JPWO2015053060A1 - 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

燃料電池システムは、燃料電池を発電させるためのガスが燃料電池に供給されるように駆動するアクチュエータと、冷却水を加熱するヒータとを含む補機と、バッテリとを備える。さらに燃料電池システムは、補機を調整して燃料電池から所定の電力が取れるようにする暖機運転部と、燃料電池で発電される発電電力が、補機で消費される電力よりも小さい場合には、バッテリから補機へ電力を供給する放電制御部と、を含む。また燃料電池システムは、暖機運転部によって燃料電池の暖機が行われる場合において、放電制御部によってバッテリから補機に電力が供給されるときには、アクチュエータで消費される電力を制限する補機制限部を含む。

Description

この発明は、燃料電池を暖機する燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法に関する。

燃料電池は、一般的に７０℃前後が発電に適した温度域とされている。そのため、燃料電池システムが起動された場合には、燃料電池を発電に適した温度域に速く昇温させることが望ましい。

ＪＰ２００９−４２４３Ａには、燃料電池自身を発電させることで生じる自己発熱を利用して燃料電池の暖機時間を短くする燃料電池システムが開示されている。

現在開発中の燃料電池システムでは、零下で起動された時に、燃料電池の冷却水を加熱するヒータや、アクチュエータを駆動して燃料電池にカソードガスを供給するコンプレッサ等の補機によって、燃料電池で発電した電力を消費させる。これにより、燃料電池は、発電に伴う自己発熱と冷却水の加熱との両者によって早期に暖機される。

燃料電池の暖機時は、燃料電池のＩＶ特性が悪く出力も不安定になるため、燃料電池の発電電力が、補機で消費される所定の電力よりも不足する場合がある。この場合には、燃料電池とバッテリとの間に接続されたコンバータによって燃料電池又はバッテリの電圧を調整して、バッテリから不足分の電力が補機に供給される。

しかしながら、バッテリから補機へ電力が継続して放電されると、バッテリは過放電になってしまう。この対策として、例えばバッテリからヒータへの供給電力を低く制限すると、ヒータによる冷却水の加熱量が少なくなるため、燃料電池の暖機に要する時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであり、バッテリの過放電を抑制しつつ、燃料電池の早期暖機を図る燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、電力を蓄えるバッテリと、燃料電池を発電させるためのガスが前記燃料電池に供給されるように駆動するアクチュエータと前記燃料電池を循環する冷却水を加熱するヒータとを含む補機と、を備える。そしてこの燃料電池システムは、前記補機を調整して、前記燃料電池から所定の電力が取れるようにする暖機運転部と、前記燃料電池で発電される発電電力が、前記補機で消費される電力よりも小さい場合には、前記バッテリから前記補機へ電力を供給する放電制御部と、を含む。さらにこの燃料電池システムは、前記暖機運転部によって前記燃料電池の暖機が行われる場合において、前記放電制御部によって前記バッテリから前記補機に電力が供給されるときには、前記アクチュエータで消費される電力を制限する補機制限部と、を含む。

図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。 図２は、コントローラの機能構成を示すブロック図である。 図３は、燃料電池の暖機を制限する方法を示すフローチャートである。 図４は、第２実施形態におけるカソードガス流量制御部の構成を示すブロック図である。 図５は、過放電防止フラグ生成部の構成を示すブロック図である。 図６は、カソードガス圧力制御部の構成を示すブロック図である。 図７は、ヒータ出力制御部の構成を示すブロック図である。 図８は、ヒータ供給可能電力演算部の構成を示すブロック図である。 図９は、燃料電池システムの暖機制限時の動作を示すタイムチャートである。 図１０は、第３実施形態における燃料電池システムの暖機制限時の動作を示すタイムチャートである。 図１１は、第４実施形態における燃料電池システムの暖機制限時の動作を示すタイムチャートである。

以下に、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における燃料電池システム１００の構成を示す図である。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１に対して外部からカソードガス及びアノードガスを供給すると共に、負荷に応じて燃料電池スタック１を発電させる電源システムである。本実施形態では、燃料電池システム１００は、車両を駆動する駆動モータ５３などの負荷に対して、燃料電池スタック１で発電した発電電力を供給する。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。

燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池、いわゆる電池セルを積層した積層電池である。燃料電池スタック１は、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１には、電力を取り出すための端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２とが設けられている。

燃料電池は、アノード電極（燃料極）と、カソード電極（酸化剤極）と、アノード電極及びカソード電力で挟まれる電解質膜と、により構成される。燃料電池は、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）と、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）とを用いて電解質膜で電気化学反応を起こす。アノード電極及びカソード電極の両電極では、以下の電気化学反応が進行する。

アノード電極 ： ２Ｈ² → ４Ｈ⁺ ＋ ４ｅ- ・・・（１）
カソード電極 ： ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- ＋ Ｏ² → ２Ｈ²Ｏ ・・・（２）
燃料電池では、上記（１）及び（２）の電気化学反応によって起電力が生じるとともに水が生成される。燃料電池スタック１では、積層された燃料電池のそれぞれが互いに直列に接続されているため、各燃料電池に生じるセル電圧の総和が燃料電池スタック１の出力電圧（例えば数百ボルト）となる。

燃料電池スタック１には、カソードガス給排装置２によってカソードガスが供給され、またアノードガス給排装置３によってアノードガスが供給される。

カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。

カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソード流量センサ２３と、カソードコンプレッサ２４と、温度センサ２５と、カソード圧力センサ２６と、を備える。さらにカソードガス給排装置２は、水分回収装置（Water Recovery Device；以下「ＷＲＤ」という。）２７と、カソードガス排出通路２８と、カソード調圧弁２９と、を備える。

カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１の一端が、フィルタ２２に接続され、他端が、燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。

フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込まれるカソードガス中の異物を取り除く。

カソード流量センサ２３は、カソードコンプレッサ２４よりも上流のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード流量センサ２３は、カソードコンプレッサ２４に供給されて、最終的に燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を検出する。

カソードコンプレッサ２４は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２４は、フィルタ２２を介して外気から空気をカソードガス供給通路２１に取り込み、その空気をカソードガスとして燃料電池スタック１に供給する。すなわち、カソードコンプレッサ２４は、燃料電池スタック１に空気が供給されるように駆動するアクチュエータに相当する。

温度センサ２５は、カソードコンプレッサ２４とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。温度センサ２５は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口側の温度を検出する。

カソード圧力センサ２６は、カソードコンプレッサ２４とＷＲＤ２７との間のカソードガス供給通路２１に設けられる。カソード圧力センサ２６は、ＷＲＤ２７のカソードガス入口側の圧力（以下「ＷＲＤ入口圧力」という。）を検出する。カソード圧力センサ２６で検出された値は、コントローラ６に出力される。

ＷＲＤ２７は、カソードガス供給通路２１及びカソードガス排出通路２８のそれぞれに接続されて、カソードガス排出通路２８を流れるカソードオフガス中の水分を回収し、その回収した水分でカソードガス供給通路２１を流れるカソードガスを加湿する。

カソードガス排出通路２８は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２８の一端が、燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。

カソード調圧弁２９は、カソードガス排出通路２８に設けられる。カソード調圧弁２９は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を調整する。カソード調圧弁２９は、コントローラ６によって制御される。例えば、カソードコンプレッサ２４の消費電力を増加させるために、カソード調圧弁２９によってカソードガスの圧力が上げられる。

アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２８に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、アノード調圧弁３３と、アノード圧力センサ３４と、アノードガス排出通路３５と、パージ弁３６と、を備える。

高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。

アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１からアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２の一端が、高圧タンク３１に接続され、他端が、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。

アノード調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３３は、コントローラ６によって開閉制御されて、高圧タンク３１から押し出されるアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。

アノード圧力センサ３４は、アノード調圧弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード圧力センサ３４は、燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に流れるアノードガスの圧力を検出する。アノード圧力センサ３４で検出された値は、コントローラ６に出力される。

アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３５の一端が、燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端が、カソードガス排出通路２８に接続される。

パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３６は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２８に排出されるアノードオフガスの流量を制御する。

スタック冷却装置４は、冷却水によって燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。

スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、冷却水ヒータ４６と、第１水温センサ４７と、第２水温センサ４８とを備える。

冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。

ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。

バイパス通路４３は、冷却水循環通路４１から分岐して、ラジエータ４２をバイパスさせるように三方弁４４に接続される。バイパス通路４３によって、ラジエータ４２に冷却水を流すことなく、燃料電池スタック１に冷却水を循環させることが可能になる。

三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。

三方弁４４では、冷却水の温度が相対的に高くなると、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路が切り替えられる。逆に、冷却水の温度が相対的に低なると、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路が切り替えられる。

循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。

冷却水ヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。冷却水ヒータ４６は、燃料電池スタック１を暖機している間に燃料電池スタック１から通電されて、冷却水の温度を上昇させる。

第１水温センサ４７は、ラジエータ４２よりも上流の冷却水循環通路４１に設けられる。第１水温センサ４７は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。

第２水温センサ４８は、循環ポンプ４５と燃料電池スタック１との間の冷却水循環通路４１に設けられる。第２水温センサ４８は、燃料電池スタック１に供給される冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。

電力系５は、スタック電流センサ５１と、スタック電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、補機類５７と、バッテリ電流センサ５８と、バッテリ電圧センサ５９と、を備える。

スタック電流センサ５１は、アノード電極側出力端子１１に接続され、燃料電池スタック１から取り出される出力電流を検出する。

スタック電圧センサ５２は、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「出力電圧」という。）を検出する。なお、バッテリ電圧センサ５９によって、燃料電池スタック１に積層された各電池セルの電圧を検出するようにしてもよい。

駆動モータ５３は、ロータに永久磁石を埋設し、円周状のステータに等間隔で設けられた各ティースにコイルが巻き付けられた三相交流同期モータである。駆動モータ５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ５５から供給される電力によって回転駆動する電動機としての機能と、車両の減速時にロータが外力によって回転することでコイルの両端に起電力、いわゆる回生電力を発生させる発電機としての機能と、を有する。

インバータ５４は、複数の半導体スイッチ、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）から構成される。インバータ５４の半導体スイッチは、コントローラ６によってスイッチング制御されて、直流電力が交流電力に変換され、又は、交流電力が直流電力に変換される。

インバータ５４は、駆動モータ５３を電動機として機能させるときには、燃料電池スタック１から取り出される発電電力と、バッテリ５５から放電される放電電力とを合成した合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときには、インバータ５４は、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。

バッテリ５５は、電力を蓄える二次電池である。バッテリ５５は、例えば、リチウムイオンバッテリ等で実現される。バッテリ５５は、駆動モータ５３の回生電力、又は、燃料電池スタック１で発電した電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて補機類５７及び駆動モータ５３に供給される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の電圧とバッテリ５５の電圧とのいずれかを調整する双方向性の電圧変換器である。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の一方の電圧端子が、燃料電池スタック１に接続され、他方の電圧端子がバッテリ５５に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、バッテリ５５の電力によって燃料電池スタック１側の電圧端子に生じる電圧を昇圧又は降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって、燃料電池スタック１の出力電圧が制御され、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力（出力電流×出力電圧）が調節される。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６は、燃料電池スタック１の発電電力を管理するために用いられるＰＭ（パワーマネージメント）回路である。

補機類５７は、燃料電池スタック１を運転するために設けられた制御部品の集合である。補機類５７は、カソードコンプレッサ２４、循環ポンプ４５、冷却水ヒータ４６などによって構成される。

補機類５７は、バッテリ５５とＤＣ／ＤＣコンバータ５６との間に並列に接続される。補機類５７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によってバッテリ５５又は燃料電池スタック１から電力が供給される。

バッテリ電流センサ５８は、バッテリ５５の正極端子に接続され、バッテリ５５から放電される電流を検出する。

バッテリ電圧センサ５９は、バッテリ５５の正極端子と負極端子との間の端子間電圧を検出する。

コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。

コントローラ６には、前述した第１水温センサ４７、第２水温センサ４８、スタック電流センサ５１、スタック電圧センサ５２、バッテリ電流センサ５８及びバッテリ電圧センサ５９から検出信号が入力される。これらのセンサの他にも、コントローラ６には、燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの検出信号が入力される。

他のセンサとしては、車室内に設けられて大気圧を検出する大気圧センサ６１、バッテリ５５に設けられてバッテリ５５の充電率（ＳＯＣ：State of Charge）を検出するＳＯＣセンサ６２がある。その他にも、始動キーのオン・オフに基づいて燃料電池システム１００の始動要求及び停止要求を検出するキーセンサ６３や、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ６４などがある。

コントローラ６は、各種センサからの入力信号と、燃料電池システム１００の各制御部品等に対する指令値とを用いて、燃料電池スタック１を効率良く発電させる。

例えば、コントローラ６は、駆動モータ５３及び補機類５７などの負荷から要求される要求電力に応じて、カソードコンプレッサ２４、カソード調圧弁２９、アノード調圧弁３３及びパージ弁３６を制御する。これにより、燃料電池スタック１に供給されるカソードガス及びアノードガスの各流量が、発電に適した流量に調整される。

次に燃料電池システム１００を制御するコントローラ６の機能構成について説明する。

図２は、コントローラ６を構成する制御部２００の一例を示す機能ブロック図である。

制御部２００は、燃料電池システム１００が起動されると、燃料電池スタック１を発電に適した発電温度まで暖機する暖機制御（以下「暖機促進運転」という）を実行する。

暖機促進運転では、制御部２００は、燃料電池スタック１を補機類５７に電気的に接続し、補機類５７の駆動に必要な電力を燃料電池スタック１で発電させる。これにより、燃料電池スタック１の発電に伴う自己発熱によって燃料電池スタック１自体が暖機される。燃料電池スタック１で発電した電力は、例えばカソードコンプレッサ２４、循環ポンプ４５や、冷却水ヒータ４６などに供給される。

なお、制御部２００は、車両の走行許可後は、燃料電池スタック１から駆動モータ５３及び補機類５７の双方に発電電力を供給する。仮に燃料電池スタック１の発電電力が、駆動モータ５３及び補機類５７の要求電力よりも不足するような場合には、発電電力を駆動モータ５３に優先して割り当て、補機類５７に対する供給電力が不足する場合にはバッテリ５５から電力を補充させる。

また制御部２００は、暖機促進運転を実施する際に循環ポンプ４５の回転速度を可変範囲の上限値に設定すると共に、冷却水ヒータ４６の出力（すなわち発熱量）を可変範囲の上限値に設定する。これにより、冷却水ヒータ４６で温められた冷却水によっても燃料電池スタック１が暖機される。さらに、循環ポンプ４５及び冷却水ヒータ４６で消費される電力が増加するため、燃料電池スタック１の発電電力が増加すると共に燃料電池スタック１の自己発熱量も増加するので、燃料電池スタック１の暖機がより促進される。

このように暖機促進運転が実施されることによって、燃料電池システム１００を起動してから燃料電池スタック１の暖機が完了するまでの暖機時間を短縮することができる。

制御部２００は、暖機運転部２１０と、コンバータ制御部２２０と、暖機制限部２３０と、カソードコンプレッサ指令部２４０と、冷却水ヒータ指令部２５０と、を備える。

暖機運転部２１０は、燃料電池システム１００が起動されると、燃料電池スタック１の温度が、所定の暖機閾値（例えば５０℃）よりも低いか否かを判断する。暖機運転部２１０は、燃料電池スタック１の温度が暖機閾値よりも低いと判断された場合には、補機類５７で消費される電力を調整して、暖機に必要な所定の電力が燃料電池スタック１から取れるように暖機促進運転を開始する。その後、暖機運転部２１０は、燃料電池スタック１の温度が暖機閾値まで上昇した場合には、暖機促進運転を終了する。

なお、燃料電池スタック１の温度としては、例えば、スタック入口水温、又は、スタック入口水温及びスタック出口水温を平均した値が用いられる。また、燃料電池スタック１の温度が暖機閾値よりも高いと判断された場合には、駆動モータ５３などの負荷からの要求電力が燃料電池スタック１から取れるように通常運転が実施される。

暖機運転部２１０は、暖機促進運転を実施する場合には、補機類５７で消費させる電力の要求値（以下「補機要求電力」という。）を、燃料電池スタック１の暖機に必要な所定の電力に調整する。

例えば、暖機運転部２１０は、カソードコンプレッサ２４及び冷却水ヒータ４６に対する各供給電力の要求値を可変範囲の上限値に設定する。また、循環ポンプ４５で消費させる電力の要求値は、冷却水ヒータ４６によって冷却水が沸騰しないように可変範囲の上限値に設定される。これらの要求値が合算された値が補機要求電力として設定される。

コンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電電力と、補機類５７で消費される補機消費電力と、バッテリ放電可能電力とに基づいて、燃料電池スタック１の余剰発電電力を演算する。

具体的には、コンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電電力とバッテリ放電可能電力とを加算した値から補機消費電力を減算することにより、燃料電池スタック１の余剰発電電力を算出する。

燃料電池スタック１の発電電力は、例えば、例えばスタック電流センサ５１で検出される電流と、スタック電圧センサ５２で検出される電圧とを乗算して求められる。

補機消費電力とは、補機類５７の各機器及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６のそれぞれで消費した電力のトータルの値のことである。補機消費電力は、例えば、スタック電流センサ５１及びスタック電圧センサ５２で検出される電力値や、バッテリ電流センサ５８及びバッテリ電圧センサ５９で検出される電力値などに基づいて算出される。

バッテリ放電可能電力（バッテリ供給可能電力）は、バッテリ５５の過放電を防止するために設定される電力値であり、ＳＯＣセンサ６２で検出されたバッテリ５５の充電率などによって算出される。例えば、ＳＯＣセンサ６２で検出された充電率が小さくなるほど、バッテリ放電可能電力は小さな値に設定される。

本実施形態では、コンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電電力が、補機類５７で消費される補機消費電力よりも低下するか否かを監視する。

コンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電電力が、補機消費電力よりも小さい場合において、燃料電池スタック１の発電電力と補機消費電力との差分が、バッテリ放電可能電力よりも小さいか否かを判断する。

例えばコンバータ制御部２２０は、補機消費電力から燃料電池スタック１の発電電力を減算した差分が、バッテリ放電可能電力よりも小さい場合には、バッテリ５５から補機類５７へ電力を放電する。具体的には、コンバータ制御部２２０は、バッテリ５５から放電される電流が補機類５７へ流れるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６のバッテリ５５側の電圧を制御する。

また、コンバータ制御部２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によってバッテリ５５から補機類５７へ電力が供給される場合には、バッテリ５５から補機類５７へ電力を放電する。コンバータ制御部２２０は、そのバッテリ放電電力と燃料電池スタック１の発電電力とを加算した値から補機消費電力を減算した値を、料電池スタック１の余剰発電電力として暖機制限部２３０に出力する。

暖機制限部２３０は、暖機運転部２１０で設定される暖機要求電力に基づいて、カソードコンプレッサ２４に対する目標供給電力をカソードコンプレッサ指令部２４０に設定すると共に、冷却水ヒータ４６に対する目標供給電力を冷却水ヒータ指令部２５０に設定する。

カソードコンプレッサ２４に対する目標供給電力は、カソードガス流量の目標値（目標流量）と、カソード流量センサ２３で検出された値と、カソードガス圧力の目標値（目標圧力）と、カソード圧力センサ２６で検出された値とに基づいて算出される。例えば、カソードコンプレッサ２４に対する目標供給電力は、カソードガスの目標流量と検出値との差分、及び目標圧力と検出値との差分が、互いにゼロになるように設定される。

このような燃料電池システム１００が０℃以下で起動されるときは、燃料電池スタック１のＩＶ（電流電圧）特性が悪く、燃料電池スタック１の出力も不安定であるため、燃料電池スタック１の発電電力が、暖機に必要な補機消費電力よりも不足する場合がある。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によって、バッテリ５５から補機類５７へ不足分の電力が供給される。

このような状況において、バッテリ５５から補機類５７への放電が所定時間以上継続するような場合には、バッテリ５５の充電容量には限りがあるため、バッテリ５５は過放電になってしまう。

この対策として補機類５７に対する供給電力のうち、冷却水ヒータ４６に対する供給電力を最初に制限しようとすると、冷却水ヒータ４６によって冷却水に供給される熱量が少なくなるため、燃料電池スタック１の暖機に要する暖機時間が長くなってしまう。

また、冷却水ヒータ４６に対する供給電力を制限するよりも先に循環ポンプ４５に対する供給電力を制限すると、冷却水の循環が悪くなり、冷却水と燃料電池スタック１との間で交換される熱量が減少し、暖機時間が長くなってしまう。さらには冷却水の循環が悪くなることで冷却水ヒータ４６の近傍で冷却水が沸騰する恐れがある。

一方、暖機促進運転中にカソードコンプレッサ２４に供給される電力は、燃料電池スタック１の発電電力を増加させるために必要以上に高く設定されている。これによる燃料電池スタック１の温度を上昇させる暖機効果は、冷却水の循環によって冷却水ヒータ４６から重畳的に冷却水を加熱することによって得られる暖機効果に比べて小さい。

そこで本実施形態では、暖機制限部２３０は、暖機促進運転中（暖機中）にバッテリ５５から補機類５７へ電力を放電させるようなときには、冷却水ヒータ４６よりも先にカソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限する。

具体的には、暖機制限部２３０は、コンバータ制御部２２０から燃料電池スタック余剰発電電力の算出値を取得すると、燃料電池スタック余剰発電電力が「０（ゼロ）」よりも小さいかどうかを確認する。そして暖機制限部２３０は、燃料電池スタック余剰発電電力が「０」よりも小さい場合には、バッテリ５５の過放電を防ぐために、カソードコンプレッサ２４に対する目標供給電力を、可変範囲の上限値よりも低い所定の制限値に設定する。

なお、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力の制限値は、例えば、燃料電池スタック１を発電させるのに最低限必要なカソードガスの流量を燃料電池スタック１に供給できる電力値に設定される。

また、暖機制限部２３０は、燃料電池スタック余剰発電電力が負の場合、つまり燃料電池スタック１の発電電力が不足する場合、発電電力の不足量をバッテリ５５からの放電電力で補い切れない場合には、冷却水ヒータ４６に対する目標供給電力を「０」に制限する。これにより、暖機促進運転中に冷却水ヒータ４６へ電力を供給することに伴う、バッテリ５５の過放電を抑制することができる。

あるいは、暖機制限部２３０は、燃料電池スタック余剰発電電力が負の場合、つまり燃料電池スタック１の発電電力が不足する場合、燃料電池スタック１およびバッテリ５５から供給可能な電力を超えないように、冷却水ヒータ４６の供給電力を小さくするようにしてもよい。これにより、燃料電池スタック１の発電電力が不足する場合に冷却水ヒータ４６に対する供給電力を「０」に制限する場合に比べて、冷却水ヒータ４６で燃料電池スタック１を温めることができる時間を長くすることができる。

次に燃料電池スタック１の暖機を制限する方法について説明する。

図３は、コントローラ６による暖機制限方法の一例を示すフローチャートである。

まず、コントローラ６は、キーセンサ６３から始動要求を受けると、燃料電池システム１００を起動する。

燃料電池システム１００が起動された場合には、ステップＳ９０１においてコントローラ６は、第２水温センサ４８からスタック入口水温Ｔｓを取得する。

ステップＳ９０２においてコントローラ６の暖機運転部２１０は、スタック入口水温Ｔｓが、予め定められた暖機閾値（５０℃）よりも低いか否かを判断する。

ステップＳ９０３において、コントローラ６の暖機運転部２１０は、スタック入口水温Ｔｓが５０℃よりも低いと判断された場合には、燃料電池システム１００による暖機促進運転を実施する。暖機促進運転において、暖機運転部２１０は、補機類５７に供給される電力のうち、カソードコンプレッサ２４及び冷却水ヒータ４６のそれぞれに対する供給電力を可変範囲の上限値まで上昇させる。

また、ステップＳ９０４においてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、例えば、スタック電流センサ５１及びスタック電圧センサ５２から検出値をそれぞれ取得し、燃料電池スタック１の出力特性を推定し、この出力特性の推定結果から、燃料電池１の発電可能電力Ｐｓを算出する。発電可能電力Ｐｓの算出方法は、上記の方法に限らず、燃料電池の温度を用いて発電可能電力Ｐｓを算出してもよい。

そしてステップＳ９０５においてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電可能電力Ｐｓが、補機類５７及びＤＣ／ＤＣコンバータ５６で消費される補機消費電力以上か否かを判断する。すなわち、コンバータ制御部２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によってバッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されるか否かを判断する。

ステップＳ９０６においてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電可能電力Ｐｓが、補機消費電力よりも低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によってバッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されると判断する。

バッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されると判断された場合には、コンバータ制御部２２０は、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な要求電力に制限する。なお、燃料電池スタック１の発電可能電力Ｐｓに応じて、コンプレッサ２４に対する供給電力を調整するようにしてもよい。

ステップＳ９０７においてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電可能電力Ｐｓが、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限した後の補機消費電力よりも低いか否かを判断する。

ステップＳ９０８においてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１の発電可能電力Ｐｓが、カソードコンプレッサ２４の供給電力を制限した後の補機消費電力よりも低い場合には、バッテリ５５から補機類５７へ電力を供給する。例えば、コンバータ制御部２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６のバッテリ５５側の電圧を、バッテリ５５から補機類５７に電流を供給できる電圧値に調整する。

ステップＳ９０９においてコントローラ６の暖機制限部２３０は、コンバータ制御部２２０によってバッテリ５５から補機類５７へ電力が供給されると判断した場合には、冷却水ヒータ４６に対する供給電力を制限する。

例えば、暖機制限部２３０は、制限した後の補機消費電力から燃料電池スタック１の発電可能電力Ｐｓを減算した差分が、バッテリ放電可能電力の上限値よりも高いか否かを判断する。そして補機消費電力から発電可能電力Ｐｓを減算した差分が、バッテリ放電可能電力の上限値よりも高い場合には、暖機制限部２３０は、バッテリ放電可能電力まで冷却水ヒータ４６に対する供給電力を低く制限する。

ステップＳ９１０においてコントローラ６は、車両の走行か許可されたか否かを確認する。具体的には、コントローラ６は、ステップＳ９０２でスタック入口水温Ｔｓが５０℃以上である場合、又は、ステップＳ９０５及びＳ９０７で燃料電池スタック１の発電可能電力Ｐｓが補機消費電力以上である場合に、車両の走行か許可されたか確認する。

例えば、コントローラ６は、暖機促進運転中に燃料電池スタック１の出力電流を変化させ、そのときにスタック電流センサ５１及びスタック電圧センサ５２から取得した検出値に基づいて燃料電池スタック１のＩＶ特性を推定する。そしてコントローラ６は、その推定された特性が、所定のＩＶ特性を超えていると判断した場合に走行を許可する。なお、所定のＩＶ特性とは、駆動モータが車両を駆動するのに必要な最低限の電力を供給できるＩＶ特性のことである。

コントローラ６は、車両の走行が許可されていない場合には、ステップＳ９０４に戻り、走行が許可されている場合には、ステップＳ９１１に進む。

そしてステップＳ９１１においてコントローラ６は、スタック入口水温Ｔｓが５０℃以上になるまで、ステップＳ９０４からステップＳ９１０までの一連の処理を繰り返し、スタック入口水温Ｔｓが５０℃以上になると暖機制限方法を終了する。

本発明の第１実施形態によれば、まず、暖機運転部２１０が、燃料電池スタック１を暖機するときに、冷却水ヒータ４６や、カソードコンプレッサ２４等を含む補機類５７に供給される供給電力を暖機に必要な所定電力まで増加させる。

このため、冷却水ヒータ４６によって温められた冷却水によって燃料電池スタック１が加熱されると共に、補機類５７の駆動による燃料電池スタック１の自己発熱によっても燃料電池スタック１が暖機される。

暖機中は、燃料電池スタック１を循環する冷却水が、冷却水ヒータ４６で加熱されると共に、燃料電池スタック１の自己発熱でも温められる。このように加熱された冷却水は、燃料電池スタック１を循環することで冷却水から燃料電池スタック１へ繰り返し熱量が供給される。

このため、冷却水ヒータ４６によって燃料電池スタック１を加熱する方が、カソードコンプレッサ２４に供給する発電電力を必要以上に増やして燃料電池スタック１の自己発熱量を増加させるよりも燃料電池スタック１の温度を上昇させる効果が大きい。

このような状況で、燃料電池スタック１のＩＶ特性が悪く、補機類５７に供給される電力が不足するような場合には、不足した分の電力が、バッテリ５５から補機類５７へ供給される。この場合には、暖機制限部２３０は、冷却水ヒータ４６よりも先にカソードコンプレッサ２４に対する供給電力を低下させる。

このように、燃料電池スタック１の温度を上昇させる効果が低い方のカソードコンプレッサ２４から先に供給電力を制限するため、バッテリ５５から補機類５７へ放電される電力を効率良く減らして、バッテリ５５の過放電の発生を抑制することができる。

さらに、カソードコンプレッサ２４よりも先に冷却水ヒータ４６に対する供給電力を制限する場合に比べて、燃料電池スタック１の暖機を早期に完了させることができる。

したがって、バッテリ５５の過放電の発生を抑制しつつ、燃料電池スタック１の早期暖機を図ることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態ではコントローラ６のより詳細な構成について図４〜図９を参照して説明する。なお、本実施形態における燃料電池システムの構成は、図１に示した燃料電池システム１００の構成と基本的に同じであるため、以下、同じ構成については同一符号を付してここでの説明を省略する。

本実施形態ではコントローラ６は、カソードガス流量制御部２０１と、カソードガス圧力制御部２０２と、ヒータ出力制御部２０３と、ヒータ供給可能電力演算部２３７と、過放電防止フラグ生成部５００と、を備える。

図４は、コントローラ６を構成するカソードガス流量制御部２０１の詳細構成を示すブロック図である。

カソードガス流量制御部２０１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を制御する。

カソードガス流量制御部２０１は、暖機要求流量演算部２１１と、暖機制限部２３１と、暖機制限値保持部２３２と、通常制御部３０１と、を備える。

通常制御部３０１は、上限要求流量演算部３１１と、流量制限部３１２と、発電要求流量演算部３２１と、下限要求流量設定部３２２と、極間差圧要求流量演算部３３１と、目標流量設定部３３２と、を備える。

上限要求流量演算部３１１は、燃料電池スタック１の性能低下を防止するために、カソードガスの流量の上限値を演算する。

例えば、燃料電池スタック１が過乾燥状態になると、電解質膜の発電性能が低下する。この対策として上限要求流量演算部３１１は、燃料電池スタック１を流れるカソードガスによって外に持ち出される水蒸気の量を制限するためにカソードガスの流量の上限値を算出する。

燃料電池スタック１が乾燥しているか否かは、燃料電池スタック１の内部抵抗を測定することによって推定できる。例えば、燃料電池スタック１の内部抵抗の測定値が大きいほど、燃料電池スタック１が乾燥状態であると推定できる。

また、燃料電池スタック１の内部抵抗の測定手法としては、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって所定周波数の交流信号が燃料電池スタック１に出力され、燃料電池スタック１の出力電圧及び出力電流を用いて燃料電池スタック１の内部抵抗（ＨＦＲ）が測定される。あるいは、燃料電池スタック１の内部抵抗を測定する装置を、別途、燃料電池システム１００に設けても良い。

上限要求流量演算部３１１には、例えば燃料電池スタック１の過乾燥を防止するために生成された湿潤要求流量マップが記憶される。湿潤要求流量マップには、燃料電池スタック１の内部抵抗値ごとに、燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の量を制限するために定められたカソードガスの要求流量が対応付けられている。なお、湿潤要求流量マップは、例えば実験データ等によって予め設定される。

そして上限要求流量演算部３１１は、燃料電池スタック１の内部抵抗の測定値を取得すると、湿潤要求マップを参照し、測定値に対応付けられた要求流量を算出する。すなわち、上限要求流量演算部３１１は、燃料電池スタック１の内部抵抗に基づいて、燃料電池スタック１の過乾燥に伴う性能低下を防止するために定められた性能要求流量の上限値を算出する。

例えば、上限要求流量演算部３１１は、燃料電池スタック１の内部抵抗の測定値が大きくなるほど、性能要求流量を小さな値に設定して流量制限部３１２に出力する。

発電要求流量演算部３２１は、燃料電池スタック１から取り出される電流の目標値（以下「目標電流」という）に基づいて、カソードガスの要求流量の下限値を演算する。

目標流量は、補機類５７や駆動モータ５３などの負荷から要求される要求電力に基づいて算出される。例えば、走行許可後は、コントローラ６は、アクセルペダルの踏み込み量が大きくなるほど、大きな値を要求電力に設定する。そしてコントローラ６は、燃料電池スタック１の基準特性を参照して、要求電力を満たす電流値を特定し、特定された電流値を目標電流に設定する。

具体的には、燃料電池スタック１の発電要求マップが発電要求流量演算部３２１に記録される。発電要求マップには、燃料電池スタック１の電流値ごとに、その電流値を取り出すのに最低限必要なカソードガスの供給流量が対応付けられている。なお、発電要求マップは、例えば実験データ等によって予め設定される。

そして発電要求流量演算部３２１は、燃料電池スタック１の目標電流を取得すると、発電要求マップを参照して、目標電流に対応付けられた要求流量を算出する。発電要求流量演算部３２１は、燃料電池スタック１の目標電流が大きくなるほど、小さな値の発電要求流量を下限要求流量設定部３２２に出力する。

暖機要求流量演算部２１１は、暖機フラグの設定値に基づいて、燃料電池スタック１の暖機に必要なカソードガスの要求流量の下限値を演算する。

暖機フラグは、暖機運転部２１０によってスタック入口水温が所定の暖機閾値（例えば５０℃）よりも低い場合には「１」に設定され、スタック入口水温が暖機閾値以上である場合には「０」に設定される。

暖機要求流量演算部２１１は、暖機フラグの設定値が「０」を示す場合には、暖機要求流量を「０」に設定する。一方、暖機要求流量演算部２１１は、暖機フラグの設定値が「１」を示す場合には、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力が最大値となるように暖機要求流量を所定値に設定する。なお、カソードコンプレッサ２４の回転速度を大きくするほど、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力が大きくなる。

すなわち、暖機要求流量演算部２１１は、暖機促進運転中は、カソードコンプレッサ２４の可変範囲の上限値を暖機要求流量として暖機制限部２３１に出力する。

暖機制限値保持部２３２は、暖機促進運転を制限するために定められた暖機制限値を保持する。本実施形態では暖機制限値は「０」であり、暖機制限値は暖機制限部２３１に出力される。

暖機制限部２３１は、バッテリ過放電防止フラグの設定値に基づいて、暖機要求流量の下限値を、暖機制限値（０）に切り替える。

バッテリ過放電防止フラグは、図２に示した暖機制限部２３０によって設定される。バッテリ過放電防止フラグは、バッテリ５５から補機類５７へ供給される放電電力がゼロよりも大きい場合には「１」に設定され、放電電力がゼロよりも低い場合、すなわちバッテリ５５から電力が放電されない場合には、バッテリ過放電防止フラグは「０」に設定される。なお、バッテリ過放電防止フラグの生成手法については図５を参照して後述する。

暖機制限部２３１は、バッテリ過放電防止フラグの設定値が「０」を示す場合には、バッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されていないと判断し、暖機要求流量を下限要求流量設定部３２２に出力する。

一方、暖機制限部２３１は、バッテリ過放電防止フラグの設定値が「１」を示す場合には、バッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されると判断し、暖機制限値（０）を下限要求流量設定部３２２に出力する。これにより、カソードコンプレッサ２４の回転速度が抑制されるので、バッテリ５５からカソードコンプレッサ２４に供給される電力を低減することが可能になる。

下限要求流量設定部３２２は、発電要求流量の下限値と、暖機制限部２３１からの出力値と、のうち大きい方の値を選択し、その選択された値を、性能要求流量の下限値として流量制限部３１２に出力する。

例えば、バッテリ過放電フラグが「１」に設定され暖機制限部２３１から暖機制限値（０）が出力されると、下限要求流量設定部３２２は、発電要求流量の下限値を性能要求流量の下限値として流量制限部３１２に出力する。これにより、暖機促進運転中にバッテリ５５から補機類５７へ電流が放電されるような状況になると、カソードガスの性能要求流量が、燃料電池スタック１の発電に最低限必要な供給流量に制限される。

流量制限部３１２は、上限要求流量演算部３１１からの性能要求流量の上限値と、下限要求流量設定部３２２からの性能要求流量の下限値と、のうち小さい方の値を選択し、選択された値をスタック性能要求の下限流量として目標流量設定部３３２に出力する。

例えば、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態では、性能要求流量の上限値は性の性能要求流量の下限値よりも低くなるため、流量制限部３１２からは、性能要求流量の下限値が、スタック性能要求の下限流量として出力される。

一方、燃料電池スタック１が仮に乾燥状態となり、性能要求流量の上限値が低下し、性能要求流量の上限値が性能要求流量の下限値よりも低くなると、スタック性能要求下限流量は、性能要求流量の上限値によって制限されて目標流量設定部３３２に出力される。

極間差圧要求流量演算部３３１は、燃料電池スタック１内のカソードガス圧力とアノードガス圧力との差圧、いわゆる極間差圧の増大による電解質膜の損傷を防止するために、カソードガスの流量の下限値を演算する。

例えば、極間差圧要求流量演算部３３１には差圧制御マップが記憶される。差圧制御マップには、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力ごとに、電解質膜の許容差圧によって定められたカソードガスの要求流量が対応付けられている。なお、差圧制御マップは、例えば実験データ等によって予め設定される。

極間差圧要求流量演算部３３１は、アノード圧力センサ３４からアノードガス圧力の検出値を取得すると、差圧制御マップを参照して検出値に対応付けられた要求流量を算出し、その算出値を異常回避要求の下限流量として目標流量設定部３３２に出力する。

目標流量設定部３３２は、スタック性能要求の下限流量と異常回避要求の下限流量とのうち、大きい方の値を選択し、選択された値をカソードガス目標流量として算出する。

例えば、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態では、異常回避要求の下限流量はスタック性能要求の下限流量よりも低くなるため、目標流量設定部３３２は、スタック性能要求の下限流量を、カソードガス目標流量として設定する。

一方、燃料電池スタック１の極間差圧が許容差圧よりも大きくなり、異常回避要求の下限流量が、スタック性能要求の下限流量よりも大きくなる場合には、目標流量設定部３３２は、異常回避要求の下限流量を、カソードガス目標流量として設定する。

図５は、過放電防止フラグ生成部５００の構成を示すブロック図である。

過放電防止フラグ生成部５００は、バッテリ５５の放電状態に応じて、バッテリ過放電フラグを生成する。なお、過放電防止フラグ生成部５００は、暖機制限部２３０に含まれる。

過放電防止フラグ生成部５００は、補機消費電力算出部５１０と、放電電力算出部５２０と、暖機制限閾値保持部５３０と、フラグ設定部５４０と、を備える。

補機消費電力算出部５１０は、カソードコンプレッサ２４の消費電力と、循環ポンプ４５の消費電力と、冷却水ヒータ４６の消費電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電力損失とを合算する。

カソードコンプレッサの消費電力は、カソードコンプレッサ２４の回転速度の検出値とトルクの推定値とに基づいて算出される。カソードコンプレッサ２４の消費電力は、暖機促進運転時には設定範囲の上限値に設定される。

循環ポンプ４５の消費電力は、循環ポンプ４５で消費される電力の実値である。例えば、バッテリ５５から循環ポンプ４５へ供給される電流値を検出する電流センサと、循環ポンプ４５の電圧値を検出する電圧センサとが、循環ポンプ４５に接続される。そして電流センサ及び電圧センサの各検出値を乗算して循環ポンプ４５の消費電力の値が算出される。

冷却水ヒータ４６の消費電力は、暖機促進運転時に設定範囲の上限値に設定される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電力損失は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６で生じる電力損失の実値である。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６内の燃料電池スタック１側に設けられた電流センサ及び電圧センサの各検出値を乗算した値と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６内のバッテリ５５側に設けられた電流センサ及び電圧センサの各検出値を乗算した値と、に基づいて算出される。

補機消費電力算出部５１０は、カソードコンプレッサ２４の消費電力と、循環ポンプ４５の消費電力と、冷却水ヒータ４６の消費電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電力損失とを合算した値を、補機消費電力として放電電力算出部５２０を出力する。

放電電力算出部５２０は、スタック発電電力の制限値から補機消費電力を減算した値をフラグ設定部５４０に出力する。

スタック発電電力の制限値は、燃料電池スタック１の出力電圧の極端な低下を防止するために定められた値である。スタック発電電力の制限値は、燃料電池スタック１の電圧に基づいて算出される。例えば、スタック発電電力の制限値は、実験データ等によって生成された制限マップから算出される。

暖機制限閾値保持部５３０は、暖機促進運転を制限するために定められた暖機制限閾値を保持する。本実施形態では暖機制限閾値は「０」であり、暖機制限閾値はフラグ設定部５４０に出力される。

フラグ設定部５４０は、燃料電池スタック余剰発電電力が、暖機制限閾値以下である場合には、バッテリ過放電フラグを「０」に設定する。一方、フラグ設定部５４０は、燃料電池スタック余剰発電電力が、暖機制限閾値よりも大きい場合には、暖機制限を実施するためにバッテリ過放電フラグを「１」に設定する。なお、フラグ設定部５４０は、暖機促進運転中にバッテリ過放電フラグを「１」に設定した場合には、暖機促進運転が終了するまでバッテリ過放電フラグを「１」に固定する。暖機促進運転中に暖機制限が頻繁に実施されると、燃料電池スタック１が不安定になるからである。

このように、過放電防止フラグ生成部５００によって、バッテリ５５から補機類５７へ供給される電力がゼロよりも大きくなると、バッテリ過放電フラグが「１」に設定される。これにより、図４で述べとおり暖機促進運転中にカソードガス目標流量が制限されるので、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限することができる。

なお、暖機促進運転時は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を多くすると共に、カソード調圧弁２９によってカソードガスの圧力を高くすることにより、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を増加させている。すなわち、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を増やすために、カソードコンプレッサ２４の回転速度を上昇させると共に、カソードコンプレッサ２４のトルクを高くしている。

そのため、暖機促進運転を制限する場合には、カソードガスの圧力を下げることによっても、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を低下させることができる。そこでカソードガスの圧力を暖機要求圧力よりも下げることでカソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限する例について説明する。

図６は、カソードガス圧力制御部２０２の詳細構成を示すブロック図である。

カソードガス圧力制御部２０２は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を制御する。

カソードガス圧力制御部２０２は、暖機要求圧力演算部２１２と、暖機制限部２３３と、暖機制限値保持部２３４と、通常制御部３０２と、を備える。

通常制御部３０２は、上限要求圧力演算部３４１と、圧力制限部３４２と、湿潤要求圧力演算部３５１と、分圧確保要求圧力演算部３５２と、下限要求圧力設定部３５３と、極間差圧要求圧力演算部３６１と、目標圧力設定部３６２と、を備える。

上限要求圧力演算部３４１は、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの要求圧力の上限値を演算する。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６を通過してカソードコンプレッサ２４に供給される電流が大きくなり過ぎると、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６での電力損失が過大になり、燃料電池システム１００の発電効率が低下する。この対策として上限要求圧力演算部３４１は、燃料電池システム１００の性能の低下を防止するために、例えば、カソードコンプレッサ２４の回転速度及びトルクに基づいてカソードガスの圧力の上限値を算出する。上限要求圧力演算部３４１は、その算出結果を性能要求圧力の上限値として圧力制限部３４２に出力する。

湿潤要求圧力演算部３５１は、燃料電池スタック１を良好な湿潤状態に維持するために、燃料電池スタック１の内部抵抗の測定値に基づいて、カソードガスの圧力の下限値を演算する。

具体的には、燃料電池スタック１の過乾燥を防止するために生成された湿潤要求圧力マップが、湿潤要求圧力演算部３５１に記憶される。湿潤要求圧力マップには、燃料電池スタック１の内部抵抗値が大きくなるほど燃料電池スタック１内の水蒸気分圧が低下するように、内部抵抗値ごとにカソードガスの要求圧力が対応付けられている。なお、湿潤要求圧力マップは、例えば実験データ等によって予め設定される。

そして湿潤要求圧力演算部３５１は、燃料電池スタック１の内部抵抗の測定値を取得すると、湿潤要求圧力マップを参照し、測定値に対応付けられた要求圧力を算出する。例えば、燃料電池スタック１が乾燥し内部抵抗が大きくなるほど、湿潤要求圧力演算部３５１は、大きな値の要求圧力を圧力制限部３４２に出力する。これにより、燃料電池スタック１を乾燥状態から湿潤状態に近づけることが可能になる。

分圧確保要求圧力演算部３５２は、燃料電池スタック１の発電に最低限必要なカソードガスの分圧を確保するために、大気圧センサ６１の検出値と、燃料電池スタック１の目標電流とに基づいて、カソードガスの要求圧力の下限値を演算する。

燃料電池スタック１では、燃料電池スタック１の温度上昇に伴い、液水が水蒸気になり水蒸気量が増加して水蒸気の分圧が高くなる。その結果、カソードガスの分圧が相対的に低くなり、燃料電池の発電領域における酸素濃度が低下してしまう。この対策として、水蒸気の分圧上昇に応じてカソードガスの圧力を高くする。

具体的には、燃料電池スタック１内のカソードガスの分圧を発電に必要な分圧に維持するために生成された分圧要求マップが、分圧確保要求圧力演算部３５２に記憶される。分圧要求マップには、大気圧ごとに、燃料電池スタック１の目標電流と、目標電流によって定められたカソードガスの要求圧力と、が互いに対応付けられている。なお、分圧要求マップは、例えば実験データ等によって予め設定される。

そして分圧確保要求圧力演算部３５２は、目標電流の設定値と大気圧の検出値とを取得すると、大気圧の検出値に対応する分圧要求マップを参照し、目標電流の設定値に対応付けられた要求圧力を、分圧確保要求圧力の下限値として圧力制限部３４２に出力する。

例えば、分圧確保要求圧力演算部３５２は、燃料電池スタック１の目標電流が大きくなるほど、分圧確保要求圧力を大きくする。また、分圧確保要求圧力演算部３５２は、大気圧が高くなるほど、分圧確保要求圧力を高くする。

暖機要求圧力演算部２１２は、図２に示した暖機運転部２１０によって設定された暖機フラグの設定値に基づいて、燃料電池スタック１の暖機に必要なカソードガスの要求圧力の下限値を演算する。

暖機要求圧力演算部２１２は、暖機フラグの設定値が「０」を示す場合には、暖機要求圧力を「０」に設定する。一方、暖機要求圧力演算部２１２は、暖機フラグの設定値が「１」を示す場合には、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力が最も大きくなるように、暖機要求圧力を所定値に設定する。すなわち、暖機要求圧力演算部２１２は、暖機促進運転中は、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力の上限値を、暖機要求圧力として暖機制限部２３３に出力する。

暖機制限値保持部２３４は、暖機促進運転を制限するために設定された暖機制限値を保持する。本実施形態では暖機制限値は「０」であり、暖機制限値は、暖機制限部２３３に出力される。

暖機制限部２３３は、図５で述べたバッテリ過放電防止フラグの設定値に基づいて、暖機要求流量の下限値を「０」に切り替える。

暖機制限部２３３は、バッテリ過放電防止フラグの設定値が「０」を示す場合には、バッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されていないと判断し、暖機要求圧力の下限値を下限要求圧力設定部３５３に出力する。

一方、暖機制限部２３３は、バッテリ過放電防止フラグの設定値が「１」を示す場合には、バッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されていると判断し、暖機制限値（０）を下限要求圧力設定部３５３に出力する。これにより、カソードコンプレッサ２４のトルクが抑制されるので、バッテリ５５からカソードコンプレッサ２４に供給される電力を低減することが可能になる。

下限要求圧力設定部３５３は、湿潤要求圧力の下限値と、暖機制限部２３３からの出力値と、のうち大きい方の値を選択し、その選択された値を性能要求圧力の下限値として圧力制限部３４２に出力する。

例えば、バッテリ過放電フラグが「１」に設定され、暖機制限部２３３から暖機制限値（０）が出力されると、下限要求圧力設定部３５３は、性能要求圧力の下限値として、湿潤要求圧力の下限値を圧力制限部３４２に出力する。すなわち、バッテリ５５から補機類５７へ電流が放電されるような場合に、下限要求圧力設定部３５３は、カソードガスの性能要求圧力の下限値を、暖機要求圧力から湿潤要求圧力に切り替える。

圧力制限部３４２は、上限要求圧力演算部３４１からの性能要求圧力の上限値と、下限要求圧力演算部３４３からの性能要求流量の下限値と、のうち小さい方の値を選択し、選択された値をスタック性能要求の下限圧力として目標圧力設定部３６２に出力する。

例えば、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態では、性能要求流量の上限値は性能要求流量の下限値よりも低くなるため、圧力制限部３４２からは、性能要求流量の下限値が、スタック性能要求の下限圧力として出力される。

一方、燃料電池スタック１の発電性能の低下に伴い性能要求圧力の上限値が低下し、性能要求圧力の上限値が、性能要求圧力の下限値よりも低くなると、スタック性能要求下限圧力は、性能要求圧力の上限値によって制限されて目標圧力設定部３６２に出力される。

極間差圧要求圧力演算部３６１は、極間差圧の増大による電解質膜の耐久性の劣化を抑制するために、カソードガスの圧力の下限値を演算する。

例えば、極間差圧要求圧力演算部３６１には差圧制限マップが記憶される。差圧制限マップには、燃料電池スタック１に供給されるアノードガスの圧力ごとに、電解質膜の許容差圧によって定められたカソードガスの要求圧力が対応付けられている。なお、差圧制限マップは、例えば実験データ等によって予め設定される。

極間差圧要求圧力演算部３６１は、アノード圧力センサ３４からアノードガス圧力の検出値を取得すると、差圧制限マップを参照して、検出値に対応付けられた要求流量を算出し、その算出値を異常回避要求の下限流量として目標圧力設定部３６２に出力する。

目標圧力設定部３６２は、スタック性能要求の下限圧力と異常回避要求の下限圧力とのうち、大きい方の値を選択し、選択された値をカソードガス目標圧力として算出する。

例えば、燃料電池スタック１の発電状態が良好な状態では、異常回避要求の下限流量はスタック性能要求の下限圧力よりも低くなるため、目標圧力設定部３６２は、スタック性能要求の下限圧力を、カソードガス目標圧力に設定する。

一方、燃料電池スタック１の極間差圧が許容差圧よりも大きくなり、異常回避要求の下限圧力が、スタック性能要求の下限流量よりも大きくなる場合には、目標流量設定部３３２は、異常回避要求の下限圧力を、カソードガス目標圧力に設定する。

このように、暖機促進運転中にバッテリ５５から補機類５７へ電力が放電される場合には、暖機要求圧力を０に切り替えることにより、カソードガス目標圧力を低下させる。これにより、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を低下させることができる。

なお、暖機促進運転中にカソードコンプレッサ２４に対する供給電力が制限された後、継続してバッテリ５５から補機類５７へ電力が放電されてバッテリ５５が過放電になることが懸念される状況では、冷却水ヒータ４６に対する供給電力を制限する。そこで暖機促進運転中に冷却水ヒータ４６に対する供給電力を制限する手法について説明する。

図７は、ヒータ出力制御部２０３の詳細構成を示すブロック図である。

ヒータ出力制御部２０３は、暖機促進運転中においてカソードコンプレッサ２４に対する供給電力が制限された後に冷却水ヒータ４６の出力を制限する。

ヒータ出力制御部２０３は、暖機要求出力保持部２１３と、暖機制限部２３６と、ヒータ供給可能電力演算部２３７と、通常制御部３０３と、を備える。

通常制御部３０３は、温度要求出力演算部３７１と、最大出力演算部３７２と、目標出力設定部３７４と、を備える。

温度要求出力演算部３７１は、燃料電池スタック１の温度を適切に維持するために、スタック入口水温に基づいて、冷却水ヒータ４６に対する供給電力の上限値を演算する。

具体的には、燃料電池スタック１の温度を発電に適した温度、例えば５０℃に維持できるように生成された温度要求マップが、温度要求出力演算部３７１に予め記憶される。温度要求マップには、冷却水温度ごとに、発電に適した温度に調整するために定められた冷却水ヒータ４６の要求出力が対応付けられている。温度要求マップは、例えば実験データなどによって設定される。

そして温度要求出力演算部３７１は、第２水温センサ４８からスタック入口水温の検出値を取得すると、温度要求マップを参照し、検出値に対応付けられた要求出力を算出する。

例えば、温度要求出力演算部３７１は、スタック入口水温が５０℃付近に到達すると、小さな値の要求出力を算出し、その算出値を温度要求出力の上限値として、目標出力設定部３７４に出力する。これにより、燃料電池スタック１の温度を発電に適した温度に維持することが可能になる。

最大出力演算部３７２は、冷却水を沸騰させることなく冷却水を加熱できる冷却水ヒータ４６の最大出力（供給電力の上限値）を演算する。最大出力演算部３７２は、循環ポンプ４５の回転速度に基づいて、冷却水ヒータ４６に対する供給電力の上限値を算出する。循環ポンプ４５の回転速度が速いほど、冷却水ヒータ４６で冷却水が沸騰しにくくなるため、最大出力演算部３７２は、冷却水ヒータ４６の供給電力の上限値を高くする。

また、最大出力演算部３７２は、スタック入口水温及びスタック出口水温の平均値に応じて、冷却水ヒータ４６の出力の上限値を補正する。さらに最大出力演算部３７２は、スタック出口水温に応じて、冷却水ヒータ４６の出力の上限値を補正する。

例えば、最大出力演算部３７２には、スタック入口水温及びスタック出口水温の平均値ごとに生成された最大出力マップが記録される。最大出力マップには、循環ポンプ４５の回転速度と、冷却水の沸騰を防止するために定められた要求出力とが互いに対応付けられている。最大出力マップは、例えば実験データなどによって設定される。

最大出力演算部３７２は、循環ポンプ４５の回転速度、スタック入口水温及びスタック出口水温の検出値を取得すると、スタック入口水温の検出値及びスタック出口水温の検出値の平均値を算出する。最大出力演算部３７２は、その平均値に対応する最大出力マップを参照し、循環ポンプ４５の回転速度の検出値に対応付けられた要求出力を、ヒータ出力上限値として目標出力設定部３７４に出力する。

暖機要求出力保持部２１３は、燃料電池スタック１の暖機に必要な暖機要求出力の下限値を保持する。暖機要求出力の下限値は、例えば５ｋＷであり、その暖機要求出力は目標出力設定部３７４に出力される。なお、暖機要求出力の下限値は、燃料電池システム１００の起動時に暖機運転部２１０によって設定される。

目標出力設定部３７３は、温度要求出力の上限値と、ヒータ出力の上限値と、暖機要求出力の下限値とのうち最も小さな値を選択し、選択された値をヒータ供給電力の上限値として暖機制限部２３６に出力する。

暖機促進運転時には、暖機要求出力の下限値が最も小さいので、目標出力設定部３７４は、暖機要求出力の下限値をヒータ供給電力の目標値として設定する。

ヒータ供給可能電力演算部２３７は、バッテリ５５の放電可能電力の範囲内で、冷却水ヒータ４６に供給可能な電力の上限値を演算する。ヒータ供給可能電力演算部２３７は、その演算結果を暖機制限部２３６に出力する。なお、ヒータ供給可能電力演算部２３７の詳細構成については図８を参照して後述する。

暖機制限部２３６は、ヒータ供給電力の目標値と、冷却水ヒータ４６に対する供給可能電力の上限値とのうち小さい方の値を選択し、選択された値を、冷却水ヒータ４６に対する目標供給電力として冷却水ヒータ指令部２５０に出力する。

例えば、暖機促進運転中に燃料電池スタック１が安定しているときは、燃料電池スタック１から冷却水ヒータ４６への供給可能電力が、ヒータ供給電力の目標値よりも大きくなるため、暖機制限部２３６は、ヒータ供給電力の目標値を出力する。

一方、暖機促進運転中に燃料電池スタック１のＩＶ特性が悪いときは、冷却水ヒータ４６に供給可能な電力が、ヒータ供給電力の目標値よりも低くなる場合がある。この場合には、暖機制限部２３６は、冷却水ヒータ４６に対する目標供給電力を、冷却水ヒータ４６に供給可能な電力の上限値に制限する。

冷却水ヒータ指令部２５０は、冷却水ヒータ４６に供給される電力が目標供給電力となるように、冷却水ヒータ４６に接続された電流センサの検出値と、バッテリ電流センサ５８の検出値とによって冷却水ヒータ４６の出力を調整する。

図８は、ヒータ供給可能電力演算部２３７の詳細構成を示すブロック図である。

ヒータ供給可能電力演算部２３７は、加算部２３７１と、減算部２３７２と、演算部２３７３と、下限放電電力保持部２３７４と、供給可能電力設定部２３７５と、を備える。

加算部２３７１は、カソードコンプレッサ２４の消費電力と、循環ポンプ４５の消費電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の損失電力とを合計して、冷却水ヒータ４６の消費電力を除く補機消費電力を算出する。なお、カソードコンプレッサ２４の消費電力と、循環ポンプ４５の消費電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の損失電力とは、図５で述べたパラメータである。

カソードコンプレッサ２４の消費電力は、図４及び図６で示したバッテリ過放電防止フラグによって暖機が制限されると、暖機が制限された状態での消費電力を示す。

減算部２３７２は、燃料電池スタック１の発電電力から、駆動モータ５３から要求されるモータ要求電力を減算して、補機類５７に供給可能な補機供給可能電力を算出する。なお、暖機促進運転中に走行が許可されていない状況では、モータ要求電力は「０」を示し、燃料電池スタック１の発電電力は補機類５７のみに供給される。

演算部２３７３は、燃料電池スタック１から冷却水ヒータ４６に供給可能な電力に、バッテリ放電可能電力を加算して、冷却水ヒータ４６に供給可能な電力の上限値を演算する。

バッテリ放電可能電力は、例えばＳＯＣセンサ６２で検出されたＳＯＣに基づいて設定される。また、バッテリ５５のＳＯＣが、過放電防止のための放電閾値よりも低下すると、バッテリ放電可能電力は「０」に設定される。

具体的には、演算部２３７３は、減算部２３７２で算出された補機供給可能電力から、冷却水ヒータ４６の消費電力を除いた補機消費電力を減算して、燃料電池スタック１から冷却水ヒータ４６に供給可能なスタック供給可能電力を算出する。

そして演算部２３７３は、スタック供給可能電力にバッテリ放電可能電力を加算して冷却水ヒータ４６に供給可能なヒータ供給可能電力を算出する。

下限放電電力保持部２３７４は、冷却水ヒータ４６に対する供給電力の下限値を保持する。本実施形態では、冷却水ヒータ４６に対する供給電力の下限値は「０」であり、この下限値は、供給可能電力設定部２３７５に出力される。

供給可能電力設定部２３７５は、ヒータ供給可能電力が下限値（０）よりも大きい場合には、ヒータ供給可能電力を、図７に示した暖機制限部２３６に出力する。

このように、ヒータ供給可能電力演算部２３７は、燃料電池スタック１から冷却水ヒータ４６に供給可能な電力の上限値に、バッテリ５５から冷却水ヒータ４６に放電可能な電力の上限値を加算して、冷却水ヒータ４６に供給可能な電力の上限値を算出する。

これにより、燃料電池スタック１の発電電力が補機類５７の消費電力よりも不足する場合であっても、バッテリ放電可能電力の範囲内で、冷却水ヒータ４６に電力を供給することができる。このため、バッテリ５５の過放電を抑制しつつ、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。

また、バッテリ５５のＳＯＣが放電閾値よりも低下した場合には、バッテリ放電可能電力が「０」に設定されるので、バッテリ５５の過放電を防止できる。

図９は、燃料電池システム１００における暖機制限時の動作を示すタイムチャートである。

図９（ａ）は、燃料電池スタック１の発電電力を示す図である。図９（ｂ）は、燃料電池スタック１に積層された各電池セルのうち、セル電圧が最も低い電池セルのセル電圧（最低セル電圧）を示す図である。図９（ｃ）は、冷却水ヒータ４６の出力を示す図である。図９（ｄ）は、バッテリ５５の充放電を示す図である。

図９（ｅ）は、カソードコンプレッサ２４から燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を示す図である。図９（ｆ）は、ＷＲＤ２７の入口孔を流れるカソードガスの圧力を示す図である。図９（ａ）から図９（ｆ）までの各図の横軸は、互いに共通の時間軸である。

図９（ａ）〜図９（ｆ）では、暖機促進運転時に燃料電池スタック１のＩＶ特性が悪く補機類５７の消費電力が制限されたときの波形が実線で示されている。これに対して、燃料電池スタック１の出力低下が発生せずに燃料電池スタック１が安定して発電しているときの波形が破線で示されている。

まず、時刻ｔ０の直前では、コントローラ６は、キーセンサ６３からの始動要求によって、燃料電池スタック１の起動処理を実行する。

具体的には、コントローラ６は、アノード調圧弁３３の開度を調整して燃料電池スタック１の発電に最低限必要なアノードガスの圧力を燃料電池スタック１に供給する。これと共にコントローラ６は、カソード調圧弁２９の開度を調整してカソードガスの圧力を発電に適した圧力に制御し、かつ、燃料電池スタック１に対して発電に最低限必要なカソードガスの流量を供給する。

時刻ｔ０では、燃料電池スタック１の起動処理が完了し、コントローラ６の暖機運転部２１０は、第２水温センサ４８で検出されたスタック入口水温が暖機閾値よりも低いことから、暖機促進運転を開始する。

そしてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の燃料電池スタック１側の電圧を制御して、燃料電池スタック１から補機類５７へ発電電力を供給する。

具体的には、コンバータ制御部２２０は、燃料電池スタック１から、暖機促進運転に必要な要求電力を取り出すために、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によって燃料電池スタック１の出力電圧を低下させる。

燃料電池スタック１の出力電圧を低下させることにより、燃料電池スタック１から取り出される出力電流が増加するため、図９（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が上昇する。また、燃料電池スタック１の出力電圧を低下させることにより、図９（ｂ）に示すように、最低電池セルのセル電圧も低下する。

なお、燃料電池スタック１が安定している通常状態のときには、図９（ｂ）の破線に示すように、最低セル電圧が電圧閾値まで低下する前に、燃料電池スタック１の発電電力が、暖機促進運転に必要な補機類５７の暖機要求電力に到達する。

時刻ｔ１では、図９（ｂ）の実線に示すように、燃料電池スタック１のＩＶ特性が悪く、燃料電池スタック１の発電電力が暖機要求電力よりも低いことから、電池セルの最低セル電圧が、所定の電圧閾値まで低下する。電圧閾値は、燃料電池スタック１の異常低下を回避するために定められたセル電圧の下限値であり、例えば実験データ等によって定められる。

最低セル電圧が所定の電圧閾値まで低下すると、コントローラ６は、燃料電池スタック１の出力が極端に低下するのを避けるために、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の燃料電池スタック１側の電圧を電圧閾値から低下させることを禁止する。

その結果、図９（ａ）に示すように、燃料電池スタック１から取り出される発電電力は、暖機要求電力よりも低くなる。この場合においてコントローラ６の過放電防止フラグ生成部５００では、燃料電池スタック余剰発電電力が「０」よりも大きくなるため、バッテリ過放電防止フラグが「１」に設定される。

これにより、図４に示したカソードガス流量制御部２０１では、暖機要求流量が「０」に制限されるため、通常制御部３０１で演算される各要求流量のうち、ここでは発電要求流量の算出値が、カソードガス目標流量に設定される。

このため、図９（ｅ）に示すように、カソードガスの流量は、燃料電池スタック１の発電に必要な発電要求流量に維持される。したがって、カソードコンプレッサ２４の回転速度が上昇しないので、カソードコンプレッサ２４で消費される電力は、暖機に必要な要求電力よりも低く制限される。

また、バッテリ過放電防止フラグが「１」に設定されることにより、図６に示したカソードガス圧力制御部２０２では、暖機要求圧力が「０」に制限されるので、通常制御部３０２で演算される要求圧力のうちここでは湿潤要求圧力の算出値がカソードガス目標圧力に設定される。

このため、図９（ｆ）に示すように、カソードガスの圧力は、燃料電池スタック１の湿潤状態を良好に維持するために必要な要求圧力に維持される。したがって、カソードコンプレッサ２４に生じるトルクが増加しないので、カソードコンプレッサ２４で消費される電力は、暖機に必要な要求電力よりもさらに低く制限される。

カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限することにより、暖機に必要な要求電力から発電に必要な要求電力までの差分の電力を冷却水ヒータ４６に供給できるので、冷却水ヒータ４６に対する供給電力を増やして暖機を促進させることが可能になる。

また、時刻ｔ１では、カソードコンプレッサ２４の消費電力が制限された状態でも、燃料電池スタック１から冷却水ヒータ４６に供給できる電力は、暖機に必要な要求電力よりも不足している。そのため、コントローラ６のコンバータ制御部２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧制御によってバッテリ５５から冷却水ヒータ４６へ電力を放電する。

図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように、カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限したことにより、バッテリ５５の放電可能電力の範囲内で、暖機要求出力に必要な供給電力を冷却水ヒータ４６に供給できるようになる。

これにより、図９（ｃ）に示すように、冷却水ヒータ４６の出力は、暖機要求出力の値に制御される。このように、カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限した状態で、燃料電池スタック１の発電電力が、補機類５７で消費される電力よりも小さいときには、コンバータ制御部２２０によって、バッテリ５５から放電可能な範囲内で冷却水ヒータ４６に電力を放電する。そのため、冷却水ヒータ４６の出力はゼロに制限されないので、バッテリ５５の過放電の発生を抑制しつつ、燃料電池スタック１を効率良く暖機することができる。

なお、図８に示したヒータ供給可能電力演算部２３７では、バッテリ５５から補機類５７に放電可能な電力と、燃料電池スタック１から冷却水ヒータ４６に供給可能な電力との総和がヒータ供給可能電力として出力される。そして、図７で示したヒータ出力制御部２０３では、ヒータ供給可能電力が暖機要求出力を上回るので、暖機制限部２３６は、暖機要求出力をヒータ目標供給電力として出力する。

その後、燃料電池スタック１の発電に伴う自己発熱や冷却水ヒータ４６による冷却水の加熱によって燃料電池スタック１が温められ、燃料電池スタック１のＩＶ特性が回復してくる。燃料電池スタック１のＩＶ特性の回復に伴って、図９（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が徐々に上昇する。

一方、バッテリ５５から冷却水ヒータ４６への電流の放電に伴い、図９（ｄ）の点線に示すように、バッテリ５５の放電可能電力の上限値が徐々に低下する。

時刻ｔ２では、図９（ｄ）に示すように、バッテリ５５の放電可能電力の低下に伴い、バッテリ５５の放電可能電力の範囲内で冷却水ヒータ４６の暖機要求出力が確保できなくなる。この場合において、ヒータ出力制御部２０３では、ヒータ供給可能電力が暖機要求出力よりも低くなるので、暖機制限部２３６は、ヒータ目標供給電力をヒータ供給可能電力に切り替える。

これにより、バッテリ５５の放電可能電力の低下に伴い、図９（ｃ）に示すように、冷却水ヒータ４６の出力が、発電要求出力から徐々に低下する。したがって、冷却水ヒータ４６には、バッテリ放電可能電力の上限値を超えないようにバッテリ５５から電力が補充されるため、バッテリ５５の放電を抑制しつつ、燃料電池スタック１を効率的に暖機することができる。

本発明の第２実施形態によれば、暖機促進運転中にバッテリ５５から補機類５７へ電力が供給される場合には、バッテリ過放電防止フラグが「１」に設定され、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力が制限される。

例えば、カソードガス流量制御部２０１は、バッテリ過放電防止フラグが「１」を示す場合には、カソードガスの目標流量を、暖機に必要な暖機要求流量から、通常制御部３０２で演算される各要求流量のうち、例えば発電要求流量まで低下させる。

また、カソードガス圧力制御部２０２は、バッテリ過放電防止フラグが「１」を示す場合には、カソードガスの目標圧力を、暖機に必要な暖機要求圧力から、通常制御部３０２で演算される各要求圧力のうち、例えば湿潤要求圧力まで低下させる。

このように、暖機促進運転中にバッテリ５５から補機類５７へ電力が供給されるような場合には、カソードガスの目標流量及び目標圧力が抑制されるので、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限することができる。

したがって、バッテリ５５の過放電の発生を抑制しつつ、燃料電池スタック１の暖機の促進を優先させることができる。

また本実施形態では、暖機制限時にカソードガスの目標流量及び目標圧力が、それぞれ通常制御部３０１及び３０２で演算される要求流量及び要求圧力に切り替えられるので、簡易な制御ロジックで実現することができる。

また本実施形態では、暖機促進運転中にカソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限した状態で、バッテリ５５から冷却水ヒータ４６へ電力が放電されているときに、ヒータ出力制御部２０３は、冷却水ヒータ４６の出力を制限する。

すなわち、暖機促進運転中にカソードコンプレッサ２４の消費電力を制限した状態で、バッテリ５５から冷却水ヒータ４６に供給される放電電力が、バッテリ放電可能電力を超えるときに、ヒータ出力制御部２０３は、冷却水ヒータ４６の出力を制限する。

このように、カソードコンプレッサ２４を制限するタイミングよりも冷却水ヒータ４６の制限を遅らせることにより、バッテリ５５の過放電の発生を抑制しつつ、冷却水ヒータ４６による暖機を優先させることができる。

また、冷却水ヒータ４６によって燃料電池スタック１の温度を上昇させる暖機効果は、カソードコンプレッサ２４の消費電力の増加による暖機効果よりも効率が良いため、バッテリ５５の電力を効率良く利用することができる。

なお、第２実施形態ではカソードコンプレッサ２４の消費電力を制限する際に、カソードガスの目標流量及び目標圧力の両方を同時に制限する例について説明したが、これに限られるものではない。

そこで本発明の第３及び第４実施形態において、カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限する他の制限手法について説明する。なお、第３及び第４実施形態における燃料電池システムの構成は、基本的に、図１に示した燃料電池システム１００の構成と同一である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態では、暖機制限部２３０は、カソードガス目標流量を制限せずに、カソードガス目標圧力のみ制限する。例えば、暖機制限部２３０は、カソードガス圧力制御部２０２の暖機制限値保持部２３４に設定される暖機制限値を、コンプレッサ供給可能電力の上限値に応じて変更する。

コンプレッサ供給可能電力とは、暖機促進運転中にカソードコンプレッサ２４を除く補機類５７に発電電力を供給している状態で、燃料電池スタック１のみからカソードコンプレッサ２４に供給できる電力のことである。

具体的には、暖機制限部２３０は、図５で述べた循環ポンプ４５の消費電力と、冷却水ヒータ４６の消費電力と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の損失電力とを合算して、カソードコンプレッサ２４を除く補機消費電力を算出する。暖機制限部２３０は、そのカソードコンプレッサ２４を除く補機消費電力を、燃料電池スタック１の発電電力から減算して、コンプレッサ供給可能電力を算出する。

そして、暖機制限部２３０は、コンプレッサ供給可能電力が大きくなるほど、大きな値の暖機制限値を暖機制限値保持部２３４に設定する。これにより、燃料電池スタック１の発電電力の範囲内で、カソードガス目標圧力を、通常制御部３０２で演算される要求圧力よりも高くすることが可能になる。

図１０は、第３実施形態における暖機制限時の動作を示すタイムチャートである。なお、図１０（ａ）から図１０（ｆ）までの各図面の縦軸は、それぞれ図９（ａ）から図９（ｆ）までの各図面と同じであり、図１０（ａ）から図１０（ｆ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ１０では、図９と同様、コントローラ６の暖機運転部２１０は、第２水温センサ４８で検出されたスタック入口水温が、所定の暖機温度よりも低いことから、暖機促進運転を開始する。

そしてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧を制御して燃料電池スタック１の出力電圧を低下させる。これにより、燃料電池スタック１の出力電流が増加するため、図１０（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が上昇する。また、燃料電池スタック１の出力電圧が低下するので、図１０（ｂ）に示すように、最低電池セルのセル電圧も低下する。

時刻ｔ１１では、図９と同様、図１０（ｂ）に示すように最低セル電圧が電圧閾値まで低下しても、図１０（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力は、暖機要求電力まで到達しない。このため、コントローラ６の過放電防止フラグ生成部５００では、燃料電池スタック余剰発電電力が「０」よりも大きくなり、バッテリ過放電防止フラグが「１」に設定される。

このとき、暖機制限部２３０は、燃料電池スタック１からのコンプレッサ供給可能電力を算出し、コンプレッサ供給可能電力に基づいて、カソードガス圧力の暖機制限値を演算し、その演算結果を、図６に示した暖機制限値保持部２３４に設定する。これにより、カソードガス圧力制御部２０２では、カソードガス目標圧力が、暖機要求圧力からコンプレッサ供給可能電力に基づく暖機制限値に切り替えられる。

このため、図１０（ｆ）に示すように、カソードガスの圧力は、湿潤要求圧力よりも高い暖機制限値に制限される。これにより、カソードコンプレッサ２４で消費される電力の低下量は、燃料電池スタック１の発電電力の範囲内で最小限に抑えることができる。また、ここでは、カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限することにより、図１０（ｃ）及び図１０（ｄ）に示すように、バッテリ５５から電力を補充することなく、暖機要求出力に必要な供給電力が、燃料電池スタック１のみから冷却水ヒータ４６に供給される。

その後、燃料電池スタック１のＩＶ特性の回復に伴って、図１０（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が徐々に上昇する。これに伴い、図６で述べた湿潤要求圧力も上昇してくる。

そのため、時刻１２では、カソードガス圧力制御部２０２において、湿潤要求圧力が暖機制限値よりも大きくなるため、カソードガス目標圧力が湿潤要求圧力に切り替えられる。

このように、第３実施形態では、燃料電池スタック１の暖機促進運転中に、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限する場合には、カソードガスの流量を制限せずに、カソードガスの圧力のみ制限する。

一般的に、燃料電池システム１００の零下起動時は、燃料電池スタック１内の飽和水蒸気量が低くなるため、発電に伴う水蒸気が凝縮して凝縮水になり、その凝縮水が電解質膜に溜まりやすくなるので、いわゆるフラッディングを起こす可能性がある。

この対策としては、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの流量を増やすことで、燃料電池スタック１から持ち出される水蒸気の量を増加させることや、カソードガスの圧力を下げることで、凝縮水の発生を抑制することなどが考えられる。

そこで本実施形態では、カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限する場合に、カソードガスの流量を制限せずにカソードガスの圧力を制限する。これにより、バッテリ５５の過放電を抑制しつつ、零下起動時に起こりやすいフラッディングを抑制することができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態では、暖機制限部２３０は、カソードガス目標圧力を制限した状態で、カソードガス目標流量を制限する。例えば、暖機制限部２３０は、カソードガス流量制御部２０１の暖機制限値保持部２３２に設定される暖機制限値を、第３実施形態で述べたコンプレッサ供給可能電力の上限値に応じて変更する。

具体的には、暖機制限部２３０は、カソードガス目標流量及びカソードガス目標圧力の両者を、通常制御部３０１及び３０２の要求流量（例えば発電要求流量）及び要求圧力（例えば湿潤要求圧力）に制限したときの要求電力を算出する。

そして暖機制限部２３０は、コンプレッサ供給可能電力が要求電力を上回る場合には、その余剰電力の大きさに応じて、カソードガス流量の暖機制限値を高く設定する。これにより、カソードガス目標圧力を要求圧力に制限した状態で、カソードガス目標流量を要求流量よりも高くすることが可能になる。

図１１は、第４実施形態における暖機制限時の動作を示すタイムチャートである。なお、図１１（ａ）から図１１（ｆ）までの各図面の縦軸は、それぞれ図９（ａ）から図９（ｆ）までの各図面と同じであり、図１１（ａ）から図１１（ｆ）までの各図面の横軸は、互いに共通の時間軸である。

時刻ｔ２０では、図９と同様にコントローラ６の暖機運転部２１０は、第２水温センサ４８で検出されたスタック入口水温が、所定の暖機温度よりも低いことから、暖機促進運転を開始する。

そしてコントローラ６のコンバータ制御部２２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６の電圧を制御して燃料電池スタック１の出力電圧を低下させる。これにより、燃料電池スタック１の出力電流が増加するため、図１１（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が上昇する。また、燃料電池スタック１の出力電圧が低下するので、図１１（ｂ）に示すように、最低電池セルのセル電圧も低下する。

時刻ｔ２１では、図１１（ｂ）に示すように最低セル電圧が電圧閾値まで低下しても、図１０（ａ）に示すように燃料電池スタック１の発電電力は、暖機促進運転に必要な要求電力まで上昇しない。このため、コントローラ６の過放電防止フラグ生成部５００では、燃料電池スタック余剰発電電力が「０」よりも大きくなり、バッテリ過放電防止フラグが「１」に設定される。

このとき、暖機制限部２３０は、燃料電池スタック１からのコンプレッサ供給可能電力を算出する。そして暖機制限部２３０は、カソードガス圧力及びカソードガス流量の各暖機制限値を共に「０」に設定したときの要求電力とコンプレッサ供給可能電力との差分に応じて、カソードガス流量の暖機制限値を暖機制限値保持部２３２に設定する。これにより、カソードガス流量制御部２０１では、カソードガス目標流量が、暖機要求流量から、コンプレッサ供給可能電力に基づく暖機制限値に切り替えられる。

このため、図１１（ｆ）に示すように、カソードガスの流量は、発電要求流量よりも高い暖機制限値まで上昇する。これにより、カソードコンプレッサ２４で消費される電力の低下量は、燃料電池スタック１の発電電力の範囲内で最小限に抑えることができる。なお、カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限することにより、図１１（ｃ）及び図１１（ｄ）に示すように、バッテリ５５から電力を補充することなく、暖機要求出力に必要な供給電力が、燃料電池スタック１のみから冷却水ヒータ４６に供給される。

その後、燃料電池スタック１のＩＶ特性の回復に伴って、図１１（ａ）に示すように、燃料電池スタック１の発電電力が徐々に上昇する。これに伴い、図４で述べた発電要求流量も上昇してくる。

時刻２２では、カソードガス流量制御部２０１において、発電要求圧力が暖機制限値よりも大きくなるため、カソードガス目標圧力が発電要求流量に切り替えられる。

このように、第４実施形態では、燃料電池スタック１の暖機促進運転中にカソードコンプレッサ２４に対する供給電力を制限する場合には、カソードガスの圧力を通常制御部３０１の要求圧力に制限した状態で、カソードガスの流量を制限する。

第４実施形態によれば、カソードコンプレッサ２４の消費電力を制限する場合に、カソードガス圧力を制限した後にカソードガス流量を制限するので、第３実施形態に比べてカソードコンプレッサ２４の消費電力の削減量を増やすことができる。

また、カソードガス流量よりも優先してカソードガス圧力を制限するので、フラッディングの発生を抑制しつつ、バッテリ５５の放電を抑制することができる。

このように第３及び第４実施形態によれば、暖機制限部２３０は、コンプレッサ供給可能電力に応じて、カソードコンプレッサ２４に対する供給電力の暖機制限値を高くする。これにより、第２実施形態に比べて、燃料電池スタック１の自己発熱量を増加させることができるので、暖機時間を短くすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

本実施形態ではカソードガス流量制御部２０１が、バッテリ５５から補機類５７へ電力が放電される時点で、カソードガスの暖機要求流量を制限する例について説明したが、これに限られるものではない。

例えば、カソードガス流量制御部２０１は、バッテリ５５から補機類５７へ供給される放電電力量に応じて、暖機要求流量を制限するようにしてもよい。

具体的には、暖機制限部２３０が、バッテリ５５のＳＯＣが小さくなるほど、暖機制限値保持部２３２に設定される暖機制限値を小さくする。あるいは、暖機制限部２３０が、バッテリ電流センサ５８及びバッテリ電圧センサ５９を用いて、バッテリ５５から補機類５７へ供給される放電電力量を積算し、その放電電力量が大きくなるほど、暖機制限値を小さくするようにしてもよい。

これにより、バッテリ５５が過放電しない範囲で、カソードコンプレッサ２４の消費電力を増加させることにより燃料電池スタック１の暖機を優先させることができる。なお、カソードガス圧力制御部２０２でも同様に、バッテリ５５から補機類５７へ供給される電力量に応じて暖機要求圧力を小さくすることにより、燃料電池スタック１の暖機を優先させることができる。

また、本実施形態では燃料電池スタック１にカソードガスを供給するガス供給部としてコンプレッサを用いる例について説明したが、カソードコンプレッサ２４の代わりに、アクチュエータを有するブロワーやポンプなどを用いても良い。

また、本実施形態ではアノードガス非循環型の燃料電池システムについて説明したが、アノードガス循環型の燃料電池システムにも適用可能である。例えば、アノードガス排出通路３５から分岐してアノードガス供給通路３２に合流する循環通路にガス循環ポンプが設けられ、暖機促進運転時にガス循環ポンプを発電に必要な要求流量よりも高くする。このような構成では、暖機制限時にガス循環ポンプの消費電力を冷却水ヒータ４６よりも先に制限するようにする。この場合にも、バッテリ５５の放電を抑制しつつ、燃料電池スタック１の暖機の促進を図ることができる。

なお、上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。

本願は、２０１３年１０月８日に日本国特許庁に出願された特願２０１３−２１１３１４に基づく優先権を主張し、この出願の全ての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (7)

1. 電力を蓄えるバッテリと、
   燃料電池を発電させるためのガスが前記燃料電池に供給されるように駆動するアクチュエータと、前記燃料電池を循環する冷却水を加熱するヒータと、を含む補機と、
   前記補機の動作を調整することにより、前記燃料電池から所定の電力が取れるように出力させる暖機運転部と、
   前記燃料電池で発電される発電電力が、前記補機で消費される電力よりも小さい場合には、前記バッテリから前記補機へ電力を供給する放電制御部と、
   前記ヒータによって前記燃料電池の暖機が行われる場合において、前記放電制御部によって前記バッテリから前記補機に電力が供給されるときには、前記アクチュエータで消費される電力を制限する補機制限部と、
   を含む燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発電状態に応じて、前記アクチュエータに対する供給電力を制御する通常制御部をさらに含み、
   前記補機制限部は、前記燃料電池の暖機時に、前記発電電力が前記所定の電力よりも小さいと判断された場合には、前記アクチュエータで消費される電力を、前記通常制御部によって制御される供給電力まで制限する、
   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において、
   前記補機制限部は、前記放電制御部によって前記バッテリから前記補機へ電力が供給される場合には、前記バッテリから前記補機へ放電される電力量が大きくなるほど、前記アクチュエータに対する供給電力を小さくする、
   燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記補機制限部は、前記アクチュエータで消費される電力を制限した場合において、前記バッテリから前記補機に供給される電力が、前記バッテリで放電可能な電力よりも大きいときには、前記ヒータに対する供給電力を制限する、
   燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記補機制限部は、前記アクチュエータで消費される電力を制限した状態で、前記発電電力が前記補機で消費される電力よりも小さい場合には、前記放電制御部によって前記バッテリから前記ヒータに放電される電力を制限しない、
   燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記補機制限部は、前記アクチュエータを駆動してカソードガスを供給するガス供給部で消費される電力を小さくする場合には、前記燃料電池に供給されるカソードガスの圧力を制限してから、前記カソードガスの流量を制限する、
   燃料電池システム。
7. 燃料電池を発電させるためのガスが前記燃料電池に供給されるように駆動するアクチュエータと前記燃料電池を循環する冷却水を加熱するヒータとを含む補機と、電力を蓄えるバッテリと、を備える燃料電池システムの制御方法であって、
   前記補機の動作を調整することにより、前記燃料電池から所定の電力が取れるように出力させる暖機運転ステップと、
   前記燃料電池で発電される発電電力が、前記補機で消費される電力よりも小さい場合には、前記バッテリから前記補機へ電力を供給する放電制御ステップと、
   前記ヒータによって前記燃料電池の暖機が行われる場合において、前記放電制御ステップによって前記バッテリから前記補機に電力が供給されるときには、前記アクチュエータで消費される電力を制限する補機制限ステップと、
   を含む燃料電池システムの制御方法。

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