(57)【要約】【課題】  燃料電池システムに対する負荷が変動する過渡運転状態においても、ガスの供給不足を起こすことなく要求される電力を出力する。【解決手段】  要求出力電力算出手段１０１は、燃料電池システムが要求される出力電力を算出する。定常時補機消費電力算出手段１０３は、要求出力電力に基づいて、燃料電池システムが要求出力電力を定常的に出力するために要する補機消費電力を算出する。補機消費電力検出手段１０６は、補機の実際の消費電力を検出する。ガス供給制御手段１０５は、要求出力電力と定常時補機消費電力との和に基づいて燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を制御する。発電電力制御手段１０９は、要求出力電力と補機消費電力検出手段１０６が検出した補機の実消費電力との和に基づいて燃料電池の発電電力を制御する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池を発電させるための補機とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記補機の消費電力を検出する補機消費電力検出手段と、
該補機消費電力検出手段が検出した補機の消費電力に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御する発電電力制御手段と、
前記補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御するガス供給制御手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記燃料電池システムが要求される出力電力を算出する要求出力電力算出手段をさらに備え、
前記発電電力制御手段は、前記要求出力電力と前記補機消費電力との和に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御し、
前記ガス供給制御手段は、前記要求出力電力と、前記補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値との和に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御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の制御装置。
【請求項３】
前記補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値として、前記要求出力電力に基づいて、前記燃料電池システムが前記要求出力電力を定常的に出力するために要する前記補機消費電力を算出する定常時補機消費電力算出手段、を備えたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記燃料電池の目標発電電流電流を算出する目標発電電流算出手段を備え、
前記ガス供給制御手段は、前記目標発電電流に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御する手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記要求出力電力算出手段は、
前記燃料電池システムの出力電力を変化させることが可能な変化速度の上限を超えないように、前記要求出力電力の変化速度を制限することを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
前記補機消費電力検出手段は、
前記燃料電池へ酸化剤ガスを供給するためのコンプレッサの消費電力を検出するコンプレッサ消費電力検出手段を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の燃料電池システムの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
燃料電池車両等の負荷変動が大きい用途においては、燃料電池の出力に応じた反応ガス量が供給されないと、燃料電池電圧が降下したり、極端な場合一部のセルにおいて転極などの異常反応が生じる虞がある。
【０００４】
このため、エアコンプレッサなど燃料電池の発電を行うために必要な補機の負荷量を検出し、検出した負荷量に基づいてガス供給量を決定する構成とする技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−０４０９６２号公報（第９頁、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら上記従来技術にあっては、燃料電池の負荷が変動する過渡運転状態では、ガスの供給遅れのため、要求された発電量に対してガス供給量が不足する場合があるという問題点があった。
【０００６】
図１１は、従来技術において燃料電池の負荷が変動した場合の、燃料電池の発電可能な電力と補機消費電力、及び、ガス供給量を示した図である。
【０００７】
いま、燃料電池システムへ要求されるネット電力（燃料電池の補機消費電力を除いた正味の発電電力）がＣに示すように変化した場合、その要求ネット電力の変化に対応し、ガスの応答遅れを考慮して目標ガス供給量をＧのように変化させると、補機消費電力の変化はＥに示すように変化する。しかし、Ｃに示した要求ネット電力を実現するには、補機消費電力の増分も発電電力に上乗せする必要があるから、Ｄに示した実際の補機消費電力を検出し、その補機消費電力に基づいて目標供給ガス量を増加させた場合には、目標供給ガス量はＦに示すように変化する。
【０００８】
その結果、実際のガス供給量はＨに示すように変化し、燃料電池が発電可能なグロス電力（補機消費電力を含めた発電電力）はＢに示すように変化する。一方、この場合、要求ネット電力と補機消費電力の合計はＡに示すように変化するので、発電可能なグロス電力が不足しており、要求ネット電力に対してガス供給量が不足していることがわかる。
【０００９】
このように、従来技術にあっては、ガス供給量が不足している状態で発電を行うと、燃料電池の性能劣化を引き起こす場合があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記問題点を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、該燃料電池を発電させるための補機とを備えた燃料電池システムにおいて、前記補機の消費電力を検出する補機消費電力検出手段と、該補機消費電力検出手段が検出した補機の消費電力に基づいて、前記燃料電池の発電電力を制御する発電電力制御手段と、前記補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値に基づいて、前記燃料電池への前記燃料ガスと前記酸化剤ガスの供給を制御するガス供給制御手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池の補機消費電力の変化に先行して燃料電池へ供給するガスの制御を行うので、ガスの供給を早めることができ、燃料電池システムの補機消費電力が変動する過渡運転状態において、燃料電池システムの出力電力の応答を早めるとともに、ガス供給不足を防止することができるという効果がある。
【００１２】
また、燃料電池に対するガス供給不足がなくなるので、燃料電池の劣化を防止することができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。  
図１は、本発明に係る燃料電池システムの制御装置の一実施例の基本構成を示すブロック図である。図１において、燃料電池システムの制御装置は、燃料電池システムが要求される出力電力を算出する要求出力電力算出手段１０１と、補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値として、要求出力電力に基づいて、燃料電池システムが要求出力電力を定常的に出力するために要する補機消費電力を算出する定常時補機消費電力算出手段１０３と、要求出力電力算出手段１０１が算出した要求出力電力と定常時補機消費電力算出手段１０３が算出した電力との和を計算する加算手段１０２と、補機の消費電力を検出する補機消費電力検出手段１０６と、要求出力電力算出手段１０１が算出した要求出力電力と補機消費電力検出手段１０６が検出した補機の消費電力との和を計算する加算手段１０７と、加算手段１０７が算出した要求出力電力と補機消費電力との和に基づいて、燃料電池の発電電力を制御する発電電力制御手段１０９と、補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値に基づいて、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を制御するガス供給制御手段１０５と、を備えている。
【００１４】
尚、図１において、第１目標発電電流算出手段１０４は、加算手段１０２の加算値から目標発電電流を算出する手段である。また、第２目標発電電流算出手段１０８は、加算手段１０７の加算値から目標発電電流を算出する手段である。
【００１５】
図２は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を説明する概略構成図である。燃料電池システムは、エゼクタ１、水素循環流路２、燃料電池スタック３、水素パージ弁４、コンプレッサ６、空気供給流路７、水素入口温度センサ８、水素入口圧力センサ９、排空気流路１１、空気圧力制御弁１２、コントローラ１３、水素圧力制御弁１４、空気入口圧力センサ１５、空気流量センサ１６、電流センサ１７、電圧センサ１８、タンク温度センサ２１、タンク圧力センサ２２、水素タンク２３、電力制御装置２４を備えている。
【００１６】
水素タンク２３から供給される水素は水素圧力制御弁１４を経由して、エゼクタ１に供給される。エゼクタ１で水素循環流路２を通過してきた水素と混合され、燃料電池スタック３に供給される。燃料電池スタック３入口での水素の温度と圧力はそれぞれ、水素入口温度センサ８、水素入口圧力センサ９で測定される。
【００１７】
水素圧力制御弁１４の制御は水素入口圧力センサ９で測定される圧力に基づいてコントローラ１３により行われる。通常運転時には、水素パージ弁４は閉じており、燃料電池スタック３から排出される水素を水素循環流路２に流すようにする。また、水素タンク２３内の温度及び圧力はそれぞれタンク圧力センサ２１、タンク温度センサ２２によって測定される。
【００１８】
酸化剤となる空気は、コンプレッサ６により供給される。コンプレッサ６により供給された空気は空気流量センサ１６で計量された後、燃料電池スタック３へ供給される。燃料電池スタック３入口での空気の圧力は空気入口圧力センサ１５で測定され、空気圧力制御弁１２で制御される。
【００１９】
燃料電池スタック３の出力電流は電流センサ１７で、同出力電圧は電圧センサ１８で測定される。また、燃料電池スタック３から取り出す電力は、電力制御装置２４によって制御される。
【００２０】
この電力制御装置２４は、昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池スタック３と負荷装置２５の間に配置され、燃料電池スタック３の発電電力を制御する。このＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧変換と降圧変換とでは、動作させるスイッチング素子がそれぞれ異なっており、スイッチング素子へ加える制御信号のデューティ比に応じて所望の電圧を出力させることができる。昇圧時には、入力電圧以上の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御され、また、降圧時には、入力電圧以下の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御される。
【００２１】
本実施例では、燃料電池スタック３の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池スタック３から取り出す出力電力が高いときには運転圧力を高め、出力電力が低いときは運転圧力を低める。
【００２２】
燃料電池スタック３内に水溢れ（以下フラッディング）等が発生した場合、燃料電池のアノード及び水素循環流路２に窒素ガスが蓄積した場合、及び燃料電池スタック３の運転圧を低下させる場合などには、水素パージ弁４を開けて水素循環流路２および燃料電池スタック３に存在する水素を系外へ排出する。
【００２３】
これらすべてのセンサ８，９，１５，１６，１７，１８の出力、及び空気圧力制御弁１２，水素圧力制御弁１４、水素パージ弁４等のアクチュエータ駆動信号はコントローラ１３に接続されている。
【００２４】
コントローラ１３は、これらセンサ類の検出した信号に基づいて、これらのアクチュエータを制御する。コントローラ１３は、特に限定されないが本実施例では、ＣＰＵと、プログラムＲＯＭと、作業用ＲＡＭと、入出力インタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されていて、図１に示した燃料電池システムの制御装置の基本構成をプログラム制御により実現している。
【００２５】
図３は、コントローラ１３による発電制御及びガス供給制御の詳細を示したフローチャートであり、所定時間周期（例えば１０〔ｍｓｅｃ〕周期）で実行される。
【００２６】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）３０１において、燃料電池システムの要求出力電力（補機消費電力を除いた正味の発電出力電力、目標ネット発電電力ともいう）を算出する。
【００２７】
次いで、Ｓ３０２において、前記要求出力電力を定常的に出力するために必要な補機消費電力として、コンプレッサの消費電力（定常時コンプレッサ消費電力）を算出し、Ｓ３０３において、ガス供給制御の目標値として用いる目標発電電流（第１の目標発電電流）を算出し、Ｓ３０４において燃料電池のガス供給制御を行う。
【００２８】
次に、Ｓ３０５において、コンプレッサの消費電力（実コンプレッサ消費電力）を検出し、Ｓ３０６において、燃料電池の発電電力制御の目標値として用いる目標発電電流（第２の目標発電電流）を算出し、Ｓ３０７において、燃料電池の発電電力制御を行う。
【００２９】
次に、Ｓ３０１〜Ｓ３０７の各ステップでの処理の詳細について説明する。  
まず、Ｓ３０１における処理を説明する。ここでは、燃料電池システムに接続された負荷装置２５の運転状態に基づいて、要求出力電力を算出するが、例えば、ハイブリッド型電気自動車へ燃料電池システムを搭載した場合の処理の例を、図４に示したフローチャートを用いて説明する。
【００３０】
Ｓ４０１において、車両に備えたアクセルセンサの出力に基づいて、ドライバのアクセル操作量を検出し、Ｓ４０２において、車両に備えた車速センサの出力に基づいて、車両の速度を検出する。
【００３１】
次に、Ｓ４０３において、要求出力電力の基本値を算出する。これは、例えば、アクセル操作量と車両速度とに基づいて、図５に示したマップデータを用いて算出する。このように、燃料電池システムの負荷装置である車両の運転状態に基づいて要求出力電力を算出し、要求出力電力と、補機消費電力に対してその変化が時間的に先行する値との和に基づいて、燃料電池への燃料ガスと酸化剤ガスの供給を制御しているので、燃料電池へ要求される発電電力の変化に先行してガスの供給制御を行うことができ、必要な発電電力の取り出しに対してガスの供給を早めることが可能となるという効果がある。
【００３２】
次いで、Ｓ４０４において、要求出力電力の基本値に対して変化率制限の処理を行って、要求出力電力の算出を行う。この変化率の制限は、例えば、単位時間あたりの変化率の上下限値を設定して変化率の制限を行う方法や、一次遅れなどのフィルタ処理を行う方法などによって行われるが、燃料電池の出力電力を変化させることが可能な変化速度の上限を超えないように、変化率の上下限値やフィルタの特性を設定する。
【００３３】
これにより、ガスの供給が間に合う範囲で要求出力電力を変化させることが可能となり、燃料電池システムに要求される出力電力が変動する過渡運転状態において、ガスの供給不足を発生することなく、要求される電力を出力させることができるという効果がある。
【００３４】
次に、Ｓ３０２における処理を説明する。ここでは、要求出力電力に基づいて、要求出力電力を定常的に出力するために必要なコンプレッサの消費電力（定常時コンプレッサ消費電力）を算出する。これは、例えば、要求出力電力と大気圧とに基づいて、図６に示したマップデータを用いて算出する。尚、大気圧は車両に備えた大気圧センサの出力に基づいて検出する。また、マップデータは、燃料電池システムの台上実験などで定常運転の試験を行い、要求出力電力とコンプレッサの消費電力の関係を確認することによって、値の設定を行うことができる。
【００３５】
本実施例では、燃料電池システムの補機消費電力をコンプレッサ消費電力のみとしたが、燃料電池の冷却液を循環させるためのポンプや冷却ファンなどの消費電力を含めて算出してもよい。
【００３６】
次に、Ｓ３０３における処理を説明する。ここでは、要求出力電力と定常時コンプレッサ消費電力とに基づいて、ガス供給制御の目標値として用いる目標発電電流（第１の目標発電電流）を算出する。
【００３７】
まず、要求出力電力と定常時コンプレッサ消費電力の和から、第１の目標発電電力（第１の目標グロス発電電力）を算出する。次に、この第１の目標発電電力に基づいて、図７に示したマップデータを用いて第１の目標発電電流を算出する。このマップデータは、燃料電池の電流に対する電圧の特性をマップデータに設定したものであり、この特性は燃料電池システムの台上実験などで確認することができる。尚、燃料電池の温度は、燃料電池システムに備えた冷却液温度センサなどで検出することができる。
【００３８】
これにより、燃料電池の発電におけるガス消費量を決定するパラメータである電流値を制御量としてガスの供給制御を行うことが可能となり、燃料電池システムに要求される出力電力に必要なガス供給量の制御を行うことができるという効果がある。
【００３９】
次に、Ｓ３０４における処理を説明する。ここでは、第１の目標発電電流に基づいて、燃料電池システムのガス供給制御を行う。
【００４０】
まず、第１の目標発電電流に基づいて、図８に示したテーブルデータを用いて目標ガス圧力を算出する。このテーブルデータは燃料電池の発電効率などを考慮して設定される。
【００４１】
次に、第１の目標発電電流に基づいて、図９に示したテーブルデータを用いて目標空気流量を算出する。このテーブルデータは、燃料電池内部で局所的な空気供給不足が起きないような空気利用率となるように設定される。
【００４２】
次に、目標ガス圧力と、目標空気流量とに基づいて、図１０に示したマップデータを用いてコンプレッサ指令回転数を算出する。このマップデータは、コンプレッサ６の回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定される。また、ここで算出されたコンプレッサ指令回転数は、コントローラ１３からコンプレッサ駆動回路に対して指示されて、コンプレッサ６が指令回転数に従って駆動される。
【００４３】
次に、目標ガス圧力に基づいて、空気圧力制御弁１２を操作することによって空気圧力の制御を行う。空気圧力制御弁１２の操作は、空気入口圧力センサ１５で検出した燃料電池の空気圧力と目標ガス圧力との偏差に基づいて、Ｆ／Ｂ制御により空気圧力制御弁１２の指令開度を決定することにより、実行される。尚、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された空気圧力制御弁１２の指令開度は、コントローラ１３から空気圧力制御弁１２の駆動回路に対して指示されて、空気圧力制御弁１２が指令開度に従って駆動される。
【００４４】
次に、目標ガス圧力に基づいて、水素圧力制御弁１４を操作することによって水素圧力の制御を行う。水素圧力制御弁１４の操作は、水素入口圧力センサ９で検出した燃料電池の水素圧力と目標ガス圧力との偏差に基づいて、Ｆ／Ｂ制御により水素圧力制御弁１４の指令開度を決定することにより、実行される。尚、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された水素圧力制御弁１４の指令開度は、コントローラ１３から水素圧力制御弁１４の駆動回路に対して指示されて、水素圧力制御弁１４が指令開度に従って駆動される。
【００４５】
次に、Ｓ３０５における処理を説明する。ここでは、実際にコンプレッサ６で消費している電力（実コンプレッサ消費電力）の検出を行う。コンプレッサ消費電力の検出は、コンプレッサ駆動回路においてコンプレッサモータの回転数とトルクを検出し、回転数とトルクの積を算出することによって行うことができる。尚、コンプレッサモータでの電力の損失を加味してもよく、その場合、回転数とトルクに対する電力の損失特性をマップデータに設定し、算出すればよい。また、Ｓ３０２における処理と同様に、燃料電池の冷却液を循環させるためのポンプや冷却ファンなどの消費電力を含めて検出してもよい。
【００４６】
次に、Ｓ３０６における処理を説明する。ここでは、要求出力電力と実コンプレッサ消費電力とに基づいて、燃料電池の発電電力制御の目標値として用いる目標発電電流（第２の目標発電電流）を算出する。
【００４７】
まず、要求出力電力と実コンプレッサ消費電力の和から、第２の目標発電電力（第２の目標グロス発電電力）を算出する。次に、この第２の目標グロス発電電力に基づいて、図７に示したマップデータを用いて第２の目標発電電流を算出する。このマップデータは、Ｓ３０３における処理で使用したものと同じマップデータである。
【００４８】
次に、Ｓ３０７における処理を説明する。ここでは、第２の目標発電電流に基づいて、燃料電池の発電電力制御を行う。
【００４９】
まず、燃料電池に備えた電圧センサ１８の出力に基づいて、燃料電池の電圧を検出する。次に、検出した燃料電池の電圧と第２の目標発電電流の積から、燃料電池の発電指令電力を算出する。この発電指令電力は、コントローラ１３から電力制御装置２４に対して指示され、発電指令電力に従って燃料電池の発電電力が制御される。
【００５０】
このように、燃料電池の発電電力の制御とガス供給制御を行うことによって、燃料電池の負荷が変動した場合の、燃料電池の発電可能な電力と補機消費電力、及び、ガス供給量は、図１２に示すように変化する。
【００５１】
いま、燃料電池システムへ要求される要求出力電力がＣに示すように変化した場合、要求出力電力を定常的に出力するために必要な補機消費電力（定常時補機消費電力）はＤに示すように変化する。一方、要求ネット電力に対応した目標ガス供給量をＧに示すように変化させると、定常時補機消費電力に対応したガス供給量を含めた目標ガス供給量はＦに示すように変化する。その結果、実際のガス供給量はＨに示すように変化するので、燃料電池が発電可能なグロス電力はＢに示すように変化する。また、要求ネット電力とＥに示した実際の補機消費電力の合計はＡに示すように変化するので、補機消費電力を含めて要求ネット電力を出力することが可能であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る燃料電池システムの制御装置の要部構成を説明する制御ブロック図である。
【図２】本発明に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムの構成を説明するシステム構成図である。
【図３】本発明の実施例における燃料電池システムの発電制御及びガス供給制御の方法を説明するフローチャートである。
【図４】Ｓ３０１の要求出力電力算出処理の詳細を示すフローチャートである。
【図５】Ｓ４０３の要求出力電力基本値算出処理において参照するマップデータの例である。
【図６】Ｓ３０２において要求出力電力を定常的に出力するために必要なコンプレッサの消費電力（定常時コンプレッサ消費電力）を算出するためのマップデータの例である。
【図７】Ｓ３０３及びＳ３０６において、目標グロス発電電力から目標発電電流を算出するためのマップデータの例である。
【図８】Ｓ３０４において目標ガス圧力を算出するためのテーブルデータの例である。
【図９】Ｓ３０４において目標空気流量を算出するためのテーブルデータの例である。
【図１０】Ｓ３０４においてコンプレッサ指令回転数を算出するためのマップデータの例である。
【図１１】従来技術において、燃料電池の負荷が変動した場合の、燃料電池の電力と補機消費電力、及び、ガス供給量の変化を示す図である。
【図１２】本発明において、燃料電池の負荷が変動した場合の、燃料電池の電力と補機消費電力、及び、ガス供給量の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０１…要求出力電力算出手段
１０２…加算手段
１０３…定常時補機消費電力算出手段
１０４…第１目標発電電流算出手段
１０５…ガス供給制御手段
１０６…補機消費電力検出手段
１０７…加算手段
１０８…第２目標発電電流算出手段
１０９…発電電力制御手段
【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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