特開 2023-178992 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023178992

(43)【公開日】2023-12-19

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20231212BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20231212BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20231212BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/04537

H01M8/12 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022091959

(22)【出願日】2022-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000000011

【氏名又は名称】株式会社アイシン

(74)【代理人】

【識別番号】110000017

【氏名又は名称】弁理士法人アイテック国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】楠田 一平

(72)【発明者】

【氏名】安藤 泰明

(72)【発明者】

【氏名】安田 まちよ

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB06

5H127AA07

5H127AB23

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA13

5H127BA18

5H127BA33

5H127BA34

5H127BA37

5H127BA57

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB19

5H127BB27

5H127BB37

5H127DB69

5H127DC42

5H127DC45

5H127DC89

5H127EE02

5H127EE03

5H127EE29

5H127EE30

5H127GG04

5H127GG09

(57)【要約】

【課題】出力電力と目標出力電力とに基づくフィードバック制御を速度型で行うものにおいて、目標出力電力の変化に伴う出力電力の過剰な変化を抑制する。
【解決手段】燃料電池を備える燃料電池システムは、燃料電池の発電出力を負荷に供給可能な電力に変換して出力する電力変換装置と、電力変換装置の目標出力電力を設定し、電力変換装置の出力電力が目標出力電力となるようにフィードバック制御により設定した操作量に基づいて電力変換装置を制御する制御装置と、を備える。フィードバック制御は、出力電力から目標出力電力を減じて偏差を算出し、偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じた比例項を含む変化量を演算し、変化量を操作量の前回値に加えて操作量を設定する速度型であり、制御装置は、目標出力電力の変化速度を抑制するように、目標出力電力を設定する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電出力を負荷に供給可能な電力に変換して出力する電力変換装置と、
前記電力変換装置の目標出力電力を設定し、該電力変換装置の出力電力が前記目標出力電力となるようにフィードバック制御により設定した操作量に基づいて前記電力変換装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記フィードバック制御は、前記出力電力から前記目標出力電力を減じて偏差を算出し、該偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じた比例項を含む変化量を演算し、該変化量を前記操作量の前回値に加えて前記操作量を設定する速度型であり、
前記制御装置は、前記目標出力電力の変化速度を抑制するように、該目標出力電力を設定する、
燃料電池システム。

【請求項2】

前記制御装置は、前記負荷の消費電力と、前記出力電力に所定値を加えた電力とのうち小さい方を前記目標出力電力に設定する、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電出力を負荷に供給可能な電力に変換して出力する電力変換装置と、
前記負荷の消費電力に基づいて前記電力変換装置の目標出力電力を設定し、該電力変換装置の出力電力が前記目標出力電力となるようにフィードバック制御により設定した操作量に基づいて前記電力変換装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記フィードバック制御は、前記出力電力から前記目標出力電力を減じて偏差を算出し、該偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じた比例項を含む変化量を演算し、該変化量を前記操作量の前回値に加えて前記操作量を設定する速度型であり、
前記制御装置は、前記目標出力電力が減少した場合、前記偏差の前回値として実際の値よりも絶対値の小さな値を前記偏差の今回値から減じる、
燃料電池システム。

【請求項4】

前記制御装置は、実際の値よりも絶対値の小さな値を値０とする、
請求項３に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、この種の燃料電池システムとしては、燃料ガスとエアとにより発電する燃料電池と、燃料電池の発電出力を負荷に供給可能な電力に変換して出力する電力変換装置とを備えるものが知られている。例えば、特許文献１には、電力変換装置の出力電力が負荷の消費電力に応じた電力となるように目標出力電力を定めてフィードバック制御を行うものにおいて、燃料電池の保護のために出力電力の上昇速度を制限することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平７－５７７５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述した燃料電池システムのように、出力電力の上昇速度を制限すると、出力電力が目標出力電力に到達するまでの時間が比較的長時間となる場合がある。その場合、フィードバック制御として位置型ＰＩ制御を行うと、積分項（Ｉ項）が大きくなりいわゆるワインドアップが発生するため、積分値のリセット処理が必要となる。そのようなワインドアップの防止やリセット処理を不要とするために、速度型ＰＩ制御を行うことが考えられる。速度型ＰＩ制御では、出力電力から目標出力電力を減じて偏差を算出し、当該偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じて比例項が算出される。このため、例えば消費電力の変動に伴って目標出力電力が大きく低下（変化）して上記偏差の今回値が前回値に比して一気に小さくなると、偏差の前回値の影響が過剰に作用して比例項が大きくなり、ひいては出力電力が大きく低下してしまうことがある。

【0005】

本開示は、出力電力と目標出力電力とに基づくフィードバック制御を速度型で行うものにおいて、目標出力電力の変化に伴う出力電力の過剰な変化を抑制することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

【0007】

本開示の第１の燃料電池システムは、
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電出力を負荷に供給可能な電力に変換して出力する電力変換装置と、
前記電力変換装置の目標出力電力を設定し、該電力変換装置の出力電力が前記目標出力電力となるようにフィードバック制御により設定した操作量に基づいて前記電力変換装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記フィードバック制御は、前記出力電力から前記目標出力電力を減じて偏差を算出し、該偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じた比例項を含む変化量を演算し、該変化量を前記操作量の前回値に加えて前記操作量を設定する速度型であり、
前記制御装置は、前記目標出力電力の変化速度を抑制するように、該目標出力電力を設定することを要旨とする。

【0008】

本開示の第１の燃料電池システムでは、電力変換装置の出力電力から目標出力電力を減じて偏差を算出し、偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じた比例項を含む変化量を演算し、変化量を操作量の前回値に加えることで設定した操作量に基づいて電力変換装置を制御する。また、目標出力電力の変化速度を抑制するように、目標出力電力を設定する。これにより、目標出力電力が急激に変化するのを防止して出力電力と目標出力電力との偏差を小さくするから、比例項を含む変化量が大きく変化するのを防止することができる。このため、操作量の急激な変化を防止して、電力変換装置の出力電力が過剰に変化するのを防止することができる。

【0009】

本開示の第１の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記負荷の消費電力と、前記出力電力に所定値を加えた電力とのうち小さい方を前記目標出力電力に設定するものとしてもよい。こうすれば、偏差を所定値の範囲内に収めて、電力変換装置の出力電力が過剰に変化するのを簡易な処理で防止することができる。

【0010】

本開示の第２の燃料電池システムは、
燃料電池を備える燃料電池システムであって、
前記燃料電池の発電出力を負荷に供給可能な電力に変換して出力する電力変換装置と、
前記負荷の消費電力に基づいて前記電力変換装置の目標出力電力を設定し、該電力変換装置の出力電力が前記目標出力電力となるようにフィードバック制御により設定した操作量に基づいて前記電力変換装置を制御する制御装置と、
を備え、
前記フィードバック制御は、前記出力電力から前記目標出力電力を減じて偏差を算出し、該偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じた比例項を含む変化量を演算し、該変化量を前記操作量の前回値に加えて前記操作量を設定する速度型であり、
前記制御装置は、前記目標出力電力が減少した場合、前記偏差の前回値として実際の値よりも絶対値の小さな値を前記偏差の今回値から減じることを要旨とする。

【0011】

本開示の第２の燃料電池システムでは、電力変換装置の出力電力から目標出力電力を減じて偏差を算出し、偏差の今回値から前回値を減じた差分に比例ゲインを乗じた比例項を含む変化量を演算し、変化量を操作量の前回値に加えることで設定した操作量に基づいて電力変換装置を制御する。また、目標出力電力が減少した場合、偏差の前回値として実際の値よりも絶対値の小さな値を偏差の今回値から減じる。これにより、目標出力電力が減少しても、偏差の今回値から前回値を減じた差分が大きく変化するのを防止することができる。このため、操作量の急激な変化を防止して、電力変換装置の出力電力が過剰に変化するのを防止することができる。

【0012】

本開示の第２の燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、実際の値よりも絶対値の小さな値を値０とするものとしてもよい。こうすれば、目標出力電力が減少した場合に差分が大きく変化するのを確実に防止して、電力変換装置の出力電力が過剰に変化するのを簡易な処理で防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。

【図2】制御装置９０の機能の一例を示すブロック図である。

【図3】出力制限の有無による出力電力Ｐの上昇速度の違いを示す説明図である。

【図4】目標電力設定処理の一例を示すフローチャートである。

【図5】本実施形態における消費電力Ｐｃｏｎと目標電力Ｐｔａｇと出力電力Ｐの推移の一例を示す説明図である。

【図6】比較例における消費電力Ｐｃｏｎと目標電力Ｐｔａｇと出力電力Ｐの推移の一例を示す説明図である。

【図7】比例項演算処理の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

次に、本開示の実施の形態を図面を用いて説明する。図１は、燃料電池システム１０の構成の概略を示す構成図である。本実施形態の燃料電池システム１０は、図示するように、アノードガス中の水素とカソードガス中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池スタック２１を含む発電モジュール２０と、発電モジュール２０にアノードガスの原料となる原燃料ガス（例えば天然ガスやＬＰガス）を供給する原燃料ガス供給装置３０と、発電モジュール２０に原燃料ガスからアノードガスへの改質（水蒸気改質）に必要な改質水を供給する改質水供給装置４０と、発電モジュール２０（燃料電池スタック２１）にカソードガスとしてのエアを供給するエア供給装置５０と、発電モジュール２０において発生した排熱を回収する排熱回収装置６０と、システム全体をコントロールする制御装置９０と、を備える。

【0015】

発電モジュール２０は、燃料電池スタック２１や、気化器２２、改質器２３、燃焼器２４、複数（２つ）の熱交換器２６，２７を含み、これらは、断熱性を有するモジュールケース２９に収容されている。

【0016】

燃料電池スタック２１は、酸化ジルコニウム等の電解質と当該電解質を挟持するアノードおよびカソードとをそれぞれ有する複数の固体酸化物形の単セルを備える。各単セルのアノードには、アノードガスが流れるアノードガス通路が接続されている。また、各単セルのカソードには、カソードガスが流れるカソードガス通路が接続されている。燃料電池スタック２１の近傍には、温度センサ１１２が設置されている。温度センサ１１２は、燃料電池スタック２１の温度に相関する温度（スタック相関温度）を検出する。

【0017】

発電モジュール２０の気化器２２および改質器２３は、モジュールケース２９内の燃料電池スタック２１の上方に間隔をおいて配設される。また、燃料電池スタック２１と気化器２２および改質器２３との間には、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２および改質器２３での反応に必要な熱を発生させる燃焼器２４が配設される。

【0018】

気化器２２は、燃焼器２４からの熱により原燃料ガス供給装置３０からの原燃料ガスと改質水供給装置４０からの改質水とを加熱し、原燃料ガスを予熱すると共に改質水を蒸発させて水蒸気を生成する。気化器２２により予熱された原燃料ガスは、水蒸気と混合され、その混合ガスは、当該気化器２２から改質器２３に流入する。また、改質器２３の入口付近には、当該改質器２３に流入する混合ガスの温度を検出する温度センサ１１１が設置されている。

【0019】

改質器２３は、その内部に充填された例えばＲｕ系またはＮｉ系の改質触媒を有し、燃焼器２４からの熱の存在下で、改質触媒による気化器２２からの混合ガスの反応（水蒸気改質反応）によって水素ガスと一酸化炭素とを生成する。更に、改質器２３は、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気との反応（一酸化炭素シフト反応）によって水素ガスと二酸化炭素とを生成する。これにより、改質器２３によって、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の原燃料ガス等を含むアノードガスが生成されることになる。改質器２３により生成されたアノードガスは、アノードガス配管７１を通って各単セルのアノードガス通路へ流入し、アノードに供給される。

【0020】

また、カソードガスとしてのエアは、カソードガス配管７２を介して各単セルのカソードガス通路へ流入し、カソードに供給される。各単セルのカソードでは、酸化物イオン（Ｏ^2-）が生成され、当該酸化物イオンが電解質を透過してアノードで水素や一酸化炭素と反応することにより電気エネルギが得られる。

【0021】

各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったアノードガス（以下、「アノードオフガス」という）は、アノードオフガス配管７３を通って凝縮器６２に供給され、凝縮器６２により冷却させられてアノードオフガスに含まれる水蒸気の少なくとも一部が除去された後、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。アノードオフガス配管７３，７４には熱交換器２６が設置され、アノードオフガス配管７４を流れるアノードオフガス（凝縮器６２を通過した後のアノードオフガス）は、熱交換器２６において燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れる高温のアノードオフガス（凝縮器６２を通過する前のアノードオフガス）との熱交換により昇温させられる。また、各単セルにおいて電気化学反応（発電）に使用されなかったカソードガス（以下、「カソードオフガス」という）は、カソードオフガス配管７５を通って燃焼器２４に供給される。

【0022】

燃焼器２４に流入したアノードオフガスは、水素や一酸化炭素等の燃料成分を含む可燃性ガスであり、燃焼器２４に流入した酸素を含むカソードオフガスと混合される。そして、燃焼器２４で混合ガスが燃焼することにより、燃料電池スタック２１の作動や、気化器２２での原燃料ガスの予熱や水蒸気の生成、改質器２３での水蒸気改質反応等に必要な熱が発生することになる。また、燃焼器２４では、未燃燃料を含む燃焼排ガスが生成され、当該燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管７６を通り、熱交換器２７および燃焼触媒２８を経て外気へ排出される。燃焼触媒２８は、燃焼排ガス中の未燃燃料を再燃焼させるための酸化触媒である。

【0023】

原燃料ガス供給装置３０は、原燃料ガスを供給する原燃料供給源１と気化器２２とを接続する原燃料ガス供給管３１と、当該原燃料ガス供給管３１に設置された開閉弁（２連弁）３２，３３、ガスポンプ３６および脱硫器３８とを有する。原燃料ガスは、ガスポンプ３６を作動させることで、原燃料供給源１から脱硫器３８を介して気化器２２へと圧送（供給）される。また、原燃料ガス供給管３１には、原燃料ガス供給管３１を流れる原燃料ガスの単位時間当りの流量を検出する流量センサ３９が設置されている。

【0024】

改質水供給装置４０は、改質水を貯留する改質水タンク４２と、改質水タンク４２と気化器２２とを接続する改質水供給管４１と、改質水供給管４１に設置された改質水ポンプ４３と、を有する。改質水タンク４２内の改質水は、改質水ポンプ４３を作動させることで、当該改質水ポンプ４３により気化器２２へと圧送（供給）される。改質水供給管４１には、改質水供給管４１を流れる改質水の単位時間当りの流量を検出する流量センサ４５が設置されている。

【0025】

エア供給装置５０は、モジュールケース２９内に設置されたカソードガス配管７２に接続されるエア供給管５１と、エア供給管５１の入口に設けられたエアフィルタ５２と、エア供給管５１に設置されたエアポンプ５３と、を有する。エアポンプ５３を作動させることで、カソードガスとしてのエアは、エアフィルタ５２を介してエア供給管５１に吸引され、カソードガス配管７２を通って燃料電池スタック２１（カソード）へと圧送（供給）される。カソードガス配管７２を流れるエアは、熱交換器２７において燃焼排ガス配管７６を流れる高温の燃焼排ガスと熱交換されて昇温させられる。

【0026】

排熱回収装置６０は、湯水を貯留する貯湯タンク６１と、燃料電池スタック２１からアノードオフガス配管７３を流れるアノードオフガスと湯水とを熱交換してアノードオフガス中に含まれる水蒸気を凝縮させる凝縮器６２と、貯湯タンク６１と凝縮器６２とに接続された循環配管６３と、循環配管６３に組み込まれた循環ポンプ６４と、を有する。貯湯タンク６１内に貯留されている湯水は、循環ポンプ６４を作動させることで、凝縮器６２へと導入され、凝縮器６２でアノードオフガスとの熱交換によって昇温させられた後、貯湯タンク６１へと返送される。

【0027】

また、凝縮器６２におけるアノードオフガス側の通路出口には、凝縮水配管４４とアノードオフガス配管７４とが接続されており、アノードオフガス中の水蒸気が貯湯タンク６１からの湯水との熱交換により凝縮することにより得られた凝縮水は、凝縮水配管４４を通って改質水タンク４２内に導入される。なお、改質水タンク４２には、凝縮水配管４４を通過した凝縮水を精製する図示しない水精製器が設置されている。また、上述したように、凝縮器６２において水蒸気が除去されたアノードオフガスは、アノードオフガス配管７４を通って燃焼器２４に供給される。

【0028】

燃料電池スタック２１の出力端子には、パワーコンディショナ８０の入力端子が接続され、当該パワーコンディショナ８０の出力端子は、リレーを介して電力系統２から負荷４への電力ライン３に接続されている。なお、燃料電池スタック２１に接続された電力ラインには、燃料電池スタック２１から出力されるスタック電流Ｉｓを検出する電流センサ１１３と、燃料電池スタック２１から出力されるスタック電圧Ｖｓを検出する電圧センサ１１４とが設置されている。

【0029】

パワーコンディショナ８０は、燃料電池スタック２１から出力された直流電力を所定電圧（例えば、ＤＣ２５０Ｖ～３００Ｖ）の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ８１や、変換された直流電力を電力系統と連系可能な電圧（例えば、ＡＣ２００Ｖ）の交流電力に変換するインバータ８２を有する。これにより、燃料電池スタック２１からの直流電力を交流電力に変換して家電製品等の負荷４に供給することが可能となる。なお、パワーコンディショナ８０（インバータ８２）に接続された電力ラインには、パワーコンディショナ８０（インバータ８２）から出力される出力電力Ｐを検出する電力センサ１１５が設置されている。また、パワーコンディショナ８０には電源基板８５が接続されている。電源基板８５は、燃料電池スタック２１からの直流電力や電力系統２からの交流電力を低圧の直流電力に変換して、ガスポンプ３６や改質水ポンプ４３、エアポンプ５３、循環ポンプ６４等の補機類、流量センサ３９，４５や温度センサ１１１，１１２、電流センサ１１３、電圧センサ１１４、電力センサ１１５等のセンサ類、制御装置９０へ供給する。また、パワーコンディショナ８０や電源基板８５等が配置される補機室には、当該パワーコンディショナ８０や電源基板８５を冷却するための図示しない冷却ファンと換気ファンとが配置されている。冷却ファンは、パワーコンディショナ８０や電源基板８５の発熱部に空気を送り込んで空気との熱交換により発熱部を冷却する。発熱部を冷却して昇温した空気は、換気ファンにより大気中に排出される。

【0030】

制御装置９０は、ＣＰＵ９１を中心としたマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ９１の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ９２や、データを一時的に記憶するＲＡＭ９３、図示しない入出力ポート等を備える。制御装置９０には、流量センサ３９，４５、温度センサ１１１，１１２、電流センサ１１３、電圧センサ１１４、電力センサ１１５，１１６等からの各種検出信号が入力ポートを介して入力されている。なお、電力センサ１１６は、負荷４に接続された電力ラインに設置され、負荷４で消費する消費電力Ｐｃｏｎを検出する。また、制御装置９０からは、開閉弁３２，３３のソレノイドや、ガスポンプ３６のポンプモータ、改質水ポンプ４３のポンプモータ、エアポンプ５３のポンプモータ、循環ポンプ６４のポンプモータ、パワーコンディショナ８０のＤＣ／ＤＣコンバータ８１やインバータ８２等への各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。また、制御装置９０には、無線式または有線式の通信回線を介して図示しないリモコンが接続される。制御装置９０は、燃料電池システム１０のユーザにより操作された当該リモコンからの信号に基づいて各種制御を実行する。

【0031】

ここで、制御装置９０は、パワーコンディショナ８０への制御信号として、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１やインバータ８２のＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号によりＤＣ／ＤＣコンバータ８１やインバータ８２の図示しないスイッチング素子をスイッチング制御する。図２は、制御装置９０の機能の一例を示すブロック図である。このブロック図では、制御装置９０の機能の一部として、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１のＰＷＭ信号を生成するためのスタック電圧Ｖｓの目標値の演算に関する機能を示す。図示するように、制御装置９０は、目標電力設定部９０ａと、出力電力取得部９０ｂと、減算部９０ｃと、ＰＩ演算部９０ｄと、加算部９０ｅと、上下限処理部９０ｆと、遅延部９０ｇと、緩変化処理部（レートリミット処理部）９０ｈとを有する。以下、各部の機能の概略を説明する。

【0032】

目標電力設定部９０ａは、負荷４の消費電力Ｐｃｏｎ等に基づいて、パワーコンディショナ８０の出力電力Ｐの目標値である目標電力（目標出力電力）Ｐｔａｇを設定するものであり、詳細な設定処理は後述する。出力電力取得部９０ｂは、電力センサ１１５により検出された出力電力Ｐを取得する。なお、パワーコンディショナ８０（インバータ８２）から出力される出力電流と出力電圧とを検出し、それらの積として算出される出力電力Ｐを取得してもよい。

【0033】

減算部９０ｃは、次式（１）により出力電力Ｐから目標電力Ｐｔａｇを減じて偏差ｅ（ｎ）を算出する。なお、目標電力Ｐｔａｇが出力電力Ｐより大きい場合、偏差ｅ（ｎ）は負の値となる。ＰＩ演算部９０ｄは、減算部９０ｃにより算出された今回の偏差ｅ（ｎ）と前回の偏差ｅ（ｎ－１）とを用いて、次式（２）により比例項（Ｐ項）を演算し、次式（３）により積分項（Ｉ項）を演算する。なお、前回の偏差ｅ（ｎ－１）が負の値の場合、次式（２）で偏差ｅ（ｎ）から前回の偏差ｅ（ｎ－１）を減じることは、偏差ｅ（ｎ）に前回の偏差ｅ（ｎ－１）の絶対値を加えることになる。また、ＰＩ演算部９０ｄは、次式（４）により比例項と積分項との和（ＰＩ項）を、操作量ｕ(ｎ)の変化量Δｕ(ｎ)として演算する。式（２），（３）中のＫｐ，Ｋｉは、それぞれ比例ゲイン、積分ゲインであり、Δｔは演算周期（例えば数ｍｓｅｃ）である。なお、ＰＩ演算部９０ｄが比例項と積分項だけでなく微分項を演算するＰＩＤ演算部として構成されてもよい。加算部９０ｅは、ＰＩ演算部９０ｄにより演算された変化量Δｕ(ｎ)を、次式（５）により前回操作量ｕ（ｎ－１）に加算して操作量ｕ（ｎ）を算出する。

【0034】

e(n)=P-Ptag ・・・(1)
P項=Kp(e(n)-e(n-1)) ・・・(2)
I項=Ki・e(n)・Δt ・・・(3)
Δu(n)=P項+I項 ・・・(4)
u(n)=u(n-1)+Δu(n) ・・・(5)

【0035】

このように、本実施形態では、変化量Δｕ（ｎ）を前回操作量ｕ（ｎ－１）に加算することにより操作量ｕ(ｎ)を算出する速度型ＰＩ制御を行う。後述するように、本実施形態では操作量ｕ(ｎ)に制限をかけるため、目標値へ収束するまでの時間が比較的長くなる場合がある。その場合、位置型ＰＩ制御では積分項（Ｉ項）が大きくなりいわゆるワインドアップが発生するため、予め条件を定めて積分値のリセット処理が必要となる。そのようなワインドアップの防止やリセット処理を不要とするため、速度型ＰＩ制御を行う。

【0036】

上下限処理部９０ｆは、加算部９０ｅにより算出された値を、所定の上限値以下で且つ所定の下限値以上に制限する処理を行う。遅延部９０ｇは、上下限処理部９０ｆにより処理された前回（一周期遅れ）の操作量ｕを保持しておき、前回の操作量ｕ（ｎ－１）として加算部９０ｅに出力する。緩変化処理部９０ｈは、前回の操作量ｕ（ｎ－１）に対する今回の操作量ｕ（ｎ）の増減の程度を制限するレートリミット処理を行うことで、操作量ｕ（ｎ）に制限をかけて出力する。

【0037】

以降は、本開示の要旨をなさないためブロックの図示は省略するが、こうして演算された値をスタック電圧Ｖｓの目標値として処理が行われる。例えば制御装置９０は、スタック電圧Ｖｓの目標値と、電圧センサ１１４により検出されたスタック電圧Ｖｓとの偏差に基づくフィードバック制御（ＰＩ制御）による演算を行い、その演算値を上下限処理などで制限してＤＣ／ＤＣコンバータ８１のデューティ（Ｄｕｔｙ）を設定する。そして、制御装置９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ８１のデューティに基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ８１のＰＷＭ信号を生成し、生成したＰＷＭ信号によりＤＣ／ＤＣコンバータ８１のスイッチング素子をスイッチング制御する。なお、目標電力Ｐｔａｇが出力電力Ｐよりも大きいために偏差ｅ（ｎ）が負の値で推移する状態では、出力電力Ｐを上げるための操作量ｕ（ｎ）として、スタック電圧Ｖｓの目標値を下げる方向の値が出力される。

【0038】

ここで、図３は、出力制限の有無による出力電力Ｐの上昇速度の違いを示す説明図であり、横軸は時間を示し、縦軸は電力を示す。図３では、負荷４の消費電力Ｐｃｏｎに応じた目標電力Ｐｔａｇ（一点鎖線）とする場合を示す。また、本実施形態の出力電力Ｐを実線で示し、レートリミット処理等の出力制限がない出力電力Ｐ’を二点鎖線で示す。図示するように、本実施形態の出力電力Ｐは、出力制限のない出力電力Ｐ’に比して消費電力Ｐｃｏｎに到達するまでに長い時間を要する。このように、出力電力Ｐの上昇速度を制限することで、燃料電池スタック２１の故障や劣化を防止して保護を図ることができるものの、出力電力Ｐが目標値（図３では消費電力Ｐｃｏｎ）に追従できていない時間が増加することになる。

【0039】

次に、制御装置９０のＣＰＵ９１が、上述した各機能により実行する処理を説明する。図４は、目標電力設定処理の一例を示すフローチャートである。この目標電力設定処理では、ＣＰＵ９１は、電力センサ１１５により検出される負荷４の消費電力Ｐｃｏｎを取得し（Ｓ１００）、電力センサ１１６により検出されるパワーコンディショナ８０の出力電力Ｐを取得する（Ｓ１１０）。

【0040】

次に、ＣＰＵ９１は、Ｓ１００で取得した消費電力Ｐｃｏｎと、Ｓ１１０で取得した出力電力Ｐに所定値αを加えた電力（Ｐ＋α）とのうち小さい方を、目標電力Ｐｔａｇに設定して（Ｓ１２０）、目標電力設定処理を終了する。なお、設定された目標電力Ｐｔａｇは、上述したように減算部９０ｃに出力される。

【0041】

ここで、図５は、本実施形態における消費電力Ｐｃｏｎと目標電力Ｐｔａｇと出力電力Ｐの推移の一例を示す説明図である。また、図６は、比較例における消費電力Ｐｃｏｎと目標電力Ｐｔａｇと出力電力Ｐの推移の一例を示す説明図である。図５では、消費電力Ｐｃｏｎを点線、目標電力Ｐｔａｇを一点鎖線、出力電力Ｐを実線で示す。また、比較例の図６では、消費電力Ｐｃｏｎに応じた目標電力Ｐｔａｇを設定するものであり、目標電力Ｐｔａｇ（消費電力Ｐｃｏｎ）を一点鎖線、出力電力Ｐを実線で示す。

【0042】

本実施形態では、上述したように、消費電力Ｐｃｏｎと、出力電力Ｐに所定値αを加えた電力（Ｐ＋α）とのうち小さい方を目標電力Ｐｔａｇに設定するから、時刻ｔ１で消費電力Ｐｃｏｎが急激に上昇しても目標電力Ｐｔａｇは出力電力Ｐより所定値αだけ大きい値で推移する（図５参照）。このため、出力電力Ｐと消費電力Ｐｃｏｎとが大きく乖離している場合でも、目標電力Ｐｔａｇの変化速度（上昇速度）を抑制するように目標電力Ｐｔａｇを設定することになり、出力電力Ｐとの偏差ｅ（ｎ）を所定値αの範囲内に収めることができる。一方、消費電力Ｐｃｏｎに応じた目標電力Ｐｔａｇを設定する比較例では、大きな偏差ｅ（ｎ）が生じている。また、目標電力Ｐｔａｇが大きくても、出力電力Ｐの上昇速度が制限されているために直ちに追従しないから、偏差ｅ（ｎ）が大きいままで推移する（図６参照）。なお、目標電力Ｐｔａｇが出力電力Ｐより大きいために偏差ｅ（ｎ）が負の値で推移する状態では、上述したように、式（２）で今回の負の偏差ｅ（ｎ）に前回の負の偏差ｅ（ｎ－１）の絶対値を加えることで、両偏差ｅ（ｎ），偏差ｅ（ｎ－１）の差分を算出して、比例項（Ｐ項）が演算される。

【0043】

このような状態において、時刻ｔ２で消費電力Ｐｃｏｎが出力電力Ｐを下回るほど急激に下降して目標電力Ｐｔａｇが出力電力Ｐよりも小さくなった場合、例えば出力電力Ｐと目標電力Ｐｔａｇとの大小関係が逆転した場合を考える。この場合、今回の偏差ｅ（ｎ）の符号が負から正に変わる。このため、上述した式（２）では、今回の正の偏差ｅ（ｎ）に前回の負の偏差ｅ（ｎ－１）の絶対値を加えることになるから、両偏差ｅ（ｎ），偏差ｅ（ｎ－１）の本来の差分が算出されずに、両偏差ｅ（ｎ），偏差ｅ（ｎ－１）（絶対値）を足し合わせた値が算出される。したがって、大きな値の比例項（Ｐ項）が演算されて、変化量Δｕひいては操作量ｕが大きな値となる。特に比較例では、前回の偏差ｅ（ｎ－１）が大きい分、その影響が顕著となり過剰に大きな比例項が演算される結果、出力電力Ｐが過剰に低下する現象が発生する（図６の時刻ｔ２）。また、上述したように、出力電力Ｐの上昇速度を制限して出力電力Ｐが目標電力Ｐｔａｇ（消費電力Ｐｃｏｎ）に追従できていない時間が増加するため、そのような現象が発生しやくなる。そこで、本実施形態では、偏差ｅ（ｎ）を所定値αの範囲内に収めるように目標電力Ｐｔａｇを設定することで、前回の偏差ｅ（ｎ－１）の影響を抑えて、出力電力Ｐの過剰な低下（落ち込み）を防止するのである（図５の時刻ｔ２）。なお、所定値αは、出力電力Ｐに許容される低下量に応じて適宜設定することができる。特に限定するものではないが、燃料電池システム１０の定格出力が７００Ｗの場合、所定値αは例えば１００Ｗなどに設定されている。

【0044】

また、出力電力Ｐの過剰な低下を防止する本実施形態では、時刻ｔ２以降に出力電力Ｐを速やかに目標電力Ｐｔａｇ（消費電力Ｐｃｏｎ）に追従させることができる。一方、比較例では、時刻ｔ２以降も出力電力Ｐが目標電力Ｐｔａｇ（消費電力Ｐｃｏｎ）と乖離した状態が続いている。図５，図６では、いずれも時刻ｔ３で再び消費電力Ｐｃｏｎが急激に上昇し、その後の時刻ｔ４で消費電力Ｐｃｏｎが急激に下降した様子を示す。比較例では、時刻ｔ４で時刻ｔ２と同様な出力電力Ｐの過剰な低下が生じる。一方、本実施形態では、時刻ｔ２と同様に出力電力Ｐの過剰な低下を防止することができる。なお、図５，図６では、目標電力Ｐｔａｇと出力電力Ｐとの大小関係が逆転した場合を例示したが、これに限られない。即ち、目標電力Ｐｔａｇと出力電力Ｐとの大小関係が逆転しない場合でも、出力電力Ｐが目標電力Ｐｔａｇに追従できていない状態で目標電力Ｐｔａｇが低下すると出力電力Ｐを過剰に低下させる動作となりうるから、本実施形態の処理を適用すればよい。

【0045】

以上説明した燃料電池システム１０は、負荷４の消費電力Ｐｃｏｎと、出力電力Ｐに所定値αを加えた電力（Ｐ＋α）とのうち小さい方を目標電力Ｐｔａｇに設定することで、偏差ｅ（ｎ）を所定値αの範囲内の小さな値とする。このため、目標電力Ｐｔａｇが急激に変化することによる変化量Δｕひいては操作量ｕの急激な変化を抑制するから、出力電力Ｐが過剰に低下するのを簡易な処理で防止することができる。

【0046】

上述した実施形態では、消費電力Ｐｃｏｎと電力（Ｐ＋α）とのうち小さい方を目標電力Ｐｔａｇに設定したが、これに限られず、消費電力Ｐｃｏｎの変動を反映させつつ、目標電力Ｐｔａｇの上昇速度（変化速度）を抑制するように目標電力Ｐｔａｇを設定するなど他の手法を用いてもよい。

【0047】

実施形態では、偏差ｅ（ｎ）が所定値αの範囲内となるように目標電力Ｐｔａｇを設定して出力電力Ｐの過剰な低下を防止したが、これに限られない。消費電力Ｐｃｏｎに応じた目標電力Ｐｔａｇを設定しつつ、出力電力Ｐの過剰な低下を防止するようにしてもよい。以下、その変形例を説明する。図７は、比例項演算処理を示すフローチャートである。

【0048】

比例項演算処理では、ＣＰＵ９１は、まず今回の偏差ｅ（ｎ）と前回の偏差ｅ（ｎ－１）と今回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ）と前回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ－１）とを取得する（Ｓ２００）。なお、目標電力Ｐｔａｇは、消費電力Ｐｃｏｎと同じ値に設定されたものを取得すればよい。次に、ＣＰＵ９１は、前回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ－１）と今回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ）との偏差が所定値以上であるか否かを判定する（Ｓ２１０）。Ｓ２１０では、出力電力目標値が低下したか否かが判定される。なお、特に限定するものではないが、所定値は例えば５Ｗなどに設定されている。

【0049】

ＣＰＵ９１は、Ｓ２１０で、前回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ－１）と今回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ）との偏差が所定値以上である、即ち出力電力目標値が低下したと判定すると、偏差ｅ（ｎ－１）を値０に変更する（Ｓ２２０）。即ちＣＰＵ９１は、偏差ｅ（ｎ－１）の実際の値に拘わらず、偏差ｅ（ｎ－１）を一律に値０とする。そして、上述した式（２）により比例項を演算して（Ｓ２３０）、本処理を終了する。なお、ＣＰＵ９１は、Ｓ２１０で出力電力目標値が低下していないと判定すると、Ｓ２２０をスキップし、Ｓ２３０で通常通り比例項を演算して本処理を終了する。

【0050】

このように変形例では、前回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ－１）と今回の目標電力Ｐｔａｇ（ｎ）との偏差が所定値以上の場合には、偏差ｅ（ｎ－１）を実際よりも小さな値０として、今回の偏差ｅ（ｎ）から減じて比例項を演算する。このため、上述したように今回の偏差ｅ（ｎ）の符号が負から正に変わった際に、前回偏差ｅ（ｎ－１）が大きいために大きな比例項が演算されて、フィードバック制御が過剰に作動する結果、出力電力Ｐが過剰に低下するのを防止することができる。即ち、上述した実施形態と同様の効果を奏するものとなる。

【0051】

変形例では、Ｓ２２０で偏差ｅ（ｎ－１）を値０に変更したが、これに限られず、偏差ｅ（ｎ－１）の実際の値よりも絶対値の小さな値に変更すればよい。例えば所定値に変更したり、所定値よりも絶対値の小さな値に変更すればよい。

【0052】

実施形態や変形例では、目標電力Ｐｔａｇの設定時の制限や前回の偏差ｅ（ｎ－１）の値の変更により、出力電力Ｐが過剰に低下するのを防止したが、これに限られない。例えば、今回の偏差ｅ（ｎ）から前回の偏差ｅ（ｎ－１）を減じた差分が、前回の差分から大きく変化した場合に差分に制限をかけることなどにより、出力電力Ｐが過剰に低下するのを防止してもよい。

【0053】

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態の燃料電池スタック２１が本開示の「燃料電池」に相当し、パワーコンディショナ８０が「電力変換装置」に相当し、制御装置９０が「制御装置」に相当する。

【0054】

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した本開示を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した本開示についての解釈はその欄の記載に基づいて行われるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した本開示の具体的な一例に過ぎないものである。

【0055】

以上、本開示を実施するための形態について説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本開示は、燃料電池システムの製造産業などに利用可能である。

【符号の説明】

【0057】

１ 原燃料供給源、２ 電力系統、３ 電力ライン、４ 負荷、１０ 燃料電池システム、２０ 発電モジュール、２１ 燃料電池スタック、２２ 気化器、２３ 改質器、２４ 燃焼器、２６，２７ 熱交換器、２８ 燃焼触媒、２９ モジュールケース、３０ 原燃料ガス供給装置、３１ 原燃料ガス供給管、３２，３３ 開閉弁、３６ ガスポンプ、３８ 脱硫器、３９ 流量センサ、４０ 改質水供給装置、４１ 改質水供給管、４２ 改質水タンク、４３ 改質水ポンプ、４４ 凝縮水配管、４５ 流量センサ、５０ エア供給装置、５１ エア供給管、５２ エアフィルタ、５３ エアポンプ、６０ 排熱回収装置、６１ 貯湯タンク、６２ 凝縮器、６３ 循環配管、６４ 循環ポンプ、７１ アノードガス配管、７２ カソードガス配管、７３，７４ アノードオフガス配管、７５ カソードオフガス配管、７６ 燃焼排ガス配管、８０ パワーコンディショナ、８１ ＤＣ／ＤＣコンバータ、８２ インバータ、８５ 電源基板、９０ 制御装置、９０ａ 目標電力設定部、９０ｂ 出力電力取得部、９０ｃ 減算部、９０ｄ ＰＩ演算部、９０ｅ 加算部、９０ｆ 上下限処理部、９０ｇ 遅延部、９０ｈ 緩変化処理部、９１ ＣＰＵ、９２ ＲＯＭ、９３ ＲＡＭ、１１１，１１２ 温度センサ、１１３ 電流センサ、１１４ 電圧センサ、１１５，１１６ 電力センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】