JP6090468B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、燃料電池と駆動モータとをインバータを介して電気的に接続する接続ラインに、昇降圧コンバータを介してバッテリを並列に接続したものがある。（ＪＰ２０１０−２５７９２８Ａ参照）。

現在開発中の燃料電池システムでは、燃料電池と駆動モータとを接続ラインによって接続すると共に、その接続ラインにコンバータを介してバッテリを接続するシステム構成としている。このようなシステム構成では、燃料電池の出力電圧と駆動モータの印加電圧とは同電位となる。

また、駆動モータ等の電気負荷の状態に基づいて算出した燃料電池の目標発電電力を、燃料電池のＩＶ特性に応じて目標出力電流に変換する制御構成としている。そして、出力電流が目標出力電流となるように、コンバータをスイッチング制御して接続ラインの電圧（接続ライン電圧）を制御すると共に、目標出力電流に基づいてカソードガス供給量を制御する空気系の制御を実施する制御構成としている。

ここで、燃料電池や駆動モータの性能や動作を保証する上で、接続ライン電圧には最低値（最低保証電圧）が設定されている。そして上記のシステム構成では、接続ライン電圧を調整する機能は、上述の空気系の制御部とは別の制御系のコンバータが担っている。そのため、コンバータの制御系に、この最低保証電圧を守るための機能を付加する制御構成とすることが考えられる。

しかしながら、このような制御構成とすると、コンバータによる接続ライン電圧の制御によって最低保証電圧は守れるものの、接続ライン電圧が最低保証電圧未満とならないように制限されたという情報が空気系の制御に反映されず、以下の問題が生じることが知見された。

上述のような燃料電池システムにおいては、接続ライン電圧を上記最低保証電圧未満に下げることが制限されていると、たとえ空気系の制御によりカソードガス供給量を増加させても燃料電池の出力電流を一定以上増加させることができず、燃料電池の出力電流が目標出力電流に到達できなくなる。しかしながら、空気系の制御はコンバータの制御とは別であることから、接続ライン電圧が最低保証電圧未満とならないように制御されているという情報は空気系の制御に反映されず、接続ライン電圧が最低保証電圧に到達する前に設定されていた目標出力電流に基づいてカソードガスの供給が続けられることとなる。その結果、必要以上のカソードガスを燃料電池に供給してしまい、燃料電池の電解質膜が過剰に乾燥することによる発電不良が生じる。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、最低保証電圧を守りつつ、実際の出力電流に応じた適切な流量のカソードガスを燃料電池に供給できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムが提供される。そして、その燃料電池システムが燃料電池と電気負荷とを接続する接続ラインと、接続ライン及びバッテリに接続され、接続ラインの電圧を調整するコンバータと、を備える。そして、燃料電池システムは、電気負荷の負荷に応じて燃料電池の目標出力電流を算出し、目標出力電流に応じてコンバータのスイッチング制御を実施すると共に、燃料電池に供給するカソードガスの流量を制御する。このとき、燃料電池システムは、燃料電池の発電電力と、燃料電池及び電気負荷の性能を保証するための接続ラインの最低保証電圧と、に基づいて、目標出力電流に上限を設定する。

この態様によれば、燃料電池の発電電力と、接続ラインの最低保証電圧と、に基づいて、接続ラインの電圧が最低保証電圧を下回ることのない出力電流値を目標出力電流の上限として設定する。そして、この上限が設定された目標出力電流に基づいて、スイッチング制御によって接続ラインの電圧を調整すると共に、燃料電池に供給するカソードガスの流量を制御する。

これにより、接続ラインの電圧が最低保証電圧を下回ることのないコンバータに対する目標出力電流を設定でき、この目標出力電流に基づいてカソードガスの流量も制御されるため、最低保証電圧を守りつつ、実際の出力電流に応じた適切な流量のカソードガスを燃料電池に供給できる。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システムの概略図である。 図２は、本発明の第１実施形態による制御プログラムの内容を説明するブロック図である。 図３は、燃料電池スタックの発電電力と出力電流との関係を示すＰＩ特性マップである。 図４は、検出スタック温度に基づいて最低保証電圧を演算するテーブルである。 図５は、目標出力電流演算部の詳細について説明するブロック図である。 図６は、到達目標出力電流が急峻に増加したときの接続ライン電圧の変化を、ローパスフィルタ処理を施した場合と施さなかった場合とで比較した図である。 図７は、本発明の第２実施形態による制御プログラムの発電電力演算部の詳細を説明するブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
燃料電池セルは電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。

アノード電極 ： ２Ｈ₂ →４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- …(１)
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋Ｏ₂ →２Ｈ₂Ｏ …(２)
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池セルは１ボルト程度の起電力を生じる。

このような燃料電池セルを自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池セルを積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。

図１は、本発明の第１実施形態による燃料電池システム１の概略図である。

燃料電池システム１は、発電を行う発電系統２として、燃料電池としての燃料電池スタック２０と、カソードガス給排装置２１と、アノードガス給排装置２２と、スタック冷却装置２３と、を備える。

燃料電池スタック２０は、複数枚の燃料電池セルを積層したものであり、カソードガス及びアノードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。

カソードガス給排装置２１は、燃料電池スタック２０にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック２０から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２１は、カソードガス供給通路２１１と、コンプレッサ２１２と、カソードガス排出通路２１３と、カソード調圧弁２１４と、を備える。

カソードガス供給通路２１１は、燃料電池スタック２０に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１１は、一端が外気と連通し、他端が燃料電池スタック２０のカソードガス入口孔に接続される。

コンプレッサ２１２は、カソードガス供給通路２１１に設けられる。コンプレッサ２１２は、カソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１１に取り込み、その空気を燃料電池スタック２０に供給する。

カソードガス排出通路２１３は、燃料電池スタック２０から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２１３の一端は燃料電池スタック２０のカソードガス出口孔に接続され、他端は開口端となっている。

カソード調圧弁２１４は、カソードガス排出通路２１３に設けられる。カソード調圧弁２１４は、燃料電池スタック２０に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。カソード調圧弁２１４は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁である。カソード調圧弁２１４の開度はコントローラによって制御される。

アノードガス給排装置２２は、燃料電池スタック２０にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック２０から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２１３に排出する装置である。アノードガス給排装置２２は、高圧タンク２２１と、アノードガス供給通路２２２と、アノード調圧弁２２３と、アノードガス排出通路２２４と、パージ弁２２５と、を備える。

高圧タンク２２１は、燃料電池スタック２０に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路２２２は、高圧タンク２２１からアノードガスを燃料電池スタック２０に供給するための通路である。アノードガス供給通路２２２の一端は高圧タンク２２１に接続され、他端が燃料電池スタック２０のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁２２３は、アノードガス供給通路２２２に設けられる。アノード調圧弁２２３は、高圧タンク２２１から排出されたアノードガスを所望の圧力に調節して燃料電池スタック２０に供給する。アノード調圧弁２２３は、連続的又は段階的に開度を調節することができる電磁弁である。アノード調圧弁２２３の開度はコントローラ８によって制御される。

アノードガス排出通路２２４は、燃料電池スタック２０から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路２２４の一端は燃料電池スタック２０のアノードガス出口孔に接続され、他端はカソードガス排出通路２１３に接続される。なお、アノードオフガスは、電極反応に使用されなかった余剰のアノードガスと、燃料電池スタック２０内のカソードガス流路からアノードガス流路にクロスリークしてきた不純ガスと、の混合ガスである。不純物ガスは、空気に含まれる窒素や、発電に伴う水蒸気などである。

パージ弁２２５は、アノードガス排出通路２２４に設けられる。パージ弁２２５は、コントローラ８によって開閉制御され、アノードガス排出通路２２４からカソードガス排出通路２２４に排出するアノードオフガスの流量を制御する。

スタック冷却装置２３は、冷却水によって燃料電池スタック２０を冷却し、燃料電池スタック２０を発電に適した温度（例えば６０℃）に保つ装置である。スタック冷却装置２３は、冷却水循環通路２３１と、ラジエータ２３２と、バイパス通路２３３と、三方弁２３４と、循環ポンプ２３５と、ヒータ２３６と、水温センサ８０と、を備える。

冷却水循環通路２３１は、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ２３２は、冷却水循環通路２３１に設けられる。ラジエータ２３２は、燃料電池スタック２０から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路２３３は、ラジエータ２３２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路２３１に接続され、他端が三方弁２３４に接続される。

三方弁２３４は、ラジエータ２３２よりも下流側の冷却水循環通路２３１に設けられる。三方弁２３４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、三方弁２３４は、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック２０から排出された冷却水が、ラジエータ２３２を介して再び燃料電池スタック２０に供給されるように冷却水の循環経路が切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック２０から排出された冷却水が、ラジエータ２３２を介さずにバイパス通路２３３を流れて再び燃料電池スタック２０に供給されるように冷却水の循環経路が切り替える。

循環ポンプ２３５は、三方弁２３４よりも下流側の冷却水循環通路２３１に設けられて、冷却水を循環させる。

ヒータ２３６は、バイパス通路２３３に設けられる。ヒータ２３６は、燃料電池スタック２０の暖機時に通電されて冷却水の温度を上昇させる。

水温センサ８０は、燃料電池スタック２０から排出された冷却水の温度を検出する。本実施形態では、水温センサ８０で検出した冷却水の温度（以下「検出スタック温度」という。）を燃料電池スタック２０の温度として代用する。

燃料電池システム１は、発電系統２に連結される電力系統３として、駆動部４と、パワーマネージャ５と、強電バッテリ６と、補機部７と、を備える。電力系統３は、これらの構成要素を、接続ラインとしてのスタック側接続ライン３１、及びバッテリ側ライン３２によって接続することで構成される。

スタック側接続ライン３１は、燃料電池スタック２０の出力端子と、駆動部４及びパワーマネージャ５の一次端子５ａと、を接続する。スタック側接続ライン３１には、電流センサ８１と、スタック側電圧センサ８２と、スタック遮断器３３と、逆流防止ダイオード３４と、が設けられる。

電流センサ８１は、燃料電池スタック２０から取り出される電流値（以下「出力電流」という。）を検出する。以下では、電流センサ８１の検出値のことを「検出出力電流」という。

スタック側電圧センサ８２は、燃料電池スタック２０の正極側の出力端子と、負極側の出力端子と、の間の電圧（燃料電池スタック２０の出力電圧）、すなわちスタック側接続ライン３１間の電圧（以下「接続ライン電圧」という。）を検出する。以下では、スタック側電圧センサ８２の検出値、すなわちスタック側接続ライン３１の検出電圧を「検出接続ライン電圧」という。

スタック遮断器３３は、発電系統２を電力系統３から機械的に切り離すための接点式の切替器である。

逆流防止ダイオード３４は、電力系統３側から燃料電池スタック２０に電流が逆流するのを防止する。

バッテリ側ライン３２は、強電バッテリ６の出力端子と、補機部７及びパワーマネージャ５の二次端子５ｂと、を接続する。バッテリ側ライン３２には、バッテリ側電圧センサ８３と、バッテリ遮断器３５と、が設けられる。

バッテリ側電圧センサ８３は、強電バッテリ６の正極側の出力端子と、負極側の出力端子と、の間の電圧、すなわちバッテリ側ライン３２間の電圧（以下「バッテリ電圧」という。）を検出する。

バッテリ遮断器３５は、強電バッテリ６を電力系統３から機械的に切り離すための接点式の切替器である。

駆動部４は、燃料電池スタック２０に接続されると共に、パワーマネージャ５を介して強電バッテリ６に接続される電気負荷であって、駆動モータ４１と、駆動インバータ４２と、を備える。

駆動モータ４１は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ４１は、回転軸が車両の駆動軸４３に連結されており、燃料電池スタック２０及び強電バッテリ６から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。

駆動インバータ４２は、入力端子がスタック側接続ライン３１に接続され、出力端子が駆動モータ４１に接続される。駆動インバータ４２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数のスイッチング素子から構成される。駆動インバータ４２のスイッチング素子は、コントローラ８によってスイッチング制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。駆動インバータ４２は、駆動モータ４１を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック２０の発電電力と強電バッテリ６の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ４１に供給する。一方で、駆動モータ４１を発電機として機能させるときは、駆動モータ４１の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換して強電バッテリ６に供給する。

パワーマネージャ５は、接続ライン電圧とバッテリ電圧とのうちの少なくとも一方を昇圧又は降圧するコンバータであって、一次端子５ａがスタック側接続ライン３１に接続され、二次端子５ｂがバッテリ側ライン３２に接続される。パワーマネージャ５によって接続ライン電圧を制御することで、燃料電池スタック２０の発電電力（接続ライン電圧×出力電流）が制御されると共に、強電バッテリ６の充放電が制御される。本実施形態では、パワーマネージャ５として双方向昇圧回路が用いられる（昇降圧コンバータ）。パワーマネージャ５は、三相構造の多相コンバータであるが、ここでは便宜上、一相の構成のみ示している。

パワーマネージャ５は、リアクトル５１と、スタック側キャパシタ５２と、バッテリ側キャパシタ５３と、スイッチング素子５４ａ〜５４ｄと、ダイオード５５ａ〜５５ｄと、電流センサ８４と、を備える。

スイッチング素子５４ａ〜５４ｄは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistors）で構成される。スイッチング素子５４ａ〜５４ｄは、コントローラ８によってスイッチング制御される。スイッチング制御によってスタック側キャパシタ５２の電圧、及び、バッテリ側キャパシタ５３の電圧の少なくとも一方が昇圧又は降圧される。

スイッチング素子５４ａ〜５４ｄには、それぞれダイオード５５ａ〜５５ｄが並列に接続される。ダイオード５５ａ〜５５ｄは、スイッチング素子を流れる電流の向きに対してダイオード５５ａ〜５５ｄの順方向が逆向きになるように配置される。

スイッチング素子５４ａ〜５４ｄの制御端子には、コントローラ８によってスイッチング制御を実行するためのＰＷＭ信号（Pulse Width Modulation）が入力される。ＰＷＭ信号のデューティー比を変更することによって、リアクトル５１を流れる電流を増減させることができる。

電流センサ８４は、パワーマネージャ５を通過する電流を検出する。

以下ではパワーマネージャ５の動作の一例として、強電バッテリ６３から駆動部４６への昇圧動作による放電時のスイッチング素子５４ａ〜５４ｄの制御について簡単に説明する。

まず、スイッチング素子５４ａ〜５４ｄのそれぞれが非導通（オフ）状態のときに、スイッチング素子５４ｂとスイッチング素子５４ｃとが、共に導通（オン）状態に制御される。これにより、パワーマネージャ５の電流経路が、スイッチング素子５４ｃからリアクトル５１を介してスイッチング素子５４ｂへ電流が流れる経路に設定され、バッテリ側キャパシタ５３からリアクトル５１に励磁電流が供給される。すなわち、バッテリ側キャパシタ５３からリアクトル５１に励磁エネルギーが蓄えられる。

この状態でスイッチング素子５４ｂが非導通状態に制御されることにより、リアクトル５１を流れる励磁電流によってスイッチング素子５４ｃ及びダイオード５５ａが共に導通する。これにより、パワーマネージャ５の電流経路が、スイッチング素子５４ｃからリアクトル５１を介してダイオード５５ａへ電流が流れる経路に切り替えられ、リアクトル５１を流れる励磁電流がスタック側キャパシタ５２に供給される。すなわち、リアクトル５１に蓄えられた励磁エネルギーがスタック側キャパシタ５２に放出される。

このようにして強電バッテリ６の電力が、スタック側キャパシタ５２を介して駆動部４へ供給される。

次に燃料電池スタック２０から強電バッテリ６への昇圧動作による充電時のスイッチング素子５４ａ〜５４ｄの制御ついて簡単に説明する。

まず、スイッチング素子５４ａ〜５４ｄのそれぞれがオフ状態のときに、スイッチング素子５４ａとスイッチング素子５４ｄとが共にオン状態に制御される。これにより、パワーマネージャ５の電流経路が、スイッチング素子５４ａからリアクトル５１を介してスイッチング素子５４ｄへ電流が流れる経路に設定され、スタック側キャパシタ５２からリアクトル５１に励磁電流が供給される。すなわち、スタック側キャパシタ５２からリアクトル５１に励磁エネルギーが蓄えられる。

この状態でスイッチング素子５４ｄが、オフ状態に制御されることにより、リアクトル５１を流れる励磁電流によってスイッチング素子５４ａ及びダイオード５５ｃが共に導通する。これにより、パワーマネージャ５の電流経路が、スイッチング素子５４ａからリアクトル５１を介してダイオード５５ｃへ電流が流れる経路に切り替えられ、リアクトル５１を流れる励磁電流がバッテリ側キャパシタ５３に供給される。すなわち、リアクトル５１に蓄えられた励磁エネルギーがバッテリ側キャパシタ５３に放出される。

このようにして燃料電池スタック２０の発電電力がスタック側キャパシタ５３を介して強電バッテリ６へ供給される。

強電バッテリ６は、充放電可能な二次電池であって、出力端子がバッテリ側ライン３２に接続される。強電バッテリ６は、燃料電池スタック２０の発電電力及び駆動モータ４１の回生電力を充電する。強電バッテリ６に充電された電力は、必要に応じて駆動部４及び補機部７に供給される。本実施形態では、出力電圧が３００［Ｖ］程度のリチウムイオン電池を強電バッテリ６として使用している。

補機部７は、強電バッテリ６に接続されると共に、パワーマネージャ５を介して燃料電池スタック２０に接続される電気負荷である。補機部７は、コンプレッサモータ７１と、コンプレッサインバータ７２と、降圧コンバータ７３と、弱電バッテリ７４と、補機７５と、弱電ライン７６と、を備える。

コンプレッサモータ７１は、コンプレッサ２１２を駆動するための三相交流同期モータである。

コンプレッサインバータ７２は、入力端子がバッテリ側ライン３２に接続され、出力端子がコンプレッサモータ７１に接続される。コンプレッサインバータ７２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数のスイッチング素子から構成される。コンプレッサインバータ７２のスイッチング素子は、コントローラ８によってスイッチング制御される。このスイッチング制御によって、コンプレッサインバータ７２は直流電力を交流電力に変換してコンプレッサモータ７１に供給する。

降圧コンバータ７３は、一次端子がバッテリ側ライン３２に接続され、二次端子が弱電ライン７６に接続される。降圧コンバータ７３は、コントローラ８によって制御されてバッテリ側キャパシタ５３に生じる電圧を弱電バッテリ７４の電圧レベルまで降圧し、弱電ライン７６に接続される補機７５に電力を供給する。

弱電バッテリ７４は、充放電可能な二次電池であって、出力端子が弱電ライン７６に接続される。弱電バッテリ７４は、燃料電池スタック２０で発電が行われていない燃料電池システム１の始動処理時や停止処理時に、補機７５に供給するための電力を蓄える。本実施形態では、出力電圧が１４［Ｖ］程度の鉛蓄電池を弱電バッテリ７４として使用している。

補機７５は、燃料電池システム１の運転時に使用される種々の電力機器であって、例えば前述したカソード調圧弁２１４等の弁類や、照明機器などである。補機７５は、弱電ライン７６に接続される。

弱電ライン７６は、弱電バッテリ７４の出力端子と、降圧コンバータ７３の二次端子及び補機７５と、を接続する。

コントローラ８は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ８には、前述したセンサ類８０〜８４の他にも、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル操作量」という。）を検出するアクセルストロークセンサ８５や、強電バッテリ６の充電率（ＳＯＣ；State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ８６などの燃料電池システム１を運転させるために必要な各種センサ類からの信号が入力される。

図２は、コントローラ８が実施する本実施形態の制御プログラムの内容を説明するブロック図である。

コントローラ８は、目標発電電力演算部１０と、電力電流変換部１１と、最低保証電圧演算部１２と、前回値出力部１３と、発電電力演算部１４と、目標出力電流算出手段としての目標出力電流演算部１５と、コンバータ制御手段としてのパワーマネージャ制御部１６と、流量制御手段としてのガス制御部１７と、を備える。

目標発電電力演算部１０は、駆動モータ４１、コンプレッサモータ７１及び補機７５などの電気負荷の運転状態や、強電バッテリ６の充電率に応じて、燃料電池スタック２０の発電電力の目標値（以下「目標発電電力」という。）を演算する。

具体的には、目標発電電力演算部１０は、電気負荷の負荷が高くなるほど目標発電電力が大きくなるように、電気負荷に応じて目標発電電力を算出する。そして、強電バッテリ６の充電率が低く、強電バッテリ６の充電要求があるときは充電要求分だけ目標発電電力が大きくなるように、電気負荷に応じて算出した目標発電電力を補正する。一方、強電バッテリ６の充電率が高く、強電バッテリ６の放電要求があるときは放電要求分だけ目標発電電力が小さくなるように、電気負荷に応じて算出した目標発電電力を補正する。

このように、目標発電電力演算部１０は、基本的に電気負荷に応じて目標発電電力を算出し、必要に応じて算出した目標発電電力を補正する。

電力電流変換部１１には、目標発電電力と、検出スタック温度と、が入力される。電力電流変換部１１は、燃料電池スタック２０の発電電力と出力電流との関係を示す図３のＰＩ特性マップを参照し、目標発電電力を発電するために必要な出力電流の目標値（以下「基本目標出力電流」という。）を算出する。なお、図３のＰＩ特性マップに示すように、検出スタック温度が高くなるほど目標発電電力を発電するために必要な基本目標出力電流は小さくなる。これは、検出スタック温度が例えば外気温から発電に適した温度（例えば６０℃）に向かって高くなるほど、燃料電池スタック２０の発電効率が高くなるためである。

最低保証電圧演算部１２には、検出スタック温度が入力される。最低保証電圧演算部１２は、図４のテーブルを参照し、検出スタック温度に基づいて最低保証電圧を演算する。ここで最低保証電圧とは、燃料電池スタック２０及び駆動モータ４１の動作や性能を保証できる接続ライン電圧の最低値のことをいう。すなわち、最低保証電圧は、燃料電池システム１を運転する上で守るべき接続ライン電圧の最低値である。

前回値出力部１３には、目標出力電流演算部１５で演算した目標出力電流が入力される。前回値出力部１３は、入力された目標出力電流を記憶し、次回演算時にその入力された目標出力電流を、目標出力電流前回値として出力する。

発電電力演算部１４には、検出接続ライン電圧と、目標出力電流前回値と、が入力される。発電電力演算部１４は、検出接続ライン電圧に目標出力電流前回値を掛けて、燃料電池スタック２０の発電電力を演算する。

このように本実施形態では、検出接続ライン電圧と検出出力電流とを掛けたものを燃料電池スタック２０の発電電力とするのではなく、検出接続ライン電圧と目標出力電流前回値とを掛けたものを燃料電池スタック２０の発電電力としている。

目標出力電流演算部１５には、基本目標出力電流、最低保証電圧、検出接続ライン電圧及び発電電力が入力される。目標出力電流演算部１５は、これらの入力値に基づいて、目標出力電流を演算する。目標出力電流演算部１５の詳細については、図６を参照して後述する。

パワーマネージャ制御部１６には、検出出力電流と、目標出力電流と、が入力される。パワーマネージャ制御部１６は、検出出力電流と目標出力電流との偏差がゼロとなるように、例えばＰＩ制御などのフィードバック制御を用いて目標接続ライン電圧を算出する。そして、スタック側キャパシタ５２の電圧（検出接続ライン電圧）が目標接続ライン電圧となるように、スイッチング素子５４ａ〜５４ｄをスイッチング制御する。このようにパワーマネージャ制御部１６は、目標出力電流に応じてスイッチング制御を実施する。

ガス制御部１７には、目標出力電流が入力される。ガス制御部１７は、目標出力電流に基づいて、カソードガス流量及びカソードガス圧力の目標値を演算し、その演算結果に基づいてカソードコンプレッサ２１２及びカソード調圧弁２１４を制御する。カソードガス流量及びカソードガス圧力の目標値は、基本的に目標出力電流が高くなるほど大きくなる。また、ガス制御部１７は、目標出力電流に基づいて、アノードガス圧力の目標値を演算し、その演算結果に基づいてアノード調圧弁２２３を制御する。

図５は、目標出力電流演算部１５の詳細について説明するブロック図である。

目標出力電流演算部１５は、除算部１５１と、電圧偏差演算部１５２と、上限電流設定部１５３と、到達目標出力電流設定部１５４と、遅れ処理部１５５と、を備える。

除算部１５１は、発電電力を最低保証電圧で除算することで、接続ライン電圧が最低保証電圧のときに、発電電力分の電力を発電するために必要な出力電流値を演算する。出力電流が、この出力電流値よりも大きくなると、接続ライン電圧が最低保証電圧を下回ることになる。

電圧偏差演算部１５２は、検出接続ライン電圧から最低保証電圧を減算して、電圧偏差を演算する。

上限電流設定部１５３には、除算部１５１で演算された出力電流値と、予め設定された固定値と、電圧偏差と、が入力される。上限電流設定部１５３は、電圧偏差が所定偏差以下のときは、除算部１５１で演算された出力電流値を、出力電流の上限値（以下「上限電流」という。）として設定する。一方で、上限電流設定部１５３は、電圧偏差が所定偏差よりも大きいときは、固定値を上限電流として設定する。固定値としては、例えば燃料電池スタック２０の性能から決まる出力電流の最大値以上の値、及び、燃料電池スタック２０の出力電流が流れる逆流防止ダイオード３４やスタック側接続ライン３１などの熱的制約などから決まる出力電流の最大値などのうち、最も小さい値を用いる。

このように上限電流設定部１５３は、電圧偏差が所定偏差よりも大きいときは出力電流の上限を制限せず、電圧偏差が所定偏差以下のとき、すなわち最低保証電圧近傍まで検出接続ライン電圧が低下したときに出力電流の上限を制限する。このように、検出接続ライン電圧が最低保証電圧近傍まで低下してきたことを確認してから出力電流に上限を設定することで、不用意に出力電流が制限されるのを防止している。

到達目標出力電流設定部１５４には、上限電流と、基本目標出力電流と、が入力される。到達目標出力電流設定部１５４は、上限電流及び基本目標出力電流の大小を比較し、小さいほうを到達目標出力電流として設定する。

遅れ処理部１５５には、到達目標出力電流が入力される。遅れ処理部１５５は、ローパスフィルタによって到達目標出力電流の高周波成分を除去したものを目標出力電流として出力する。つまり目標出力電流は、出力電流を所定の時間遅れを持って到達目標出力電流に向けて制御するための目標値である。

このように、ローパスフィルタによって到達目標出力電流の高周波成分を除去したものを目標出力電流とする理由について、図６を参照して説明する。

図６は、到達目標出力電流が変化する過渡時において、到達目標出力電流の変化量が大きく、到達目標出力電流が急峻に増加したときの接続ライン電圧の変化を、遅れ処理部１５５によってローパスフィルタ処理を施した場合（実線）と施さなかった場合（破線）とで比較した図である。

一般的に、立ち上がりの速い信号には高周波成分が多く含まれている。したがって、到達目標出力電流が急峻に増加する場合、ローパスフィルタ処理を施さなければ、出力電流が到達目標出力電流に向けて急峻に変化するため、高周波成分を多く含む電流が流れることになる。そして、高周波成分を多く含む電流は、燃料電池スタック２０の電気二重層容量を通過する。

そのため、到達目標出力電流が急峻に増加したときは、出力電流が過渡的に到達目標出力電流よりも多く流れて、図６に示すように、接続ライン電圧が最低保証電圧を下回ってしまうおそれがある。加えて、検出接続ライン電圧に基づいて上限電流を演算するため、目標出力電流から検出接続ライン電圧までの応答遅れを加味しなければ、同様に接続ライン電圧が最低保証電圧を下回ってしまうおそれがある。

これに対し、到達目標出力電流にローパスフィルタ処理を施して高周波成分を除去すれば、出力電流を到達目標出力電流に向けて緩やかに変化させることができるので、図６に示すように、接続ライン電圧が最低保証電圧を下回るのを抑制することができる。ローパスフィルタは、燃料電池スタック２０の電気二重層容量を通過する高周波の電流を除去すべく、燃料電池スタック２０の電気二重層容量を考慮して設定するのが望ましい。さらに、目標出力電流から検出接続ライン電圧までの応答遅れを考慮して設定するのが望ましい。

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック２０と電気負荷である駆動部４とを接続するスタック側接続ライン３１と、スタック側接続ライン３１に一次端子５ａが接続され、強電バッテリ６に二次端子５ｂが接続され、スタック側接続ライン３１の電圧（接続ライン電圧）を調整するパワーマネージャ５と、を備える。そして燃料電池システム１は、電気負荷の負荷に応じて燃料電池スタック２０の目標出力電流を算出し、目標出力電流に応じてパワーマネージャ５のスイッチング制御を実施すると共に燃料電池スタック２０に供給するカソードガスの流量を制御する。

このとき、本実施形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック２０の発電電力と、燃料電池スタック２０及び電気負荷の性能を保証するためのスタック側接続ライン３１の最低保証電圧と、に基づいて、燃料電池スタック２０の目標出力電流に上限を設定する。

このように本実施形態では、燃料電池スタック２０の発電電力と、スタック側接続ライン３１の最低保証電圧と、に基づいて、スタック側接続ライン３１の電圧が最低保証電圧のときに、発電電力分の電力を発電するために必要な出力電流値を目標出力電流の上限として設定する。そして、この上限が設定された目標出力電流に基づいて、パワーマネージャ５のスイッチング制御によってスタック側接続ライン３１の電圧を調整すると共に、燃料電池スタック２０に供給するカソードガスの流量を制御する。

これにより、スタック側接続ライン３１の電圧が最低保証電圧を下回ることのないパワーマネージャ５に対する目標出力電流を設定でき、この目標出力電流に基づいてカソードガスの流量も制御されるため、最低保証電圧を守りつつ、実際の出力電流に応じた適切な流量のカソードガスを燃料電池に供給できる。

また、本実施形態による燃料電池システム１は、スタック側接続ライン３１の電圧から最低保証電圧を減算した電圧偏差が所定偏差以下のときに、燃料電池スタック２０の目標出力電流に上限を設定することとした。

このように、スタック側接続ライン３１の電圧が最低保証電圧近傍まで低下してきたことを確認してから出力電流に上限を設定することで、不用意に出力電流が制限されるのを防止することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１は、目標出力電流にローパスフィルタ処理を施し、目標出力電流の高周波成分を除去することとした。

これにより、目標出力電流が急峻に増加した場合であっても、出力電流を目標出力電流に向けて緩やかに変化させることができるので、スタック側接続ライン３１の電圧が最低保証電圧を下回るのを抑制することができる。

また、本実施形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック２０の発電電力を、検出接続ライン電圧と検出出力電流とに基づいて算出するのではなく、検出接続ライン電圧と目標出力電流とに基づいて算出することとした。具体的には、検出接続ライン電圧に、目標出力電流の一例としての目標出力電流前回値を掛けたものを燃料電池スタック２０の発電電力とした。

パワーマネージャ５によって検出接続ライン電圧を目標接続ライン電圧に制御する場合、パワーマネージャ５は、前述したようにスタック側キャパシタ５２の電圧が目標接続ライン電圧となるように、スイッチング素子５４ａ〜５４ｄをスイッチング制御する。

具体的には、パワーマネージャ５は、スタック側キャパシタ５２の電圧が目標接続ライン電圧になったときは、スイッチング制御によってリアクトル５１を流れる励磁電流の流れの向きを切り替え、スタック側キャパシタ５２に対する励磁エネルギーの供給、放出を繰り返すことで、スタック側キャパシタ５２の電圧を目標接続ライン電圧に維持する。

ここで、スイッチング制御によってリアクトル５１を流れる励磁電流の流れの向きを切り替えるには、例えばスイッチング素子５４ｂ、５４ｃがオン、スイッチング素子５４ａ，５４ｄがオフの状態から、スイッチング素子５４ｂ、５４ｃがオフ、スイッチング素子５４ａ，５４ｄがオンの状態に切り替える必要がある。このオン・オフの切り替えの際に、スイッチング素子５４ａ、５４ｂ、又は、スイッチング素子５４ｃ、５４ｄが同時にオン状態になってしまうとショートしてしまう。そこで本実施形態では、ショート防止のために、スイッチング素子５４ａ〜５４ｄの全てを一旦オフにするデッドタイムを設けてからオン・オフの切り替えを行っている。

したがって、スイッチング制御によってリアクトル５１を流れる励磁電流の流れの向きが切り替わるまでに遅れが生じてしまうので、目標出力電流に対して検出出力電流がハンチングするおそれがある。そのため、発電電力変動に対する感度が大きい検出出力電流を用いて発電電力を算出すると、その発電電力に基づいて算出される上限電流までもがハンチングしてしまい、接続ライン電圧が最低保証電圧を下回るおそれがある。

そこで本実施形態では、目標出力電流を用いて発電電力を算出することとしたのである。これにより、発電電力に基づいて算出される上限電流がハンチングすることがないので、接続ライン電圧が最低保証電圧を下回るのを抑制できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による制御プログラムの内容について説明する。本実施形態による制御プログラムは、発電電力演算部１４の内容が第１実施形態と相違する。以下、その相違点を中心に説明する。なお、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

図７は、本実施形態による制御プログラムの発電電力演算部１４の詳細を説明するブロック図である。

前述した第１実施形態では、目標出力電流前回値と検出スタック電圧とを掛けたものを発電電力としていた。

これに対して本実施形態では、第２遅れ処理部１４１で、パワーマネージャ５によって接続ライン電圧を目標接続ライン電圧に制御する際におけるパワーマネージャ５の応答速度を考慮したローパスフィルタ処理を、目標出力電流前回値に対して施す。つまり第２遅れ処理部１４１は、パワーマネージャ５によって接続ライン電圧を目標接続ライン電圧に制御する際における実際の出力電流値の変化に対応した電流値を出力する。

そして、最大値選択部１４２で、目標出力電流前回値と、第２遅れ処理部１４１の出力値と、の大きい方を選択し、発電電力出力部１４３で、最大値選択部１４２の選択値に検出スタック電圧を掛けたものを発電電力として出力する。以下、このようにする理由について説明する。

目標出力電流が低下する下げ過渡時において、目標出力電流前回値が、パワーマネージャ５によって実際に低下させることができる出力電流値よりも小さくなることがある。この場合、目標出力電流前回値に基づいて発電電力を算出すると、発電電力演算部１４で演算した発電電力が、実際の発電電力よりも小さくなってしまう。その結果、発電電力演算部１４で演算した発電電力に基づいて算出された上限電流も低くなってしまい、過剰に出力電流を制限することになる。

これに対し本実施形態では、発電電力演算部１４を上記のように構成することで、実際の出力電流値の変化に対応した電流値に基づいて発電電力を算出することができる。そのため、発電電力演算部１４で演算した発電電力が、実際の発電電力よりも小さくなるのを抑制できるので、過剰に出力電流が制限されるのを抑制できる。

以上説明した本実施形態による燃料電池システム１は、燃料電池スタック２０の発電電力を、前記目標出力電流にローパスフィルタ処理を施した値と、その値にさらにパワーマネージャ５の応答性を考慮したローパスフィルタ処理を施した値と、の大きい方と、検出接続ライン電圧と、に基づいて算出することとした。

これにより、下げ過渡時において、発電電力演算部１４で演算される発電電力が実際の発電電力よりも小さくなるのを抑制できる。よって、発電電力演算部１４で演算した発電電力に基づいて算出される上限電流が必要以上に低く設定されるのを抑制できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、上記の各実施形態では発電電力演算部１４に目標出力電流前回値を入力していが、これは目標出力電流の一例であり、前回値に限られるものではない。また、最低保証電圧を、少なくとも燃料電池スタック２０及び駆動モータ４１のいずれか一方の動作や性能を保証できる電圧値としても良い。

本願は２０１３年１０月９日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−２１２１３２に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (4)

1. アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池と電気負荷とを接続する接続ラインと、
   前記接続ライン及びバッテリに接続され、前記接続ラインの電圧を調整するコンバータと、
   前記電気負荷の負荷に応じて、前記燃料電池の目標出力電流を算出する目標出力電流算出手段と、
   前記目標出力電流に応じて、前記コンバータのスイッチング制御を実施するコンバータ制御手段と、
   前記目標出力電流に応じて、前記燃料電池に供給するカソードガスの流量を制御する流量制御手段と、
   前記目標出力電流算出手段により算出された前記目標出力電流の前回値と、前記接続ラインの検出電圧と、に基づいて、前記燃料電池の発電電力を算出する発電電力算出手段と、
   を備え、
   前記目標出力電流算出手段は、
   前記燃料電池の発電電力と、前記燃料電池及び前記電気負荷の性能を保証するための前記接続ラインの最低保証電圧と、に基づいて、前記目標出力電流に上限を設定する、
   燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記目標出力電流算出手段は、
   前記目標出力電流にローパスフィルタ処理を施す燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記発電電力算出手段は、
   前記目標出力電流にローパスフィルタ処理を施した値と、その値にさらに前記コンバータの応答性を考慮したローパスフィルタ処理を施した値と、の大きい方と、前記接続ラインの検出電圧と、に基づいて、前記燃料電池の発電電力を算出する燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１つに記載の燃料電池システムであって、
   前記目標出力電流算出手段は、
   前記接続ラインの電圧から前記最低保証電圧を減算した電圧偏差が、所定偏差以下のときに、前記目標出力電流に上限を設定する燃料電池システム。

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