JP4464474B2 - 燃料電池システム、燃料電池車両及び燃料電池制御方法 - Google Patents

燃料電池システム、燃料電池車両及び燃料電池制御方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギ変換効率の高い状態で燃料電池を動作させることが可能な燃料電池システム及び燃料電池制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、電気自動車に搭載され得る従来の燃料電池システムは、図５に示すように、メタノール及び水などの燃料１２４をポンプ１２６を介して改質器１２８に投入し、改質器１２８において、燃料１２４からメタノールの水蒸気改質反応によって水素などの燃料ガスを生成し、その生成した燃料ガスと空気１３０とを燃料電池１３６に流入し、燃料電池１３６において、燃料ガスと空気１３０を用いて電気化学反応により起電力を発生する。そして、燃料電池１３６で発生した電力と燃料電池１３６に並列に接続されたバッテリ１４０から出力される電力とをインバータ１４４に供給し、モータ１４６を駆動して、電気自動車の推進力を得ている。
【０００３】
制御部１２０は、アクセルペダルポジションセンサ１２２によって検出される電気自動車のアクセル開度から、インバータ１４４の要求出力（要求電力）を算出すると共に、算出した要求出力に基づいてインバータ１４４を制御して、要求出力に相当する電力がインバータ１４４を介してモータ１４６に供給されるようにしている。
【０００４】
即ち、インバータ１４４の要求出力に対し、燃料電池１３６からは、これを賄うように電力が出力され、そして、燃料電池１３６からの電力だけで賄いきれない場合には、バッテリ１４０から、その不足分の電力が出力されて、インバータ１４４に供給される。従って、燃料電池１３６の出力電力は、インバータ１４４の要求出力に依存している。
【０００５】
また、燃料電池１３６は、インバータ１４４からいくら電力の出力要求が出されていても、その電力を出力するのに十分な燃料ガスが改質器１２８から燃料電池１３６に供給されていなければ、要求通りの電力を出力することはできない。従って、燃料電池１３６の出力電力は、燃料電池１３６に供給される燃料ガスの量（ガス流量）にも依存している。
【０００６】
また、インバータ１４４の要求出力に応じて燃料電池１３６に供給される燃料ガスの量を調整するために、制御部１２０は、インバータ１４４の要求出力に基づいてポンプ１２６を駆動し、改質器１２８に投入される燃料１２４の量を制御している。
【０００７】
しかし、改質器１２８では、投入される燃料１２４の量が増加（または減少）しても、生成される燃料ガスの量はすぐには増加（または減少）せず、２〜２０秒ほどのタイムラグを生じて増加（または減少）する。従って、燃料電池１３６において必要とされる燃料ガスの量と燃料電池１３６に実際に供給される燃料ガスの量（ガス流量）とは必ずしも一致するわけではない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電力はインバータの要求出力や燃料電池に供給される燃料ガスの量（ガス流量）に依存しており、従って、燃料電池１３６の動作ポイントは、インバータの要求出力やガス流量などによって成り行きで決まっていた。
【０００９】
図６は一般的な燃料電池における出力電力と発電効率との関係を燃料電池に供給される燃料ガスの量（ガス流量）をパラメータとして示した特性図、図７は一般的な燃料電池における出力電力とその電力を発生させるのに必要な燃料ガスの量との関係を示した特性図である。
【００１０】
従って、上記した従来の燃料電池システムにおいては、図６に示すように、燃料電池は、発電効率の高い動作ポイントａで動作することが可能であるにも関わらず、ガス流量などによって動作ポイントが成り行きで決定されるため、例えば、発電効率の低い動作ポイントｂで動作している場合があった。
【００１１】
また、上記した従来の燃料電池システムにおいては、図７に示すように、改質器から燃料電池に、出力電力Ｗｃを発生させるだけの量Ｑｃの燃料ガスが供給されている場合でも、インバータの要求出力などによって動作ポイントが成り行きで決定されるため、燃料電池は、例えば、出力電力がＷｄしか発生しないような動作ポイントｄで動作している場合があった。このような場合、出力電力Ｗｄを発生させるのに必要な燃料ガスの量は本来Ｑｄで良いため、Ｑｃ−Ｑｄの量の燃料ガスが無駄になっており、燃料ガスの利用率が低かった。
【００１２】
このように、従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池の動作ポイントは、インバータの要求出力やガス流量などによって成り行きで決定されているため、燃料電池は、必ずしも、発電効率の高い動作ポイントやガス利用率の高い動作ポイントで動作していなかった。
【００１３】
なお、発電効率とガス利用率とはトレードオフの関係にあるため、両者を共に高くすることは困難であるが、両者の積を最大にすることによって、発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることは可能である。この場合、発電効率とガス利用率の積は、燃料電池のエネルギ変換効率として表すことができる。
【００１４】
従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、燃料電池のエネルギ変換効率を高くすることが可能な燃料電池システムを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１の燃料電池システムは、ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池を備え、発生された電力を負荷に与える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出するガス流量関連量検出手段と、
検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制御する制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【００１６】
また、本発明の燃料電池制御方法は、ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池を制御するための燃料電池制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出する工程と、
（ｂ）検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出す工程と、
（ｃ）導き出した前記動作ポイントで前記燃料電池を動作させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制御する工程と、
を備えることを要旨としている。
【００１７】
このように、本発明の第１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法では、燃料電池に供給されるガスの流量に関連したガス流量関連量を検出し、そのガス流量関連量に対応して、燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出す。そして、その動作ポイントで燃料電池を動作させるように、燃料電池から取り出すべき電力を制御する。
【００１８】
従って、本発明の第１の燃料電池システム及び燃料電池制御方法によれば、ガス流量関連量に対応して出力電力−出力電流特性に関連した動作ポイントを導き出す際、その出力電力−出力電流特性の中で最もエネルギ変換効率の高い動作ポイントを導き出すようにすれば、燃料電池をエネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで動作させることが可能となり、延いては、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることができる。
【００１９】
本発明の第２の燃料電池システムは、ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力または前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料電池システムであって、
前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出するガス流量関連量検出手段と、
検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求め、求めた２つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する制御手段と、
を備えることを要旨とする。
【００２０】
このように、本発明の第２の燃料電池システムでは、燃料電池に供給されるガスの流量に関連したガス流量関連量を検出し、そのガス流量関連量に対応して、燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出す。そして、その動作ポイントで燃料電池を動作させるために必要な、燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、負荷に与えるべき電力を求め、求めた２つの電力に基づいて二次電池から出力すべき電力または二次電池に蓄積すべき電力を制御する。このように二次電池の電力を制御することによって、燃料電池からは上記のように求めた電力を取り出すことができ、燃料電池を上記動作ポイントで動作させることができる。
【００２１】
従って、本発明の第２の燃料電池システムによれば、ガス流量関連量に対応して出力電力−出力電流特性に関連した動作ポイントを導き出す際に、最もエネルギ変換効率の高い動作ポイントを導き出すようにすれば、上記したような制御を行なうことによって、燃料電池をそのような動作ポイントで動作させることが可能となり、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることが可能となる。
【００２２】
本発明の第２の燃料電池システムにおいて、
前記二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサをさらに備えると共に、
前記制御手段は、求めた前記２つの電力の他、前記二次電池の充電量にも基づいて、前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御することが望ましい。
【００２３】
一般に、二次電池の出力電力の特性は、二次電池の充電量に依存するからである。また、二次電池の充電量が満充電に近い場合には、二次電池に電力を蓄積することは不可能であるので、そのような場合には電力を蓄積しないように制御する必要があるからである。
【００２４】
本発明の第１または第２の燃料電池システムにおいて、
前記制御手段は、前記出力電流−出力電圧特性において、エネルギ変換効率が最も高いポイントを前記動作ポイントとして導き出すことが望ましい。
【００２５】
このような動作ポイントを導き出すことによって、燃料電池をエネルギ変換効率が最も高い動作ポイントで動作させることが可能となる。
【００２６】
本発明の第３の燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、該燃料ガスと酸化ガスを用いて電気化学反応を生じさせることにより、電力を発生する燃料電池と、
該燃料電池に供給される前記燃料ガスまたは酸化ガスの流量を検出する流量センサと、
電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力する二次電池と、
該二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサと、
前記燃料電池または前記二次電池からの電力の供給を受けて、モータを駆動するインバータと、
前記燃料電池から出力された電圧を昇圧または減圧して、前記二次電池及びインバータに並列に印加するコンバータと、
検出された前記流量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、外部からの情報に基づいて前記インバータに供給すべき電力を求め、求めた２つの電力と検出された前記充電量に基づいて、前記コンバータから出力される電圧を調整する制御部と、
を備えることを要旨とする。
【００２７】
本発明の第３の燃料電池システムでは、流量センサが、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化ガスの流量を検出する。二次電池充電量センサは、二次電池の充電量を検出する。インバータは、燃料電池または二次電池からの電力の供給を受けて、モータを駆動する。コンバータは、燃料電池から出力された電圧を昇圧または減圧して、二次電池及びインバータに並列に印加する。制御部は、流量センサによって検出された流量に対応して、燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、その動作ポイントで燃料電池を動作させるために必要な、燃料電池から取り出すべき電力を求める。また、別に、外部からの情報に基づいてインバータに供給すべき電力を求める。そして、求めた２つの電力と二次電池充電量センサによって検出された充電量とに基づいて、コンバータから出力される電圧を調整する。この結果、この電圧が印加される二次電池の電力（出力される電力または蓄積される電力）が所望の値に調整されて、燃料電池からは上記のように求めた電力を取り出すことができ、燃料電池を上記動作ポイントで動作させることができる。
【００２８】
従って、本発明の第３の燃料電池システムによれば、流量に対応して出力電力−出力電流特性に関連した動作ポイントを導き出す際に、最もエネルギ変換効率の高い動作ポイントを導き出すようにすれば、上記したような制御を行なうことによって、燃料電池をそのような動作ポイントで動作させることが可能となり、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることが可能となる。
【００２９】
【発明の他の態様】
本発明は、以下のような他の態様を採ることも可能である。即ち、その態様は、上記した第１ないし第３の燃料電池システムを搭載した電気自動車である。この電気自動車では、燃料電池から電力の供給を受ける負荷としてモータを用い、そのモータの駆動によって、電気自動車の推進力等を得るようにする。
【００３０】
このように第１ないし第３の燃料電池システムを電気自動車に搭載することによって、エネルギ変換効率の高い電気自動車を実現することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図１は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。なお、本実施例の燃料電池システムは電気自動車に搭載されているものとする。
【００３２】
それでは、図１に示す燃料電池システムの構成及び概略的な動作について説明する。図１に示す燃料電池システムは、制御部２０と、アクセルペダルポジションセンサ２２と、ポンプ２６と、改質器２８と、流量センサ３２，３４と、燃料電池３６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８と、バッテリ４０と、ＳＯＣセンサ４２と、インバータ４４と、モータ４６と、を主として備えている。
【００３３】
ポンプ２６は、制御部２０からの制御信号によって制御されることより、メタノール及び水などの燃料２４を改質器２８に供給する。
【００３４】
改質器２８は、燃料２４として供給された水及びメタノールから、式（１）に示すメタノールの水蒸気改質反応によって、水素を含有する水素リッチガス（改質ガス）を生成する。
【００３５】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2 …（１）
【００３６】
燃料電池３６は、改質器２８にて生成された水素リッチガスを燃料ガスとして導入すると共に、空気３０を、酸素を含有する酸化ガスとして導入して、式（２）〜（４）に示すような電気化学反応を行ない、電力を発生する。
【００３７】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ- …（２）
２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（３）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ …（４）
【００３８】
本実施例においては、燃料電池３６は固体高分子型燃料電池で構成されており、電解質膜，アノード，カソード，セパレータなどから成る単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を成している。導入された水素リッチガスは燃料ガス流路（図示せず）を介して各単セルのアノードに供給され、式（２）に示す反応に供され、空気は酸化ガス流路（図示せず）を介して各単セルのカソードに供給され、式（３）に示す反応に供される。なお、式（４）は燃料電池全体で起きる反応である。
【００３９】
流量センサ３２は、燃料電池３６への水素リッチガス供給路を流れる水素リッチガスの流量を検出し、また、流量センサ３４は、燃料電池３６への空気供給路を流れる空気の流量を検出して、それぞれ、その検出結果を制御部２０に送る。なお、流量センサ３２，３４は、必ずしも、水素リッチガスや空気の流量を直接的に検出するセンサである必要はなく、水素リッチガスや空気の流量に関連した量を検出することが可能なセンサであれば良い。
【００４０】
燃料電池３６には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介してバッテリ４０とインバータ４４が並列に接続されており、燃料電池３６で発生された電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を介してインバータ４４に供給されると共に、場合によってはバッテリ４０にも供給される。
【００４１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、燃料電池３６から出力された電圧を昇圧または降圧して、ダイオード３９を介してインバータ４４及びバッテリ４０に並列に印加する。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８は、制御部２０からの制御信号に従って、昇圧または降圧した電圧を調整する。
【００４２】
ダイオード３９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８からインバータ４４やバッテリ４０に対し一方向にのみ電流が流れるようにしている。
【００４３】
バッテリ４０は、燃料電池３６から供給された電力や、場合によってはモータ４６からインバータ４４を介して回生された電力を蓄積したり、蓄積された電力をインバータ４４に供給したりする。本実施例では、二次電池として鉛蓄電池等のバッテリ４０を用いているが、ニッケル−カドミウム蓄電池、ニッケル−水素蓄電池、リチウム二次電池など他種の二次電池を用いることもできる。このバッテリ４０の電源容量は、電気自動車の予想される走行状態、即ち、予想される負荷の大きさや、併設される燃料電池３６の電源容量などによって決定される。
【００４４】
ＳＯＣセンサ４２は、バッテリ４０の充電量（ＳＯＣ）を検出して、その検出結果を制御部２０に送る。具体的には、ＳＯＣセンサ４２は、バッテリ４０における充電・放電の電流値と時間とを積算するＳＯＣメータで構成されており、制御部２０は、この積算値を基にしてバッテリ４０の充電量を演算により求めている。また、このようなＳＯＣメータの代わりに、バッテリ４０の出力電圧を測定する電圧センサや、バッテリ４０の電解液の比重を測定する比重センサによって、ＳＯＣセンサ４２を構成するようにしても良い。この場合、制御部２０は、それら測定値からバッテリ４０の充電量を求めるようにする。
【００４５】
インバータ４４は、燃料電池３６やバッテリ４０から供給された電力によってモータ４６を駆動する。具体的には、インバータ４４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８やバッテリ４０から印加された直流電圧を、３相交流電圧に変換してモータ４６に供給すると共に、このとき、制御部２０からの制御信号に従って、モータ４６に供給する３相交流電圧の振幅（実際にはパルス幅）及び周波数を調節することによって、モータ４６で発生するトルクを制御している。
【００４６】
実際には、インバータ４４は、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成されており、これらスイッチング素子のスイッチング動作を制御部２０からの制御信号によって制御されることにより、印加された直流電圧を所望の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換している。
【００４７】
モータ４６は、例えば、三相同期モータで構成されており、燃料電池３６やモータ４６からインバータ４４を介して供給された電力によって駆動されて、駆動軸（図示せず）にトルクを発生させる。発生されたトルクはギヤ（図示せず）を介して電気自動車の車軸（図示せず）に伝達され、車輪に回転駆動力を与える。これにより、電気自動車に推進力が与えられて、電気自動車を走行させる。
【００４８】
また、アクセルペダルポジションセンサ２２は、電気自動車のアクセル開度を検出して、その検出結果を制御部２０に送る。
【００４９】
一方、制御部２０は、ＣＰＵ２０ａや、ＲＯＭ２０ｂや、ＲＡＭ２０ｃや、入出力ポート２０ｄを備えている。このうち、ＣＰＵ２０ａは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行なう。また、ＲＯＭ２０ｂは、上記した制御プログラムや、上記演算を実行する際に用いる制御データや、後述する燃料電池３６のガス流量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性のデータや、バッテリ４０の充電量（ＳＯＣ）をパラメータとした出力電流−出力電力特性のデータなどを予め格納している。ＲＡＭは、上記演算を実行したことによって得られる各種データを一時的に格納する。入出力ポートは、各種センサから送られてきた検出結果を入力してＣＰＵ２０ａに伝える共に、ＣＰＵ２０ａからの指示に従って、各構成要素に制御信号を出力する。
【００５０】
それでは、本実施例の燃料電池システムにおける処理動作について、図２のフローチャートを用いながら詳しく説明する。
【００５１】
図２は図１の燃料電池システムにおける処理動作の流れを示すフローチャートである。図２に示すように、まず、制御部２０がアクセルペダルポジションセンサ２２によって検出されたアクセル開度を取り込む（ステップＳ１０）。これによって、インバータ４４を介してモータ４６にどの程度の電力を送って電気自動車を走行させたいかという運転者の希望を、制御部２０が検知することができる。そこで、制御部２０は、その取り込んだアクセル開度から、インバータ４４に供給すべき電力（インバータ４４の要求出力）を算出する（ステップＳ１２）。
【００５２】
また、制御部２０は、流量センサ３２によって検出された燃料ガスである水素リッチガスの流量をガス流量として取り込む（ステップＳ１４）。なお、式（４）で示したように電気化学反応で用いられる水素と酸素の量には一定の関係があるため、燃料ガスである水素リッチガスの流量を取り込む代わりに、流量センサ３４によって検出された酸化ガスである空気の流量をガス流量として取り込んでも良い。また、水素リッチガス及び空気の流量を共に取り込むようにしても良い。
【００５３】
ところで、前述したように、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂには、燃料電池３６における、ガス流量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性のデータが格納されている。
【００５４】
図３は図１の燃料電池３６における、ガス流量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性の一例を示す特性図である。図３において、縦軸は燃料電池３６の出力電圧を表し、横軸は出力電流を表している。
【００５５】
図３に示すように、燃料電池３６の出力電流−出力電圧特性は、燃料電池３６に流入される燃料ガスの流量（ガス流量）によって変化しており、ガス流量が或る値に決まれば、そのガス流量での出力電流−出力電圧特性が一意的に決まる。図３では、ガス流量が小さい順に、特性Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４となっている。
【００５６】
従って、ＲＯＭ２０ｂには、各ガス流量毎に、そのガス流量での出力電流−出力電圧特性が格納されている。そこで、制御部２０は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応した出力電流−出力電圧特性を制御部２０内のＲＯＭ２０ｂから読み出す。そして、制御部２０は、その読み出した出力電流−出力電圧特性から、燃料電池３６におけるエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出する（ステップＳ１６）。
【００５７】
ここで、燃料電池３６におけるエネルギ変換効率は、燃料電池３６における発電効率とガス利用率の積（発電効率×ガス利用率）として得ることができる。一方、一般に燃料電池においては、その発電効率はその出力電圧に比例し、必要な燃料ガスの量はその出力電流に比例するという関係が知られている。従って、燃料電池における発電効率とガス利用率との積は、出力電圧と出力電流との積に置き換えることができる。即ち、言い換えれば、燃料電池におけるエネルギ変換効率は燃料電池における出力電圧と出力電流との積（出力電圧×出力電流）として表すことができる。
【００５８】
よって、例えば、検出されたガス流量に対応した出力電流−出力電圧特性として図３における特性Ｆ２が読み出された場合、制御部２０は、その読み出した出力電流−出力電圧特性Ｆ２において、出力電圧と出力電流との積が最も大きくなるポイントＰｍを算出し、そのポイントＰｍをエネルギ変換効率の最も高いポイントとする。
【００５９】
なお、燃料電池における出力電圧と出力電流との積は、燃料電池の出力電力に相当するため、燃料電池の出力電力の最も大きなポイントがエネルギ変換効率の最も高いポイントとなる。
【００６０】
こうしてエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出したら、制御部２０は、その算出したポイントを燃料電池３６の動作ポイントとして決定し（ステップＳ１８）、その動作ポイントで燃料電池３６を動作させた場合の燃料電池３６の出力電力を算出する（ステップＳ２０）。
【００６１】
なお、制御部２０は、ステップＳ１０，Ｓ１２の処理とステップＳ１４〜Ｓ２０の処理をほぼ同時進行で行なっても良いし、一方の処理が終了した後、他方の処理を開始するようにしても良い。
【００６２】
次に、制御部２０は、ステップＳ１２で算出されたインバータ４４の要求出力から、ステップＳ２０で算出された燃料電池３６の出力電力を減算して、その差を求め（ステップＳ２２）、その差が０以上であれば、ステップＳ２４の処理に進み、０未満であれば、ステップＳ３２の処理に移行する。ここで、差が０以上であるということは、インバータ４４の要求出力が燃料電池３６の出力電力だけでは賄いきれない状態を表しており、差が０未満であるということは、燃料電池３６の出力電力をインバータ４４に供給しても、電力がなお余ってしまうという状態を表している。
【００６３】
そこで、差が０以上の場合、制御部２０は、まず、ＳＯＣセンサ４２によって検出されたバッテリ４０の充電量（ＳＯＣ）を取り込む（ステップＳ２４）。
【００６４】
ところで、前述したように、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂには、バッテリ４０における、ＳＯＣをパラメータとした出力電流−出力電力特性のデータが格納されている。
【００６５】
図４は図１のバッテリ４０における、ＳＯＣをパラメータとした出力電流−出力電圧特性の一例を示す特性図である。図４において、縦軸はバッテリ４０の出力電圧を表し、横軸は出力電流を表している。
【００６６】
図４に示すように、バッテリ４０の出力電流−出力電圧特性はＳＯＣによって変化しており、ＳＯＣが決まれば、そのときの出力電流−出力電圧特性が一意的に決まる。図４では、ＳＯＣの小さな順にＧ１，Ｇ２，…，Ｇ５となっている。従って、ＲＯＭ２０ｂには、各ＳＯＣ毎に、そのＳＯＣでの出力電流−出力電圧特性が格納されている。
【００６７】
そこで、制御部２０は、取り込んだＳＯＣに基づいて、そのＳＯＣに対応した出力電流−出力電圧特性を制御部２０内のＲＯＭ２０ｂから読み出す。そして、制御部２０は、その読み出した出力電流−出力電圧特性に基づいて、ステップＳ２２で得られたインバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差から、バッテリ４０に要求される出力電圧を決定する（ステップＳ２６）。
【００６８】
具体的には、例えば、検出されたＳＯＣに対応した出力電流−出力電圧特性として、図４における特性Ｇ３が読み出された場合、制御部２０は、その読み出された出力電流−出力電圧特性Ｇ３において、出力電圧と出力電流との積（即ち、バッテリ４０の出力電力）が、インバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差にほぼ等しくなるポイントを算出する。今、そのポイントが図４にＰｎであるとすると、そのポイントＰｎでのバッテリ４０の出力電圧Ｖｎを、バッテリ４０に要求される出力電圧として決定する。
【００６９】
次に、制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８の出力電圧が、ステップＳ２６で決定した出力電圧になるように調整する（ステップＳ２８）。ＤＣ／ＤＣコンバータ３８の出力電圧はバッテリ４０及びインバータ４４にそれぞれ印加されているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８の出力電圧をこのように調整することよって、バッテリ４０の出力電圧は、ステップＳ２６で決定した出力電圧になる。従って、バッテリ４０からは、出力電力として、ステップＳ２２で得られたインバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差に相当する電力が、出力されることになる。
【００７０】
そこで、制御部２０は、ステップＳ１２で算出したインバータ４４の要求出力に相当する電力を、インバータ４４を介してモータ４６で消費するように、インバータ４４を制御する。この結果、バッテリ４０から出力された電力はインバータ４４に供給されると共に、残りの分の電力（即ち、インバータ４４の要求出力とバッテリ４０の出力電力との差）は、燃料電池３６から引き出されて、インバータ４４に供給される（ステップＳ３０）。
【００７１】
即ち、制御部２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８及びインバータ４４に対し、上記のような制御を行なうことによって、燃料電池３６からは、ステップＳ２０で算出した出力電力が取り出されることになり、燃料電池３６は、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで動作することになる。
【００７２】
一方、ステップＳ２２で得られたインバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差が０未満の場合は、制御部２０が、ステップＳ２４の場合と同様に、ＳＯＣセンサ４２によって検出されたバッテリ４０のＳＯＣを取り込み（ステップＳ３２）、その後、その取り込んだＳＯＣが１００％未満であるかどうかを判定する（ステップＳ３４）。判定の結果、ＳＯＣが１００％未満である場合には、バッテリ４０に未だ電力が蓄積できるものとしてステップＳ３６の処理に進み、ＳＯＣが１００％である場合には、バッテリ４０にはもう電力を蓄積することができないものとしてステップＳ４２の処理に移行する。
【００７３】
ＳＯＣが１００％未満の場合、制御部２０は、ステップＳ２６の場合と同様に、取り込んだＳＯＣに基づいて、そのＳＯＣに対応した出力電流−出力電圧特性を読み出し、その出力電流−出力電圧特性に基づいて、ステップＳ２２で得られたインバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差から、バッテリ４０に要求される出力電圧を決定する（ステップＳ３６）。
【００７４】
具体的には、例えば、前述したのと同様に、検出されたＳＯＣに対応した出力電流−出力電圧特性として特性Ｇ３が読み出された場合、制御部２０は、その読み出された出力電流−出力電圧特性Ｇ３において、出力電圧と出力電流との積が、インバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差にほぼ等しくなるポイントを算出する。この際、ステップＳ２６の場合と異なり、インバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差は０未満（即ち、負）であるので、出力電圧と出力電流との積（即ち、バッテリ４０の出力電力）が負となるポイントを算出することになる。ここで、バッテリ４０から出力される電力が負となるということは、バッテリ４０に電力が蓄積されるということ意味している。また、図４に示すように、バッテリ４０の出力電圧は負となることがないので、出力電流が負となるポイントを算出することになる。
【００７５】
そこで、今、そのポイントが図４にＰｒであるとすると、そのポイントＰｒでのバッテリ４０の出力電圧Ｖｒを、バッテリ４０に要求される出力電圧として決定する。
【００７６】
次に、制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８の出力電圧が、ステップＳ３６で決定した出力電圧になるように調整する（ステップＳ３８）。この結果、バッテリ４０の出力電圧は、ステップＳ２６で決定した出力電圧になり、バッテリ４０には電力が蓄積されることになる。即ち、燃料電池３６からは電力が引き出されて、その出力電力のうち、ステップＳ２２で得られたインバータ４４の要求出力と燃料電池３６の出力電力との差の絶対値に相当する電力が、バッテリ４０に蓄積されることになる。
【００７７】
また、制御部２０は、ステップＳ１２で算出したインバータ４４の要求出力に相当する電力を、インバータ４４を介してモータ４６で消費するように、インバータ４４を制御する。この結果、燃料電池３６から取り出された電力のうち、インバータ４４の要求出力に相当する電力（即ち、バッテリ４０に蓄積されなかった残りの分の電力）がインバータ４４に供給されて、モータ４６で消費される（ステップＳ４０）。
【００７８】
従って、制御部２０が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８及びインバータ４４に対し、上記のような制御を行なうことによって、燃料電池３６からは、ステップＳ２０で算出した出力電力が取り出されることになり、燃料電池３６は、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで動作することになる。
【００７９】
一方、ＳＯＣが１００％の場合は、制御部２０が、ＳＯＣ＝１００％に対応した出力電流−出力電圧特性を読み出し、その出力電流−出力電圧特性に基づいて、バッテリ４０の出力電力が０となる場合の、バッテリ４０に要求される出力電圧を決定する（ステップＳ４２）。
【００８０】
即ち、例えば、図４の場合は、ＳＯＣ＝１００％に対応した出力電流−出力電圧特性は特性Ｇ５であるので、この特性Ｇ５が読み出される。制御部２０は、その読み出された出力電流−出力電圧特性Ｇ５において、バッテリ４０の出力電力（即ち、出力電圧と出力電流との積）が０となるポイントを算出する。図４に示すように、バッテリ４０の出力電圧は負となることはないので、出力電流が０となるポイントを算出することになる。
【００８１】
図４に示すように、バッテリ４０の出力電力が０となるポイントはＰｓであるで、そのポイントＰｓでのバッテリ４０の出力電圧Ｖｓを、バッテリ４０に要求される出力電圧として決定する。
【００８２】
次に、制御部２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８を制御して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３８の出力電圧が、ステップＳ４２で決定した出力電圧になるように調整する（ステップＳ４４）。この結果、バッテリ４０の出力電圧はステップＳ４２で決定した出力電圧になるため、バッテリ４０の出力電力は０となり、バッテリ４０から電力が出力されることも、バッテリ４０に電力が蓄積されることもなくなる。
【００８３】
さらに、制御部２０は、ステップＳ１２で算出したインバータ４４の要求出力に相当する電力を、インバータ４４を介してモータ４６で消費するように、インバータ４４を制御する。この結果、燃料電池３６からは、インバータ４４の要求出力に相当する電力が取り出されて、バッテリ４０に蓄積されることなく、インバータ４４に供給されて、モータ４６で消費される（ステップＳ４６）。
【００８４】
なお、この場合、燃料電池３６から取り出される電力は、あくまで、インバータ４４の要求出力に相当する電力であり、ステップＳ２０で算出した出力電力と必ずしも一致していない。そのため、燃料電池３６は、ステップＳ１８で決定した動作ポイント以外の動作ポイントで動作する可能性がある。
【００８５】
ところで、以上の説明においては、制御部２０のポンプ２６に対する制御について特に触れなかったが、制御部２０は、例えば、次のようにポンプ２６を制御して、改質器２８に供給する燃料の量を調整する。即ち、制御部２０は、インバータ４４からモータ４６への実際の出力電力の過去数秒間の平均値に応じて、改質器２８に供給する燃料の量を調整する。或いは、アクセル開度（即ち、インバータ４４の要求出力）に応じて燃料の量を調整するようにしても良いし、バッテリ４０のＳＯＣに応じて燃料の量を調整するようにしても良い。または、これらを組み合わせて、燃料の量を調整するようにしても良い。また、単純に、一定量の燃料を改質器２８に供給するように、ポンプ２６を制御しても良い。
【００８６】
さて、以上説明したように、本実施例によれば、ステップＳ４６での動作以外では、燃料電池３６をエネルギ変換効率が最も高い動作ポイントで動作させることができるので、燃料電池３６のエネルギ変換効率を高くすることができ、延いては、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることができる。
【００８７】
なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。
【００８８】
上記した実施例においては、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂに、燃料電池３６におけるガス流量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性のデータを予め格納し、制御部２０は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応した出力電流−出力電圧特性を読み出し、読み出した出力電流−出力電圧特性から、燃料電池３６におけるエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出し、さらに、算出したポイントを燃料電池３６の動作ポイントとして決定し、その動作ポイントで燃料電池３６を動作させた場合の燃料電池３６の出力電力を算出していた。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂに、各ガス流量毎に、そのガス流量に対応した出力電流−出力電圧特性におけるエネルギ変換効率の最も高いポイントのデータを予め格納しておき、制御部２０は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応したエネルギ変換効率の最も高いポイントを、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂから読み出して用いるようにしても良い。また、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂに、各ガス流量毎に、そのガス流量に対応して、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで燃料電池３６を動作させた場合の燃料電池３６の出力電力のデータを予め格納しておき、制御部２０は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応した燃料電池３６の出力電力を、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂから読み出して用いるようにしても良い。
【００８９】
このように、制御部２０内のＲＯＭ２０ｂに格納するデータを、エネルギ変換効率の最も高いポイントのデータや、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで燃料電池を動作させた場合の出力電力のデータとすることによって、制御部２０での処理内容を軽減することができる。
【００９０】
また、上記した実施例においては、改質器２８に燃料２４としてメタノール及び水を供給していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、メタノールに代えて、メタン，エタノール，天然ガス，ガソリン，軽油などであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図２】図１の燃料電池システムにおける処理動作の流れを示すフローチャートである。
【図３】図１の燃料電池３６における、ガス流量をパラメータとした出力電流−出力電圧特性の一例を示す特性図である。
【図４】図１のバッテリ４０における、ＳＯＣをパラメータとした出力電流−出力電圧特性の一例を示す特性図である。
【図５】従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。
【図６】一般的な燃料電池における出力電力と発電効率との関係を燃料電池に供給される燃料ガスの量（ガス流量）をパラメータとして示した特性図である。
【図７】一般的な燃料電池における出力電力とその電力を発生させるのに必要な燃料ガスの量との関係を示した特性図である。
【符号の説明】
２０…制御部
２０ａ…ＣＰＵ
２０ｂ…ＲＯＭ
２０ｃ…ＲＡＭ
２０ｄ…入出力ポート
２２…アクセルペダルポジションセンサ
２４…燃料
２６…ポンプ
２８…改質器
３０…空気
３２，３４…流量センサ
３６…燃料電池
３８…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３９…ダイオード
４０…バッテリ
４２…ＳＯＣセンサ
４４…インバータ
４６…モータ
１２０…制御部
１２２…アクセルペダルポジションセンサ
１２４…燃料
１２６…ポンプ
１２８…改質器
１３０…空気
１３６…燃料電池
１６９…ダイオード
１４０…バッテリ
１４２…ＳＯＣセンサ
１４４…インバータ
１４６…モータ

Claims (7)

  1. ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力または前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料電池システムであって、
    要求負荷に応じて変動する、前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、
    検出された前記ガス流量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求め、求めた２つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記出力電流−出力電圧特性において、発電効率とガス利用率との積が高いポイントを前記動作ポイントとして導き出すことを特徴とす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において、
    前記二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサをさらに備えると共に、
    前記制御手段は、求めた前記２つの電力の他、検出された前記充電量にも基づいて、前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 燃料電池システムであって、
    燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、該燃料ガスと酸化ガスを用いて電気化学反応を生じさせることにより、電力を発生する燃料電池と、
    該燃料電池に供給される、要求負荷に応じて変動する前記燃料ガスまたは酸化ガスの流量を検出する流量センサと、
    電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力する二次電池と、
    該二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサと、
    前記燃料電池または前記二次電池からの電力の供給を受けて、モータを駆動するインバータと、
    前記燃料電池から出力された電圧を昇圧または減圧して、前記二次電池及びインバータに並列に印加するコンバータと、
    検出された前記流量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、外部からの情報に基づいて前記インバータに供給すべき電力を求め、求めた２つの電力と検出された前記充電量に基づいて、前記コンバータから出力される電圧を調整する制御部と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記出力電流−出力電圧特性において、発電効率とガス利用率との積が高いポイントを前記動作ポイントとして導き出すことを特徴とする燃料電池システム。
  4. ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力または前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料電池システムにおける制御方法であって、
    （ａ）要求負荷に応じて変動する、前記燃料電池に供給される前記ガス流量を検出する工程と、
    （ｂ）検出された前記ガス流量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出す工程と、
    （ｃ）導き出した前記動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求め、求めた２つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する工程と、
    を備え、
    前記工程（ｂ）では、前記出力電流−出力電圧特性において、発電効率とガス利用率との積が高いポイントを前記動作ポイントとして導き出すことを特徴とする制御方法。
  5. ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池を備え、発生された前記電力を負荷に与える燃料電池車両であって、
    前記燃料電池車両に対する要求負荷を検出する要求負荷検出手段と、
    前記検出された要求負荷に応じて変動する、前記燃料電池に供給される前記ガスの流量を検出するガス流量検出手段と、
    蓄電装置と、
    検出された前記ガス流量に対応して、前記燃料電池における出力電流−出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求め、求めた２つの電力に基づいて前記蓄電池から出力すべき電力または該蓄電池に蓄積すべき電力を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、前記出力電流−出力電圧特性において、発電効率とガス利用率との積が高いポイントを前記動作ポイントとして導き出し、さらに、前記燃料電池から発生された前記電力のうち、前記負荷で消費されなかった電力を前記蓄電装置に蓄積させる燃料電池車両。
  6. 請求項５に記載の燃料電池車両において、
    前記制御手段は、前記蓄電装置に電力を蓄積させることができないと判定された場合には、前記ガスの流量に対応した、発電効率とガス利用率との積の高い前記動作ポイントとは異なる動作ポイントにて、前記燃料電池から前記電力を発生させ、前記負荷に供給する燃料電池車両。
  7. 請求項５に記載の燃料電池車両において、
    前記制御手段はさらに、前記蓄電装置に、前記負荷から回生された電力を蓄積させる燃料電池車両。
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