JP7567397B2 - 燃料電池システムおよび燃料電池の発電システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムに関する。

燃料電池をエネルギー源として備える電源システムが知られている。この電源システムは、燃料変換効率が最も良い発電条件内で運転することで、エネルギー密度、および出力密度が大きく、変動の激しい消費電力に対応する（例えば、特許文献１参照）。

ここで、エネルギー密度とは、電池の単位質量あるいは単位体積あたりの供給可能な電気エネルギーである。出力密度とは、電池の単位質量あるいは単位体積あたりの出力である。これらエネルギー密度および出力密度は、電池の特性を示す。

特開２００８－１９２５４９号公報

ところで、モーターを駆動源とし、そのエネルギー源として燃料電池および駆動用バッテリーを搭載した車両である燃料電池車が知られている。この燃料電池車は、燃料電池の出力をモーターが要求する電力に追従させる。また、燃料電池車では、モーターからの電力の要求に対して燃料電池の出力が不足する場合には、駆動用バッテリーから電力を補助する場合がある。

しかしながら、燃料電池は、出力によってその発電効率が変動する。そのため、モーターから要求される電力によっては、燃料電池は、発電効率が低い領域で出力する場合がある。また、出力変動による電圧の変動は燃料電池の劣化を加速させる。つまり、出力変動が大きい用法の場合には、燃料電池の性能が長時間持続せず短期間で低下してしまうといった問題があった。

そのため、燃料電池車においては、運転中に燃料電池の補機を含む燃料電池システム全体が最も効率よく動作可能な出力、つまり電流で発電することが望まれている。これにより、燃料電池の発電効率の向上が期待できる。なお、運転中に燃料電池の補機を含む燃料電池システム全体が最も効率よく動作可能な電流を、以下、「最高効率電流」と呼ぶ。

また、燃料電池の発電効率は、燃料電池車において車両全体の発電効率に最も大きく寄与する。そのため、燃料電池の発電効率を向上できれば、その結果として、車両全体の発電効率の向上、すなわち燃費の向上を図ることができ、ひいては車両の航続距離を延長することができる。したがって、車両の運転中に燃料電池の補器を含む燃料電池システム全体が最高効率電流にて発電可能な技術が求められている。

そこで、本発明は、車両の運転中に状況に応じて変動する効率に追従して、補機を含む燃料電池システム全体が最高効率電流で発電の継続が可能な燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムを提供することを目的とする。

前記の課題を解決するため本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の作動に関連する補機と、前記燃料電池の発電電流を変換するコンバータと、前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を含む燃料電池システムであって、前記燃料電池の発電中に当該燃料電池に前記補機を含めた発電効率を監視する監視部を備え、前記制御部は、最も効率よく動作する最高効率電流により前記燃料電池を発電させ、前記監視部によって前記燃料電池の前記発電効率の変化を検知すると、前記燃料電池の発電電流を所定の範囲内で変化させることにより前記燃料電池の前記発電電流を前記発電効率の最も高い電流値に変化させ、前記発電効率変化後の最高効率電流として前記燃料電池を発電させる。

また、本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池の作動に関連する補機と、前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記燃料電池の発電中に、前記燃料電池の発電電流を微小変化させて前記燃料電池の効率のよい最高効率電流に近づけながら前記燃料電池の発電を継続させる。

さらに、本発明に係る燃料電池の発電システムは、上記の燃料電池システムと、二次電池と、を備える燃料電池の発電システムであって、前記燃料電池の発電システムの起動中に前記二次電池の充電率が上限を超えないように前記燃料電池の発電を停止する停止モードと、前記最高効率電流で前記燃料電池を発電し、前記燃料電池の発電システムへの要求出力の不足分を前記二次電池で補う高効率モードと、前記燃料電池の発電システムへの要求出力が前記最高効率電流による発電量と前記二次電池の最大出力の合計よりも大きい場合、前記燃料電池の発電量を前記最高効率電流による発電量より大きくして前記二次電池の最大出力より大きい出力分を補う第一高負荷モードと、前記二次電池の充電率が低下した場合、前記燃料電池の発電量を前記最高効率電流による発電量より大きくして前記二次電池の充電率の低下速度を緩やかにする第二高負荷モードと、前記二次電池の充電率が下限を下回らないように前記燃料電池を最大出力で発電する第三高負荷モードと、を有している。

本発明によれば、車両の運転中に状況に応じて変動する効率に追従して、補機を含む燃料電池システム全体が最高効率電流で発電の継続が可能な燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムを提供できる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムにおける燃料電池の効率の計算を説明する図。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムにおける燃料電池の最高効率電流の確認方法を示すフローチャート。 本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムにおける燃料電池の最高効率電流の確認方法を示すフローチャート。 本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムの燃料電池における充電率と要求電力との関係を示す図。 本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムにおける燃料電池の発電システムへの要求出力と二次電池の充電率との関係を示す図。 本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムにおける燃料電池の発電システムへの要求出力と二次電池の充電率との関係を示す図。

本発明に係る燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムの実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、複数の図面中、同一または相当する構成には同一の符号を付す。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

本実施形態に係る燃料電池の発電システム１０は、燃料電池システム１と、二次電池７と 、を備えている。燃料電池システム１は、酸化剤ガスと燃料ガスとを反応させて発電する燃料電池２、燃料電池２の電流を制御し電圧を調整するＤＣ－ＤＣコンバータ３、受け取った電力を駆動力に変換して車両を動かし、また回生電流を発生させるインバーターモーター４、車両におけるアクセルペダルまたはブレーキペダルの踏込量等のユーザー（ドライバー）による操作や車両の環境温度等の車両状態を検知する各種のセンサー８、センサー８からの信号に基づき各部品の動作を司る制御部としての制御装置５、および、燃料ガスとしての水素ガスを貯蔵する水素タンク６等を備えている。二次電池７は、燃料電池２で発生される電力を充電し、充電した電力を出力する。つまり、二次電池７は、ＤＣ－ＤＣコンバータ３からの電流やインバーターモーター４からの回生電流を受け入れ電力を充電する。また、二次電池７は、充電した電力をインバーターモーター４に供給する。

燃料電池システム１において、燃料電池２は、不図示の空気供給通路を介して酸化剤ガスとして供給される空気と、水素タンク６から不図示の水素供給通路を介して燃料ガスとして供給される水素と、を反応させて発電する。燃料電池２の発電反応に使用された空気は、不図示の空気排出通路を介して排出される。また、燃料電池２は、不図示の冷媒を循環させる冷却通路によって冷却される。

燃料電池システム１は、燃料電池２で発電した電力を不図示の負荷へ供給する。例えば、燃料電池システム１が車両に搭載される場合には、負荷は、駆動輪を駆動させる走行用モーターとしてのインバーターモーター４を含む。インバーターモーター４は、燃料電池２に接続される。なお、走行用モーターは、主に二次電池７からの電力の供給を受けて駆動する。また、走行用モーターは、車両の前輪側に設けてもよいし、後輪側に設けてもよいし、前後輪両側に設けてもよい。

燃料電池２は、積層された多数の燃料電池セルを備えている。そのため、燃料電池２は、燃料電池スタックとも呼ばれる。燃料電池２は、燃料電池セルを最小単位とし、この燃料電池セルを数十から数百積層した燃料電池スタックとして使用される。

燃料電池２は、積層された複数の燃料電池セルと、積層された燃料電池セルを両方の外側から挟む一対のエンドプレートと、一対のエンドプレートを燃料電池セルの積層体に固定する締結部材と、を備えている。

それぞれの燃料電池セルは、燃料極（負極）、固体高分子膜（電解質）、空気極（正極）を一体化した膜電極接合体（(Membrane Electrode Assembly、MEA）と、膜電極接合体を表裏から挟む一対のセパレーターと、を備えている。セパレーターは、反応ガスの供給路を有している。

それぞれの燃料電池セルには、反応ガスとして酸化剤ガスと燃料ガスとが供給される。これら、酸化剤ガスと燃料ガスとが膜電極接合体を挟んで反応してそれぞれの燃料電池セルに電圧が生じる。それぞれの燃料電池セルに生じた電圧の総和が燃料電池２の出力電圧である。

燃料電池２に空気を供給する空気供給通路は、酸化剤ガスの流れにおいて、燃料電池２より上流側に設けられている。空気供給通路には、燃料電池２へ酸化剤ガスとしての空気を供給する不図示の圧縮機や、圧縮機で圧縮されて高温になった空気を冷却する不図示のインタークーラー等の補機が設けられている。

圧縮機は、吸い込んだ空気を圧縮して空気供給通路に送り込む。インタークーラーは、圧縮機によって圧縮された空気の温度が燃料電池２に供給するには高温すぎる場合には、圧縮機によって圧縮された空気を冷却する。

空気排出通路は、酸化剤ガスの流れにおいて、燃料電池２より下流側に設けられている。空気排出通路には、背圧弁としての不図示の調圧弁などの補機が設けられている。調圧弁は、燃料電池２の排気側の圧力損失を変化させて燃料電池２に流れる空気の流量を変化させることができる。

水素供給通路には、水素タンク６に貯留されている水素ガスの圧力を燃料電池２の燃料ガスとして適合する圧力に降圧させる不図示の減圧弁、水素タンク６から供給される水素ガスを燃料電池２に供給する不図示のインジェクターや、パージ弁等の補機が設けられている。水素タンク６に貯留されている水素ガスは、減圧弁によって降圧されて燃料電池２へ供給される。パージ弁は、燃料ガスを水素供給通路から排気する。この燃料ガスの排気は、発電反応の継続にともなって酸化剤の供給路から燃料電池セルを不可避的に透過する窒素による燃料ガスの濃度低下を防止し、発電を安定に継続させる。また、燃料ガスの排気は、反応により生成する水分を排出する。

空気供給通路から燃料電池２に供給された空気は、積層された複数の燃料電池セルのそれぞれが有するカソード側の供給路に分配される。分配された空気は、それぞれの膜電極接合体のカソード側の面内を伝って流れた後、空気排出通路へ排出される。

水素供給通路から燃料電池２に供給された水素は、積層された複数の燃料電池セルのそれぞれが有するアノード側の供給路に分配される。分配された水素は、それぞれの膜電極接合体のアノード側の面内を伝って流れた後、燃料電池２外へ排出される。

冷却通路には、燃料電池２を冷却する冷媒を放熱させる不図示のラジエーター、ラジエーターに冷却風を通風させる不図示の送風機や、冷媒を循環させる不図示のポンプ等の補機が設けられている。

ＤＣ－ＤＣコンバータ３は、二次電池７から供給される直流電圧を昇圧してインバーターモーター４に出力する機能と、燃料電池２が発電した直流電力、またはインバーターモーター４が回生制動により回収した回生電力を降圧して燃料電池２に充電する機能と、を有する。これらのＤＣ－ＤＣコンバータ３の機能により、燃料電池２の充放電が制御される。また、ＤＣ－ＤＣコンバータ３による電圧変換制御により、この燃料電池２の発電（出力電圧、出力電流）が制御される。

制御装置５は、いわゆるＥＣＭ（Engine Control Module）である。制御装置５は、不図示の信号線を介して燃料電池２、ＤＣ－ＤＣコンバータ３、インバーター４、および二次電池７に接続されている。制御装置５は、これら燃料電池２、ＤＣ－ＤＣコンバータ３、およびインバーター４の運転や、二次電池７の充電を制御する。なお、制御装置５は、前述した負荷の運転制御を含んでいても良い。

制御装置５は、例えば中央処理装置（Central Processing Unit、ＣＰＵ、不図示）、中央処理装置で実行（処理）される各種演算プログラム、パラメータなどを記憶する補助記憶装置（例えば、Read Only Memory、ＲＯＭ、不図示）、プログラムの作業領域が動的に確保される主記憶装置（例えば、Random Access Memory、ＲＡＭ、不図示）を備えている。

燃料電池システム１は、車両におけるアクセルペダルまたはブレーキペダルの踏込量等のユーザー（ドライバー）による操作や、車両の環境温度等の車両状態を検知する種々のセンサー８を備えている。制御装置５は、これら種々のセンサー８から取得する情報に基づいて、燃料電池システム１の運転を制御する。

これら種々のセンサー８は、例えば、燃料電池２の出力電流を計測する燃料電池出力センサーと、補機の消費電流を測定する補機出力センサーと、補機に印加される電圧を測定する補機入力センサーと、燃料電池システム１の出力電流および出力電圧を測定するシステム出力センサーと、を含んでいる。

これにより、制御装置５は、これら種々のセンサー８から取得する情報に基づいて、燃料電池システム１の運転中に燃料電池２の補機を含むシステム全体が最高効率電流で発電するよう燃料電池２の発電を制御する。

ここで、このような燃料電池システム１は、制御装置５が燃料電池２の出力をインバーターモーター４の要求する電力に追従させる。燃料電池システム１は、インバーターモーター４からの電力の要求に対して燃料電池２の出力が不足する場合には、制御装置５の制御によって駆動用バッテリーである二次電池７から電力を補助する。

ところが、燃料電池２は、出力によってその発電効率が変動するため、インバーターモーター４から要求される電力によっては、燃料電池２は、発電効率が低い領域で出力する場合がある。この出力変動による電圧の変動は燃料電池２の劣化を加速させる。つまり、出力変動が大きい用法の場合には、燃料電池２の性能が長時間持続せず短期間で低下してしまう点が懸念される。

そこで、本実施形態の燃料電池システム１は、制御装置５が種々のセンサー８から取得する情報に基づいて、燃料電池２の発電中に当該燃料電池２の効率を監視する。

次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１および燃料電池の発電システム１０における燃料電池２の発電の制御について説明する。

図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムにおける燃料電池の効率の計算を説明する図である。

図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムおよび燃料電池の発電システムにおける燃料電池の最高効率電流の確認方法を示すフローチャートである。
なお、図中、Ｉｅ．ｍａｘとは最高効率電流を意味する。

燃料電池システム１を有する燃料電池２の発電システム１０において、制御装置５は、燃料電池２の効率を算出する。具体的に、燃料電池２の効率は、燃料電池２が出力したエネルギー量と、燃料電池２が使用した水素量と、の商として求められる。

ここで、燃料電池２が使用した水素量は、燃料電池２の電流値および燃料電池２のセル数（積層数）から算出される。また、燃料電池２が出力したエネルギー量は、燃料電池２の出力電流Ｃである。図２に示すように、燃料電池２の出力電流Ｃは、種々のセンサー８（図１参照）によって検出される、燃料電池システム１の出力Ａ（すなわち、燃料電池システム１の出力電流および出力電圧）と、補機２０の消費電力Ｂ（すなわち、補機２０の消費電流および補機に印加される電圧）と、の和である。

燃料電池システム１の制御装置５は、図３に示すように、種々のセンサー８によって測定された測定結果に基づき、燃料電池２の発電電流を効率の最も高い最高効率電流で発電させる（ステップＳ１）。

制御装置５は、燃料電池システム１の運転中に、常に種々のセンサー８によって燃料電池２の効率をセンシングする（ステップＳ２）。例えば、制御装置５は、算出された効率の変動を検知した時に、燃料電池２の発電電流を任意の幅（例えば、－３Ａ～＋３Ａの幅）で変動させる。制御装置５は、極点が現れるまで燃料電池２の発電電流の変動を繰り返し（ステップＳ２１およびステップＳ２２）、極点が現れると（ステップＳ２３）、その時点での最高効率電流を算出し、算出結果を新たな最高効率電流として用いて燃料電池２の発電を継続する。

以上、説明したように、本実施形態の燃料電池システム１の制御装置５は、燃料電池２の発電中に燃料電池２の効率を常時監視し、燃料電池２の効率の変化を検知すると、燃料電池２の発電電流を効率の最も高い最高効率電流に変化させて、燃料電池２の発電を継続させる。これにより、車両の運転中に状況に応じて変動する効率に追従して、補機を含む燃料電池システム１全体が最高効率電流で発電の継続が可能である。

このとき、最高効率電流は、燃料電池２の効率の変化を検知したときのみ変化させるため、効率の良い発電を継続できる。

また、燃料電池システム１が車両に適用された場合、車両走行中の環境などや燃料電池２の劣化状態、電解質の湿潤状態によっても最高効率電流は変わるが、燃料電池２の効率を常時監視しているため、環境に応じた最高効率電流によって発電を継続できる。

さらに、車両全体の発電効率に一番大きく寄与する燃料電池２の発電効率を向上することで、車両全体の発電効率を向上させることができる。その結果、車両の航続距離を延長できる。

しかも、最高効率電流は、発電電流の電流値を変化させたときの燃料電池２の効率が最も高くなる極点により決められる。すなわち、効率自体の変化は常時算出できるため、電流を変化させて効率が向上した後、低下するポイントを極点として検知し、当該極点を最高効率電流として新たに設定するため、状況により変わる最高効率電流をより正確に見つけることができる。また、燃料電池２の効率の変化を常時監視していることから当該効率の変化に即座に対応可能であり、効率の変化に追従できるため、最高効率電流の変化も必要最低限に抑えることができ、効率変化してから極点を探す際の最高効率電流の変化量も少なくできる。このように、変化量が少なくても最高効率電流を探すことができるため、その分、最高効率電流での燃料電池２の発電時間を長くすることができる。

また、制御装置５は、燃料電池２の発電中に、燃料電池２の発電電流を微小変化させて燃料電池２の効率のよい最高効率電流に近づけながら燃料電池２の発電を継続させるようにしてもよい。
すなわち、燃料電池システム１は、酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池２と、燃料電池２の作動に関連する補機２０と、燃料電池２の発電を制御する制御部としての制御装置５と、を備え、制御装置５は、燃料電池２の発電中に、燃料電池２の発電電流を微小変化させて燃料電池２の効率のよい最高効率電流に近づけながら燃料電池２の発電を継続させるようにしてもよい。

この場合、常時、燃料電池２の発電電流を微小変化させてフィードバック制御するため、理想的な最高効率電流から大きく逸脱しないうちに燃料電池２の効率の変化を確認し、当該効率の変化に応じて常に最適で理想的な最高効率電流に近づけるように電流値を変えることができる。

燃料電池２の効率は、燃料電池２の出力電流と、補機２０の消費電流および補機に印加される電圧、または、燃料電池システム１の出力電流および出力電圧と、により算出される。つまり、燃料電池２の効率の変化は、燃料電池２の出力電流Ｃがわかれば燃料電池システム１の出力Ａや補機２０の消費電力Ｂにより検知できる。水素センサーを用いて効率を求める場合と異なり、水素の消費量が安定していなくても効率を求めることができる。また効率の変化にセンシティブに反応することができる。そのため効率を常時算出することができる。つまり、簡単かつ正確に燃料電池２の効率を算出できる。

図４は、本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムにおける燃料電池の最高効率電流の確認方法を示すフローチャートである。

図５は、本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムの燃料電池における充電率と要求電力との関係を示す図である。

本発明に係る燃料電池２の発電の制御については、前述した実施形態に限られない。すなわち、燃料電池２の発電システム１０の制御装置５は、燃料電池２の発電の制御方法として、停止モードＭ１と、高効率モードＭ２と、第一高負荷モードＭ３と、第二高負荷モードＭ４と、第三高負荷モードＭ５と、を含んでいてもよい。

なお、図５において、縦軸は二次電池７の充電率（state of charge、ＳＯＣ）を示し、横軸は燃料電池２の発電システム１０への要求出力を示している。また、図５において、点Ｑ１は二次電池７の充電率の制御中心を示し、点Ｑ０は二次電池７の充電率の下限を示している。また、図５において、点Ｐ０は二次電池７の下限を示し、点Ｐ４は二次電池７の最大出力と燃料電池の最大出力との合計を示している。さらに、点Ｐ１は燃料電池２の最高効率電流による出力を示している。

ここで、図５に示すように、停止モードＭ１とは、二次電池７の充電率が上限（図５の点Ｑ２）近くである場合（例えば、車両停車中や低速走行中）に、二次電池７の充電率が上限を超えないように燃料電池２の発電を停止するモードである。

また、高効率モードＭ２とは、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が最高効率電流による発電量と二次電池７の最大出力の合計（点Ｐ２）よりも小さい場合（例えば、平坦中速以下での走行中）に、最高効率電流で燃料電池２を発電し、燃料電池２の発電システム１０への要求出力の不足分を二次電池７で補うモードである。

第一高負荷モードＭ３とは、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が最高効率電流による発電量と二次電池７の最大出力の合計（点Ｐ２）よりも大きい（例えば、二次電池７の充電率が通常状態かつ高速走行中である）場合に、燃料電池２の発電量を最高効率電流による発電量より大きくして二次電池７の最大出力より大きい出力分を補うモードである。

第二高負荷モードＭ４とは、二次電池７の充電率が低下した（例えば、二次電池７の充電率が下限近くに近づいているときであり平坦中速以下での走行中である）場合に、燃料電池２の発電量を最高効率電流による発電量より大きくして二次電池７の充電率の低下速度を緩やかにするモードである。つまり、燃料電池２の発電システム１０への要求電力を燃料電池２の最大出力より低い点Ｐ３（例えば、燃料電池２の最大出力比６割）の位置まで下げることで、燃料電池２の残りの出力で二次電池７の充電を促すことができる。

第三高負荷モードＭ５とは、二次電池７の充電率が下限近くである（つまり、それ以上、二次電池７の充電率を下げることができない）場合に、二次電池７の充電率が下限を下回らないように燃料電池２を最大出力で発電するモードである。つまり、燃料電池２の発電システム１０への要求電力を燃料電池２の最大出力より低い点Ｐ４の位置まで下げることで、燃料電池２の残りの出力で二次電池７の充電を促すことができる。

具体的に、図４および図５に示すように、制御装置５は、燃料電池２の発電システム１０の起動中に前述した種々のセンサー８によって二次電池７の充電率（ＳＯＣ）の状態をセンシングする（ステップＳ１０）。このとき、二次電池７の充電率が過多の状態、すなわち、上限近くであることを検知すると、燃料電池２の発電状態を停止モードＭ１に切り換え、二次電池７の充電率が上限を超えないように燃料電池２の発電を停止する（ステップＳ１１）。

また、二次電池７の充電率が通常（すなわち、十分な）状態であって、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が最高効率電流による発電量と二次電池７の最大出力の合計よりも小さいことを検知すると（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、燃料電池２の発電状態を高効率モードＭ２に切り換え、最高効率電流で燃料電池２を発電し、燃料電池２の発電システム１０への要求出力の不足分を二次電池７で補う（ステップＳ１３）。

このとき、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が最高効率電流による発電量と二次電池７の最大出力の合計よりも大きいことを検知すると（ステップＳ１２：ＮＯ）、燃料電池２の発電状態を第一高負荷モードＭ３に切り換え、燃料電池２の発電量を最高効率電流による発電量より大きくして二次電池７の最大出力より大きい出力分を補う（ステップＳ１４）。

また、制御装置５は、燃料電池２の発電システム１０の起動中に前述した種々のセンサー８によって二次電池７の充電率（ＳＯＣ）の状態をセンシングし（ステップＳ１０）、二次電池７の充電率が不足している状態である場合、二次電池７の充電率が下限近くか否を判断する（ステップＳ１５）。そして、二次電池７の充電率が下限近くではないものの（ステップＳ１５：ＮＯ）、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が二次電池７の充電率の低下速度を調整する発電量と二次電池７の最大出力の合計よりも小さいこと（すなわち、二次電池７の充電率の低下）を検知すると（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、燃料電池２の発電状態を第二高負荷モードＭ４に切り換え、燃料電池２の発電量を最高効率電流による発電量より大きくして二次電池７の充電率の低下速度を緩やかにする。なお、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が二次電池７の充電率の低下速度を調整する発電量と二次電池７の最大出力の合計よりも大きいことを検知すると（ステップＳ１６：ＮＯ）、前述したステップＳ１４に移行して第一高負荷モードＭ３に切り換え、燃料電池２の発電量を最高効率電流による発電量より大きくして二次電池７の最大出力より大きい出力分を補う（ステップＳ１７）。

また、制御装置５は、二次電池７の充電率が下限近くである（つまり、それ以上、二次電池７の充電率を下げることができない）こと検知すると（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、燃料電池２の発電状態を第三高負荷モードＭ５に切り換え、二次電池７の充電率が下限を下回らないように燃料電池２を最大出力で発電する（ステップＳ１８）。

そして、制御装置５は、再びステップＳ１０に戻って燃料電池２の発電システム１０の起動中に前述した種々のセンサー８によって二次電池７の充電率の状態をセンシングし、前述したステップＳ１０からステップＳ１８のいずれかのルーチンを繰り返す。

このように、燃料電池２の発電システム１０では、限られた条件下でのみ燃料電池２の発電を最高効率電流外とすることで、不足なく最高効率電流での燃料電池２の発電の機会を増やすことができる。また、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が最高効率電流による発電量と二次電池７の最大出力の合計よりも大きくなる場合、燃料電池２の出力を最高効率電流より高くすることにはなるが、二次電池７の発電出力を最高出力としてできる限り二次電池で出力を補うことで、燃料電池２の出力を最高効率電流に近づけることができるため、効率の向上を図ることができる。

図６は、本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムにおける燃料電池の発電システムへの要求出力と二次電池の充電率との関係を示す図である。

図６に示すように、燃料電池２の発電システム１０は、高効率モードＭ２において、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が最高効率電流による燃料電池２の発電量より小さい場合には、出力差分を二次電池７に充電する。

これにより、燃料電池２の最高効率電流での発電するシチュエーションを増やしつつ、余剰分は二次電池７に充電するため、電力の無駄をなくし、燃料電池２の発電の持続時間の延長、すなわち、車両に適用された場合、車両の航続距離の延長を図ることができる。

図７は、本発明の実施形態の変形例に係る燃料電池の発電システムにおける燃料電池の発電システムへの要求出力と二次電池の充電率との関係を示す図である。

図７に示すように、燃料電池２の発電システム１０は、第三高負荷モードＭ５において、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が燃料電池２の最大出力付近以上である状態が継続した場合には、燃料電池２の発電システム１０への要求出力を燃料電池２の最大出力以下に制限するようにしてもよい。

燃料電池２の発電システム１０への要求出力を下げ、燃料電池をそれ以上の出力で発電することで、二次電池７の充電率が下限を下回らないように充電することができる。これにより、燃料電池システム１の用法（車両に適用された場合は、車両の走行シチュエーション）が変わった際に、再度、適切な最高効率電流に変更して発電できるシチュエーションを増やすことができる。

さらに、燃料電池２の発電システム１０は、第二高負荷モードＭ４において、燃料電池２の効率を監視し、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が所定の値以下のときは、充電率の低下速度が所定の速度以下になるよう燃料電池２の出力を最高効率電流に近づけるようにしてもよい。

燃料電池２の発電システム１０は、第二高負荷モードＭ４では二次電池の充電率の低加速度を緩めることを目的として、例えば燃料電池２の出力を６割程度にしているが、燃料電池２の発電システム１０への要求出力が低い場合は、燃料電池２の出力を６割程度の出力にしなくとも、二次電池の充電率の低加速度を遅くできるため、燃料電池２の出力を６割より下げることで最高効率電流に少しでも近づけて燃料電池２の効率を向上ができる。

１…燃料電池システム、２…燃料電池、３…ＤＣ－ＤＣコンバータ、４…インバーターモーター、５…制御装置、６…水素タンク、７…二次電池、８…センサー、１０…発電システム、２０…補機、Ｍ１…停止モード、Ｍ２…高効率モード、Ｍ３…第一高負荷モード、Ｍ４…第二高負荷モード、…第三高負荷モードＭ５。

Claims (7)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の作動に関連する補機と、
   前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池の発電中に当該燃料電池に前記補機を含めた発電効率を監視し、
   前記燃料電池の前記発電効率の変化を検知すると、前記燃料電池の発電電流を所定の範囲内で変化させることにより前記発電効率が最も高くなる最高効率電流を算出して、前記燃料電池の発電を前記最高効率電流にて継続させる、燃料電池システム。
2. 前記最高効率電流は、前記発電電流の電流値を変化させたときの前記発電効率が最も高くなる極点により決められる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 酸化剤ガスと燃料ガスの供給を受けて電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の作動に関連する補機と、
   前記燃料電池の発電を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記燃料電池の発電中に、前記燃料電池の発電電流を微小変化させて前記燃料電池に前記補機を含めた発電効率のよい最高効率電流に近づけながら前記燃料電池の発電を継続させる、燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池システムと、
   二次電池と、を備える燃料電池の発電システムであって、
   前記燃料電池の発電システムの起動中に前記二次電池の充電率が上限を超えないように前記燃料電池の発電を停止する停止モードと、
   前記最高効率電流で前記燃料電池を発電し、前記燃料電池の発電システムへの要求出力の不足分を前記二次電池で補う高効率モードと、
   前記燃料電池の発電システムへの要求出力が前記最高効率電流による発電量と前記二次電池の最大出力の合計よりも大きい場合、前記燃料電池の発電量を前記最高効率電流による発電量より大きくして前記二次電池の最大出力より大きい出力分を補う第一高負荷モードと、
   前記二次電池の充電率が低下した場合、前記燃料電池の発電量を前記最高効率電流による発電量より大きくして前記二次電池の充電率の低下速度を緩やかにする第二高負荷モードと、
   前記二次電池の充電率が下限を下回らないように前記燃料電池を最大出力で発電する第三高負荷モードと、を有する、燃料電池の発電システム。
5. 前記高効率モードにおいて、前記燃料電池の発電システムへの要求出力が前記最高効率電流による前記燃料電池の発電量より小さい場合には、出力差分を前記二次電池に充電する、請求項４に記載の燃料電池の発電システム。
6. 前記第三高負荷モードにおいて、前記燃料電池の発電システムへの要求出力が前記燃料電池の最大出力付近以上である状態が継続した場合には、前記要求出力を前記燃料電池の最大出力以下に制限する、請求項４または５に記載の燃料電池の発電システム。
7. 前記第二高負荷モードにおいて、前記発電効率を監視し、前記燃料電池の発電システムへの要求出力が所定の値以下のときは、前記充電率の低下速度が所定の速度以下になるよう前記燃料電池の出力を前記最高効率電流に近づける、請求項４から６のいずれか一項に記載の燃料電池の発電システム。

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