WO2017110390A1 - 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

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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fuel
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光徳 熊田
竜也 矢口
鈴木　健太
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日産自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system that outputs power generated by a fuel cell to a secondary battery, and a control method for the fuel cell system.
  • US Patent Application Publication No. 2014/0113162 discloses a fuel cell system including a solid oxide fuel cell that receives a supply of fuel and generates power in accordance with a load.
  • the fuel cell system as described above is used as a system for charging the generated power of the fuel cell in order to ensure the output of the secondary battery, for example, for a secondary battery that supplies power to a load such as a motor. Is also possible.
  • the temperature of the fuel cell when the fuel cell is started from a stopped state or when the generated power of the fuel cell is increased, the temperature of the fuel cell must be raised to an operating temperature suitable for power generation. Apart from this, fuel for heating the fuel cell is required.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell system and a control method for the fuel cell system that suppress deterioration of fuel consumption while securing the output of a secondary battery.
  • a control method of a fuel cell system that supplies fuel and an oxidant to a fuel cell and outputs the generated power of the fuel cell to a secondary cell is obtained by acquiring a charge amount of the secondary cell A charge amount acquisition step, and when the charge amount of the secondary battery falls below a predetermined value, the fuel cell is started from a state where power generation of the fuel cell is stopped or the generated power of the fuel cell is increased.
  • the control method of the fuel cell system includes a fuel remaining amount acquiring step for acquiring a remaining amount of fuel that can be supplied to the fuel cell, and when the remaining amount of fuel is short, And a setting step for setting the predetermined value to a small value as compared with.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the main configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of a starting method of the fuel cell system in the present embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating the contents of the power generation control process of the fuel cell in the present embodiment.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating the contents of the power generation control process of the fuel cell in the second embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of charge of the battery and the generated power of the fuel cell in the present embodiment.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing an example of a setting method for setting the FC start threshold value that defines the start timing of the fuel cell stack according to the travel load history.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the main configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of a starting method of the fuel cell system in the present embodiment
  • FIG. 7 is a time chart showing changes in the generated power of the fuel cell according to the charge amount of the battery.
  • FIG. 8 is a time chart showing changes in the remaining amount of fuel according to the amount of charge of the battery.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram illustrating an example of a setting method for setting an offset value determined for battery protection in accordance with the battery margin.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram illustrating an example of a calculation method for calculating the battery margin.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating the relationship between the charge amount of the battery and the generated power of the fuel cell in the third embodiment of the invention.
  • FIG. 12 is an explanatory diagram showing the energy efficiency of fuel cell priority operation and battery protection operation of the fuel cell.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a setting method for setting the fuel efficiency priority driving section according to the travel load history.
  • FIG. 14 is a flowchart illustrating the contents of the power generation control process of the fuel cell in the present embodiment.
  • FIG. 15 is an explanatory diagram illustrating an example of a calculation method for calculating a battery margin for setting an offset value.
  • FIG. 16 is a block diagram showing the main configuration of the fuel cell system according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of a fuel cell system 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 10 is a battery auxiliary system that generates power from the fuel cell stack 1 according to the state of charge of the battery 9.
  • the fuel cell system 10 of this embodiment is a fuel cell system that supplies generated power to a load device 8 or a battery 9 mounted on a vehicle.
  • the load device 8 is an electric load connected to the battery 9 and the fuel cell system 10.
  • the load device 8 includes a drive motor 81 in which an electric load changes.
  • the load device 8 of the present embodiment includes an indoor air conditioner (not shown), a vehicle auxiliary machine, and the like.
  • the drive motor 81 is a power source that drives the vehicle.
  • the drive motor 81 can generate regenerative electric power when the vehicle is braked, and can charge the battery 9 with this regenerative electric power.
  • the battery 9 is a power source that supplies power to the drive motor 81, and is realized by, for example, a lithium ion battery or a lead storage battery.
  • the battery 9 charges the regenerative power of the drive motor 81 and charges the power output from the fuel cell system 10.
  • the rated output of the battery 9 is larger than the rated output of the fuel cell stack 1. That is, the battery 9 is a main power source for the load device 8, and the fuel cell stack 1 is a sub power source for the load device 8.
  • the battery 9 is provided with a charge amount sensor 61 for detecting a charge amount (remaining amount) indicating the electric power stored in the battery 9.
  • the charge amount sensor 61 of this embodiment detects the SOC (State Of Charge) of the battery 9 as the charge amount of the battery 9 and outputs the detected value to the control unit 6.
  • the SOC of the battery 9 increases as the charge amount of the battery 9 increases.
  • the SOC of the battery 9 is referred to as “battery SOC”.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel supply device 2 that supplies anode gas (fuel gas) to the fuel cell stack 1 and an oxidant supply device 3 that supplies cathode gas (oxidant gas) to the fuel cell stack 1.
  • the fuel cell system 10 also includes an exhaust device 4 that discharges anode offgas (fuel offgas) and cathode offgas (oxidant offgas) discharged from the fuel cell stack 1 to the outside.
  • the exhaust device 4 includes an anode gas discharge passage 29, a cathode gas discharge passage 39, an exhaust combustor 40, and an exhaust passage 41.
  • the fuel cell system 10 includes a power conversion device 5 that extracts power from the fuel cell stack 1 and supplies the power to at least one of the load device 8 and the battery 9, and a control unit 6 that controls the operation of the entire fuel cell system. .
  • the fuel cell stack 1 is a solid oxide fuel cell (SOFC).
  • SOFC solid oxide fuel cell
  • the fuel cell stack 1 is formed by laminating a plurality of cells configured by sandwiching an electrolyte layer formed of a solid oxide such as ceramic between an anode electrode (fuel electrode) and a cathode electrode (air electrode).
  • An anode gas reformed by the fuel supply device 2 is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 1, and air containing oxygen as a cathode gas is supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 1 by the oxidant supply device 3. .
  • power is generated by reacting hydrogen contained in the anode gas and oxygen contained in the cathode gas, and the anode off-gas and cathode off-gas generated after the reaction are discharged to the atmosphere. .
  • An anode gas supply passage 22 and an anode gas discharge passage 29 constituting a passage through which anode gas flows are connected to the anode side manifold formed in the fuel cell stack 1, and a passage through which cathode gas flows is connected to the cathode side manifold.
  • a passage through which cathode gas flows is connected to the cathode side manifold.
  • the anode gas supply passage 22 is a route for supplying anode gas to the fuel cell stack 1
  • the anode gas discharge passage 29 is a route for introducing anode off gas from the fuel cell stack 1 into the exhaust combustor 40.
  • the cathode gas supply passage 33 is a route for supplying cathode gas to the fuel cell stack 1
  • the cathode gas discharge passage 39 is a route for introducing cathode offgas from the fuel cell stack 1 into the exhaust combustor 40.
  • the fuel supply device 2 includes a fuel tank 20, a pump 21, an anode gas supply passage 22, a fuel supply valve 23, an evaporator 24, a heat exchanger 25, and a reformer 26.
  • the fuel tank 20 stores liquid containing fuel.
  • reforming fuel made of a liquid obtained by mixing ethanol and water is stored.
  • a fuel amount sensor 62 is provided in the fuel tank 20. The fuel amount sensor 62 detects the remaining amount of reforming fuel stored in the fuel tank 20. The detection value of the fuel amount sensor 62 is output to the control unit 6.
  • the pump 21 sucks the reforming fuel and supplies the reforming fuel to the fuel supply device 2 at a constant pressure.
  • the anode gas supply passage 22 is a passage connecting the pump 21 and the fuel cell stack 1.
  • the anode gas supply passage 22 is provided with a fuel supply valve 23, an evaporator 24, a heat exchanger 25, and a reformer 26.
  • the fuel supply valve 23 supplies the reforming fuel supplied from the pump 21 to the injection nozzle and injects it from the injection nozzle to the evaporator 24.
  • the evaporator 24 vaporizes the reforming fuel using the heat of the exhaust gas exhausted from the exhaust combustor 40.
  • the heat exchanger 25 is supplied with heat from the exhaust combustor 40, and further heats the vaporized reforming fuel for reforming in the reformer 26.
  • the reformer 26 reforms the reforming fuel into an anode gas containing hydrogen by a catalytic reaction and supplies the reformed fuel to the anode electrode of the fuel cell stack 1.
  • steam reforming is performed to reform the fuel using steam, and in a situation where the steam necessary for steam reforming is insufficient, the fuel is burned using air instead of steam. Partial oxidation reforming is performed.
  • the oxidant supply device 3 includes a filter 30, an air intake passage 31, a compressor 32, a cathode gas supply passage 33, a cathode flow rate control valve 34, a heat exchanger 351 that constitutes a heating device, a diffusion combustor 352, and And a catalytic combustor 353.
  • the filter 30 removes foreign matter from the outside air and introduces the outside air into the fuel cell system 10.
  • the air suction passage 31 is a passage through which the air from which foreign matter has been removed by the filter 30 passes through the compressor 32.
  • One end of the air intake passage 31 is connected to the filter 30, and the other end is connected to the intake port of the compressor 32.
  • the compressor 32 is an actuator that supplies a cathode gas to the fuel cell stack 1.
  • the compressor 32 of this embodiment takes in outside air through the filter 30 and supplies air to the fuel cell stack 1 and the like.
  • a relief valve 36 is attached to the cathode gas supply passage 33.
  • the cathode gas supply passage 33 is opened to prevent the compressor 32 from being subjected to a certain load.
  • the cathode flow rate control valve 34 is a control valve that controls the flow rate of the cathode gas supplied to the fuel cell stack 1.
  • the cathode flow rate control valve 34 is configured by an electromagnetic valve.
  • the opening degree of the cathode flow rate control valve 34 can be changed in stages, and is controlled by the control unit 6.
  • the heat exchanger 351 uses the heat of the exhaust gas discharged from the exhaust combustor 40 to heat combustion gas air or cathode gas air.
  • the diffusion combustor 352 is supplied with the air heated by the heat exchanger 351 and the heating fuel supplied from the branch passage 222 and heated by the electric heater 242 when the fuel cell system 10 is started. Mix both. Then, a mixture of air and heating fuel is ignited by an ignition device attached to the diffusion combustor 352 to form a preheating burner for the catalytic combustor 353. After the start-up is completed, the air supplied from the heat exchanger 351 is supplied to the catalytic combustor 353.
  • the catalytic combustor 353 generates high-temperature combustion gas using a catalyst and a preheating burner when the fuel cell system 10 is started.
  • combustion gas air is supplied through the branch passage 331, and heating fuel is supplied from the branch passage 223, and both are mixed while in contact with the catalyst.
  • a large amount of combustion gas is produced
  • This combustion gas does not contain oxygen and is mainly composed of an inert gas.
  • the combustion gas is supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 1 to heat the fuel cell stack 1. After the start-up is completed, the generation of the combustion gas is completed, and the air that has passed through the heat exchanger 351 and the diffusion combustor 352 is supplied to the fuel cell stack 1 as a cathode gas.
  • the exhaust device 4 includes an anode gas discharge passage 29, a cathode gas discharge passage 39, an exhaust combustor 40, and an exhaust passage 41.
  • a shutoff valve 28 is attached to the anode gas discharge passage 29.
  • the shut-off valve 28 is closed when the fuel cell system 10 is stopped.
  • the exhaust combustor 40 mixes the anode off-gas and the cathode off-gas, and catalytically burns the mixed gas, thereby generating exhaust gas (post-combustion gas) mainly composed of carbon dioxide and water, and also heat generated by the catalytic combustion. This is transmitted to the heat exchanger 25.
  • the exhaust combustor 40 discharges exhaust gas to the exhaust passage 41.
  • the exhaust passage 41 is a passage for discharging exhaust gas from the exhaust combustor 40 to the outside air.
  • the exhaust passage 41 passes through the evaporator 24 and is connected to a muffler (not shown). As a result, the evaporator 24 is heated by the exhaust gas from the exhaust combustor 40.
  • the power conversion device 5 includes a DC-DC converter 51 that outputs the generated power of the fuel cell stack 1 from the fuel cell system 10 to at least one of the load device 8 and the battery 9.
  • the DC-DC converter 51 is a power converter that extracts generated power from the fuel cell stack 1.
  • the DC-DC converter 51 boosts the output voltage of the fuel cell stack 1 and supplies generated power to at least one of the drive motor 81 and the battery 9.
  • the fuel cell stack 1 is connected to the primary side terminal of the DC-DC converter 51, and the drive motor 81 and the battery 9 are connected to the secondary side terminal.
  • the fuel gas stack 1 in order to heat the fuel cell stack 1, is branched from the anode gas supply passage 22, and the fuel for heating is branched to each of the exhaust combustor 40, the diffusion combustor 352, and the catalyst combustor 353.
  • the passages 221, 222, and 223 and the branch passage 331 that branches from the cathode gas supply passage 33 and passes the air to the catalyst combustor 353 are provided.
  • the branch passages 221, 222, and 223 are provided with control valves 231, 232, and 233, respectively, and the branch passage 331 is provided with a control valve 341.
  • the control valve 341 supplies a constant amount of air to the catalytic combustor 353 when the fuel cell stack 1 is activated, and closes the branch passage 331 when the activation is completed.
  • Control valves 231, 232 and 233 open the branch passages 221, 222, and 223 when the fuel cell system 10 is started to flow the heating fuel, respectively, and close the branch passages 221, 222, and 223 when the start-up is completed.
  • the fuel supply valve 23 closes the anode gas supply passage 22 when the fuel cell system 10 is started up, but opens the anode gas supply passage 22 when the start-up is completed and distributes the reforming fuel.
  • the fuel for heating from the branch passage 221 is supplied to the exhaust combustor 40 when the fuel cell system 10 is started up by being heated by the electric heater 241 and mixed with the air that has passed through the fuel cell stack 1.
  • the exhaust combustor 40 generates heat due to the catalytic reaction.
  • the reforming fuel heated by the heat exchanger 25 is supplied to the reformer 26, so the temperature of the anode gas reformed by the reformer 26 rises and the fuel cell stack 1 is warmed. .
  • the control unit 6 includes a general-purpose electronic circuit including a microcomputer, a microprocessor, and a CPU and peripheral devices, and executes a process for controlling the fuel cell system 10 by executing a specific program.
  • the control unit 6 receives output signals from various sensors such as the charge amount sensor 61 and the fuel amount sensor 62, and in response to these received signals, the fuel supply device 2, the oxidant supply device 3, the exhaust device 4 and the power. The operating state of the conversion device 5 is controlled.
  • the control unit 6 is connected to an operation unit 101 that outputs a start command signal or a stop command signal for the fuel cell system 10 to the control unit 6.
  • the operation unit 101 includes an EV (Electric Vehicle) key (not shown), and outputs a start command signal to the control unit 6 when the EV key is turned on by a passenger, and a stop command when the EV key is turned off. The signal is output to the control unit 6.
  • EV Electric Vehicle
  • control unit 6 When receiving a start command signal from the operation unit 101, the control unit 6 executes start control for starting the fuel cell system 10. After the start control is completed, the control unit 6 controls the fuel cell stack 1 according to the state of charge of the battery 9. Implement power generation operation to generate electricity.
  • the control unit 6 supplies the anode gas and the cathode gas to the fuel cell stack 1 to generate power in the fuel cell stack 1 and uses the generated power. Supply to the load device 8 or the battery 9.
  • the control unit 6 temporarily stops the power generation of the fuel cell stack 1.
  • control unit when the control unit receives a stop command signal from the operation unit 101, the control unit executes stop control for stopping the operation of the fuel cell system 10.
  • FIG. 2 is a flowchart showing an example of a processing procedure regarding start-up control of the fuel cell system 10 in the present embodiment.
  • step S900 the control unit 6 executes a power generation control process for determining a switching timing for switching the operating state of the fuel cell stack 1.
  • the switching timing of the fuel cell stack 1 includes a power generation timing for starting the fuel cell stack 1 from a stopped state to generate power, a power increase timing for increasing the power generated by the fuel cell stack 1, and a stop for stopping power generation for the fuel cell stack 1. Timing and so on.
  • control unit 6 sets an FC start threshold that defines the start timing of the fuel cell stack 1 and an FC stop threshold that defines a stop timing for stopping the power generation of the fuel cell stack 1.
  • FC start threshold that defines the start timing of the fuel cell stack 1
  • FC stop threshold that defines a stop timing for stopping the power generation of the fuel cell stack 1.
  • step S100 the control unit 6 determines whether or not the charge amount of the battery 9 is equal to or less than the FC activation threshold value.
  • the control unit 6 waits for the activation of the fuel cell stack 1 until the charge amount of the battery 9 reaches the FC activation threshold value.
  • the control unit 6 proceeds to the process of step S101.
  • step S101 when the charge amount of the battery 9 decreases to the FC activation threshold value, the control unit 6 activates the compressor 32 and opens the cathode flow rate control valve 34, the control valve 341, and the control valve 342 at a certain opening degree. Thereby, air (combustion gas) is supplied to the diffusion combustor 352 and the catalytic combustor 353.
  • step S102 the control unit 6 activates the pump 21 and the diffusion combustor 352 (ignition device) and opens the control valves 231 to 233.
  • the heating fuel is supplied to each of the diffusion combustor 352, the catalytic combustor 353, and the exhaust combustor 40.
  • a preheating burner is formed in the diffusion combustor 352, combustion gas is generated in the catalytic combustor 353 using this preheating burner, and the combustion gas passes through the fuel cell stack 1 to heat the fuel cell stack 1. .
  • the combustion gas that has passed through the fuel cell stack 1 reaches the exhaust combustor 40, and the exhaust combustor 40 is heated and the heat exchanger 25 is heated by catalytic combustion with the heating fuel.
  • the evaporator 24 and the heat exchanger 351 are heated by the exhaust gas from the exhaust combustor 40.
  • step S103 the control unit 6 determines whether or not the temperature of the fuel cell stack 1 has reached the operating temperature necessary for power generation.
  • the control unit 6 determines whether or not the temperature of the fuel cell stack 1 has reached the operating temperature necessary for power generation.
  • a method for determining the temperature of the fuel cell stack for example, if the temperature of the combustion gas detected by the temperature sensor exceeds a certain value, it may be determined that the fuel cell stack 1 has reached the operating temperature.
  • the evaporator 24, the heat exchanger 25, and the reformer 26 are originally required to determine whether they have reached an appropriate temperature for satisfactorily reforming the reforming fuel. It is not necessary when the time for reaching the appropriate temperature is shorter than the time for the temperature of the fuel cell stack 1 to reach the operating temperature.
  • step S104 when the control unit 6 determines that the temperature of the fuel cell stack 1 has reached the operating temperature, the control unit 6 stops the diffusion combustor 352, closes each of the control valves 231, 232, 233, and 341, The fuel supply valve 23 is opened.
  • the reforming fuel stored in the fuel tank 20 becomes the anode gas through the evaporator 24, the heat exchanger 25, and the reformer 26, and this anode gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 1. .
  • air is continuously supplied from the cathode flow rate control valve 34, and the air is heated by the heat exchanger 351 and supplied to the fuel cell stack 1 as cathode gas. Then, power generation is started by starting an electrochemical reaction by the anode gas and the cathode gas in the fuel cell stack 1, and a series of processing procedures relating to the startup control of the present embodiment is completed.
  • the reforming fuel supplied from the fuel tank 20 is vaporized by the evaporator 24, and the vaporized reforming fuel is heated by the heat exchanger 25.
  • the heated reforming fuel is reformed into anode gas in the reformer 26, and this anode gas is supplied to the anode electrode of the fuel cell stack 1.
  • the air as the cathode gas is heated by the heat exchanger 351, passes through the diffusion combustor 352 and the catalytic combustor 353, and is supplied to the cathode electrode of the fuel cell stack 1.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an example of the power generation control process executed in step S900 in the present embodiment.
  • step S901 the control unit 6 acquires the amount of charge of the battery 9.
  • the control unit 6 acquires the battery SOC from the charge amount sensor 61.
  • a voltage sensor that detects its own voltage may be arranged in the battery 9, and the control unit 6 may calculate the battery SOC or the charge amount according to a predetermined map, an arithmetic expression, or the like based on the detection value of the voltage sensor.
  • step S902 the control unit 6 acquires the remaining amount of fuel that can be supplied to the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 of the present embodiment acquires the remaining amount of reforming fuel from the fuel amount sensor 62 as the remaining amount of fuel in the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 may calculate the remaining amount of fuel by integrating the power generation amount of the fuel cell stack 1 and the fuel injection amount of the fuel supply valve 23 with time.
  • step S903 the control unit 6 sets the FC activation threshold related to the battery SOC to a smaller value when the remaining amount of fuel is smaller than when the remaining amount of fuel is large.
  • the FC activation threshold is set so that the amount of charge of the battery 9 is not deficient when the required power required by the drive motor 81 increases rapidly, due to insufficient power generation due to the response delay of the fuel cell stack 1. It is set in consideration of the startup time of the system 10.
  • the battery SOC has the FC start threshold value.
  • the number of crossings can be reduced. For this reason, it is possible to reduce the consumption of the heating fuel accompanying the activation of the fuel cell stack 1 during the operation of the fuel cell system 10.
  • the fuel cell stack 1 is started when the possibility that the output (charge amount) of the battery 9 is insufficient increases.
  • the battery 9 can be charged with the generated power accurately. Therefore, it is possible to suppress the deterioration of the fuel consumption of the fuel cell system 10 while securing the output of the battery 9.
  • the control unit 6 may change the FC activation threshold to a smaller value as the remaining amount of fuel decreases.
  • the FC start threshold value increases as the remaining amount of fuel increases, so that the amount of charge of the battery 9 becomes insufficient when a large amount of fuel remains and the required power of the drive motor 81 cannot be obtained. It can be avoided.
  • the FC activation threshold decreases as the remaining amount of fuel decreases, so that it is possible to suppress the consumption of fuel that does not contribute to the power generation of the fuel cell stack 1.
  • the fuel cell stack 1 is promoted to consume fuel prior to consumption of the charge amount of the battery 9, and the fuel cell A reduction in fuel consumption of the system 10 can be suppressed.
  • control unit 6 sets the FC start threshold value to, for example, zero and sets the fuel cell stack 1 Activation may be prohibited. Thereby, useless start-up of the fuel cell stack 1 that does not contribute to charging of the battery 9 can be suppressed.
  • control unit 6 sets the target generated power that is the target value of the generated power of the fuel cell stack 1 to a predetermined power value in order to avoid the lack of the charge amount of the battery 9.
  • the predetermined power value may be obtained in advance by an experiment or the like, or may be changed to a large value according to a rapid increase in the required power of the drive motor 81.
  • step S903 the process returns to the process procedure shown in FIG. 2 and proceeds to the process of step S100.
  • the battery SOC becomes equal to or less than the FC activation threshold, the activation control of the fuel cell system 10 is executed.
  • the control method of the fuel cell system 10 includes the charge amount acquisition step S901 for acquiring the charge amount of the battery 9, and the charge amount of the battery 9 equal to the FC activation threshold ( Power generation control steps S100 to S103 for starting the fuel cell stack 1 from the stop state when the predetermined value) is reached.
  • the fuel cell system 10 supplies an anode gas containing fuel and a cathode gas containing an oxidant to the fuel cell stack 1 to generate power in the fuel cell stack 1, and outputs the generated power to the battery 9.
  • the fuel amount acquisition step S902 for acquiring the remaining amount of fuel that can be supplied to the fuel cell stack 1 is more effective than when the remaining amount of fuel is large.
  • FC start threshold when the remaining amount of fuel is reduced, the number of times the fuel cell stack 1 is started as the battery 9 is repeatedly charged and discharged is reduced, which contributes to power generation of the fuel cell stack 1. It is possible to reduce the amount of heating fuel consumed. Further, only when the possibility that the charge amount of the battery 9 is deficient becomes high, the fuel cell stack 1 is started and the generated power of the fuel cell stack 1 is charged into the battery 9. It can suppress that charge amount is deficient.
  • the manufacturing cost of the fuel cell stack 1 increases and the layout performance deteriorates. . Therefore, as in the present embodiment, by reducing the FC start threshold when the remaining amount of fuel is reduced, the fuel cell stack is prevented from deteriorating fuel efficiency while ensuring the output of the battery 9, and the fuel cell stack. It is possible to suppress an increase in manufacturing cost and layout of 1.
  • FIG. 4 is a flowchart showing an example of the power generation control process in the second embodiment of the present invention. Since the configuration of the fuel cell system of the present embodiment is the same as that shown in FIG. 1, the same components will be described below with the same reference numerals.
  • step S911 the control unit 6 acquires the battery SOC from the charge amount sensor 61.
  • step S912 the control unit 6 acquires the remaining amount of fuel from the fuel amount sensor 62, and estimates the remaining amount H rest of hydrogen according to a predetermined arithmetic expression based on the remaining amount of fuel. That is, the control unit 6 acquires the remaining amount of hydrogen H rest as the remaining amount of fuel that can be supplied to the fuel cell stack 1.
  • step S ⁇ b> 913 the control unit 6 acquires vehicle power consumption indicating the power consumption value of the load device 8.
  • the control unit 6 records the acquired vehicle power consumption value in history information indicating the vehicle power consumption acquired in the past in time series, and calculates the travel load history P_vehicle using the history information. Since the vehicle power consumption includes the required power (or actual power consumption) of the drive motor 81, the vehicle power consumption increases as the amount of depression of the accelerator pedal increases.
  • the control part 6 of this embodiment calculates the moving average value of the some vehicle power consumption acquired in the predetermined period as driving
  • the travel load history P_vehicle is not limited to the moving average value, and may be a median value, a mode value, a maximum value, or the like related to a plurality of vehicle power consumption acquired during a predetermined period. A value obtained by correcting the representative value according to the above may be used.
  • step S ⁇ b> 914 the control unit 6 calculates the battery discharge amount S_startup during the FC startup period indicating the amount of power discharged from the battery 9 during the startup period T_startup of the fuel cell stack 1.
  • the battery discharge amount S_startup during the FC start-up period here indicates the ratio of the discharge power amount during the FC start-up period to the rated capacity of the battery 9, and is expressed as a percentage.
  • the battery discharge amount S_startup during the FC startup period is obtained by adding the power consumption of the FC auxiliary machine, which is an auxiliary machine of the fuel cell stack 1, to the vehicle power consumption to obtain the discharge power of the battery 9, and using this discharge power for the FC startup period T It can be calculated by multiplying _startup .
  • the control unit 6 calculates the battery discharge amount S _Startup of FC startup period.
  • the FC auxiliary power P_fm is power consumed by the auxiliary equipment of the fuel cell stack 1, and examples of the FC auxiliary equipment include the pump 21, the compressor 32, and the control valves 231 to 233, 341, and 342.
  • the amount of power W that is discharged to the FC start period T _Startup from the battery 9 [kWh] is be expressed by multiplying the battery discharge amount S _Startup of FC start period rated capacity X _Batt of the battery 9 it can. Then, the power amount W to be discharged to the FC start period T _Startup from the battery 9 [kWh] is obtained by multiplying the FC starting period T _Startup the total power consumption of the load connected to the battery 9 (P _vehicle + P _fm) This is obtained by adding the charge / discharge efficiency E_batt of the battery 9 to the power consumption.
  • the rated capacity X_batt of the battery 9 is an upper limit value of the amount of power that can be charged in the battery 9.
  • the total power consumption ( P_vehicle + P_fm ) of the load connected to the battery 9 is the sum of the traveling load history P_vehicle and the FC auxiliary machine power P_fm .
  • the charge / discharge efficiency E_batt of the battery 9 takes into account the power loss due to the internal resistance of the battery 9, and is expressed as a percentage.
  • the FC startup period T_startup is a value obtained by experiments or the like, and its unit is seconds.
  • the battery discharge amount S_startup during the FC startup period can be derived as in Equation (1).
  • the charge amount of the battery 9 can be inhibited from depletion during startup of the fuel cell stack 1 Is possible.
  • step S915 the control unit 6 calculates the FC rated power generation period T_rate , which is the power generation period by the rated power generation of the fuel cell stack 1, based on the remaining fuel amount H rest of the fuel cell stack 1, as shown in the following equation (2). calculate.
  • the power amount W of the fuel cell stack 1 to the FC rated generating period T _Rate can power at rated power P _rate [kWh] is heat generation of the fuel to the fuel quantity after startup (H rest -H startup) It is obtained by adding the power generation efficiency E_rate of the fuel cell stack 1 to the power generation amount obtained by multiplying the amount (120,000).
  • the remaining fuel amount after startup (H rest -H startup ) is obtained by subtracting the heating fuel consumption amount H startup required for starting the fuel cell stack 1 from the remaining fuel amount H rest .
  • the consumption amount H startup of the heating fuel is a value obtained by experiments or the like.
  • the power generation efficiency E_rate of the fuel cell stack 1 is the power generation efficiency when the fuel cell stack 1 generates power at the rated power P_rate .
  • the unit of the FC rated power generation period T_rate is seconds.
  • FC rated power generation period T_rate can be derived as in Equation (2).
  • the discharge power ( P_vehicle- P_rate ) of the battery 9 during the FC rated power generation period T_rate is obtained by subtracting the rated power P_rate of the fuel cell stack 1 that assists the battery 9 from the traveling load history P_vehicle .
  • the battery discharge amount S_assist during the FC rated power generation period can be derived as in Equation (3).
  • step S917 the control unit 6 sets an offset value SOC_offset in order to suppress deficiency of the charge amount of the battery 9 in a state where the fuel of the fuel cell stack 1 remains.
  • the offset value SOC_offset indicates the value of the battery SOC that should ensure the output of the battery 9 when all of the remaining fuel is consumed. A method for setting the offset value SOC_offset will be described later with reference to FIGS. 9 and 10.
  • step S918 the control unit 6 calculates an FC activation threshold that defines the activation timing of the fuel cell stack 1.
  • the FC start threshold is set so that the amount of charge of the battery 9 is not deficient before all the fuel in the fuel tank 20 is consumed.
  • Control unit 6 of this embodiment as shown in the following equation (4), by using the offset value SOC _offset, the battery discharge amount S _Assist of FC rated generating period, and a battery discharge amount S _Startup of FC startup period
  • the FC start threshold SOC_rate is calculated.
  • FC start threshold SOC _Rate since FC starting period of battery discharge amount S _Startup FC start threshold SOC _Rate by considering are largely corrected, the charge amount of the battery 9 during the startup of the fuel cell stack 1 The situation of deficiency can be avoided.
  • the battery discharge amount S_assist during the FC rated power generation period decreases as the remaining fuel amount H rest decreases. Therefore , as the remaining fuel amount H rest decreases, the equation increases.
  • the FC start threshold value SOC_rate in (4) becomes smaller. That is, activation of the fuel cell stack 1 as the fuel quantity H rest is reduced is suppressed, the activation timing of the more fuel quantity H rest fuel cell stack 1 is advanced.
  • the FC stop threshold value SOC_reg in the equation (4) is a battery SOC that defines the stop timing of the fuel cell stack 1.
  • the FC stop threshold value SOC_reg is a value obtained by experiments or the like, and is set to a value larger than the FC start threshold value SOC_rate .
  • hysteresis is provided in the FC stop threshold SOC_reg and the FC start threshold SOC_rate , so that the operation at the start and stop of the fuel cell stack 1 can be stabilized.
  • step S919 when the control unit 6 determines that the battery SOC has reached the FC start threshold SOC_rate , the control unit 6 sets the target generated power of the fuel cell stack 1 to the rated power value P_rate , and the power generation control according to the present embodiment. A series of processing procedures related to the processing is terminated. Thereafter, in order to execute the startup control of the fuel cell system 10, the control unit 6 returns to the processing procedure shown in FIG. 2 and proceeds to the processing of step S100.
  • control unit 6 activates the diffusion combustor 352 and the catalytic combustor 353 to raise the temperature of the fuel cell stack 1 to the operating temperature necessary for the rated power generation, and then the cathode gas necessary for the rated power generation. And each flow rate of the anode gas is supplied to the fuel cell stack 1.
  • FC start threshold SOC _Rate is set to a value larger than at least the offset value SOC _offset, fuel quantity H rest is set as a large value large.
  • the FC activation threshold SOC_rate is set to a smaller value as the remaining fuel amount H rest decreases in a range where the battery SOC at the time when all the remaining fuel amount H rest is consumed does not become smaller than the offset value SOC_offset. . Thereby, the number of activations of the fuel cell stack 1 can be reduced while securing the charge amount of the battery 9.
  • FC activation threshold SOC_rate is set to a larger value as the traveling load history P_vehicle increases.
  • FIG. 5 is a diagram showing a setting method for setting the generated power of the fuel cell stack 1 in the present embodiment.
  • the horizontal axis represents the battery SOC
  • the vertical axis represents the target output power of the fuel cell system 10.
  • the target output power of the fuel cell system 10 is a target value of the generated power of the fuel cell stack 1 to be output from the fuel cell system 10 to at least one of the drive motor 81 and the battery 9.
  • Control unit 6 as described in step S917 in FIG. 4, to set the offset value SOC _offset, battery discharge amount of the battery discharge amount S _Assist and FC start period FC rated generating period based on the running load history P _vehicle S Calculate _startup . Then, in FIG. 5, since the SOC _offset, a value which is the sum of S _Assist and S _Startup is smaller than the FC stop threshold value SOC _reg, control unit 6 sets the sum as FC activation threshold value SOC _rate. As a result, when the battery SOC decreases to the FC activation threshold value SOC_rate , the control unit 6 can activate the fuel cell stack 1 to generate electric power.
  • the fuel cell stack 1 is maintained in the stopped state.
  • the FC start threshold SOC_rate the FC start threshold SOC_rate .
  • the generated power of the fuel cell stack 1 is zero only by starting FC auxiliary machines such as the pump 21 and the compressor 32. For this reason, the total power consumption obtained by adding the power consumption of the FC auxiliary machine to the vehicle power consumption is covered only by the battery 9.
  • the target output power of the fuel cell system 10 is set to the rated power value P_rate of the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 activates the diffusion combustor 352, the catalytic combustor 353, the exhaust combustor 40, and the like so that the fuel cell stack 1 rises to a temperature range in which rated power generation is possible.
  • the control unit 6 drives the fuel supply valve 23 and the compressor 32 so that the anode gas flow rate and the cathode gas flow rate necessary for the rated power generation are supplied to the fuel cell stack 1.
  • the target output power of the fuel cell system 10 is set to the rated power P_rate of the fuel cell stack 1 in order to assist the power supply to the drive motor 81 and the like by the battery 9.
  • the control unit 6 adjusts the temperature, anode gas supply amount, and cathode gas supply amount of the fuel cell stack 1 so that the fuel cell stack 1 can generate power at the rated power P_rate .
  • the traveling load history P _Vehicle after startup of the fuel cell stack 1 is decreased, when the remaining fuel quantity H rest is exhausted, the battery SOC is greater than the offset value SOC _offset.
  • the running load history P_vehicle becomes zero, all of the power generated by the fuel cell stack 1 is charged in the battery 9, and the battery SOC increases.
  • the control unit 6 stops the power generation of the fuel cell stack 1. Thereby, useless power generation of the fuel cell stack 1 can be suppressed.
  • the offset value SOC _offset like the battery 9 when the traveling load history P _Vehicle is the fuel remaining amount is exhausted even when increased does not become over-discharge, is predetermined.
  • FC start threshold SOC_rate that defines the start timing of the fuel cell stack 1
  • the FC start threshold SOC_rate that defines the start timing of the fuel cell stack 1
  • the FC start threshold SOC_rate that defines the start timing of the fuel cell stack 1
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the relationship between the travel load history P_vehicle and the FC activation threshold SOC_rate .
  • the controller 6 starts FC in order to advance the timing for assisting the power supply from the battery 9 to the drive motor 81 as the traveling load history P_vehicle increases with respect to the rated power P_rate of the fuel cell stack 1. Increase the threshold SOC_rate .
  • FC start threshold SOC_rate increases as the power consumption of the drive motor 81 increases, the start timing of the fuel cell stack 1 is advanced, and the amount of charge of the battery 9 is insufficient during the power generation of the fuel cell stack 1. The situation can be avoided.
  • FIG. 7 is a time chart illustrating the change in the output of the fuel cell system 10 accompanying the change in the battery SOC in the present embodiment.
  • the activation control of the fuel cell stack 1 is started.
  • the fuel cell system 10 requires FC auxiliary power P_fm to drive the pump 21 and the compressor 32.
  • the rate of decrease of the battery SOC increases during the FC startup period T_startup , and the battery SOC decreases by the battery discharge amount S_startup during the FC startup period.
  • the remaining amount of fuel stored in the fuel tank 20 is exhausted, the power generation of the fuel cell stack 1 is stopped, and the battery SOC is secured by the offset value SOC_offset . For this reason, it is possible to avoid that the power of the battery 9 becomes insufficient during power generation of the fuel cell stack 1 and the output of the drive motor 81 is reduced or the battery 9 is overdischarged.
  • the charge amount of the battery 9 is appropriately offset at the time point t3 when all the remaining fuel in the fuel cell stack 1 is consumed. Only the value SOC_offset can be secured. Moreover, by generating the fuel cell stack 1 with the rated power P_rate , it is possible to suppress the decrease in the charge amount of the battery 9 while promoting the fuel consumption of the fuel cell stack 1.
  • FIG. 8 is a time chart when the power generation operation of the fuel cell stack 1 is performed in accordance with the battery SOC after the start-up of the fuel cell system 10 is completed.
  • FC start threshold SOC_rate after the start of the fuel cell stack 1 is completed, that is, after the temperature of the fuel cell stack 1 rises to an operating temperature at which rated power generation is possible.
  • An embodiment is assumed. In this embodiment, since it is not necessary to use heating fuel, the battery discharge amount S_startup during the FC startup period is set to 0 (zero).
  • a change in the battery SOC is indicated by a solid line, and a change in the remaining fuel amount H rest is indicated by a broken line.
  • the fuel cell stack 1 starts generating power at the rated power P_rate .
  • the remaining fuel amount H rest gradually decreases with time.
  • the execution control of the fuel cell stack 1 is omitted.
  • the remaining fuel amount H rest becomes 0 and the power generation of the fuel cell stack 1 stops.
  • the battery SOC is secured by the offset value SOC_offset . For this reason, during power generation of the fuel cell stack 1, it is possible to avoid a situation in which the battery SOC is insufficient and the power supplied to the drive motor 81 decreases sharply.
  • the generated power of the fuel cell stack 1 is greatly increased from 0 to the rated power. That is, when the ratio of the remaining fuel amount H rest to the battery SOC increases, the generated power of the fuel cell stack 1 is increased stepwise so that the ratio decreases, thereby reducing the remaining fuel amount H rest .
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an example of a setting method for setting the offset value SOC_offset for securing the output of the battery 9.
  • the horizontal axis indicates the battery margin Margin indicating the difference between the travel load history P_vehicle and the upper limit output that is the upper limit value of the output power of the battery 9, and the vertical axis indicates the offset value SOC_offset .
  • Control unit 6 of this embodiment is the same as the interval from first margin m1 to the second margin m2, depending on the size of the battery margin Margin, the offset value SOC _offset from the lower limit value SOC _Offset_L to the upper limit SOC _Offset_H Change in range.
  • the first margin m1 is traveling load history P _Vehicle is a battery margin when increased to a vehicle power rating P _vehicle_rate.
  • the vehicle rated power P_vehicle_rate is the vehicle power consumption when the power consumption of the load device 8 is maximized.
  • the second margin m2 is a value obtained by experiments or the like, and is set to, for example, the battery margin when the traveling load history P_vehicle becomes a value obtained by multiplying the vehicle rated power by the coefficient “0.7”.
  • the control unit 6 makes the FC activation threshold SOC_rate smaller than when the battery margin Margin is small. Therefore, while ensuring the charge amount of the battery 9, the opportunity of the rated power generation of the fuel cell stack 1 can be reduced, and the fuel efficiency can be improved.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram showing an example of a calculation method for calculating the battery margin Margin shown in FIG.
  • FIG. 10 (a) is an output characteristic diagram showing the relationship between the battery upper limit output and the battery SOC.
  • FIG. 10B is an explanatory diagram showing a method for calculating the first margin m1.
  • the first margin m1 is set to a value obtained by subtracting the vehicle rated power from the battery upper limit output when the battery SOC becomes the offset value SOC_offset .
  • the battery margin Mragin shown in FIG. 9, the battery SOC is calculated by subtracting the travel load history P _Vehicle from the battery limit the output when it becomes the offset value SOC _offset.
  • the lower limit value SOC_offset_L of the offset value shown in FIG. 9 is determined in consideration of the output characteristics of the battery 9 and the like. It is done.
  • control unit 6 calculates the battery margin Margin in consideration of the output characteristics of the battery 9, and decreases the offset value SOC_offset as the battery margin Margin increases. As a result, it is possible to prevent the remaining amount of fuel Hrest from being consumed unnecessarily by performing power generation of the fuel cell stack 1 even though the battery SOC is sufficiently large. Therefore, the fuel consumption of the fuel cell stack 1 can be improved.
  • the battery SOC has set the target generated power of the fuel cell stack 1 to the rated power P _Rate when lowered to FC start threshold SOC _Rate, set to a predetermined power smaller than the rated power P _Rate You may do it. Even in such a case, the amount of charge of the battery 9 can be secured after the remaining amount of fuel is consumed.
  • the control unit 6 determines that the remaining fuel amount H rest is The FC start threshold SOC_rate is changed to a smaller value as the number decreases.
  • the control unit 6 performs a fuel cell operation when the battery SOC is smaller than when the battery SOC is large.
  • the target generated power of the stack 1 is set higher from 0 to a predetermined power value. As a result, it is possible to suppress a situation in which the amount of charge of the battery 9 is insufficient while the fuel in the fuel cell stack 1 remains.
  • the predetermined power value set as the target generated power is preferably set to the rated power value P_rate of the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 when the battery SOC becomes equal to or less than the FC start threshold SOC_rate , the control unit 6 reduces the ratio of the remaining fuel amount H rest to the battery SOC. In order to achieve this, the target generated power of the fuel cell stack 1 is increased stepwise.
  • the remaining fuel amount H rest of the fuel cell stack 1 is reduced in preference to the charged amount of the battery 9, so that the situation where the charged amount of the battery 9 is insufficient when the fuel remains is suppressed. Can do.
  • the control unit 6 stops the power generation of the fuel cell stack 1 when the battery SOC becomes larger than a specific FC stop threshold SOC_reg. . Then, the control unit 6 sets the FC stop threshold value SOC_reg to a value larger than the FC start threshold value SOC_rate .
  • the number of times of stopping the power generation of the fuel cell stack 1 can be reduced, the number of times of starting the fuel cell stack 1 can be reduced accordingly. For this reason, since consumption of the fuel for heating which does not contribute to charge of the battery 9 can be suppressed, the fuel consumption of the fuel cell system 10 can be improved. Further, since hysteresis is provided as shown in FIG. 5, it is difficult for the fuel cell stack 1 to be repeatedly started and stopped, so that the operation of the fuel cell stack 1 can be stabilized.
  • the control unit 6 calculates a travel load history P_vehicle indicating a fluctuation history of the power consumed by the load device 8 in step S913.
  • the control unit 6 calculates the FC activation threshold value SOC_rate in step S918 using these calculation results.
  • control unit 6 corrects the FC activation threshold SOC_rate according to the change history of the load device 8 connected to the battery 9.
  • the start-up timing of the fuel cell stack 1 is advanced in accordance with the amount of increase in the discharge power from the battery 9 to the load device 8, so that the fuel consumption of the fuel cell stack 1 is promoted and the amount of charge of the battery 9 is insufficient. This can be avoided more reliably.
  • control unit 6 increases the FC activation threshold SOC_rate as the traveling load history P_vehicle indicating the moving average value of the power consumption of the load device 8 increases.
  • the starting timing of the fuel cell stack 1 is advanced as the traveling load history P_vehicle becomes larger, it is possible to reduce the remaining amount of fuel and suppress the decrease in the charge amount of the battery 9. Further, by using the moving average value of the power consumption of the load device 8, it is possible to avoid the FC start threshold SOC_rate from fluctuating frequently as the power consumption of the load device fluctuates in a short time. Therefore, it is possible to suppress the situation where the fuel cell stack 1 is repeatedly started and stopped.
  • control unit 6 consumes the heating fuel supplied to the diffusion combustor 352, the catalytic combustor 353, and the exhaust combustor 40 during the start-up period of the fuel cell stack 1 in step S915.
  • the FC rated power generation period T_rate is calculated using H startup .
  • the control unit 6 calculates the battery discharge amount S _Assist of FC rated generating period T _Rate at step S916, calculates the FC start threshold SOC _Rate in step S918 by using the calculation result.
  • control unit 6 corrects the FC start threshold SOC_rate to be small by using the heating fuel consumption H startup necessary for starting the fuel cell stack 1. As a result, the start timing of the fuel cell stack 1 is delayed, or the start of the fuel cell stack 1 is further suppressed, so that the start of the fuel cell stack 1 that does not contribute to the charging of the battery 9 can be suppressed.
  • the control unit 6, the fuel cell stack 1 based on the fuel quantity H rest is sought FC rated generating period T _Rate to power at rated power P _Rate in step S915, FC rated at step S916
  • the battery discharge amount S_assist is calculated according to the power consumption of the load device 8.
  • the fuel cell stack 1 is generated with the rated power, the power supply from the battery 9 to the load device 8 is maximally assisted even when the vehicle power consumption rapidly increases. Can be suppressed. Further, by adding the offset value SOC _offset the FC start threshold SOC _Rate, since the start timing of the fuel cell stack 1 is accelerated, it is possible to more reliably ensure the output of the battery 9 while facilitating fuel consumption .
  • control unit 6 reduces the offset value SOC_offset to a smaller value as the battery margin Margin indicating the difference between the battery upper limit power and the vehicle power consumption increases. Set.
  • the offset value SOC_offset when there is a margin in the output of the battery 9, the charge amount of the battery 9 is less likely to be deficient. Therefore, by reducing the offset value SOC_offset , the timing for starting the power generation of the fuel cell stack 1 can be accelerated more than necessary. Can be suppressed. Therefore, inefficient fuel consumption in the fuel cell stack 1 is suppressed, and the fuel efficiency of the fuel cell system 10 can be improved.
  • FIG. 11 is an explanatory diagram showing the relationship between the target output power of the fuel cell system 10 and the charge amount of the battery 9 in the third embodiment of the present invention.
  • two driving sections are set for battery protection driving and fuel consumption priority driving.
  • Battery protection operation section is the same section as the operation interval of the fuel cell stack 1 from the lower limit value of the battery SOC shown in Figure 5 until the threshold SOC_ rate.
  • the control unit 6 sets the generated power of the fuel cell stack 1 to the rated power P_rate in order to give priority to securing the charge amount of the battery 9. Note that in order to generate power at the rated power P_rate , the fuel cell stack 1 needs to maintain the temperature of the fuel cell stack 1 at the upper limit within the temperature range in which power generation is possible.
  • Fuel economy priority operation section S _Fit is set to a high battery SOC region than the operation switching threshold SOC_ rate which is the lower limit of the battery protection operation interval.
  • the control unit 6 sets the target generated power of the fuel cell stack 1 to a high efficiency power value P_eco lower than the rated power value P_rate in order to improve the fuel efficiency of the fuel cell stack 1.
  • the high-efficiency power value P_eco is set to a power value with the highest energy efficiency of the fuel cell stack 1 in a state where the temperature of the fuel cell stack 1 is maintained at the lower limit side of the temperature range in which power generation is possible.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram regarding the energy efficiency of the battery protection operation and the fuel efficiency priority operation.
  • the horizontal axis indicates the generated power of the fuel cell stack 1
  • the vertical axis indicates the energy efficiency of the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 maintains the temperature of the fuel cell stack 1 at the lower limit temperature of the temperature range in which power generation is possible, for example, 650 ° C., and the high efficiency power value at which the energy efficiency of the fuel cell stack 1 is highest
  • the fuel cell stack 1 is caused to generate power so as to be P_eco . That is, the control unit 6 supplies each flow rate of the anode gas and the cathode gas necessary for power generation with the high efficiency power value P_eco to the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 operates the DC-DC converter 51 to increase the voltage of the fuel cell stack 1 to a voltage value at which the electric power extracted from the fuel cell stack 1 to the battery 9 becomes the high efficiency electric power value P_eco .
  • the control unit 6 maintains the temperature of the fuel cell stack 1 at the upper limit temperature of the temperature range in which power generation is possible, for example, 750 ° C., and the generated power corresponds to the lower limit voltage of the fuel cell stack 1.
  • the fuel cell stack 1 is caused to generate power so as to have a value P_rate . That is, the control unit 6 supplies each flow rate of the anode gas and the cathode gas necessary for generating power at the rated power value P_rate to the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 operates the DC-DC converter 51 to lower the voltage of the fuel cell stack 1 to a voltage value at which the power taken from the fuel cell stack 1 to the battery 9 becomes the rated power value P_rate .
  • the control unit 6 reduces the temperature of the fuel cell stack 1 within the temperature range in which the power generation of the fuel cell stack 1 is possible and generates power generated by the fuel cell stack 1. Set low.
  • the temperature of the fuel cell stack 1 is increased using the heating fuel within the temperature range in which the fuel cell stack 1 can generate power, and the power generation of the fuel cell stack 1 is performed. Set the power higher.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram illustrating an example of a setting method for setting the fuel efficiency priority operation section S_fit .
  • the horizontal axis indicates the travel load history P_vehicle
  • the vertical axis indicates the fuel consumption priority driving section S_fit .
  • control unit 6 the fuel consumption priority operation section S _Fit, from the lower limit value S _Fit_L in accordance with the size of the travel load history P _Vehicle Change in the range up to the upper limit S_fit_H .
  • the control unit 6 increases the fuel efficiency priority operation section S_fit compared to when the vehicle power consumption is small. Therefore, since the power generation efficiency of the fuel cell stack 1 is improved, the amount of charge from the fuel cell stack 1 to the battery 9 is increased, and the fuel efficiency of the fuel cell system 10 can be improved.
  • FIG. 14 is a flowchart showing an example of the power generation control process executed in step S900 in the present embodiment.
  • the power generation control process of the present embodiment includes processes of steps S934, S935, S937 to S942 instead of the processes of steps S914, S915, S917 to S920 shown in FIG.
  • the other processes are the same as the processes shown in FIG.
  • step S934 the control unit 6 calculates the battery discharge amount S_startup during the FC startup period according to the equation (1), similarly to the process of step S914.
  • the FC start-up period T_startup of the present embodiment includes a start-up period required to make a transition from the stop state of the fuel cell stack 1 to a fuel-efficient priority operation, and a warm-up period required to make a transition from the fuel-efficient priority operation to the battery protection operation Is the value obtained by integrating Specifically, the start-up period is the time required to raise the temperature of the fuel cell stack 1 to the temperature required for the implementation of the fuel efficiency priority operation, and the warm-up period is the temperature of the fuel cell stack 1 during the fuel efficiency priority operation. This is the time required to increase from the temperature state to the temperature required for carrying out the battery protection operation.
  • step S935 the control unit 6 calculates the FC rated power generation period T_rate according to the equation (2), similarly to the processing in step 915.
  • the consumption amount H startup of the heating fuel in the present embodiment is calculated based on the consumption amount of the startup fuel necessary to raise the temperature of the fuel cell stack 1 to the operating temperature of the fuel efficiency priority operation and the temperature state of the fuel efficiency priority operation. It is set to a value obtained by adding the consumption amount of the warm-up fuel necessary for warming up the fuel cell stack 1 to the operating temperature of the protection operation.
  • step S937 the control unit 6 determines the battery margin M as shown in FIG. Depending on the size of Argin, sets the offset value SOC _offset to ensure output of the battery 9.
  • the first margin m1 in the present embodiment is obtained by adding the high efficiency power P_eco to the value obtained by subtracting the vehicle rated power from the battery upper limit output.
  • the battery margin Marign is obtained by adding the high-efficiency power P_eco to a value obtained by subtracting the traveling load history P_vehicle from the battery upper limit output when the battery SOC reaches the upper limit value SOC_offset_H of the offset value.
  • step S938 the control unit 6 sets the operation switching threshold value SOC_rate that defines the switching timing from the fuel efficiency priority operation to the battery protection operation according to the equation (4), as in the process of step S918.
  • step S939 the control unit 6 sets the fuel consumption priority driving section S_fit according to the size of the travel load history P_vehicle .
  • step S940 the control unit 6 calculates the FC start threshold SOC_eco that defines the start timing of the fuel cell stack 1, as shown in the following equation (5).
  • step S941 the control unit 6 sets the target generated power when the battery SOC decreases to the FC start threshold SOC_eco to the high efficiency power value P_eco , and the target power generation when the battery SOC decreases to the operation switching threshold SOC_rate.
  • the power is set to the rated power value P_rate .
  • the control unit 6 raises the temperature of the fuel cell stack 1 to the lower limit side of the temperature range in which power generation is possible, and generates power with high-efficiency power P_eco .
  • Each flow rate of the cathode gas and the anode gas necessary for this is supplied to the fuel cell stack 1.
  • the control unit 6 raises the temperature of the fuel cell stack 1 to the upper limit side of the temperature range in which power generation is possible and generates power at the rated power P_rate .
  • Each flow rate of the cathode gas and the anode gas necessary for this is supplied to the fuel cell stack 1.
  • the controller 6 when the battery SOC (charge amount) reaches the FC start threshold (first threshold) SOC_eco , the controller 6 performs the fuel efficiency priority operation. That is, when the battery SOC decreases to the FC activation threshold value SOC_eco , the control unit 6 activates the fuel cell stack 1 to generate power with high efficiency power P_eco lower than the rated power P_rate. Let Thereby, since the energy efficiency of the fuel cell stack 1 is improved, the fuel efficiency of the fuel cell system 10 can be improved.
  • the control unit 6 changes the operation state of the fuel cell stack 1 from the fuel efficiency priority operation. Switch to battery protection mode. That is, when the battery SOC decreases to the operation switching threshold value SOC_rate , the control unit 6 increases the temperature of the fuel cell stack 1 and increases the generated power of the fuel cell stack 1 as shown in FIG. Thereby, the charge amount of the battery 9 can be ensured while promoting the consumption of the remaining amount of fuel.
  • the upper limit output of the battery 9 is larger than the rated power P_rate of the fuel cell stack 1, so that sufficient power supply to the drive motor 81 is achieved. There is a concern that the output performance is degraded due to excessive discharge power of the battery 9. In addition, since it takes time to charge the power generated by the fuel cell stack 1 to the battery 9, it takes time until the vehicle can travel.
  • the charge amount of the battery 9 is ensured after the remaining amount of fuel is consumed. Can be suppressed.
  • control unit 6 calculates the FC rated power generation period T_rate using the heating fuel consumption amount H startup necessary for starting and warming up the fuel cell stack 1 in step S935. . Based on the FC rated power generation period T_rate , the operation switching threshold SOC_rate and the FC start threshold SOC_eco are calculated.
  • the operation switching timing from the fuel efficiency priority operation to the battery protection operation and the activation timing are corrected, so that the fuel cell stack 1 is activated accurately and the battery protection operation is performed so that the charge amount of the battery 9 is not insufficient. It becomes possible to switch to.
  • the traveling load history P _Vehicle increases, fuel consumption priority operation section S _Fit increases. That is, as the power consumption of the load device 8 connected to the battery 9 increases, the section from the FC start threshold SOC_eco to the operation switching threshold SOC_rate is expanded.
  • the start timing of the fuel cell stack 1 is advanced, and the period of power generation while the energy efficiency of the fuel cell stack 1 is high becomes longer, so that the amount of power supplied from the fuel cell stack 1 to the battery 9 can be increased.
  • the fuel consumption of the fuel cell system 10 can be improved.
  • control unit 6 may set three or more operating points of the fuel cell stack 1 and may perform control so that the generated power of the fuel cell stack 1 is gradually reduced as the battery SOC decreases. Even if it does in this way, the energy efficiency of the fuel cell stack 1 can be improved compared with 2nd Embodiment.
  • FIG. 16 is a configuration diagram illustrating an example of a configuration of a fuel cell system 11 including a polymer electrolyte fuel cell.
  • the fuel cell system 11 supplies power to the drive motor 81 provided in the load device 8a and the auxiliary battery 9a that assists the power of the fuel cell stack 1.
  • the fuel cell system 11 is based on the required power of a fuel cell stack 1a in which a plurality of polymer electrolyte fuel cells are stacked, a fuel supply device 2a, an oxidant supply device 3a, a power conversion device 5a, and a drive motor 81. And a control unit 6a for controlling the supply flow rates of the anode gas and the cathode gas to the fuel cell stack 1a.
  • the fuel supply device 2a includes a high-pressure tank 20a for storing the anode gas at a high pressure, an anode gas supply passage 22a, an anode pressure adjusting valve 23a for adjusting the pressure of the anode gas, a purge valve 24a for discharging the anode off gas, and an anode gas. And a discharge passage 29a.
  • the oxidant supply device 3a includes a filter 30a, a compressor 32a, a cathode gas supply passage 33a, a cathode pressure regulating valve 34a for adjusting the pressure of the cathode gas, and a cathode gas discharge passage 39a.
  • the power conversion device 5a includes a DC-DC converter 51 that supplies the generated power of the fuel cell system 11 to the load device 8a or the auxiliary battery 9a.
  • the control unit 6a acquires the battery SOC from the charge amount sensor 61, and when the battery SOC becomes equal to or less than the FC start threshold as shown in step S100 of FIG. Then, the fuel cell stack 1 is started. Then, the control unit 6a obtains the remaining amount of fuel that can be supplied to the fuel cell stack 1a from the fuel amount sensor 62, and when the remaining fuel amount decreases as shown in step S903 in FIG.
  • the FC activation threshold is set to a smaller value than when the amount is large.
  • the start of the fuel cell stack 1 can be suppressed as in the first to third embodiments, the consumption of heating fuel that does not contribute to the charging of the battery 9 is suppressed. be able to. Therefore, the fuel consumption of the fuel cell system 10 can be improved while ensuring the output of the battery 9.
  • control unit 6 executes the power generation control process of step S900 shown in FIG. 2 during the start control of the fuel cell stack 1, but executes it during the power generation operation or stop control of the fuel cell stack 1. Also good.
  • control unit 6, during the period until stop of activation of the fuel cell system 10, may always be updated threshold SOC _Rate and SOC _eco. Even if it does in this way, the effect similar to the said embodiment can be acquired.

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Abstract

燃料電池システムは、燃料電池に燃料及び酸化剤を供給して燃料電池の発電電力を二次電池へ出力する。燃料電池システムの制御方法は、二次電池の充電量を取得し、二次電池の充電量が所定の値以下になった場合に、燃料電池の発電を停止した状態から燃料電池を起動させる又は燃料電池の発電電力を増やす。この制御方法は、燃料電池に供給可能な燃料の残量を取得し、燃料の残量が少なくなったときには、燃料の残量が多いときに比して、燃料電池の起動又は電力増を判断するための所定の値を小さな値に設定する。

Description

燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
　本発明は、燃料電池の発電電力を二次電池へ出力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。
　米国特許出願公開第２０１４／０１１３１６２号明細書には、燃料の供給を受けるとともに負荷に応じて発電する固体酸化物型燃料電池を備える燃料電池システムが開示されている。
　上述のような燃料電池システムは、例えば、モータなどの負荷に電力を供給する二次電池に対して、二次電池の出力を確保するために燃料電池の発電電力を充電するシステムとして使用することも可能である。
　このようなシステムでは、燃料電池を停止状態から起動させる場合や燃料電池の発電電力を増やす場合に、燃料電池の温度を発電に適した作動温度まで上げなければならないことから、発電に用いられる燃料とは別に、燃料電池を昇温するための燃料が必要となる。
　このため、燃料電池の起動時又は発電電力の増量時には二次電池の充電に寄与しない燃料の消費量が増加することになるので、燃料電池の起動や発電電力の増量を行う回数が多くなるほど、燃料電池システムの燃費が悪化してしまう。
　本発明は、このような問題点に着目してなされた。本発明の目的は、二次電池の出力を確保しつつ燃費の悪化を抑制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を提供することにある。
　本発明のある態様によれば、燃料電池に燃料及び酸化剤を供給して前記燃料電池の発電電力を二次電池へ出力する燃料電池システムの制御方法は、前記二次電池の充電量を取得する充電量取得ステップと、前記二次電池の充電量が所定の値以下になったときに、前記燃料電池の発電を停止した状態から前記燃料電池を起動させる又は前記燃料電池の発電電力を増やす発電制御ステップと、を含む。そして、燃料電池システムの制御方法は、前記燃料電池に供給可能な燃料の残量を取得する燃料残量取得ステップと、前記燃料の残量がすくなくなったときには、前記燃料の残量が多いときに比して前記所定の値を小さな値に設定する設定ステップと、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主要構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態における燃料電池システムの起動方法の一例を示すフローチャートである。 図３は、本実施形態における燃料電池の発電制御処理の内容を例示するフローチャートである。 図４は、本発明の第２実施形態における燃料電池の発電制御処理の内容を例示するフローチャートである。 図５は、本実施形態におけるバッテリの充電量と燃料電池の発電電力との関係を示す説明図である。 図６は、燃料電池スタックの起動タイミングを規定するＦＣ起動閾値を、走行負荷履歴に応じて設定する設定手法の一例を示す説明図である。 図７は、バッテリの充電量に応じた燃料電池の発電電力の変化を示すタイムチャートである。 図８は、バッテリの充電量に応じた燃料残量の変化を示すタイムチャートである。 図９は、バッテリ保護のために定められたオフセット値をバッテリ余裕度に応じて設定する設定手法の一例を示す説明図である。 図１０は、バッテリ余裕度を算出する算出手法の一例を示す説明図である。 図１１は、本発明の第３実施形態におけるバッテリの充電量と燃料電池の発電電力との関係を例示する説明図である。 図１２は、燃料電池の燃費優先運転及びバッテリ保護運転のエネルギー効率を示す説明図である。 図１３は、走行負荷履歴に応じて燃費優先運転区間を設定する設定手法の一例を示す図である。 図１４は、本実施形態における燃料電池の発電制御処理の内容を例示するフローチャートである。 図１５は、オフセット値を設定するためのバッテリ余裕度を算出する算出手法の一例を示す説明図である。 図１６は、本発明の第４実施形態における燃料電池システムの主要構成を示すブロック図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
　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１０の主要構成を示すブロック図である。
　燃料電池システム１０は、バッテリ９の充電状態に応じて燃料電池スタック１を発電させるバッテリ補助システムである。本実施形態の燃料電池システム１０は、車両に搭載された負荷装置８又はバッテリ９に発電電力を供給する燃料電池システムである。
　負荷装置８は、バッテリ９及び燃料電池システム１０に接続される電気負荷である。負荷装置８は、電気負荷が変化する駆動モータ８１を含む。本実施形態の負荷装置８には、駆動モータ８１の他に、不図示の室内エアコンや車両補機などが含まれる。
　駆動モータ８１は、車両を駆動する動力源である。駆動モータ８１は、車両のブレーキ時において回生電力を発生させ、この回生電力をバッテリ９に充電させることが可能である。
　バッテリ９は、駆動モータ８１に対し電力を供給する電源であり、例えば、リチウムイオンバッテリや鉛蓄電池などにより実現される。バッテリ９は、駆動モータ８１の回生電力を充電し、燃料電池システム１０から出力された電力を充電する。本実施形態では、バッテリ９の定格出力は、燃料電池スタック１の定格出力よりも大きい。すなわち、バッテリ９は、負荷装置８に対する主電源であり、燃料電池スタック１は、負荷装置８に対する副電源である。
　バッテリ９には、バッテリ９に蓄えられている電力を示す充電量（残量）を検出する充電量センサ６１が設けられている。本実施形態の充電量センサ６１は、バッテリ９の充電量としてバッテリ９のＳＯＣ（State Of Charge）を検出してその検出値を制御部６に出力する。バッテリ９の充電量が大きくなるほど、バッテリ９のＳＯＣは大きくなる。以下では、バッテリ９のＳＯＣのことを「バッテリＳＯＣ」と称する。
　燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１にアノードガス（燃料ガス）を供給する燃料供給装置２と、燃料電池スタック１にカソードガス（酸化剤ガス）を供給する酸化剤供給装置３とを備える。また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１から排出されたアノードオフガス（燃料オフガス）及びカソードオフガス（酸化剤オフガス）を外部に排出する排気装置４を備える。排気装置４は、アノードガス排出通路２９及びカソードガス排出通路３９と排気燃焼器４０と排気通路４１とを含む。さらに、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１から電力を取り出して負荷装置８及びバッテリ９の少なくとも一方に供給する電力変換装置５と、燃料電池システム全体の動作を制御する制御部６とを備える。
　燃料電池スタック１は、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid oxide fuel Cell）である。燃料電池スタック１は、セラミック等の固体酸化物で形成された電解質層をアノード極（燃料極）とカソード極（空気極）とによって挟み込んで構成される複数のセルを積層したものである。
　燃料電池スタック１のアノード極には燃料供給装置２により改質されたアノードガスが供給され、燃料電池スタック１のカソード極には酸化剤供給装置３によりカソードガスとして酸素を含む空気が供給される。燃料電池スタック１では、アノードガス中に含まれる水素と、カソードガス中に含まれる酸素とを反応させて発電が行われるとともに、反応後に生成されるアノードオフガスとカソードオフガスとが大気へ排出される。
　燃料電池スタック１に形成されるアノード側のマニホールドには、アノードガスが流れる通路を構成するアノードガス供給通路２２及びアノードガス排出通路２９が接続され、カソード側のマニホールドには、カソードガスが流れる通路を構成するカソードガス供給通路３３及びカソードガス排出通路３９が接続される。
　アノードガス供給通路２２は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給する経路であり、アノードガス排出通路２９は、燃料電池スタック１からのアノードオフガスを排気燃焼器４０に導入する経路である。また、カソードガス供給通路３３は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給する経路であり、カソードガス排出通路３９は、燃料電池スタック１からのカソードオフガスを排気燃焼器４０に導入する経路である。
　燃料供給装置２は、燃料タンク２０と、ポンプ２１と、アノードガス供給通路２２と、燃料供給弁２３と、蒸発器２４と、熱交換器２５と、改質器２６とを含む。
　燃料タンク２０は、燃料を含む液体を蓄えるものである。燃料タンク２０には、例えば、エタノールと水を混合させた液体からなる改質用燃料が蓄えられる。燃料タンク２０には、燃料量センサ６２が設けられている。燃料量センサ６２は、燃料タンク２０に蓄えられた改質用燃料の残量を検出する。燃料量センサ６２の検出値は制御部６に出力される。
　ポンプ２１は、改質用燃料を吸引して一定の圧力で燃料供給装置２に改質用燃料を供給するものである。
　アノードガス供給通路２２は、ポンプ２１と燃料電池スタック１との間を接続する通路である。アノードガス供給通路２２には、燃料供給弁２３、蒸発器２４、熱交換器２５、及び改質器２６が設けられている。
　燃料供給弁２３は、ポンプ２１から供給される改質用燃料を噴射ノズルに供給して噴射ノズルから蒸発器２４へ噴射させるものである。
　蒸発器２４は、排気燃焼器４０から排気される排ガスの熱を利用して改質用燃料を気化させるものである。
　熱交換器２５は、排気燃焼器４０から熱が供給され、気化した改質用燃料を改質器２６において改質するためにさらに加熱するものである。
　改質器２６は、触媒反応により改質用燃料を、水素を包含するアノードガスに改質して燃料電池スタック１のアノード極に供給するものである。改質器２６では、水蒸気を用いて燃料を改質する水蒸気改質が行われ、水蒸気改質に必要となる水蒸気が不足するような状況では、水蒸気の代わりに空気を用いて燃料を燃やしながら改質する部分酸化改質が行われる。
　酸化剤供給装置３は、フィルタ３０と、空気吸入通路３１と、コンプレッサ３２と、カソードガス供給通路３３と、カソード流量制御弁３４と、加熱装置を構成する熱交換器３５１、拡散燃焼器３５２及び触媒燃焼器３５３と、を備える。
　フィルタ３０は、外気の異物を除去してその外気を燃料電池システム１０の内部に導入するものである。
　空気吸入通路３１は、フィルタ３０によって異物が除去された空気をコンプレッサ３２に通す通路である。空気吸入通路３１の一端はフィルタ３０に接続されるとともに、他端はコンプレッサ３２の吸入口に接続される。
　コンプレッサ３２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するアクチュエータである。本実施形態のコンプレッサ３２は、フィルタ３０を通じて外気を取り入れて空気を燃料電池スタック１等に供給する。
　カソードガス供給通路３３にはリリーフバルブ３６が取り付けられている。カソードガス供給通路３３内の圧力が一定値を超えるとカソードガス供給通路３３を開放してコンプレッサ３２に一定以上の負荷がかからないようにしている。
　カソード流量制御弁３４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制御弁である。例えば、カソード流量制御弁３４は電磁弁により構成される。カソード流量制御弁３４の開度は、段階的に変更可能であり、制御部６によって制御される。
　熱交換器３５１は、排気燃焼器４０から排出された排ガスの熱を利用して、燃焼ガス用の空気又はカソードガス用の空気を加熱するものである。
　拡散燃焼器３５２は、燃料電池システム１０の起動時において、熱交換器３５１によって加熱された空気と、分岐通路２２２から供給されるともに電気ヒータ２４２で加熱された加熱用燃料と、が供給されて両者を混合する。そして、拡散燃焼器３５２に付属する着火装置により空気と加熱用燃料の混合物が着火して触媒燃焼器３５３用の予熱バーナを形成する。起動完了後は熱交換器３５１から供給された空気を触媒燃焼器３５３に供給する。
　触媒燃焼器３５３は、燃料電池システム１０の起動時において、触媒と予熱バーナを用いて高温の燃焼ガスを生成するものである。触媒燃焼器３５３において、分岐通路３３１を介して燃焼ガス用の空気が供給され、また分岐通路２２３から加熱用燃料が供給され、両者が触媒に接触した状態で混合する。そして、予熱バーナにより空気と加熱用燃料の混合物に着火することにより、大量の燃焼ガスを生成する。この燃焼ガスは、酸素を含んでおらず不活性ガスが主成分となっている。そして、燃焼ガスは、燃料電池スタック１のカソード極に供給され、燃料電池スタック１を加熱する。なお、起動完了後は、燃焼ガスの生成は終了し、熱交換器３５１、拡散燃焼器３５２を通過した空気がカソードガスとして燃料電池スタック１に供給される。
　排気装置４は、アノードガス排出通路２９と、カソードガス排出通路３９と、排気燃焼器４０と、排気通路４１とを含む。
　アノードガス排出通路２９には遮断弁２８が取り付けられる。遮断弁２８は、燃料電池システム１０の停止時に閉止する。これにより、カソードオフガス等がアノードガス排出通路２９を通じて燃料電池スタック１のアノード極まで逆流するのを防止できるので、アノードの劣化を回避することができる。
　排気燃焼器４０は、アノードオフガスとカソードオフガスを混合してその混合ガスを触媒燃焼させることにより、二酸化炭素や水を主成分とする排ガス（燃焼後ガス）を生成するとともに、触媒燃焼による熱を熱交換器２５に伝達するものである。排気燃焼器４０は、排ガスを排気通路４１に排出する。
　排気通路４１は、排気燃焼器４０からの排ガスを外気に排出する通路である。排気通路４１は、蒸発器２４を通過し、不図示のマフラに接続される。これにより、蒸発器２４は、排気燃焼器４０からの排ガスによって加熱されることになる。
　電力変換装置５は、燃料電池システム１０から負荷装置８及びバッテリ９の少なくとも一方に燃料電池スタック１の発電電力を出力するＤＣ-ＤＣコンバータ５１を含む。
　ＤＣ-ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック１から発電電力を取り出す電力変換器である。ＤＣ-ＤＣコンバータ５１は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇圧して駆動モータ８１及びバッテリ９のうちの少なくとも一方に発電電力を供給する。ＤＣ-ＤＣコンバータ５１の１次側端子には燃料電池スタック１が接続され、２次側端子には駆動モータ８１及びバッテリ９が接続される。
　また、燃料電池システム１０には、燃料電池スタック１を加熱するため、アノードガス供給通路２２から分岐して排気燃焼器４０、拡散燃焼器３５２及び触媒燃焼器３５３の各々に加熱用燃料を通す分岐通路２２１、２２２及び２２３と、カソードガス供給通路３３から分岐して触媒燃焼器３５３に空気を通す分岐通路３３１とが備えられる。
　分岐通路２２１、２２２及び２２３には、それぞれ、制御弁２３１、２３２及び２３３が備えられ、分岐通路３３１には、制御弁３４１が備えられる。
　制御弁３４１は、燃料電池スタック１の起動時に一定量の空気を触媒燃焼器３５３に供給し、起動完了時には分岐通路３３１を閉止する。
　制御弁２３１、２３２及び２３３は、燃料電池システム１０の起動時に分岐通路２２１、２２２、２２３をそれぞれ開放して加熱用燃料を流通させ、起動完了時には分岐通路２２１、２２２、２２３をそれぞれ閉止する。一方、燃料供給弁２３は、燃料電池システム１０の起動時にはアノードガス供給通路２２を閉止しているが、起動完了時にはアノードガス供給通路２２を開放して改質用燃料を流通させる。
　また、燃料電池システム１０の起動時における排気燃焼器４０には、分岐通路２２１からの加熱用燃料が電気ヒータ２４１によって加熱されて供給され、燃料電池スタック１を通過したてきた空気と混合して触媒反応により排気燃焼器４０が発熱する。これにより、熱交換器２５によって加熱された改質用燃料が改質器２６に供給されるため、改質器２６で改質されたアノードガスの温度が上昇し、燃料電池スタック１が温められる。
　制御部６は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成され、特定のプログラムを実行することにより燃料電池システム１０を制御するための処理を実行する。
　制御部６は、充電量センサ６１や燃料量センサ６２などの各種センサからの出力信号を受信し、これらの受信信号に応じて、燃料供給装置２、酸化剤供給装置３、排気装置４及び電力変換装置５の作動状態を制御する。
　制御部６には、燃料電池システム１０に対する起動指令信号又は停止指令信号を制御部６に出力する操作部１０１が接続される。操作部１０１は、不図示のＥＶ（Electric Vehicle）キーを含み、乗員によりＥＶキーがＯＮに操作されると起動指令信号を制御部６に出力し、ＥＶキーがＯＦＦに操作されると停止指令信号を制御部６に出力する。
　制御部６は、操作部１０１から起動指令信号を受信した場合には燃料電池システム１０を起動させる起動制御を実行し、起動制御の完了後はバッテリ９の充電状態に応じて燃料電池スタック１を発電させる発電運転を実施する。
　例えば、制御部６は、バッテリ９の充電量が所定の閾値以下になった場合には、燃料電池スタック１にアノードガス及びカソードガスを供給して燃料電池スタック１を発電させ、その発電電力を負荷装置８又はバッテリ９に供給する。一方、バッテリ９の充電量が所定の閾値よりも大きくなった場合には、制御部６は、燃料電池スタック１の発電を一旦停止させる。
　また、制御部は、操作部１０１から停止指令信号を受信した場合には、燃料電池システム１０の動作を停止させる停止制御を実行する。
　図２は、本実施形態における燃料電池システム１０の起動制御に関する処理手順例を示すフローチャートである。
　燃料電池システム１０が起動制御を開始すると、ステップＳ９００において制御部６は、燃料電池スタック１の作動状態を切り替える切替タイミングを決定する発電制御処理を実行する。燃料電池スタック１の切替タイミングとしては、燃料電池スタック１を停止状態から起動して発電させる発電タイミングや、燃料電池スタック１の発電電力を増やす電力増量タイミング、燃料電池スタック１の発電を停止させる停止タイミングなどが挙げられる。
　本実施形態では、制御部６は、燃料電池スタック１の起動タイミングを規定するＦＣ起動閾値と、燃料電池スタック１の発電を停止させる停止タイミングを規定するＦＣ停止閾値とを設定する。なお、ステップＳ９００の発電制御処理については図３を参照して後述する。
　ステップＳ１００において制御部６は、バッテリ９の充電量がＦＣ起動閾値以下になったか否かを判断する。そして、バッテリ９の充電量がＦＣ起動閾値よりも大きい場合には、制御部６は、バッテリ９の充電量がＦＣ起動閾値に達するまで燃料電池スタック１の起動を待機する。一方、制御部６は、バッテリ９の充電量がＦＣ起動閾値まで小さくなった場合には、ステップＳ１０１の処理に進む。
　ステップＳ１０１において制御部６は、バッテリ９の充電量がＦＣ起動閾値まで小さくなると、コンプレッサ３２を起動し、カソード流量制御弁３４、制御弁３４１及び制御弁３４２をそれぞれ一定の開度で開放する。これにより、拡散燃焼器３５２及び触媒燃焼器３５３に空気（燃焼用ガス）が供給される。
　ステップＳ１０２において制御部６は、ポンプ２１及び拡散燃焼器３５２（着火装置）を起動するとともに制御弁２３１乃至２３３を開放する。これにより、加熱用燃料が、拡散燃焼器３５２、触媒燃焼器３５３及び排気燃焼器４０の各々に供給される。そして、拡散燃焼器３５２において予熱バーナが形成され、この予熱バーナを利用して触媒燃焼器３５３において燃焼ガスが生成され、燃焼ガスが燃料電池スタック１を通過して燃料電池スタック１が加熱される。さらに、燃料電池スタック１を通過した燃焼ガスが排気燃焼器４０に到達し、加熱用燃料との触媒燃焼により排気燃焼器４０が加熱され熱交換器２５が加熱される。また排気燃焼器４０からの排ガスにより蒸発器２４及び熱交換器３５１が加熱される。
　ステップＳ１０３において制御部６は、燃料電池スタック１の温度が発電に必要な作動温度に到達したか否かを判定する。ここで、燃料電池スタック１の温度の判定方法としては、例えば温度センサで検出された燃焼ガスの温度が一定値を超えたら燃料電池スタック１が作動温度に到達したと判定すればよい。
　なお、蒸発器２４、熱交換器２５、改質器２６についても、改質用燃料を良好に改質するための適正な温度に到達したか否かの判断が本来必要であるが、これらが適正な温度に到達する時間が、燃料電池スタック１の温度が作動温度に到達するまでの時間よりも短い場合は不要である。
　ステップＳ１０４において制御部６は、燃料電池スタック１の温度が作動温度に到達したと判断した場合には、拡散燃焼器３５２を停止し、制御弁２３１、２３２、２３３及び３４１の各々を閉止し、燃料供給弁２３を開放する。
　これにより、燃料タンク２０に蓄えられた改質用燃料が、蒸発器２４、熱交換器２５、改質器２６を経てアノードガスとなり、このアノードガスが燃料電池スタック１のアノード極に供給される。一方、カソード流量制御弁３４からは継続して空気が供給されるとともに、その空気は、熱交換器３５１で加熱されてカソードガスとして燃料電池スタック１に供給される。そして、燃料電池スタック１においてアノードガスとカソードガスによる電気化学反応が始まることで発電が開始され、本実施形態の起動制御に関する一連の処理手順が終了する。
　なお、本実施形態ではステップＳ１０１乃至Ｓ１０３による起動制御を実行する前にステップＳ９００及びＳ１００の処理を実行する例について説明したが、ステップＳ１０１乃至Ｓ１０３による起動制御の実行後にステップＳ９００及びＳ１００の処理を実行してもよく、あるいは並列に実行してもよい。
　次に、燃料電池スタック１の発電運転における燃料電池システム１０の動作について簡単に説明する。
　燃料電池システム１０の発電運転では、まず、燃料タンク２０から供給された改質用燃料が蒸発器２４により気化し、気化した改質用燃料が熱交換器２５により加熱される。そして、加熱された改質用燃料が改質器２６においてアノードガスに改質され、このアノードガスが燃料電池スタック１のアノード極に供給される。一方、カソードガスとしての空気が熱交換器３５１により昇温され、拡散燃焼器３５２、触媒燃焼器３５３を通過して燃料電池スタック１のカソード極に供給される。
　アノードガスとカソードガスが供給された燃料電池スタック１では電気化学反応により電力が発生してＤＣ-ＤＣコンバータ５１に電力が供給されるとともに、電気化学反応に使用されたアノードオフガスとカソードオフガスが排気燃焼器４０に導入される。そして、アノードオフガス、カソードオフガスが混ざった状態で燃焼して排ガスとなり、これが蒸発器２４及び熱交換器３５１を加熱する。
　図３は、本実施形態におけるステップＳ９００で実行される発電制御処理の一例を示すフローチャートである。
　ステップＳ９０１において制御部６は、バッテリ９の充電量を取得する。本実施形態の制御部６は、充電量センサ６１からバッテリＳＯＣを取得する。なお、バッテリ９に自己の電圧を検出する電圧センサを配置し、制御部６が電圧センサの検出値に基づき所定のマップや演算式などに従ってバッテリＳＯＣ又は充電量を演算するようにしてもよい。
　ステップＳ９０２において制御部６は、燃料電池スタック１に供給可能な燃料の残量を取得する。本実施形態の制御部６は、燃料電池スタック１の燃料残量として燃料量センサ６２から改質用燃料の残量を取得する。なお、制御部６は、燃料電池スタック１の発電量や燃料供給弁２３の燃料噴射量などを時間積分して燃料の残量を算出するようにしてもよい。
　ステップＳ９０３において制御部６は、燃料の残量が少なくなったときには、燃料の残量が多いときに比して、バッテリＳＯＣに関するＦＣ起動閾値を小さな値に設定する。例えば、ＦＣ起動閾値は、駆動モータ８１によって要求される要求電力が急増したときに、燃料電池スタック１の応答遅れに伴う発電不足が原因となってバッテリ９の充電量が欠乏しないよう、燃料電池システム１０の起動時間などを考慮して設定される。
　これにより、駆動モータ８１へのバッテリ９の放電と、駆動モータ８１の回生電力や燃料電池スタック１の発電電力によるバッテリ９への充電と、が繰返し行われる状況において、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値を跨ぐ回数を減らすことができる。このため、燃料電池システム１０の運転中において燃料電池スタック１の起動に伴う加熱用燃料の消費量を低減することができる。
　このように、燃料電池スタック１の発電に寄与しない加熱用燃料の消費が抑制されるので、バッテリ９の出力（充電量）が不足する可能性が高まった時点で燃料電池スタック１を起動してバッテリ９に発電電力を的確に充電することができるようになる。したがって、バッテリ９の出力を確保しつつ、燃料電池システム１０の燃費の悪化を抑制することができる。
　例えば、ステップＳ９０３において制御部６は、燃料の残量が少なくなるほど、ＦＣ起動閾値を小さな値に変更するようにしてもよい。これにより、燃料の残量が多いときほどＦＣ起動閾値が大きくなるので、燃料が多量に残った状態でバッテリ９の充電量が不足してしまい駆動モータ８１の要求動力を得られなくなるという事態を回避することができる。一方、燃料の残量が少なくなるほどＦＣ起動閾値が小さくなるので、燃料電池スタック１の発電に寄与しない燃料の消費を抑制することができる。
　このように、燃料の残量が少なくなるほどＦＣ起動閾値を小さな値に変更することにより、バッテリ９の充電量の消費よりも優先して燃料電池スタック１の燃料の消費を促進しつつ、燃料電池システム１０の燃費の低下を抑制することができる。
　また、制御部６は、燃料電池スタック１の起動に必要とされる加熱用燃料の消費量に比べて燃料の残量が少ないときには、ＦＣ起動閾値を例えばゼロに設定して燃料電池スタック１の起動を禁止するようにしてもよい。これにより、バッテリ９の充電に寄与しない燃料電池スタック１の無駄な起動を抑制することができる。
　その後、制御部６は、バッテリ９の充電量の欠乏を回避するために、燃料電池スタック１の発電電力の目標値である目標発電電力を所定の電力値に設定する。所定の電力値は、実験等によりあらかじめ求めてもよいし、駆動モータ８１の要求電力の急増に応じて大きな値に変更するようにしてもよい。
　ステップＳ９０３の処理が終了すると、図２に示した処理手順に戻ってステップＳ１００の処理に進み、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値以下となった場合に、燃料電池システム１０の起動制御を実行する。
　以上のように、本発明の第１実施形態によれば、燃料電池システム１０の制御方法は、バッテリ９の充電量を取得する充電量取得ステップＳ９０１と、バッテリ９の充電量がＦＣ起動閾値（所定の値）以下になった場合に燃料電池スタック１を停止状態から起動させる発電制御ステップＳ１００乃至Ｓ１０３とを含む。この燃料電池システム１０は、燃料が含まれるアノードガスと、酸化剤が含まれるカソードガスとを燃料電池スタック１に供給して燃料電池スタック１を発電させ、その発電電力をバッテリ９に出力する。
　そして、この制御方法は、燃料電池スタック１に供給可能な燃料の残量を取得する燃料量取得ステップＳ９０２と、燃料の残量が少なくなったときには、燃料の残量が多いときに比してＦＣ起動閾値を小さな値に設定する設定ステップＳ９０３と、を含む。
　このように、燃料の残量が多いときにはＦＣ起動閾値を大きくすることにより、バッテリ９の充電量の消費よりも優先して燃料の消費が促進されるので、燃料が多量に残った状態でバッテリ９の充電量が欠乏するという事態を抑制することができる。
　さらに、燃料の残量が少なくなったときにＦＣ起動閾値を小さくすることにより、バッテリ９の充放電の繰返しに伴う燃料電池スタック１の起動回数が減少するので、燃料電池スタック１の発電に寄与しない加熱用燃料の消費量を低減することができる。また、バッテリ９の充電量が欠乏する可能性が高くなったときに限り、燃料電池スタック１が起動されて燃料電池スタック１の発電電力がバッテリ９に充電されることになるので、バッテリ９の充電量が欠乏するのを抑制することができる。
　したがって、本実施形態によれば、バッテリ９の出力を確保しつつ、燃料電池システム１０の燃費の低下を抑制することができる。
　なお、バッテリ９の出力を確保するために燃料電池スタック１の定格電力自体を大きくすることも考えられるが、この場合には燃料電池スタック１の製造コストが増加するとともにレイアウト性が低下してしまう。そのため、本実施形態のように、燃料の残量が少なくなったときにＦＣ起動閾値を小さくすることにより、バッテリ９の出力を確保しつつ燃料電池システムの燃費悪化を抑制するとともに、燃料電池スタック１の製造コスト及びレイアウトの増加を抑制することが可能になる。
（第２実施形態）
　図４は、本発明の第２実施形態における発電制御処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態の燃料電池システムの構成は、図１に示したものと同じであるため、以下では、同一の構成について同一符号を付して説明する。
　ステップＳ９１１において制御部６は、充電量センサ６１からバッテリＳＯＣを取得する。
　ステップＳ９１２において制御部６は、燃料量センサ６２から燃料の残量を取得し、その燃料の残量に基づき所定の演算式に従って水素の残量Ｈrestを推定する。すなわち、制御部６は、燃料電池スタック１に供給可能な燃料の残量として水素の残量Ｈrestを取得する。
　ステップＳ９１３において制御部６は、負荷装置８の消費電力値を示す車両消費電力を取得する。制御部６は、その取得した車両消費電力の値を、過去に取得した車両消費電力を時系列に示した履歴情報に記録し、その履歴情報を用いて走行負荷履歴Ｐ_vehicleを算出する。車両消費電力は、駆動モータ８１の要求電力（又は実際の消費電力）を含むため、アクセルペダルの踏込み量が大きくなるほど、車両消費電力は大きくなる。
　本実施形態の制御部６は、所定の期間に取得した複数の車両消費電力の移動平均値を走行負荷履歴Ｐ_vehicleとして算出する。なお、走行負荷履歴Ｐ_vehicleは、移動平均値に限らず、所定の期間に取得された複数の車両消費電力に関する中央値や、最頻値、最大値などの代表値でもよく、あるいは、散布度に応じて代表値を補正した値でもよい。
　ステップＳ９１４において制御部６は、燃料電池スタック１の起動期間Ｔ_startupにおいてバッテリ９から放電される電力量を示すＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを算出する。ここにいうＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupは、バッテリ９の定格容量に対するＦＣ起動期間の放電電力量の割合を示し、百分率で表わされる。
　ＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupは、燃料電池スタック１の補機であるＦＣ補機の消費電力を車両消費電力に加算してバッテリ９の放電電力を求め、この放電電力をＦＣ起動期間Ｔ_startupに乗算することで算出することができる。
　本実施形態では、制御部６は、次式（１）のように、走行負荷履歴Ｐ_vehicleとＦＣ補機電力Ｐ_fmとに基づいて、ＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを算出する。ＦＣ補機電力Ｐ_fmは、燃料電池スタック１の補機で消費される電力であり、ＦＣ補機としては、ポンプ２１や、コンプレッサ３２、制御弁２３１乃至２３３、３４１、３４２などが挙げられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　上式のように、ＦＣ起動期間Ｔ_startupにバッテリ９から放電される電力量Ｗ［ｋＷｈ］は、バッテリ９の定格容量Ｘ_battにＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを乗じることで表わすことができる。そして、ＦＣ起動期間Ｔ_startupにバッテリ９から放電される電力量Ｗ［ｋＷｈ］は、バッテリ９に接続された負荷の全消費電力（Ｐ_vehicle＋Ｐ_fm）にＦＣ起動期間Ｔ_startupを乗じて得られる消費電力量に対しバッテリ９の充放電効率Ｅ_battを加味することで求められる。
　なお、バッテリ９の定格容量Ｘ_battは、バッテリ９に充電可能な電力量の上限値である。バッテリ９に接続された負荷の全消費電力（Ｐ_vehicle＋Ｐ_fm）は、走行負荷履歴Ｐ_vehicle及びＦＣ補機電力Ｐ_fmの和である。バッテリ９の充放電効率Ｅ_battは、バッテリ９の内部抵抗による電力損失を考慮したものであり、百分率で表わされる。ＦＣ起動期間Ｔ_startupは、実験等により求められる値であり、その単位は秒である。
　そして、上式を展開することにより、式（１）のようにＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを導出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　このように、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを算出するにあたり、ＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを考慮することで、燃料電池スタック１の起動中にバッテリ９の充電量が欠乏するのを抑制することが可能になる。
　ステップＳ９１５において制御部６は、次式（２）のように、燃料電池スタック１の燃料残量Ｈrestに基づいて、燃料電池スタック１の定格発電による発電期間であるＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上式のように、ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateに燃料電池スタック１が定格電力Ｐ_rateで発電できる電力量Ｗ［ｋＷｈ］は、起動後の燃料残量（Ｈrest－Ｈstartup）に燃料の発熱量（１２００００）を乗算して得られる発電電力量に対し燃料電池スタック１の発電効率Ｅ_rateを加味することで求められる。
　なお、起動後の燃料残量（Ｈrest－Ｈstartup）は、燃料電池スタック１の起動に必要となる加熱用燃料の消費量Ｈstartupを燃料残量Ｈrestから減じることで求められる。加熱用燃料の消費量Ｈstartupは、実験等により求められる値である。燃料電池スタック１の発電効率Ｅ_rateは、燃料電池スタック１が定格電力Ｐ_rateで発電したときの発電効率である。また、ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateの単位は秒である。
　そして、上式を展開することにより、式（２）のようにＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを導出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを算出するにあたり、燃料電池スタック１の起動時に必要となる加熱用燃料の消費量Ｈstartupを考慮することで、バッテリ９の充電に寄与しない燃料電池スタック１の起動を抑制することが可能になり、また、燃料電池スタック１の燃料が残った状態でバッテリ９の充電量が欠乏することを抑制できる。なお、式（２）の関係から、燃料残量Ｈrestが少なくなるほど、ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateは短くなる。
　ステップＳ９１６において制御部６は、次式（３）のように、車両の走行負荷履歴Ｐ_vehicleに基づいて、ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateにおけるバッテリ放電量Ｓ_assistを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　上式のように、ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateにバッテリ９から放電される電力量Ｗ［ｋＷｈ］は、バッテリ９の放電電力（Ｐ_vehicle－Ｐ_rate）にＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを乗じることで求められる。ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateにおけるバッテリ９の放電電力（Ｐ_vehicle－Ｐ_rate）は、走行負荷履歴Ｐ_vehicleから、バッテリ９をアシストする燃料電池スタック１の定格電力Ｐ_rateを減じることで求められる。
　そして、上式を展開することにより、式（３）のようにＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistを導出することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　ＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistを算出することにより、燃料電池スタック１の発電中にバッテリ９の充電量が欠乏するのを抑制することが可能になる。なお、式（２）に示したように、燃料残量Ｈrestが少なくなるほどＦＣ定格発電期間Ｔ_rateは短くなるため、ＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistは、燃料残量Ｈrestが少なくなるほど小さくなる。
　ステップＳ９１７において制御部６は、燃料電池スタック１の燃料が残った状態でのバッテリ９の充電量の欠乏を抑制するために、オフセット値ＳＯＣ_offsetを設定する。オフセット値ＳＯＣ_offsetは、燃料残量の全てを消費した時にバッテリ９の出力を確保しておくべきバッテリＳＯＣの値を示す。なお、オフセット値ＳＯＣ_offsetの設定手法については、図９及び図１０を参照して後述する。
　ステップＳ９１８において制御部６は、燃料電池スタック１の起動タイミングを規定するＦＣ起動閾値を算出する。このＦＣ起動閾値は、燃料タンク２０内の燃料が全て消費される前にバッテリ９の充電量が欠乏しないように設定される。
　本実施形態の制御部６は、次式（４）に示すように、オフセット値ＳＯＣ_offsetと、ＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistと、ＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupとを用いて、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを算出するにあたり、ＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを考慮することでＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateが大きく補正されるので、燃料電池スタック１の起動中にバッテリ９の充電量が欠乏するという事態を回避することができる。
　また、式（２）及び式（３）に示したように、燃料残量Ｈrestが少なくなるほどＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistが小さくなるため、燃料残量Ｈrestが少なくなるほど、式（４）のＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateは小さくなる。すなわち、燃料残量Ｈrestが少なくなるほど燃料電池スタック１の起動が抑制され、燃料残量Ｈrestが多いほど燃料電池スタック１の起動タイミングが早められる。
　式（４）中のＦＣ停止閾値ＳＯＣ_regは、燃料電池スタック１の停止タイミングを規定するバッテリＳＯＣである。ＦＣ停止閾値ＳＯＣ_regは、実験等により求められる値であり、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateよりも大きな値に設定される。これにより、ＦＣ停止閾値ＳＯＣ_reg及びＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateにヒステリシスが設けられることになるので、燃料電池スタック１の起動及び停止時の動作を安定させることができる。
　ステップＳ９１９において制御部６は、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateに達したと判断した場合に、燃料電池スタック１の目標発電電力を定格電力値Ｐ_rateに設定して、本実施形態の発電制御処理に関する一連の処理手順を終了する。この後、燃料電池システム１０の起動制御を実行するために、制御部６は、図２に示した処理手順に戻ってステップＳ１００の処理に進む。
　これにより、制御部６は、拡散燃焼器３５２や触媒燃焼器３５３などを起動することで燃料電池スタック１の温度を定格発電に必要な作動温度まで上げた後、定格発電に必要となるカソードガス及びアノードガスの各流量を燃料電池スタック１に供給する。
　このように、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateは、少なくともオフセット値ＳＯＣ_offsetよりも大きな値に設定され、燃料残量Ｈrestが多いほど大きな値に設定される。これにより、燃料電池スタック１の起動タイミングが早くなるので、燃料の消費を促進しつつバッテリ９の充電量を確保することができる。したがって、燃料が多量に残った状態でバッテリ９の充電量が欠乏するという事態を回避することができる。
　そして、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateは、燃料残量Ｈrestを全て消費した時点でのバッテリＳＯＣがオフセット値ＳＯＣ_offsetよりも小さくならない範囲で、燃料残量Ｈrestが減少するほど小さな値に設定される。これにより、バッテリ９の充電量を確保しつつ、燃料電池スタック１の起動回数を減らすことができる。
　また、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateは、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが大きくなるほど、大きな値に設定される。これにより、燃料電池スタック１が早目に起動されることになるので、燃料電池スタック１の燃料が残った状態でバッテリ９の充電量が欠乏することを回避することができる。
　図５は、本実施形態における燃料電池スタック１の発電電力を設定する設定手法を示す図である。
　図５においては、横軸がバッテリＳＯＣを示し、縦軸が、燃料電池システム１０の目標出力電力を示す。燃料電池システム１０の目標出力電力は、燃料電池システム１０から駆動モータ８１及びバッテリ９の少なくとも一方に出力すべき燃料電池スタック１の発電電力の目標値である。
　制御部６は、図４のステップＳ９１７で述べたように、オフセット値ＳＯＣ_offsetを設定し、走行負荷履歴Ｐ_vehicleに基づきＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assist及びＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを算出する。そして、図５では、ＳＯＣ_offset、Ｓ_assist及びＳ_startupを合計した値がＦＣ停止閾値ＳＯＣ_regよりも小さくなるため、制御部６は、その合計値をＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateとして設定する。これにより、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateまで低下した時に、制御部６は、燃料電池スタック１を起動して発電させることが可能になる。
　例えば、ＥＶキーがＯＮに操作された直後のバッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateよりも大きい場合は、燃料電池スタック１は停止状態に維持される。車両の駆動によってバッテリ９から駆動モータ８１へ電力が出力されてバッテリＳＯＣが低下し、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateまで低下すると、燃料電池システム１０の起動制御が実行される。
　ＦＣ起動区間においては、ポンプ２１やコンプレッサ３２などのＦＣ補機が起動されるだけで燃料電池スタック１の発電電力はゼロである。このため、車両消費電力にＦＣ補機の消費電力を加えたトータルの消費電力がバッテリ９のみによって賄われることになる。
　ここでは、燃料電池システム１０の目標出力電力が燃料電池スタック１の定格電力値Ｐ_rateに設定される。これにより、制御部６は、燃料電池スタック１が定格発電可能な温度範囲まで上昇するように拡散燃焼器３５２や、触媒燃焼器３５３、排気燃焼器４０などを起動する。これとともに、制御部６は、定格発電に必要なアノードガス流量及びカソードガス流量が燃料電池スタック１に供給されるように、燃料供給弁２３やコンプレッサ３２などを駆動する。
　ＦＣ定格発電区間においては、バッテリ９による駆動モータ８１などへの電力供給をアシストするために、燃料電池システム１０の目標出力電力が燃料電池スタック１の定格電力Ｐ_rateに設定される。これにより、制御部６は、上述のとおり、燃料電池スタック１が定格電力Ｐ_rateで発電できるように、燃料電池スタック１の温度、アノードガス供給量、及びカソードガス供給量を調整する。
　例えば、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが変動せずに一定であるときは、燃料タンク２０に蓄えられた燃料の残量Ｈrestが無くなった時に、バッテリＳＯＣがオフセット値ＳＯＣ_offsetだけ確保されることになる。
　あるいは、燃料電池スタック１の起動後に走行負荷履歴Ｐ_vehicleが減少したときは、燃料残量Ｈrestが無くなった時に、バッテリＳＯＣはオフセット値ＳＯＣ_offsetよりも大きくなる。走行負荷履歴Ｐ_vehicleがゼロになったときは、燃料電池スタック１の発電電力の全てがバッテリ９に充電されてバッテリＳＯＣが増加する。そしてバッテリＳＯＣがＦＣ停止閾値ＳＯＣ_regを上回った時には、制御部６は、燃料電池スタック１の発電を停止する。これにより、燃料電池スタック１の無駄な発電を抑制することができる。
　一方、燃料電池スタック１の起動後に走行負荷履歴Ｐ_vehicleが増大したときは、燃料残量Ｈrestが無くなった時に、バッテリＳＯＣはオフセット値ＳＯＣ_offsetよりも小さくなる。このため、オフセット値ＳＯＣ_offsetは、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが増大した場合であっても燃料残量が無くなった時にバッテリ９が過放電にならないよう、あらかじめ定められる。
　このように、燃料電池スタック１の起動タイミングを規定するＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを燃料電池スタック１に供給可能な燃料の残量Ｈrestに応じて設定することで、燃料が全部消費された時であってもバッテリ９の保護に必要な充電量を確保することができる。また、燃料電池スタック１を定格電力Ｐ_rateで発電させることにより、燃料残量Ｈrestが少なくなった時に駆動モータ８１の消費電力が急増した場合であっても、駆動モータ８１の要求出力を確保しつつ、燃料電池スタック１の応答遅れに起因するバッテリ９の過放電を抑制することができる。
　図６は、走行負荷履歴Ｐ_vehicleとＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateとの関係の一例を示す図である。
　図６に示すように、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが燃料電池スタック１の定格電力Ｐ_rateよりも小さい場合には、燃料電池スタック１によるアシストが不要であるため、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateがオフセット値ＳＯＣ_offsetに設定される。
　一方、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが燃料電池スタック１の定格電力Ｐ_rateに対して大きくなるほど、バッテリ９の放電電力が大きくなり、バッテリ９が過放電となる蓋然性が高まる。このため、制御部６は、燃料電池スタック１の定格電力Ｐ_rateに対して走行負荷履歴Ｐ_vehicleが大きくなるほど、バッテリ９から駆動モータ８１への電力供給をアシストするタイミングを早めるために、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを大きくする。
　このように、駆動モータ８１の消費電力が大きくなるほどＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateが大きくなるので、燃料電池スタック１の起動タイミングが早まり、燃料電池スタック１の発電中にバッテリ９の充電量が欠乏するという事態を回避することができる。
　図７は、本実施形態におけるバッテリＳＯＣの変化に伴う燃料電池システム１０の出力の変化を例示するタイムチャートである。
　図７では、実線によりバッテリＳＯＣの変化が示され、破線により燃料電池システム１０の出力電力の変化が示されている。
　まず、時刻ｔ０では、バッテリ９のみにより駆動モータ８１などの負荷装置に電力が供給されている。このため、バッテリＳＯＣが徐々に低下する。
　時刻ｔ１において、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateに達したため、燃料電池スタック１の起動制御を開始する。このとき、燃料電池システム１０には、ポンプ２１やコンプレッサ３２を駆動するためにＦＣ補機電力Ｐ_fmが必要になる。ここでは、バッテリ９によってＦＣ補機電力Ｐ_fmが賄われるため、ＦＣ起動期間Ｔ_startupではバッテリＳＯＣの低下速度が大きくなり、バッテリＳＯＣはＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupだけ低下する。
　時刻ｔ２において、燃料電池スタック１の温度が定格発電に必要な作動温度に達したため、燃料電池スタック１の定格電力Ｐ_rateによる発電を開始する。これにより、バッテリ９だけでなく燃料電池スタック１からも負荷装置８に電力が供給されることになるため、バッテリ９の放電電力は減少する。このため、ＦＣ定格発電期間Ｔ_rateにおいてバッテリＳＯＣの低下速度が小さくなり、バッテリＳＯＣはＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistだけ低下する。
　時刻ｔ３において、燃料タンク２０に蓄えられた燃料の残量が全てなくなって燃料電池スタック１の発電が停止し、バッテリＳＯＣがオフセット値ＳＯＣ_offsetだけ確保される。このため、燃料電池スタック１の発電中にバッテリ９の電力が足りなくなって駆動モータ８１の出力が低下したり、バッテリ９が過放電になったりするのを回避することができる。
　このように、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateにＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを考慮することで、燃料電池スタック１の燃料残量を全て消費した時点ｔ３で、バッテリ９の充電量を適切にオフセット値ＳＯＣ_offsetだけ確保することができる。また、燃料電池スタック１を定格電力Ｐ_rateで発電することにより、燃料電池スタック１の燃料消費を促進しつつ、バッテリ９の充電量の低下を抑制することができる。
　図８は、燃料電池システム１０の起動完了後においてバッテリＳＯＣに応じて燃料電池スタック１の発電運転を実施したときのタイムチャートである。
　ここでは、燃料電池スタック１の起動完了後、すなわち燃料電池スタック１の温度が定格発電可能な作動温度まで上昇した後に、取得したバッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rate以下となったか否かを判断する実施形態を想定している。この実施形態では、加熱用燃料を使用する必要がないため、ＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupは０（ゼロ）に設定される。
　図８では、実線によりバッテリＳＯＣの変化が示され、破線により燃料残量Ｈrestの変化が示されている。
　時刻ｔ１０では、バッテリ９のみにより駆動モータ８１などの負荷装置８に電力が供給されている。このため、バッテリＳＯＣが徐々に低下する。
　時刻ｔ１１において、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateに達したため、燃料電池スタック１による定格電力Ｐ_rateでの発電を開始する。これにより、燃料残量Ｈrestが時間の経過とともに徐々に減少する。なお、上述のとおり、燃料電池スタック１の温度は定格発電可能な作動温度まで上げられているため、燃料電池スタック１の起動制御の実行は省略される。
　燃料電池スタック１の発電開始により、バッテリ９だけでなく燃料電池スタック１からも駆動モータ８１に電力が供給されることになるため、バッテリ９の放電電力が低下する。このため、バッテリＳＯＣの低下速度は小さくなる。
　時刻ｔ１２において、燃料残量Ｈrestが０になって燃料電池スタック１の発電が停止する。このとき、バッテリＳＯＣがオフセット値ＳＯＣ_offsetだけ確保されている。このため、燃料電池スタック１の発電中において、バッテリＳＯＣが足りなくなって駆動モータ８１に供給される電力が急峻に減少するという事態を回避することができる。
　このように、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateまで低下したときには、燃料電池スタック１の発電電力を０から定格電力まで大幅に増やす。すなわち、バッテリＳＯＣに対する燃料残量Ｈrestの割合が大きくなったときには、その割合が小さくなるように、燃料電池スタック１の発電電力を階段状に増やして燃料残量Ｈrestを減らす。
　これにより、燃料電池スタック１の燃料が残っている状態でバッテリ９の充電量が欠乏するという事態を回避することが可能になる。したがって、駆動モータ８１の出力が急峻に低下しないよう、燃料電池スタック１の発電電力を有効利用してバッテリ９の充電量を確保することができる。
　図９は、バッテリ９の出力を確保するためのオフセット値ＳＯＣ_offsetを設定する設定手法の一例を示す説明図である。
　図９では、横軸が、走行負荷履歴Ｐ_vehicleとバッテリ９の出力電力の上限値である上限出力との差分を示すバッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎを示し、縦軸がオフセット値ＳＯＣ_offsetを示す。
　図９に示すように、バッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎが大きくなるほど、燃料残量の消費前にバッテリ９の充電量が欠乏する可能性は低くなるため、オフセット値ＳＯＣ_offsetを小さくする。
　本実施形態の制御部６は、第１マージンｍ１から第２マージンｍ２までの区間において、バッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎの大きさに応じて、オフセット値ＳＯＣ_offsetを下限値ＳＯＣ_offset_Lから上限値ＳＯＣ_offset_Hまでの範囲で変化させる。
　第１マージンｍ１は、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが車両定格電力Ｐ_vehicle_rateまで増大したときのバッテリ余裕度である。車両定格電力Ｐ_vehicle_rateは、負荷装置８の消費電力が最大になったときの車両消費電力である。なお、第１マージンｍ１の算出手法については次図を参照して後述する。
　第２マージンｍ２は、実験等により求められる値であり、例えば、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが車両定格電力に係数「０．７」を乗じた値になったときのバッテリ余裕度に設定される。
　このように、制御部６は、バッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎが大きくなったときには、バッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎが小さいときに比してＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを小さくする。これにより、バッテリ９の充電量の確保しつつ燃料電池スタック１の定格発電の機会を減らして燃費を向上させることができる。
　図１０は、図９に示したバッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎを算出する算出手法の一例を示す説明図である。
　図１０（ａ）は、バッテリ上限出力とバッテリＳＯＣとの関係を示す出力特性図である。図１０（ｂ）は、第１マージンｍ１の算出手法を示す説明図である。
　図１０（ｂ）に示すように、第１マージンｍ１は、バッテリＳＯＣがオフセット値ＳＯＣ_offsetになったときのバッテリ上限出力から車両定格電力を減じた値に設定される。また、図９に示したバッテリ余裕度Ｍｒａｇｉｎは、バッテリＳＯＣがオフセット値ＳＯＣ_offsetになったときのバッテリ上限出力から走行負荷履歴Ｐ_vehicleを減じて算出される。
　なお、図１０（ａ）に示すように、バッテリ上限出力はバッテリＳＯＣに応じて変化するため、図９に示したオフセット値の下限値ＳＯＣ_offset_Lは、バッテリ９の出力特性などを考慮して定められる。
　ここではバッテリ余裕度ＭｒａｇｉｎをバッテリＳＯＣがオフセット値ＳＯＣ_offsetになったときのバッテリ上限出力から走行負荷履歴Ｐ_vehicleを減じて算出したが、現時点におけるバッテリＳＯＣのバッテリ上限出力と車両消費電力との差分をバッテリ余裕度Ｍｒａｇｉｎとして用いるようにしてもよい。
　このように、制御部６は、バッテリ９の出力特性を考慮してバッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎを算出し、そのバッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎが大きくなるほどオフセット値ＳＯＣ_offsetを小さくする。これにより、バッテリＳＯＣが十分に大きいにもかかわらず燃料電池スタック１の発電を行って燃料残量Ｈrestを無用に消費してしまうことを抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１の燃費を向上させることができる。
　なお、本実施形態ではバッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateまで低下した場合に燃料電池スタック１の目標発電電力を定格電力Ｐ_rateに設定したが、定格電力Ｐ_rateよりも小さな所定の電力に設定するようにしてもよい。このような場合であっても燃料残量を消費した後にバッテリ９の充電量を確保することができる。
　本発明の第２実施形態によれば、図４に示したステップＳ９００の発電制御処理において、式（２）乃至式（４）に示したように、制御部６は、燃料残量Ｈrestが少なくなるほど、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを小さな値に変更する。
　これにより、バッテリ９の充放電に伴う燃料電池スタック１の起動回数を抑えることが可能になり、燃料電池スタック１の発電に寄与しない加熱用燃料の消費量Ｈ_startupを低減することができる。したがって、バッテリ９の充電量を確保しつつ、燃料電池システム１０の燃費を改善することができる。
　また、本実施形態によれば、ステップＳ９００の発電制御処理において、図８に示したように、制御部６は、バッテリＳＯＣが小さくなったときに、バッテリＳＯＣが大きいときに比して燃料電池スタック１の目標発電電力を０から所定の電力値に高く設定する。これにより、燃料電池スタック１の燃料が残った状態でバッテリ９の充電量が不足するという事態を抑制することが可能になる。
　目標発電電力に設定される所定の電力値は、燃料電池スタック１の定格電力値Ｐ_rateに設定するのが好ましい。これにより、バッテリ９をアシストする燃料電池スタック１の発電電力が最大になるので、負荷装置８の消費電力が急増した場合であってもバッテリ９の過放電が起り難くなる。したがって、燃料電池スタック１の燃料の残量を速やかに減らしつつ、バッテリ９の出力をより確実に確保することが可能になる。
　さらに、本実施形態によれば、図７に示したように、制御部６は、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rate以下になった場合には、バッテリＳＯＣに対する燃料残量Ｈrestの割合が小さくなるよう、燃料電池スタック１の目標発電電力を階段状に増やす。
　これにより、バッテリ９の充電量よりも燃料電池スタック１の燃料残量Ｈrestを優先して減らすことになるので、燃料が残った状態でバッテリ９の充電量が不足するという事態を抑制することができる。
　さらに、本実施形態によれば、図５に示したように、制御部６は、バッテリＳＯＣが特定のＦＣ停止閾値ＳＯＣ_regよりも大きくなった場合には、燃料電池スタック１の発電を停止する。そして制御部６は、ＦＣ停止閾値ＳＯＣ_regをＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateよりも大きな値に設定する。
　これにより、燃料電池スタック１の発電を停止する回数を減らすことができるので、これに伴って燃料電池スタック１を起動する回数も減らすことができる。このため、バッテリ９の充電に寄与しない加熱用燃料の消費を抑えることができるので、燃料電池システム１０の燃費を改善することができる。また、図５に示したようにヒステリシスが設けられるので、燃料電池スタック１の起動と停止の繰返しが起こり難くなるので、燃料電池スタック１の動作を安定させることができる。
　また、本実施形態によれば、図４に示したように、制御部６は、ステップＳ９１３において、負荷装置８で消費される電力の変動履歴を示す走行負荷履歴Ｐ_vehicleを算出する。そして制御部６は、その走行負荷履歴Ｐ_vehicleを用いて、ステップＳ９１４でＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを算出するとともに、ステップＳ９１６でＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistを算出する。制御部６は、これらの算出結果を用いてステップＳ９１８でＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを算出する。
　すなわち、制御部６は、バッテリ９に接続された負荷装置８の変動履歴に応じてＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを補正する。これにより、バッテリ９から負荷装置８への放電電力の増加量に応じて燃料電池スタック１の起動タイミングが早められるので、燃料電池スタック１の燃料消費を促進しつつ、バッテリ９の充電量が欠乏するのをより確実に回避することが可能になる。
　例えば、図６に示したように、制御部６は、負荷装置８の消費電力の移動平均値を示す走行負荷履歴Ｐ_vehicleが大きくなるほど、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを大きくする。
　これにより、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが大きくなるほど燃料電池スタック１の起動タイミングが早まるので、燃料の残量を減らしてバッテリ９の充電量が減少するのを抑制することが可能になる。また、負荷装置８の消費電力の移動平均値を用いることにより、負荷装置の消費電力が短期間に変動することに伴ってＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateが頻繁に変動するのを回避することができる。したがって、燃料電池スタック１の起動と停止が繰り返されるという事態を抑制することができる。
　また、本実施形態によれば、制御部６は、ステップＳ９１５で燃料電池スタック１の起動期間に拡散燃焼器３５２や、触媒燃焼器３５３、排気燃焼器４０に供給される加熱用燃料の消費量Ｈstartupを用いてＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを算出する。そして制御部６は、ステップＳ９１６でＦＣ定格発電期間Ｔ_rateのバッテリ放電量Ｓ_assistを算出し、この算出結果を用いてステップＳ９１８でＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを算出する。
　すなわち、制御部６は、燃料電池スタック１の起動に必要となる加熱用燃料の消費量Ｈstartupを用いてＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを小さく補正する。これにより、燃料電池スタック１の起動タイミングが遅くなったり、さらには起動自体が抑制されたりするので、バッテリ９の充電に寄与しない燃料電池スタック１の起動を抑制することができる。
　また、本実施形態によれば、制御部６は、ステップＳ９１５で燃料残量Ｈrestに基づき燃料電池スタック１が定格電力Ｐ_rateで発電するＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを求め、ステップＳ９１６でＦＣ定格発電期間Ｔ_rateにおいて負荷装置８の消費電力に応じてバッテリ放電量Ｓ_assistを算出する。そして制御部６は、ステップＳ９１８でＦＣ定格発電期間のバッテリ放電量Ｓ_assistをオフセット値ＳＯＣ_offsetに加えてＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateを算出する。
　このように、燃料電池スタック１を定格電力で発電させることにより、車両消費電力が急増した場合でもバッテリ９から負荷装置８への電力供給が最大限アシストされるので、バッテリ９の充電量の欠乏を抑制することができる。さらに、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_rateにオフセット値ＳＯＣ_offsetを加味することにより、燃料電池スタック１の起動タイミングが早まるので、燃料消費を促進しつつバッテリ９の出力をより確実に確保することが可能になる。
　また、本実施形態によれば、図９に示したように、制御部６は、バッテリ上限電力と車両消費電力との差分を示すバッテリ余裕度Ｍａｒｇｉｎが大きくなるほど、オフセット値ＳＯＣ_offsetを小さな値に設定する。
　すなわち、バッテリ９の出力に余裕があるときには、バッテリ９の充電量が欠乏しにくくなるためオフセット値ＳＯＣ_offsetを小さくすることにより、燃料電池スタック１の発電を開始するタイミングを必要以上に早めるのを抑制することができる。したがって、燃料電池スタック１での効率の悪い燃料消費が抑制されるので、燃料電池システム１０の燃費を向上させることができる。
　なお、本実施形態ではバッテリ９の充電量の確保を優先するために燃料電池スタック１を定格電力で発電させる例について説明したが、燃料電池スタック１の発電電力を大きくするほど燃料電池システム１０のエネルギー効率は低下してしまう。このため、バッテリ９の電力を確保しつつ燃料電池スタック１の発電電力を低く抑えることが望ましい。そこで、次の実施形態では燃料電池スタック１の定格発電によるバッテリ保護運転モードに加えて、燃料電池システム１０の燃費を向上させる燃費優先運転モードを備えている。
（第３実施形態）
　図１１は、本発明の第３実施形態における燃料電池システム１０の目標出力電力とバッテリ９の充電量との関係を示す説明図である。
　図１１に示すように、本実施形態ではバッテリ保護運転及び燃費優先運転の２つの運転区間が設定される。
　バッテリ保護運転区間は、図５に示したバッテリＳＯＣの下限値から閾値ＳＯＣ_rateまでの燃料電池スタック１の運転区間と同じ区間である。バッテリ保護運転区間において制御部６は、バッテリ９の充電量の確保を優先するために、燃料電池スタック１の発電電力を定格電力Ｐ_rateに設定する。なお、燃料電池スタック１を定格電力Ｐ_rateで発電するには、燃料電池スタック１の温度を発電可能な温度範囲内の上限側に維持する必要がある。
　燃費優先運転区間Ｓ_fitは、バッテリ保護運転区間の下限値である運転切替閾値ＳＯＣ_rateよりも高いバッテリＳＯＣ領域に設定される。燃費優先運転区間Ｓ_fitにおいて制御部６は、燃料電池スタック１の燃費を向上させるために、燃料電池スタック１の目標発電電力を、定格電力値Ｐ_rateよりも低い高効率電力値Ｐ_ecoに設定する。なお、高効率電力値Ｐ_ecoは、燃料電池スタック１の温度を発電可能な温度範囲の下限側に維持した状態において燃料電池スタック１のエネルギー効率が最も高い電力値に設定される。
　このように、バッテリ保護運転区間に加えて燃費優先運転区間Ｓ_fitを設定することにより、燃料電池スタック１の起動回数を減らすことが可能になるので、起動制御で使用される加熱用燃料の消費量を削減することができる。また、燃料電池スタック１の発電運転中におけるエネルギー効率が悪いバッテリ保護運転の回数を減らすことが可能になるので、システム全体のエネルギー効率を高めることができ、燃費を向上させることができる。
　図１２は、バッテリ保護運転、及び燃費優先運転のエネルギー効率に関する観念図である。ここでは、横軸が燃料電池スタック１の発電電力を示し、縦軸が燃料電池スタック１のエネルギー効率を示す。
　燃費優先運転においては、制御部６は、燃料電池スタック１の温度を発電可能な温度範囲の下限側温度、例えば６５０℃に維持し、燃料電池スタック１のエネルギー効率が最も高くなる高効率電力値Ｐ_ecoとなるように、燃料電池スタック１を発電させる。すなわち、制御部６は、高効率電力値Ｐ_ecoで発電するのに必要となるアノードガス及びカソードガスの各流量を燃料電池スタック１に供給する。これと共に制御部６は、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１を操作して、燃料電池スタック１の電圧を、燃料電池スタック１からバッテリ９へ取り出される電力が高効率電力値Ｐ_ecoとなる電圧値まで上げる。
　バッテリ保護運転においては、制御部６は、燃料電池スタック１の温度を発電可能な温度範囲の上限側温度、例えば７５０℃に維持し、発電電力が燃料電池スタック１の下限電圧に対応する定格電力値Ｐ_rateとなるように、燃料電池スタック１を発電させる。すなわち、制御部６は、定格電力値Ｐ_rateで発電するのに必要となるアノードガス及びカソードガスの各流量を燃料電池スタック１に供給する。これと共に制御部６は、ＤＣ-ＤＣコンバータ５１を操作して、燃料電池スタック１の電圧を、燃料電池スタック１からバッテリ９へ取り出される電力が定格電力値Ｐ__rateとなる電圧値まで下げる。
　このように、制御部６は、バッテリＳＯＣが運転切替閾値ＳＯＣ_rateよりも大きいときには、燃料電池スタック１の発電可能な温度範囲内において燃料電池スタック１の温度を下げるとともに燃料電池スタック１の発電電力を低く設定する。一方、バッテリＳＯＣが運転切替閾値ＳＯＣ_rateよりも小さくなったときには、燃料電池スタック１の発電可能な温度範囲内において加熱用燃料を用いて燃料電池スタック１の温度を上げるとともに燃料電池スタック１の発電電力を高く設定する。
　図１３は、燃費優先運転区間Ｓ_fitを設定する設定手法の一例を示す説明図である。ここでは、横軸が走行負荷履歴Ｐ_vehicleを示し、縦軸が燃費優先運転区間Ｓ_fitを示す。
　図１３に示すように、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが大きくなるほど、燃料電池スタック１の発電によりバッテリ９の出力をアシストする必要性が高まるため、燃費優先運転区間Ｓ_fitを大きくする。
　具体的には、高効率電力Ｐ_ecoから車両定格電力Ｐ_vehicle_rateまでの区間において、制御部６は、燃費優先運転区間Ｓ_fitを、走行負荷履歴Ｐ_vehicleの大きさに応じて下限値Ｓ_fit_Lから上限値Ｓ_fit_Hまでの範囲で変化させる。
　このように、制御部６は、負荷装置８の消費電力である車両消費電力が大きくなったときには、車両消費電力が小さいときに比して燃費優先運転区間Ｓ_fitを大きくする。これにより、燃料電池スタック１の発電効率が改善するので、燃料電池スタック１からバッテリ９への充電量が増加するとともに、燃料電池システム１０の燃費を向上させることができる。
　図１４は、本実施形態におけるステップＳ９００で実行される発電制御処理の一例を示すフローチャートである。
　本実施形態の発電制御処理は、図４に示したステップＳ９１４、Ｓ９１５、Ｓ９１７乃至Ｓ９２０の処理に代えてステップＳ９３４、Ｓ９３５、Ｓ９３７乃至Ｓ９４２の処理を備えている。他の処理については、図４に示した処理と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。
　ステップＳ９３４において制御部６は、ステップＳ９１４の処理と同様、式（１）に従ってＦＣ起動期間のバッテリ放電量Ｓ_startupを算出する。
　本実施形態のＦＣ起動期間Ｔ_startupは、燃料電池スタック１の停止状態から燃費優先運転へと遷移するのに要する起動期間と、燃費優先運転からバッテリ保護運転へと遷移するのに要する暖機期間とを積算した値である。具体的には、起動期間は、燃料電池スタック１の温度を燃費優先運転の実施に必要な温度まで上げるのに要する時間であり、暖機期間は、燃料電池スタック１の温度を燃費優先運転の温度状態からバッテリ保護運転の実施に必要な温度まで上げるのに要する時間である。
　ステップＳ９３５において制御部６は、ステップ９１５の処理と同様、式（２）に従ってＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを算出する。
　本実施形態の加熱用燃料の消費量Ｈstartupは、燃費優先運転の作動温度まで燃料電池スタック１の温度を上げるのに必要となる起動用燃料の消費量と、燃費優先運転の温度状態からバッテリ保護運転の作動温度まで燃料電池スタック１を暖機するのに必要となる暖機用燃料の消費量とを加算した値に設定される。
　次に、ステップＳ９３７において制御部６は、図９に示したように、バッテリ余裕度Ｍ
ａｒｇｉｎの大きさに応じて、バッテリ９の出力を確保するためのオフセット値ＳＯＣ_offsetを設定する。
　本実施形態における第１マージンｍ１は、図１５に示すように、バッテリ上限出力から車両定格電力を減じた値に高効率電力Ｐ_ecoを加算して求められる。また、バッテリ余裕度Ｍａｒｉｇｎは、バッテリＳＯＣがオフセット値の上限値ＳＯＣ_offset_Hに達したときのバッテリ上限出力から走行負荷履歴Ｐ_vehicleを減じた値に高効率電力Ｐ_ecoを加算して求められる。
　ステップＳ９３８において制御部６は、ステップＳ９１８の処理と同様、式（４）に従って、燃費優先運転からバッテリ保護運転への切替えタイミングを規定する運転切替閾値ＳＯＣ_rateを設定する。
　ステップＳ９３９において制御部６は、図１３に示したように、走行負荷履歴Ｐ_vehicleの大きさに応じて、燃費優先運転区間Ｓ_fitを設定する。
　ステップＳ９４０において制御部６は、次式（５）のように、燃料電池スタック１の起動タイミングを規定するＦＣ起動閾値ＳＯＣ_ecoを算出する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ステップＳ９４１において制御部６は、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_ecoまで低下したときの目標発電電力を高効率電力値Ｐ_ecoに設定し、バッテリＳＯＣが運転切替閾値ＳＯＣ_rateまで低下したときの目標発電電力を定格電力値Ｐ_rateに設定する。そして、ステップＳ９４１の処理が終了すると、制御部６は、図２に示したステップＳ１００乃至Ｓ１０４による起動制御を実行する。
　これにより、制御部６は、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_ecoになった場合には、燃料電池スタック１の温度を発電可能な温度範囲の下限側まで上昇させるとともに、高効率電力Ｐ_ecoで発電するのに必要となるカソードガス及びアノードガスの各流量を燃料電池スタック１に供給する。
　そして、制御部６は、バッテリＳＯＣが運転切替閾値ＳＯＣ_rate以下になった場合には、燃料電池スタック１の温度を発電可能な温度範囲の上限側まで上昇させるとともに、定格電力Ｐ_rateで発電するのに必要となるカソードガス及びアノードガスの各流量を燃料電池スタック１に供給する。
　本発明の第３実施形態によれば、制御部６は、バッテリＳＯＣ（充電量）がＦＣ起動閾値（第１閾値）ＳＯＣ_ecoになったときには、燃費優先運転を実施する。すなわち、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値ＳＯＣ_ecoまで小さくなった場合には、制御部６は、燃料電池スタック１を起動して燃料電池スタック１を定格電力Ｐ_rateよりも低い高効率電力Ｐ_ecoで発電させる。これにより、燃料電池スタック１のエネルギー効率が改善するため、燃料電池システム１０の燃費を向上させることができる。
　そして、バッテリＳＯＣが、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_ecoよりも小さな運転切替閾値（第２閾値）ＳＯＣ_rate以下になった場合には、制御部６は、燃料電池スタック１の運転状態を、燃費優先運転からバッテリ保護運転に切り替える。すなわち、制御部６は、バッテリＳＯＣが運転切替閾値ＳＯＣ_rateまで小さくなった場合に、図１２に示したように、燃料電池スタック１の温度を高くして燃料電池スタック１の発電電力を増やす。これにより、燃料の残量の消費を促進しつつバッテリ９の充電量を確保することができる。
　仮にバッテリ９の充電量が燃料の残量よりも先に無くなると、バッテリ９の上限出力の方が燃料電池スタック１の定格電力Ｐ_rateよりも大きいことから、駆動モータ８１への電力供給を十分にできなくなり、バッテリ９の放電電力が過大となって出力性能が低下することが懸念される。また、燃料電池スタック１の発電電力をバッテリ９に充電するのに時間を要するため、車両が走行可能になるまでに時間を要することになる。
　これに対して、図１１に示したようにバッテリ保護運転区間を設けることにより、燃料残量の消費後にバッテリ９の充電量が確保されるので、バッテリ９の性能劣化を抑制しつつドライバビリティーの低下を抑制することができる。
　また、本実施形態によれば、制御部６は、ステップＳ９３５において燃料電池スタック１の起動及び暖機に必要となる加熱用燃料の消費量Ｈstartupを用いてＦＣ定格発電期間Ｔ_rateを算出する。このＦＣ定格発電期間Ｔ_rateに基づいて運転切替閾値ＳＯＣ_rate及びＦＣ起動閾値ＳＯＣ_ecoが算出される。
　したがって、燃費優先運転からバッテリ保護運転への運転切替タイミングと起動タイミングとが補正されることになるので、バッテリ９の充電量が不足しないよう、的確に燃料電池スタック１を起動してバッテリ保護運転に切り替えることが可能になる。
　また、本実施形態によれば、図１３に示したように、走行負荷履歴Ｐ_vehicleが大きくなるほど、燃費優先運転区間Ｓ_fitが大きくなる。すなわち、バッテリ９に接続された負荷装置８の消費電力が大きくなるほど、ＦＣ起動閾値ＳＯＣ_ecoから運転切替閾値ＳＯＣ_rateまでの区間を広げる。
　これにより、燃料電池スタック１の起動タイミングが早まり、燃料電池スタック１のエネルギー効率が高い状態で発電する期間が長くなるので、燃料電池スタック１からバッテリ９への電力供給量を増やすことができるとともに、燃料電池システム１０の燃費を向上させることができる。
　なお、本実施形態ではバッテリＳＯＣの大きさに応じて２つの運転点で燃料電池スタック１を発電させる例につて説明したが、これに限られるものではない。例えば、制御部６は、燃料電池スタック１の運転点を３つ以上設定し、バッテリＳＯＣが小さくなるほど、燃料電池スタック１の発電電力を段階的に低くするように制御してもよい。このようにしても、燃料電池スタック１のエネルギー効率を第２実施形態に比べて改善することができる。
（第４実施形態）
　図１６は、高分子電解質型燃料電池を備える燃料電池システム１１の構成の一例を示す構成図である。
　燃料電池システム１１は、負荷装置８ａに備えられた駆動モータ８１と、燃料電池スタック１の電力を補助する補助バッテリ９ａとに電力を供給するものである。
　燃料電池システム１１は、複数の高分子電解質型燃料電池を積層した燃料電池スタック１ａと、燃料供給装置２ａと、酸化剤供給装置３ａと、電力変換装置５ａと、駆動モータ８１の要求電力に基づいて燃料電池スタック１ａへのアノードガス及びカソードガスの供給流量を制御する制御部６ａとを備える。
　燃料供給装置２ａは、アノードガスを高圧で収容する高圧タンク２０ａと、アノードガス供給通路２２ａと、アノードガスの圧力を調整するアノード調圧弁２３ａと、アノードオフガスを排出するパージ弁２４ａと、アノードガス排出通路２９ａとを備える。
　酸化剤供給装置３ａは、フィルタ３０ａと、コンプレッサ３２ａと、カソードガス供給通路３３ａと、カソードガスの圧力を調整するカソード調圧弁３４ａと、カソードガス排出通路３９ａとを備える。電力変換装置５ａは、燃料電池システム１１の発電電力を負荷装置８ａ又は補助バッテリ９ａに供給するＤＣ-ＤＣコンバータ５１を備える。
　このような燃料電池システム１１においても、制御部６ａは、充電量センサ６１からバッテリＳＯＣを取得し、図２のステップＳ１００に示したように、バッテリＳＯＣがＦＣ起動閾値以下になった場合には、燃料電池スタック１を起動させる。そして、制御部６ａは、燃料量センサ６２から燃料電池スタック１ａに供給可能な燃料の残量を取得し、図３のステップＳ９０３に示したように、燃料残量が少なくなったときには、燃料残量が多いときに比してＦＣ起動閾値を小さな値に設定する。
　本発明の第４実施形態によれば、第１乃至第３実施形態と同様、燃料電池スタック１の起動を抑制することができるので、バッテリ９の充電に寄与しない加熱用燃料の消費を抑制することができる。したがって、バッテリ９の出力を確保しつつ、燃料電池システム１０の燃費を向上させることができる。
　以上のように、各実施形態では二次電池の充電量に対して燃料の残量が少ないときには燃料電池の起動が抑制されるので、無用な燃料の消費を抑制することができる。これに対し、燃料の残量に対して二次電池の充電量が不足しやすい状況では、燃料電池の発電電力が増大するので、二次電池の充電量の不足を補うことができる。このため、バッテリの過放電が起こりにくくなるので、バッテリの性能が劣化するという事態を抑制することができる。
　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。
　例えば、制御部６は、図２に示したステップＳ９００の発電制御処理を、燃料電池スタック１の起動制御中に実行したが、燃料電池スタック１の発電運転中や停止制御中などに実行してもよい。あるいは、制御部６は、燃料電池システム１０の起動から停止までの期間中、常に閾値ＳＯＣ_rate及びＳＯＣ_ecoを更新するようにしてもよい。このようにしても、上記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
　なお、上記各実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
　本願は、２０１５年１２月２５日に日本国特許庁に出願された特願２０１５－２５４１６２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 (11)

  1. 　燃料電池に燃料及び酸化剤を供給して前記燃料電池の発電電力を二次電池へ出力する燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記二次電池の充電量を取得する充電量取得ステップと、
    　前記二次電池の充電量が所定の値以下になった場合に、前記燃料電池の発電を停止した状態から前記燃料電池を起動させる又は前記燃料電池の発電電力を増やす発電制御ステップと、
    　前記燃料電池に供給可能な燃料の残量を取得する燃料量取得ステップと、
    　前記燃料の残量が少なくなったときには、前記燃料の残量が多いときに比して前記所定の値を小さな値に設定する設定ステップと、
    を含む燃料電池システムの制御方法。
  2. 　請求項１に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記発電制御ステップは、前記二次電池の充電量が前記所定の値以下になったときには、当該充電量が前記所定の値よりも大きいときに比して前記燃料電池の発電電力を高く設定する、
    燃料電池システムの制御方法。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記発電制御ステップは、前記二次電池の充電量に対する前記燃料の残量の割合が小さくなるように、前記燃料電池の発電電力を階段状に増やす、
    燃料電池システムの制御方法。
  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の制御方法であって、
    　前記発電制御ステップは、前記二次電池の充電量が特定の閾値よりも大きくなった場合に、前記燃料電池の発電を停止し、
    　前記設定ステップは、前記特定の閾値を前記所定の値よりも大きな値に設定する、
    燃料電池システムの制御方法。
  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の制御方法であって、
    　前記設定ステップは、前記二次電池に接続された負荷の変動履歴に応じて前記所定の値を算出する、
    燃料電池システムの制御方法。
  6. 　請求項５に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記設定ステップは、前記負荷の移動平均値が大きくなるほど、前記所定の値を大きくする、
    燃料電池システムの制御方法。
  7. 　請求項５又は請求項６に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記設定ステップは、前記燃料電池の起動又は暖機に必要となる燃料の消費量に応じて前記所定の値を補正する、
    燃料電池システムの制御方法。
  8. 　請求項７に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記設定ステップは、
    　前記燃料の残量に基づいて前記燃料電池の定格発電による発電期間を求め、当該発電期間における前記二次電池の放電量を前記負荷の大きさに応じて算出し、
    　前記二次電池の放電量に所定のオフセット値を加算して前記所定の値を算出する、
    燃料電池システムの制御方法。
  9. 　請求項８に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記設定ステップは、前記二次電池の上限出力と前記負荷の消費電力との差分が大きくなるほど、前記所定のオフセット値を小さな値に設定する、
    燃料電池システムの制御方法。
  10. 　請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
    　前記発電制御ステップは、
    　前記二次電池の充電量が前記所定の値よりも大きな第１閾値まで小さくなった場合には、前記燃料電池を起動して前記燃料電池を発電させ、
    　前記二次電池の充電量が前記所定の値である第２閾値まで小さくなった場合には、前記燃料電池の温度を高くして前記燃料電池の発電電力を増やし、
    　前記設定ステップは、前記二次電池の負荷が大きくなるほど、前記第１閾値から第２閾値までの区間を広げる、
    燃料電池システムの制御方法。
  11. 　二次電池に接続され、前記二次電池の状態に応じて発電する燃料電池と、
    　前記燃料電池に燃料及び酸化剤を供給するガス供給装置と、
    　前記二次電池の充電量を検出するセンサと、
    　前記二次電池の充電量が所定の値以下になった場合に、前記燃料電池の発電を停止した状態から前記燃料電池を起動させる又は前記燃料電池の発電電力を増やすコントローラと、を含み、
    　前記コントローラは、前記ガス供給装置に蓄えられた燃料の残量が少なくなったときには、前記燃料の残量が多いときに比して前記所定の値を小さな値に設定する、
    燃料電池システム。
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