JP7302502B2

JP7302502B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法

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Publication number: JP7302502B2
Application number: JP2020029211A
Authority: JP
Inventors: 裕田野; 修弓田; 翔加藤; 信也大渡
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-02-25
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2040-02-25
Also published as: DE102021104096A1; US20210265648A1; JP2021136079A

Description

本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法に関する。

従来、燃料電池および燃料電池用のＤＣ／ＤＣコンバータと、二次電池および二次電池用のＤＣ／ＤＣコンバータとが、駆動モータのインバータに対して並列に接続されている燃料電池システムにおいて、効率の低い発電を行うことにより、燃料電池システムの暖機運転を行う技術が存在する（特許文献１）。

燃料電池は、燃料ガスが有するエネルギーを、電気エネルギーおよび熱エネルギーに変換する。暖機運転においては、通常運転に比べて、少ない量の反応ガスが燃料電池に供給される。その状態において、燃料電池の出力電圧と出力電流との組み合わせである動作点が制御されることにより、燃料電池から出力される熱エネルギーの割合が高く、電気エネルギーの割合が低くなるように、燃料電池が運転される。具体的には、燃料電池は、大電流かつ低電圧の動作点で運転される。

特許文献１の技術においては、通常運転から暖機運転に移行する際に、燃料電池の出力電圧と出力電流との組み合わせである動作点を、通常運転を行っている動作点から低効率運転を行う動作点まで、出力電力を一定に保持しつつ、移行させる。具体的には、燃料電池の出力電圧を変換する昇圧コンバータを用いて、燃料電池の出力電圧を低効率運転の目標電圧まで低下させる。一方、酸化ガス供給源から供給される酸化ガス量を調整することで、燃料電池の出力電流を制御する。特許文献１の技術においては、通常運転から暖機運転に移行する際に出力電力が一定に保持されるため、車両の運転時に使用される電力機器および燃料電池の運転に使用される電力機器を、安定して運転することができる。

特開２００７－１８４２４３号公報

燃料電池の暖機運転は、燃料電池の温度が低いときに行われる。燃料電池の暖機運転においては、通常運転に比べて少ない量の反応ガスが燃料電池に供給される。燃料電池の温度が低く、かつ、反応ガスの供給量が少ない状態では、燃料電池の出力電圧は、燃料電池の出力電流のわずかな変化によって、大きく変化する。したがって、暖機運転における動作点の制御は、燃料電池の温度が一定であると仮定しても、高精度であることが求められる。

さらに、燃料電池が実現できる出力電流と出力電圧の組み合わせで表される燃料電池の特性は、低温の環境下では、温度変化に起因して変化しやすい。具体的には、出力電流の値が同じであっても、燃料電池の温度が高いほど、燃料電池の出力電圧は高くなる。したがって、燃料電池の温度を上昇させる暖機運転における動作点の制御は、燃料電池の温度に応じて、緻密に行われることが要求される。

暖機運転における動作点の制御が十分に緻密ではないことに起因して、燃料電池の実際の動作点が目標とする動作点からずれた場合、予定されていた電気エネルギーの量よりも多くの電気エネルギーが燃料電池から出力されることがある。そのような場合には、過剰の電気エネルギーは、二次電池に充電される。しかし、低温の環境下では、二次電池の性能が低下している。すなわち、二次電池において充電可能な電力および放電可能な電力が、少なくなっている。このため、燃料電池の実際の動作点が目標とする動作点からずれた場合、充電が可能な電力よりも高い電力で二次電池に充電が行われて、二次電池が劣化する可能性がある。燃料電池の動作点のずれに起因して、予定されていた電気エネルギーの量よりも少ない電気エネルギーが燃料電池から出力される場合も、同様に、放電が可能な電力よりも高い電力の放電が指示されて、二次電池が劣化する可能性がある。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスと酸化ガスとを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の出力電圧を変換する第１コンバータと、
二次電池と、
前記第１コンバータの出力端と、前記二次電池の出力端とを、並列に負荷に接続するための接続線と、
前記二次電池の出力電圧を変換する第２コンバータと、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、
前記接続線は、前記第２コンバータを介して、前記二次電池の出力端に接続されており、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転モードとして、第１運転モードと第２運転モードとを備え、
前記第１運転モードおよび前記第２運転モードにおいて、前記接続線における電圧は、前記第２コンバータを使用して、負荷に対して望ましい電圧に制御され、
前記第１運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な昇圧能力で前記第１コンバータが運転される運転モードであり、
前記第２運転モードは、
前記第１コンバータが実現可能な最大の昇圧能力で前記第１コンバータが運転され、
前記燃料電池が供給すべき電力と前記燃料電池の出力電圧とに応じて、前記反応ガス供給部を使用して前記燃料電池の出力電流が制御される、運転モードである、燃料電池システム。

（１）本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池に燃料ガスと酸化ガスとを供給する反応ガス供給部と、前記燃料電池の出力電圧を変換する第１コンバータと、二次電池と、前記第１コンバータの出力端と、前記二次電池の出力端とを、並列に負荷に接続するための接続線と、前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池システムの運転モードとして、第１運転モードと第２運転モードとを備える。前記第１運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な昇圧能力で前記第１コンバータが運転される運転モードであり、前記第２運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な最大の昇圧能力で前記第１コンバータが運転され、前記反応ガス供給部を使用して前記燃料電池の出力電流が制御される、運転モードである。
このような態様においては、第２運転モードにおいて、第１コンバータが実現可能な最大の昇圧能力で燃料電池の出力電圧が昇圧される。このため、燃料電池の出力電圧が、接続線における電圧に対して実現可能な最も低い電圧となるように、燃料電池が運転される。その結果、燃料電池は、そのときの燃料電池システムにおいて実現可能な最大量の発熱をすることができる運転状態となるように、実質的に運転状態を固定されて、運転される。一方、燃料電池の出力は、反応ガス供給部を使用した電流量の制御を介して、制御される。よって、第２運転モードにおいて、効果的に暖機運転を行いつつ、燃料電池の出力電圧と出力電流との組み合わせである動作点が、予定されていた動作点から大幅にずれる事態を防止できる。
（２）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記二次電池の出力電圧を変換する第２コンバータを備え、前記接続線は、前記第２コンバータを介して、前記二次電池の出力端に接続されており、前記第１運転モードおよび前記第２運転モードにおいて、前記接続線における電圧は、前記第２コンバータを使用して制御される、態様とすることができる。
このような態様とすれば、負荷に対して望ましい電圧で、電力を供給することができる。
（３）上記形態の燃料電池システムにおいて、さらに、前記燃料電池の出力電圧を取得することができる電圧取得部を備え、前記制御部は、前記第２運転モードにおいて、前記電圧取得部が取得した前記燃料電池の出力電圧に基づいて、前記第２コンバータを使用して前記接続線における電圧を制御する、態様とすることができる。
このような態様においては、燃料電池の出力電圧に基づいて接続線における電圧を制御することによって、燃料電池の出力電圧を望ましい値にフィードバック制御することができる。
（４）本開示の他の形態によれば、燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を変換する第１コンバータと、二次電池と、前記第１コンバータの出力端と前記二次電池の出力端とを並列に負荷に接続するための接続線と、を備える燃料電池システムの制御方法が提供される。この燃料電池システムの制御方法は、（ａ）第１運転モードで前記燃料電池システムを制御する工程と、（ｂ）あらかじめ定められた条件が満たされた場合に、第２運転モードで前記燃料電池システムを制御する工程と、を備える。前記第１運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な昇圧能力で前記第１コンバータが運転される運転モードである。前記第２運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な最大の昇圧能力で前記第１コンバータが運転され、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスとの少なくとも一方の量を調整することによって、前記燃料電池の出力電流が制御される、運転モードである。
このような態様においては、第２運転モードにおいて、第１コンバータが実現可能な最大の昇圧能力で燃料電池の出力電圧が昇圧される。このため、燃料電池の出力電圧が、接続線における電圧に対して実現可能な最も低い電圧となるように、燃料電池が運転されることができる。その結果、燃料ガスと酸化ガスとの少なくとも一方の量を調整することによる電流量の制御を介して燃料電池の出力が制御されつつ、実現可能な最も低い電圧で燃料電池が運転されることができる。よって、第２運転モードにおいて、効果的に暖機運転を行いつつ、燃料電池の出力電圧と出力電流との組み合わせである動作点が、予定されていた動作点から大幅にずれる事態を防止できる。
（５）上記形態の燃料電池システムの制御方法において、前記燃料電池システムは、さらに、前記二次電池の出力電圧を変換する第２コンバータを備え、前記接続線は、前記第２コンバータを介して、前記二次電池の出力端に接続されており、前記第１運転モードおよび前記第２運転モードにおいて、前記接続線における電圧は、前記第２コンバータを使用して制御される、態様とすることができる。
このような態様とすれば、負荷に対して望ましい電圧で、電力を供給することができる。
（６）上記形態の燃料電池システムの制御方法において、前記第２運転モードにおいて、前記燃料電池の出力電圧に基づいて、前記第２コンバータを使用して前記接続線における電圧を制御する、態様とすることができる。
このような態様においては、燃料電池の出力電圧に基づいて接続線における電圧を制御することによって、燃料電池の出力電圧を望ましい値にフィードバック制御することができる。
本開示は、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池車両および燃料電池車両の制御方法、上記各制御方法を実現するコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体等の形態で実現することができる。

第１実施形態の燃料電池システム１００を搭載した燃料電池車両１０を示す。ＦＣコンバータ１５０の詳細な構成を示すブロック図である。リアクトルＬ１の電流ＩＬを示すグラフである。制御部による燃料電池システム１００の制御方法を示すフローチャートである。燃料電池１０１の電流－電圧特性を示す説明図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ１．燃料電池車両１０の構成：
図１は、第１実施形態の燃料電池システム１００を搭載した燃料電池車両１０（Fuel Cell Hybrid Vehicle。以下、ＦＣＨＶ１０とも表記する）を示す。燃料電池車両１０は、燃料電池システム１００と、負荷１３０と、インバータ１４０と、制御装置１６０と、センサ群１７０と、を備える。燃料電池車両１０は、主として燃料電池システム１００が供給する電力により駆動される。

燃料電池システム１００は、燃料電池１０１と、酸化ガス供給部１０３と、燃料ガス供給部１０５と、冷却水循環部１０７と、二次電池１２０と、ＦＣコンバータ１５０と、バッテリコンバータ１８０と、を備える。

燃料電池１０１は、燃料ガスとしての水素ガスと、酸化ガスとしての空気とを供給されて、発電を行い、外部に電力を供給する（図１の上段左部参照）。燃料電池１０１は、複数の発電セルが積層されて構成されるセルスタックを備える高分子電解質型燃料電池である。図１において、燃料電池１０１を「ＦＣ１０１」と表記する。

酸化ガス供給部１０３は、酸化ガスとしての空気を燃料電池１０１に供給する（図１の上段左部参照）。酸化ガス供給部１０３は、コンプレッサを備える。酸化ガス供給部１０３は、燃料電池車両１０の周囲の空気を取り込んで、コンプレッサで圧縮し、燃料電池１０１に供給する。図１において、酸化ガス供給部１０３を「ＯＧＳ１０３」と表記する。

燃料ガス供給部１０５は、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池１０１に供給する（図１の上段左部参照）。燃料ガス供給部１０５は、高圧の水素ガスを貯留している水素ガスタンクを備える。燃料ガス供給部１０５は、水素ガスタンク中の水素ガスを減圧して、燃料電池１０１に供給する。図１において、燃料ガス供給部１０５を「ＦＧＳ１０５」と表記する。

冷却水循環部１０７は、燃料電池１０１の温度を制御するための冷却水を、燃料電池１０１との間で循環させる（図１の上段左部参照）。冷却水循環部１０７は、熱交換器を備える。冷却水循環部１０７は、燃料電池１０１から排出された冷却水を、熱交換器で冷却し、再び燃料電池１０１に供給する。図１において、冷却水循環部１０７を「ＣＷＣ１０７」と表記する。

二次電池１２０は、電力を供給されてこれを蓄積し、また、電力を外部に供給することができる（図１の中段右部参照）。二次電池１２０は、具体的には、リチウムイオン電池である。図１において、二次電池１２０を「ＢＡＴ１２０」と表記する。

ＦＣコンバータ１５０は、燃料電池１０１とインバータ１４０の間に配される（図１の上段中央部参照）。ＦＣコンバータ１５０は、燃料電池１０１の出力電力を受け取り、その出力電圧をより高い電圧に変換して、インバータ１４０に供給する。ＦＣコンバータ１５０は、互いに並列に接続されているＵ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４によって構成された四相並列形コンバータである。ＦＣコンバータ１５０の詳細な構成および動作については、後に説明する。図１において、Ｕ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４を、それぞれ「ＦＣ－ＣＮＶ－Ｕ１５１」、「ＦＣ－ＣＮＶ－Ｖ１５２」、「ＦＣ－ＣＮＶ－Ｗ１５３」、「ＦＣ－ＣＮＶ－Ｘ１５４」と表記する。

バッテリコンバータ１８０は、二次電池１２０とインバータ１４０の間に配される（図１の上段右部参照）。バッテリコンバータ１８０は、二次電池１２０の出力電力を受け取り、二次電池１２０の出力電圧を昇圧または降圧して、インバータ１４０に供給する。また、バッテリコンバータ１８０は、インバータ１４０から出力電力を受け取り、昇圧または降圧して、二次電池１２０に供給する。図１において、バッテリコンバータ１８０を「ＢＡＴ－ＣＮＶ１８０」と表記する。

ＦＣコンバータ１５０および燃料電池１０１と、バッテリコンバータ１８０および二次電池１２０とは、インバータ１４０に対して並列に接続されている。ＦＣコンバータ１５０の出力端と、二次電池１２０の出力端とを、並列に負荷１３０に接続するための接続線を、接続線ＣＬとして示す。

本明細書において、「ＡをＢに接続するための接続線」という表記は、ＡとＢとが接続線によって直接、接続されている構成における接続線と、ＡとＢとが接続線および他の構成要素によって、接続されている構成における接続線と、を含む。本実施形態において、ＦＣコンバータ１５０の出力端は、接続線ＣＬおよびインバータ１４０を介して、負荷１３０に接続されている。二次電池１２０の出力端は、バッテリコンバータ１８０、接続線ＣＬ、およびインバータ１４０を介して、負荷１３０に接続されている。

負荷１３０は、燃料電池車両１０において、燃料電池１０１および二次電池１２０から電力を供給されて動作するすべての機器を表す（図１の上段右部参照）。図１においては、負荷の例として、トラクションモータ１３１を示す。トラクションモータ１３１は、インバータ１４０から電力を供給されて回転力を出力する。トラクションモータ１３１の回転力は、ディファレンシャルギア１３２を介して、タイヤ１３３に伝達され、燃料電池車両１０を移動させる。

トラクションモータ１３１は、燃料電池車両１０が減速する際には、発電機として機能して、インバータ１４０に回生電力を供給する。回生電力は、インバータ１４０およびバッテリコンバータ１８０を介して、二次電池１２０に供給され、二次電池１２０に蓄えられる。

インバータ１４０は、燃料電池１０１または二次電池１２０から供給される直流電力を三相交流電力に変換して、トラクションモータ１３１に供給する（図１の上段右部参照）。インバータ１４０は、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータである。図１において、インバータ１４０を「ＩＮＶ１４０」と表記する。

センサ群１７０は、燃料電池車両１０を構成する各機器に取り付けられたセンサを表す（図１の下段右部参照）。センサ群１７０を構成するセンサから、たとえば、アクセル開度を表す信号、車速を表す信号、燃料電池１０１の出力電流を表す信号、燃料電池１０１の出力端子電圧を表す信号などが、制御装置１６０に供給される。図１において、センサ群１７０を「ＳＳ１７０」と表記する。センサ群１７０の一例として、燃料電池１０１の出力端子電圧Ｖｆｃを測定する電圧センサＶＳ１と、バッテリコンバータ１８０の出力端子電圧Ｖｈを測定する電圧センサＶＳ２と、燃料電池１０１の冷却水の温度ｔｗを測定する温度センサＴＳと、を示す（図１の上段左部、および上段右部参照）。

制御装置１６０は、プロセッサーであるＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）を備えるコンピュータシステムである（図１の下段中央部参照）。制御装置１６０は、燃料電池車両１０を制御する。

制御装置１６０は、たとえば、センサ群１７０から供給される各種の信号に基づいて、負荷１３０の要求電力、すなわち、燃料電池システム１００が負荷１３０に供給すべき電力を計算する。制御装置１６０は、燃料電池システム１００が供給すべき電力のうちの燃料電池１０１の出力電力と、燃料電池システム１００が供給すべき電力のうちの二次電池１２０の出力電力と、を決定する。制御装置１６０は、燃料電池１０１と二次電池１２０がそれぞれ決定された電力を供給できるように、ＦＣコンバータ１５０およびバッテリコンバータ１８０を制御する。また、制御装置１６０は、センサ群１７０に含まれるアクセル開度センサから得られるアクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、インバータ１４０に指令値を出力し、トラクションモータ１３１の出力トルク、および回転数を制御する。

図１において、制御装置１６０を「ＣＲＬ１６０」と表記する。制御装置１６０のうち、燃料電池車両１０の燃料電池システム１００を制御する機能部を、「制御部１６２」として、図１に示す。

制御部１６２は、燃料電池システム１００の運転モードとして、第１運転モードＤＭ１と第２運転モードＤＭ２とを備える。第１運転モードＤＭ１は、通常運転である。第２運転モードＤＭ２は、暖機運転である。通常運転と暖機運転については、後に説明する。

Ａ２．ＦＣコンバータの構成および動作：
図２は、ＦＣコンバータ１５０の詳細な構成を示すブロック図である。以下では、ＦＣコンバータ１５０が備えるＵ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４の回路のうち、Ｕ相１５１を例に説明する。

Ｕ相１５１は、リアクトルＬ１と、整流用のダイオードＤ１と、スイッチング素子ＳＷ１と、を備えている。

リアクトルＬ１は、燃料電池１０１の電源ラインＣＬ１に接続されている。整流用のダイオードＤ１は、リアクトルＬ１に直列に接続されている。燃料電池１０１の電源ラインＣＬ１は、リアクトルＬ１および整流用のダイオードＤ１を経て、インバータ１４０に接続されている。一方、燃料電池１０１のアースラインＣＬ２は、インバータ１４０に接続されている。燃料電池１０１の電源ラインＣＬ１と、燃料電池１０１のアースラインＣＬ２と、をまとめて、「接続線ＣＬ」と呼ぶ（図１の上段右部参照）。

スイッチング素子ＳＷ１は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を含むスイッチング素子である。スイッチング素子ＳＷ１のコレクタは、リアクトルＬ１とダイオードＤ１の間において、燃料電池１０１の電源ラインＣＬ１に接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のエミッタは、燃料電池１０１のアースラインＣＬ２に接続されている。

ＦＣコンバータ１５０が備えるＶ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４の各回路は、Ｕ相１５１と同様の構成を備える。図２において、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４の各回路が備えるリアクトルＬ２～Ｌ４、ダイオードＤ２～Ｄ４、スイッチング素子ＳＷ２～ＳＷ４を示す。

ＦＣコンバータ１５０は、さらに、コンデンサＣ０を備える。コンデンサＣ０の一端は、互いに並列に接続されているＵ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４の各回路と、インバータ１４０と、の間において、燃料電池１０１の電源ラインＣＬ１に接続されている。コンデンサＣ０の他端は、燃料電池１０１のアースラインＣＬ２に接続されている。

たとえば、Ｕ相１５１において、スイッチング素子ＳＷ１がＯＮされると、燃料電池１０１から、リアクトルＬ１を経て、スイッチング素子ＳＷ１へと電流が流れる。このときリアクトルＬ１が励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦされると、電源ラインＣＬ１において、リアクトルＬ１に蓄積された磁気エネルギーによる誘導電圧が、燃料電池１０１の出力電圧に重畳される。そして、スイッチング素子ＳＷ１はＯＦＦされていることから、電流は、ダイオードＤ１を介してインバータ１４０に流れる。

図３は、リアクトルＬ１の電流ＩＬを示すグラフである。制御部１６２は、スイッチング素子ＳＷ１がＯＮである時間区間Ｔｏｎと、スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦである時間区間Ｔｏｆｆと、の合計値が一定となるように、一定の周期で、スイッチング素子ＳＷ１を繰り返し制御する（図３の下段参照）。以下では、技術の理解を容易にするため、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４の各回路は、電源ラインＣＬ１から切り離されているものとして説明する。

スイッチング素子ＳＷ１がＯＮであるとき、電流は、電源ラインＣＬ１のリアクトルＬ１から、スイッチング素子ＳＷ１を経て、アースラインＣＬ２に向かって流れる（図２の上段参照）。この経路の抵抗は、実質的に０である。このとき、リアクトルＬ１に流れる電流ＩＬは、直線的に上昇する。リアクトルＬ１のインダクタンスをＬとすると、リアクトルＬ１に流れる電流ＩＬの傾きは、Ｖｆｃ／Ｌである。

スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦであるとき、電流は、電源ラインＣＬ１のリアクトルＬ１から、ダイオードＤ１を経て、インバータ１４０に向かって流れる（図２の上段参照）。なお、スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦであることから、電源ラインＣＬ１とアースラインＣＬ２は分断されている。このとき、リアクトルＬ１に流れる電流ＩＬは、直線的に下降する。インバータ１４０の入力側の電圧、すなわちＦＣコンバータ１５０の出力電圧をＶｈとすると、リアクトルＬ１に流れる電流ＩＬの傾きは、－（Ｖｈ－Ｖｆｃ）／Ｌである。なお、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧Ｖｈは、インバータ１４０に対してＦＣコンバータ１５０と並列に接続されるバッテリコンバータ１８０の出力電圧である（図１の上段右部参照）。ＦＣコンバータ１５０の出力電圧、すなわち、バッテリコンバータ１８０の出力電圧は、バッテリコンバータ１８０によって制御される。

制御部１６２（図１の下段中央部参照）は、スイッチング素子ＳＷ１のＯＮ／ＯＦＦのデューティー比を操作することにより、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を制御することができる。「デューティー比」とは、ＴｏｎとＴｏｆｆの合計値、すなわち１周期の長さに対するＴｏｎの比である（図３の下段参照）。Ｔｏｎが長いほど、すなわち、デューティー比が大きいほど、燃料電池１０１の出力端子電圧Ｖｆｃは、より高い電圧に変換される。ＦＣコンバータ１５０が実現可能な昇圧能力は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能なデューティー比の大きさで決まる。ＦＣコンバータ１５０が実現可能な昇圧能力は、ＦＣコンバータ１５０の構成に従って、あらかじめ定められている。

制御部１６２は、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４のスイッチング素子ＳＷ２～ＳＷ４も、同様に制御することができる。その結果、制御部１６２は、バッテリコンバータ１８０によって、バッテリコンバータ１８０の出力電圧、すなわち、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧を制御した上で、ＦＣコンバータ１５０を制御することにより、ＦＣコンバータ１５０における出力電圧Ｖｆｃを制御することができる。

Ａ３．制御部による燃料電池システムの制御：
図４は、制御部による燃料電池システム１００の制御方法を示すフローチャートである。図４の処理は、燃料電池システム１００の始動時に、制御装置１６０の制御部１６２によって実行される。燃料電池システム１００は、燃料電池車両１０がＯＦＦの状態において、ユーザによって燃料電池車両１０のＯＮ／ＯＦＦスイッチが押されることにより、始動される。

ステップＳ１００において、制御部１６２は、燃料電池１０１の温度ｔｗが、あらかじめ定められた第１閾値以下であるか否かを判定する。燃料電池１０１の温度ｔｗとしては、燃料電池の温度を制御するための冷却水の温度ｔｗが採用される（図１の上段左部参照）。第１閾値は、本実施形態において、０℃である。燃料電池１０１の温度ｔｗが第１閾値以下である場合は、処理は、ステップＳ２００に進む。燃料電池１０１の温度ｔｗが第１閾値より高い場合は、処理は、ステップＳ４００に進む。

ステップＳ２００において、制御部１６２は、燃料電池１０１の暖機運転を開始する。ある温度において、ある量の反応ガスを供給されている燃料電池１０１の電流－電圧特性は、電流が大きいほど電圧が小さく、電流が小さいほど電圧が大きくなる特性である。暖機運転においては、電流が大きく電圧が小さい動作点で燃料電池１０１が運転される。そして、二次電池１２０への充電および二次電池１２０からの放電ができるだけ行われないように、燃料電池システム１００が制御される。

具体的には、暖機運転においては、ＦＣコンバータ１５０は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力で運転される（図１中央部参照）。また、電圧センサＶＳ１が取得した燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃに基づいて、バッテリコンバータ１８０を使用して、接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈが、制御される（図１の上段左部参照）。燃料電池１０１の暖機運転については、後により詳細に説明する。

ステップＳ３００において、制御部１６２は、燃料電池１０１の温度ｔｗが、あらかじめ定められた第２閾値以上であるか否かを判定する。第２閾値は、第１閾値よりも高い温度である。第２閾値は、本実施形態において、５０℃である。燃料電池１０１の温度ｔｗが第２閾値以上である場合は、処理は、ステップＳ４００に進む。

一方、ステップＳ３００において、燃料電池１０１の温度ｔｗが第２閾値未満である場合は、処理は、ステップＳ３００に戻る。ステップＳ３００においては、一定の時間ごとに処理が繰り返される。その間、燃料電池１０１は、制御部１６２によって暖機運転で運転される。図４において、第２運転モードＤＭ２としての暖機運転が行われる区間を、左端に示す。

ステップＳ４００において、制御部１６２は、燃料電池１０１の通常運転を開始する。具体的には、燃料電池１０１の通常運転においては、制御部１６２は、アクセルペダルを介してユーザから指示される出力要求と、トラクションモータ１３１以外の負荷に供給すべき出力と、に応じて、燃料電池システム１００が負荷１３０に供給すべき電力を計算する。そして、制御部１６２は、燃料電池システム１００が供給すべき電力のうちの燃料電池１０１の出力電力と、燃料電池システム１００が供給すべき電力のうちの二次電池１２０の出力電力と、を決定する。制御部１６２は、燃料電池１０１と二次電池１２０がそれぞれ決定された電力を供給できるように、ＦＣコンバータ１５０およびバッテリコンバータ１８０を制御する。

通常運転においては、ＦＣコンバータ１５０は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な様々な昇圧能力で、運転される（図１中央部および図３参照）。より具体的には、ＦＣコンバータ１５０は、暖機運転において用いられるＦＣコンバータ１５０昇圧能力よりも低い昇圧能力を含む、様々な昇圧能力で、運転される（図１中央部および図３参照）。その結果、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃは、暖機運転の場合に比べて大きい値を含む、さまざまな値をとりうる。

ステップＳ５００において、制御部１６２は、燃料電池１０１の運転の終了条件が満たされたか否かを判定する。燃料電池１０１の運転の終了条件は、燃料電池車両１０がＯＮの状態において、燃料電池車両１０のＯＮ／ＯＦＦスイッチが押されたことを含む。ステップＳ５００において、燃料電池１０１の運転の終了条件が満たされた場合は、処理は、終了する。

一方、ステップＳ５００において、燃料電池１０１の運転の終了条件が満たされていない場合は、処理は、ステップＳ５００に戻る。ステップＳ５００においては、一定の時間ごとに処理が繰り返される。その間、燃料電池１０１は、制御部１６２によって通常運転で運転される。図４において、第１運転モードＤＭ１としての通常運転が行われる区間を、左端に示す。

Ａ４．暖機運転における燃料電池システムの制御：
図５は、燃料電池１０１の電流－電圧特性を示す説明図である。曲線ＩＶ１は、通常運転における電流－電圧特性を示す。曲線ＩＶ２は、暖機運転時における電流－電圧特性を示す。

通常運転においては、制御部１６２は、曲線ＩＶ１上の動作点で燃料電池１０１動作させる。曲線ＩＶ１上の動作点の一例を、動作点Ａとする。動作点Ａにおける電流をＩ１とする。動作点Ａにおける電圧をＶ１とする。動作点Ａにおいては、水素から得られるエネルギーは、［ＶＨ×Ｉ１］である。ＶＨは、燃料電池に負荷が接続されていない状態における理論起電力であり、水素の燃焼エンタルピー、［ΔＨ＝－２８６ｋＪ／ｍｏｌ］から算出される。ＶＨは、具体的には燃焼エンタルピーをファラデー定数と反応電子数（この反応では「２」）で割ることにより算出される。ＶＨは、通常、開放電圧であるＯＣＶよりも高い値である。

動作点Ａにおいては、水素から得られるエネルギー［ＶＨ×Ｉ１］のうち、図５において動作点Ａより下の部分にあたる［Ｖ１×Ｉ１］が電気エネルギーである。動作点Ａより上の部分にあたる［（ＶＨ－Ｖ１）×Ｉ１］は熱エネルギーである。

暖機運転においては、制御部１６２は、曲線ＩＶ２上の動作点で燃料電池１０１を動作させる。本実施形態において暖機運転が行われる曲線ＩＶ２上の動作点を、動作点Ｂとする。動作点Ｂにおける電流をＩ２とする。動作点Ａにおける電圧をＶ２とする。動作点Ｂにおいては、水素から得られるエネルギーは、［ＶＨ×Ｉ２］である。

動作点Ｂにおいては、水素から得られるエネルギー［ＶＨ×Ｉ２］のうち、図５において動作点Ｂより下の部分にあたる［Ｑ１＝Ｖ２×Ｉ２］が電気エネルギーである。動作点Ｂより上の部分にあたる［Ｑ０＝（ＶＨ－Ｖ２）×Ｉ２］が熱エネルギーである。

通常運転においては、制御部１６２は、曲線ＩＶ１上の様々な動作点で燃料電池１０１を動作させる（図４のＤＭ１参照）。このため、通常運転においては、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な様々な昇圧能力で、ＦＣコンバータ１５０が運転される。ＦＣコンバータ１５０が実現可能な昇圧能力は、本実施形態においては、５％～９５％のデューティー比による昇圧能力である（図３の下段参照）。

暖機運転においては、制御部１６２は、出力される熱エネルギーの割合が実現可能な範囲で最も高い動作点、すなわち、大電流かつ低電圧の動作点で運転される（図４のＤＭ２参照）。このため、暖機運転においては、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力で、ＦＣコンバータ１５０が運転される。ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力は、ＦＣコンバータ１５０の製造者が動作保証する最大の昇圧能力である。本実施形態においては、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力は、９５％のデューティー比による昇圧能力である（図３の下段参照）。ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力による、ＦＣコンバータ１５０の運転は、以下のように実現される。

制御部１６２（図１の下段中央部参照）は、バッテリコンバータ１８０を使用して接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈを制御する（図１の上段右部参照）。バッテリコンバータ１８０の出力電圧は、制御部１６２によって、負荷１３０に対して望ましい電圧に制御される。

暖機運転においては、制御部１６２は、燃料ガス供給部１０５を制御して、十分な量の水素ガスを燃料電池１０１に供給する（図１の上段左部参照）。一方、制御部１６２は、酸化ガス供給部１０３を制御して、水素の量に対して、反応には不十分な量の酸素を含む空気を供給する。このため、酸化ガス供給部１０３が単位時間当たりに燃料電池１０１に供給する空気に含まれる酸素の量によって、燃料電池１０１から流出する電子の単位時間当たりの量が決まる。その結果、制御部１６２は、酸化ガス供給部１０３を制御することにより、燃料電池１０１の出力電流を制御することができる。すなわち、暖機運転においては、制御部１６２は、酸化ガス供給部１０３を使用して燃料電池１０１の出力電流を制御する（図１の上段左部参照）。

制御部１６２は、ＦＣコンバータ１５０に対しては、その時点の温度および酸化ガスの供給量では、実現不可能な大きな電流値を燃料電池１０１から出力するよう、指示する。ある温度において、ある量の反応ガスを供給されている燃料電池１０１の電流－電圧特性は、電流が大きいほど、電圧が小さく、電流が小さいほど、電圧が大きくなる特性である（図５のＩＶ２参照）。このため、実現不可能な大きな電流値を指示されたＦＣコンバータ１５０は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力で動作して、接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈに対して実現可能な最も低い電圧Ｖｆｃで燃料電池１０１を運転して、燃料電池の出力電流を大きくしようとする。その結果、ＦＣコンバータ１５０は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力、すなわち本実施形態において９５％のデューティー比で動作する。なお、電圧Ｖｈに対して実現可能な最も低い電圧Ｖｆｃは、図５においてＶ２で示されている。

なお、燃料電池１０１の状態によっては、目標とする動作点Ｂに対して、電圧が下にずれる場合がある（図５のＩＶ２参照）。しかし、そのような場合には、燃料電池の特性上、出力電流が減少し、出力電圧は上昇する。このため、燃料電池１０１は、動作点Ｂで安定して運転される。

従来の技術においては、通常運転と同様に、暖機運転においても、ＦＣコンバータ１５０のデューティー比を操作することにより、燃料電池システム１００を制御していた。このため、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧が予定した値よりも低い場合に、さらに出力電圧を上げられるように、ＦＣコンバータ１５０のデューティー比の目標値に上限を設けていた。デューティー比の目標値の上限は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能なデューティー比の最大値よりも低い値である。同様に、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧が予定した値よりも高い場合に、さらに出力電圧を下げられるように、ＦＣコンバータ１５０のデューティー比の目標値に下限を設けていた。デューティー比の目標値の下限は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能なデューティー比の最小値よりも高い値である。そして、その上限と下限の範囲内で暖機運転における燃料電池システム１００の制御を行っていた。たとえば、ＦＣコンバータ１５０のデューティー比の目標値は、８％～９２％とされた。このため、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力、すなわち最大のデューティー比でＦＣコンバータ１５０を動作させ、実現可能な最も低い電圧Ｖｆｃで燃料電池１０１を運転して、効率的な暖機運転を行うことができていなかった。

一方、本実施形態においては、第２運転モードＤＭ２としての暖機運転において、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力で燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃが昇圧される。このため、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃが、接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈに対して実現可能な最も低い電圧となるように、燃料電池１０１が運転される。その結果、燃料電池１０１は、そのときの燃料電池システム１００の状態において実現可能な最大量の発熱をすることができる運転状態となるように、実質的に運転状態を固定されて、運転される（図５のＩＶ２およびＱ０参照）。一方、燃料電池１０１の出力は、酸化ガス供給部１０３を使用した電流量の制御を介して、制御される。よって、第２運転モードＤＭ２において、効果的に暖機運転を行いつつ、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃと出力電流との組み合わせである動作点が、予定されていた動作点Ｂから大幅にずれる事態を防止できる。

その結果、暖機運転が行われる低温の環境下において、大きな電力を二次電池１２０に蓄えさせ、または大きな電力を二次電池１２０に供給させる必要がない（図１の中段右部参照）。このため、二次電池１２０の性能が低下する事態を防止できる。また、二次電池１２０への充電や二次電池１２０からの放電を避けるために、暖機運転において燃料電池１０１で生成された電力を、トラクションモータ１３１以外の負荷１３０で無駄に消費させる必要もない。そして、二次電池１２０への充電や二次電池１２０からの放電を避けるために、暖機運転において燃料電池１０１で生成された電力を、トラクションモータ１３１以外の負荷１３０で消費させるための、制御装置１６０による制御も、事実上、必要ない。

本実施形態においては、暖機運転において、制御部１６２は、ＦＣコンバータ１５０のデューティー比が実現可能な最大のデューティー比に実質的に固定された状態で、バッテリコンバータ１８０を使用して接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈを制御する（図１の上段右部参照）。このときのデューティー比は、本実施形態において９５％である。すなわち、ＦＣコンバータ１５０は、燃料電池１０１の出力端子電圧Ｖｆｃを２０倍に昇圧している。制御部１６２は、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧Ｖｈを制御することにより、ＦＣコンバータ１５０の出力電圧Ｖｈの入力電圧、すなわち燃料電池１０１の出力端子電圧Ｖｆｃを制御する態様に比べて、２０倍の精度で、燃料電池１０１の出力端子電圧Ｖｆｃを制御することができる。

本実施形態においては、暖機運転において、制御部１６２は、電圧センサＶＳ１が取得した燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃに基づいて、バッテリコンバータ１８０を使用して接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈを制御する（図１の上段左部参照）。暖機運転においては、ＦＣコンバータ１５０は、最大の昇圧能力を発揮するように運転されるため、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃに基づいて接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈを制御することによって、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃを望ましい値にフィードバック制御することができる。

本実施形態における酸化ガス供給部１０３と、燃料ガス供給部１０５とを、まとめて「反応ガス供給部」とも呼ぶ。ＦＣコンバータ１５０を、「第１コンバータ」とも呼ぶ。制御装置１６０の機能部としての制御部１６２と、燃料電池システム１００とを、まとめて「燃料電池システム」とも呼ぶ。バッテリコンバータ１８０を、「第２コンバータ」とも呼ぶ。通常運転を「第１運転モード」とも呼ぶ。暖機運転を「第２運転モード」とも呼ぶ。電圧センサＶＳ１を、「電圧取得部」とも呼ぶ。

本実施形態の図４のステップＳ２００およびＳ３００を、「第１運転モードで前記燃料電池システムを制御する工程」とも呼ぶ。図４のステップＳ４００およびＳ５００を、「第２運転モードで前記燃料電池システムを制御する工程」とも呼ぶ。

Ｂ．他の実施形態：
Ｂ１．他の実施形態１：
（１）上記実施形態においては、ＦＣコンバータ１５０は、互いに並列に接続されているＵ相１５１、Ｖ相１５２、Ｗ相１５３、Ｘ相１５４によって構成された四相並列形コンバータである。しかし、燃料電池の出力電圧を変換するコンバータは、１相、２相、３相、ならびに５相以上など、他の数の相を有するコンバータとすることもできる。

また、燃料電池の出力電圧を変換するコンバータは、電圧の変換において、コンバータが備えるＮ個の相のうちの１以上を使用することができる。たとえば、負荷から要求される電力に応じて、効率のよい数の相を使用することができる。

（２）上記実施形態においては、燃料電池１０１の温度としては、燃料電池１０１の冷却水の温度ｔｗが用いられる（図１の上段左部、および図４のＳ１００参照）。しかし、燃料電池の温度は、たとえば、燃料電池自体の温度や、燃料電池に接続されている構造物の温度など、燃料電池の温度と相関を有する他の温度を用いてもよい。

（３）上記実施形態においては、暖機運転において、制御装置１６０は、酸化ガス供給部１０３を使用して燃料電池１０１の出力電流を制御する（図１の上段左部参照）。しかし、暖機運転において、制御装置１６０は、燃料ガス供給部１０５を、単独で、または酸化ガス供給部１０３とともに、使用して、燃料電池１０１の出力電流を制御してもよい。すなわち、燃料電池１０１に供給される燃料ガスと酸化ガスとの少なくとも一方の量を調整することによって、燃料電池１０１の出力電流が制御されればよい。

（４）上記実施形態においては、暖機運転において、制御装置１６０は、ＦＣコンバータ１５０に対して、その時点の温度および酸化ガスの供給量では、実現不可能な大きな電流値を燃料電池１０１から出力するよう、指示する。その結果、ＦＣコンバータ１５０は、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力で動作して、接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈに対して実現可能な最も低い電圧Ｖｆｃで燃料電池１０１が運転される（図１および図５参照）。しかし、暖機運転において、制御装置１６０は、ＦＣコンバータ１５０に対して、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力で動作すべき旨の指示を出してもよい。

（５）上記実施形態においては、二次電池１２０は、リチウムイオン電池である。しかし、燃料電池が発電した電力や、発電機としてのモータが発電した電力を蓄えることができる二次電池は、リチウムイオン電池のほか、ニッケル水素電池、鉛蓄電池など、他の二次電池とすることもできる。ただし、低温環境下において、リチウムイオン電池の充電能力および放電能力は、大きく低下する。このため、本開示の燃料電池の制御方法は、二次電池としてリチウムイオン電池が採用されている態様において、好適である。

Ｂ２．他の実施形態２：
上記実施形態においては、燃料電池システム１００は、ＦＣコンバータ１５０と、バッテリコンバータ１８０と、を備える（図１の上段中央部参照）。しかし、燃料電池システム１００は、ＦＣコンバータ１５０を備え、バッテリコンバータ１８０を備えない態様とすることもできる。そのような態様においては、暖機運転は、以下のように行われる。ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力でＦＣコンバータ１５０が運転された場合の燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃが、あらかじめ定められた許容範囲内の電圧である場合には、ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力でＦＣコンバータ１５０が運転される。ＦＣコンバータ１５０が実現可能な最大の昇圧能力でＦＣコンバータ１５０が運転された場合の燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃが、上記の許容範囲外となる場合には、出力電圧Ｖｆｃが許容範囲内となるように、ＦＣコンバータ１５０の昇圧比が決定されて、その昇圧比でＦＣコンバータ１５０が運転される。

Ｂ３．他の実施形態３：
上記実施形態においては、制御装置１６０は、電圧センサＶＳ１が取得した燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃに基づいて、バッテリコンバータ１８０を使用して接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈを制御する。しかし、制御装置１６０は、燃料電池１０１の出力電圧Ｖｆｃに基づかずに、接続線ＣＬにおける電圧Ｖｈを制御してもよい。

Ｂ４．他の実施形態４：
上記実施形態においては、燃料電池１０１の温度ｔｗが第１閾値としての０℃以下である場合は、暖機運転が実行される（図４のＳ１００およびＳ２００参照）。しかし、第１閾値としては、１℃や３℃など、他の値を採用することもできる。また、暖機運転を開始する条件としては、その時点の燃料電池の温度以外に、たとえば、過去の所定の時間区間の燃料電池の温度が閾値以下であるなど、他の条件を含んでもよい。それらの複数の条件は、並列条件であってもよく、加重条件であってもよい。すなわち、第２運転モードとしての暖機運転は、あらかじめ定められた条件で実行されればよい。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池車両、１００…燃料電池システム、１０１…燃料電池、１０３…酸化ガス供給部、１０５…燃料ガス供給部、１０７…冷却水循環部、１２０…二次電池、１３０…負荷、１３１…トラクションモータ、１３２…ディファレンシャルギア、１３３…タイヤ、１４０…インバータ、１５０…ＦＣコンバータ、１５１…Ｕ相、１５２…Ｖ相、１５３…Ｗ相、１５４…Ｘ相、１６０…制御装置、１６２…制御部、１７０…センサ群、１８０…バッテリコンバータ、Ａ…通常運転における燃料電池の動作点、Ｂ…暖機運転における燃料電池の動作点、Ｃ０…コンデンサ、ＣＬ…接続線、ＣＬ１…電源ライン、ＣＬ２…アースライン、Ｄ１…ダイオード、Ｄ２…ダイオード、Ｄ３…ダイオード、Ｄ４…ダイオード、ＤＭ１…第１運転モード、ＤＭ２…第２運転モード、Ｉ１…動作点Ａにおける電流を、Ｉ２…動作点Ｂにおける電流を、ＩＬ…リアクトルＬ１を流れる電流、ＩＶ１…通常運転における電流－電圧特性を示す曲線、ＩＶ２…暖機運転における電流－電圧特性を示す曲線、Ｌ…リアクトルＬ１のインダクタンス、Ｌ１…リアクトル、Ｌ２…リアクトル、Ｌ３…リアクトル、Ｌ４…リアクトル、Ｑ０…暖機運転において発生する熱エネルギー、Ｑ１…暖機運転において発生する電気エネルギー、ＳＷ１…スイッチング素子、ＳＷ２…スイッチング素子、ＳＷ３…スイッチング素子、ＳＷ４…スイッチング素子、ＴＳ…温度センサ、Ｔｏｆｆ…スイッチング素子ＳＷ１がＯＦＦである時間区間、Ｔｏｎ…スイッチング素子ＳＷ１がＯＮである時間区間、Ｖ１…動作点Ａにおける電圧、Ｖ２…動作点Ｂにおける電圧、ＶＨ…理論起電力、ＶＳ１…電圧センサ、ＶＳ２…電圧センサ、Ｖｆｃ…燃料電池１０１の出力電圧、Ｖｈ…バッテリコンバータ１８０およびＦＣコンバータ１５０の出力電圧、ｔｗ…燃料電池１０１の温度

Claims

燃料電池システムであって、
燃料電池と、
前記燃料電池に燃料ガスと酸化ガスとを供給する反応ガス供給部と、
前記燃料電池の出力電圧を変換する第１コンバータと、
二次電池と、
前記第１コンバータの出力端と、前記二次電池の出力端とを、並列に負荷に接続するための接続線と、
前記二次電池の出力電圧を変換する第２コンバータと、
前記燃料電池システムを制御する制御部と、を備え、
前記接続線は、前記第２コンバータを介して、前記二次電池の出力端に接続されており、
前記制御部は、前記燃料電池システムの運転モードとして、第１運転モードと第２運転モードとを備え、
前記第１運転モードおよび前記第２運転モードにおいて、前記接続線における電圧は、前記第２コンバータを使用して、負荷に対して望ましい電圧に制御され、
前記第１運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な昇圧能力で前記第１コンバータが運転される運転モードであり、
前記第２運転モードは、
前記第１コンバータが実現可能な最大の昇圧能力で前記第１コンバータが運転され、
前記燃料電池が供給すべき電力と前記燃料電池の出力電圧とに応じて、前記反応ガス供給部を使用して前記燃料電池の出力電流が制御される、運転モードである、燃料電池システム。
請求項１記載の燃料電池システムであって、さらに、
前記燃料電池の出力電圧を取得することができる電圧取得部を備え、
前記制御部は、前記第２運転モードにおいて、前記電圧取得部が取得した前記燃料電池の出力電圧に基づいて、前記第２コンバータを使用して前記接続線における電圧を制御する、燃料電池システム。
燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を変換する第１コンバータと、二次電池と、前記二次電池の出力電圧を変換する第２コンバータと、前記第１コンバータの出力端と前記二次電池の出力端とを並列に負荷に接続するための接続線であって前記第２コンバータを介して前記二次電池の出力端に接続されている接続線と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）第１運転モードで前記燃料電池システムを制御する工程と、
（ｂ）あらかじめ定められた条件が満たされた場合に、第２運転モードで前記燃料電池システムを制御する工程と、を備え、
前記第１運転モードおよび前記第２運転モードにおいて、前記接続線における電圧は、前記第２コンバータを使用して、負荷に対して望ましい電圧に制御され、
前記第１運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な昇圧能力で前記第１コンバータが運転される運転モードであり、
前記第２運転モードは、前記第１コンバータが実現可能な最大の昇圧能力で前記第１コンバータが運転され、前記燃料電池が供給すべき電力と前記燃料電池の出力電圧とに応じて、前記燃料電池に供給される燃料ガスと酸化ガスとの少なくとも一方の量を調整することによって、前記燃料電池の出力電流が制御される、運転モードである、燃料電池システムの制御方法。
請求項３記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記第２運転モードにおいて、前記燃料電池の出力電圧に基づいて、前記第２コンバータを使用して前記接続線における電圧を制御する、燃料電池システムの制御方法。