WO2007066531A1 - 燃料電池システム及び移動体 - Google Patents

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Kota Manabe
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Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
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Definitions

  • the present invention relates to a moving body having a fuel cell stem and a stem.
  • fuel cells have poor startability compared to other power sources.
  • the efficiency of the fuel cell which depends on the temperature, may be a little due to the temperature and electrodes, and the equipment may not be able to be started without being able to supply the desired flow.
  • the fuel cell system includes a fuel cell, a voltage, an electric device connected in parallel with the fuel cell through the device, a device connected to the electric device, and a predetermined condition.
  • the battery is satisfied, it is provided with an operating means for operating the battery without losing power than usual, a voltage controlling means for controlling the voltage operation by the device based on the operating voltage of the battery and It is characterized by
  • the voltage operation by the voltage device is controlled based on the fuel cell and auxiliary drive voltage. Therefore, it is possible to always operate the fuel cell stably regardless of the fuel cell.
  • control means is
  • the pressure of the rechargeable battery according to the above is set to at least a dynamic voltage depending on the setting.
  • control means operates the raw battery at a low level when the operating of the raw battery is required or when the operation of restoring the property of the raw battery is required. Further, it is preferable that the control means operates the fuel cell at a low temperature after the oxygen gas-depleted state is generated.
  • the mobile body according to the present invention is a mobile body powered by the battery cell system of the above-mentioned composition, and when the battery cell is connected to the electric device and the battery cell is operated at a low temperature.
  • the battery is characterized in that the battery is driven by using one of the electric power of the electric device and the power of the battery used by the battery.
  • Another moving body related to the present invention is the above-mentioned battery battery system, A mobile unit powered by a battery, which is connected to the battery and stops the operation of the battery or limits the power of the battery when the battery is operated at a low temperature. It is characterized by being driven by.
  • FIG. 3 is a diagram showing a partial configuration of a fuel cell system according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between output power and power according to the same embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship with the output power according to the same embodiment.
  • Fig. 3 is a diagram showing the change in output power according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a chart showing the driving process according to the embodiment.
  • Figure 5 is a diagram showing the change in output power according to the embodiment.
  • FIG. 5B is a diagram showing the change in output power according to the same embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing a driving can according to the same embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a partial configuration of a fuel cell stem according to a modification. Good for carrying out Ming
  • FIG. 3 is a diagram showing a partial configuration of a fuel cell system 0 according to the present embodiment.
  • a fuel cell system mounted on both a fuel cell vehicle (CV e Ce yb dVe ce), an electric vehicle, an ibid vehicle, etc. is assumed. It can also be applied to stationary sources.
  • the charge battery 40 is a means for generating electric power from the supplied reaction gas (gas gas), and a type polymer battery such as a solid polymer, an acid salt type or the like can be used.
  • the battery 40 has a stack structure in which a number of cells such as are stacked in series.
  • the (lower, C) and output (lower, C) of this battery 40 are detected by the sensor 40 and the current sensor 0, respectively.
  • the fuel cell 40 (anod) is supplied with gas such as hydrogen gas from the fuel gas supply source 0, while oxygen (sod) is supplied with gas such as air from the oxidizing gas supply source 70.
  • the gas supply source 0 is composed of, for example, a tank valve, and controls the amount of fuel gas supplied to the fuel cell 40 by adjusting the interval between OO and the like.
  • the gas supply source 70 is composed of, for example, an amplifier and an amplifier, and adjusts the number of motors to adjust the amount of gas supplied to the fuel cell 40.
  • the (electrical device) 60 is an active secondary battery, and is made of, for example, a casing. Of course, it is also possible to install an electric device (for example,) that can operate outside the secondary battery in place of the battery.
  • This 6 is connected in parallel to the fuel cell 40 via C C 0.
  • the input is, for example, a straight type input, and the fuel cell 40 or
  • the DC power output from the 60 is converted into three-phase power and supplied as a power supply.
  • the rakusho motor is a motor (that is, a moving body) for driving the wheels 6 6R. It is controlled by the This rack motor is connected to the fuel cell 40 side.
  • the C C data () 30 is a bug data composed of the drive (only with deviation) dedicated to the power transistor of 4, for example.
  • the CC port 0 has a function of increasing or increasing the C pressure input from the fuel cell 60 and outputting it to the fuel cell 40 side, and increasing or increasing the C pressure input from the fuel cell 40 or the like.
  • a vehicle is a power device (a unit, an air conditioner, a hydraulic pop, etc.) that is used when the vehicle is turning
  • a C is a power device that is used to drive the fuel cell 40 (gas.
  • the 80 is composed of CP RO R, etc., and detects voltage sensor 0, current sensor 0, sensor 50 for detecting the degree of fuel cell 40, OC sensor for detecting the state of battery 20 and accelerometer.
  • the system is controlled centrally based on the sensor signal input from the accessor.
  • control 80 uses the method shown below to
  • the initial data which stores the data, is a two-dimensional graph that shows the relationship with the voltage of the fuel cell 4 in the initial state, and decreases as the current level increases.
  • the cell voltage drops, compared to the previous voltage (current shown in data) in comparison.
  • the electrode 40 and the current sensor by using the characteristics described above, by comparing the C pressure and C flow detected by the voltage sensor 40 and the current sensor with the initial data, the electrode
  • control () 80 compares the C pressure and C flow by sensor 0 and current sensor 0 with the same degree in the initial data. As a result, when the following () (2) is established, it is determined to be in a state, and when the following () (2) is not established, it is determined to be in a state.
  • the initial data was used to detect the presence or absence of the electrode state, but it is of course possible to detect the presence or absence of the electrode state by another method.
  • a known sensor In the case of carbon monoxide, a known sensor is installed, and the relationship between the temperature and the constant voltage is predicted and detected. It may be possible to detect whether it is in the electrode state.
  • the battery 40 will be described in detail with reference to the drawings.
  • 2 2 is a diagram showing the relationship between the power and the electric power when the fuel cell is operated under different operations, where the horizontal axis represents the C flow and the vertical C.
  • 2A 2 (Ope C c Vo age) represents the pressure when current is not applied to the fuel cell.
  • the fuel cell 40 that obtains (below,) is generally operated at a low power consumption (1 fcfc) with respect to the output power (2 ).
  • a low power consumption (1 fcfc)
  • the required output power is secured and lost.
  • FIG. 3 is a diagram showing the change in power when the battery is operated during operation.
  • the horizontal axis represents C flow, vertical C pressure, and output power.
  • the characteristics of the fuel cell are represented by a straight line (lower, lie).
  • each on the V line, (f C f C) (f C 2 Vf C2) corresponds to (fc, fc, f C 2 Vf C2) shown in 22.
  • the Pf C of the fuel cell 40 is centered around the maximum output (f Cma a) at which the maximum output Pf ca can be obtained.
  • the output Pf C decreases with the decrease of C in the on-line luck shown in the figure.
  • driving (C C) has a larger power P OSS than driving with the luck on the V line (eg, driving, (f C 2 Vf C2)) shown on the side of maximum output. Therefore, in the following description, the luck on the line where the output Pf C increases as C Vf C increases is defined as normal, and the output on the V line where the output Pf C decreases as C fC decreases. Luck is defined as low.
  • step S first determines whether or not the operation to restore the sex is necessary. Physically, by comparing the C pressure and C flow detected by the voltage sensor 0 and the current sensor 0 with the initial data, it is possible to detect whether or not the electrode state exists, and the electrode medium goes into the state. In this case, it is judged that the operation for recovering the catalytic property is necessary, while for the electrode state, it is judged that the operation for recovering the catalytic property is necessary.
  • Control means When the electrode 80 is in the electrode state, it continues to operate normally by outputting electric power according to the system request. If the control 80 is in the electrode state, first check the current operation, here, normal (f C f C) (step S2).
  • control 80 derives () of the battery 40 which is sufficient to restore the property of the charged electrode (step S3). For example, the operation is performed at normal (f C f C). If the output P f C is obtained by 0
  • the target is (f C2 Vf C 2) which gives the same P C2 (Pf C).
  • P OSS 2 be the fuel cell 40 (that is necessary to do) and P f C2 be the required output power.
  • the fuel cell 40 has a stack structure of 300, and the CV of the 30 cell stack is 36, the required output power is W, and the required output power is W. If the amount is 20 W, the target value (5 (6) below is calculated.
  • Control means 80 derives the target, and after stopping
  • step S4, step S4) the traction timer is stopped only when the operation is switched, so that the pressure of the fuel cell 40 is lowered, and the traction of the fuel cell is lower than the allowable range.
  • the drive should not be stopped at the high voltage connected to 60. This is because even if the pressure of the fuel cell 40 drops, the CC It is possible to continue driving by increasing the pressure of the fuel cell 40 up to.
  • the high pressure means that the connected engine performance can be satisfied by the output pressure obtained during normal operation of the fuel cell 40.
  • the control continues driving by increasing the pressure of the fuel cell 40 to at least a high voltage (dynamic voltage) using the CC button 0 described above. To do.
  • the above is just an example, and it is also possible to drive with the traction motor output (wa) limited without stopping the Traction Motor 5 Inter.
  • the fuel cell 40 When operated by controlling only the C pressure up to (f C 2 f C 2), the fuel cell 40 will fluctuate greatly according to the V line 1 as shown in (5). Line P). More specifically, when the CC pressure is used to control the C pressure and the operation is performed, a high output that is not normally possible at the stage (such as operation at a high output) is possible. The need arises.
  • the fuel cell 40 is kept constant regardless of operation.
  • control 80 raises the pressure of the fuel cell to near the electric power of the fuel cell 40 by CC CC 0, and then to C (step S). Tep).
  • the fuel cell 40 After connecting the fuel cell 40 with electricity by disconnecting and connecting the fuel cell 40 system to electricity (), the fuel cell 40 starts supplying fuel gas (step Sa2).
  • the oxidizing gas does not start.
  • the amount of oxygen generated depends on the amount of oxidizing gas.
  • Control means 80 reduces the C pressure to the target f C2 by the C C 0, and when the sod side of the fuel cell 4 is in the oxidizing gas depleted state, the C pressure is targeted.
  • the gas supply is started while the temperature is kept at f C2 (step S a 3 step S a4).
  • the amount of oxidizing gas is controlled to a value close to 0, so that the C flow matches the target fC2 (step S a 5).
  • the fuel cell 40 is held constant regardless of the temperature.
  • control 80 refers to Thailand (), etc., and determines whether the target constant time has elapsed after the operation (step S5).
  • the target fixed time is
  • step S5 O If 8 judges that the target fixed time has not elapsed (step S5 O), step S5 is repeatedly executed. On the other hand, the control 80 judges that the target fixed time has passed (step S5 S), and the subsequent operation
  • the catalytic properties are restored by controlling the electrode and the cell of the fuel cell 40 to below 0.6, so the operation may be derived as follows.
  • the target point is Get well
  • the C flow was controlled by adjusting the amount of gas supplied from the oxidizing gas supply source 70. However, by adjusting the amount of fuel gas supplied from the fuel gas supply source 0, the C flow was controlled. You can control it.
  • the fuel cell 40 is configured to be shut down from the normal point in order to restore the properties of the electrode that has been exposed.
  • the control 80 receives a system command from an operation switch or the like, the temperature sensor 50 or the like is used to detect the temperature of the fuel cell 4.
  • () 80 determines that the fuel cell 40 needs to be operated when the fuel cell 40 temperature is lower than the predicted frequency, and executes the process shown in 4. The operation after this is the same as in this embodiment, and will be explained.
  • a sensor cooling instead of the temperature sensor 50, a sensor cooling (
  • step S it is necessary to stop the motor 5 inverter or drive the output by limiting the output (step S).
  • the system has been explained as an example, but it can also be applied to a power system consisting of the fuel cell 40 only.

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Abstract

電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機する場合であっても、補機などを安定して運転することが可能な燃料電池システムなどを提供する。制御装置は、被毒された電極触媒の活性を回復するのに十分な目標運転動作点を導出し、目標運転動作点まで出力電力が一定に保持される運転動作点のシフトを実現する。低効率運転動作点へ運転を切り換えることで、燃料電池の出力電圧は下がってしまうが、ＤＣ／ＤＣコンバータによって高圧補機の許容入力電圧まで昇圧する。

Description

明細書 燃料電池システム及ぴ移動体 技術分野
本発明は、 燃料電池システム及び該システムを搭載した移動体に関する。 背景技術
一般に、 燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪い。 かかる燃料電池の発 電効率は、 温度の低下や電極触媒の被毒に起因して減少し、 所望の電圧ノ電 流を供給することができずに機器を起動できない場合も生じる。
このような事情に鑑み、 各電極に供給するアノード燃料 （例えば燃料ガ ス） 及び力ソード燃料 （例えば酸化ガス） の少なくともいずれか一方を不足 状態とし、 電極の一部の過電圧を増加させて燃料電池の温度を上昇させるこ とにより、 電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機する方法が提案されてい る （例えば、 特許文献 1参照）。
[特許文献 1 ] 特表 2 0 0 3— 5 0 4 8 0 7号 発明の開示
しかしながら、 上記方法によつて電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機 する場合には、 かかる運転に伴って燃料電池の電圧は低下し、 補機などを安 定して運転することができない等の問題があった。
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、 電極触媒の被毒 の回復や燃料電池を暧機する場合であっても、 補機などを安定して運転する ことが可能な燃料電池システムなどを提供することを目的とする。 上述した問題を解決するため、 本発明に係る燃料電池システムは、 燃料電 池と、 電圧変換装置と、 前記電圧変換装置を介して前記燃料電池と並列に接 続された蓄電装置と、 前記蓄電装置に接続された補機と、 所定条件を満たす 場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運転動作点にて前記燃 料電池を運転する運転制御手段と、 前記燃料電池の運転動作点と前記補機の 駆動電圧に基づき、 前記電圧変換装置による電圧変換動作を制御する電圧変 換制御手段とを具備することを特徴とする。
かかる構成によれば、 電極触媒の被毒の回復や燃料電池を暖機等するため に低効率運転動作点で動作する場合であつても、 燃料電池の運転動作点と補 機の駆動電圧に基づき、 電圧変換装置による電圧変換動作が制御される。 こ のため、 燃料電池の運転動作点によらず、 常に補機を安定して運転すること が可能となる。
ここで、 上記構成にあっては、 前記電圧変換制御手段は、 前記電圧変換装 置により、 前記運転動作点に応じた前記燃料電池の端子電圧を、 少なくとも 前記補機の駆動電圧まで昇圧させる態様が好ましい。
また、 前記運転制御手段は、 前記燃料電池の暖機運転が必要な場合、 また は前記燃料電池の触媒活性を回復させる運転が必要な場合に、 前記燃料電池 を低効率運転動作点にて運転する態様が好ましい。 また、 前記運転制御手段 は、 酸化ガス欠乏状態を生成してから前記燃料電池を低効率運転動作点にて 運転する態様が好ましい。
また、 本発明に係る移動体は、 上記構成の燃料電池システムを搭載し、 モ ータを動力源とする移動体であって、 前記モータは前記蓄電装置側に接続さ れ、 前記燃料電池を低効率運転動作点にて運転する場合には、 前記蓄電装置 の放電電力、 またはコンバータにて昇圧された燃料電池の出力電力の少なく ともいずれか一方を用いて該モータを駆動することを特徴とする。
また、 本発明に係る別の移動体は、 上記構成の燃料電池システムを搭載し、 モータを動力源とする移動体であって、 前記モータは前記燃料電池側に接続 され、 前記燃料電池を低効率運転動作点にて運転する場合には、 該モータの 駆動を停止する、 または該モータの出力を制限して駆動することを特徴とす る。
以上説明したように、 本発明によれば、 電極触媒の被毒の回復や燃料電池 を暖機する場合であっても、 補機などを安定して運転することが可能となる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本実施形態に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 図 2 Aは、 同実施形態に係る出力電力と電力損失との関係を示す図である。 図 2 Bは、 同実施形態に係る出力電力と電力損失との関係を示す図である。 図 3は、 同実施形態に係る出力電力の変化をあらわす図である。
図 4は、 同実施形態に係る運転動作点のシフト処理を示すフローチヤ一ト である。
図 5 Aは、 同実施形態に係る出力電力の変化をあらわす図である。
図 5 Bは、 同実施形態に係る出力電力の変化をあらわす図である。
図 6は、 同実施形態に係る運転シーケンスを示す図である。
図 7は、 変形例に係る燃料電池システムの要部構成を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。 A. 本実施形態
図 1は本実施形態に係る燃料電池システム 1 0 0の要部構成を示す図であ る。 本実施形態では、 燃料電池自動車 （F C H V ； Fuel Cell Hyblid Vehicle) , 電気自動車、 ハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電 池システムを想定するが、 車両のみならず各種移動体 （例えば、 船舶や飛行 機、 ロボットなど） や定置型電源にも適用可能である。
燃料電池 4 0は、 供給される反応ガス （燃料ガス及び酸化ガス） から電力 を発生する手段であり、 固体高分子型、 燐酸型、 熔融炭酸塩型など種々のタ ィプの燃料電池を利用することができる。 燃料電池 4 0は、 ME Aなどを備 えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。 この燃料電 池 4 0の出力電圧 （以下、 F C電圧） 及び出力電流 （以下、 F C電流） は、 それぞれ電圧センサ 1 4 0及び電流センサ 1 5 0によって検出される。 燃料 電池 4 0の燃料極 （ァノード） には、 燃料ガス供給源 1 0から水素ガスなど の燃料ガスが供給される一方、 酸素極 （力ソード） には、 酸化ガス供給源 7 0から空気などの酸化ガスが供給される。
燃料ガス供給源 1 0は、 例えば水素タンクや様々な弁などから構成され、 弁開度や O NZO F F時間などを調整することにより、 燃料電池 4 0に供給 する燃料ガス量を制御する。
酸化ガス供給源 7 0は、 例えばエアコンプレッサやエアコンプレッサを駆 動するモータ、 インバータなどから構成され、 該モータの回転数などを調整 することにより、 燃料電池 4 0に供給する酸化ガス量を調整する。
バッテリ （蓄電装置） 6 0は、 充放電可能な二次電池であり、 例えばニッ ケル水素バッテリなどにより構成されている。 もちろん、 バッテリ 6 0の代 わりに二次電池以外の充放電可能な蓄電器 （例えばキャパシタ） を設けても 良い。 このバッテリ 6 0は、 D CZD Cコンバータ 1 3 0を介して燃料電池 4 0と並列に接続されている。
インバータ 1 1 0は、 例えばパルス幅変調方式の P WMインバータであり 制御装置 8 0から与えられる制御指令に応じて燃料電池 4 0またはバッテリ 6 0から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、 トラクションモータ 1 1 5へ供給する。 トラクシヨンモータ 1 1 5は、 車輪 1 1 6 L、 1 1 6 R を駆動するためのモータ （すなわち移動体の動力源） であり、 かかるモータ の回転数はインバータ 1 10によって制御される。 このトラクションモータ 1 1 5及びインバータ 1 1 0は、 燃料電池 40側に接続されている。
DCZDCコンバータ （電圧変換装置） 1 30は、 例えば 4つのパワー ' トランジスタと専用のドライブ回路 （いずれも図示略） によって構成された フルブリッジ ' コンバータである。 DCZDCコンバータ 1 30は、 ノくッテ リ 60から入力された DC電圧を昇圧または降圧して燃料電池 40側に出力 する機能、 燃料電池 40などから入力された DC電圧を昇圧または降圧して バッテリ 60側に出力する機能を備えている。 また、 DCノ DCコンバータ 1 30の機能により、 バッテリ 60の充放電が実現される。
バッテリ 60と DC/DCコンバータ 1 30の間には、 車両補機や FC補 機などの補機類 1 20が接続されている。 バッテリ 60は、 これら補機類 1 20の電源となる。 なお、 車両補機とは、 車両の運転時などに使用される 種々の電力機器 （照明機器、 空調機器、 油圧ポンプなど） をいい、 FC補機 とは、 燃料電池 40の運転に使用される種々の電力機器 （燃料ガスや酸化ガ スを供給するためのポンプなど） をいう。
制御装置 80は、 CPU、 ROM, RAMなどにより構成きれ、 電圧セン サ 140や電流センサ 1 50、 燃料電池 40の温度を検出する温度センサ 5 0、 バッテリ 20の充電状態を検出する SOCセンサ、 アクセルペダルの開 度を検出するァクセルペダルセンサなどから入力される各センサ信号に基づ き、 当該システム各部を中枢的に制御する。
また、 制御装置 80は、 以下に示す方法により燃料電池 40の電極触媒が 被毒状態にあるか否かを検知し、 被毒状態にあることを検知した場合には、 被毒された電極触媒の特性を回復すべく、 燃料電池 40の運転動作点を切り 換える処理を行う （後述）。
メモリ 1 60は、 例えば書き換え可能な不揮発性メモリであり、 燃料電池 40の初期状態 （例えば製造出荷時） における電池特性を示す初期電池特性 データなどが格納されている。 初期電池特性データは、 初期状態における燃 料電池 4 0の電流密度と電圧との関係を示す二次元マップであり、 電流密度 が高くなるにつれ電圧は低下する。
周知のとおり、 燃料電池 4 0の電極触媒が被毒すると電池特性は低下し、 同一電圧で比較すると被毒後の電流密度は被毒前の電流密度 （初期電池特性 データに示される電流密度） よりも低下する。 かかる特性を利用し、 本実施 形態では、 電圧センサ 1 4 0及ぴ電流センサ 1 5 0によって検知される F C 電圧及び F C電流と初期電池特性データとを比較することで、 電極触媒が被 毒状態にあるか否かを検知する。 詳述すると、 制御装置 （検知手段） 8 0は、 電圧センサ 1 4 0及び電流センサ 1 5 0によって F C電圧及び F C電流が検 知されると、 初期電池特性データにおける同一電圧での電流密度と比較する。 かかる比較の結果、 下記式 （1)、 (2) が成立している場合には被毒状態で あると判断する一方、 下記式 （1)、 （2) が成立していない場合には被毒状 態でないと判断する。
V f c =V s · * · ( 1 )
I f c < I s + a · · · ( 2 )
V f c ; F。電圧
V s ；初期電池特性データにおける電圧 .
I f c ； F C電流
I s ；初期電池特性データにおける電流密度
a ；所定値
なお、 上記説明では、 初期電池特性データを利用して電極触媒が被毒状態 にあるか否かを検知したが、 他の方法によつて電極触媒が被毒状態にあるか 否かを検知しても良いのはもちろんである。 例えば、 一酸化炭素によって電 極触媒が被毒される場合には、 既知の CO濃度センサを設け、 CO濃度と電 圧測定値との関係を予め調査 ·マップ化し、 検知される CO濃度等に基づい て電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知しても良い。 以下、 図面を参照し ながら燃料電池 40の運転動作点について詳細に説明する。
図 2 A及び図 2 Bは、 異なる運転動作点で燃料電池を運転したときの出力 電力と電力損失との関係を示す図であり、 横軸に FC電流、 縦軸に FC電圧 をあらわしている。 また、 図 2 A及び図 2 Bに示す OCV (Open Circuit Voltage；開回路電圧） は、 燃料電池に電流を流していない状態での電圧を. あらわす。
図 2 A及び図 2 Bに示す電流 ·電圧特性 （以下、 I V特性） が得られる燃 料電池 40においては、 出力電力に対して電力損失の小さな運転動作点 （I f c l、 V f c 1 ) にて運転されるのが一般的である （図 2A参照）。 しか しながら、 燃料電池 4◦の電極触媒が被毒状態にある場合には、 燃料電池 4 0の内部温度を上昇させて電極触媒の活性を回復させる必要があるため、 本 実施形態では、 必要な出力電力を確保しつつ電力損失の大きな運転動作点 (I f c 2、 V f c 2) にシフトして運転し、 被毒状態の電極触媒の活性を 回復させる （図 2 B参照）。 ここで、 図 2 A及び図 2 Bに示す各運転動作点 での出力電力 P f c、 電力損失 P l o s s, 各出力電力 P f cの関係、 各電 力損失 P 1 o s sの関係を示せば次の通りである。
<運転動作点 （ I f c、 V f c 1) について〉.
I f c l *V f c l =P f c l · · · (3) I f c l *OCV-P f c l =P l o s s l · · · (4) く運転動作点 （ I f c 2、 V f c 2) について >
I f c 2水 V f c 2 = P f c 2 · · · (5)
I f c 2 *OCV-P f c 2 = P l o s s 2 · · · (6) ぐ各出力電力、 各電力損失の関係 >
P f c 1 =P f c 2 · · · (7)
P l o s s l <P l o s s 2 · · · (8) 図 3は、 運転動作点をシフトしながら燃料電池を運転したときの出力電力 の変化をあらわす図であり、 横軸に FC電流、 縦軸に FC電圧及び出力電力 をあらわしている。 なお、 図 3では、 説明の便宜上、 燃料電池の I V特性を 直線 （以下、 I Vライン） であらわす。 また、 I Vライン上の各運転動作点 (I f c l、 V f c l)、 （ I f c 2、 V f c 2) は、 図 2 A及び図 2 Bに示 す各運転動作点 （ I f c l、 V f c l)、 （I f c 2、 V f c 2) に対応する。 図 3に示すように、 燃料電池 40の出力電力 P f cは、 最大出力電力 P f cma xが得られる最大出力運転動作点 （I f cma x、 V f cma x) を 中心に、 図示左側に示す I Vライン上の運転動作点では F C電圧 V f cの低 下に伴って出力電力 P f cは増大する一方、 図示右側に示す I Vライン上の 運転動作点では FC電圧 V f cの低下に伴って出力電力 P f cは減少する。 前述したように、 電力損失 P 1 o s sは、 F C電圧 V f cが低下するにつ れ增大する。 このため、 燃料電池 40を運転して同一の電力を出力する場合 であっても、 最大出力運転動作点の右側に示す I Vライン上の運転動作点 (例えば、 運転動作点 （ I f c 1、 V f c 1)) で運転する方が、 最大出力 運転動作点の左側に示す I Vライン上の運転動作点 （例えば、 運転動作点 (I f c 2、 V f c 2)) で運転するよりも電力損失 P l o s sは大きい。 よ つて、 以下の説明では、 じ電圧 £ cの低下に伴って出力電力 P f cが増 大する I Vライン上の運転動作点を通常運転動作点と定義し、 FC電圧 V f cの低下に伴って出力電力 P f cが減少する I Vライン上の運転動作点を低 効率運転動作点と定義する。 なお、 通常運転動作点及び低効率運転動作点を 表せば次の通りである。
<通常運転動作点 （ I f c、 V f c) について〉
I f c≤ I f c m a x · · · (9) V f cma x≤V f c . . . (10)
<低効率運転動作点 （ I f c、 V f c) について > I f cma x< I f c ' · · (1 1) V f c < V f c m a x ' · · (1 2) 次に、 図 4等を参照しながら制御装置 80によって実行される運転動作点 のシフト処理について説明する。
図 4は、 運転動作点のシフ ト処理を示すフローチャートであり、 図 5 Α及 び図 5 Bは、 運転動作点をシフトしたときの出力電力の変化を示した図であ る。 なお、 以下の説明では、 被毒された電極触媒の活性を回復すべく、 燃料 電池 40の運転動作点を通常運転動作点 （ I f c 1、 V f c 1) から低効率 運転動作点 （ I f c 2、 V f c 2) へシフ トする場合を想定する （図 5 A及 び図 5 B参照）。
制御装置 （判断手段） 80は、 まず、 触媒活性を回復させる運転が必要か 否かを判断する （ステップ S l)。 具体的には、 電圧センサ 140及び電流 センサ 1 50によって検知される FC電圧及び FC電流と初期電池特性デー タとを比較することで、 電極触媒が被毒状態にあるか否かを検知し、 電極触 媒が被毒状態にない場合には触媒活性を回復させる運転は必要ないと判断す る一方、 電極触媒が被毒状態にある場合には触媒活性を回復させる運転が必 要と判断する。
制御装置 （運転制御手段） 80は、 電極触媒が被毒状態にない場合には、 システム要求に応じた電力を出力する通常運転動作点にて運転を継続する。 —方、 制御装置 80は、 電極触媒が被毒状態にある場合には、 まず、 現時点 における運転動作点 （ここでは、 通常運転動作点 （ I f c 1、 V f c 1)) を確認する （ステップ S 2)。
次に、 制御装置 80は、 被毒された電極触媒の活性を回復するのに十分な 燃料電池 40の運転動作点 （目標運転動作点） を導出する （ステップ S 3)。 —例を挙げて説明すると、 例えば、 通常運転動作点 （ I f c 1、 V f c 1) で運転することにより、 出力電力 P f c 1が得られる場合には、 この出力電 力と同じ出力電力 P f c 2 (=P f c 1) が得られる低効率運転動作点 （ I f c 2、 V f c 2) を目標運転動作点として導出する。
例えば、 燃料電池 40の電力損失 （すなわち昇温するために必要な熱量） を P 1 o s s 2、 要求される出力電力を P f c 2とすると、 目標運転動作点 は下記式 （1 3)、 （14) より導出される。
く目標運転動作点 （I f c、 V f c ) について〉
I f c = (P l o s s 2 + P f c 2) /OCY · · . (1 3)
V f c = P f c 2 * OC V/ (P l o s s 2 + P f c 2) . . . (14) より具体的には、 燃料電池 40が 300セルの積層スタック構造を有して おり、 300セルスタックの OCVが 360 V、 要求される出力電力が 1 k W、 必要な熱量が 20 kWとすると、 目標動作点は下記式 （1 5)、 （1 6) より導出される。
I f c = (20+ 1) /360 = 58. 3 A · ' · (1 5)
V f c = 1 * 360Ζ (20 + 1 ) = 1 7 V . ' . (1 6) なお、 被毒された電極触媒は、 燃料電池 40のセル電圧が 0. 6V以下に 制御されることにより、 触媒還元反応が起こつて触媒活性が回復されるため、 このような条件を満たす運転動作点を目標運転動作点として導出しても良い (詳細は後述)。
制御装置 （運転制御手段） 80は、 目標運転動作点を導出すると、 トラク シヨンモータ 1 1 5及びインバータ 1 10を停止した後、 運転動作点のシフ トを開始する （ステップ S 4→ステップ S 4 ')。 このように、 トラクシヨン モータ 1 1 5及びインバータ 1 10を停止するのは、 低効率運転動作点へ運 転を切り換えることで、 燃料電池 40の出力電圧が下がり、 インバータ 1 1 0等の許容入力電圧範囲を下回ってしまうからである。 ただし、 バッテリ 6 0に接続された高圧補機については駆動を停止しない。 これは、 燃料電池 4 0の端子電圧が下がったとしても、 DCZDCコンバータ 1 30によって高 圧補機の許容入力電圧まで燃料電池 40の出力電圧を昇圧することで、 駆動 を継続することができるからである。 なお、 高圧補機とは、 燃料電池 40を 通常運転動作点で運転したときに得られる出力電圧によって、 接続されたィ ンバータの定格性能を満足できる補機をいう。 従って、 燃料電池 40を低効 率運転動作点で運転する場合には、 制御装置 （電圧変換制御手段） は上記の 如く DCZDCコンバータ 1 30によって燃料電池 40の端子電圧を、 少な くとも高圧補機の許容入力電圧 （駆動電圧） まで昇圧することで駆動を継続 する。 もちろん、 上記態様はあくまで一例であり、 トラクシヨンモータ 1 1 5及びインバータ 1 1 0を停止することなく、 これらトラクシヨンモータ 1 1 5等の出力 （上限パワー） を制限した状態で駆動させても良い。
ここで、 通常運転動作点 （ I f c 1、 V f c 1) から低効率運転動作点 (I f c 2、 V f c 2) まで F C電圧のみを制御して運転動作点をシフトし た場合には、 図 5Aに示すように、 I Vライン 1 1の運転動作点のシフトに 応じて燃料電池 40の出力電力は大きく変動してしまう （パワーライン p 1 1参照）。 より具体的には、 DCZDCコンバータ 1 30を用いて F C電圧 のみを制御して運転動作点をシフトした場合には、 シフト過程において通常 の使用環境下ではありえないような高出力運転 （最大出力運転動作点におけ る運転など） を行う必要が生じる。
そこで、 本実施形態では、 FC電圧とともに FC電流を制御することで、 図 5 Bに示すように、 通常運転動作点 （ I f c 1、 V f c 1 ) から低効率運 転動作点 （I f c 2、 V f c 2) まで、 出力電力が一定に保持される運転動 作点のシフ トを実現する （パワーライン p 1 2参照）。 具体的には、 DCZ DCコンバータ （電圧変換装置） 1 30を用いて FC電圧を制御するととも に、 制御装置 （調整手段） 80が酸化ガス供給源 70から供給される酸化ガ ス量を調整することで （ここでは酸化ガス量を絞ることで）、 FC電流を制 御する。 かかる制御を行うことで、 燃料電池 40の I V特性は I Vライン 1 1から I Vライン 1 2にシフ,トし、 運転動作点のシフトによらずに燃料電池 40の出力電力は一定に保持される。
具体的な運転シーケンスについて図 6を参照しながら説明すると、 まず、 制御装置 80は、 DCZDCコンバータ 1 30により、 燃料電池側の電圧を 燃料電池 40の理論起電力付近まで、 別言すれば OCV以上に昇圧する （ス テツプ S a l )。 制御装置 80は、 燃料電池 40と当該システムとを電気的 に切断 ·接続するリ レー （図示略） を用いて燃料電池 40をリ レー接続した 後、 燃料ガスの供給を開始する （ステップ S a 2)。 ただし、 この時点では 酸化ガスの供給は開始しない。 かかる操作により、 酸化ガスの残量に応じた OCVが発生する。 制御装置 （運転制御手段） 80は、 DC/DCコンバー タ 1 30により、 FC電圧を目標運転動作電圧 V f c 2まで低下させ、 燃料 電池 40の力ソード側を酸化ガス欠乏状態とすると、 FC電圧を目標運転動 作電圧 V f c 2に保持した状態で酸化ガスの供給を開始する （ステップ S a 3→ステップ S a 4)。 制御装置 80は、 FC電流が目標運転動作電流 I f c 2と一致するよう、 エアストィキ比 1. 0付近の流量にて酸化ガス流量を 制御する （ステップ S a 5)。 以上説明した運転を行うことで、 運転動作点 のシフトによらずに燃料電池 40の出力電力は一定に保持される。
このように運転動作点をシフトすると、 制御装置 80は、 タイマ （図示 略） などを参照し、 運転動作点をシフ トしてから目標設定時間が経過したか 否かを判断する （ステップ S 5)。 ここで、 目標設定時間は、 低効率運転動 作点で運転を開始してから電極触媒の活性を回復するのに十分な時間 （例え ば 10秒） であり、 予め実験などによって求めることができる。 制御装置 8 0は、 目標設定時間が経過していないと判断すると （ステップ S 5 ; NO)、 ステップ S 5を繰り返し実行する。 一方、 制御装置 80は、 目標設定時間が 経過したと判断すると （ステップ S 5 ； YE S)、 シフ ト後の運転動作点を シフト前の運転動作点に戻し （ステップ S 6)、 処理を終了する。 以上説明したように、 本実施形態に係る燃料電池システムによれば、 電極 触媒の被毒の回復する場合であっても、 高電圧で駆動する高圧補機などを安 定して運転することが可能となる。
なお、 上述したように、 被毒された電極触媒は、 燃料電池 40のセル電圧 を 0. 6 V以下に制御することで触媒活性が回復するため、 次のようにして 運転動作点を導出しても良い。
例えば、 燃料電池 40が 300セルの積層スタック構造を有しており、 要 求される出力電力が 1 kWの場合、 セル電圧を 0. 5V (< 0. 6 V) に設 定したとすると、 目標運転動作点は次のようになる。
く目標運転動作点 （ I f c、 V f c) について >
V f c = 300 * 0. 5 = 1 50 V - - - (1 7)
I f c = 1000/ 1 50 = 6. 7 A · ' · (1 8) ここで、 求めた目標運転動作点がシフト前の I Vライン上にない場合であ つても、 FC電圧とともに FC電流を制御して I V特性を変えることで、 求 めた目標運転動作点を I Vライン上に位置させることが可能となる。
Β. 変形例
(1) 上述した実施形態では、 酸化ガス供給源 70から供給される酸化ガス 量を調整することで、 FC電流を制御したが、 燃料ガス供給源 10から供給 される燃料ガス量を調整することで、 F C電流を制御しても良い。
(2) 上述した実施形態では、 電極触媒が被毒状態にあることを検知した場 合に、 燃料電池 40の運転動作点を通常運転動作点から低効率運転動作点へ シフトしたが、 以下に示すタイミングで運転動作点をシフトするようにして も良い。
例えば、 システム起動時にいつたん低効率運転動作点で運転してから通常 運転動作点へとシフ トし、 常に触媒活性を高めた状態でシステム運転を行う ようにしても良い。 また、 要求される出力電力が所定値以下になったとき (例えばアイ ドル出力付近など）、 運転動作点を通常運転動作点から低効率 運転動作点へとシフトするようにしても良い。 さらに、 システム停止後に低 効率運転動作点にて運転を行うことで、 運転中に低下した触媒活性を回復さ せて次回の起動に備えるようにしても良い。
( 3 ) 上述した実施形態では、 被毒された電極触媒の活性を回復するために、 燃料電池 4 0の運転動作点を通常運転動作点から低効率運転動作点へシフト する構成としたが、 例えば低温起動時に暖機運転を行う場合やシステム運転 停止前に急速暖機を行う場合など、 暖機運転が必要なあらゆる場合に適用可 能である。
一例を挙げて説明すると、 制御装置 8 0は操作スィッチなどから当該シス テムの起動命令を受け取ると、 温度センサ 5 0などを利用して燃料電池 4 0 の内部温度を検知する。 制御装置 （判断手段） 8 0は、 燃料電池 4 0の内部 温度が予め設定された閾値温度を下回っている場合には、 暖機運転が必要で あると判断し、 図 4に示す運転動作点のシフ ト処理を実行する。 この後の動 作については、 本実施形態と同様であるため、 説明を省略する。 なお、 温度 センサ 5 0の代わりに、 外気温度を検出する温度センサや冷却機構 （図示 略） を流れる冷媒の温度を検出する温度センサなどを利用しても良い。
( 4 ) 上述した実施形態では、 燃料電池の出力端にトラクシヨンモータ用の インバータ 1 1 0が接続される構成を例示したが、 例えば図 7に示すように バッテリ 6 0側にトラクションモータ 1 1 5及びインバータ 1 1 0が接続さ れる構成であっても良い。 なお、 図 7に示す燃料電池システム 1 0 0 ' につ いて、 図 1に示す燃料電池システム 1 0 0と対応する部分には同一符号を付 し、 詳細な説明を省略する。 かかる構成によれば、 低効率運転動作点へ運転 を切り換えたとしても、 バッテリ 6 0の放電電力によってトラクシヨンモー タ 1 1 5及びインバ一タ 1 1 0を駆動することが可能となる。 言い換えれば、 通常運転動作点から低効率運転動作点への運転の切り換えに応じてトラクシ ヨンモータ 1 1 5及びインバータ 1 1 0を停止、 または出力を制限して駆動 (ステップ S 4 ) する必要がなく、 システム効率を上げることが可能となる。 もちろん、 ノくッテリ 6 0の放電電力によってトラクションモータ 1 1 5等を 駆動しても良いが、 D C ZD Cコンバータ 1 3 0にて昇圧された燃料電池 4 0の出力電力とバッテリ 6 0の放電電力によってトラクションモータ 1 1 5 等を駆動しても良い。 さらには、 D C ZD Cコンバータ 1 3 0にて昇圧され た燃料電池 4 0の出力電力のみによってトラクシヨンモータ 1 1 5等を駆動 しても良い。
また、 本実施形態では燃料電池 4 0とバッテリ 6 0を備えたハイプリッド 電源システムを例に説明したが、 燃料電池 4 0のみからなる電源システムに も適用可能である。

Claims

請求の範囲
1 . 燃料電池と、
電圧変換装置と、
前記電圧変換装置を介して前記燃料電池と並列に接続された蓄電装置と、 前記蓄電装置に接続された補機と、
所定条件を満たす場合に通常運転動作点よりも電力損失の大きな低効率運 転動作点にて前記燃料電池を運転する運転制御手段と、
前記燃料電池の運転動作点と前記補機の駆動電圧に基づき、 前記電圧変換 装置による電圧変換動作を制御する電圧変換制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
2 . 前記電圧変換制御手段は、 前記電圧変換装置により、 前記運転動作点 に応じた前記燃料電池の端子電圧を、 少なくとも前記補機の駆動電圧まで昇 圧させることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池システム。
3 . 前記運転制御手段は、 前記燃料電池の暖機運転が必要な場合、 または 前記燃料電池の触媒活性を回復させる運転が必要な場合に、 前記燃料電池を 低効率運転動作点にて運転することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池 システム。
4 . 前記運転制御手段は、 酸化ガス欠乏状態を生成してから前記燃料電池 を低効率運転動作点にて運転することを特徴とする請求項 3に記載の燃料電 池システム。
5 . 請求項 1〜4のいずれか 1の請求項に記載の燃料電池システムを搭載 し、 モータを動力源とする移動体であって、
前記モータは前記蓄電装置側に接続され、 前記燃料電池を低効率運転動作 点にて運転する場合には、 前記蓄電装置の放電電力またはコンバータにて昇 圧された燃料電池の出力電力の少なくともいずれか一方を用いて該モータを 駆動することを特徴とする移 «I体。
6 . 請求項 1〜4のいずれか 1の請求項に記載の燃料電池システムを搭載 し、 モータを動力源とする移動体であって、
前記モータは前記燃料電池側に接続され、 前記燃料電池を低効率運転動作 点にて運転する場合には、 該モータの駆動を停止する、 または該モータの出 力を制限して駆動することを特徴とする移動体。
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