JP2007184243A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機する場合であっても、高電圧で駆動する補機類などを安定して運転することが可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】制御装置は、電極触媒が被毒状態にあることを検知すると、まず現時点における運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）を確認する。被毒された電極触媒の活性を回復するのに十分な目標動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）を導出する。そして、図５（ｂ）に示すように、通常運転動作点から低効率運転動作点まで、出力電力が一定に保持される運転動作点のシフトを実現する。具体的には、昇圧コンバータを用いてＦＣ電圧をＶｆｃ１からＶｆｃ２まで低下させるとともに、酸化ガス量を調整することでＦＣ電流を制御する。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

一般に、燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪い。かかる燃料電池の発電効率は、温度の低下や電極触媒の被毒に起因して減少し、所望の電圧／電流を供給することができずに機器（モータなど）を起動できない場合も生じる。

このような事情に鑑み、各電極に供給するアノード燃料（例えば燃料ガス）及びカソード燃料（例えば酸化ガス）の少なくともいずれか一方を不足状態とし、電極の一部の過電圧を増加させて燃料電池の温度を上昇させることにより、電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機する方法が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。

特表２００３−５０４８０７号

しかしながら、上記方法によって電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機する場合には、かかる運転に伴って燃料電池の電圧は低下し、高電圧で駆動する補機類（ポンプ等のモータ）などを安定して運転することができない等の問題があった。

本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機する場合であっても、高電圧で駆動する補機類などを安定して運転することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した問題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池の電力により作動する負荷と、前記燃料電池と負荷との間に設けられ、該燃料電池の出力を電圧変換して負荷に供給する第１の電圧変換装置と、所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御手段と、前記燃料電池の運転動作点と前記負荷の駆動電圧に基づき、前記第１の電圧変換装置による電圧変換動作を制御する電圧変換制御手段とを具備することを特徴とする。

かかる構成によれば、電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機等するために低効率運転動作点で動作する場合であっても、燃料電池の運転動作点と負荷の駆動電圧に基づき、電圧変換装置による電圧変換動作が制御される。このため、燃料電池の運転動作点によらず、常に負荷を安定して運転することが可能となる。

ここで、上記構成にあっては、前記第１の電圧変換装置は、前記燃料電池の端子電圧を昇圧する昇圧コンバータであり、前記電圧変換制御手段は、前記昇圧コンバータにより、前記運転動作点に応じた前記燃料電池の端子電圧を、少なくとも前記負荷の駆動電圧まで昇圧させる態様が好ましい。

また、前記運転制御手段は、前記燃料電池の暖機運転が必要な場合、または前記燃料電池の触媒活性を回復させる運転が必要な場合に、前記燃料電池を低効率運転動作点にて運転する態様も好ましい。

また、通常運転動作点にて運転している間、前記燃料電池の出力電流を前記昇圧コンバータをバイパスして前記負荷へ供給するバイパス手段をさらに備える態様も好ましい。ここで、前記バイパス手段は、前記昇圧コンバータの入力側にアノードが接続され、該昇圧コンバータの出力側にカソードが接続されたダイオードであっても良い。

また、上記構成にあっては、充放電可能な蓄電装置と、前記蓄電装置と前記負荷との間で電圧変換を行う第２の電圧変換装置とをさらに具備する態様が好ましい。ここで、前記第２の電圧変換装置は、前記蓄電装置の放電電圧を昇圧する昇圧コンバータ、または該放電電圧を昇圧もしくは降圧する昇降圧コンバータであることが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機する場合であっても、高電圧で駆動する補機類などを安定して運転することが可能となる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。

Ａ．第１実施形態
図１は第１実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。燃料電池システム１００は、電源として燃料電池４０を搭載した車両システムであって、燃料電池４０の出力端と負荷の間に昇圧コンバータ５０が接続されている点に特徴がある。なお、本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）に搭載される燃料電池システムを想定するが、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両のほか、各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源にも適用可能である。

酸化ガス供給源２０は、例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆動するモータ、インバータなどから構成され、該モータの回転数などを調整することにより、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を調整する。
燃料ガス供給源３０は、例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、弁開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整することにより、燃料電池４０に供給する燃料ガス量を制御する。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、燐酸型、熔融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を利用することができる。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。この燃料電池４０の端子電圧（以下、ＦＣ電圧）及び出力電流（以下、ＦＣ電流）は、電圧センサ１１０及び電流センサ１２０によって検出される。燃料電池４０の燃料極（アノード）には、燃料ガス供給源３０から水素ガスなどの燃料ガスが供給される一方、酸素極（カソード）には、酸化ガス供給源２０から空気などの酸化ガスが供給される。この燃料電池４０のＦＣ電圧は、接続リレーＲ１、Ｒ２を介して昇圧コンバータ５０に供給される。接続リレーＲ１、Ｒ２は、制御装置４０から供給される切換信号によってＯＮ／ＯＦＦ制御される。

昇圧コンバータ（第１の電圧変換装置）５０は、制御装置１０による制御のもと、燃料電池４０から供給されるＦＣ電圧をシステム要求電圧（負荷の駆動電圧）まで昇圧し、各インバータ６０、８０に供給する。なお、以下の説明では、昇圧コンバータ５０に入力される昇圧前の電圧を入力電圧Ｖｉｎと呼び、昇圧コンバータ５０から出力される昇圧後の電圧を出力電圧Ｖｏｕｔと呼ぶ。

この昇圧コンバータ５０は、リアクトルＬ１と、整流用のダイオードＤ１と、ＩＧＢＴなどからなるスイッチング素子ＳＷ１とを備えている。リアクトルＬ１は、その一端が接続リレーＲ１に接続され、他端がスイッチング素子ＳＷ１のコレクタに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１は、各インバータ６０、８０の電源ラインとアースラインの間に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１のコレクタが電源ラインに接続され、エミッタがアースラインに接続されている。かかる構成において、まず、スイッチＳＷ１をＯＮにすると、燃料電池４０→インダクタＬ１→スイッチＳＷ１へと電流が流れ、このときインダクタＬ１が直流励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。
続いてスイッチＳＷ１をＯＦＦにすると、インダクタＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が燃料電池４０のＦＣ電圧（入力電圧Ｖｉｎ）に重畳され、入力電圧Ｖｉｎよりも高い作動電圧（出力電圧Ｖｏｕｔ）がインダクタＬ１から出力されるとともに、ダイオードＤ１を介して出力電流が出力される。制御装置１０は、このスイッチＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦのデューティー（後述）を適宜変更することで、所望の出力電圧Ｖｏｕｔを得る。

各インバータ６０、８０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御装置８０から与えられる制御指令に基づき、昇圧コンバータ５０から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、各モータ７０、９０へ供給する。

詳述すると、インバータ６０は、昇圧コンバータ５０からコンデンサＣ１を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、トラクションモータ７０へ供給する。トラクションモータ７０は、車輪７５Ｌ、７５Ｒを駆動するためのモータ（すなわち移動体の動力源）であり、かかるモータの回転数はインバータ６０によって制御される。なお、コンデンサＣ１は、昇圧コンバータ５０から供給される直流電圧を平滑化してインバータ６０に供給する。

一方、インバータ８０は、昇圧コンバータ５０から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、補機類９０へ供給する。補機類９０は、車両補機やＦＣ補機などによって構成されている。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器（燃料ガスや酸化ガスを供給するためのポンプなど）をいう。

制御装置（運転制御手段、電圧変換制御手段）１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどにより構成され、電圧センサ１１０や電流センサ１２０、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ、アクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づき、当該システム各部を中枢的に制御する。

また、制御装置１０は、以下に示す方法により燃料電池４０の電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知し、被毒状態にあることを検知した場合には、被毒された電極触媒の特性を回復すべく、燃料電池４０の運転動作点を切り換える処理を行う（後述）。

メモリ１６０は、例えば書き換え可能な不揮発性メモリであり、燃料電池４０の初期状態（例えば製造出荷時）における電池特性を示す初期電池特性データなどが格納されている。初期電池特性データは、初期状態における燃料電池４０の電流密度と電圧との関係を示す二次元マップであり、電流密度が高くなるにつれ電圧は低下する。

周知のとおり、燃料電池４０の電極触媒が被毒すると電池特性は低下し、同一電圧で比較すると被毒後の電流密度は被毒前の電流密度（初期電池特性データに示される電流密度）よりも低下する。かかる特性を利用し、本実施形態では、電圧センサ１１０及び電流センサ１２０によって検知されるＦＣ電圧及びＦＣ電流と初期電池特性データとを比較することで、電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知する。詳述すると、制御装置（検知手段）１０は、電圧センサ１１０及び電流センサ１２０によってＦＣ電圧及びＦＣ電流が検知されると、初期電池特性データにおける同一電圧での電流密度と比較する。かかる比較の結果、下記式（１）、（２）が成立している場合には被毒状態であると判断する一方、下記式（１）、（２）が成立していない場合には被毒状態でないと判断する。

Ｖｆｃ＝Ｖｓ ・・・（１）
Ｉｆｃ＜Ｉｓ＋α ・・・（２）
Ｖｆｃ；ＦＣ電圧
Ｖｓ ；初期電池特性データにおける電圧
Ｉｆｃ；ＦＣ電流
Ｉｓ ；初期電池特性データにおける電流密度
α ；所定値

なお、上記説明では、初期電池特性データを利用して電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知したが、他の方法によって電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知しても良いのはもちろんである。例えば、一酸化炭素によって電極触媒が被毒される場合には、既知のＣＯ濃度センサを設け、ＣＯ濃度と電圧測定値との関係を予め調査・マップ化し、検知されるＣＯ濃度等に基づいて電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知しても良い。以下、図面を参照しながら燃料電池４０の運転動作点について詳細に説明する。

図２（ａ）、（ｂ）は、異なる運転動作点で燃料電池を運転したときの出力電力と電力損失との関係を示す図であり、横軸にＦＣ電流、縦軸にＦＣ電圧をあらわしている。また、図２に示すＯＣＶ（Open Circuit Voltage；開回路電圧）は、燃料電池に電流を流していない状態での電圧をあらわす。

図２に示す電流・電圧特性（以下、ＩＶ特性）が得られる燃料電池４０においては、出力電力に対して電力損失の小さな運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）にて運転されるのが一般的である（図２（ａ）参照）。しかしながら、燃料電池４０の電極触媒が被毒状態にある場合には、燃料電池４０の内部温度を上昇させて電極触媒の活性を回復させる必要があるため、本実施形態では、必要な出力電力を確保しつつ電力損失の大きな運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）にシフトして運転し、被毒状態の電極触媒の活性を回復させる（図２（ｂ）参照）。ここで、図２（ａ）、（ｂ）に示す各運転動作点での出力電力Ｐｆｃ、電力損失Ｐｌｏｓｓ、各出力電力Ｐｆｃの関係、各電力損失Ｐｌｏｓｓの関係を示せば次の通りである。

＜運転動作点（Ｉｆｃ、Ｖｆｃ１）について＞
Ｉｆｃ１＊Ｖｆｃ１＝Ｐｆｃ１ ・・・（３）
Ｉｆｃ１＊ＯＣＶ−Ｐｆｃ１＝Ｐｌｏｓｓ１ ・・・（４）
＜運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）について＞
Ｉｆｃ２＊Ｖｆｃ２＝Ｐｆｃ２ ・・・（５）
Ｉｆｃ２＊ＯＣＶ−Ｐｆｃ２＝Ｐｌｏｓｓ２ ・・・（６）
＜各出力電力、各電力損失の関係＞
Ｐｆｃ１＝Ｐｆｃ２ ・・・（７）
Ｐｌｏｓｓ１＜Ｐｌｏｓｓ２ ・・・（８）

図３は、運転動作点をシフトしながら燃料電池を運転したときの出力電力の変化をあらわす図であり、横軸にＦＣ電流、縦軸にＦＣ電圧及び出力電力をあらわしている。なお、図３では、説明の便宜上、燃料電池のＩＶ特性を直線（以下、ＩＶライン）であらわす。また、ＩＶライン上の各運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）、（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）は、図２に示す各運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）、（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）に対応する。

図３に示すように、燃料電池４０の出力電力Ｐｆｃは、最大出力電力Ｐｆｃｍａｘが得られる最大出力運転動作点（Ｉｆｃｍａｘ、Ｖｆｃｍａｘ）を中心に、図示左側に示すＩＶライン上の運転動作点ではＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃは増大する一方、図示右側に示すＩＶライン上の運転動作点ではＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃは減少する。

前述したように、電力損失Ｐｌｏｓｓは、ＦＣ電圧Ｖｆｃが低下するにつれ増大する。このため、燃料電池４０を運転して同一の電力を出力する場合であっても、最大出力運転動作点の右側に示すＩＶライン上の運転動作点（例えば、運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１））で運転する方が、最大出力運転動作点の左側に示すＩＶライン上の運転動作点（例えば、運転動作点(Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２））で運転するよりも電力損失Ｐｌｏｓｓは大きい。よって、以下の説明では、ＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃが増大するＩＶライン上の運転動作点を通常運転動作点と定義し、ＦＣ電圧Ｖｆｃの低下に伴って出力電力Ｐｆｃが減少するＩＶライン上の運転動作点を低効率運転動作点と定義する。なお、通常運転動作点及び低効率運転動作点を表せば次の通りである。

＜通常運転動作点（Ｉｆｃ、Ｖｆｃ）について＞
Ｉｆｃ≦Ｉｆｃｍａｘ ・・・（９）
Ｖｆｃｍａｘ≦Ｖｆｃ ・・・（１０）
＜低効率運転動作点（Ｉｆｃ、Ｖｆｃ）について＞
Ｉｆｃｍａｘ＜Ｉｆｃ ・・・（１１）
Ｖｆｃ＜Ｖｆｃｍａｘ ・・・（１２）

次に、図４及び図５を参照しながら制御装置８０によって実行される運転動作点のシフト処理について説明する。
図４は、運転動作点のシフト処理を示すフローチャートであり、図５は、運転動作点をシフトしたときの出力電力の変化を示した図である。なお、以下の説明では、被毒された電極触媒の活性を回復すべく、燃料電池４０の運転動作点を通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）から低効率運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）へシフトする場合を想定する（図５参照）。また、以下の説明では、昇圧コンバータ５０に接続されたインバータ６０、８０、トラクションモータ７０、補機類９０など、昇圧コンバータ５０から出力される電力を消費する機器を負荷と総称する。

制御装置１０は、まず、触媒活性を回復させる運転が必要か否かを判断する（ステップＳ１）。具体的には、電圧センサ１１０及び電流センサ１２０によって検知されるＦＣ電圧及びＦＣ電流と初期電池特性データとを比較することで、電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知し、電極触媒が被毒状態にない場合には触媒活性を回復させる運転は必要ないと判断する一方、電極触媒が被毒状態にある場合には触媒活性を回復させる運転が必要と判断する。

制御装置（運転制御手段）１０は、電極触媒が被毒状態にない場合には、負荷の駆動電力（システム要求電力）に応じた通常運転動作点にて運転を継続する。詳述すると、制御装置（電圧変換制御手段）１０は、システム要求電力を把握した後、メモリ１６０などに格納されている電力−運転動作点対応マップ（図示略）を参照することで、該システム要求電力に応じた通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）を決定し、決定した通常運転動作点にて運転を行う。ここで、通常運転動作点で運転している間は、昇圧コンバータ５０の運転を停止（スイッチング素子ＳＷ１；「ＯＦＦ」）するため、昇圧コンバータ５０の入力電圧Ｖｉｎ、出力電圧Ｖｏｕｔは同一となる。例えば、システム要求電圧Ｖｒｅｑが３５０Ｖの場合、制御装置１０はシステム要求電力に応じた通常運転動作点のＶｆｃ１を３５０Ｖに設定する。通常運転動作点で運転している間は、昇圧コンバータ５０の運転を停止するため、Ｖｆｃ１＝Ｖｉｎ＝Ｖｏｕｔ＝３５０Ｖとなる。

一方、制御装置１０は、電極触媒が被毒状態にある場合には、現時点における運転動作点（ここでは、通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１））を確認した後（ステップＳ２）、被毒された電極触媒の活性を回復するのに十分な燃料電池４０の運転動作点（目標運転動作点）を導出する（ステップＳ３）。一例を挙げて説明すると、例えば、通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）で運転することにより、出力電力Ｐｆｃ１が得られる場合には、この出力電力と同じ出力電力Ｐｆｃ２（＝Ｐｆｃ１）が得られる低効率運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）を目標運転動作点として導出する。

なお、被毒された電極触媒は、燃料電池４０のセル電圧が０．６Ｖ以下に制御されることにより、触媒還元反応が起こって触媒活性が回復されるため、このような条件を満たす運転動作点を目標運転動作点として導出しても良い（詳細は後述）。

そして、制御装置（運転制御手段）１０は、目標運転動作点に向けて運転動作点のシフトを開始する（ステップＳ４）。ここで、通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）から低効率運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）までＦＣ電圧のみを制御して運転動作点をシフトした場合には、図５（ａ）に示すように、ＩＶラインｌ１の運転動作点のシフトに応じて燃料電池４０の出力電力は大きく変動してしまう（パワーラインｐｌ１参照）。
より具体的には、昇圧コンバータ５０を用いてＦＣ電圧のみを制御して運転動作点をシフトした場合には、シフト過程において通常の使用環境下ではありえないような高出力運転（最大出力運転動作点における運転など）を行う必要が生じる。

そこで、本実施形態では、ＦＣ電圧とともにＦＣ電流を制御することで、図５（ｂ）に示すように、通常運転動作点（Ｉｆｃ１、Ｖｆｃ１）から低効率運転動作点（Ｉｆｃ２、Ｖｆｃ２）まで、出力電力が一定に保持される運転動作点のシフトを実現する（パワーラインｐｌ２参照）。具体的には、昇圧コンバータ（第１の電圧変換装置、電圧変換装置）５０を用いてＦＣ電圧をＶｆｃ１からＶｆｃ２まで低下させるとともに、制御装置（調整手段、変更手段）１０が酸化ガス供給源２０から供給される酸化ガス量を調整することで（ここでは酸化ガス量を絞ることで）、ＦＣ電流を制御する。

ＦＣ電圧の制御について詳述すると、例えばシステム要求電圧Ｖｒｅｑが３５０Ｖの場合、制御装置１０は低効率運転動作点のＶｆｃ２を３０Ｖに設定する。そして、制御装置（電圧変換制御手段）１０は、Ｖｒｅｑ＝Ｖｏｕｔ＝３５０Ｖを満たしつつ、Ｖｆｃ２＝Ｖｉｎ＝３０Ｖを満たすように、昇圧コンバータ５０の動作（デューティー）を制御する。なお、昇圧コンバータ５０のデューティーは、下記のようにあらわすことができる。
Ｄｕｔｙ＝（Ｖｏｕｔ−Ｖｉｎ）／Ｖｏｕｔ ・・・（１３）

以上のようにして運転動作点をシフトすると、制御装置１０は、タイマ（図示略）などを参照し、運転動作点をシフトしてから目標設定時間が経過したか否かを判断する（ステップＳ５）。ここで、目標設定時間は、低効率運転動作点で運転を開始してから電極触媒の活性を回復するのに十分な時間（例えば１０秒）であり、予め実験などによって求めることができる。制御装置１０は、目標設定時間が経過していないと判断すると（ステップＳ５；ＮＯ）、ステップＳ５を繰り返し実行する。一方、制御装置１０は、目標設定時間が経過したと判断すると（ステップＳ５；ＹＥＳ）、シフト後の運転動作点をシフト前の運転動作点に戻し（ステップＳ６）、処理を終了する。

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によれば、電極触媒の被毒の回復する場合であっても、高電圧で駆動する補機類などを安定して運転することが可能となる。

なお、上述したように、被毒された電極触媒は、燃料電池４０のセル電圧を０．６Ｖ以下に制御することで触媒活性が回復するため、次のようにして運転動作点を導出しても良い。
例えば、燃料電池４０が３００セルの積層スタック構造を有しており、システム要求電力が１ｋＷの場合、セル電圧を０．５Ｖ（＜０．６Ｖ）に設定したとすると、目標運転動作点は次のようになる。

＜目標運転動作点（Ｉｆｃ、Ｖｆｃ）について＞
Ｖｆｃ＝３００＊０．５＝１５０Ｖ ・・・（１４）
Ｉｆｃ＝１０００／１５０＝６．７Ａ ・・・（１５）

ここで、求めた目標運転動作点がシフト前のＩＶライン上にない場合であっても、ＦＣ電圧とともにＦＣ電流を制御してＩＶ特性を変えることで、求めた目標運転動作点をＩＶライン上に位置させることが可能となる。

＜変形例＞
（１）上述した実施形態では、酸化ガス供給源２０から供給される酸化ガス量を調整することで、ＦＣ電流を制御したが、燃料ガス供給源３０から供給される燃料ガス量を調整することで、ＦＣ電流を制御しても良い。

（２）上述した実施形態では、電極触媒が被毒状態にあることを検知した場合に、燃料電池４０の運転動作点を通常運転動作点から低効率運転動作点へシフトしたが、以下に示すタイミングで運転動作点をシフトするようにしても良い。

例えば、システム起動時にいったん低効率運転動作点で運転してから通常運転動作点へとシフトし、常に触媒活性を高めた状態でシステム運転を行うようにしても良い。また、システム要求電力が所定値以下になったとき（例えばアイドル出力付近など）、運転動作点を通常運転動作点から低効率運転動作点へとシフトするようにしても良い。さらに、システム停止後に低効率運転動作点にて運転を行うことで、運転中に低下した触媒活性を回復させて次回の起動に備えるようにしても良い。

（３）上述した実施形態では、被毒された電極触媒の活性を回復するために、燃料電池４０の運転動作点を通常運転動作点から低効率運転動作点へシフトする構成としたが、例えば低温起動時に暖機運転を行う場合やシステム運転停止前に急速暖機を行う場合など、暖機運転が必要なあらゆる場合に適用可能である。

一例を挙げて説明すると、制御装置１０は操作スイッチなどから当該システムの起動命令を受け取ると、温度センサ（図示略）などを利用して燃料電池４０の内部温度を検知する。制御装置（運転制御手段）１０は、燃料電池４０の内部温度が予め設定された閾値温度を下回っている場合には、暖機運転が必要であると判断し、図４に示す運転動作点のシフト処理を実行する。この後の動作については、本実施形態と同様であるため、説明を省略する。なお、温度センサの代わりに外気温度を検出する温度センサや冷却機構（図示略）を流れる冷媒の温度を検出する温度センサなどを利用しても良い。

Ｂ．第２実施形態
図６は第２実施形態に係る燃料電池システム１００ａの要部構成を示す図である。なお、図１に示す燃料電池システム１００と対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
図６に示すように、燃料電池システム１００ａには、リアクトルＬ１の直流抵抗による定常損失分をキャンセルするためのダイオード(バイパス手段）Ｄ２が設けられている。ダイオードＤ２は、リアクトルＬ１の前段（昇圧コンバータの入力側）にアノードが接続される一方、ダイオードＤ１の後段（昇圧コンバータの出力側）にカソードが接続されている。

かかるダイオードＤ２を設けた理由は次の通りである。すなわち、通常運転動作点で運転している間、昇圧コンバータ５０の運転を停止（スイッチング素子ＳＷ１；「ＯＦＦ」）すると、ＦＣ電流はリアクトルＬ１→ダイオードＤ１へと流れ、リアクトルＬ１の直流抵抗による定常損失が問題となる（図１参照）。このリアクトルＬ１の直流抵抗による定常損失の問題を解消するために、ダイオードＤ２を設けている（図６参照）。この結果、通常運転動作点で運転している間は、ＦＣ電流が昇圧コンバータ５０をバイパスしてダイオードＤ２→負荷へと流れる一方、低効率運転動作点で運転している間は、ＦＣ電流がリアクトルＬ１→ダイオードＤ１→負荷へと流れ、リアクトルＬ１の直流抵抗による定常損失分をキャンセルすることができる。

以上説明した第１実施形態及び第２実施形態では、燃料電池４０のみからなる電源システムについて説明したが、以下に示す第３及び第４実施形態では、燃料電池４０及びバッテリ８０を備えたハイブリッド電源システムについて説明する。

Ｃ．第３実施形態
図７は第３実施形態に係る燃料電池システム１００ｂの要部構成を示す図である。なお、図６に示す燃料電池システム１００ａと対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
図７に示すように、燃料電池システム１００ａには、燃料電池４０及び昇圧コンバータ５０を備えた電源システムとともに、バッテリ１３０及び昇圧コンバータ１４０を備えた電源システムが搭載されている。

バッテリ（蓄電装置）１３０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成されている。もちろん、バッテリ１３０の代わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。バッテリ１３０は、昇圧コンバータ１４０を介して負荷と接続されている。ただし、バッテリ１３０の放電電圧Ｖｂａは、システム要求電圧Ｖｒｅｑよりも低いことが前提となる。例えば、システム要求電圧が３００〜３５０Ｖで変動するのであれば、バッテリ１３０は放電電圧Ｖｂａが３００Ｖ以下（例えば２００〜２９９Ｖ）のものに限定される。

昇圧コンバータ（第２の電圧変換装置）１４０は、制御装置１０による制御のもと、バッテリ１３０から供給される放電電圧Ｖｂａをシステム要求電圧（図７に示すＡ−Ｂ間の電圧）Ｖｒｅｑまで昇圧し、各インバータ６０、８０に供給する。例えばシステム要求電圧Ｖｒｅｑが３５０Ｖ、バッテリ１３０の放電電圧Ｖｂａが２５０Ｖに設定されている場合、制御装置１０は昇圧コンバータ１４０のデューティーを制御することで、該放電電圧Ｖｂａ（＝２５０Ｖ）をシステム要求電圧（＝３５０Ｖ）まで昇圧する。
この昇圧コンバータ５０は、リアクトルＬ２と、ＩＧＢＴなどからなるスイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ３とを備えている。リアクトルＬ１は、その一端がバッテリ１３０の電源ラインに接続される一方、他端がスイッチング素子ＳＷ２のエミッタとスイッチング素子ＳＷ３のコレクタとの間に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ２、ＳＷ３は、インバータ側の電源ラインとアースラインの間に直列に接続され、スイッチング素子ＳＷ２のコレクタが電源ラインに接続されるとともに、スイッチング素子ＳＷ３のエミッタがアースラインに接続される。

コンデンサＣ２は、バッテリ１３０から供給される直流電圧を平滑化して昇圧コンバータ１４０に供給する一方、コンデンサＣ３は、昇圧コンバータ１４０から供給される直流電圧を平滑化して各インバータ６０、８０へ供給する。なお、昇圧コンバータ１４０の昇圧動作については、第１実施形態とほぼ同様に説明することができるため、説明を割愛する。
かかる構成によれば、高電圧で駆動する補機類などを安定して運転することができるほか、燃料電池とバッテリを利用することで効率良く負荷を駆動することが可能となる。

以上説明した第３実施形態では、バッテリ１３０の放電電圧Ｖｂａとシステム要求電圧が常にオーバーラップしない、具体的にはバッテリ１３０の放電電圧Ｖｂａがシステム要求電圧Ｖｒｅｑを常に下回る場合について説明したが、以下に示す第４実施形態では、バッテリ１３０の放電電圧Ｖｂａとシステム要求電圧Ｖｒｅｑがオーバーラップする場合について説明する。

Ｄ．第４実施形態
図８は第３実施形態に係る燃料電池システム１００ｃの要部構成を示す図である。なお、図７に示す燃料電池システム１００ｂと対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
図８に示すように、燃料電池システム１００ｃには、昇圧コンバータ１４０（図７参照）の代わりに昇降圧コンバータ（第２の電圧変換装置）１５０が設けられている。
昇降圧コンバータ１５０は、制御装置１０による制御のもと、バッテリ１３０から供給される放電電圧Ｖｂａをシステム要求電圧（図８に示すＡ−Ｂ間の電圧）まで昇圧または降圧し、各インバータ６０、８０に供給する。例えばシステム要求電圧Ｖｒｅｑが３５０Ｖ、バッテリ１３０の放電電圧Ｖｂａが３００Ｖに設定されている場合、制御装置１０は昇降圧コンバータ１５０のデューティーを制御することで、該放電電圧Ｖｂａ（＝３００Ｖ）をシステム要求電圧（＝３５０Ｖ）まで昇圧する。一方、システム要求電圧ｖｒｅｑが２５０Ｖ、バッテリ１３０の放電電圧Ｖｂａが３００Ｖに設定されている場合、制御装置１０は昇降圧コンバータ１５０のデューティーを制御することで、該放電電圧Ｖｂａ（＝３００Ｖ）をシステム要求電圧（＝２５０Ｖ）まで降圧する。なお、昇降圧コンバータ１５０のデューティーは、下記のようにあらわすことができる。
Ｄｕｔｙ＝Ｖｏｕｔ／（Ｖｉｎ＋Ｖｏｕｔ） ・・・（１６）

この昇降圧コンバータ１５０は、リアクトルＬ３と、ＩＧＢＴなどからなる４つのスイッチング素子ＳＷ４〜ＳＷ７を備えたフルブリッジ・コンバータである。リアクトルＬ３は、その一端がスイッチング素子ＳＷ４のエミッタとスイッチング素子ＳＷ５のコレクタとの間に接続され、他端がスイッチング素子ＳＷ６のエミッタとスイッチング素子ＳＷ７のコレクタとの間に接続されている。

スイッチング素子ＳＷ４、ＳＷ５は、バッテリ側の電源ラインとアースラインの間に直列に接続され、スイッチング素子ＳＷ４のコレクタが電源ラインに接続されるとともに、スイッチング素子ＳＷ５のエミッタがアースラインに接続される。スイッチング素子ＳＷ６、ＳＷ７は、インバータ側の電源ラインとアースラインの間に直列に接続され、スイッチング素子ＳＷ６のコレクタが電源ラインに接続されるとともに、スイッチング素子ＳＷ７のエミッタがアースラインに接続される。

かかる構成によれば、バッテリの放電電圧とシステム要求電圧がオーバーラップする場合においても、効率良く負荷を駆動することが可能となる。

＜変形例＞
上述した第３及び第４実施形態では、リアクトルＬ１の直流抵抗による定常損失分をキャンセルするためのダイオードＤ２を設けたが、リアクトルＬ１の定常損失を考慮する必要がなければダイオードＤ２を設けなくても良い。
また、上述した各実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴを例示したが、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラトランジスタなど、スイッチングが可能なあらゆる素子に適用可能である。

Ｆ．第５実施形態
図９は第４実施形態に係る燃料電池システム１００ｄの要部構成を示す図である。なお、図８に示す燃料電池システム１００ｃと対応する部分には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。
酸化ガス供給源２０は、エアコンプレッサ７００などを備えて構成される。エアコンプレッサ７００は、制御装置１０による制御のもと、燃料電池４０に対する酸化ガスの供給量を調整する。
図１０〜図１２は、それぞれシステム始動時におけるＦＣ出力電圧、ＦＣ出力電力、エアコンプレッサの回転数の変化を例示した図である。
燃料電池システム１００ｄの制御装置（抑制手段）１０は、システム始動に先立ち、エアコンプレッサ７００の回転数Ｒｆｃを制御して所定時間だけ酸化ガスを燃料電池４０に供給した後、該供給を停止する（図１２に示すｃ１参照）。
この酸化ガスの供給に応じてＦＣ出力電圧ＶｍｆｃがＯＣＶ（Open Circuit Voltage;開回路電圧）近傍まで上昇するが（図１０に示すａ１参照）、システム始動の際には、ＯＣＶ近傍まで上昇したＦＣ出力電圧Ｖｍｆｃを低効率運転動作領域の電圧まで下降させる必要がある。このための制御について説明すると、まず、制御装置（第１決定手段）１０は、システム要求電力（補機類の駆動エネルギーなど）Ｐｒｅとバッテリの充電電力Ｐｂａを加算して（図１１に示すｂ１参照）、ＦＣ出力指令電力Ｐｆｃを決定する（式（１７）参照）。
Ｐｆｃ＝Ｐｒｅ＋Ｐｂａ ・・・（１７）

次に、制御装置（第２決定手段）１０は、求めたＦＣ出力指令電力ＰｆｃをＦＣ出力電圧（実測値）Ｖｍｆｃで除することにより、ＦＣ出力指令電流Ｉｆｃを求める（式（１８）参照）。
Ｉｆｃ＝Ｐｆｃ／Ｖｍｆｃ ・・・（１８）

さらに、制御装置（第３決定手段）１０は、求めたＦＣ出力指令電流ＩｆｃとＦＣ出力電流(実測値）Ｉｍｆｃとの偏差を求め、求めた偏差をＦＣ出力電圧Ｖｍｆｃの変化量(＝前回測定した出力電圧と今回測定した出力電圧との差分）にフィードバックすることで、ＦＣ出力指令電圧Ｖｆｃを算出する。

制御装置１０は、ＦＣ出力電圧が低効率運転動作領域の電圧まで降下したことを確認すると、エアコンプレッサ７００による酸化ガスの供給を再開し、低効率運転動作点での運転を開始する。

以上説明したように、本実施形態によれば、ＦＣ出力電圧をＯＣＶ近傍から低効率運転動作領域の電圧まで下降させる際、酸化ガスの供給を停止し、ＦＣ出力指令電流ＩｆｃとＦＣ出力電流(実測値）Ｉｍｆｃとの偏差を求め、求めた偏差をＦＣ出力電圧Ｖｍｆｃの変化量にフィードバックすることで、低効率運転動作点での運転を迅速に開始することが可能となる。

なお、上記実施形態では、ＦＣ出力電圧をＯＣＶ近傍から低効率運転動作領域の電圧まで下降させる場合について説明したが、ＦＣ出力電圧を目標の電圧まで下降させるあらゆる場合に適用可能である。

第１実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 同実施形態に係る出力電力と電力損失との関係を示す図である。 同実施形態に係る出力電力の変化をあらわす図である。 同実施形態に係る運転動作点のシフト処理を示すフローチャートである。 同実施形態に係る出力電力の変化をあらわす図である。 第２実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第３実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第４実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 第５実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 同実施形態に係るシステム始動時におけるＦＣ出力電圧の変化を示す図である。 同実施形態に係るシステム始動時におけるＦＣ出力電力の変化を示す図である。 同実施形態に係るシステム始動時におけるエアコンプレッサの回転数を示す図である。

符号の説明

１０・・・制御装置、２０・・・酸化ガス供給源、３０・・・燃料ガス供給源、４０・・・燃料電池、５０・・・昇圧コンバータ、６０、８０・・・インバータ、７０・・・トラクションモータ、７５Ｌ、７５Ｒ・・・車輪、９０・・・補機類、１１０・・・電圧センサ、１２０・・・電流センサ、１６０・・・メモリ、１００、１００ａ、１００ｂ、１００ｃ・・・燃料電池システム。

Claims (10)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池の電力により作動する負荷と、
   前記燃料電池と負荷との間に設けられ、該燃料電池の出力を電圧変換して負荷に供給する第１の電圧変換装置と、
   所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御手段と、
   前記燃料電池の運転動作点と前記負荷の駆動電圧に基づき、前記第１の電圧変換装置による電圧変換動作を制御する電圧変換制御手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記第１の電圧変換装置は、前記燃料電池の端子電圧を昇圧する昇圧コンバータであり、
   前記電圧変換制御手段は、前記昇圧コンバータにより、前記運転動作点に応じた前記燃料電池の端子電圧を、少なくとも前記負荷の駆動電圧まで昇圧させ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。
3. 前記運転制御手段は、前記燃料電池の暖機運転が必要な場合、または前記燃料電池の触媒活性を回復させる運転が必要な場合に、前記燃料電池を低効率運転動作点にて運転することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 通常運転動作点にて運転している間、前記燃料電池の出力電流を前記昇圧コンバータをバイパスして前記負荷へ供給するバイパス手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
5. 前記バイパス手段は、前記昇圧コンバータの入力側にアノードが接続され、該昇圧コンバータの出力側にカソードが接続されたダイオードであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 充放電可能な蓄電装置と、前記蓄電装置と前記負荷との間で電圧変換を行う第２の電圧変換装置とをさらに具備することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の燃料電池システム。
7. 前記第２の電圧変換装置は、前記蓄電装置の放電電圧を昇圧する昇圧コンバータ、または該放電電圧を昇圧もしくは降圧する昇降圧コンバータであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 燃料ガス及び酸化ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池に接続された負荷と、
   前記燃料電池と前記負荷との間に介挿された充放電可能な蓄電装置と、
   前記燃料電池と前記蓄電装置の運転動作点を決定するために前記燃料電池の端子電圧を制御する電圧変換装置と、
   所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御手段と、
   前記電圧変換装置にて前記燃料電池の端子電圧を調整するとともに、前記燃料電池に対する酸化ガスの供給量を制御することで前記燃料電池の出力電流を調整し、前記燃料電池の運転動作点を変更する変更手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
9. 燃料ガス及び酸化ガスを利用して発電を行う燃料電池と、
   所定条件を満たす場合に前記酸化ガスの供給を抑制する抑制手段と、
   前記酸化ガスの供給を抑制したときの前記燃料電池の目標電力を決定する第１決定手段と、
   前記目標電力と前記燃料電池の実測電圧に基づいて、目標電流を決定する第２決定手段と、
   目標電流と前記燃料電池の実測電流との偏差から、前記燃料電池の実測電圧変化量にフィードバックして前記目標電圧値を決定する第３決定手段と
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。
10. 前記抑制手段は、前記燃料電池の出力電圧を開回路電圧近傍から低効率運転動作点での電圧まで下降させる場合に前記酸化ガスの供給を停止し、
    前記第1決定手段は、前記酸化ガスの供給を停止したときの前記燃料電池の目標電力を決定することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。

Images