(57)【要約】【課題】発電に必要な燃料ガスを良好に燃料電池に供給する。【解決手段】水素ガスと空気ガスとを用いて発電する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に供給する水素ガスの供給圧力を制御する水素ガス圧力制御弁２２と、水素ガス圧力制御弁２２の上流側圧力に応じて変化する水素ガス圧力制御弁２２の制御量と燃料電池スタック１０の発電量との関係に基づき、燃料電池スタックの発電量に制限をかけるよう制御するシステムコントローラ６０とを備えることで実現する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと空気ガスとを用いて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧力を制御する供給圧力制御手段と、
前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係に基づき、前記燃料電池の発電量に制限をかけるよう制御する制御手段とを備えること
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係に基づき、
燃料電池の最大発電量と、燃料電池の発電量が変化する際の変化率とをそれぞれ制限することで、前記燃料電池の発電量に制限をかけるよう制御すること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係に基づき、
燃料電池の発電量を一定とする定常状態において、前記供給圧力制御手段を制御する制御量が、燃料電池への燃料ガスの供給を増加させる方向の最大制御量以下となるように燃料電池の最大発電量を制限すること
を特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係に基づき、
燃料電池の発電量を変化させる過渡状態において、前記供給圧力制御手段を制御する制御量が、燃料電池への燃料ガスの供給を増加させる方向の最大制御量よりも小さくなるように燃料電池の発電量の変化率を制限すること
を特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制限手段は、前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係に基づき、
燃料電池への燃料ガスの供給量を増加させる方向の最大制御量で前記供給圧力制御手段を制御した際の燃料電池の発電量を最大発電量を制限する制限値とすること
を特徴とする請求項２又は請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係に基づき、
前記供給圧力制御手段の制御量が、燃料電池への燃料ガスの供給量を増加させる方向に変位した場合、前記燃料電池の発電量の変化率を制限する制限値を低くすること
を特徴とする請求項２又は請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、燃料電池の発電量と燃料ガスの圧力とがそれぞれ略一定である場合での前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係を用いて、前記燃料電池の発電量に制限をかけるよう制御すること
を特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係を、前記燃料電池の発電量を入力として、前記供給圧力制御手段の制御量を出力とする近似関数で表し、
前記供給圧力制御手段の実際の制御量に基づき、前記近似関数の係数を随時更新することで学習すること
を特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記供給圧力制御手段の動作温度を検出する温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する前記供給圧力制御手段の制御量と前記燃料電池の発電量との関係に、さらに、前記温度検出手段によって検出された動作温度を加味した新たな関係に基づき、前記燃料電池の発電量に制限をかけるよう制御すること
を特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１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、燃料電池システムに関し、詳しくは、燃料電池の燃料極へ燃料ガスを良好に供給する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料電池の燃料極（水素極）に水素を多量に含む燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガスとしての空気を供給し、所定の電解質膜を介してこれら水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電電力を得る燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムは、例えば車両の動力源等としての実用化に大きな期待が寄せられており、現在、実用化に向けての研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池システムに用いられる燃料電池としては、例えば車両に搭載する上で好適なものとして、固体高分子タイプのものが知られている。この固体高分子タイプの燃料電池は、水素極と空気極との間に電解質膜として固体高分子電解質膜が設けられたものである。この固体高分子タイプの燃料電池においては、水素極にて水素ガスが水素イオンと電子とに分離する反応が生じ、空気極にて酸素ガスと水素イオンと電子とから水を生成する反応が行われる。このとき、固体高分子電解質膜がイオン伝導体として機能し、水素イオンは固体高分子電解質膜を空気極に向かって移動することになる。
【０００４】
このような燃料電池システムを動力源として用いる燃料電池車両においては、燃料ガスとしての水素を高圧貯蔵タンクから燃料電池を含む発電装置に供給する。ここで、燃料電池車両においては、高圧貯蔵タンクに貯蔵された水素の圧力が当該燃料電池車両に要求される圧力よりも高いことから、そのまま使用することができない。そこで、燃料電池車両においては、圧力制御弁を用いて高圧貯蔵タンクから供給される水素の圧力を所定の圧力に減圧制御することが行われている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−３４５１１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような燃料電池システムでは、上述した圧力制御弁の操作量（開度）を調整することで、燃料電池の燃料極へ供給する燃料ガスの供給量を制御している。したがって、燃料電池の発電に充分な燃料ガスを供給するには、圧力調整弁の操作量（開度）を大きくする必要がある。
【０００６】
ところが、燃料電池での発電により高圧貯蔵タンク内の水素ガスが消費され残量が低下した場合や、高圧貯蔵タンクから圧力制御弁までの間に設けられたフィルタ、圧力レギュレータなどの経時変化により圧力損失が増加した場合などのように、圧力制御弁の上流側圧力が著しく低下してしまう状況では、圧力制御弁の操作量（開度）を最大にしたとしても、燃料電池の発電に必要となる燃料ガスを供給することができなくなってしまう。
【０００７】
このように、燃料電池に必要な燃料ガスを供給することができないと、燃料ガスの欠乏によって燃料電池の出力低下や、燃料電池の出力特性を悪化させてしまうといった問題が発生してしまうことになる。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した実情を鑑みて提案されたものであり、高圧貯蔵タンクに貯蔵された燃料ガスを圧力制御弁にて減圧して燃料電池に供給する燃料電池システムにおいて、圧力制御弁の上流側圧力が低下した場合でも、燃料電池の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく、発電に必要な燃料ガスを良好に供給することができる燃料電池システム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】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと空気ガスとを用いて発電する燃料電池と、燃料電池に供給する燃料ガスの供給圧力を制御する供給圧力制御手段と、供給圧力制御手段の上流側圧力に応じて変化する供給圧力制御手段の制御量と燃料電池の発電量との関係に基づき、燃料電池の発電量に制限をかけるよう制御する制御手段とを備えることにより、上述の課題を解決する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、圧力制御弁の上流側圧力が低下した場合でも、燃料電池の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく、発電に必要な燃料ガスを良好に供給することを可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
まず、図１を用いて、本発明の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明をする。
【００１３】
図１に示すように、燃料電池システムは、燃料電池本体である燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の燃料極であるアノード１１に水素を供給する水素ガス循環供給系２０と、燃料電池スタック１０の酸化剤極であるカソード１２に酸化剤ガスである空気ガスを供給する空気ガス供給系３０と、発電により昇温した燃料電池スタック１０を冷却液を循環させることで冷却する冷却系４０と、燃料電池スタック１０からの出力を取り出し負荷へと供給する出力系５０と、当該燃料電池システムの運転を統括的に制御するシステムコントローラ６０とを備えている。
【００１４】
この燃料電池システムは、圧力制御弁の上流側圧力が低下した場合であっても、燃料電池の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく発電に必要な燃料ガスを良好に供給することができる。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、発電単位である単セルを複数積層することで構成され、アノード１１に燃料ガスとして供給される水素ガスと、カソード１２に供給される空気ガス中の酸素の化学反応により発電する。例えば、燃料電池スタック１０は、電解質として高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）などであり、単セルの構造が、高分子電解質膜の両側に触媒層をそれぞれ設け、燃料極、酸化剤極が形成されたＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）として一体化されている。
【００１６】
水素ガス循環供給系２０は、燃料ガスである水素ガスを貯蔵する高圧水素タンクといった水素ガス供給源２１と、水素ガス圧力制御弁２２が設けられ、水素ガス供給源２１に貯蔵された水素ガスを燃料電池スタック１０のアノード１１に供給する水素ガス供給配管２３と、蒸気を凝縮して水分を分離する図示しない水分離器、パージ弁２７が設けられ、アノード１１の水素ガスに含まれる不純物ガスを排出する水素ガス排出配管２４と、アノード１１の水素ガスを循環させる水素ガス循環配管２５と、水素ガス循環配管２５を介して循環される水素ガスを水素ガス供給配管２３へと合流させる合流部（エゼクタ等）２６とを備えている。
【００１７】
この水素ガス循環供給系２０では、通常、システムコントローラ６０により、パージ弁２７を閉じるように制御されるため、燃料電池スタック１０のアノード１１から排出される水素ガスは、水素ガス循環配管２５を介して水素ガス供給配管２３へと循環供給される。
【００１８】
水素ガス供給源２１には、当該水素ガス供給源２１内の温度、圧力をそれぞれ測定するタンク温度センサ２１Ｔ、タンク圧力センサ２１Ｐが設けられている。タンク温度センサ２１Ｔ、タンク圧力センサ２１Ｐで、それぞれ測定された温度、圧力は、システムコントローラ６０に出力される。
【００１９】
水素ガス圧力制御弁２２には、当該水素ガス圧力制御弁２２の温度を測定する水素ガス制御弁温度センサ２２Ｔが設けられている。水素ガス制御弁温度センサ２２Ｔで測定された温度は、システムコントローラ６０に出力される。
【００２０】
水素ガス供給配管２３には、アノード１１に供給される水素ガスの温度、圧力をそれぞれ測定する水素ガス入口温度センサ２８、水素ガス入口圧力センサ２９が設けられている。この水素ガス入口温度センサ２８、水素ガス入口圧力センサ２９によって測定された温度、圧力は、それぞれシステムコントローラ６０に出力される。
【００２１】
このような水素ガス循環供給系２０では、水素ガス供給配管２３に設けられた水素ガス入口圧力センサ２９によって検出される水素ガス圧力に応じたシステムコントローラ６０の制御により、水素ガス圧力制御弁２２の開度を制御することで、水素ガス供給源２１から水素ガス供給配管２３を介して供給される水素ガスを、当該燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して燃料電池スタック１０のアノード１１へ供給する。
【００２２】
また、水素ガス循環供給系２０では、システムコントローラ６０の制御により、燃料電池スタック１０のアノード１１に供給する水素ガス流量を、出力電流に相当する反応水素ガス流量より当量比を大きくすることで、複数のセルで構成される燃料電池スタック１０の各セルに不足なく水素ガスが供給できるようにされている。
【００２３】
さらにまた、発電を継続するにつれて、燃料電池スタック１０のアノード１１には、水素ガス以外の不純物ガス、例えば窒素などが蓄積され、水素濃度を減少させてしまう。水素濃度が減少すると発電効率の低下、燃料電池スタック１０の劣化を招くので、システムコントローラ６０は、水素ガス排出配管２４に接続されたパージ弁２７の開度を制御することで、水素ガス排出配管２４を介して不純物ガスを排出するよう制御する。
【００２４】
空気ガス供給系３０は、空気を圧縮して空気ガスとして供給するコンプレッサや空気ガスを供給するブロワといった空気ガス供給装置３１と、加湿装置３２とを備えており、システムコントローラ６０の制御により、空気ガス供給装置３１の回転数を制御するなどして、空気ガスを燃料電池システムが運転できる範囲で定められた所定の圧力に調節して、燃料電池スタック１０のカソード１２へ空気ガス供給配管３３を介して供給する。不要な空気ガスは、排出される空気ガスの圧力を制御することでカソード１２に供給される空気ガスの圧力を制御する圧力制御弁３４が設けられた空気ガス排出配管３５を介して排出される。
【００２５】
空気ガス供給装置３１をコンプレッサとする場合には、空気ガスが圧縮され昇温されるため、空気ガス供給装置３１の後段に昇温された空気ガスを冷却する図示しない冷却装置を設けるようにする。
【００２６】
加湿装置３２は、燃料電池スタック１０のカソード１２に供給する空気ガスを加湿する。このように、加湿装置３２は、カソード１２に供給する空気ガスを加湿することで、高分子電解質膜に水分供給をし、高分子電解質膜のイオン輸送能力を低下させることなく良好なイオン伝導性を保つように水分管理を行う。
【００２７】
このような空気ガス供給系３０の空気ガス供給配管３３には、空気ガス供給配管３３内を流れる空気ガスの流量を検出する空気流量計３６が設けられている。空気流量計３６で測定された空気ガスの流量は、システムコントローラ６０に出力される。
【００２８】
また、空気ガス供給配管３３には、カソード１２に供給される空気ガスの圧力を測定する空気ガス入口圧力センサ３７が設けられている。空気ガス入口圧力センサ３７で測定された圧力は、システムコントローラ６０に出力される。
【００２９】
冷却系４０は、冷却液を循環させる冷却液循環ポンプ４１と、外気と冷却液との間で熱交換を行う熱交換器４２と、燃料電池スタック１０を通過し、冷却液を供給する冷却液供給配管４３とを備えている。また、冷却液供給配管４３には、燃料電池スタック１０で昇温された冷却液の温度を測定する冷却液温度センサ４４が設けられている。冷却液温度センサ４４で測定された冷却液の温度は、システムコントローラ６０に出力される。
【００３０】
出力系５０は、燃料電池スタック１０で発電された電力をシステムコントローラ６０の制御に応じて所望の出力となるように制御しながら取り出し、図示しない負荷へと伝える電力制御装置５１を備えている。
【００３１】
このような出力系５０には、燃料電池スタック１０からの出力電流を検出する電流センサ５２と、燃料電池スタック１０の出力電圧を検出する電圧センサ５３とが設けられている。電流センサ５２、電圧センサ５３で検出された燃料電池スタック１０の出力電流、出力電圧は、システムコントローラ６０に出力される。
【００３２】
電力制御装置５１は、例えば、昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。一般に、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、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。
【００３３】
システムコントローラ６０は、燃料電池システムを統括的に制御する制御手段である。システムコントローラ６０は、タンク温度センサ２１Ｔ、タンク圧力センサ２１Ｐ、水素ガス制御弁温度センサ２２Ｔ、水素ガス入口温度センサ２８、水素ガス入口圧力センサ２９、空気流量計３６、空気ガス入口圧力センサ３７、冷却液温度センサ４４、電流センサ５２、電圧センサ５３などから出力された信号を読み込み、読み込んだ各種信号と内部に保有する制御ロジック（プログラム）とに基づき、運転指令に応じて最適な運転がなされるよう、水素ガス循環供給系２０、空気ガス供給系３０、冷却系４０、出力系５０をそれぞれ制御する。
【００３４】
本発明の実施の形態として示す燃料電池システムが備える燃料電池スタック１０の運転圧力は、可変圧である。すなわち、システムコントローラ６０は、燃料電池スタック１０から取り出す出力が高い場合には運転圧力を高め、逆に、燃料電池スタック１０から取り出す出力が低い場合には運転圧力を低くするように制御する。また、燃料電池スタック１０内に、水漏れ（以下、フラッディングと呼ぶ。）が発生した場合や、燃料電池スタック１０の運転圧力を低下させるような状況の場合、システムコントローラ６０は、パージ弁２７を開くよう制御し、水素ガス循環配管２５、燃料電池スタック１０などに存在する水素ガスを排出させる。
【００３５】
［燃料電池システムの発電制御処理動作］
続いて、本発明の実施の形態として示す燃料電池システムの発電制御処理動作について説明をする。なお、以下において、燃料電池システムは、車両、具体的には、ガソリンエンジンを持つ電気自動車であるハイブリット型の電気自動車に搭載されているものとして説明をする。
【００３６】
システムコントローラ６０は、図２に示すフローチャートのようにして、燃料電池システムの発電制御処理を行う。図２に示すように、まず、システムコントローラ６０は、燃料電池システムの要求発電電力を算出し（ステップＳ１）、次に発電電流の制限値を算出する（ステップＳ２）。そして、システムコントローラ６０は、要求発電電力に応じた目標電流を算出し（ステップＳ３）、ステップＳ２で算出した制限値で目標電流に制限をかけ、制限をかけた目標電流となるようにガス供給制御を行い（ステップＳ４）、燃料電池スタック１０の発電電力制御（ステップＳ５）を行う。システムコントローラ６０は、このような処理ステップを所定時間周期、例えば１０ｍｓｅｃ周期で実行して発電制御処理を行う。
【００３７】
このようなシステムコントローラ６０の制御により、燃料電池システムは、水素ガス圧力制御弁２２の上流側圧力が低下した場合であっても、燃料電池スタック１０の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく、発電に必要な燃料ガスを良好に供給することができる。
【００３８】
続いて、燃料電池システムの発電制御処理動作である図２に示したフローチャートのステップＳ１乃至ステップＳ５の各処理ステップについて詳細に説明をする。
【００３９】
まず、システムコントローラ６０により実行される燃料電池システムの要求発電電力の算出処理（ステップＳ１）の詳細について、図３に示すフローチャートを用いて説明する。ステップＳ１１において、システムコントローラ６０は、車両に搭載されたアクセル開度を検出するアクセルセンサからの出力に基づきドライバによるアクセル操作量を検出する。
【００４０】
次に、ステップＳ１２において、システムコントローラ６０は、車両に搭載された図示しない車速センサの出力に基づき、当該燃料電池システムが搭載された車両の速度を検出する。
【００４１】
ステップＳ１３において、システムコントローラ６０は、ステップＳ１１で検出したアクセル操作量と、ステップＳ１２で検出した車速とに基づき要求発電電力を算出する。例えば、システムコントローラ６０は、図示しないメモリにあらかじめ記憶させた図４に示すような、車両速度に比例して変化率が増加するアクセル操作量［ｄｅｇ］と要求発電電力［ｋＷ］とを関係付けたマップデータを用いて要求発電電力を算出する。
【００４２】
システムコントローラ６０は、このようにして要求発電電力を算出すると、図２に示すフローチャートのステップＳ２へと処理を進める。
【００４３】
続いて、システムコントローラ６０により実行される燃料電池システムの電流制限値の算出処理（ステップＳ２）の詳細について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
【００４４】
ステップＳ２１において、システムコントローラ６０は、燃料電池スタック１０の発電量として現在の発電電流値を読み込み、さらに、水素ガス圧力制御弁２２の開度を制御する実際の制御量を読み込む。システムコントローラ６０は、電流センサ５２によって測定される値を、燃料電池スタック１０の現在の発電電流値として読み込む。また、システムコントローラ６０は、水素ガス圧力制御弁２２の開度を制御する制御量として、後述する処理において算出される指令開度のうち直近に算出された指令開度を用いる。なお、以下の説明において、単に水素ガス圧力制御弁２２の制御量と呼ぶ場合には、水素ガス圧力制御弁２２の開度を制御する制御量（例えば、電流値やＰＷＭ駆動ＤＵＴＹなど）を示しているものとする。
【００４５】
ステップＳ２２において、システムコントローラ６０は、発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係を近似した近似関数を導出する。具体的には、発電電流を入力（Ｘ）、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を出力（Ｙ）とすると、以下に示す（１）式のような一次関数にて発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量とを関係付けることができる。
【００４６】
Ｙ＝Ａ・Ｘ＋Ｂ  ・  ・  ・  （１）
【００４７】
（１）式で示される一次関数の傾きＡと、切片Ｂは、ステップＳ２１で読み込まれた発電電流値を（１）式に代入して求められる水素ガス圧力制御弁２２の算出制御量と、ステップＳ２１で読み込まれた水素ガス圧力制御弁２２の実際の制御量との誤差に基づき更新されていく学習パラメータである。システムコントローラ６０は、この学習パラメータである傾きＡと、切片Ｂとを更新して学習するにあたり、逐次型最小二乗法を用いた逐次パラメータ推定アルゴリズムなどを用いる。なお、システムコントローラ６０による学習パラメータの更新処理は、ステップＳ２１において読み込んだ発電電流値と水素ガス圧力制御弁２２の制御量の変化分が共に所定範囲内であり、燃料電池の発電量と燃料電池に供給される燃料ガスの圧力とがそれぞれ略一定である場合に限って実行される。
【００４８】
また、近似関数としては、上述した（１）式に示すような一次関数ばかりではなく、発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係を適切に近似するような関数であればどのような関数であってもよい。
【００４９】
さらに、所定の水素ガスの供給量を実現させるための水素ガス圧力制御弁２２の制御量が、温度によって変化を受けることが想定される場合、システムコントローラ６０は、近似関数に温度の入力項を追加し、水素ガス制御弁温度センサ２２Ｔで測定される水素ガス圧力制御弁２２の温度も用いて、学習パラメータを求め近似関数の学習を行う。
【００５０】
このステップＳ２２における近似関数の導出処理は、燃料電池スタック１０の発電量と水素ガス圧力制御弁２２の操作量との関係を把握するための一例である。以後の処理ステップにおいて、システムコントローラ６０は、この関係に基づき燃料電池の発電量を制限する処理を実行することになる。システムコントローラ６０は、発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係を適切に把握できるのであれば、このような近似関数を用いなくてもよいが、近似関数を用いた場合には、非常に簡便な手法で発電制御処理を実行することができる。
【００５１】
ステップＳ２３において、システムコントローラ６０は、発電電流の上限値（最大発電電流）を算出する。発電電流の上限値は、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を、水素ガス圧力制御弁２２の開度を最大にする最大制御量とした場合の発電電流として、ステップＳ２２で導出される（１）式のような近似関数を用いて算出することができる。
【００５２】
図６に、燃料電池スタック１０の発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係を示す。図６の（ａ）は、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が基準値となっている場合での発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係を示している。
【００５３】
図６の（ｂ）、（ｃ）は、例えば、水素ガス供給配管２３の部分的な詰まりなどによって、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が基準値よりも低下した場合において、水素ガスのアノード１１への供給圧力を維持するようにした際の発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係を示している。水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が低下するのに伴い、水素ガスのアノード１１への供給圧力を維持しようとすると、発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係は、図６の（ａ）から（ｂ）、さらには（ｃ）のように推移することになる。
【００５４】
例えば、発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係が、図６の（ｃ）に示すようになっている場合、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を最大制御量にしたとしても、燃料電池スタック１０の最大定格電流を取り出すために必要な水素ガスを供給することができない。このような場合、燃料電池スタック１０において水素欠乏が生じてしまう可能性があるため、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を最大制御量とした際の発電電流値を上限として発電電流を制限する必要がある。つまり、システムコントローラ６０は、水素ガス圧力制御弁２２の制御量が最大制御量以下となるように、目標となる燃料電池スタック１０の最大発電電流に制限をかけるよう制御する。
【００５５】
したがって、システムコントローラ６０は、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を最大制御量とした場合の発電電流を算出して、発電電流の上限値とする。ただし、図６からも分かるように、発電電流の上限値は、燃料電池スタック１０の最大定格電流以下となる。
【００５６】
ステップＳ２４において、システムコントローラ６０は、発電電流の変化率の制限値を算出する。システムコントローラ６０は、ステップＳ２３で算出した水素ガス圧力制御弁２２の制御量が最大制御量となる場合の発電電流に基づき発電電流の変化率の制限値を求める。例えば、システムコントローラ６０は、図示しないメモリにあらかじめ記憶させた図７に示すような、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を最大制御量とした際の発電電流と関係付けられたテーブルデータを用いて発電電流の変化率の制限値を算出する。
【００５７】
ここで、発電電流の変化率の制限値を算出する理由について説明をする。上述した発電電流の上限値である最大発電電流は、燃料電池スタック１０の発電量が一定となる定常状態において、燃料電池スタック１０で発電される発電量に制限をかけるための値である。一方、発電電流の変化率の制限値は、燃料電池の発電量が変化する過渡状態において、燃料電池スタック１０で発電される発電量に制限をかけるための値である。
【００５８】
発電電流を増加させるように変化させる場合には、水素ガスの供給圧力を上昇させる必要があるため、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を過渡的に増加させることになる。このとき、発電電流を増加させる変化率が大きいほど、水素ガス圧力制御弁２２の制御量も大きくする必要がある。
【００５９】
ところで、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力がなんらかの理由により低下した場合、要求される発電電流の増加に応じて水素ガス圧力制御弁２２の制御量を大きくしたとしても、水素ガスの供給圧力を十分上昇させることができないため、過渡的に燃料電池スタック１０の水素欠乏が生じてしまう可能性がある。特に、発電電流を増加させる際の変化率が大きいほど、急激な水素欠乏状態を招いてしまうことになる。
【００６０】
そこで、システムコントローラ６０は、発電電流と水素ガス圧力制御弁２２の制御量との関係から、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力の低下の度合いを検出し、検出された上流側の圧力の低下量が大きい場合には、発電電流の変化率を小さくするように制御する。図６に示したように、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を最大制御量とした際の発電電流が小さいほど、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が低下しているといえるので、発電電流の変化率の制限値を小さくする必要がある。
【００６１】
なお、図７に示したデータテーブルは、実験により求めたテーブルである。具体的には、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力を減少させ、発電電流を一定とした定常状態において、水素ガス圧力制御弁２２の制御量が最大制御量となる場合の発電電流を計測し、また発電電流を変化させた場合に、所望の水素ガス供給圧力を実現できる発電電流変化率を計測することで求めたテーブルである。
【００６２】
システムコントローラ６０は、このようにして発電量の制限値として、最大発電電流の上限値と発電電流の変化率の制限値とを算出すると、図２に示すフローチャートのステップＳ３へと処理を進める。
【００６３】
次に、システムコントローラ６０により実行される燃料電池システムの目標電流算出処理（ステップＳ３）について詳細に説明する。システムコントローラ６０は、燃料電池の代表的な電流電圧特性を用いて、図３に示したステップＳ１３において算出した要求発電電力に基づき目標電流を算出する。例えば、システムコントローラ６０は、図示しないメモリにあらかじめ記憶させた図８に示すような、運転温度ごとに要求発電電力［ｋＷ］と目標発電電流［Ａ］とを関係付けたマップデータを用いて目標電流を算出する。
【００６４】
図８に示すマップデータは、燃料電池の基準となる電流電圧特性のうち、例えば、稼働開始初期時の電流電圧特性において、個体差による特性ばらつきの中央値に相当する特性データを用いて、運転温度ごとの発電電力に対する電流値をマップ化したものである。
【００６５】
これにより、システムコントローラ６０は、冷却液温度センサ４４で測定される燃料電池スタック１０で昇温された冷却液の温度を燃料電池スタック１０の運転温度として用い、この運転温度と上述した要求発電電力とで図８に示すマップデータを参照することで目標電流の基本値を算出する。図９（ａ）に、目標電流の基本値の時間変化の一例を点線Ａとして示す。システムコントローラ６０は、この目標電流の基本値に対して、ステップＳ２３で算出した発電電流の上限値を用いて、目標電流の上限値制限を行い、さらに、ステップＳ２４で算出した発電電流の変化率の制限値を用いて、目標電流の変化率の制限を行って最終的な目標電流を算出する。
【００６６】
図９（ａ）に、点線Ａで示した目標電流の基本値に対して上限値制限と変化率の制限とを施した新たな目標電流を実線Ｂとして示す。図９（ａ）に示すように、実線Ｂは、定常状態において発電電流に上限値制限がかけられ、過渡状態において変化率が点線Ａの５Ａ／ｍｓｅｃから１Ａ／ｍｓｅｃとなるように制限がかけられている。
【００６７】
図９（ｂ）には、図９（ａ）に示した発電電流に対応した水素ガス圧力制御弁２２の制御量の時間変化をプロットしている。図９（ｂ）では、制限をかける前の目標電流の基本値に対応した水素ガス圧力制御弁２２の制御量を点線Ｃで示し、上限値制限と変化率の制限とを施した制御量を実線Ｄで示している。なお、図９（ｂ）の点線Ｃは、水素ガス圧力制御弁２２の上流側でなんらかの原因により圧力低下がある場合での制御量の推移を示している。また、図９（ｂ）には、点線Ｃと比較するために、水素ガス圧力制御弁２２の上流側で圧力低下がない場合での水素ガス圧力制御弁２２の制御量の推移を実線Ｅとして示している。
【００６８】
図９（ｂ）のＰ１で示した領域から分かるように、過渡状態において、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力に低下がある場合に変化率による制限をかけないと、システムコントローラ６０は、圧力の低下分を補おうと水素ガス圧力制御弁２２を制御するため、制御量を最大制御量に貼り付かせてしまう。よって、水素ガス圧力制御弁２２の上流側において圧力低下のない通常時のようなオーバーシュート分の燃料ガスの増加を見込めないことから、燃料電池スタック１０への水素ガスの供給不足、つまり水素欠乏が生じてしまうことになる。
【００６９】
そこで、図９（ｂ）に示す実線Ｄのように、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を最大制御量より小さくなるように、発電電流の変化率に制限をかけると、過渡状態での燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足が解消される。
【００７０】
また、図９（ｂ）のＰ２で示した領域から分かるように、定常状態において、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力に低下がある場合に上限値による制限をかけないと、システムコントローラ６０は、圧力の低下分を補おうと水素ガス圧力制御弁２２を制御するため、制御量を最大制御量に貼り付かせてしまう。よって、水素ガス圧力制御弁２２の開度を全開にしても、発電に必要な燃料ガスを供給することができないことから、燃料電池スタック１０において、水素ガスの供給不足、つまり水素欠乏が生じてしまうことになる。
【００７１】
そこで、図９（ｂ）に示す実線Ｄのように、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を最大制御量以下となるように、発電電流の上限値に制限をかけると、定常状態での燃料電池スタック１０への燃料ガスの供給不足が解消される。
【００７２】
システムコントローラ６０は、このようにして上限値制限、変化率の制限を施した最終的な目標電流を算出すると、図２に示すフローチャートのステップＳ４へと処理を進める。
【００７３】
次に、システムコントローラ６０により実行される燃料電池システムの水素ガス、空気ガス供給制御処理（ステップＳ４）の詳細について、図１０に示すフローチャートを用いて説明する。
【００７４】
まず、ステップＳ３１において、システムコントローラ６０は、燃料電池スタック１０で発電される発電電流が、ステップＳ３において算出された目標電流となるように、燃料電池スタック１０に供給する水素ガス、空気ガスの圧力制御をする際に用いる目標ガス圧力を算出する。例えば、システムコントローラ６０は、図示しないメモリにあらかじめ記憶させた図１１に示すような、目標発電電流［Ａ］と目標ガス圧力［ｋＰａ_ａ］とを関係付けたテーブルデータを用いて目標ガス圧力を算出する。なお、この図１１に示すテーブルデータは、燃料電池スタック１０の発電効率などを考慮して設定される。
【００７５】
ステップＳ３２において、システムコントローラ６０は、水素ガスの圧力制御を行う。システムコントローラ６０は、ステップＳ３１で算出した目標ガス圧力に基づいて水素ガス圧力制御弁２２を操作することで水素ガスの圧力制御を行う。システムコントローラ６０は、例えば、水素ガス入口圧力センサ２９で測定した水素ガス圧力と目標ガス圧力との偏差に基づいて水素ガス圧力制御弁２２の指令開度を決定し、Ｆ／Ｂ（フィードバック）制御により水素ガス圧力制御弁２２の制御を行う。なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など、一般的に用いられている既知の制御手法により実行することができる。
【００７６】
システムコントローラ６０は、算出された水素ガス圧力制御弁２２の指令開度に基づく制御信号を水素ガス圧力制御弁２２を駆動する駆動回路へと出力する。これに応じて、駆動回路は、水素ガス圧力制御弁２２を指令開度に応じた開度となるように駆動する。
【００７７】
ステップＳ３３において、システムコントローラ６０は、燃料電池スタック１０で発電される発電電流が、ステップＳ３において算出された目標電流となるように燃料電池スタック１０に供給する空気ガスの流量制御を行う。まず、システムコントローラ６０は、空気ガスの流量制御を実行するにあたり目標空気流量を算出する。例えば、システムコントローラ６０は、図示しないメモリにあらかじめ記憶させた図１２に示すような目標発電電流［Ａ］と目標空気流量［ＮＬ／ｍｉｎ］とを関係付けたテーブルデータを用いて目標空気流量を算出する。なお、この図１２に示すテーブルデータは、燃料電池スタック１０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。
【００７８】
次に、システムコントローラ６０は、ステップＳ３１で算出した目標ガス圧力と、当該ステップＳ３３で算出した目標空気流量とに基づいて、空気ガス供給装置３１の駆動回転数を制御する制御量である指令回転数を算出する。例えば、システムコントローラ６０は、図示しないメモリにあらかじめ記憶させた図１３に示すような目標空気流量［ＮＬ／ｍｉｎ］とコンプレッサ指令回転数［ｒｐｍ］とを関係付けたマップデータを用いて、目標ガス圧力に応じた指令回転数を算出する。なお、この図１３に示すマップデータは、空気ガス供給装置３１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。
【００７９】
システムコントローラ６０は、算出された指令回転数に基づく制御信号を空気ガス供給装置３１を駆動する駆動回路へと出力する。これに応じて、駆動回路は、空気ガス供給装置３１を指令回転数に応じた回転数となるように駆動する。
【００８０】
ステップＳ３４において、システムコントローラ６０は、空気ガスの圧力制御を行う。システムコントローラ６０は、目標ガス圧力に基づいて圧力制御弁３４を操作することで空気ガスの圧力制御を行う。例えば、システムコントローラ６０は、図示しないメモリにあらかじめ記憶させた図１４に示すような、空気流量に応じて目標空気圧力［ｋＰａ_ｇ］と指令開度［ｄｅｇ］とを関係付けたマップデータを用いて、Ｆ／Ｆ（フィードフォワード）制御量として指令開度を算出する。
【００８１】
そして、システムコントローラ６０は、例えば、空気ガス入口圧力センサ３７で測定した空気ガス圧力と目標空気圧力との偏差に基づいて、Ｆ／Ｂ（フィードバック）制御により演算した指令開度の補正量の和によって、圧力制御弁３４の指令開度を決定することで空気ガスの圧力制御を行う。なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩ制御やモデル規範型制御など、一般的に用いられている既知の制御手法により実行することができる。
【００８２】
システムコントローラ６０は、算出された圧力制御弁３４の指令開度に基づく制御信号を圧力制御弁３４を駆動する駆動回路へと出力する。これに応じて、駆動回路は、圧力制御弁３４を指令開度に応じた開度となるように駆動する。
【００８３】
システムコントローラ６０は、このようにして燃料電池スタック１０に供給する水素ガス、空気ガスの供給制御処理を実行すると、図２に示すフローチャートのステップＳ５へと処理を進める。
【００８４】
最後に、システムコントローラ６０は、要求発電電力に基づき発電電力制御処理（ステップＳ５）を実行する。システムコントローラ６０が、電力制御装置５１に対して要求発電電力を指示すると、燃料電池スタック１０で発電された電力が電力制御装置５１により所望の出力となるように取り出され負荷に供給される。
【００８５】
［実施の形態の効果］
このようにして本発明の実施の形態として示す燃料電池システムは、システムコントローラ６０の制御により、燃料電池本体である燃料電池スタック１０に供給する水素ガスの供給圧力を制御する水素ガス圧力制御弁２２の制御量と燃料電池スタック１０の発電量との関係に基づき、燃料電池スタック１０の発電量に制限をかける。
【００８６】
これにより、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が低下した場合には、燃料電池スタック１０の発電量が適切に制限されるため、燃料電池スタック１０の水素欠乏を事前に回避することができる。したがって、燃料電池スタック１０の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく、発電に必要な水素ガスを良好に供給することができる。
【００８７】
また、システムコントローラ６０は、燃料電池スタック１０の発電量を一定とする定常状態、発電量を変化させる過渡状態において、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が低下した場合に、燃料電池スタック１０の最大発電量、燃料電池スタック１０の発電量が変化する際の変化率をそれぞれ適切に制限することで、燃料電池スタック１０の水素欠乏を事前に回避することができる。したがって、燃料電池スタック１０の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく、発電に必要な水素ガスを良好に供給することができる。
【００８８】
システムコントローラ６０は、燃料電池スタック１０の発電量を一定とする定常状態において、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が低下した場合、水素ガス圧力制御弁２２の制御量が最大制御量以下となるように燃料電池スタック１０の最大発電量を制限することで、水素ガス圧力制御弁２２の開度を全開としても発電に必要な水素ガスを供給することができないといった事態を回避することができる。したがって、燃料電池スタック１０の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく、発電に必要な水素ガスを良好に供給することができる。
【００８９】
システムコントローラ６０は、燃料電池スタック１０の発電量を変化させる過渡状態において、水素ガス圧力制御弁２２の上流側の圧力が低下した場合、水素ガス圧力制御弁２２の制御量が最大制御量よりも小さくなるように燃料電池スタック１０の最大発電量を制限することで、上流側の圧力に低下のない通常時のオーバーシュート分の水素ガスを見込めなくとも発電に必要な水素ガスを供給することができないといった事態を回避することができる。したがって、燃料電池スタック１０の急激な出力低下を招いたり、出力特性を悪化させることなく、発電に必要な水素ガスを良好に供給することができる。
【００９０】
また、システムコントローラ６０は、水素ガス圧力制御弁２２を最大制御量で制御した際の燃料電池スタック１０の発電量を最大発電量を制限する制限値とすることで、供給可能な水素ガスで燃料電池スタック１０の発電を維持できる発電量の範囲を容易に決定することができる。
【００９１】
また、システムコントローラ６０は、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を燃料電池スタック１０への水素ガスの供給量が増加するように変位させた場合、燃料電池スタック１０の発電量の変化率を制限する制限値を小さくすることで、供給可能な水素ガスで燃料電池スタック１０の発電を維持できる発電量の範囲を容易に決定することができる。
【００９２】
燃料電池スタック１０の発電量と水素ガスの圧力とがそれぞれ略一定である場合での水素ガス圧力制御弁２２の上流側圧力に応じて変化する水素ガス圧力制御弁２２の制御量と燃料電池スタック１０の発電量との関係を用いて、燃料電池スタック１０の発電量に制限をかけることで、発電量を制限する制御処理の信頼性を高めることができる。
【００９３】
また、システムコントローラ６０は、水素ガス圧力制御弁２２の上流側圧力に応じて変化する水素ガス圧力制御弁２２の制御量と燃料電池の発電量との関係を、燃料電池スタック１０の発電量を入力として、水素ガス圧力制御弁２２の制御量を出力する近似関数で表し、近似関数の係数を水素ガス圧力制御弁２２の実際の制御量に基づき随時更新して学習することで、燃料電池スタック１０の発電量を制限する制御処理を非常に簡便な手法で実行することができる。
【００９４】
さらに、水素ガス圧力制御弁２２の動作温度を加味した、水素ガス圧力制御弁２２の制御量と燃料電池の発電量との関係を用いることで、燃料電池スタック１０の発電量を制御する制御処理の精度を大幅に向上させることができる。
【００９５】
なお、上述の実施の形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施の形態に限定されることはなく、この実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の実施の形態として示す燃料電池システムの構成について説明するための図である。
【図２】前記燃料電池システムが実行する発電制御処理の動作について説明するためのフローチャートである。
【図３】要求発電電力算出処理動作について説明するためのフローチャートである。
【図４】アクセル操作量と要求発電電流とを車両速度ごとに関係付けたマップデータを示した図である。
【図５】電流制限値算出処理動作について説明するためのフローチャートである。
【図６】燃料電池スタックの発電電流と水素ガス圧力制御弁の制御量との関係を示した図である。
【図７】水素ガス圧力制御弁の制御量を最大制御量とした際の発電電流と、発電電流の変化率の制限値とを関係付けたテーブルデータを示した図である。
【図８】要求発電電力と目標発電電流とを運転温度ごとに関係付けたマップデータを示した図である。
【図９】（ａ）は、燃料電池の発電電流の時間変化の一例を示した図であり、（ｂ）は、水素ガス圧力制御弁の制御量の時間変化の一例を示した図である。
【図１０】ガス供給制御処理動作について説明するためのフローチャートである。
【図１１】目標発電電流と目標ガス圧力とを関係付けたテーブルデータを示した図である。
【図１２】目標発電電流と目標空気流量とを関係付けたテーブルデータを示した図である。
【図１３】目標空気流量とコンプレッサ指令回転数とを目標ガス圧力ごとに関係付けたマップデータを示した図である。
【図１４】目標空気圧力と指令開度とを空気流量ごとに関係付けたマップデータを示した図である。
【符号の説明】
【００９７】
１０  燃料電池スタック
１１  アノード
１２  カソード
２０  水素ガス循環供給系
２１  水素ガス供給源
２１Ｐ  タンク圧力センサ
２１Ｔ  タンク温度センサ
２２  水素ガス圧力制御弁
２２Ｔ  水素ガス制御弁温度センサ
２７  パージ弁
２８  水素ガス入口温度センサ
２９  水素ガス入口圧力センサ
３０  空気ガス供給系
４０  冷却系
５０  出力系
６０  システムコントローラ
【図１】
2007220538.tif 000003
【図２】
2007220538.tif 000004
【図３】
2007220538.tif 000005
【図４】
2007220538.tif 000006
【図５】
2007220538.tif 000007
【図６】
2007220538.tif 000008
【図７】
2007220538.tif 000009
【図８】
2007220538.tif 000010
【図９】
2007220538.tif 000011
【図１０】
2007220538.tif 000012
【図１１】
2007220538.tif 000013
【図１２】
2007220538.tif 000014
【図１３】
2007220538.tif 000015
【図１４】
2007220538.tif 000016