(57)【要約】【課題】  発電電力の制御精度を向上した燃料電池の制御装置を提供することを課題とする。【解決手段】  実電力検出手段２２で検出された実電力と、燃料電池１の目標発電電力とに基づいて、目標電流演算手段２１で燃料電池１から取り出す目標電流を演算し、目標電流演算手段２１で演算された目標電流、あるいは目標発電電力に基づいてパワーマネージャー１５を介して燃料電池１から出力を取り出して構成される。【選択図】  図１
2006147234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池で得られ電力を、出力取出装置の制御の下に取り出す動作を制御する燃料電池の制御装置において、
前記燃料電池の実発電電力を検出あるいは推定する実電力検出手段と、
前記実電力検出手段で検出あるいは推定された実電力と、前記燃料電池の目標発電電力とに基づいて、前記燃料電池から取り出す目標電流を演算する目標電流演算手段とを備え、
前記出力取出装置は、前記目標電流演算手段で演算された目標電流、あるいは目標発電電力に基づいて前記燃料電池から出力を取り出す
ことを特徴とする燃料電池の制御装置。
【請求項２】
前記目標電流演算手段は、
予め設定された電力−電流特性を参照して、目標発電電力に基づいて目標電流を演算する電力−電流変換演算部と、
前記実電力検出手段で検出あるいは推定された実電力と、目標発電電力との差に基づいて、前記電力−電流変換演算部の演算方法を補正する電力誤差補正部とを備えた
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。
【請求項３】
前記電力誤差補正部は、前記実電力検出手段で検出あるいは推定された実電力と、目標発電電力との差に基づいて、前記電力−電流変換演算部で演算された目標電流を補正する
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の制御装置。
【請求項４】
前記電力誤差補正部は、前記実電力検出手段で検出あるいは推定された実電力と目標発電電力との差に基づいて、前記電力−電流変換演算部の演算に用いる目標発電電力を補正する
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池の制御装置。
【請求項５】
前記燃料電池の実電圧を検出する実電圧検出手段と、
前記燃料電池の実取出電流を検出する実電流検出手段とを備え、
前記実電力検出手段は、前記実電圧と前記実取出電流との積を算出して実電力を求める
ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項６】
前記燃料電池の実電圧を検出する実電圧検出手段を備え、
前記実電力検出手段は、前記実電圧と前記目標電流との積を算出して求めた仮想実電力で実電力を代用する
ことを特徴とする請求項１，２，３及び４のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項７】
前記電力誤差補正部は、目標電流、実電流、目標発電電力及び実電力のいずれか１つに基づいて、実電力と目標発電電力との差のフィードバック制御ゲイン、あるいは差の積分のフィードバック制御ゲインを可変する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項８】
前記燃料電池の冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段を備え、
前記電力誤差補正部は、前記冷却液の温度に基づいて、実電力と目標発電電力との差のフィードバック制御ゲイン、あるいは差の積分のフィードバック制御ゲインを可変する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項９】
前記燃料電池の供給空気の湿度を検出する空気湿度検出手段を備え、
前記電力誤差補正部は、前記空気の湿度に基づいて、実電力と目標発電電力との差のフィードバック制御ゲイン、あるいは差の積分のフィードバック制御ゲインを可変する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１０】
前記燃料電池に供給される供給ガスの圧力を検出するガス圧力検出手段を備え、
前記電力誤差補正部は、前記供給ガスの圧力に基づいて、実電力と目標発電電力との差のフィードバック制御ゲイン、あるいは差の積分のフィードバック制御ゲインを可変する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１１】
前記燃料電池の運転時間を検出する運転時間検出手段を備え、
前記電力誤差補正部は、前記運転時間に基づいて実電力と目標発電電力との差のフィードバック制御ゲイン、あるいは差の積分のフィードバック制御ゲインを可変する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１２】
前記燃料電池を搭載している車両の走行距離を検出する走行距離検出手段を備え、
前記電力誤差補正部は、前記走行距離に基づいて実電力と目標発電電力との差のフィードバック制御ゲイン、あるいは差の積分のフィードバック制御ゲインを可変する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５及び６のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１３】
前記燃料電池の冷却液の温度を検出する冷却液温度検出手段を備え、
前記電力−電流変換演算部は、予め設定された冷却液温度−電力−電流特性を参照して、冷却液温度と目標発電電力とに基づいて目標電流を演算し、もしくは予め設定された電力−電流特性を参照して、目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を前記冷却液温度に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１４】
前記燃料電池に供給される空気の湿度を検出する空気湿度検出手段を備え、
前記電力−電流変換演算部は、予め設定された空気湿度−電力−電流特性を参照して、空気湿度と目標発電電力とに基づいて目標電流を演算し、もしくは予め設定された電力−電流特性を参照して、目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を前記空気湿度に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１５】
前記燃料電池に供給される供給ガスの圧力を検出するガス圧力検出手段を備え、
前記電力−電流変換演算部は、予め設定された供給ガス圧力−電力−電流特性を参照して、供給ガス圧力と目標発電電力とに基づいて目標電流を演算し、もしくは予め設定された電力−電流特性を参照して、目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を前記供給ガス圧力に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１６】
前記燃料電池の運転時間を検出する運転時間検出手段を備え、
前記電力−電流変換演算部は、予め設定された電力−電流特性を参照して、目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を前記運転時間に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１７】
前記燃料電池を搭載している車両の走行距離を検出する走行距離検出手段を備え、
前記電力−電流変換演算部は、予め設定された電力−電流特性を参照して、目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を前記走行距離に基づいて補正する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１及び１２のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１８】
前記電力誤差補正部は、前記実電力検出手段で検出あるいは推定された実電力と、目標発電電力に遅れをもたせた値とに基づいて、前記電力−電流変換演算部の演算方法を補正する
ことを特徴とする請求項２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６及び１７のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項１９】
前記出力取出装置は、前記燃料電池から電流を取り出す電流取出装置であり、
前記電流取出装置は、前記目標電流演算手段で演算された目標電流に基づいて、前記燃料電池から電流を取り出す
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７及び１８のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項２０】
前記出力取出装置は、前記燃料電池から電力を取り出す電力取出装置であり、
前記電力取出装置は、目標発電電力に基づいて前記燃料電池から電力を取り出す
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７及び１８のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【請求項２１】
前記目標電流演算手段で演算された目標電流に基づいて、前記燃料電池に供給される供給ガスの流量を演算する供給ガス流量演算手段を備えた
ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９及び２０のいずれか１項に記載の燃料電池の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電で得られる電力の取り出しを制御する燃料電池の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、燃料電池の内部抵抗や触媒の活性化状態等の発電特性に基づいて燃料電池の出力を制御している。この発電特性は、温度変化や湿度変化により変化するので、これらの変化と発電特性とをマップに記憶しておき、変化する温度に応じた発電特性に基づいて発電出力を目標電力となるように制御していた。
【特許文献１】特開２００３−１９７２２８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、上記文献に記載された従来の燃料電池の制御手法においては、燃料電池毎の性能のばらつきや劣化により燃料電池のＩ−Ｖ（電流−電圧）特性が変わると、燃料電池の発電特性も変化するので、目標発電電力と実電力との誤差が大きくなるという問題があった。
【０００４】
さらに、燃料電池の発電特性が変化することによって、燃料電池から取り出される取り出し電流と、燃料電池に供給される反応ガスの供給流量とのバランスが崩れ、取り出し電流に対して反応ガスの供給過剰を招き、水収支の悪化や、反応ガスの供給不足を引き起こすおそれがあった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、発電電力の制御精度を向上した燃料電池の制御装置を提供することにある。
【０００６】
また、他の目的は、反応ガスの供給精度を向上した燃料電池の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により発電を行う燃料電池で得られ電力を、出力取出装置の制御の下に取り出す動作を制御する燃料電池の制御装置において、前記燃料電池の実発電電力を検出あるいは推定する実電力検出手段と、前記実電力検出手段で検出あるいは推定された実電力と、前記燃料電池の目標発電電力とに基づいて、前記燃料電池から取り出す目標電流を演算する目標電流演算手段とを備え、前記出力取出装置は、前記目標電流演算手段で演算された目標電流、あるいは目標発電電力に基づいて前記燃料電池から出力を取り出すことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、実電力と目標発電電力の誤差がなくなるように目標電流が演算されて取り出され、燃料電池の性能ばらつきや劣化によるＩ−Ｖ特性の影響を受けることなく、要求された目標発電電力に精度良く実電力を一致させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１０】
図１は本発明の実施例１〜１１に係る燃料電池の制御装置の基本概念を示す構成図である。図１に示す制御装置は、目標電流演算手段１００を備えて構成されている。目標電流演算手段１００は、目標発電電力と、燃料電池の発電で得られた電流ならびに電圧に基づいて燃料電池の実電力を検出する実電力検出手段によって検出された実電力とに基づいて、燃料電池の目標電流を演算する。目標電流演算手段１００は、電力−電流変換演算部１０１と電力誤差補正部１０２とで構成されている。
【００１１】
電力−電流変換演算部１０１は、目標発電電力に基づいて目標電流を演算する。電力誤差補正部１０２は、目標発電電力と実電力との差に基づいて電力−電流変換演算部１０１の演算を補正する。目標電流演算手段１００で演算された目標電流は、出力取出装置ならびに供給ガス流量演算手段に与えられる。
【００１２】
出力取出装置は、目標電流演算手段１００で演算された目標電流に基づいて、燃料電池から電流を取り出し、あるいは目標発電電力に基づいて燃料電池から電力を取り出す。供給ガス流量演算手段は、目標電流演算手段１００で演算された目標電流に基づいて、燃料電池へ供給する反応ガスの目標ガス流量を演算する。
【００１３】
図２は本発明の燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図である。図１において、この実施例１のシステムは、燃料電池１、パワーマネージャー（ＰＭ）１５、ならびに燃料電池の制御装置を構成する、図１に示すと同様な目標電流演算手段２１、実電力検出手段２２、供給ガス流量演算手段２３を備えて構成されている。
【００１４】
燃料電池１はアノード極に燃料ガスの水素が、カソード極に酸化剤ガスの空気が供給され、以下に示す電極反応が進行され、電力が発電される。
【００１５】
（化１）
アノード極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ− 
カソード極：２Ｈ＋＋２ｅ−＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
アノード極への水素供給は水素タンク１０から減圧弁１１、水素調圧弁１２を介してなされる。水素タンク１０から供給される高圧水素は、減圧弁１１で機械的に所定の圧力まで減圧され、水素調圧弁１２で燃料電池１での水素圧力が所望の水素圧に制御される。エゼクタ１３は、アノード極で消費されなかった水素を再循環させるために設置される。アノード極の水素圧は、水素調圧弁１２を駆動することによって制御される。水素圧を一定に制御することによって、燃料電池１が消費した分だけの水素が自動的に供給される。パージ弁１４は、エゼクタ１３の水素循環機能を確保するために、水素系内に蓄積した窒素を排出制御する。排出された窒素を含む水素混合ガスはカソード極からの排空気で希釈される。
【００１６】
カソード極への空気は、コンプレッサ７により供給される。燃料電池１に供給される反応ガスの供給量を演算する供給ガス流量演算手段２３により供給空気流量と目標コンプレッサ回転数が演算され、コンプレッサ７が駆動される。カソード極の空気圧は、空気調圧弁８を駆動することによって制御される。
【００１７】
冷却液はポンプ２により燃料電池１へ供給される。冷却液は燃料電池１やラジエタ３、ラジエタ３を迂回するラジエタバイパス方向に循環する。三方弁５は、冷却液温度を調整するために、冷却液をラジエタ３側とラジエタバイパス側に分流する。三方弁５をラジエタ３側に切り替えるだけでは冷却液を所望の温度に冷やせないときにはラジエタファン４も駆動する。パワーマネージャー（ＰＭ）１５は、図１の出力取出装置として機能し、目標電流演算手段２１で演算された目標電流に基づいて燃料電池１から電流を取り出す。
【００１８】
目標電流演算手段２１は、図１に示すものと同様な電力−電流変換演算部２１ａと電力誤差補正部２１ｂとで構成されている。電力−電流変換演算部２１ａは、目標発電電流と燃料電池１の冷却液出口に設けられた温度センサ６で検出された燃料電池１の出口冷却液温度に基づいて目標電流を演算する。電力誤差補正部２１ｂは、目標発電電力と実電力検出手段２２で演算された実電力との差に基づいて、電力−電流変換演算部２１ａで演算された目標電流を補正する。
【００１９】
なお、実電力検出手段２２は、燃料電池１に設けられた電圧センサ１６で検出された燃料電池１の実電圧と電力誤差補正部２１ｂで補正された目標電流との積を仮想実電力として検出し、実電力の代用とする。供給ガス流量演算手段２３は、電力誤差補正部２１ｂで補正された目標電流に基づいて、燃料電池１に供給される供給空気の流量と、コンプレッサ７の目標コンプレッサ回転数を演算する。
【００２０】
また、この燃料電池システムは、図示していないがコントロールユニットを備えている。コントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、本システムにおける温度センサ６、電圧センサ１６や後述するセンサを含む各センサ（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、各弁を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する電力の制御動作を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。燃料電池の制御装置を構成する、目標電流演算手段２１、実電力検出手段２２、ならびに供給ガス流量演算手段２３は、例えばこのコントロールユニットに含まれて構成されている。
【００２１】
図３に目標電流演算手段２１の制御ブロック図を示す。図３において、目標電流演算手段２１は、目標発電電力と実電力とに基づいて目標電流を演算し、演算で得られた目標電流は、パワーマネージャー１５への指令電流として与えられ、かつ供給ガス流量演算手段２３におけるガス制御の目標ガス流量演算に用いる。
【００２２】
電力−電流変換演算部２１ａは、実験や机上検討により予め設定してある温度−電力−電流特性マップを備え、この特性マップを参照して燃料電池１の出口冷却水温度と目標発電電力に基づいて目標電流を演算する。この特性マップは、図４に示すように、温度感度に対応したＩ−Ｖ特性に基づいて電力−電流の関係を求めて作成する。
【００２３】
電力誤差補正部２１ｂは、目標発電電力と実電力との誤差、もしくは誤差の積分値に基づいて補正量を求める。この補正量は、例えば周知のＰＩ制御手法を採用したＰＩ制御器３１を使用して補正量を求める。求めた補正量は、上記特性マップを参照して演算された目標電流に加えられて目標電流が補正される。なお、ＰＩ制御に代えてモデル規範型の制御などを用いてもよい。
【００２４】
図５に供給ガス流量演算手段２３における供給空気流量の演算手順を示す。図５において、目標電流演算手段２１で演算された目標電流（Ａ）に基づいて、図５に示すように燃料電池１の単位セル当たりに必要な空気流量（ＮＬ／ｍｉｎ）を演算し、演算で得られた空気流量にセル枚数と利用率を掛けて供給空気流量を求める。また、この供給空気流量に基づいて、予め実験等で求めたコンプレッサ７の回転数−流量特性を参照してコンプレッサ回転数を演算する。
【００２５】
この実施例１では、実電力と目標発電電力との誤差に基づいて目標電流を演算し、目標電流に基づいて燃料電池１から出力電流を取り出すようにしたことで、燃料電池１の性能ばらつきや劣化によりＩ−Ｖ特性が変わっても、目標電流に基づいて燃料電池１から電流を取り出す場合には、実電力と目標発電電力の誤差がなくなるように目標電流が演算されて取り出され、要求された目標発電電力に精度良く実電力を一致させることができる。
【００２６】
また、演算された目標電流に基づいて燃料電池１への供給ガス流量を演算することで、取り出し電流に見合った供給ガス流量がバランス良く制御され、ガス供給過剰による水収支の悪化や、ガス供給不足をおこさないようにすることができる。
【００２７】
予め設定してある電力−電流特性により目標電流を演算する電力−電流変換演算部２１ａ部を備え、実電力と目標発電電力との誤差に基づいて、電力−電流変換演算部２１ａの算出方法を補正することで、燃料電池１の性能ばらつきや劣化によりＩ−Ｖ特性が変わっても要求された目標発電電力に精度良く実電力を一致させることができる。また、Ｉ−Ｖ特性が変わっても常に安定した電力制御性能を得ることができる。さらに、取り出し電流に見合った供給ガス流量がバランス良く制御される。
【００２８】
また、２次バッテリを用いる場合には、２次バッテリの充放電の頻度が少なくなり２次バッテリが長持ちする。さらに、電力−電流特性により要求電力に基づいてフィードフォワード的に目標電流を演算するので、過渡状態での要求電力に対する実電力の応答や供給ガスの応答が速くなる。
【００２９】
実電力は実電圧と目標電流を掛けて求めた仮想実電力で代用するようにしたので、電流センサの応答遅れの影響を受けなくなり、過渡状態での要求電力に対する実電力の応答と供給ガスの応答が速くなる。
【００３０】
電力−電流変換演算部２１ａは、予め設定してある温度−電力−電流特性により、冷却液温度と目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を冷却液温度に基づいて補正するようにしたので、Ｉ−Ｖ特性が温度によって変化しても、実Ｉ−Ｖ特性に見合った目標電流が演算されるようになり、電力制御精度と供給ガス制御精度が向上する。
【００３１】
パワーマネージャ（ＰＭ）１５は、目標電流に基づいて燃料電池１から電流を取り出すようにしたので、燃料電池１の性能ばらつきや劣化によりＩ−Ｖ特性が変わっても、電力と目標発電電力の誤差がなくなるように目標電流が演算されて取り出され、要求された目標発電電力に精度良く実電力を一致させることができる。
【実施例２】
【００３２】
図６は本発明の実施例２に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図である。図６において、この実施例２の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、電力誤差補正部２１ｂは目標発電電力と、実電力検出手段２２で演算された実電力との誤差に基づいて、電力−電流変換演算部２１ａの演算に用いる目標発電電力を補正し、電力−電流変換演算部２１ａは、この補正された目標発電電力に基づいて目標電流を演算するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００３３】
図７に実施例２の目標電流演算手段２１の制御ブロック図を示す。図７において、電力誤差補正部２１ｂは、目標発電電力と実電力との誤差に基づいてＰＩ制御器３１で補正量を求め、求めた補正量を目標電流演算手段２１に入力された目標発電電力に加え、電力−電流変換演算部２１ａに入力される目標発電電力を補正する。
【００３４】
この実施例２では、先の実施例１と同様な構成に対して実施例１と同様な効果を得ることができる。また、目標発電電力に基づいて燃料電池１から電力を取り出す場合には、実電力が目標発電電力に一致していても、Ｉ−Ｖ特性が変わると取り出し電流と供給ガス流量のバランスがくずれる可能性がある。しかし、実電力と目標発電電力との誤差に基づいて目標電流を演算することで、Ｉ−Ｖ特性が変わったときにも実電流相当の目標電流が演算されるため、目標電流に基づいて供給ガス流量を演算すれば、取り出し電流に見合った供給ガス流量がバランス良く制御され、ガス供給過剰による水収支の悪化や、ガス供給不足をおこさないようにすることができる。
【００３５】
この実施例２においては、実電力と目標発電電力との誤差に基づいて、電力−電流変換演算部２１ａ部で用いる目標発電電力を補正するようにしたので、先の実施例１と同様な効果を得ることができる。
【実施例３】
【００３６】
図８は本発明の実施例３に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図であり、図９は図８に示す目標電流演算手段２１の制御ブロックを示す図である。
【００３７】
図８ならびに図９において、この実施例３の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、パワーマネージャー（ＰＭ）１５は目標発電電力に基づいて燃料電池１から電力を取り出すようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００３８】
この実施例３においても、先の実施例１と同様な効果を得ることができる。
【実施例４】
【００３９】
図１０は本発明の実施例４に係る目標電流演算手段２１の制御ブロックを示す図である。
【００４０】
図１０において、この実施例４の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、電力誤差補正部２１ｂにローパスフィルタ３２を設け、このローパスフィルタ３２に目標発電電力を通すことで目標発電電力の位相を調整し、実電力と目標発電電力との位相を合わせるようにしたことにある。なお、ローパスフィルタ３２の時定数には実電力の応答時定数を設定する。また、この実施例４は、先の実施例１〜３、ならびに後述する実施例５〜１１と組み合わせて実施するようにしてもよい。
【００４１】
この実施例４においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、電力誤差補正部２１ｂは、目標発電電力にローパスフィルタ３２で遅れをもたせた値と実電力に基づいて電力−電流変換演算部２１ａの演算方法を補正している。パワーマネージャー１５の処理には遅れがあるため、実電力の応答は遅れる。しかし、実電力の遅れ相当に目標発電電力を遅らせ、遅らせた値と実電力とに基づいて補正演算を実施することによって、目標発電電力と実電力との位相が一致して、電力制御精度と供給ガス制御精度とが向上する。
【実施例５】
【００４２】
図１１は本発明の実施例５に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図である。図１１において、この実施例５の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、燃料電池１から取り出される電流値を検出する電流センサ１７を設け、この電流センサ１７で検出された電流に基づいて実電力を算出するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００４３】
図１２に実施例５の目標電流演算手段２１の制御ブロック図を示す。図１２において、実電力検出手段２２は、電流センサ１７で検出された実電流値と実電圧との積を算出して実電力を求める。
【００４４】
この実施例５においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、実電力は実電圧と実電流を掛けて求めるようにしたので、実電力を正確に検出でき電力制御精度と供給ガス制御精度が向上する。
【実施例６】
【００４５】
図１３（ａ）は本発明の実施例６に係る目標電流演算手段２１の制御ブロックを示す図である。図１３（ａ）において、この実施例６の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、電力誤差補正部２１ｂのＰＩ制御器３１のＰＩ（フィードバック）制御ゲインを目標電流に基づいて可変にするようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。ＰＩ制御器３１の制御ゲインは、例えば図１３（ｂ）に示すように、目標電流が大きくなるにしたがって減少するように可変する。なお、制御ゲインは、目標電流に代えて、実電流、目標発電電力もしくは実電力に基づいて可変するようにしてもよい。また、この実施例６を含む以下に説明する実施例７〜１１で説明する制御ゲインは、実電力と目標電力との誤差の積分値に基づいて可変するようにしてもよい。
【００４６】
この実施例６においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、目標電流、実電流、目標発電電力、実電力のいずれかが大きい領域では、目標発電電力と実電力のずれが大きくなり制御系が不安定になる可能性があるので、これらが大きいほど制御ゲインを小さくすることによって、制御系の安定性を確保することができる。
【実施例７】
【００４７】
図１４は本発明の実施例７に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図であり、図１５（ａ）は図１４に示す目標電流演算手段２１の制御ブロックを示す図である。図１４ならびに図１５（ａ）において、この実施例７の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、電力誤差補正部２１ｂのＰＩ制御器３１のＰＩ制御ゲインを燃料電池出口の冷却水温度に基づいて可変するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。ＰＩ制御器３１の制御ゲインは、例えば図１５（ｂ）に示すように、燃料電池出口の冷却水温度が高くなるにしたがって減少するように可変する。
【００４８】
この実施例７においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、燃料電池１の温度が高い領域ではＩ−Ｖ特性が向上するので、電流に対する電力感度が高くなり制御系が不安定になる可能性があるが、温度が高いほど制御ゲインを小さくすることによって、制御系の安定性を確保することができる。
【実施例８】
【００４９】
図１６は本発明の実施例８に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図であり、図１７（ａ）は図１６に示す目標電流演算手段２１の制御ブロックを示す図である。図１６ならびに図１７（ａ）において、この実施例８の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、電力誤差補正部２１ｂのＰＩ制御器３１のＰＩ制御ゲインを燃料電池入口の空気湿度に基づいて可変するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。ＰＩ制御器３１の制御ゲインは、例えば図１７（ｂ）に示すように、空気湿度が高くなるにしたがって減少するように可変する。
【００５０】
また、この実施例８の他の特徴とするところは、電力−電流変換演算部２１ａが電力−電流変換を行う際に参照するマップのパラメータは、先の実施例１の温度に代えて燃料電池入口の湿度とし、湿度−電力−電流特性に基づいたマップとしたことにある。
【００５１】
この実施例８においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、燃料電池１の供給空気湿度が高い領域ではＩ−Ｖ特性が向上するので、電流に対する電力感度が高くなり制御系が不安定になる可能性があるが、給空気湿度が高いほど制御ゲインを小さくすることによって、制御系の安定性を確保することができる。
【００５２】
また、電力−電流変換演算部２１ａは、予め設定してある湿度−電力−電流特性により、空気湿度と目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を空気湿度に基づいて補正することで、Ｉ−Ｖ特性は湿度によって変化するので、実Ｉ−Ｖ特性に見合った目標電流が演算されるようになり、電力制御精度と供給ガス制御精度が向上する。
【実施例９】
【００５３】
図１８は本発明の実施例９に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図であり、図１９（ａ）は図１８に示す目標電流演算手段２１の制御ブロックを示す図である。図１８ならびに図１９（ａ）において、この実施例９の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、電力誤差補正部２１ｂのＰＩ制御器３１のＰＩ制御ゲインを燃料電池入口の空気圧力に基づいて可変するようにしたことにある。ＰＩ制御器３１の制御ゲインは、例えば図１９（ｂ）に示すように、空気圧力が高くなるにしたがって減少するように可変する。
【００５４】
また、この実施例９の他の特徴とするところは、電力−電流変換演算部２１ａが電力−電流変換を行う際に参照するマップのパラメータは、先の実施例１の温度に代えて燃料電池入口の空気圧力とし、圧力−電力−電流特性に基づいたマップとしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００５５】
この実施例９においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、燃料電池１の供給ガス圧力が高い領域ではＩ−Ｖ特性が向上するので、電流に対する電力感度が高くなり制御系が不安定になる可能性があるが、供給ガス圧力が高いほど制御ゲインを小さくすることによって、制御系の安定性を確保することができる。
【００５６】
また、電力−電流変換演算部２１ａは、予め設定してある圧力−電力−電流特性により、空気湿度と目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流をガス圧力に基づいて補正することで、Ｉ−Ｖ特性は圧力によって変化するので、実Ｉ−Ｖ特性に見合った目標電流が演算されるようになり、電力制御精度と供給ガス制御精度が向上する。
【実施例１０】
【００５７】
図２０は本発明の実施例１０に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図である。図２０において、この実施例１０の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、燃料電池１の総運転時間を検出する運転時間検出手段２４を設け、この運転時間検出手段２４で検出された総運転時間に基づいて目標電流を補正するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００５８】
図２１（ａ）にこの実施例１０の目標電流演算手段２１の制御ブロック図を示す。図２１（ａ）において、電力誤差補正部２１ｂのＰＩ制御器３１のＰＩ制御ゲインは、総運転時間に基づいて可変にする。すなわち、ＰＩ制御ゲインは、例えば図２１（ｂ）に示すように、総運転時間が長くなるほど小さくなるように可変する。また、総運転時間による補正量を設定し、設定した補正量を目標電流に加えて目標電流を補正する。この補正量は、図２１（ｃ）に示すように、総運転時間が長くなるほど増加する変数として設定される。
【００５９】
なお、運転時間検出手段２４は、燃料電池１の回復可能劣化に対応して、１日のうちの運転時間を検出するようにしてもよい。
【００６０】
この実施例１０においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、燃料電池１の運転時間が長いほど燃料電池１が劣化してＩ−Ｖ特性が下がるため、目標電力と実電力のずれが大きくなり制御系が不安定になる可能性があるが、運転時間が長くなるほど制御ゲインを小さくすることによって、制御系の安定性を確保することができる。
【００６１】
また、予め設定してある電力−電流特性により目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を運転時間に基づいて補正することで、運転時間が長くなると燃料電池が劣化してＩ−Ｖ特性が下がるので、実Ｉ−Ｖ特性に見合った目標電流が演算されるようになり、電力制御精度と供給ガス制御精度が向上する。
【実施例１１】
【００６２】
図２２は本発明の実施例１１に係る燃料電池の制御装置を備えた燃料電池システムの構成を示す図である。図２２において、この実施例１１の特徴とするところは、先の実施例１に比べて、このシステムを燃料電池車に搭載した場合に、燃料電池車の走行距離を検出する走行距離検出手段２５を設け、この走行距離検出手段２５で検出された走行距離に基づいて目標電流を補正するようにしたことにあり、他は先の実施例１と同様である。
【００６３】
図２３（ａ）にこの実施例１０の目標電流演算手段２１の制御ブロック図を示す。図２３（ａ）において、電力誤差補正部２１ｂのＰＩ制御器３１のＰＩ制御ゲインは、走行距離に基づいて可変にする。すなわち、ＰＩ制御ゲインは、例えば図２３（ｂ）に示すように、走行距離が長くなるほど小さくなるように可変する。また、走行距離による補正量を設定し、設定した補正量を目標電流に加えて目標電流を補正する。この補正量は、図２２（ｃ）に示すように、走行距離が長くなるほど増加する変数として設定される。
【００６４】
この実施例１１においては、先の実施例１と同様な構成に対して先の実施例１と同様な効果を得ることができる一方、燃料電池車両の走行距離が長いほど燃料電池１が劣化してＩ−Ｖ特性が下がるため、目標電力と実電力のずれが大きくなり制御系が不安定になる可能性があるが、走行距離が長くなるほど制御ゲインを小さくすることによって、制御系の安定性を確保することができる。
【００６５】
また、予め設定してある電力−電流特性により目標発電電力に基づいて目標電流を演算し、目標電流を走行距離に基づいて補正することで、走行距離が長くなると燃料電池が劣化してＩ−Ｖ特性が下がるので、実Ｉ−Ｖ特性に見合った目標電流が演算されるようになり、電力制御精度と供給ガス制御精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施例１〜１１に係る燃料電池の制御装置の基本概念を示す構成図である。
【図２】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例１の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図３】実施例１の目標電流演算手段の構成を示す図である。
【図４】電力電流変換マップの作成手法を示す図である。
【図５】供給空気流量の演算手法を示す図である。
【図６】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例２の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図７】実施例２の目標電流演算手段の構成を示す図である。
【図８】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例３の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図９】実施例３の目標電流演算手段の構成を示す図である。
【図１０】実施例４の目標電流演算手段の構成を示す図である。
【図１１】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例５の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１２】実施例５の目標電流演算手段の構成を示す図である。
【図１３】実施例６の目標電流演算手段の構成、ならびに制御ゲインと目標電流との関係を示す図である。
【図１４】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例７の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１５】実施例７の目標電流演算手段の構成、ならびに制御ゲインと冷却水温度との関係を示す図である。
【図１６】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例８の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１７】実施例８の目標電流演算手段の構成、ならびに制御ゲインと空気湿度との関係を示す図である。
【図１８】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例９の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図１９】実施例９の目標電流演算手段の構成、ならびに制御ゲインと空気圧力との関係を示す図である。
【図２０】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例１０の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２１】実施例１０の目標電流演算手段の構成、ならびに制御ゲインと燃料電池の運転時間との関係を示す図である。
【図２２】本発明の燃料電池の制御装置を備えた実施例１１の燃料電池システムの構成を示す図である。
【図２３】実施例１１の目標電流演算手段の構成、ならびに制御ゲインと燃料電池車の走行距離との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００６７】
１…燃料電池
２…ポンプ
３…ラジエタ
４…ラジエタファン
５…三方弁
６…温度センサ
７…コンプレッサ
８…空気調圧弁
１０…水素タンク
１１…減圧弁
１２…水素調圧弁
１３…エゼクタ
１４…パージ弁
１５…パワーマネージャー
１６…電圧センサ
１７…電流センサ
２１…目標電流演算手段
２１ａ…電流変換演算部
２１ｂ…電力誤差補正部
２２…実電力検出手段
２３…供給ガス流量演算手段
２４…運転時間検出手段
２５…走行距離検出手段
３１…ＰＩ制御器
３２…ローパスフィルタ
１００…目標電流演算手段
１０１…電流変換演算部
１０２…電力誤差補正部
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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