JP4535157B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電気化学反応にて電力を発電する燃料電池からの電力を駆動モータに供給する燃料電池システムに関するものである。

近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は燃料ガスの供給量を制御して駆動モータからの要求に応じた電力を出力するが、ガス供給量の応答遅れに起因して、出力電力の応答性が低くなる場合があり、その補償のために二次電池が搭載される場合がある。この二次電池は、駆動モータの減速時に発生する回生エネルギや、燃料電池で発電された電力を蓄電し、前記燃料電池の応答性の低下の補償や、また燃料電池システム全体の出力の増加等の目的に、その蓄電エネルギを放電する。

ここで、燃料電池が使用される環境としては、極めて低温の環境も考えられる。例えば高分子イオン交換膜からなる電解質膜を使用する場合には発電を行うためには該電解質膜内を湿潤状態に保つ必要があり、また一般的に燃料電池においてはその内部に電気化学反応により水が生成される。従って、低温環境下では、燃料電池内の水分が凍結し、その後の電気化学反応による発電を阻害する虞が生じる。そこで、低温環境下でも燃料電池の確実な発電を行うための技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。当該技術では、低温環境下における燃料電池の始動時には、燃料電池内のガス拡散層での供給ガスの拡散を向上させるために、ガスの供給圧力を通常の発電時より高めることで、始動時の発電特性の向上を図っている。
特開２００６−１５６１８１号公報 特開２００７−１８４２４３号公報 特開２００４−３０３４４６号公報

低温環境下での燃料電池の始動時においては、従来より、燃料電池の発電効率を意図的に低くして該燃料電池自体での発熱量を上昇させることで、燃料電池自体の暖機が行われている。しかし、従来においては、燃料電池の暖機時におけるその動作状態までは言及されておらず、氷点下における燃料電池の始動不良を回避するために、燃料電池の暖機時における発熱量を可能な限り高く設定していた。このため、燃料電池へのエネルギー投入が過大となり、無用なエネルギー消費が発生していた可能性が高い。

また、燃料電池の始動時といえども、燃料電池から電力供給を受ける駆動モータを速やかに駆動したい場合がある。しかし、従来では燃料電池が氷点下始動時に再凍結しないように、燃料電池の温度が０度以上に上昇するまで暖機を優先し、これが完了した後に駆動モータへの電力供給を行うようになっており、駆動モータの駆動までにはある程度の時間を要していた。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、燃料電池の暖機時において、電力供給を受ける駆動モータの駆動を確保するとともに、より効率的な暖機を図る燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明においては、上記課題を解決するために、燃料電池の暖機時におけるその動作状態を、暖機に要するシステム損失と暖機時の駆動モータ等の負荷の駆動に要する暖機時出
力との相関関係に基づいて制御することとした。即ち、本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池の暖機と駆動モータ等の負荷の駆動との両立を考慮して、該燃料電池の動作を制御しようとするものである。

そこで、詳細には、本発明は、負荷の駆動のための動力源であり、電力によって駆動される駆動モータと、酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行い前記駆動モータに電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池の非暖機条件下での通常発電を行う通常発電手段と、前記通常発電より発電効率が低く、前記燃料電池を暖機するためのシステム損失を生じさせる暖機発電を行う暖機発電手段と、前記燃料電池の暖機の必要性に関する所定指標に基づいて、前記暖機発電手段による暖機発電の実行を制御する暖機制御手段と、を備える燃料電池システムであって、前記暖機制御手段は、前記暖機発電手段による前記燃料電池の暖機に必要な前記システム損失と、該燃料電池の暖機時における前記駆動モータを含む負荷の駆動に要する暖機時出力との相関関係に基づいて、前記暖機発電手段による該燃料電池の暖機発電時の動作状態を制御する。

上記燃料電池システムでは、燃料電池によって発電された電力が駆動モータに供給されることになる。そして、該燃料電池は、通常発電手段による通常発電と暖機発電手段による暖機発電が行われる。前者の通常発電は、燃料電池の暖機を行う必要が無い環境下での発電であって、好ましくは発電効率が比較的高い発電である。一方で、後者の暖機発電は、燃料電池において暖機が必要なとき、例えば低温環境下に晒されることで燃料電池内の水分が凍結し、該燃料電池の出力性能が低下しているようなときに行われる発電である。この暖機発電では、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応における発電効率を調整することで、両ガスのエネルギーから発熱となるシステム損失を生み出し、該システム損失によって燃料電池が暖機されることになる。従って、暖機発電時の発電効率は、通常発電時の発電効率より低くなる。尚、発電効率の調整には従来から様々な技術が公開されているが、例えばその一つとして、燃料電池に供給される酸化ガスと燃料ガスの濃度のバランスを通常発電時の状態から外れた状態とする技術が挙げられる。また、燃料電池による発電の種類は、上記の通常発電や暖機発電以外の発電が行われていてもよい。

そして、本発明に係る燃料電池システムでは、暖機発電手段による暖機発電の実行が、暖機制御手段によって所定指標に基づいて行われる。この所定指標は燃料電池における暖機の必要性を判断するためのものであり、様々なパラメータを指標として採用することが可能である。この暖機制御手段は、暖機発電時において、該燃料電池の動作状態に対するシステム損失と暖機時出力との相関関係に基づいて、該燃料電池の動作状態を制御する。ここで、システム損失とは、上記の通り燃料電池を暖機するために必要な該燃料電池の損失出力（発熱）である。燃料電池の暖機目的に応じて、例えば急速に暖機するため、燃料電池が再び冷えてしまわないように余裕を持った暖機をするため等の種々の目的に応じて、暖機に要するこのシステム損失は決定されてもよいが、好ましくは、暖機に要する消費エネルギーの観点から、燃料電池において水分の再凍結が発生しないための最小損失とする。このシステム損失は、例えば、外気温度と燃料電池自体の温度差である所定温度差に基づいて決定されるようにしてもよい。また、暖機時出力は、暖機時において求められる駆動モータの駆動（アイドル駆動や所定速度での駆動等）や、燃料電池システムにおける負荷の駆動を可能とするためのものである。

これらのシステム損失と暖機時出力とは、それぞれが、燃料電池の動作状態、例えば出力電流と出力電圧とで定義される動作状態と相関関係を有している。即ち、要求されたシステム損失を出力するために、燃料電池の動作状態は適宜調整され得、また要求された暖機時出力を出力するために、燃料電池の動作状態は適宜調整され得る。そこで、本発明に係る燃料電池システムでは、燃料電池の動作状態に対して、このシステム損失と暖機時出力とを関連付けて考慮することで、燃料電池の動作状態を、少なくとも暖機のためのシス
テム損失の観点と負荷駆動のための暖機時出力との二つの観点から決定し、システム損失と暖機時出力の両出力を効率的に達成する、燃料電池の動作制御が可能となる。

そして、上記燃料電池システムにおいて、前記暖機制御手段が、前記暖機時出力に対応する出力を供給可能な前記燃料電池の動作状態と、該燃料電池の暖機に必要なシステム損失を生じさせる該燃料電池の動作状態とを両立する所定の動作状態を、該燃料電池の暖機発電時の動作状態に設定することで、暖機と負荷駆動を踏まえた燃料電池の効率的な発電が実現される。

ここで、上述までの燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から出力される電圧を昇圧し、昇圧後の電圧を前記駆動モータに供給することが可能である昇圧装置を、更に備え、前記暖機制御手段は、前記燃料電池の暖機時に、前記昇圧装置を介して該燃料電池の出力電圧を、前記駆動モータの駆動に要する所定駆動電圧に昇圧し、前記駆動モータに供給するようにしてもよい。一般的に、燃料電池の電気特性として、システム損失を上昇させるために該燃料電池の発電効率を下げると、その出力電流は増加するが、一方でその出力電圧は低下する傾向がある。そこで、上記のように燃料電池システムが昇圧装置を備えることで、暖機発電によって燃料電池の出力電圧が低下しても、昇圧装置による電圧昇圧を行うことで、駆動モータの駆動に必要な所定駆動電圧を賄うことが可能となる。

また、上述までの燃料電池システムにおいて、前記暖機制御手段は、前記燃料電池の動作状態に対する、該燃料電池の外気温度と該燃料電池自体との所定温度差に基づいて、前記燃料電池の動作状態に対する前記システム損失の大きさを調整し、該調整されたシステム損失と該暖機時出力とに基づいて、該燃料電池の暖機発電時の動作状態を制御するようにしてもよい。燃料電池の暖機に必要なシステム損失の大きさを所定温度差に基づいて決定することで、暖機に要する消費エネルギーが徒に大きくなってしまうことを回避できる。尚、システム損失の決定に際しては、所定温度差に一義的に対応する損失をシステム損失としてもよく、また予め複数決められているシステム損失を、所定温度差に基づいて選択するようにしてもよい。

ここで、上述までの燃料電池システムにおいて、前記暖機制御手段は、前記暖機時出力が所定負荷を超えるとき、該燃料電池の暖機発電時の動作状態を、暖機が必要とされる状態での前記燃料電池の電流電圧特性に基づいて決定され該燃料電池の出力を所定の高出力状態とする動作状態に制御するようにしてもよい。燃料電池に暖機が必要とされる場合は、通常発電を行っている場合と比べてその出力が低下している場合が多い。そこで、暖機時出力が所定負荷を超えるとき、即ち、駆動モータを含む負荷を駆動するために燃料電池が出すべき出力が比較的大きくなるようなときには、燃料電池の出力状態が所定の高出力状態となるように制御することで、その負荷駆動のための出力を可及的に賄えるようになる。尚、ここで言う所定の高出力状態とは、燃料電池の出力が最高となる出力状態であることが好ましいが、その最高出力状態の近傍にある出力状態であって負荷の駆動に寄与できる出力を形成可能な状態であれば構わない。

ここで、燃料電池の電流電圧特性において、その出力が最大となるときの出力電圧が、燃料電池に暖機が必要とされる周囲環境にかかわらず略一定となる傾向を出願人は見出した。そこで、前記暖機制御手段は、暖機が必要とされる状態での前記燃料電池の電流電圧特性に基づいて、前記燃料電池の出力電圧が、該燃料電池の出力を前記所定の高出力状態とする一定の所定出力電圧となるように、該燃料電池の暖機発電時の動作状態を制御するようにしてもよい。このように燃料電池の出力電圧を一定となるように制御した状態にて燃料電池への酸化ガスの供給量を制御することで、比較的容易な制御の下、低出力から燃料電池状態に応じた高出力までの幅広い出力範囲で、効率的な燃料電池の暖機発電が可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは移動体に搭載され、且つ該移動体は前記駆動モータの駆動によって移動を行う場合、前記所定負荷は、前記燃料電池の暖機時に前記移動体が移動する際に必要とされる最小負荷であってもよい。これにより、移動体の移動をより確実に実行するために、その場合燃料電池からの出力が所定の最高出力状態となるように、該燃料電池の暖機発電時の動作状態が制御される。

また、上述までの燃料電池システムにおいて、前記暖機制御手段は、暖機時の前記燃料電池におけるシステム熱収支がゼロ以上となるように、該燃料電池の暖機発電を行ってもよい。これにより、暖機が必要な状態にある燃料電池の温度を上昇させることになる。

また、上述までの燃料電池システムにおいて、前記暖機制御手段は、前記燃料電池の始動時、又は該燃料電池において前記通常発電が行われているときであって、該燃料電池自体の温度が、暖機が必要な所定温度以下となると、前記暖機発電手段による暖機発電を実行するようにしてもよい。即ち、上記燃料電池システムによる燃料電池の暖機は、燃料電池が、始動時から暖機が必要な状態にある場合だけでなく、該燃料電池の始動後であって一度通常発電が行われる状態になった場合でも燃料電池の温度が暖機が再び必要な状態になったとき、換言すると発電による生成水が凍結する虞があるような場合には、暖機制御手段によって燃料電池の暖機が実行されるものである。これにより、燃料電池が稼動するあらゆる場面での、該燃料電池の暖機の必要性に効率的に答えることができる。

また、上述までの燃料電池システムにおいて、前記暖機制御手段は、前記暖機発電手段の暖機発電によって前記燃料電池自体の温度が暖機終了温度となったとき、前記燃料電池での発電を、前記通常発電手段の通常発電に遷移させるようにしてもよい。暖気発電は通常発電より発電効率が低いため、暖機発電の必要性が無くなった場合には、該暖機発電から該通常発電に遷移させるのが、消費エネルギーの観点からも好ましい。

また、上述までの燃料電池システムにおいて、前記暖機発電手段は、前記燃料電池に供給される酸素濃度を、前記通常発電時に該燃料電池に供給される酸素濃度より低くすることで、前記暖機発電を行う場合、前記暖機制御手段は、前記暖機発電手段による前記燃料電池の暖機発電時の動作状態を制御する際、該燃料電池の最小作動電圧を、前記暖機発電に起因する該燃料電池のカソード側での発生水素濃度が所定の基準濃度以下となる水素ポンピング抑制電圧に制限するようにしてもよい。

暖機発電手段が燃料電池に供給される酸素濃度を低くすることで、該燃料電池で行われる発電効率を低くし、上記暖機発電を行うことが可能となる。しかし、この場合、燃料電池のカソード側に供給される酸素濃度が低下するため、アノード側から移動したプロトンによってカソード側に水素分子が形成される、いわゆる水素ポンピング現象が生じる場合がある。そして、暖機発電時の燃料電池の動作電圧を低くすると、この水素ポンピング現象によって生じる水素濃度が高くなるため、暖機制御手段は、暖機発電時の燃料電池の作動電圧の最小値を水素ポンピング抑制電圧に制限することで、カソード側に生じる水素濃度の過度な上昇を回避する。尚、暖機制御手段は、水素ポンピング現象自体がほぼ発生しないように、該水素ポンピング抑制電圧を設定してもよい。

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の暖機時において、電力供給を受ける駆動モータの駆動を確保するとともに、より効率的な暖機を図ることが可能となる。

本発明に係る燃料電池システム１０の実施の形態について図面に基づいて詳細に説明す
る。本実施の形態に係る燃料電池システム１０は、移動体である車両１の駆動装置である駆動モータ１６に対して電力を供給するものであるが、船舶やロボット等の車両１以外の移動体や、移動は行わないが電力の供給を受ける必要がある物に対しても適用が可能である。

図１は、本発明に係る燃料電池システム１０の概略構成および、該燃料電池システム１０より供給される電力を駆動源とする移動体の車両１を概略的に示す。車両１は、駆動輪２が駆動モータ（以下、単に「モータ」という。）１６によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ１６は、いわゆる三相交流モータであって、インバータ１５から交流電力の供給を受ける。更に、このインバータ１５へは、燃料電池システム１０のメイン電力源である燃料電池（以下、「ＦＣ」ともいう。）１１と、二次電池であるバッテリ１３から直流電力が供給され、それがインバータ１５で交流へ変換されている。

ここで、燃料電池１１は、水素タンク１７に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ１８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電を行い、該燃料電池１１とインバータ１５との間には、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣ昇圧コンバータ１２が電気的に接続されている。これにより、燃料電池１１からの出力電圧は、ＦＣ昇圧コンバータ１２によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。また、このＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作によって燃料電池１１の端子電圧を制御することも可能となる。

また、バッテリ１３は、充放電が可能な蓄電装置であって、該バッテリ１３とインバータ１５との間に該インバータ１５に対して上記ＦＣ昇圧コンバータ１２と並列になるように、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４が電気的に接続されている。これにより、バッテリ１３からの出力電圧は、バッテリ昇圧コンバータ１４によって制御可能な範囲で任意の電圧に昇圧され、インバータ１５に印加される。そして、このバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作によってインバータ１５の端子電圧を制御することも可能となる。尚、図１中に示すように、燃料電池システム１０においては、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータも採用可能である。以下の実施例では、主にバッテリ昇圧コンバータ１４を昇圧型のコンバータとして説明を進めていくが、これには昇降圧型のコンバータの採用を制限する意図は無く、その採用に際しては適宜調整が行われる。そして、昇降圧型コンバータを採用することにより更に特筆すべき事実については適切にその開示を行っていく。

また車両１には、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という。）２０が備えられ、上述した各制御対象に電気的に接続されることで、燃料電池１１の発電やモータ１６の駆動等が制御されることになる。例えば、車両１には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルが設けられ、その開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、その検出信号がＥＣＵ２０に電気的に伝えられる。また、ＥＣＵ２０は、モータ１６の回転数を検出するエンコーダにも電気的に接続され、これによりＥＣＵ２０でモータ１６の回転数が検出される。ＥＣＵ２０は、これらの検出値等に基づいて、各種の制御が可能である。

このように構成される燃料電池システム１０では、車両１のユーザが踏んだアクセルペダルの開度がアクセルペダルセンサ２１によって検出され、ＥＣＵ２０がそのアクセル開度とモータ１６の回転数等に基づいて、燃料電池１１の発電量やバッテリ１３からの充放電量が適宜制御される。このとき、燃料電池１１とインバータ１５の間にＦＣ昇圧コンバータ１２を設け、バッテリ１３とインバータ１５との間にもバッテリ昇圧コンバータ１４を設けることで、インバータ１５への供給電圧の高電圧化が図られる。繰り返しにはなるが、このバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータも採用可能である。

このように燃料電池システム１０を、ＦＣ昇圧コンバータ１２を含む構成とすることで、燃料電池１１自体の出力電圧（端子間電圧）が低くても、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作によりモータ１６を駆動することが可能となるので、燃料電池１１のセル積層枚数を低減する等してその小型化を図ることも可能となる。その結果、車両１の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進することができる。

ここで、燃料電池システム１０においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２の間欠運転制御を行うことで、システム効率を向上させることが可能となる。説明を簡潔にするために、燃料電池１１とインバータ１５及びモータ１６との関係に着目すると、モータ１６に対するメイン電力源である燃料電池１１からの電力は、ＦＣ昇圧コンバータ１２を介してインバータ１５側へ供給される。そして、メイン電力源である燃料電池１１がモータ１６の駆動に際してインバータ１５に印加すべき電圧は、モータ１６の逆起電力に十分に抵抗できる電圧でなければならない。従って、上記ＦＣ昇圧コンバータ１２が備えられていない従来の燃料電池システムでは、図２に示すように、車両１の採り得る速度範囲（０〜ＶＳｍａｘ）において、ＬＶ１で示される燃料電池によって印加される電圧が、常にモータ駆動に必要な、インバータ１５に印加すべき電圧（以下、「モータ必要電圧」という。）を超えた状態としなければならない。そのため、車速の低い領域において、インバータに印加されるべき電圧を大きく超えた燃料電池からの出力電圧がインバータに印加されることになり、インバータのスイッチング損失が大きくなっていた。そして、特に車両１の速度が低い領域では、インバータのスイッチング損失が顕著となり、省エネルギーの観点から好ましくない。

ここで、本発明に係る燃料電池システム１０では、ＦＣ昇圧コンバータ１２が設けられているため、燃料電池１１からの電圧を昇圧してインバータ１５に印加することは可能である。しかし、このＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作では、内部に含まれるスイッチ素子によって何らかのスイッチング損失が発生するため、当該昇圧動作はシステムの効率を低下させる一因となる。一方で、上述したように、モータ１６は高電圧低電流仕様のモータであるため、その回転数の上昇に伴い発生する逆起電圧も大きくなっていき、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作は不可欠となる。

そこで、燃料電池１１からの出力電圧とインバータ１５に印加すべきモータ必要電圧の相関を、図３においてそれぞれＬＶ１、ＬＶ２で示す。図３のＬＶ２で示すように、モータ１６の逆起電圧は、車両１の速度が上昇していくに従い、増加していくため、モータ必要電圧も車両速度の増加とともに増加していく。ここで、燃料電池１１の出力電圧ＬＶ１とモータ必要電圧ＬＶ２との相関において、両者が交差するときの車両１の速度ＶＳ０が、ユーザによる車両１の通常操縦を概ね賄う速度となるように、燃料電池１１の電圧特性とモータ１６の電圧特性とを決定すればよい。本実施例においては、ユーザの通常操縦の傾向等から、ＶＳ０を１１０ｋｍ／ｈと設定する。そして、この速度ＶＳ０での車両１の走行を可能とするモータ１６の駆動時の最大出力を算出し、当該最大出力の発揮が可能となるように、インバータ１５に印加すべき電圧（モータ必要電圧）を導出する。そして、このモータ必要電圧が、ＦＣ昇圧コンバータ１２を介さずに燃料電池１１から直接に出力可能となるように、燃料電池１１の設計（例えば、複数のセルが積層されて形成される燃料電池では、その積層セル数が調整される等）が行われる。

このように設計された燃料電池１１を含む燃料電池システム１０では、車両１の速度がＶＳ０に至るまでの間は、燃料電池１１からの出力電圧が、モータ１６を駆動するためのモータ必要電圧よりも高いため、たとえモータ１６が高電圧低電流仕様のモータであっても、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作が無くとも燃料電池１１からの直接の出力電圧によって該モータ１６を駆動することが可能となる。換言すると、この条件下では、ＦＣ昇
圧コンバータ１２によるスイッチング動作を停止させて、燃料電池１１からの出力電圧をインバータ１５に印加することで、モータ１６の駆動を確保できることになる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を、完全に排除することができる。更には、ＦＣ昇圧コンバータ１２が停止することでインバータ１５に印加される電圧が過度に高くならないため、即ち、図２に示す状態よりもＬＶ１とＬＶ２との電圧差を小さくする抑えることができるため、インバータ１５でのスイッチング損失を低く抑えることができる。尚、この図３において、燃料電池１１の出力電圧がモータ必要電圧よりも高い状態となるモータ１６の駆動範囲（車両１を速度０〜ＶＳ０とするモータ１６の駆動範囲）が、本発明に係る所定駆動範囲に相当する。

一方で、車両１の車両速度がＶＳ０以上となると、逆にモータ１６を駆動するためのモータ必要電圧が、燃料電池１１からの出力電圧よりも高くなるため、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧動作が必要となる。しかし、この場合も、いわゆるソフトスイッチング処理を介してＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧を行うことで、その際のスイッチング損失を可及的に抑えることが可能となる。

上記までは、説明の簡便化のために、燃料電池１１とモータ１６との相関にのみ着目しているが、図１に示すように燃料電池システム１においては、モータ１６に対してバッテリ１３からの電力供給も可能である。バッテリ１３から電力供給される場合は、バッテリ１３からの出力電圧がバッテリ昇圧コンバータ１４によって昇圧された上で、インバータ１５に印加されることになる。ここで、バッテリ昇圧コンバータ１４は、いわゆる昇圧コンバータであるため、バッテリ１３からインバータ１５に電力供給を行うためには、バッテリ昇圧コンバータ１４の出口電圧（インバータ１５側の電圧であり、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧と同等）が、その入口電圧（バッテリ１３側の電圧）と比較して同じか、又はより高い状態でなければならない。

そこで、バッテリ１３の出力電圧と燃料電池１１の出力電圧の相関について、図４Ａおよび図４Ｂに基づいて説明する。両図では、ともにバッテリ１３のＩＶ特性（図中、点線ＬＢＴで示される。）と、燃料電池１１のＩＶ特性（図中、実線ＬＦＣで示される。）とが示されている。ここで、図４Ａで、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより高い領域においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させたとしてもバッテリ１３の出力電圧がＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧より低い状態となるので、バッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧動作可能となり、以てバッテリ１３からモータ１６への電力供給ができる。従って、この状態ではＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容される。一方で、バッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴが、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣより高い領域においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させるとバッテリ１３の出力電圧がＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧より高い状態となるので、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作による燃料電池１１とバッテリ１３の出力分配制御が不可能となる。従って、この状態ではＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容されない。

即ち、バッテリ昇圧コンバータ１４によってバッテリ１３からの出力電圧を昇圧して、モータ１６に電圧を印加する場合には、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧が、バッテリ１３の出力電圧（バッテリ昇圧コンバータ１４の入口電圧）より高い状態を形成する必要があり、そのためにＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が許容されない場合がある。例えば、図４Ａに示すように、比較的低電流領域で、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより低くなる場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作を確保するために、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止は許容されず、その結果、上述したスイッチング損失の低減を図る可能性が低下する。一方で、例えば、図４Ｂに示すように、燃料電池１１のＩＶ特性ＬＦＣがバッテリ１３のＩＶ特性ＬＢＴより常に上にある場合には、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作確保の観点から、ＦＣ昇圧コンバータ１
２の動作停止が制限されることはない。

尚、上述までのバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作確保に関するＦＣ昇圧コンバータ１２の動作制限は、図１に示す燃料電池システム１０に含まれるバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータ（即ち、降圧動作を行えないコンバータ）であることに起因する。従って、燃料電池システム１０において、バッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータを採用する場合は、ＦＣ昇圧コンバータ１２は上記の動作制限に縛られることはなく、燃料電池１１、バッテリ１３からの出力電圧を選択的にモータ１６に印加できる。

以上より、本実施例においては、想定される車両１の駆動に基づいて必要なバッテリ１３のＩＶ特性と燃料電池１１のＩＶ特性を決定し、両ＩＶ特性の相関および燃料電池１１の出力電圧とモータ必要電圧との関係に基づいて、図５Ａおよび図５Ｂのマップに示すような燃料電池システム１０において実行される燃料電池１１の発電制御領域を画定した。以下に、燃料電池１１の発電に関する制御について、詳細に説明する。

図５Ａおよび図５Ｂは、燃料電池１１の出力電圧（燃料電池１１の出力電圧）を横軸とし、該ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧（昇圧後の電圧）を縦軸として形成される動作領域に対して、燃料電池１１の発電に関する処理を関連付けて表示したマップである。尚、図５Ａは、燃料電池システム１０に含まれるバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータであるときのマップであり、図５Ｂは、該昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて、昇降圧型のコンバータを採用したときのマップである。

先ず、図５Ａに示すマップについて説明する。ここで、当該マップには、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧比が１であること、即ち燃料電池１１の出力電圧とＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧との比が１：１であることを意味する直線ＬＲ１と、その昇圧比が１０であることを意味する直線ＬＲ３と、該ＦＣ昇圧コンバータ１２の最高出力電圧を意味する直線ＬＲ４が記載されている。直線ＬＲ３は、ＦＣ昇圧コンバータ１２による最大昇圧比を示している。従って、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作範囲は、直線ＬＲ１、ＬＲ３、ＬＲ４で囲まれる領域であることが分かる。

ここで、車両１の想定速度範囲で、最もモータ１６にかかる負荷が低い場合、即ち道路の摩擦抵抗程度の負荷がかかる場合（図中、負荷率＝Ｒ／Ｌ (Road Load）)の燃料電池１１の出力電圧とＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧との関係が、一点鎖線ＬＬ１で示されている。一方で、同じように車両１の想定速度範囲で、最もモータ１６にかかる負荷が高い場合、即ち車両１のアクセル開度が100％である場合（図中、負荷率＝100％)の燃料電
池１１の出力電圧とＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧との関係が、一点鎖線ＬＬ２で示されている。従って、車両１に搭載される燃料電池システム１０は、「モータ１６を駆動させ車両１を走行させる」という観点からは、一点鎖線ＬＬ１とＬＬ２とで挟まれた領域で示される昇圧動作を、ＦＣ昇圧コンバータ１２に行わせることになる。そして、この一点鎖線ＬＬ１とＬＬ２で囲まれた領域を燃料電池１１の立場から見ると、負荷である車両１を駆動するための通常の発電（本発明における「通常発電」に相当する）を行う領域であり、当該領域を「通常発電領域」と称する。

ここで、上記通常発電領域は、図５ＡにおいてはＦＣ昇圧コンバータ１２の動作状態に応じて、ＲＣ１〜ＲＣ３の３つの領域に区分される。これらの領域では、それぞれＦＣ昇圧コンバータ１２の動作に関し特徴的な動作が行われ、以下に各領域でのＦＣ昇圧コンバータ１２の動作を中心に説明する。先ず、昇圧比１を示す直線ＬＲ１以下の領域として、領域ＲＣ１が画定されている。この領域ＲＣ１では、モータ１６を駆動するために必要とされる昇圧比が１以下であるので（現実にはＦＣ昇圧コンバータ１２は昇圧コンバータで
あるので、昇圧比を１以下にすること、即ち降圧はできないことに注意されたい。）、結果的にはＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させて、燃料電池１１の出力電圧を直接インバータ１５に印加することが可能となる。そこで、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧となる燃料電池１１の出力電圧が、燃料電池１１の最大電圧のＶｆｃｍａｘと、バッテリ１３の開放電圧(OCV: Open Circuit Voltage)と同値のＶｆｃｂとの間の範囲であって、且つ直
線ＬＲ１および一点鎖線ＬＬ１とで囲まれて画定される領域ＲＣ１においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を完全に停止させる。これにより、ＦＣ昇圧コンバータ１２におけるスイッチング損失を抑えることが可能となる。このように、電圧Ｖｆｃｂを境界としてＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止が制約を受けるのは、上述の通りバッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータでありその昇圧動作確保のためである。

次に、領域ＲＣ２について説明する。この領域は、ＦＣ昇圧コンバータ１２の入口電圧が上記のＶｆｃｂ以下であって、且つ該ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧がバッテリ１３のＯＣＶ以下、即ちＶｆｃｂと同値の電圧以下である領域として画定される。即ち、この領域ＲＣ２においては、ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を行わないとバッテリ昇圧コンバータ１４の出口電圧が入口電圧より低くなり該バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作が不可能となる領域であり、また仮にＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作を行ったとしても、その昇圧比が低いため同様にバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作が不可能となる領域でもある。このように画定される領域ＲＣ２では、領域ＲＣ１と同様に、ＦＣ昇圧コンバータ１２を停止させて、そのスイッチング損失が発生しないようにする。そして、バッテリ昇圧コンバータ１４にて制御可能な最低電圧に燃料電池１１の端子電圧を制御する。尚、図では、理想的な昇圧コンバータを使用した場合にその電圧はバッテリ１３のＯＣＶに等しいと仮定して、上記Ｖｆｃｂを設定している。この状態は、バッテリ１３の放電電力が許す限り継続される。

この領域ＲＣ２は、モータ１６の駆動状態が変遷する中で、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作領域が上記領域ＲＣ１から、後述する領域ＲＣ３に移行する際に介在する過渡的な領域である。従って、バッテリ昇圧コンバータ１４が昇圧型のコンバータである場合には、この過渡的な領域ＲＣ２が可能な限り小さくなるように、図４Ａ、４Ｂに基づいて説明した燃料電池１１のＩＶ特性とバッテリ１３のＩＶ特性との相関を適切に調整するのが好ましい。

ここで、直線ＬＲ１より下の領域に関して、図５Ｂに示すマップ、即ち燃料電池システム１０においてバッテリ昇圧コンバータ１４に代えて昇降圧型のコンバータが採用されたときのマップについて説明する。この場合、昇降圧型のコンバータによってバッテリ１３の出力電圧を降圧することが可能であるから、上述したようにＦＣ昇圧コンバータ１２の動作停止について上記電圧Ｖｆｃｂによる制約を受けることがなくなる。従って、図５Ｂに示すように、直線ＬＲ１よりも下の領域については、ＦＣ昇圧コンバータ１２の動作を制約無く停止しシステムの効率を向上させることが容易となる。従って、この結果、図５Ｂにおいては上記領域ＲＣ２に相当する領域が存在しないことになる。更に、以下に示す燃料電池１１の発電に関する制御の説明は、図５Ａおよび図５Ｂに共通に当てはまるため、その説明はまとめて行う。

上述までの領域ＲＣ１、ＲＣ２以外の動作領域では、ＦＣ昇圧コンバータ１２を駆動させて、燃料電池１１の出力電圧の昇圧動作を行うことになる。この昇圧動作においては、いわゆるソフトスイッチング処理が実行されることで、ＦＣ昇圧コンバータ１２でのスイッチング損失を可及的に抑制する。このように一点鎖線ＬＬ１とＬＬ２で囲まれる通常発電領域では、負荷である車両１の移動状況に応じて燃料電池１１の発電量が制御されるとともに、該燃料電池１１の出力電圧とモータ１６に関するモータ必要電圧との相関関係に基づいてＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作が適宜制御される。

一方で、燃料電池１１においては、水素タンク１７に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ１８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電が行われるが、燃料電池１１の温度（特に、上記電気化学反応が生じる電解質膜や各ガスの拡散層の温度を言う。以下、単に「燃料電池１１自体の温度」と言う。）が、生成水が凍結し得る温度の近傍にあると、燃料電池１１での通常発電が効率的に行われず、燃料電池１１の出力が低下する場合がある。そこで、燃料電池システム１０では、このような場合に、燃料電池１１において上記通常発電とは異なる暖機発電を行うことで、燃料電池１１自体の温度を上昇させ、効率的な発電が可能となる環境を形成する。以下に、燃料電池システム１０で行われる暖機発電について、詳細に説明する。

先ず、図６は、燃料電池１１を構成するセルに水素ガスと空気が供給されたときの電気化学反応で発生する、出力電流の密度と出力電圧との相関を示す図である。図中、理論起電圧（1.23V）とあるのは、供給された水素が全て電気エネルギーに変換されたときの理
論式に基づく出力電圧である。実際には、上記電気化学反応では、水素エネルギーの一部は発熱として放出されるため、理論起電圧より低い出力電圧となり、本実施例においては電流密度が０のとき出力電圧は1.0Vとなり、電流密度が0.8A/cm²のとき出力電圧は0.6Vとなる。このように、燃料電池１１においては、出力する電流密度に応じて出力電圧が変動し、換言すると、燃料電池１１の出力電流と出力電圧で決定される動作状態に応じて、供給された水素エネルギーの電力への変換効率は変動し、以て図６に示すように、該動作状態に連動して、燃料電池１１の電力出力と発熱となる変換損失の比率は変動する。具体的には、出力電流が増加すると、変換損失が占める割合が大きくなる。

ここで、燃料電池１１の電流電圧特性（IVカーブ）と、それより算出される出力特性（パワーカーブ）の傾向を図７に示す。このように燃料電池１１では、出力電流の増加とともに出力電圧が減少していく傾向があり、一方で燃料電池１１の出力（パワー）は増加するものの、その増加率は、出力電流の増加に従い次第に小さくなる。

ここで、燃料電池１１が低温環境下に置かれその発電効率が低下してくると、負荷であるモータ１６を含む燃料電池システム１０をアイドル駆動させて燃料電池１１の温度上昇を図り暖機すること自体は従来から行われているが、該燃料電池システム１０のアイドル運転に要する出力は低いため、従来からの暖機が行われる際の燃料電池１１の動作状態は、図７に示す低負荷領域の状態に相当する。そして、先に示した図６からも分かるように、この低負荷領域での燃料電池１１の動作状態では、比較的変換損失が少ない効率的な発電を行い得るのであって、換言すると、燃料電池１１の「暖機のための発電」は非効率的なものとなっている。一方で、モータ１６の駆動要求が無い状態でモータ１６をいたずらに駆動して燃料電池１１の温度上昇を図るのは、消費エネルギー低減の観点から好ましくない。

この点を踏まえて、燃料電池システム１０は、図５Ａ及び図５Ｂに示す暖機動作線ＷＬ１に沿った暖機発電を行う。この暖機動作線ＷＬ１に沿った暖機発電は、モータ１６がアイドル運転状態にあるときの燃料電池１１の動作状態およびそれに伴うＦＣ側昇圧コンバータ１２の相関を示すものであり、当該暖機発電を以下、「アイドル暖機発電」と言う。このアイドル暖機発電においては、燃料電池システム１０はアイドル運転状態、即ち燃料電池システム１０の運転が維持される程度の極めて低負荷の状態である。そこで、アイドル暖機発電時には、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧後の電圧が、バッテリ開放電圧ＯＣＶよりも若干高い一定のＶｗ１となるように、燃料電池１１からの出力電圧に応じて該コンバータ１２の昇圧比が調整される。これにより、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作は確保された状態で、モータ１６への電圧印加が行われることになる。

ここで、上記アイドル暖機発電が行われている際の燃料電池１１の出力電圧の決定、即ち該燃料電池１１の動作状態の決定について、図８に基づいて説明する。図８では、燃料電池１１の動作状態を決定するパラメータである出力電流と出力電圧をそれぞれ横軸と縦軸に採っている。ここで、図８中に示す等パワーカーブ（本実施例では、３ｋＷ、５ｋＷ、７．５ｋＷの三本の等パワーカーブが例示されている。）は、燃料電池システム１０のアイドル運転に要する一定の出力（当該出力には、車両１のアイドル運転状態に関連する全ての負荷の駆動に要する出力が含まれる。）を燃料電池１１が発揮するために、該燃料電池１１が採り得る動作状態を結んで形成された曲線である。従って、例えば、モータ１６のアイドル運転に５ｋＷの出力が必要である場合には、５ｋＷの等パワーカーブ上にある何れかの動作状態を燃料電池１１が採ればよい。また、これらの等パワーカーブは、予め実験等で燃料電池１１とモータ１６の相関に基づいて測定しておけばよい。

また、図８中に示す等システム損失カーブ（本実施例では、２０ｋＷ、４０ｋＷ、６０ｋＷの三本の等パワーカーブが例示されている。）は、図６に示す変換損失に起因し燃料電池１１自体の温度を上昇するためのシステム損失、即ち発熱用のシステム損失が、燃料電池１１での電気化学反応によって生成されるために、該燃料電池１１が採り得る動作状態を結んで形成された曲線である。従って、例えば、モータ１６を所定の状態にするべく暖機するために４０ｋＷの放熱が必要である場合には、４０ｋＷの等システム損失カーブ上にある何れかの動作状態を燃料電池１１が採ればよい。また、これらの等システム損失カーブは、予め実験等で燃料電池１１とその発熱の相関に基づいて測定しておけばよい。

等システム損失カーブにおいては、図８に示すようにその損失が大きくなるに従い、燃料電池１１の出力電流は大きくなる。これは、図６に示すように、燃料電池１１の出力電流を大きくするに従い、変換損失が大きくなり、暖機に要する発熱をより多く得ることが可能となるからである。

以上より、等パワーカーブと等システム損失カーブとの交点で表される燃料電池１１の動作状態は、それぞれのカーブが有するアイドル運転用出力及び暖機用システム損失の両者を両立する動作状態であることを意味する。例えば、５ｋＷの等パワーカーブと４０ｋＷの等システム損失カーブとの交点であるＰｗで表される動作状態は、燃料電池１１が５ｋＷのアイドル運転と、４０ｋＷの暖機運転の両方を実現可能な、アイドル暖機発電時の燃料電池１１の採るべき動作状態を意味する。そして、この採るべき動作状態が決定すると、燃料電池１１へ供給される水素ガスや空気の流量等が調整されることで、燃料電池１１での出力電流と出力電圧が調整される。

尚、燃料電池１１の暖機のために、より大きなシステム損失が必要になると、図８に示すように、燃料電池１１の動作状態が、その出力電圧がより低い状態となる。しかし、燃料電池システム１０には、ＦＣ昇圧コンバータ１２が備えられているため、その昇圧動作によりモータ１６に印加される電圧をＶｗ１にまで昇圧でき、以てバッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作を確保しながら、モータ１６の駆動も確保することが可能となる。また、電圧Ｖｗ１の値は、バッテリ開放電圧ＯＣＶ以上の電圧に設定し、且つ車両１中の全ての補機モータ等の駆動のために必要な電圧を確保できる電圧とすることが望ましい。

次に、燃料電池１１の暖機を行う必要がありながらも、車両１の走行を求められる場合がある。従来では、燃料電池１１の暖機を行うときは、暖機を優先するために車両１には停止、即ちアイドリング状態の維持が求められていたが、本発明に係る燃料電池システム１０では、燃料電池１１の暖機時であっても車両１の走行を可能とした。この車両１の走行を可能とする際の、燃料電池１１の暖機発電を、「走行暖機発電」と言う。この走行暖機発電は、図５Ａ及び図５Ｂに示す暖機動作線ＷＬ２に沿って行われる暖機発電である。この暖機動作線ＷＬ２上では、燃料電池１１の出力電圧を一定のＶｗ２に保持するように
、該ＦＣ昇圧コンバータ１２を制御するとともに、ＦＣ昇圧コンバータ１２の出口電圧が上記のＶｗ１以上となるように、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作が制御される。以下に、電圧Ｖｗ２を中心に、走行暖機発電について説明する。

燃料電池１１に暖機が求められている場合は、その電流電圧特性が低下している。具体的には、図９に線ＬＩＶ１、ＬＩＶ２で示すように、出力電流が高くなるに従ってその出力電圧はゼロに近くなっていく。尚、線ＬＩＶ２で示す電流電圧特性を有する燃料電池１１自体の温度は、線ＬＩＶ１で示す電流電圧特性を有する燃料電池１１自体の温度より、幾分高温状態にある。

ここで、この暖機が必要な状態にある燃料電池１１の出力を、出力電圧を軸に示すと、図９中の曲線ＬＰ１、ＬＰ２となる（曲線ＬＰ１は、線ＬＩＶ１で示す電流電圧特性に対応し、曲線ＬＰ２は、線ＬＩＶ２で示す電流電圧特性に対応する。）。これらの曲線ＬＰ１、ＬＰ２は概ね二次曲線に近似した曲線となり、その出力がピーク値となる出力電圧は、Ｖｗ２を中心として、比較的狭い電圧幅ΔＶｗの間に収まる傾向がある。即ち、燃料電池１１が暖機を必要とする状態にあるときは、その出力がピーク値となる出力電圧が、電圧Ｖｗ２の近傍に集まることになる。換言すると、燃料電池１１の暖機時においては、燃料電池１１の暖機が必要な程度が多少変動しても、その出力電圧をＶｗ２を中心としてΔＶｗの幅に収めるか、もしくはその出力電圧をＶｗ２に固定することで、暖機時の燃料電池１１の出力を最高状態、もしくはその最高状態に極めて近い状態（これが、本発明に係る「所定の高出力状態」に相当する。）に保持することが可能となる。

このように暖機時であっても燃料電池１１の出力を所定の高出力状態とすることで、車両１の走行のための要求出力に、可及的に答えることが可能である。このとき、走行暖機発電では、燃料電池１１の出力電圧は、該燃料電池１１の温度にかかわらず一定のＶｗ２に保持されることで、その所定の高出力状態が形成されるため、当該走行暖機発電時の燃料電池１１の制御は比較的容易なものとなる。

また、仮に燃料電池１１からの出力で、車両１からの要求出力を賄うことが困難である場合には、バッテリ１３からの出力を利用すればよい。ここで、バッテリ１３からの出力を確保するために、バッテリ昇圧コンバータ１４の昇圧動作を確保する必要があり、以て、走行暖機発電時においても、ＦＣ昇圧コンバータ１２による昇圧後の電圧を、バッテリ開放電圧ＯＣＶより高い電圧、例えば上記Ｖｗ１以上となるべく、該ＦＣ昇圧コンバータ１２の昇圧動作が制御される。尚、バッテリ昇圧コンバータ１４を昇降圧型のコンバータとする場合は、この限りではない。

以上を踏まえて、走行暖機発電が行われている際の燃料電池１１の出力電圧の決定、即ち該燃料電池１１の動作状態の決定について、図１０に基づいて説明する。図１０では、図８と同様に、燃料電池１１の動作状態を決定するパラメータである出力電流と出力電圧をそれぞれ横軸と縦軸に採っている。また、図１０の等パワーカーブについては、車両１の走行に必要な出力について記載しており、等システム損失カーブについては、説明を簡便にするために、例えば、システムの凍結防止に必要な一つの損失カーブのみを記載している。

ここで、燃料電池１１が採るべき動作状態の算出については、基本的には図８に示した算出方法と同じであるが、図１０に示す算出方法では、等パワーカーブと対比する等システム損失カーブの一部を高出力ラインに置き換える。この高出力ラインは、暖機が必要な状態にある燃料電池１１の出力を所定の高出力状態とする出力電圧Ｖｗ２に基づいて決定されるものであって、高出力ライン上では、出力電流の値にかかわらず一定の出力電圧Ｖｗ２となる。ここで、図１０に示す算出方法では、高出力ラインと等システム損失カーブ
との交点を基点として、低出力電流側を等システム損失カーブの一部で形成し、高出力電流側を高出力ラインの一部で形成した曲線を、等パワーカーブと対比する。このようにして走行暖機発電時の燃料電池１１の動作状態を決定することで、燃料電池１１の暖機を行いながら、燃料電池１１からモータ１６の駆動のために可及的に高い出力を供給することが可能となる。

尚、図１０において、等パワーカーブと対比する低出力電流側の曲線として等システム損失カーブの一部を採用したのは、車両１の走行中に、例えば信号停止等で車両から燃料電池システム１０への要求出力が小さくなる状況において、燃料電池１１の出力電圧を上記出力電圧Ｖｗ２に保持する場合、システム損失が過度に小さくなり、その結果、例えば、燃料電池システム１０の凍結防止に必要なシステム損失を賄うことができなくなる可能性があるからである。また、燃料電池１１の出力電流の最低値が、例えば、コンプレッサ１８の最低流量によって制限された状態で、等パワーラインとの対比が行われると、結果的に過度の出力が発生し、バッテリ１３が過充電となる虞があるからである。

これまでに説明した考え方を採用すると、アイドル暖機発電と車両１の走行中における暖機発電とを区別することなく、燃料電池システム１０のシステム出力と、燃料電池１１の暖機に必要なシステム損失に基づいて、燃料電池１１の運転状態を自由に制御することが可能となる。

ここで、上述したアイドル暖機発電と走行暖機発電を含む、燃料電池１１の暖機を行うための発電制御について、図１１に基づいて説明する。図１１に示す暖機発電制御は、ＥＣＵ２０によって、燃料電池１１に暖機が必要と判断された場合に行われる制御である。

先ず、Ｓ１０１は、燃料電池１１の始動が検知される。具体的には、ＥＣＵ２０が、車両１ユーザによるイグニッションＯＮの検知を介して、燃料電池１１の始動が検知される。その後、Ｓ１０２では、燃料電池１１自体の温度が所定の基準温度Ｔｗ０以下であるか否かが判定される。燃料電池１１自体の温度については、図示されない温度センサによって、燃料電池における電気化学反応が行われる場所（電解質膜等）、又は当該電気化学反応に影響を及ぼしやすい場所（ガス拡散層等）の温度が測定され、ＥＣＵ２０に渡される。また、所定の基準温度Ｔｗ０は、燃料電池１１の電気化学反応において水の凍結が発電に影響を与えると判断される基準温度であって、例えばゼロ度が設定される。即ち、Ｓ１０２では、燃料電池１１において上記暖機発電を行う必要があるか否かが判定される。

Ｓ１０２で肯定判定されると燃料電池１１を暖機する必要があることを意味し、その後Ｓ１０３へ進む。Ｓ１０３では、燃料電池１１の暖機に要するシステム損失が算出される。具体的には、以下の式に従う。
（燃料電池損失）＝（放熱係数）×（（燃料電池１１自体の温度）−（外気温度））
（システム損失）＝（燃料電池損失）＋（システム補機損失）
外気温度は、燃料電池１１が晒されている低温環境における外気の温度である。燃料電池１１自体の温度と外気温度との温度差を取ることで、燃料電池１１と外気との温度勾配に基づいて暖機に必要なエネルギーの基礎となるパラメータが形成され、この温度差に放熱係数を乗算することで燃料電池１１の暖機に必要な燃料電池損失が算出される。この放熱係数は、上記温度差をシステム損失に変換するパラメータであって、燃料電池１１の熱容量等を考慮して決定される。更に、この燃料電池損失が燃料電池１１に生じるように、燃料電池システム１０全体の損失であるシステム損失が、該燃料電池システム１０に含まれる補機類のためのシステム補機損失と燃料電池損失との和で算出される。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。

Ｓ１０４では、暖機時に燃料電池が発電電力として出力しなければならない暖機時出力
、即ち暖機時にモータ１６を含む負荷の駆動に要する燃料電池システム１０の要求出力の算出が行われる。これは、アクセルペダルセンサ２１の検出信号や、車両１が走行している場合には車両の速度等に基づいて算出される。Ｓ１０４の処理が終了すると、Ｓ１０５へ進む。

Ｓ１０５では、上記の動作線ＷＬ１、ＷＬ２に従って燃料電池１１の動作状態が決定され（上記図８、図１０を参照）、その後Ｓ１０６において、決定された動作状態で暖機発電が行われる。

尚、Ｓ１０２で否定判定されると、燃料電池１１を暖機する必要はないことを意味する。従って、その場合はＳ１０７に進み、燃料電池１１においては通常発電が行われる。

また、上記暖機発電制御は、燃料電池１１の始動時において行われる制御を例示したものであるが、当該制御を、燃料電池が通常の発電運転を行っている際に適用しても良い。即ち、燃料電池１１が通常の発電運転を行っている場合でも、常に上記通常発電を行っているわけではなく、車両１が停止している場合や、車両１の駆動をバッテリ１３からの出力で賄うことが可能である場合には、燃料電池１１においては通常発電が停止されている場合がある。そして、この通常発電の停止状態がある程度続くと、燃料電池１１での発熱が無いため、外気温度との温度差によっては、燃料電池１１の温度が上記所定の基準温度Ｔｗ０以下となる可能性がある。そこで、そのような場合にも、上記暖機発電制御、特にＳ１０２からＳ１０７の処理を適用することで、燃料電池１１の効率的な暖機を行うことが可能となる。

また、Ｓ１０６の処理により暖機発電が行われたことで、燃料電池１１の温度が該暖機発電を終了しても再凍結する虞がない暖機終了温度に至ったときは、燃料電池１１による発電形態を暖機発電から通常発電に遷移させてもよい。このようにすることで、比較的発電効率の低い暖機発電が長時間継続され無駄にエネルギーが消費されることを、回避することが可能となる。

＜その他の実施例＞
ここで、燃料電池１１での暖機発電においては、水素タンク１７やコンプレッサ１８から供給される燃料ガスや酸化ガスのバランスを調整することが行われてもよい。例えば、燃料電池１１に供給される酸化ガスの濃度を燃料ガスに比べて小さくし、結果として燃料電池１１への供給酸素を不足気味にすることで、燃料電池１１の発電効率を低下させ、結果的に発熱が促進され、暖機を図ることが可能となる。

しかし、このように燃料電池１１への供給酸素を不足気味にすると、そのアノード側に供給された水素ガスが、プロトンとして燃料電池１１の電解質膜を通りそのカソード側に移動したとき、十分な酸素と結合せず、再び水素分子を形成してしまう水素ポンピング現象が生じる可能性がある。この水素ポンピング現象により、水素がカソード側のオフガスとして外部に放出される可能性があるため、該現象の発生は好ましくない。

そこで、本実施例では、上記暖機発電制御が行われるときに、水素ポンピング現象を可及的に発生させないように燃料電池１１の運転状態を決定する。具体的には、水素ポンピング現象により燃料電池１１のカソード側に発生する水素濃度は、燃料電池１１の暖機に要する出力を達成すべく該燃料電池１１の作動電圧を低くするに従い、上昇する傾向が見出されている。そこで、上記発電制御が行われるときは、暖機発電時の燃料電池の作動電圧の最小値を、水素ポンピング現象によって生じる水素濃度の値が許容される値以下となる電圧値に制限するのが好ましい。更に好ましくは、その暖機発電時の燃料電池１１の作動電圧の最小値を、燃料電池１１において水素ポンピング現象が発生しない電圧値に制限
してもよい。

本発明の実施例に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 従来の燃料電池システムで設定される、燃料電池の出力電圧とモータ駆動のためのモータ必要電圧との相関関係を示す図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムで設定される、燃料電池の出力電圧とモータ駆動のためのモータ必要電圧との相関関係を示す図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムで設定される、燃料電池のＩＶ特性とバッテリのＩＶ特性との相関関係を示す第一の図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムで設定される、燃料電池のＩＶ特性とバッテリのＩＶ特性との相関関係を示す第二の図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電圧を横軸とし、ＦＣ昇圧コンバータの昇圧後の出口電圧を縦軸として形成される動作領域に対して、燃料電池の発電とＦＣ昇圧コンバータの昇圧動作とを関連付けて表示した第一のマップである。 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電圧を横軸とし、ＦＣ昇圧コンバータの昇圧後の出口電圧を縦軸として形成される動作領域に対して、燃料電池の発電とＦＣ昇圧コンバータの昇圧動作とを関連付けて表示した第二のマップである。 本発明に係る燃料電池システムにおける燃料電池での、発電による電力出力と発熱となる変換損失との相関を示す図である。 本発明に係る燃料電池システムにおける燃料電池の電流電圧特性とそれに伴う出力特性とを示した図である。 本発明に係る燃料電池システムでの、アイドル暖機発電時の燃料電池の動作状態を決定するための、等システム損失カーブと等パワーカーブとの相関関係を示す図である。 燃料電池が、暖機が必要な状態にあるときの、該燃料電池の電流電圧特性と出力特性とを示す図である。 本発明に係る燃料電池システムでの、走行暖機発電時の燃料電池の動作状態を決定するための、等システム損失カーブと等パワーカーブとの相関関係を示す図である。 本発明の実施例に係る燃料電池システムにおいて、燃料電池の暖機を行うための暖機制御に関するフローチャートである。

符号の説明

１・・・・車両
１０・・・・燃料電池システム
１１・・・・燃料電池（ＦＣ）
１２・・・・ＦＣ昇圧コンバータ
１３・・・・バッテリ
１４・・・・バッテリ昇圧コンバータ
１５・・・・インバータ
１６・・・・モータ
２０・・・・ＥＣＵ
２１・・・・アクセルペダルセンサ

Claims (10)

1. 負荷の駆動のための動力源であり、電力によって駆動される駆動モータと、
   酸素を含む酸化ガスと水素を含む燃料ガスとの電気化学反応によって発電を行い前記駆動モータに電力を供給する燃料電池と、
   前記燃料電池の非暖機条件下での通常発電を行う通常発電手段と、
   前記通常発電より発電効率が低く、前記燃料電池を暖機するためのシステム損失を生じさせる暖機発電を行う暖機発電手段と、
   前記燃料電池の暖機の必要性に関する所定指標に基づいて、前記暖機発電手段による暖機発電の実行を制御する暖機制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
   前記暖機制御手段は、前記暖機発電手段による前記燃料電池の暖機に必要な前記システム損失に関する、該燃料電池の出力電流と出力電圧とで定義される等パワーカーブと、該燃料電池の暖機時における前記駆動モータを含む負荷の駆動に要する暖機時出力に関する、該燃料電池の出力電流と出力電圧とで定義されるパワーカーブとの交点に基づいて、該暖機時出力に対応する出力を供給可能な該燃料電池の動作状態と、該システム損失を生じさせる該燃料電池の動作状態とを両立する所定の動作状態を、前記暖機発電手段による該燃料電池の暖機発電時の動作状態に設定する、
   燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から出力される電圧を昇圧し、昇圧後の電圧を前記駆動モータに供給することが可能である昇圧装置を、更に備え、
   前記暖機制御手段は、前記燃料電池の暖機時に、前記昇圧装置を介して該燃料電池の出力電圧を、前記駆動モータの駆動に要する所定駆動電圧に昇圧し、前記駆動モータに供給する、
   請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池の外気温度と該燃料電池自体との所定温度差に基づいて、前記システム損失の大きさが決定される、
   請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記暖機制御手段は、前記暖機時出力が所定負荷を超えるとき、該燃料電池の暖機発電時の動作状態を、暖機が必要とされる状態での前記燃料電池の電流電圧特性に基づいて決
   定される該燃料電池の最高出力状態とする、
   請求項１から請求項３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
5. 前記暖機制御手段は、前記燃料電池の出力電圧を該燃料電池が前記最高出力状態とされる一定の所定出力電圧となるように制御した状態で、該燃料電池の暖機発電時の動作状態を制御する、
   請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池システムは移動体に搭載され、且つ該移動体は前記駆動モータの駆動によって移動を行い、
   前記所定負荷は、前記燃料電池の暖機時に前記移動体が移動する際に必要とされる最小負荷である、
   請求項４又は請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記暖機制御手段は、暖機時の前記燃料電池におけるシステム熱収支がゼロ以上となるように、該燃料電池の暖機発電を行う、
   請求項１から請求項６の何れか一項に記載の燃料電池システム。
8. 前記暖機制御手段は、前記燃料電池の始動時、又は該燃料電池において前記通常発電が行われているときであって、該燃料電池自体の温度が、暖機が必要な所定温度以下となると、前記暖機発電手段による暖機発電を実行する、
   請求項１から請求項７の何れか一項に記載の燃料電池システム。
9. 前記暖機制御手段は、前記暖機発電手段の暖機発電によって前記燃料電池自体の温度が暖機終了温度となったとき、前記燃料電池での発電を、前記通常発電手段の通常発電に遷移させる、
   請求項１から請求項８の何れか一項に記載の燃料電池システム。
10. 前記暖機発電手段は、前記燃料電池に供給される酸素濃度を、前記通常発電時に該燃料電池に供給される酸素濃度より低くすることで、前記暖機発電を行い、
    前記暖機制御手段は、前記暖機発電手段による前記燃料電池の暖機発電時の動作状態を制御する際、該燃料電池の最小作動電圧を、前記暖機発電に起因する該燃料電池のカソード側での発生水素濃度が所定の基準濃度以下となる水素ポンピング抑制電圧に制限する、
    請求項１から請求項９の何れか一項に記載の燃料電池システム。

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