JP2013008681A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池側の出力電流−出力電圧特性と負荷側の最大出力特性との整合を図ることにより、運転効率が高く、物理的なトラブルを生じさせない燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池の出力電圧−出力電力特性が、ＦＣの最大出力特性ｆ２と、負荷装置の最大出力特性ｆ３が示すグラフとの交点（Ｂ点）で示されるシステム電圧（＝Ｖ_M）を燃料電池の出力電圧としてＤＣ−ＤＣコンバータに出力することによって、最適な出力電力（＝Ｐ_M）を得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムに係り、特に車両（移動体）に搭載される燃料電池システム制御方法に関する。

近年、移動体等の負荷に電力を供給する燃料電池システムが実用段階を迎えている。燃料電池は、水素等の燃料ガスと酸素を含む酸化ガスとの電気化学反応により、起電力を取り出すものであるが、出力電流と出力電圧との間に所定の関係（出力電流−出力電圧特性）が存在する。このような出力電流−出力電圧特性は、例えば燃料電池に供給される燃料ガスや酸化ガスのガス量に応じて変化するものである。また、いずれの出力電流−出力電圧特性についても、最大の出力電力（ネット出力）を与えるような出力電流値が定まっている。ここで、出力電力（ＦＣ許容電力）は、出力電流に出力電圧を乗じて計算される物理量であり、供給されるガス量との関係からも特性を有している。

従来の関連技術として、燃料電池の出力電力（ＦＣ許容電力）を供給ガス量との関係を示す出力特性として記憶しておく手段と、この出力特性を新たに取得して記憶に追加する手段と、同じガス量に対しては記憶された出力特性に基づいて出力電力（ＦＣ許容電力）を決定する手段と、を備えた電源システムが提案されている（例えば、特許文献１）。
特開２００３−２７２６７９号公報（段落００３４，００３５等）

ところで、燃料電池には出力電流−出力電圧特性が存在し、他方の負荷側には入力電流と最大出力との関係を定める最大出力特性が存在するので、両者の整合を図ることが課題とされている。しかしながら、従来の燃料電池システムでは、この課題が解決されていなかった。

両者の整合がなされないと、例えば、負荷側が要求する最大出力を満たさなかったり、あるいは、負荷側が要求する最大出力よりも大きい過剰な電力が燃料電池システムから供給されたりすることになり、燃料電池システムにおける不都合（発熱、電力バランスの崩れ、二次電池の過充電）等を生じることになる。

そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池側の出力電流−出力電圧特性と負荷側の最大出力特性との整合を図ることにより、運転効率が高く、物理的なトラブルを生じさせない燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧−出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出する出力電圧補正部と、前記出力電圧を基に前記燃料電池の最大出力を推測する電力推測部と、前記出力電圧を前記燃料電池に指令する燃料電池制御部と、を備えたことを特徴とする。

このように構成することにより、負荷装置の最大電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定すると、実際の燃料電池の出力電圧―出力電力特性が頭打ちになったり、燃料電池の出力電圧―出力電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定すると、実際の負荷装置の最大電力特性が頭打ちになったりして、期待した最大電力から乖離した低い出力電力しか得られないとか、過剰な発電により燃料電池システムに不都合が生じることを防止し、適正な動作点を設定することができる。

また、前記燃料電池システムにおいて、前記出力電圧補正部は、前記負荷装置の最大電力特性を示す特性曲線と前記燃料電池の出力電圧−出力電力特性を示す特性曲線との交点を推測することにより、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出することを特徴とする。

このように構成することにより、双方の特性を満たす適正な動作点が得られ、余剰電力の発生によってパワーバランスが崩されることが防止され、また、二次電池の過充電や、システム内部の不要な発熱を抑止することができる。

さらに、前記燃料電池システムにおいて、前記出力電圧補正部は、前記出力電圧−出力電力特性を離散的な数値で定義されたマップで保持し、前記出力電圧を算出するに際して、前記数値間の補間演算を実施して前記出力電圧を算出することを特徴とする。

このように構成することにより、マップに記録されていない出力電圧−出力電力特性値を補間演算により正しく推測することができ、出力電圧−出力電力特性を記憶する記憶装置の記憶容量を節約すると共に、負荷装置にとって真に有効な最大電力を供給するための計算精度を向上させることができる。

また、本発明は、前記燃料電池システムにおいて、前記負荷装置は駆動モータであることを特徴とする。負荷装置が駆動モータである場合に好適な発明である。

本発明によれば、負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧−出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出するので、双方の特性を満たす適正な動作点が設定できる。これにより、余剰電力の発生によってパワーバランスが崩されることが防止され、また、二次電池の過充電や、システム内部の不要な発熱を抑止することができる燃料電池システムを供給することができる。

次に本発明を実施するための好適な実施形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明の実施形態は、ハイブリッド型の燃料電池を搭載する電気自動車に本発明を適用したものである。以下の実施形態は本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

この実施形態は、燃料電池側の出力電流−出力電圧特性を基にした出力電力−出力電圧特性と、負荷側の最大出力特性とから、両者の出力電力を一致させる電圧値を求め、この電圧値が燃料電池の出力電圧値となるように燃料電池を制御するものである。また、燃料電池側の前記出力電流−出力電圧特性または前記出力電力−出力電圧特性は、数式として記憶されておらず、離散的な数値で定義されたマップとして記憶装置に記憶されているので、前記電圧値の計算を行うに際しては、この離散値間の前記特性を求めるための補間式を算出してから前記計算に使用するものである。

図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。
図１において、燃料電池システム１０は、主要な構成要素として、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と、燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９と、を備えて構成されている。

燃料電池２０は、フツ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（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）

なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエ−タ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス供給装置４２、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。

循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７が設置されている。

また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１、カソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。

酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとして、カソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５の回転数を検出する回転数センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器６４、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー６５が設けられている。気液分離器６４から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ９３、９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。この交流インピーダンス測定によって測定される含水量は燃料電池２０にスタックされている単位セル全体の平均的な含水量に対応している。

さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池２０の発電を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２，３６、圧力センサ４４、回転数センサ５７、７３、９９からのセンサ信号や、電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。

特に、本発明の特徴的な制御機能として、制御部８０は、車両走行用モータ９４や高圧補機９６等の負荷装置の最大電力特性と、燃料電池２０の出力電圧−出力電力特性とを参照して、燃料電池２０の最大出力を与える出力電圧を算出し、この出力電圧を基に燃料電池２０の最大出力を推測し、推測された最大出力に対応する出力電圧を求め、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に対する制御量として出力するように構成されている。

なお、この負荷装置の最大電力特性は、環境温度や劣化状態等種々の条件により変化するので、定期的に、または、不定期に特性を測定して更新しておくことが好ましい。また、燃料電池の出力電圧−出力電圧特性も、燃料電池の温度、含水量、劣化状態等によって変化するので、定期的に、または、不定期に燃料電池の出力電流および出力電圧を測定して更新しておくことが好ましい。

また、燃料電池の最大出力を与える出力電圧は、上記ＤＣ−ＤＣコンバータに対する制御を行うタイミングに一致させて推測演算する必要はなく、定期的に、または、不定期に更新するように構成しておくようにしてもよい。

図２は、本発明が適用される燃料電池システム１０の制御部８０が本発明に係る電圧制御方法に関するソフトウェアプログラムを実行することにより実現される機能ブロック図である。

図２に示す制御部８０は、機能ブロックとして、燃料電池２０の出力電圧を推測する電力推測部８０１と、負荷装置（車両走行用モータ９４や高圧補機９６、特にここでは車両走行用モータ９４とする）の最大出力電圧に基づいて燃料電池２０の出力電力を補正する出力電圧補正部８０２と、補正された出力電力が発電されるように燃料電池２０を制御する燃料電池制御部８０３と、負荷装置の車両走行用モータ９４のトルク量を計算する駆動系制御部８０４と、を備える（これら機能ブロックの詳細機能については後述する）。

バッテリコンピュータ９２は、バッテリ９１の出力端子に設けられており、制御部８０と通信可能になっている。バッテリコンピュータ９２は、バッテリ９１の充電状態を監視し、バッテリが過充電や過放電に至らない適正な充電範囲内に維持すると共に、万が一バッテが過充電や過放電等の状態になったら制御部８０に通知するように構成されている。

以下、制御部８０が備える各機能ブロックの詳細機能について説明する。
図３は、燃料電池の出力電圧−出力電力特性と、負荷装置の最大出力特性との関係を示したグラフ図である。
図３において、燃料電池（以下「ＦＣ」とも称する。）の出力電圧−出力電力特性が、ＦＣの最大出力特性ｆ１である場合は、システム電圧をＦＣ出力が最大となる電圧とすることで、理論上システム出力が最大となる。即ち、システム電圧をＶ_F1とすれば、ＦＣの最大出力特性ｆ１の極大値である最大値Ｐ_F1が得られる。

一方、燃料電池の出力電圧−出力電力特性が、ＦＣ（燃料電池）の最大出力特性ｆ２である場合は、システム電圧を燃料電池の最大出力（＝Ｐ_F2）を与える電圧（＝Ｖ_F2）としても（Ａ点参照）、実際の負荷装置による消費電力は、負荷装置の最大出力（電力）特性ｆ３に応じて制限されるので、実際には、負荷装置の最大出力はＰ_F2よりも小さいＰ’_F2となる。この場合、Ｐ_F2−Ｐ’_F2は余剰電力ΔＰとなり、バッテリ９１に充電されるべきものであるが、この余剰電力ΔＰが大きすぎるとバッテリ９１の過充電が生じる。

一方、負荷装置の最大出力特性ｆ３に基づいて、システム電圧を負荷装置の最大出力（＝Ｐ_MG）を与えるようなＶ_MGに設定し、負荷装置の出力が最大出力（＝Ｐ_MG）となることを期待しても（Ｃ点参照）、今度は、負荷装置の出力は、燃料電池の最大出力（＝Ｐ’_MG）で制限され、Ｐ’_MGが実際の出力電力となる。

以上のことから、燃料電池の出力電圧−出力電力特性と負荷装置の最大電力特性とを双方鑑みて、バッテリへの過充電がなく、かつ、最大の負荷出力を得ることができるような動作点を定めるには、燃料電池の出力電圧−出力電力特性と負荷装置の最大出力特性との双方からシステム電圧の電圧値を決定する必要があることが理解される。

例えば、図３において、燃料電池の出力電圧−出力電力特性が、ＦＣの最大出力特性ｆ２である場合は、当該特性ｆ２と、負荷装置の最大出力特性ｆ３との交点（Ｂ点）で示されるシステム電圧（＝Ｖ_FM2）を燃料電池の出力電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ９０への指令電圧値とすることによって、余剰電力を極力抑え、かつ、負荷装置に最大の出力（＝Ｐ_FM2）を与えることができる。さらに、負荷効率も考慮することによって最大負荷出力の誤差低減を図ることができる。

一方、図３において、燃料電池の出力電圧−出力電力特性が、ＦＣの最大出力特性ｆ１である場合は、当該特性ｆ１によって提供される出力電力よりも、負荷装置の最大出力特性ｆ３によって提供される最大出力電力の方が大きいので、当該特性ｆ３による制限を受けない。よって、ＦＣの最大出力特性ｆ１のみを考慮し、その極大値を与えるシステム電圧（＝Ｖ_FM1）を燃料電池の出力電圧、すなわちＤＣ−ＤＣコンバータ９０への指令電圧値とすることによって、余剰電力を極力抑え、かつ、負荷装置に最大の出力（＝Ｐ_FM1）を与えることができる。

ここで、制御部８０が保持する上記ＦＣの最大出力特性や負荷装置の最大出力特性は、図３のような連続的な曲線として与えられているのではなく、曲線上の幾つかの点を代表させた離散的なマップとしてテーブル化されて記憶されるものである。このため、求めるべき動作点が２つの離散点の間に存在する場合には、これら離散点間の補間式を作成して前記交点を求める必要がある。以下では、この補間方法について説明する。

図４は、燃料電池の特性を格子点による離散的な値で示したグラフ図であり、図４（ａ）は燃料電池の出力電流−出力電圧特性を示し、図４（ｂ）は燃料電池の出力電流−出力電力特性を示すものである。

燃料電池の最大出力特性曲線は、負荷装置の最大出力曲線とは異なり、単純な線形関係で近似できないため、制御部８０の指令電圧値の分解能に合わせて特性曲線上の総ての点に対する出力電力を記憶するには膨大な記憶容量が必要になる。そこで、一般には、図４に示すような代表点による離散的な値で記憶される。

図４（ｂ）の特性図（離散的な出力電流−出力電力特性）は、図４（ａ）の特性図（離散的な出力電流−出力電圧特性）から、Ｐ_i＝Ｉ_i×Ｖ_iとして求めたものである。例えば、図４（ｂ）の特性図から、燃料電池の出力電力を最大にする電流値を求めると、その電流値（Ｉ_A）に対応する燃料電池の最大出力電力と推定される電力（＝Ｐ₁）となってしまう。しかしながら、燃料電池の真の最大出力電力は、離散点Ａと離散点Ｂとの間に存在する点Ｃであるため、マップからの直接的な出力電力推定では推定誤差が生じる。

そこで、図４（ａ）のグラフ図において、離散点ａと離散点ｂとの間の出力電流−出力電圧特性を直線補間し、出力電流−出力電圧特性曲線上の、離散点ａと離散点ｂとの間の補間点における電流値Ｉを、補間式を用いて演算する。この補間式は、例えば一般に、（１）式で示される。
Ｖ＝Ｋ₁×Ｉ＋Ｋ₂ …………………………………………（１）

次に、この補間された電流値Ｉに基づいて、離散点ａと離散点ｂとの間の出力電力値Ｐを、補間式を用いて演算する。この補間式の形は、一般に、（２）式で示される。
Ｐ＝Ｉ×（Ｋ₁×Ｉ＋Ｋ₂） ………………………………（２）

このような補間演算により、燃料電池の最大出力を、より正確に推定することができる。例えば、離散点ａと離散点ｂが、図４（ｂ）に示す最大出力特性の極大点の前後にあるような場合、補間演算をすることにより、補間点Ｉ_Mが得られ、これに対応する燃料電池の最大出力値Ｐ_Mが正確に求められることになる。

図５は、本発明が適用される燃料電池システムの制御部８０が燃料電池の真の最大出力電力を指令するまでの処理手順を示すフローチャート図である。以下、図１〜４を参照しながら、図５に示すフローチャートを使用して、制御部８０で実施される燃料電池の出力電圧の制御動作を説明する。

まず、ステップＳ１において、出力電圧補正部８０２が、燃料電池２０の出力電圧−出力電力特性（図３の特性曲線ｆ１・ｆ２参照）及び負荷装置の最大出力特性（図３の特性曲線ｆ３参照）を参照して、前記燃料電池の出力電流−出力電圧特性曲線と負荷装置の最大出力特性曲線との交点を求め、動作点電圧値（＝Ｖ_M）を計算する。このとき必要に応じて、図４で説明したような補間演算を適用する。

次に、ステップＳ２において、電力推測部８０１が、動作点電圧値（＝Ｖ_M）に対応する燃料電池２０の適正出力電圧値（＝Ｐ_M）を演算する。

そして、ステップＳ３において、燃料電池制御部８０３が、ステップＳ１で計算された動作点電圧値（＝Ｖ_FM2）を燃料電池２０に指令電圧値としてＤＣ−ＤＣコンバータ９０に出力する。

同時に、駆動系制御部８０４が、ステップＳ２で推定された適正出力電力（＝Ｐ_M）に基づいて負荷装置である車両走行用モータ９４に指令するトルク量を計算し、このトルク量を示す信号Ｓｔを車両走行用モータ９４に送出する。以上で、燃料電池システムにおいて適正な出力電力を設定するための出力電力指令する処理動作を終了する。

従来は、負荷装置の最大電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定することで、実際の燃料電池の出力電圧―出力電力特性が頭打ちになったり、燃料電池の出力電圧―出力電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定することで、実際の負荷装置の最大電力特性が頭打ちになったりしていた。

しかしながら、上記実施形態によれば、これら期待した最大電力から乖離した低い出力電力しか得られないとか、過剰な発電により燃料電池システムに不都合が生じることを防止し、適正な動作点を設定することができる。

（その他の実施形態）
本発明は上記実施形態以外にも種々に変更して適用することが可能である。
例えば、本発明は、本実施形態のようにハイブリッド燃料電池システムに適用すると効果が大きいが、他の一般的な燃料電池システムに適用することも可能である。

さらに、本発明は、車両のみならず、燃料電池システムを搭載して陸上、地中、海上、海中、空中、宇宙空間を移動するあらゆる移動体に本発明を適用することも可能である。

本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。 本発明が適用される燃料電池システム１０の制御部８０の機能ブロック図である。 燃料電池の出力電圧−出力電力特性と、負荷装置の最大出力特性との関係を示した特性曲線図である。 燃料電池の特性を格子点による離散的な値で示した特性曲線図であり、図４（ａ）は燃料電池の出力電流−出力電圧特性を示し、図４（ｂ）は燃料電池の出力電流−出力電力特性を示すものである。 本発明が適用される燃料電池システムの制御部８０が適正出力電力を指令するまでの処理手順を示すフローチャート図である。

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、４０ 燃料ガス流路、５５ 水素ポンプ、７１ 酸化ガス流路、８０ 制御部、９１ バッテリ、
９２ バッテリコンピュータ、８０１ 電力推測部、８０２ 出力電圧補正部、
８０３ 燃料電池制御部、８０４ 駆動計制御部 Ｓｔ トルク制御信号

そこで本発明は、上記課題を解決するために、燃料電池側の出力電流−出力電圧特性と負荷側の最大出力特性との整合を図ることにより、運転効率が高く、物理的なトラブルを生じさせない燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、負荷装置の最大電力特性と、燃料電池の出力電圧−出力電力特性とを参照して、燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出する出力電圧補正部と、出力電圧を基に燃料電池の最大出力を推測する電力推測部と、出力電圧を燃料電池に指令する燃料電池制御部と、を備えたことを特徴とする。

このように構成することにより、負荷装置の最大電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定すると、実際の燃料電池の出力電圧―出力電力特性が頭打ちになったり、燃料電池の出力電圧―出力電力特性のみに着目してこの特性から最大電力が得られるような燃料電池の出力電圧に設定すると、実際の負荷装置の最大電力特性が頭打ちになったりして、期待した最大電力から乖離した低い出力電力しか得られないとか、過剰な発電により燃料電池システムに不都合が生じることを防止し、適正な動作点を設定することができる。
またこのように構成することにより、双方の特性を満たす適正な動作点が得られ、余剰電力の発生によってパワーバランスが崩されることが防止され、また、二次電池の過充電や、システム内部の不要な発熱を抑止することができる。

本発明において、動作点電圧特定部は、負荷装置の最大出力特性を示す特性曲線と燃料電池の出力電圧−出力電力特性を示す特性曲線とが交わらない場合には、燃料電池の出力電圧−出力電力特性を示す特性曲線の極大値を与える電圧を、動作点電圧として特定するように構成してもよい。

本発明において、燃料電池の出力電圧−出力電力特性を示す特性曲線は、当該特性曲線における幾つかの点が離散的な数値として記憶されており、動作点電圧特定部は、動作点電圧を特定するに際して、数値間の補間演算を実施して動作点電圧を特定するようにしてもよい。

本発明において、負荷装置は駆動モータであり、動作点電圧に基づき燃料電池の適正出力電力を推測し、推測された適正出力電力に基づいて負荷装置に指令するトルク量を演算する負荷装置制御部を備えるように構成してもよい。

次に、ステップＳ２において、電力推測部８０１が、動作点電圧値（＝Ｖ_M）に対応する燃料電池２０の適正出力電力値（＝Ｐ_M）を演算する。

Claims (4)

1. 負荷装置に対して電力を供給する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   前記負荷装置の最大電力特性と、前記燃料電池の出力電圧−出力電力特性とを参照して、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出する出力電圧補正部と、
   前記出力電圧を基に前記燃料電池の最大出力を推測する電力推測部と、
   前記出力電圧を前記燃料電池に指令する燃料電池制御部と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記出力電圧補正部は、
   前記負荷装置の最大電力特性を示す特性曲線と前記燃料電池の出力電圧−出力電力特性を示す特性曲線との交点を推測することにより、前記燃料電池の最大出力を与える出力電圧を算出する、請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記出力電圧補正部は、
   前記出力電圧−出力電力特性を離散的な数値で定義されたマップで保持し、前記出力電圧を算出するに際して、前記数値間の補間演算を実施して前記出力電圧を算出する、請求項１または請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記負荷装置は駆動モータである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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