JP2003317762A - 燃料電池システムの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 燃料電池１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９と、前記燃料
電池からの発電電力を貯蔵する電力貯蔵部８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２３と、前記余裕負荷電力を運
転状態に応じて補正する手段２３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。

Description

【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１
２年１２月４日に出願された特願２０００−３６９１４
１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
記余裕負荷電力を運転状態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。

【０００７】第３の発明は、第１または２の発明におい
て、前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電池の発電
の動特性に応じて、前記余裕負荷電力を補正する手段で
あることを特徴とする。

【０００８】第４の発明は、第１から３のいずれか一つ
の発明において、前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃
料電池の発電の応答性が速い場合ほど、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。

【０００９】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、前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃
料電池に供給するガスの圧力或いは流量に基づいて前記
燃料電池の発電の応答性を推定し、推定した発電の応答
性が速い場合ほど、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。

【００１０】第６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７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。

【００１２】第８の発明は、第１の発明において、前記
余裕負荷電力演算手段は、前記負荷回路の負荷が減少し
た場合には、前記余裕負荷電力と現在の負荷の和が、負
荷が減少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手段であることを特徴とす
る。

【００１３】第９の発明は、第１から８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１０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、前記余裕負荷電力を運転状態に応じて補正する
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１０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。

【００１９】第３の発明にあっては、前記燃料電池の動
特性に応じて前記余裕負荷電力を補正するので、、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。

【００２０】第４の発明にあっては、前記燃料電池の発
電の応答性が速い場合ほど、前記余裕負荷電力を減少さ
せるように補正するので、応答性が速い場合には、前記
不足電力を無駄に増大させない。よって、燃料電池の応
答性が速い場合に供給ガス量を無駄に増大させることが
ない。これにより、前記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。

【００２１】第５の発明にあっては、前記燃料電池に供
給するガスの圧力或いは流量に基づいて、前記燃料電池
の発電の応答性を推定し、推定した発電の応答性が速い
場合ほど、前記余裕負荷電力を減少させるように補正す
る。したがって、供給ガスの圧力或いは流量という比較
的容易に検出できる状態量に基づいて、前記余裕負荷電
力の演算を行なうことができる。これにより、比較的容
易な構成で、前記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。

【００２２】第６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７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。

【００２４】第８の発明にあっては、前記負荷回路の負
荷が所定値以上に低下した場合には、前記余裕負荷電力
と現在の負荷の和が、負荷が変化する以前の負荷のある
期間内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、負荷の低下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、負荷の低下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。

【００２５】第９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２
１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Ｓ１
２、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Ｓ１
５、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Ｓ１
７、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２
８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Ｓ
ＯＣ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ｋ
ｍ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Ｔ
２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

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【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運転状態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。
2. 【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
   ステムの制御装置。
3. 【請求項３】前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電
   池の発電の動特性に応じて、前記余裕負荷電力を補正す
   る手段であることを特徴とする請求項１または２に記載
   の燃料電池システムの制御装置。
4. 【請求項４】前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電
   池の発電の応答性が速い場合ほど、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から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム
   の制御装置。
5. 【請求項５】前記余裕負荷電力補正手段は、前記燃料電
   池に供給するガスの圧力或いは流量に基づいて前記燃料
   電池の発電の応答性を推定し、推定した発電の応答性が
   速い場合ほど、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。
6. 【請求項６】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。
7. 【請求項７】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。
8. 【請求項８】前記余裕負荷電力演算手段は、前記負荷回
   路の負荷が減少した場合には、前記余裕負荷電力と現在
   の負荷の和が、負荷が減少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。
9. 【請求項９】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８のいずれか一つに記載の燃料電池システムの制
   御装置。
10. 【請求項１０】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、 前記余裕負荷電力を運転状態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。