JP5196246B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

次世代電池として開発されている燃料電池は、様々なものに採用されている。例えば、下記特許文献１には、情報処理装置の駆動電源に採用されている燃料電池に関する技術が開示されている。この情報処理装置では、燃料電池の特性に合わせた制御を行うために、消費電力が最大となる起動時に、起動処理に必要のないデバイスへの電力供給を制限して最大消費電力を低減させている。
特開２００４−１９２１７２号公報

ところで、燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）に搭載した場合には、例えば、ＷＯＴ（Wide Open Throttle：スロットルバルブ全開）時のように出力の急激な上昇要求を伴う運転に対しても効率よく車両の出力を確保させることが、ユーザビリティを向上させるうえで重要となる。そして、このような運転状況下では、動力損失が大きいコンプレッサの消費電力を低下させることが有効な手段として考えられる。しかしながら、コンプレッサの消費電力を無条件に低下させてしまうと、出力電圧の低下等を招き、安定した発電を維持することができなくなるおそれがある。

本発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、安定した発電を維持させつつ出力を確保させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、電力消費装置の消費電力を低減すると、システム全体の出力が高くなる特性を有する燃料電池システムであって、反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料電池において発電された電力を充電可能な蓄電部と、反応ガスのうちの酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路に設けられ、酸化ガスを前記燃料電池に供給するとともに、燃料電池および蓄電部のうちの少なくともいずれか一方から供給される電力により駆動するコンプレッサと、燃料電池に対する要求出力が、出力の急激な上昇要求を伴う運転状態のときに発令されたものであると判定する際の最低基準閾値以上である場合に、燃料電池の水分状態に応じて前記コンプレッサの消費電力を低減させる制御手段と、を備え、制御手段は、燃料電池の水分状態が湿潤状態であると判定した場合に、燃料電池における酸化ガスの圧力を低下させることでコンプレッサの消費電力を低減させる、ことを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池に対する要求出力が上記最低基準閾値以上である場合に、例えば、燃料電池の水分状態が乾燥状態や湿潤状態に移行して出力電圧が低下してしまうことのない条件下でコンプレッサにおける消費電力を低減させることが可能となる。したがって、例えば、ＷＯＴ（Wide Open Throttle）時のように出力の急激な上昇要求を伴う運転がなされた場合に、燃料電池の適正な水分状態を保持させながらコンプレッサの消費電力を低減させることができ、この低減分を燃料電池の出力に充当させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、酸化オフガス排出流路に設けられ、燃料電池における酸化ガスの圧力を調整するための調整弁と、をさらに備え、上記制御手段は、燃料電池の水分状態が湿潤状態であると判定した場合に、調整弁を制御して燃料電池における酸化ガスの圧力を低下させることでコンプレッサの消費電力を低減させることができる。

燃料電池における酸化ガスの圧力を低下させると、燃料電池の水分状態が乾燥状態に移行して出力電圧が低下してしまうおそれがあるが、この発明によれば、燃料電池の水分状態が湿潤状態であることを条件にして、酸化ガスの圧力を低下させることができるため、燃料電池の適正な水分状態を保持させながらコンプレッサの消費電力を低減させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、酸化ガスの圧力と燃料電池システム全体の出力との関係において、燃料電池システム全体の出力が最高値となる酸化ガスの圧力である最高出力時圧力を境にし、酸化ガスの圧力が最高出力時圧力よりも低いときには、酸化ガスの圧力が高くなるに従い燃料電池システム全体の出力が増加し、酸化ガスの圧力が最高出力時圧力よりも高いときには、酸化ガスの圧力が高くなるに従い燃料電池システム全体の出力が低下する特性を有し、上記制御手段は、酸化ガスの圧力を低下させる際に、上記最高出力時圧力に低下させることができる。

これにより、燃料電池システムとして発揮し得る最大限の出力を確保させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記制御手段は、燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定した場合に、コンプレッサのモータの回転数を制御してコンプレッサからの酸化ガスの供給量を減少させることでコンプレッサの消費電力を低減させることができる。

コンプレッサからの酸化ガスの供給量を減少させると、燃料電池の水分状態が湿潤状態に移行して出力電圧が低下してしまうおそれがあるが、この発明によれば、燃料電池の水分状態が乾燥状態であることを条件にして、酸化ガスの供給量を減少させることができるため、燃料電池の適正な水分状態を保持させながらコンプレッサの消費電力を低減させることができる。

上記燃料電池システムにおいて、酸化ガスの供給量と燃料電池システム全体の出力との関係において、燃料電池システム全体の出力が最高値となる酸化ガスの供給量である最高出力時供給量を境にし、酸化ガスの供給量が最高出力時供給量よりも少ないときには、酸化ガスの供給量が多くなるに従い燃料電池システム全体の出力が増加し、酸化ガスの供給量が最高出力時供給量よりも多いときには、酸化ガスの供給量が多くなるに従い燃料電池システム全体の出力が低下する特性を有し、上記制御手段は、コンプレッサからの酸化ガスの供給量を減少させる際に、上記最高出力時供給量に減少させることができる。

これにより、燃料電池システム全体として発揮し得る最大限の出力を確保させることが可能となる。

上記燃料電池システムにおいて、上記閾値を、出力の急激な上昇要求を伴う運転状態のときに燃料電池に対して発令される要求発電量とすることができる。

上記燃料電池システムにおいて、燃料電池に対する要求出力が前記最低基準閾値以上である場合に、前記蓄電部に対して要求する電力量から、バッファ用に確保するための電力量を削減した後の電力量を、前記蓄電部に要求する出力制御手段をさらに備え、前記出力制御手段は、前記燃料電池の出力が前記燃料電池に対する要求出力よりも低下した場合に、当該低下した出力分の電力量を、前記バッファ用に確保するための電力量から差し引くことができる。

これにより、例えば、ＷＯＴ時のように大きな要求出力が発生したときに、蓄電部に対して要求する電力量を、バッファ用に確保するための電力量の分だけ減らしてから、蓄電部に要求することができ、そのバッファ用に確保するための電力量を、燃料電池の出力が燃料電池に対する要求出力よりも低下したときに、その低下分の電力量を差し引いて管理することができる。それゆえ、例えば燃料電池の水分状態が変化する等して燃料電池の出力が燃料電池に対する要求出力よりも出力Ａだけ低下した場合であっても、その低下した分の出力Ａを、バッファ用に確保した電力量から補填し、燃料電池の出力と蓄電部の出力との合算値を一様に保つことが可能となるため、ＷＯＴ時のように大きな要求出力が発生したときにおける燃料電池システム全体の出力を安定して確保することができる。

本発明によれば、安定した発電を維持させつつ出力を確保させることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について説明する。本実施形態では、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして用いた場合について説明する。

まず、図１を参照して、本実施形態における燃料電池システムの構成について説明する。図１は、本実施形態における燃料電池システムを模式的に示した構成図である。

同図に示すように、燃料電池システム１は、反応ガスである酸化ガスおよび燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池２と、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３と、燃料ガスとしての水素を燃料電池２に供給する水素ガス配管系４と、燃料電池２に冷却水を循環供給する冷却系５と、システムの電力を充放電する電力系６と、システム全体を統括制御する制御部７とを有する。

燃料電池２は、例えば、高分子電解質形燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造となっている。単セルは、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極およびアノード極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの水素ガス流路に水素ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。燃料電池２には、燃料電池２の出力電圧を検出する電圧センサＶと、燃料電池２の出力電流を検出する電流センサＡが設けられている。

酸化ガス配管系３は、フィルタ３０を介して大気中の酸化ガスを取り込んで圧縮してから送出するコンプレッサ３１と、酸化ガスを燃料電池２に供給するための空気供給流路３２（酸化ガス供給流路）と、燃料電池２から排出された酸化オフガスを排出するための空気排出流路３３（酸化オフガス排出流路）とを有する。空気排出流路３３には、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を調整するための背圧調整弁３４（調整弁）が設けられている。空気排出流路３３のうち、燃料電池２の出口側には、酸化ガスの圧力を検出する圧力センサＰが設けられている。空気供給流路３２および空気排出流路３３には、燃料電池２から排出された酸化オフガスを用いてコンプレッサ３１から圧送された酸化ガスを加湿する加湿器３５が設けられている。この加湿器３５で水分交換等された酸化オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

水素ガス配管系４は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク４０と、水素タンク４０の水素ガスを燃料電池２に供給するための燃料供給流路としての水素供給流路４１と、燃料電池２から排出された水素オフガスを水素供給流路４１に戻すための水素循環流路４２とを有する。水素供給流路４１には、水素タンク４０からの水素ガスの供給を遮断または許容する主止弁４３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に調圧するレギュレータ４４とが設けられている。水素循環流路４２には、水素循環流路４２内の水素オフガスを加圧して水素供給流路４１側へ送り出す水素ポンプ４５が設けられている。また、水素循環流路４２には、気液分離器４６及び排気排水弁４７を介して排出流路４８が接続されている。気液分離器４６は、水素オフガスから水分を回収する。排気排水弁４７は、制御部７からの指令に従って、気液分離器４６で回収された水分と水素循環流路４２内の不純物を含む水素オフガスとを排出する。排気排水弁４７から排出された水素オフガスは、最終的に排ガスとしてシステム外の大気中に排気される。

冷却系５は、冷却水を冷却するラジエータ５１と、冷却水を燃料電池２およびラジエータ５１に循環供給する冷却水循環流路５２と、冷却水を冷却水循環流路５２に循環させる冷却水循環ポンプ５３とを有する。冷却水循環流路５２のうち、燃料電池２の出口側には、冷却水の温度を検出する温度センサＴが設けられている。

電力系６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１、二次電池であるバッテリ６２（蓄電部）、トラクションインバータ６３、トラクションモータ６４、図示しない各種の補機インバータ等を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ６１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ６２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ６３側に出力する機能と、燃料電池２またはトラクションモータ６４から入力された直流電圧を調整してバッテリ６２に出力する機能と、を有する。このようなＤＣ／ＤＣコンバータ６１の機能により、バッテリ６２の充放電が実現される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。

バッテリ６２は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とし、図示しないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。トラクションインバータ６３は、直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ６４に供給する。トラクションモータ６４は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１が搭載される燃料電池車両の主動力源を構成する。補機インバータは、各モータの駆動を制御する電動機制御部であり、直流電流を三相交流に変換して各モータに供給する。補機インバータは、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、制御部７からの制御指令に従って燃料電池２またはバッテリ６２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、各モータで発生する回転トルクを制御する。

制御部７は、燃料電池車両に設けられた加速操作部材（例えば、アクセル）の操作量を検出し、加速要求値（例えば、トラクションモータ６４等の電力消費装置からの要求発電量）等の制御情報を受けて、システム内の各種機器の動作を制御する。なお、電力消費装置には、トラクションモータ６４の他に、例えば、燃料電池２を作動させるために必要な補機装置（例えばコンプレッサ３１や水素ポンプ４５、冷却水循環ポンプ５３のモータ等）、車両の走行に関与する各種装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、乗員空間の空調装置（エアコン）、照明、オーディオ等が含まれる。

制御部７（制御手段）は、燃料電池２に対する要求発電量（要求出力）が所定の閾値以上である場合に、燃料電池２の水分状態に応じてコンプレッサ３１の駆動による動力損失を低減させるように制御する。所定の閾値としては、例えば、ＷＯＴ時のように出力の急激な上昇要求を伴う運転状態のときに、燃料電池２に対して発令される要求発電量が該当する。

コンプレッサ３１の駆動による動力損失を低減させる方法として、例えば、次の二つの方法が挙げられる。一つは、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を低下させる方法であり、もう一つは、燃料電池２への酸化ガスの供給量を減少させる方法である。以下にこれらの方法を順に説明する。

最初に、燃料電池２内の酸化ガスの圧力を低下させる方法について説明する。この方法を説明する前に、図２を参照して、燃料電池内の酸化ガスの圧力と燃料電池等の出力との関係について説明する。

図２に示す横軸は、燃料電池のカソード極側の圧力（以下、カソード圧力という。）を示し、縦軸は、燃料電池等の出力を示す。ｇ１は、カソード圧力に対する燃料電池単体での出力（以下、ＧＲＯＳＳ出力という。）の推移状況を示し、ｇ２は、カソード圧力に対する燃料電池システムとしての出力（以下、ＮＥＴ出力という。）の推移状況を示し、ｇ３は、カソード圧力に対するコンプレッサの消費電力の推移状況を示す。

燃料電池２単体では、他に電力消費装置が存在しないため、ＧＲＯＳＳ出力ｇ１は、カソード圧力が高くなるに従って徐々に増加していくことになる。これに対して、燃料電池システム１では、補機装置等を含む電力消費装置が存在ため、ＮＥＴ出力ｇ２は、各電力消費装置で電力が消費される分、ＧＲＯＳＳ出力ｇ１よりも低下することになる。電力消費装置の中で消費電力が高い装置としてはコンプレッサ３１が該当する。このコンプレッサの消費電力ｇ３は、カソード圧力が高くなるに従って徐々に増加していくことになる。

ＮＥＴ出力ｇ２は、カソード圧力が圧力ａ１よりも低いときにはカソード圧力が高くなるに従って徐々に増加していき、カソード圧力が圧力ａ１のときに最大値ｂ１に到達する。そして、カソード圧力が圧力ａ１よりも高いときにはカソード圧力が高くなるに従って徐々に減少していくことになる。これは、カソード圧力が圧力ａ１よりも高くなると、全ての電力消費装置で消費される電力の合算値の上昇率がＧＲＯＳＳ出力ｇ１の上昇率よりも高くなることに起因する。

圧力ａ２は、燃料電池２を連続運転させたときに燃料電池２内の乾燥が進行していくかどうかの分岐点となる圧力である（以下、圧力ａ２を分岐点圧力という。）。つまり、カソード圧力が分岐点圧力ａ２以下になると燃料電池２内の乾燥が進行することになる。

ここで、同気温下において、カソード圧力を低下させると燃料電池内の湿度は下がる関係にある。言い換えると、カソード圧力を低下させるほど、燃料電池２内の乾燥が進行することになる。したがって、カソード圧力を分岐点圧力ａ２以下に低下させた状態で燃料電池２の運転を継続させると、燃料電池２内の乾燥が進行し、燃料電池の電解質膜が乾燥することになる。電解質膜が乾燥すると、燃料電池２の内部抵抗が大きくなるため、燃料電池２の出力電圧が低下し、安定した発電を維持させることができなくなってしまう。

一方、ＷＯＴ時のように大きな要求電力量が発生する場合には、燃料電池車両の出力を最も効率良く確保するために、コンプレッサ３１の消費電力を低減させてＮＥＴ出力を最大値ｂ１に設定することが望ましい。コンプレッサ３１は補機装置の中でも特に消費電力が大きいためである。しかしながら、図２に示すように、コンプレッサの消費電力を低減させてＮＥＴ出力ｇ２を最大値ｂ１にさせると、カソード圧力は、分岐点圧力ａ２以下の圧力ａ１に低下することになる。そして、カソード圧力を圧力ａ１に低下させると、燃料電池内の電解質膜の乾燥が進行してしまうことになる。

そこで、本願の燃料電池システム１では、ＷＯＴ時のように大きな要求電力量が発生したときに、燃料電池２の水分状態が潤湿状態であるか否かを判定し、潤湿状態である場合に、背圧調整弁３４を制御してカソード圧力をＮＥＴ出力ｇ２が最大となる圧力ａ１に低下させることとした。カソード圧力を圧力ａ１に低下させる制御は、燃料電池２に対する要求発電量が所定の閾値未満に低下するまで行う。

これにより、燃料電池２の水分状態が湿潤状態であるときに、コンプレッサの消費電力を低減させて最大のＮＥＴ出力を確保させることができる。すなわち、燃料電池２の電解質膜が乾燥して不安定な発電状態を招いてしまう事態を回避させたうえで、燃料電池システムとして発揮し得る最大限の出力を確保させることが可能となる。

なお、カソード圧力を圧力ａ１に低下させる制御を終了させる条件は、燃料電池に対する要求発電量が所定の閾値未満に低下した場合には限定されない。例えば、燃料電池の水分状態が乾燥状態に移行した場合や、予め実験などによって求められた所定の時間が経過した場合であってもよい。また、上述した各条件を組み合わせることとしてもよい。要するに、燃料電池内が乾燥して発電が不安定になる前に終了させることができればよい。

また、カソード圧力は、必ずしもＮＥＴ出力が最大となる圧力ａ１に低下させる必要はない。燃料電池の水分状態が乾燥状態に移行しない条件下において、少しでも高いＮＥＴ出力が得られるようにカソード圧力を低下させることができればよい。

燃料電池２の水分状態が湿潤状態であるか否かは、燃料電池２のインピーダンスを用いて判定することができる。具体的に説明する。まず、制御部７は、例えば交流インピーダンス法により、燃料電池２の現在のインピーダンスを測定する。続いて、制御部７は、予めメモリ７１に格納されている湿潤状態判定用のインピーダンス（以下、湿潤インピーダンスという。）を読み出し、読み出した湿潤インピーダンスと、測定したインピーダンス（以下、測定インピーダンスという。）とを比較する。そして、制御部７は、測定インピーダンスが湿潤インピーダンス未満である場合に、燃料電池２が湿潤状態であると判定する。ここで、湿潤インピーダンスは、燃料電池２の水分状態が湿潤状態にあるか否かを判定するための基準値であり、予め実験などにより求められ、メモリ７１に格納される。

次に、燃料電池２への酸化ガスの供給量を減少させる方法について説明する。この方法を説明する前に、燃料電池内への酸化ガスの供給量と燃料電池等の出力との関係について説明する。

この関係におけるＧＲＯＳＳ出力、ＮＥＴ出力、コンプレッサの消費電力は、上述した図２に示す燃料電池内の酸化ガスの圧力と燃料電池等の出力との関係におけるＧＲＯＳＳ出力、ＮＥＴ出力、コンプレッサの消費電力の各推移状況と似たような推移状況をとる。つまり、ＧＲＯＳＳ出力およびコンプレッサの消費電力は、酸化ガスの供給量が多くなるに従って徐々に増加していく。ＮＥＴ出力は、酸化ガスの供給量が少ないときには酸化ガスの供給量が多くなるに従って徐々に増加していき、ＮＥＴ出力が最大値に到達するとそれ以降は酸化ガスの供給量が多くなるに従って徐々に徐々に減少していく。ＮＥＴ出力が最大値に到達したときの酸化ガスの供給量は、後述する所定の分岐点供給量よりも少ない供給量となる。所定の分岐点供給量は、燃料電池２を連続運転させたときに燃料電池２内の湿潤が進行していくかどうかの分岐点となる供給量である。つまり、酸化ガスの供給量が所定の分岐点供給量以下になると燃料電池２内の湿潤が進行する。

ここで、燃料電池２への酸化ガスの供給量を減少させると、燃料電池２内に流れ込む酸化ガスの流量が減るため、酸化ガス等に含まれる水分を燃料電池２外に掃き出す機能が低下してしまい、燃料電池内に水が溜まる要因となる。言い換えると、酸化ガスの供給量を減少させるほど、燃料電池２内の湿潤が進行することになる。したがって、酸化ガスの供給量を所定の分岐点供給量以下に減少させた状態で燃料電池２の運転を継続させると、燃料電池２内の水分が過剰となり、燃料電池の電解質膜が水分で覆われてしまうことになる。電解質膜が水分で覆われると、反応物質である酸素、水素の拡散が阻害されるため、燃料電池２の出力電圧が低下し、安定した発電を維持させることができなくなってしまう。

一方、上述したように、ＷＯＴ時のように大きな要求電力量が発生する場合には、燃料電池車両の出力を最も効率良く確保するために、コンプレッサの消費電力を低減させてＮＥＴ出力を最大値に設定することが望ましい。しかしながら、コンプレッサの消費電力を低減させてＮＥＴ出力を最大値にさせると、酸化ガスの供給量は、所定の分岐点供給量以下に低減することになる。そして、酸化ガスの供給量を所定の分岐点供給量以下に低減させると、燃料電池内の電解質膜が水分で覆われてしまうことになる。

そこで、本願の燃料電池システム１では、ＷＯＴ時のように大きな要求電力量が発生したときに、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるか否かを判定し、乾燥状態である場合に、コンプレッサ３１のモータの回転数を制御して酸化ガスの供給量をＮＥＴ出力が最大となる供給量に減少させることとした。この酸化ガスの供給量をＮＥＴ出力が最大となる供給量に減少させる制御は、燃料電池２に対する要求発電量が所定の閾値未満に低下するまで行う。

これにより、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるときに、コンプレッサの消費電力を低減させて最大のＮＥＴ出力を確保させることができる。すなわち、燃料電池２の電解質膜が水分に覆われて不安定な発電状態を招いてしまう事態を回避させたうえで、燃料電池システムとして発揮し得る最大限の出力を確保させることが可能となる。

ここで、上述した酸化ガスの供給量を減少させる制御は、酸化ガスのストイキ比（以下、エアストイキ比という。）を低下させる制御に置き換えることができる。エアストイキ比は、燃料電池２での消費酸化ガス量に対する燃料電池２への供給酸化ガス量の余剰比であらわされるためである。

なお、酸化ガスの供給量をＮＥＴ出力が最大となる供給量に減少させる制御を終了させる条件は、燃料電池に対する要求発電量が所定の閾値未満に低下した場合には限定されない。例えば、燃料電池の水分状態が湿潤状態に移行した場合や、予め実験などによって求められた所定の時間が経過した場合であってもよい。また、上述した各条件を組み合わせることとしてもよい。要するに、燃料電池内が湿潤して発電が不安定になる前に終了させることができればよい。

また、酸化ガスの供給量は、必ずしもＮＥＴ出力が最大となる供給量に減少させる必要はない。燃料電池の水分状態が湿潤状態に移行しない条件下において、少しでも高いＮＥＴ出力が得られるように酸化ガスの供給量を減少させることができればよい。

燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるか否かは、燃料電池２のインピーダンスを用いて判定することができる。具体的に説明する。まず、制御部７は、例えば交流インピーダンス法により、燃料電池２の現在のインピーダンスを測定する。続いて、制御部７は、予めメモリ７１に格納されている乾燥状態判定用のインピーダンス（以下、乾燥インピーダンスという。）を読み出し、読み出した湿潤インピーダンスと、測定インピーダンスとを比較する。そして、制御部７は、測定インピーダンスが乾燥インピーダンス以上である場合に、燃料電池２が乾燥状態であると判定する。ここで、乾燥インピーダンスは、燃料電池２の水分状態が乾燥状態にあるか否かを判定するための基準値であり、予め実験などにより求められ、メモリ７１に格納される。

制御部７（出力制御手段）は、燃料電池２に対する要求発電量が所定の閾値以上である場合に、バッテリ６２からの出力を、バッテリ６２に対する要求出力よりも所定量低下させる。制御部７は、燃料電池２の出力が燃料電池２に対する要求発電量よりも低下した場合に、燃料電池２に対する要求発電量よりも低下した分の出力を上記所定量から減ずる。つまり、燃料電池の出力とバッテリの出力との合算値となる燃料電池車両への出力を安定させるために、バッテリ６２の出力から所定量低下させ、その低下分を、燃料電池の出力がばらついたときに、燃料電池車両への合算出力を安定させるためのバッファ用の出力として用いる。これにより、ＷＯＴ時のように大きな要求電力量が発生したときに、燃料電池の出力とバッテリの出力との合算値となる燃料電池車両への出力を安定させることができるため、ユーザビリティを向上させることができる。

具体的に説明する。制御部７は、ＷＯＴ時のように大きな要求電力量が発生したときに、バッテリ６２に対する要求出力に、例えば９０％の出力制限をかける。これにより、バッテリ６２に対する要求出力よりも１０％低い値がバッテリ６２から出力されることになる。この場合には、要求出力通りの燃料電池２の出力と、要求出力から１０％削減された後のバッテリ６２の出力との合算値が、燃料電池車両への出力となる。そして、バッテリ６２に対する要求出力の１０％がバッファ用の出力として確保されることになる。

その後、燃料電池２の水分状態が変化する等して燃料電池２の出力が燃料電池２に対する要求出力よりも出力Ａだけ低下した場合に、制御部７は、その低下した分の出力Ａを、バッファ用に確保した出力から補填する。具体的には、バッテリ６２に対する要求出力から削減する１０％分の出力から出力Ａを減ずる。したがって、これ以降のバッファ用の出力は、（バッテリ６２に対する要求出力の１０％−出力Ａ）となる。なお、この場合に、補填可能な出力Ａは、バッテリ６２に対する要求出力から削減する１０％分の出力が上限となる。

ここで、制御部７は、物理的には、例えば、ＣＰＵと、ＣＰＵで処理される制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭと、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭと、入出力インターフェースとを有する。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。入出力インターフェースには、電圧センサＶ、電流センサＡ、圧力センサＰ、温度センサＴ等の各種センサが接続されているとともに、コンプレッサ３１、背圧調整弁３４、主止弁４３、水素ポンプ４５、冷却水循環ポンプ５３およびトラクションインバータ６３等を駆動させるための各種ドライバが接続されている。

ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、入出力インターフェースを介して各種センサでの検出結果を受信し、ＲＡＭ内の各種データ等を用いて処理することで、燃料電池システムのＮＥＴ出力確保処理等を制御する。また、ＣＰＵは、入出力インターフェースを介して各種ドライバに制御信号を出力することにより、燃料電池システム１全体を制御する。

次に、図３に示すフローチャートを用いて、本実施形態における燃料電池システムのＮＥＴ出力確保処理について説明する。

まず、通常運転中（ステップＳ１０１）に、制御部７は、燃料電池２に対する要求発電量が所定の閾値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）に、制御部７は、燃料電池２のインピーダンスを測定する（ステップＳ１０３）。

続いて、制御部７は、インピーダンスを用いて燃料電池２の水分状態が湿潤状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。この判定がＹＥＳである場合（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）に、制御部７は、背圧調整弁３４を制御してカソード圧力をＮＥＴ出力が最大となる圧力に低下させる（ステップＳ１０５）。そして、処理を上述したステップＳ１０２に移行する。

一方、上記ステップＳ１０４の判定で燃料電池２の水分状態が湿潤状態ではないと判定された場合（ステップＳ１０４；ＮＯ）に、制御部７は、燃料電池２の水分状態が乾燥状態であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）には、処理を上述したステップＳ１０２に移行する。

一方、上記ステップＳ１０６の判定で燃料電池２の水分状態が乾燥状態であると判定された場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）に、制御部７は、コンプレッサ３１のモータの回転数を制御して酸化ガスの供給量をＮＥＴ出力が最大となる供給量に減少させる（ステップＳ１０７）。そして、処理を上述したステップＳ１０２に移行する。

上述してきたように、実施形態における燃料電池システム１によれば、ＷＯＴ時のように出力の急激な上昇要求を伴う運転がなされた場合に、燃料電池２の適正な水分状態を保持させながらコンプレッサ３１の消費電力を低減させることができ、この低減分を燃料電池２の出力に充当させることができる。したがって、安定した発電を維持させつつ出力を確保させることが可能となる。

具体的には、燃料電池２に対する要求出力が所定の閾値以上であって、燃料電池２の水分状態が所定の湿潤状態である場合には、調整弁３４を制御して燃料電池２における酸化ガスの圧力を低下させることで、コンプレッサ３１の消費電力を低減させてＮＥＴ出力を確保させることができる。また、酸化ガスの圧力を低下させるときには、ＮＥＴ出力の出力値が最高値に到達するときの圧力に低下させることが望ましい。これにより、燃料電池システムとして発揮し得る最大限の出力を確保させることが可能となる。

一方、燃料電池２に対する要求出力が所定の閾値以上であって、燃料電池２の水分状態が所定の乾燥状態である場合には、コンプレッサ３１のモータの回転数を制御してコンプレッサ３１からの酸化ガスの供給量を減少させることで、コンプレッサ３１の消費電力を低減させてＮＥＴ出力を確保させることができる。また、酸化ガスの供給量を減少させるときには、ＮＥＴ出力の出力値が最高値に到達するときの供給量に減少させることが望ましい。これにより、燃料電池システムとして発揮し得る最大限の出力を確保させることが可能となる。

なお、上述した実施形態では、ＷＯＴ時のように大きな要求電力量が発生したときに、コンプレッサの消費電力を低減させることで、ＮＥＴ出力を確保させているが、消費電力を低減させる対象は、コンプレッサに限定されない。例えば、コンプレッサ以外の電力消費装置の消費電力を所定条件下で低減させることで、ＮＥＴ出力を確保させることとしてもよい。例えば、冷却水循環ポンプ５３の消費電力を所定条件下で低減させることや、エアコンの消費電力を所定条件下で低減させることとしてもよい。それぞれについて以下に具体的に説明する。

まず、冷却水循環ポンプ５３について説明する。制御部７は、燃料電池２に対する要求発電量が所定の閾値以上である場合に、冷却水の温度が所定の上限温度以下であることを条件に、冷却水循環ポンプ５３のモータの回転数を低下させる。この場合に、モータの回転数が低いほど消費電力を低減させることができるが、モータの回転数は、そのモータの最低回転数以上に設定する必要がある。モータの回転数を最低回転数未満に設定するとモータが停止してしまい、冷却水の正確な温度を検出することができなくなってしまうためである。

次に、エアコンについて説明する。制御部７は、燃料電池２に対する要求発電量が所定の閾値以上である場合に、エアコンが動作していることを条件に、所定の期間、エアコン用の消費電力に対する許容電力量を低減させる。また、制御部７は、エアコンが動作していることを条件に、所定の期間、エアコン用のラジエータファンを停止させることとしてもよい。所定の期間は、運転者に違和感を与えない範囲で任意に設定することができる。

また、上述した実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した場合について説明しているが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）にも本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用することもできる。

実施形態における燃料電池システムを模式的に示す構成図である。 燃料電池内の酸化ガスの圧力と燃料電池等の出力との関係を示す図である。 燃料電池システムのＮＥＴ出力確保処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…酸化ガス配管系、４…水素ガス配管系、５…冷却系、６…電力系、７…制御部、３１…コンプレッサ、３２…空気供給流路、３３…空気排出流路、３４…背圧調整弁、４５…水素ポンプ、５１…ラジエータ、５２…冷却水循環流路、５３…冷却水循環ポンプ、６１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６２…バッテリ、６３…トラクションインバータ、６４…トラクションモータ、７１…メモリ。

Claims (7)

1. 電力消費装置の消費電力を低減すると、システム全体の出力が高くなる特性を有する燃料電池システムであって、
   反応ガスの供給を受けて当該反応ガスの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
   前記燃料電池において発電された電力を充電可能な蓄電部と、
   前記反応ガスのうちの前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するための酸化ガス供給流路と、
   前記酸化ガス供給流路に設けられ、前記酸化ガスを前記燃料電池に供給するとともに、前記燃料電池および前記蓄電部のうちの少なくともいずれか一方から供給される電力により駆動するコンプレッサと、
   前記燃料電池に対する要求出力が、出力の急激な上昇要求を伴う運転状態のときに発令されたものであると判定する際の最低基準閾値以上である場合に、前記燃料電池の水分状態に応じて前記コンプレッサの消費電力を低減させる制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の水分状態が湿潤状態であると判定した場合に、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力を低下させることで前記コンプレッサの消費電力を低減させる、
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記燃料電池から排出される酸化オフガスを排出するための酸化オフガス排出流路と、
   前記酸化オフガス排出流路に設けられ、前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力を調整するための調整弁と、をさらに備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池の水分状態が湿潤状態であると判定した場合に、前記調整弁を制御して前記燃料電池における前記酸化ガスの圧力を低下させることで前記コンプレッサの消費電力を低減させることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記酸化ガスの圧力と前記燃料電池システム全体の出力との関係において、前記燃料電池システム全体の出力が最高値となる前記酸化ガスの圧力である最高出力時圧力を境にし、前記酸化ガスの圧力が前記最高出力時圧力よりも低いときには、前記酸化ガスの圧力が高くなるに従い前記燃料電池システム全体の出力が増加し、前記酸化ガスの圧力が前記最高出力時圧力よりも高いときには、前記酸化ガスの圧力が高くなるに従い前記燃料電池システム全体の出力が低下する特性を有し、
   前記制御手段は、前記酸化ガスの圧力を低下させる際に、前記最高出力時圧力に低下させることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記制御手段は、前記燃料電池の水分状態が乾燥状態であると判定した場合に、前記コンプレッサのモータの回転数を制御して前記コンプレッサからの酸化ガスの供給量を減少させることで前記コンプレッサの消費電力を低減させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記酸化ガスの供給量と前記燃料電池システム全体の出力との関係において、前記燃料電池システム全体の出力が最高値となる前記酸化ガスの供給量である最高出力時供給量を境にし、前記酸化ガスの供給量が前記最高出力時供給量よりも少ないときには、前記酸化ガスの供給量が多くなるに従い前記燃料電池システム全体の出力が増加し、前記酸化ガスの供給量が前記最高出力時供給量よりも多いときには、前記酸化ガスの供給量が多くなるに従い前記燃料電池システム全体の出力が低下する特性を有し、
   前記制御手段は、前記コンプレッサからの酸化ガスの供給量を減少させる際に、前記最高出力時供給量に減少させることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記制御手段は、前記水分状態を前記燃料電池のインピーダンスを用いて決定することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池に対する要求出力が前記最低基準閾値以上である場合に、前記蓄電部に対して要求する電力量から、バッファ用に確保するための電力量を削減した後の電力量を、前記蓄電部に要求する出力制御手段をさらに備え、前記出力制御手段は、前記燃料電池の出力が前記燃料電池に対する要求出力よりも低下した場合に、当該低下した出力分の電力量を、前記バッファ用に確保するための電力量から差し引くことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。

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