JP2024036718A - 燃料電池システム、制御装置、及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池それぞれの出力電流に偏差が生じても、酸素含有ガスの供給量の調整が可能な燃料電池システム、制御装置、及び制御方法を提供する。【解決手段】 本実施形態によれば、燃料電池システムは、第１燃料電池と、第１電力変換器と、第２燃料電池と、第２電力変換器と、第１配管と、風量調整部と、制御部と、を備える。風量調整部は、第１配管から供給される酸素含有ガスの供給量を調整する。制御部は、第１出力電流の第１電流値、及び第２出力電流の第２電流値の少なくとも一方に基づく供給量設定値に応じて風量調整部を制御する制御部であって、第１電流値、及び第２電流値に基づき、供給量設定値を設定する第１の場合と、第１電流値、及び第２電流値のいずれかに基づき、供給量設定値を設定する第２の場合とを所定の条件により変更する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、燃料電池システム、制御装置、及び制御方法に関する。

従来から、燃料の有している化学エネルギーを直接電気に変換するシステムとして燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、水素含有ガスと、酸素含有ガスとを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものである。このため、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで有害な排ガスを出さないという、環境性に優れた特徴を有するシステムである。過去には大型のＰＡＦＣ（りん酸形）が主に開発されてきたが、近年ではＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）の開発が活発化している。中でも、'０９年度にＰＥＦＣの家庭用の燃料電池システムの商品化が実現され広く普及してきており、'２１年度には４０万台を超える台数が設置されている状況となっている。

家庭用の燃料電池システムは、都市ガスやＬＰガスを改質して水素に変換して発電するシステムであるが、これはＣＯ２排出量を５０％に削減することはできるが、ゼロを目指すことはできない。このため、将来の水素社会に適用するべく、純水素を直接導入する純水素燃料電池システムも開発されている。日本のみならず世界規模で２０５０年のカーボンニュートラルを目指し、様々な取り組みがなされていく中で、水素価格も下がり、大規模燃料電池による発電が一般的になる世の中も近いと考えられる。また、自動車、重機、船、電車などの移動体のエンジンの代わりに燃料電池が用いられることも一般的になることが確実視されている。その状況に備えるために、様々な団体で水素燃料電池が開発されている状況である。

特開２０１１－２０４５１７号公報

また、家庭用などでは一般に燃料電池スタックは１台で用いられる。しかしながら、業務用や将来の大規模発電用では、複数の燃料電池スタックを組み合わせて使うことが想定される。燃料電池スタックの装置制約やシール性の問題などから、セル面積を大きくすることや、セル枚数を無限に増やすことは難しいためである。さらにまた、ユーザーの出力ニーズは様々なことから、燃料電池スタックの台数を調整することで、燃料電池スタックを標準化しつつコストダウンをすることも求められる。

燃料電池スタックを複数用いてシステム化する場合に、燃料電池スタックを電気的に直列に接続することが行われる。これにより、システム構成を単純化できると共に電圧が高くなり、インバーター効率の上昇など有利な効果がある。しかしながら、直列接続では電圧レベルが上がるため様々なリスクが上昇する。例えば、直流電圧が７５０Ｖを超えると、電気設備基準で高圧に分類され、厳しいルールに準拠する必要が出てくる。

従って、燃料電池スタックは、無制限に電気的に直列接続することは困難である。このため、燃料電池スタックを数台直列に接続した燃料電池を、さらに並列に接続することが考えられる。このような燃料電池システムは、複数の電力変換器は電流値を揃えながら、目標の発電出力設定となるように制御される。電流値が同値に制御される利点から、燃料電池に供給する空気系は共通（１台）の空気ブロワまたは流量調整弁で構成して各燃料電池スタックに同流量を分配することができ、これによる省スペース化とコストダウンが可能となる。また、電力変換器が定常運転している場合には、各電力変換器の電流値値は同値に制御することが可能となる。

ところが、発電出力変化等の過渡時や、何らかの異常時には、複数の電力変換器の電流値に偏差が生じてしまう。電流値に偏差が生じた場合、電流値が高めにずれた電力変換器に接続された燃料電池スタックで空気不足が起こり、燃料電池スタックの劣化が進んだり、電圧が低下して保護停止に至ったりする恐れがある。

そこで、発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックを数台直列に接続した複数の燃料電池それぞれの出力電流に偏差が生じても、酸素含有ガスの供給量の調整が可能な燃料電池システム、制御装置、及び制御方法を提供することである。

本実施形態によれば、燃料電池システムは、第１燃料電池と、第１電力変換器と、第２燃料電池と、第２電力変換器と、第１配管と、風量調整部と、制御部と、を備える。第１燃料電池は、複数の燃料電池スタックを直列に接続して構成される。第１電力変換器は、第１燃料電池の第１発電電力を第１出力電流に応じて制御可能である。第２燃料電池は、複数の燃料電池スタックにそれぞれ対応する複数の燃料電池スタックを直列に接続して構成される。第２電力変換器は、第２燃料電池の第２発電電力を第２出力電流に応じて制御可能である。第１配管は、第１燃料電池の複数の燃料電池スタックと、第２燃料電池の複数の燃料電池スタックと、のそれぞれに酸素含有ガスを供給する。風量調整部は、第１配管から供給される酸素含有ガスの供給量を調整する。制御部は、第１出力電流の第１電流値、及び第２出力電流の第２電流値の少なくとも一方に基づく供給量設定値に応じて風量調整部を制御する制御部であって、第１電流値、及び第２電流値に基づき、供給量設定値を設定する第１の場合と、第１電流値、及び第２電流値のいずれかに基づき、供給量設定値を設定する第２の場合とを所定の条件により変更する。

本発明によれば、燃料電池スタックの劣化が進んだり、電圧が低下したりすることを抑制ができる。

燃料電池システムの構成例を示したブロック図。 第１燃料電池と、第２燃料電池との構成及び第１配管の接続例を示す図。 第１燃料電池と、第２燃料電池との構成及び第２配管の接続例を示す図。 電力変換器の構成及び接続例を示す図。 制御装置の構成を示すブロック図。 第１流量制御部の制御例を示す図。 第２流量制御部の制御例を示す図。 第３流量制御部の制御例を示す図。 第１流量制御部の構成例を示すブロック図。 設定電力と、第１電流値と、第２電流値との関係を模式的に示す図。 定常状態における設定電力と測定電流との関係を模式的に示す図。 第１流量制御部の制御処理例を示すフローチャート。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム、制御装置、及び制御方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（一実施形態）

図１乃至図３を用いて燃料電池システム１の全体構成例を説明する。図１は、燃料電池システム１の構成例を示したブロック図である。図２は、第１燃料電池１０ａと、第２燃料電池１０ｂと、の構成及び第１配管Ｌ１４の接続例を示す図である。図３は、第１燃料電池１０ａと、第２燃料電池１０ｂと、の構成及び第２配管Ｌ１６の接続例を示す図である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、第１燃料電池１０ａと、第２燃料電池１０ｂと、第１電力変換器１２ａと、第２電力変換器１２ｂと、第１供給装置１４と、流量計１４ａと、第２供給装置１６と、水素流量計１６ａと、排気弁１６ｂと、第３供給装置１８と、供給供給水流量計１８ａと、貯水タンク２２と、制御装置２４と、第１配線Ｅ１２ａと、第２配線Ｅ１２ｂと、第１配管Ｌ１４と、第２配管Ｌ１６と、第３配管Ｌ１７と、第４配管Ｌ１８と、第５配管Ｌ２０とを備える。

図２に示すように、第１燃料電池１０ａは、複数の燃料電池スタック１００ａを直列に接続して構成される。燃料電池スタック１００ａは、水素を含む水素含有ガスと、酸素を含む酸素含有ガスとを用いて発電する。

第２燃料電池１０ｂは、第１燃料電池１０ａと同等の構成である。すなわち、この第２燃料電池１０ｂは、第１燃料電池１０ａにおける複数の燃料電池スタック１００ａにそれぞれ対応する複数の燃料電池スタック１００ｂを直列に接続して構成される。なお、本実施形態では、複数の燃料電池スタック１００ａを直列に接続することをストリングと称し、直列に接続される複数の燃料電池スタック１００ａに流れる電流をストリング電流と称する場合がある。また、直列に接続される複数の燃料電池スタック１００ａの数は、任意の数であればよく、４つに限定されない。さらにまた、本実施形態に係る燃料電池システム１では、第１燃料電池１０ａと第２燃料電池１０ｂと、２つの燃料電池について説明するが、これに限定されない。燃料電池システム１は、２以上の燃料電池で構成されればよく、例えば、５つの燃料電池により燃料電池システム１を構成してもよい。

第１配管Ｌ１４は、第１供給装置１４と、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂとを接続する空気配管である。例えば、第１燃料電池１０ａの複数の燃料電池スタック１００ａと、第２燃料電池１０ｂの複数の燃料電池スタック１００ｂと、のそれぞれの対応する燃料電池スタック間に酸素含有ガスを供給する。この第１配管Ｌ１４には、酸素含有ガスとして例えば空気が供給される。これにより、第１配管Ｌ１４は、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂの空気極（カソード電極）に酸素含有ガスを供給することが可能である。

第１供給装置１４は、例えば空気ブロワであり、第１配管Ｌ１４の第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂよりも上流側に設けられる。この第１供給装置１４は、第１配管Ｌ１４を介して、酸素含有ガスを複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂの空気極の上流側から供給する。また、第１供給装置１４は、例えば調整弁でもよい。この場合、配管Ｌ１４には、より上位の配管から酸素含有ガスが供給される。なお、本実施形態に係る第１供給装置１４が風量調整部に対応する。

例えば、第１配管Ｌ１４の対応する燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとを結ぶ配管の径は同等である。本実施形態における径の同等とは、同じ圧の酸素含有ガスを供給する場合に、同量の酸素含有ガスが供給されることを意味する。このため、配管の径が異なっても、例えば配管内の弁などにより、ほぼ同量の酸素含有ガスが供給される場合には、配管径は同等であると称する。また、ほぼ同量とは、燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとを結ぶ配管における双方の供給量の差の絶対値が、供給量の少ない方に対して数パーセント以内であることを意味する。例えば、好ましくは１パーセント以内を意味する。このように、第１配管Ｌ１４は、第１燃料電池１０ａの複数の燃料電池スタック１００ａと、第２燃料電池１０ｂの複数の燃料電池スタック１００ｂと、のそれぞれの対応する燃料電池スタック間に同等量の酸素含有ガスを供給することが可能である。

図３に示すように、第２配管Ｌ１６は、第２供給装置１６と、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂとを接続する燃料ガス供給配管である。第２配管Ｌ１６には燃料ガスとして水素含有ガスが供給される。これにより、第２配管Ｌ１６は、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂの燃料極（アノード電極）に水素含有ガスを第２供給装置１６から供給する。

第２供給装置１６は、例えばブロワであり、第２配管Ｌ１６の第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂよりも上流側に設けられている。この第２配管Ｌ１６は水素含有ガスを複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂの燃料極の上流側から供給する。

例えば、第２配管Ｌ１６の対応する燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとを結ぶ配管の径は同等である。このように、第２配管Ｌ１６は、第１燃料電池１０ａの複数の燃料電池スタック１００ａと、第２燃料電池１０ｂの複数の燃料電池スタック１００ｂと、のそれぞれの対応する燃料電池スタック間に同等量の水素含有ガスを供給する。なお、本実施形態では、第２配管Ｌ１６の対応する燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとを結ぶ配管の径は同等として説明するがこれに限定されない。例えば、燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとを結ぶ配管から供給される水素含有ガスの量が、例えば６対４などの所定の比であってもよい。この場合、水素含有ガスの供給比率は、酸素ガスの供給比率に対応させるようにする。

再び図１に示すように、第３配管Ｌ１７は、貯水タンク２２と、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂとを接続する冷却水排出配管である。第３配管Ｌ１７は、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂから排出された水素含有ガスを回収し、再循環させることが可能である。また、排気弁１６ｂは、再循環させたガスの一部を排出することが可能である。

また、図１に示すように、第４配管Ｌ１８は、第３供給装置１８と、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂとを接続する冷却水供給配管である。第４配管Ｌ１８には冷却用の液体として冷却水が供給される。これにより、第４配管Ｌ１８は、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂに冷却水を第３供給装置１８から供給する。

例えば、第４配管Ｌ１８の対応する燃料電池スタック１００ａと燃料電池スタック１００ｂとを結ぶ配管の径は同等である。このように、第４配管Ｌ１８は、第１燃料電池１０ａの複数の燃料電池スタック１００ａと、第２燃料電池１０ｂの複数の燃料電池スタック１００ｂと、のそれぞれの対応する燃料電池スタック間に同等量の冷却水を供給する。

第５配管Ｌ２０は、貯水タンク２２と、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂとを接続する冷却水排出配管でる。貯水タンク２２は、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂから排出された冷却水を回収し、冷却装置により冷却する。このように、複数の燃料電池スタック１００ａ、及び複数の燃料電池スタック１００ｂから排出された冷却水は第５配管Ｌ２０を介して貯水タンク２２に回収される。

また、流量計１４ａは、第１配管Ｌ１４内を流れる酸素含有ガスの量を計測し、計測値を制御装置２４に出力する。水素流量計１６ａは、第２配管Ｌ１６内を流れる水素ガスの量を計測し、計測値を制御装置２４に出力する。供給供給水流量計１８ａは、第４配管Ｌ１８内を流れる供給水の量を計測し、計測値を制御装置２４に出力する。

図４は、電力変換器１２ａ、ｂの構成及び接続例を模式的に示す図である。図４に示すように、電力変換器１２ａ、ｂは、例えばコンバーターであり、燃料電池１０ａ、ｂの発電電力を出力電流に応じて制御可能である。すなわち、第１電力変換器１２ａと第２電力変換器１２ｂとは、同等の構成である。以下では、第１電力変換器１２ａ、及び第２電力変換器１２ｂなどを単に電力変換器１２ａ、ｂなどと記して説明する場合がある。

この電力変換器１２ａ、ｂは、例えば可変抵抗１２０と、電流計１２２と、電圧計１２４とを有する。配線Ｅ１２ａ、ｂは、燃料電池１０ａ、ｂの両端と、可変抵抗１２０の両端とを接続する。電流計１２２は、配線Ｅ１２ａ、ｂを流れる出力電流を測定する。電圧計１２４は、可変抵抗１２０の両端の電圧を測定する。

電力変換器１２ａ、ｂは、制御装置２４からの出力指令に応じて、出力電力が目的とする値となるように、可変抵抗１２０の抵抗を、電流計１２２の値及び電圧計１２４の値に応じて変更する。また、電力変換器１２ａ、ｂは、電流計１２２の値と、電圧計１２４の値を制御装置２４に供給する。燃料電池１０ａ、ｂの出力電流は、可変抵抗１２０の抵抗が低下するに従い増加する。このとき、燃料電池１０ａ、ｂの電圧値は、燃料電池１０ａ、ｂを流れる出力電流に応じて変動する。例えば、燃料電池１０ａ、ｂの電圧値は、燃料電池１０ａ、ｂを流れる出力電流が増加するに従い増加する。換言すると、燃料電池１０ａ、ｂの出力電力を所定値に制御する場合には、燃料電池１０ａ、ｂの出力電流を調整することにより、制御可能となる。なお、電力変換器１２ａ、ｂは、図５の構成に限定されず、他の構成を用いることも可能である。

本実施形態に係る燃料電池スタックは、例えばＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）であるが、これに限定されない。燃料電池スタック１００ｂを構成する単位電池は、例えば膜電極複合体を有している。膜電極複合体は、電解質膜と、電解質膜の一方の面に配置された燃料極（アノード電極）と、電解質膜の燃料極とは反対側の面に配置された空気極（カソード電極）とを有する。更に、燃料極は、アノード触媒層を有し、空気極は、カソード触媒層を有する。

この単位電池は、化学式１で示す反応により発電する。水素含有ガスは、燃料極側の燃料極流通路を流れ、燃料極反応をおこす。酸素含有ガスは、空気極側の酸化剤極流通路を流れ、酸化剤極反応をおこす。燃料電池スタック１００ａ，ｂは、これらの電気化学反応を利用して、電極から電気エネルギーを取り出す。これらから分かるように、単位電池の発電により生じた出力電流と、発電に用いられた酸素含有ガスの量とは正比例の関係がある。同様に、単位電池の発電により生じた電流と、発電に用いられた水素含有ガスの量とは正比例の関係がある。

（化学式１）
燃料極反応：２Ｈ_２→４Ｈ^＋＋４ｅ^－
空気極反応：４Ｈ^＋＋４ｅ^－＋Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ

図５は、制御装置２４の構成を示すブロック図である。図５に示すように、制御装置２４は、燃料電池システム１全体の制御を行う。制御装置２４は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、記憶部２４０、取得部（入出力インターフェース）２４２などを備えたマイクロコンピュータである。制御装置２４は、記憶部２４０に記憶されるプログラムにしたがい、制御を行う。すなわち、制御装置２４は、記憶部２４０に記憶されるプログラムにしたがい、電力演算部２４４と、電力制御部２４６と、第１流量制御部２４８と、第２流量制御部２５０と、第３流量制御部２５２と、を構成する。なお、電力演算部２４４と、電力制御部２４６と、第１流量制御部２４８と、第２流量制御部２５０と、第３流量制御部２５２と、を電子回路として構成してもよい。

取得部２４２は、燃料電池システム１の各種の情報を取得する。取得部２４２は、第１電力変換器１２ａと、第２電力変換器１２ｂとから、電流値、電圧値、及び電力に関する情報を取得する。また、取得部２４２は、流量計１４ａ、水素流量計１６ａ、及び供給水流量計１８ａから、酸素含有ガスの量の計測値、水素ガスの量の計測値、及び供給水の計測値を取得する。

電力演算部２４４は、第１電力変換器１２ａと、第２電力変換器１２ｂとから取得した、電流値、電圧値を用いて、第１燃料電池１０ａと、第２燃料電池１０ｂと、の出力電力を演算する。なお、第１電力変換器１２ａ、及び第２電力変換器１２ｂそれぞれが電力を演算している場合には、第１電力変換器１２ａ、及び第２電力変換器１２ｂそれぞれが演算した電力を用いて、電力演算部２４４での電力演算は省略することが可能である。

電力制御部２４６は、取得部２４２が取得した情報を用いて、第１燃料電池１０ａの生成する第１出力電力と、第２燃料電池１０ｂの生成する第２出力電力とが所定値となるように制御する。例えば、本実施形態に係る電力制御部２４６は、第１燃料電池１０ａの生成する第１出力電力と、第２燃料電池１０ｂの生成する第２出力電力とが等しくなるように第１電力変換器１２ａ、及び第２電力変換器１２ｂを制御する。これにより、第１燃料電池１０ａ、及び第２燃料電池１０ｂが生成する電力量が均等となる。

このように、本実施形態に係る電力制御部２４６は、第１出力電力と第２出力電力とが等しくなるように、第１出力電流及び第２出力電流を制御しつつ、目標とする電力値になるように、第１電力変換器１２ａ、及び第２電力変換器１２ｂを制御する。また、電力制御部２４６は、燃料電池システム１の駆動開始時には、第１出力電流及び第２出力電流を０から上昇させ、目標とする電力値になるように、第１電力変換器１２ａ、及び第２電力変換器１２ｂを制御する。

図６は、第１流量制御部２４８の制御例を示す図である。横軸は、設定電流値を示し、縦軸は、第１供給装置１４の酸素含有ガスの供給量を示す。図６に示すように、第１流量制御部２４８は、設定電流値に比例する酸素含有ガスの量を第１供給装置１４に供給させる。第１供給装置１４は、設定電流値に所定の係数を乗算した供給量設定値に基づき、供給する酸素含有ガスの量を調整する。

より具体的には、第１流量制御部２４８は、第１電力変換器１２ａにおける第１出力電流の第１電流値、及び第２電力変換器１２ｂにおける第２出力電流の第２電流値の少なくとも一方に基づく供給量設定値に応じて、第１供給装置１４を制御する。また、第１流量制御部２４８は、第１電流値、及び第２電流値に基づき、供給量設定値を設定する第１の場合と、第１電流値、及び第２電流値のいずれかに基づき、供給量設定値を設定する第２の場合とを所定の条件により切り変える。なお、第１流量制御部２４８の詳細は、後述する。

図７は、第２流量制御部２５０の制御例を示す図である。横軸は、第１燃料電池１０ａ、及び第２燃料電池１０ｂそれぞれの設定電流値を示し、縦軸は、第２供給装置１６の水素含有ガスの供給量を示す。図７に示すように、第２流量制御部２５０は、第１燃料電池１０ａ、及び第２燃料電池１０ｂそれぞれの設定電流値に比例する水素含有ガスの量を第２供給装置１６に供給させる。この第２供給装置１６は、設定電流値に所定の係数を乗算した供給量設定値に基づき、供給する水素含有ガスの量を調整する。

図８は、第３流量制御部２５２の制御例を示す図である。横軸は、第１燃料電池１０ａ、及び第２燃料電池１０ｂそれぞれの電流値を示し、縦軸は、第３供給装置１８の冷却水の供給量を示す。図８に示すように、第３流量制御部２５２は、第１燃料電池１０ａ、及び第２燃料電池１０ｂそれぞれの設定電流値に応じた量の冷却水を第３供給装置１８に供給させる。これにより、第１燃料電池１０ａ、及び第２燃料電池１０ｂを所定の温度に維持可能となる。

ここで、図９を用いて、第１流量制御部２４８の詳細を説明する。図９は、第１流量制御部２４８の構成例を示すブロック図である。図９に示すように、第１流量制御部２４８は、出力状態判定部２４８ａと、電流偏差判定部２４８ｂと、空気流量設定部２４８ｃと、フィードバック制御部２４８ｄとを有する。

出力状態判定部２４８ａは、出力電力を上昇させている上昇状態か、或いは出力電力を一定値にさせている定常状態かを判定する。例えば、出力状態判定部２４８ａ（図５参照）が演算した電力値の時間変化に基づき、上昇状態か、或いは定常状態かを判定する。

電流偏差判定部２４８ｂは、出力状態判定部２４８ａが定常状態であると判定する場合に、電流計１２２（図４参照）が測定した配線Ｅ１２ａ、ｂを流れる出力電流を、取得部２４２を介して取得する。そして、電流偏差判定部２４８ｂは、配線Ｅ１２ａ（図２参照）を流れる第１電流の第１電流値と、配線Ｅ１２ｂ（図２参照）を流れる第２電流の第２電流値と、の差が所定値を超えた場合、或いは、所定の比率を超えた場合に、偏差があると判定する。例えば電流偏差判定部２４８ｂは、第１電流値と、第２電流値と、の比が１．３倍を超えた場合に、偏差があると判定する。また、電流偏差判定部２４８ｂは、内部クロックを有しており、偏差があると判定した時点を記憶部２４０に記憶する。例えば、電流偏差判定部２４８ｂは、全体処理が終了するまで、所定の周期で判定処理をくり返す。

図１０は、設定電力と、第１電流値Ｌ１００と、第２電流値Ｌ１２０との関係を模式的に示す図である。横軸が設定電力であり、縦軸が測定電流を示す。配線Ｅ１２ａ（図２参照）を流れる第１電流の第１電流値Ｌ１００と、配線Ｅ１２ｂ（図２参照）を流れる第２電流の第２電流値Ｌ１２０とは、電力の増加制御時には、異なる値を示す場合がある。これは、第１燃料電池１０ａと、第２燃料電池１０ｂとの製造誤差や、配置環境などの影響に生じると考えられている。特に電力の増加時などの過度状態時には、第１燃料電池１０ａと、第２燃料電池１０ｂと特性の差が現れる傾向を示す。

図１１は、定常状態における設定電力と測定電流との関係を模式的に示す図である。横軸が設定電力であり、縦軸が測定電流を示す。図１１では、設定電力を維持する定常状態においての、配線Ｅ１２ａ（図２参照）を流れる第１電流の第１電流値Ｌ１４０と、配線Ｅ１２ｂ（図２参照）を流れる第２電流の第２電流値Ｌ１６０との関係を示している。すなわち、図１１の例では、第１燃料電池１０ａの発生するの第１電流値Ｌ１４０の方が、第２燃料電池１０ｂの発生する第２電流値Ｌ１６０よりも高い傾向を示す。このように、設定電力を維持する定常状態においても、第１燃料電池１０ａ、及び第２燃料電池１０ｂの特性の相違から、配線Ｅ１２ａ（図２参照）を流れる第１電流の第１電流値Ｌ１４０と、配線Ｅ１２ｂ（図２参照）を流れる第２電流の第２電流値Ｌ１６０とが異なる値を示す場合がある。

このような、特性の相違から、空気流量設定部２４８ｃは、出力状態判定部２４８ａが上昇状態と判定する場合には、第１燃料電池１０ａの発生する第１電流の第１電流値、及び第２燃料電池１０ｂの発生す第２電流の第２電流値の大きい方の電流値に基づき、供給量設定値を設定する。より具体的には、空気流量設定部２４８ｃは、第１電流値及び第２電流値の電流値の大きい方を設定電流値とし、設定電流値に所定の係数を乗算した供給量設定値を生成する。前述のように、第１配管Ｌ１４により、同等量の酸素含有ガスが第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂに供給される。このような供給状態でも、より多くの酸素含有ガスを消費する方の燃料電池を基準とした酸素含有ガスが供給されるので、酸素不足による燃料電池の劣化や、低電圧化が抑制可能となる。これにより、電力の増加時などの過度状態時に生じる可能性の高い電流値の偏差が生じても、酸素不足による燃料電池の劣化や、低電圧化が抑制可能となる。

また、空気流量設定部２４８ｃは、電流偏差判定部２４８ｂが偏差ありと判定する場合にも、第１燃料電池１０ａの発生する第１電流の第１電流値、及び第２燃料電池１０ｂの発生す第２電流の第２電流値の大きい方の電流値に基づき、供給量設定値を設定する。この場合にも、より多くの酸素含有ガスを消費する方の燃料電池を基準とした酸素含有ガスが供給されるので、酸素不足による燃料電池の劣化や、低電圧化が抑制可能となる。

さらに、また空気流量設定部２４８ｃは、空気流量設定部２４８ｃは、電流偏差判定部２４８ｂが、偏差がないと判定する場合に、第１燃料電池１０ａの発生するの第１電流の第１電流値、及び第２燃料電池１０ｂの発生す第２電流の第２電流値の平均値に基づき、供給量設定値を設定する。より具体的には、空気流量設定部２４８ｃは、第１電流値及び第２電流値の平均値を設定電流値とし、設定電流値に所定の係数を乗算した供給量設定値を生成する。これにより、第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂに、適量の酸素含有ガスが同等量供給され、燃料電池内での乾燥などが生じることが抑制される。

また、空気流量設定部２４８ｃは、電流偏差判定部２４８ｂが記憶した記憶部２４０の履歴を参照し、偏差があると判定する期間が、所定の期間を超える場合には、設定電流値に乗算する係数の値を大きくする。例えば、電流偏差判定部２４８ｂが、偏差があると判定する期間が所定値を越える場合には、例えば第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂの動作環境が改善される可能性が低く、偏差が大きくなる可能性が高くなる。さらに、起動時などの偏差がより大きくなる可能性が高くなる。このため、空気流量設定部２４８ｃは、電流偏差判定部２４８ｂが、偏差があると判定する期間が、所定の期間を超える場合には、設定電流値に乗算する係数の値を予め大きくすることにより、酸素不足による燃料電池の劣化や、低電圧化が発生する可能性をより低減させることが可能となる。

フィードバック制御部２４８ｄは、空気流量設定部２４８ｃが設定した供給量設定値に第１供給装置１４を制御する。より具体的には、フィードバック制御部２４８ｄは、流量計１４ａの値を、取得部２４２を介して取得し、第１供給装置１４を供給量設定値にフィードバック制御する。

図１２は、第１流量制御部２４８の制御処理例を示すフローチャートである。ここでは、電力指令としての指令電力値が設定された後の制御例を説明する。

まず、取得部２４２は、第１電力変換器１２ａと、第２電力変換器１２ｂとから、電流値、電圧値、及び電力に関する情報を取得する（ステップＳ１００）。続けて、電力演算部２４４は、第１電力変換器１２ａと、第２電力変換器１２ｂとから取得した、電流値、電圧値を用いて、第１燃料電池１０ａと、第２燃料電池１０ｂと、の出力電力を演算する（ステップＳ１０１）。

次に、出力状態判定部２４８ａは、取得部２４２が取得した情報を用いて、出力電力を上昇させている上昇状態か、或いは出力電力を一定値にさせている定常状態かを判定する。（ステップＳ１０２）。電力制御部２４６が上昇状態である判定する場合（ステップＳ１０２のＹＥＳ）、空気流量設定部２４８ｃは、第１電流の第１電流値、及び第２燃料電池１０ｂの発生す第２電流の第２電流値の大きい方の電流値（最大値電流値）に基づき、通常係数を用いて供給量設定値を設定する（ステップＳ１０３）。そして、フィードバック制御部２４８ｄは、空気流量設定部２４８ｃが設定した供給量設定値に第１供給装置１４を制御する。

一方、出力状態判定部２４８ａが、定常状態であると判定する場合（ステップＳ１０２のＮＯ）、電流偏差判定部２４８ｂは、配線Ｅ１２ａ（図２参照）を流れる第１電流の第１電流値と、配線Ｅ１２ｂ（図２参照）を流れる第２電流の第２電流値とに偏差があるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。電流偏差判定部２４８ｂが偏差ありと判定する場合（ステップＳ１０４のＹＥＳ）、空気流量設定部２４８ｃは、偏差が生じて所定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

空気流量設定部２４８ｃは、偏差が生じて所定時間が経過していないと判定する場合（ステップＳ１０５のＮＯ）、空気流量設定部２４８ｃは、第１電流値、及び第２電流値の大きい方の電流値（最大値電流値）に基づき、通常係数を用いて供給量設定値を設定する（ステップＳ１０６）。そして、フィードバック制御部２４８ｄは、空気流量設定部２４８ｃが設定した供給量設定値に第１供給装置１４を制御する。

一方で、空気流量設定部２４８ｃは、偏差が生じて所定時間が経過したと判定する場合（ステップＳ１０５のＹＥＳ）、空気流量設定部２４８ｃは、第１電流値、及び第２電流値の大きい方の電流値（最大値電流値）に基づき、異常係数を用いて供給量設定値を設定する（ステップＳ１０７，Ｓ１０８）。そして、フィードバック制御部２４８ｄは、空気流量設定部２４８ｃが設定した供給量設定値に第１供給装置１４を制御する。なお、異常係数は通常係数よりも大きな値であり、例えば通常係数の１．５倍程度の大きさを有する。

一方で、電流偏差判定部２４８ｂが偏差なしと判定する場合（ステップＳ１０４のＮＯ）、
、空気流量設定部２４８ｃは、第１電流値、及び第２電流値の電流平均値に基づき、通常係数を用いて供給量設定値を設定する（ステップＳ１０９）。そして、フィードバック制御部２４８ｄは、空気流量設定部２４８ｃが設定した供給量設定値に第１供給装置１４を制御する。

そして、フィードバック制御部２４８ｄは、全体制御を終了するか否かを判定し、（ステップＳ１１０）、全体制御を終了しないと判定する場合（ステップＳ１１０のＮＯ）、ステップＳ１００からの処理をくり返す。一方で、フィードバック制御部２４８ｄは、全体制御を終了しすると判定する場合（ステップＳ１１０のＹＥＳ）、全体制御を終了する。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１流量制御部２４８が、第１燃料電池１０ａにおける第１出力電流の第１電流値、及び第２燃料電池１０ｂにおける第２出力電流の第２電流値に基づき、供給量設定値を設定する第１の場合と、第１電流値、及び第２電流値のいずれかに基づき、供給量設定値を設定する第２の場合とを所定の条件により切り変えることとした。これにより、第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂの酸素含有ガスの消費量に偏りが生じる可能性が高い場合には、酸素含有ガスの消費量の多い方に合わせて、第１配管Ｌ１４に酸素含有ガスを供給でき、第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂの酸素含有ガスの消費量に偏りが生じない可能性が高い場合には、第１燃料電池１０ａ及び第２燃料電池１０ｂの消費量に合わせて、第１配管Ｌ１４に酸素含有ガスを供給できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１：燃料電池システム、１０ａ：第１燃料電池、１０ｂ：第２燃料電池、１２ａ：第１電力変換器、１２ｂ：第２電力変換器、１４：第１供給装置、２４：制御装置、１００ａ：燃料電池スタック、１００ｂ：燃料電池スタック、２４８：第１流量制御部、Ｌ１４：第１配管、Ｌ１６：第２配管。

Claims (10)

1. 複数の燃料電池スタックを直列に接続した第１燃料電池と、
   前記第１燃料電池の第１発電電力を第１出力電流に応じて制御可能である第１電力変換器と、
   前記複数の燃料電池スタックにそれぞれ対応する複数の燃料電池スタックを直列に接続した第２燃料電池と、
   前記第２燃料電池の第２発電電力を第２出力電流に応じて制御可能である第２電力変換器と、
   前記第１燃料電池の複数の燃料電池スタックと、前記第２燃料電池の複数の燃料電池スタックと、のそれぞれの対応する燃料電池スタック間に同等量の酸素含有ガスを供給する第１配管と、
   前記第１配管から供給される酸素含有ガスの供給量を調整する風量調整部と、
   前記第１出力電流の第１電流値、及び前記第２出力電流の第２電流値の少なくとも一方に基づく供給量設定値に応じて前記風量調整部を制御する制御部であって、前記第１電流値、及び前記第２電流値に基づき、前記供給量設定値を設定する第１の場合と、前記第１電流値、及び前記第２電流値のいずれかに基づき、前記供給量設定値を設定する第２の場合とを所定の条件により変更する制御部と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記第１発電電力及び前記第２発電電力を変更させている期間に応じて、前記第１の場合と、前記第２の場合とを変更する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記第１電流値と、前記第２電流値との差に応じて、前記第１の場合と、前記第２の場合とを変更する、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記第１の場合には、前記第１電流値、及び前記第２電流値の平均値に基づき、前記供給量設定値を設定し、前記第２の場合の場合には、前記第１電流値、及び前記第２電流値の大きい方の電流値に基づき、前記供給量設定値を設定する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記第１発電電力及び前記第２発電電力を変更させていない期間が第１の場合であり、前記第１発電電力及び前記第２発電電力を変更させている期間が第２の場合である、請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記第１電流値と、前記第２電流値との差が所定値未満又は所定の比率未満である場合が第１の場合であり、前記第１電流値と、前記第２電流値との差が所定値以上又は所定の比率以上である場合が第２の場合である、請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記供給量設定値は、前記平均値、又は前記第１電流値、及び前記第２電流値の大きい方の電流値に係数を乗算した値であり、
   前記制御部は、前記第１出力電流と、前記第２出力電流との差が所定値又は所定の比率を越える期間が継続した場合に、前記大きい方の電流値に乗算する係数の大きさをより大きくする、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記第１燃料電池の複数の燃料電池スタックと、前記第２燃料電池の複数の燃料電池スタックと、のそれぞれの対応する燃料電池スタック間に所定量の水素含有ガスを供給する第２配管と、を更に備え、
   前記第１配管、及び前記第２配管の少なくともいずれかは、前記第１燃料電池の複数の燃料電池スタックと、前記第２燃料電池の複数の燃料電池スタックと、の対応する燃料電池スタック間の配管径が同等である、請求項１に記載の燃料電池システム。
9. 複数の燃料電池スタックを直列に接続した第１燃料電池と、
   前記複数の燃料電池スタックにそれぞれ対応する複数の燃料電池スタックを直列に接続した第２燃料電池と、
   前記第１燃料電池の第１発電電力を第１出力電流に応じて制御可能である第１電力変換器と、
   前記第２燃料電池の第２発電電力を第２出力電流に応じて制御可能である第２電力変換器と、
   前記第１燃料電池の複数の燃料電池スタックと、前記第２燃料電池の複数の燃料電池スタックと、のそれぞれに酸素含有ガスを供給する第１配管と、
   前記第１配管から供給される酸素含有ガスの供給量を調整する風量調整部と、
   を備える、燃料電池システムの制御装置であって、
   前記第１出力電流の第１電流値、及び前記第２出力電流の第２電流値の少なくとも一方に基づく供給量設定値に応じて前記風量調整部を制御する制御部であって、前記第１電流値、及び前記第２電流値に基づき、前記供給量設定値を設定する第１の場合と、前記第１電流値、及び前記第２電流値のいずれかに基づき、前記供給量設定値を設定する第２の場合とを所定の条件により変更する、制御装置。
10. 複数の燃料電池スタックを直列に接続した第１燃料電池と、
    前記複数の燃料電池スタックにそれぞれ対応する複数の燃料電池スタックを直列に接続した第２燃料電池と、
    前記第１燃料電池の第１発電電力を第１出力電流に応じて制御可能である第１電力変換器と、
    前記第２燃料電池の第２発電電力を第２出力電流に応じて制御可能である第２電力変換器と、
    前記第１燃料電池の複数の燃料電池スタックと、前記第２燃料電池の複数の燃料電池スタックと、のそれぞれに酸素含有ガスを供給する第１配管と、
    前記第１配管から供給される酸素含有ガスの供給量を調整する風量調整部と、
    を備える、
    を備える、燃料電池システムの制御方法であって、
    前記第１出力電流の第１電流値、及び前記第２出力電流の第２電流値の少なくとも一方に基づく供給量設定値に応じて前記風量調整部を制御する制御部であって、前記第１電流値、及び前記第２電流値に基づき、前記供給量設定値を設定する第１の場合と、前記第１電流値、及び前記第２電流値のいずれかに基づき、前記供給量設定値を設定する第２の場合とを所定の条件により変更する、制御方法。

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