JP7298544B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、燃料電池システムに関する。本明細書は、燃料電池スタックの動作点の急な変化を抑えつつ、燃料電池補機の消費電力の変化に対応することができる技術を提供する。

特許文献１に、燃料電池スタックに要求される出力（要求出力）と、燃料電池スタックが発生すべき熱量（必要発熱量）を決定し、それらが実現されるように動作点を決定する燃料電池システムが開示されている。要求出力には、燃料電池スタックの運転に用いる電気デバイスの電力が含まれる。なお、本明細書では、燃料電池スタックの運転に用いる電気デバイスを燃料電池補機と称する。燃料電池スタックに空気を送るエアコンプレッサ、水素ガスの循環流量を調整する水素ポンプ、燃料電池スタックを冷却する冷却器の循環ポンプなどが、燃料電池補機の例である。

特許文献１の燃料電池システムは自動車に搭載される。必要発熱量は、燃料電池スタック自体を昇温するのに必要な熱量、あるいは、キャビンの暖房に必要とされる熱量などである。特許文献１の燃料電池スタックにはバッテリが接続されており、燃料電池スタックの出力とバッテリの出力が燃料電池補機に供給され得る。

特許第４４５８１２６号公報

燃料電池システムは、要求出力が実現されるように燃料電池スタックを制御する。燃料電池補機の消費電力は、状況に応じて時々刻々に変化する。燃料電池スタックの出力の応答性は高くない。消費電力の変化に燃料電池スタックの出力が追従しないおそれがある。消費電力の変化に応じて燃料電池スタックの動作点を無理に急に変化させると、燃料電池スタックの制御が不安定化するおそれがある。本明細書は、燃料電池スタックの動作点の急な変化を抑えつつ、燃料電池補機の消費電力の変化に対応することができる技術を提供する。

本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックの運転に用いられる燃料電池補機と、燃料電池スタックの出力端に接続されているバッテリと、燃料電池スタックの出力端に接続されている負荷デバイスと、コントローラを備える。コントローラは、燃料電池補機と負荷デバイスを制御する。コントローラは、燃料電池スタックの目標出力を記憶している。コントローラは、燃料電池補機が燃料電池スタックの運転のために消費する電力（補機予測消費電力）を予測する。コントローラは、バッテリの見込み入出力電力を決定する。コントローラは、補機予測消費電力と見込み入出力電力に基づいて燃料電池スタックに要求される出力（要求出力）を決定する。コントローラは、目標出力に基づいて燃料電池スタックの動作点を決定する。コントローラは、要求出力と目標出力の差がゼロになるように負荷デバイスの動作を制御する。

本明細書が開示する燃料電池システムでは、予め定められている目標出力が実現されるように、燃料電池スタックの動作点が決定される。なお、動作点とは、燃料電池スタックの出力電流と出力電圧の組を意味する。経時的に緩やかに変化するように目標出力が定められていれば、動作点は急激には変化しない。一方、先に述べたように、燃料電池補機の消費電力（すなわち要求電力）は時々刻々と変化する。本明細書が開示する技術は、負荷デバイスの動作（すなわち消費電力）を調整することによって、要求出力と目標出力の差を吸収する。要求出力の変化に応じて負荷デバイスの消費電力を調整することで、目標出力（すなわち、燃料電池スタックの実際の出力）を予定された値から変える必要がない。本明細書が開示する燃料電池システムは、燃料電池スタックの動作点の急な変化を抑えつつ、燃料電池補機の消費電力の変化に対応することができる。なお、目標出力は、外気温度などに応じて定められる燃料電池補機の見込み消費電力に基づいて予め定められる。

要求出力が目標出力を上回っているときに負荷デバイスが停止していると、要求出力と目標出力の差を解消できない。そこで、目標出力には、外気温度などに応じて定まる燃料電池補機の見込み消費電力と、負荷デバイスの見込み消費電力が含まれているとよい。負荷デバイスの見込み消費電力を目標電力に含むことで、要求出力が目標出力を上回ることを回避することができる。

本明細書が開示する燃料電池システムでは、燃料電池スタックにバッテリが接続されている。バッテリの出力応答性は、燃料電池スタックの応答性よりも早い。消費電力の急激な変化に対しては、バッテリで対応することができる。しかし、バッテリの残電力量（State Of Charge:SOC)が低いと、消費電力が急増したときにバッテリから燃料電池補機へ供給する電力が不足するおそれがある。それゆえ、バッテリのＳＯＣに応じた見込み入出力電力を予め定めておき、見込み入出力電力を含めて要求電力が決定される。例えばＳＯＣが低いときには、見込み入出力電力として、燃料電池スタックからバッテリへ向かう所定の電力（チャージ電力）が定められる。燃料電池スタックの電力の一部でバッテリが充電される。

バッテリには、入出力電力の許容範囲（入出力許容範囲）が定められている。コントローラは、バッテリの実際の入出力電力が入出力許容範囲を超えている場合、実際の入出力電力が入出力許容範囲内に戻るように、目標出力を補正するようにしてもよい。バッテリの入出力電力が許容範囲にある間は、目標出力を変える必要がなく、動作点の急激な変化は抑えられる。バッテリの入出力電力が許容範囲を外れた場合は、例外として目標出力を補正することで、バッテリを保護する。

コントローラは、目標出力が実現するように、燃料電池スタックの動作点（目標電流と目標電圧）を決める。燃料電池スタックを温めたい場合には、コントローラは、燃料電池スタックの単位時間当たりの目標発熱量を決定し、目標出力と目標発熱量が実現されるように、動作点とストイキ比を決定する。ストイキ比は、燃料電池スタックに供給される水素の量に対する酸素の量を意味する。ストイキ比を小さくすると、発電損失が大きくなる。発電損失は熱となって放出される。発電損失を意図的に大きくすることで燃料電池スタックを温めることができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の燃料電池システムを含む燃料電池車のブロック図である。 燃料電池スタック制御処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の燃料電池システム２を説明する。燃料電池システム２は、燃料電池車１００に搭載されている。図１に、燃料電池システム２を含む燃料電池車１００のブロック図を示す。燃料電池車１００は、燃料電池システム２から電力を得て、電気モータ１０２で走行する。燃料電池スタック１０の出力は、昇圧コンバータ６２で昇圧された後にインバータ１０１で交流電力に変換され、走行用の電気モータ１０２に供給される。本明細書において、燃料電池スタック１０の「出力」とは、出力電力を意味する。以下では、説明を簡単にするため、燃料電池スタック１０を「ＦＣスタック１０」と表記する場合がある。また、バッテリの残電力量は「ＳＯＣ」と表記する場合がある。

昇圧コンバータ６２の出力端にはメインバッテリ１０３も接続されている。ＦＣスタック１０の出力のうち、電気モータ１０２で消費されなかった残りの電力はメインバッテリ１０３にチャージされる。ＦＣスタック１０は、出力の応答性が低い。電気モータ１０２へ供給する電力の変化の応答性を高めるのにメインバッテリ１０３の電力が用いられる。

昇圧コンバータ６２の出力端には降圧コンバータ６３も接続されている。降圧コンバータ６３の出力端にはサブバッテリ６４が接続されている。ＦＣスタック１０の出力の一部は、降圧コンバータ６３で降圧され、サブバッテリ６４をチャージする。

メインバッテリ１０３の出力電圧は１００ボルトよりも高い。サブバッテリ６４の出力電圧は５０ボルトよりも低い。メインバッテリ１０３の電力は電気モータ１０２に供給される。サブバッテリ６４の電力は、５０ボルト未満の電圧で動作するデバイスに供給される。サブバッテリ６４の電力で動くデバイスには、各種のコントローラ（コンピュータ）、ラジオ６５などの小電力機器がある。ＦＣスタック１０の電力が、昇圧コンバータ６２と降圧コンバータ６３を介して小電力機器に供給される場合がある。

サブバッテリ６４は、燃料電池システム２の補機（燃料電池補機）にも電力を供給する。別言すれば、燃料電池補機は、サブバッテリ６４の電力で動作する。燃料電池補機とは、燃料電池スタックを起動／運転するのに用いられる電気デバイスの総称である。燃料電池補機については後述する。燃料電池補機には、昇圧コンバータ６２と降圧コンバータ６３を介してＦＣスタック１０の電力が供給される場合もある。

燃料電池システム２は、サブバッテリ６４の電圧を計測する電圧センサ１８ｂと、サブバッテリ６４の入出力電流を計測する電流センサ１９ｂを備えている。電圧センサ１８ｂと電流センサ１９ｂの計測値はコントローラ５０に送られる。

燃料電池システム２はＦＣスタック１０と燃料タンク２０を備えている。ＦＣスタック１０は、多数の燃料電池セルの集合体である。よく知られているように、それぞれの燃料電池セルは、電解質膜を挟んでアノード側とカソード側に分かれている。アノード側には、アノードガス入口１６ａを通じて燃料ガスが供給される。カソード側には、カソードガス入口１７ａを通じて空気が供給される。燃料ガスに含まれる水素がイオン化し、水素イオンがカソード側の空気に含まれる酸素と反応し、電気が生成される。燃料電池セル（ＦＣスタック１０）における化学反応は良く知られているので詳しい説明は省略する。

化学反応で余った燃料ガスと、化学反応で生成された不純物はアノードガス出口１６ｂから排出される。アノードガス出口１６ｂから排出されるガスは燃料オフガスと称されることがある。生成された水、および、余った空気（酸素）はカソードガス出口１７ｂから排出される。

燃料電池システム２における燃料ガス側の設備について説明する。燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０のアノード側へ燃料ガスを送るための設備として、燃料供給管２１、インジェクタ２２、オフガス排出管２３、気液分離器２４、戻し管２５、水素ポンプ２６、排気排水弁２７を備えている。

燃料供給管２１は、燃料タンク２０とＦＣスタック１０を接続する。燃料供給管２１には２個の弁４１ａ、４１ｂ、インジェクタ２２が接続されている。弁４１ａは主止弁であり、燃料電池システム２が停止している間、燃料タンク２０からの燃料ガスの放出を止める。弁４１ｂは調圧弁であり、インジェクタ２２に供給される燃料ガスの圧力を調整する。インジェクタ２２は、燃料ガスの圧力を高めてＦＣスタック１０に供給する。

燃料供給管２１の一端はＦＣスタック１０のアノードガス入口１６ａに接続されており、燃料ガスをＦＣスタック１０のアノード側に供給する。アノードガス出口１６ｂにはオフガス排出管２３の一端が接続されており、オフガス排出管２３の他端は気液分離器２４に接続されている。

気液分離器２４は、アノードガス出口１６ｂから排出される燃料オフガスを水素ガス（残燃料ガス）と不純物に分離する。気液分離器２４で分離される不純物の典型は、窒素ガスや水などである。窒素ガスは、カソード側に供給される空気に含まれている窒素が、電解質膜を通過してアノード側に達したものである。残燃料ガスはガス出口から放出され、不純物は不純物排出口から排出される。不純物ガス（窒素ガス）の一部は残燃料ガスとともにガス出口から流出する。

戻し管２５の一端が気液分離器２４のガス出口に接続しており、戻し管２５の他端は燃料供給管２１に接続している。戻し管２５には水素ポンプ２６が取り付けられている。水素ポンプ２６は、気液分離器２４で分離された残燃料ガスを、戻し管２５と燃料供給管２１を通じてＦＣスタック１０へ戻す。すなわち、水素ポンプ２６は、水素ガスの循環流量を調整する。

気液分離器２４の不純物排出口には、排気排水弁２７が接続されている。排気排水弁２７の出口には排気管３２が接続されている。排気排水弁２７が開くと、気液分離器２４にて燃料オフガスから分離された不純物が排気管３２に排出される。

燃料電池システム２の空気供給側の設備について説明する。燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０のカソード側へ空気（酸素）を送るための設備として、空気供給管３１、空気コンプレッサ３４、弁４１ｃ、４１ｄを備えている。

空気供給管３１の一端がＦＣスタック１０のカソードガス入口１７ａに接続しており、他端は外気に開放されている。空気供給管３１の途中に空気コンプレッサ３４、弁４１ｃが取り付けられている。空気コンプレッサ３４が外気を圧縮し、空気供給管３１を通じて空気をＦＣスタック１０のカソード側へ供給する。ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂには排気管３２が接続されている。排気管３２の途中に弁４１ｄが取り付けられている。弁４１ｃと弁４１ｄは調圧弁であり、それらの調圧弁により、ＦＣスタック１０に供給される空気の圧力が調整される。

排気管３２は、排気排水弁２７の出口と、カソードガス出口１７ｂに接続されている。排気管３２は、ＦＣスタック１０のカソードガス出口１７ｂから排出される排出空気と、排気排水弁２７の出口から排出される不純物ガスとを混合して外気に放出する。ＦＣスタック１０で生成された水も排気管３２を通して車外へ排出される。

図示は省略したが、燃料電池システム２は、各所に圧力センサや濃度センサ、あるいは流量センサを備えている。ＦＣスタック１０の出力端には、電圧センサ１８ａと電流センサ１９ａが取り付けられている。電流センサ１９ａは、ＦＣスタック１０から出力される電流を計測し、電圧センサ１８ａはＦＣスタック１０の出力電圧を計測する。それらのセンサの計測値はコントローラ５０に送られる。

燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０を冷却する冷却器７０を備えている。冷却器７０は、流路管７１、循環ポンプ７２、熱交換器７３を備えている。流路管７１には冷却水が封止されている。循環ポンプ７２によって、冷却水が流路管７１を循環する。流路管７１はＦＣスタック１０を通過している。冷却水はＦＣスタック１０を通過する間にＦＣスタック１０から熱を吸収する。ＦＣスタック１０で吸収した熱は、熱交換器７３でキャビン暖房器８０に移される。キャビン暖房器８０は、流路管８１とポンプ８２を備えている。ポンプ８２によって、熱媒体が流路管８１を循環する。キャビン暖房器８０は、ＦＣスタック１０の熱を使ってキャビンを温める。キャビン暖房器８０は、電気ヒータ８３を備えており、ＦＣスタック１０の熱ではキャビンの暖房に足りない場合は電気ヒータ８３で熱媒体を温める。

コントローラ５０は、昇圧コンバータ６２の出力電圧を調整することによって、ＦＣスタック１０の出力電流と出力電圧を調整する。

インジェクタ２２、ポンプ２６、７２、８２、弁４１ａ－４１ｅ（電磁弁）、排気排水弁２７、空気コンプレッサ３４、昇圧コンバータ６２、降圧コンバータ６３、インバータ１０１、電気ヒータ８３は、コントローラ５０が制御する。それらのデバイスとコントローラ５０は信号線で接続されているが、図１では信号線の図示は省略した。インジェクタ２２、水素ポンプ２６、循環ポンプ７２、弁４１ａ－４１ｅ、排気排水弁２７、空気コンプレッサ３４、昇圧コンバータ６２、降圧コンバータ６３、コントローラ５０が、燃料電池補機に含まれる。また、電気ヒータ８３、ポンプ８２、ラジオ６５は、ＦＣスタック１０の起動／運転には関与しないデバイスである。燃料電池補機、および、ＦＣスタック１０の運転に関与しない電気デバイス（電気ヒータ８３、ポンプ８２、ラジオ６５）は、サブバッテリ６４から電力供給を受ける。図１では、燃料電池補機およびそれ以外の電気デバイスと、サブバッテリ６４を接続する電力線の図示も省略した。燃料電池補機、および、ＦＣスタック１０の運転に関与しない電気デバイスには、昇圧コンバータ６２と降圧コンバータ６３を介してＦＣスタック１０の電力が供給される場合もある。

コントローラ５０には不揮発性のメモリ５１が接続されている。メモリ５１には、コントローラ５０が実行するプログラムと、プログラムで用いる変数が格納されている。プログラムで用いる変数には、ＦＣスタック１０の目標出力が含まれている。コントローラ５０が実行する処理と、目標出力については後述する。

実施例の燃料電池システム２におけるＦＣスタック１０の運転について説明する。よく知られているように、ＦＣスタック１０は、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）の反応によって発電する。水素と酸素の供給量によってＦＣスタック１０の発電量を調整することができる。コントローラ５０は、ＦＣスタック１０に要求される出力（要求出力）を満足するように、燃料電池補機を使ってＦＣスタック１０に供給する水素と酸素の量を調整する。

ＦＣスタック１０では、供給する水素の量と酸素の量に応じてＩＶ曲線が定まる。ＩＶ曲線は、出力する電流（目標電流Ｉ）と、ＦＣスタック１０の電圧（目標出力Ｖ）の関係を示す曲線である。コントローラ５０は、ＩＶ曲線上に動作点（ＦＣスタック１０の目標電流と目標電圧の組）を決め、目標電流が実現されるように、昇圧コンバータ６２を制御する。先に述べたように、コントローラ５０は、昇圧コンバータ６２の出力電圧を調整することで、ＦＣスタック１０の出力電流を調整する。目標電流が実現されると従属的に目標電圧が実現される。

一方、ＦＣスタック１０は、出力の応答性が高くない。それゆえ、要求出力（燃料電池補機の消費電力を含む）の急激な変化には追従できない。動作点を無理に急激に変えると制御が不安定になるおそれがある。実施例の燃料電池システム２は、ＦＣスタック１０の動作点の急な変化を抑えつつ、燃料電池補機の消費電力の変化に対応することができる。

以下では、電気モータ１０２は停止しており、ＦＣスタック１０を急速暖機するときの処理について説明する。急速暖機とは、ＦＣスタック１０の自己発熱を利用してＦＣスタック１０の温度を高める処理である。外気温度が低い環境において燃料電池車１００のメインスイッチが入れられたとき、急速暖機が実行される。ＦＣスタック１０から強制的に水を抜くとき、あるいは、外気温度が低い環境において燃料電池車１００のメインスイッチが切られたときにも急速暖機が実行される。

図２に、コントローラ５０が実行するＦＣスタック制御処理（急速暖気処理）のフローチャートを示す。コントローラ５０は、急速暖機が必要なとき、所定の周期（制御周期）で図２の処理を繰り返す。

コントローラ５０は、まず、燃料電池補機の消費電力を予測する（ステップＳ２）。予測した消費電力を補機予測消費電力と称する。コントローラ５０は、外気温度、ＦＣスタック１０の温度、燃料タンク２０の内圧、燃料電池補機の状態などから、燃料電池補機の消費電力を予測する。例えば、コントローラ５０には、外気温度、ＦＣスタック１０の温度、燃料タンク２０の内圧などに基づいて補機予測消費電力を算出する関数が記憶されている。予測処理の具体例については詳細な説明は割愛する。

続いてコントローラ５０は、サブバッテリ６４の見込み入出力電力を決定する（ステップＳ３）。見込み入出力電力は、ＳＯＣなどを入力変数とする関数で得ることができる。見込み入出力電力は、現在のＳＯＣが基準値（例えば６０％）に近づくように定められている。現在のＳＯＣが基準値よりも低い場合には、サブバッテリ６４へ電流が流れ込む方向に見込み入出力電力が定められる。現在のＳＯＣが基準値よりも高い場合にはサブバッテリ６４から電流が流れ出す方向に見込み入出力電力が定められる。現在のＳＯＣが基準値に近い場合には、見込み入出力電力としてゼロが定められている。ＳＯＣと見込み入出力電力の関係は、予めコントローラ５０（メモリ５１）に記憶されている。

続いてコントローラ５０は、ＦＣスタック１０に要求される出力電力（要求出力）を決定する（ステップＳ４）。要求出力は、補機予測消費電力と見込み入出力電力から定まる。一例として、要求出力は、補機予測消費電力と見込み入出力電力の合計として決定される。この場合、サブバッテリ６４へ向けて電流が流れるときが、見込み入出力電力のプラス側に相当する。

続いてコントローラ５０は、メモリ５１から目標出力を読み出す（ステップＳ５）。目標出力は、ＦＣスタック１０の出力の目標値である。目標出力は、電力（キロワット）で表される。目標出力は、外気温度、ＦＣスタック１０の温度、燃料電池補機の状を入力変数とするマップ形式あるいは関数形式でメモリ５１に記憶されている。目標出力には、いくつかの電気デバイスの見込み消費電力が含まれている。見込み消費電力とは、例えば、次のように定められる。外気温度が低い場合には、キャビン暖房器８０の電気ヒータ８３が使われる可能性が高い。また、外気温度が高い場合には、キャビン冷却器が使われる可能性が高い。見込み消費電力は、外気温度に応じて動作が予想される電気デバイスの見込みの消費電力として予め定められる。見込み消費電力には、燃料電池補機の見込みの消費電力が含まれてもよい。コントローラ５０は、現在の外気温度、ＦＣスタック１０の温度などに対応した目標出力を、メモリ５１に記憶されたマップあるいは関係式から決定する。

ステップＳ６のバッテリ保護処理では、サブバッテリ６４に実際に流れる電力が所定の許容範囲を超えていた場合に目標出力を補正する。バッテリ保護処理については後述する。ここでは、目標出力の補正は不要であるとする。

コントローラ５０は、特定の負荷デバイスを制御する。コントローラ５０は、負荷デバイスの消費電力が、要求電力と目標出力の電力差に等しくなるように、負荷デバイスを制御する（ステップＳ７）。負荷デバイスとは、予め定められている電気デバイスであり、典型的には、ＦＣスタック１０の運転に関与しない電気デバイスである。例えば、キャビン暖房器８０のポンプ８２、電気ヒータ８３、ラジオ６５などである。

より具体的には、コントローラ５０は、負荷デバイスに対して、目標消費電力（すなわち、目標電力と要求電力の差）を通知する。通知を受けた負荷デバイスは、自身の消費電力が、目標消費電力に一致するように、自身の動作を制御する。別言すれば、負荷デバイスは、目標出力と要求出力の差がゼロとなるように自身の動作を制御する。

燃料電池補機が負荷デバイスに含まれる場合がある。要求電力と目標出力の電力差が小さい場合には、ＦＣスタック１０の発電に影響を及ぼさない範囲で、燃料電池補機も負荷デバイスに含まれてよい。

続いてコントローラ５０は、ＦＣスタック１０の単位時間当たりの目標発熱量を決める（ステップＳ８）。目標発熱量は、急速暖機で必要とされる熱量である。単位時間当たりの目標発熱量は「ワット」で表される。目標発熱量は、外気温度と、ＦＣスタック１０の温度と、燃料電池車１００の状態に依存して定まる。目標発熱量は、外気温度と、ＦＣスタック１０の温度と、燃料電池車１００の状態を入力変数とする関数として（あるいはマップとして）メモリ５１に予め記憶されている。コントローラ５０は、燃料電池システム２の現在の状態に応じた目標発熱量を、メモリ５１に記憶されたマップあるいは関数によって決定する。

よく知られているように、ＦＣスタックでは、水素の量に対して適正な酸素量が決まっている。水素の量に対して酸素量が少ないと、発電効率が低下する。発電における損失は、熱となって現れる。水素の量に対して酸素の量を意図的に少なくすると、発電損失が大きくなる。損失エネルギによってＦＣスタック１０が発熱し、温度が上昇する。水素量に対する酸素量はストイキ比と呼ばれる。

コントローラ５０は、目標出力と目標発熱量からストイキ比と動作点を決定する。そして、決定したストイキ比と動作点が実現するように、ＦＣスタック１０を制御する（ステップＳ９）。別言すれば、コントローラ５０は、ＦＣスタック１０が、決定されたストイキ比と目標出力を実現するように燃料電池補機を制御する。

動作点（ＦＣスタック１０の目標電流と目標電圧）の算出例を説明する。先に述べたように、ＦＣスタックには、水素の量に対して適正な酸素量が決まっている。水素の量に対して適正な酸素量が供給されたときの電圧は、理論起電圧と呼ばれている。ステップＳ４にて要求出力が定まり、ステップＳ８にて目標発熱量（単位時間当たりの目標発熱量）が定まる。このとき、ＦＣスタックが出すべきエネルギは、（要求出力＋目標発熱量）となる。適正な酸素量が供給されると仮定すると、ＦＣスタック１０の出力電流（目標電流）は、次の関係式で求められる。
目標電流＝（要求出力＋目標発熱量）／理論起電圧

目標発熱量が熱エネルギとして放出されるようにストイキ比が決まる。ＦＣスタック１０の電力出力は要求出力だけになる。要求出力＝目標電流×目標電圧であるから、目標電圧は、次の関係式で求められる。
目標電圧＝理論起電圧×要求出力／（要求出力＋目標発熱量）

コントローラ５０は、ＦＣスタック１０の温度が所定の温度閾値に達するまで、上記の処理を繰り返す（ステップＳ１０：ＮＯ、Ｓ２）。ＦＣスタック１０の温度が温度閾値に達すると、コントローラ５０は、処理を終える（ステップＳ１０：ＹＥＳ）。

図２の処理の利点を説明する。コントローラ５０は、予め定められている目標出力と、外気温度とＦＣスタック１０の温度で定まる目標発熱量に基づいて、ＦＣスタック１０のストイキ比と動作点を決める。そして、決定したストイキ比と動作点が実現するように燃料電池補機を制御する。目標出力は、時間に対して緩やかに変化するように予め定められている。それゆえ、動作点は、急激には変化せず、緩やかに変化する。

一方、ＦＣスタック１０を運転するのに用いる燃料電池補機の消費電力は時々刻々と変化する。コントローラ５０は、消費電力（ＦＣスタック１０に対する要求出力）に対応するように動作点を決定するのはなく、目標出力に応じて動作点を決定する。ＦＣスタック１０からは、目標出力に相当する電力が出力される。ＦＣスタック１０の実際の出力（目標出力）と要求電力には差が生じる。コントローラ５０は、その差を満たすように、負荷デバイスを制御する。

実施例の燃料電池システム２のコントローラ５０は、ＦＣスタック１０の出力を目標出力に追従させるので、動作点は急激には変化しない。すなわち、動作点の急激な変化は抑制される。一方、燃料電池補機の消費電力（要求出力）は、燃料電池補機の状態や温度（ＦＣスタックの温度、あるいは外気温度）に応じて時々刻々と変化する。実際の出力（目標出力）と要求出力の差は、負荷デバイスの消費電力で調整される。実施例の燃料電池システム２は、時々刻々変化する要求出力を満たしつつ、動作点の急激な変化を抑制することができる。

目標出力には、負荷デバイスの見込み消費電力が含まれており、要求電力が予定よりも大きい場合は負荷デバイスの消費電力が見込み消費電力よりも小さくなるように負荷デバイスを制御する。目標出力に含まれている負荷デバイスの見込み消費電力よりも負荷デバイスの実際の消費電力が小さくなるので、ＦＣスタック１０から燃料電池補機に供給される電力が増える。

図２のステップＳ６のバッテリ保護制御について説明する。サブバッテリ６４の入出力電力には許容範囲（入出力許容範囲）がある。コントローラ５０は、サブバッテリ６４の入出力電力が入出力許容範囲を外れている場合、サブバッテリ６４の実際の入出力電力が入出力許容範囲内に戻るように、ＦＣスタック１０の目標出力を補正する。コントローラ５０は、サブバッテリ６４の出力が入出力許容範囲を超えている場合、目標出力を大きくする。目標出力を大きくすることで、ＦＣスタック１０の実際の出力が大きくなり、サブバッテリ６４の出力が下がる。

あるいは、サブバッテリ６４に供給されるチャージ電力が入出力許容範囲を超えている場合、コントローラ５０は、目標出力を小さくする。目標出力を小さくすることで、ＦＣスタック１０の実際の出力が小さくなり、サブバッテリ６４に供給されるチャージ電力が下がる。

コントローラ５０は、サブバッテリ６４の入出力電力が所定時間の間、入出力許容範囲との差が所定量を上回っているときに、目標出力を補正する。燃料電池車１００のメインスイッチがオンされた後、サブバッテリ６４の入出力電力が入出力許容範囲を外れることが複数回起こり得る。サブバッテリ６４の入出力電力が最初に入出力許容範囲を外れたときの所定時間と所定量を第１所定時間と第１所定量と称する。サブバッテリ６４の入出力電力が入出力許容範囲を外れることが２回目以降のときの所定時間と所定量を第２所定時間と第２所定量と称する。第２所定時間は第１所定時間よりも短い値に設定され、第２所定量は第１所定量よりも小さい値に設定される。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。サブバッテリ６４が、ＦＣスタック１０の出力端に接続されており、燃料電池補機に電力を供給するバッテリの一例に相当する。負荷デバイスの典型例は、ラジオ６５など、ＦＣスタック１０の運転に関与しない電気デバイスである。要求電力と目標電力の差が小さいときには、燃料電池補機が負荷デバイスであってもよい。

図２の処理は、急速暖機（ＦＣスタック１０を急速に温める処理）が必要とされる場合に実行される。このとき、燃料電池車１００は停車中である。すなわち、インバータ１０１と電気モータ１０２は停止している。それゆえ、目標出力が事前に正確に定まる。図２の処理が走行中に実行される場合、目標出力は、外気温度、ＦＣスタックの温度、および、アクセル開度と車速を含む関数として、予め定められるものであってもよい。

急速暖機が必要とされない場合には、図２のステップＳ８とＳ１０の処理は省かれる。このとき、ステップＳ９のストイキ比は、供給される水素の量に対して最適な酸素量が供給されるように定められる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：燃料電池システム
１０ ：燃料電池スタック（ＦＣスタック）
１８ａ、１８ｂ：電圧センサ
１９ａ、１９ｂ：電流センサ
２０ ：燃料タンク
２１ ：燃料供給管
２２ ：インジェクタ
２３ ：オフガス排出管
２４ ：気液分離器
２５ ：戻し管
２６ ：水素ポンプ
２７ ：排気排水弁
３１ ：空気供給管
３２ ：排気管
３４ ：空気コンプレッサ
４１ａ－４１ｅ ：弁
５０ ：コントローラ
５１ ：メモリ
６２ ：昇圧コンバータ
６３ ：降圧コンバータ
６４ ：サブバッテリ
６５ ：ラジオ
７０ ：冷却器
７１ ：流路管
７２ ：循環ポンプ
７３ ：熱交換器
８０ ：キャビン暖房器
８１ ：流路管
８２ ：ポンプ
８３ ：電気ヒータ
１００：燃料電池車
１０１：インバータ
１０２：電気モータ
１０３：メインバッテリ

Claims (5)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの運転に用いられる燃料電池補機と、
   前記燃料電池スタックの出力端に接続されているバッテリと、
   前記燃料電池スタックの前記出力端に接続されている負荷デバイスと、
   前記燃料電池補機と前記負荷デバイスを制御するとともに、前記燃料電池スタックの目標出力を記憶しているコントローラと、
   を備えており、
   前記目標出力には、外気温度に応じて定められる前記燃料電池補機の見込み消費電力と、予め定められている前記負荷デバイスの見込み消費電力が含まれており、
   前記コントローラは、
   前記燃料電池補機が前記燃料電池スタックの運転のために消費する電力（補機予測消費電力）を予測し、
   前記バッテリの見込み入出力電力を決定し、
   前記補機予測消費電力と前記見込み入出力電力に基づいて前記燃料電池スタックに要求される出力（要求出力）を決定し、
   前記目標出力に基づいて前記燃料電池スタックの動作点を決定し、
   前記要求出力と前記目標出力の差がゼロとなるように前記負荷デバイスの動作を制御する、燃料電池システム。
2. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの運転に用いられる燃料電池補機と、
   前記燃料電池スタックの出力端に接続されているバッテリと、
   前記燃料電池スタックの前記出力端に接続されている負荷デバイスと、
   前記燃料電池補機と前記負荷デバイスを制御するとともに、前記燃料電池スタックの目標出力を記憶しているコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記燃料電池補機が前記燃料電池スタックの運転のために消費する電力（補機予測消費電力）を予測し、
   前記バッテリの見込み入出力電力を決定し、
   前記補機予測消費電力と前記見込み入出力電力に基づいて前記燃料電池スタックに要求される出力（要求出力）を決定し、
   外気温度と前記燃料電池スタックの温度に基づいて前記燃料電池スタックの単位時間当たりの目標発熱量を決定し、
   前記目標発熱量と前記目標出力に基づいて、前記燃料電池スタックの動作点と、前記燃料電池スタックに供給する水素と酸素のストイキ比を決定し、
   前記要求出力と前記目標出力の差がゼロとなるように前記負荷デバイスの動作を制御する、燃料電池システム。
3. 前記コントローラは、前記バッテリの実際の入出力電力が前記バッテリの入出力許容範囲を超えている場合、前記実際の入出力電力が前記入出力許容範囲内に戻るように、前記目標出力を補正する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記見込み入出力電力は、前記バッテリの残電力量に応じて定められている、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
5. 前記負荷デバイスは、前記燃料電池スタックの運転に影響を与えない電気デバイスである、請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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