荷パラメータとすることにより、燃料電池２１から取り出される電流あるいは電力と、負荷が必要とする電流あるいは電力とを一致させることができるので、余剰電力の発生を防止することができる。
【００３５】
次に、ステップＳ３０２における第２の目標発電電力の算出処理を説明する。第２負荷パラメータである第２の目標発電電力は、第１の目標発電電力に対して位相を遅らせる処理を実施することによって算出される。この位相を遅らせる処理は、第１の目標発電電力に対して変化率を制限することによって実現することができ、例えば、単位時間あたりの変化率の上限値及び下限値を設定し、この上限値及び下限値を超えないように変化率を制限する方法や、一次遅れなどのフィルタ処理を行う方法などがある。このとき、変化率の上限値及び下限値やフィルタの特性は、燃料電池２１の出力電力の変化速度の上限を超えないように設定される。このようにして第２の目標発電電力を算出したことによって、第２の目標発電電力が第１の目標発電電力に対して所定の位相遅れを伴って変化するようになる。
【００３６】
ただし、本実施形態では第１の目標発電電力の位相を遅らせて第２の目標発電電力を算出したが、逆に第２の目標発電電力の位相を進ませて第１の目標発電電力を算出するようにしてもよい。
【００３７】
ここで、上述した第１及び第２負荷パラメータの一例を図４に示す。例えば、図４（ａ）に示すような負荷要求があった場合には、この負荷要求に基づいて第１負荷パラメータが算出されるので、第１負荷パラメータは図４（ｂ）に示すように負荷要求と同様な変化をする。そして、この第１負荷パラメータの位相を遅らせて生成された第２負荷パラメータは、図４（ｃ）に示すように負荷要求が変化すると、その変化に対して時間的に遅れて変化していく。
【００３８】
次に、ステップＳ３０３におけるパラメータの選定処理を図５のフローチャートに基づいて説明する。ここで選定するパラメータとしては、水素ガス及び空気の圧力制御を行うための圧力制御用パラメータ、水素ガス及び空気の流量を制御するための流量制御用パラメータ、パワーマネージャー４０が燃料電池２１から取り出す電気的エネルギーを制御するための電気的エネルギー取出し用パラメータである。
【００３９】
図５に示すように、まずステップＳ５０１において電気的エネルギー取出し用パラメータとして目標電力の選定を行う。そして、ステップＳ３０２で算出された第２の目標発電電力を目標電力として選定する。ただし、パワーマネージャー４０の仕様によっては、目標電力の代わりにパワーマネージャー４０が燃料電池２１から取り出す目標電流を電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定しても同等の性能を得ることができる。
【００４０】
次に、ステップＳ５０２において、第１の目標発電電力と第２の目標発電電力のうち小さい方を、水素ガス及び空気の圧力制御を行うための圧力制御用パラメータとして選定する。また、圧力制御用パラメータとしてステップＳ５０１で選定した目標電力あるいは目標電流を選定するようにしてもよい。
【００４１】
次に、ステップＳ５０３において、第１の目標発電電力と第２の目標発電電力のうちの大きい方を、水素ガス及び空気の流量制御を行うための流量制御用パラメータとして選定する。
【００４２】
ここで上述した各パラメータを図６に示す。図６（ａ）〜（ｃ）は図４（ａ）〜（ｃ）と同一である。図６（ａ）に示すような負荷要求があった場合には、第１負荷パラメータは図６（ｂ）に示すようになり、第２負荷パラメータは図６（ｃ）に示すようになる。そして、圧力制御用パラメータは第１及び第２負荷パラメータのうち小さいほうが選定されるので、図６（ｄ）に示すように負荷要求の増加時には第２負荷パラメータが選定され、減少時には第１負荷パラメータが選定される。
【００４３】
また、流量制御用パラメータは第１及び第２負荷パラメータのうち大きいほうが選定されるので、図６（ｅ）に示すように負荷要求の増加時には第１負荷パラメータが選定され、減少時には第２負荷パラメータが選定される。
【００４４】
そして、電気的エネルギー取出し用パラメータは第２負荷パラメータが選定されるので、図６（ｆ）に示すように第２負荷パラメータと同一の変化をすることになる。
【００４５】
次に、ステップＳ３０４における空気及び水素ガスの圧力の制御処理を説明する。まず、ステップＳ３０４では水素ガス及び空気の目標圧力を算出する。この目標圧力の算出は、ステップＳ３０３で選定された圧力制御用パラメータに基づいて図７に示すテーブルデータを用いて実施される。
【００４６】
図７は、圧力制御用パラメータと目標水素圧力との関係を示しており、図７に示すように圧力制御用パラメータが大きくなるにしたがって目標水素圧力も増加していく。ただし、目標水素圧力が所定値以上には増加しないように設定されている。なお、図７のテーブルデータは燃料電池２１の発電効率などを考慮して設定されている。
【００４７】
一方、空気の目標圧力は水素ガス圧力センサ２６によって検出された水素ガスの実際の圧力とする。また、水素ガスの目標圧力を空気圧力センサ３２によって検出された空気の実際の圧力としてもよい。
【００４８】
そして、燃料電池システム制御装置１は、算出された目標圧力に基づいて空気調圧弁３３と水素供給弁２５とを操作して水素ガスと空気の圧力を目標圧力へと調整する。この空気調圧弁３３の操作は、空気圧力センサ３２で検出された燃料電池２１内の空気圧力と設定した目標空気圧力との偏差に基づいて、一般的な制御手法によって空気調圧弁３３の指令開度を決定することによって実行される。
【００４９】
また、水素供給弁２５の操作は、水素ガス圧力センサ２６で検出された燃料電池２１内の水素圧力と水素の目標圧力との偏差に基づいて、一般的な制御手法によって水素供給弁２６への指令開度を決定することによって実行される。こうしてステップＳ３０４における圧力の制御処理が完了する。
【００５０】
次に、ステップＳ３０５における空気及び水素ガスの流量の制御処理を説明する。まず、燃料電池システム制御装置１は、ステップＳ３０３で選定された流量制御用パラメータに基づいて、図８に示すテーブルデータを用いて目標流量を算出する。
【００５１】
図８は、流量制御用パラメータと目標空気流量との関係を示しており、図８に示すように流量制御用パラメータが大きくなるにしたがって目標空気流量も増加していく。ただし、目標空気流量が所定値以上には増加しないように設定されている。そして、このテーブルデータでは燃料電池内部で局所的な流量不足が起きないような利用率となるように設定されている。
【００５２】
次に、算出された空気の目標圧力と目標流量とに基づいて、図９に示したマップデータを用いてコンプレッサ３０への指令回転数を算出する。図９は、目標ガス圧力毎に設定された目標空気流量とコンプレッサ指令回転数との関係を示したマップデータであり、このマップデータは、例えばコンプレッサ３０の回転数と、圧力に対する空気流量との特性に基づいて設定すればよい。そして、図９に示すように目標空気流量が増加するにしたがってコンプレッサ指令回転数も増加する。
【００５３】
このようにして算出されたコンプレッサ指令回転数は、燃料電池システム制御装置１からコンプレッサ３０の駆動回路に指示され、コンプレッサ３０は指令回転数に従って駆動される。
【００５４】
同様に、水素の目標ガス圧力と目標水素流量とに基づいて、図１０に示したマップデータを用いて水素循環装置２７への指令回転数を算出する。このマップデータは、例えば水素循環装置２７の回転数と、圧力に対する水素流量との特性に基づいて設定すればよい。
【００５５】
そして、ここで算出された水素循環装置２７の指令回転数は、燃料電池システム制御装置１から水素循環装置２７に対して指示され、水素循環装置２７は指令回転数に従って駆動されて、ステップＳ３０５における流量の制御処理は完了する。
【００５６】
次に、ステップＳ３０６における燃料電池２１の発電電力の制御処理を説明する。燃料電池システム制御装置１は、パワーマネージャー４０に対してステップＳ３０３で選定された目標電力を指示し、パワーマネージャー４０は指示された目標電力に基づいて燃料電池２１の発電電力を制御して電力を取り出してステップＳ３０６における発電電力の制御処理は完了し、本実施形態の燃料電池システム制御装置１による燃料電池システム２０の制御処理は終了する。
【００５７】
[第１実施形態の作用]
次に、本発明の燃料電池システム制御装置１による作用を図１１に基づいて説明する。
【００５８】
図１１（ａ）は、従来の燃料電池システムの制御方法を実施した場合における燃料電池の負荷変動時における目標発電電力、取り出し電流、目標ガス圧力、目標ガス流量、ガス圧力の変化を示した図である。
【００５９】
図１１（ａ）では、燃料電池の負荷が増加した場合に、取り出し電流の変化と目標ガス圧力の変化と目標ガス流量の時間的な変化の仕方が一致しているので、空気のガス圧力の上昇に必要なガス流量が足りなくなり、空気のガス圧力の上昇に時間がかかっていることが分かる。これは、ガス圧力を上昇させる場合に水素ガスは高圧タンクから供給されるので速やかに圧力が上昇するのに対して、空気の圧力はコンプレッサを用いて大気中の空気を加圧する必要があるため、コンプレッサの過渡応答特性あるいは空気系システムの過渡特性により水素ガスの圧力に比べて上昇しにくいためである。
【００６０】
逆に、図１１（ａ）において燃料電池の負荷が減少した場合には、取り出し電流と目標ガス圧力の時間的な変化が一致しているので、取り出し電流が低下したときの水素圧力の減少が遅く、空気と水素ガスとの差圧が大きくなってしまっている。これは、水素ガスが水素循環装置を設けていることにより圧力が下がりにくいのに対して、空気は循環装置を設けずに空気調圧弁で空気の圧力を調整しているので、水素圧力に比べて低下しやすいためである。
【００６１】
一方、図１１（ｂ）は、本実施形態の燃料電池システム制御装置１による制御処理を行った場合の図であり、燃料電池の負荷が変動した場合における目標発電電力、取り出し電流、目標ガス圧力、目標ガス流量、ガス圧力の変化を示した図である。
【００６２】
図１１（ｂ）に示すように、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では目標発電電力として第１の目標発電電力と第２の目標発電電力が設定されており、取出し電流の変化に対して目標ガス圧力及び目標ガス流量の変化は一致していない。燃料電池の負荷が増加する場合には、取り出し電流の変化に対して目標ガス流量の変化が時間的に進んでいるので、コンプレッサで供給されている空気のガス流量も遅れることなく供給されるため、空気のガス圧力も短時間で水素ガスと同時に所望の圧力まで上昇させることができる。
【００６３】
一方、燃料電池の負荷が減少する場合には、取り出し電流の変化に対して目標ガス圧力の変化が時間的に進んでいるので、水素循環装置が設置されている水素ガスの圧力も空気の圧力に対して遅れることなく減少する。これにより、水素ガスの圧力と空気の圧力との差圧を減少させることができるので、燃料電池の反応膜の悪化を防止することができる。
【００６４】
尚、図１１（ｂ）は、第１及び第２の目標発電電力に基づいて、空気の目標圧力と水素の目標圧力とを同じ値として算出した場合の結果であるので、空気の目標圧力を水素の実際の圧力として制御した場合には、燃料電池の負荷が減少した場合における水素の圧力と空気の圧力との差圧をさらに減少させることが可能である。
【００６５】
[第１実施形態の効果]
このように、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、燃料電池２１への負荷要求に基づいて第１負荷パラメータを生成し、第１負荷パラメータの位相を遅らせて第２負荷パラメータを生成して、第１及び第２負荷パラメータに基づいて水素及び空気の圧力と流量を制御するので、燃料電池２１の負荷が減少する場合には余剰電力の発生やコンプレッサの消費電力の増加及び動作音の増大を防止して水素と空気の圧力差を抑制することができ、燃料電池２１の負荷が増加する場合には水素圧力と空気圧力の差圧を小さくして燃料電池の劣化を抑制しながら、発電に必要となる空気および水素の流量を供給することができる（請求項１、１３の効果）。
【００６６】
また、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、第１の目標発電電力（第１負荷パラメータ）と第２の目標発電電力（第２負荷パラメータ）のうち小さいほうをガス圧力制御用パラメータとして選定してガス圧力を制御するので、圧力の過渡応答性能を改善することができ、特に水素圧力を低下させたいときに効果が大きくなる。さらに、第１の目標発電電力と第２の目標発電電力のうち大きいほうをガス流量制御用パラメータとして選定してガス流量を制御するので、十分なガスの利用率を確保することができる。また、電気的エネルギー取出し用パラメータを流量制御用パラメータと同じ第２の目標発電電力としたので、発電に必要なガス流量を十分供給することができ、燃料電池２１への負荷要求に応じた発電を行うことができる（請求項２、１４の効果）。
【００６７】
さらに、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、圧力制御用パラメータに基づいて燃料ガスの圧力を制御し、燃料ガスの圧力に基づいて酸化剤ガスの圧力を制御するので、圧力が変化したときに応答性の悪い燃料ガスに応答性の良い酸化剤ガスを追従させることができ、これによって燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力差を抑制することができる（請求項８、２０の効果）。
【００６８】
また、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、燃料電池２１から取り出される電流の値を指令するための電流指令値を第１負荷パラメータとすることにより、燃料電池２１から取出す電流と負荷が必要とする電流を一致させることができ、余剰電力の発生を防止することができる（請求項１１、２３の効果）。
【００６９】
さらに、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、燃料電池２１から取り出される電力の値を指令するための電力指令値を第１負荷パラメータとすることにより、燃料電池２１から取出す電力と負荷が必要とする電力を一致させることができ、余剰電力の発生を防止することができる（請求項１２、２４の効果）。
【００７０】
＜第２の実施形態＞
次に、本発明の第２の実施形態を図１２に基づいて説明する。図１２は、図３に示した燃料電池システムの制御処理におけるステップＳ３０３のパラメータの選定処理を示すフローチャートである。ただし、パラメータの選定処理以外の処理については第１の実施形態と同様の処理が行われるので、詳しい説明は省略する。
【００７１】
図１２に示すように、本実施形態のパラメータの選定処理は、まずステップＳ１２０１において燃料電池２１への負荷要求が増加しているか否かの判断を行う。この判断方法としては、例えば前回演算した時の第１の目標発電電力と現在の第１の目標発電電力の大きさを比較すればよい。また、前回演算した時の第２の目標発電電力と現在の第２の目標発電電力の大きさを比較してもよい。
【００７２】
ここで、燃料電池２１への負荷要求が増加していないと判断されたときには、次にステップＳ１２０２において燃料電池２１への負荷要求が減少しているか否かの判断を行う。判断方法はステップＳ１２０１と同様に前回演算した時の第１の目標発電電力と現在の第１の目標発電電力の大きさを比較すればよい。
【００７３】
そして、燃料電池２１への負荷要求が減少していないと判断されたときには、パラメータの選定処理を終了し、燃料電池２１への負荷要求が減少していると判断されたときにはステップＳ１２０３において第１の目標発電電力を圧力制御用パラメータとして選定する。
【００７４】
次に、ステップＳ１２０４において第２の目標発電電力を流量制御用パラメータとして選定し、ステップＳ１２０５においてパワーマネージャー４０が燃料電池２１から取り出す目標電力として第２の目標発電電力を選定してパラメータの選定処理を終了する。
【００７５】
一方、ステップＳ１２０１において燃料電池２１への負荷要求が増加していると判断されたときには、ステップＳ１２０６において第２の目標発電電力を圧力制御用パラメータとして選定する。
【００７６】
次に、ステップＳ１２０７において第１の目標発電電力を流量制御用パラメータとして選定し、ステップＳ１２０８においてパワーマネージャー４０が燃料電池２１から取り出す目標電力として第２の目標発電電力を選定して本実施形態のパラメータの選定処理を終了する。
【００７７】
このように、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、燃料電池２１への負荷要求が増加するときには、第１負荷パラメータを流量制御用パラメータとして選定し、第２負荷パラメータを圧力制御用パラメータと電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定するので、電気的エネルギー取出し用パラメータよりも流量制御用パラメータのほうが時間的に進んだ信号にすることができ、これによってコンプレッサ３０による空気供給の遅れを防止することができる。したがって、燃料電池２１の負荷の増加に伴って遅れることなくガス流量及びガス圧力を増加させることができる。
【００７８】
一方、燃料電池２１への負荷要求が減少するときには、第１負荷パラメータを圧力制御用負荷パラメータとして選定し、第２負荷パラメータを流量制御用パラメータと電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定するので、電気的エネルギー取出し用パラメータよりも圧力制御用パラメータのほうが時間的に進んだ信号にすることができ、これによって燃料電池２１の発電量の減少に対して水素圧力の低下を早めることができる。したがって水素循環装置２７による水素圧力低下の遅れを防止することができ、水素と空気の圧力差を抑制して圧力バランスが崩れることを防止できる。また、その際に、余剰電力が発生せず、空気供給を増量させる必要もないという効果もある（請求項３、１５の効果）。
【００７９】
＜第３の実施形態＞
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。本実施形態の燃料電池システムの制御処理では、第１負荷パラメータの代わりに第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成して用いることが第１の実施形態と異なっている。同様に、第２負荷パラメータの代わりに第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成して用いている。
【００８０】
換言すれば、第１負荷パラメータ生成部２は、第１負荷パラメータの代わりに第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成し、第２負荷パラメータ生成部３は、第２負荷パラメータの代わりに第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成する。
【００８１】
ただし、その他の点については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。
【００８２】
本実施形態の燃料電池システムの制御処理では、ステップＳ３０１において燃料電池２１への負荷要求に基づいて第１の目標発電電力を算出し、この第１の目標発電電力の時間的な変化率を制限して変化率制限第１負荷パラメータである変化率制限第１目標発電電力を算出する。
【００８３】
ステップＳ３０２では、第１の目標発電電力に対して位相を遅らせて第２の目標発電電力を算出し、この第２の目標発電電力の時間的な変化率を制限して変化率制限第２負荷パラメータである変化率制限第２目標発電電力を算出する。
【００８４】
そして、ステップＳ３０３におけるパラメータの選定処理では、図５に示すフローチャートのステップＳ５０１において電気的エネルギー取出し用パラメータとして目標電力の選定を行うが、このとき変化率制限第２目標発電電力を目標電力として選定する。ただし、パワーマネージャー４０の応答性能によっては第１の実施形態と同様に第２の目標発電電力を目標電力として選定してもよい。
【００８５】
次に、ステップＳ５０２では、変化率制限第１目標発電電力と変化率制限第２目標発電電力のうち小さい方を、水素ガス及び空気の圧力制御を行うための圧力制御用パラメータとして選定する。ただし、コンプレッサ３０、空気調圧弁３３、水素供給弁２５、パージ弁２８の過渡応答特性から第１の実施形態と同様に第１の目標発電電力あるいは第２の目標発電電力を、変化率制限第１目標発電電力と変化率制限第２目標発電電力の代わりに用いてもよい。
【００８６】
次に、ステップＳ５０３において、変化率制限第１目標発電電力と変化率制限第２目標発電電力のうちの大きい方を、水素ガス及び空気の流量制御を行うための流量制御用パラメータとして選定してステップＳ３０３におけるパラメータの選定処理は完了する。ただし、コンプレッサ３０、空気調圧弁３３、水素供給弁２５、パージ弁２８の過渡応答特性から第１の実施形態と同様に第１の目標発電電力あるいは第２の目標発電電力を、変化率制限第１目標発電電力と変化率制限第２目標発電電力の代わりに用いてもよい。
【００８７】
このように構成された本実施形態の燃料電池システムの制御処理において、燃料電池２１の負荷が減少中に増加に転じた場合を図１３に基づいて説明する。図１３は、燃料電池の負荷が減少中に増加に転じた場合における変化率制限第１目標発電電力と第２の目標発電電力の変化を示した図である。図１３に示すように、通常は負荷が増加する場合には第１の目標発電電力のほうが大きい値となるが、図１３では変化率制限第１目標発電電力よりも第２の目標発電電力の方が大きい値となっている。しかし、目標ガス圧力および目標電力には２つの信号のうち小さな値となる変化率制限第１目標発電電力が選定される。また、目標ガス流量には２つの信号のうち大きな値となる第２の目標発電電力が選択され、燃料電池２１への負荷が急激に変化しても、負荷に応じた目標ガス圧力、目標ガス流量、目標電力を設定することができる。
【００８８】
このように、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成し、この変化率制限第１負荷パラメータと第２負荷パラメータのうち小さいほうを圧力制御用パラメータとして選定し、変化率制限第１負荷パラメータと第２負荷パラメータのうち大きいほうを流量制御用パラメータとして選定するので、燃料電池２１への負荷要求が急激に変動して水素及び空気の圧力あるいは流量が十分に追従できないような場合でも、圧力制御用パラメータ及び流量制御用パラメータの急激な変動を抑えることができ、圧力制御及び流量制御において十分な追従性能を得ることができる（請求項４、１６の効果）。
【００８９】
また、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、この変化率制限第２負荷パラメータと第１負荷パラメータのうち大きいほうを流量制御用パラメータとして選定し、変化率制限第２負荷パラメータと第１負荷パラメータのうち小さいほうを圧力制御用パラメータとして選定するので、燃料電池２１への負荷要求が急激に変動して水素及び空気の圧力あるいは流量が十分に追従できないような場合でも、圧力制御用パラメータ及び流量制御用パラメータの急激な変動を抑えることができ、圧力制御及び流量制御において十分な追従性能を得ることができる（請求項５、１７の効果）。
【００９０】
さらに、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、この変化率制限第２負荷パラメータを電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定するので、パワーマネージャー４０が十分に電力を取り出すことができないような急激な負荷要求の変動があった場合でも、電気的エネルギー取出し用パラメータの急激な変動を抑えることができ、電力の取出し制御において十分な追従性能を得ることができる（請求項６、１８の効果）。
【００９１】
また、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、第１負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第１負荷パラメータを生成するとともに、第２負荷パラメータの時間的な変化率を制限した変化率制限第２負荷パラメータを生成し、変化率制限第１負荷パラメータと変化率制限第２負荷パラメータのうち小さいほうを圧力制御用パラメータとして選定し、変化率制限第１負荷パラメータと変化率制限第２負荷パラメータのうち大きいほうを流量制御用パラメータとして選定し、変化率制限第２負荷パラメータを電気的エネルギー取出し用パラメータとして選定する。
【００９２】
これにより、燃料電池２１への負荷要求が急激に変動して水素及び空気の目標圧力及び目標流量が急激に変動した場合でも、圧力制御系および流量制御系のそれぞれの動特性に応じて変化率を設定することができ、これによって圧力制御及び流量制御において十分な追従性能を得ることができる。また、水素と空気の差圧を小さくできるので圧力バランスが崩れることを防止でき、燃料電池２１が要求するガス流量を十分に供給することができる。さらに、パワーマネージャー４０が十分に電力を取り出すことのできないような急激な負荷要求の変動があった場合でも、電気的エネルギー取出し用パラメータの急激な変動を抑えることができ、電力の取出し制御において十分な追従性能を得ることができる（請求項７、１９の効果）。
【００９３】
＜第４の実施形態＞
次に、本発明の第４の実施形態を図１４に基づいて説明する。図１４は、図３に示した燃料電池システムの制御処理におけるステップＳ３０１の目標発電電力の算出処理を示すフローチャートである。ただし、第１の目標発電電力の算出処理以外の処理については第１の実施形態と同様の処理が行われるので、詳しい説明は省略する。
【００９４】
本実施形態の第１の目標発電電力の算出処理では燃料電池システム２０が搭載されている車両の運転状態を操作するアクセル操作量から第１の目標発電電力を算出する。このようにアクセル操作量から第１の目標発電電力を算出すると、アクセル操作量に応じてモータが動作して燃料電池２１に負荷要求が出力されるので、負荷要求から第１の目標発電電力を算出した場合よりも容易に第１の目標発電電力を算出することができる。
【００９５】
ここで、燃料電池システム２０をハイブリッド型電気自動車に搭載した場合における処理の一例を図１４のフローチャートに基づいて説明する。
【００９６】
図１４に示すように、ステップＳ１４０１では車両に搭載されているアクセルセンサの出力を取得して運転者のアクセル操作量を検出し、ステップＳ１４０２では車両に搭載されている車速センサの出力を取得して車両の速度を検出する。
【００９７】
そして、ステップＳ１４０３において、検出したアクセル操作量と車両速度とから図１５に示したマップデータに基づいて第１の目標発電電力を算出する。
【００９８】
図１５は、アクセル操作量と第１の目標発電電力との関係を示す図であり、図１５に示すように、各車両速度に応じてアクセル操作量と第１の目標発電電力との関係が示されており、アクセル操作量が増加するにしたがって第１の目標発電電力も増加する。尚、ここでは運転者のアクセル操作量に基づいて第１の目標発電電力の算出を行ったが、燃料電池２１の発電を行うために稼動させる必要のある補機類の消費電力を考慮して第１の目標発電電力の算出を行ってもよい。
【００９９】
こうして第１の目標発電電力の算出を行ってステップＳ３０１における第１の目標発電電力の算出処理を完了する。  
上述したように、本実施形態の燃料電池システム制御装置１では、当該装置を搭載した車両の運転状態を操作する操作量に基づいて、第１負荷パラメータを生成するので、容易に検出することのできる値を用いて制御システムを構成することができる（請求項９、２１の効果）。
【０１００】
＜第５の実施形態＞
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。本実施形態の燃料電池システムの制御処理では、第２負荷パラメータに基づいてガス圧力制御部５とガス流量制御部６と電気的エネルギー取出し部７が制御する燃料電池システム２０各部の動作特性を補償することができるような第１負荷パラメータを生成することが第１の実施形態と異なっている。ただし、その他の点については第１の実施形態と同様なので、詳しい説明は省略する。
【０１０１】
本実施形態の燃料電池システムの制御処理では、コンプレッサ３０やパワーマネージャー４０、空気調圧弁３３、水素供給弁２５の数学モデルを予め実験などによって求めておき、その逆システムに、ステップＳ３０２で算出した第２の目標発電電力を入力して第１の目標発電電力を求めるようにする。これによりアクチュエータの過渡応答特性を改善することができるので、ガス圧力やガス流量、取出し電流の過度応答特性を改善することができる。
【０１０２】
このように本実施形態の燃料電池システム制御装置では、第２負荷パラメータに基づいてガス圧力制御部５とガス流量制御部６と電気的エネルギー取出し部７によって制御される燃料電池システム２０各部の動作特性を補償する第１負荷パラメータを生成するので、ガス圧力制御部５、ガス流量制御部６、電気的エネルギー取出し部７の過渡応答性能を向上させることができる（請求項１０、２２の効果）。
【０１０３】
以上、本発明の燃料電池システム制御装置について、図示した実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
燃料電池システムを制御する燃料電池システム制御装置に係り、特に燃料電池への負荷要求が変化した場合に燃料ガスと酸化剤ガスとの圧力バランスを一定に保つように制御するための技術として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム制御装置による燃料電池システムの制御処理を示すフローチャートである。
【図４】本発明の燃料電池システム制御装置によって生成された第１負荷パラメータと第２負荷パラメータを説明するための信号波形図である。
【図５】本発明の燃料電池システムの制御処理におけるパラメータの選定処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の燃料電池システム制御装置によって生成された圧力制御用パラメータ、流量制御用パラメータ、電気的エネルギー取出し用パラメータを説明するための信号波形図である。
【図７】目標水素圧力と圧力制御用パラメータとの関係を示すマップデータである。
【図８】目標空気流量と流量制御用パラメータとの関係を示すマップデータである。
【図９】コンプレッサ指令回転数と目標空気流量との関係を示すマップデータである。
【図１０】水素循環装置指令回転数と目標水素流量との関係を示すマップデータである。
【図１１】本発明の燃料電池システム制御装置による作用を説明するための図である。
【図１２】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの制御処理におけるパラメータの選定処理を示すフローチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム制御装置によって生成された変化率制限第１目標発電電力と第２の目標発電電力の変化を説明するための信号波形図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システムの制御処理における第１の目標発電電力の算出処理を示すフローチャートである。
【図１５】第１の目標発電電力とアクセル操作量との関係を示すマップデータである。
【符号の説明】
【０１０６】
１  燃料電池システム制御装置
２  第１負荷パラメータ生成部（第１負荷パラメータ生成手段）
３  第２負荷パラメータ生成部（第２負荷パラメータ生成手段）
４  負荷パラメータ切替部（負荷パラメータ切替手段）
５  ガス圧力制御部（ガス圧力制御手段）
６  ガス流量制御部（ガス流量制御手段）
７  電気的エネルギー取出し部（電気的エネルギー取出し手段）
２０  燃料電池システム
２１  燃料電池
２２  水素タンク
２３  水素タンク元弁
２４  減圧弁
２５  水素供給弁
２６  水素ガス圧力センサ
２７  水素循環装置
２８  パージ弁
２９  排水素処理装置
３０  コンプレッサ
３１  加湿装置
３２  空気圧力センサ
３３  空気調圧弁
３４  冷却水ポンプ
３５  ラジエタ
３６  ラジエタファン
３７  三方弁
３８  入口側温度センサ
３９  出口側温度センサ
４０  パワーマネージャー
４１  電圧センサ
４２  電流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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