(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池からの発電電力を、負荷からの要求電力に基づいて前記負荷に出力する燃料電池システムにおいて、
前記要求電力を求める要求電力測定手段と、
前記発電電力を制御する制御手段と、
前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続され、蓄電及び放電を行う蓄電装置と、
前記蓄電装置の蓄電量を測定する蓄電量測定手段と、を備え、
前記制御装置は、前記要求電力に対し、遮断周波数よりも高い周波数の成分を除去する平準化処理を行うことによって平準化要求電力を算出し、前記平準化要求電力に追従するように前記発電電力を制御するものであって、前記遮断周波数を所定の目標蓄電量と前記蓄電量とに基づいて変化させることにより、前記目標蓄電量からの前記蓄電量の変動幅を抑制する蓄電量調整制御を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記遮断周波数として、前記要求電力が増加した際に用いる第一遮断周波数と、前記要求電力が減少した際に用いる第二遮断周波数と、を有しており、前記蓄電量が所定の目標蓄電量よりも多い場合には前記第一遮断周波数を減少させ、前記蓄電量が前記目標蓄電量よりも少ない場合には前記第二遮断周波数を減少させ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】
前記制御装置は、前記蓄電量が前記目標蓄電量よりも多いほど、前記第一遮断周波数を大きく減少させ、前記蓄電量が前記目標蓄電量よりも少ないほど、前記第二遮断周波数を大きく減少させることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記要求電力と前記発電電力との差にフィルタゲインを掛け、その後積分処理を行うことによって前記平準化要求電力を算出するものであって、前記フィルタゲインを前記蓄電量に基づいて減少させることにより、前記第一遮断周波数又は前記第二遮断周波数を減少させることを特徴とする、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記蓄電量が前記目標蓄電量に収束するように、前記目標蓄電量に対する前記蓄電量の偏差をフィードバックしながら前記発電電力を制御することを特徴とする、請求項１から４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御装置は、前記蓄電装置の蓄電性能が低下して充放電が行えなくなったと判断した場合には、前記蓄電量調整制御を行わないことを特徴とする、請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の発電電力を負荷に供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムを構成する燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換するものである。この燃料電池は、水素イオンを選択的に輸送するための高分子電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持してなる膜−電極アッセンブリを有する。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有している。
【０００３】
このような燃料電池システムでは、運転効率を高めることを目的として、所謂「負荷追従運転」が行われる。これは、負荷からの要求電力に追従するように、燃料電池システムの出力電力（負荷に供給する電力）を変化させる運転方法である。例えば、負荷からの要求電力が小さい場合には、燃料電池に対して供給する燃料等の量を減少させることにより発電電力を低下させる。一方、負荷からの要求電力が大きい場合には、燃料電池に対して供給する燃料等の量を増加させることにより発電電力を増加させる。
【０００４】
ところで、上記のように発電電力を変動させると、燃料電池の発電電圧が変動することに起因して白金系の金属触媒が溶解、析出し、燃料電池の発電性能が劣化してしまうことが知られている。この対策としては、発電電力の一部を蓄えることが可能なバッテリ等の蓄電装置を備えて、燃料電池の発電電力と、蓄電装置の放電による電力との両方を負荷に供給可能な構成とすることが一般的に行われている。
【０００５】
このような構成の燃料電池システムにおいては、負荷からの要求電力をフィルタ処理によって平準化して変動の少ない平準化要求電力とし、燃料電池の発電電力を当該平準化要求電力に追従させるような制御を行うことができる。このような制御においては、発電電力と要求電力とが一致しない場合が生じるが、かかる不一致は蓄電装置の充放電によって補われる。
【０００６】
すなわち、要求電力に対して発電電力（平準化要求電力）が小さい場合には、不足した電力が蓄電装置の放電によって補われる。要求電力に対して発電電力（平準化要求電力）が大きい場合には、余剰の電力が蓄電装置に蓄えられる。その結果、燃料電池の発電電力を平準化することによって金属触媒の溶解、析出を防止しながら、燃料電池システムの出力電力を負荷からの要求電力に一致させることが可能となる。
【０００７】
このような燃料電池システムの一例として、下記特許文献１には、所定期間における要求電力の平均値を算出し、かかる平均値に基づいて発電電力の指令値を設定することで、発電電力の平準化を行う燃料電池システムが記載されている。
【０００８】
更に、当該燃料電池システムでは、蓄電装置の蓄電量が大きい場合には、発電電力の指令値を要求電力よりも小さく補正して設定している。また、蓄電量が小さい場合には、発電電力の指令値を要求電力よりも大きく補正して設定している。このように、発電電力の指令値を蓄電量に基づいて補正することにより、蓄電量を目標蓄電量に収束させている。これは、蓄電装置が蓄えることのできる電力量が有限であることを考慮したものであって、蓄電量が０％、又は１００％に到達し、上記のような発電電力の平準化が不可能な状態となってしまうことを防止するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００４−７９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、蓄電装置の蓄電量に基づいた補正値を、発電電力の指令値に対して直接加算若しくは減算している。このため、蓄電量が広い範囲で変動すると、発電電力の指令値はその影響を直接受けることにより大きく変動し、それに伴って発電電圧も変動する。その結果、白金系の金属触媒が溶解、析出してしまう場合があった。
【００１１】
また、蓄電量は、蓄電装置に設置された電圧センサ等によって測定又は推定されるが、電圧センサ等からの入力信号にはノイズが生じる場合がある。このようなノイズが生じると、発電電力の指令値に当該ノイズが直接加わるため、発電電力の指令値が大きく変動する。その結果、発電電圧も大きく変動し、短期間の運転でも白金系の金属触媒が溶解、析出してしまう場合があった。
【００１２】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、蓄電装置の蓄電量の変動幅を抑制しながら、発電電力の変動及びこれに起因した金属触媒の溶解等をも抑制することのできる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】
【００１３】
上記課題を解決するために本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池からの発電電力を、負荷からの要求電力に基づいて前記負荷に出力する燃料電池システムにおいて、前記要求電力を測定する要求電力測定手段と、前記発電電力を制御する制御手段と、前記負荷に対して前記燃料電池と並列に接続され、蓄電及び放電を行う蓄電装置と、前記蓄電装置の蓄電量を測定する蓄電量測定手段と、を備え、前記制御装置は、前記要求電力の測定値に対し、遮断周波数よりも高い周波数の成分を除去する平準化処理を行うことによって平準化要求電力を算出し、前記平準化要求電力に追従するように前記発電電力を制御するものであって、前記遮断周波数を前記蓄電量に基づいて変化させることにより、前記蓄電量の変動幅を抑制する蓄電量調整制御を行うことを特徴としている。
【００１４】
本発明では、制御装置が、要求電力の測定値に対し平準化処理を行うことによって平準化要求電力を算出し、当該平準化要求電力に追従するように発電電力を制御する。平準化処理とは、要求電力の測定値から遮断周波数よりも高い周波数の成分を除去する処理であって、所謂ローパスフィルタと呼ばれるフィルタ処理である。
【００１５】
このような平準化処理を行うことによって、要求電力が急峻な変動成分を含んでいたとしても、そのような変動成分が除去される。制御装置は、このように平準化されたあとの平準化要求電力に追従するように発電電力を制御するため、発電電圧が変動することに起因した金属触媒の溶解等が抑制される。
【００１６】
ここで、もし上記平準化処理の遮断周波数が変化すると、発電電力の変化速度が変化し、蓄電装置の蓄電量及びその変化速度も変化することとなる。本発明ではこれを利用しており、制御手段は、蓄電量の変動幅を抑制するように遮断周波数を変化させる。すなわち、蓄電量測定手段によって測定された蓄電量に基づいて、当該蓄電量の変動幅が抑制されるように、平準化処理の遮断周波数を変化させる制御（蓄電量調整制御）を行う。
【００１７】
このような蓄電量調整制御によって、蓄電装置の蓄電量の変動幅を抑制することができる。尚、蓄電量調整制御は、蓄電量に基づいて発電電力の指令値を補正するものではあるが、当該補正は、発電電力の指令値に対して補正値を加算若しくは減算するような直接的なものではなく、平準化処理の遮断周波数を変化させるという間接的なものである。
【００１８】
このため、蓄電量が変動したり、蓄電量の測定値にノイズが生じたりした場合であっても、発電電力の指令値は、そのような変動要因の影響によって大きく変動してしまうことがない。このため、燃料電池の発電電圧の変動が抑制され、金属触媒の溶解等が更に抑制される。
【００１９】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記遮断周波数として、前記要求電力が増加した際に用いる第一遮断周波数と、前記要求電力が減少した際に用いる第二遮断周波数と、を有しており、前記蓄電量が所定の目標蓄電量よりも多い場合には前記第一遮断周波数を減少させ、前記蓄電量が前記目標蓄電量よりも少ない場合には前記第二遮断周波数を減少させることも好ましい。
【００２０】
この好ましい態様では、平準化処理に用いる遮断周波数として二つの周波数（第一遮断周波数、第二遮断周波数）を有している。第一遮断周波数は、要求電力が増加した際の平準化処理に用いる遮断周波数である。第二遮断周波数は、要求電力が減少した際の平準化処理に用いる遮断周波数である。
【００２１】
蓄電量測定手段によって測定された蓄電量が所定の目標蓄電量よりも多い場合には、第一遮断周波数を減少させる。第一遮断周波数を減少させることにより、要求電力が増加した際における平準化要求電力は小さな周波数成分のみを有することになる。その結果、平準化要求電力に追従する発電電力は要求電力よりもゆっくりと増加するため、要求電力に対して不足した電力が蓄電装置の放電によって補われ、蓄電装置の蓄電量は目標蓄電量に近づくこととなる。
【００２２】
一方、蓄電量測定手段によって測定された蓄電量が所定の目標蓄電量よりも少ない場合には、第二遮断周波数を減少させる。第二遮断周波数を減少させることにより、要求電力が減少した際における平準化要求電力は小さな周波数成分のみを有することになる。その結果、平準化要求電力に追従する発電電力は要求電力よりもゆっくりと減少するため、要求電力に対して余剰となる電力が蓄電装置に蓄えられ、蓄電装置の蓄電量は目標蓄電量に近づくこととなる。
【００２３】
このように、第一周波数及び第二周波数を変化させることによって蓄電量が目標蓄電量に収束するように変化するため、蓄電量の変動幅を更に抑制することができる。
【００２４】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記蓄電量が前記目標蓄電量よりも多いほど、前記第一遮断周波数を大きく減少させ、前記蓄電量が前記目標蓄電量よりも少ないほど、前記第二遮断周波数を大きく減少させることも好ましい。
【００２５】
この好ましい態様では、制御装置は、蓄電量が目標蓄電量よりも多いほど、第一遮断周波数を大きく減少させる。このため、要求電力に対する不足分を補うために蓄電装置から放電される電力が大きくなる。その結果、蓄電量の減少量が大きくなり、蓄電量を目標蓄電量により近づけることができる。
【００２６】
また、蓄電量が目標蓄電量よりも少ないほど、第二遮断周波数を大きく減少させる。このため、要求電力に対して余剰となり蓄電装置に蓄電される電力が大きくなる。その結果、蓄電量の増加量が大きくなり、蓄電量を目標蓄電量により近づけることができる。
【００２７】
すなわち、この好ましい態様によれば、蓄電装置の蓄電量に応じてより適切な蓄電量調整制御を行い、蓄電量の変動幅を更に抑制することができる。
【００２８】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記要求電力と前記発電電力との差にフィルタゲインを掛け、その後積分処理を行うことによって前記平準化要求電力を算出するものであって、前記フィルタゲインを前記蓄電量に基づいて減少させることにより、前記第一遮断周波数又は前記第二遮断周波数を減少させることも好ましい。
【００２９】
この好ましい態様では、制御装置は、要求電力と発電電力との差にフィルタゲインを掛け、その後、積分処理を行うことによって平準化要求電力を算出する。制御装置は、蓄電量調整制御を行うに当たり、当該フィルタゲインの値を蓄電量に基づいて減少させることによって、第一遮断周波数又は第二遮断周波数を減少させる。
【００３０】
この好ましい態様によれば、ＦＦＴ等のような複雑な周波数計算や制御を行うことなく、フィルタゲインの値を変更するという簡単な態様によって平準化処理を行うことが可能となる。
【００３１】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御手段は、前記蓄電量が前記目標蓄電量に収束するように、前記目標蓄電量に対する前記蓄電量の偏差をフィードバックしながら前記発電電力を制御することも好ましい。
【００３２】
上記の蓄電量調整制御によれば、負荷からの要求電力が変動する際においてのみ、蓄電装置の蓄電量を目標蓄電量に近づけるような制御が行われる。従って、負荷からの要求電力の変動が少ない状況においては、蓄電量と目標蓄電量との間に一定の偏差が残ってしまう場合がある。
【００３３】
この好ましい態様では、制御手段は、蓄電量が目標蓄電量に収束するように、目標蓄電量に対する蓄電量の偏差をフィードバックしながら発電電力を制御する。これにより、負荷からの要求電力の変動が少ない状況においても蓄電装置の蓄電量が目標蓄電量に収束するように制御し、蓄電量の変動幅を更に抑制することができる。
【００３４】
また本発明に係る燃料電池システムでは、前記制御装置は、前記蓄電装置の蓄電性能が低下したと判断した場合には、前記蓄電量調整制御を行わないことも好ましい。
【００３５】
蓄電装置の蓄電性能が低下している状況においては、蓄電装置の充電又は放電によって、発電電力と要求電力との不一致を補うことができない。このため、蓄電量調整制御が適切に行われず、金属触媒の溶解、析出を却って促進してしまうような場合も起こりうる。
【００３６】
この好ましい態様では、制御装置は、蓄電装置の蓄電性能が低下したと判断した場合には、蓄電量調整制御を行わない。これにより、蓄電装置の蓄電性能が低下している状況において、蓄電量調整制御が適切に行われなくなることを防止することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、蓄電装置の蓄電量の変動幅を抑制しながら、発電電力の変動及びこれに起因した金属触媒の溶解等をも抑制することのできる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態である燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の、システム構成を示した図である。
【図２】図１に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力の時間変化を示すグラフである。
【図３】図１に示した燃料電池システムにおいて、燃料電池の発電電力の時間変化を示すグラフである。
【図４】図１に示した燃料電池システムにおいて行われる制御を示す制御ブロック図である。
【図５】図１に示した燃料電池システムにおいて行われる制御を示す制御ブロック図である。
【図６】図５に示した制御ブロック図における、ゲインマップを表す図である。
【図７】蓄電装置の蓄電性能が低下した際における制御を説明するための図である。
【図８】別の実施形態において行われる平準化処理の内容を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。
【００４０】
図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車両の、システム構成を示す図である。燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化剤ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化剤ガス供給系３０（酸化剤ガス供給手段）と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０（燃料ガス供給手段）と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、システム全体を統括制御するコントローラ６０（制御手段）とを備えている。
【００４１】
燃料電池スタック２０は、多数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００４２】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
【００４３】
燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力端子電圧（スタック電圧Ｖｃ）を検出するための電圧センサ７１、及び出力電流（スタック電流）を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。
【００４４】
酸化剤ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路３３と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３４とを有している。酸化剤ガス通路３３には、フィルタ３１を介して大気中から酸化剤ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化剤ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化剤ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化剤ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３と、酸化剤ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３５とが設けられている。
【００４５】
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４３と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６とを有している。
【００４６】
燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。
【００４７】
尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
【００４８】
燃料ガス通路４３には、燃料ガス供給源４１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁Ｈ１と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータＨ２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ４２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁Ｈ３と、圧力センサ７４とが設けられている。
【００４９】
レギュレータＨ２は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。インジェクタ４２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタ４２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ４２の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ４２の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ４２の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ４２の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ４２の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ４２の応答性の低下を抑制することができる。
【００５０】
インジェクタ４２は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４２は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００５１】
本実施形態においては、インジェクタ４２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階に切り替えることができる。コントローラ６０から出力される制御信号によってインジェクタ４２のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ４２は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ４２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ４２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。
【００５２】
循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６とが接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁Ｈ５の開弁により、循環通路４４内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００５３】
排気排水弁Ｈ５を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４５は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。
【００５４】
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。燃料電池システム１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とトラクションインバータ５３とが並列に燃料電池スタック２０に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。
【００５５】
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。バッテリ５２には、ＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ７３が取り付けられている。
【００５６】
トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ６０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００５７】
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
【００５８】
コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、コントローラ６０は、イグニッションスイッチＩＧの状態がＯＮになったことを検知すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＶなどを基に、負荷からの要求電力を求める。すなわち、コントローラ６０は、要求電力を検知する要求電力検知手段としての機能を備えている。負荷からの要求電力とは、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００５９】
ここで、補機電力とは、加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、冷却水循環ポンプ等の補機で消費される電力のことである。すなわち、本実施形態の燃料電池システム１０においては、燃料電池車両の動力源であるトラクションモータ５４及び上記補機が、燃料電池システム１０から電力の供給を受ける負荷に相当する。
【００６０】
そして、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰが目標電力に一致するように、酸化剤ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。
【００６１】
本実施形態の燃料電池システム１０では、上記のように、負荷からの要求電力ＲＰの変化に応じて、燃料電池システム１０から負荷に供給（出力）する電力が変化するように、コントローラ６０による制御が行われる。要求電力ＲＰ、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰ、及び、燃料電池システム１０から実際に負荷に供給されるシステム電力ＳＰの時間変化を、図２及び図３を参照しながら説明する。
【００６２】
図２は、バッテリ５２のＳＯＣが、その目標値である目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％よりも少ない状況において、負荷からの要求電力ＲＰが変化した際の発電電力ＦＰ、及び、システム電力ＳＰの時間変化を示すグラフである。図２では、時刻ｔ１において要求電力ＲＰがＷ０からＷ１に増加した後、時刻ｔ２において要求電力ＲＰがＷ１からＷ０に減少した場合の時間変化を示している。
【００６３】
時刻ｔ１において要求電力ＲＰがＷ０からＷ１に増加すると、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰをＷ１まで直ちに増加させる。すなわち、要求電力ＲＰを全て発電電力ＦＰで賄うように、燃料電池システム１０の電力出力が制御される。このため、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけては、発電電力ＦＰとシステム電力ＳＰとが等しくなっている。
【００６４】
続いて、時刻ｔ２において要求電力ＲＰがＷ１からＷ０に減少すると、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰをＷ０まで減少させる。このとき、Ｗ０まで直ちに減少させるのではなく、発電電力ＦＰの減少を抑制し、減少速度が緩やかになるように制御が行われる。このとき、発電電力ＦＰには余剰分が発生するが、かかる余剰分はバッテリ５２に蓄電される。その結果、燃料電池システム１０から負荷に供給されるシステム電力ＳＰは、Ｗ０まで直ちに減少している。
【００６５】
時刻ｔ２においては、それまでの燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰが大きかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が向上しており、燃料電池スタック２０は高い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを減少させても直ちには減少せず、一定の遅れをもって減少することが知られている。すなわち、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを減少させる際は発電効率が高い。
【００６６】
そこで、本実施形態では上記のように、システム電力ＳＰが減少する時刻ｔ２以降においても、燃料電池スタック２０における発電電力ＦＰを直ちには減少させないことで、高い発電効率で発電を行っている状態を利用している。このときの発電電力ＦＰの余剰分はバッテリ５２に蓄電されるため、バッテリ５２のＳＯＣを目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％に近づけることができる。尚、目標蓄電量ＴＳＯＣは５０％に限られるものではなく、バッテリ５２の種類や構成などに応じて適宜設定されるものである。一般的には、４０％から８０％の範囲で設定される。
【００６７】
一方、時刻ｔ１においては、それまでの燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰが小さかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が低下しており、燃料電池スタック２０は低い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを増加させても直ちには増加せず、一定の遅れをもって増加することが知られている。すなわち、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを増加させる際は発電効率が低い。
【００６８】
このため、時刻ｔ１以降においては燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを直ちには増加させず、不足分をバッテリ５２からの放電によって補う方が、燃料電池スタック２０の発電効率の観点からは望ましい。しかしその場合、バッテリ５２のＳＯＣが更に減少することとなる。ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％よりも少ない状況から更に減少すると、バッテリ５２への負担が大きくなり、バッテリ５２が短期間で劣化してしまう。そこで、本実施形態では図２のように、バッテリ５２のＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％よりも少ない状況では、時刻ｔ１において発電電力ＦＰを直ちに増加させている。すなわち、バッテリ５２のＳＯＣの変動と、燃料電池スタック２０の発電効率をいずれも考慮しながら、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを制御している。
【００６９】
図３は、バッテリ５２のＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％よりも多い状況において、負荷からの要求電力ＲＰが変化した際の発電電力ＦＰ、及び、システム電力ＳＰの時間変化を示すグラフである。図３では、時刻ｔ３において要求電力ＲＰがＷ０からＷ１に増加した後、時刻ｔ４において要求電力ＲＰがＷ１からＷ０に減少した場合の時間変化を示している。
【００７０】
図２の場合と異なり、時刻ｔ３において要求電力ＲＰがＷ０からＷ１に増加すると、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰをＷ１まで直ちに増加させず、発電電力ＦＰの増加を抑制し、増加速度が緩やかになるように制御する。このとき、発電電力ＦＰだけでは要求電力ＲＰに満たないが、かかる不足分はバッテリ５２からの放電によって補われる。その結果、燃料電池システム１０から負荷に供給されるシステム電力ＳＰは、Ｗ１まで直ちに増加している。
【００７１】
時刻ｔ３においては、それまでの燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰが小さかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が低下しており、燃料電池スタック２０は低い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを増加させても直ちには増加せず、一定の遅れをもって増加することが知られている。すなわち、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを増加させる際は発電効率が低い。
【００７２】
そこで、本実施形態では上記のように、システム電力ＳＰが増加する時刻ｔ３以降においても、燃料電池スタック２０における発電電力ＦＰを直ちには増加させないことで、発電効率が低い状態における発電を抑制している。このときの発電電力ＦＰの不足分はバッテリ５２の放電によって補われるため、バッテリ５２のＳＯＣが減少し、ＳＯＣを目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％に近づけることができる。
【００７３】
一方、時刻ｔ４において要求電力ＲＰがＷ１からＷ０に減少すると、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰをＷ０まで直ちに減少させる。すなわち、発電電力ＦＰの余剰分が発生しないように、燃料電池システム１０の電力出力が制御される。
【００７４】
時刻ｔ４においては、それまでの燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰが大きかったため、高分子電解質膜のプロトン導電率が向上しており、燃料電池スタック２０は高い発電効率で発電を行っている状態となっている。高分子電解質膜のプロトン導電率は、その後、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを減少させても直ちには減少せず、一定の遅れをもって減少することが知られている。すなわち、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを減少させる際は発電効率が高い。
【００７５】
このため、時刻ｔ４以降においては燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを直ちには減少させず、余剰分をバッテリ５２に蓄電する方が、燃料電池スタック２０の発電効率の観点からは望ましい。しかしその場合、バッテリ５２のＳＯＣが更に増加することとなる。ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％よりも多い状況から更に増加すると、バッテリ５２への負担が大きくなり、バッテリ５２が短期間で劣化してしまう。そこで、本実施形態では図３のように、バッテリ５２のＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％よりも多い状況では、時刻ｔ４において発電電力ＦＰを直ちに減少させている。すなわち、バッテリ５２のＳＯＣの変動と、燃料電池スタック２０の発電効率をいずれも考慮しながら、燃料電池スタック２０の発電電力ＦＰを制御している。
【００７６】
以上において説明したように、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、負荷からの要求電力ＲＰの増加時においては燃料電池スタック２０からの発電電力ＦＰの増加を抑制する一方、要求電力ＲＰの減少時においては燃料電池スタック２０からの発電電力ＦＰの減少を抑制する。これにより、燃料電池システム１０の運転効率を向上させている。一方、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、負荷からの要求電力ＲＰの増加時における発電電力ＦＰの増加の抑制、及び、要求電力ＲＰの減少時における発電電力ＦＰの減少の抑制を、常に行うのではなく、バッテリ５２のＳＯＣに基づいて行う。発電電力ＦＰの変化に伴ってバッテリ５２のＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％に近づくように制御するため、上記制御は、ＳＯＣの変動幅を抑制する蓄電量調整制御を構成している。
【００７７】
本実施形態では、上記蓄電量調整制御によりＳＯＣの変動幅が抑制することによって、バッテリ５２への負担を低減し、バッテリ５２の劣化を抑制している。また、ＳＯＣの変動幅を抑制することによって、バッテリ５２の容量が小さくて済み、バッテリ５２を小型化することができるという利点もある。
【００７８】
更に、上記蓄電量調整制御によって、バッテリ５２のＳＯＣが０％又は１００％に到達してしまうことが抑制される。このため、上記のような発電電力ＦＰの増加を抑制する制御、及び、発電電力ＦＰの減少を抑制する制御が、常に実行可能な状態となっている。
【００７９】
続いて、図４、図５、及び図６を参照しながら、以上に説明した蓄電量調整制御の具体的な内容について、更に詳しく説明する。図４は、コントローラ６０が行う内容を示す制御ブロック図であって、要求電力ＲＰ及びＳＯＣに基づいて発電電力ＦＰを制御する処理を示している。
【００８０】
コントローラ６０は、図４に示したように、要求電力ＲＰ、バッテリ５２のＳＯＣ、ＳＯＣの目標値である目標蓄電量ＴＳＯＣに基づいて、発電電力ＦＰの制御指令値である発電電力指令値ＳＦＰを決定する。コントローラ６０は、発電電力ＦＰが発電電力指令値ＳＦＰに一致するように、燃料ガスの流量やＤＣ／ＤＣコンバータ５１等の制御を行う。
【００８１】
図４において制御ブロックＣＴ１は、ＳＯＣと、要求電力ＲＰ（又は、これに基づいた補正要求電力ＲＰ０）との入力を受け、当該入力に基づいて発電電力ＦＰをどのように変化させるのかを決定し、発電電力指令値ＳＦＰを出力するものである。制御ブロックＣＴ１が出力する発電電力指令値ＳＦＰは、最終的には入力された要求電力ＲＰ（又は補正要求電力ＲＰ０）と一致するように制御される。制御ブロックＣＴ１の具体的な処理については、後に説明する。
【００８２】
バッテリ５２のＳＯＣには、その目標値として目標蓄電量ＴＳＯＣが設定されている。コントローラ６０はＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの偏差を算出し（符号ＳＭ２）、ＰＩＤ制御ブロックＰ１に入力する。ＰＩＤ制御ブロックＰ１は、上記偏差を０にするために、要求電力ＲＰに対して必要な加算分を通常のＰＩＤにて算出する制御ブロックである。
【００８３】
ここで、制御ブロックＣＴ１には要求電力ＲＰを直接入力してもよい。すなわち、ＰＩＤ制御ブロックＰ１を省略し、図４の符合ＳＭ１で示した加算を行わないような態様であってもよい。かかる態様であってもＳＯＣの変動幅を抑制することは可能であり、本願発明の実施形態に含まれるものである。
【００８４】
しかし、本実施形態においては図４に示したように、要求電力ＲＰを制御ブロックＣＴ１に直接入力するのではなく、ＰＩＤ制御ブロックＰ１により算出された加算分を加算した補正要求電力ＲＰ０を、制御ブロックＣＴ１に入力している。
【００８５】
例えば、目標蓄電量ＴＳＯＣよりもＳＯＣが下回っている場合、ＰＩＤ制御ブロックＰ１ではこの不足分を補うために必要な要求電力ＲＰへの加算分（増加分）が算出され、コントローラ６０は、かかる加算分を要求電力ＲＰに加算する（符号ＳＭ１）。要求電力ＲＰはその分増加して補正要求電力ＲＰ０となり、かかる補正要求電力ＲＰ０が制御ブロックＣＴ１に入力される。
【００８６】
その結果、補正要求電力ＲＰ０と一致するように制御される発電電力指令値ＳＦＰも増加することとなるため、発電電力ＦＰが増加する。増加した発電電力ＦＰによってＳＯＣの不足分が補われ、ＳＯＣは目標蓄電量ＴＳＯＣに近づくこととなる。尚、ＰＩＤ制御ブロックＰ１の内部処理は積分項を含むため、ＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの間に定常的な偏差が生じることが抑制されている。
【００８７】
すなわち、コントローラ６０は、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣに収束するように、ＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの偏差をフィードバックしながら発電電力ＦＰを制御している。これにより、負荷からの要求電力ＲＰの変動が少ない状況においてもバッテリ５２のＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣに収束するように制御し、ＳＯＣの変動幅を更に抑制している。
【００８８】
尚、ＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの偏差を、制御ブロックＣＴ１が出力する発電電力指令値ＳＦＰに加算し、加算後の新たな発電電力指令値に一致するように発電電力ＦＰを制御することも考えられる。しかしその場合、ＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの間の偏差は抑制されるが、ＳＯＣセンサ７３からの入力信号にノイズが生じた場合、かかるノイズの影響により発電電力ＦＰが大きく変動してしまう可能性がある。後に詳しく説明するように、本実施形態では、ＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの偏差を出力側ではなく入力側（要求電力ＲＰ）に加算することで、発電電力ＦＰがＳＯＣセンサ７３のノイズや測定値変動の影響を直接的に受けてしまうことを防止している。
【００８９】
続いて図５を参照しながら、制御ブロックＣＴ１の具体的な処理について説明する。図５は、コントローラ６０が行う内容を示す制御ブロック図であって、図４に示した制御ブロックＣＴ１の内部で行われる具体的な処理を示している。先に述べたように、制御ブロックＣＴ１は、ＳＯＣと、要求電力ＲＰ（又は、これに基づいた補正要求電力ＲＰ０）との入力を受け、発電電力ＦＰをどのように変化させるのかを決定し、発電電力指令値ＳＦＰを出力する制御ブロックである。
【００９０】
制御ブロックＣＴ１における基本的な処理は、入力された補正要求電力ＲＰ０と現在の発電電力指令値ＳＦＰとの偏差を算出し（符号ＳＭ３）、これにゲイン（ゲインＰＧ又はゲインＭＧ）を掛けた後に積分処理を行って（符号ＩＴＧ）、出力すべき発電電力指令値ＳＦＰを算出するというものである。ただし、サチュレータＰＳＴ、ＭＳＴを備えることよって、補正要求電力ＲＰ０と発電電力指令値ＳＦＰとの偏差がプラスの時とマイナスの時とで、それぞれ異なるゲイン（それぞれ、ゲインＰＧ、ゲインＭＧ）を掛ける点が特徴的である。
【００９１】
サチュレータＰＳＴは、上記偏差がプラスの時、すなわち、補正要求電力ＲＰ０が発電電力指令値ＳＦＰよりも大きいときのみ信号を通過させ、それ以外の時は０を出力する制御ブロックである。また、サチュレータＭＳＴは、上記偏差がマイナスの時、すなわち、補正要求電力ＲＰ０が発電電力指令値ＳＦＰよりも小さいときのみ信号を通過させ、それ以外の時は０を出力する制御ブロックである。このため、補正要求電力ＲＰ０が発電電力指令値ＳＦＰよりも大きいときは、両者の偏差に対してゲインＰＧが掛けられ、補正要求電力ＲＰ０が発電電力指令値ＳＦＰよりも小さいときは、両者の偏差に対してゲインＭＧが掛けられる。
【００９２】
ここで、ゲインＰＧ及びゲインＭＧは、いずれも固定値ではなく、バッテリ５２のＳＯＣによりその値が変更される。具体的には、図６に示したゲインマップを参照しながら、その値が決定されるものである。
【００９３】
図６は、ＳＯＣとゲインＰＧとの関係を規定したゲインマップＰＧＭと、ＳＯＣとゲインＭＧとの関係を規定したゲインマップＭＧＭとを表す図である。図６に示したように、ゲインマップＰＧＭは、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％以下の時は、その値が一定のＧ０となっている。一方、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％を超えると、ＳＯＣが高くなるに伴って、その値が徐々に減少するように設定されている。
【００９４】
一方、ゲインマップＭＧＭは、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％以上の時は、その値が一定のＧ０となっている。一方、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣである５０％を下回ると、ＳＯＣが低くなるに伴って、その値が徐々に減少するように設定されている。
【００９５】
本実施形態に係る燃料電池システム１０においては、コントローラ６０においてゲインマップＰＧＭ及びゲインマップＭＧＭが上記のように設定されている結果、既に説明した蓄電量調整制御が行われ、要求電力ＲＰの変化に応じた発電電力ＦＰの変化が図２及び図３に示したようなものとなっている。
【００９６】
すなわち、要求電力ＲＰが上昇すると、補正要求電力ＲＰ０と発電電力指令値ＳＦＰとの偏差がプラスになる。このとき、当該偏差に対して掛けられるゲインＰＧは、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣよりも小さい場合には高い値（Ｇ０）となるため、発電電力指令値ＳＦＰは直ちに増加することとなる。その結果、発電電力ＦＰは直ちに増加する（図２の時刻ｔ１から時刻ｔ２）。
【００９７】
一方、ゲインＰＧは、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣよりも大きい場合には、ＳＯＣが高い程その値が減少するため、発電電力指令値ＳＦＰの増加が抑制される。その結果、発電電力ＦＰの増加が抑制され、発電電力ＦＰの増加速度は緩やかになる（図３の時刻ｔ３から時刻ｔ４）。
【００９８】
また、要求電力ＲＰが減少すると、補正要求電力ＲＰ０と発電電力指令値ＳＦＰとの偏差がマイナスになる。このとき、当該偏差に対して掛けられるゲインＭＧは、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣよりも大きい場合には高い値（Ｇ０）となるため、発電電力指令値ＳＦＰは直ちに減少することとなる。その結果、発電電力ＦＰは直ちに減少する（図３の時刻ｔ４以降）。一方、ゲインＭＧは、ＳＯＣが目標蓄電量ＴＳＯＣよりも小さい場合には、ＳＯＣが低い程その値が減少するため、発電電力指令値ＳＦＰの減少が抑制される。その結果、発電電力ＦＰの減少が抑制され、発電電力ＦＰの減少速度は緩やかになる（図２の時刻ｔ２以降）。
【００９９】
このように、本実施形態では、ＳＯＣに応じてゲインが変化するように設定されたゲインマップＰＧＭ、ＭＧＭを有することにより、図２及び図３に示したような蓄電量調整制御を実現している。
【０１００】
ゲインマップＰＧＭによれば、バッテリ５２のＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの差が大きいほど（ＳＯＣが大きいほど）、要求電力ＲＰが増加した際における発電電力ＦＰの増加の抑制量が大きくなるように制御するため、要求電力ＲＰに対する不足分を補うためにバッテリ５２から放電される電力が大きくなる。このため、ＳＯＣの減少量が大きくなり、ＳＯＣを目標蓄電量ＴＳＯＣにより近づけることができる。
【０１０１】
また、ゲインマップＭＧＭによれば、目標蓄電量ＴＳＯＣとバッテリ５２のＳＯＣとの差が大きいほど（ＳＯＣが小さいほど）、要求電力ＲＰが減少した際における発電電力ＦＰの減少の抑制量が大きくなるように制御するため、バッテリ５２に蓄電される余剰電力が大きくなる。このため、ＳＯＣの増加量が大きくなり、ＳＯＣを目標蓄電量ＴＳＯＣにより近づけることができる。
【０１０２】
ここで、上記のような制御を行う制御ブロックＣＴ１は、入力された要求電力ＲＰ（又は、これに基づいた補正要求電力ＲＰ０）に対し、所定の遮断周波数よりも高い周波数の成分を除去した後に発電電力指令値ＳＦＰとして出力する、平準化装置の一種ということができる。すなわち、発電電力指令値ＳＦＰは、本発明における平準化要求電力に該当するものである。ゲインマップＰＧＭ及びゲインマップＭＧＭによりゲインＰＧ及びゲインＭＧを設定することは、平準化装置の遮断周波数（それぞれ第一遮断周波数、第二遮断周波数）を設定することに該当する。
【０１０３】
例えば、図２の時刻ｔ１以降や図３の時刻ｔ４以降のように、ゲインＰＧ又はゲインＭＧが高い値（Ｇ０）である場合は、遮断周波数が高く設定された場合に該当する。このため、出力される発電電力指令値ＳＦＰの時間変化は、入力された補正要求電力ＲＰ０に高速で追従するような時間変化となる。
【０１０４】
一方、図２の時刻ｔ２以降や図３の時刻ｔ３以降のように、ゲインＰＧ又はゲインＭＧが低い値である場合は、遮断周波数が低く設定された場合に該当する。入力された補正要求電力ＲＰ０のうち急峻な変動成分が除去される結果、出力される発電電力指令値ＳＦＰの時間変化は、入力された補正要求電力ＲＰ０の時間変化に比べて緩やかなものとなる。
【０１０５】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池システム１０では、コントローラ６０が、ＳＯＣの変動幅を抑制するように制御ブロックＣＴ１の遮断周波数を変化させる。すなわち、ＳＯＣセンサ７３によって測定されたＳＯＣに基づいてゲインＰＧ又はゲインＭＧを設定することにより遮断周波数を変化させ、ＳＯＣの変動幅を抑制する制御（蓄電量調整制御）を行っている。
【０１０６】
尚、上記の蓄電量調整制御は、ＳＯＣに基づいて発電電力指令値ＳＦＰを補正するものではあるが、当該補正は、発電電力指令値ＳＦＰに対して補正値を加算若しくは減算するような直接的なものではなく、制御ブロックＣＴ１の遮断周波数を変化させるという間接的なものである。
【０１０７】
このため、ＳＯＣが変動したり、ＳＯＣの測定値にノイズが生じたりした場合であっても、発電電力指令値ＳＦＰ（及び発電電力ＦＰ）はそのような変動要因の影響によって大きく変動してしまうことがない。このため、燃料電池スタック２０のスタック電圧Ｖｃの変動が抑制され、金属触媒の溶解等が抑制されている。
【０１０８】
続いて、バッテリ５２の蓄電性能が低下した場合において行われる燃料電池システム１０の制御について説明する、バッテリ５２は、長期間の使用や充放電を繰り返すこと等により、次第に蓄電性能が低下していく。蓄電性能が低下した状態においては、蓄電できる電力量が小さくなるため、発電電力と要求電力との不一致を補うような十分な充放電ができなくなる。このため、このような状態において上記のような蓄電量調整制御を行おうとすると、蓄電量調整制御が適切に行われず、金属触媒の溶解、析出を却って促進してしまうような場合も起こりうる。
【０１０９】
これを防止するために、燃料電池システム１０では、ゲインＰＧ等にフィルタゲイン下限値を設定している。図６に示したゲインマップにより設定されるゲインＰＧ等の値がフィルタゲイン下限値を下回った場合は、当該ゲインＰＧ等としてフィルタゲイン下限値が設定される。
【０１１０】
その上で、コントローラ６０は、フィルタゲイン下限値をバッテリ５２の蓄電性能に応じて変化させる。バッテリ５２の蓄電性能が低下した状態においては、フィルタゲイン下限値を高めに設定することで蓄電量調整制御を抑制する。更に蓄電性能が低下した状態では、蓄電量調整制御が行われないよう、フィルタゲイン下限値を更に高めに設定する。
【０１１１】
図７は、バッテリ５２の蓄電性能が低下した際における制御を説明するための図であって、バッテリ５２の蓄電性能とフィルタゲイン下限値との関係を示している。図７の横軸に示した「蓄電性能」とは、バッテリ５２の温度から換算されるものであって、バッテリ５２の蓄電性能が全く劣化していない場合の温度（低温）を１００％とし、蓄電性能が著しく低下し、充放電を行えなくなった場合の温度（高温）を０％としている。
【０１１２】
バッテリ５２には、その温度を測定するための温度センサを備えており、その測定値はコントローラ６０に入力される。これにより、コントローラ６０はバッテリ５２の蓄電性能の状態を常に把握し、蓄電性能に基づいてフィルタゲイン下限値を所定周期で更新している。尚、バッテリ５２の温度と蓄電性能との関係は、予め実験等で求めることができる。
【０１１３】
バッテリ５２の温度が低く、蓄電性能が閾値ＴＨ以上である場合には、フィルタゲイン下限値はｍｉｎ０に設定される。ｍｉｎ０は十分低く、図６に示したゲインマップにより設定されるゲインＰＧ等の値が、ｍｉｎ０を下回ることはほとんど無いような値として設定されている。
【０１１４】
バッテリ５２の温度が上昇し、蓄電性能が閾値ＴＨを下回った場合には、図７のようにフィルタゲイン下限値がｍｉｎ０よりも高い値として設定される。その後、バッテリ５２の温度が更に高くなる程、フィルタゲイン下限値はより高い値として設定され、最終的には（蓄電性能が著しく低下して０％近くとなった状態では）ｍｉｎ１として設定される。ｍｉｎ１は、本実施形態においては図６のＧ０と等しい値となっている。即ち、蓄電性能が０％に近い状態ではゲインＰＧ、ゲインＭＧはいずれもＧ０で一定となるように設定されるため、蓄電量調整制御は実行されなくなる。尚、ｍｉｎ１は、Ｇ０よりも高い値として設定してもよい。
【０１１５】
以上のように、コントローラ６０は、バッテリ５２の蓄電性能が低下したと判断した場合には、蓄電量調整制御を行わない。これにより、バッテリ５２の蓄電性能が低下している状況において、蓄電量調整制御が適切に行われなくなることを防止している。
【０１１６】
続いて、本発明の別の実施形態について説明する。当該実施形態においては、制御ブロックＣＴ１が行う平準化処理の内容のみが異なっており、他は燃料電池システム１０と同一である。従って、以下では当該制御ブロックを制御ブロックＣＴ２と表記することとし、制御ブロックＣＴ２が行う平準化処理の内容のみを説明し他の説明を省略する。
【０１１７】
制御ブロックＣＴ２は、制御ブロックＣＴ１と同様に、ＳＯＣと、補正要求電力ＲＰ０との入力を受け、当該入力に基づいて発電電力ＦＰをどのように変化させるのかを決定し、発電電力指令値ＳＦＰを出力するものである。制御ブロックＣＴ２は、入力された補正要求電力ＲＰ０に対し、所定の遮断周波数よりも高い周波数の成分を除去した後に発電電力指令値ＳＦＰとして出力する、所謂ローパスフィルタと称される平準化装置である。
【０１１８】
制御ブロックＣＴ２では、ＳＯＣと遮断周波数との関係を記憶した設定テーブルを有しており、かかる設定テーブルを参照しながら、入力されるＳＯＣに応じて遮断周波数が設定される。図８は、当該設定テーブルの内容を示す図である。
【０１１９】
図８に示したように、遮断周波数として、ＳＯＣに応じた複数の値が設定されている。また、要求電力ＲＰ（及び補正要求電力ＲＰ０）が上昇した場合の設定値（第一遮断周波数）と、下降した場合の設定値（第二遮断周波数）とがそれぞれ設定されている。
【０１２０】
ＳＯＣが適正な状態（例えば４０％から８０％の状態）では、要求電力ＲＰが上昇した場合、及び下降した場合のいずれにおいても、基準遮断周波数Ｆｃが遮断周波数として設定される。基準遮断周波数Ｆｃは比較的高い周波数であって、例えば図２の時刻ｔ１以降のように、出力される発電電力指令値ＳＦＰが、入力された補正要求電力ＲＰ０に高速で追従することが可能となるような周波数である。
【０１２１】
ＳＯＣが高めの状態（例えば８０％から９０％の状態）では、ＳＯＣと目標蓄電量ＴＳＯＣとの偏差（ΔＳＯＣ）の絶対値に対して所定の比例定数Ｋを掛けたものに１を加え、掛かる値で基準遮断周波数Ｆｃを除したもの（以下、調整遮断周波数Ｆｃ２と表記する）が、要求電力ＲＰが上昇した場合の遮断周波数として設定される。一方、要求電力ＲＰが下降した場合の遮断周波数は、基準遮断周波数Ｆｃのままで変更されない。
【０１２２】
調整遮断周波数Ｆｃ２は、基準遮断周波数Ｆｃに比べて低い周波数である。従って、要求電力ＲＰが上昇した場合においては、入力された補正要求電力ＲＰ０のうち急峻な変動成分が除去される結果、出力される発電電力指令値ＳＦＰの時間変化は、入力された補正要求電力ＲＰ０の時間変化に比べて緩やかなものとなる。要求電力ＲＰに対して発電電力ＦＰが不足し、バッテリ５２の放電が促される。その結果、バッテリ５２の蓄電収支はマイナスとなり、高めのＳＯＣは目標蓄電量ＴＳＯＣに近づくこととなる。
【０１２３】
ＳＯＣがさらに高くなり、上限（例えば９０％）以上となった状態では、要求電力ＲＰが上昇した場合の遮断周波数は上記と同様に調整遮断周波数Ｆｃ２となるよう設定される。尚、ΔＳＯＣが大きくなることにより、調整遮断周波数Ｆｃ２は上記よりもさらに低い値となっている。
【０１２４】
一方、要求電力ＲＰが下降した場合の遮断周波数は無限大に設定される。すなわち、入力された補正要求電力ＲＰ０はそのまま発電電力指令値ＳＦＰとして出力される。すなわち、要求電力ＲＰが下降した場合には迅速に発電電力ＦＰを減少させる結果、この場合にもバッテリ５２の放電が促されることとなる。このため、バッテリ５２の蓄電収支は大きなマイナスとなり、上限以上であったＳＯＣは直ちに減少して目標蓄電量ＴＳＯＣに近づくこととなる。
【０１２５】
ＳＯＣが低めの状態（例えば２０％から４０％の状態）では、調整遮断周波数Ｆｃ２が要求電力ＲＰが下降した場合の遮断周波数として設定される。一方、要求電力ＲＰが上昇した場合の遮断周波数は、基準遮断周波数Ｆｃのままで変更されない。
【０１２６】
調整遮断周波数Ｆｃ２は、基準遮断周波数Ｆｃに比べて低い周波数である。従って、要求電力ＲＰが下降した場合においては、入力された補正要求電力ＲＰ０のうち急峻な変動成分が除去される結果、出力される発電電力指令値ＳＦＰの時間変化は、入力された補正要求電力ＲＰ０の時間変化に比べて緩やかなものとなる。要求電力ＲＰに対して発電電力ＦＰが余剰となり、バッテリ５２に蓄電される。その結果、バッテリ５２の蓄電収支はプラスとなり、低めのＳＯＣは目標蓄電量ＴＳＯＣに近づくこととなる。
【０１２７】
ＳＯＣがさらに低くなり、下限（例えば２０％）以下となった状態では、要求電力ＲＰが下降した場合の遮断周波数は上記と同様に調整遮断周波数Ｆｃ２となるよう設定される。尚、ΔＳＯＣが大きくなることにより、調整遮断周波数Ｆｃ２は上記よりもさらに低い値となっている。
【０１２８】
一方、要求電力ＲＰが上昇した場合の遮断周波数は無限大に設定される。すなわち、入力された補正要求電力ＲＰ０はそのまま発電電力指令値ＳＦＰとして出力される。すなわち、要求電力ＲＰが上昇した場合には迅速に発電電力ＦＰを増加させる結果、この場合にも余剰の電力がバッテリ５２へ蓄電されることとなる。このため、バッテリ５２の蓄電収支は大きなプラスとなり、下限以下であったＳＯＣは直ちに増加して目標蓄電量ＴＳＯＣに近づくこととなる。
【０１２９】
以上のように、コントローラ６０は、ＳＯＣの変動幅を抑制するように制御ブロックＣＴ２の遮断周波数を変化させる。すなわち、ＳＯＣセンサ７３によって測定されたＳＯＣと、図８に示した設定テーブルとに基づいて遮断周波数を設定することにより、ＳＯＣの変動幅を抑制する制御（蓄電量調整制御）を行っている。
【０１３０】
本実施形態においては、制御ブロックＣＴ１が行う制御と同様に、ＳＯＣに基づく発電電力指令値ＳＦＰの補正を、制御ブロックＣＴ２の遮断周波数を変化させるという間接的な方法により行っている。このため、ＳＯＣが変動したり、ＳＯＣの測定値にノイズが生じたりした場合であっても、発電電力指令値ＳＦＰ（及び発電電力ＦＰ）はそのような変動要因の影響によって大きく変動してしまうことがない。このため、燃料電池スタック２０のスタック電圧Ｖｃの変動が抑制され、金属触媒の溶解等が抑制されている。
【０１３１】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【０１３２】
１０：燃料電池システム
２０：燃料電池スタック
３０：酸化剤ガス供給系
３１：フィルタ
３２：エアコンプレッサ
３３：酸化剤ガス通路
３４：酸化オフガス通路
３５：加湿器
４０：燃料ガス供給系
４１：燃料ガス供給源
４２：インジェクタ
４３：燃料ガス通路
４４：循環通路
４５：循環ポンプ
４６：排気排水通路
５０：電力系
５１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
５２：バッテリ
５３：トラクションインバータ
５４：トラクションモータ
５５：補機類
６０：コントローラ
７１：電圧センサ
７２：電流センサ
７３：ＳＯＣセンサ
７４：圧力センサ
Ａ２：遮断弁
Ａ３：背圧調整弁
ＡＣＣ：アクセル開度信号
ＶＶ：車速信号
ＦＰ：発電電力
Ｈ１：遮断弁
Ｈ２：レギュレータ
Ｈ３：遮断弁
Ｈ４：遮断弁
Ｈ５：排気排水弁
ＩＧ：イグニッションスイッチ
ＰＧ，ＭＧ：ゲイン
ＰＧＭ，ＭＧＭ：ゲインマップ
ＰＳＴ，ＭＳＴ：サチュレータ
ＲＰ：要求電力
ＲＰ０：補正要求電力
ＳＰ：システム電力
ＳＦＰ：発電電力指令値
ＴＳＯＣ：目標蓄電量
ＴＨ：閾値
Ｖｃ：スタック電圧
ＣＴ１，ＣＴ２：制御ブロック
Ｐ１：ＰＩＤ制御ブロック
基準遮断周波数：Ｆｃ
【図１】
0005812516.tif 000002
【図２】
0005812516.tif 000003
【図３】
0005812516.tif 000004
【図４】
0005812516.tif 000005
【図５】
0005812516.tif 000006
【図６】
0005812516.tif 000007
【図７】
0005812516.tif 000008
【図８】
0005812516.tif 000009