特許 6405990 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6405990

(24)【登録日】2018年9月28日

(45)【発行日】2018年10月17日

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20181004BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20181004BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20181004BHJP

   H01M 8/00 20160101ALN20181004BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/04858

   H01M8/04746

   !H01M8/10

   !H01M8/00 Z

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2014-259610(P2014-259610)

(22)【出願日】2014年12月23日

(65)【公開番号】特開2016-119268(P2016-119268A)

(43)【公開日】2016年6月30日

【審査請求日】2017年7月4日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】五味 雄一

(72)【発明者】

【氏名】村田 裕治

(72)【発明者】

【氏名】小山 貴志

(72)【発明者】

【氏名】松本 只一

【審査官】 今井 貞雄

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−３０２５９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−１３８７６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０４８５８

Ｈ０１Ｍ ８／０４７４６

Ｈ０１Ｍ ８／００

Ｈ０１Ｍ ８／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を出力する燃料電池（１６−１、１６−２、・・・、１６−Ｎ）と、前記燃料ガスが充填され、充填された前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給する燃料タンク（１２ａ−１、１２ｂ−１、１２ａ−２、１２ｂ−２、・・・１２ａ−Ｎ、１２ｂ−Ｎ）と、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガスの残圧を検出する圧力検出手段（１３ａ−１、１３ｂ−１、１３ａ−２、１３ｂ−２、・・・、１３ａ−Ｎ、１３ｂ−Ｎ）と、入力された信号に応じて前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段（１７−１、１７−２、・・・、１７−Ｎ）と、を有するサブシステム（１−１、１−２、・・・、１−Ｎ）を複数備えるサブシステム群と、
前記サブシステム群が備えるすべての出力制御手段に対して、前記サブシステム群が備える各サブシステムに出力させる電力の目標値である要求出力に応じた信号を出力する制御装置（２）と、を備え、
前記制御装置は、前記サブシステム群が備える２つのサブシステムのうち、残圧が高い方の第１サブシステムに対する前記要求出力を、残圧が低い方の第２サブシステムに対する前記要求出力よりも大きくする要求出力補正を行い、
前記制御装置は、前記要求出力補正において、前記第１サブシステムの残圧と、前記サブシステム群のうち前記第１サブシステム以外のサブシステムの残圧との関係に応じて、前記第１サブシステムについての補正率ｋを定め、前記第１サブシステムへの補正前の要求出力に前記補正率ｋを乗じた補正量を、補正前の要求出力に足して補正後の要求出力とし、
前記サブシステム群はＮ個のサブシステムを有し、
前記Ｎ個のサブシステムのうち１番目のサブシステムからＮ番目のサブシステムについての前記要求出力補正が順に行われ、
前記制御装置は、前記要求出力補正において、１以上Ｎ以下の整数ｎ番目のサブシステムから前記Ｎ番目のサブシステムまでの残圧の平均と前記ｎ番目のサブシステムの残圧との差ΔＰ（ｎ）に応じて前記補正率ｋを定めることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項2】

前記差ΔＰ（ｎ）が一定のとき、前記サブシステム群が備えるすべてのサブシステムから出力される電力の和の目標値が大きいほど前記補正率ｋが大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記差ΔＰ（ｎ）が一定のとき、前記サブシステム群が備えるすべてのサブシステムから出力される電力の和の目標値が小さいほど前記補正率ｋが大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記補正率ｋが前記差ΔＰ（ｎ）に対し非線形であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項5】

前記制御装置が、前記サブシステム群が備えるすべてのサブシステムに対する要求出力が各サブシステムの最大出力以下となるように、前記補正率ｋを定めることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

【請求項6】

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を出力する燃料電池（１６−１、１６−２、・・・、１６−Ｎ）と、前記燃料ガスが充填され、充填された前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給する燃料タンク（１２ａ−１、１２ｂ−１、１２ａ−２、１２ｂ−２、・・・１２ａ−Ｎ、１２ｂ−Ｎ）と、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガスの残圧を検出する圧力検出手段（１３ａ−１、１３ｂ−１、１３ａ−２、１３ｂ−２、・・・、１３ａ−Ｎ、１３ｂ−Ｎ）と、入力された信号に応じて前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段（１７−１、１７−２、・・・、１７−Ｎ）と、を有するサブシステム（１−１、１−２、・・・、１−Ｎ）を複数備えるサブシステム群と、
前記サブシステム群が備えるすべての出力制御手段に対して、前記サブシステム群が備える各サブシステムに出力させる電力の目標値である要求出力に応じた信号を出力する制御装置（２）と、を備え、
前記制御装置は、前記サブシステム群が備える２つのサブシステムのうち、残圧が高い方の第１サブシステムに対する前記要求出力を、残圧が低い方の第２サブシステムに対する前記要求出力よりも大きくする要求出力補正を行い、
前記制御装置は、前記要求出力補正において、前記第１サブシステムの残圧と、前記サブシステム群のうち前記第１サブシステム以外のサブシステムの残圧との関係に応じて、前記第１サブシステムについての補正率ｋを定め、前記第１サブシステムへの補正前の要求出力に前記補正率ｋを乗じた補正量を、補正前の要求出力に足して補正後の要求出力とし、
前記制御装置は、前記サブシステム群が備えるすべてのサブシステムに対する要求出力が各サブシステムの最大出力以下となるように、前記補正率ｋを定めることを特徴とする燃料電池システム。

【請求項7】

前記制御装置が、前記サブシステム群が備えるすべてのサブシステムに対する要求出力が０以上となるように、前記補正率ｋを定めることを特徴とする請求項１ないし６に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を出力する燃料電池（１６−１、１６−２、・・・、１６−Ｎ）と、前記燃料ガスが充填され、充填された前記燃料ガスを前記燃料電池へ供給する燃料タンク（１２ａ−１、１２ｂ−１、１２ａ−２、１２ｂ−２、・・・１２ａ−Ｎ、１２ｂ−Ｎ）と、前記燃料タンクに充填された前記燃料ガスの残圧を検出する圧力検出手段（１３ａ−１、１３ｂ−１、１３ａ−２、１３ｂ−２、・・・、１３ａ−Ｎ、１３ｂ−Ｎ）と、入力された信号に応じて前記燃料電池の出力を制御する出力制御手段（１７−１、１７−２、・・・、１７−Ｎ）と、を有するサブシステム（１−１、１−２、・・・、１−Ｎ）を複数備えるサブシステム群と、
前記サブシステム群が備えるすべての出力制御手段に対して、前記サブシステム群が備える各サブシステムに出力させる電力の目標値である要求出力に応じた信号を出力する制御装置（２）と、を備え、
前記制御装置は、前記サブシステム群が備える２つのサブシステムのうち、残圧が高い方の第１サブシステムに対する前記要求出力を、残圧が低い方の第２サブシステムに対する前記要求出力よりも大きくする要求出力補正を行い、
前記制御装置は、前記要求出力補正において、前記第１サブシステムの残圧と、前記サブシステム群のうち前記第１サブシステム以外のサブシステムの残圧との関係に応じて、前記第１サブシステムについての補正率ｋを定め、前記第１サブシステムへの補正前の要求出力に前記補正率ｋを乗じた補正量を、補正前の要求出力に足して補正後の要求出力とし、
前記制御装置は、前記サブシステム群が備えるすべてのサブシステムに対する要求出力が０以上となるように、前記補正率ｋを定めることを特徴とする燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池と燃料タンクを有するサブシステムを複数備える燃料電池システムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

燃料電池車等に用いられる燃料電池システムは、燃料電池と燃料タンクを有するサブシステムを複数備えることで高出力化する。そのため、燃料電池システムはバス等の大型車両にも容易に対応できる。このような燃料電池システムにおいては、各サブシステムが有する燃料電池の性能差等により、複数のサブシステム間で燃料タンクの残圧に差が生じる。

【0003】

ステーションから燃料タンクへ燃料ガスを充填するとき、ステーションは供給圧を徐々に上げて、燃料ガスが入り始めたときの圧力を検知し、充填時の断熱圧縮に伴う温度上昇を考慮して目標充填圧を決定する。例えば残圧の差がある２本のタンクに燃料ガスを充填する場合、最初は低圧側の燃料タンクのみに燃料ガスが入り始める。このとき、充填口からは高圧側の燃料タンクの圧力を検知できない。

【0004】

この状態で充填を続けると、２本の燃料タンクの残圧が等しくなった時点で高圧側だった燃料タンクにも燃料ガスが入り始め、均等に残圧が上昇し始める。このとき、充填開始時に低圧側だった燃料タンクは、充填時の断熱圧縮に伴い充填開始時よりも温度が上昇している。一方、高圧側だった燃料タンクは温度上昇していない。

【0005】

そのため、２本の燃料タンクの残圧が等しくなった時点では、高圧側だった燃料タンクは、低圧側だった燃料タンクよりも温度が低いためにＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：充填率）が高い状態にある。しかし、目標充填圧は、低圧側だった燃料タンクに燃料ガスが入り始めたときの圧力に基づいて決められている。そのため、２つの燃料タンクの残圧が目標充填圧に達したとき、低圧側だった燃料タンクのＳＯＣが１００％以下になるようにしていたとしても、同一圧力でより温度の低い高圧側だった燃料タンクのＳＯＣが１００％を超えてしまうおそれがある。

【0006】

このように、燃料タンクの残圧に差が生じた状態で燃料ガスの充填を行うと、残圧が高い燃料タンクのＳＯＣが１００％を超えてしまうおそれがある。そのため、燃料電池システムの運転中に、複数のサブシステム間で燃料タンクの残圧に差が生じないように、各サブシステムの燃料タンクの残圧を制御する必要がある。

【0007】

同一のサブシステム内にある複数の燃料タンク等、燃料電池への供給ラインが同一の系にある複数の燃料タンクであれば、各燃料タンクからの供給ラインに設けたシャットバルブの開頻度を残圧に応じて変化させることで、残圧を均一化できる。具体的には、対応する燃料タンクの残圧が高いシャットバルブの開頻度を、対応する燃料タンクの残圧が低いシャットバルブよりも高くして、残圧が高い燃料タンクから燃料電池へ、残圧が低い燃料タンクよりも燃料ガスを多く供給することで、残圧を均一化する。

【0008】

しかし、この方法では、独立したサブシステム間の平均残圧の差は補正できない。同様の方法で各サブシステムの燃料タンクの残圧を均一化するには、燃料供給系を連通させ、各サブシステムのシャットバルブを相互に駆動可能にすること等が必要になる。そのため、システムが複雑になり、製造コスト等が高くなる。よって、独立した複数のサブシステムの残圧を均一化するための他の方法が必要である。

【0009】

特許文献１では、燃料ガス供給装置に対し並列に接続した複数の燃料電池の出力電流を等しくすることで、複数の燃料電池の間で燃料ガスの消費量を等しくする方法が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２００３−２４３００８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

しかしながら、複数のサブシステムの出力電流を等しくして各サブシステムの残圧を均一化するためには、補機消費電力や燃料電池の劣化を考慮して各サブシステムへの要求出力を決定する必要がある。そのため、システムが複雑になり、製造コスト等が高くなる。

【0012】

本発明は上記点に鑑みて、独立した複数のサブシステムにおける燃料タンクの残圧を簡単な構成で均一化する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】

【0013】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、酸化剤ガスと燃料ガスとの電気化学反応により電力を出力する燃料電池（１６−１、１６−２、・・・、１６−Ｎ）と、燃料ガスが充填され、充填された燃料ガスを燃料電池へ供給する燃料タンク（１２ａ−１、１２ｂ−１、１２ａ−２、１２ｂ−２、・・・１２ａ−Ｎ、１２ｂ−Ｎ）と、燃料タンクに充填された燃料ガスの残圧を検出する圧力検出手段（１３ａ−１、１３ｂ−１、１３ａ−２、１３ｂ−２、・・・、１３ａ−Ｎ、１３ｂ−Ｎ）と、入力された信号に応じて燃料電池の出力を制御する出力制御手段（１７−１、１７−２、・・・、１７−Ｎ）と、を有するサブシステム（１−１、１−２、・・・、１−Ｎ）を複数備えるサブシステム群と、サブシステム群が備えるすべての出力制御手段に対して、サブシステム群が備える各サブシステムに出力させる電力の目標値である要求出力に応じた信号を出力する制御装置（２）と、を備え、制御装置は、サブシステム群が備える２つのサブシステムのうち、残圧が高い方の第１サブシステムに対する要求出力を、残圧が低い方の第２サブシステムに対する要求出力よりも大きくする要求出力補正を行い、制御装置は、要求出力補正において、第１サブシステムの残圧と、サブシステム群のうち第１サブシステム以外のサブシステムの残圧との関係に応じて、第１サブシステムについての補正率ｋを定め、第１サブシステムへの補正前の要求出力に補正率ｋを乗じた補正量を、補正前の要求出力に足して補正後の要求出力とし、サブシステム群はＮ個のサブシステムを有し、Ｎ個のサブシステムのうち１番目のサブシステムからＮ番目のサブシステムについての要求出力補正が順に行われ、制御装置は、要求出力補正において、１以上Ｎ以下の整数ｎ番目のサブシステムからＮ番目のサブシステムまでの残圧の平均とｎ番目のサブシステムの残圧との差ΔＰ（ｎ）に応じて補正率ｋを定めることを特徴としている。

【0014】

これによれば、第１サブシステムに対する要求出力を、第１サブシステムよりも残圧の低い第２サブシステムに対する要求出力よりも大きくする要求出力補正が行われ、各サブシステムに対する要求出力に差が生じる。そのため、簡単な構成で各サブシステムの燃料消費量を調整し、独立した複数のサブシステムの残圧を均一化できる。

【0015】

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１実施形態における燃料電池システムの構成図である。

【図2】第１実施形態における制御装置の制御フローである。

【図3】第１実施形態において要求出力の補正を行った結果のグラフである。

【図4】第２実施形態における燃料電池システムの構成図である。

【図5】第２実施形態における制御装置の要求出力の算出フローである。

【図6】第２実施形態における制御装置の要求出力の算出フローである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0018】

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１ないし図３を用いて説明する。本実施形態の燃料電池システム１００は、電気自動車の一種である、いわゆる燃料電池車両に適用されており、車両走行用電動モータ等の電気負荷に電力を供給するものである。

【0019】

まず、図１を用いて、燃料電池システム１００の構成について説明する。図１に示すように、燃料電池システム１００は、サブシステム群、制御装置２、燃料充填口３、配管４、燃料充填弁５を備え、負荷６に接続されている。負荷６は、車両走行用電動モータ等で構成される電気負荷である。

【0020】

図１では、サブシステム群に属する２つのサブシステムをそれぞれサブシステム１−１、１−２とする。サブシステム１−１とサブシステム１−２の構成は同等なので、以下では、符号のハイフン以下を省略して説明する。

【0021】

サブシステム１は、制御装置２からの信号に応じた電力を出力して負荷６に供給するものである。サブシステム１は、逆止弁１１、２つの燃料タンク１２ａ、１２ｂ、２つの圧力検出手段１３ａ、１３ｂ、２つのシャットバルブ１４ａ、１４ｂ、燃料供給弁１５を備えている。また、サブシステム１は、燃料電池１６、ＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ）１７、二次バッテリ１８を備えている。サブシステム１の詳細については後述する。

【0022】

制御装置２は、アクセル開度等に基づいて燃料電池システム１００全体が出力する電力の目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を算出し、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}および各サブシステムの燃料タンク１２ａ、１２ｂの残圧に応じて、各サブシステムに出力させる電力の目標値を決定する装置である。制御装置２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータとその周辺回路にて構成されている。

【0023】

制御装置２の入力端子は、負荷６、各サブシステムの圧力検出手段１３ａ、１３ｂ、図示しないアクセル等に接続されている。また、制御装置２の入力端子は、燃料電池１６の周辺に配置された図示しない電流センサ、電圧センサ、温度センサ等、図示しない水素ポンプ、エアポンプ、冷却水ポンプ等の補機類に接続されている。また、制御装置２の出力端子は、各サブシステムのシャットバルブ１４ａ、１４ｂ、燃料供給弁１５、ＰＣＵ１７に接続されている。

【0024】

燃料充填口３は、車両の外部と連結しており、車両の外部から各サブシステムの燃料タンク１２ａ、１２ｂへ燃料ガスを充填するために用いられる。燃料充填口３から燃料電池システム１００の内部へ向けて配管４が形成されており、配管４には燃料充填弁５が設けられている。燃料充填弁５は、燃料ガスの充填時には開いており、それ以外のときには閉じている。

【0025】

配管４は燃料充填弁５に対して燃料充填口３と反対側で分岐しており、分岐した配管４の先に、各サブシステムが接続されている。

【0026】

サブシステム１の詳細について説明する。上述したように、サブシステム１は、逆止弁１１、２つの燃料タンク１２ａ、１２ｂ、２つの圧力検出手段１３ａ、１３ｂ、２つのシャットバルブ１４ａ、１４ｂ、燃料供給弁１５、燃料電池１６、ＰＣＵ１７、二次バッテリ１８を備えている。

【0027】

燃料充填弁５の先で分岐した配管４には、各サブシステムの逆止弁１１が設けられている。逆止弁１１は、燃料ガスを充填する際、車両の外部から燃料充填口３、配管４を通して燃料タンク１２ａ、１２ｂへ送られる燃料ガスの流れを一方向に制限し、逆流を防止するためのものである。

【0028】

配管４は、逆止弁１１の先で２つに分岐している。分岐したうちの一方はさらに２つに分岐し、分岐した先にはそれぞれ燃料タンク１２ａ、１２ｂが接続されている。配管４のうち、逆止弁１１の先で２つに分岐したうちの他方の先には、燃料供給弁１５を介して燃料電池１６が接続されている。

【0029】

燃料タンク１２ａ、１２ｂは、燃料ガスが充填される圧縮ガスタンクであり、燃料タンク１２ａ、１２ｂには、燃料タンク１２ａ、１２ｂの残圧を検出する圧力検出手段１３ａ、１３ｂがそれぞれ備えられている。

【0030】

配管４と燃料タンク１２ａ、１２ｂとの接続部には、シャットバルブ１４ａ、１４ｂがそれぞれ設けられている。シャットバルブ１４ａ、１４ｂは、燃料タンク１２ａ、１２ｂへの燃料ガスの充填や、燃料タンク１２ａ、１２ｂから燃料電池１６への燃料ガスの供給を行う際に開くものである。燃料ガスの充填時には、すべてのサブシステム１に備えられたすべてのシャットバルブ１４ａ、１４ｂが常に開く。燃料ガスの供給時には、１つのサブシステム１が備えるシャットバルブ１４ａ、１４ｂは１つずつ開く。シャットバルブ１４ａ、１４ｂの開頻度は制御装置２により燃料タンク１２ａ、１２ｂの残圧に応じて制御され、対応する燃料タンクの残圧が高いシャットバルブほど開頻度が高い。これにより、１つのサブシステム１における２つの燃料タンク１２ａ、１２ｂは、残圧が互いにほぼ等しくなる。燃料ガスの供給時には、燃料供給弁１５も開き、燃料ガスが燃料タンク１２ａ、１２ｂから燃料電池１６へ移動するようになる。

【0031】

燃料電池１６は、負荷６、二次バッテリ１８等の電気負荷に供給される電気エネルギを発生させるものであり、本実施形態では、固体高分子電解質型燃料電池を採用している。

【0032】

より具体的には、燃料電池１６は、基本単位となる燃料電池セル１６ａが複数積層され、電気的に直列に接続されて構成された燃料電池スタックである。各燃料電池セル１６ａでは、以下に示すように、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気（酸素）の電気化学反応により電気エネルギが出力される。

【0033】

（負極側）Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（正極側）２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
燃料電池１６から出力された電力は、ＰＣＵ１７を介して負荷６および二次バッテリ１８に供給され、モータの駆動等に用いられる。

【0034】

ＰＣＵ１７は、燃料電池１６から二次バッテリ１８あるいは二次バッテリ１８から燃料電池１６への電力の流れを制御するもので、電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能となっている。これにより、燃料電池１６から発生した電力が負荷６に必要な電力より多い場合には、余剰分の電力が二次バッテリ１８に貯蔵される。また、燃料電池１６から発生した電力が不足している場合には、二次バッテリ１８はＰＣＵ１７に電力を出力し、電力の不足を補う。また、ＰＣＵ１７は、負荷６に電気的に接続されており、燃料電池１６から発生した電力を変換して負荷６へ送る。また、ＰＣＵ１７は、燃料電池１６から取り出す電力の大きさを調整することで燃料電池１６の出力を制御する機能を備えており、本発明の出力制御手段に相当する。

【0035】

つぎに、図２を用いて、本実施形態の燃料電池システム１００の動作について説明する。運転手がアクセル操作等を行うと、アクセル開度等に応じた信号が制御装置２に入力される。制御装置２は、入力された信号と、負荷６を構成する車両走行用電動モータ等の負荷の大きさに基づいて、燃料電池システム１００全体が出力する電力の目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}を算出する。その後、制御装置２は圧力検出手段１３ａ−１、１３ｂ−１、１３ａ−２、１３ｂ−２からの入力に基づいて、サブシステム１−１、１−２への要求出力、つまり、サブシステム１−１、１−２に出力させる電力の目標値を繰り返し決定する。

【0036】

具体的には、図２のように決定する。制御装置２は、まず、圧力検出手段１３ａ、１３ｂからの入力に基づいて、２つのサブシステム１における残圧の差を算出し、差の絶対値を圧力差ΔＰとする。ここでは、サブシステム１−１が備える２つの燃料タンク１２ａ−１、１２ｂ−１の残圧の平均を、サブシステム１−１における残圧とする。また、サブシステム１−２が備える２つの燃料タンク１２ａ−２、１２ｂ−２の残圧の平均を、サブシステム１−２における残圧とする。２つのサブシステム１−１、１−２のうち、残圧の高い方が本発明の第１サブシステムに相当し、残圧の低い方が本発明の第２サブシステムに相当する。

【0037】

制御装置２は、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}と圧力差ΔＰを用いて、サブシステム１−１、１−２への要求出力を算出する。具体的には、ステップＳ１において、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}の半分を、残圧が高い方のサブシステムへの補正前の要求出力とする。また、ステップＳ２において、圧力差ΔＰに基づいて補正率ｋを算出する。ここでは、ｋ＝ｋ_０ΔＰとする。

【0038】

ここで、補正割合ｋ_０は、燃料タンク１２ａ、１２ｂの容量、最大圧力、燃料電池１６の出力性能等により適宜設定されるものである。例えば、最大圧力７０ＭＰａの燃料タンク１２ａ、１２ｂと最大出力１００ｋＷの燃料電池１６を用いる場合、圧力差１ＭＰａあたり補正率１０％というように補正割合ｋ_０をあらかじめ設定しておく。この場合、ｋ_０＝０．１［ＭＰａ^−１］である。

【0039】

制御装置２は、ステップＳ３において、各サブシステムへの補正後の要求出力がサブシステムの所定の最大出力Ｐ_ｍａｘを超えたり、負になったりしないように、補正率ｋの範囲を制限する。具体的には、補正率ｋはｋ_０ΔＰ、１、ｋ_ｍａｘのうち最小の値になる。ここで、ｋ_ｍａｘは、残圧が高い方のサブシステムへの補正後の要求出力がＰ_ｍａｘとなるｋであり、ｋ_ｍａｘ＝２Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_{ｔｏｔａｌ}−１である。

【0040】

制御装置２は、ステップＳ４において、残圧が高い方のサブシステムへの補正前の要求出力に、算出した補正率分を加えた出力を、残圧が高い方のサブシステムへの要求出力とする。また、ステップＳ５において、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}から、残圧が高い方のサブシステムへの補正後の要求出力を引いた出力を、残圧が低い方のサブシステムへの要求出力とする。

【0041】

これにより、２つのサブシステム１−１、１−２のうち、燃料タンクの残圧が高い方への要求出力をＰ_ｒｅｑ１、残圧が低い方への要求出力をＰ_ｒｅｑ２とすると、Ｐ_ｒｅｑ１＝（１＋ｋ）Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／２、Ｐ_ｒｅｑ２＝（１−ｋ）Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／２となる。

【0042】

つまり、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}の半分を各サブシステムへの補正前の要求出力としたとき、Ｐ_ｒｅｑ１は、補正前の要求出力に補正率分を加えたものであり、Ｐ_ｒｅｑ２は、補正前の要求出力から補正率分を引いたものである。

【0043】

制御装置２は、サブシステム１−１、１−２への要求出力を決定すると、決定した要求出力に応じた信号をサブシステム１−１、１−２のＰＣＵ１７−１、１７−２に出力する。ＰＣＵ１７−１、１７−２は、制御装置２からの入力に応じて、燃料電池１６−１、１６−２の出力が要求出力と等しくなるように、燃料電池１６−１、１６−２の出力を制御する。

【0044】

このように、本実施形態では、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}の半分を各サブシステムへの補正前の要求出力とし、各サブシステムへの補正前の要求出力に補正率分を加えたものを残圧が高い方のサブシステムへの要求出力Ｐ_ｒｅｑ１としている。また、各サブシステムへの補正前の要求出力から補正率分を引いたものを残圧が低い方のサブシステムへの要求出力Ｐ_ｒｅｑ２としている。そのため、残圧が高い方のサブシステムは発電量が多くなり、燃料ガスを多く消費するので、残圧が低い方のサブシステムよりも残圧が早く低下する。これにより、２つのサブシステム１−１、１−２の圧力差ΔＰを小さくして、各サブシステムの残圧を均一化することができる。

【0045】

なお、Ｐ_ｒｅｑ１＋Ｐ_ｒｅｑ２＝Ｐ_{ｔｏｔａｌ}であるので、本実施形態では、上記の方法で残圧を調整すると同時に、燃料電池システム１００全体での要求出力を目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}に達するものとし、燃料電池システム１００全体での出力が不足することを抑制している。

【0046】

なお、本実施形態では、各サブシステムへの補正後の要求出力が負にならないように補正率ｋの範囲を制限したが、一方のサブシステムへの補正後の要求出力が０以下にならないように補正量の上限を設定してもよい。

【0047】

２つのサブシステムを有し、一方のサブシステムの燃料消費が他方のサブシステムよりも大きい燃料電池システムにおいて、各サブシステムへの要求出力を上記の方法で補正する場合と、要求出力を補正しない場合における圧力差の変化を図３に示す。

【0048】

図３に示すように、初期状態において２つのサブシステム間に圧力差がなく、要求出力を補正しない場合、運転時間の経過にしたがってサブシステム間の圧力差が増加した。これに対し、初期状態において圧力差がなく、要求出力を補正する場合、圧力差の増加量は補正しない場合に比べて小さくなった。また、初期状態で圧力差があり、要求出力を補正する場合、運転時間の経過にしたがってサブシステム間の圧力差は小さくなった。このように、本実施形態の燃料電池システム１００で用いる要求出力の補正方法により、サブシステム間の圧力差を一定量以下に抑えることができた。

【0049】

ステーションから燃料タンクへ燃料ガスを充填するとき、ステーションは供給圧を徐々に上げて、燃料ガスが入り始めたときの圧力を検知し、充填時の断熱圧縮に伴う温度上昇を考慮して目標充填圧を決定する。例えば残圧の差がある２本のタンクに燃料ガスを充填する場合、最初は低圧側の燃料タンクのみに燃料ガスが入り始める。このとき、充填口からは高圧側の燃料タンクの圧力を検知できない。

【0050】

この状態で充填を続けると、２本の燃料タンクの残圧が等しくなった時点で高圧側だった燃料タンクにも燃料ガスが入り始め、均等に残圧が上昇し始める。このとき、充填開始時に低圧側だった燃料タンクは、充填時の断熱圧縮に伴い充填開始時よりも温度が上昇している。一方、高圧側だった燃料タンクは温度上昇していない。

【0051】

そのため、２本の燃料タンクの残圧が等しくなった時点では、高圧側だった燃料タンクは、低圧側だった燃料タンクよりも温度が低いためにＳＯＣが高い状態にある。しかし、目標充填圧は、低圧側だった燃料タンクに燃料ガスが入り始めたときの圧力に基づいて決められている。そのため、２つの燃料タンクの残圧が目標充填圧に達したとき、低圧側だった燃料タンクのＳＯＣが１００％以下になるようにしていたとしても、同一圧力でより温度の低い高圧側だった燃料タンクのＳＯＣが１００％を超えてしまうおそれがある。

【0052】

このように、燃料タンクの残圧に差が生じた状態で燃料ガスの充填を行うと、残圧が高い燃料タンクのＳＯＣが１００％を超えてしまうおそれがある。これに対し、本実施形態では、燃料電池システムの運転中に、上記の方法で各サブシステムの燃料タンクの残圧を制御し、複数のサブシステム間で燃料タンクの残圧に差が生じることを抑制した。

【0053】

本実施形態の燃料電池システム１００では、各サブシステムにおける燃料タンクの残圧に応じて各サブシステムへの要求出力を決定することにより、サブシステム間の要求出力に差を生じさせている。そのため、要求出力の決定の際に補機消費電力や燃料電池１６の劣化を考慮する必要がない。これにより、簡単な構成で、独立した各サブシステムの燃料消費量を調整し、各燃料タンクから消費された燃料の量を均一化して、各燃料タンクの残圧を均一化できる。また、簡単な構成であるため、燃料電池システムの製造コスト等の削減を図ることができる。

【0054】

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図４ないし図６を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してサブシステムの数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

【0055】

本実施形態の燃料電池システム１００は、２つ以上、より典型的には３つ以上のサブシステムを備えている。本実施形態の燃料電池システム１００が備えるサブシステムの数をＮとする。ただし、Ｎは２以上の整数である。

【0056】

図４では、サブシステム群に含まれるＮ個のサブシステムをそれぞれサブシステム１−１、１−２、・・・、１−Ｎとし、ｍを１以上Ｎ以下の整数とし、各サブシステムが備える構成のうち、特にサブシステム１−ｍが備えるものを符号に−ｍを付して表している。

【0057】

図５、図６を用いて、本実施形態における燃料電池システム１００の動作のうち、第１実施形態と異なる部分について説明する。本実施形態の制御装置２は、図５の要求出力算出処理を繰り返し実行することで、各サブシステムに対する要求出力を繰り返し決定する。

【0058】

制御装置２が要求出力の算出処理を開始すると、制御装置２はステップＳ１１に進む。制御装置２は、ステップＳ１１において、すべてのサブシステム１−１、１−２、・・・、１−Ｎのうち、ｎ番目に燃料タンクの残圧が高いものをｎ番目のサブシステムとして、ステップＳ１２に進む。

【0059】

すべてのサブシステム１−１、１−２、・・・、１−Ｎの残圧が等しい場合を除けば、少なくとも１番目のサブシステムが本発明の第１サブシステムに相当し、少なくともＮ番目のサブシステムが本発明の第２サブシステムに相当する。また、サブシステム群に属する２つのサブシステムに着目したとき、それらの間で燃料タンクの残圧に差があれば、残圧の高い方が本発明の第１サブシステムに相当し、残圧の低い方が本発明の第２サブシステムに相当する。制御装置２は、ステップＳ１２において、ｎ＝１として、ステップＳ１３に進む。

【0060】

制御装置２は、ステップＳ１３において、ｎ番目のサブシステムへの要求出力を決定する。具体的には、制御装置２は、ステップＳ１３に進むと、ステップＳ２１に進み、ｎ＝１か否かの判定を行い、ｎ＝１であればステップＳ２２に進む。制御装置２は、ステップＳ２２において、ｎ番目のサブシステムへの要求出力Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）を、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}をＮで割った値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}／Ｎとし、ステップＳ２４に進む。

【0061】

ステップＳ２１においてｎ＝１でなければ、制御装置２はステップＳ２３に進む。制御装置２は、ステップＳ２３において、要求出力Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）を、要求出力を補正したサブシステムへの要求出力の和を、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}から引いたものを、要求出力を補正していない残りのサブシステムの数で割った値とする。つまり、制御装置２は、Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）＝（Ｐ_{ｔｏｔａｌ}−ΣＰ’_ｒｅｑ）／（Ｎ−ｎ＋１）とし、ステップＳ２４に進む。ここで、ΣＰ’_ｒｅｑは、Ｐ’_ｒｅｑ（１）からＰ’_ｒｅｑ（ｎ−１）までの和を表し、Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）は、ｎ番目のサブシステムへの補正後の要求出力である。

【0062】

制御装置２は、ステップＳ２４〜Ｓ２７において、ｎ番目のサブシステムにおける燃料タンクの残圧と、ｎ＋１番目からＮ番目のサブシステムにおける燃料タンクの残圧との関係に基づいて、補正後の要求出力Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）を決定する。

【0063】

制御装置２は、ステップＳ２４において、ｎ番目のサブシステムにおける燃料タンクの残圧Ｐ（ｎ）から、ｎ番目からＮ番目のサブシステムにおける燃料タンクの残圧の平均を引いて、圧力差ΔＰ（ｎ）を求め、ステップＳ２５に進む。

【0064】

制御装置２は、ステップＳ２５において、圧力差ΔＰ（ｎ）に基づいて補正率ｋを算出する。ここでは、ｋ＝ｋ_０ΔＰ（ｎ）とする。

【0065】

ここで、圧力差ΔＰ（ｎ）を基準圧力下における燃料タンクの充填率に換算したものを充填率の差ΔＳＯＣ（ｎ）とし、充填率の差ΔＳＯＣ（ｎ）１％あたり補正率ｋが０．０５以上０．３０以下となるように補正割合ｋ_０を定めてもよい。基準圧力は、例えば、標準状態における圧力である。

【0066】

制御装置２は、補正率ｋを算出した後、ステップＳ２６に進む。制御装置２は、ステップＳ２６において、ｎ番目からＮ番目のサブシステムへの補正後の要求出力Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）〜Ｐ’_ｒｅｑ（Ｎ）が、ｎ番目からＮ番目のサブシステムの出力範囲を超えないように、補正率ｋの範囲を制限する。

【0067】

具体的には、ｎ番目のサブシステムへの補正後の要求出力Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）が０以上Ｐ_ｍａｘ以下となり、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}−ΣＰ’_ｒｅｑが０以上（Ｎ―ｎ）Ｐ_ｍａｘ以下となるように、補正率ｋの範囲を制限する。ここで、ΣＰ’_ｒｅｑは、Ｐ’_ｒｅｑ（１）からＰ’_ｒｅｑ（ｎ）までの和を表し、Ｐ_ｍａｘは、所定の最大出力である。

【0068】

これにより、補正率ｋは、ｋ_０ΔＰ（ｎ）、Ｎ−ｎ、ｋ_ｍａｘのうち最小のものとなる。ここで、ｋ_ｍａｘは、ｎ番目のサブシステムへの補正後の要求出力Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）が最大出力Ｐ_ｍａｘとなるｋであり、ｋ_ｍａｘ＝Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）−１である。

【0069】

また、補正率ｋの下限を、ｋ_ｍｉｎとする。ｋ_ｍｉｎは、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}−ΣＰ’_ｒｅｑ＝（Ｎ―ｎ）Ｐ_ｍａｘとなるｋであり、ｋ_ｍｉｎ＝（Ｎ−ｎ）｛１−Ｐ_ｍａｘ／Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）｝である。ここで、ΣＰ’_ｒｅｑは、Ｐ’_ｒｅｑ（１）からＰ’_ｒｅｑ（ｎ）までの和を表す。

【0070】

補正率ｋがＮ−ｎのとき、後述のステップＳ２７においてＰ’_ｒｅｑ（ｎ）＝（Ｎ−ｎ＋１）Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）となり、ｎ＋１番目のサブシステムについてのステップＳ２３において、Ｐ_ｒｅｑ（ｎ＋１）＝０となり、ステップＳ２７においてＰ’_ｒｅｑ（ｎ＋１）＝０となる。同様に、Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ＋２）〜Ｐ’_ｒｅｑ（Ｎ）も０となる。

【0071】

このように補正率ｋの範囲を制限することにより、すべてのサブシステムに対する補正後の要求出力が０以上となり、最大出力Ｐ_ｍａｘ以下となる。

【0072】

制御装置２は、補正率ｋの範囲を制限した後、ステップＳ２７に進む。制御装置２は、ステップＳ２７において、要求出力の補正を行う。具体的には、ｎ番目のサブシステムへの補正後の要求出力Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）を、補正前の要求出力Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）に、圧力差ΔＰ（ｎ）に応じた補正量ｋＰ_ｒｅｑ（ｎ）の分だけ足したものとする。つまり、制御装置２は、Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）を（１＋ｋ）Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）とする。

【0073】

制御装置２は、要求出力の補正を行った後、ステップＳ１４に進む。制御装置２は、ステップＳ１４においてｎに１を加算し、ステップＳ１５に進む。制御装置２は、ステップＳ１５においてｎ＞Ｎであるか否かの判定を行い、ｎ＞Ｎであれば各サブシステムに対する要求出力の算出処理を終了し、ｎ＞ＮでなければステップＳ１３に進む。制御装置２は、このように決定した要求出力に応じた信号をＰＣＵ１７−１、１７−２、・・・、１７−Ｎに出力する。

【0074】

このように、本実施形態では、ｎ番目のサブシステムへの補正前の要求出力Ｐ_ｒｅｑ（ｎ）に、圧力差ΔＰ（ｎ）に応じた補正率分を加えたものを、ｎ番目のサブシステムへの要求出力Ｐ’_ｒｅｑ（ｎ）としている。そのため、残圧が高いサブシステムの発電量が多くなり、燃料ガスを多く消費するので、残圧が低い他のサブシステムよりも残圧が早く低下する。これにより、複数のサブシステムの圧力差を小さくして、各サブシステムの残圧を均一化することができる。

【0075】

また、Ｐ’_ｒｅｑ（１）〜Ｐ’_ｒｅｑ（Ｎ）の和は目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}と等しい。これにより、本実施形態においても、上記の方法で残圧を調整すると同時に、燃料電池システム１００全体での要求出力を目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}に達するものとし、燃料電池システム１００全体での出力が不足することを抑制している。

【0076】

本実施形態においても、各サブシステムの燃料タンクの残圧に応じて各サブシステムへの要求出力を決定するため、簡単な構成で各サブシステムの燃料タンクの残圧を均一化することができる。また、燃料電池システムの製造コスト等の削減を図ることができる。

【0077】

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

【0078】

例えば、上記第１実施形態では、各サブシステムが２つの燃料タンク１２ａ、１２ｂを備えているが、各サブシステムが１つ、または３つ以上の燃料タンクを備えていてもよい。

【0079】

また、上記第１実施形態では、ＰＣＵ１７が制御装置２からの信号に応じて燃料電池１６の出力を制御しているが、制御装置２が要求出力に基づいて燃料供給弁１５を操作し、燃料ガスの供給量を調整して、燃料電池１６の出力を制御してもよい。この場合、制御装置２および燃料供給弁１５が本発明の出力制御手段に相当する。

【0080】

また、上記第１、第２実施形態では、残圧の高いサブシステムから順に要求出力を算出しているが、結果的に残圧が高いサブシステムほど要求出力が大きくなれば、要求出力の算出方法はこれに限らない。例えば、残圧の低いサブシステムから順に処理してもよい。また、未処理のサブシステムの残圧の平均と、未処理の各サブシステムの残圧との差を求め、未処理のサブシステムのうち、求めた差の絶対値が最も大きいサブシステムを処理してもよい。この場合、上記第２実施形態と異なり、圧力差ΔＰ（ｎ）が０未満になることがあるが、圧力差ΔＰ（ｎ）が０未満のときには、補正量ｋＰ_ｒｅｑ（ｎ）も０未満となる。上記第２実施形態において、残圧の低いサブシステムから順に処理する場合、ステップＳ２６において、補正率ｋを、ｋ_０ΔＰ（ｎ）、−１、ｋ_ｍｉｎのうち最大のものとすればよい。ここで、ｋ_ｍｉｎは、Ｐ_{ｔｏｔａｌ}−ΣＰ’_ｒｅｑ＝（Ｎ―ｎ）Ｐ_ｍａｘとなるｋであり、ΣＰ’_ｒｅｑは、Ｐ’_ｒｅｑ（１）からＰ’_ｒｅｑ（ｎ）までの和を表す。

【0081】

また、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}以外のものに基づいて補正することで各サブシステムの燃料タンクの残圧を均一化してもよい。例えば、燃料電池システム１００に入力されたアクセル開度や、要求電流に基づいて補正を行ってもよい。

【0082】

また、サブシステムの許容範囲、つまり、サブシステムへの要求出力が所定の最大出力Ｐ_ｍａｘを超えない範囲において、燃料タンクの残圧がすべてのサブシステムにおける残圧の平均より高いサブシステムのみに電力を出力させるような補正率ｋを用いてもよい。

【0083】

また、補正率ｋは圧力差ΔＰ、ΔＰ（ｎ）に対して非線形であってもよく、補正率ｋを圧力差ΔＰ、ΔＰ（ｎ）に対するマップによって定めてもよい。例えば、補正率ｋを圧力差ΔＰ、ΔＰ（ｎ）の範囲によってステップ状に定めてもよい。また、一定の範囲において補正率ｋの上限、下限を設けてもよい。

【0084】

また、圧力差ΔＰ、ΔＰ（ｎ）以外の条件によって補正率ｋを動的に変化させてもよい。例えば、圧力差ΔＰ、ΔＰ（ｎ）が一定のとき、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が大きいほど補正率ｋが大きくなるようにしてもよいし、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が小さいほど補正率ｋが大きくなるようにしてもよい。サブシステムの残圧の変動量は目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が小さいほど小さいため、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が小さい運転が続くと補正に時間がかかる。一方、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が大きいと補正も早まるが、燃料電池は高出力で運転すると補機類の電力消費も大きくなるため、発電効率は低下する。そこで、低負荷運転が多い燃料電池システムでは目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が小さいほどｋが大きくなるような補正をすれば補正を早めることができる。また、低負荷から高負荷まで使用するような燃料電池システムでは、目標値Ｐ_{ｔｏｔａｌ}が大きいほど補正率ｋが大きくなるようにすれば、補正を早めることができる。

【符号の説明】

【0085】

１−１ サブシステム
２ 制御装置
１２ａ−１ 燃料タンク
１３ａ−１ 圧力検出手段
１６−１ 燃料電池
１７−１ ＰＣＵ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】