燃料電池システム
【課題】燃料電池のストイキ比が設定値よりも低下することを防止する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１０の制御部８０は、燃料電池１２の実出力電力値ＰＦＣが要求電力値ＰＲＥＱとの電力差ΔＰを検知したときに、電力差ΔＰに基づいて補正電流値ΔＩを算出する。さらに補正電流値ΔＩに基づいてＦＣコンバータ６６のデューティ比を補正するとともに、補正電流値ΔＩに基づいてエアコンプレッサ４６の酸化ガス流量を補正する。
【解決手段】燃料電池システム１０の制御部８０は、燃料電池１２の実出力電力値ＰＦＣが要求電力値ＰＲＥＱとの電力差ΔＰを検知したときに、電力差ΔＰに基づいて補正電流値ΔＩを算出する。さらに補正電流値ΔＩに基づいてＦＣコンバータ６６のデューティ比を補正するとともに、補正電流値ΔＩに基づいてエアコンプレッサ４６の酸化ガス流量を補正する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の出力電力を制御する制御部を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源としてモータ等の電気機械が使用され、さらにこの駆動源に電力を供給する電源として燃料電池が使用されている。このような車両には燃料電池および燃料電池の発電に必要な周辺機器からなる燃料電池システムが搭載されている。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に燃料（水素ガス）を供給する水素供給系と、燃料電池に酸化ガス（空気）を供給する空気供給系を備えている。さらに燃料電池システムは、燃料電池から駆動源等に電力を送る電力系を備えている。加えて、燃料電池システムは、燃料供給系、空気供給系、電力系から種々の信号を受け取るとともに、各系に制御指令を送る制御部を備えている。
【０００４】
燃料電池の発電量は制御部により制御される。車両に設けられたアクセルペダルの開度が制御部に送信されると、制御部はこのアクセル開度に基づいて要求トルクを求める。また、車速センサから車速が制御部に送信されると、制御部は駆動源の回転数を求める。さらに要求トルクと駆動源の回転数とから燃料電池が出力すべき電力である指令電力を算出する。
【０００５】
また、制御部には燃料電池の出力電力と出力電流との関係が定められた電力−電流特性（以下、Ｐ−Ｉ特性と呼ぶ）が記憶されており、制御部はこのＰ−Ｉ特性から指令電力に対応する電流値（以下、指令電流値と呼ぶ）を求める。さらに制御部には燃料電池の出力電流と出力電圧との関係が定められた電流−電圧特性（以下、Ｉ−Ｖ特性と呼ぶ）が記憶されており、制御部はこのＩ−Ｖ特性から指令電流値に対応した電圧値（以下、指令電圧値と呼ぶ）を求める。
【０００６】
指令電流値に基づいて、燃料電池に供給される空気の供給量（以下、指令空気量と呼ぶ）が定められる。制御部では、指令電流値の電流を燃料電池から出力させる際に燃料電池で消費される空気流量（理論空気量）を算出するとともに、理論空気量にストイキ比と呼ばれるパラメータを掛けた値を算出し、これを指令空気量としている。ストイキ比とは、理論空気量に対する、実際に燃料電池に供給される空気量の過剰率を示す値であり、燃料電池の出力変動を考慮して定められる値である。
【０００７】
また、燃料電池の出力電流が指令電流値となるように制御し、出力電圧が指令電圧値となるように制御する電流・電圧制御手段としてＤＣ−ＤＣコンバータが使用される。ＤＣ−ＤＣコンバータは燃料電池と駆動源との間に接続されており、内部に設けられたスイッチング素子のオン／オフ動作によって燃料電池から出力される電流の流れが断続される。このスイッチング動作において、スイッチング素子のオン／オフ比、すなわちデューティ比に応じて燃料電池の出力電流及び出力電圧が変化する。デューティ比は制御部により定められる。制御部は燃料電池の出力電流値および出力電圧値が指令電流値および指令電圧値となるようにＤＣ−ＤＣコンバータのデューティ比を定める。
【０００８】
燃料電池の出力が上述したＩ−Ｖ特性に従うのであれば、デューティ比通りにＤＣ−ＤＣコンバータを作動させることによって出力電流値及び出力電圧値は指令電流値及び指令電圧値となる。しかし、燃料電池のＩ−Ｖ特性は燃料電池の経年劣化や温度変化等により変化することが知られており、制御部に記憶されたＩ−Ｖ特性が実際のＩ−Ｖ特性とは異なる場合がある。そうなると、デューティ比通りにＤＣ−ＤＣコンバータを作動させても、燃料電池の出力電流値および出力電圧値は指令電流値および指令電圧値とは異なってしまう。その結果、燃料電池の出力電力値は要求電力値よりも低くなる。
【０００９】
そこで従来技術においては、燃料電池の出力電力と指令電力との差異を解消するためにフィードバック制御を行っている。すなわち、燃料電池の実際の出力電力を計測し、この出力電力と指令電力との偏差を求め、偏差がある場合にはＰＩＤ関数等により指令電流値および指令電圧値を補正している。電流値及び電圧値補正後の燃料電池について再び出力電流と出力電圧を取得し、さらに出力電力を求め、当該出力電力と指令電力との差が解消されるまでフィードバック制御が継続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２４３２４８号公報
【特許文献２】特開２００４−３９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術においては、指令電流値の補正時に指令空気量の補正は行われていない。例えば、従来技術における空気供給量の制御技術を開示する文献として特許文献１および２が挙げられる。特許文献１においては指令空気量と実際の空気供給量との差異を解消する手段としてＰＩＤ制御等のフィードバック制御が採用されている。また、特許文献２においては目標酸素濃度と実際の酸素濃度との偏差を解消するためにＰＩＤ制御が採用されている。これらの文献では指令空気量や目標酸素濃度に一致するように空気流量や酸素濃度を変化させる制御を開示するに留まり、指令空気量または目標酸素濃度そのものの補正については開示されていない。このように、従来技術においては指令電流値の補正に伴う指令空気量の補正は行われていない。
【００１２】
指令電流値が補正されたにも関わらず、指令空気量が維持されたままであると、上述したストイキ比の値は制御部に設定された値とは異なるものとなる。特に、指定電流値が補正により増加され、その一方で指令空気量が維持されたままであると、実際のストイキ比は制御部に設定された値よりも低くなる。その結果、燃料電池の電力出力が不安定になるおそれがあった。
【００１３】
そこで、本願発明は、指令電流値の補正制御時におけるストイキ比の低下を防ぐ燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明は燃料電池システムに関するものである。燃料電池システムは、燃料及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の出力電流と、燃料電池に供給する酸化ガスの供給量と、を変化させる制御部と、を備えている。制御部は、燃料電池に対する要求電力と、予め設定された燃料電池の電力電流特性とに基づいて、燃料電池に対する指令電流を求め、指令電流に基づいて、燃料電池に供給する酸化ガス流量を求める。また、燃料電池システムは、燃料電池の実出力電圧を測定する電圧センサと、実出力電流を測定する電流センサを備えている。制御部は、電圧センサから実出力電圧を取得し、電流センサから実出力電流を取得し、実出力電圧及び実出力電流から実出力電力を求める。制御部は、実出力電力と要求電力との差を検知したときに、差に基づいて補正電流を求め、補正電流に基づいて燃料電池の出力電流を変化させる。さらに制御部は、補正電流に基づいて補正流量を求め、補正流量に基づいて燃料電池に供給する酸化ガスの供給量を変化させる。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明により、燃料電池の出力電流補正時におけるストイキ比の低下が防止され、燃料電池の出力が安定する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを例示する図である。
【図２】制御部のシステム構成図である。
【図３】燃料電池の出力電流および出力電圧の補正制御を説明する図である。
【図４】燃料電池の出力電流および出力電圧の補正制御を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、本実施形態に係る燃料電池システムを示す。燃料電池システム１０は、図示しない車両に搭載されている。燃料電池システム１０は、燃料および酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池１２と、燃料としての水素ガスを燃料電池１２に供給する水素供給系２０と、酸化ガスとしての空気中の酸素を燃料電池１２に供給するための空気供給系４０を備えている。さらに、燃料電池システム１０は、電力の充放電を制御する電力系６０と、システム全体を統括制御する制御部８０とを備えている。
【００１８】
燃料電池１２は、多数の燃料電池セルを電気的に直列接続した状態で積層された固体高分子電解質膜型セルスタックとして構成されている。燃料電池１２では、燃料極（アノード）においてＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−で表わされる酸化反応が生じる。また、空気極（カソード）では、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏで表わされる還元反応が生じる。したがって、燃料電池１２全体としては、Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏで表わされる化学反応が生じることになる。
【００１９】
水素供給系２０は、高圧の水素タンク等からなる水素供給源２２を備えている。さらに水素供給系２０は、水素供給源２２から燃料電池１２の燃料極に供給する水素ガスが流れる水素供給通路２４と、燃料電池１２から排出される水素オフガスが流れる水素排出通路２６と、水素排出通路２６から分岐して水素供給通路２４に接続される循環通路２８と、の３つの通路を備えている。さらに水素供給系２０は、燃料電池１２から排出された水素オフガスを循環通路２８を経由して水素供給通路２４に循環供給するための循環ポンプ３０を備えている。
【００２０】
さらに水素供給通路２４には、水素供給源２２から燃料電池１２に向かう方向に従って順に第１の遮断弁３２、第１の調圧弁３３、第２の遮断弁３４、圧力センサ３５が設けられている。遮断弁３２は水素供給源２２からの水素ガスの流出を遮断するために設けられている。また、第１の調圧弁３３は水素供給源２２からの水素ガス圧を減圧するために設けられている。また、第２の遮断弁３４は燃料電池１２への水素ガスの供給を遮断するために設けられている。また、圧力センサ３５は燃料電池１２に供給される水素ガスの圧力を検出している。
【００２１】
また、水素排出通路２６には、燃料電池１２側から順に、燃料電池１２から排出される水素オフガスを遮断する第３の遮断弁３６と、水素オフガスを排出する際に開弁される第４の遮断弁３７が設けられている。
【００２２】
空気供給系４０は、燃料電池１２の空気極に空気を供給する空気供給通路４２と、燃料電池１２から排出された空気が流れる空気排出通路４４とを備えている。空気供給通路４２には、大気中から空気を取り込む酸化ガス供給器として機能するエアコンプレッサ４６と、燃料電池１２に供給される空気流量を検出する流量検出器として機能するフローメータ４８と、燃料電池１２への空気供給を遮断するための第５の遮断弁５０が設けられている。
【００２３】
また、空気排出通路４４には、燃料電池１２からの空気の排出を遮断するための第６の遮断弁５２と、空気供給圧を調整するための第２の調圧弁５４が設けられている。
【００２４】
電力系６０は、燃料電池１２が実際に出力する電流（実出力電流）を検出する電流検出器として機能する電流センサ６２と、燃料電池１２が実際に出力する電圧（実出力電圧）を検出する電圧検出器として機能する電圧センサ６４と、燃料電池１２の実出力電流および実出力電圧を制御するＦＣコンバータ６６とが設けられている。電流センサ６２、電圧センサ６４は、燃料電池１２とＦＣコンバータ６６との間に設けられている。
【００２５】
ＦＣコンバータ６６はＤＣ−ＤＣコンバータから構成され、燃料電池１２の出力電圧および出力電流を制御する昇降圧チョッパ回路を含んで構成される。ＦＣコンバータ６６にはスイッチング素子が設けられ、スイッチング素子のオン／オフ動作はデューティ比ｄによって定められる。このデューティ比ｄによって燃料電池１２の出力電圧および出力電流が変化する。デューティ比ｄとはスイッチング素子のオン時間の割合を示すものであり、オン時間をｔＯＮ、オフ時間をｔＯＦＦ、スイッチング周期Ｔ（＝ｔＯＮ＋ｔＯＦＦ）とすると、デューティ比ｄはｔＯＮ／Ｔで表わされる。ＦＣコンバータ６６はデューティ比ｄに応じて燃料電池１２の出力電圧を昇圧する。具体的には昇圧率は１／（１−ｄ）で表わされる。このデューティ比は制御部８０にて定められ、制御部８０からＦＣコンバータ６６に送信される。
【００２６】
また、電力系６０は、バッテリ６８と、バッテリ６８の実出力電圧を測定する電圧センサ６９と、バッテリ６８の電圧を制御するバッテリコンバータ７０とを備えている。さらに電力系６０は、インバータ７２、駆動源であるモータ７４、補機類７６を備えている。図１に示されているように、燃料電池システム１０は、バッテリコンバータ７０とインバータ７２とが並列に燃料電池１２に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。
【００２７】
バッテリコンバータ７０は上述したＦＣコンバータ６６と同様にＤＣ−ＤＣコンバータから構成され、バッテリ６８の出力電圧および出力電流を制御する昇降圧チョッパ回路を含んで構成される。バッテリコンバータ７０は制御部８０からデューティ比を受信し、当該デューティ比に基づいてスイッチング素子を駆動させる。バッテリコンバータ７０は、バッテリ６８から供給される直流電圧を昇圧して燃料電池１２の出力を補佐する機能と、燃料電池１２が発電した直流電流、または回生制動によりモータ７４が回収した回生電力を降圧してバッテリ６８に充電する機能とを備えている。
【００２８】
バッテリ６８は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギーの貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ６８は、例えばリチウム二次電池等の二次電池が使用される。バッテリ６８には、充電状態（ＳＯＣ、Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサ（図示せず）が設けられており、ＳＯＣセンサによってバッテリ６８の残容量を監視することができる。
【００２９】
インバータ７２は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式や矩形波制御方式で駆動されるインバータであり、制御部８０からのスイッチング指令に従ってスイッチング素子がオン／オフ制御される。このオン／オフ制御によって燃料電池１２およびバッテリ６８から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ７４の回転トルクを制御する。モータ７４は例えば三相同期型の交流モータであり、車両の駆動源となる。
【００３０】
補機類７６は、燃料電池システム１０に配置されている各モータ（ポンプやブロワなどの駆動源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（冷却水循環ポンプ、ラジエータ等）を総称するものである。
【００３１】
制御部８０は、水素供給系２０、空気供給系４０、電力系６０から種々の信号を受信するとともに各系に対して制御指令を送る。また、アクセルポジションセンサ８１から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ８２から出力される車速信号を受信し、システム全体の要求電力を求める。なお、システム全体の要求電力とは、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００３２】
図２に制御部８０のシステム構成図を示す。制御部８０はＥＣＵとも呼ばれ、受信部８４、送信部８６、記憶部８８、演算部９０を含んで構成される。これら各部は互いに通信（アクセス）可能となっている。
【００３３】
受信部８４は入力インターフェースとして機能し、水素供給系２０、空気供給系４０、電力系６０、アクセルポジションセンサ８１、車速センサ８２等から種々の信号を受信する。送信部８６は出力インターフェースとして機能し、演算部９０の演算結果を上述した各系およびセンサに送信する。
【００３４】
記憶部８８は、半導体メモリやハードディスク等の記憶手段を含んで構成され、燃料電池１２の電力−電流特性（以下、Ｐ−Ｉ特性と呼ぶ）、電流−電圧特性（以下、I−V特性と呼ぶ）が記憶されている。さらに記憶部８８には、燃料電池１２の出力電力ＰＦＣを要求電力値ＰＲＥＱとするための制御プログラム等が記憶されている。
【００３５】
演算部９０は、いわゆるＣＰＵを含んで構成されている。演算部９０は、受信部８４が受信した各種の値を取り込み、また、記憶部８８に記憶された制御プログラムを読み出してこれを実行することにより、燃料電池１２の出力電力値ＰＦＣが要求電力値ＰＲＥＱとなるための条件を算出する。
【００３６】
以上、燃料電池システム１０の構成について説明した。次に、燃料電池システム１０の動作について説明する。
【００３７】
アクセルペダル９１（図１）が運転者により踏み込まれた際に、そのアクセル開度がアクセルポジションセンサ８１により検知される。アクセル開度はアクセルポジションセンサ８１から制御部８０に送信される。制御部８０はアクセル開度に基づいてモータ７４に対する要求トルクを算出する。
【００３８】
さらに制御部８０は車速センサ８２から車両速度を取得し、車両速度からモータ７４の回転数を求める。制御部８０は要求トルクおよび回転数からモータ７４に供給すべき電力値を求める。次に制御部８０は、モータ７４に供給すべき電力に基づき、補機類７６に供給する電力値を算出する。このようにして燃料電池システム１０全体に供給すべき電力値が算出される。この燃料電池システム１０全体に供給すべき電力値はそのまま燃料電池１２が出力すべき電力値となる。燃料電池１２が出力すべき電力値を以下では要求電力値ＰＲＥＱと呼ぶ。
【００３９】
また、記憶部８８には、回転数、トルク、電圧の関係を示すモータ特性及び、後述する空気ストイキ比と水素ストイキ比が記憶されている。制御部８０は、要求トルクおよび回転数から、モータ７４に印加する電圧値を求める。以下ではこの電圧値をモータ電圧ＶＭと呼ぶ。
【００４０】
また、制御部８０の記憶部８８には、燃料電池１２の電力−電流特性（以下、Ｐ−Ｉ特性と呼ぶ）および電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）が予め記憶されている。Ｐ−Ｉ特性は燃料電池１２の出力電力ＰＦＣに対する出力電流ＩＦＣの関係を表わしたものである。一般的にＰ−Ｉ特性曲線は出力電力ＰＦＣのピーク値を有しており、ピーク値までは電流の増加に伴って電力値が増加し、ピーク値以降は電流の増加に伴って電力値が漸減する。また、Ｉ−Ｖ特性曲線は電流の増加に伴って電圧が下がる傾向を有しており、電流値が低い領域と高い領域において減少傾向が急峻となる。
【００４１】
制御部８０は、記憶部８８に記憶されたＰ−Ｉ特性に基づいて要求電力値ＰＲＥＱに対応した電流値を求める。以下ではこの電流値を指令電流値ＩＲＥＱと呼ぶ。さらに制御部８０は、記憶部８８に記憶されたＩ−Ｖ特性に基づいて指令電流値ＩＲＥＱに対応する電圧値を求める。以下この電圧値を指令電圧値ＶＲＥＱと呼ぶ。
【００４２】
さらに制御部８０は、指令電流値ＩＲＥＱに対応する酸化ガス流量を求める。以下、この酸化ガス流量を指令空気流量ＱＲＥＱと呼ぶ。制御部８０では、指令電流値ＩＲＥＱの電流を燃料電池１２から出力させる際に燃料電池１２で消費される空気流量（理論空気量）を算出するとともに、理論空気量に空気ストイキ比を掛けた値を算出し、これを指令空気流量ＱＲＥＱとしている。同様に、指令電流値ＩＲＥＱの電流を燃料電池１２から出力させる際に燃料電池１２で消費される水素ガス流量（理論水素量）を算出するとともに、理論水素量に水素ストイキ比を掛けた値を算出し、これを指令水素量としている。
【００４３】
指令空気流量ＱＲＥＱはエアコンプレッサ４６に送信され、エアコンプレッサ４６はフローメータ４８が検出する空気流量を参照しながら、燃料電池１２に供給される空気量が指令空気流量ＱＲＥＱとなるように駆動する。また、指令水素量は第１の調圧弁３３に送信され、圧力センサ３５の値を参照しながら、燃料電池１２に供給される水素流量が指令水素量となるように駆動する。
【００４４】
さらに制御部８０は、モータ電圧ＶＭと指令電圧値ＶＲＥＱの差を求め、この差からＦＣコンバータ６６に対する指令デューティ比ｄＲＥＱを求める。ＦＣコンバータ６６の昇圧率は１／（１−ｄＲＥＱ）で表わされることから、１／（１−ｄＲＥＱ）＝ＶＭ／ＶＲＥＱを解くことによりｄＲＥＱを求めることができる。制御部８０はこの演算を実行することにより指令デューティ比ｄＲＥＱを求め、当該指令デューティ比ｄＲＥＱをＦＣコンバータ６６に送信する。
【００４５】
また、制御部８０は、バッテリ６８に燃料電池１２の出力を補佐させるため、バッテリ６８の出力電圧をバッテリコンバータ７０により昇圧させる。制御部８０は、バッテリ６８の実出力電圧を電圧センサ６９により検知するとともに、モータ電圧ＶＭとバッテリの出力電圧との差に基づいてバッテリコンバータ７０のデューティ比ｄを算出する。算出されたデューティ比ｄはバッテリコンバータ７０に送信される。これにより、バッテリ６８の出力電圧はバッテリコンバータ７０によりモータ電圧ＶＭまで昇圧される。
【００４６】
燃料電池１２が記憶部８８に記憶された通りのＩ−Ｖ特性を有するのであれば、燃料電池１２の実出力電圧ＶＦＣを指令電圧値ＶＲＥＱに制御することで、図３に示すように、燃料電池１２の実出力電流値ＩＦＣは指令電流値ＩＲＥＱとなる。すなわち、燃料電池１２の動作点は動作点１（ＩＲＥＱ，ＶＲＥＱ）となる。図３においては要求電力値ＰＲＥＱの等電力曲線が一点鎖線により示されている。記憶部８８に記憶されたＩ−Ｖ特性と要求電力値ＰＲＥＱが動作点１で交わっていることから、燃料電池１２の動作点が動作点１である場合には燃料電池１２の実出力電力ＰＦＣとして要求電力値ＰＲＥＱが得られることが理解される。
【００４７】
一方、燃料電池１２の温度変化や経年劣化等により、燃料電池１２の実際のＩ−Ｖ特性が制御部８０の記憶部８８に記憶されたＩ−Ｖ特性とは異なる場合、燃料電池１２の実出力電圧ＶＦＣを指令電圧値ＶＲＥＱに制御すると、実出力電流値ＩＦＣは指令電流値ＩＲＥＱとは異なる値Ｉ０となる。すなわち、図３において燃料電池１２の動作点は動作点１とは異なる動作点２（Ｉ０，ＶＲＥＱ）となる。この結果、燃料電池１２の実出力電力値ＰＦＣは要求電力値ＰＲＥＱと異なる値となってしまう。このように実出力電力値ＰＦＣと要求電力値ＰＲＥＱとの電力差ΔＰが発生したときには、制御部８０は電力差ΔＰを解消するためのフィードバック制御を実行する。
【００４８】
燃料電池１２の実際のＩ−Ｖ特性が分かっていれば、図３に示すように実際のＩ−Ｖ特性と要求電力値ＰＲＥＱとの交点を求めることにより新たな動作点３を即座に求めることが可能であるが、制御部８０には実際のＩ−Ｖ特性が記憶されていない。そこで、制御部８０は燃料電池１２の出力電流および出力電圧を変化させることにより燃料電池１２の動作点を動作点３に徐々に近づけるフィードバック制御を行っている。
【００４９】
このフィードバック制御の制御フローを図４に示す。制御部８０は電流センサ６２から燃料電池１２の実出力電流ＩＦＣを求める（Ｓ１）。さらに制御部８０は電圧センサ６４から燃料電池１２の実出力電圧ＶＦＣを求める（Ｓ２）。続いて制御部８０は実出力電流ＩＦＣと実出力電圧ＶＦＣとの積により実出力電力ＰＦＣを求める（Ｓ３）。
【００５０】
さらに制御部８０は要求電力値ＰＲＥＱと実出力電力値ＰＦＣとの電力差ΔＰを求める（Ｓ４）。電力差ΔＰが０であればフィードバック制御は実行されない。
【００５１】
電力差ΔＰが０でない場合、電力差ΔＰを０にするフィードバック制御を行う。制御部８０は、補正電流値ΔＩを求めるために補正関数ｆ（ΔＰ）に電力差ΔＰを入力する（Ｓ６）。この補正関数ｆ（ΔＰ）について説明する。制御部８０の記憶部８８には、電力差ΔＰを入力変数とし、補正電流値ΔＩを出力変数とする補正関数が記憶されている。補正関数は例えばＰＩＤ関数から構成され、比例項、積分項、微分項が設けられている。制御部８０はこの補正関数に電力差ΔＰを入力しこれにより補正電流値ΔＩを算出する。
【００５２】
また、制御部８０は、補正電流値ΔＩを現在の指令電流値ＩＲＥＱに加算し、加算後の指令電流値ＩＲＥＱ＋ΔＩと実出力電流ＩＦＣとが一致するようにＰＩＤ制御によって指令デューティ比ｄＲＥＱを補正する（Ｓ７）。ＦＣコンバータ６６は補正後の指令デューティ比ｄＲＥＱに基づいて作動する。
【００５３】
なお、上述したように、指令デューティ比ｄＲＥＱは指令電圧値ＶＲＥＱをもとに算出していたが、デューティ比の補正を行う際には補正電流値ΔＩを基準としている。上述したように、実際の燃料電池１２のＩ−Ｖ特性が記憶部８８が記憶しているＩ−Ｖ特性とは異なる場合に、制御部８０は燃料電池１２の実際のＩ−Ｖ特性を把握していない。したがって、燃料電池１２の電圧低減量に応じた電流増加量を求めることができない。このような状況下で燃料電池１２の出力電圧をパラメータとして扱い、出力電圧を所定量低減させるようにデューティ比を操作すると、電流量が過剰に増加してＦＣコンバータ６６の許容電流を越える（過電流）おそれがある。したがって本実施形態においては過電流防止の観点から、デューティ比を補正するパラメータとして電流値を採用している。
【００５４】
なお、フィードバック制御において指令電流値ＩＲＥＱが補正され、その一方で空気流量Ｑが維持されたままであると、上述したとおりストイキ比が低下するおそれがある。そこで制御部８０はストイキ比の低下を防ぐために指令電流値ＩＲＥＱの補正に併せて指令空気流量ＱＲＥＱを補正している。
【００５５】
補正電流値ΔＩが算出されると、制御部８０は補正電流値ΔＩを出力する際に燃料電池１２において消費される空気量（理論空気量）を求め、さらに理論空気量に空気ストイキ比を掛けた値を求め、当該値を補正空気流量値ΔＱとする（Ｓ８）。このとき、補正電流値ΔＩが正の値を取れば補正空気流量値ΔＱも正の値を取り、補正電流値ΔＩが負の値を取れば補正空気流量値ΔＱも負の値を取る。
【００５６】
制御部８０は指令空気流量ＱＲＥＱと、指令空気流量ＱＲＥＱと補正空気流量ΔＱの和（ＱＲＥＱ＋ΔＱ）とを比較する（Ｓ９）。ＱＲＥＱ＋ΔＱがＱＲＥＱより大きい場合、指令空気流量ＱＲＥＱに補正流量ΔＱを加え、これをエアコンプレッサ４６に対する指令値と定める（Ｓ１０）。一方、補正空気流量ΔＱが負の値を取る場合など、ＱＲＥＱ＋ΔＱがＱＲＥＱより小さい場合、エアコンプレッサ４６に対する指令値は指令空気流量ＱＲＥＱに維持される（Ｓ１１）。ここで、指令空気流量ＱＲＥＱと、指令空気流量ＱＲＥＱと補正空気流量ΔＱの和との比較に代えて、指令電流値ＩＲＥＱと、補正後の電流値ＩＲＥＱ＋ΔＩとを比較することにより、空気流量を定めても良い。
【００５７】
ＱＲＥＱ＋ΔＱがＱＲＥＱより小さい場合、補正空気流量ΔＱによってストイキ比は低下しないことから、制御部８０は空気流量Ｑの補正を行わない。一方、補正空気流量ΔＱが正の値であれば、ストイキ比が低下するおそれがあることから、制御部８０は指定空気流量ＱＲＥＱに補正空気流量ΔＱを加える補正を行う。
【００５８】
このように本実施形態においては、燃料電池１２の出力電流の増加に伴って燃料電池１２に供給する空気量を増加させているため、空気ストイキ比は記憶部８８に設定された値を保つ。したがって燃料電池１２の出力が安定する。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、２０ 水素供給系、２２ 水素供給源、２４ 水素供給通路、２６ 水素排出通路、２８ 循環通路、３０ 循環ポンプ、３２ 第１の遮断弁、３３ 第１の調圧弁、３４ 第２の遮断弁、３５ 圧力センサ、３６ 第３の遮断弁、３７ 第４の遮断弁、４０ 空気供給系、４２ 空気供給通路、４４ 空気排出通路、４６ エアコンプレッサ、４８ フローメータ、５０ 第５の遮断弁、５２ 第６の遮断弁、５４ 第２の調圧弁、６０ 電力系、６２ 電流センサ、６４ 電圧センサ、６６ ＦＣコンバータ、６８ バッテリ、６９ 電圧センサ、７０ バッテリコンバータ、７２ インバータ、７４ モータ、７６ 補機類、８０ 制御部、８１ アクセルポジションセンサ、８２ 車速センサ、８４ 受信部、８６ 送信部、８８ 記憶部、９０ 演算部、９１ アクセルペダル。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の出力電力を制御する制御部を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の駆動源としてモータ等の電気機械が使用され、さらにこの駆動源に電力を供給する電源として燃料電池が使用されている。このような車両には燃料電池および燃料電池の発電に必要な周辺機器からなる燃料電池システムが搭載されている。
【０００３】
燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に燃料（水素ガス）を供給する水素供給系と、燃料電池に酸化ガス（空気）を供給する空気供給系を備えている。さらに燃料電池システムは、燃料電池から駆動源等に電力を送る電力系を備えている。加えて、燃料電池システムは、燃料供給系、空気供給系、電力系から種々の信号を受け取るとともに、各系に制御指令を送る制御部を備えている。
【０００４】
燃料電池の発電量は制御部により制御される。車両に設けられたアクセルペダルの開度が制御部に送信されると、制御部はこのアクセル開度に基づいて要求トルクを求める。また、車速センサから車速が制御部に送信されると、制御部は駆動源の回転数を求める。さらに要求トルクと駆動源の回転数とから燃料電池が出力すべき電力である指令電力を算出する。
【０００５】
また、制御部には燃料電池の出力電力と出力電流との関係が定められた電力−電流特性（以下、Ｐ−Ｉ特性と呼ぶ）が記憶されており、制御部はこのＰ−Ｉ特性から指令電力に対応する電流値（以下、指令電流値と呼ぶ）を求める。さらに制御部には燃料電池の出力電流と出力電圧との関係が定められた電流−電圧特性（以下、Ｉ−Ｖ特性と呼ぶ）が記憶されており、制御部はこのＩ−Ｖ特性から指令電流値に対応した電圧値（以下、指令電圧値と呼ぶ）を求める。
【０００６】
指令電流値に基づいて、燃料電池に供給される空気の供給量（以下、指令空気量と呼ぶ）が定められる。制御部では、指令電流値の電流を燃料電池から出力させる際に燃料電池で消費される空気流量（理論空気量）を算出するとともに、理論空気量にストイキ比と呼ばれるパラメータを掛けた値を算出し、これを指令空気量としている。ストイキ比とは、理論空気量に対する、実際に燃料電池に供給される空気量の過剰率を示す値であり、燃料電池の出力変動を考慮して定められる値である。
【０００７】
また、燃料電池の出力電流が指令電流値となるように制御し、出力電圧が指令電圧値となるように制御する電流・電圧制御手段としてＤＣ−ＤＣコンバータが使用される。ＤＣ−ＤＣコンバータは燃料電池と駆動源との間に接続されており、内部に設けられたスイッチング素子のオン／オフ動作によって燃料電池から出力される電流の流れが断続される。このスイッチング動作において、スイッチング素子のオン／オフ比、すなわちデューティ比に応じて燃料電池の出力電流及び出力電圧が変化する。デューティ比は制御部により定められる。制御部は燃料電池の出力電流値および出力電圧値が指令電流値および指令電圧値となるようにＤＣ−ＤＣコンバータのデューティ比を定める。
【０００８】
燃料電池の出力が上述したＩ−Ｖ特性に従うのであれば、デューティ比通りにＤＣ−ＤＣコンバータを作動させることによって出力電流値及び出力電圧値は指令電流値及び指令電圧値となる。しかし、燃料電池のＩ−Ｖ特性は燃料電池の経年劣化や温度変化等により変化することが知られており、制御部に記憶されたＩ−Ｖ特性が実際のＩ−Ｖ特性とは異なる場合がある。そうなると、デューティ比通りにＤＣ−ＤＣコンバータを作動させても、燃料電池の出力電流値および出力電圧値は指令電流値および指令電圧値とは異なってしまう。その結果、燃料電池の出力電力値は要求電力値よりも低くなる。
【０００９】
そこで従来技術においては、燃料電池の出力電力と指令電力との差異を解消するためにフィードバック制御を行っている。すなわち、燃料電池の実際の出力電力を計測し、この出力電力と指令電力との偏差を求め、偏差がある場合にはＰＩＤ関数等により指令電流値および指令電圧値を補正している。電流値及び電圧値補正後の燃料電池について再び出力電流と出力電圧を取得し、さらに出力電力を求め、当該出力電力と指令電力との差が解消されるまでフィードバック制御が継続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２４３２４８号公報
【特許文献２】特開２００４−３９４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来技術においては、指令電流値の補正時に指令空気量の補正は行われていない。例えば、従来技術における空気供給量の制御技術を開示する文献として特許文献１および２が挙げられる。特許文献１においては指令空気量と実際の空気供給量との差異を解消する手段としてＰＩＤ制御等のフィードバック制御が採用されている。また、特許文献２においては目標酸素濃度と実際の酸素濃度との偏差を解消するためにＰＩＤ制御が採用されている。これらの文献では指令空気量や目標酸素濃度に一致するように空気流量や酸素濃度を変化させる制御を開示するに留まり、指令空気量または目標酸素濃度そのものの補正については開示されていない。このように、従来技術においては指令電流値の補正に伴う指令空気量の補正は行われていない。
【００１２】
指令電流値が補正されたにも関わらず、指令空気量が維持されたままであると、上述したストイキ比の値は制御部に設定された値とは異なるものとなる。特に、指定電流値が補正により増加され、その一方で指令空気量が維持されたままであると、実際のストイキ比は制御部に設定された値よりも低くなる。その結果、燃料電池の電力出力が不安定になるおそれがあった。
【００１３】
そこで、本願発明は、指令電流値の補正制御時におけるストイキ比の低下を防ぐ燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本願発明は燃料電池システムに関するものである。燃料電池システムは、燃料及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池の出力電流と、燃料電池に供給する酸化ガスの供給量と、を変化させる制御部と、を備えている。制御部は、燃料電池に対する要求電力と、予め設定された燃料電池の電力電流特性とに基づいて、燃料電池に対する指令電流を求め、指令電流に基づいて、燃料電池に供給する酸化ガス流量を求める。また、燃料電池システムは、燃料電池の実出力電圧を測定する電圧センサと、実出力電流を測定する電流センサを備えている。制御部は、電圧センサから実出力電圧を取得し、電流センサから実出力電流を取得し、実出力電圧及び実出力電流から実出力電力を求める。制御部は、実出力電力と要求電力との差を検知したときに、差に基づいて補正電流を求め、補正電流に基づいて燃料電池の出力電流を変化させる。さらに制御部は、補正電流に基づいて補正流量を求め、補正流量に基づいて燃料電池に供給する酸化ガスの供給量を変化させる。
【発明の効果】
【００１５】
本願発明により、燃料電池の出力電流補正時におけるストイキ比の低下が防止され、燃料電池の出力が安定する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムを例示する図である。
【図２】制御部のシステム構成図である。
【図３】燃料電池の出力電流および出力電圧の補正制御を説明する図である。
【図４】燃料電池の出力電流および出力電圧の補正制御を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、本実施形態に係る燃料電池システムを示す。燃料電池システム１０は、図示しない車両に搭載されている。燃料電池システム１０は、燃料および酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池１２と、燃料としての水素ガスを燃料電池１２に供給する水素供給系２０と、酸化ガスとしての空気中の酸素を燃料電池１２に供給するための空気供給系４０を備えている。さらに、燃料電池システム１０は、電力の充放電を制御する電力系６０と、システム全体を統括制御する制御部８０とを備えている。
【００１８】
燃料電池１２は、多数の燃料電池セルを電気的に直列接続した状態で積層された固体高分子電解質膜型セルスタックとして構成されている。燃料電池１２では、燃料極（アノード）においてＨ２→２Ｈ＋＋２ｅ−で表わされる酸化反応が生じる。また、空気極（カソード）では、１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏで表わされる還元反応が生じる。したがって、燃料電池１２全体としては、Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏで表わされる化学反応が生じることになる。
【００１９】
水素供給系２０は、高圧の水素タンク等からなる水素供給源２２を備えている。さらに水素供給系２０は、水素供給源２２から燃料電池１２の燃料極に供給する水素ガスが流れる水素供給通路２４と、燃料電池１２から排出される水素オフガスが流れる水素排出通路２６と、水素排出通路２６から分岐して水素供給通路２４に接続される循環通路２８と、の３つの通路を備えている。さらに水素供給系２０は、燃料電池１２から排出された水素オフガスを循環通路２８を経由して水素供給通路２４に循環供給するための循環ポンプ３０を備えている。
【００２０】
さらに水素供給通路２４には、水素供給源２２から燃料電池１２に向かう方向に従って順に第１の遮断弁３２、第１の調圧弁３３、第２の遮断弁３４、圧力センサ３５が設けられている。遮断弁３２は水素供給源２２からの水素ガスの流出を遮断するために設けられている。また、第１の調圧弁３３は水素供給源２２からの水素ガス圧を減圧するために設けられている。また、第２の遮断弁３４は燃料電池１２への水素ガスの供給を遮断するために設けられている。また、圧力センサ３５は燃料電池１２に供給される水素ガスの圧力を検出している。
【００２１】
また、水素排出通路２６には、燃料電池１２側から順に、燃料電池１２から排出される水素オフガスを遮断する第３の遮断弁３６と、水素オフガスを排出する際に開弁される第４の遮断弁３７が設けられている。
【００２２】
空気供給系４０は、燃料電池１２の空気極に空気を供給する空気供給通路４２と、燃料電池１２から排出された空気が流れる空気排出通路４４とを備えている。空気供給通路４２には、大気中から空気を取り込む酸化ガス供給器として機能するエアコンプレッサ４６と、燃料電池１２に供給される空気流量を検出する流量検出器として機能するフローメータ４８と、燃料電池１２への空気供給を遮断するための第５の遮断弁５０が設けられている。
【００２３】
また、空気排出通路４４には、燃料電池１２からの空気の排出を遮断するための第６の遮断弁５２と、空気供給圧を調整するための第２の調圧弁５４が設けられている。
【００２４】
電力系６０は、燃料電池１２が実際に出力する電流（実出力電流）を検出する電流検出器として機能する電流センサ６２と、燃料電池１２が実際に出力する電圧（実出力電圧）を検出する電圧検出器として機能する電圧センサ６４と、燃料電池１２の実出力電流および実出力電圧を制御するＦＣコンバータ６６とが設けられている。電流センサ６２、電圧センサ６４は、燃料電池１２とＦＣコンバータ６６との間に設けられている。
【００２５】
ＦＣコンバータ６６はＤＣ−ＤＣコンバータから構成され、燃料電池１２の出力電圧および出力電流を制御する昇降圧チョッパ回路を含んで構成される。ＦＣコンバータ６６にはスイッチング素子が設けられ、スイッチング素子のオン／オフ動作はデューティ比ｄによって定められる。このデューティ比ｄによって燃料電池１２の出力電圧および出力電流が変化する。デューティ比ｄとはスイッチング素子のオン時間の割合を示すものであり、オン時間をｔＯＮ、オフ時間をｔＯＦＦ、スイッチング周期Ｔ（＝ｔＯＮ＋ｔＯＦＦ）とすると、デューティ比ｄはｔＯＮ／Ｔで表わされる。ＦＣコンバータ６６はデューティ比ｄに応じて燃料電池１２の出力電圧を昇圧する。具体的には昇圧率は１／（１−ｄ）で表わされる。このデューティ比は制御部８０にて定められ、制御部８０からＦＣコンバータ６６に送信される。
【００２６】
また、電力系６０は、バッテリ６８と、バッテリ６８の実出力電圧を測定する電圧センサ６９と、バッテリ６８の電圧を制御するバッテリコンバータ７０とを備えている。さらに電力系６０は、インバータ７２、駆動源であるモータ７４、補機類７６を備えている。図１に示されているように、燃料電池システム１０は、バッテリコンバータ７０とインバータ７２とが並列に燃料電池１２に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。
【００２７】
バッテリコンバータ７０は上述したＦＣコンバータ６６と同様にＤＣ−ＤＣコンバータから構成され、バッテリ６８の出力電圧および出力電流を制御する昇降圧チョッパ回路を含んで構成される。バッテリコンバータ７０は制御部８０からデューティ比を受信し、当該デューティ比に基づいてスイッチング素子を駆動させる。バッテリコンバータ７０は、バッテリ６８から供給される直流電圧を昇圧して燃料電池１２の出力を補佐する機能と、燃料電池１２が発電した直流電流、または回生制動によりモータ７４が回収した回生電力を降圧してバッテリ６８に充電する機能とを備えている。
【００２８】
バッテリ６８は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギーの貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ６８は、例えばリチウム二次電池等の二次電池が使用される。バッテリ６８には、充電状態（ＳＯＣ、Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）を検出するためのＳＯＣセンサ（図示せず）が設けられており、ＳＯＣセンサによってバッテリ６８の残容量を監視することができる。
【００２９】
インバータ７２は、例えばパルス幅変調（ＰＷＭ）制御方式や矩形波制御方式で駆動されるインバータであり、制御部８０からのスイッチング指令に従ってスイッチング素子がオン／オフ制御される。このオン／オフ制御によって燃料電池１２およびバッテリ６８から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ７４の回転トルクを制御する。モータ７４は例えば三相同期型の交流モータであり、車両の駆動源となる。
【００３０】
補機類７６は、燃料電池システム１０に配置されている各モータ（ポンプやブロワなどの駆動源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（冷却水循環ポンプ、ラジエータ等）を総称するものである。
【００３１】
制御部８０は、水素供給系２０、空気供給系４０、電力系６０から種々の信号を受信するとともに各系に対して制御指令を送る。また、アクセルポジションセンサ８１から出力されるアクセル開度信号や、車速センサ８２から出力される車速信号を受信し、システム全体の要求電力を求める。なお、システム全体の要求電力とは、車両走行電力と補機電力との合計値である。
【００３２】
図２に制御部８０のシステム構成図を示す。制御部８０はＥＣＵとも呼ばれ、受信部８４、送信部８６、記憶部８８、演算部９０を含んで構成される。これら各部は互いに通信（アクセス）可能となっている。
【００３３】
受信部８４は入力インターフェースとして機能し、水素供給系２０、空気供給系４０、電力系６０、アクセルポジションセンサ８１、車速センサ８２等から種々の信号を受信する。送信部８６は出力インターフェースとして機能し、演算部９０の演算結果を上述した各系およびセンサに送信する。
【００３４】
記憶部８８は、半導体メモリやハードディスク等の記憶手段を含んで構成され、燃料電池１２の電力−電流特性（以下、Ｐ−Ｉ特性と呼ぶ）、電流−電圧特性（以下、I−V特性と呼ぶ）が記憶されている。さらに記憶部８８には、燃料電池１２の出力電力ＰＦＣを要求電力値ＰＲＥＱとするための制御プログラム等が記憶されている。
【００３５】
演算部９０は、いわゆるＣＰＵを含んで構成されている。演算部９０は、受信部８４が受信した各種の値を取り込み、また、記憶部８８に記憶された制御プログラムを読み出してこれを実行することにより、燃料電池１２の出力電力値ＰＦＣが要求電力値ＰＲＥＱとなるための条件を算出する。
【００３６】
以上、燃料電池システム１０の構成について説明した。次に、燃料電池システム１０の動作について説明する。
【００３７】
アクセルペダル９１（図１）が運転者により踏み込まれた際に、そのアクセル開度がアクセルポジションセンサ８１により検知される。アクセル開度はアクセルポジションセンサ８１から制御部８０に送信される。制御部８０はアクセル開度に基づいてモータ７４に対する要求トルクを算出する。
【００３８】
さらに制御部８０は車速センサ８２から車両速度を取得し、車両速度からモータ７４の回転数を求める。制御部８０は要求トルクおよび回転数からモータ７４に供給すべき電力値を求める。次に制御部８０は、モータ７４に供給すべき電力に基づき、補機類７６に供給する電力値を算出する。このようにして燃料電池システム１０全体に供給すべき電力値が算出される。この燃料電池システム１０全体に供給すべき電力値はそのまま燃料電池１２が出力すべき電力値となる。燃料電池１２が出力すべき電力値を以下では要求電力値ＰＲＥＱと呼ぶ。
【００３９】
また、記憶部８８には、回転数、トルク、電圧の関係を示すモータ特性及び、後述する空気ストイキ比と水素ストイキ比が記憶されている。制御部８０は、要求トルクおよび回転数から、モータ７４に印加する電圧値を求める。以下ではこの電圧値をモータ電圧ＶＭと呼ぶ。
【００４０】
また、制御部８０の記憶部８８には、燃料電池１２の電力−電流特性（以下、Ｐ−Ｉ特性と呼ぶ）および電流−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）が予め記憶されている。Ｐ−Ｉ特性は燃料電池１２の出力電力ＰＦＣに対する出力電流ＩＦＣの関係を表わしたものである。一般的にＰ−Ｉ特性曲線は出力電力ＰＦＣのピーク値を有しており、ピーク値までは電流の増加に伴って電力値が増加し、ピーク値以降は電流の増加に伴って電力値が漸減する。また、Ｉ−Ｖ特性曲線は電流の増加に伴って電圧が下がる傾向を有しており、電流値が低い領域と高い領域において減少傾向が急峻となる。
【００４１】
制御部８０は、記憶部８８に記憶されたＰ−Ｉ特性に基づいて要求電力値ＰＲＥＱに対応した電流値を求める。以下ではこの電流値を指令電流値ＩＲＥＱと呼ぶ。さらに制御部８０は、記憶部８８に記憶されたＩ−Ｖ特性に基づいて指令電流値ＩＲＥＱに対応する電圧値を求める。以下この電圧値を指令電圧値ＶＲＥＱと呼ぶ。
【００４２】
さらに制御部８０は、指令電流値ＩＲＥＱに対応する酸化ガス流量を求める。以下、この酸化ガス流量を指令空気流量ＱＲＥＱと呼ぶ。制御部８０では、指令電流値ＩＲＥＱの電流を燃料電池１２から出力させる際に燃料電池１２で消費される空気流量（理論空気量）を算出するとともに、理論空気量に空気ストイキ比を掛けた値を算出し、これを指令空気流量ＱＲＥＱとしている。同様に、指令電流値ＩＲＥＱの電流を燃料電池１２から出力させる際に燃料電池１２で消費される水素ガス流量（理論水素量）を算出するとともに、理論水素量に水素ストイキ比を掛けた値を算出し、これを指令水素量としている。
【００４３】
指令空気流量ＱＲＥＱはエアコンプレッサ４６に送信され、エアコンプレッサ４６はフローメータ４８が検出する空気流量を参照しながら、燃料電池１２に供給される空気量が指令空気流量ＱＲＥＱとなるように駆動する。また、指令水素量は第１の調圧弁３３に送信され、圧力センサ３５の値を参照しながら、燃料電池１２に供給される水素流量が指令水素量となるように駆動する。
【００４４】
さらに制御部８０は、モータ電圧ＶＭと指令電圧値ＶＲＥＱの差を求め、この差からＦＣコンバータ６６に対する指令デューティ比ｄＲＥＱを求める。ＦＣコンバータ６６の昇圧率は１／（１−ｄＲＥＱ）で表わされることから、１／（１−ｄＲＥＱ）＝ＶＭ／ＶＲＥＱを解くことによりｄＲＥＱを求めることができる。制御部８０はこの演算を実行することにより指令デューティ比ｄＲＥＱを求め、当該指令デューティ比ｄＲＥＱをＦＣコンバータ６６に送信する。
【００４５】
また、制御部８０は、バッテリ６８に燃料電池１２の出力を補佐させるため、バッテリ６８の出力電圧をバッテリコンバータ７０により昇圧させる。制御部８０は、バッテリ６８の実出力電圧を電圧センサ６９により検知するとともに、モータ電圧ＶＭとバッテリの出力電圧との差に基づいてバッテリコンバータ７０のデューティ比ｄを算出する。算出されたデューティ比ｄはバッテリコンバータ７０に送信される。これにより、バッテリ６８の出力電圧はバッテリコンバータ７０によりモータ電圧ＶＭまで昇圧される。
【００４６】
燃料電池１２が記憶部８８に記憶された通りのＩ−Ｖ特性を有するのであれば、燃料電池１２の実出力電圧ＶＦＣを指令電圧値ＶＲＥＱに制御することで、図３に示すように、燃料電池１２の実出力電流値ＩＦＣは指令電流値ＩＲＥＱとなる。すなわち、燃料電池１２の動作点は動作点１（ＩＲＥＱ，ＶＲＥＱ）となる。図３においては要求電力値ＰＲＥＱの等電力曲線が一点鎖線により示されている。記憶部８８に記憶されたＩ−Ｖ特性と要求電力値ＰＲＥＱが動作点１で交わっていることから、燃料電池１２の動作点が動作点１である場合には燃料電池１２の実出力電力ＰＦＣとして要求電力値ＰＲＥＱが得られることが理解される。
【００４７】
一方、燃料電池１２の温度変化や経年劣化等により、燃料電池１２の実際のＩ−Ｖ特性が制御部８０の記憶部８８に記憶されたＩ−Ｖ特性とは異なる場合、燃料電池１２の実出力電圧ＶＦＣを指令電圧値ＶＲＥＱに制御すると、実出力電流値ＩＦＣは指令電流値ＩＲＥＱとは異なる値Ｉ０となる。すなわち、図３において燃料電池１２の動作点は動作点１とは異なる動作点２（Ｉ０，ＶＲＥＱ）となる。この結果、燃料電池１２の実出力電力値ＰＦＣは要求電力値ＰＲＥＱと異なる値となってしまう。このように実出力電力値ＰＦＣと要求電力値ＰＲＥＱとの電力差ΔＰが発生したときには、制御部８０は電力差ΔＰを解消するためのフィードバック制御を実行する。
【００４８】
燃料電池１２の実際のＩ−Ｖ特性が分かっていれば、図３に示すように実際のＩ−Ｖ特性と要求電力値ＰＲＥＱとの交点を求めることにより新たな動作点３を即座に求めることが可能であるが、制御部８０には実際のＩ−Ｖ特性が記憶されていない。そこで、制御部８０は燃料電池１２の出力電流および出力電圧を変化させることにより燃料電池１２の動作点を動作点３に徐々に近づけるフィードバック制御を行っている。
【００４９】
このフィードバック制御の制御フローを図４に示す。制御部８０は電流センサ６２から燃料電池１２の実出力電流ＩＦＣを求める（Ｓ１）。さらに制御部８０は電圧センサ６４から燃料電池１２の実出力電圧ＶＦＣを求める（Ｓ２）。続いて制御部８０は実出力電流ＩＦＣと実出力電圧ＶＦＣとの積により実出力電力ＰＦＣを求める（Ｓ３）。
【００５０】
さらに制御部８０は要求電力値ＰＲＥＱと実出力電力値ＰＦＣとの電力差ΔＰを求める（Ｓ４）。電力差ΔＰが０であればフィードバック制御は実行されない。
【００５１】
電力差ΔＰが０でない場合、電力差ΔＰを０にするフィードバック制御を行う。制御部８０は、補正電流値ΔＩを求めるために補正関数ｆ（ΔＰ）に電力差ΔＰを入力する（Ｓ６）。この補正関数ｆ（ΔＰ）について説明する。制御部８０の記憶部８８には、電力差ΔＰを入力変数とし、補正電流値ΔＩを出力変数とする補正関数が記憶されている。補正関数は例えばＰＩＤ関数から構成され、比例項、積分項、微分項が設けられている。制御部８０はこの補正関数に電力差ΔＰを入力しこれにより補正電流値ΔＩを算出する。
【００５２】
また、制御部８０は、補正電流値ΔＩを現在の指令電流値ＩＲＥＱに加算し、加算後の指令電流値ＩＲＥＱ＋ΔＩと実出力電流ＩＦＣとが一致するようにＰＩＤ制御によって指令デューティ比ｄＲＥＱを補正する（Ｓ７）。ＦＣコンバータ６６は補正後の指令デューティ比ｄＲＥＱに基づいて作動する。
【００５３】
なお、上述したように、指令デューティ比ｄＲＥＱは指令電圧値ＶＲＥＱをもとに算出していたが、デューティ比の補正を行う際には補正電流値ΔＩを基準としている。上述したように、実際の燃料電池１２のＩ−Ｖ特性が記憶部８８が記憶しているＩ−Ｖ特性とは異なる場合に、制御部８０は燃料電池１２の実際のＩ−Ｖ特性を把握していない。したがって、燃料電池１２の電圧低減量に応じた電流増加量を求めることができない。このような状況下で燃料電池１２の出力電圧をパラメータとして扱い、出力電圧を所定量低減させるようにデューティ比を操作すると、電流量が過剰に増加してＦＣコンバータ６６の許容電流を越える（過電流）おそれがある。したがって本実施形態においては過電流防止の観点から、デューティ比を補正するパラメータとして電流値を採用している。
【００５４】
なお、フィードバック制御において指令電流値ＩＲＥＱが補正され、その一方で空気流量Ｑが維持されたままであると、上述したとおりストイキ比が低下するおそれがある。そこで制御部８０はストイキ比の低下を防ぐために指令電流値ＩＲＥＱの補正に併せて指令空気流量ＱＲＥＱを補正している。
【００５５】
補正電流値ΔＩが算出されると、制御部８０は補正電流値ΔＩを出力する際に燃料電池１２において消費される空気量（理論空気量）を求め、さらに理論空気量に空気ストイキ比を掛けた値を求め、当該値を補正空気流量値ΔＱとする（Ｓ８）。このとき、補正電流値ΔＩが正の値を取れば補正空気流量値ΔＱも正の値を取り、補正電流値ΔＩが負の値を取れば補正空気流量値ΔＱも負の値を取る。
【００５６】
制御部８０は指令空気流量ＱＲＥＱと、指令空気流量ＱＲＥＱと補正空気流量ΔＱの和（ＱＲＥＱ＋ΔＱ）とを比較する（Ｓ９）。ＱＲＥＱ＋ΔＱがＱＲＥＱより大きい場合、指令空気流量ＱＲＥＱに補正流量ΔＱを加え、これをエアコンプレッサ４６に対する指令値と定める（Ｓ１０）。一方、補正空気流量ΔＱが負の値を取る場合など、ＱＲＥＱ＋ΔＱがＱＲＥＱより小さい場合、エアコンプレッサ４６に対する指令値は指令空気流量ＱＲＥＱに維持される（Ｓ１１）。ここで、指令空気流量ＱＲＥＱと、指令空気流量ＱＲＥＱと補正空気流量ΔＱの和との比較に代えて、指令電流値ＩＲＥＱと、補正後の電流値ＩＲＥＱ＋ΔＩとを比較することにより、空気流量を定めても良い。
【００５７】
ＱＲＥＱ＋ΔＱがＱＲＥＱより小さい場合、補正空気流量ΔＱによってストイキ比は低下しないことから、制御部８０は空気流量Ｑの補正を行わない。一方、補正空気流量ΔＱが正の値であれば、ストイキ比が低下するおそれがあることから、制御部８０は指定空気流量ＱＲＥＱに補正空気流量ΔＱを加える補正を行う。
【００５８】
このように本実施形態においては、燃料電池１２の出力電流の増加に伴って燃料電池１２に供給する空気量を増加させているため、空気ストイキ比は記憶部８８に設定された値を保つ。したがって燃料電池１２の出力が安定する。
【符号の説明】
【００５９】
１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、２０ 水素供給系、２２ 水素供給源、２４ 水素供給通路、２６ 水素排出通路、２８ 循環通路、３０ 循環ポンプ、３２ 第１の遮断弁、３３ 第１の調圧弁、３４ 第２の遮断弁、３５ 圧力センサ、３６ 第３の遮断弁、３７ 第４の遮断弁、４０ 空気供給系、４２ 空気供給通路、４４ 空気排出通路、４６ エアコンプレッサ、４８ フローメータ、５０ 第５の遮断弁、５２ 第６の遮断弁、５４ 第２の調圧弁、６０ 電力系、６２ 電流センサ、６４ 電圧センサ、６６ ＦＣコンバータ、６８ バッテリ、６９ 電圧センサ、７０ バッテリコンバータ、７２ インバータ、７４ モータ、７６ 補機類、８０ 制御部、８１ アクセルポジションセンサ、８２ 車速センサ、８４ 受信部、８６ 送信部、８８ 記憶部、９０ 演算部、９１ アクセルペダル。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流と、前記燃料電池に供給する酸化ガスの供給量と、を変化させる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池に対する要求電力と、予め設定された前記燃料電池の電力電流特性とに基づいて、燃料電池に対する指令電流を求め、
前記指令電流に基づいて、前記燃料電池に供給する酸化ガス流量を求める、
燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の実出力電圧を測定する電圧センサと、実出力電流を測定する電流センサを備え、
前記制御部は、
前記電圧センサから前記実出力電圧を取得し、前記電流センサから前記実出力電流を取得し、前記実出力電圧及び実出力電流から実出力電力を求め、
前記実出力電力と前記要求電力との差を検知したときに、前記差に基づいて補正電流を求め、前記補正電流に基づいて前記燃料電池の出力電流を変化させ、
前記補正電流に基づいて補正流量を求め、前記補正流量に基づいて前記燃料電池に供給する酸化ガスの供給量を変化させる、
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項１】
燃料及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電流と、前記燃料電池に供給する酸化ガスの供給量と、を変化させる制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池に対する要求電力と、予め設定された前記燃料電池の電力電流特性とに基づいて、燃料電池に対する指令電流を求め、
前記指令電流に基づいて、前記燃料電池に供給する酸化ガス流量を求める、
燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムは、前記燃料電池の実出力電圧を測定する電圧センサと、実出力電流を測定する電流センサを備え、
前記制御部は、
前記電圧センサから前記実出力電圧を取得し、前記電流センサから前記実出力電流を取得し、前記実出力電圧及び実出力電流から実出力電力を求め、
前記実出力電力と前記要求電力との差を検知したときに、前記差に基づいて補正電流を求め、前記補正電流に基づいて前記燃料電池の出力電流を変化させ、
前記補正電流に基づいて補正流量を求め、前記補正流量に基づいて前記燃料電池に供給する酸化ガスの供給量を変化させる、
ことを特徴とする、燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２１０５１２（Ｐ２０１１−２１０５１２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−７６６３４（Ｐ２０１０−７６６３４）
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３０日（２０１０．３．３０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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