(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力負荷に応じた負荷電力を供給するための燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電池出力を前記電力負荷に供給可能な負荷出力に変換して出力する電力出力部と、
前記燃料電池が前記電力負荷に対応する要求負荷電力に応じた電池出力を出力するように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記電力負荷が変化した場合において、前記燃料電池の出力電圧が前記要求負荷電力に応じて決定される限界出力電圧となるまで、前記燃料電池における燃料利用率の変化率の状態として、比較的大きい変化率の状態と比較的小さい変化率の状態とを交互に繰り返すことにより、前記燃料利用率を徐々に増加させるように制御し、
前記制御部は、
ｉ）前記燃料電池へ供給する燃料量を変化させる燃料量制御と、
ｉｉ）前記燃料電池から出力される電流量に対応する前記電力出力部の動作を制御する制御電流量を変化させる電流量制御と、
の少なくとも一方を利用して、前記燃料利用率を変化させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記比較的大きい変化率の状態は、前記燃料利用率を増加させる状態であり、
前記比較的小さい変化率の状態は、前記燃料利用率を減少させる状態であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池システムであって、
前記比較的大きい変化率の状態は、前記燃料利用率を増加させる状態であり、
前記比較的小さい変化率の状態は、前記比較的大きい変化率の状態よりも前記燃料利用率を小さく増加させる状態であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率が大きいほど、前記比較的小さい変化率の状態における前記燃料利用率の減少量を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率が大きいほど、前記比較的大きい変化率の状態における前記燃料利用率の増加量を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料量制御を利用する場合において、前記比較的大きい変化率の状態と前記比較的小さい変化率の状態とを交互に繰り返すことが停止された時点における前記燃料利用率よりも所定量小さな値を、前記要求負荷電力を含む動作条件に対応する前記燃料利用率として学習記憶することを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電流量制御を利用する場合において、前記比較的大きい変化率の状態と前記比較的小さい変化率の状態とを交互に繰り返すことが停止された時点における前記制御電流量よりも所定量小さな値を、前記要求負荷電力を含む動作条件に対応する前記制御電流量として学習記憶することを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率に応じて、前記燃料量制御と、前記電流量制御と、を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率が所定値以上の場合には前記燃料量制御とし、前記電力負荷の変化率が所定値以下の場合には前記電流量制御とすることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項８記載の燃料電池システムであって、
前記電流量制御の状態において、前記電力負荷の変化率が第１の値以上の場合には前記燃料制御に切り換え、
前記燃料量制御の状態において、前記電力負荷の変化率が前記第１の値よりも小さい第２の値である場合には前記電流制御の状態に切り換える
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料電池を用い、電力負荷に応じた負荷電力を供給するための燃料電池システムの制御方法であって、
前記電力負荷が変化した場合において、前記燃料電池の出力電圧が前記要求負荷電力に応じて決定される限界出力電圧となるまで、前記燃料電池における燃料利用率の変化率の状態を、比較的大きい変化率の状態と比較的小さい変化率の状態とに交互に繰り返すことにより、前記燃料利用率を徐々に増加させるように制御し、
ｉ）前記燃料電池へ供給する燃料量を変化させる燃料量制御と、
ｉｉ）前記燃料電池から出力される電流量に対応する前記電力出力部の動作を制御する制御電流量を変化させる電流量制御と、
の少なくとも一方を利用して、前記燃料利用率を変化させる
ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムの燃料電池における燃料利用率を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池システムでは、発電効率の向上を目的として、燃料枯渇状態とならない範囲で可能な限り高い燃料利用率で運転するように、燃料利用率を制御することが行われている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、予め燃料電池の電流と電圧の関係（「ＩＶ特性」と呼ばれる）を温度の関数として実測したデータに基づいて、設定された燃料電池の制御限界（燃料枯渇限界）である電圧下限値を下回らないように燃料利用率を制御する。この燃料利用率の制御は、燃料電池に供給する燃料流量あるいは燃料電池から出力する電流量が制御対象とされる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−５９３５９号公報
【特許文献２】特開２００３−１９７２３２号公報
【特許文献３】特開２００５−９３１１１号公報
【特許文献４】特開２００５−９３２１８号公報
【特許文献５】特開２００３−２８２１１５号公報
【特許文献６】特開平８−７９１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、燃料流量制御の場合には、燃料流量制御アクチュエータとしてマスフロー弁（ＭＦＣ）のような流量制御分解能に優れたものを利用することが好ましい。しかしながら、このような流路制御分解能に優れたものは極めて高価であるため、安価なものを使用したいという要望がある。ところが、このような安価な流量制御アクチュエータは流量制御分解能が低いため、燃料利用率の制御動作中において、一時的に電圧下限値を下回ってしまう可能性が高い、という問題がある。
【０００５】
また、電流量制御は制御分解能の点では優れるが、システムの応答性を考慮すると、燃料流量制御の場合と同様に、応答性定常負荷あるいは負荷減少時の制御には不向きである、燃料利用率の制御動作中において、一時的に電圧下限値を下回ってしまう可能性が高い、という問題がある。
【０００６】
したがって、いずれの場合においても、電圧下限値に対してある程度マージンを考慮した制御とせざるを得ず、燃料利用率の点で改善の余地があった。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料利用率の向上を図ることが可能な技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
本発明の一形態としては、電力負荷に応じた負荷電力を供給するための燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電池出力を前記電力負荷に供給可能な負荷出力に変換して出力する電力出力部と、
前記燃料電池が前記電力負荷に対応する要求負荷電力に応じた電池出力を出力するように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記電力負荷が変化した場合において、前記燃料電池の出力電圧が前記要求負荷電力に応じて決定される限界出力電圧となるまで、前記燃料電池における燃料利用率の変化率の状態として、比較的大きい変化率の状態と比較的小さい変化率の状態とを交互に繰り返すことにより、前記燃料利用率を徐々に増加させるように制御し、
前記制御部は、
ｉ）前記燃料電池へ供給する燃料量を変化させる燃料量制御と、
ｉｉ）前記燃料電池から出力される電流量に対応する前記電力出力部の動作を制御する制御電流量を変化させる電流量制御と、
の少なくとも一方を利用して、前記燃料利用率を変化させる
ことを特徴とする燃料電池システムである。
この形態によれば、前記電力負荷が変化した場合において、前記燃料電池の出力電圧が前記要求負荷電力に応じて決定される限界出力電圧となるまで、燃料利用率を徐々に増加させていくことができるので、燃料利用率の向上を図ることが可能であり、限界出力電圧に対応する高い燃料利用率で動作させることができる。また、燃料量制御あるいは電流量制御によれば、電力負荷の変化率に応じて、容易に燃料利用率を変化させることができ、燃料利用率の向上を図ることが可能である。
【０００９】
［適用例１］
電力負荷に応じた負荷電力を供給するための燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池の電池出力を前記電力負荷に供給可能な負荷出力に変換して出力する電力出力部と、
前記燃料電池が前記電力負荷に対応する要求負荷電力に応じた電池出力を出力するように制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記電力負荷が変化した場合において、前記燃料電池における燃料利用率の変化率の状態として、比較的大きい変化率の状態と比較的小さい変化率の状態とを交互に繰り返すことにより、前記燃料利用率を制御する
ことを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、燃料利用率を徐々に変化させていくことができるので、燃料利用率の向上を図ることが可能である。なお、燃料利用率の変化率は、燃料利用率の単位時間あたりの変化量を示しており、正の変化率と負の変化率が存在する。
【００１０】
［適用例２］
適用例１記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率に応じて、
前記制御部は、
ｉ）前記燃料電池へ供給する燃料量を変化させる燃料量制御と、
ｉｉ）前記燃料電池から出力される電流量に対応する前記電力出力部の動作を制御する制御電流量を変化させる電流量制御と、
の少なくとも一方を利用して、前記燃料利用率を変化させる
ことを特徴とする燃料電池システム。
こ燃料量制御あるいは電流量制御によれば、電力負荷の変化率に応じて、容易に燃料利用率を変化させることができ、燃料利用率の向上を図ることが可能である。
【００１１】
［適用例３］
適用例２記載の燃料電池システムであって、
前記制御部は、
前記燃料電池の出力電圧が前記要求負荷電力に応じて決定される限界出力電圧となるまで前記比較的大きい変化率の状態と比較的小さい変化率の状態とに交互に繰り返す
ことを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、限界出力電圧に対応する高い燃料利用率で動作させることが可能である。
【００１２】
［適用例４］
適用例３記載の燃料電池システムであって、
前記比較的大きい変化率の状態は、前記燃料利用率を増加させる状態であり、
前記比較的小さい変化率の状態は、前記燃料利用率を減少させる状態であることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、燃料利用率が限界出力電圧に対応する状態を超えてしまう可能性を抑制することができる。
【００１３】
［適用例５］
適用例３記載の燃料電池システムであって、
前記比較的大きい変化率の状態は、前記燃料利用率を増加させる状態であり、
前記比較的小さい変化率の状態は、前記比較的大きい変化率の状態よりも小さく前記燃料利用率を小さく増加させる状態であることを特徴とする燃料電池システム。
このようにしても、燃料利用率が限界出力電圧に対応する状態を超えてしまう可能性を抑制することができる。
【００１４】
［適用例６］
適用例４記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率が大きいほど、前記比較的小さい変化率の状態における前記燃料利用率の減少量を小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、電力負荷の変化率が大きい場合に、燃料利用率が限界出力電圧に対応する状態になるまでの時間を短縮することができる。なお、電力負荷の変化率は、燃料利用率の単位時間あたりの変化量の大きさを示している。
【００１５】
［適用例７］
適用例３ないし適用例６のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率が大きいほど、前記比較的大きい変化率の大きさを小さくすることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、燃料利用率が限界出力電圧に対応する状態を超えてしまう可能性を抑制することができる。
【００１６】
［適用例８］
適用例３ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料量制御を利用する場合において、前記比較的大きい変化率の状態と前記比較的小さい変化率の状態とを交互に繰り返すことが停止された時点における前記燃料利用率よりも所定量小さな値を、前記要求負荷電力を含む動作条件に対応する前記燃料利用率として学習記憶することを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、燃料利用率が限界出力電圧に対応する状態を超えてしまう可能性を抑制することができる。
【００１７】
［適用例９］
適用例３ないし適用例７のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電流量制御を利用する場合において、前記比較的大きい変化率の状態と前記比較的小さい変化率の状態とを交互に繰り返すことが停止された時点における前記制御電流量よりも所定量小さな値を、前記要求負荷電力を含む動作条件に対応する前記制御電流量として学習記憶することを特徴とすることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、燃料利用率が限界出力電圧に対応する状態を超えてしまう可能性を抑制することができる。
【００１８】
［適用例１０］
適用例２ないし適用例５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率に応じて、前記燃料量制御と、前記電流量制御と、を切り換えることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、電力負荷の変化率に応じて、適した制御を選択することができる。
【００１９】
［適用例１１］
適用例１０記載の燃料電池システムであって、
前記電力負荷の変化率が所定値以上の場合には前記燃料量制御とし、前記電力負荷の変化率が所定値以下の場合には前記電流量制御とすることを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、比較的制御精度を要求しない電力負荷の変化率が大きい場合には燃料量制御として高速な制御を実現し、比較的制御精度を要求する電力負荷の変化率が小さい場合には電流量制御として高精度な制御を実現することができる。
【００２０】
［適用例１２］
適用例１０記載の燃料電池システムであって、
前記電流量制御の状態において、前記電力負荷の変化率が第１の値以上の場合には前記燃料制御に切り換え、
前記燃料量制御の状態において、前記電力負荷の変化率が前記第１の値よりも小さい第２の値である場合には前記電流制御の状態に切り換える
ことを特徴とする燃料電池システム。
このようにすれば、比較的制御精度を要求しない電力負荷の変化率が大きい場合には燃料量制御として高速な制御を実現し、比較的制御精度を要求する電力負荷の変化率が小さい場合には電流量制御として高精度な制御を実現することができる。また、電流量制御の状態では第１の値をしきい値とし、燃料量制御の状態では第１の値よりも小さい第２の値をしきい値としているので、電流量制御と燃料量制御との切り換えにハンティングが発生することを防止することができる。
【００２１】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムや燃料電池システムの制御方法などの種々の形態で実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の実施の形態を、実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
Ｂ．第１実施例の制御動作：
Ｃ．第２実施例の制御動作：
Ｄ．第３実施例の制御動作：
Ｅ．第４実施例の制御動作：
Ｆ．変形例：
【００２３】
Ａ．燃料電池システムの概略構成：
図１は燃料電池システム１０００の概略構成を示すブロック図である。この燃料電池システム１０００は、燃料電池１００と、電力出力部２００と、系統連系インタフェース３００と、燃料ポンプ４００と、脱硫器５００と、蒸発器６００と、改質器７００と、エアポンプ８００と、制御装置９００と、を備えている。
【００２４】
燃料電池１００は、アノードに供給される燃料ガス（水素）と、カソードに供給される酸化ガス（空気に含まれる酸素）との電気化学反応により電力を発生する。この燃料電池１００としては、固体高分子型燃料電池等の種々の燃料電池を用いることができる。なお、通常、燃料電池１００は、複数のセルを積層したスタック構造とされる。
【００２５】
アノードに供給される燃料ガスは、改質器７００において、燃料ポンプ４００から送られてくる原燃料を水蒸気改質することにより生成される。改質器７００に供給される原燃料は、脱硫器５００により硫黄分が除去され、蒸発器６００により生成された水蒸気と混合される。また、カソードに供給される酸化ガスは、エアポンプ８００からカソードに送られてくる空気に含まれている。
【００２６】
この改質器７００は、改質を実行する改質部７１０と改質部の温度を改質に適した温度とするための加熱部７２０とで構成される。加熱部７２０による改質部７１０への加熱は、燃料電池１００のアノードから排出される燃料ガスと、カソードから排出される酸化ガスとの燃焼により実行される。
【００２７】
電力出力部２００は、燃料電池１００から出力される直流の電圧Ｖ＿ｆｃを商用電力と同じ交流の電圧Ｖ＿ａｃ（＝Ｖ＿ｉｎｖ）に変換して出力する。この電力出力部２００は、直流を交流に変換するインバータ（ＩＮＶ）２１０と、燃料電池１００から出力される直流の電圧Ｖ＿ｆｃを、インバータ２１０に入力可能な直流の入力電圧Ｖ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎに変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２２０と、で構成される。
【００２８】
系統連系インタフェース３００は、電力出力部２００から出力される電力と、商用電力系統からの電力の電力負荷に供給する割合を調整する。なお、燃料電池システム１０００から電力系統への電力の送出がなされないように調整する場合には、電力負荷が要求する電力の少なくとも一部が、商用電力系統から送出されるように調整することが好ましい。
【００２９】
制御装置９００は、燃料ポンプ４００に対して燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎを与えることにより燃料ポンプ４００の燃料流量を制御する。この燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎは、後述する実施例で説明するように、燃料電池１００の平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃと、燃料電池１００の温度Ｔ＿ｆｃと、電力負荷が必要とする電力のうち、燃料電池システム１０００に対する要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑと、に基づいて決定される。
【００３０】
Ｂ．第１実施例の制御動作：
図２は、制御装置９００によって実行される第１実施例の制御動作を示す制御フロー図である。第１実施例の制御動作は、制御装置９００が、以下で説明するように、電力負荷に変化が発生し、これに応じて電力負荷の要求電力に変化が発生すると、制御サイクル時間ｔｒごとに、図２に示した工程Ｓ１０〜工程Ｓ１１０を実行するものである。これにより、制御装置９００は、電力負荷が燃料電池１００に要求する要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑと、燃料電池１００の温度Ｔ＿ｆｃと、燃料電池１００の平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃとに基づいて、基準燃料量Ｑｆ＿ｂｓｅと、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎとを求め、制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎを決定する。そして、制御装置９００は、決定した制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎの燃料流量となるように燃料ポンプ４００の動作を制御する。
【００３１】
まず、工程Ｓ１０では、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑに対応する要求電流密度ｉ＿ｒｑを求める。ここで、図３は、燃料電池１００から出力される電力Ｐと電流密度ｉとの関係を示す説明図である。燃料電池１００から出力される電流の電流密度ｉは、例えば、図３に示すように出力される電力Ｐに応じて変化する。この電流密度ｉと電力Ｐとの関係はあらかじめ実測することにより得ることができる。そして、実測された電流密度ｉと電力Ｐとの関係は、あらかじめマップやテーブルに記憶されている。ここではマップに記憶されているものとする。したがって、このマップを参照することにより、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑに対応する要求電流密度i＿ｒｑ（ｉ＿ｒｑ＝ｍａｐ（Ｐ＿ａｃ＿ｒｑ））を容易に求めることができる。
【００３２】
工程Ｓ２０では、要求電流密度ｉ＿ｒｑおよび燃料電池１００の温度Ｔ＿ｆｃに基づいて、燃料率制御の基準となる基準電圧ｖ＿ｂｓｅを求める。図４は、燃料電池１００の電流密度ｉに対する出力の電圧ｖの特性を示す説明図である。燃料電池１００の出力電流が電流密度ｉとなる場合における電圧ｖは、例えば、図４に示すように、電流密度ｉおよび温度Ｔ＿ｆｃに応じて変化する。この電流密度ｉおよび温度Ｔ＿ｆｃと電圧ｖとの関係はあらかじめ実測されてマップあるいはテーブルに記憶されている。ここではマップに記憶されているものとする。したがって、このマップを参照することにより、要求電流密度ｉ＿ｒｑおよび温度Ｔ＿ｆｃに対応する基準電圧ｖ＿ｂｓｅ（ｖ＿ｂｓｅ＝ｍａｐ（ｉ＿ｒｑ，Ｔ＿ｆｃ）を容易に求めることができる。
【００３３】
また、工程Ｓ３０では、において、要求電流密度ｉ＿ｒｑを出力するために十分に必要な燃料として基準燃料量Ｑｆ＿ｂｓｅを求める。図５は、燃料電池１００の電流密度ｉと十分に必要な燃料量Ｑｆとの関係を示す説明図である。燃料電池１００が電流密度ｉの出力電流を得るために必要な燃料量Ｑｆは、例えば、図５に示すように電流密度ｉに応じて変化する。この電流密度ｉと燃料量Ｑｆとの関係はあらかじめ実測により得ることができる。そして、実測された電流密度ｉと燃料量Ｑｆとの関係は、あらかじめマップやテーブルに記憶されている。ここではマップに記憶されているものとする。したがって、このマップを参照することにより、要求電流密度ｉ＿ｒｑに対応する基準燃料量Ｑｆ＿ｂｓｅ（Ｑｆ＿ｂｓｅ＝ｍａｐ（ｉ＿ｒｑ））を容易に求めることができる。
【００３４】
さらにまた、工程Ｓ４０では、要求電流密度ｉ＿ｒｑおよび燃料電池１００の温度Ｔ＿ｆｃに基づいて、燃料率制御の基準となる基準燃料利用率Ｕｆ＿ｂｓｅを求める。この基準燃料利用率Ｕｆ＿ｂｓｅは、最終的に、設定された燃料電池の制御限界（燃料枯渇限界）を示す出力電圧を表す電圧下限値を下回らないようにしつつ、高い燃料利用率で燃料電池を動作させるために、最終的な目標とする燃料利用率よりも低い燃料利用率に設定される。また、この基準燃料利用率Ｕｆ＿ｂｓｅは、要求電流密度ｉ＿ｒｑおよび燃料電池１００の温度Ｔ＿ｆｃに応じて変化するものであり、あらかじめマップあるいはテーブルに記憶されている。初期時にはあらかじめ実測された標準の値が記憶されており、後述する制御動作時には、制御の結果として学習記憶される。
【００３５】
次に、工程Ｓ５０では、一つ前の制御サイクル時間ｔｒにおいて求められた補正燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｏｌｄに差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂを加算することにより補正燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ（Ｕｆ＿ｆｂ＝Ｕｆ＿ｆｂ＿ｏｌｄ＋ｄＵｆ＿ｆｂ）を求める。なお、差分変化率ｄＵ＿ｆｂは、期間ｔｓの間、制御サイクル時間ｔｒごとに用いられる第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）と、期間ｔｓ（ｔｓ＝Ｔｃ＊ｔｒ，Ｔｃは期間ｔｓにおける制御サイクル時間ｔｒのサイクル数を表す）の経過後の制御サイクル時間ｔｒで用いられる第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）とがある。例えば、第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）をＵｆ＿ｆｂ＿ｒとした場合に、第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）を（−ｋｄ＊Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ））に設定することができる。なお、Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）は、期間ｔｓの間に、第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）＝Ｕｆ＿ｆｂ＿ｒで変化した第１の変化幅（Ｕｆ＿ｆｂ＿ｒ＊Ｔｃ）を示しており、係数ｋｄは、第２の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）に相当する第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）の大きさが、第１の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）よりも小さい値となるように、１よりも小さい値に設定される。なお、本例では、Ｋｄ＝０．９とされている。
【００３６】
そして、工程Ｓ６０では、基準燃料利用率Ｕｆ＿ｂｓｅに補正燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂを加算して候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｔｒｎを求める。また、工程Ｓ７０では、工程Ｓ６０において求めた候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｔｒｎから学習記憶用補正燃料利用率βを減算して、学習記憶の候補となる学習記憶候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｅｎｄを求める。なお、βは、例えば、（ｋｃ＊Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ））に設定することができる。係数ｋｃは、求められた候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｔｒｎよりも少し減少した燃料利用率を学習記憶する学習記憶候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｅｎｄとするために、変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の（ｋｃ＊１００）％分だけ減少した値を学習記憶用補正燃料利用率βとするための係数である。なお、本例では、ｋｃ＝０．０５とされている。
【００３７】
また、工程Ｓ８０では、基準電圧ｖ＿ｂｓｅから平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃを減算して、基準電圧ｖ＿ｂｓｅからの平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃ（＝ｖ＿ｂｓｅ−ｖ＿ｄｃ＿ｆｃ）を求める。なお、基準電圧ｖ＿ｂｓｅは、基準電圧ｖ＿ｂｓｅ≧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの関係を保つように設定されている。さらに、工程Ｓ９０では、基準電圧ｖ＿ｂｓｅに係数αを乗算して、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下の限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄ（＝α＊ｖ＿ｂｓｅ）を求める。なお、αは燃料電池１００における電圧低下限界値を実測することにより適宜決定される。本例では、例えば、α＝０．０５とされている。
【００３８】
そして、工程Ｓ１００では、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃが低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄよりも小さく、まだ平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値まで低下していない場合には、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎとして候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｔｒｎを選択する。一方、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃが低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄに到達し、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値まで低下した場合には、学習記憶候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｅｎｄを選択する。そして、ステップＳ１１０において、基準燃料量Ｑｆ＿ｆｂｓｅを燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎで除算することにより、制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎを求める。
【００３９】
なお、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃが低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄに到達し、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値まで低下して、学習記憶候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｅｎｄが選択されて学習記憶された時点で、工程Ｓ１０〜工程Ｓ１１０による制御動作は終了する。そして、学習記憶された学習記憶候補燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎ＿ｅｎｄをＵｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎとして求められた制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎによる制御動作が維持される。
【００４０】
図６は、図２に示した制御フローに従って実行される制御動作の具体例を示す説明図である。図６は、説明を容易にするため、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑがステップ状に変化した場合を例に示している。
【００４１】
要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑに変化に応じて、図２に示した制御フローが開始され、上述したように、要求燃料Ｐ＿ａｃ＿ｒｑに応じた要求電流密度ｉ＿ｒｑが求められ、制御サイクル時間ｔｒごとに、基準電圧ｖ＿ｂｓｅと、基準燃料量Ｑｆ＿ｂｓｅと、基準燃料利用率Ｕｆ＿ｂｓｅが求められる。なお、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑの変化がステップ状であることを前提としているので、求められるよう要求電流密度ｉ＿ｒｑと、基準電圧ｖ＿ｂｓｅと、基準燃料量Ｑｆ＿ｂｓｅのいずれの変化もステップ状となる。
【００４２】
このとき、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎは第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）（＝Ｕｆ＿ｆｂ＿ｒ）にサイクル数Ｔｃを乗じて得られる第１の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と、第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）にサイクル数１を乗じて得られる第２の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とが繰り返される。ここで、第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）に等しい第２の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）は第１の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）よりも小さくなるように、Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）に１よりも小さい係数Ｋｄを乗じた値に設定される。したがって、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎは、第１の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と第２の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とを繰り返すことにより、基準燃料利用率Ｕｆ＿ｂｓｅから徐々に増加していくことになる。
【００４３】
そして、制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎは、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎの変化に応じた減少と増加を繰り返しながら、基準燃料量Ｑｆ＿ｂｓｅから徐々に減少していくことになる。
【００４４】
また、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃは、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎの変化に応じた減少と増加を繰り返しながら、基準電圧ｖ＿ｂｓｅから徐々に減少していくことになる。そして、平均電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの基準電圧ｖ＿ｂｓｅからの低下幅ｄＶ＿ｆｃ（＝ｖ＿ｂｓｅ−ｖ＿ｄｃ＿ｆｃ）が、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄ（＝α＊ｖ＿ｂｓｅ）に到達し、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが低下限界値まで低下した場合には、図２に示した制御フローが停止され、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎにおける第１の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と第２の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とを繰り返す処理が停止される。そして、停止時点における燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎの値から学習記憶用補正燃料利用率βを減じた値を、最終的な燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎとし、この値を学習記憶する。そして、学習記憶した最終的な燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎと基準燃料量Ｑｆ＿ｂｓｅとから、最終的な制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎが決定され、これに応じた燃料流量となるように燃料ポンプ４００の動作が制御されて、燃料電池１００の発電動作が実行される。
【００４５】
以上説明したように、本実施例の制御動作では、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎを、第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）による第１の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）による第２の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とを繰り返して、基準燃料利用率Ｕｆ＿ｂｓｅから徐々に増加させるようにすることにより、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値を下回って、燃料利用率が限界値を上回ってしまい、発電性能が低下してしまう可能性を抑制し、燃料利用率の向上を図ることができる。
【００４６】
なお、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂ＿ｆｉｎの差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂが本発明の燃料利用率の変化率に相当し、第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）は正の変化率であり、第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）は負の変化率である。第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）の状態が本発明における燃料利用率の比較的大きい変化率の状態に相当し、第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）の状態が本発明の燃料利用率の比較的小さい変化率の状態に相当する。
【００４７】
Ｃ．第２実施例の制御動作：
図７は、制御装置９００によって実行される第２実施例の制御動作を示す制御フロー図である。第２実施例の制御動作は、制御装置９００が、以下で説明するように、電力負荷に変化が発生し、これに応じて電力負荷の要求電力に変化が発生すると、制御サイクル時間ｔｒごとに、図７に示した工程Ｓ２１０〜工程Ｓ３００を実行するものである。これにより、制御装置９００は、電力負荷が燃料電池１００に要求する要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑと、燃料電池１００の温度Ｔ＿ｆｃと、燃料電池１００の平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃとに基づいて、固定の制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎと、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎとを求める。そして、制御装置９００は、求めた制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎで電力出力部２００のインバータ２１０動作させることにより、燃料電池１００からの出力電流を制御し、結果として、燃料電池１００における燃料利用率を制御する。
【００４８】
まず、工程Ｓ２１０では、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑを得るために必要な標準の要求電流Ｉ＿ｒｑを求める。ここで、燃料電池１００から出力される電流Ｉは、図３に示した電流密度ｉと電力Ｐとの関係と同様に、出力される電力Ｐに応じて変化する。この電流Ｉと電力Ｐとの関係はあらかじめ実測することにより得ることができる。そして、実測された電流Ｉと電力Ｐとの関係は、あらかじめマップやテーブルに記憶されている。ここではマップに記憶されているものとする。したがって、このマップを参照することにより、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑに対応する要求電流Ｉ＿ｒｑ（＝ｍａｐ（Ｐ＿ａｃ＿ｒｑ））を容易に求めることができる。
【００４９】
工程Ｓ２２０では、第１実施例の工程Ｓ２０と同様に、要求電流I＿ｒｑおよび燃料電池１００の温度Ｔ＿ｆｃに基づいて、燃料率制御の基準となる基準電圧ｖ＿ｂｓｅを求める。
【００５０】
また、工程Ｓ２３０では、要求電流Ｉ＿ｒｑを出力するために必要な燃料として制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎを求める。ここで、燃料電池１００が電流Ｉの出力電流を得るために必要な燃料量Ｑｆは、図５に示した電流密度ｉと燃料量Ｑｆとの関係と同様に、出力される電力Ｐに応じて変化する。この電流Ｉと燃料量Ｑｆとの関係は、はあらかじめ実測することにより得ることができる。そして、実測された電流Ｉと燃料量Ｑｆとの関係は、あらかじめマップやテーブルに記憶されている。ここではマップに記憶されているものとする。したがって、このマップを参照することにより、要求電流Ｉ＿ｒｑに対応する制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎ（Ｑｆ＿ｆｉｎ＝ｍａｐ（ｉ＿ｒｑ））を容易に求めることができる。
【００５１】
次に、工程Ｓ２５０では、一つ前の制御サイクル時間ｔｒにおいて求められた補正電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｂ＿ｏｌｄに差分電流ｄＩ＿ｆｂを加算することにより補正電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｂ（Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｂ＝Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｂ＿ｏｌｄ＋ｄＩ＿ｆｂ）を求める。なお、差分電流ｄＩ＿ｆｂは、期間ｔｓの間、制御サイクル時間ｔｒごとに用いられる第１の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｕ）と、期間ｔｓ（ｔｓ＝Ｔｃ＊ｔｒ，Ｔｃは期間ｔｓにおける制御サイクル時間ｔｒのサイクル数を表す）の経過後の制御サイクル時間ｔｒで用いられる第２の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）とがある。例えば、第１の差分電流ｄＩｆ＿ｆｂ（Ｕ）をＩ＿ｆｂ＿ｒとした場合に、第２の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）を（−ｋｄ＊Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ））に設定することができる。なお、Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）は、期間ｔｓの間に、第１の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｕ）＝Ｉ＿ｆｂ＿ｒで変化した第１の変化幅（Ｉ＿ｆｂ＿ｒ＊Ｔｃ）を示しており、係数ｋｄは、第２の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）に相当する第２の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）の大きさが、第１の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）よりも小さい値となるように、１よりも小さい値に設定される。なお、本例では、Ｋｄ＝０．９とされている。
【００５２】
そして、工程Ｓ２６０では、工程Ｓ２１０において求めた要求電流Ｉ＿ｒｑに工程Ｓ２５０において求めた補正電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｂを加算して候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｂを求める。また、工程Ｓ２７０では、要求電流Ｉ＿ｒｑから学習記憶用補正電流Ｉｃを減算して、学習記憶の候補となる学習記憶候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｅｎｄを求める。なお、Ｉｃは、例えば、（ｋｃ＊Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ））に設定することができる。係数ｋｃは、求められた候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｔｒｎよりも少し減少した制御電流を学習記憶する学習記憶候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｅｎｄとするために、変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の（ｋｃ＊１００）％分だけ減少した値を学習記憶用補正電流Ｉｃとするための係数である。なお、本例では、ｋｃ＝０．０５とされている。
【００５３】
また、工程Ｓ２８０では、第１実施例の工程Ｓ８０と同様に、基準電圧ｖ＿ｂｓｅから平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃを減算して、基準電圧ｖ＿ｂｓｅからの平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃ（＝ｖ＿ｂｓｅ−ｖ＿ｄｃ＿ｆｃ）を求める。なお、基準電圧ｖ＿ｂｓｅは、基準電圧ｖ＿ｂｓｅ≧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの関係を保つように設定されている。さらに、工程Ｓ２９０では、第１実施例の工程Ｓ９０と同様に、基準電圧ｖ＿ｂｓｅに係数αを乗算して、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下の限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄ（＝α＊ｖ＿ｂｓｅ）を求める。なお、αは燃料電池１００における電圧低下限界値を実測することにより適宜決定される。本例では、例えば、α＝０．０５とされている。
【００５４】
そして、工程Ｓ３００では、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃが低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄよりも小さく、まだ平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値まで低下していない場合には、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎとして候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｔｒｎを選択する。一方、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃが低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄに到達し、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値まで低下した場合には、学習記憶候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｅｎｄを選択する。
【００５５】
なお、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下幅ｄＶ＿ｆｃが低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄに到達し、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値まで低下して、学習記憶候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｅｎｄが選択されて学習記憶された時点で、工程Ｓ２１０〜工程Ｓ３００による制御動作は終了する。そして、学習記憶された学習記憶候補制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｅｎｄを制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎとして、燃料電池１００の制御動作が維持される。
【００５６】
図８は、図７に示した制御フローに従って実行される制御動作の具体例を示す説明図である。図８は、図６と同様に、説明を容易にするため、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑがステップ状に変化した場合を例に示している。
【００５７】
要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑに変化に応じて、図２に示した制御フローが開始され、上述したように、要求燃料Ｐ＿ａｃ＿ｒｑに応じた基準電流としての要求電流Ｉ＿ｒｑが求められ、制御サイクル時間ｔｒごとに、基準電圧ｖ＿ｂｓｅと、制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎと、が求められる。なお、要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑの変化がステップ状であることを前提としているので、求められる要求電流Ｉ＿ｒｑと、基準電圧ｖ＿ｂｓｅと、制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎのいずれの変化もステップ状となる。
【００５８】
このとき、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎは第１の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｕ）（＝Ｉ＿ｆｂ＿ｒ）にサイクル数Ｔｃを乗じて得られる第１の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と、第２の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）にサイクル数１を乗じて得られる第２の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とが繰り返される。ここで、第２の差分電流ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）に等しい第２の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）は第１の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）よりも小さくなるように、Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）に１よりも小さい係数Ｋｄを乗じた値に設定される。したがって、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎは、第１の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と第２の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とを繰り返すことにより、基準電流としての要求電流Ｉ＿ｂｓｅから徐々に増加していくことになる。
【００５９】
ここで、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎが徐々に増加すると、燃料電池１００からの出力電流は、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎの変化に追従して増加することになり、燃料電池１００で消費される燃料量が徐々に増加することになる。一方、燃料電池１００に供給される燃料量は、制御燃料量Ｑｆ＿ｆｉｎで表されるように、一定である。この結果、燃料電池１００における燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂは、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎの変化に追従して増加することになる。
【００６０】
また、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃは、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎの変化、すなわち、燃料利用率Ｕｆ＿ｆｂの変化に応じた減少と増加を繰り返しながら、基準電圧ｖ＿ｂｓｅから徐々に減少していくことになる。そして、平均電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの基準電圧ｖ＿ｂｓｅからの低下幅ｄＶ＿ｆｃ（＝ｖ＿ｂｓｅ−ｖ＿ｄｃ＿ｆｃ）が、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃの低下限界幅Ｖｄ＿ｂｎｄ（＝α＊ｖ＿ｂｓｅ）に到達し、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが低下限界値まで低下した場合には、図７に示した制御フローが停止され、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎにおける第１の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と第２の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とを繰り返す処理が停止される。そして、停止時点における制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎの値から学習記憶用補正電流Ｉｃを減じた値を、最終的な制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎとし、この値を学習記憶する。そして、学習記憶した最終的な制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎに基づいて、燃料電池１００からの出力電流が制御されることにより、燃料電池１００における燃料消費量が制御されて、燃料電池１００の発電動作が実行される。
【００６１】
以上説明したように、本実施例の制御動作では、燃料電池１００からの出力電流に対応するインバータ２１０の制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎを、第１の差分変化率ｄＩ＿ｆｂ（Ｕ）による第１の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｕ）の増加と第２の差分変化率ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）による第２の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）の減少とを繰り返して、基準制御電流である要求電流Ｉ＿ｒｑから徐々に増加させることにより、基準電流としての要求電流Ｉ＿ｒｑから徐々に増加させるようにして、間接的に燃料利用率の増加と減少とを繰り返して実質的に燃料利用率を徐々に増加させるように制御することができ、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値を下回って、燃料利用率が限界値を上回ってしまい、発電性能が低下してしまう可能性を抑制し、燃料利用率の向上を図ることができる。
【００６２】
なお、制御電流Ｉ＿ｉｎｖ＿ｆｉｎにおける差分変化率は、本実施例においては実質的に燃料利用率の変化率に相当し、第１の差分変化率ｄＩ＿ｆｂ（Ｕ）は正の変化率であり、第２の差分変化率ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）は負の変化率である。第１の差分変化率ｄＩｆ＿ｆｂ（Ｕ）の状態が本発明における燃料利用率の比較的大きい変化率の状態に相当し、第２の差分変化率ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）の状態が本発明の燃料利用率の比較的小さい変化率の状態に相当する。
【００６３】
Ｄ．第３実施例の制御動作：
図９は、制御装置９００によって実行される第３実施例の制御動作の具体例を示す説明図である。なお、第３実施例の制御フローは、基本的に第１実施例の制御フローと同様に、燃料量を制御することにより燃料利用率を制御するものである。第１実施例においては、図６に示したように、燃料量の増減を繰り返すことによって、正の変化率である第１の差分変化率による燃料利用率の増加の状態と負の変化率である第２の差分変化率による燃料利用率の減少の状態を繰り返して、燃料利用率を変化させる場合を例に説明したが、図９に示した本実施例のように、正の変化率である第１の差分変化率による燃料利用率の増加の状態と、第１の差分変化率より小さい正の変化率である第２の差分変化率による燃料利用率の増加の状態と、を繰り返して変化させるようにしてもよい。このようにしても、燃料利用率を除々に増加させるように制御することができるので、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値を下回って、燃料利用率が限界値を上回ってしまい、発電性能が低下してしまう可能性を抑制し、燃料利用率の向上を図ることができる。
【００６４】
なお、本実施例において、第１の差分変化率は正の変化率であり、第２の差分変化率は第１の差分変化率よりも小さい正の変化率である。第１の差分変化率の状態が本発明における燃料利用率の比較的大きい変化率の状態に相当し、第２の差分変化率の状態が本発明の燃料利用率の比較的小さい変化率の状態に相当する。
【００６５】
なお、本実施例では、第１実施例に対応する燃料量制御の場合を例に説明したが、第２実施例に対応する電流量制御の場合に同様に適用することが可能である。
【００６６】
Ｅ．第４実施例の制御動作：
図１０は、制御装置９００によって実行される第４実施例の制御動作を示すフローチャートである。第３実施例の制御動作は、制御装置９００が、以下で説明するように、第１実施例で説明した燃料量を制御すること（燃料量制御）によって燃料利用率を制御する制御動作（以下、「燃料量制御系」と呼ぶ）と、第２実施例で説明したインバータの制御電流量を制御すること（電流量制御）によって燃料利用率を制御する制御動作（以下、「電流量制御系」と呼ぶ）と、を切り換えるものである。なお、それぞれの制御動作は第１実施例および第２実施例で説明した動作と同じである。
【００６７】
図９に示した制御動作は、各制御サイクルｔｒにおいて、図２に示した燃料量制御の制御フローあるいは図７に示した電流量制御の制御フローが開始される前に実行され、いずれか一方の制御動作が選択されて、選択された制御動作が実行される。
【００６８】
まず、現在の出力負荷電力Ｐ＿ｉｎｖと要求電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑとの電力差分Ｐｄ（＝Ｐ＿ａｃ＿ｒｑ−Ｐ＿ｉｎｖ）を求める（ステップＳ３１０）。出力負荷電力Ｐ＿ｉｎｖは、電力出力部２００から出力されて系統連系インタフェース３００に入力される出力電圧Ｖ＿ｉｎｖおよび出力電流Ｉ＿ｉｎｖをモニタすることにより求めることができる。
【００６９】
そして、現在選択設定されている制御動作が電流量制御系である場合には（ステップＳ３２０：Ｙ）、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ１以上であるか否か判断する（ステップＳ３３０）。ここで、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ１以上でない場合、すなわち、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ１よりも小さい場合には（ステップＳ３３０：Ｎ）、電流制御系のまま制御動作を実行することとする。一方、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ１以上の場合には（ステップＳ３３０：Ｙ）、燃料量制御系に切り換えて（ステップＳ３４０）、制御動作を実行することとする。
【００７０】
一方、現在選択設定されている制御動作が燃料量制御系である場合には（ステップＳ３２０：Ｎ）、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ２以下であるか否か判断する（ステップＳ３５０）。なお、第２のしきい値ｔｈ２は、第１のしきい値ｔｈ１よりも小さい値に設定されている。例えば、第１のしきい値ｔｈ１を燃料電池１００の定格出力の１０％とし、第２のしきい値ｔｈ２を定格出力の５％とする。ここで、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ２以下でない場合、すなわち、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ２よりも大きい場合には（ステップＳ３５０：Ｎ）、燃料量制御系のまま制御動作を実行することとする。一方、電力差分Ｐｄがしきい値ｔｈ２以下の場合には（ステップＳ３５０：Ｙ）、燃料量制御系から電流量制御系に切り換えて（ステップＳ３６０）、制御動作を実行することとする。
【００７１】
以上説明したように、本実施例の制御動作では、現在の出力負荷電力Ｐ＿ｉｎｖと要求負荷電力Ｐ＿ａｃ＿ｒｑとの電力差分Ｐｄが大きい場合には、燃料量制御系を用いて燃料利用率を制御し、電力差分Ｐｄが小さい場合には、電流量制御系を用いて燃料利用率を制御している。ここで、電流量制御は、燃料量制御に比べて高精度な制御が可能であるのに対して、応答遅れの問題があり、負荷変動が大きい場合に対して高速な追従には不向きである。一方、燃料量制御は、利用する燃料ポンプの分解能が低い場合には高精度な制御には不向きである。従って、本実施例の場合には、第２実施例のように電流制御系のみの場合に比べて高速に制御可能であり、第１実施例のように燃料量制御系のみの場合に比べて高精度な制御が可能となる。
【００７２】
また、第２のしきい値ｔｈ２を第１のしきい値ｔｈ１よりも小さい値に設定してヒステリシスを設けたことにより、電流量制御系から燃料量制御系への切り換えと、燃料量制御系から電流量制御系への切り換えとで、ハンティングが発生することを防止することができる。
【００７３】
Ｆ．変形例：
なお、上記各実施例における構成要素の中の、独立クレームでクレームされた要素以外の要素は、付加的な要素であり、適宜省略可能である。また、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７４】
（１）上記第１実施例では第１の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｕ）を固定とし、第２実施例では第１の差分変化率ｄＩ＿ｆｂ（Ｕ）を固定として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、電力負荷の変化の大きさに応じて、第１の差分変化率の大きさを変化させるようにしてもよい。特に、電力負荷の変化の大きさが大きいほど、第１の差分変化率の大きさを小さくすることが好ましい。このようにすれば、燃料利用率の変化の度合いをより小さくすることができるので、平均セル電圧ｖ＿ｄｃ＿ｆｃが電圧低下限界値を下回って、燃料利用率が限界値を上回ってしまい、発電性能が低下してしまう可能性をより抑制することができる。
【００７５】
（２）上記第１実施例では第２の差分変化率ｄＵｆ＿ｆｂ（Ｄ）による第２の変化幅Ｕｆ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）を固定とし、第２実施例では第２の差分変化率ｄＩ＿ｆｂ（Ｄ）による第２の変化幅Ｉ＿ｆｂ＿ｔ（Ｄ）を固定として説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、電力負荷の変化の大きさに応じて、第２の差分変化率の大きさを変化させるようにしてもよい。特に、電力負荷の変化の大きさが大きいほど、第２の差分変化率の大きさを小さくして第２の変化幅を小さくすることが好ましい。このようにすれば、燃料利用率の変化の度合いを大きくすることができるので、限界の燃料利用率に到達する時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】燃料電池システム１０００の概略構成を示すブロック図である。
【図２】制御装置９００によって実行される第１実施例の制御動作を示す制御フロー図である。
【図３】燃料電池１００から出力される電力Ｐと電流密度ｉとの関係を示す説明図である。
【図４】燃料電池１００の電流密度ｉに対する出力の電圧ｖの特性を示す説明図である。
【図５】燃料電池１００の電流密度ｉと十分に必要な燃料量Ｑｆとの関係を示す説明図である。
【図６】図２に示した制御フローに従って実行される制御動作の具体例を示す説明図である。
【図７】制御装置９００によって実行される第２実施例の制御動作を示す制御フロー図である。
【図８】図７に示した制御フローに従って実行される制御動作の具体例を示す説明図である。
【図９】制御装置９００によって実行される第３実施例の制御動作の具体例を示す説明図である。
【図１０】制御装置９００によって実行される第４実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１００…燃料電池
２００…電力出力部
２１０…インバータ
２１０動作…インバータ
３００…系統連系インタフェース
４００…燃料ポンプ
５００…脱硫器
６００…蒸発器
７００…改質器
７１０…改質部
７２０…加熱部
８００…エアポンプ
９００…制御装置
１０００…燃料電池システム
【図１】
0005304037.tif 000002
【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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