JP4910791B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は燃料電池の出力電圧を降下させるときに、燃料電池の容量成分からの放電を加味して運転制御する燃料電池システムに関する。

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膜−電極アッセンブリを複数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２００４−３０９７９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、燃料電池を暖機する手法について開示されている。かかる手法によれば、燃料電池による自己暖機が可能であるため、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２００４−３０９７９号公報

ところで、低効率運転中に燃料電池への要求電力が低減した場合、エアコンプレッサから燃料電池へのエア流量を急激に絞ることができないので、発電指令値を超える余剰電力を発電してしまうことがある。かかる余剰電力は、燃料電池の出力電圧を一時的に昇圧することにより燃料電池の容量成分に充電させることができる。

そして、余剰電力が燃料電池の容量成分に充電された後は、燃料電池の出力電圧を元の電圧に降圧させる必要がある。燃料電池の出力電圧を降圧させると、燃料電池の容量成分に充電されている電力が外部負荷に放電し始めるので、燃料電池から外部負荷に供給される電力が要求電力を超えないように、燃料電池の発電量を適度に抑制することが検討課題となっている。

このような検討課題は、通常運転から低効率運転に切り替えるときや、システム停止時など、燃料電池の出力電圧を降圧させるときに共通して生じるものである。

そこで、本発明は燃料電池の出力電圧を降圧したときに、燃料電池の容量成分から外部負荷への放電を加味して電池運転を制御す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、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、燃料電池の出力電圧を降圧させるときに燃料電池の容量成分からの放電を加味して酸化ガス供給装置から燃料電池に供給される酸化ガス流量を低減させる制御手段と、を備える。

燃料電池の出力電圧を降圧させると、燃料電池の容量成分から外部負荷へ放電が生じるので、かかる放電を加味して燃料電池への酸化ガス供給を低減することで、燃料電池から外部負荷へ供給される電力と、外部負荷が要求する電力とを一致させることができる。

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。

本発明に係わる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。バイパス手段は、燃料電池の出力電圧を降圧させるときに酸化ガスのバイパス流量を調整することにより燃料電池に供給される酸化ガス流量を低減させる。

酸化ガス供給装置が大流量向けのものであり、低流量ガスを安定供給することが困難な流量特性を有している場合には、電圧降下処理時に燃料電池の発電を適度に抑制するために燃料電池への酸化ガス流量を調整することは困難であるが、上記の構成によれば、バイパス手段を流れるバイパスエア流量を調整することにより、電圧降下処理時に燃料電池から外部負荷へ供給される電力と外部負荷が要求する電力とが一致するように、燃料電池の発電を適度に抑制することができる。

また、酸化ガス供給装置が大流量向けものであり、低流量ガスを安定供給することが困難な流量特性を有している場合には、電圧降下処理完了後に要求電力に見合う電力を発電することを目的として酸化ガス供給装置から燃料電池へ酸化ガスを供給すると、必要以上の酸化ガスを燃料電池に供給してしまい、余剰電力を発生させてしまう可能性があるが、上記の構成によれば、酸化ガス供給装置の駆動制御に加えてバイパス手段を流れるバイパスエア流量を調整することにより、要求電力に見合う酸化ガスを燃料電池に安定供給することができる。

一方、酸化ガス供給装置が小流量向けものであり、低流量ガスを安定供給することが可能な流量特性を有している場合には、電圧降下処理時に燃料電池から外部負荷へ供給される電力と外部負荷が要求する電力とが一致するように、燃料電池へ供給される酸化ガス流量を微調整することが可能であり、しかも電圧降下処理完了後に要求電力に見合う酸化ガスを燃料電池に安定供給することも可能である。このよう場合には、制御手段は、燃料電池の出力電圧を降圧させるときに、酸化ガス供給装置から燃料電池への酸化ガス供給を停止してもよい。

燃料電池の出力電圧を降圧する場合として、例えば、（１）通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施している最中に発生した余剰電力を燃料電池の容量成分に充電するために燃料電池の出力電圧を昇圧し、容量成分への余剰電力の充電が完了した段階で燃料電池の出力電圧を降圧する場合、（２）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際に燃料電池の出力電圧を燃料電池の電流対電圧特性曲線により定まる電圧値以下に降圧する場合がある。

本発明によれば、燃料電池の出力電圧を降圧したときに、燃料電池の容量成分から外部負荷への放電を加味して電池運転を制御することができる。

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おり、後述する電圧降下処理時に開弁される。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〜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、発電指令値を演算するとともに、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トルクが得られるように、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の電圧を一定の電圧上昇率で昇圧させると、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電圧下降率で降圧させると、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。）。

ΔＶ制御の応用例として、例えば、低効率運転時に燃料電池スタック２０への発電要求が急減したときに、出力電圧Ｖｆｃを制御することによりキャパシタ２９に余剰電力を吸収する方法がある。低効率運転とは、エアストイキ比を１．０未満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、電力損失を高めて、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（電力損失）が増大する。

低効率運転は、例えば、低温起動時（スタック温度が所定温度以下の起動時）において熱損失を意図的に増大させることによって、燃料電池スタック２０を迅速に暖機するための手段として、車両走行前の起動準備段階又は車両走行しながらの暖機運転時に実施される。

車両走行しながらの低効率運転は、燃料電池スタック２０への燃料ガス供給量を一定に保持しつつ、アクセル開度に応じて所望の電力が得られるよう燃料電池スタック２０への酸化ガス流量を調整しながら、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。

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（電流対電圧特性曲線）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。Ｖ１としては、例えば、燃料電池スタック２０の開放端電圧ＯＣＶの１／２程度が好ましい。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。

例えば、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ＯＰ１（Ｉ１，Ｖ１）とする。運転手がアクセルオフにすることにより、燃料電池スタック２０に対する発電指令値が急減しても、エアコンプレッサ３２は、ブレーキ等の減速手段を備えていないので、急激にその回転数を低下させることができず、発電指令値に見合う回数数より多めの回転数にて暫く回転し続ける。すると、燃料電池スタック２０の発電量と発電指令値との差分に相当する余剰電力が発生する。この余剰電力は、ΔＶ制御により出力電圧ＶｆｃをＶ１からＶ２に昇圧させることにより（このとき運転ポイントは、ＯＰ１からＯＰ２に移動する。）、燃料電池スタック２０内部に寄生的に存在するキャパシタ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に供給される電力値と発電指令値とをほぼ一致させることができる。

余剰電力をキャパシタ２９に充電した後は、出力電圧ＶｆｃをＶ２からＶ１に降圧させることにより、運転ポイントをＯＰ２からＯＰ１に引き戻す。このとき、キャパシタ２９に充電されている電力は、出力電圧Ｖｆｃの低下に伴い外部負荷５６へ放電されるので、燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力（燃料電池スタック２０の発電電力とキャパシタ２９からの放電電力との総和）と、外部負荷５６が要求する電力とが一致するように、燃料電池スタック２０の発電を抑制する必要がある。

そこで、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（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）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。

エアコンプレッサ３２の容量が大容量である場合には、電圧降下処理時に燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力と、外部負荷５６が要求する電力とが一致するように、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、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。

電圧降下処理完了後では、要求電力に見合う酸化ガスが燃料電池スタック２０に供給されるようにエアコンプレッサ３２の回転数とバイパス弁３９の弁開度を調整する。エアコンプレッサ３２の容量が大容量である場合には、電圧降下処理完了後に要求電力に見合う電力を発電することを目的としてエアコンプレッサ３２を駆動すると、必要以上の酸化ガスを燃料電池スタック２０に供給してしまい、余剰電力を発生させてしまう可能性があるが、上記の構成によれば、エアコンプレッサ３２の駆動制御に加えてバイパス通路３８を流れるバイパスエア流量を調整することにより、要求電力に見合う酸化ガスを燃料電池スタック２０に安定供給することができる。

尚、エアコンプレッサ３２の容量が小さい場合であって、電圧降下処理時に燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力と、外部負荷５６が要求する電力とが一致するように燃料電池スタック２０へ供給されるエア流量を微調整することが可能であり、しかも電圧降下処理完了後に要求電力に見合う酸化ガスを燃料電池スタック２０に安定供給できる場合には、バイパス通路３８は必須ではない。更にこのような場合には、電圧降下処理時にエアコンプレッサ３２の駆動を停止することも可能である。

尚、Ｉ−Ｖ特性曲線２００上に位置する運転ポイントＯＰ３（Ｉ１，Ｖ３）は、出力電流Ｉ１のときに燃料電池スタック２０から理論上最大限出力できる電圧がＶ３であることを示している。運転ポイントＯＰ１にて低効率運転を実施している最中に、出力電流ＩｆｃをＩ１に維持しつつ、ΔＶ制御によって、出力電圧Ｖｆｃを昇圧できる範囲は、ＯＰ１〜ＯＰ３の範囲に限られるので、（Ｖ３−Ｖ１）を超える電圧上昇が指令されると、指令された電圧値に対応するＩ−Ｖ特性曲線２００上の運転ポイントが新たな運転ポイントになる。

図６はΔＶ制御の制御過程を示すタイミングチャートである。
燃料電池スタック２０に対する発電要求が急減する例として、時刻ｔ１０〜時刻ｔ１１の期間において、アクセルオンの状態が維持され、時刻ｔ１１のタイミングでアクセルオフとなる場合を想定し、ΔＶ制御について説明する。

アクセルオフになる時刻ｔ１１では、燃料電池スタック２０の運転負荷（具体的には車両走行に要する電力）が低減するので、コントローラ７０は、運転負荷の低減に見合う電力が発電されるように発電指令値Ｐｒｅｆを演算する。このとき、車載補機類等に供給するための電力が発電できればよいので、発電指令値Ｐｒｅｆは次第に減少していく。時刻ｔ１１の時点における運転ポイントは、ＯＰ１（Ｉ１，Ｖ１）にあるものとする。

ところが、エアコンプレッサ３２は、ブレーキ等の減速手段を備えていないので、時刻ｔ１１でアクセルオフになっても直ちにその回転を制限することができず、暫くの期間、惰性で回転し続け、発電指令値Ｐｒｅｆに見合う酸化ガス供給量よりも多い酸化ガスを燃料電池スタック２０に供給する。そのため、燃料電池スタック２０の発電量Ｐｍｅｓは、発電指令値Ｐｒｅｆよりも多くなり、両者の差分Ｗｓは余剰電力となる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック２０の出力電圧ＶｆｃをΔＶｆｃ＝（Ｖ２−Ｖ１）だけ昇圧し、運転ポイントをＯＰ２（Ｉ１，Ｖ２）に設定する。すると、余剰電力Ｗｓは、燃料電池スタック２０内部の容量成分、即ち、キャパシタ２９に充電されるので、燃料電池スタック２０外部に出力される電力（Ｐｍｅｓ−Ｗｓ）と、発電指令値Ｐｒｅｆとは、ほぼ一致するようになる。

キャパシタ２９への余剰電力Ｗｓの充電が完了する時刻ｔ１２では、出力電圧ＶｆｃがΔＶｆｃ＝（Ｖ２−Ｖ１）だけ降圧され、運転ポイントは、ＯＰ２（Ｉ１，Ｖ２）からＯＰ１（Ｉ１，Ｖ１）に復帰する。このとき、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の発電を抑制する。エアコンプレッサ３２の容量が小さい場合であって、電圧降下処理完了後に要求電力に見合う酸化ガスを燃料電池スタック２０に安定供給できる場合には、電圧降下処理時にエアコンプレッサ３２の回転を停止してもよい。運転ポイントがＯＰ１に復帰した後は、要求電力に見合う酸化ガスが燃料電池スタック２０に供給されるようにエアコンプレッサ３２の回転数を制御する。

尚、電圧降下処理の一例として、余剰電力Ｗｓを吸収するために昇圧した出力電圧Ｖｆｃを降圧する処理を例示したが、その他に例えば、低温起動時において、出力電圧Ｖｆｃを開放端電圧ＯＣＶから所望の運転ポイントの電圧値に降下させて低効率運転を実施する場合にも上記の制御を適用できる。

以上説明したように、燃料電池スタック２０の出力電圧Ｖｆｃを降圧させたときのキャパシタ２９から外部負荷５６への放電を加味して燃料電池スタック２０への酸化ガス供給を低減することで、燃料電池スタック２０から外部負荷５６へ供給される電力と、外部負荷５６が要求する電力とを一致させることができる。

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。

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 (6)

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酸化ガスを供給する酸化ガス供給装置と、
   前記燃料電池の出力電圧を降圧させるときに前記燃料電池の容量成分からの放電を加味して前記酸化ガス供給装置から前記燃料電池に供給される酸化ガス流量を低減させる制御手段と、
   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、前記燃料電池の出力電圧を降圧させるときに前記酸化ガスのバイパス流量を調整することにより前記燃料電池に供給される酸化ガス流量を低減させる、燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、前記出力電圧を降圧させるときに前記酸化ガス供給装置から前記燃料電池への酸化ガス供給を停止する、燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施している最中に発生した余剰電力を前記容量成分に充電するために前記出力電圧を昇圧し、前記容量成分への余剰電力の充電が完了した段階で前記出力電圧を降圧する、燃料電池システム。
5. 請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記制御手段は、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転により前記燃料電池を暖機する際に前記出力電圧を前記燃料電池の電流対電圧特性曲線により定まる電圧値以下に降圧する、燃料電池システム。
6. 請求項１乃至請求項５のうち何れか１項に記載の燃料電池システムであって、
   前記容量成分は、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である、燃料電池システム。

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