JP5309578B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、水分の凍結する氷点下の温度から起動される固体高分子燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池を水の凍結温度以下の温度から起動させる方法として、燃料電池に発電させることによって解凍する際の時間に対する発電電力の挙動を記憶し、その記憶値に基づき、次回起動時の制御を行う方法がある（例えば、特許文献１）。
特開２００２−８３６０６号公報（第５頁、図８）

しかしながら氷点下からの燃料電池システムの起動時には、燃料電池本体及びガス供給系の凍結状態、前回停止してからの放置状態、風速、外気温度、燃料電池の電池特性の個体バラツキおよび経時劣化等により、発電させて解凍させる際の時間に対する発電電力の挙動は当然変動する。

このため、従来技術のような前回起動時の記憶値に基づいて起動時の制御を行うと、目標発電電力と実際に発電可能な電力との乖離が大きくなり、起動中に発電停止したり、燃料電池の信頼性を低下させるという問題点があった。

上記問題点を解決するために、本発明は、燃料電池を水の凍結温度以下の状態から、前記燃料電池を発電させることで解凍させる燃料電池システムにおいて、前記燃料電池に空気を供給する補機としての空気供給装置と、前記燃料電池の余剰電力で充電されると共に、前記燃料電池の不足電力を補う２次電池と、前記２次電池の充電可能電力及び放電可能電力を判断する充放電能力判断手段と、前記燃料電池で発電可能である上限発電電力及び下限発電電力を算出する上下限発電電力演算手段と、前記燃料電池システムの補機の消費電力と前記２次電池の目標充電電力とを加算した値を１次遅れフィルタに通した値を目標発電電力として設定し、前記燃料電池の発電電力をフィードバック制御する発電電力制御手段と、前記補機の消費電力を調整する補機消費電力調整手段と、を備え、前記上下限発電電力演算手段は、前記上限発電電力を前記補機の消費電力と前記２次電池の充電可能電力とを加算して算出し、前記下限発電電力を前記補機の消費電力から前記２次電池の放電可能電力を減じて算出し、前記補機消費電力調整手段は、前記燃料電池の発電電流に対して必要な空気流量及び空気圧力の範囲内で、空気流量増減に対して空気圧力増減を優先するように前記空気供給装置を制御することにより、前記補機消費電力を調整し、前記発電電力制御手段は、前記２次電池の電圧が所定電圧より小さい場合は、前記目標発電電力を、前記上限発電電力と前記補機の消費電力の範囲内の値とし、前記２次電池の電圧が所定電圧以上の場合は、前記目標発電電力を、前記補機消費電力と前記下限発電電力の範囲内の値とし、前記燃料電池の発電電力を前記補機または前記補機及び前記２次電池に吸収させることにより、燃料電池を解凍させることを要旨とする燃料電池システムの制御装置である。

本発明によれば、燃料電池に空気を供給する補機としての空気供給装置と、補機の消費電力を調整する補機消費電力調整手段とを備え、補機消費電力調整手段は、燃料電池の発電電流に対して必要な空気流量及び空気圧力の範囲内で、空気流量増減に対して空気圧力増減を優先するように空気供給装置を制御することにより、補機消費電力を調整しているので、空気供給装置の音響振動の変化が少なく、燃料電池システムの使用者に違和感を与えることがないという効果がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る燃料電池システムの制御装置が適用される燃料電池システムの構成例を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されて電気化学反応により発電する燃料電池（燃料電池本体、燃料電池スタックとも呼ばれる）２と、燃料電池システム１の全体を制御するコントローラ（制御装置）３と、水素ガスを貯蔵する水素タンク４と、水素タンク４から供給される水素ガスの圧力を調整する水素圧力制御弁５と、水素タンク４から供給された水素ガスと、水素循環ポンプ６によって再循環してきた水素ガスとを混合し、燃料電池で消費されなかった水素ガスを再循環させる水素循環流路７と、燃料電池における反応で使用されない不純物を排出する水素パージ弁８と、水素タンク４内の温度を検出するタンク温度センサ９と、水素タンク４内の圧力を検出するタンク圧力センサ１０と、燃料電池２のアノード入口における水素圧力を検出する水素入口圧力センサ１１と、大気圧力を検出する大気圧力センサ１２と、空気を加圧して燃料電池２のカソードに供給するコンプレッサ１３と、コンプレッサ１３から供給される空気の流量を検出する空気流量センサ１４と、燃料電池のカソード入口における空気圧力を検出する空気入口圧力センサ１５と、燃料電池における空気の圧力を制御する空気圧力制御弁１６と、燃料電池２を冷却するための冷却液を循環させる冷却液循環ポンプ１７と、燃料電池から排出された冷却液温度を検出する冷却液温度センサ１８と、循環する冷却液を放熱させて冷却する熱交換器１９と、冷却液が低温では循環ライン２０に流れるように内蔵サーモスタットにより流路を切り替える三方弁２１と、循環ラインの冷却液を加熱する電気ヒータ２２と、燃料電池２によって発電される電力を制御する電力制御装置２３と、２次電池２４と、２次電池内部の温度を検出する温度センサ２５とを備えている。

燃料電池２には、アノードに燃料ガスである水素ガスが供給され、カソードに酸化剤ガスである空気が供給されて以下に示す電気化学反応によって発電が行われている。

［アノード（燃料極）］ ：Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- （化１）
［カソード（酸化剤極）］：２Ｈ⁺ ＋ ２ｅ^- ＋ (1/2)Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ （化２）
また、燃料電池２のアノードに水素を供給する水素供給系では、水素タンク４に水素が貯蔵されており、この水素タンク４内の温度及び圧力はそれぞれタンク温度センサ９とタンク圧力センサ１０によって測定される。そして、水素タンク４から供給された高圧の水素ガスは水素圧力制御弁５によって圧力が制御されて燃料電池２に供給される。

燃料電池２から排出された未反応の水素は、水素循環ポンプ６及び水素循環流路７により水素圧力制御弁５の下流へ循環される。この循環された水素は、水素圧力制御弁５によって圧力調整された水素と混合され、混合された水素が燃料電池２に供給される。

燃料電池２のアノード入口における水素の圧力は、水素入口圧力センサ１１によって検出され、コントローラ３に送信される。そして、水素入口圧力センサ１１で測定された圧力に基づいて水素圧力制御弁５の制御が行われる。また、燃料電池２から排出された水素は、通常、水素パージ弁８を閉じておくことにより水素循環流路７へ流れるようになっている。ただし、燃料電池２内に水溢れ（フラッディング）等が発生した場合や、燃料電池２の水素循環系に窒素などの不純物ガスの蓄積懸念がある場合、もしくは、燃料電池２の運転圧を低下させる場合などには、水素パージ弁８は開放されて水素循環流路７及び燃料電池２内に存在する水素は排出される。

ここで、燃料電池２の運転圧力は可変圧である。即ち、燃料電池２から取り出される出力や温度によって燃料電池２へ供給する空気圧力及び水素圧力を適切に設定している。一方、酸化剤ガスである空気を供給する空気供給系では、コンプレッサ１３が外気から空気を吸入し、吸入した空気を加圧して送出している。送出された空気は空気流量センサ１４で計量された後に空気供給流路へ送られ、燃料電池２のカソードへ供給されている。このとき、燃料電池２のカソード入口における空気の圧力を空気入口圧力センサ１５によって検出し、検出された圧力に基づいて空気圧力制御弁１６の開度をコントローラ３が制御している。

また、燃料電池２を冷却する冷却系では、燃料電池２を冷却するための冷却液が冷却液循環ポンプ１７によって循環されており、燃料電池２の熱を吸収して暖められた冷却液は冷却液温度センサ１８によって温度が計測された後に熱交換器１９へ送られ、熱交換器１９で放熱して冷却されている。さらに、冷却液温度が所定温度以下ではサーモスタットを具備する三方弁２１が冷却液流路を循環ライン２０に切り換える機構を備え、コントローラ３によって電気ヒータ２２の出力を可変で制御することによって、冷却液を温める。さらに、燃料電池２の発電電流、発電電圧は電力制御装置２３内部にある電流センサ、電圧センサにて検出されてコントローラ３に出力されている。さらに、２次電池２４の電流、電圧においても、電力制御装置２３内部にある電流センサ、電圧センサにて検出されてコントローラ３に出力されている。また、２次電池内部の温度についても、温度センサ２５にて検出されてコントローラ３に出力されている。

また、燃料電池２から取り出される発電電力は、電力制御装置２３によって制御される。この電力制御装置２３は昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池２とモータなどの外部負荷との間に配置されて燃料電池２の発電電力を制御している。このＤＣ／ＤＣコンバータでは、昇圧変換と降圧変換のときにはそれぞれ動作させるスイッチング素子が異なっており、スイッチング素子へ加える制御信号のデューティ比に応じて所望の電圧を出力させることができる。したがって、昇圧時には入力電圧以上の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御され、降圧時には入力電圧以下の電圧を出力するようにスイッチング素子が制御されている。

また、コンプレッサ１３、水素循環ポンプ６、電気ヒータ２２、冷却液循環ポンプ１７を含む燃料電池２の補機については、２次電池２４から電源が供給されている構成とする。また、コントローラ３は上述したすべてのセンサからの出力を受信し、コンプレッサ１３や水素パージ弁８などを駆動するアクチュエータに対して駆動信号を出力している。さらに、コントローラ３は燃料電池システム１に対して以下に示す発電制御処理を実施している。

次に図２を参照して、コントローラ３（燃料電池システムの制御装置）の要部構成について説明する。コントローラ３は、補機消費電力パラメータから補機消費電力を演算する補機消費電力演算部３０と、２次電池２４の状態パラメータから２次電池の充放電能力を演算する２次電池充放電能力演算部３１と、補機消費電力と２次電池充放電能力とに基づいて、燃料電池２にて発電可能な上限発電電力及び下限発電電力を算出する上下限発電電力演算部３２と、燃料電池２の発電電流及び発電電圧である燃料電池スタックパラメータに基づいて燃料電池２が発電している電力を実発電電力として算出する実発電電力演算部３４と、上限発電電力と下限発電電力との範囲内で燃料電池２を解凍させるための発電電力を制御する発電電力制御部３５と、上限発電電力と下限発電電力との範囲内に実発電電力を収めるように燃料電池２の補機消費電力を調整する補機消費電力調整部３６とを備えている。

上記構成の本発明によれば、上限発電電力と下限発電電力の範囲内に設定した目標発電電力を燃料電池に発電させて、この発電電力を電力吸収手段に吸収させることにより、凍結温度以下での燃料電池特性が不確定な状態においても、上限発電電力、下限発電電力の範囲内での発電を実現することが可能となり、確実に燃料電池を解凍させ燃料電池システムを起動させることができるという効果がある。

補機消費電力演算部３０へ入力する補機消費電力パラメータは、電気ヒータ２２、コンプレッサ１３、水素循環ポンプ６、冷却液ポンプ１７などの燃料電池の補機の電圧及び消費電流、或いは、回転速度やトルク等である。これらの補機は、例えば、それぞれに供給される電圧と、それぞれが消費する電流を検出するセンサを内蔵し、検出された電圧値及び消費電流値をコントローラ３へ送信している。尚、電圧センサ及び電流センサに代えて、回転速度及びトルクを検出するセンサを備えていてもよい。

補機消費電力パラメータとして、回転速度及びトルクが補機消費電力演算部３０へ入力される場合には、補機消費電力演算部３０は、回転速度及びトルクから補機消費電力を計算する計算式或いは計算マップを備えているものとする。この計算式或いは計算マップは、予めそれぞれの補機について、利用範囲の回転速度及びトルクについて消費電力を測定し、測定結果から計算式或いは計算マップを作成して、補機消費電力演算部３０に保持しておくものとする。

２次電池２４の温度は温度センサ２５で検出されて、２次電池状態パラメータとして、コントローラ３の２次電池充放電能力演算部３１へ入力されている。また電力制御装置２３が検出する２次電池２４の電圧及び電流は、２次電池状態パラメータとして、コントローラ３の２次電池充放電能力演算部３１へ入力されている。

燃料電池２の発電電圧及び発電電流は、電力制御装置２３で検出され、これらの検出値は、燃料電池スタックパラメータとしてコントローラ３の実発電電力演算部３４へ入力している。

これら各部からなるコントローラ３は、例えば中央演算ユニット（ＣＰＵ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、及び入出力インターフェース（Ｉ／Ｏインターフェース）を有するマイクロコンピュータによって構成することができる。

次に図３のフローチャートを参照して、本実施形態のコントローラ３による制御処理を説明する。ただし、このフローチャートは所定時間周期（例えば１０ｍｓｅｃ周期）で実行されている。

図３に示すように、まずステップＳ３０１において、燃料電池２が凍結温度以下の状態か否かを判定し、ステップＳ３０２において、燃料電池２が凍結か否かを判別する凍結フラグが１の場合は、ステップＳ３０３において、燃料電池２を発電することで解凍させるオペレーションを実施する。一方、凍結フラグが０の場合は、ステップＳ３０４において、燃料電池２が解凍したと判断し、燃料電池２の通常発電を実施し、制御処理を終了する。

次に上述したステップＳ３０１〜Ｓ３０４の各ステップにおいて実施される処理の詳細について説明する。まず、ステップＳ３０１における燃料電池凍結判定を図４のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ４０１において、燃料電池２の温度を検出する。例えば、冷却液温度センサ１８にて温度を検出し、実験、および、シミュレーション結果などより決定した、燃料電池と冷却液温度センサ１８との位置誤差、および、冷却液温度センサ１８自体の誤差分を、冷却液温度センサ１８に対して加味した温度を燃料電池２の温度として決定する。

次にステップＳ４０２において、Ｓ４０１で求めた燃料電池２の温度と、凍結温度閾値を比較し、燃料電池２の温度が、凍結温度閾値より小さければ、燃料電池２が凍結している可能性があると判断し、Ｓ４０３にて、凍結フラグに１を代入する。一方、燃料電池２の温度が、凍結温度閾値以上ならば、燃料電池２が凍結していないと判断し、Ｓ４０４にて、凍結フラグに０を代入し、燃料電池凍結判定の処理を終了する。

次に、ステップＳ３０３における燃料電池解凍発電を図５のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ５０１において、補機消費電力パラメータを検出する。ここでは、燃料電池２の各補機の電流、電圧であり、ポンプやコンプレッサなどであれば、回転数や、トルクなどで代用しても良い。次に、ステップＳ５０２において、２次電池状態パラメータを検出する。ここでは、２次電池２４の電流、電圧、温度である。

次いで、ステップＳ５０３では、ステップＳ５０１で検出した補機消費電力パラメータに基づいて実補機消費電力の算出を行う。ここでは、補機の電流、電圧を補機消費電力パラメータとして検出できるものは、電流、電圧を乗じて、補機消費電力を算出する。また、電流、電圧を直接検出できないものは、例えば、ポンプ、コンプレッサにおいて、回転数、トルクを検出できる場合は、回転数、トルクを乗じ、加えて、モータ・インバータ間の損失電力を無視できないものは、図７のような、回転数とトルクを入力とした３次元マップを用いて損失電力を出力して、回転数、トルクを乗じた消費電力に加味してもよい。損失電力の３次元マップは、出荷検査時などに予め損失電力を計測することで値を求める。そして、各補機の消費電力の総和を、実補機消費電力として算出する。

次いで、ステップＳ５０４では、ステップＳ５０２で検出した２次電池状態パラメータに基づいて２次電池２４の充放電能力の演算を行う。ここでは、ステップＳ５０２で検出した２次電池状態パラメータを用いて、２次電池に充放電させてもよい電力を演算するステップである。例えば、図８、図９のような２次電池２４の電圧と温度を入力とした３次元マップを用いて、２次電池が充電可能な電力、放電可能な電力を検索して求める。図８、図９の３次元マップは、出荷検査時などに予め充放電可能な電力を計測することで値を求める。また、ここでは２次電池２４の電圧、電流を乗じて算出した実充放電電力に基づいて、図８、図９の出力を補正する構成を追加してもよい。

次に、ステップＳ５０５において、ステップＳ５０３で演算した補機消費電力、および、ステップＳ５０４で演算した２次電池充放電能力に基づき、燃料電池２で発電可能な上限発電電力及び下限発電電力の算出を行う。次に、ステップＳ５０６において、燃料電池状態パラメータを検出する。この燃料電池状態パラメータは、燃料電池２の発電状態を表すパラメータであり、例えば、燃料電池２の実発電電流及び実発電電圧である。また、燃料電池状態パラメータとして燃料電池２のセル毎の電圧値を追加で検出してもよい。

次に、ステップＳ５０７において、ステップＳ５０５で求めた上限発電電力、下限発電電力、ステップＳ５０３で求めた補機消費電力に基づき、燃料電池２を発電することで解凍させる際の目標発電電力の算出を行う。次に、ステップＳ５０８において、ステップＳ５０７で求めた目標発電電力に基づいて燃料電池２の発電制御を行う。次にステップＳ５０９にて、ステップＳ５０５で求めた上限発電電力、下限発電電力、ステップＳ５０７で求めた目標発電電力、Ｓ５０８で発電制御した結果の実発電電力の値に基づいて、上限発電電力と下限発電電力との範囲内に確実に実発電電力が入るように補機消費電力を調整する。

次に、ステップＳ５０５における燃料電池２で発電可能な上限発電電力、下限発電電力を算出する上下限発電電力演算を図６のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ６０１において、燃料電池２を発電して解凍させる際の上限発電電力の算出を行う。ここでは、ステップＳ５０３で算出した補機消費電力に、ステップＳ５０４で算出した２次電池充電可能電力を加算したものを上限発電電力とする。ここでは、補機消費電力を算出する際のセンサノイズ、過渡的な値の変動を考慮して、低域通過フィルタを透過した値、もしくは、固定値を減算した値を上限発電電力としてもよい。

次に、ステップＳ６０２において、燃料電池２を発電して解凍させる際の下限発電電力の算出を行う。ここでは、ステップＳ５０３で算出した補機消費電力から、ステップＳ５０４で算出した２次電池２４の放電可能電力を減算したものを下限発電電力とする。ここでは、補機消費電力を算出する際のセンサノイズ、過渡的な値の変動を考慮して、低域通過フィルタを透過した値、もしくは、固定値を加算した値を下限発電電力としてもよい。

次に、ステップＳ５０７における燃料電池２で発電することで解凍を実施する際の目標発電電力を算出する目標発電電力演算を図１０のフローチャートに基づいて説明する。まず、ステップＳ１００１において、目標充電電力を０にリセットする。次に、ステップＳ１００２において、後述する目標充電電力の算出、および、目標発電電力を算出する際の１次遅れフィルタのカットオフ周波数を決定する変数である中間変数１を、ステップＳ５０３にて算出した上限発電電力に対して補機消費電力を減算することで算出する。ここで、上限発電電力は、Ｓ６０１で補機消費電力と２次電池充電能力との和として計算されている場合には、中間変数１は、２次電池充電能力そのものとなる。

次に、ステップ１００３において、後述する目標発電電力を算出する際の１次遅れフィルタのカットオフ周波数を決定する変数である中間変数２を、ステップＳ５０３にて算出した補機消費電力に対して下限発電電力を減算することで算出する。ここで、下限発電電力は、Ｓ６０２で補機消費電力から２次電池放電能力を減じたものとして計算されている場合には、中間変数２は、２次電池放電能力そのものとなる。

次に、ステップＳ１００４において、ステップＳ５０２にて検出した２次電池電圧が２次電池電圧閾値以下かどうか判定する。ここで、２次電池電圧閾値は、燃料電池システム１を正常に動作できる２次電池電圧の上限値以下の値を設定する。或いは２次電池電圧閾値は、２次電池２４の充電完了判断電圧としてもよい。２次電池電圧が２次電池電圧閾値以下であれば、ステップＳ１００５に遷移し、そうでなければ、ステップＳ１００７に遷移する。

次に、ステップＳ１００５にて、後述する目標充電電力を決定する補正係数１を算出する。ここでは、図１１のようなステップ５０２で検出した２次電池電圧を入力とする２次元マップを用いて、補正係数１を出力する。図１１の補正係数１の２次元マップの設定方法として、２次電池電圧が２次電池電圧閾値に近づけば近づくほど、上限値を１以下として０にしていくような設定とする。

図１１に示した補正係数１は、２次電池２４の電圧が所定値より低い間は補正係数の値が１となり基本充電電電力で２次電池２４を充電し、２次電池２４の電圧と２次電池電圧閾値との差が所定値に達したときに、以後の目標充電電力を２次電池電圧と２次電池電圧閾値との差が小さいほど目標充電電力を直線的に小さくする通常の充電方法である。２次電池電圧閾値及び所定値は、使用する２次電池の特性に合わせて２次電池供給元から提供される値を使用するのが好ましい。また、２次電池２４の温度により補正係数１を修正してもよい。

次に、ステップＳ１００６にて、２次電池２４に充電させる目標充電電力を、ステップＳ１００１で算出した中間変数１と、ステップＳ１００５で算出した補正係数１を乗算することにより算出する。

次に、ステップＳ１００７において、後述する目標発電電力を算出する際の１次遅れフィルタのカットオフ周波数を決定する変数である中間変数３を、ステップＳ１００１、Ｓ１００２で算出した中間変数１、中間変数２の値の最小値として算出する。

次に、ステップＳ１００８において、後述する目標発電電力を決定する中間変数４を、ステップＳ５０３で算出した補機消費電力と、ステップＳ１００６で算出した目標充電電力を加算することで求める。このように２次電池電圧が２次電池電圧閾値より低い場合には、目標発電電力を補機消費電力と目標充電電力との和としているので、２次電池電圧を回復させながら、短時間で燃料電池２の解凍を行うことができるという効果がある。

次に、ステップＳ１００９において、後述する目標発電電力を算出する際の１次遅れフィルタのカットオフ周波数を決定する。ここでは、図１２のようにステップＳ１００３で算出した中間変数３を入力とする２次元マップを用いて、１次遅れフィルタのカットオフ周波数を出力する。ここでは中間変数３が小さいほど、カットオフ周波数を低い値となるように設定する。すなわち、上限発電電力、下限発電電力いずれか一方に対して、補機消費電力との偏差の絶対値が小さいほど、目標発電電力の応答が遅くなるように１次遅れフィルタのカットオフ周波数を決定する。

このような目標発電電力の応答特性の設定により、補機消費電力が上限発電電力又は下限発電電力に近づいて、２次電池２４の充放電能力による偏差電力の吸収幅が小さく、変動吸収が困難になる場合には、目標発電電力の応答が遅くなっているので、実発電電力を容易に目標発電電力に追従させ、実発電電力が上限発電電力及び下限発電電力の範囲を超えることを回避することができるという効果がある。

次に、ステップＳ１０１０において、ステップＳ１００９にて算出したカットオフ周波数に応じたフィルタ係数にて構成される１次遅れフィルタを中間変数４に作用させて、目標発電電力を出力する。ここでは、ステップＳ１００９、ステップＳ１０１０において１次遅れとして例を挙げたが、２次遅れフィルタ、移動平均フィルタなどのバンド幅を、中間変数４に応じて可変とする低域通過フィルタを用いてもよい。

次に、ステップＳ５０６における発電制御を図１３の制御ブロック図を用いて説明する。まず、演算器１３０１において、発電制御器１３０３のフィードバックゲインを決定するための入力を演算する。ここでは、まず、ステップＳ５０４で検出した燃料電池２の発電電流、および、発電電圧を乗じて燃料電池で実際に発電されている電力である実発電電力を算出する。

次に、ステップＳ５０３で算出した上限発電電力に対して実発電電力を減算した値ΔＰＷＲＭＡＸ、および、実発電電力に対してステップＳ５０３で算出した下限発電電力を減算した値ΔＰＷＲＭＩＮ、および、燃料電池２の発電電流ＳＴＫＣを入力として用いる。次に、減算器１３０２において、ステップＳ５０５で算出した目標発電電力に対して実発電電力が一致するように、発電制御器１３０３に、目標発電電力に対して、実発電電力を減算した値ΔＰＷＲを入力する。

次に、発電制御器１３０３において、電力制御装置２３に指令する操作量ＵＳＴＫＣを決定する。この操作量ＵＳＴＫＣは、燃料電池２から電力制御装置２３が取り出す電流値である。

まず、発電制御器１３０３で用いるフィードバックゲインの演算方法を説明する。ここでは、フィードバックゲインを演算する一例としてファジィ推論を用いた方法について説明する。ここで、フィードバックゲインを可変で設定しなければならない理由として、水の凍結温度以下の温度での燃料電池２の発電特性は、セル流路の水詰まり等によるガス拡散性能低下等により、非凍結時以上に不確定であること、かつ、非線形要素が強いことから、モデル規範制御によるフィードバックゲインの設計手法を用いることが困難であるため、発電電力の過渡応答性に着目してフィードバックゲインを可変にする必要があると考えた。

通常、制御系のフィードバックゲインを可変とすると、フィードバックゲインの切替時に、制御系がオーバーシュートしたり振動が生じたりして、好ましくない挙動が現れることがある。しかし本実施例は、フィードバックゲイン制御にファジィ推論を用いて実発電電力の制御を行うことにより、比較的簡易な構成でフィードバックゲインの切り替えを滑らかに実施することができるという効果がある。

このため、発電制御器１３０３は、ファジィ推論によるフィードバックゲイン演算部１３０７と、目標発電電力と実発電電力との偏差ΔＰＷＲにフィードバックゲインを乗じる乗算器１３０８と、積分器１３１０と、最小選択器１３１３と、最大選択器１３１４と、上限制限発電電力演算部１３１１と、下限制限発電電力演算部１３１２とを備えている。

次に、フィードバックゲインの設定方法を詳細に説明する。まず、演算器１３０１で算出したΔＰＷＲＭＡＸ、ΔＰＷＲＭＩＮ、燃料電池２の出力電流値ＳＴＫＣ、および、減算器１３０２で算出したΔＰＷＲを、入力前件部変数として、フィードバックゲイン演算部１３０７へ入力する。ファジィ推論を用いたフィードバックゲイン演算部１３０７における前件部メンバーシップ関数を図１４〜図１７に、最終的に出力となるフィードバックゲインを決定する後件部メンバーシップ関数を図１８に示し、その数値の一例を示す。

前件部メンバーシップ関数は、零（ＺＥＲＯ）、負（ＮＥＧＡＴＩＶＥ）、正（ＰＯＳＩＴＩＶＥ）各々を０から１の値を取る台形関数として設定する。例えば、図１４において、ΔＰＷＲの値が０であれば、ΔＰＷＲがＰＯＳＩＴＩＶＥ（以下Ｐとも略す）であるグレード数（確からしさ）が０．５であり、且つΔＰＷＲがＮＥＧＡＴＩＶＥ（以下Ｎとも略す）であるグレード数が０．５である。例えば、図１４において、ΔＰＷＲの値が１．５であれば、ΔＰＷＲがＰＯＳＩＴＩＶＥであるグレード数が０．７５であり、且つΔＰＷＲがＮＥＧＡＴＩＶＥであるグレード数が０．２５である。

例えば、図１５において、ΔＰＷＲＭＡＸの値が２．０であれば、ΔＰＷＲＭＡＸがＺＥＲＯであるグレード数が０．７５であり、且つΔＰＷＲＭＡＸがＰＯＳＩＴＩＶＥであるグレード数が０．２５である。

ここで、図１７のＳＴＫＣに基づく前件部メンバーシップ関数でのＳＴＫＣＭＡＸは、水の凍結温度以下の温度においても燃料電池２を継続して安定して発電可能な燃料電池２の出力電流値を実験的に求め、これに基づいて決定する。後件部メンバーシップ関数は、図１８に示すようにファジィシングルトンを用いた簡略化した構成を用いる。この前件部メンバーシップ関数及び後件部メンバーシップ関数に基づいて、フィードバックゲインＦＺＧＡＩＮを決定する制御規則表を図１９（ａ）〜（ｄ）に示す。

次に、制御規則表の見方及び制御規則表に基づく計算を説明する。例えば、図１９（ａ）のルール１は、ΔＰＷＲがＰ、且つＳＴＫＣがＰ、且つΔＰＷＲＭＩＮがＺ、且つΔＰＷＲＭＡＸがＰのとき、ＰＯＳＩＴＩＶＥ１（Ｐ１）を選択するというルールである。

この４条件のＡＮＤによるルール１により計算されるＰ１のグレード数は、［ΔＰＷＲがＰであるグレード数］×［ＳＴＫＣがＰであるグレード数］×［ΔＰＷＲＭＩＮがＺであるグレード数］×［ΔＰＷＲＭＡＸがＰであるグレード数］である。このように、ファジィ制御における条件のＡＮＤの結果は、変数及び関数が０（偽）又は１（真）の値をとるブール代数の積ではなく、各条件のグレード数の総乗の値となる。

以下、図１９のルール１６までの各ルールについて、ルール１と同様に、ＺＥＲＯ（表中ではＺ）、ＰＯＳＩＴＩＶＥ１（表中ではＰ１）、ＰＯＳＩＴＩＶＥ２（表中ではＰ２）を算出する。次に図１９のルール１〜１６に基づいて算出した、ＺＥＲＯ（Ｚ）、ＰＯＳＩＴＩＶＥ１（Ｐ１）、ＰＯＳＩＴＩＶＥ２（Ｐ２）の各グレード数を合計する。次いで、ＺＥＲＯ、ＰＯＳＩＴＩＶＥ１、ＰＯＳＩＴＩＶＥ２として求めたそれぞれのグレード数を図１８の３本の棒グラフの長さにに置き換えて、３本の棒の重心点を求め、重心点のＦＺＧＡＩＮの数値へデファジィ化する。こうしてフィードバックゲインＦＺＧＡＩＮの数値を決定する。

そして減算器１３０２で算出したΔＰＷＲ値に、フィードバックゲインＦＺＧＡＩＮ値を乗じ、積分器１３１０を通して一次遅れを施して、電力制御装置２３の仮操作量ＵＳＴＫＣ１を算出する。次いで、仮操作量ＵＳＴＫＣ１を最小選択器１３１３で上限制限発電電力値に制限し、最大選択器１３１４で下限制限発電電力値に制限して、電力制御装置２３へ出力する最終的な操作量ＵＳＴＫＣ値を算出する。

ここでは、補機消費電力パラメータを入力として、上限制限発電電力演算部１３１１及び下限制限発電電力演算部１３１２により、上限制限発電電力及び下限制限発電電力をそれぞれ算出する。例えば、上限制限発電電力とは、現時点の発電を継続した場合に、燃料電池２の電解質膜が必要以上に乾燥しない値に設定する。また、下限制限発電電力とは、現時点の発電を継続した場合に、燃料電池２の電解質膜を必要以上に加湿しない値に設定する。ここでは加えて、燃料電池２を安定して発電できる発電電圧以下にならないように制限を加えてもよい。次に、上限制限発電電力、下限制限発電電力を上下限として、電力制御装置２３への操作量ＵＳＴＫＣの積分器ワインドアップを防止する。

次に、図１３の発電制御器１３０３のフィードバックゲイン演算部１３０７における図１９のルール１〜１６の特徴的な過渡応答について述べる。ルール９〜１４については、通常時のフィードバックゲインＰＯＳＩＴＩＶＥ１（Ｐ１）の値よりも大きな値であるフィードバックゲインＰＯＳＩＴＩＶＥ２を採用している。

このような大きなフィードバックゲインＰＯＳＩＴＩＶＥ２（Ｐ２）を採用している理由について、ルール９〜１２と、ルール１３及び１４とに分けて説明する。

図１９（ａ）、（ｂ）より、ΔＰＷＲ＝Ｐの場合、ΔＰＷＲＭＡＸ＝Ｐのときのルール１〜４がＰ１であるのに対して、ΔＰＷＲＭＡＸ＝Ｎのときのルール９〜１２は、Ｐ２である。これは言い換えれば、上限発電電力に実発電電力が近づくほど、実発電電力の制御ゲインを大きくして、実発電電力を目標発電電力に近づけるように制御する制御速度を高くすることに相当する。これにより、凍結温度以下の燃料電池の電流電圧特性が不安定な状態において、例えば凍結した水が解凍して燃料電池電流電圧特性が急上昇し、燃料電池電圧が急上昇したような場合にも、迅速に燃料電池の実発電電力を低下させて、上限発電電力を超えることがないように制御することができるという効果がある。

図１９（ｄ）より、ΔＰＷＲ＝Ｎ、且つＳＴＫＣ＝Ｚの場合、ΔＰＷＲＭＩＮ＝Ｐのときのルール７，８がＰ１であるのに対して、ΔＰＷＲＭＩＮ＝Ｚのときのルール１３，１４は、Ｐ２である。これは言い換えれば、実発電電力が目標発電電力より大きく、且つ発電電流が小さい場合、下限発電電力に実発電電力が近づくほど、実発電電力の制御ゲインを大きくして、実発電電力を目標発電電力に近づけるように制御する制御速度を高くすることに相当する。これにより、凍結温度以下の燃料電池の電流電圧特性が不安定な状態において、例えば生成水が凍結してガス拡散性が低下したりして、燃料電池電圧が急低下したような場合にも、迅速に燃料電池の実発電電力を増加させて、下限発電電力を下回ることがないように制御することができるという効果がある。

また、図１９（ｃ）より、ΔＰＷＲ＝Ｎ、且つＳＴＫＣ＝Ｐの場合、ΔＰＷＲＭＩＮ＝Ｐのときのルール５，６がＰ１であるのに対して、ΔＰＷＲＭＩＮ＝Ｎのときのルール１５，１６は、Ｚである。これは言い換えれば、実発電電力が目標発電電力より大きく、且つ発電電流が大きい場合、下限発電電力に実発電電力が近づくほど、実発電電力制御のフィードバックゲインを小さくして、実発電電力を目標発電電力に近づけるように制御する制御速度を低くすることに相当する。これにより、凍結温度以下の燃料電池の電流電圧特性が不安定な状態において、例えば燃料電池から電流を取り出すことによる燃料電池電圧の降下が生じた場合にも、緩やかに燃料電池からの取り出し電流を減少させて取り出し電流の増減による制御系の振動を抑制することができるという効果がある。

次に図２０のフローチャートを参照して、図５のステップＳ５０９において、燃料電池２で発電する際の補機消費電力を調整する方法を説明する。

まず、ステップＳ２００１において目標空気流量の設定を行う。ここでは予め設定した固定電流値に基づいて、図２１に示す２次元マップを用いて目標空気流量を算出する。この２次元マップは、燃料電池２の内部で局所的な空気供給不足が起きないような空気利用率となるように設定されている。

次いで、ステップＳ２００２において目標圧力設定を行う。ここでは、例えば燃料電池２の耐圧を許容できる最大値に設定する。そして、ステップＳ２００３において、ステップＳ２００１で算出した目標空気流量と、ステップＳ２００２で算出した目標圧力、および、大気圧力センサ１２に基づいて、図２２に示す３次元マップを用いてコンプレッサ指令回転数を算出する。なお、このマップデータは、コンプレッサの回転数と圧力比に対する空気流量の特性に基づいて設定されている。また、ここで算出したコンプレッサ指令回転数は、コントローラ３からコンプレッサ１３の駆動回路に対して指示されて、コンプレッサ１３が指令回転数に従って駆動される。

次いで、ステップＳ２００４において、水素循環ポンプ６の回転数の設定を行う。ここでは、ステップＳ２００１で設定した固定電流に基づいて、図２３に示す２次元マップを用いて水素循環ポンプ回転数を算出する。この２次元マップは、燃料電池２の内部で局所的な水素供給不足が起きないような水素利用率となるように設定されている。なお、ここで算出した水素循環ポンプ指令回転数は、コントローラ３から水素循環ポンプ６の駆動回路に対して指示されて、水素循環ポンプ指令回転数に従って駆動される。

次いで、ステップＳ２００５において、ステップＳ５０６で検出した燃料電池２の発電電流および発電電圧を乗じて、燃料電池２で実際に発電されている電力である実発電電力を算出する。次に、ステップＳ２００６において、後述する補機消費電力の調整量を決定するために用いる中間変数５の算出を行う。ここでは、ステップＳ５０７で算出した目標発電電力に対して、ステップＳ２００５で算出した実発電電力を減算した値を中間変数５とする。

次いで、ステップＳ２００７において、後述する補機消費電力の調整量を決定するための入力である補機増加参考値を求める。ここでは、ステップＳ２００６で算出した中間変数５に基づいて、図２４に示す２次元マップを用いて補機増加参考値を算出する。ここで、図２４に示すように補機増加参考値の正負が切り替わる電力閾値を、ステップＳ５０５で算出した下限発電電力から、ステップＳ５０７で算出した目標発電電力までの範囲内になるように設定する。また、電力閾値に近づくほど０に近い値を設定することで、補機消費電力の調整による発電電力の振動を抑制する。

次に、ステップＳ２００８において、補機消費電力の調整を行う。ここでは、燃料電池２での実発電電力を継続しても安定して発電可能な補機動作点を確保できるように、電気ヒータ２２の出力、目標圧力、コンプレッサ１３の指令回転数、水素循環ポンプ６の指令回転数、冷却液ポンプ１７の指令回転数のいずれか１つ以上の補機消費電力を用いて決定する。

ここでは、燃料電池の水素圧力及び空気圧力の目標である目標運転圧力を調整することにより、コンプレッサ１３の消費電力を変化させて補機消費電力を調整する方法を説明する。このように目標空気圧力の調整を目標空気流量の調整よりも優先させると、空気供給装置であるコンプレッサ１３の音響振動の変化が少なく、燃料電池システムの使用者に違和感を与えることがないという効果がある。

まず、ステップＳ２００７にて算出した補機増加参考値に基づいて、図２５に示すような目標運転圧力を調整する２次元マップを用いる。ここで算出した目標運転圧力調整値を、現在の目標運転圧力の値に対して加算することで、燃料電池２の空気入口圧力を調整により、コンプレッサ１３の消費電力を調整することが可能となる。

コンプレッサ１３の消費電力は、コンプレッサ１３が供給する空気圧力が高いほど大きくなるので、空気圧力の調整により補機消費電力を調整することができる。ここでは、その後、燃料電池２を継続して安定して発電できる上下限値で目標運転圧力を制限する。ここで上限値は、例えば、ステップＳ２００２で算出した目標圧力として、下限値は、ステップＳ５０６で検出した燃料電池２の発電電流に必要な水素供給を実施できるだけの目標圧力として設定する。

また、ここで算出した目標運転圧力に基づいて、水素圧力制御弁５を操作することによってアノードの水素圧力を制御している。このとき、水素圧力制御弁５の操作は、水素入口圧力センサ１１で検出された燃料電池２の水素圧力と目標ガス圧力との差に基づいてＦ／Ｂ制御を行なって水素圧力制御弁５の指令開度を決定し、実行されている。なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩＤ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られているその他の方法によって構成することもできる。

また、ここで算出される水素圧力制御弁５の指令開度は、コントローラ３から水素圧力制御弁５の駆動回路に対して指示されて、水素圧力制御弁５が指令開度に従って駆動される。また、同じように、ここで算出した目標運転圧力に基づいて、空気圧力制御を行う。この空気ガスの圧力制御では、空気圧力制御弁１６を操作することによって空気圧力の制御を行う。空気圧力制御弁１６の操作は、空気入口圧力センサ１５で検出した燃料電池２の空気圧力と目標空気圧力との差に基づいてＦ／Ｂ制御を行なって空気圧力制御弁１６の指令開度を決定して、実行されている。

なお、このＦ／Ｂ制御は、ＰＩＤ制御やモデル規範型制御など一般的によく知られている方法により構成することができる。また、ここで算出された空気圧力制御弁１６の指令開度は、コントローラから空気圧力制御弁１６の駆動回路に対して指示されて、空気圧力制御弁１６が指令開度に従って駆動されることになる。

本発明に係る制御装置が適用される燃料電池システムの構成例を示す図である。 燃料電池システムの制御装置であるコントローラの要部構成を示すブロック図である。 燃料電池システムの発電制御を説明する概略フローチャートである。 ステップＳ３０１燃料電池凍結判定を説明するフローチャートである。 ステップＳ３０３燃料電池解凍発電を説明するフローチャートである。 ステップＳ５０５上下限発電電力演算を説明するフローチャートである。 モータ回転数及びトルクに対する電力を示す３次元マップ例である。 ２次電池２４の充電可能電力を示す３次元マップ例である。 ２次電池２４の放電可能電力を示す３次元マップ例である。 ステップＳ５０７目標発電電力演算を説明するフローチャートである。 目標充電電力を補正する際の２次元マップ例である。 目標発電電力を演算する際の1次遅れフィルタカットオフ周波数を示す２次元マップ例である。 ステップＳ５０８発電制御を説明した制御ブロック図である。 ΔＰＷＲを前件部入力変数としたメンバーシップ関数例を示す図である。 ΔＰＷＲＭＡＸを前件部入力変数としたメンバーシップ関数例を示す図である。 ΔＰＷＲＭＩＮを前件部入力変数としたメンバーシップ関数例を示す図である。 ＳＴＫＣを前件部入力変数としたメンバーシップ関数例を示す図である。 フィードバックゲインを定義する後件部メンバーシップ関数例を示す図である。 フィードバックゲインを決定する制御規則表の例である。 ステップＳ５０９補機消費電力調整を説明するフローチャートである。 目標空気流量を算出する際の２次元マップ例である。 コンプレッサ１３の指令回転数を算出する際の３次元マップ例である。 水素循環ポンプ６の指令回転数を算出する際の２次元マップ例である。 補機増加参考値を算出する際の２次元マップ例である。 運転圧力調整値を算出する際の２次元マップ例である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…コントローラ（燃料電池システムの制御装置）、４…水素タンク、５…水素圧力制御弁、６…水素循環ポンプ、７…水素循環流路、８…水素パージ弁、９…タンク温度センサ、１０…タンク圧力センサ、１１…水素入口圧力センサ、１２…大気圧力センサ、１３…コンプレッサ、１４…空気流量センサ、１５…空気入口圧力センサ、１６…空気圧力制御弁、１７…冷却液循環ポンプ、１８…冷却液温度センサ、１９…熱交換器、２０…循環ライン２０、２１…三方弁、２２…電気ヒータ、２３…電力制御装置、２４…２次電池、２５…温度センサ２５。

Claims (8)

1. 燃料電池を水の凍結温度以下の状態から、前記燃料電池を発電させることで解凍させる燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池に空気を供給する補機としての空気供給装置と、
   前記燃料電池の余剰電力で充電されると共に、前記燃料電池の不足電力を補う２次電池と、
   前記２次電池の充電可能電力及び放電可能電力を判断する充放電能力判断手段と、
   前記燃料電池で発電可能である上限発電電力及び下限発電電力を算出する上下限発電電力演算手段と、
   前記上限発電電力と前記下限発電電力の範囲内に目標発電電力を設定するとともに、前記燃料電池システムの補機の消費電力と前記２次電池の目標充電電力とを加算した値を１次遅れフィルタに通した値を前記目標発電電力として設定し、前記燃料電池の発電電力をフィードバック制御する発電電力制御手段と、
   前記補機の消費電力を調整する補機消費電力調整手段と、を備え、
   前記上下限発電電力演算手段は、前記上限発電電力を前記補機の消費電力と前記２次電池の充電可能電力とを加算して算出し、前記下限発電電力を前記補機の消費電力から前記２次電池の放電可能電力を減じて算出し、
   前記補機消費電力調整手段は、前記燃料電池の発電電流に対して必要な空気流量及び空気圧力の範囲内で、空気流量増減に対して空気圧力増減を優先するように前記空気供給装置を制御することにより、前記補機消費電力を調整し、
   前記発電電力制御手段は、前記２次電池の電圧が所定電圧より小さい場合は、前記目標発電電力を、前記上限発電電力と前記補機の消費電力の範囲内の値とし、前記２次電池の電圧が所定電圧以上の場合は、前記目標発電電力を、前記補機消費電力と前記下限発電電力の範囲内の値とし、
   前記燃料電池の発電電力を前記補機または前記補機及び前記２次電池に吸収させることにより、燃料電池を解凍させることを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
2. 前記発電電力制御手段は、前記上限発電電力と前記下限発電電力の少なくともいずれか一方と、前記補機消費電力との偏差の絶対値が小さいほど、前記１次遅れフィルタのカットオフ周波数を低く設定す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. 前記燃料電池の発電電圧及び発電電流に基づいて前記燃料電池の実発電電力を算出する実発電電力演算手段を備え、
   前記発電電力制御手段は、前記上限発電電力と前記実発電電力との差が小さいほど、前記燃料電池の発電電力制御におけるフィードバックゲインを大きくすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムの制御装置。
4. 前記実発電電力が前記目標発電電力より大きく、且つ、前記燃料電池の発電電流が所定電流以上の場合は、前記下限発電電力と前記実発電電力との差が小さいほど、前記燃料電池の発電電力制御におけるフィードバックゲインを小さくすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
5. 前記実発電電力が前記目標発電電力より大きく、且つ、前記燃料電池の発電電流が所定電流より小さい場合は、前記下限発電電力と前記実発電電力との差が小さいほど、前記燃料電池の発電電力制御におけるフィードバックゲインを大きくすることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。
6. 前記所定電圧は、前記燃料電池システムの補機が正常動作することができる上限電圧を上限として設定す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。
7. 前記燃料電池システムの補機として、少なくとも、電気ヒータ、水素循環装置、冷却液ポンプの一つ以上を含む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。
8. 前記補機消費電力調整手段は、前記補機消費電力を増減させることにより前記上限発電電力、前記下限発電電力の範囲を調整し、前記実発電電力を前記上限発電電力と前記下限発電電力との範囲に制御する手段であること特徴とする請求項３に記載の燃料電池システムの制御装置。

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