JP2009151997A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】高電位回避制御運転実施時における目標電力の予期しない変動を抑制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、高電位回避目標電圧値を設定し（ステップ５０１）、燃料電池の電圧対電力特性マップに基づいて高電位回避目標電圧値を目標電力値に変換し（ステップ５０２）、目標電力値を所定の上限値及び下限値の範囲内に制限し（ステップ５０３）、燃料電池の出力電圧を高電位回避目標電圧以下に制限しつつ、目標電力値に基づいて燃料電池の運転を制御する（ステップ５０４）。これにより、高電位回避目標電圧の瞬間的な低下に起因して出力特性が誤推定されることによる、目標電力値の予期しない変動を抑制できる。
【選択図】図５

Description

本発明は反応ガスの供給を受けて発電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る。燃料電池は、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。

この種の燃料電池では、電極電位が高く保持される状態（特に、低密度電流運転時やアイドル運転時など）において、膜−電極アッセンブリの触媒層に含まれる白金触媒がイオン化して溶出し、性能低下を招く虞がある。このような不都合を回避するため、特開２００５−１００８２０号公報に開示されているように、燃料電池の出力電圧をその開放端電圧より低い使用上限電圧（以下、高電位回避電圧と称する。）に制限しつつ、運転制御する方法（以下、高電位回避制御と称する。）が知られている。
特開２００５−１００８２０号公報

しかし、高電位回避制御により、燃料電池の出力電圧を瞬時に低下させると、燃料電池のＣ−Ｖ特性（サイクリックボルタノグラム）により、燃料電池の寄生容量から電荷が放出されるので、見かけ上のＩ−Ｖ特性（電流対電圧特性）が本来のＩ−Ｖ特性からずれるという現象が生じ得る。燃料電池の出力電圧及び出力電流を所定の演算周期毎に取得してＩ−Ｖ特性マップを推定し、この推定されたＩ−Ｖ特性マップを基に運転制御する燃料電池システムにおいては、上記のような現象が生じると、誤推定されたＩ−Ｖ特性マップを基に電池運転を制御することになる。単相運転と三相運転とを切り替えて、燃料電池の出力電圧を制御するＤＣ／ＤＣコンバータを搭載する燃料電池システムでは、誤推定されたＩ−Ｖ特性マップを基に運転制御すると、ＤＣ／ＤＣコンバータを通過するパワーが単相運転時に通過可能なパワーを上回ってしまい、コンバータフェイルにより、燃料電池の運転を制御することができなくなる場合がある。

そこで、本発明は、高電位回避制御運転実施時における目標電力の予期しない変動を抑制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、燃料電池の出力特性を推定する推定手段と、高電位回避目標電圧値を設定する高電位回避電圧設定手段と、高電位回避目標電圧値を出力特性に基づいて目標電力値に変換するとともに目標電力値を所定の上限値及び下限値の範囲内に制限する目標電力算出手段と、燃料電池の出力電圧を高電位回避目標電圧以下に制限しつつ、目標電力値に基づいて燃料電池の運転を制御する制御手段とを備える。かかる構成によれば、高電位回避目標電圧の瞬間的な低下に起因して出力特性が誤推定されることによる、目標電力値の予期しない変動を抑制できる。

高電位回避電圧設定手段は、所定の演算周期毎に高電位回避目標電圧を可変設定してもよい。かかる構成によれば、燃料電池の発電電力を蓄電する蓄電装置の充電状態や車両走行モードなどに応じて最適な高電位回避目標電圧を設定できる。

推定手段は、所定の演算周期毎に出力特性を更新してもよい。燃料電池の出力特性は、運転状態に応じて刻々と変動するので、出力特性を逐次更新するのが好ましい。

本発明に係わる燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段を更に備えてもよい。ここで、上述の上限値及び下限値は、電圧制御手段を通過する通過電力の上限値及び下限値を基準に設定されるのが好ましい。これにより、目標電力値が電圧制御手段を通過する通過電力の上限値を超えたり、或いは下限値を下回ったりすることを回避できる。また、電圧制御手段として、例えば、通過電力に応じて単相運転と三相運転とを切り替えるＤＣ／ＤＣコンバータが好ましい。

本発明によれば、高電位回避制御運転実施時における目標電力の予期しない変動を抑制することができる。

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の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び出力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。

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。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、入力電圧（直流電圧）を交流電圧に変換するインバータ類似の回路と、その交流を整流して出力電圧（直流電圧）に変換する回路とが組み合わされた多相コンバータ（例えば、三相フルブリッジコンバータ）の回路構成を有している。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、通過パワーに応じて単相運転と三相運転とを切り替えて駆動制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の通過パワーが所定値未満のときには、三相運転よりも単相運転の方がスイッチング損失は少ないので、単相運転が実施される。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の通過パワーが所定値以上のときには、単相運転よりも三相運転の方がスイッチング損失は少ないので、三相運転が実施される。

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、電池運転を開始し、燃料電池スタック２０の出力電圧及び出力電流を電圧センサ７１及び電流センサ７２から所定の演算周期毎に取得し、燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性マップ８１を逐次更新する。例えば、コントローラ６０は、燃料電池スタック２０の電圧が電流の関数（一次関数又は所定の数次関数）として表すことができるものと仮定し、最小二乗法による推定方法を用いて、Ｉ−Ｖ特性マップ８１を作成することができる。コントローラ６０は、このＩ−Ｖ特性マップ８１を基にＶ−Ｐ特性（電圧対電力特性）マップ８２を逐次更新する。ここで、Ｖ−Ｐ特性マップ８２は、Ｉ−Ｖ特性マップ８１に基づいて一義的に定まることが知られている。本明細書では、Ｉ−Ｖ特性マップ８１又はＶ−Ｐ特性マップ８２の何れか一方又は両者を総称して、燃料電池スタック２０の出力特性と称する。尚、Ｉ−Ｖ特性マップ８１及びＶ−Ｐ特性マップ８２は、メモリ８０内に格納されている。

コントローラ６０は、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、Ｉ−Ｖ特性マップ８１、及びＶ−Ｐ特性マップ８２を基に、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、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、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。一方、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。但し、燃料電池スタック２０とＤＣ／ＤＣコンバータ５１との間に電流の逆流を防止するためのダイオードが介挿されている場合には、出力電圧Ｖｆｃを昇圧させても、燃料電池スタック２０に流入する向きには、電流は流れない。

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が第一の閾値（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が第二の閾値（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。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刻々と変動する可変制御値として取り扱われることが好ましい。

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、図５を参照しながら、燃料電池スタック２０の目標電力を算出する方法について説明する。
まず、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、高電位回避目標電圧を算出する（ステップ５０１）。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、高電位回避目標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、高電位回避目標電圧を低く設定し、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、高電位回避目標電圧を高く設定し、高電位回避制御による発電量を抑制するのが好ましい。

また、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、高電位回避目標電圧を低く設定し、燃料電池スタック２０の劣化を抑制するのが好ましい。

また、車両の走行モード（Ｄ／Ｂレンジ）に応じて回生制動中の高電位回避目標電圧を変更してもよい。ここで、Ｄレンジは、通常走行時に用いられる走行モードであり、Ｂレンジは、下り坂や峠道などを走行する場合のように、通常走行時よりも大きい制動力が要求されるときに用いられる走行モードである。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に充電されるので、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 …（６）

（６）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目標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（７）式が成立するように高電位回避目標電圧を可変設定することができる。

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 …（７）

具体的には、コントローラ６０は、車両の走行モードがＤレンジであるのか或いはＢレンジであるのかを、シフトポジションに基づいて判定し、走行モードがＢレンジである場合には、走行モードがＤレンジの場合よりも高電位回避目標電圧の目標値を引き上げ、大きな制動力を確保する。これにより、車両のドライバビリティを高めることができる。

次に、コントローラ６０は、ステップ５０１で決定した高電位回避目標電圧を、Ｖ−Ｐ変換マップ８２を用いて、目標電力値に変換し（ステップ５０２）、上下限処理を実施する（ステップ５０３）。上下限処理では、コントローラ６０は、ステップ５０２で得られた高電位回避目標電圧が上限値を上回るか否か、及び下限値を下回るか否かを判定し、目標電力値が上限値を上回る場合には、目標電力値を上限値に制限し、目標電力値が下限値を下回る場合には、目標電力値を下限値に制限する。ここで、上限値及び下限値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１が所定の駆動モード（例えば、単相運転）のときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を通過する電力の上限値及び下限値を基準に設定するのが好ましい。コントローラ６０は、上下限処理を経て得られた目標電力値を最終的な目標電力値として決定し（ステップ５０４）、電池運転を制御する。

本実施形態によれば、高電位回避制御時の瞬間的な目標電圧低下に起因してＩ−Ｖ特性マップ８１が誤推定されることによる、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１の通過パワー制御エラーが及ぼすコンバータフェイルを効果的に抑制することができる。

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。 本実施形態に係わるセルの分解斜視図である。 本実施形態に係わる燃料電池スタックのＣ−Ｖ特性図である。 本実施形態に係わる燃料電池スタックの等価回路図である。 本実施形態に係わる目標電力の算出方法を示すフローチャートである。

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 (5)

1. 反応ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の出力特性を推定する推定手段と、
   高電位回避目標電圧値を設定する高電位回避電圧設定手段と、
   前記高電位回避目標電圧値を前記出力特性に基づいて目標電力値に変換するとともに、前記目標電力値を所定の上限値及び下限値の範囲内に制限する目標電力算出手段と、
   前記燃料電池の出力電圧を前記高電位回避目標電圧以下に制限しつつ、前記目標電力値に基づいて前記燃料電池の運転を制御する制御手段と、
   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、
   前記高電位回避電圧設定手段は、所定の演算周期毎に前記高電位回避目標電圧値を可変設定する、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、
   前記推定手段は、所定の演算周期毎に前記出力特性を更新する、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、
   前記燃料電池の出力電圧を制御する電圧制御手段を更に備え、
   前記上限値及び下限値は、前記電圧制御手段を通過する通過電力の上限値及び下限値を基準に設定される、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、
   前記電圧制御手段は、前記通過電力に応じて単相運転と三相運転とを切り替えるＤＣ／ＤＣコンバータである、燃料電池システム。