JP2014175274A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】出力制御の違いに起因した燃料電池の発熱量の相違を補償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】ＦＣシステム１２では、ＦＣ電流に基づく冷媒供給装置８０の暫定目標駆動量をＦＣ４０の出力制御の選択内容に応じて重み付けした目標駆動量を設定し、前記目標駆動量に基づいて冷媒供給装置８０を制御する。前記出力制御の選択内容に応じた重み付けは、暫定目標駆動量が等しい場合、第１制御（電圧可変・電流可変制御）に比べて第２制御（電圧固定・電流可変制御）の目標駆動量を大きくするように行われる。
【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池の出力電圧を固定すると共に、反応ガスの供給量を調整することで燃料電池の出力電流を可変とする電圧固定・電流可変制御を行う燃料電池システムに関する。

特許文献１では、燃料電池の出力制御として２種類の制御が開示されている。すなわち、１つ目の制御は、単セルの目標電圧が切替電圧以下である場合、単セルの実電圧を目標電圧に追従させる第１モードである（要約、図１５、［００９３］、［０１５０］）。また、２つ目の制御は、単セルの目標電圧が切替電圧以下でない場合、単セルの実電圧を切替電圧で維持しつつ、空気の供給量（酸素濃度）を変化することによって単セルのＩＶ特性を変化することで、単セルの実電流を変化させ、単セルの出力する実電力を要求電力に追従させる第２モードである（要約、図１５、［００９３］）。

また、特許文献１では、燃料電池スタック１０を冷却するための冷媒系として、冷媒ポンプ４１及びラジエータ４２（放熱器）が開示されている（［００７６］、［００７７］）。第１モードでは、冷媒ポンプ４１の消費電力がシステム消費電力に追従する（［０１６４］、図１８）。第２モードにおける冷媒ポンプ４１の目標回転数は、目標酸素濃度又は目標電流に対応させて設定する（図１３、［０１３１］）。

特許文献２にも、特許文献１と同様の技術が開示されている。

特開２０１２−１８５９７１号公報 特開２０１２−２３８４８５号公報

上記のように、特許文献１では、第１モード及び第２モードにおける冷媒ポンプ４１の制御について言及されているものの、未だ改善の余地がある。

例えば、本願の発明者は、燃料電池の出力電流が等しい場合であっても、出力制御の違いに起因して燃料電池の発熱量（放熱量）が相違するとの知見を得た。すなわち、燃料電池の出力電流が等しい場合であっても、第１モード（電圧可変・電流可変制御）よりも、第２モード（電圧固定・電流可変制御）の方が発熱量が多いことがわかった。特許文献１では、この点について検討されていない。特許文献２も同様である。

本発明は上記のような課題を考慮してなされたものであり、出力制御の違いに起因した燃料電池の発熱量の相違を補償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。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池から電力供給を受ける負荷と、前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給装置と、前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整装置と、前記燃料電池に対して冷媒を供給する冷媒供給装置と、前記ガス供給装置、前記電圧調整装置及び前記冷媒供給装置を制御する制御装置とを備えるものであって、前記制御装置は、前記燃料電池の出力制御として、前記燃料電池の出力電圧及び出力電流の両方を可変とする第１制御と、前記燃料電池の出力電圧を固定すると共に、前記反応ガスの供給量を調整することで前記燃料電池の出力電流を可変とする第２制御とを切り替えて実行し、さらに、前記制御装置は、前記燃料電池の出力電流に基づく前記冷媒供給装置の暫定目標駆動量を前記燃料電池の出力制御の選択内容に応じて重み付けした目標駆動量を設定し、前記目標駆動量に基づいて前記冷媒供給装置を制御し、前記出力制御の選択内容に応じた重み付けは、前記暫定目標駆動量が等しい場合、前記第１制御に比べて前記第２制御の前記目標駆動量を大きくするように行われることを特徴とする。

本発明によれば、第１制御（電圧可変・電流可変制御）の場合よりも第２制御（電圧固定・電流可変制御）の場合の方が、冷媒供給装置の駆動量が大きくなるように目標駆動量を設定する。これにより、燃料電池の出力電流が等しい場合であっても、出力制御の違いに起因する燃料電池の発熱量の相違を補償することが可能となる。従って、燃料電池の温度変動を抑制することが可能となる。

前記燃料電池システムは、前記冷媒の実温度を検出する冷媒温度検出部を備え、前記制御装置は、前記燃料電池の出力電流に基づき前記冷媒供給装置の暫定目標駆動量を算出し、前記冷媒の実温度と前記冷媒の目標温度の温度差に応じて前記暫定目標駆動量の補正量を算出し、前記出力制御の選択内容に応じた重み付けは、前記温度差が等しい場合、前記第１制御に比べて前記第２制御の前記補正量を大きくするように行われてもよい。これにより、第１制御と第２制御の相違に基づく重み付けを簡易に実現すると共に、第２制御における冷却の応答性を上げることが可能となる。

前記燃料電池システムは、エアコンディショナを備えてもよい。この場合、前記制御装置は、前記エアコンディショナが冷房を行っている場合、前記第２制御の実行を禁止してもよい。或いは、前記燃料電池の各セルにおける酸化還元反応が進行するため各セルの劣化が進む電圧範囲を酸化還元領域と定義するとき、前記制御装置は、前記エアコンディショナが冷房を行っており且つ前記第２制御を実行する場合、前記燃料電池の目標電圧を、前記酸化還元領域を上回る電圧に固定してもよい。これにより、燃料電池の出力電流を減少させることで燃料電池の出力制御に伴う発熱量を抑制し、冷媒供給装置の消費電力を抑制することが可能となる。

本発明によれば、第１制御（電圧可変・電流可変制御）の場合よりも第２制御（電圧固定・電流可変制御）の場合の方が、冷媒供給装置の駆動量が大きくなるように目標駆動量を設定する。これにより、燃料電池の出力電流が等しい場合であっても、出力制御の違いに起因する燃料電池の発熱量の相違を補償することが可能となる。従って、燃料電池の温度変動を抑制することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両の概略全体構成図である。 前記燃料電池車両の電力系のブロック図である。 第１実施形態における燃料電池ユニットの概略構成図である。 第１実施形態における燃料電池スタック、冷却系及びエアコンディショナの配置を示す図である。 第１実施形態における前記燃料電池スタックの出力制御のフローチャートである。 第１モード（電圧可変・電流可変制御）及び第２モード（電圧固定・電流可変制御）それぞれについて、燃料電池スタックの出力電流と放熱量（放熱量）の関係の一例を示す図である。 第１実施形態に係る前記燃料電池の出力制御を用いた場合のタイムチャートの例を示す図である。 第１実施形態におけるウォータポンプの出力制御のフローチャートである。 第１モード及び第２モードそれぞれについて、燃料電池スタックの出力電流とウォータポンプの暫定目標消費電力の関係の一例を示す図である。 第１モード及び第２モードそれぞれについて、実水温と目標水温の温度差と補正量の関係の一例を示す図である。 第２実施形態における燃料電池スタックの出力制御のフローチャートである。 第２実施形態における前記燃料電池スタックの出力制御を簡略的に説明する図である。 第１実施形態に係る燃料電池車両の第１変形例の概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池車両の第２変形例の概略構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係る燃料電池車両の第３変形例の概略構成を示すブロック図である。

Ａ．第１実施形態
１．全体的な構成の説明
［１−１．全体構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池車両１０（以下「ＦＣ車両１０」又は「車両１０」という。）の概略全体構成図である。図２は、ＦＣ車両１０の電力系のブロック図である。図１及び図２に示すように、ＦＣ車両１０は、燃料電池システム１２（以下「ＦＣシステム１２」という。）と、走行モータ１４（以下「モータ１４」という。）と、インバータ１６とを有する。

ＦＣシステム１２は、燃料電池ユニット１８（以下「ＦＣユニット１８」という。）と、高電圧バッテリ２０（以下「バッテリ２０」ともいう。）（蓄電装置）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、電子制御装置２４（以下「ＥＣＵ２４」という。）とを有する。

［１−２．駆動系］
モータ１４は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション２６を通じて車輪２８を回転させる。また、モータ１４は、回生を行うことで生成した電力（回生電力Ｐｒｅｇ）［Ｗ］をバッテリ２０等に出力する（図２参照）。

インバータ１６は、３相ブリッジ型の構成とされて、直流／交流変換を行い、直流を３相の交流に変換してモータ１４に供給する一方、回生動作に伴う交流／直流変換後の直流をＤＣ／ＤＣコンバータ２２を通じてバッテリ２０等に供給する。

なお、モータ１４とインバータ１６を併せて負荷３０という。負荷３０には、後述するエアポンプ６０、ウォータポンプ８０、エアコンディショナ９０等の構成要素を含めることもできる。

［１−３．ＦＣ系］
（１−３−１．全体構成）
図３は、ＦＣユニット１８の概略構成図である。ＦＣユニット１８は、燃料電池スタック４０（以下「ＦＣスタック４０」又は「ＦＣ４０」という。）と、ＦＣスタック４０のアノードに対して水素（燃料ガス）を給排するアノード系と、ＦＣスタック４０のカソードに対して酸素を含む空気（酸化剤ガス）を給排するカソード系と、ＦＣスタック４０を冷却する冷却系４１と、セル電圧モニタ４２とを備える。

（１−３−２．ＦＣスタック４０）
ＦＣスタック４０は、例えば、固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成された燃料電池セル（以下「ＦＣセル」という。）を積層した構造を有する。

（１−３−３．アノード系）
アノード系は、水素タンク４４、レギュレータ４６、エゼクタ４８及びパージ弁５０を有する。水素タンク４４は、燃料ガスとしての水素を収容するものであり、配管４４ａ、レギュレータ４６、配管４６ａ、エゼクタ４８及び配管４８ａを介して、アノード流路５２の入口に接続されている。これにより、水素タンク４４の水素は、配管４４ａ等を介してアノード流路５２に供給可能である。なお、配管４４ａには、遮断弁（図示せず）が設けられており、ＦＣスタック４０の発電の際、当該遮断弁は、ＥＣＵ２４により開とされる。

レギュレータ４６は、導入される水素の圧力を所定値に調整して排出する。すなわち、レギュレータ４６は、配管４６ｂを介して入力されるカソード側の空気の圧力（パイロット圧）に応じて、下流側の圧力（アノード側の水素の圧力）を制御する。従って、アノード側の水素の圧力は、カソード側の空気の圧力に連動し、後記するように、酸素濃度を変化させるべくエアポンプ６０の回転数等を変化させると、アノード側の水素の圧力も変化する。

エゼクタ４８は、水素タンク４４からの水素をノズルで噴射することで負圧を発生させ、この負圧によって配管４８ｂのアノードオフガスを吸引する。

アノード流路５２の出口は、配管４８ｂを介して、エゼクタ４８の吸気口に接続されている。そして、アノード流路５２から排出されたアノードオフガスは、配管４８ｂを通って、エゼクタ４８に再度導入されることでアノードオフガス（水素）が循環する。

なお、アノードオフガスは、アノードにおける電極反応で消費されなかった水素及び水蒸気を含んでいる。また、配管４８ｂには、アノードオフガスに含まれる水分｛凝縮水（液体）、水蒸気（気体）｝を分離・回収する気液分離器（図示せず）が設けられている。

配管４８ｂの一部は、配管５０ａ、パージ弁５０及び配管５０ｂを介して、後記する配管６４ｂに設けられた希釈ボックス５４に接続されている。パージ弁５０は、ＦＣスタック４０の発電が安定していないと判定された場合、ＥＣＵ２４からの指令に基づき所定時間、開となる。希釈ボックス５４は、パージ弁５０からのアノードオフガス中の水素を、カソードオフガスで希釈する。

（１−３−４．カソード系）
カソード系は、エアポンプ６０、加湿器６２、背圧弁６４、循環弁６６、流量センサ６８、７０及び温度センサ７２を有する。

エアポンプ６０は、外気（空気）を圧縮してカソード側に送り込むものであり、その吸気口は、配管６０ａを介して車外（外部）と連通している。エアポンプ６０の吐出口は、配管６０ｂ、加湿器６２及び配管６２ａを介して、カソード流路７４の入口に接続されている。エアポンプ６０がＥＣＵ２４の指令に従って作動すると、エアポンプ６０は、配管６０ａを介して車外の空気を吸気して圧縮し、この圧縮された空気が配管６０ｂ等を通ってカソード流路７４に圧送される。

加湿器６２は、水分透過性を有する複数の中空糸膜６２ｅを備えている。そして、加湿器６２は、中空糸膜６２ｅを介して、カソード流路７４に向かう空気とカソード流路７４から排出された多湿のカソードオフガスとの間で水分交換させ、カソード流路７４に向かう空気を加湿する。

カソード流路７４の出口側には、配管６２ｂ、加湿器６２、配管６４ａ、背圧弁６４及び配管６４ｂが配置されている。カソード流路７４から排出されたカソードオフガス（酸化剤オフガス）は、配管６２ｂ等を通って、車外に排出される。

背圧弁６４は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２４によって制御されることで、カソード流路７４における空気の圧力を制御する。より具体的には、背圧弁６４の開度が小さくなると、カソード流路７４における空気の圧力が上昇し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が高くなる。逆に、背圧弁６４の開度が大きくなると、カソード流路７４における空気の圧力が下降し、体積流量当たりにおける酸素濃度（体積濃度）が低くなる。

配管６４ｂは、配管６６ａ、循環弁６６及び配管６６ｂを介して、エアポンプ６０の上流側の配管６０ａに接続されている。これにより、排気ガス（カソードオフガス）の一部が、循環ガスとして、配管６６ａ、循環弁６６及び配管６６ｂを通って、配管６０ａに供給され、車外からの新規空気に合流し、エアポンプ６０に吸気される。

循環弁６６は、例えば、バタフライ弁で構成され、その開度がＥＣＵ２４によって制御されることで循環ガスの流量を制御する。

流量センサ６８は、配管６０ｂに取り付けられ、カソード流路７４に向かう空気の流量［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２４に出力する。流量センサ７０は、配管６６ｂに取り付けられ、配管６０ａに向かう循環ガスの流量Ｑｃ［ｇ／ｓ］を検出してＥＣＵ２４に出力する。

温度センサ７２は、配管６４ａに取り付けられ、カソードオフガスの温度を検出してＥＣＵ２４に出力する。ここで、循環ガスの温度は、カソードオフガスの温度と略等しいため、温度センサ７２の検出するカソードオフガスの温度に基づいて、循環ガスの温度を検知することができる。

（１−３−５．冷却系４１）
図３に示すように、冷却系４１は、ウォータポンプ８０、ラジエータ８２、ラジエータファン８４及び温度センサ８６等を有する。ウォータポンプ８０は、ＦＣ４０内に冷却水（冷媒）を循環させることでＦＣ４０を冷却する。ＦＣ４０を冷却して温度が上昇した冷却水は、ラジエータファン８４による送風を受けるラジエータ８２で放熱される。温度センサ８６は、冷却水の温度（以下「実水温Ｔｗ」という。）を検出し、ＥＣＵ２４に出力する。

図４は、ＦＣ４０、冷却系４１及びエアコンディショナ９０の配置を示す図である。図４に示すように、ラジエータ８２及びラジエータファン８４は、車両１０の前側に配置される。より具体的には、ラジエータ８２が鉛直方向に起立された状態において、ラジエータファン８４がラジエータ８２の後ろに配置される。

（１−３−６．セル電圧モニタ４２）
セル電圧モニタ４２は、ＦＣスタック４０を構成する複数の単セル毎のセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出する機器であり、モニタ本体と、モニタ本体と各単セルとを接続するワイヤハーネスとを備える。モニタ本体は、所定周期で全ての単セルをスキャニングし、各単セルのセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出し、平均セル電圧及び最低セル電圧を算出する。そして、平均セル電圧及び最低セル電圧をＥＣＵ２４に出力する。

（１−３−７．電力系）
図２に示すように、ＦＣ４０からの電力（以下「ＦＣ電力Ｐｆｃ」という。）は、インバータ１６及びモータ１４（力行時）とＤＣ／ＤＣコンバータ２２及び高電圧バッテリ２０（充電時）とに加え、前記エアポンプ６０、前記ウォータポンプ８０、前記エアコンディショナ９０、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ９２、低電圧バッテリ９４、アクセサリ９６、ＥＣＵ２４及びラジエータファン８４に供給される。なお、図１に示すように、ＦＣユニット１８（ＦＣ４０）とインバータ１６及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２との間には、逆流防止ダイオード９８が配置されている。また、ＦＣ４０の発電電圧（以下「ＦＣ電圧Ｖｆｃ」という。）は、電圧センサ１００（図２）により検出され、ＦＣ４０の発電電流（以下「ＦＣ電流Ｉｆｃ」という。）は、電流センサ１０２により検出され、いずれもＥＣＵ２４に出力される。

［１−４．高電圧バッテリ２０］
バッテリ２０は、複数のバッテリセルを含む蓄電装置（エネルギストレージ）であり、例えば、リチウムイオン２次電池、ニッケル水素２次電池又はキャパシタ等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン２次電池を利用している。バッテリ２０の出力電圧（以下「バッテリ電圧Ｖｂａｔ」という。）［Ｖ］は、電圧センサ１０４（図２）により検出され、バッテリ２０の出力電流（以下「バッテリ電流Ｉｂａｔ」という。）［Ａ］は、電流センサ１０６により検出され、それぞれＥＣＵ２４に出力される。ＥＣＵ２４は、バッテリ電圧Ｖｂａｔとバッテリ電流Ｉｂａｔとに基づいて、バッテリ２０の残容量（以下「ＳＯＣ」という。）［％］を算出する。

［１−５．ＤＣ／ＤＣコンバータ２２］
ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、ＦＣユニット１８からのＦＣ電力Ｐｆｃと、バッテリ２０から供給された電力（以下「バッテリ電力Ｐｂａｔ」という。）［Ｗ］と、モータ１４からの回生電力Ｐｒｅｇとの供給先を制御する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、１次側１Ｓの電圧（１次電圧Ｖ１）［Ｖ］を２次側２Ｓの電圧（２次電圧Ｖ２）［Ｖ］（Ｖ１≦Ｖ２）に昇圧すると共に、２次電圧Ｖ２を１次電圧Ｖ１に降圧する昇降圧型且つチョッパ型の電圧変換装置である。

ＤＣ/ＤＣコンバータ２２の具体的構成としては、例えば、特許文献２の図４に記載のものを用いることができる。

［１−６．ＥＣＵ２４］
ＥＣＵ２４は、通信線１４０（図１等）を介して、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２を制御する。当該制御に際しては、メモリ（ＲＯＭ）に格納されたプログラムを実行し、また、セル電圧モニタ４２、流量センサ６８、７０、温度センサ７２、８６、電圧センサ１００、１０４、電流センサ１０２、１０６等の各種センサの検出値を用いる。

ここでの各種センサには、上記センサに加え、開度センサ１５０及びモータ回転数センサ１５２（図１）が含まれる。開度センサ１５０は、アクセルペダル１５４の開度θｐ［度］を検出する。モータ回転数センサ１５２は、モータ１４の回転数（以下「モータ回転数Ｎｍ」又は「回転数Ｎｍ」という。）［ｒｐｍ］を検出する。ＥＣＵ２４は、回転数Ｎｍを用いてＦＣ車両１０の車速Ｖ［ｋｍ／ｈ］を検出する。さらに、ＥＣＵ２４には、メインスイッチ１５６（以下「メインＳＷ１５６」という。）が接続される。メインＳＷ１５６は、ＦＣユニット１８及びバッテリ２０からモータ１４への電力供給の可否を切り替えるものであり、ユーザにより操作可能である。

ＥＣＵ２４は、マイクロコンピュータを含み、必要に応じて、タイマ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器等の入出力インタフェースを有する。なお、ＥＣＵ２４は、１つのＥＣＵのみからなるのではなく、モータ１４、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２毎の複数のＥＣＵから構成することもできる。

ＥＣＵ２４は、ＦＣスタック４０の状態、バッテリ２０の状態及びモータ１４の状態の他、各種スイッチ及び各種センサからの入力（負荷要求）に基づき決定したＦＣ車両１０全体としてＦＣシステム１２に要求される負荷から、ＦＣスタック４０が負担すべき負荷と、バッテリ２０が負担すべき負荷と、回生電源（モータ１４）が負担すべき負荷の配分（分担）を調停しながら決定し、モータ１４、インバータ１６、ＦＣユニット１８、バッテリ２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ２２に指令を送出する。

［１−７．エアコンディショナ９０］
エアコンディショナ９０は、車両１０内部の温度等を調節するものであり、図４に示すように、コンデンサ１６０、エバポレータ１６２、ブロアファン１６４等の部品を有する。図４に示すように、コンデンサ１６０は、車両１０の前側において、冷却系４１のラジエータ８２及びラジエータファン８４の前方に配置される。

２．第１実施形態の制御
次に、車両１０（特に、ＥＣＵ２４）における制御について説明する。第１実施形態の車両１０では、基本的に、特許文献１、２と同様の制御を行うことができる。以下では、特許文献１、２との相違点、すなわち、ＦＣ４０の出力制御及びウォータポンプ８０の出力制御に着目して説明する。

［２−１．ＦＣ４０の出力制御］
図５は、第１実施形態におけるＦＣ４０の出力制御のフローチャートである。ステップＳ１において、ＥＣＵ２４は、ＦＣシステム１２が低負荷状態であるか否かを判定する。当該判定は、例えば、ＦＣシステム１２に要求される負荷（システム負荷Ｐｓｙｓ）［Ｗ］を算出し、システム負荷Ｐｓｙｓが、低負荷を判定するための閾値（低負荷判定閾値）を下回るか否かにより行う。

ＦＣシステム１２が低負荷状態でない場合（Ｓ１：ＮＯ）、ステップＳ２において、ＥＣＵ２４は、第１モードを選択する。第１モードは、ＦＣ電圧Ｖｆｃの目標値（以下「目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ」という。）及びＦＣ電流Ｉｆｃがいずれも可変である電圧可変・電流可変制御である。第１モードは、主として、システム負荷Ｐｓｙｓが相対的に高いときに用いられるものであり、目標ガス濃度を固定（或いは、反応ガスを豊潤な状態に維持）した状態で、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを調整することによりＦＣ電流Ｉｆｃを制御する。

ＦＣシステム１２が低負荷状態である場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、ステップＳ３において、ＥＣＵ２４は、エアコンディショナ９０が冷房中であるか否かを判定する。当該判定は、例えば、エアコンディショナ９０に対してユーザから冷房要求が出されたことを知らせる信号（冷房要求信号）を、エアコンディショナ９０から取得することで行う。

エアコンディショナ９０が冷房中でない場合（Ｓ３：ＮＯ）、ステップＳ４において、ＥＣＵ２４は、第２モードを選択する。第２モードは、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒが一定でありＦＣ電流Ｉｆｃが可変である電圧固定・電流可変（ＣＶＶＣ：Constant Voltage Variable Current）制御である。第２モード（電圧固定・電流可変制御）は、主として、システム負荷Ｐｓｙｓが相対的に低いときに用いられるものであり、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｔａｒ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ／セル数）を、酸化還元領域よりも低い電位で設定された基準電位（第１実施形態では、電位＝０．８Ｖ）に固定すると共に、目標ガス濃度を可変とすることにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを可変とする。

ここにいう酸化還元領域とは、各セルにおける酸化還元反応が進行するため各セルの劣化が進む電圧範囲を意味する。酸化還元領域の詳細は、例えば、特許文献２の図９、図１０及びこれらの関連記載を参照されたい。

上記のようにステップＳ４では、第２モード（ＣＶＶＣ制御）を用いることで、基本的に、ＦＣ電力Ｐｆｃによりシステム負荷Ｐｓｙｓをまかなうことが可能となる。ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。

図５のステップＳ３においてエアコンディショナ９０が冷房中である場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、ステップＳ５において、ＥＣＵ２４は、第２モードの実行を禁止する（禁止する理由については後述する。）。例えば、ＥＣＵ２４は、第２モードを選択せずに、ＦＣ４０の出力を停止する。この場合、ＦＣ電力Ｐｆｃの不足分は、バッテリ２０からアシストする。或いは、第２モードを選択せずに、第１モードを実行してもよい。

ステップＳ５は、低負荷状態の場合（Ｓ１：ＹＥＳ）である。このため、ステップＳ５において第１モードを実行する場合、ＦＣ電流Ｉｆｃを極力少なくすることが好ましい。しかしながら、ＦＣ電流Ｉｆｃを少なくするには、ＦＣ電圧Ｖｆｃを高くする必要がある。ＦＣ電圧Ｖｆｃを高くすると、ＦＣ４０の劣化が進行する。

そこで、ステップＳ５において第１モードを実行する場合、例えば、セル電圧が酸化還元領域よりも高い値（例えば、０．９Ｖ）となるように目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを設定する（Ｖｆｃ＿ｔａｒ←０．９Ｖ×セル数）。或いは、セル電圧が酸化還元領域よりも低い値（例えば、０．８Ｖ）となるように目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを設定してもよい（Ｖｆｃ＿ｔａｒ←０．８Ｖ×セル数）。このようにステップＳ５において第１モードを実行する場合、余分に発電した電力は、バッテリ２０に充電してもよい。

次に、上記のように、エアコンディショナ９０が冷房中である場合、第２モードの実行を禁止する理由について説明する。

図６は、第１モード（電圧可変・電流可変制御）及び第２モード（電圧固定・電流可変制御）それぞれについて、ＦＣ電流ＩｆｃとＦＣ４０の放熱量Ｈｆｃ（発熱量）の関係の一例を示す図である。図６からわかるように、第１モード及び第２モードいずれについても、ＦＣ電流Ｉｆｃが増加すると、放熱量Ｈｆｃが上昇する。

また、いずれのＦＣ電流Ｉｆｃにおいても、第１モードよりも第２モードの方が放熱量Ｈｆｃが高い。これは、次の理由と考えられる。すなわち、第２モードの場合、ＦＣ電圧Ｖｆｃを固定した状態で、ガス濃度（ここでは酸素濃度）を変化させてＦＣ電流Ｉｆｃを変化させる。このため、水素と酸素の間で最適に反応できず、電流を発生させる代わりに熱が発生する程度が多くなる。

そこで、第１実施形態では、エアコンディショナ９０が冷房中である場合、第２モードの実行を禁止し、冷房効率を高めるようにしている。

特に、第１実施形態の場合、冷却系４１のラジエータ８２及びラジエータファン８４とエアコンディショナ９０のコンデンサ１６０とが近接して配置されている（図４参照）。このため、冷却系４１及びエアコンディショナ９０の両方を作動させた場合、コンデンサ１６０から放出された熱がラジエータ８２に影響することとなり、冷却系４１の冷媒の冷却効率が低下する。また、その結果、ＦＣ４０の熱が十分に放出されず、エアコンディショナ９０の冷却効率を下げるおそれもある。そこで、エアコンディショナ９０が冷房中である場合、第２モードの実行を禁止し、上記のような冷房効率の低下を防ぐ効果が大きい。

［２−２．ＦＣ４０の出力制御の例］
図７には、第１実施形態に係るＦＣ４０の出力制御を用いた場合のタイムチャートの例が示されている。なお、図７のうち冷房要求以外の実線は、第１実施形態に係る制御に対応し、破線は、比較例に係る制御に対応する。比較例に係る制御とは、図５においてステップＳ１、Ｓ２、Ｓ４のみを用い、ステップＳ３、Ｓ５を用いないものである。

時点ｔ１において、冷房要求があり、エアコンディショナ９０による冷房が開始される（図５のＳ３：ＹＥＳ）。これに伴い、第１実施形態では、時点ｔ２において第２モード要求フラグがオンからオフとなり、第２モードが禁止され、ＦＣ４０の出力が停止される（Ｓ５）。これに伴い、バッテリ２０からの供給電力が増加していく。

また、第１実施形態では、時点ｔ２において第２モードを禁止したことに伴い、エアコンディショナ９０の冷媒温度Ｔａｃが比較例よりも低くなり、エアコンディショナ９０の消費電力が比較例よりも低くなる。

［２−３．ウォータポンプ８０の出力制御］
図８は、第１実施形態におけるウォータポンプ８０の出力制御のフローチャートである。ステップＳ１１において、ＥＣＵ２４は、第２モード（ＣＶＶＣ制御）を実施中であるか否かを判定する。第２モード（ＣＶＶＣ制御）を実施中でない場合（Ｓ１１：ＮＯ）、第１モード（電圧可変・電流可変制御）を実施中である。

この場合、ステップＳ１２において、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電流Ｉｆｃに基づいてウォータポンプ８０の暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐを設定する。第１モードと第２モードの場合を区別するため、以下では、第１モードの暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐをＰｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ１といい、第２モードの暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐをＰｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ２という。

上記のように、ＦＣ電流Ｉｆｃは、ＦＣ４０の放熱量Ｈｆｃと対応関係にある（図６参照）。このため、暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐは、放熱量Ｈｆｃに対応して設定される数値である。また、ここでは、ウォータポンプ８０の消費電力に関する目標値として暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐを設定しているが、ウォータポンプ８０の駆動力を制御するための数値であれば、消費電力以外の指標（例えば、回転数［ｒｐｍ］）を用いてもよい。

図９は、第１モード及び第２モードそれぞれについて、ＦＣ電流Ｉｆｃとウォータポンプ８０の暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐの関係の一例を示す図である。図９の特性は、図６の特性と略等しい。図９からわかるように、ＦＣ電流Ｉｆｃが等しい場合、第１モードの暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ１は、第２モードの暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ２よりも低い値に設定される。

図８に戻り、ステップＳ１３において、ＥＣＵ２４は、温度センサ８６が検出した冷媒の温度（実水温Ｔｗ）と、目標水温Ｔｗ＿ｔａｒとの温度差ΔＴ（以下「差ΔＴ」ともいう。）に基づいて暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐの補正量Ｃを設定する。以下では、第１モードの補正量Ｃを補正量Ｃ１と呼び、第２モードの補正量Ｃを補正量Ｃ２と呼び、両者を区別する。

図１０は、第１モード及び第２モードそれぞれについて、実水温Ｔｗと目標水温Ｔｗ＿ｔａｒの温度差ΔＴと暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐの補正量Ｃの関係の一例を示す図である。第１モード及び第２モードいずれの場合も、温度差ΔＴがゼロ又はその近傍値である場合、補正量Ｃ１、Ｃ２はゼロである。また、温度差ΔＴの絶対値が大きくなると、補正量Ｃ１、Ｃ２の絶対値が大きくなる。

ここで、補正量Ｃがゼロ以外の値であり且つ差ΔＴが等しければ、第１モードの補正量Ｃ１よりも第２モードの補正量Ｃ２の絶対値を大きくする。これは、上記のように第２モード（ＣＶＶＣ制御）の方が相対的に放熱量Ｈｆｃが大きいことを考慮し、冷却系４１による冷却速度を高めるためである。これにより、第２モードの場合、冷却の応答性が高まる。

図８に戻り、ステップＳ１４において、ＥＣＵ２４は、ウォータポンプ８０の目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ１を算出する。具体的には、暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ１に補正量Ｃ１を加えたものを目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ１とする（Ｐｗｐ＿ｔａｒ１←Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ１＋Ｃ１）。

ステップＳ１１に戻り、第２モード（ＣＶＶＣ制御）を実施中である場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ＥＣＵ２４は、ステップＳ１２〜Ｓ１４と同様の処理を行って第２モード用の目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ２を算出する。但し、上記のように、第２モードの場合、第１モードと比べて放熱量Ｈｆｃが高いことを考慮する。

すなわち、ステップＳ１５で設定する第２モード用の暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ２は、ＦＣ電流Ｉｆｃが等しい場合、第１モード用の暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ１よりも高く設定される（図９参照）。また、ステップＳ１６で設定する第２モード用の補正量Ｃ２は、差ΔＴがゼロ及びその近傍値以外で等しい場合、第１モード用の補正量Ｃ１よりも高く設定される（図１０参照）。

その結果、ステップＳ１７で算出する第２モード用の目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ２は、冷却の応答性を高める数値となる。

ステップＳ１８において、ＥＣＵ２４は、ステップＳ１４又はＳ１７で算出した目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒを用いてウォータポンプ８０を駆動させる。

３．第１実施形態の効果
以上説明したように、第１実施形態によれば、第１モード（電圧可変・電流可変制御）の場合よりも第２モード（電圧固定・電流可変制御）の場合の方が、ウォータポンプ８０（冷媒供給装置）の駆動量が大きくなるように目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ（目標駆動量）を設定する（図８、図９参照）。これにより、ＦＣ電流Ｉｆｃが等しい場合であっても、出力制御の違いに起因するＦＣ４０の放熱量Ｈｆｃの相違（図６）を補償することが可能となる。従って、ＦＣ４０の温度変動を抑制することが可能となる。

第１実施形態において、ＦＣシステム１２は、冷媒の実水温Ｔｗを検出する温度センサ８６（冷媒温度検出部）を備え、ＥＣＵ２４（制御装置）は、ＦＣ電流Ｉｆｃに基づきウォータポンプ８０の暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ（暫定目標駆動量）を算出し（図８のＳ１２、Ｓ１５）、冷媒の実水温Ｔｗと目標水温Ｔｗ＿ｔａｒの温度差ΔＴに応じて補正量Ｃを算出し（Ｓ１３、Ｓ１６）、温度差ΔＴが等しい場合、第１モードに比べて第２モードの補正量Ｃを大きくする（図１０）。これにより、第１モードと第２モードの相違に基づく重み付けを簡易に実現すると共に、第２モードにおける冷却の応答性を上げることが可能となる。

第１実施形態において、ＦＣシステム１２は、エアコンディショナ９０を備え、ＥＣＵ２４（制御装置）は、エアコンディショナ９０が冷房を行っている場合（図５のＳ３：ＹＥＳ）、第２モードの実行を禁止する（Ｓ５）。これにより、ＦＣ４０の出力制御に伴う放熱量Ｈｆｃを抑制し、ウォータポンプ８０（冷媒供給装置）の消費電力を抑制することが可能となる。

Ｂ．第２実施形態
１．第１実施形態との相違
第２実施形態のハードウェアの構成は、第１実施形態と同様である。以下では、同じ構成要素には、同一の参照符号を付して説明を省略する。第２実施形態に係るＦＣ車両１０では、ＦＣ４０の出力制御（図１１）が、第１実施形態（図５）と異なる。

２．第２実施形態の制御
図１１は、第２実施形態におけるＦＣ４０の出力制御のフローチャートである。図１２は、第２実施形態におけるＦＣ４０の出力制御を簡略的に説明する図である。図１１のステップＳ２１〜Ｓ２３は、図５のステップＳ１〜Ｓ３と同様である。

ステップＳ２３においてエアコンディショナ９０が冷房中でない場合（Ｓ２３：ＮＯ）、ステップＳ２４において、ＥＣＵ２４は第２モードを選択する。第２モードは、上述した電圧固定・電流可変（ＣＶＶＣ）制御である。ステップＳ２４では、第２モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒとして、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｔａｒ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ／セル数）が、酸化還元領域を下回る電位で設定された基準電位（例えば、０．８Ｖ）に固定する。

エアコンディショナ９０が冷房中である場合（Ｓ２３：ＹＥＳ）、ステップＳ２５において、ＥＣＵ２４は第３モードを選択する。第３モードは、第２モードと同様、電圧固定・電流可変（ＣＶＶＣ）制御である。但し、ステップＳ２５では、第３モードにおける目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒとして、目標セル電圧Ｖｃｅｌｌ＿ｔａｒ（＝目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒ／セル数）が、酸化還元領域を上回る電位で設定された基準電位（例えば、０．９Ｖ）に固定する。

３．第２実施形態の効果
以上のような第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加え又はこれに代えて以下の効果を奏することが可能となる。

すなわち、第２実施形態において、ＦＣシステム１２は、エアコンディショナ９０を備え、ＥＣＵ２４（制御装置）は、エアコンディショナ９０が冷房を行っており且つ第３モード（第２制御としてのＣＶＶＣ制御）を実行する場合、目標ＦＣ電圧Ｖｆｃ＿ｔａｒを、酸化還元領域を上回る電圧に固定する（図１１のＳ２５、図１２参照）。これにより、ＦＣ電流Ｉｆｃを減少させることでＦＣ４０の出力制御に伴う放熱量Ｈｆｃを抑制し（図６参照）、ウォータポンプ８０（冷媒供給装置）の消費電力を抑制することが可能となる。

Ｃ．変形例
なお、本発明は、上記各実施形態に限らず、本明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。

１．搭載対象
上記各実施形態では、ＦＣシステム１２をＦＣ車両１０に搭載したが、これに限らず、例えば、ＦＣ４０に対して冷媒を供給するウォータポンプ８０等の冷媒供給装置を用いる別の対象に搭載してもよい。例えば、ＦＣシステム１２を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＦＣシステム１２を、ロボット、製造装置、家庭用電力システム又は家電製品に適用してもよい。

２．ＦＣシステム１２の構成
上記各実施形態では、ＦＣ４０と高電圧バッテリ２０を並列に配置し、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成としたが、これに限らない。例えば、図１３に示すように、ＦＣ４０とバッテリ２０を並列に配置し、昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２をＦＣ４０の手前に配置する構成であってもよい。或いは、図１４に示すように、ＦＣ４０とバッテリ２０を並列に配置し、ＦＣ４０の手前に昇圧式、降圧式又は昇降圧式のＤＣ／ＤＣコンバータ２２ａを、バッテリ２０の手前にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。或いは、図１５に示すように、ＦＣ４０とバッテリ２０を直列に配置し、バッテリ２０とモータ１４の間にＤＣ／ＤＣコンバータ２２を配置する構成であってもよい。

３．ウォータポンプ８０（冷媒供給装置）
上記各実施形態では、ＦＣ４０に対して冷媒を供給する装置（冷媒供給装置）としてウォータポンプ８０を用いたが、例えば、第１モードと第２モードの相違に着目して冷媒の供給量を調整する観点からすれば、これに限らない。例えば、ウォータポンプ８０に加えて又はこれに代えて、ＦＣ４０に冷媒としての空気を供給する空気供給ファンを冷媒供給装置として用いることもできる。

４．ストイキ比
上記各実施形態では、ストイキ比を調整する手段又は方法として、目標ガス濃度（目標酸素濃度、目標水素濃度）を調整したが、目標濃度の代わりに、目標流量又は目標濃度と目標流量の両方を用いることもできる。

５．ＦＣ４０の出力制御
上記各実施形態では、エアコンディショナ９０が冷房中であるか否かの判定を用いたが（図５のＳ３、図１１のＳ２３）、その他の特徴（例えば、第１モードと第２モードとでウォータポンプ８０の出力を変更する点）に着目すれば、当該判定を用いなくてもよい。

６．ウォータポンプ８０の出力制御
第１実施形態では、図８に示すウォータポンプ８０の出力制御を用いたが、その他の特徴（例えば、エアコンディショナ９０が冷房中であるか否かの判定を用いる点）に着目すれば、図８に示すウォータポンプ８０の出力制御を用いなくてもよい。

図８のフローチャートにおいて、ＥＣＵ２４は、第１モード及び第２モードそれぞれについて、暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐの設定（Ｓ１２、Ｓ１５）、補正量Ｃの設定（Ｓ１３、Ｓ１６）及び目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒの算出（Ｓ１４、Ｓ１７）の３段階の処理を行ったが、マップを用いてこれらを一括して処理することも可能である。すなわち、ＥＣＵ２４は、ＦＣ電流Ｉｆｃと温度差ΔＴの組合せと、目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒとの関係を規定したマップを用いて目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒを算出することもできる。この場合、ＥＣＵ２４としては、暫定目標消費電力Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ及び補正量Ｃの設定のための演算を行わない。

１２…燃料電池システム １８…ＦＣユニット（ガス供給装置）
２２…ＤＣ/ＤＣコンバータ（電圧調整装置）
２４…ＥＣＵ（制御装置） ３０…負荷
４０…燃料電池スタック（燃料電池） ８０…ウォータポンプ（冷媒供給装置）
８６…温度センサ（冷媒温度検出部） ９０…エアコンディショナ
Ｃ…補正量
Ｐｗｐ＿ｔａｒ…目標消費電力（目標駆動量）
Ｐｗｐ＿ｔａｒ＿ｔｅｍｐ…暫定目標消費電力（暫定目標駆動量）
ΔＴ…温度差

Claims (4)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池から電力供給を受ける負荷と、
   前記燃料電池に反応ガスを供給するガス供給装置と、
   前記燃料電池の出力電圧を調整する電圧調整装置と、
   前記燃料電池に対して冷媒を供給する冷媒供給装置と、
   前記ガス供給装置、前記電圧調整装置及び前記冷媒供給装置を制御する制御装置と
   を備える燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、前記燃料電池の出力制御として、
   前記燃料電池の出力電圧及び出力電流の両方を可変とする第１制御と、
   前記燃料電池の出力電圧を固定すると共に、前記反応ガスの供給量を調整することで前記燃料電池の出力電流を可変とする第２制御と
   を切り替えて実行し、
   さらに、前記制御装置は、
   前記燃料電池の出力電流に基づく前記冷媒供給装置の暫定目標駆動量を前記燃料電池の出力制御の選択内容に応じて重み付けした目標駆動量を設定し、
   前記目標駆動量に基づいて前記冷媒供給装置を制御し、
   前記出力制御の選択内容に応じた重み付けは、前記暫定目標駆動量が等しい場合、前記第１制御に比べて前記第２制御の前記目標駆動量を大きくするように行われる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、前記冷媒の実温度を検出する冷媒温度検出部を備え、
   前記制御装置は、
   前記燃料電池の出力電流に基づき前記冷媒供給装置の暫定目標駆動量を算出し、
   前記冷媒の実温度と前記冷媒の目標温度の温度差に応じて前記暫定目標駆動量の補正量を算出し、
   前記出力制御の選択内容に応じた重み付けは、前記温度差が等しい場合、前記第１制御に比べて前記第２制御の前記補正量を大きくするように行われる
   ことを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、エアコンディショナを備え、
   前記制御装置は、前記エアコンディショナが冷房を行っている場合、前記第２制御の実行を禁止する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池システムは、エアコンディショナを備え、
   前記燃料電池の各セルにおける酸化還元反応が進行するため各セルの劣化が進む電圧範囲を酸化還元領域と定義するとき、前記制御装置は、前記エアコンディショナが冷房を行っており且つ前記第２制御を実行する場合、前記燃料電池の目標電圧を、前記酸化還元領域を上回る電圧に固定する
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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