JP2003229138A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、
発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る燃
料電池システムを提供する。 【解決手段】 燃料電池システム２０では、電圧センサ
２３によりモータ駆動回路４５に対し電力供給する燃料
電池２１の出力電圧Ｖfcを検出し、燃料電池の出力電圧
Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回ると、モータ駆動回
路４５等に対しバッテリ３１から燃料電池２１の出力電
圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ以上を保持し得る補助電
力をバッテリ３１により供給する。これにより燃料電池
２１の発電効率の低い領域では、モータ駆動回路４５に
対し燃料電池２１による電力供給に加え、バッテリ３１
からも補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域
にある燃料電池２１から過剰に電力を取出すことを防止
できる。したがって燃料電池２１を発電効率の高い領域
で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池２１の発
電を抑制できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、負荷に対しそれぞ
れ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃
料電池システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃
料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムとし
て、例えば特開平７−１２３６０９号公報に開示される
「燃料電池給電システム」がある。このような蓄電手段
を備える燃料電池システムにおいては、燃料電池だけで
は賄いきれない電力要求が負荷からあった場合に、その
不足分を当該蓄電手段から供給する補助電力により補う
ことで、当該電力要求に応え得るようにしている。

【０００３】即ち、前記公報に開示される「燃料電池給
電システム」では、第２電力変換器の出力電流、第１の
電力変換器の入力電流（燃料電池から出力される直流電
力）およびバッテリの出力電圧を入力としてこれらに基
づき第２の電力変換器を制御することにより、バッテリ
を充放電させ、第１の電力変換器の入力電流を燃料電池
の出力電流と第２の電力変換器の出力電流とによって分
担させている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報に開示される「燃料電池給電システム」のように構成
される燃料電池システムによると、燃料電池から出力さ
れる直流電力を第１の電力変換器の入力電流（燃料電池
の出力電流）としてこれに基づいて制御を行っている。
そのため、次に挙げるような問題点がある。

【０００５】(1) 例えば、燃料電池温度が低い、イオン
交換膜が乾いている、あるいは電池反応触媒が劣化して
いる等の燃料電池の電極性能に悪影響を与え得るような
条件下においては、良好な電極状態時に比べて発電能力
が低下するため、燃料電池の出力電流を監視しているだ
けでは十分ではないという問題点がある。

【０００６】即ち、燃料電池の電極状態が良好な場合に
おいては、燃料電池はその出力電流を十分に取り出せる
特性、つまり図６に示すような特性曲線α（電流電圧特
性）および特性曲線β（電流電力特性）を呈するような
出力特性を持つが、一方、燃料電池の電極性能に悪影響
を与え得るような条件下においては、燃料電池はその出
力電流が十分に取り出すことのできない出力特性、図６
に示す特性曲線α’（電流電圧特性）および特性曲線
β’（電流電力特性）を呈するような出力特性を有する
に至る。したがって、燃料電池の出力電流を監視してい
るだけでは、発電中の燃料電池が、現在、発電効率の高
い領域（図６において出力電力（特性曲線β、β’）の
最大値よりも出力電流の低い側）にあるのか、あるいは
発電効率の低い領域（同最大値よりも出力電流の高い
側）にあるのか、を検出することができないという問題
がある。

【０００７】例えば図６に示す出力特性の例を参照して
説明すると、出力監視電流を２００Ａに設定した場合に
は（同図中に示す一点鎖線）、比較的良好な燃料電池に
おいては、特性曲線βから、その出力電力の最大値より
も出力電流の低い側、つまり発電効率の高い領域で、燃
料電池による供給電力の不足分を蓄電手段による補助電
力で補う制御に切り替えることできる（同図中に示す点
Ｘ）。ところが、出力監視電流の設定を変更することな
く２００Ａのままでは劣化した燃料電池においては、特
性曲線β’から、その出力電力の最大値よりも出力電流
の高い側、つまり発電効率の低い領域内に移った後に、
蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替えることに
なる（同図中に示す点Ｘ’）。

【０００８】(2) また(1) で説明したように、燃料電池
の出力電流を監視しているだけでは劣化した燃料電池に
おいては、発電効率の低い領域内に移った後に、蓄電手
段による補助電力で補う制御に切り替える。そのため、
発電効率の低い領域においても燃料電池から出力電流を
過剰に取り出す場合があり得るので、その場合には、燃
料電池の発電能力を超えた電力供給を要求することにな
り、燃料電池内の熱バランスが崩れて発電の停止に至る
おそれがあるという問題をも招く。またこのような状態
が継続すると、燃料電池の電極損傷に至るという問題に
も発展する。

【０００９】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、燃料電
池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領
域では燃料電池の発電を抑制し得る燃料電池システムを
提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段および発明の作用・効果】
上記目的を達成するため、請求項１の燃料電池システム
では、負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池お
よび蓄電手段を備える燃料電池システムであって、前記
負荷に対し電力供給する燃料電池と、前記燃料電池の出
力電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段に
より検出された前記燃料電池の出力電圧が所定の電圧値
を下回ると、前記負荷に対し前記蓄電手段から、前記燃
料電池の出力電圧が前記所定の電圧値以上を保持し得る
補助電力を供給する補助電力供給手段と、を備えること
を技術的特徴とする。

【００１１】請求項１の発明では、電圧検出手段によ
り、負荷に対し電力供給する燃料電池の出力電圧を検出
し、補助電力供給手段により、検出された燃料電池の出
力電圧が所定の電圧値を下回ると、負荷に対し蓄電手段
から、燃料電池の出力電圧が所定の電圧値以上を保持し
得る補助電力を供給する。つまり、電圧検出手段により
検出した燃料電池の出力電圧に基づいて、燃料電池の出
力電圧が所定の電圧値以上を保持し得るように負荷に対
して蓄電手段から補助電力を供給するので、燃料電池の
出力電流に基づいた判断により負荷に補助電力を供給す
るものではない。これにより、燃料電池の発電効率の低
い領域では、負荷に対して燃料電池による電力供給に加
え、蓄電手段からも補助電力が供給されるので、発電効
率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出す
ことを防止することができる。したがって、燃料電池を
発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域で
は燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。

【００１２】また、請求項２の燃料電池システムでは、
請求項１において、前記所定の電圧値は、前記燃料電池
によって供給可能な最大電力を発電するときの電圧値に
設定されていることを技術的特徴とする。

【００１３】請求項２の発明では、所定の電圧値は、燃
料電池によって供給可能な最大電力を発電するときの電
圧値に設定されていることから、燃料電池の発電効率の
最も高いところを基準に所定の電圧値が設定されてい
る。これにより、燃料電池の出力電圧が当該所定の電圧
値を下回るときには、燃料電池はその発電効率の最も高
いところを超えて発電効率の低い領域で発電しているこ
とになるので、その場合には、負荷に対して燃料電池に
よる電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力を供給す
ることができる。したがって、発電効率の低い領域にあ
る燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止できる
ので、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電
効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果が
ある。

【００１４】さらに、請求項３の燃料電池システムで
は、請求項１において、前記所定の電圧値は、前記燃料
電池によって供給可能な最大電力（１００％）を発電す
るときの電圧値以上であって、当該最大電力の９５％を
発電するときの電圧値以下に設定されていることを技術
的特徴とする。

【００１５】請求項３の発明では、所定の電圧値は、燃
料電池によって供給可能な最大電力（１００％）を発電
するときの電圧値以上であって、当該最大電力の９５％
を発電するときの電圧値以下に設定されている。これに
より、燃料電池の出力電圧が当該所定の電圧値を下回る
ときには、燃料電池はその発電効率の高いところを超え
て発電効率の低い領域で発電していることになるので、
その場合には、負荷に対して燃料電池による電力供給に
加え、蓄電手段からも補助電力を供給することができ
る。したがって、発電効率の低い領域にある燃料電池か
ら過剰に電力を取り出すことを防止できるので、燃料電
池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領
域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。

【００１６】また、請求項４の燃料電池システムでは、
請求項１において、前記所定の電圧値は、前記燃料電池
の出力電流に対する出力電圧特性における当該特性曲線
の傾きが−０．４［Ｖ／Ａ・cm² ］のときの電圧値以
下、前記燃料電池によって供給可能な最大電力を発電す
るときの電圧値以上の範囲内で設定されていることを技
術的特徴とする。

【００１７】請求項４の発明では、所定の電圧値は、燃
料電池の出力電流に対する出力電圧特性における当該特
性曲線の傾きが−０．４［Ｖ／Ａ・cm² ］のときの電圧
値以下、燃料電池によって供給可能な最大電力を発電す
るときの電圧値以上の範囲内で設定されていることか
ら、当該特性曲線の傾きが−０．４［Ｖ／Ａ・cm² ］の
ときの電圧値以下、燃料電池の発電効率の最も大きいと
ころで発電するときの電圧値以上の間で所定の電圧値が
設定されている。これにより、所定の電圧値にこのよう
な、より具体的な設定幅を設けているので、燃料電池の
特性および負荷の電力要求に即して所定の電圧値をより
具体的に設定することができる。また、燃料電池の出力
電圧が当該所定の電圧値の範囲を超えて下回るときに
は、燃料電池はその発電効率の高い所定範囲を超えて発
電効率の低い領域で発電していることになるので、その
場合には、負荷に対して燃料電池による電力供給に加
え、蓄電手段からも補助電力を供給することができる。
したがって、発電効率の低い領域にある燃料電池から過
剰に電力を取り出すことを防止できるので、燃料電池を
発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域で
は燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。

【００１８】さらに、請求項５の燃料電池システムで
は、請求項１において、前記所定の電圧値は、前記燃料
電池の開放電圧値を１００％としたときの、その３５％
以上５０％以下の電圧値に設定されていることを技術的
特徴とする。

【００１９】請求項５の発明では、所定の電圧値は、燃
料電池の開放電圧値を１００％としたときの、その３５
％以上５０％以下の電圧値に設定されていることから、
燃料電池の開放電圧値の観点から、所定の電圧値を容易
に設定することができる。また、開放電圧値の３５％以
上５０％以下の電圧値といった設定幅を設けているの
で、負荷の電力要求に即して所定の電圧値を設定するこ
とができる。さらに、燃料電池の出力電圧が当該所定の
電圧値の範囲を超えて下回るときには、燃料電池はその
発電効率の高い所定範囲を超えて発電効率の低い領域で
発電していることになるので、その場合には、負荷に対
して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補
助電力を供給することができる。したがって、発電効率
の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すこ
とを防止できるので、燃料電池を発電効率の高い領域で
発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑
制し得る効果がある。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池システム
を、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源に適用
した一実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。ま
ず、図１を参照して燃料電池システム２０の構成を説明
する。なお、図１中に示す破線は、各機能ブロックある
いは機能部品間で授受される情報信号の流れを示してい
る。

【００２１】図１に示すように、燃料電池システム２０
は、主に、燃料電池２１、バッテリ３１、スイッチング
素子３６、３７、モータ駆動回路４５、ハイブリッド回
路コントローラ（以下「ＨＢＣコントローラ」という）
５１、燃料電池コントローラ（以下「ＦＣコントロー
ラ」という）５３等により構成されており、モータ駆動
回路４５（負荷の一部）に対しそれぞれ並列に接続され
た燃料電池２１およびバッテリ３１（蓄電手段）を備え
るもので、燃料電池２１の出力電圧（以下「ＦＣ電圧」
という）Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回ると、モー
タ駆動回路４５等に対しバッテリ３１から、燃料電池２
１のＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ以上を保持し
得る補助電力を供給するものである。

【００２２】燃料電池２１は、モータ駆動回路４５（負
荷の一部）に対し電力供給し得るもので、水素と酸素を
反応させることにより電気エネルギを取り出し、モータ
で車輪を駆動する電気自動車のエネルギ源のひとつであ
る。このため、燃料電池２１には、水素および酸素（ま
たは空気）が供給されており、それらの供給量は、後述
するＦＣコントローラ５３により制御され、出力電力の
制御が行われている。

【００２３】なお、燃料電池２１は、一般に、水素貯蔵
や改質触媒等の方式によって種々の水素供給タイプに分
類されるが、水素と酸素とを反応させて発電するもので
あれば、本発明に係る燃料電池システムを適用すること
ができる。例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦ
Ｃ）を用いることが望ましいが、その他、アルカリ水溶
液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型
（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタ
ノール型（ＤＭＦＣ）等のものがある。

【００２４】燃料電池２１の端子間には、そのＦＣ電圧
Ｖfcを検出し得る電圧センサ２３が接続されている。即
ち、燃料電池２１の出力端子間に接続された電圧センサ
２３により燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが検出され、検
出されたＦＣ電圧ＶfcはＦＣコントローラ５３に出力さ
れている。これにより、ＦＣコントローラ５３によって
燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcを適宜監視することができ
るので、これに基づいた燃料電池２１の出力制御を可能
にしている。なお、この電圧センサ２３は、特許請求の
範囲に記載の「電圧検出手段」に相当する。

【００２５】また、燃料電池２１の出力端子の一方（例
えば陽極側）には、燃料電池２１の入出力電流を測定し
得る電流センサ２５が設けられている。そして、この電
流センサ２５により検出された燃料電池電流（以下「Ｆ
Ｃ電流」という）Ｉfcは、ＦＣコントローラ５３に出力
され、これにより燃料電池２１の出力をＦＣ電流Ｉfcの
面から適宜監視することができる。そのため、ＦＣ電流
Ｉfcに基づいた燃料電池２１の出力制御を可能にしてい
る。

【００２６】さらに、燃料電池２１の出力端子の一方
（例えば陽極側）には、燃料電池２１から電流が流れ出
る方向を順方向とするようにダイオード２７が直列に接
続されている。即ち、燃料電池２１に対してアノード
側、モータ駆動回路４５に対してカソード側、がそれぞ
れ位置するようにダイオード２７が接続されている。こ
のダイオード２７は、逆電流防止を目的とするもので、
バッテリ３１やモータ駆動回路４５から燃料電池２１に
向けて駆動電流や回生電流が流れ込むことを抑制し、逆
電流による燃料電池２１の劣化を防止している。

【００２７】バッテリ３１は、充放電を繰り返すことが
できるいわゆる二次電池で、特許請求の範囲に記載の
「蓄電手段」に相当するものである。即ち、バッテリ３
１は、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが後述するように予
め設定された所定の下限電圧値ＶＬを下回ると、燃料電
池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該下限電圧値ＶＬ以上を保持
し得るように、モータ駆動回路４５等に対し補助電力を
供給するものである。

【００２８】具体的には、例えば、電気自動車等に使用
される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウ
ム硫黄電池等が用いられるが、このほか通常仕様の鉛電
池や、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リ
チウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等を用いても良
い。

【００２９】このバッテリ３１は、その端子間電圧（以
下「ＢＴ電圧」という）Ｖbtを電圧センサ３３によって
検出されている。即ち、バッテリ３１の出力端子間に
は、電圧センサ３３が接続されており、この電圧センサ
３３により検出されたＢＴ電圧ＶbtはＨＢＣコントロー
ラ５１に出力されている。これにより、ＨＢＣコントロ
ーラ５１によってバッテリ３１の出力電圧（ＢＴ電圧Ｖ
bt）を適宜監視することができるので、これに基づいて
後述する昇圧制御や充電制御を可能にしている。

【００３０】なお、本実施形態では、蓄電手段としてバ
ッテリ３１を用いたが、本発明ではこれに限られること
はなく、電荷を蓄えてそれを放出できる機能を有するも
のであれば、例えばコンデンサ（例えば電気二重層コン
デンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等、
あるいはこれらを組み合わせもの等であっても良い。

【００３１】バッテリ３１の出力端子の一方（例えば陽
極側）には、２００Ａ程度の電流を許容するリアクトル
３５が直列に接続されている。このリアクトル３５は、
次に説明するスイッチング素子３６とともに昇圧回路を
構成するもので、所定の電気エネルギを蓄え得るもので
ある。

【００３２】スイッチング素子３６は、電力用の半導体
スイッチング素子であり、直列接続されたバッテリ３１
およびリアクトル３５に対して、入出力端子が並列に接
続されている。本実施形態では、例えば、ＩＧＢＴ(ins
ulated gate bipolar transistor ；絶縁ゲートバイポ
ーラ型トランジスタ)にフライホイールダイオードを組
み合わせたものが用いられており、そのベース端子ある
いはゲート端子は、ＨＢＣコントローラ５１に接続され
ている。これにより、ＨＢＣコントローラ５１からスイ
ッチング素子３６に対し、所定周期（例えば２０ｋHz）
のスイッチング信号が出力されると、当該周期でスイッ
チング素子３６をDUTY制御できる。

【００３３】即ち、スイッチング素子３６がオン状態の
ときにはその入出力端子間が導通するので、バッテリ３
１から出力された直流電流がリアクトル３５に流れ込ん
で電気エネルギが蓄積される。一方、スイッチング素子
３６がオフ状態のときにはその入出力端子間が遮断され
るので、それまで流れていた電流とは逆方向に電流が流
れ、つまりリアクトル３５から電気エネルギが放出さ
れ、バッテリ３１の出力電圧に加算されて昇圧される。
なお、昇圧されたバッテリ３１のＢＴ電圧Ｖbtは、前述
のスイッチング信号によって適宜調節することができる
が、おおよそ燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcよりわずかに
高い程度の電圧に調節される。なおこのスイッチング素
子３６は、特許請求の範囲に記載の「補助電力供給手
段」に相当するものである。

【００３４】また、リアクトル３５とスイッチング素子
３６とからなる昇圧回路の出力側には、スイッチング素
子３７が直列に接続されている。このスイッチング素子
３７は、前述した前記スイッチング素子３６と同様、電
力用の半導体スイッチング素子で、モータ駆動回路４５
による回生電力や燃料電池２１による余剰電力をバッテ
リ３１に供給し充電する場合にオン状態に制御される充
電制御回路を構成するものである。即ち、スイッチング
素子３７のベース端子あるいはゲート端子に接続された
ＨＢＣコントローラ５１によって、電圧センサ３３によ
り検出されたＢＴ電圧Ｖbtに基づいてバッテリ３１の残
存容量を監視しているので、バッテリ３１の残存容量が
所定の充電容量まで低下すると、スイッチング素子３７
をオン状態に制御することで、モータ駆動回路４５や燃
料電池２１から供給される電力によりバッテリ３１を充
電するようにしている。

【００３５】なお、このスイッチング素子３７の入出力
端子間には、当該昇圧回路の出力方向を順方向とするよ
うにダイオードが接続されている。これにより、スイッ
チング素子３７のオンオフ状態にかかわらず、当該昇圧
回路からモータ駆動回路４５に電力供給することができ
るように構成されている。また、このスイッチング素子
３７の出力側（コレクタ側）には、電流センサ３９が接
続されているので、バッテリ３１等による昇圧回路から
モータ駆動回路４５に供給される出力電流Ｉbtを検出
し、ＨＢＣコントローラ５１に出力することもできる。

【００３６】このように、昇圧回路を構成するスイッチ
ング素子３６と充電制御回路を構成するスイッチング素
子３７とにより、ＨＢＣコントローラ５１は、燃料電池
２１のＦＣ電圧Ｖfcに基づいて、両スイッチング素子を
次のように制御している。

【００３７】(1) 燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが後述す
る所定の下限電圧値ＶＬ以上である場合（Ｖfc≧ＶＬ）
には、スイッチング素子３６をオフ状態に制御すること
により昇圧回路による補助電力の発生を停止させる。ま
たスイッチング素子３７は、モータ駆動回路４５による
回生電力や燃料電池２１による余剰電力によってバッテ
リ３１を充電する必要がある場合にはオン状態に制御
し、そのような充電の必要がない場合にはオフ状態に制
御する。

【００３８】(2) 燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが、所定
の下限電圧値ＶＬを下回る場合には（Ｖfc＜ＶＬ）、後
述する理由により、モータ駆動回路４５等に対し補助電
力を供給する必要があるので、スイッチング素子３６を
オン状態に制御することにより昇圧回路を動作させ、バ
ッテリ３１等による昇圧回路により補助電力の供給を開
始、継続する。なお、このときスイッチング素子３７は
オフ状態に制御されているので、補助電力の供給は、ス
イッチング素子３７の入出力端子間に接続されているダ
イオードを介して行われる。

【００３９】モータ駆動回路４５は、燃料電池２１やバ
ッテリ３１に対して並列に接続される負荷の一部を構成
するもので、例えば車両用の交流モータＭを駆動するイ
ンバータ回路が挙げられる。なお、負荷としては、モー
タ駆動回路４５に駆動される車両用の交流モータＭ（例
えば６０kW相当）のほかに、燃料電池２１に水素や酸素
（空気）を供給する図示しないポンプやファン、その
他、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停
車中にも使用され電気を消費する補機類も含まれ得る。
なおこのモータ駆動回路４５と並列に電圧センサ４１が
接続されているため、この電圧センサ４１によって検出
された電圧は、ＨＢＣコントローラ５１に出力される。

【００４０】ＨＢＣコントローラ５１は、図示しないマ
イクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等か
ら構成される制御装置で、ＦＣコントローラ５３に接続
されているとともに、前述した電圧センサ３３、電流セ
ンサ３９、電圧センサ４１等の各センサやスイッチング
素子３６、３７等にも接続されている。そして、このう
ちのメモリには、後述する補助電力供給処理（図２参
照）を実行可能な補助電力供給プログラムや一連の基本
処理を実行可能なシステムプログラム等が格納されてい
る。これにより、ＦＣコントローラ５３に対し所定情報
の受け渡しをすることができるほか、電圧センサ３３か
ら入力されるバッテリ３１のＢＴ電圧Ｖbtの情報や電圧
センサ４１から入力されるモータ駆動回路４５に対する
印加電圧ＶRLの情報あるいは電流センサ３９から入力さ
れるバッテリ３１の出力電流Ｉbtの情報等に基づいて、
後述する補助電力供給処理を実行することができる。

【００４１】ＦＣ／Ｍコントローラ５３も、ＨＢＣコン
トローラ５１と同様に、図示しないマイクロプロセッ
サ、メモリ、入出力インタフェイス等からなる制御装置
で、ＨＢＣコントローラ５１や、燃料電池２１、電圧セ
ンサ２３、電流センサ２５等にそれぞれ接続されてい
る。そしてこのメモリには、燃料電池制御処理を実行可
能な燃料電池制御プログラムが格納されている。これに
より、ＨＢＣコントローラ５１に対し所定情報の受け渡
しや、ＦＣ電圧Ｖfcの情報やＦＣ電流Ｉfcの情報に基づ
いて燃料電池２１に供給される水素等の供給量の制御を
することができる。

【００４２】次に、上述した燃料電池システム２０を制
御するＨＢＣコントローラ５１による補助電力供給処理
の流れを図２に基づいて説明する。なお、この補助電力
供給処理は、図示しないメインプログラムによるタイマ
割り込み処理等によって所定周期ごとに起動されるもの
で、ＨＢＣコントローラ５１のメモリに格納される補助
電力供給プログラムにより実行されるものである。

【００４３】図２に示すように、補助電力供給処理は、
所定の初期化処理の後、まずステップＳ１０１により、
燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcを電圧センサ２３から読み
込む処理を行う。これにより、ＨＢＣコントローラ５１
では、取得したＦＣ電圧Ｖfcから、燃料電池２１の現在
の発電状態を把握する。

【００４４】続くステップＳ１０３では、ステップＳ１
０１で取得したＦＣ電圧Ｖfcが、後述するように予め設
定された所定の下限電圧値ＶＬ以上であるか否か、換言
すればＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らな
いか否か、を判断する処理を行う。そして、ＦＣ電圧Ｖ
fcが所定の下限電圧値ＶＬ以上である場合（ＦＣ電圧Ｖ
fcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らない場合）には（ス
テップＳ１０３でＹｅｓ）、後述する理由から、バッテ
リ３１による補助電力をモータ駆動回路４５に補う必要
がないので、次ステップＳ１０５に処理を移行してスイ
ッチング素子３６のDUTY制御を停止する処理を行う。

【００４５】一方、ステップＳ１０３の判断により、Ｆ
Ｃ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬよりも高いことを判
断できない場合（ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ
を下回る場合）には（ステップＳ１０３でＮｏ）、後述
する理由から、バッテリ３１による補助電力をモータ駆
動回路４５に補う必要があるので、次ステップＳ１０７
に処理を移行してスイッチング素子３６のDUTY制御を開
始する処理を行う。

【００４６】ステップＳ１０５では、昇圧回路を構成す
るスイッチング素子３６のベース端子あるいはゲート端
子に印加する所定周期のスイッチング信号を中止する処
理を行うことにより、スイッチング素子３６による所定
のDUTY制御が停止され、バッテリ３１等による昇圧回路
から補助電力の供給が行われないように制御される。こ
れにより、燃料電池２１が発電効率の高い領域にある場
合には、バッテリ３１等から過剰なエネルギ供給を防ぐ
ことができる。

【００４７】一方、ステップＳ１０７では、スイッチン
グ素子３６のベース端子あるいはゲート端子に所定周期
のスイッチング信号を印加する処理を行うことにより、
昇圧回路を構成するスイッチング素子３６のオンオフ制
御が当該スイッチング信号による所定のDUTY制御によっ
て行われるので、昇圧回路から所定の補助電力がモータ
駆動回路４５に供給されるように制御する。これによ
り、燃料電池２１の発電効率の低い領域では、モータ駆
動回路４５に対しバッテリ３１等から補助電力が供給さ
れるので、発電効率の低い領域にある燃料電池２１から
過剰に電力を取り出すことを防止することができる。

【００４８】ここで、図３および図４を参照して、上述
した所定の下限電圧値ＶＬがどのように決定され設定さ
れているかについて説明する。なお、図３は、単セル当
たりの燃料電池２１の出力特性を示す特性図で、横軸に
燃料電池２１の出力電流密度［Ａ／cm² ］、左縦軸に燃
料電池２１のＦＣ電圧［Ｖ］、右縦軸に燃料電池２１の
出力電力密度［Ｗ／cm² ］をとったもので、電流密度に
対する電圧の特性（以下「I-V 特性」という）を示す曲
線Ａおよび電流密度に対する電力密度の特性（以下「I-
P 特性」という）を示す曲線Ｂがそれぞれ表されてい
る。

【００４９】また、図４は、単セル当たりの燃料電池２
１の出力特性を示す特性図で、横軸に燃料電池２１の出
力電流密度［Ａ／cm² ］、左縦軸に燃料電池２１のＦＣ
電圧［Ｖ］および出力電力密度［Ｗ／cm² ］、右縦軸に
燃料電池２１の電圧効率［％］をとったもので、図３と
同様のI-V 特性を示す曲線Ａ、図３と同様のI-P 特性を
示す曲線Ｂおよび電流密度に対する電圧効率の特性（以
下「Ｖef特性」という）を示す曲線Ｃがそれぞれ表され
ている。この特性図は、燃料電池２１の開放電圧値に対
するＦＣ電圧Ｖfcの比率を示す曲線ＣをＶef特性として
表すことにより、同特性図上に表されている曲線Ａ（I-
V 特性）と曲線Ｂ（I-P 特性）との関係を明確にしたも
のである。なお曲線Ａおよび曲線は、両者の特性上、互
いに重複して描かれているため、図４では１本の曲線に
見えることに留意されたい。

【００５０】なお、図３および図４に示す各特性曲線
は、燃料電池２１には必要な量の燃料としての水素ガス
および酸化剤としての空気が十分に供給され、燃料電池
２１の水素極および空気極のイオン交換膜には十分な水
分が含まれており、燃料電池２１の温度は十分に高く作
動温度範囲内にあり、燃料電池２１を構成する部材の経
時劣化はほとんどないものとする。

【００５１】(1) 図３に示すように、上述した所定の下
限電圧値ＶＬは、燃料電池２１によって供給可能な最大
電力Ｗ_P を発電するときの電圧値Ｖ_P に設定される。即
ち、図３に示す単セルのI-P 特性を示す曲線Ｂのピーク
点（最大電力点）Ｐ、つまり燃料電池２１の最も大きい
電力（最大電力）Ｗ_P （０．５７５Ｗ／cm²）を発電す
るときの電圧値Ｖ_P を、同図に示す単セルのI-V 特性を
示す曲線Ａから求め（電圧値Ｖ_P ＝０．５０Ｖ）、これ
を所定の下限電圧値ＶＬに設定している。

【００５２】これにより、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfc
が当該電圧値Ｖ_P （所定の下限電圧値ＶＬ）を下回ると
きには、燃料電池２１は曲線Ｂのピーク点Ｐを超えて同
点Ｐ右側の出力電力の低下した領域（発電効率の低い領
域）で発電していることになる。このような理由から、
図２を参照して説明した補助電力供給処理では、ステッ
プＳ１０３において、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値
ＶＬ（電圧値Ｖ_P ）を下回らないか否かを判断し、スイ
ッチング素子３６のDUTY制御を開始または停止させてい
る。

【００５３】(2) また、図３に示すように、当該所定の
下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１によって供給可能な最
大電力Ｗ_P を発電するときの電圧値Ｖ_P 以上であって、
当該最大電力Ｗ_P の９５％を発電するときの電圧値Ｖ_Q
以下に設定されても良い。即ち、図３に示す単セルのI-
P 特性を示す曲線Ｂのピーク点（最大電力点）Ｐ、つま
り燃料電池２１の最も大きい電力（最大電力）Ｗ
_P （０．５７５Ｗ／cm²）を発電するときの電圧値Ｖ_P
を同図に示す単セルのI-V 特性を示す曲線Ａから求め
（電圧値Ｖ_P ＝０．５０Ｖ）、この電圧値Ｖ_P 以上で、
その９５％の点Ｑにおける電力Ｗ_Q （０．５７５×０．
９５＝０．５４６Ｗ／cm² ）を発電するときの曲線Ａか
ら求めた電圧値Ｖ_Q （０．５６Ｖ）以下に所定の下限電
圧値ＶＬが設定されている。

【００５４】これにより、所定の下限電圧値ＶＬにこの
ような設定幅（Ｖ_P ≦ＶＬ≦Ｖ_Q ）を設けているので、
モータ駆動回路４５（負荷の一部）の電力要求に即して
所定の下限電圧値ＶＬを設定することができる。また、
燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該設定幅（Ｖ_P ≦ＶＬ
≦Ｖ_Q ）の中で予め設定された下限電圧値ＶＬを超えて
下回るときには、燃料電池２１は曲線Ｂの点Ｑから点Ｐ
の範囲を超えて点Ｐ右側の出力電力の低下した領域（発
電効率の低い領域）で発電していることになる。このよ
うな理由から、補助電力供給処理のステップＳ１０３に
おいて、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ（Ｖ_P ≦
ＶＬ≦Ｖ_Q ）を下回らないか否かを判断し、スイッチン
グ素子３６のDUTY制御を開始または停止するようにして
も良い。

【００５５】(3) さらに、図３に示すように、当該所定
の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１のI-V 特性曲線の傾
きが−０．４［Ｖ／Ａ・cm² ］の点のＦＣ電圧値Ｖfc以
上、燃料電池２１によって供給可能な最大電力Ｗ_P を発
電するときの電圧値Ｖ_P 以下の範囲内で設定されても良
い。例えば、図３に示すI-P 特性を示す曲線Ｂのピーク
点Ｐの前後における所定範囲（例えば電流密度０．１Ａ
／cm² ；図３に示すＶ１（１．１５〜１．２５）、Ｖ２
（１．０５〜１．１５）の範囲）の曲線Ｂの傾き（図３
に示すΔＶ１（−０．０４７Ｖ／０．１Ａ・cm² ）、Δ
Ｖ２（−０．０３２Ｖ／０．１Ａ・cm² ））を得ること
により、その傾きの平均値（（ΔＶ１＋ΔＶ２）／２；
（（−０．０４７−０．０３２）／２＝−０．０３９５
≒−０．４［Ｖ／Ａ・cm² ］））を求めたものを「燃料
電池２１のI-V 特性曲線の傾き」として定め、その傾き
のときの燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfc以上、最大電力Ｗ
_P （０．５７５Ｗ／cm² ）の出力電圧値Ｖ_P （０．５０
Ｖ）以下の範囲内で設定するようにしても良い。

【００５６】これにより、所定の下限電圧値ＶＬにこの
ような、より具体的な設定幅を設けているので、燃料電
池２１の特性およびモータ駆動回路４５（負荷の一部）
の電力要求に即して所定の下限電圧値ＶＬをより具体的
に設定することができる。また、燃料電池２１のＦＣ電
圧Ｖfcが当該範囲を超えて下回るときには、燃料電池２
１は点Ｐ右側の出力電力の低下した領域（発電効率の低
い領域）で発電していることになる。このような理由か
ら、補助電力供給処理のステップＳ１０３において、Ｆ
Ｃ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らないか否か
を判断し、スイッチング素子３６のDUTY制御を開始また
は停止するようにしても良い。

【００５７】(4) また、図４に示すように、上述した所
定の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１の開放電圧値を１
００％としたときの、その３５％以上５０％以下の電圧
値（図４に示す白抜き矢印の範囲内）に設定されていて
も良い。なお、図４に示す曲線Ｃ上の点Ｒは、曲線Ｂの
ピーク点Ｐに対応するもので、電圧効率３５％以上５０
％以下の範囲にある。即ち、図４に示すように、当該所
定の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１の開放電圧値の観
点から、単セルのI-P 特性を示す燃料電池２１の発電効
率の高い領域（ピーク点Ｐ）からＶef特性を示す曲線Ｃ
により、発電効率の高い領域を電圧効率の範囲として定
めても良い。

【００５８】これにより、所定の下限電圧値ＶＬを容易
に設定することができる。また、開放電圧値の３５％以
上５０％以下の電圧値といった設定幅を設けているの
で、モータ駆動回路４５（負荷の一部）の電力要求に即
して所定の下限電圧値ＶＬを設定することができる。さ
らに、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該所定の下限電
圧値ＶＬの範囲を超えて下回るときには、燃料電池２１
はその発電効率の高い所定範囲を超えて発電効率の低い
領域で発電していることになる。このような理由から、
補助電力供給処理のステップＳ１０３において、ＦＣ電
圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らないか否かを判
断し、スイッチング素子３６のDUTY制御を開始または停
止するようにしても良い。

【００５９】なお、以上説明した(1) 〜(4) による所定
の下限電圧値ＶＬの設定は、単セルの場合を例示して説
明したものである。そのため、実際の燃料電池システム
２０においては上述した各値にセル数を乗じて得られた
値に所定の下限電圧値ＶＬを設定する必要のあることに
留意されたい。

【００６０】例えば、図５に示すように、燃料電池２１
の出力特性が５０kWにおいてピーク（同図に示す点Ｐ）
を示し、そのときの燃料電池２１の出力電流／電圧が２
５０Ａ／２００Ｖである場合には、所定の下限電圧値Ｖ
Ｌを２００Ｖに設定する。これにより、電圧センサ２３
により検出した燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcに基づい
て、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが２００Ｖ以上を保持
し得るようにモータ駆動回路４５等に対してバッテリ３
１から補助電力を供給する。

【００６１】例えばモータ駆動回路４５等からの要求電
力が６０kWのときには、燃料電池２１から５０kWの発電
電力を供給し、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが２００Ｖ
以上を保持し得るようにバッテリ３１から１０kWの補助
電力を供給するので、燃料電池２１の発電効率の低い領
域（図５に示す曲線βの点Ｐ右側）では、モータ駆動回
路４５等に対して燃料電池２１による５０kWの電力供給
に加え、バッテリ３１からも１０kWの補助電力が供給さ
れ、全６０kWの電力を供給する様子が、図５において直
線γに示す部分に表されている。このように燃料電池シ
ステム２０では、燃料電池２１の発電効率の高い領域
（図５に示す曲線βの点Ｐ左側）から発電効率の低い領
域（図５に示す曲線βの点Ｐ右側）に移行するとき、あ
るいはその手前で、バッテリ３１による補助電力を加え
るので、曲線βに示す破線部分のような減少傾向の特性
に移行する前に負荷の要求に応えられる電力を供給する
ことができる（直線γ部分）。

【００６２】以上説明したように本実施形態に係る燃料
電池システム２０によると、電圧センサ２３により、モ
ータ駆動回路４５等の負荷に対し電力供給する燃料電池
２１のＦＣ電圧Ｖfcを検出し、バッテリ３１により、検
出された燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧
値ＶＬを下回ると、モータ駆動回路４５等に対しバッテ
リ３１から、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限
電圧値ＶＬ以上を保持し得る補助電力を供給する。つま
り、電圧センサ２３により検出した燃料電池２１のＦＣ
電圧Ｖfcに基づいて、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが所
定の下限電圧値ＶＬ以上を保持し得るようにモータ駆動
回路４５等に対してバッテリ３１から補助電力を供給す
るので、燃料電池２１の出力電流に基づいた判断により
モータ駆動回路４５等に補助電力を供給するものではな
い。これにより、燃料電池２１の発電効率の低い領域で
は、モータ駆動回路４５等に対して燃料電池２１による
電力供給に加え、バッテリ３１からも補助電力が供給さ
れるので、発電効率の低い領域にある燃料電池２１から
過剰に電力を取り出すことを防止することができる。し
たがって、燃料電池２１を発電効率の高い領域で発電さ
せ、発電効率の低い領域では燃料電池２１の発電を抑制
し得る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの
電気的構成を示す回路図である。

【図２】本実施形態の燃料電池システムの補助電力供給
処理の流れを示すフローチャートである。

【図３】燃料電池（単セル当たり）の出力特性を示す特
性図で、電流密度［Ａ／cm² ］に対する電圧［Ｖ］の特
性を示す曲線Ａおよび電流密度［Ａ／cm² ］に対する電
力密度［Ｗ／cm² ］の特性を示す曲線Ｂを示すものであ
る。

【図４】燃料電池（単セル当たり）の出力特性を示す特
性図で、電流密度［Ａ／cm² ］に対する電圧［Ｖ］の特
性を示す曲線Ａ、電力密度［Ｗ／cm² ］の特性を示す曲
線Ｂおよび電流密度［Ａ／cm² ］に対する電圧効率
［％］の特性を示す曲線Ｃを示すものである。

【図５】本実施形態の燃料電池システムにより負荷に供
給される電力の電流電圧特性曲線αおよび電流電力特性
曲線β、γを示すものである。

【図６】燃料電池の出力特性を示す特性図で、電流電圧
特性曲線（良好時α、劣化時α’）および電流電力特性
曲線（良好時β、劣化時β’）を示すものである。

【符号の説明】

２０ 燃料電池システム ２１ 燃料電池 ２３ 電圧センサ （電圧検出手段） ３１ バッテリ （蓄電手段） ３５ リアクトル （補助電力供給手段） ３６ スイッチング素子 （補助電力供給手段） ４５ モータ駆動回路 （負荷） ５１ ＨＢＣコントローラ（補助電力供給手段） Ｖfc 燃料電池のＦＣ電圧 ＶＬ 所定の下限電圧値 （所定の電圧値） Ｖ_P 下限電圧（所定の電圧値、最大電力を発電す
るときの電圧値） Ｖ_Q 下限電圧（所定の電圧値、最大電力の９５％
以上を発電するときの電圧値）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃
   料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムであっ
   て、 前記負荷に対し電力供給する燃料電池と、 前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、 前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池の出力
   電圧が所定の電圧値を下回ると、前記負荷に対し前記蓄
   電手段から、前記燃料電池の出力電圧が前記所定の電圧
   値以上を保持し得る補助電力を供給する補助電力供給手
   段と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】 前記所定の電圧値は、前記燃料電池によ
   って供給可能な最大電力を発電するときの電圧値に設定
   されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池シ
   ステム。
3. 【請求項３】 前記所定の電圧値は、前記燃料電池によ
   って供給可能な最大電力を発電するときの電圧値以上で
   あって、当該最大電力の９５％を発電するときの電圧値
   以下に設定されていることを特徴とする請求項１記載の
   燃料電池システム。
4. 【請求項４】 前記所定の電圧値は、前記燃料電池の出
   力電流に対する出力電圧特性における当該特性曲線の傾
   きが−０．４［Ｖ／Ａ・cm² ］のときの電圧値以下、前
   記燃料電池によって供給可能な最大電力を発電するとき
   の電圧値以上の範囲内で設定されていることを特徴とす
   る請求項１記載の燃料電池システム。
5. 【請求項５】 前記所定の電圧値は、前記燃料電池の開
   放電圧値を１００％としたときの、その３５％以上５０
   ％以下の電圧値に設定されていることを特徴とする請求
   項１記載の燃料電池システム。