JP2009129647A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高電位回避制御の実施時間を可能な限り延長し、燃料電池の劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提案する。
【解決手段】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、燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置と、燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として、運転制御するコントローラとを備える。コントローラは、蓄電装置の充電量ＳＯＣに応じて高電位回避電圧を可変設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は燃料電池の出力電圧を開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する燃料電池システムに関する。

燃料電池スタックは、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る。燃料電池スタックは、水素イオンを選択的に輸送するための高分子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なる膜−電極アッセンブリを有する。一対の電極のそれぞれは、白金系の金属触媒を担持するカーボン粉末を主成分とし、高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層の表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層とを有する。

ＷＯ２００２／０１５３１６には、燃料電池システムを電力源として搭載する燃料電池車両が開示されている。この燃料電池車両に搭載されている蓄電装置は、燃料電池スタックから供給される電流が負荷の要求する電流より小さいときに負荷に電流を供給する一方で、負荷が回収した回生電力及び燃料電池スタックの発電電力を蓄電する。同公報は、燃料電池スタック及び蓄電装置に流れる電流の分配状態を適切に制御して、蓄電装置の容量を増大させることなく、適切に蓄電装置を充電することについても開示している。

ところで、燃料電池スタックの出力電圧が高電位領域に遷移すると、燃料電池スタックの劣化が促進される虞がある。これは、膜−電極アッセンブリの触媒層に含まれる白金触媒が高電位環境下において、イオン化して溶出するためである。このような不都合を回避するため、特開２００７−１０９５６９号公報に開示されているように、燃料電池スタックの出力電圧が所定の上限電圧（以下、高電位回避電圧と称する。）を超えないように発電制御する方法（以下、高電位回避制御と称する。）が知られている。

このような高電位回避制御機能を有する燃料電池システムでは、燃料電池スタックへの発電要求がない場合でも、高電位回避制御による燃料電池スタックの発電が生じるので、アイドルストップなどの低負荷時には、電力の行き場が蓄電装置に限られてしまう。このような事情に鑑み、従来では、蓄電装置の充電量が所定の閾値を超えたときに、高電位回避制御を禁止し、燃料電池スタックを開放端電圧に昇圧させて、蓄電装置の過充電を防止していた。
ＷＯ２００２／０１５３１６ 特開２００７−１０９５６９号公報

しかし、高電位回避電圧を一定電圧に固定してしまうと、高電位回避制御により発電される電力は、蓄電装置の充電状態とは無関係に一定値になるので、仮に蓄電装置の充電量が所定の閾値付近である場合には、高電位回避制御の実施により、蓄電装置の充電量が所定の閾値を簡単に超えてしまう。これは、高電位回避制御が許可状態から禁止状態に移行する機会が増大することを意味しており、燃料電池スタックの劣化が促進されてしまう。

そこで、本発明は、上記の問題点に鑑み、高電位回避制御の実施時間を可能な限り延長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、燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置と、燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する制御手段と、蓄電装置の充電状態に応じて高電位回避電圧を可変設定する高電位回避電圧設定手段とを備える。

蓄電装置の充電状態に応じて、高電位回避電圧を可変設定することにより、高電位回避制御時の燃料電池の発電量を可変調整することが可能となる。これは、高電位回避制御時に蓄電装置に充電される電力量をその充電状態に応じて可変調整できることを意味しており、高電位回避制御の実施時間を可能な限り延長することが可能になる。

ここで、蓄電装置の充電量が少ない場合（又は充電可能量が高い場合）には、高電位回避電圧を低い電圧値に設定しても、高電位回避制御による発電を蓄電できるだけの十分な余裕があるので、高電位回避電圧設定手段は、蓄電装置の充電量が少ない程（又は充電可能量が高い程）、高電位回避電圧を低く設定するのが好ましい。高電位回避電圧の目標値を低めに設定できるので、燃料電池の劣化を抑制できる。これとは逆に、蓄電装置の充電量が多い場合（又は充電可能量が低い場合）には、高電位回避制御による発電を蓄電できるだけの十分な余裕がないので、このような場合には、高電位回避電圧を高く設定し、高電位回避制御による発電量を抑制するのが好ましい。

高電位回避制御で発電された電力は、必ずしもその全てが蓄電装置に充電されるとは限らず、補機類によって消費される場合もある。蓄電装置の充電量が多い場合（又は充電可能量が低い場合）であっても、補機類による電力消費が見込まれるので、高電位回避電圧設定手段は、補機類による消費電力量に応じて高電位回避電圧を変更するのが好ましい。

蓄電装置に充電される電力は、必ずしも燃料電池の発電電力に限られるものではなく、例えば、モータによる回生電力を蓄電する場合がある。高電位回避電圧設定手段は、モータによる回生電力に応じて高電位回避電圧を変更するのが好ましい。

また、電位回避電圧設定手段は、蓄電装置の充電可能電力、モータの回生電力、補機類の消費電力のそれぞれから求まる高電位回避電圧の目標値のうち最も電圧値の高いものを高電位回避電圧として設定するのが好ましい。これにより、蓄電装置の過充電を効果的に防止することができる。

本発明によれば、蓄電装置の充電状態に応じて高電位回避電圧を可変設定できるので、高電位回避制御の実施時間を可能な限り延長できる。

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は燃料電池車両の車載電源システムとして機能す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、システム全体を統括制御するコントローラ６０とを備えている。

燃料電池スタック２０は、多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（ＦＣ電圧）を検出するための電圧センサ７１、出力電流（ＦＣ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３３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３４とを有している。酸化ガス通路３３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、エアコンプレッサ３２により加圧される酸化ガスを加湿するための加湿器３５と、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を遮断するための遮断弁Ａ１とが設けられている。酸化オフガス通路３４には、燃料電池スタック２０からの酸化オフガス排出を遮断するための遮断弁Ａ２と、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁Ａ３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１５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４３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４３に帰還させるための循環通路４４と、循環通路４４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４５と、循環通路４４に分岐接続される排気排水通路４６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Ｈ１を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４３に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータＨ２やインジェクタ４２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。

燃料ガス通路４３には、燃料ガス供給源４１からの燃料ガスの供給を遮断又は許容するための遮断弁Ｈ１と、燃料ガスの圧力を調整するレギュレータＨ２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給量を制御するインジェクタ４２と、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給を遮断するための遮断弁Ｈ３と、圧力センサ７４とが設けられている。

レギュレータＨ２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４２の上流側にレギュレータＨ２を配置することにより、インジェクタ４２の上流側圧力を効果的に低減させることができる。このため、インジェクタ４２の機械的構造（弁体、筺体、流路、駆動装置等）の設計自由度を高めることができる。また、インジェクタ４２の上流側圧力を低減させることができるので、インジェクタ４２の上流側圧力と下流側圧力との差圧の増大に起因してインジェクタ４２の弁体が移動し難くなることを抑制することができる。従って、インジェクタ４２の下流側圧力の可変調圧幅を広げることができるとともに、インジェクタ４２の応答性の低下を抑制することができる。

インジェクタ４２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４２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。

本実施形態においては、インジェクタ４２の弁体は電磁駆動装置であるソレノイドにより駆動され、このソレノイドに給電されるパルス状励磁電流のオン・オフにより、噴射孔の開口面積を２段階に切り替えることができる。コントローラ６０から出力される制御信号によってインジェクタ４２のガス噴射時間及びガス噴射時期が制御されることにより、燃料ガスの流量及び圧力が高精度に制御される。インジェクタ４２は、弁（弁体及び弁座）を電磁駆動力で直接開閉駆動するものであり、その駆動周期が高応答の領域まで制御可能であるため、高い応答性を有する。インジェクタ４２は、その下流に要求されるガス流量を供給するために、インジェクタ４２のガス流路に設けられた弁体の開口面積（開度）及び開放時間の少なくとも一方を変更することにより、下流側に供給されるガス流量（又は水素モル濃度）を調整する。

循環通路４４には、燃料電池スタック２０からの燃料オフガス排出を遮断するための遮断弁Ｈ４と、循環通路４４から分岐する排気排水通路４６とが接続されている。排気排水通路４６には、排気排水弁Ｈ５が配設されている。排気排水弁Ｈ５は、コントローラ６０からの指令によって作動することにより、循環通路４４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Ｈ５の開弁により、循環通路４４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Ｈ５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４５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。燃料電池システム１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１とトラクションインバータ５３とが並列に燃料電池スタック２０に接続するパラレルハイブリッドシステムとして構成されている。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。バッテリ５２には、ＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサが取り付けられている。

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６０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。

コントローラ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース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の各部を制御する。例えば、コントローラ６０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、車両走行電力や補機消費電力を算出する。そして、コントローラ６０は、車両走行電力と補機消費電力との合計値から算出される発電指令値と、高電位回避電圧から算出される発電指令値とのうち大きい方を燃料電池スタック２０に対する発電指令値として発電制御する。

ここで、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６０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、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を制御するとともに、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。更に、コントローラ６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、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、高分子電解質膜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、高分子電解質膜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、高分子電解質膜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、高分子電解質膜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。高分子電解質膜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。高分子電解質膜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。

次に、高電位回避制御の実行条件及び禁止条件について説明する。
高電位回避制御の実行条件として、例えば、（Ａ１）バッテリ５２のＳＯＣがＳＯＣ１（例えば７０％）以下であること、（Ｂ１）燃料ガス供給系３０の配管圧力（圧力センサ７４の検出値）に基づくガス漏れ検出の判定中でないことの条件が全て満たされていることを挙げることができる。一方、高電位回避制御の禁止条件として、例えば、（Ａ２）バッテリ５２のＳＯＣがＳＯＣ２（例えば７５％）以上であること、（Ｂ２）燃料ガス供給系３０の配管圧力に基づくガス漏れ検出の判定中であることの何れかの条件が満たされていることを挙げることができる。

高電位回避制御の実行条件が満たされると、燃料電池スタック２０の出力電圧は、その開放端電圧よりも低い高電位回避電圧（使用上限電圧）以下に制限される。高電位回避電圧としては、燃料電池スタック２０の触媒層２３ａ，２４ａに含まれている白金触媒が溶出しない程度の電圧範囲であるという条件を満たす電圧であることが好ましく、更にはその条件に加えて、燃料電池スタック２０への反応ガス供給を停止した状態で燃料電池スタック２０の出力電圧を高電位回避電圧に維持したときに、燃料電池スタック２０が発電する電力を補機類５５によって消費できる程度の電圧範囲であるという条件を満たす電圧であることが好ましい。燃料電池スタック２０では、特に低密度電流運転時やアイドル運転時のようなカソード極２４の電位が高く保持されるような場合に、触媒層２４ａの白金触媒が溶出する可能性がある。高電位回避電圧は、バッテリ５２のＳＯＣや補機類５５の消費電力などに応じて可変する可変制御値としてもよい。

一方、高電位回避制御の禁止条件が満たされると、燃料電池スタック２０の出力電圧はその開放端電圧まで昇圧することが許可される。

尚、上記の説明では、バッテリ５２のＳＯＣを基準に高電位回避制御機能のオン／オフ切り替えをするための判定条件を設定する例を示したが、バッテリ５２の充電可能量を基準に高電位回避制御機能のオン／オフ切り替えをするための判定条件を設定してもよい。例えば、バッテリ５２の充電可能量が所定の閾値未満になると、高電位回避制御機能をオフからオンに切り替え、バッテリ５２の充電可能量が所定の閾値以上になると、高電位回避制御機能をオンからオフに切り替えてもよい。また、高電位回避制御の実行条件として、上記の（Ａ１）〜（Ｂ１）を他の条件に変更してもよく、或いは更に条件を追加してもよい。高電位回避制御の禁止条件として、上記の（Ａ２）〜（Ｂ２）を他の条件に変更してもよく、或いは更に条件を追加してもよい。

次に、高電位回避電圧の算出方法について説明する。
コントローラ６０は、バッテリ５２の充電状態や補機類５５の消費電力などに応じて、高電位回避電圧の目標値を可変設定する高電位回避電圧設定手段として機能する。高電位回避電圧は、固定値ではなく、バッテリ５２の充電状態や補機類５５の消費電力などに応じて、刻々と変動する可変制御値として取り扱われる。高電位回避電圧を可変設定することにより、高電位回避制御時の燃料電池スタック２０の発電量を可変調整することが可能となる。これは、高電位回避制御時にバッテリ５２に充電される電力量を可変調整できることを意味しており、高電位回避制御の実施時間を可能な限り延長し、燃料電池スタック２０の劣化を抑制できる。

例えば、バッテリ５２の充電量が少ない場合（又は充電可能量が高い場合）には、高電位回避電圧を低い電圧値に設定しても、高電位回避制御による発電を蓄電できるだけの十分な余裕があるので、このような場合には、高電位回避電圧を低く設定し、燃料電池スタック２０の劣化を抑制するのが好ましい。これとは逆に、バッテリ５２の充電量が多い場合（又は充電可能量が低い場合）には、高電位回避制御による発電を蓄電できるだけの十分な余裕がないので、このような場合には、高電位回避電圧を高く設定し、高電位回避制御による発電量を抑制するのが好ましい。

より具体的には、図３に示すように、バッテリ５２の充電量ＳＯＣがＳ１未満である場合に、高電位回避電圧をＶ１に設定し、ＳＯＣがＳ２以上である場合に、高電位回避電圧をＯＣＶ（開放端電圧）に設定する（但し、Ｓ１＜Ｓ２、且つＶ１＜ＯＣＶとする。）。ＳＯＣがＳ１以上Ｓ２未満のときには、ＳＯＣの増加とともに、高電位回避電圧がＶ１とＯＣＶとの間で、線形的に又は非線形的に単調増加するように設定すればよい。

また、図４に示すように、バッテリ５２の充電可能量ＷｉｎがＷｉｎ２以上である場合に高電位回避電圧をＶ１に設定し、ＷｉｎがＷｉｎ１未満である場合に、高電位回避電圧をＯＣＶに設定する（但し、Ｗｉｎ１＜Ｗｉｎ２とする）。ＷｉｎがＷｉｎ１以上Ｗｉｎ２未満のときには、Ｗｉｎの増加とともに、高電位回避電圧がＯＣＶ１とＶ１との間で、線形的に又は非線形的に単調減少するように設定すればよい。

高電位回避制御で発電された電力は、バッテリ５２に充電される他、補機類５５によって消費される。バッテリ５２の充電量が多い場合（又は充電可能量が低い場合）であっても、補機類５５による電力消費が多く見込まれるような場合には、高電位回避電圧を低く設定し、燃料電池スタック２０の劣化を抑制するのが好ましい。

具体的には、図５に示すように、バッテリ５２の充電可能量と補機類５５の消費電力との合計値ＷがＷ２以上である場合に高電位回避電圧をＶ１に設定し、ＷがＷ１未満である場合に、高電位回避電圧をＯＣＶに設定する（但し、Ｗ１＜Ｗ２とする）。ＷがＷ１以上Ｗ２未満のときには、Ｗの増加とともに、高電位回避電圧がＯＣＶとＶ１との間で、線形的に又は非線形的に単調減少するように設定すればよい。

尚、図４及び図５に示すグラフは、燃料電池スタック２０のＰ−Ｖ特性（電力対電圧特性）曲線８０よりも上側に位置するように高電位回避電圧を設定するのが好ましい。これは、高電位回避制御による発電電力よりも、バッテリ５２による充電可能な電力及び補機類５５による消費可能な電力の合計値の方が多いことを意味している。これにより、バッテリ５２の過充電を抑制できる。

コントローラ６０は、バッテリ５２の充電量ＳＯＣから求まる高電位回避電圧（図３）、バッテリ５２の充電可能量Ｗｉｎから求まる高電位回避電圧（図４）、バッテリ５２の充電可能量と補機類５５の消費電力との合計値Ｗから求まる高電位回避電圧（図５）のうち最も電圧の高いものを高電位回避電圧として設定する。これにより、バッテリ５２の過充電を効果的に防止することができる。

バッテリ５２に充電される電力は、必ずしも燃料電池スタック２０の発電電力に限られるものではなく、例えば、車両制動時にトラクションモータ５４によって回生された回生電力を蓄電する場合がある。トラクションモータ５４による回生制動中は、モータ回生トルクは、電力に変換され、バッテリ５２に充電される。回生制動中にも高電位回避制御が実施されている場合、以下に示す電力収支が成立する。

バッテリ充電電力＋補機消費電力＝モータ回生電力＋燃料電池発電電力 …（４）

（４）式に示すように、車両制動時の燃料電池発電電力が多いと、モータ回生電力がその分だけ減少してしまい、十分な制動トルクを確保できない。このため、車両制動時には高電位回避電圧を引き上げることで、燃料電池発電電力を減少させ、十分な制動トルクを確保するのが好ましい。そこで、コントローラ６０は、車両制動時に、以下の（５）式が成立するように高電位回避電圧を可変設定する。

バッテリ充電電力＋補機消費電力≧モータ回生電力＋燃料電池発電電力 …（５）

ここで、（５）式の関係式から導かれる高電位回避電圧は、図６に示すようなマップデータとして、コントローラ６０内のＲＯＭに保持してもよい。図６において、横軸は回生許可電力を示し、縦軸は高電位回避電圧を示している。ＢレンジとＤ／Ｒレンジとでは、制動トルクが異なるので、異なるマップデータとしている。実線は、Ｄ／Ｒレンジのマップデータを示し、破線は、Ｂレンジのマップデータを示している。

また、（５）式の関係式から導かれる高電位回避電圧は、予めマップデータとして保持する替わりに、車両上でリアルタイム演算により算出してもよい。

また、コントローラ６０は、バッテリ５２の充電量ＳＯＣから求まる高電位回避電圧（図３）、バッテリ５２の充電可能量Ｗｉｎから求まる高電位回避電圧（図４）、バッテリ５２の充電可能量と補機類５５の消費電力との合計値Ｗから求まる高電位回避電圧（図５）に加えて、（５）式の関係式から導かれる高電位回避電圧の中から、最も電圧の高いものを高電位回避電圧として設定する。

尚、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。

本実施形態に係わる燃料電池システムのシステム構成図である。 燃料電池スタックを構成するセルの分解斜視図である。 バッテリのＳＯＣと高電位回避電圧との対応を示すマップデータである。 バッテリの充電可能量と高電位回避電圧との関係を示すマップデータである。 バッテリの充電可能量と補機類の消費電力との合計値と、高電位回避電圧との関係を示すマップデータである。 回生許可電力と高電位回避電圧との関係を示すマップデータである。

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…コントローラ。

Claims (6)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池が発電する電力の少なくとも一部を充電する蓄電装置と、
   前記燃料電池の出力電圧をその開放端電圧よりも低い高電位回避電圧を上限として運転制御する制御手段と、
   前記蓄電装置の充電状態に応じて前記高電位回避電圧を可変設定する高電位回避電圧設定手段と、
   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、
   前記高電位回避電圧設定手段は、前記蓄電装置の充電量が少ない程、前記高電位回避電圧を低く設定する、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記高電位回避電圧設定手段は、前記蓄電装置の充電可能量が高い程、前記高電位回避電圧を低く設定する、燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記高電位回避電圧設定手段は、補機類による消費電力量に応じて前記高電位回避電圧を変更する、燃料電池システム。
5. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記高電位回避電圧設定手段は、モータによる回生電力に応じて前記高電位回避電圧を変更する、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、
   前記高電位回避電圧設定手段は、前記蓄電装置の充電可能電力、モータの回生電力、補機類の消費電力のそれぞれから求まる高電位回避電圧の目標値のうち最も電圧値の高いものを高電位回避電圧として設定する、燃料電池システム。

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