JP2009054465A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】低効率運転時に燃料電池への要求電力が急激に減少したときに外部負荷に余剰電力を供給しないように制御する。
【解決手段】燃料電池システムは、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転により燃料電池を暖機している最中に燃料電池に対する発電指令値Ｐｒｅｆが急減すると、燃料電池の出力電圧を昇圧させることにより、燃料電池の発電量Ｐｍｅｓと発電指令値Ｐｒｅｄとの差分に相当する余剰電力Ｗｓを燃料電池の容量成分に充電し、燃料電池の外部負荷に供給される電力（Ｐｍｅｓ−Ｗｓ）と発電指令値Ｐｒｅｆとを一致させる。
【選択図】図６

Description

本発明は低効率運転により燃料電池を暖機する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る複数の膜−電極アッセンブリを積層して成るスタック構造を有している。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。

この種の燃料電池は、一般に７０〜８０℃が発電に最適な温度域とされているが、寒冷地などの環境では、起動してから最適温度域に達するまでに長時間を要する場合があるので、各種の暖機システムが検討されている。例えば、特開２００２−３１３３８８号公報には、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施することにより燃料電池の自己発熱量を制御し、車両走行しながら燃料電池を暖機する手法について開示されている。かかる手法は、燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性（電流対電圧特性）に基づく電圧値よりも低い電圧値に設定し、燃料電池の熱損失を増大させて自己発熱による暖機運転を実施するものであるため、暖機用の装置を搭載する必要がなく、利便性に優れている。
特開２００２−３１３３８８号公報

ところで、車両走行しながらの低効率運転では、燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧値よりも低い一定の電圧値に固定しつつ、燃料電池に供給される酸化ガス流量を要求電力に応じて可変制御するのが好適である。このときの燃料電池の出力電圧は、迅速な暖機運転を実現するとともに、車両走行に最低限度必要なモータ出力を得ることのできる一定の電圧値に設定される。ここで、燃料電池の出力電圧を一定の電圧値に固定する理由は、暖機運転時に発電効率を低下させる観点から燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧よりも低い電圧で運転制御する場合、燃料電池の出力電圧が変動（昇圧又は降圧）すると、燃料電池内部に寄生的に形成されている容量成分からの電力の充放電が生じてしまい、燃料電池から外部負荷（トラクションモータや車載補機類など）へ供給される電力に過不足が生じるためである。

一方、特開２００２−３１３３８８号公報に開示されている手法では、暖機運転時に燃料電池の発電効率を低下させる代償として、燃料電池の出力も低下させてしまうので、要求電力に見合った出力制御を実施できない。かかる問題を解決するには、車両走行しながらの低効率運転では、燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧値よりも低い一定の電圧値に固定しつつ、燃料電池に供給される酸化ガス流量を要求電力に応じて可変制御すればよい。

しかし、燃料電池システムを車載電源とする燃料電池車両では、エアコンプレッサにより燃料電池に酸化ガスを供給しているものがある。エアコンプレッサに実装される駆動モータは応答性の良いものが採用されており、アクセル開度が急激に増大する場合におけるエアコンプレッサの応答性は良好である。しかし、エアコンプレッサには、ブレーキなどの減速手段が搭載されていない場合が多いので、アクセル開度が急激に減少する場合における応答性は悪く、惰性により回転数が減少していくのを待っているのが現状である。

そのため、車両走行しながらの低効率運転時に、アクセル開度が急激に減少しても、燃料電池への酸化ガス流量を急激に絞ることができないので、発電指令値を超える余剰電力を発電してしまう。この余剰電力はバッテリに充電されるが、低温環境下によりバッテリの充電能力が低下している場合には、バッテリの過充電を招く虞がある。

そこで、本発明は低効率運転時に燃料電池への要求電力が急激に減少したときに外部負荷に余剰電力を供給しないように制御することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転により燃料電池を暖機する暖機手段と、低効率運転を実施している最中に燃料電池に対する発電指令値が急減したときに燃料電池の出力電圧を昇圧させることにより発電指令値を超える余剰電力を燃料電池の容量成分に充電する制御手段とを備える。

かかる構成によれば、低効率運転中に発電指令値が急減したときに、発電指令値を超える余剰電力を燃料電池の容量成分に充電することができるので、燃料電池から外部負荷への余剰電力供給を抑制できる。

ここで、燃料電池の容量成分とは、燃料電池の触媒担持体の電気二重層容量成分と触媒の酸化還元反応による見かけ上の容量成分を意味する。また、低効率運転とは、燃料電池の電流対電圧特性曲線より定まる電圧値よりも低い電圧値を有する運転ポイントで電池運転することを意味する。

本発明に係わる燃料電池システムは、容量成分の電圧に対する容量値を示すマップデータと、燃料電池の出力電流を燃料電池の出力電圧の単位時間あたりの変化で除すことにより得られる上記の容量成分の実測値を基に上記のマップデータを補正する補正手段とを更に備えてもよい。

燃料電池の容量成分は、長期間使用し続けると、触媒酸化等により経年劣化することが知られている。容量成分の電圧に対する容量値を示すマップデータを容量成分の実測値を基に補正することで、余剰電力を精度よく容量成分に充電できる。

本発明に係わる燃料電池システムは、低効率運転を実施している最中に燃料電池に対する運転負荷が急減したときに燃料電池の発電量と発電指令値との差分が少なくなるように発電指令値を緩やかに減少させる発電指令手段を更に備えてもよい。

燃料電池の発電量と発電指令値との差分が少なくなるように発電指令値を緩やかに減少させることにより、余剰電力を極力少なくし、燃料電池の外部負荷に供給される発電量と発電指令値とのずれを低減できる。

制御手段は、余剰電力を容量成分に充電させるために指令した運転ポイントが通常運転時の燃料電池の電流対電圧特性曲線により定まる電圧値よりも高い電圧値を有する場合には、運転ポイントが低効率運転領域から外れていることを意味しているので、低効率運転から通常運転に切り替えるのが望ましい。

制御手段は、低効率運転から通常運転に切り替える際に、発電指令値に見合う反応ガス供給量よりも多い反応ガスを燃料電池に供給することにより余剰電力を強制的に生成し、燃料電池の出力電圧を昇圧させてその余剰電力を容量成分に充電するのが望ましい。

低効率運転から通常運転に切り替えるためには、燃料電池の運転ポイントを低効率運転領域から電流対電圧特性曲線により定まる運転ポイントに移動させる（運転ポイントの電圧値を上げる）必要がある。このとき反応ガスを過剰気味に燃料電池に供給することで、余剰電力を強制的に生成し、燃料電池の出力電圧を昇圧させてその余剰電力を容量成分に充電することにより、燃料電池の外部負荷へ供給される電力に変動をもたらさずに低効率運転から通常運転に切り替えることができる。

本発明によれば、低効率運転中に発電指令値が急減したときに、発電指令値を超える余剰電力を燃料電池の容量成分に充電することができるので、燃料電池から外部負荷への余剰電力供給を抑制できる。

以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却系６０と、システム全体を制御するコントローラ（ＥＣＵ）７０とを備えている。

燃料電池スタック２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）

燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び発電電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。

酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。

燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４７と、循環通路４７に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。

燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。

尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。

レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。

インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。

排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。

排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４７は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。

電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。

バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。

トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ７０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。

補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。

冷却系６０は、燃料電池スタック２０内部を循環する冷媒を流すための冷媒通路６１、６２，６３，６４、冷媒を圧送するための循環ポンプ６５、冷媒と外気との間で熱交換するためのラジエータ６６、冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁６７、及び冷媒温度を検出するための温度センサ７４を備えている。暖機運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６４を流れてラジエータ６６にて冷却された後、冷媒通路６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。一方、システム起動直後における暖機運転時には、燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６２，６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。

コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部（酸化ガス供給系３０、燃料ガス供給系４０、電力系５０、及び冷却系６０）を制御するための制御手段として機能する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基にシステム全体の要求電力を求める。

システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。

そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御する。更にコントローラ７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。

図２は燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。
セル２１は、電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７とから構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。

アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし、電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂとを有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。電解質膜２２、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜−電極アッセンブリ２５が形成される。

図３は燃料電池スタック２０のＣ−Ｖ特性（サイクリックボルタノグラム）を示している。
このＣ−Ｖ特性は、燃料電池スタック２０の動的な電気特性を示すものであり、燃料電池スタック２０の電圧を一定の速度で昇圧させていくと、外部から燃料電池スタック２０へ流れ込む方向（マイナス方向）に電流が流れ、燃料電池スタックの電圧を一定の速度で降圧させていくと、燃料電池スタック２０から外部へ流れる方向（プラス方向）に電流が流れる。このような動的な電気特性は、燃料電池スタック２０の触媒担持体の電気二重層容量成分と触媒の酸化還元反応による見かけ上の容量成分によるものであることが判明している。

図４は燃料電池スタック２０の動的な電気特性をモデル化した等価回路図である。
燃料電池スタック２０は、理想燃料電池２８とキャパシタ２９とが並列接続されてなる回路構成を有している。理想燃料電池２８は、上述のＣ−Ｖ特性を有しない仮想的な燃料電池をモデル化したものであり、電気特性上、可変電源と等価な振る舞いをする。キャパシタ２９は、上記界面に形成される電気二重層の電気的な振る舞いを容量素子としてモデル化したものである。外部負荷５６は電力系５０をモデル化した等価回路である。理想燃料電池２８から流れ出す電流をＩｆｃ、理想燃料電池２８の出力電圧（燃料電池スタック２０の出力電圧）をＶｆｃ、キャパシタ２９に流れ込む電流をＩｃ、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流をＩｓ、キャパシタ２９の容量をＣ、時間をｔとすると、以下に示す（４）〜（５）式が成立する。

Ｉｆｃ＝Ｉｃ＋Ｉｓ …（４）
Ｉｃ＝Ｃ・ΔＶｆｃ／Δｔ …（５）

（４）〜（５）式に示すように、出力電圧Ｖｆｃを昇圧すると、単位時間あたりの変化量ΔＶｆｃ／Δｔに応じて、キャパシタ２９に流れ込む電流Ｉｃが増加するので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓは減少する。一方、出力電圧Ｖｆｃを降圧すると、単位時間あたりの変化量ΔＶｆｃ／Δｔに応じて、キャパシタ２９に流れ込む電流Ｉｃが減少するので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓは増加する。このように、出力電圧Ｖｆｃの単位時間あたりの昇降圧量を制御することにより、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓを加減することができる（以下、便宜上、ΔＶ制御と称する。）。

本実施形態では、燃料電池システム１０を起動したときのスタック温度が所定温度（例えば０℃）未満である場合に車両走行しながらの低効率運転を実施し、燃料電池スタック２０を暖機する。低効率運転とは、エアストイキ比を１．０付近に設定して燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を制御することにより、発電損失を高めて、低い発電効率で運転することをいう。エアストイキ比とは、酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給酸素がどれだけ余剰であるかを示す。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を実施すると、通常運転時よりも濃度過電圧が大きくなるので、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち熱損失（発電損失）が増大する。低効率運転は、例えば、低温起動時において熱損失を意図的に増大させることによって燃料電池スタック２０を迅速に暖機するための手段として、車両走行前の起動準備段階又は車両走行しながらの暖機運転時に実施される。

車両走行しながらの低効率運転では、燃料電池スタック２０の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧値よりも低い一定の電圧値に固定しつつ、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガス流量を要求電力に応じて可変制御する。ここで、燃料電池スタック２０の出力電圧を一定の電圧値に固定する理由は、燃料電池スタック２０の出力電圧を変動させると、（４）〜（５）式に示すように、燃料電池スタック２０の容量特性によりキャパシタ２９からの電力の充放電が生じてしまい、燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力に過不足が生じるためである。

低効率運転時の燃料電池スタック２０の出力電圧は、迅速な暖機運転を実現するとともに、車両走行に最低限度必要なモータ出力を得ることのできる電圧値に設定される。早期暖機の観点からは、燃料電池スタック２０の出力電圧をできるだけ低く設定するのが望ましいが、過度に低すぎると、車両走行に必要なモータ出力を得ることができない場合があるので、暖機性能を満足しつつ車両走行時の適度なモータ出力を得ることのできる電圧に設定するのが望ましい。ＦＣ出力端に昇圧コンバータを備える場合は、この限りでない。

このように、低効率運転時における燃料電池スタック２０の出力電圧は、一定電圧に固定されるので、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給量を可変制御することにより、要求電力（アクセル開度等）に応じた発電制御を実施する。例えば、高負荷時には、燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を増大し、低負荷時には、燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を減少させる。但し、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給は一定流量に保持されるものとする。

尚、低効率運転は、スタック温度が所定温度（例えば０℃）に昇温するまで実施され、スタック温度が所定温度に達すると、通常運転に切り替えられる。

図５は燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性を示している。
通常運転時には、発電効率を高めるため運転ポイント（出力電流Ｉｆｃ、出力電圧Ｖｆｃ）がＩ−Ｖ特性曲線（電流対電圧特性曲線）２００上に位置するように運転制御する。一方、低効率運転時には、発電効率を意図的に低下させて熱損失を高めるので、運転ポイントは、Ｉ−Ｖ特性曲線２００よりも低い電圧ポイント、例えば、出力電圧Ｖｆｃ＝Ｖ１に設定される。低効率運転では、出力電圧ＶｆｃはＶ１に固定されるので、エアコンプレッサ３２から燃料電池スタック２０に供給されるエア流量を制御することにより、出力電流Ｉｆｃを調整し、運転負荷（例えば、アクセル開度）に応じた発電制御を実施する。

例えば、低効率運転により車両走行しながら暖機運転しているときの運転ポイントをＯＰ１（Ｉ３，Ｖ１）とする。運転手がアクセルオフにすることにより、燃料電池スタック２０の発電指令値が急減しても、エアコンプレッサ３２は、急激にその回転数を低下させることができないので、発電指令値に見合う回数数より多めの回転数にて暫く回転し続ける。すると、燃料電池スタック２０の発電量と発電指令値との差分に相当する余剰電力が発生する。この余剰電力は、ΔＶ制御により出力電圧ＶｆｃをＶ１からＶ２に昇圧させることにより（このとき運転ポイントは、ＯＰ１からＯＰ２に移動する。）、燃料電池スタック２０内部に寄生的に存在するキャパシタ２９に充電することができるので、燃料電池スタック２０から外部負荷に供給される電力値と発電指令値とをほぼ一致させることができる。

尚、図５において、符号３００，４００はそれぞれ等パワーラインを示している。

ここで、図５乃至図６を参照しながらΔＶ制御の詳細について説明を加える。
燃料電池スタック２０に対する発電要求が急減する例として、時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１の期間において、アクセルオンの状態が維持され、時刻ｔ１１のタイミングでアクセルオフとなる場合を想定し、ΔＶ制御について説明する。

アクセルオフになる時刻ｔ１１では、燃料電池スタック２０の運転負荷（具体的には車両走行に要する電力）が低減するので、コントローラ７０は、運転負荷の低減に見合う電力が発電されるように発電指令値Ｐｒｅｆを演算する。このとき、車載補機類等に供給するための電力が発電できればよいので、発電指令値Ｐｒｅｆは次第に減少していく。時刻ｔ１１の直前における運転ポイントは、ＯＰ１（Ｉ３，Ｖ１）にあるものとする。

ところが、エアコンプレッサ３２は、ブレーキ等の減速手段を備えていないので、時刻ｔ１１でアクセルオフになっても直ちにその回転を制限することができず、暫くの期間、惰性で回転し続け、発電指令値Ｐｒｅｆに見合う酸化ガス供給量よりも多い酸化ガスを燃料電池スタック２０に供給する。そのため、燃料電池スタック２０の発電量Ｐｍｅｓは、発電指令値Ｐｒｅｆよりも多くなり、両者の差分Ｗｓは余剰電力となる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック２０の出力電圧ＶｆｃをΔＶｆｃ＝（Ｖ２−Ｖ１）だけ昇圧し、運転ポイントをＯＰ２（Ｉ２，Ｖ２）に設定する。すると、余剰電力Ｗｓは、燃料電池スタック２０内部の容量成分、即ち、キャパシタ２９に充電されるので、燃料電池スタック２０外部に出力される電力（Ｐｍｅｓ−Ｗｓ）と、発電指令値Ｐｒｅｆとは、ほぼ一致するようになる。

キャパシタ２９への余剰電力Ｗｓの充電が完了する時刻ｔ１２では、出力電圧ＶｆｃがΔＶｆｃ＝（Ｖ２−Ｖ１）だけ降圧され、運転ポイントは、ＯＰ２（Ｉ２，Ｖ２）からＯＰ１（Ｉ３，Ｖ１）に復帰する。

尚、Ｉ−Ｖ特性曲線２００上に位置する運転ポイントＯＰ３（Ｉ３，Ｖ３）は、出力電流Ｉ３のときに燃料電池スタック２０から理論上最大限出力できる電圧がＶ３であることを示している。余剰電力Ｗｓをキャパシタ２９に充電するためのΔＶ制御の際に出力電圧Ｖｆｃを昇圧するときの運転ポイントとして、ＯＰ４’（Ｉ３，Ｖ４）が指令されたとしても、燃料電池スタック２０は、運転ポイントＯＰ４’にて運転することができないので、Ｉ−Ｖ特性曲線２００上のＶｆｃ＝Ｖ４となる運転ポイントＯＰ４（Ｉ１，Ｖ４）にて運転することとなる。

ΔＶ制御により運転ポイントがＩ−Ｖ特性曲線２００上の運転ポイントに移動すると、コントローラ７０は、低効率運転から通常運転に切り替える。低効率運転から通常運転に切り替えるための判定条件として、例えば、ΔＶ制御の際に移動ポイントとして指令された運転ポイントにおける電力と、ΔＶ制御後の実際の運転ポイントにおける電力との差分が所定の閾値を超えることを条件とすればよい。上記の例では、ΔＶ制御の際に移動ポイントとして指令された運転ポイントＯＰ４’（Ｉ３，Ｖ４）における電力はＩ３×Ｖ４であり、ΔＶ制御後の実際の運転ポイントＯＰ４（Ｉ１，Ｖ４）における電力はＩ１×Ｖ４であるので、両者の差分（Ｉ３−Ｉ１）×Ｖ４が所定の閾値を超えたときに、低効率運転から通常運転に切り替えればよい。尚、この判定条件は、後述する図９のＭｉｎ関数９１０の機能に相当するものである。

次に、図７を参照しながらΔＶ制御の応用例について説明する。
燃料電池スタック２０への発電要求が急減する例として、時刻ｔ２０〜時刻ｔ２１の期間において、アクセルオンの状態が維持され、時刻ｔ２１のタイミングでアクセルオフとなる場合を想定し、ΔＶ制御の応用例について説明する。

アクセルオフになる時刻ｔ２１では、燃料電池スタック２０に対する運転負荷が急減するので、コントローラ７０は、発電量Ｐｍｅｓと発電指令値Ｐｒｅｆとの差分に相当する余剰電力Ｗｓが少なくなるように発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させる。発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させていくということは、言い換えれば、運転負荷に見合う電力以上の電力を発電指令値に設定するということでもある。アクセルオフ時にドライバビリティに影響を与えない範囲内で発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させていく手法は、所謂、アクセルなましと称されている手法である。アクセルなましを実施することで、トラクションモータ５４の回転トルクは緩やかに減少していくので、発電指令値Ｐｒｅｆと発電量Ｐｍｅｓとの差分に相当する余剰電力Ｗｓは僅かなものとなる。

時刻ｔ２１〜時刻ｔ２２の期間に出力電圧ＶｆｃをΔＶｆｃ＝（Ｖ２'−Ｖ１）だけ僅かに昇圧させることで（但し、Ｖ１＜Ｖ２'＜Ｖ２とする。）、この余剰電力Ｗｓを燃料電池スタック２０内部のキャパシタ２９に充電することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による出力電圧Ｖｆｃの昇圧動作に時間遅れが生じたとしても、僅かな余剰電力Ｗｓを充電するために昇圧すべき電圧ΔＶｆｃは僅かでよいので、燃料電池スタック２０外部負荷５６に供給される電力（Ｐｍｅｓ−Ｗｓ）と、発電指令値Ｐｒｅｆとを一致させることが一層容易になる。

更にΔＶ制御の他の応用例について説明を加える。
運転手がアクセルオンからアクセルオフにすることにより、運転負荷が急減すると、上述の如くコントローラ７０は、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃを昇圧し、余剰電力Ｗｓをキャパシタ２９に充電するのであるが、運転手がアクセルオフにした直後に再度アクセルオンにすると、燃料電池スタック２０は発電指令値Ｐｒｅｆに見合った電力を迅速に外部負荷５６に供給する必要が生じる。ところが、燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を増量としたとしても、発電指令値Ｐｒｅｆに見合った電力を発電するまでに時間的な遅れが生じる。そこで、このような場合に、ΔＶ制御により燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃを降圧し、キャパシタ２９から電力を取り出すことで、要求電力を迅速に外部負荷５６に供給できる。

次に、図８を参照しながら低効率運転から通常運転に切り替える制御過程について説明を加える。
低効率運転フラグは、低効率運転を実施しているか否かを示すフラグ情報であり、低効率運転を実施しているときにはオンとなる一方、低効率運転を実施していないときにはオフとなる。

時刻ｔ３２以前の期間では、コントローラ７０は、低効率運転にて電池運転を制御しており、アクセル開度に対応して電流指令値を演算し、その電流指令値に見合った酸化ガスが燃料電池スタック２０に供給されるようにエアコンプレッサ３２の回転数を制御している。例えば、時刻ｔ３０では、アクセルオンとなるので、コントローラ７０は、アクセル開度に対応して電流指令値を増加させ、その電流指令値の増加に追従するようにエアコンプレッサ３２の回転数を上げる。そして、時刻ｔ３１では、アクセルオフとなるので、コントローラ７０は、アクセル開度に対応して電流指令値を減少させ、その電流指令値の減少に追従するようにエアコンプレッサ３２の回転数を下げる。

低効率運転による暖機運転が完了する時刻ｔ３２では、低効率運転フラグはオンからオフに切り替わる。すると、電圧復帰処理ルーチンが起動され、時刻ｔ３２〜時刻ｔ３３の期間に電圧復帰処理ルーチンが実行される。電圧復帰処理ルーチンでは、コントローラ７０は、アクセル開度に対応する電流指令値に見合うエアコンプレッサ３２の回転数よりも多めの回転数にてエアコンプレッサ３２を駆動し、余剰電力を強制的に生成する。例えば図８に示すようにアクセルオフの状態では、電流指令値はゼロとなるが、コントローラ７０は、電流指令値ゼロに見合うエアコンプレッサ３２の回転数よりも多めの回転数にてエアコンプレッサ３２を駆動する。強制的に作り出される余剰電力量は、燃料電池スタック２０の運転ポイントＯＰ１をΔＶ制御によりＩ−Ｖ特性曲線２００上の運転ポイントＯＰ３に移動させるために必要且つ十分なものであることが望ましい。

コントローラ７０は、発電量が発電指令値よりも多くなること（余剰電力の発生）を検出すると、ΔＶ制御を実施し、燃料電池スタック２０の出力電圧ＶｆｃをＶ１からＶ３に昇圧させて余剰電力をキャパシタ２９に充電する。そして、コントローラ７０は、ΔＶ制御の際に移動ポイントとして指令された運転ポイントにおける電力と、ΔＶ制御後の実際の運転ポイントにおける電力との差分が所定の閾値を超えたか否かを判定することにより燃料電池スタック２０の運転ポイントがＩ−Ｖ特性曲線２００上に移動したか否かを判定する。そして、燃料電池スタック２０の運転ポイントがＩ−Ｖ特性曲線２００上に移動したものと判定される時刻ｔ３３では、電圧復帰処理は終了し、通常運転に切り替わる。

上記の説明から明らかなように、燃料電池システム１０の運転モードを低効率運転から通常運転に切り替えるためには、運転ポイントを低効率運転領域からＩ−Ｖ特性曲線２００上の運転ポイントに移動させる（運転ポイントの電圧値を上げる）必要がある。このとき、酸化ガスを過剰気味に燃料電池スタック２０に供給することで、余剰電力を強制的に作り出し、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃを昇圧させて、その余剰電力をキャパシタ２９に充電することにより、燃料電池スタック２０の外部負荷５６へ供給される電力に変動をもたらさずに低効率運転から通常運転に切り替えることができる。

図９はΔＶ制御の際に燃料電池スタック２０の電圧指令値Ｖｒｅｆを算出するための機能ブロック図である。
同図に示す各機能ブロック９０１〜９１０は、コントローラ７０の演算機能により実現されるものであり、単位時間あたりにキャパシタ２９に充電される電力ΔＰから単位時間あたりの上昇電圧ΔＶｆｃを算出し、電圧指令値Ｖｒｅｆを求めている。

ＦＣ出力推定機能９０１は、燃料電池スタック２０に供給されるエア流量Ｑａｆｍ，出力電圧Ｖｆｃに基づいて所定の演算式により理論上の発電電力Ｐｅｓｔを算出する。ＭＡＸ関数９０２は、燃料電池スタック２０の実際の発電電力Ｐｍｅｓと、理論上の発電電力Ｐｅｓｔとを比較し、両者の電力値のうち何れか大きい方を出力値として出力する。減算機能９０３は、発電指令値ＰｒｅｆからＭＡＸ関数９０２の出力値を差し引くことにより電力誤差ΔＰを求める。

マップデータ９０４は、キャパシタ２９の容量値を保持する。キャパシタ２９は、電圧依存可変容量キャパシタであるため、その容量値は出力電圧Ｖｆｃに依存しており、出力電圧Ｖｆｃが変わると、キャパシタ２９の容量値も変わる。ΔＶｆｃ算出機能９０５は、減算器９０３からΔＰを取得するとともに、マップデータ９０４からキャパシタ２９の容量値Ｃを取得し、ΔＶｆｃ＝−Ｖｆｃ＋ｓｑｒ（Ｖｆｃ²＋２ΔＰΔｔ／Ｃ）により、昇圧電圧ΔＶｆｃを算出する。ここで、Δｔは演算周期（サンプリング周期）、ΔＰは単位時間あたりにキャパシタ２９に充電される電力を示し、関数ｓｑｒは引数の平方根を出力値とする関数である。

遅延機能９０６は、１サンプリング前の電圧指令値Ｖｒｅｆを記憶する。減算機能９０７は、遅延機能９０６に記憶されている１サンプリング前の電圧指令値ＶｒｅｆからΔＶｆｃ算出機能９０５によって算出されたΔＶｆｃを差し引く（ΔＶｆｃの符号はマイナスなので、実際にはΔＶｆｃを加算することになる。）ことにより、電圧指令値を算出する。

Ｐ−Ｉマップ９０８は、燃料電池スタック２０の電力と電流との間の理論上の対応関係を示すマップデータである。Ｖ−Ｉマップデータ９０９は、燃料電池スタック２０の電圧と電流との間の理論上の対応関係を示すマップデータである。これらのマップデータ９０８，９０９を参照することにより発電指令値Ｐｒｅｆに対応する理論上の電圧値（Ｉ−Ｖ特性曲線２００上の電圧値）を取得できる。Ｍｉｎ関数９１０は、ΔＶｆｃ算出機能９０５を経由して算出された電圧指令値と、上記のマップデータ９０８，９０９を経由して算出された、発電指令値Ｐｒｅｆに対応する理論上の電圧値とを比較して、何れか小さい方を電圧指令値Ｖｒｅｆとして出力する。Ｍｉｎ関数９１０の機能は、ΔＶ制御の際に移動ポイントとして指令された運転ポイントがＩ−Ｖ特性曲線２００上の運転ポイントに移動したか否かの判定処理に相当するものである。

尚、コントローラ７０は、ΔＶ制御実行時に上記の演算をΔｔ毎に実施し、電圧指令値Ｖｒｅｆを逐次更新している。

次に、図１０乃至図１１を参照しながら、キャパシタ２９の容量値を保持するマップデータ９０４を補正する処理について説明を加える。

図１０はキャパシタ２９の容量値を保持するマップデータ９０４を示している。上述の如くキャパシタ２９は、電圧依存可変容量キャパシタであるため、その容量値は出力電圧Ｖｆｃに依存しており、出力電圧Ｖｆｃに応じてキャパシタ２９の容量値が変わるという特性を有している。燃料電池スタック２０は酸化電位にて長期間使用し続けると、触媒層２３ａ，２４ａの表面に酸化物が被着するので、経年劣化によりＣ−Ｖ特性が低下する。燃料電池スタック２０のＣ−Ｖ特性の変化は、図４に示す等価回路において、キャパシタ２９の容量値の変化を意味しているので、Ｃ−Ｖ特性の変化に応じてマップデータ９０４を補正する必要がある。

図１１はキャパシタ２９の容量値を保持するマップデータ９０４を補正するための機能ブロック図を示している。
同図においてＰＩ制御機能４０２は、コントローラ７０の演算機能により実現されるものである。

コントローラ７０は、電圧センサ７１、及び電流センサ７２のそれぞれから出力電圧Ｖｆｃ、及び出力電流Ｉｆｃを読み取り、所定の演算周期毎にＩｆｃ／（ΔＶｆｃ／Δｔ）の値を毎回算出することにより、出力電圧Ｖｆｃに対応するキャパシタ２９の実測容量値４０１を求める。ＰＩ制御機能４０２は、出力電圧Ｖｆｃに対応するキャパシタ２９の容量値をマップデータ９０４から読み出し、その読み出した容量値と実測容量値４０１との差分をＰＩ制御して誤差補正マップデータ４０３を作成する。マップデータ９０４から読み出した容量値と、誤差補正マップデータ４０３から読み出した補正値とを加算することで、キャパシタ２９の正確な容量値を求めることができる。

尚、上述のΔＶｆｃ算出機能９０５がマップデータ９０４からキャパシタ２９の容量値を読み出すときには、誤差補正マップデータ４０３によって補正された容量値を用いるのが望ましい。

本実施形態によれば、低効率運転中に発電指令値が急減したときに、発電指令値Ｐｒｅｆを超える余剰電力Ｗｓを燃料電池スタック２０に寄生的に存在するキャパシタ２９に充電できるので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６への余剰電力供給を抑制できる。

また、本実施形態によれば、キャパシタ２９の電圧に対する容量値を示すマップデータ９０４と、燃料電池スタック２０の出力電流Ｉｆｃを燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃの単位時間あたりの変化で除すことにより得られる実測容量値４０１とを基に、マップデータ９０４を補正する補正手段としての誤差補正マップデータ４０３を有しているので、余剰電力Ｗｓを精度よくキャパシタ２９に充電できる。

また、本実施形態によれば、低効率運転を実施している最中に燃料電池スタック２０に対する運転負荷が急減したときに燃料電池スタック２０の発電量Ｐｍｅｓと発電指令値Ｐｒｅｆとの差分が少なくなるように発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させているので、余剰電力Ｗｓを極力少なくし、燃料電池スタック２０の外部負荷５６に供給される発電量（Ｐｍｅｓ−Ｗｓ）と発電指令値Ｐｒｅｆとのずれを低減できる。

また、本実施形態によれば、余剰電力Ｗｓをキャパシタ２９に充電させるために指令した運転ポイントが通常運転時の燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性曲線２００により定まる電圧値よりも高い電圧値を有する場合には、運転ポイントが低効率運転領域から外れているものと判定し、低効率運転から通常運転に切り替えることができる。

また、本実施形態によれば、低効率運転から通常運転に切り替える際に、発電指令値Ｐｒｅｆに見合う酸化ガス供給量よりも多い酸化ガスを燃料電池スタック２０に供給することにより余剰電力Ｗｓを強制的に生成し、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃを昇圧させてその余剰電力Ｗｓをキャパシタ２９に充電するので、燃料電池スタック２０の外部負荷５６へ供給される電力に変動をもたらさずに低効率運転から通常運転に切り替えることができる。

上述の実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。

本実施形態に関る燃料電池システムのシステム構成図である。 セルの分解斜視図である。 燃料電池スタックのＣ−Ｖ特性図である。 燃料電池スタックの等価回路図である。 燃料電池スタックの運転ポイントの説明図である。 ΔＶ制御の制御過程を示すタイミングチャートである。 ΔＶ制御の制御過程を示すタイミングチャートである。 低効率運転から通常運転に切り替えるための制御過程を示すタイミングチャートである。 ΔＶ制御の際に燃料電池スタックの電圧指令値を算出するための機能ブロック図である。 燃料電池スタックに寄生的に存在する容量成分のマップデータである。 燃料電池スタックに寄生的に存在する容量成分のマップデータを補正するためのブロック図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ３０…酸化ガス供給系 ４０…燃料ガス供給系 ５０…電力系 ６０…冷却系 ７０…コントローラ

Claims (7)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   通常運転に比して発電効率の低い低効率運転により燃料電池を暖機する暖機手段と、
   前記低効率運転を実施している最中に前記燃料電池に対する発電指令値が急減したときに前記燃料電池の出力電圧を昇圧させることにより前記発電指令値を超える余剰電力を前記燃料電池の容量成分に充電する制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記容量成分の電圧に対する容量値を示すマップデータと、
   前記燃料電池の出力電流を前記燃料電池の出力電圧の単位時間あたりの変化で除すことにより得られる前記容量成分の実測値を基に前記マップデータを補正する補正手段と、
   を更に備える燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
   前記低効率運転を実施している最中に前記燃料電池に対する運転負荷が急減したときに前記燃料電池の発電量と前記発電指令値との差分が少なくなるように前記発電指令値を緩やかに減少させる発電指令手段を更に備える燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記余剰電力を前記容量成分に充電させるために指令した運転ポイントが通常運転時の前記燃料電池の電流対電圧特性曲線より定まる電圧値よりも高い電圧値を有する場合には、低効率運転から通常運転に切り替える、燃料電池システム。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、低効率運転から通常運転に切り替える際に、前記発電指令値に見合う反応ガス供給量よりも多い反応ガスを前記燃料電池に供給することにより前記余剰電力を強制的に生成し、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させて前記余剰電力を前記容量成分に充電する、燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記低効率運転は、前記燃料電池の電流対電圧特性曲線より定まる電圧値よりも低い電圧値を有する運転ポイントで電池運転することである、燃料電池システム。
7. 請求項１乃至請求項６のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記容量成分は、前記燃料電池の触媒担持体の電気二重層容量成分と触媒の酸化還元反応による見かけ上の容量成分である、燃料電池システム。

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