JP2004220794A - 燃料電池の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アノード圧力センサ及びカソード圧力センサを備えなくてもアノード圧力とカソード圧力との圧力差を一定に制御する。
【解決手段】目標燃料圧力算出手段２１と目標酸化剤圧力算出手段２２とは、運転条件に応じてそれぞれ燃料ガス（水素）の目標圧力、酸化剤ガス（空気）の目標圧力を算出する。電流−電圧マップ（ＩＶマップ）２３は、燃料電池の電流−電圧特性を記憶する。ＩＶマップから読み出した基準電圧と実際に電圧計で検出した出力電圧（以下、実電圧）とを比較し、閾値以上の差があればパラメータ補正手段２５は、目標値補正手段２６のパラメータを補正する。目標値補正手段２６は、圧力応答が速い方のガス制御系の目標値である目標水素圧力値または目標空気圧力値を、遅い方に圧力変化が一致するように補正する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の制御装置に係り、特に運転条件に応じて燃料ガス圧力及び酸化剤ガス圧力を制御する燃料電池の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。特に固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池は、動作温度が低く、取り扱いが容易なことから電動車両用の電源として注目されている。すなわち、燃料電池車両は、高圧水素タンク、液体水素タンク、水素吸蔵合金タンクなどの水素貯蔵装置を車両に搭載し、そこから供給される水素と、酸素を含む空気とを燃料電池に送り込んで反応させ、燃料電池から取り出した電気エネルギで駆動輪につながるモータを駆動するものであり、排出物質は水だけであるという究極のクリーン車両である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、燃料極（アノード）に供給される燃料ガスの圧力と酸化剤極（カソード）に供給される酸化剤ガスの圧力との差が大きくなると、発電効率が低下するとともに、固体電解質膜を劣化させるおそれがあるため、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差を許容値内となるように、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力が制御される。
【０００４】
このような燃料極と酸化剤極とのガス圧力制御技術として、例えば、特許文献１記載の技術が知られている。この従来技術によれば、燃料ガスとしての水素は水素吸蔵合金タンクから水素圧力調整弁を介して燃料極へ供給され、また酸化剤ガスとしての空気はコンプレッサから酸化剤極へ供給される。そして、水素圧力は、水素圧力調整弁で制御され、空気圧力はコンプレッサ回転数と酸化剤極出口に設けた空気圧力調整弁で制御されており、燃料極と酸化剤極では応答性が異なるアクチュエータで制御されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−４５５２５号公報（第３ページ、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術では、燃料極及び酸化剤極のガス圧力制御には、圧力センサを用いてそれぞれの圧力を計測し、燃料極及び酸化剤極の圧力差が所定値以下となるように、フィードバック制御を行う構成になっていたため、圧力センサが予期しない動作をしたときに、制御自体が出来なくなる場合が発生するという問題点があった。
【０００７】
さらに、一方のガス圧力の測定値に基づいて、他方のガス圧力の目標圧力値を求める構成では、圧力センサの応答特性、圧力センサのフィルタ、圧力制御プラントの応答性などの様々な遅れ要因が介在し、過渡的な圧力差が発生するという問題点があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記問題点を解決するため、運転条件に応じて燃料電池のアノードに供給する燃料ガスの目標圧力である目標燃料圧力を算出する目標燃料圧力算出手段と、運転条件に応じて燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガスの目標圧力である目標酸化剤圧力を算出する目標酸化剤圧力算出手段と、前記アノードにおける燃料ガス圧力が前記目標燃料圧力となるようにアノード圧力を制御するアノード圧力制御手段と、前記カソードにおける酸化剤ガス圧力が前記目標酸化剤圧力となるようにカソード圧力を制御するカソード圧力制御手段と、アノード及びカソードのそれぞれのガス圧力制御系の目標圧力の変化に対して応答の遅い方のガス圧力制御系の圧力変化に、応答が速い方のガス圧力制御系の圧力変化が一致するように、応答が速い系の目標圧力の補正を行う目標値補正手段と、を備えたことを要旨とする燃料電池の制御装置である。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、アノード圧力制御手段とカソード圧力制御手段のそれぞれの目標圧力変化に対して、応答の遅い系の圧力変化に、応答が速い系の圧力変化が一致するように、応答が速い系の目標圧力を補正する目標値補正手段を備えたので、アノード圧力センサ及びカソード圧力センサを備えなくてもアノード圧力とカソード圧力との圧力差を一定に制御することができるという効果がある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明が適用される燃料電池システムの構成例を説明するシステム構成図であり、以下の第１実施形態から第５実施形態までに共通である。
【００１１】
図１において、燃料電池システムは、高圧ガスタンクや水素吸蔵合金タンクに水素を貯蔵した燃料タンク１と、燃料タンク１から供給される水素の圧力を調整するアノード圧力調整バルブ２と、アノード圧力調整バルブ２から供給される水素とアノードオフガスとを混合してアノード５に供給するエゼクタ３と、アノード５及びカソード６を備える燃料電池４と、アノードオフガスを系外へ排出する水素パージバルブ７と、空気を圧縮してカソード６へ供給するコンプレッサ８と、カソード６の出口から系外へ排出する空気を絞ってカソード圧力を調整するカソード圧力調整バルブ９と、燃料電池４の出力電圧を検出する電圧計１０と、同出力電流を検出する電流計１１と、燃料電池４の発電電力を消費する負荷装置１２と、燃料電池の制御装置であるコントローラ２０とを備えている。
【００１２】
酸化剤ガスとしての空気は、大気からコンプレッサ８で加圧され、図示しない空気加湿器で加湿された後、カソード６へ供給される。カソード６で未使用の空気は、カソード圧力調整バルブ９から大気へ排出される。
【００１３】
燃料電池４のカソード６へ供給される空気の流量と圧力は、コンプレッサ８の回転数およびカソード圧力調整バルブ９の開度により制御される。
【００１４】
コンプレッサ８は、図示しないモータにより駆動され、コントローラ２０はモータ回転数を参照して、モータが目標の回転数となるようにモータを制御する。
【００１５】
燃料ガスとしての水素は、燃料タンク１からアノード圧力調整バルブ２を介して、エゼクタ３に供給される。エゼクタ３は、アノード５の出口から排出されるアノードオフガスとアノード圧力調整バルブ２から供給される水素とを混合して、図示しない水素加湿装置で加湿してアノード５へ供給する。
【００１６】
アノード５で未使用の水素は、エゼクタ３によって、新たに供給される水素と混合されて、アノード５へ循環される。アノード５へ供給される水素の圧力は、アノード圧力調整バルブ２により制御される。
【００１７】
コントローラ２０は、燃料電池のアノード５へ供給される水素の圧力が目標の圧力となるようにアノード圧力調整バルブ２を制御する。
【００１８】
水素パージバルブ７は、燃料電池の状態に応じて開閉することにより、燃料電池４内部の水つまりからの回復や、カソード６からアノード５への空気のリークによる出力低下および効率低下を防止するために使用するものである。
【００１９】
燃料電池車両では、燃料電池の発電量は基本的にドライバが要求する駆動力に応じて決定される。駆動力はアクセルやシフトの操作や車速等によって時々刻々演算されるので、燃料電池の発電量もそれに応じて変化する。
【００２０】
燃料電池は前述のように、燃料ガスと酸化ガスとを反応させて電気エネルギを取り出すものであるので、燃料電池へのガス供給量を発電量にしたがって変化させるのが効率的である。
【００２１】
コントローラ２０は、図示しない出力要求装置からの出力要求信号に応じて、燃料電池の発電量（発電電力）を算出し、この発電電力に応じた燃料ガス（水素）圧力の目標値、酸化剤ガス（空気）圧力の目標値を算出し、この目標値を実現するように、アノード圧力調整バルブ２及びカソード圧力調整バルブ９に対して開度制御信号、コンプレッサ８に対して回転速度指示信号を出力する。
【００２２】
このとき、コントローラ２０は、アノード圧力制御系及びカソード圧力制御系のそれぞれの目標圧力の変化に対して、相対的に応答の遅い方のガス圧力制御系の圧力変化に、相対的に応答が速い方のガス圧力制御系の圧力変化が一致するように、応答が速い方のガス圧力制御系の目標圧力の補正を行う。
【００２３】
これにより、アノードの水素圧力を検出するアノード圧力センサ、及びカソードの空気圧力を検出するカソード圧力センサを設けなくても、アノードとカソードとの圧力差を一定に保持することができる。
【００２４】
コントローラ２０は、特に限定されないが、本発明ではメモリとＣＰＵとＩ／Ｏインタフェースを備えたマイクロプロセッサで構成されているものとする。
【００２５】
〔第１実施形態〕
アノードの水素圧力制御の応答性及びカソードの空気圧力制御の応答性は、配管径や配管長さ、バルブの応答性、コンプレッサの応答性など、さまざまな要因から決定されるが、これらの応答性は、設計段階で決まる要因がほとんどであり、あらかじめ実験や設計値などから算出することができる。
【００２６】
このようにあらかじめ算出しておいたガス供給系の応答性の数式モデルかマップなどを用いて、速い応答性を持つガス圧力制御系の目標圧力を補正して、遅い応答性を持つガス圧力制御系との応答性と一致させ、常に同じガス圧力の応答性を実現する。
【００２７】
上記の手法により、水素圧力センサ及び空気圧力センサを用いなくても水素圧力と空気圧力との圧力差を一定に保つことができる燃料電池の制御装置を実現することができる。
【００２８】
次に、どのようにして応答性の数式モデルを算出するのか実施の形態を示す。尚、本実施形態では、カソード側の応答性が遅い場合、言い換えればアノード側の応答性が速い場合の実施の形態を示すが、アノード側の応答性がカソード側の応答性よりも遅い場合にも同様に実施可能であることは明らかである。
【００２９】
まずカソード側の応答性を算出する。このカソード側の応答性とは、カソード側の目標ガス圧力指令値（目標水素圧力）から燃料電池スタックのカソード側出口のガス圧力の応答性を算出したものである。
【００３０】
上記の系を算出するためには、実験段階では燃料電池のカソード側出口に圧力センサを取り付け、その圧力値を計測しておく。その後、実験結果より、カソード側目標圧力指令値を入力、カソード側出口の圧力を出力として、システム同定を行いカソード圧力制御系のプラントの特性を算出する。
【００３１】
その実験結果をこの実施形態では下記の式とする。
【００３２】
【数１】

【００３３】
上記は算出結果の最も簡単な結果である。もしシステム同定の結果の精度を高めたければ、上式の次数を高めることも考えられる。
【００３４】
また実際の応答性を下記のように示す。
【００３５】
【数２】
カソード側応答性＝Ｇｃ（ｓ） …（３）
アノード側応答性＝Ｇａ（ｓ） …（４）
上記の式を用いてアノード側圧力とカソード側圧力との圧力差が一定であることを表現すると、
【数３】
Ｇｃ（ｓ）＝Ｇａ（ｓ） …（５）
式（５）となればよい。
【００３６】
したがって、カソード側及びアノード側の実際の応答性がシステム同定で算出した応答性とそれぞれほぼ等しいことから、
【数４】
Ｇｃ（ｓ）≒ＧＩｃ（ｓ） …（６）
Ｇａ（ｓ）≒ＧＩａ（ｓ） …（７）
より、式（６）の両辺を式（７）の両辺でそれぞれ除算すると、カソード側応答性Ｇｃ（ｓ） は、次の式（８）となる。
【００３７】
【数５】

【数６】

【００３８】
この式（１０）を目標水素圧力に乗じて目標圧力を補正し、補正後の目標圧力に基づいて水素圧力を制御すれば、圧力センサを用いることなく、水素圧力と空気圧力との圧力差を一定に制御することができる。
【００３９】
図３は、本発明に係る燃料電池の制御装置の第１実施形態を説明するフローチャートであり、水素圧力制御系及び空気圧力制御系を上記のようにシステム同定した結果より、アノードの水素圧力とカソードの空気圧力との圧力差を一定に制御する実施の形態である。このフローチャートは、コントローラ２０によって、一定の制御周期（例えば１０ｍＳ）毎に実行されるものとする。
【００４０】
まず、ステップ（以下、ステップをＳと略す）１０において、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のカソードに供給する空気圧力の目標値である目標空気圧力（Ｔａｐ ）を算出する。燃料電池車両であれば、図示しないアクセルペダルの操作量に基づく駆動力と車速等によって時々刻々演算される要求電力に応じて、燃料電池の発電量が演算される。目標空気圧力は、この発電量に応じて算出される。
【００４１】
次いで、Ｓ１２では、目標空気圧力（Ｔａｐ ）を実現するために、コンプレッサ８の目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ９の開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）を調整するための制御量を算出している。これらコンプレッサ目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）は、Ｓ１０で算出した目標空気圧力（Ｔａｐ ）から、計算式または制御マップ等により一意的に算出されるものである。
【００４２】
Ｓ１４では、Ｓ１２で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換し、図１のコントローラ２０から、コンプレッサ８およびカソード圧力調整バルブ９へ出力する。
【００４３】
Ｓ１６では、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のアノードに供給する水素圧力の目標値である目標水素圧力（Ｔｈｐ ）を算出する。燃料電池車両であれば、Ｓ１０で算出した燃料電池の発電量に応じて、アノードの水素圧力の目標値である目標水素圧力が算出される。
【００４４】
Ｓ１８では、Ｓ１６で算出した目標水素圧力に、ＧＩｃ（ｓ）／ＧＩａ（ｓ）を乗算して目標水素圧力を補正する。この目標値の補正により、応答性の速いアノード圧力は、応答性の遅いカソード圧力との圧力差を一定に保つことができる。
【００４５】
Ｓ２０では、補正後の目標水素圧力に基づいて、アノード圧力調整バルブ２の開度（Ｔａ＿ｔｖｏ）を算出する。
【００４６】
Ｓ２２では、Ｓ２０で算出したアノード圧力調整バルブの開度を実現するための制御信号を算出している。これは、Ｓ２０で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換して、図１のコントローラ２０からアノード圧力調整バルブ２へ出力する。
【００４７】
以上説明した本実施形態によれば、アノード圧力制御手段とカソード圧力制御手段のそれぞれの目標圧力変化に対して、応答の遅い系の圧力変化に、応答が速い系の圧力変化が一致するように、応答が速い系の目標圧力を補正する目標値補正手段を備えたので、アノード圧力センサ及びカソード圧力センサを備えなくてもアノード圧力とカソード圧力との圧力差を一定にすることができるという効果がある。
【００４８】
〔第２実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池の制御装置の第２実施形態について説明する。
【００４９】
第２実施形態では、応答情報検出手段により、燃料電池の圧力応答特性に関する情報を収集し、この情報に基づいて目標値補正手段のパラメータであるゲイン（Ｇａｉｎ）を可変とすることにより、目標値補正手段の補正特性を動的に変更して、圧力センサや流量センサを設けることなく、また圧力制御系のアクチュエータの特性が変化して、数式モデルと実際の圧力制御特性との間にズレが生じても、アノードとカソードの圧力応答の動特性を一致させ、圧力差を一定に保つことができる。
【００５０】
応答情報検出手段は、図１の電圧計１０と電流計１１である。燃料電池のアノード及びカソードの圧力応答特性に関する情報として、燃料電池の出力電流と出力電圧とを検出する。そして、予め記憶した燃料電池の標準的な電流−電圧特性を参照して、出力電流に対応する基準電圧値を読み出し、基準電圧値と検出した出力電圧値（以下、実電圧値）とを比較する。この比較結果、実電圧が基準電圧より小さかった場合、燃料ガス（水素）または酸化剤ガス（空気）の圧力を増加するように目標値補正手段のゲイン（Ｇａｉｎ）を補正する。
【００５１】
図４は、燃料電池の電流−電圧特性を示す図である。図４に示すように、燃料電池の出力電圧は、出力電流の増加とともに低下する傾向にある。また、同一出力電流においても、燃料電池へ供給する水素あるいは空気の供給量や圧力が燃料電池の出力電流で決まる値を下回った場合には、燃料電池の出力電圧が低下するという電流−電圧特性を有する。標準的な水素及び空気の供給状態における燃料電池の電流−電圧特性をマップとして予めコントローラに記憶しておき、燃料電池の出力電流に対応する実際の出力電圧を計測し、マップに記憶した基準電圧値と照合すれば、水素又は空気の供給が不足しているか否かを判定することができる。
【００５２】
逆に、出力電流に対して、水素及び空気の供給が過剰であれば、出力電圧は、マップに記憶した値よりも高くなる。しかし、水素及び空気の流量・圧力を増加させると、空気を圧縮するコンプレッサの消費電力が増加し、燃料電池システム全体としての発電効率の低下などを招く。従って、システム効率を考慮し、水素・空気の供給量や圧力の設定値は決められる。
【００５３】
このような燃料電池システムにおいて、環境変化やコンプレッサなどアクチュエータの特性変化などにより、事前に定めたアクチュエータの動作指令値では、水素及び空気の所望の圧力や流量が実現できない場合も生じる。
【００５４】
このような場合においても、アノード及びカソードの圧力センサや流量センサ等を用いることなく、アクチュエータ等の特性変化に応じた適正な流量・圧力を定常状態あるいは過渡状態までも含めて補償する方法を以下に示す。
【００５５】
図４の示している「燃料電池の電流−電圧特性」と実際の電流、電圧の検出結果とを比較し、電流を基準として実際の電圧値が図示「変化許容下限値」を下回った場合、図６のゲイン補正マップよりゲイン（Ｇａｉｎ）の補正を行う。この変化許容値は、電流−電圧特性のとして記憶された電流値や基準電圧値から計算式に基づいて算出してもよいし、基準電圧値とは別に、変化許容下限値をマップに記憶しておいてもよい。
【００５６】
図２は、第２実施形態におけるコントローラ２０の制御構成を説明する制御ブロック図である。図２において、コントローラ２０は、運転条件に応じて燃料電池のアノードに供給する燃料ガス（水素）の目標圧力を算出する目標燃料圧力算出手段２１と、運転条件に応じて燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガス（空気）の目標圧力を算出する目標酸化剤圧力算出手段２２と、図４のような燃料電池の電流−電圧特性を記憶した電流−電圧マップ（以下、ＩＶマップとも略す）２３と、ＩＶマップから読み出した基準電圧と実際に電圧検出手段で検出した燃料電池の出力電圧（以下、実電圧）とを比較する比較手段２４と、パラメータ補正手段２５と、目標燃料圧力算出手段２１または目標酸化剤圧力算出手段２２が算出した目標水素圧力値または目標空気圧力値を補正する目標値補正手段２６と、目標水素圧力に基づいてアノード圧力調整バルブの開度指示信号を演算するアノード圧力制御信号演算手段２７と、目標空気圧力に基づいてコンプレッサ作動信号及びカソード圧力調整バルブの開度信号を演算するカソード圧力制御信号演算手段２８とを備えている。
【００５７】
パラメータ補正手段２５は、本実施形態においては、ＩＶマップ２３から読み出したマップ電圧から実電圧を差し引いた値からゲイン（Ｇａｉｎ）を算出し、このＧａｉｎで目標値補正手段２６におけるＧａｉｎを補正するものである。
【００５８】
次に、第２実施形態におけるコントローラ２０の制御動作を図５のフローチャートを参照して説明する。
【００５９】
図５において、まず、Ｓ１０において、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のカソードに供給する空気圧力の目標値である目標空気圧力（Ｔａｐ ）を算出する。
【００６０】
次いで、Ｓ１２では、目標空気圧力（Ｔａｐ ）を実現するために、コンプレッサ８の目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ９の開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）を調整するための制御量を算出している。これらコンプレッサ目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）は、Ｓ１０で算出した目標空気圧力（Ｔａｐ ）から、計算式または制御マップ等により一意的に算出されるものである。
【００６１】
Ｓ１４では、Ｓ１２で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換し、図１のコントローラ２０から、コンプレッサ８およびカソード圧力調整バルブ９へ出力する。
【００６２】
Ｓ１６では、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のアノードに供給する水素圧力の目標値である目標水素圧力（Ｔｈｐ ）を算出する。
【００６３】
次いで、Ｓ３０で目標水素圧力（Ｔｐｈ ）に、Ｇａｉｎ×（ＧＩｃ（ｓ）／ＧＩａ（ｓ））を乗算して、目標水素圧力の補正を行う。
【００６４】
次いで、Ｓ２０において、補正後の目標水素圧力に基づいて、アノード圧力調整バルブ２の開度（Ｔａ＿ｔｖｏ）を算出する。
【００６５】
Ｓ２２では、Ｓ２０で算出したアノード圧力調整バルブの開度を実現するための制御信号を算出している。これは、Ｓ２０で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換して、図１のコントローラ２０からアノード圧力調整バルブ２へ出力する。
【００６６】
Ｓ３２では、要求電流を取り出した状態で、電圧計１０と電流計１１により、燃料電池４の出力電圧及び出力電流を検出する。
【００６７】
Ｓ３４では、Ｓ３２で検出した出力電流に対応する電圧をＩＶマップから読み出し（この電圧をマップ電圧とする）、マップ電圧と電圧計で検出した実電圧とを比較する。そして実電圧が許容下限値を下回っていたら、Ｓ３６へ進み、マップ電圧−実電圧を算出して、Ｓ３８へ進む。Ｓ３４で実電圧が許容下限値以上であれば、処理を終了する。
【００６８】
Ｓ３８では、（マップ電圧−実電圧）に基づいて、図６に示すような換算表、または演算式により、目標値補正手段２６のパラメータであるＧａｉｎを算出し、算出した値をＧａｉｎ記憶用の領域に格納し、Ｇａｉｎを更新（補正）する。算出したＧａｉｎは、次回のＳ３０の演算に利用される。
【００６９】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池の出力電流と出力電圧とを検出し、予め記憶した燃料電池の電流−電圧特性から出力電流に対応するマップ電圧を読み出して、実際の出力電圧がマップ電圧より低ければ、目標水素圧力を補正する際に乗じるパラメータであるＧａｉｎを補正して水素の供給量を増やす構成にしたので、空気圧力制御系及び水素圧力制御系のアクチュエータ等の動作特性変化やアノード供給ガス成分及びカソード供給ガス成分の変化等により、圧力制御系の数式モデルにズレが生じてもアノードとカソードとの圧力制御系の動特性を一致させ、両極の圧力差を一定に保持させることができるという効果がある。
【００７０】
〔第３実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池の制御装置の第３実施形態について説明する。本実施形態におけるコントローラ２０の制御構成は、図２に示した第２実施形態と同様である。
【００７１】
第３実施形態では、Ｓ３２の要求電流取り出しステップの次に、燃料電池の出力電流の今回値と前回値との差がある閾値以上か否かを判定し、ある閾値未満であれば、過渡状態ではないとして、パラメータ補正を省略する点に特徴がある。
【００７２】
図８は、第３実施形態におけるコントローラ２０の動作を説明するフローチャートであり、図９、図１０は、第３実施形態におけるパラメータ補正を説明する図である。
【００７３】
図８において、まず、Ｓ１０において、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のカソードに供給する空気圧力の目標値である目標空気圧力（Ｔａｐ ）を算出する。
【００７４】
次いで、Ｓ１２では、目標空気圧力（Ｔａｐ ）を実現するために、コンプレッサ８の目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ９の開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）を調整するための制御量を算出している。これらコンプレッサ目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）は、Ｓ１０で算出した目標空気圧力（Ｔａｐ ）から、計算式または制御マップ等により一意的に算出されるものである。
【００７５】
Ｓ１４では、Ｓ１２で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換し、図１のコントローラ２０から、コンプレッサ８およびカソード圧力調整バルブ９へ出力する。
【００７６】
Ｓ１６では、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のアノードに供給する水素圧力の目標値である目標水素圧力（Ｔｈｐ ）を算出する。
【００７７】
次いで、Ｓ５０で、目標水素圧力（Ｔｈｐ ）に、式（１０）を乗算して、目標水素圧力の補正を行う。これにより、差圧を抑えるためのダイナミックスを持たせることができる。
【００７８】
本実施形態では、式（１）ＧＩｃ（ｓ）、式（２）ＧＩａ（ｓ）の各パラメータＣ，Ｄ，Ｅ，Ｆを用いて、
【数７】
２ζω＝（ＣＦ＋ＤＥ）／ＣＥ …（１１）
ω＾２＝ＤＦ／ＣＥ …（１２）
とすると、
ζ＝（ＣＦ＋ＤＥ）／（２・（ＣＥ・ＤＦ）＾０．５） …（１３）
ω＝（ＤＦ／ＣＥ）＾０．５ …（１４）
である。
【００７９】
次いで、Ｓ２０において、補正後の目標水素圧力に基づいて、アノード圧力調整バルブ２の開度（Ｔａ＿ｔｖｏ）を算出する。Ｓ２２では、Ｓ２０で算出したアノード圧力調整バルブの開度を実現するための制御信号を算出している。これは、Ｓ２０で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換して、図１のコントローラ２０からアノード圧力調整バルブ２へ出力する。
【００８０】
Ｓ３２では、要求電流を取り出した状態で、電圧計１０と電流計１１により、燃料電池４の出力電圧及び出力電流を検出する。
【００８１】
Ｓ５２では、燃料電池の過渡判断をおこなう。これは、前回の出力電流を記憶した値を読み出し、Ｓ３２で検出した今回の出力電流とを比較し、電流値の差の絶対値がある閾値以上か否かを判断することにより行われる。電流値の差の絶対値がある閾値未満であれば、定常状態と判定して処理を終了する。電流値の差の絶対値がある閾値以上であれば、過渡状態であるとしてＳ５４へ進む。
【００８２】
Ｓ５４では、Ｓ３２で検出した出力電流に対応する電圧をＩＶマップから読み出し（この電圧をマップ電圧とする）、マップ電圧と電圧計で検出した実電圧とを比較する。そして実電圧が許容下限値を下回っていたら、Ｓ５６へ進み、マップ電圧−実電圧を算出して、Ｓ５８へ進む。Ｓ５４で実電圧が許容下限値以上であれば、処理を終了する。
【００８３】
Ｓ５８では、（マップ電圧−実電圧）に基づいて、図９，図１０に示すような換算表、または演算式によりζ，ωを算出し、算出した値をζ，ω記憶用の領域にそれぞれ格納し、ζ，ωを更新（補正）する。算出したζ，ωは、次回のＳ５０の演算に利用される。このように、ζとωを動的に変化させることにより、システムを動的に最適化した目標水素圧力値の補正をおこなうことができる。
【００８４】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池の出力電流と出力電圧とを検出し、予め記憶した燃料電池の電流−電圧特性から出力電流に対応するマップ電圧を読み出して、実際の出力電圧がマップ電圧より低ければ、目標水素圧力を補正する際のパラメータであるζ，ωを補正して水素の供給量を増やす構成にしたので、空気圧力制御系及び水素圧力制御系のアクチュエータ等の動作特性変化やアノード供給ガス成分及びカソード供給ガス成分の変化等により、圧力制御系の数式モデルにズレが生じてもアノードとカソードとの圧力制御系の動特性を一致させ、両極の圧力差を一定に保持させることができるという効果がある。
【００８５】
〔第４実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池の制御装置の第４実施形態について説明する。本実施形態におけるコントローラ２０の制御構成は、図２に示した第２実施形態と同様である。第４実施形態の特徴は、第２実施形態において目標値補正手段のゲイン（Ｇａｉｎ）を補正しても圧力補償が改善されない場合、燃料電池の出力電流を制限する点にある。
【００８６】
図１１は、第４実施形態におけるコントローラ２０の動作を説明するフローチャートであり、図１２は、第４実施形態におけるパラメータ補正を説明する図である。
【００８７】
図１１において、まず、Ｓ１０において、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のカソードに供給する空気圧力の目標値である目標空気圧力（Ｔａｐ ）を算出する。
【００８８】
次いで、Ｓ１２では、目標空気圧力（Ｔａｐ ）を実現するために、コンプレッサ８の目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ９の開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）を調整するための制御量を算出している。これらコンプレッサ目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）は、Ｓ１０で算出した目標空気圧力（Ｔａｐ ）から、計算式または制御マップ等により一意的に算出されるものである。
【００８９】
Ｓ１４では、Ｓ１２で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換し、図１のコントローラ２０から、コンプレッサ８およびカソード圧力調整バルブ９へ出力する。
【００９０】
Ｓ１６では、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のアノードに供給する水素圧力の目標値である目標水素圧力（Ｔｈｐ ）を算出する。
【００９１】
次いで、Ｓ３０で目標水素圧力（Ｔｐｈ ）に、Ｇａｉｎ×（ＧＩｃ（ｓ）／ＧＩａ（ｓ））を乗算して、目標水素圧力の補正を行う。
【００９２】
次いで、Ｓ２０において、補正後の目標水素圧力に基づいて、アノード圧力調整バルブ２の開度（Ｔａ＿ｔｖｏ）を算出する。
【００９３】
Ｓ２２では、Ｓ２０で算出したアノード圧力調整バルブの開度を実現するための制御信号を算出している。これは、Ｓ２０で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換して、図１のコントローラ２０からアノード圧力調整バルブ２へ出力する。
【００９４】
Ｓ３２では、要求電流を取り出した状態で、電圧計１０と電流計１１により、燃料電池４の出力電圧及び出力電流を検出する。
【００９５】
Ｓ３４では、Ｓ３２で検出した出力電流に対応する電圧をＩＶマップから読み出し（この電圧をマップ電圧とする）、マップ電圧と電圧計で検出した実電圧とを比較する。そして実電圧が許容下限値を下回っていたら、Ｓ３６へ進み、（マップ電圧−実電圧）＝Ｖｄ を算出して、Ｓ６０へ進む。Ｓ３４で実電圧が許容下限値以上であれば、処理を終了する。
【００９６】
Ｓ６０では、前回の（マップ電圧−実電圧）＝Ｖｄｐを算出する。Ｓ６２では、｜Ｖｄ｜＞｜Ｖｄｐ｜か否かを判定する。Ｓ６２で、 ｜Ｖｄ｜＞｜Ｖｄｐ｜、即ち今回の電圧差の絶対値が前回の電圧差の絶対値より大きければ、目標圧力の補正の効果が少ない可能性があるので、Ｓ６４へ進み、図１２に示すような換算表、または演算式により、 ｜Ｖｄ｜−｜Ｖｄｐ｜から取り出し電流のＧａｉｎ−Ｋを求め、取り出し電流値にＧａｉｎ−Ｋを乗算して、新たな取り出し電流とすることにより取り出し電流の制限を行って、Ｓ６６へ進む。Ｓ６２の判定で、 ｜Ｖｄ｜＞｜Ｖｄｐ｜でなければ、Ｓ６６へ進む。
【００９７】
Ｓ６６では、Ｓ３８では、（マップ電圧−実電圧）に基づいて、図６に示すような換算表、または演算式により、目標値補正手段２６のパラメータであるＧａｉｎを算出し、算出した値をＧａｉｎ記憶用の領域に格納し、Ｇａｉｎを更新（補正）する。算出したＧａｉｎは、次回のＳ３０の演算に利用される。
【００９８】
以上説明した本実施形態によれば、目標水素圧力を補正する際に乗じるパラメータであるＧａｉｎを補正して水素の供給量を増やしても燃料電池電圧の回復がなければ、取り出し電流を制限するようにしたので、必ず圧力補償を実現することができるという効果がある。
【００９９】
尚、本実施形態のＳ６０、Ｓ６２，Ｓ６４を図８に示した第３実施形態のＳ５６とＳ５８との間に挿入することにより、第３実施形態でも目標値補正手段のパラメータとして位相特性を補正しても圧力位相が改善されない場合、燃料電池の出力電流に制限を設けて、確実に圧力位相補償を行うことができる。
【０１００】
〔第５実施形態〕
次に、本発明に係る燃料電池の制御装置の第５実施形態について説明する。本実施形態におけるコントローラ２０の制御構成は、図２に示した第２実施形態と同様である。
【０１０１】
第５実施形態の特徴は、燃料電池の温度を測定する図示しない温度センサ（温度測定手段）を備え、この温度測定値により、図４のような予め記憶した燃料電池の電流−電圧特性マップ（ＩＶマップ）を補正する点にある。この温度センサは、燃料電池スタックに熱電対等の温度センサを直接埋め込んでもよいし、図示しない燃料電池冷却液の燃料電池出口付近の温度を測定して、燃料電池の温度としてもよい。
【０１０２】
実際の燃料電池の電流−電圧特性は、予め記憶した燃料電池の電流−電圧特性（ＩＶマップ）と必ず一致するとは限らず、温度により変化する。したがって高精度の制御を行うためには、燃料電池の温度を測定し、測定した温度と、ＩＶマップが電流−電圧特性を示す温度との差に応じて、ＩＶマップを補正しなければならない。
【０１０３】
図７は、第５実施形態におけるコントローラ２０の制御動作を説明するフローチャートであり、図１３は、第５実施形態におけるＩＶマップ補正量を説明する図である。
【０１０４】
図７において、まずＳ１０で、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のカソードに供給する空気圧力の目標値である目標空気圧力（Ｔａｐ ）を算出する。
【０１０５】
次いで、Ｓ１２では、目標空気圧力（Ｔａｐ ）を実現するために、コンプレッサ８の目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ９の開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）を調整するための制御量を算出している。これらコンプレッサ目標回転数（Ｔｃ＿ｒｅｖ）と、カソード圧力調整バルブ開度（Ｔｃ＿ｔｖｏ）は、Ｓ１０で算出した目標空気圧力（Ｔａｐ ）から、計算式または制御マップ等により一意的に算出されるものである。
【０１０６】
Ｓ１４では、Ｓ１２で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換し、図１のコントローラ２０から、コンプレッサ８およびカソード圧力調整バルブ９へ出力する。
【０１０７】
Ｓ１６では、燃料電池の運転条件に応じて、燃料電池のアノードに供給する水素圧力の目標値である目標水素圧力（Ｔｈｐ ）を算出する。
【０１０８】
次いで、Ｓ３０で目標水素圧力（Ｔｐｈ ）に、Ｇａｉｎ×（ＧＩｃ（ｓ）／ＧＩａ（ｓ））を乗算して、目標水素圧力の補正を行う。
【０１０９】
次いで、Ｓ２０において、補正後の目標水素圧力に基づいて、アノード圧力調整バルブ２の開度（Ｔａ＿ｔｖｏ）を算出する。
【０１１０】
Ｓ２２では、Ｓ２０で算出したアノード圧力調整バルブの開度を実現するための制御信号を算出している。これは、Ｓ２０で算出した結果をＰＷＭ信号やアナログ信号に変換して、図１のコントローラ２０からアノード圧力調整バルブ２へ出力する。
【０１１１】
Ｓ４０では、図示しない燃料電池の温度センサにより燃料電池の温度を検出する。Ｓ４２では、図８で示したとおり、燃料電池温度が高ければ高いほどＩＶマップの電圧値の補正量が大きくなるように、補正量の演算を行う。Ｓ４４では、実際にコントローラ２０の内部に記憶したＩＶマップに補正を行う。
【０１１２】
Ｓ３２では、要求電流を取り出した状態で、電圧計１０と電流計１１により、燃料電池４の出力電圧及び出力電流を検出する。
【０１１３】
Ｓ３４では、Ｓ３２で検出した出力電流に対応する電圧をＩＶマップから読み出し（この電圧をマップ電圧とする）、マップ電圧と電圧計で検出した実電圧とを比較する。そして実電圧が許容下限値を下回っていたら、Ｓ３６へ進み、マップ電圧−実電圧を算出して、Ｓ３８へ進む。Ｓ３４で実電圧が許容下限値以上であれば、処理を終了する。
【０１１４】
Ｓ３８では、（マップ電圧−実電圧）に基づいて、図６に示すような換算表、または演算式により、目標値補正手段２６のパラメータであるＧａｉｎを算出し、算出した値をＧａｉｎ記憶用の領域に格納し、Ｇａｉｎを更新（補正）する。算出したＧａｉｎは、次回のＳ３０の演算に利用される。
【０１１５】
本実施形態によれば、燃料電池の温度を考慮して予め記憶した燃料電池の電流−電圧特性を補正する構成にしたため、燃料電池の運転温度が変化しても、圧力センサを用いることなく正確なアノード圧力とカソード圧力との差圧制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの構成例を説明するシステム構成図である。
【図２】図１におけるコントローラの制御構成を説明する制御ブロック図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の制御装置の第１実施形態の制御動作を説明するフローチャートである。
【図４】燃料電池の電流−電圧特性の例を示すＩＶ特性図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の制御装置の第２実施形態の制御動作を説明するフローチャートである。
【図６】第２実施形態において、ＩＶ特性図の電圧と実際の出力電圧との差からゲイン（Ｇａｉｎ）を求めるマップの例である。
【図７】本発明に係る燃料電池の制御装置の第５実施形態の制御動作を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係る燃料電池の制御装置の第３実施形態の制御動作を説明するフローチャートである。
【図９】第３実施形態における目標値補正手段のパラメータωの補正を説明する図である。
【図１０】第３実施形態における目標値補正手段のパラメータζの補正を説明する図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池の制御装置の第４実施形態の制御動作を説明するフローチャートである。
【図１２】第４実施形態における取り出し電流制限のためのＧａｉｎ−Ｋを説明する図である。
【図１３】第５実施形態におけるＩＶマップ補正量を説明する図である。
【符号の説明】
１…燃料タンク
２…アノード圧力調整バルブ
３…エゼクタ
４…燃料電池
５…アノード
６…カソード
７…水素パージバルブ
８…コンプレッサ
９…カソード圧力調整バルブ
１０…電圧計（電圧検出手段）
１１…電流計（電流検出手段）
１２…負荷装置
２０…コントローラ（制御装置）
２１…目標燃料圧力算出手段
２２…目標酸化剤圧力算出手段
２３…電流−電圧マップ
２４…比較手段
２５…パラメータ補正手段
２６…目標値補正手段
２７…アノード圧力制御信号演算手段
２８…カソード圧力制御信号演算手段

Claims (8)

1. 運転条件に応じて燃料電池のアノードに供給する燃料ガスの目標圧力である目標燃料圧力を算出する目標燃料圧力算出手段と、
   運転条件に応じて燃料電池のカソードに供給する酸化剤ガスの目標圧力である目標酸化剤圧力を算出する目標酸化剤圧力算出手段と、
   前記アノードにおける燃料ガス圧力が前記目標燃料圧力となるようにアノード圧力を制御するアノード圧力制御手段と、
   前記カソードにおける酸化剤ガス圧力が前記目標酸化剤圧力となるようにカソード圧力を制御するカソード圧力制御手段と、
   アノード及びカソードのそれぞれのガス圧力制御系の目標圧力の変化に対して応答の遅い方のガス圧力制御系の圧力変化に、応答が速い方のガス圧力制御系の圧力変化が一致するように、応答が速い系の目標圧力の補正を行う目標値補正手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池の制御装置。
2. 前記カソード圧力制御手段は、
   カソード出口に備えた開度調整可能な空気絞り弁であることを特徴とする請求項１項記載の燃料電池の制御装置。
3. 燃料電池の圧力制御系の応答に関する情報を検出する応答情報検出手段と、
   燃料電池の基準応答情報を予め記憶する記憶手段と、
   前記応答情報検出手段が検出した圧力制御系の応答情報と前記基準応答情報とを比較する比較手段と、
   該比較手段の比較結果に基づいて、前記目標値補正手段のパラメータを補正するパラメータ補正手段と、
   を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池の制御装置。
4. 前記応答情報検出手段は、燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段及び燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段であり、
   前記記憶手段は、予め燃料電池の電流−電圧特性を記憶する電流電圧特性記憶手段であり、
   燃料電池からある電流値を取り出した時に検出された実電圧値と、該電流値に対応する前記電流電圧特性記憶手段に記憶した基準電圧値とを比較し、
   前記実電圧値が前記基準電圧値より小さかった場合に、
   燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力を増加するように前記目標値補正手段のゲインを補正することを特徴とする請求項３記載の燃料電池の制御装置。
5. 前記目標値補正手段のゲインを補正しても、圧力補償が改善されない場合は、燃料電池の出力電流に制限を設けることを特徴とする請求項４記載の燃料電池の制御装置。
6. 前記応答情報検出手段は、燃料電池の出力電流を検出する電流検出手段及び燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段であり、
   前記記憶手段は、予め燃料電池の電流−電圧特性を記憶する電流電圧特性記憶手段であり、
   燃料電池からある電流値を取り出した時に検出された実電圧値と、該電流値に対応する前記電流電圧特性記憶手段に記憶した基準電圧値とを比較し、
   前記実電圧値が前記基準電圧値より小さかった場合に、
   燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力を増加するように前記目標値補正手段の位相特性を補正することを特徴とする請求項３記載の燃料電池の制御装置。
7. 前記目標値補正手段の位相特性を補正しても、圧力位相が改善されない場合は、燃料電池の出力電流に制限を設けることを特徴とする請求項６記載の燃料電池の制御装置。
8. 燃料電池の温度を測定する温度測定手段を備え、
   予め記憶した燃料電池の電流電圧特性を燃料電池温度が上昇すればするほど、同じ取り出し電流でも電圧を高くする補正をかけることを特徴とする請求項３乃至請求項７の何れか１項に記載の燃料電池の制御装置。

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