JP4505475B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、燃料電池の効率を制御する燃料電池システムに関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード電極（燃料極）及びカソード電極（酸化剤極）を設けた電解質膜・電極構造体を、一対のセパレータによって挟んで保持するとともに、アノード電極とセパレータとの間に燃料ガス流路が形成される一方、カソード電極とセパレータとの間に酸化剤流路が形成されている。この燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
燃料電池において、燃料ガス流路を介してアノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、電極触媒上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード電極へと移動し、その移動の間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス、例えば、空気等の酸素含有ガスが供給されているために、このカソード電極において、水素イオン、電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。生成された水は、電解質膜を通じてアノード電極側にも貯留される。
このような燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電効率が高い状態で使用されることが好ましい。燃料電池の発電効率を高めるために、燃料電池と蓄電池により負荷を駆動するようにした燃料電池システムが提案されている（特許文献１）。
この特許文献１に係る技術においては、燃料電池を効率の良い定格出力でのみ間欠的に運転し、定格出力で運転中に負荷が定格出力より小さいときには余剰電力を蓄電池に充電し、燃料電池の運転停止中には負荷に対して蓄電池から電力を供給する（蓄電池を放電する）ように構成している。
特開平５−１８２６７５号公報
しかしながら、この従来技術においては、燃料電池の発電出力の上昇時並びに下降時における効率の変化については考慮がなされていない。
この出願の発明者等は、以下の図４Ｃに示す発電効率についての因果関係（知見）を見いだした。
図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃにおいて、例えば、燃料電池システムが駆動源として搭載された車両において、加速運転時には、時点ｔ０〜ｔ１に示すように要求出力（要求電力、必要負荷又は要求負荷ともいいう。）Ｐｒｅｑ（図４Ａ）が連続的に増加し、これに対応するように燃料電池の発電出力（出力は電力である。）Ｐｆｃ（図４Ｂ）も連続的に増加される。一方、時点ｔ２での減速運転開始時には、要求出力Ｐｒｅｑは、瞬時に減少し、これに対応して燃料電池の発電出力Ｐｆｃも瞬時に減少される。
この場合、燃料電池の効率（発電効率）ηは、図４Ｃに示すように、定常時の効率をηｓとすると、加速運転時（時点ｔ０〜時点ｔ１）には、その初期に効率ηが定常時の効率ηｓに比較して連続的に低下し、時点ｔ１以降定常時効率ηｓまで徐々に上昇する。また、減速運転開始時の時点ｔ２では、効率ηが定常時の効率ηｓに比較して瞬時に上昇し、時点ｔ２以降定常時効率ηｓまで徐々に減少する。
図４Ｃの効率ηの変化について考察すると、固体高分子型燃料電池においては、低負荷状態（図１Ａの時点ｔ０までの要求電力Ｐｒｅｑが小さい状態）では反応が進まず、電解質膜が比較的に乾燥方向になるなどで、電解質膜のプロトン導電率が小さくなる。この状態から負荷が増加すると、定常時効率ηｓに対して効率が低下する（時点ｔ０以降に示すように効率ηが低下する。）。時点ｔ０以降、負荷が増加した高負荷状態（時点ｔ１の要求電力Ｐｒｅｑが大きい状態）となってからしばらくすると、反応が促進されて水の生成量が増加し、しかも高負荷が続くとさらに反応が促進されて運転状態が改善し、プロトン導電率が大きくなり効率ηが回復する（時点ｔ１の少し前から時点ｔ１〜ｔ２に向かう時間）。効率ηが定常時効率ηｓに回復した状態で、要求負荷Ｒｒｅｑが急減した時（時点ｔ２）、この要求負荷Ｒｒｅｑの変化に従ってそのまま燃料電池の発電出力Ｐｆｃを急激に絞ると、燃料電池が良好な運転状態（効率のよい運転状態）にあるにもかかわらず、発電量を小さくしてしまうため、その良好な運転状態を有効に利用することができないまま再び効率ηが低下する（時点ｔ２以降）。
図５は、発電出力に対する発電効率ηの変化の様子を示すもので、定常発電時の効率ηｓに対して、出力下降時には燃料電池の発電効率が高効率ηｕとなり、出力上昇時には燃料電池の発電効率が低効率ηｄとなることが分かった。
この発明は、上記の知見を考慮してなされたものであって、燃料電池の発電効率を高くすることを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。
この項では、理解の容易化のために添付図面中の符号を付けて説明する。したがって、この項に記載した内容がその符号を付けたものに限定して解釈されるものではない。
この発明に係る燃料電池システム１０は、反応ガスの供給により発電を行う燃料電池１４と、前記反応ガスの供給と燃料電池からの取り出し電流とを制御する出力制御装置３２とを備える燃料電池システムであって、以下の特徴（１）〜（４）を備える。
（１）前記出力制御装置は、負荷の要求出力に応じて前記燃料電池の目標出力を算出する目標出力算出手段（Ｓ９、Ｓ１１）と、前記要求出力の出力増減判定手段（Ｓ１）と、前記出力増減判定手段により、前記要求出力が減少したと判定されたとき、前記目標出力を前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させる出力下降速度制限手段（Ｓ３）と、を備えることを特徴とする。
この特徴（１）を備える発明によれば、要求出力減少時、燃料電池の目標出力を徐々に、すなわち、前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させることで、出力下降時の燃料電池の高効率状態を有効に利用することができ、平均的に発電効率を高くすることができる。
（２） 上記の特徴（１）を備える発明において、さらに、前記負荷に対して並列に蓄電装置を接続し、前記目標出力を前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させるときの余剰出力により前記蓄電装置を充電することを特徴とする。
この特徴（２）を備える発明によれば、次に目標出力が増加したときに蓄電装置によるより多くのアシストが可能となる。
（３） 上記の特徴（２）を備える発明において、前記余剰出力が前記蓄電装置の連続充電電力許容限界を超える場合には、前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させる前記目標出力を、前記要求出力の下降速度にもどすか近づけて下降させる出力下降速度制限緩和手段（Ｓ６）を備えることを特徴とする。
この特徴（３）を備える発明によれば、蓄電装置の損傷のおそれを未然に回避でき、かつ蓄電装置を連続充電電力許容限界で充電することにより、次に目標出力が増加したときに蓄電装置によるより多くのアシストが可能となり、平均的効率をさらに向上させることができる。
蓄電装置と燃料電池との間にコンバータが配置されるシステムにおいては、コンバータ又は蓄電装置の中、いずれか小さい方の連続電流許容限界を上回らないように充電電流を制限すればよい。
なお、燃料電池としては、例えば固体高分子型燃料電池に適用されるが、これに限らず、出力下降時に発電効率が上昇し、出力上昇時に発電効率が低下する他の燃料電池に適用することができる。
（４）上記の特徴（３）を備える発明において、さらに、前記負荷が電動機１６であって、前記要求出力の減少が前記電動機の回生出力による減少であるときに、前記余剰出力と前記回生電力の合計が、前記蓄電装置の連続充電電力許容限界を超える場合には、前記出力下降速度制限緩和手段による出力下降速度制限緩和処理を行って前記燃料電池の発電電力を絞り、前記電動機による回生電力により前記蓄電装置を優先的に充電し、それでも、前記余剰出力と前記回生電力の合計が、前記蓄電装置の連続充電電力許容限界を超える場合には、前記回生電力による前記蓄電装置への充電を制限する制限調整手段（Ｓ４）を備えることを特徴とする。
この特徴（４）を備える発明によれば、蓄電装置に対して燃料電池からの発電電力と回生電力の両方が供給される場合、合計出力が蓄電装置の最大出力を超える場合には、まず燃料電池の発電電力を絞り、蓄電装置に対して回生電力を優先して蓄電（回収）し、次に回生電力を絞るようにしているので、平均的発電効率をさらに向上させることができる。このように、制限調整手段を備えているので、蓄電装置を過充電電流から保護することができる。
この発明によれば、燃料電池の要求出力の減少時に、燃料電池の目標出力を徐々に、すなわち、前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させるようにしているので、出力下降時の燃料電池の高効率状態を有効に利用することができ、効率を平均的に高くすることができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、この発明の一実施形態が適用された燃料電池システム１０を備える燃料電池車両１２の概略構成図である。
この燃料電池車両１２は、基本的には、燃料電池１４と、走行用のモータ（電動機）１６と、燃料電池１４の出力を補助するとともに燃料電池１４の発電電力及びモータ１６の回生電力により充電される蓄電装置としてのバッテリ１８とを備える。バッテリ１８は、例えばリチウムイオンバッテリとされるが、バッテリ１８に代替して蓄電装置であるキャパシタを用いることもできる。
燃料電池１４は、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挟んで保持する燃料電池セルを、複数積層させて一体化させた構造となっている。
燃料電池１４のアノード電極には、高圧の水素タンクを含む水素供給装置２０が接続され、水素供給装置２０からアノード電極に、一方の反応ガスであって燃料ガスである水素が供給される。また、燃料電池１４のカソード電極にはエアコンプレッサ４０が接続されており、エアコンプレッサ４０からカソード電極に、他方の反応ガスであって酸化剤ガスである空気（酸素）が供給される。
アノード電極の反応面に水素が供給されると、ここで水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード電極の方に移動する。この間に生じた電子が電流として取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
燃料電池１４には、燃料電池１４の発電電圧Ｖｆ及び発電電流Ｉｆを検出する電流制限装置２２の入力側が接続されている。
この電流制限装置２２の出力側には、バッテリ１８の端子電圧を検出するとともにバッテリ１８に対して流入出される電流を検出する、両方向に動作可能なコンバータ２６と、図１中、太い実線で描いた電力線上の直流の電圧Ｖ、電流Ｉを交流の電圧と電流に変換するインバータ３０と、図示しない補機としてライト、エアコンディショナ等が接続される。
コンバータ２６にはバッテリ１８が接続され、インバータ３０には車両駆動用のモータ１６が接続される。なお、コンバータ２６及びバッテリ１８には、定格仕様として、それぞれ、連続して流せる電流の限界値、すなわち連続電流許容限界（バッテリ１８の場合には連続充電電力許容限界という。）が定められている。
モータ１６は、燃料電池１４の電力及び必要に応じてバッテリ１８のアシスト電力（補助電力）により回転駆動され、これにより、燃料電池車両１２が走行する。
また、走行中にアクセルペダル３４を解放してブレーキペダルを踏む等の燃料電池車両１２の減速時に、モータ１６は回生電力を発生し、この回生電力は、インバータ３０、コンバータ２６を通じてバッテリ１８を充電する。
燃料電池１４、電流制限装置２２、水素供給装置２０、エアコンプレッサ４０、コンバータ２６、インバータ３０等には、これらを制御する制御装置（出力制御装置）３２が接続されている。
制御装置３２は、アクセルペダル３４の踏み込み量Ａｐや車速Ｖｃなどから要求出力（要求電力、必要負荷又は要求負荷ともいいう。）を計算し、この要求出力に対する目標出力（Ｖ，Ｉ）を計算し、計算した目標出力に基づいて水素供給装置２０、電流制限装置２２、モータ１６、エアコンプレッサ４０、コンバータ２６等にそれぞれ制御信号を指令として供給する。なお、後述するように、目標出力を計算する際には、バッテリ１８に対する充放電出力（充放電電力）及びモータ１６からの回生出力（回生電力）も考慮される。また、制御装置３２は、イグニッションスイッチ３６からのイグニッション信号（オン信号とオフ信号）Ｉｇに応じて、燃料電池システム１０を起動させ、また停止させる。
制御装置３２により、燃料電池システム１０及び燃料電池車両１２の全ての動作が制御される。制御装置３２は、コンピュータにより構成され、各種入力に基づきメモリに記憶されているプログラムを実行することで各種の機能を実現する機能手段（機能実現手段）としても動作する。この実施形態において、制御装置３２は、目標出力算出手段、出力増減判定手段、出力下降速度制限手段、出力下降速度制限緩和手段、及び制限調整手段等として機能する。
電流制限装置２２又はコンバータ２６の少なくとも一方は、制御装置３２からの目標出力指令に応じて燃料電池１４からの取り出し電流Ｉｆ（Ｉｆ≒Ｉなので、この実施形態ではＩｆ＝Ｉとする。）を制御するように構成される。すなわち、図１の構成において、燃料電池１４からの取り出し電流Ｉｆを制御するためには、電流制限装置（電流制御装置）２２のみ又はコンバータ２６のみが存在すれば足りる。
たとえば、電流制限装置２２が存在しないでコンバータ２６のみが存在する場合、換言すれば、燃料電池１４の出力とコンバータ２６とが直結されている場合（Ｖｆ＝Ｖ）、燃料電池１４は、図１中に描いた、取り出し電流Ｉｆの増減に対して出力電圧Ｖｆが負比例の所定の特性（電流Ｉｆの直線的な増加に応じて出力電圧Ｖｆが直線的に低下し、電流Ｉｆの直線的な低下に応じて出力電圧Ｖｆが直線的に増加する特性）１００を有するので、取り出し電流Ｉｆ＝Ｉが設定されたとき、図１中、電力線に現れる電圧Ｖを特性１００上の対応する電圧Ｖｆとなるようにコンバータ２６が電圧Ｖをフィードバック制御する。
その一方、コンバータ２６が存在しない場合又はコンバータ２６が存在しても電圧Ｖを設定制御する機能を有しない場合、電流制限装置２２が、目標出力（Ｖ，Ｉ）となるように、特性１００を参照し、燃料電池１４の発電出力Ｖｆを制御するように構成すればよい。
この実施形態においては、電流制限装置２２が目標出力（Ｖ，Ｉ）を設定制御し、コンバータ２６がバッテリ１８の入出力電圧・電流を制御する構成としている。
この実施形態に係る燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２は、基本的には、以上のように構成され動作する。
次に、この実施形態に係る燃料電池システム１０を搭載する燃料電池車両１２における燃料電池（ＦＣ）１４の目標出力（ＦＣ目標出力ともいう。）の設定動作について、図２のフローチャート及び図３Ａ、図３Ｂのタイムチャートに基づき説明する。
なお、図３Ａ、図３Ｂにおいて、実線はこの実施形態による技術、点線は従来技術による制御を示している。なお、図３Ａにおいて縦軸は発電出力（発電電力）であり、図３Ｂにおいて縦軸は発電効率である。
まず、ステップＳ１（燃料電池１４の負荷が瞬間的に減少したことを検知する負荷瞬間減少検知ステップ）において、ＦＣ目標出力ベース値が下降方向であるかどうかが判定される。例えば、時点ｔ１２、ｔ１７において、減速のためにアクセルペダル３４が解放されたことを検知したとき、ＦＣ目標出力ベース値は、ＦＣ目標出力Ｐ３（時点ｔ１２）又は目標出力Ｐ２（時点１７）からＦＣ目標出力Ｐ１へ向かうので下降方向であると判断される。また、例えば、時点ｔ１０、ｔ１４において、加速のためにアクセルペダル３４が踏み込まれたとき、ＦＣ目標出力ベース値は、ＦＣ目標出力Ｐ１からＦＣ目標出力Ｐ３又はＦＣ目標出力Ｐ４へ向かうので上昇方向であると判断される。さらに、時点ｔ１１〜ｔ１２、時点ｔ１５〜ｔ１７等において、ＦＣ目標出力ベース値は、それぞれＰ３とＰ２と一定である。なお、この実施形態において、ＦＣ目標ベース値の大小関係をＰ１＜Ｐ２＜Ｐ４＜Ｐ３にとっている。
以下、理解の便宜のために、時点ｔ１０〜ｔ１４までの間の動作を主に説明する。
時点ｔ１０〜ｔ１１に示すように、目標出力ベース値が上昇方向である場合、又は時点ｔ１１〜ｔ１２に示すように、目標出力ベース値が一定であり変化しない場合には、ステップＳ１の判定が否定的となり、この場合には、ステップＳ２において、ＦＣ目標出力ベース値をＦＣ仮仮目標出力（決定しようとする目標出力の仮の仮の出力）とする（ＦＣ仮仮目標出力←ＦＣ目標出力ベース値）。
その一方、ステップＳ１において、時点ｔ１２に示すように、ＦＣ目標出力ベース値が下降方向であると判定したとき、ステップＳ３（負荷が瞬間的に減少したことを検知したとき、制御装置３２により燃料電池１４の出力を徐々に下降させる出力下降速度制限ステップ）において、ＦＣ目標出力ベース値Ｐ１までレートリミット（図３Ａの時点ｔ１２〜ｔ１３に示すように、発電出力をＰ３からＰ１まで徐々に下降させる。なお、このように直線的に降下させるのではなく、一次遅れ的に下降させてもよい。いわゆるなまし処理。）を掛けた値がＦＣ仮仮目標出力とされる（ＦＣ仮仮目標出力←レートリミット）。ＦＣ目標出力ベース値が下降方向であるとき、図５に示したように、発電効率ηが高効率ηｕの状態にあるので、図３Ａのハッチング領域で示すように、従来技術のように時点ｔ１２で瞬時に水素及び空気の供給を制限するのではなく、レートリミットを掛けて徐々に発電出力を降下させ、その高効率状態で余分に発電し、その余剰電力分を後に説明するようにバッテリ１８に充電する。そして、時点ｔ１５〜ｔ１７に示すように、余分に発電しバッテリ１８に充電した分に対応して、バッテリ１８からモータ１６に対してより多くのアシストが可能となるので、例えば、要求出力がＰ４と算出されたとき、バッテリ１８の出力によりＰ４−Ｐ２分がカバー（アシスト）され、その区間（時点ｔ１５〜ｔ１７）での発電出力は、ＦＣ目標出力（発電出力）Ｐ２でよくなり、その分水素の使用量が減り発電効率が向上し燃費も上がる。
次いで、ステップＳ４において、バッテリ１８に供給可能なバッテリ仮充電電力が計算される。この場合、負荷であるモータ１６の要求出力（負荷要求電力）をステップＳ２又はステップＳ３で計算したＦＣ仮仮目標出力から差し引くことでバッテリ仮充電電力が計算される（バッテリ仮充電電力＝ＦＣ仮仮目標出力−負荷要求電力）。この場合、時点ｔ１２〜ｔ１３において、モータ１６からインバータ３０を介して回生出力（回生電力）が回生される場合には、その回生出力を考慮し、負荷要求出力が負とされる。
次いで、ステップＳ５において、ステップＳ４で計算されたバッテリ仮充電電力から、バッテリ１８に許容される連続充電電力許容限界（バッテリ限界出力）を差し引き、超過分をバッテリ仮限界超過出力とする（バッテリ仮限界超過出力←バッテリ仮充電電力−バッテリ連続充電電力許容限界）。なお、実際上、バッテリ１８のバッテリ仮限界超過出力を考慮する際、コンバータ２６の連続電流許容限界（コンバータ２６に連続的に流せる電流の限界許容値）を超過していないかどうかを併せて検討し、コンバータ２６の連続電流許容限界もしくはバッテリ連続充電電力許容限界の中、いずれか小さい値を基準として以下の制御を行う。
もし、ステップＳ５の計算において、バッテリ仮限界超過出力が正の値である場合、すなわち、充電電力がバッテリ１８の連続充電電力許容限界以上に存在する場合には、ステップＳ６において、その期間、バッテリ仮限界超過出力がゼロ値となるゼロリミット処理を行い、バッテリ仮限界超過出力をバッテリ限界超過出力とする。このステップＳ６の処理により、バッテリ１８に対して連続充電電力許容限界を限度としてなるべく多くの充電電力が供給されるように制御される。
そして、ステップＳ７において、燃料電池１４により発電させる電力であるＦＣ仮目標出力を、ステップＳ２又はステップＳ３にて決定したＦＣ仮仮目標出力からこのバッテリ限界超過出力を差し引いた値をＦＣ仮目標出力とする（ＦＣ仮目標出力←ＦＣ仮仮目標出力−バッテリ限界超過出力）。この場合、バッテリ限界超過出力の値は、通常、負の値であり、最大値がゼロ値に制限されている。
このようにして決定されたＦＣ仮目標出力がゼロ値より大きいかどうかがステップＳ８で判定される。すなわち、燃料電池１４による発電が必要かどうかが考慮される。
ステップＳ８の判定が肯定的である場合には、燃料電池１４による発電が必要であると判定され、ステップＳ９にて、ＦＣ仮目標出力がＦＣ目標出力とされる（ＦＣ目標出力←ＦＣ仮目標出力）。
その一方、ステップＳ８の判定が否定的である場合には、負荷要求出力よりも回生電力の方が大きいと判定されるので、ステップＳ１０にて、負荷要求出力からＦＣ仮目標出力を差し引いた値を回生電力制限分として回生電力を制限し、ステップＳ１１において、燃料電池１４を発電させないために、ＦＣ目標出力をゼロ値とする（ＦＣ目標出力←０）。なお、回生電力の余剰分（バッテリ１８及び補機へ供給してもなお余る分）は、図示しないディスチャージ抵抗器等を通じてディスチャージさせる。
次いで、ステップＳ１２のその他の処理において、ステップＳ９で決定したＦＣ目標出力となるように電流制限装置２２を制御し、これに対応して水素供給装置２０を制御するとともにエアコンプレッサ４０を制御する。又はステップＳ１１でＦＣ目標出力がゼロ値と決定した場合には電流制限装置２２を制御して出力を遮断し、これに対応して水素供給装置２０による燃料電池１４への水素の供給を停止するとともに、エアコンプレッサ４０による燃料電池１４への空気の供給を停止する。
以上説明したように上述した実施形態の作用効果を概略的に説明すれば、加減速運転時において、減速時における燃料電池１４の出力下降時（時点ｔ１２）には、発電効率ηが向上することを考慮し（図５参照）、制御装置３２からの燃料電池出力指令（ここでは、電流制限装置２２に対する指令）になまし処理をかけ、緩やかに出力を減少させ、発電効率が良いときに発生させた余剰電力をバッテリに充電する（時点ｔ１２〜ｔ１３）。そして、加速時等、燃料電池１４の発電効率ηが低下する次の出力上昇時（時点ｔ１４〜ｔ１７）にバッテリ１８によるアシスト（Ｐ４−Ｐ２）を多くするように電流制限装置２２を制御することで燃料電池１４の出力上昇時の発電効率ηが低いとき（図５参照）の発電出力を、発電出力Ｐ４からより低い発電出力Ｐ２に低減することで、結果として、平均発電効率を向上させることができる。すなわち、図３Ａ、図３Ｂを参照すれば明らかなように、従来技術では、時点ｔ１２に示すように、減速時等、燃料電池１４に要求される発電出力が急激に低下したとき従来技術では、速やかに（瞬時に）発電出力を低下させていたため、出力下降時の燃料電池１４の高効率状態を有効に利用できていなかったが、この実施形態では、出力下降時を積極的に利用することで、平均的な発電効率を向上させることができる。
上述した実施形態の構成、作用効果をより詳しく説明すれば、燃料電池システム１０は、反応ガスの供給により発電を行う燃料電池１４と、反応ガスの供給と燃料電池１４からの取り出し電流とを制御する出力制御装置としての制御装置３２とを備える燃料電池システム１０であって、制御装置３２は、負荷（モータ１６と補機）の要求出力に応じて燃料電池１４のＦＣ目標出力を算出する目標出力算出手段（ステップＳ９又はステップＳ１１）と、要求出力の出力増減判定手段（ステップＳ１）と、出力増減判定手段により、要求出力が減少すると判定したとき目標出力を徐々に下降させる出力下降速度制限手段（ステップＳ３）とを備える。
このように、要求出力減少時に（ステップＳ１：肯定）、時点ｔ１２〜ｔ１３又は時点ｔ１７〜ｔ１８に示すように、燃料電池１４の目標出力（発電出力）を徐々に下降させることで、図５に示した出力下降時の燃料電池１４の高効率状態を有効に利用することができ（図３Ｂの点線で囲った効率向上の枠内も参照）、平均的に発電効率を高くすることができる（時点ｔ１２〜ｔ１３、時点ｔ１７〜ｔ１８）。
この場合、目標出力を徐々に下降させるときの余剰出力により充電されるバッテリ１８が負荷（モータ１６と補機）に対して並列に接続されるように構成しており、余剰出力がバッテリ１８の連続充電電力許容限界を超えるおそれがある場合には（ステップＳ５）、出力下降速度制限を緩和乃至解除する出力下降速度制限緩和手段（ステップＳ６）を備える。すなわち、図３Ａの時点ｔ１２〜ｔ１３に示す発電出力の下降傾斜を、より急に乃至垂直に制御する。換言すれば、なまし処理を制限するか解除する。
このように制御すれば、バッテリ１８の損傷のおそれ（又はコンバータ２６の損傷のおそれ）を未然に回避でき、かつバッテリ１８を連続充電電力許容限界で充電することにより、次に目標出力が増加したときにバッテリ１８によるより多くのアシストが可能となり、平均的効率をさらに向上させることができる。
なお、バッテリ１８と燃料電池１４との間にコンバータ２６が配置されているので、コンバータ２６又はバッテリ１８の中、いずれか小さい方の連続充電電力許容限界（連続電流許容限界）を上回らないように充電電流を制限することが好ましい。
また、負荷の一部がモータ１６であり、要求出力の減少がモータ１６の減速による減少であるとき、モータ１６からインバータ３０を通じて供給される回生電力によりバッテリ１８を発電電力に優先して充電するようにする。
例えば、燃料電池１４の余剰出力とモータ１６からの回生電力の合計が、バッテリ１８の連続充電電力許容限界を超えるおそれがある場合には、出力下降速度制限緩和手段（ステップＳ６）による出力下降速度制限緩和を回生電力の制限よりも優先する制限調整手段（ステップＳ１０）を備え、バッテリ１８に対して、燃料電池１４の余剰電力よりも回生電力を優先して回収するようにしているので、平均的発電効率をさらに向上させることができる。
なお、この発明は上述した実施形態に限らず、明細書又は図面の記載に基づいて種々の変形が可能なことはもちろんである。
この発明の実施形態に係る燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成図である。 図１例の燃料電池車両における燃料電池の算出に供されるフローチャートである。 図３Ａは、実施形態と従来技術の発電出力の比較説明に供されるタイムチャート、図３Ｂは、実施形態と従来技術の発電効率の比較説明に供されるフローチャートである。 図４Ａは、要求負荷の説明図、図４Ｂは、発電出力の説明図、図４Ｃは、発電効率の説明図である。 定常発電時に対する出力下降時と出力上昇時の発電出力と発電効率の関係説明図である。
符号の説明
１０…燃料電池システム １２…燃料電池車両
１４…燃料電池 １６…モータ
１８…バッテリ ２０…水素供給装置
２２…電流制限装置 ２６…コンバータ
３０…インバータ ３２…制御装置
３４…アクセルペダル ３６…イグニッションスイッチ
４０…エアコンプレッサ

Claims (4)

  1. 反応ガスの供給により発電を行う燃料電池と、
    前記反応ガスの供給と燃料電池からの取り出し電流とを制御する出力制御装置とを備える燃料電池システムであって、
    前記出力制御装置は、
    負荷の要求出力に応じて前記燃料電池の目標出力を算出する目標出力算出手段と、
    前記要求出力の出力増減判定手段と、
    前記出力増減判定手段により、前記要求出力が減少したと判定されたとき、前記目標出力を前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させる出力下降速度制限手段と、
    を備え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、
    さらに、前記負荷に対して並列に蓄電装置を接続し、
    前記目標出力を前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させるときの余剰出力により前記蓄電装置を充電する
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、
    前記余剰出力が前記蓄電装置の連続充電電力許容限界を超える場合には、前記要求出力の下降速度より遅い下降速度で下降させる前記目標出力を、前記要求出力の下降速度にもどすか近づけて下降させる出力下降速度制限緩和手段を
    備えることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項３記載の燃料電池システムにおいて、
    さらに、前記負荷が電動機であって、前記要求出力の減少が前記電動機の回生出力による減少であるときに、前記余剰出力と前記回生電力の合計が、前記蓄電装置の連続充電電力許容限界を超える場合には、前記出力下降速度制限緩和手段による出力下降速度制限緩和処理を行って前記燃料電池の発電電力を絞り、前記電動機による回生電力により前記蓄電装置を優先的に充電し、それでも、前記余剰出力と前記回生電力の合計が、前記蓄電装置の連続充電電力許容限界を超える場合には、前記回生電力による前記蓄電装置への充電を制限する制限調整手段（Ｓ４）を備えることを特徴とする燃料電池システム。
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