(57)【要約】【課題】燃料電池にダメージを与える可能性のある条件での燃料電池の運転を回避する。【解決手段】基準となる電流−電圧特性に対して許容できる電流の乖離度合いΔＩを定め、電流が電流−電圧特性上の動作点よりΔＩだけ大きく、且つ出力が等しくなる点を結んで許容動作範囲を設定し、燃料電池の動作点がこの許容動作範囲内にあれば出力制限を行わず、この許容動作範囲の境界線上に達した場合は、要求出力をその時点の出力に制限する。または、電流−電圧特性に対して許容できる電圧の乖離度合いΔＶを定め、電圧が電流−電圧特性上の動作点よりΔＶだけ小さくなる点を結んで許容動作範囲を設定し、燃料電池の動作点がこの許容動作範囲内にあれば出力制限を行わず、この境界線上に達した場合は、要求出力をその時点の出力に制限する。【選択図】      図７
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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の供給を受けて電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、要求出力に応じて前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段とを制御する燃料電池出力制御手段とを備える燃料電池発電制御システムにおいて、
前記燃料電池出力制御手段は、前記燃料電池の基準となる電流−電圧特性上における最良動作点と実際の動作点との乖離度合いが許容値を越えないように、前記燃料電池への要求出力を制限することを特徴とする燃料電池発電制御システム。
【請求項２】
前記燃料電池出力制御手段は、
前記燃料電池の基準となる電流−電圧特性を記憶する燃料電池基本性能記憶手段と、
前記燃料電池の実際の電流、電圧の少なくとも一方を検出する燃料電池動作点検出手段と、
要求出力に対する前記燃料電池の前記電流−電圧特性上における最良動作点と、前記燃料電池動作点検出手段により検出される実際の動作点との乖離度合いを算出する動作点乖離算出手段と、
前記動作点乖離度算出手段により算出された乖離度合いが前記許容値を越えないように、前記燃料電池への要求出力の制限値を算出する要求出力制限手段とを有し、
前記要求出力制限手段による算出結果に基づいて前記燃料ガス供給手段と前記酸化剤ガス供給手段とを制御することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項３】
前記要求出力制限手段は、前記乖離度合いの許容値に基づいて前記燃料電池の許容動作範囲を求め、前記動作点検出手段により検出される実際の動作点がこの許容動作範囲を越えないように、前記燃料電池への要求出力の制限値を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項４】
前記燃料電池動作点検出手段は燃料電池出力電流検出手段であり、
前記動作点乖離算出手段は、出力要求時に、前記電流−電圧特性から求められる電流値と前記燃料電池出力電流検出手段より検出される実際の電流値との差を前記乖離度合いとして求め、
前記要求出力制限手段は、前記電流値の差が許容値以上である場合に、前記燃料電池への要求出力を制限することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項５】
前記燃料電池動作点検出手段は燃料電池出力電圧検出手段であり、
前記動作点乖離算出手段は、出力要求時に、前記電流−電圧特性から求められる電圧値と前記燃料電池出力電圧検出手段より検出される実際の電圧値との差を前記乖離度合いとして求め、
前記要求出力制限手段は、前記電圧値の差が許容値以上である場合に、前記燃料電池への要求出力を制限することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項６】
基準となる電流−電圧特性として、前記燃料電池の動作温度に対応する物理量をパラメータとする複数の電流−電圧特性を参照することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項７】
前記燃料電池の動作温度に対応する物理量が、前記燃料電池の動作温度を調節する冷却系の燃料電池入口付近の温度、又は前記燃料電池の動作温度を調節する冷却系の燃料電池出口付近の温度、又は前記燃料電池の燃料極出口側の燃料ガス温度、又は前記燃料電池の空気極出口側の酸化剤ガス温度の何れかであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項８】
前記燃料電池基本性能記憶手段は前記燃料電池の動作温度に対応する物理量をパラメータとする複数の電流−電圧特性を記憶し、
前記動作点乖離算出手段は、前記パラメータ毎に要求出力に対する最良動作点と実際の動作点の乖離度合いを算出し、
前記要求出力制限手段は、前記動作点乖離度算出手段により算出された乖離度合いが前記パラメータ毎に定められる許容値を越えないように、前記燃料電池への要求出力の制限値を算出することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項９】
前記燃料電池の最適動作温度からのずれ量に応じて基準となる電流−電圧特性からの乖離度合いの許容値を変更することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池発電制御システム。
【請求項１０】
燃料電池の最適動作温度からのずれ量が大きくなるのに伴って、前記乖離度合いの許容値を小さくすることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池発電制御システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の発電制御システムに関するものであり、燃料電池から取り出し可能な電力を適切に制御するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の環境問題、特に自動車の排出ガスによる大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題等に対する対策として、クリーンな排気及び高エネルギ効率を可能とする燃料電池技術が注目を浴びている。燃料電池は、燃料となる水素あるいは水素リッチな改質ガス及び酸化剤となる空気を電解質・電極触媒複合体に供給し、電気化学反応を起こし、化学エネルギを電気エネルギに変換するエネルギ変換システムである。
【０００３】
ところで、燃料電池を例えば車両等へ適用する場合、燃費向上を実現するためには、燃料電池の補機の消費電力は、できる限り低いことが求められ、燃料供給系、空気供給系、冷却水循環系のバルブ、ポンプ、ブロア等の性能は、最大出力に対して最低限の性能に設定されることが多い。一方、出力指令の変化に対しては高応答が要求されるが、上述したように、補機の性能が制限されていることから、過渡的に空気不足や燃料不足を生じる場合がある。このような場合、燃料電池の電圧が下がり、出力電流を大きくすることで、要求出力を実現することになる。
【０００４】
ここで、燃料電池からの出力電流が最大取り出し可能電流を越えてしまうと、燃料電池の負荷が過大になって、燃料電池にダメージを与え性能の劣化に繋がる虞れがある。そこで従来、燃料電池からの出力電流が取り出し可能な最大電流を越えた場合に、要求電力が制限される技術が提案されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００５】
この特許文献１に記載される技術は、走行用モータに並列に接続した燃料電池及びバッテリと、前記燃料電池の電流を検出する出力検出手段と、この燃料電池の発電量を制御する発電量制御手段と、前記出力検出手段によって検出された電流が予め定めた上限値を上回ったときに前記発電量制御手段を発電量が低減するように駆動する制御手段とを備えた燃料電池車両に係わるものである。特許文献１記載の技術によれば、燃料電池の負荷が過大になったときに発電量が低減されて燃料電池の出力が減少する。そして、燃料電池の出力減少に伴ってバッテリの放電電力量が増大し、モータの出力が維持される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−６４９０２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術にあっては、燃料電池の負荷が過大になって初めて発電量が低減されるため、短時間ではあるが過大な負荷で燃料電池を運転してしまうことになり、燃料電池にダメージを与え、劣化を促進させてしまう可能性がある。また、仮に出力電流が燃料電池の取り出し可能な最大値を上回っていなくとも、セル電圧のバラツキ等に起因して燃料電池の負荷が過大となり、燃料電池に対してダメージを与えている可能性もある。
【０００８】
さらに、燃料電池から電力を急激に引き出すような場合には、燃料ガス供給手段や酸化剤ガス供給手段の応答遅れにより、燃料ガスや酸化剤ガスが一時的に不足する場合があり、必ずしも出力電流が出力可能最大電流を越えていなくとも、燃料電池にダメージを与えてしまう虞れもある。
【０００９】
本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、燃料電池の出力を適切に制限することで、燃料電池にダメージを与える可能性のある条件で燃料電池が運転されることを避け、燃料電池の劣化を防止することが可能な燃料電池発電制御システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池発電制御システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて電気化学的な反応により発電を行う燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、要求出力に応じて燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段とを制御する燃料電池出力制御手段とを備えるものである。そして、本発明の燃料電池発電制御システムでは、燃料電池出力制御手段が、燃料電池の基準となる電流−電圧特性上における最良動作点と実際の動作点との乖離度合いが許容値を越えないように、燃料電池への要求出力を制限することを特徴としている。
【００１１】
より具体的には、燃料電池出力制御手段は、燃料電池の基準となる電流−電圧特性を記憶する燃料電池基本性能記憶手段と、燃料電池の実際の電流、電圧の少なくとも一方を検出する燃料電池動作点検出手段と、要求出力に対する燃料電池の電流−電圧特性上における最良動作点と燃料電池動作点検出手段により検出される実際の動作点との乖離度合いを算出する動作点乖離算出手段と、この動作点乖離度算出手段により算出された乖離度合いが前記許容値を越えないように燃料電池への要求出力の制限値を算出する要求出力制限手段とを有し、この要求出力制限手段による算出結果に基づいて、燃料ガス供給手段と酸化剤ガス供給手段とを制御する。
【００１２】
本発明の燃料電池発電制御システムでは、燃料電池への要求出力が、電流−電圧特性上における最良動作点と実際の動作点との乖離度合いに応じて、この乖離度合いが許容値を越えないように制限される。このような制限が加えられることにより、最大取り出し可能電流や最低電圧に達する前に燃料電池への要求出力が制限され、燃料電池にダメージを与える可能性のある動作点での燃料電池の運転が回避される。また、要求出力の制限は、電流−電圧特性上の最良動作点に対する燃料電池の実際の動作点の乖離度合いに応じて行われるので、簡易な構成で適切に燃料電池の出力が制限される。
【００１３】
【発明の効果】
本発明の燃料電池発電制御システムによれば、燃料電池の基準となる電流−電圧特性上における最良動作点と実際の動作点との乖離度合いが許容値を越えないように、燃料電池への要求出力が制限されるので、燃料電池の出力電流や出力電圧が最大取り出し可能電流や最低電圧に達する前に、燃料電池にダメージを与える可能性のある条件での燃料電池の運転を回避することができ、燃料電池の劣化を防止することが可能である。また、本発明の燃料電池発電制御システムにおいては、簡易な構成で燃料電池の出力を適切に制限することが可能であり、燃料電池にダメージを与える可能性を確実に小さくすることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した燃料電池発電制御システムの実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１に本実施形態の燃料電池発電制御システムの全体構成を示す。本実施形態の燃料電池発電制御システムは、燃料ガスと酸化剤ガスの供給を受けて電気化学的な反応により発電を行う燃料電池１を備える。この燃料電池１は、燃料ガス（水素）が供給される燃料極と酸化剤ガス（空気）が供給される空気極とが電解質・電極触媒複合体を挟んで重ね合わされて発電セルが構成されるとともに、複数の発電セルが多段積層された構造を有し、電気化学反応により化学エネルギを電気エネルギに変換するものである。
【００１６】
燃料電池１の電解質としては、高エネルギ密度化、低コスト化、軽量化等を考慮して、例えば固体高分子電解質膜が用いられる。固体高分子電解質膜は、例えばフッ素樹脂系イオン交換膜等、イオン（プロトン）伝導性の高分子膜からなるものであり、飽和含水することによりイオン伝導性電解質として機能する。
【００１７】
燃料電池１の空気極側には、当該燃料電池１に酸化剤ガスである空気を供給するための酸化剤ガス供給系が設けられ、また、燃料電池１の燃料極側には、当該燃料電池１に燃料ガスである水素を供給するための燃料ガス供給系が設けられている。そして、これら燃料電池１及び酸化剤ガス供給系、燃料ガス供給系によって、燃料電池システムが構成されている。
【００１８】
酸化剤ガス供給系は、燃料電池１の空気極入口に空気を加圧供給する酸化剤ガス供給装置（例えばコンプレッサ）２や空気供給配管３からなり、酸化剤ガスである空気は、酸化剤ガス供給装置２で調圧されて、空気供給配管３を通して燃料電池１に供給されるようになっている。
【００１９】
一方、燃料ガス供給系は、例えば燃料タンク４、遮断弁５、水素供給配管６、燃料ガス供給装置７から構成されており、燃料ガスである水素は、遮断弁５が開放されることで燃料タンク４から燃料ガス供給装置６へと供給され、燃料ガス供給装置６で調圧されて、水素供給配管７を通して燃料電池１に供給されるようになっている。
【００２０】
また、燃料電池１には、当該燃料電池１で発電した電力を消費する負荷装置（駆動モータ／インバータ）８がリレー９を介して接続されている。具体的には、インバータが燃料電池１に接続され、燃料電池１で発電した電力がこのインバータでエネルギ変換されて駆動モータへ供給されるようになっている。この駆動モータは、燃料電池システムを車両に適用した場合には、車両走行の動力として使用されることになる。
【００２１】
さらに、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、適正な運転圧力を算出し、これに応じて燃料ガス供給装置６から供給される水素圧や、酸化剤ガス供給装置２により供給される空気圧等、燃料電池システムの動作を制御するコントローラ１０を備えている。また、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、燃料電池１の電流値を検出する電流センサ１１及び燃料電池１の電圧値を検出する電圧センサ１２が設けられており、前記コントローラ１０は、これら電流センサ１１及び電圧センサ１２のセンシング値をモニタするとともに、車両状態信号や運転操作信号に応じた発電出力となるように、燃料電池１の燃料ガス供給系や酸化剤ガス供給系を制御する。
【００２２】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０は、例えばＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵ周辺回路等を備え、これらがバスを介して接続されたマイクロプロセッサ構成を有している。そして、ＣＰＵがＲＡＭをワークエリアとして利用して、ＲＯＭに格納された動作制御プログラムを実行することによって、目標出力算出部１３、モータ制御部１４、燃料電池制御部１５、燃料電池動作点検出部１６、燃料電池特性記憶部１７、動作点乖離度算出部１８、目標出力制限値算出部１９としての機能が実現されるようになっている。
【００２３】
以下、このコントローラ１０における制御動作について詳細に説明する。
【００２４】
負荷装置８は、コントローラ１０からのトルク指令値に応じて駆動トルクを発生するために、リレー９を通して、燃料電池１から電力を引き出す。このとき、先ず、目標出力算出部１３において、車速等の車両状態信号とドライバのアクセルペダル操作によるアクセルペダル開度信号などの運転操作信号に基づき、負荷装置８や燃料電池１の目標動作点を算出する。
【００２５】
目標出力算出部１３は、例えば図２に示されるように、車速とアクセル開度から２次元マップを参照する等して目標駆動力を算出する駆動力算出部２０と、目標駆動力と、車両質量、タイヤ半径、減速ギヤ比等のパラメータから目標モータ軸トルクを算出するモータトルク指令値算出部と２１から構成され、その時々の、車速、アクセル開度からモータトルク指令値を算出している。ここで、図２は、モータトルクＦが駆動力、車両質量、タイヤ半径、減速ギヤ比から求められることを示している。このモータトルク指令値がモータ制御部１４に伝えられ、モータ制御部１４ではこの指令値通りにモータがトルクを発生するように負荷装置８を制御する。
【００２６】
燃料電池１への要求出力指令値は、例えば、モータトルク指令を実現するために必要な負荷装置８での消費電力や、予め測定された負荷装置８での損失等を考慮して算出し、これに、車両や燃料電池１で消費される補機電力を加算して算出する。算出された要求出力指令値は、燃料電池システム制御部１５に伝えられ、燃料電池システム制御部１５では、指令値どおりの出力を燃料電池１から正常に取り出せるように、予め定められたロジック通りに例えば燃料ガス供給装置６に含まれるアクチュエータや、酸化剤ガス供給装置２に含まれるアクチュエータ等を制御する。
【００２７】
燃料電池動作点検出部１６では、電流センサ１１で検出した信号、及び電圧センサ１２で検出した信号から、電流と電圧で表される燃料電池の動作点を検出する。
【００２８】
燃料電池特性記憶部１７では、予め測定した燃料電池の静的な性能を表す電流−電圧特性（基準となる電流−電圧特性）を記憶している。この基準となる電流−電圧特性は、例えば図３に示すようなものである。
【００２９】
動作点乖離度算出部１８では、燃料電池動作点検出部１６で検出された電流，電圧で表される動作点と、燃料電池特性記憶部１５で記憶されている電流−電圧特性上における基準点とを、予め定められたロジック（評価関数）に基づいて比較し、その時々の燃料電池１の動作点が正常な（静的な）場合（基準点）からどれだけ乖離しているかを乖離度として算出する。
【００３０】
目標出力制限値算出部１９では、動作点の乖離度に応じて最大取出し可能電力の制限値を算出する。この制限値は、予め、実験等によって燃料電池にダメージを与えない動作点を求めておき、その範囲内に動作点が収まるようなものとする。ここで算出された出力制限値は、目標出力算出部１３にフィードバックされ、次の制御周期での目標出力と比較され、目標出力が出力制限値以上の場合には、目標出力指令値を出力制限値で与える。
【００３１】
通常、従来の技術にあっては、図４に示すように、出力を制限する出力可能最大電流Ｉｌｉｍｉｔや許容最小電圧Ｖｌｉｍｉｔは、取り出し可能な最大電力を示す電流−電圧特性線上の動作点Ｃで規定されている。
【００３２】
しかしながら、燃料電池から電力を急激に引き出すような場合には、燃料ガス供給手段や酸化剤ガス供給手段の応答遅れにより、燃料ガスや酸化剤ガスが一時的に不足する場合がある。その結果、理想的な電流−電圧特性から与えられる要求出力に応じた電流、電圧に対して、大きめの電流、低めの電圧で、要求出力を実現する。この時の電流は、出力可能最大電流以下であったとしても、燃料電池を構成する個々のセルで見ると、電圧が過度に低下し、劣化が促進してしまう場合がある。
【００３３】
図４は典型的な燃料電池の電流−電圧特性を表している。この図４において、動作点Ａは、空気、燃料が十分に供給されている場合の動作点（出力小）であり、動作点Ｂは、空気、燃料が十分に供給されている場合の動作点（出力大）である。また、動作点Ｂ′は、過渡的に空気等が不足した場合の動作点である。また、図５は、燃料電池１から電力を急激に引き出す場合の出力、電流、電圧、セル電圧のバラツキの変化の様子を示すものである。
【００３４】
燃料電池の状態が理想的であり、且つ要求出力に対する応答が十分に速ければ、燃料電池の動作点は常にこの線上にある。すなわち、動作点は、動作点Ａ→動作点Ｂと変化する。例えば、動作点が動作点Ａから動作点Ｂに移る場合には、図５において破線で示したように、電流、電圧は滑らかに変化していく。
【００３５】
しかしながら、要求出力の変化の速さに対して十分な速さで応答できない場合には、動作点は、一旦、電流−電圧特性を外れて、動作点Ａから電流が大きく電圧が低い動作点Ｂ′を経由して動作点Ｂに移っていく。このような状況では、酸化剤ガスや燃料ガスの供給が追いつかず、酸化剤ガスや燃料ガスが不足した状態で燃料電池を運転することになり、必ずしも電流や電圧が出力可能最大電流Ｉｌｉｍｉｔや許容最小電圧Ｖｌｉｍｉｔで規定される範囲から外れていなくても、燃料電池１に対してダメージを与えてしまう可能性がある。
【００３６】
そこで、本実施形態においては、図６に示すように、基準となる電流−電圧特性に対して、予め実験等で求めた電流の乖離度合いの許容値、すなわち許容乖離電流値ΔＩを定め、電流が基準となる電流−電圧特性上の動作点よりΔＩだけ大きく、且つ出力が等しくなる点を結んだ領域（許容動作範囲）内に動作点があれば、出力制限を行わず、この境界線上に達した場合は、要求出力をその時点の出力に制限する。
【００３７】
すなわち、図６において、基準となる電流−電圧特性上の点から許容乖離電流値ΔＩだけ電流値が大きくなった場合の等出力曲線上の電圧値を求める。基準となる電流−電圧特性上の各点における等出力曲線は、図中一点鎖線で示すようなものであり、先の許容乖離電流値ΔＩだけ電流値が大きくなった場合の電圧値は、この等出力曲線上を辿ることで算出することができる。これによって算出される電圧値を許容し得る最小電圧とし、これら最小電圧値を結んで許容動作範囲を求める。本実施形態では、先の許容最小電圧Ｖｌｉｍｉｔで出力制限を行うのではなく、この許容動作範囲により出力制限を行うようにしている。
【００３８】
図７は、この許容動作範囲による出力制限の様子を示すものである。本実施形態でも、要求出力の変化の速さに対して十分な速さで応答できない場合には、動作点は、一旦、電流−電圧特性を外れて、動作点Ａから電流が大きく電圧が低い動作点を経由して動作点Ｂに移っていく。ただし、このとき、最小電圧が先の図６に示す許容動作範囲によって規制され、動作点Ｂ′にまでは至らず、この許容動作範囲の境界線上を移動し、動作点Ｂへと移る。この許容動作範囲は、実験的に燃料電池１にダメージを与えることがないことが確かめられている領域であり、このような制限を加えることにより、燃料電池１に対してダメージを与えるような運転を回避することができる。
【００３９】
図８は、図７に示すように動作点が変動した場合の要求出力、電流、電圧の変化の様子を示すものである。電流値の変化が許容乖離電流値ΔＩに抑えられているために、要求出力は、先の図５の場合（図中破線で示す。）に比べて制限されており、燃料電池１にダメージを与える可能性が少ないことが分かる。
【００４０】
以上のように、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、コントローラ１０の燃料電池特性記憶部１７に記憶されている電流−電圧特性から要求出力を実現するための理想的な電流及び電圧で表される動作点を求め、燃料電池動作点検出部１６により実際の電流及び電圧で表される動作点を求め、動作点乖離算出部１８により、予め定められた評価方法に基づき、理想的な動作点と実際の動作点の乖離度合いを判定、算出し、目標出力制限値算出部１９が動作点の乖離度合いに応じて燃料電池１への要求出力の値を制限する構成としたので、最大取出し可能電流や、最低電圧に達していなくても、燃料電池１にダメージを与える可能性のある動作点で燃料電池１が運転されることを避けることが可能となり、燃料電池１の劣化を解消することが可能である。
【００４１】
また、本実施形態では、燃料電池動作点検出部１６は燃料電池１の電流を検出し、動作点乖離算出部１８は要求出力時の理想的な電流と実際の電流とが予め定められた値以上の差を有しているか否かを算出し、目標出力制限値算出部１９が電流に所定以上の差がある場合に要求出力を制限する構成としたので、簡易な構成で、適切に燃料電池１の出力を制限することができ、結果として、燃料電池１に対してダメージを与える可能性をより小さくすることができるという効果が得られる。
【００４２】
（第２の実施形態）
本実施形態の燃料電池発電制御システムは、システム構成を上述した第１の実施形態と同様とし、コントローラ１０が、基準となる電流−電圧特性から求められる電圧値と実際の電圧値と乖離度合いに応じて要求出力を制限するようにしたものである。すなわち、本実施形態では、基準となる電流−電圧特性に対して、予め実験等で求めた電圧の乖離度合いの許容値、すなわち許容乖離電圧値ΔＶを定め、電圧が基準となる電流−電圧特性上の動作点よりΔＶだけ小さくなる点を結んだ領域（許容動作範囲）内に動作点があれば、出力制限を行わず、この許容動作範囲の境界線上に達した場合は、要求出力をその時点の出力に制限するようにしている。
【００４３】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０は、図９に示すように、基準となる電流−電圧特性に対して、予め実験等で求めた電圧の乖離度合いの許容値、すなわち許容乖離電圧値ΔＶを定め、基準となる電流−電圧特性上の動作点よりΔＶだけ小さくなる電圧値を許容し得る最小電圧とし、これら最小電圧値を結んだ領域を許容動作範囲とする。そして、本実施形態でも、許容最小電圧Ｖｌｉｍｉｔで出力制限を行うのではなく、この許容動作範囲で出力制限を行うようにしている。
【００４４】
図１０は、この許容動作範囲による出力制限の様子を示すものである。本実施形態でも、要求出力の変化の速さに対して十分な速さで応答できない場合には、動作点は、一旦、電流−電圧特性を外れて、動作点Ａから電流が大きく電圧が低い動作点を経由して動作点Ｂに移っていく。ただし、このとき、最小電圧が先の図９に示す許容動作範囲によって規制され、動作点Ｂ′にまでは至らず、この許容動作範囲の境界線上を移動し、動作点Ｂへと移る。この許容動作範囲は、実験的に燃料電池１にダメージを与えることがないことが確かめられている領域であり、このような制限を加えることにより、燃料電池１に対してダメージを与えるような運転を回避することができる。
【００４５】
図１１は、図１０に示すように動作点が変動した場合の要求出力、電流、電圧の変化の様子を示すものである。電圧値の変化が許容乖離電圧値ΔＶに抑えられているために、最大となる電流値も抑えられ、要求出力は、先の図５の場合（図中破線で示す。）に比べて制限されており、燃料電池１にダメージを与える可能性が少ないことが分かる。
【００４６】
以上のように、本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいても、最大取出し可能電流や、最低電圧に達していなくても、燃料電池にダメージを与える可能性のある動作点で燃料電池が運転されることを避けることが可能となり、燃料電池の劣化を解消することが可能である。
【００４７】
また、本実施形態では、燃料電池動作点検出部１６は燃料電池１の電圧を検出し、動作点乖離算出部１８は要求出力時の理想的な電圧と実際の電圧とが予め定められた値以上の差を有しているか否かを算出し、目標出力制限値算出部１９が電圧に所定以上の差がある場合に要求出力を制限する構成としたので、簡易な構成で、適切に燃料電池１の出力を制限することができ、結果として、燃料電池１に対してダメージを与える可能性をより小さくすることができるという効果が得られる。
【００４８】
（第３の実施形態）
本実施形態の燃料電池発電制御システムは、燃料電池１への出力制限を行うにあたって燃料電池１の動作温度も考慮するようにした例である。本実施形態のシステム構成は、基本的には上述した第１及び第２の実施形態のものと同様であるが、図１２に示すように、燃料電池１には温度センサ２２が設置されている。温度センサ２２の設置場所としては、燃料電池１の冷却水の入口部、燃料電池１の冷却水の出口部、燃料電池１の燃料極側の燃料ガス排出部、燃料電池１の空気極側の酸化剤ガス排出部等を挙げることができる。
【００４９】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０の燃料電池特性記憶部１７は、燃料電池１の動作温度に対応する物理量（ここでは、燃料電池１の冷却水の入口部温度や、燃料電池１の冷却水の出口部温度、燃料電池１の燃料極側の燃料ガス排出部温度、燃料電池１の空気極側の酸化剤ガス排出部温度等、温度センサ２２が設置される部分の温度）をパラメータとする複数の電流−電圧特性を記憶している。そして、これら複数の電流−電圧特性の中から、温度センサ２２からの信号に応じて対応した電流−電圧特性が選択されるようになっている。
【００５０】
図１３は、燃料電池１の動作温度に応じた電流−電圧特性を示しており、燃料電池１の動作温度が低くなるほど引き出す電流が少なくても電圧の低下が大きくなり、同等の出力を取り出すためには大きな電流、低い電圧となることを示している。
【００５１】
本実施形態の燃料電池発電制御システムにおいて、コントローラ１０の動作点乖離度算出部１８は、温度センサ２２からの信号に応じて、予め定められた評価関数に従い乖離度を判定するようにしている。一般に、燃料電池スタックには最適な動作温度があり、実際の動作温度がこれよりも低ければ、活性度が悪くなり、電圧低下が発生しやすくなる。一方、動作温度が高くなりすぎると、燃料ガスと酸化剤ガスの電気化学的な反応が起こる膜にダメージを与えてしまう。従って、本実施形態では、図１４に示すように、実際の動作温度が最適動作温度より低い場合には、その差が大きくなるほど、より小さい電圧差ΔＶＬでも出力が制限されるようにしている。同様に、実際の動作温度が最適動作温度より高い場合も、その差が大きくなるほど、より小さい電圧差ΔＶＬで出力が制限されるようにしている。実際の動作温度が最適動作温度に近い場合には、より大きな電圧差ΔＶＨで出力が制限される。
【００５２】
燃料電池１の動作温度が低い場合と燃料電池１の動作温度が高い場合との出力制限のされ方の違いを図１５に示す。図１５（ａ）は、燃料電池１の動作温度と最適動作温度との差が大きい場合であり、このような場合には、電圧値ΔＶＬで規定される範囲からはみ出さないように出力制限される。また、図１５（ｂ）は、燃料電池１の動作温度と最適動作温度との差が小さい場合であり、このような場合には、電圧値ΔＶＨで規定される範囲からはみ出さないように出力制限される。ここで、ΔＶＨ＞ΔＶＬである。なお、ここでは、動作点の乖離の判断に、上述した第２の実施形態と同様に電圧値を用いているが、上述した第１の実施形態と同様に電流値を用いるようにしてもよい。
【００５３】
以上のように、本実施形態の燃料電池発電制御システムでは、コントローラ１０の燃料電池特性記憶部１７が燃料電池１の動作温度に対応する物理量（燃料電池１の冷却水の入口部温度や、燃料電池１の冷却水の出口部温度、燃料電池１の燃料極側の燃料ガス排出部温度、燃料電池１の空気極側の酸化剤ガス排出部温度等）をパラメータとする複数の電流−電圧特性を記憶しており、動作点乖離算出部１８が該パラメータ毎に定められた評価方法に基づき要求出力に対する理想的な動作点と実際の動作点の乖離度合いを判定、算出し、目標出力制限値算出部１９がパラメータ毎に定められた方法に基づき要求出力を制限するようにしているので、燃料電池１の運転温度に応じてより正確に燃料電池１の動作点を規定することができ、結果として、燃料電池１に対してダメージを与える可能性をより小さくできるという効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の燃料電池発電制御システムの構成を示す図である。
【図２】目標出力算出部の構成を示す図である。
【図３】燃料電池の電流−電圧特性の一例を示す特性図である。
【図４】従来技術における制御の様子を示す特性図である。
【図５】図４で示すように動作点が移動した場合の出力、電流、電圧、セル電圧のバラツキの変化の様子を示す特性図である。
【図６】許容乖離電流値に基づいて設定される許容動作範囲の一例を示す特性図である。
【図７】前記許容動作範囲に基づいて行われる要求出力の制限の様子を示す特性図である。
【図８】図７で示すように動作点が移動した場合の出力、電流、電圧の変化の様子を示す特性図である。
【図９】許容乖離電圧値に基づいて設定される許容動作範囲の一例を示す特性図である。
【図１０】前記許容動作範囲に基づいて行われる要求出力の制限の様子を示す特性図である。
【図１１】図１０で示すように動作点が移動した場合の出力、電流、電圧の変化の様子を示す特性図である。
【図１２】第３の実施形態の燃料電池発電制御システムの構成を示す図である。
【図１３】燃料電池の動作温度に応じた電流−電圧特性を示す特性図である。
【図１４】最適動作温度からのズレによる許容乖離電圧値の相違を示す特性図である。
【図１５】燃料電池の動作温度の相違による要求出力の制限の相違を示す特性図であり、（ａ）は燃料電池の動作温度が低い場合の出力制限の様子を示し、（ｂ）は燃料電池の動作温度が高い場合の出力制限の様子を示している。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  酸化剤ガス供給装置
６  燃料ガス供給装置
８  負荷装置
１０  コントローラ
１１  電流センサ
１２  電圧センサ
１３  目標出力算出部
１４  モータ制御部
１５  燃料電池システム制御部
１６  燃料電池動作点検出部
１７  燃料電池特性記憶部
１８  動作点乖離度算出部
１９  目標出力制限値算出部
２２  温度センサ
【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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