JP4821662B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は低効率運転により燃料電池を暖機する燃料電池システムに関し、特に、車両走行中の低効率運転における燃料電池の出力制御方法に関する。
燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る複数の膜−電極アッセンブリを積層して成るスタック構造を有している。なかでも、固体高分子膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池は、低コストでコンパクト化が容易であり、しかも高い出力密度を有することから、車載電力源としての用途が期待されている。
この種の燃料電池は、一般に７０〜８０℃が発電に最適な温度域とされているが、寒冷地などの環境では、起動してから最適温度域に達するまでに長時間を要する場合があるので、各種の暖機システムが検討されている。例えば、特開２００２−３１３３８８号公報には、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施することにより燃料電池の自己発熱量を制御し、車両走行しながら燃料電池を暖機する手法について開示されている。かかる手法は、燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性（電流対電圧特性）に基づく電圧値よりも低い電圧値に設定し、燃料電池の熱損失を増大させて自己発熱による暖機運転を実施するものであるため、暖機用の装置を搭載する必要がなく、利便性に優れている。
特開２００２−３１３３８８号公報
ところで、車両走行しながらの低効率運転では、燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧値よりも低い一定の電圧値に固定しつつ、燃料電池に供給される酸化ガス流量を要求電力に応じて可変制御するのが好適である。このときの燃料電池の出力電圧は、迅速な暖機運転を実現するとともに、車両走行に最低限度必要なモータ出力を得ることのできる一定の電圧値に設定される。ここで、燃料電池の出力電圧を一定の電圧値に固定する理由は、暖機運転時に発電効率を低下させる観点から燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧よりも低い電圧で運転制御する場合、燃料電池の出力電圧が変動（昇圧又は降圧）すると、燃料電池内部に寄生的に形成されている容量成分からの電力の充放電が生じてしまい、燃料電池から外部負荷（トラクションモータや車載補機類など）へ供給される電力に過不足が生じるためである。
一方、特開２００２−３１３３８８号公報に開示されている手法では、暖機運転時に燃料電池の発電効率を低下させる代償として、燃料電池の出力も低下させてしまうので、要求電力に見合った出力制御を実施できない。かかる問題を解決するには、車両走行しながらの低効率運転では、燃料電池の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧値よりも低い一定の電圧値に固定しつつ、燃料電池に供給される酸化ガス流量を要求電力に応じて可変制御すればよい。
しかし、燃料電池システムを車載電源とする燃料電池車両では、エアコンプレッサにより燃料電池に酸化ガスを供給しているものがある。エアコンプレッサに実装される駆動モータは応答性の良いものが採用されており、アクセル開度が急激に増大する場合におけるエアコンプレッサの応答性は良好である。しかし、エアコンプレッサには、ブレーキなどの減速手段が実装されていない場合が多いので、アクセル開度が急激に減少する場合における応答性は悪く、惰性により回転数が減少していくのを待っているのが現状である。
そのため、車両走行しながらの低効率運転時にアクセル開度が急激に減少しても、燃料電池への酸化ガス流量を急激に絞ることができないので、発電指令値よりも多い余剰電力を発電してしまう。この余剰電力はバッテリに充電されるが、低温環境下によりバッテリの充電能力が低下している場合には、バッテリの過充電を招く虞がある。
そこで、本発明は低効率運転時に燃料電池に対する要求電力が急激に減少したときに外部負荷に余剰電力を供給しないように制御することのできる燃料電池システムを提案することを課題とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、燃料電池に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給装置と、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転により燃料電池を暖機する暖機手段と、低効率運転時に燃料電池の出力電圧を一定の電圧値に設定し、且つ、燃料電池への酸化ガス供給量を可変制御することにより、要求電力に応じた発電制御を実施し、低効率運転を実施している最中に燃料電池に対する発電指令値が減少した場合において、発電指令値の減少に追従するように燃料電池への酸化ガス供給を制御できる場合には、燃料電池の出力電圧を一定に保持したまま、燃料電池への酸化ガス供給を絞る一方、発電指令値の減少に追従するように燃料電池への酸化ガス供給を制御できない場合には、燃料電池への酸化ガス供給を絞るとともに、燃料電池の出力電圧を昇圧させることにより、記発電指令値を超える余剰電力を、燃料電池の触媒層と電解質膜との界面に寄生的に形成される電気二重層の容量成分に充電する制御手段とを備える。
かかる構成によれば、低効率運転中に発電指令値が急減した場合において、発電指令値の減少に追従するように燃料電池への酸化ガス供給を制御できない場合には、発電指令値を超える余剰電力を燃料電池の容量成分に充電することができるので、燃料電池から外部負荷への余剰電力供給を抑制できる。
酸化ガス供給装置は、回生ブレーキを備えてもよい。かかる構成によれば、低効率運転を実施している最中に燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、回生ブレーキによる回生制動により、発電指令値の減少に追従して燃料電池への酸化ガス供給を減少させることができる。
酸化ガス供給装置は、機械式ブレーキを備えてもよい。かかる構成によれば、低効率運転を実施している最中に燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、機械式ブレーキによる制動により、発電指令値の減少に追従して燃料電池への酸化ガス供給を減少させることができる。
制御手段は、低効率運転を実施している最中に燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、発電指令値の減少に追従して燃料電池への酸化ガス供給が減少するように発電指令値の減少を緩やかにしてもよい。
燃料電池システムは、酸化ガス供給装置から供給される酸化ガスの一部を、燃料電池をバイパスして排気するためのバイパス手段を更に備えてもよい。かかる構成によれば、バイパス手段は、低効率運転を実施している最中に燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、バイパス手段を通過する酸化ガスのバイパス流量を制御することにより、発電指令値の減少に追従して燃料電池への酸化ガス供給を減少させることができる。
燃料電池システムは、余剰電力を充電するための十分な容量を有する蓄電装置を更に備えてもよい。
ここで、燃料電池の容量成分とは、燃料電池の触媒層と電解質膜との界面に寄生的に形成される電気二重層の容量成分を意味する。その容量値は、触媒層の酸化還元反応により変動する。また、低効率運転とは、燃料電池の電流対電圧特性曲線より定まる電圧値よりも低い電圧値を有する運転ポイントで電池運転することを意味する。
本発明によれば、低効率運転中に発電指令値が急減した場合において、発電指令値の減少に追従するように燃料電池への酸化ガス供給を制御できない場合には、発電指令値を超える余剰電力を燃料電池の容量成分に充電することができるので、燃料電池から外部負荷への余剰電力供給を抑制できる。
以下、各図を参照しながら本発明に係わる実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係わる燃料電池システム１０のシステム構成を示す。
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却系６０と、システム全体を制御するコントローラ（ＥＣＵ）７０とを備えている。
燃料電池スタック２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（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）
燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、及び発電電流を検出するための電流センサ７２が取り付けられている。
酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。
酸化ガス通路３４と酸化オフガス通路３６との間には、燃料電池スタック２０をバイパスして両者間を接続するバイパス通路３８と、バイパス通路３８を流れる酸化ガス流量を調整するバイパス弁３９とが配設されている。バイパス弁３９は、通常時には閉弁している。バイパス通路３８とバイパス弁３９とは、バイパスエア流量を調整するためのバイパス手段として機能する。
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４３に圧送する循環ポンプ４７と、循環通路４７に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。
燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。
尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。
インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３４を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４７は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。
電力系５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、バッテリ５２から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ５３に出力する機能と、燃料電池スタック２０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ５４が回収した回生電力を降圧してバッテリ５２に充電する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が制御される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１による電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。
トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ７０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、例えば、三相交流モータであり、燃料電池車両の動力源を構成する。
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
冷却系６０は、燃料電池スタック２０内部を循環する冷媒を流すための冷媒通路６１、６２，６３，６４、冷媒を圧送するための循環ポンプ６５、冷媒と外気との間で熱交換するためのラジエータ６６、冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁６７、及び冷媒温度（スタック温度）を検出するための温度センサ７４を備えている。暖機運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６４を流れてラジエータ６６にて冷却された後、冷媒通路６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。一方、システム起動直後における暖機運転時には、燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１，６２，６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。
コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部（酸化ガス供給系３０、燃料ガス供給系４０、電力系５０、及び冷却系６０）を制御するための制御手段として機能する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基にシステム全体の要求電力を求める。
システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算し、燃料電池スタック２０の発電量が目標電力に一致するように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御する。更にコントローラ７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を制御して、燃料電池スタック２０の出力電圧を調整することにより、燃料電池スタック２０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように、例えば、スイッチング指令としてＵ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク及び回転数を制御する。
図２は燃料電池スタック２０を構成するセル２１の分解斜視図である。
セル２１は、電解質膜２２と、アノード極２３と、カソード極２４と、セパレータ２６，２７とから構成されている。アノード極２３及びカソード極２４は、電解質膜２２を両側から挟んでサンドイッチ構造を成す拡散電極である。ガス不透過の導電性部材から構成されるセパレータ２６，２７は、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード極２３及びカソード極２４との間にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスの流路を形成する。セパレータ２６には、断面凹状のリブ２６ａが形成されている。リブ２６ａにアノード極２３が当接することで、リブ２６ａの開口部は閉塞され、燃料ガス流路が形成される。セパレータ２７には、断面凹状のリブ２７ａが形成されている。リブ２７ａにカソード極２４が当接することで、リブ２７ａの開口部は閉塞され、酸化ガス流路が形成される。
アノード極２３は、白金系の金属触媒（Ｐｔ，Ｐｔ−Ｆｅ，Ｐｔ−Ｃｒ，Ｐｔ−Ｎｉ，Ｐｔ−Ｒｕなど）を担持するカーボン粉末を主成分とし、電解質膜２２に接する触媒層２３ａと、触媒層２３ａの表面に形成され、通気性と電子導電性とを併せ持つガス拡散層２３ｂとを有する。同様に、カソード極２４は、触媒層２４ａとガス拡散層２４ｂとを有する。より詳細には、触媒層２３ａ，２４ａは、白金、又は白金と他の金属からなる合金を担持したカーボン粉を適当な有機溶媒に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、電解質膜２２上にスクリーン印刷したものである。ガス拡散層２３ｂ、２４ｂは、炭素繊維から成る糸で織成したカーボンクロス、カーボンペーパー、又はカーボンフェルトにより形成されている。電解質膜２２は、固体高分子材料、例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を発揮する。電解質膜２２、アノード極２３、及びカソード極２４によって膜−電極アッセンブリ２５が形成される。
図３は燃料電池スタック２０のＣ−Ｖ特性（サイクリックボルタノグラム）を示している。
このＣ−Ｖ特性は、燃料電池スタック２０の動的な電気特性を示すものであり、燃料電池スタック２０の電圧を一定の速度で昇圧させていくと、外部から燃料電池スタック２０へ流れ込む方向（マイナス方向）に電流が流れ、燃料電池スタックの電圧を一定の速度で降圧させていくと、燃料電池スタック２０から外部へ流れる方向（プラス方向）に電流が流れる。このような動的な電気特性は、燃料電池スタック２０が寄生的に有する容量成分によるものであることが判明している。
再び図２を参照すると、電解質膜２２と触媒層２３ａとの界面、電解質膜２２と触媒層２４ａとの界面には、上記の（１）〜（２）式に示す電気化学反応に関与する電子と水素イオンとが集合することにより、電気二重層が形成される。電気二重層に集まる電子と水素イオンとによって生じる電圧は、基底状態にある水素ガス及び酸素ガスのそれぞれを活性化するためのエネルギー源として消費されるので、一般的に活性化過電圧と称される。上記界面に形成される電気二重層は、電気エネルギー貯蔵源として機能するものであり、その動的な電気特性は、キャパシタと等価であることが知られている。発電電流を急激に増減させると、電解質膜２２のオーム抵抗に起因するオーム電圧降下は、発電電流の変化に対して応答性よく追従していくが、電気二重層に生じる活性化過電圧は、発電電流の変化に対して応答性よく追従することができず、ある程度の時間をかけてゆっくりと平衡状態に落ち着く。このような相違が生じる理由は、電解質膜２２の電気特性は、抵抗素子としてモデル化できるのに対し、電気二重層の電気特性は、キャパシタとしてモデル化できるためである。
図４は燃料電池スタック２０の動的な電気特性をモデル化した等価回路図である。
燃料電池スタック２０は、理想燃料電池２８とキャパシタ２９とが並列接続されてなる回路構成を有している。理想燃料電池２８は、上述のＣ−Ｖ特性を有しない仮想的な燃料電池をモデル化したものであり、電気特性上、可変電源と等価な振る舞いをする。キャパシタ２９は、上記界面に形成される電気二重層の電気的な振る舞いを容量素子としてモデル化したものである。外部負荷５６は電力系５０をモデル化した等価回路である。理想燃料電池２８から流れ出す電流をＩｆｃ、理想燃料電池２８の出力電圧（燃料電池スタック２０の出力電圧）をＶｆｃ、キャパシタ２９に流れ込む電流をＩｃ、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流をＩｓ、キャパシタ２９の容量をＣ、時間をｔとすると、以下に示す（４）〜（５）式が成立する。
Ｉｆｃ＝Ｉｃ＋Ｉｓ …（４）
Ｉｃ＝Ｃ・ΔＶｆｃ／Δｔ …（５）
（４）〜（５）式に示すように、出力電圧Ｖｆｃを昇圧すると、単位時間あたりの変化量ΔＶｆｃ／Δｔに応じて、キャパシタ２９に流れ込む電流Ｉｃが増加するので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓは減少する。一方、出力電圧Ｖｆｃを降圧すると、単位時間あたりの変化量ΔＶｆｃ／Δｔに応じて、キャパシタ２９に流れ込む電流Ｉｃが減少するので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓは増加する。このように、出力電圧Ｖｆｃの単位時間あたりの昇降圧量を制御することにより、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に流れ出す電流Ｉｓを加減することができる（以下、便宜上、ΔＶ制御と称する。）。
本実施形態では、燃料電池システム１０を起動したときのスタック温度が所定温度（例えば０℃）未満である場合に車両走行しながらの低効率運転を実施し、燃料電池スタック２０を暖機する。低効率運転とは、エアストイキ比を１．０付近に設定して燃料電池スタック２０への反応ガス供給量を制御することにより発電損失を高めて低い発電効率で運転することをいう。エアストイキ比とは、酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給酸素がどれだけ余剰であるかを示す。エアストイキ比を低く設定して低効率運転を実施すると、通常運転時よりも濃度過電圧が大きくなるので、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギーのうち熱損失（発電損失）が増大する。
車両走行しながらの低効率運転では、燃料電池スタック２０の出力電圧をそのＩ−Ｖ特性に基づく電圧値よりも低い一定の電圧値に固定しつつ、燃料電池スタック２０に供給される酸化ガス流量を要求電力に応じて可変制御する。ここで、燃料電池スタック２０の出力電圧を一定の電圧値に固定する理由は、燃料電池スタック２０の出力電圧を変動させると、（４）〜（５）式に示すように、燃料電池スタック２０の容量特性によりキャパシタ２９からの電力の充放電が生じてしまい、燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力に過不足が生じるためである。
低効率運転時の燃料電池スタック２０の出力電圧は、迅速な暖機運転を実現するとともに、車両走行に最低限度必要なモータ出力を得ることのできる電圧値に設定される。早期暖機の観点からは、燃料電池スタック２０の出力電圧をできるだけ低く設定するのが望ましいが、過度に低すぎると、車両走行に必要なモータ出力を得ることができない場合があるので、暖機性能を満足しつつ車両走行時の適度なモータ出力を得ることのできる電圧に設定するのが望ましい。ＦＣ出力端に昇圧コンバータを備える場合は、この限りでない。
このように、低効率運転時における燃料電池スタック２０の出力電圧は、一定電圧に固定されるので、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給量を可変制御することにより、要求電力（アクセル開度等）に応じた発電制御を実施する。例えば、高負荷時には、燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を増大し、低負荷時には、燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を減少させる。但し、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給は一定流量に保持されるものとする。
尚、低効率運転は、スタック温度が所定温度（例えば０℃）に昇温するまで実施され、スタック温度が所定温度に達すると、通常運転に切り替えられる。
次に、低効率運転実施時に燃料電池スタック２０に対する発電要求が急減したときの外部負荷５６への余剰電力供給を抑制する方法について説明する。
図５は燃料電池スタック２０のＩ−Ｖ特性を示している。
通常運転時には、発電効率を高めるため、運転ポイント（出力電流Ｉｆｃ、出力電圧Ｖｆｃ）がＩ−Ｖ特性曲線２００上に位置するように運転制御する。一方、低効率運転時には、発電効率を意図的に低下させて熱損失を高めるので、運転ポイントは、Ｉ−Ｖ特性曲線２００よりも低い電圧ポイント、例えば、出力電圧Ｖｆｃ＝Ｖ１に設定される。Ｖ低効率運転では、出力電圧ＶｆｃはＶ１に固定されるので、エアコンプレッサ３２から燃料電池スタック２０に供給される酸化ガス流量を制御することにより出力電流Ｉｆｃを調整し、運転負荷（例えば、アクセル開度）に応じた発電制御を実施する。
尚、符号３００，４００は低効率運転時のＩ−Ｖ特性曲線を示している。
低効率運転により車両走行しながら暖機運転しているときの運転ポイントをＡ（Ｉ３，Ｖ１）とし、運転手がアクセルオフにすることにより発電指令値ＰｒｅｆとしてＷ１が指定された場合を考察する。ここで、等パワーライン５００は、発電電力がＷ１になる運転ポイントの集合体であるものとする（例えば、運転ポイントＢの発電電力Ｉ２×Ｖ１と、運転ポイントＢ'の発電電力Ｉ１×Ｖ２は、何れもＷ１に等しい。）。アクセルオフ後の運転ポイントは、等パワーライン５００上に存在し得る複数の運転ポイントのうち何れか一つの運転ポイントに設定される。
例えば、図６に示すように、エアコンプレッサ３２の回転数がアクセル開度（発電要求）に追従できる程度の速さで時刻ｔ１０から時刻ｔ１１にかけてアクセル開度を次第に絞っていくと、発電指令値Ｐｒｅｆと発電量Ｐｍｅｓとの間に殆ど差異はなく、余剰電力Ｗｓは殆ど発生しない。このような場合には、アクセル開度に応じて燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を絞るだけで発電電力をＷ１に設定できるので、図５に示すように、出力電圧ＶｆｃをＶ１に維持したまま、出力電流ＩｆｃがＩ３からＩ２に低下するように酸化ガス流量を絞り、運転ポイントをＡからＢに移動すればよい。
一方、図７に示すように、エアコンプレッサ３２の回転数がアクセル開度（発電要求）に追従できない程度の速さで、時刻ｔ２０においてアクセル開度を急激に絞ると、エアコンプレッサ３２は、急激にその回転数を低下させることができず、発電指令値Ｐｒｅｆに見合う回転数よりも多めの回転数にて惰性的に回転し続ける。そのため、発電指令地Ｐｒｅｆと発電量Ｐｍｅｓとの差分に相当する余剰電力Ｗｓが発生する。このような場合にはΔＶ制御により出力電圧ＶｆｃをΔＶｆｃ＝Ｖ２−Ｖ１だけ昇圧させ、図５に示すように運転ポイントをＡからＢ'に移動させて、余剰電力Ｗｓをキャパシタ２９に充電することにより、燃料電池スタック２０から外部負荷５６に供給される電力値（Ｐｍｅｓ−Ｗｓ）と発電指令値Ｐｒｅｆとを一致させればよい。
尚、運転ポイントＡで電池運転しているときにキャパシタ２９に蓄えられる電気エネルギーと、運転ポイントＢ'で電池運転しているときにキャパシタ２９に蓄えられる電気エネルギーとの差分が余剰電力Ｗｓに相当する。
本実施形態によれば、低効率運転中に発電指令値Ｐｒｅｆが急減した場合において、発電指令値Ｐｒｅｆの減少に追従するように燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を制御できない場合には、出力電圧Ｖｆｃを昇圧することにより余剰電力Ｗｓをキャパシタ２９に充電することができるので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６への余剰電力供給を抑制できる。
尚、発電指令値Ｐｒｅｆの急減に応じてエアコンプレッサ３２の回転を急減できない場合の対策として、以下の手段（１）〜（５）を講じても良い。
（１）エアコンプレッサ３２に回生ブレーキを予め実装し、アクセルオフ時にエアコンプレッサ３２による電力回生を実施することで、エアコンプレッサ３２の減速応答性を高める。
（２）エアコンプレッサ３２に機械式ブレーキを予め実装し、アクセルオフ時のエアコンプレッサ３２の減速応答性を高める。
（３）アクセルオフ時にエアコンプレッサ３２が追従できる程度に発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させる。即ち、発電量Ｐｍｅｓと発電指令値Ｐｒｅｆとの差分に相当する余剰電力Ｗｓが少なくなるように発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させる。発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させていくということは、運転負荷に見合う電力以上の電力を発電指令値に設定するということである。アクセルオフ時にドライバビリティに影響を与えない範囲内で発電指令値Ｐｒｅｆを緩やかに減少させていく手法は、所謂アクセルなましと称されている手法である。アクセルなましを実施することで、トラクションモータ５４の回転トルクは緩やかに減少していくので、発電指令値Ｐｒｅｆと発電量Ｐｍｅｓとの差分に相当する余剰電力Ｗｓは僅かなものとなり、ΔＶ制御によって余剰電力Ｗｓを吸収するのが容易となる。
（４）アクセルオフ時にエアコンプレッサ３２から燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を安定限界流量まで低下させ、更にバイパス弁３９の弁開度を調整することにより、燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を安定限界流量以下に絞り込む。安定限界流量とは低回転領域での流量安定性ないし応答性を確保できる範囲内でエア供給できる最低限界流量を意味するものとする。エアコンプレッサ３２の容量が大容量である場合には、アクセルオフ時に燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力に過不足が生じないように、燃料電池スタック２０へ供給される酸化ガス流量を安定限界流量以下に絞ることは困難であるが、上記の構成によれば、バイパス通路３８を流れるバイパスエア流量を調整することにより、アクセルオフ時に燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力に過不足が生じないように、燃料電池スタック２０へ供給される酸化ガス流量を安定限界流量以下に絞ることが可能となる。
（５）十分な容量のバッテリ５２を搭載することで、アクセルオフ時に発生する余剰電力Ｗｓをバッテリ５２に充電する。
上述の実施形態では、燃料電池システム１０を車載電源システムとして用いる利用形態を例示したが、燃料電池システム１０の利用形態は、この例に限られるものではない。例えば、燃料電池システム１０を燃料電池車両以外の移動体（ロボット、船舶、航空機等）の電力源として搭載してもよい。また、本実施形態に係わる燃料電池システム１０を住宅やビル等の発電設備（定置用発電システム）として用いてもよい。
本実施形態に関る燃料電池システムのシステム構成図である。 セルの分解斜視図である。 燃料電池スタックのＣ−Ｖ特性図である。 燃料電池スタックの等価回路図である。 燃料電池スタックの運転ポイントの説明図である。 ΔＶ制御の制御過程を示すタイミングチャートである。 ΔＶ制御の制御過程を示すタイミングチャートである。
符号の説明
１０…燃料電池システム ２０…燃料電池スタック ３０…酸化ガス供給系 ４０…燃料ガス供給系 ５０…電力系 ６０…冷却系 ７０…コントローラ

Claims (8)

  1. 燃料ガス及び酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池と、
    前記燃料電池に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置と、
    前記燃料電池に前記酸化ガスを供給するための酸化ガス供給装置と、
    通常運転に比して発電効率の低い低効率運転により燃料電池を暖機する暖機手段と、
    低効率運転時に前記燃料電池の出力電圧を一定の電圧値に設定し、且つ、前記燃料電池への酸化ガス供給量を可変制御することにより、要求電力に応じた発電制御を実施し、前記低効率運転を実施している最中に前記燃料電池に対する発電指令値が減少した場合において、前記発電指令値の減少に追従するように前記燃料電池への酸化ガス供給を制御できる場合には、前記燃料電池の出力電圧を一定に保持したまま、前記燃料電池への酸化ガス供給を絞る一方、前記発電指令値の減少に追従するように前記燃料電池への酸化ガス供給を制御できない場合には、前記燃料電池への酸化ガス供給を絞るとともに、前記燃料電池の出力電圧を昇圧させることにより、前記発電指令値を超える余剰電力を、前記燃料電池の触媒層と電解質膜との界面に寄生的に形成される電気二重層の容量成分に充電する制御手段と、
    を備え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であって、
    前記低効率運転は、前記燃料電池の電流対電圧特性曲線より定まる電圧値よりも低い電圧値を有する運転ポイントで電池運転することである、燃料電池システム。
  3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化ガス供給装置は、回生ブレーキを備えており、前記低効率運転を実施している最中に前記燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、前記回生ブレーキによる回生制動により、前記発電指令値の減少に追従して前記燃料電池への酸化ガス供給を減少させる、燃料電池システム。
  4. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化ガス供給装置は、機械式ブレーキを備えており、前記低効率運転を実施している最中に前記燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、前記機械式ブレーキによる制動により、前記発電指令値の減少に追従して前記燃料電池への酸化ガス供給を減少させる、燃料電池システム。
  5. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記制御手段は、前記低効率運転を実施している最中に前記燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、前記発電指令値の減少に追従して前記燃料電池への酸化ガス供給が減少するように前記発電指令値の減少を緩やかにする、燃料電池システム。
  6. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記酸化ガス供給装置から供給される酸化ガスの一部を、前記燃料電池をバイパスして排気するためのバイパス手段を更に備え、
    前記バイパス手段は、前記低効率運転を実施している最中に前記燃料電池に対する発電指令値が減少した場合に、前記バイパス手段を通過する酸化ガスのバイパス流量を制御することにより、前記発電指令値の減少に追従して前記燃料電池への酸化ガス供給を減少させる、燃料電池システム。
  7. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムであって、
    前記余剰電力を充電するための蓄電装置を更に備える、燃料電池システム。
  8. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
    前記容量成分の容量値は、前記触媒層の酸化還元反応により変動するものである、燃料電池システム。
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