(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
この燃料電池の発電電力が負荷回路に供給されて駆動する負荷部と、
前記燃料電池からの発電電力を貯蔵する電力貯蔵部と、
前記負荷回路の負荷が所定速度で変動したときに前記燃料電池及び前記電力貯蔵部から前記負荷回路に供給される余裕負荷電力を演算する手段と、
前記余裕負荷電力を燃料電池システムの純水量に応じて補正する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
【請求項２】
前記余裕負荷電力は、前記電力貯蔵部の入出力可能電力と、前記燃料電池の目標発電量に応じて制御され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】
前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電池システムの純水の量を検出し、前記純水量が減少した場合には前記余裕負荷電力を減少するように補正する手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項４】
前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電池システムの前記純水量の減少が予想される場合には、前記余裕負荷電力を減少するように補正する手段であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項５】
前記余裕負荷電力は、車両の最大加速度時の要求電力に基づき設定されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制御装置。
【請求項６】
燃料電池の発電電力によって駆動される負荷部の負荷が所定速度で変動したときに燃料電池の発電電力を貯蔵する電力貯蔵部及び前記燃料電池から前記負荷部の負荷回路に供給される余裕負荷電力量を設定し、前記余裕負荷電力量を燃料電池システムの純水量に応じて補正す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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システムの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人によって日本国特許庁に平成１２年１２月４日に出願された特願２０００−３６９１４１号は、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる燃料電池システムとして、負荷回路の負荷が所定変化速度で変動したときに電力貯蔵部及び燃料電池から負荷回路に供給するための余裕負荷電力量を設定し、電力貯蔵部の出力可能電力及び電力貯蔵部に入力して蓄積可能な入力可能電力を演算し、入力可能電力より余裕負荷電力と出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、入力可能電力を電力貯蔵部の充電電力となるように発電を行うと共に、余裕負荷電力から入力可能電力と出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように燃料電池への供給ガスの流量又は圧力を制御する燃料電池システムの制御装置を出願した。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この発明においては、最大加速時等に要求される電力に対して補償する電力値を余裕負荷電力として算出しており、常に最大加速時に要求される電力を補償するように余裕負荷電力を算出した場合には、燃料電池に多大な供給ガス量を供給しなければならない。したがって、コンプレッサやポンプなどの供給ガスを供給する装置の消費電力が増大し、燃料電池システムの電気的な効率が悪化してしまう、という問題がある。また、多大に供給したガスの余剰分をシステムの外に放出する構成とする場合には、ガスとともにガス中に含まれる純水（水蒸気）をシステムの外に放出してしまうので、燃料電池システムが保有する純水量が減少してシステムの水収支が悪化する、という問題がある。
【０００４】
このような問題点を鑑み、本発明の課題は、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる燃料電池システムの制御装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、燃料電池と、この燃料電池の発電電力が負荷回路に供給されて駆動する負荷部と、前記燃料電池からの発電電力を貯蔵する電力貯蔵部と、前記負荷回路の負荷が所定速度で変動したときに前記燃料電池及び前記電力貯蔵部から前記負荷回路に供給される余裕負荷電力を演算する手段と、前記余裕負荷電力を燃料電池システムの純水量に応じて補正する手段を備えたことを特徴とする燃料電池システムの制御装置である。
【０００６】
第２の発明は、第１の発明において、前記余裕負荷電力は、前記電力貯蔵部の入出力可能電力と、前記燃料電池の目標発電量に応じて制御されることを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第１の発明において、前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電池システムの純水の量を検出し、前記純水量が減少した場合には前記余裕負荷電力を減少するように補正する手段であることを特徴とする。
【００１１】
第４の発明は、第１の発明において、前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電池システムの前記純水量の減少が予想される場合には、前記余裕負荷電力を減少するように補正する手段であることを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、第１から４のいずれか一つの発明において、前記余裕負荷電力は、車両の最大加速度時の要求電力に基づき設定する。
【００１４】
第６の発明は、燃料電池の発電電力によって駆動される負荷部の負荷が所定速度で変動したときに燃料電池の発電電力を貯蔵する電力貯蔵部及び前記燃料電池から前記負荷部の負荷回路に供給される余裕負荷電力量を設定し、前記余裕負荷電力量を燃料電池システムの純水量に応じて補正することを特徴とする燃料電池システムの制御方法である。
【００１５】
【発明の効果】
第１または６の発明にあっては、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの少なくとも一方を純水で加湿して燃料電池で発電させて、発電電力を負荷回路に供給して負荷を駆動するとともに、前記燃料電池からの発電電力を貯蔵する電力貯蔵部に供給する。前記負荷回路の負荷が所定速度で変動したときに前記電力貯蔵部及び前記燃料電池から前記負荷回路に供給される余裕負荷電力を設定し、前記電力貯蔵部への入力可能電力より、前記余裕負荷電力と前記電力貯蔵部の出力可能電力との電力差が大きくなる場合に、前記入力可能電力を前記電力貯蔵部の充電電力となるように前記燃料電池の目標発電電力を算出し、前記余裕負荷電力から前記入力可能電力と前記出力可能電力を差し引いた不足電力分が常に発電できるように前記燃料電池への供給ガスの流量または圧力を制御する。
【００１６】
本発明の燃料電池システムの制御装置においては、前記余裕負荷電力を補正することを特徴とする。
【００１７】
これにより、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００１８】
第２の発明にあっては、前記余裕負荷電力が、前記電力貯蔵部の入出力可能電力と、前記燃料電池の目標発電量に応じて制御されるので、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００２２】
第３の発明にあっては、前記燃料電池システムの前記純水の量を検出し、その純水量が減少した場合には前記余裕負荷電力を減少させるように補正するので、前記不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。これにより、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００２３】
第４の発明にあっては、前記燃料電池システムの前記純水量の減少が予想される場合に、前記余裕負荷電力を減少させるように補正するので、前記不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。これにより、燃料電池システムの純水量のさらなる減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００２５】
第５の発明にあっては、余裕負荷電力を車両の最大加速度時に要求される電力に基づき設定するので、燃料電池の発電性能を容易に設定できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明を適用する燃料電池システムの構成の一例を示したものである。
【００２７】
この燃料電池システムの燃料電池スタック１は、例えば固体高分子電解質膜を挟んで酸化剤極と燃料極を対設した燃料電池構造体をセパレータで狭持した複数の燃料電池構造体からなる。この燃料電池スタック１は、酸化剤極側に酸化剤ガスとして酸素を含む空気が供給されるとともに、燃料極側に燃料ガスとして水素ガスが供給されることで発電をして、例えば自動車等の駆動源に供給される。
【００２８】
燃料電池スタック１には、燃料タンク２の水素ガスが圧力制御弁３の作用により所定圧力で供給されるとともに、モータ５によって駆動されるコンプレッサ４により酸化剤ガスとしての空気が供給され、電気化学反応を生じ発電する。ここで供給される空気は排空気が排出される排気管に設置された圧力制御弁６によってその圧力が制御される。
【００２９】
燃料電池スタック１で発電された電力は、電力貯蔵部としてのバッテリ８と、負荷部としての、例えばモータ９に供給される。モータ９とバッテリ８への電力の供給は、電力制御部７によって制御される。
【００３０】
燃料電池システムは制御部１０によって運転を制御され、制御部１０には、アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力され、これらに基づき、車両の目標駆動力と目標発電量とを演算し、これらの目標を達成するように、圧力制御弁３には開度制御信号Ｓ１を、コンプレッサ４を駆動するモータ５に駆動力制御信号Ｓ２を、圧力制御弁６に開度制御信号Ｓ３を、電力制御部７に電力制御信号Ｓ４を、さらにモータ９に駆動力制御信号Ｓ５を送信する。
【００３１】
電力制御部７は、制御部１０からの制御信号Ｓ４に応じて燃料電池スタック１から電力を取り出し、モータ９とバッテリ８へ供給する。バッテリ８はモータ９で消費される電力量よりも燃料電池スタック１が発電した電力制御部７から供給される電力量が大きい場合には、その差分の燃料電池スタック１からの余剰電力を充電電力として蓄積し、モータ９で消費される電力量よりも電力制御部７から供給される電力量が小さい場合には、バッテリ８はモータ９に不足分だけ電力を補うためにモータ９に電力を供給する。
【００３２】
図２は、制御部１０の機能的な構成を示すブロック図である。
【００３３】
制御部１０は、アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力される要求負荷演算部２１と、バッテリ８の状態を検出する図示しないバッテリセンサからのバッテリ温度情報、及びバッテリ８の充電レベル（以下、ＳＯＣと示す。）を示すＳＯＣ情報が入力される入出力可能電力演算部２２と、モータ９に車両に要求される電力に対して補償する電力値を演算する余裕負荷電力演算部２３とを備える。
【００３４】
更に、制御部１０は、入出力可能電力演算部２２及び余裕負荷電力記憶部２３からの情報を用いた演算をする目標充電量演算部２４と、目標燃料電池（以下、ＦＣと示す。）余裕電力演算部２５と、燃料電池システムを構成する各部の消費電力を演算する補機消費電力演算部２６と、要求負荷演算部２１、目標充電量演算部２４及び補機消費電力演算部２６からの情報を用いた演算をする目標発電量演算部２７と、目標発電量演算部２７及び目標ＦＣ余裕電力演算部２５からの情報を用いた演算をする供給ガス量制御部２８とを備える。
【００３５】
要求負荷演算部２１は、アクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいて、モータ９が駆動するために必要な要求負荷電力を演算する。要求負荷演算部２１は、演算した要求負荷電力を出力信号Ｓ１１として目標発電量演算部２７に出力する。
【００３６】
入出力可能電力演算部２２は、バッテリ温度及びＳＯＣ情報に基づいて、バッテリ８に蓄積可能な電力値を示す入力可能電力情報、及びバッテリ８からモータ９に出力可能な電力値を示す出力可能電力情報を演算し、これら演算した入力可能電力を出力信号Ｓ１４及び出力可能電力を出力信号Ｓ１３としてそれぞれ目標充電量演算部２４及び目標ＦＣ余裕電力演算部２５に出力する。
【００３７】
余裕負荷電力演算部２３は、モータ９で車両を駆動するために必要な電力に対して補償する電力値を演算し、この余裕負荷電力を出力信号Ｓ１２として目標充電量演算部２４及び目標ＦＣ余裕電力演算部２５に出力する。
【００３８】
目標充電量演算部２４は、出力信号Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４に基づいて、燃料電池スタック１により発電してバッテリ８に蓄積する目標充電量を演算する。目標充電量演算部２４は、入力可能電力の範囲内で、充電電力が余裕負荷電力に近づくように目標充電量を決定して、決定した目標充電電力を出力信号Ｓ１６として目標発電量演算部２７に出力する。
【００３９】
目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、出力信号Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４に基づいて、燃料電池スタック１から瞬時に取り出してモータ９に供給することができる目標ＦＣ余裕電力を演算し、この目標ＦＣ余裕電力を出力信号Ｓ１７として供給ガス量制御部２８に出力する。
【００４０】
補機消費電力演算部２６は、燃料電池システムに備えられた補機が消費する電力量を演算し、この補機消費電力を出力信号Ｓ１５として目標発電量演算部２７に出力する。
【００４１】
目標発電量演算部２７は、出力信号Ｓ１５、Ｓ１６、Ｓ１１に基づいて、燃料電池スタック１による発電電力の目標となる電力値を演算し、この演算した目標発電電力を出力信号Ｓ１８として供給ガス量制御部２８に出力する。
【００４２】
供給ガス量制御部２８は、出力信号Ｓ１７、Ｓ１８に基づいて、圧力制御弁３、モータ５、圧力制御弁６を制御して、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力及び流量を制御して、燃料電池スタック１の発電電力を制御する。
【００４３】
図３に、モータ９の要求電力の変化に対応する余裕負荷電力の変化を示す。ここで、余裕負荷電力とは、曲線Ａがモータ９を駆動するのに必要な電力量及び発電応答性である場合、燃料電池スタック１からは曲線Ｂに示す電力量及び発電応答性でしか発電できないときに、例えば曲線Ｃに示すように、バッテリ８からモータ９にモータ９の要求発電量に対する燃料電池スタック１の発電量の不足分を供給することで、燃料電池スタック１の発電量を補償する電力である。言い換えると、モータ９の要求発電量の変化速度が、燃料電池スタック１の発電応答性よりも速い場合に、要求発電量が不足する状態となるが、その不足分をバッテリ８からの供給電力によって賄うことでモータ９の要求電力量を補償するものである。すなわち、余裕負荷電力は、図中の斜線部分を補償するための電力である。補償電力の制御方法については、図６及び７を用いて後述する。尚、余裕負荷電力の具体的な演算方法は後述する。
【００４４】
図４に、燃料電池スタック１の出力電力と、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値、流量との関係を示す。
【００４５】
図４において、燃料電池スタック１から電力を取り出すための最低必要流量、及び最低必要圧力を実線で示す。ここで、制御部１０の供給ガス量制御部２８は、制御目標流量及び圧力を、目標ＦＣ余裕電力だけ増加させた流量値及び圧力値（図中●）とするように各部を制御し、実際に燃料電池スタック１から取り出す電力を目標発電量（図中○）とする。これにより、燃料電池スタック１は、目標発電量と目標ＦＣ余裕電力との和の電力が取り出し可能状態となり、モータ９が最大負荷で動作して要求負荷電力の要求が発生したときには瞬時に燃料電池スタック１から目標ＦＣ余裕電力分を取り出してモータ９に供給する制御をする。
【００４６】
一方、供給ガス量制御部２８は、上記目標ＦＣ余裕電力を零とする場合には、供給ガスが最低必要流量及び最低必要圧力となるようにモータ５を制御し、コンプレッサ４の駆動量を少なくし、実際に燃料電池スタック１から取り出す電力を目標発電量とする。換言すれば、供給ガス量制御部２８は、図中○で示す出力電力を得るときには図中○から上方に延びる点線と各特性とが交差する点（Ｘ１、Ｘ２）を制御目標流量及び圧力とする。
【００４７】
図５に、ＳＯＣに対する出力可能電力及び入力可能電力の変化を示す。入力可能電力及び出力可能電力は、温度によっても変化し、図５では常温と低温での各特性を示す。
【００４８】
次に図６に、制御部１０による電力制御処理の処理手順を示すフローチャートを示す。
【００４９】
制御部１０は、モータ９を駆動するに際して、先ずステップ１において、図示しないバッテリセンサからのセンサ信号により検出されるバッテリ８の温度を制御部１０を構成する入出力可能電力演算部２２により検出すると、次のステップ２に進む。続くステップ２において、バッテリ８の電流値及び電圧値に基づいてＳＯＣを入出力可能電力演算部２２に入力する。
【００５０】
次に、ステップ３において、入出力可能電力演算部２２は、ステップ１及びステップ２で得たバッテリ温度及びＳＯＣに応じて、入力可能電力及び出力可能電力を演算する。ここで、入出力可能電力演算部２２は、図５に示したようなＳＯＣに対する入力可能電力及び出力可能電力の特性と、バッテリ温度及びＳＯＣを基に入力可能電力及び出力可能電力を得る。
【００５１】
次に、ステップ４において、余裕負荷電力演算部２３が余裕負荷電力の演算を行なう。余裕負荷電力の演算方法は図８を用いて詳述する。
【００５２】
次のステップ５において、要求負荷演算部２１には、アクセル操作量情報及び車両速度情報が入力され、次のステップ６において要求負荷演算部２１は、アクセル操作量情報及び車両速度情報に基づいてモータ９が要求する要求負荷電力を演算する。ステップ７において、補機消費電力演算部２６は、補機消費電力を演算する。次のステップ８において、目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力記憶部２３に格納された余裕負荷電力がステップ３で得た出力可能電力よりも小さいか否かの判定をする。目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力が出力可能電力以下のときにはステップ９に処理を進め、大きいときには後述のステップ１１に処理を進める。
【００５３】
目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力が出力可能電力以下のときには、図７（ａ）に示すように余裕負荷電力を出力可能電力で賄え、新たな充電を要さずに余裕負荷電力を確保することができると認識して、目標充電量を零にした目標充電電力の出力信号Ｓ１６を目標発電量演算部２７に出力して、ステップ９に処理を進める。
【００５４】
ステップ９において目標発電量演算部２７は、目標発電量をステップ６で得た要求負荷電力として、目標発電電力の出力信号Ｓ１８を供給ガス量制御部２８に出力して処理をステップ１０に進める。
【００５５】
次のステップ１０において、供給ガス量制御部２８は、目標発電量演算部２７からの目標発電電力の出力信号Ｓ１８に基づいて各部を制御する制御信号を出力して目標発電量となるように燃料ガス、酸化剤ガスの流量及び圧力とする。
【００５６】
一方、目標充電量演算部２４は、ステップ８で余裕負荷電力が出力可能電力よりも大きいと判定した場合に、ステップ１１において、余裕負荷電力に対する出力可能電圧の不足分を演算する。このとき、目標充電量演算部２４は、余裕負荷電力から出力可能電力を減算することで不足分を認識する。
【００５７】
次に、目標充電量演算部２４は、ステップ１２において、ステップ１１で演算された不足分が、入力可能電力より小さいか否かの判定をする。不足分が入力可能電力以下と判定したときにはステップ１３に処理を進め、不足分が入力可能電力より大きいと判定したときには後述のステップ１５に進める。
【００５８】
ステップ１３において、目標充電量演算部２４は、入力可能電力分を充電することで不足分を賄えるような図７（ｂ）に示す関係にあると認識し、目標充電量をそのままステップ１１で演算された不足分とする。
【００５９】
次のステップ１４において、目標発電量演算部２７は、ステップ６で得た要求負荷電力を要求負荷演算部２１から入力するとともに、ステップ１３で得た目標充電量を目標充電量演算部２４から入力して、要求負荷電力と目標充電量とを加算した電力量を目標発電量としてステップ１０に処理を進める。
【００６０】
次に、ステップ１２で不足分が入力可能電力よりも大きいと判定されたステップ１５において、目標充電量演算部２４は、不足分が入力可能電力で賄えないような図７（ｃ）に示す関係にあると認識し、入力可能電力を目標充電量とする。
【００６１】
次のステップ１６において、目標発電量演算部２７は、要求負荷演算部２１からの要求負荷電力と目標充電量とを加算して目標発電量を得る。ここで、目標発電量演算部２７は、目標発電量に、前述のステップ７で得た補機消費電力も含めた値を目標発電量とする。
【００６２】
次のステップ１７において、目標ＦＣ余裕電力演算部２５は、ステップ１１で得た不足分から入力可能電力を減算することで目標ＦＣ余裕電力を得て、ステップ１０に処理を進める。次のステップ１０において、供給ガス量制御部２８は、目標発電電力情報Ｓ１８に基づいて各部を制御する制御信号を出力して前述の図４のように目標発電量、目標ＦＣ余裕電力となるように燃料ガス、酸化剤ガスの流量及び圧力とする。
【００６３】
次に、本発明の特徴的な部分であるステップ４における余裕負荷電力演算部（余裕負荷電力補正手段）２３が行う余裕負荷電力の演算方法について図８を用いて説明する。図８は余裕負荷電力の演算順序を説明するフローチャートである。
【００６４】
まず、ステップ１０１において余裕負荷電力の基準値Ｍ０を算出する。この基準値は車両の最大加速時に要求される電力を想定して予め設定した図９に示すようなマップデータに基づいて算出される。次に、ステップ１０２において余裕負荷電力の減少係数ｋｍを算出する。これは、図１０〜図１４に示した方法により計算されるが、それぞれの説明は後述する。そして、ステップ１０３において、基準値Ｍ０に減少係数ｋｍを乗算、基準値Ｍ０を補正して余裕負荷電力Ｍの算出を行なう。
【００６５】
図１０は、請求項１〜請求項５に記載の発明に対応する、余裕負荷電力Ｍの減少係数ｋｍを算出する、つまり余裕負荷電力の基準値Ｍ０を補正する係数を算出するための図である。燃料電池の動特性のひとつである発電応答性は、例えば、発電の応答時定数などであらわすことができるが、この発電時定数は燃料電池の運転状態、例えば、酸化剤ガス及び燃料ガスの流量や圧力によって変化する。そこで、この流量や圧力に応じて燃料電池の発電時定数を予め実験的に計測しておき、発電時定数が小さい条件では余裕負荷電力Ｍを減少させるように減少係数ｋｍを小さく設定することにより、図１０に示したようなマップデータを作成することができる。このマップデータによって、供給ガスの流量及び圧力に応じて減少係数ｋｍを算出すればよい。
【００６６】
これにより、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００６７】
図１１は、請求項１及び請求項６に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の減少係数ｋｍを算出する方法を示した図である。燃料電池システムの純水量が所定の基準値に対して減少した場合に、余裕負荷電力を減少させるように、図１１に示したような減少係数ｋｍとなるようにテーブルデータを予め設定しておく。そして、例えば純水タンク内の純水量を検出し、検出した純水量に基づいてこのテーブルデータを用いて減少係数ｋｍを算出すればよい。
【００６８】
燃料電池システムの純水の量を検出し、その純水量が減少した場合には余裕負荷電力を減少させるので、不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。したがって、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００６９】
図１２は、請求項１及び請求項７に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の減少係数ｋｍを算出する実施形態を示した図である。外気を酸化剤として利用した燃料電池システムでは、外気中に含まれる水蒸気量が少ない場合に、燃料電池システムの純水量が減少することが予想される。
【００７０】
そこで、図１２に示すように、外気温度と外気湿度に応じて水蒸気量が少ない条件ほど余裕負荷電力を減少させるようなマップデータを予め設定しておき、外気温度と外気湿度を検出して、検出した外気温度と外気湿度に基づいてそのマップデータによって余裕負荷電力の減少係数ｋｍを算出すればよい。
【００７１】
図１３は、請求項１及び請求項７に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の減少係数ｋｍを算出する他の実施形態を示した図である。燃料電池システムでは、運転圧力、すなわち、酸化剤ガスと燃料ガスの圧力によって純水の消費量が異なる場合がある。
【００７２】
そこで、運転圧力による純水消費量を予め実験的に計測しておき、純水の消費量が増大するような条件では余裕負荷電力を減少させる。例えば図１３に示すようなテーブルデータによって、燃料電池の運転圧力に基づいて余裕負荷電力の減少係数ｋｍを算出すればよい。
【００７３】
燃料電池システムの純水量の減少が予想される場合に、余裕負荷電力を減少させるので、不足電力に相当する供給ガス量を減少させることができ、システム外に放出される純水量を減少させることができる。これにより、燃料電池システムの純水量のさらなる減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００７４】
図１４は、請求項１及び請求項８に記載の発明に対応する、余裕負荷電力の演算を説明する他のフローチャートである。
【００７５】
まず、ステップ２０１において、前回の演算における要求負荷に対する現在の要求負荷の変化量が所定値以上であるかどうかを判定する。つまり、要求負荷が急変したかどうかを判定する。要求負荷が急変していないと判定された場合はステップ２０２に進む。ステップ２０２では要求負荷の平均値の演算を行い、現在の要求負荷に基づいて要求負荷の平均値の更新を行なう。そして、ステップ２０３において、余裕負荷電力の演算を行なうが、ここでの演算は、ステップ１０１の演算と同様に、車両の最大加速時に要求される電力を想定して予め設定した図９に示すようなマップデータに基づいて算出される。
【００７６】
一方、ステップ２０１において要求負荷が急変したと判定された場合には、ステップ２０４に進み、要求負荷が減少したかどうかを判定する。要求負荷が増加したと判定された場合はステップ２０３に進み、要求負荷が減少したと判定された場合はステップ２０５に進む。ステップ２０５では、余裕負荷電力の演算を行なう。ここでは、要求負荷の平均値から現在の要求負荷を減算することによって、余裕負荷電力の演算を行なう。
【００７７】
このような処理をする制御部１０によれば、図７（ｂ）に示すように余裕負荷電力より出力可能電力が小さい場合に、不足電力分より入力可能電力が大きいときには、目標充電量で不足分を補うように目標発電量を設定することで、いつでも余裕負荷電力を取りだせる状態にしておくことができる。
【００７８】
例えば図１５（ａ）に示すようにモータ９の要求負荷が変化する前の期間Ｔ１では要求負荷に対して燃料電池スタック１の発電出力が上回り、図１５（ｂ）に示すようにバッテリ８に充電が行われている。このときの目標充電電力と、出力可能電力との和が余裕負荷電力となる。なお、燃料電池出力（Ｎｅｔ）と燃料電池出力（Ｇｒｏｓｓ）との差は補機で消費されている電力である。
【００７９】
ここで、図１５（ａ）のように次の期間Ｔ２で要求負荷が大きく変動し、燃料電池スタック１からの電力出力の変化が、要求負荷の変化速度に対して遅れ、要求負荷が燃料電池スタック１からの電力出力とバッテリ８の出力可能電力の合計値を上回るような場合でも、余裕負荷電力を常に確保するように目標充電量を設定しているので、この目標充電量分の電力を供給することができる。したがって、この燃料電池システムによれば、急激にモータ９の負荷が変動したときでも、余裕負荷電力をモータ９に供給でき、要求負荷の変動に電力供給を追従させることができる。
【００８０】
また、この燃料電池システムでは、バッテリ８からモータ９に供給する電力を出力可能電力以内に押さえることができる。したがって、この燃料電池システムによれば、バッテリ８の劣化の進みを抑制することができる。
【００８１】
更に、負荷変化の終了後の期間Ｔ３において、燃料電池システムは、引き続きバッテリ８に充電を行うことで、余裕負荷電力を出力可能電力で賄えるようなＳＯＣとすることができる。したがって、燃料電池システムによれば、モータ９の要求負荷が変動していないときには、バッテリ８に充電を行って、余裕負荷電力を供給可能な状態とすることができる。
【００８２】
また、このような処理をする制御部１０によれば、図７（ｃ）に示すように余裕負荷電力より出力可能電力が小さい場合に、不足分より入力可能電力が小さいときであっても、目標ＦＣ余裕電力を設定して余裕負荷電力を確保することができる。
【００８３】
例えば図１６（ａ）に示すように、モータ９の負荷が変化する前の期間Ｔ１は要求負荷に対して燃料電池出力（Ｎｅｔ）が上回り、図１６（ｂ）に示すようにバッテリ８に入力可能電力以下での充電が行われている。
【００８４】
ここで、期間Ｔ１においてはバッテリ８の入力可能電力が小さいため、この期間Ｔ１の充電電力と出力可能電力の和だけでは余裕負荷電力をまかないきれないとする。これに対し、燃料電池システムでは、ステップ１７で目標ＦＣ余裕電力が設定され、常に余分な電力出力が可能な状態とする。そして、モータ９の要求負荷が大きくなると、燃料電池スタック１から、既に取り出していた電力と、目標ＦＣ余裕電力を取り出すとともに、バッテリ８の充電電力をモータ９に供給する。
【００８５】
負荷回路の負荷が概ね一定値であるときに負荷が急減した場合には、余裕負荷電力と現在の負荷の和が、負荷が急減する以前の負荷の平均的な値となるように、前記余裕負荷電力を演算する。よって、負荷の急減によって余裕負荷電力が増大して供給ガス量を無駄に増大させることを防止することができ、かつ、急減以前の要求負荷に即時に対応することができる。したがって、負荷の運転性を確保したまま、燃料電池システムの電気的な効率を悪化させることなく、また、燃料電池システムの純水量の減少を招くことなく、使用電力が変動する負荷に対して常に十分な電力供給を実現することができる。
【００８６】
以上説明したように本発明では、燃料電池システムの余裕負荷電力をシステムの運転状態に応じて補正することにより、目標ＦＣ余裕電力を瞬時に取り出すことができ、負荷に対して燃料電池スタック１の出力が不足する期間及び量を小さくすることができ、要求負荷の変化に応答して電力を供給することができる。
【００８７】
また、システムの電気的な効率及び純水の減少を防止を図るように余裕負荷電力が補正される。つまり、燃料電池の動特性を代表する発電応答性が速い場合、或いは、純水量の減少が検出された場合、或いは、純水量の減少が予想された場合には、余裕負荷電力が減少するように余裕負荷電力が補正される。これにより、目標ＦＣ余裕電力が減少するので、酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給するために必要な電力を減少させることができ、また、目標ＦＣ余裕電力に相当する供給ガスとともに純水をシステム外に放出してしまうことを防止できる。
【００８８】
また、要求負荷が概ね一定値であるときに要求負荷が急減した場合には、余裕負荷電力と現在の負荷の和が、要求負荷が急減する以前の要求負荷の平均値となるように、余裕負荷電力が演算される。よって、要求負荷の急減によって余裕負荷電力が増大し、目標ＦＣ余裕電力の増大することを防止することができる。これにより、酸化剤ガス或いは燃料ガスを供給するために必要な電力を減少させることができ、また、目標ＦＣ余裕電力に相当する供給ガスとともに純水をシステム外に放出してしまうことを防止できる。
【００８９】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した燃料電池システムの構成図である。
【図２】本発明を適用した燃料電池システムに備えられる制御部の機能的な構成を示すブロック図である。
【図３】負荷部が要求する電力と余裕負荷電力との関係を示す図である。
【図４】燃料電池スタックの出力電力と、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力値、流量との関係を示す図である。
【図５】ＳＯＣと出力可能電力及び入力可能電力との関係を示す図である。
【図６】制御部による電力制御処理の処理手順を示すフローチャートである。
【図７】（ａ）は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量及び出力可能電力との関係を示し、
（ｂ）は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量、出力可能電力及び不足分の関係を示し、
（ｃ）は負荷部が要求する負荷と余裕負荷電力に対する目標発電量、出力可能電力、目標ＦＣ余裕電力、及び不足分の関係を示す図である。
【図８】余裕負荷電力の算出方法を示すフローチャートである。
【図９】最大加速時に要求される電力を想定して設定した余裕負荷電力を示す図である。
【図１０】供給ガスの流量と圧力に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図１１】純水量に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図１２】外気温度と外気湿度に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図１３】燃料電池の運転圧力に応じて余裕負荷電力を減少させる係数の算出を説明する図である。
【図１４】余裕負荷電力の算出方法を示すフローチャートである
【図１５】（ａ）は燃料電池スタックの出力と負荷部で要求される負荷との関係を示し、
（ｂ）は電力貯蔵部の出力可能電圧及び入力可能電圧の変化を示す図である。
【図１６】（ａ）は燃料電池スタックの出力と負荷部で要求される負荷との関係を示し、
（ｂ）は電力貯蔵部の出力可能電圧及び入力可能電圧の変化を示す他の図である。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
２  燃料タンク
３  圧力制御弁
４  コンプレッサ
５  モータ
６  流量制御弁
７  電力制御器
８  バッテリ
９  モータ
１０  制御部
【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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