特許 6995635 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】

(24)【登録日】2021-12-17

(45)【発行日】2022-02-04

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04858 20160101AFI20220128BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20220128BHJP

   B60L 50/75 20190101ALI20220128BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20220128BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04858

H01M8/04537

B60L50/75

H01M8/10 101

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018004477

(22)【出願日】2018-01-15

(65)【公開番号】P2019125461

(43)【公開日】2019-07-25

【審査請求日】2020-03-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(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】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】中村 健

(72)【発明者】

【氏名】森本 誠

【審査官】大内 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１１／００４４９３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第３４６１８４１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】国際公開第２０１０／０５３０２７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２５７０６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１８５６０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１３９１１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／２４９５

Ｂ６０Ｌ ５０／００－５８／４０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を調整する第１調整部と、
前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を調整する第２調整部と、
前記燃料電池スタックの出力電力を検出する検出部と、
前記第１調整部及び前記第２調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックの出力電力の目標値となる出力指令値を求め、前記検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックの出力電力が前記出力指令値に追従するように前記酸化剤ガスの供給量を調整するようにフィードバック制御を行い、
前記燃料電池スタックの出力偏差が閾値以上となる出力偏差条件と、
前記出力偏差条件が予め定められた時間以上継続して成立する継続条件と、を含む特定条件が成立した場合、前記特定条件が成立した時点での前記出力指令値よりも前記目標値の低い調整後出力指令値を前記出力指令値とし、
前記特定条件が成立した時点よりも前記酸化剤ガスの供給量が抑制されるように、前記燃料電池スタックの出力電力が前記調整後出力指令値に追従するようにフィードバック制御を行う燃料電池システム。

【請求項2】

前記特定条件は、前記出力指令値のフィードバック積分項が上限値となる積分項条件を含む請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

前記燃料電池スタックが接続される負荷に並列接続される蓄電装置と、
前記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出部と、を備え、
前記制御部は、
前記充電率検出部によって検出される前記蓄電装置の充電率に応じて、前記出力指令値を段階的に切り替え、
前記特定条件が成立した場合、前記特定条件が成立した時点での前記出力指令値の１段階下の前記出力指令値を前記調整後出力指令値とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を調整する第１調整部と、
前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を調整する第２調整部と、
前記燃料電池スタックの出力電力を検出する検出部と、
前記第１調整部及び前記第２調整部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記燃料電池スタックの出力電力の目標値となる出力指令値を求め、前記検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックの出力電力が前記出力指令値に追従するように前記酸化剤ガスの供給量を調整するようにフィードバック制御を行い、
前記出力指令値のフィードバック積分項が上限値となる積分項条件と、
前記燃料電池スタックの出力偏差が閾値以上となる出力偏差条件と、を含む特定条件が成立した場合、前記特定条件が成立した時点での前記出力指令値よりも前記目標値の低い調整後出力指令値を前記出力指令値とし、
前記特定条件が成立した時点よりも前記酸化剤ガスの供給量が抑制されるように、前記燃料電池スタックの出力電力が前記調整後出力指令値に追従するようにフィードバック制御を行う燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う燃料電池スタックを備える。燃料電池スタックの出力電力（＝発電量）は、燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量、及び、燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量が多くなるにつれて大きくなる。燃料電池システムは、燃料電池スタックの出力電力の目標値となる出力指令値を演算し、燃料電池スタックの出力電力が出力指令値に追従するように制御を行う制御部を備える。制御部は、出力指令値に応じて、燃料ガスの供給量、及び、酸化剤ガスの供給量を調整することで、燃料電池スタックの出力電力を制御している。

【0003】

特許文献１には、燃料電池スタックの出力性能が低下する場合があることが記載されている。燃料電池スタックの出力性能が低下した場合、出力指令値に応じた供給量の燃料ガス、及び、酸化剤ガスを供給したとしても、出力電力（実出力電力）が出力指令値に追従しなくなる。即ち、出力指令値よりも低い出力電力しか得られなくなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００７－２８０６４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

前述したように、燃料ガスの供給量、及び、酸化剤ガスの供給量は、出力指令値に応じて定まる。このため、出力指令値よりも出力電力が低い場合、出力指令値通りの出力電力が出力されていないにも関わらず、出力指令値通りの出力電力を出力させようとして燃料電池スタックには過剰な空気が供給されていることになる。燃料電池スタックに過剰に空気が供給されると、燃料電池スタック内の湿度が低下する。結果として、燃料電池スタックの劣化が促進されることになる。

【0006】

本発明の目的は、燃料電池スタックの劣化を抑制できる燃料電池システムを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記課題を解決する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を調整する第１調整部と、前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を調整する第２調整部と、前記燃料電池スタックの出力電力を検出する検出部と、前記第１調整部及び前記第２調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの出力電力の目標値となる出力指令値を求め、前記検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックの出力電力が前記出力指令値に追従するようにフィードバック制御を行い、前記燃料電池スタックの出力偏差が閾値以上となる出力偏差条件と、前記出力偏差条件が予め定められた時間以上継続して成立する継続条件と、を含む特定条件が成立した場合、前記特定条件が成立した時点での前記出力指令値よりも前記目標値の低い調整後出力指令値を前記出力指令値とする。

【0008】

これによれば、出力偏差条件、及び、継続条件を含む特定条件が成立した場合、調整後出力指令値が出力指令値となる。制御部は、出力偏差を小さくするためにフィードバック制御を行っているため、出力偏差条件、及び、継続条件が成立する状況は、出力指令値と出力電力の差である出力偏差が小さくならない状態で維持されている状況といえる。言い換えれば、出力電力を出力指令値に追従させようとして、燃料ガスの供給量、及び、酸化剤ガスの供給量を増やしているにも関わらず、出力電力が大きくならない状況といえる。調整後出力指令値は、特定条件が成立した時点での出力指令値よりも目標値の低い値である。調整後出力指令値を出力指令値とすることで、特定条件が成立した時点よりも燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量、及び、酸化剤ガスの供給量は減ることになる。燃料電池スタックの劣化や、使用環境によって出力性能が低下している場合、出力指令値が低くなることで、酸化剤ガスの供給量が抑えられることになる。したがって、燃料電池スタックに過剰な酸化剤ガスが供給されることが抑制され、燃料電池スタックの劣化を抑制できる。

【0009】

前記特定条件は、前記出力指令値のフィードバック積分項が上限値となる積分項条件を含んでもよい。
フィードバック積分項が上限値になる状況は、出力偏差を小さくするためにフィードバック積分項を大きくしているにも関わらず、出力偏差が小さくならない状況である。特定条件に積分項条件を含めることで、調整後出力指令値を出力指令値とするか否かの判断をより適切に行うことができる。

【0010】

上記燃料電池システムについて、前記燃料電池スタックが接続される負荷に並列接続される蓄電装置と、前記蓄電装置の充電率を検出する充電率検出部と、を備え、前記制御部は、前記充電率検出部によって検出される前記蓄電装置の充電率に応じて、前記出力指令値を段階的に切り替え、前記特定条件が成立した場合、前記特定条件が成立した時点での前記出力指令値の１段階下の前記出力指令値を前記調整後出力指令値としてもよい。

【0011】

出力指令値を段階的に切り替えているため、調整後出力指令値を求める際には、特定条件が成立した時点での出力指令値よりも１段階下の出力指令値を調整後出力指令値とすればよい。このため、調整後出力指令値の演算が容易となる。

【0012】

上記課題を解決する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量を調整する第１調整部と、前記燃料電池スタックへの酸化剤ガスの供給量を調整する第２調整部と、前記燃料電池スタックの出力電力を検出する検出部と、前記第１調整部及び前記第２調整部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池スタックの出力電力の目標値となる出力指令値を求め、前記検出部の検出結果に基づいて、前記燃料電池スタックの出力電力が前記出力指令値に追従するようにフィードバック制御を行い、前記出力指令値のフィードバック積分項が上限値となる積分項条件と、前記燃料電池スタックの出力偏差が閾値以上となる出力偏差条件と、を含む特定条件が成立した場合、前記特定条件が成立した時点での前記出力指令値よりも前記目標値の低い調整後出力指令値を前記出力指令値とする。

【0013】

これによれば、積分項条件、及び、出力偏差条件を含む特定条件が成立した場合、調整後出力指令値が出力指令値となる。積分項条件、及び、出力偏差条件の成立する状況は、出力指令値と出力電力の差である出力偏差が閾値以上であり、出力偏差を小さくするためにフィードバック積分項を大きくしているにも関わらず、出力偏差が小さくならない状況である。言い換えれば、出力電力を出力指令値に追従させようとして、燃料ガスの供給量、及び、酸化剤ガスの供給量を増やしているにも関わらず、出力電力が大きくならない状況といえる。調整後出力指令値は、特定条件が成立した時点での出力指令値よりも目標値の低い値である。調整後出力指令値を出力指令値とすることで、特定条件が成立した時点よりも燃料電池スタックへの燃料ガスの供給量、及び、酸化剤ガスの供給量は減ることになる。燃料電池スタックの劣化や、使用環境によって出力性能が低下している場合、出力指令値が低くなることで、酸化剤ガスの供給量が抑えられることになる。したがって、燃料電池スタックに過剰な酸化剤ガスが供給されることが抑制され、燃料電池スタックの劣化を抑制できる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、燃料電池スタックの劣化を抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】燃料電池システムを示すブロック図。

【図2】出力電力を出力指令値に追従させる制御態様を示す制御ブロック図。

【図3】出力指令値を導出する処理を示す図。

【図4】出力状態の切り替え態様を示す状態遷移図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、燃料電池システムの一実施形態について説明を行う。なお、本実施形態の燃料電池システムは、乗用車や、産業車両（例えば、フォークリフト）などの車両に搭載される。

【0017】

図１に示すように、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１を備える。燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池セルをスタック化したものである。燃料電池セルは、例えば、固体高分子型燃料電池である。燃料電池スタック１１は、燃料ガスと、酸化剤ガスとの化学反応によって発電を行う。本実施形態では、水素ガスを燃料ガス、空気中の酸素を酸化剤ガスとして発電が行われる。燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１の発電した電力によって負荷３０を駆動させるシステムである。

【0018】

燃料電池システム１０は、水素ガスが貯蔵された水素タンク１２と、水素タンク１２から燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量を調整するための電磁弁１３と、大気中の空気を吸引して、圧縮した空気を吐出するコンプレッサ１４と、を備える。また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量、及び、燃料電池スタック１１への空気の供給量を調整することで燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇ（発電量）を制御する制御部としてのＥＣＵ（電子制御ユニット）１５を備える。

【0019】

水素タンク１２は、断面円筒状で高圧の水素ガスが貯留されるものである。電磁弁１３は、ＥＣＵ１５によって設定された駆動周期や開弁時間に応じて、弁体が電磁的に駆動する電磁駆動式の開閉弁である。ＥＣＵ１５によって、電磁弁１３の駆動周期や開弁時間が制御されることで、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量は制御される。

【0020】

コンプレッサ１４は、電動モータによって駆動する電動圧縮機である。ＥＣＵ１５によって電動モータのトルクが制御されることで、燃料電池スタック１１への空気の供給量は制御される。詳細にいえば、コンプレッサ１４は、電動モータに接続されたインバータＩＮＶを備え、このインバータＩＮＶがＥＣＵ１５に制御されることで、燃料電池スタック１１への空気の供給量は制御される。電磁弁１３は、第１調整部として機能し、コンプレッサ１４は、第２調整部として機能している。

【0021】

燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１と負荷３０との間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、負荷３０に並列接続された蓄電装置１７と、蓄電装置１７の充電率を検出する充電率検出部としての電圧推定部２３と、を備える。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、燃料電池スタック１１の出力電圧を変圧して出力する。燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇが負荷３０の要求電力Ｐｗを上回っている場合、余剰の電力は蓄電装置１７に充電される。燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇが負荷３０の要求電力Ｐｗを下回っている場合、不足分の電力が蓄電装置１７から放電される。

【0022】

蓄電装置１７は、放電、及び、充電が可能なものであり、例えば、二次電池やキャパシタが用いられる。電圧推定部２３は、蓄電装置１７に入出力される電流を積算することで蓄電装置１７の充電量を求め、その充電量に基づいて蓄電装置１７の閉回路電圧を推定する。電圧推定部２３によって推定された閉回路電圧は、ＥＣＵ１５に出力される。ＥＣＵ１５は、閉回路電圧に基づき、蓄電装置１７の充電率を演算する。

【0023】

燃料電池スタック１１は、電圧センサ２１を備える。電圧センサ２１は、燃料電池スタック１１の出力電圧を検出する。電圧センサ２１は、検出結果をＥＣＵ１５に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、電流センサ２２を備える。電流センサ２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６への入力電流を検出する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６に入力される電流は、燃料電池スタック１１から出力されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６への入力電流は、燃料電池スタック１１の出力電流といえる。電流センサ２２は、検出結果をＥＣＵ１５に出力する。ＥＣＵ１５は、燃料電池スタック１１の出力電圧と出力電流から、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇ、言い換えれば、燃料電池スタック１１の発電量を演算することができる。本実施形態では、電圧センサ２１、及び、電流センサ２２の検出結果から出力電力Ｐｇが演算されるため、電圧センサ２１、及び、電流センサ２２が燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇを検出する検出部として機能しているといえる。

【0024】

燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇは、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量、及び、燃料電池スタック１１への空気の供給量によって変動する。
ＥＣＵ１５は、燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量、及び、空気の供給量を調整することで、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇを制御する。ＥＣＵ１５は、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇの目標値となる出力指令値Ｐｃを演算する。そして、ＥＣＵ１５は、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇが出力指令値Ｐｃに追従するように、電磁弁１３、及び、コンプレッサ１４の制御を行う。以下、詳細に説明を行う。

【0025】

図２に示すように、ＥＣＵ１５は、フィードフォワード制御と、フィードバック制御（ＰＩ制御）とを併用して、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇを制御する。
ＥＣＵ１５は、出力指令値Ｐｃ［ｋＷ］を演算により求めると、出力指令値Ｐｃから電流指令値（ＦＦ）［Ａ］を算出する。電流指令値（ＦＦ）は、燃料電池スタック１１の電流－電圧特性、及び、フォードフォワードゲインから算出される。

【0026】

また、ＥＣＵ１５は、出力電圧と出力電流から出力電力Ｐｇ［ｋＷ］を演算する。なお、図２では、出力電圧をＦＣ電圧、出力電流をＦＣ電流、出力電力ＰｇをＦＣ実電力と表記している。ＥＣＵ１５は、出力指令値Ｐｃと出力電力Ｐｇから出力偏差ΔＰ［ｋＷ］を演算する。ＥＣＵ１５は、出力偏差ΔＰ、比例ゲイン、及び、積分ゲインから、電流指令値（ＦＢ）［Ａ］を算出する。詳細にいえば、ＥＣＵ１５は、出力偏差ΔＰと比例ゲインからフィードバック比例項を算出し、出力偏差ΔＰの積分値と積分ゲインからフィードバック積分項を演算する。フィードバック比例項とフィードバック積分項との和が電流指令値（ＦＢ）となる。

【0027】

ＥＣＵ１５は、電流指令値（ＦＦ）と、電流指令値（ＦＢ）との和を電流指令値とする。ＥＣＵ１５は、電流指令値に対応する量の水素ガスと空気が燃料電池スタック１１に供給されるように電磁弁１３、及び、コンプレッサ１４を制御する。これにより、出力指令値Ｐｃに出力電力Ｐｇが追従するように水素ガスの供給量と、空気の供給量とが調整される。

【0028】

しかしながら、燃料電池スタック１１の劣化や、使用環境などに起因して、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇが十分に得られない場合がある。この場合、出力偏差ΔＰが小さくならない場合がある。即ち、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇが、出力指令値Ｐｃよりも低い状態となり、空気が過剰に供給される場合がある。

【0029】

ＥＣＵ１５は、以下の制御によって出力指令値Ｐｃを演算することで、燃料電池スタック１１に過剰な量の空気が供給されることを抑制している。
図３に示すように、本実施形態のＥＣＵ１５は、発電量決定処理と、発電量偏差調整処理の二段階の処理を行うことで出力指令値Ｐｃを演算する。発電量決定処理は、蓄電装置１７の充電率に応じて、燃料電池スタック１１の出力指令値Ｐｃ１（発電量の目標値）を決定する処理である。発電量偏差調整処理は、特定条件が成立した場合に、発電量決定処理で演算された出力指令値Ｐｃ１の値を調整し、調整された出力指令値である調整後出力指令値Ｐｃ２を新たな出力指令値Ｐｃとする処理である。

【0030】

まず、発電量決定処理について説明する。
図４に示すように、ＥＣＵ１５は、蓄電装置１７の充電率に応じて、燃料電池スタック１１の出力状態を段階的に切り替える。本実施形態の出力状態は、発電停止状態Ｓ１、低出力状態Ｓ２、中出力状態Ｓ３、高出力状態Ｓ４の４段階の状態である。４つの出力状態によって、出力指令値Ｐｃ１は異なっている。したがって、出力状態とともに、出力指令値Ｐｃ１も段階的に切り替わる。

【0031】

発電停止状態Ｓ１とは、燃料電池スタック１１の発電を行わない状態である。発電停止状態Ｓ１では、出力指令値Ｐｃ１＝０［ｋＷ］となる。
低出力状態Ｓ２とは、燃料電池スタック１１の劣化を伴うことなく発電可能である最低値の発電を行わせる状態である。低出力状態Ｓ２での出力指令値Ｐｃ１は、発電停止状態Ｓ１よりも大きな値となり、例えば、出力指令値Ｐｃ１＝３［ｋＷ］となる。

【0032】

中出力状態Ｓ３とは、低出力状態Ｓ２よりも燃料電池スタック１１の発電量が多い状態である。中出力状態Ｓ３での出力指令値Ｐｃ１は、低出力状態Ｓ２よりも大きな値であり、例えば、出力指令値Ｐｃ１＝６［ｋＷ］となる。中出力状態Ｓ３における出力指令値Ｐｃ１は、通常の使用条件において車両が動作する際の負荷３０の要求電力Ｐｗの平均的な値に設定される。

【0033】

高出力状態Ｓ４とは、車両が最大負荷で動作する際の負荷３０の要求電力Ｐｗを燃料電池スタック１１に出力させる状態である。高出力状態Ｓ４での出力指令値Ｐｃ１は、中出力状態Ｓ３よりも大きな値であり、例えば、出力指令値Ｐｃ１＝１２［ｋＷ］となる。中出力状態Ｓ３とは、低出力状態Ｓ２と高出力状態Ｓ４との間の状態ともいえる。

【0034】

ＥＣＵ１５は蓄電装置１７の充電率に応じて、燃料電池スタック１１の出力状態を適宜切り替える。まず、燃料電池スタック１１が発電停止状態Ｓ１である際に、蓄電装置１７の充電率が発電開始閾値Ｖ_Ｄ＝５０［％］以下になった場合、燃料電池スタック１１は発電を開始して、出力状態は発電停止状態Ｓ１から低出力状態Ｓ２に移行する。

【0035】

燃料電池スタック１１が低出力状態Ｓ２である際に、蓄電装置１７の充電率が中出力切替閾値Ｖ_Ｍ＝４５［％］以下になった場合、燃料電池スタック１１の出力状態は低出力状態Ｓ２から中出力状態Ｓ３に移行する。

【0036】

燃料電池スタック１１が中出力状態Ｓ３である際に、蓄電装置１７の充電率が高出力切替閾値Ｖ_Ｈ＝３０［％］以下になった場合、燃料電池スタック１１の出力状態は中出力状態Ｓ３から高出力状態Ｓ４に移行する。なお、高出力切替閾値Ｖ_Ｈは、車両が最も厳しい条件で使用された際に燃料電池システム１０を保護するために最低限な蓄電装置１７の充電率として設定される。

【0037】

一方、燃料電池スタック１１が高出力状態Ｓ４である際に、蓄電装置１７の充電率が中出力切替閾値Ｖ_Ｍ＝４５［％］以上になった場合、燃料電池スタック１１の出力状態は高出力状態Ｓ４から中出力状態Ｓ３に移行する。

【0038】

燃料電池スタック１１が中出力状態Ｓ３である際に、蓄電装置１７の充電率が出力切替閾値Ｖ_Ｌ＝６０［％］以上になった場合、燃料電池スタック１１の出力状態は中出力状態Ｓ３から低出力状態Ｓ２に移行する。

【0039】

燃料電池スタック１１が低出力状態Ｓ２である際に、蓄電装置１７の充電率が発電停止閾値Ｖ_Ｓ＝７０［％］以上になった場合、燃料電池スタック１１は発電を停止して、出力状態は低出力状態Ｓ２から発電停止状態Ｓ１に移行する。なお、発電停止閾値Ｖ_Ｓは、蓄電装置１７が過充電状態となるのを防止するための最高限度の充電率として設定され、残りの充電率の３０［％］分は、蓄電装置１７が回生エネルギーを受け取るために必要な余剰分として確保されている。燃料電池システム１０において、中出力切替閾値Ｖ_Ｍ＝４５［％］は、高出力切替閾値Ｖ_Ｈ＝３０［％］と出力切替閾値Ｖ_Ｌ＝６０［％］との中間の値に設定されている。上記したように、蓄電装置１７の充電率に応じて、出力指令値Ｐｃ１は変化することになる。

【0040】

次に、発電量偏差調整処理について説明する。
本実施形態において、調整後出力指令値Ｐｃ２は、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃ１よりも１段階下の出力状態での出力指令値Ｐｃ１である。特定条件が成立した時点で、出力状態が高出力状態Ｓ４であれば、調整後出力指令値Ｐｃ２は中出力状態Ｓ３での出力指令値Ｐｃ１となる。特定条件が成立した時点で、出力状態が中出力状態Ｓ３であれば、調整後出力指令値Ｐｃ２は低出力状態Ｓ２での出力指令値Ｐｃ１となる。なお、特定条件が成立した時点で、出力状態が低出力状態Ｓ２の場合、出力指令値Ｐｃ１は低出力状態Ｓ２での出力指令値Ｐｃ１に維持される。

【0041】

ＥＣＵ１５は、特定条件として、以下の積分項条件、出力偏差条件、及び、継続条件が成立した場合、調整後出力指令値Ｐｃ２を出力指令値Ｐｃとする。即ち、積分項条件、出力偏差条件、及び、継続条件が成立しなければ発電量決定処理で演算された出力指令値Ｐｃ１に追従するように燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇは制御される。一方で、積分項条件、出力偏差条件、及び、継続条件が成立すれば調整後出力指令値Ｐｃ２に追従するように燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇは制御される。

【0042】

積分項条件…出力指令値Ｐｃのフィードバック積分項が上限値となること。
出力偏差条件…燃料電池スタック１１の出力偏差ΔＰが閾値以上となること。
継続条件…積分項条件、及び、出力偏差条件の両方が予め定められた時間以上継続して成立していること。

【0043】

積分項条件におけるフォードバック積分項は、出力偏差ΔＰが大きくなると、これに合わせて大きくなる。フィードバック積分項の上限値とは、燃料電池システム１０で設定された上限値である。この上限値は、燃料電池スタック１１の特性などを考慮した上で、電流指令値の値が過剰に上昇しないように設定されている。

【0044】

出力偏差条件における出力偏差ΔＰの閾値は、シミュレーション結果や、実験結果などに基づいて定められた値である。フィードバック制御は、出力偏差ΔＰを小さくするために行っているため、燃料電池スタック１１の出力性能に問題がなければ、出力偏差ΔＰは所定の範囲内に収まる。出力偏差ΔＰの閾値は、この所定の範囲よりも大きな値に設定される。

【0045】

ここで、積分項条件、及び、出力偏差条件の成立する状況は、出力指令値Ｐｃと出力電力Ｐｇの差である出力偏差ΔＰが閾値以上であり、出力偏差ΔＰを小さくするためにフィードバック積分項を大きくしているにも関わらず、出力偏差ΔＰが小さくならない状況である。言い換えれば、出力電力Ｐｇを出力指令値Ｐｃに追従させようとして、水素ガスの供給量及び空気の供給量を増やしているにも関わらず、出力電力Ｐｇが大きくならない状況といえる。このような状況は、燃料電池スタック１１の劣化や、使用環境によって出力性能が永続的、あるいは、一時的に低下している状況である。

【0046】

継続条件における予め定められた時間とは、外乱などで偶発的に積分項条件及び出力偏差条件が成立した場合に、出力指令値Ｐｃが調整後出力指令値Ｐｃ２とされることを抑制するために設定された時間である。予め定められた時間は、シミュレーション結果や、実験結果などに基づいて定められている。なお、継続条件は、所定の制御周期で繰り返される積分項条件及び出力偏差条件の成立判定において、連続して両条件が成立しているかを判断しているともいえる。

【0047】

次に、本実施形態の燃料電池システム１０の作用について説明する。
燃料電池システム１０の出力性能が低下すると、空気、及び、水素ガスの供給量に対して、出力電力Ｐｇが不十分となる場合がある。この場合、出力偏差ΔＰが大きくなることで、出力指令値Ｐｃのフィードバック積分項は制御周期毎に増加していく。

【0048】

特定条件が成立すると、ＥＣＵ１５は、調整後出力指令値Ｐｃ２を出力指令値Ｐｃとする。調整後出力指令値Ｐｃ２は、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃよりも目標値の低い値である。調整後出力指令値Ｐｃ２を出力指令値Ｐｃとすることで、特定条件が成立した時点よりも燃料電池スタック１１への水素ガスの供給量、及び、空気の供給量は減ることになる。

【0049】

出力指令値Ｐｃが低くなることで、出力偏差ΔＰも小さくなる。これにより、積分項条件、及び、出力偏差条件のいずれかが成立しなくなった場合、燃料電池スタック１１に出力性能に見合った供給量の空気、及び、水素ガスが供給されているといえる。

【0050】

一方で、調整後出力指令値Ｐｃ２を出力指令値Ｐｃとしたにも関わらず、特定条件が成立している場合、出力指令値Ｐｃを更に低くする。例えば、高出力状態Ｓ４のときに特定条件が成立し、中出力状態Ｓ３の出力指令値Ｐｃ１を出力指令値Ｐｃにしたにも関わらず、依然として特定条件が成立している場合、低出力状態Ｓ２の出力指令値Ｐｃ１を出力指令値Ｐｃとする。

【0051】

したがって、上記実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）特定条件が成立した場合、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃよりも低い目標値の調整後出力指令値Ｐｃ２を出力指令値Ｐｃとしている。燃料電池スタック１１の劣化や、使用環境によって出力性能が低下している場合、出力指令値Ｐｃが低くなることで、空気の供給量が抑えられることになる。したがって、燃料電池スタック１１に過剰な空気が供給されることが抑制され、燃料電池スタック１１の劣化を抑制できる。これにより、燃料電池スタック１１の劣化の促進を抑制できる。

【0052】

（２）特定条件は、出力偏差条件、及び、継続条件に加えて、積分項条件を含む。フィードバック積分項が上限値になる状況は、出力偏差ΔＰを小さくするためにフィードバック積分項を大きくしているにも関わらず、出力偏差ΔＰが小さくならない状況である。特定条件に積分項条件を含めることで、調整後出力指令値を出力指令値とするか否かの判断をより適切に行うことができる。

【0053】

（３）ＥＣＵ１５は、出力状態を段階的に切り替えている。出力状態毎に出力指令値Ｐｃ１が異なっており、ＥＣＵ１５は、出力指令値Ｐｃを段階的に切り替えているともいえる。積分項条件、及び、出力偏差条件が成立した場合、両条件が成立した時点の出力指令値Ｐｃ１よりも１段階下の出力指令値Ｐｃ１が調整後出力指令値Ｐｃ２となる。出力指令値Ｐｃ１は、出力状態に対応付けられて予め定まっているため、調整後出力指令値Ｐｃ２の演算が容易である。

【0054】

なお、実施形態は、以下のように変更してもよい。
○特定条件は、出力偏差条件、及び、継続条件のみでもよい。即ち、出力偏差条件、及び、継続条件の両方の条件が成立した場合、調整後出力指令値Ｐｃ２が出力指令値Ｐｃとなるようにしてもよい。なお、この場合の継続条件は、出力偏差条件が予め定められた時間以上継続して成立していることである。

【0055】

出力偏差条件、及び、継続条件が成立する状況は、出力偏差ΔＰが閾値以上となる状態が予め定められた時間以上継続している状況である。前述したように、フィードバック制御は、出力偏差ΔＰを小さくするために行っているため、出力偏差ΔＰが閾値以上となる状態が予め定められた時間以上継続している状況は、出力偏差ΔＰを小さくしようとしているにも関わらず、出力偏差ΔＰが閾値未満にならない状況といえる。言い換えれば、出力電力Ｐｇを出力指令値Ｐｃに追従させようとして、水素ガスの供給量及び空気の供給量を増やしているにも関わらず、出力電力Ｐｇが大きくならない状況といえる。このような状況は、燃料電池スタック１１の劣化や、使用環境によって出力性能が永続的、あるいは、一時的に低下している状況である。

【0056】

なお、この場合の継続条件における「予め定められた時間」とは、出力偏差ΔＰが閾値以上に維持されている時間から、燃料電池スタック１１の出力性能が低下しているか否かを判断できる時間に設定される。詳細には、燃料電池スタック１１の出力性能が低下していない状態で、出力偏差ΔＰを閾値以上の状態から閾値未満の状態に遷移させるのに要する時間を想定した上で、この時間よりも長い時間に設定される。燃料電池スタック１１の出力性能が低下し、出力偏差ΔＰを閾値未満にできない場合、特定条件が成立する。これにより、燃料電池スタック１１に過剰な空気が供給されることが抑制され、燃料電池スタック１１の劣化を抑制できる。

【0057】

○調整後出力指令値Ｐｃ２は、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃよりも目標値の低い値であればよく、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃから所定値を減算した値としてもよい。所定値は、固定値でもよいし、変動値でもよい。所定値を固定値とする場合、実験結果やシミュレーション結果に基づいて値が設定される。所定値を変動値とする場合、出力指令値Ｐｃや、出力偏差ΔＰに応じて所定値の値が変動するようにしてもよい。例えば、出力指令値Ｐｃが大きいほど、所定値が大きくなるようにしてもよいし、出力偏差ΔＰが大きいほど所定値が大きくなるようにしてもよい。なお、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃから所定値を減算した値が０以下になる場合、ＥＣＵ１５は、所定値の減算を行うことなく、出力指令値Ｐｃを維持してもよい。

【0058】

また、調整後出力指令値Ｐｃ２は、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃの５０％～９５％の値など、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃの１００％未満の値としてもよい。

【0059】

○発電量決定処理で演算される出力指令値Ｐｃ１は、蓄電装置１７の充電率に応じて、線形に切り替わるようにしてもよい。この場合の調整後出力指令値Ｐｃ２としては、上記したように、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃから所定値を減算したり、特定条件が成立した時点での出力指令値Ｐｃの割合から演算されるようにする。

【0060】

○出力指令値Ｐｃは、蓄電装置１７の充電率以外の要素から演算されるようにしてもよい。例えば、負荷３０の要求電力Ｐｗから出力指令値Ｐｃが演算されるようにしてもよい。なお、実施形態のように、車両に搭載される燃料電池システム１０であれば、例えば、アクセルペダルの操作量から負荷３０の要求電力Ｐｗを演算することができる。

【0061】

○出力状態（出力指令値Ｐｃ１）は、３段階以上の状態としてもよいし、５段階以上の状態としてもよい。
○継続条件は、出力偏差条件が予め定められた時間以上継続して成立していることであってもよい。積分項条件が継続して成立している時間については、特定条件に含まれていなくてもよい。

【0062】

○特定条件は、積分項条件、及び、出力偏差条件のみでもよい。即ち、積分項条件、及び、出力偏差条件の両方の条件が成立した場合、調整後出力指令値Ｐｃ２が出力指令値Ｐｃとなるようにしてもよい。

【0063】

この場合、外乱などの要因で、偶発的に積分項条件、及び、出力偏差条件が成立した場合であっても、調整後出力指令値Ｐｃ２が出力指令値Ｐｃとなり、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇは低下することになる。しかしながら、偶発的に積分項条件、及び、出力偏差条件が成立した場合、積分項条件、及び、出力偏差条件が成立する期間は一時的であり、燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇが低下しても、実用上の支障は来さないと考えられる。

【0064】

また、出力指令値Ｐｃが低くなれば、空気の供給量は少なくなる。このため、仮に、外乱などによって、出力指令値Ｐｃを誤って低下させた場合であっても、空気の過剰供給によって燃料電池スタック１１の劣化が促進されることはない。

【0065】

○ＥＣＵ１５が行うフィードバック制御は、少なくとも積分動作（Ｉ動作）を含んでいればよく、ＰＩＤ制御であってもよい。
○ＥＣＵ１５は、フィードバック制御のみで電流指令値を演算するようにしてもよい。即ち、フィードフォワード制御を行わなくてもよい。

【0066】

○出力指令値Ｐｃの演算を行うＥＣＵや、出力指令値Ｐｃに応じて燃料電池スタック１１の出力電力Ｐｇを制御するＥＣＵを別々で設けてもよい。この場合、複数のＥＣＵが制御部として機能することになる。

【0067】

○燃料電池スタック１１は、携帯機器に搭載されるものや、定置電源として用いられるものであってもよい。

【符号の説明】

【0068】

１０…燃料電池システム、１１…燃料電池スタック、１３…電磁弁（第１調整部）、１４…コンプレッサ（第２調整部）、１５…ＥＣＵ（制御部）、１７…蓄電装置、２１…電圧センサ（検出部）、２２…電流センサ（検出部）、２３…電圧推定部（充電率検出部）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】