JP4458126B2 - 燃料電池システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、必要な熱量を供給する燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料ガスとしての水素ガスと酸化剤ガスを反応させて電気的エネルギを生成するものである。自動車などに車載される燃料電池システムは、通常時において燃料電池に投入された水素エネルギを高効率で電気エネルギに変換するように制御される（以下、高効率発電）。そのため、高効率発電している燃料電池は、水素エネルギから熱エネルギへ変換する割合は少なく、発熱量が少ない。

その結果、燃料電池を発電に適した温度（８０℃付近）まで一定時間内で暖機するために必要な熱量が不足していた。また、燃料電池システムが暖房装置を備えている場合、高効率発電時の燃料電池から生じる熱エネルギは少なく、暖房の熱源としては不十分である。そのため、不足分の熱量を補うこと目的とした、燃料電池システムの考案がなされてきた。

従来の燃料電池システムとして、供給する空気量を減少させることにより燃料電池を低効率で発電させる構成が知られている（例えば特許文献１を参照）。これにより、燃料電池を暖機するための発熱量を増加させることが出来る。

また、従来の暖房装置を備える燃料電池システムは、暖房に必要な熱量（以下、暖房必要熱量）を供給するために、燃料電池の冷却媒体循環路に、冷却媒体を加熱する加熱手段、及び、空調用暖房に用いる熱を供給する熱交換器を備えている（例えば、特許文献２又は特許文献３を参照）。燃料電池からの発熱量が少ない場合には、冷却媒体を加熱手段により加熱して、暖房のために不足した熱量を供給していた。

特開２００４−３０９７９号公報 特開２００４−３１１２２９号公報 特開２００７−３８９５２号公報

特許文献１に記載の従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池の電流−出力曲線と燃料電池に要求される出力に基づき、燃料電池の電流と電圧が一義的に決定されている。そのため、燃料電池システムが暖機のために必要とする必要熱量に対して供給する発熱量が不足、又は過剰となるという問題があった。

特許文献２、３に記載の従来の燃料電池システムにおいて、不足分の暖房必要熱量を供給するために加熱手段による加熱量を大きくする必要があった。その結果、加熱手段は大きくなり、燃料電池システムの大型化を招いていた。

本発明は、燃料電池システムを大型化することなく、かつ、燃料電池システムに必要な熱量を供給することを目的とする。

本発明は燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池と、燃料電池の電流を制御する電流制御手段と、燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、燃料電池システムが必要とする必要熱量を算出し、算出された必要熱量を発熱するように電流制御手段の電流目標値と電圧制御手段の電圧目標値を決定することで発熱量を制御する発熱量制御手段と、を備える燃料電池システムである。

また、燃料電池の発熱を熱源として用いる暖房装置を備え、前記必要熱量は作動している前記暖房装置が必要とする暖房必要熱量を含むことが好適である。

また、前記必要熱量は、燃料電池の暖機に必要な暖機必要熱量を含むことが好適である。

また、必要熱量は、燃料電池システムの温度を所定温度に維持するために必要な維持必要熱量を含むことが好適である。

また、制御手段は、燃料電池の高効率発電より発電効率を低下させた低効率発電で制御することが好適である。

また、前記電圧制御手段はＤＣ／ＤＣコンバータで、前記電流制御手段は反応ガスの供給手段であることが好適である。

また、本発明は燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池と、前記燃料電池の出力を充放し又は充電した電力を放電する二次電池と、前記二次電池の電圧を制御する電圧制御手段と、を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力を算出し、算出された必要熱量と要求出力に基づいて、燃料電池を高効率で発電させる高効率発電モードと、電圧の下限値を第一電圧下限値とする高効率発電より発電効率が低下した第一低効率発電モードと、電圧の下限値が第一電圧下限値よりも小さい第二電圧下限値である第二低効率発電モードとのいずれかのモードで動作するように燃料電池を制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システムである。

また、本発明は燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池と、前記燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力に基づいて、燃料電池を高効率で発電させる高効率発電モードと、電圧の下限値を第二電圧下限値とする高効率発電より発電効率が低下した第一低効率発電モードとのいずれかのモードで動作するように燃料電池を制御する制御手段を備える燃料電池システムである。

また、前記燃料電池の発熱を熱源として用いる暖房装置を備え、前記必要熱量は作動している前記暖房装置が必要とする暖房必要熱量を含むことが好適である。

また、必要発熱量は燃料電池の温度を所定温度に維持するために必要な維持必要熱量を含むことが好適である。

また、前記必要熱量は燃料電池の暖機に必要な暖機必要熱量を含むことが好適である。

また、制御手段は、前記第一低効率発電モード又は前記第二低効率発電モードから高効率発電モードに移行した場合に、燃料電池に供給される前記反応ガス量を増加させることが好適である。

また、本発明は燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力とを求める第１ステップと、反応ガスの供給状態により決まる燃料電池の電流―電圧曲線において必要熱量と要求出力とを満たす電流値と電圧値で定められる動作点を求める第２ステップと、動作点で燃料電池の発電が行われるように燃料電池の電流値と電圧値を制御する第３ステップと、を有する燃料電池システムの制御方法である。

また、燃料電池システムは燃料電池の発熱を熱源として用いる暖房装置を備え、必要熱量は作動している暖房装置が必要とする暖房必要熱量と燃料電池の暖機に必要な暖気必要熱量とを含むことが好適である。

また、要求出力は燃料電池システムが搭載された車両が要求する駆動力と燃料電池システムの補機が要求する出力とを含むことが好適である。

また、燃料電池システムは動作点を設定するためのコンバータを備えることが好適である。

本発明によれば、燃料電池システムの必要な必要熱量を供給することができる。

また、燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力に基づいて燃料電池の動作点を制御するため、燃料電池システムに要求される出力を供給しつつ、必要熱量を供給することが出来る。

以下、第１の実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。なお、第１の実施形態は、燃料電池システムを燃料電池車に適用したものである。以下の実施形態は、本発明の適用形態の単なる例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。

図１は、燃料電池システム１０を示したものである。第１の実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、燃料電池に燃料ガスを供給する水素系２００、燃料電池に酸化剤ガスを供給するエア系３００、燃料電池を冷却するための冷却系４００、燃料電池の電気的エネルギを利用する負荷系５００、および、燃料電池システムを制御する制御系６００から構成される。

燃料電池１００は、例えば固体高分子型の燃料電池が用いられる。第１の実施形態では、複数の単位電池を積層した燃料電池スタックを用いる。燃料ガスとして水素ガス、酸化剤ガスとして空気を供給して発電を行う。また、発電時における燃料電池の電流値を検出する電流センサ１０２と、燃料電池の端子間電圧を検出する電圧センサ１０４、及び、燃料電池の温度を測定する温度センサ１０６を備えている。検出されたそれぞれの値は、制御部６００に入力される。

燃料電池に燃料ガスを供給する水素系２００は、燃料ガスとしての水素を有する水素タンク２０２から燃料電池１００へと供給される水素ガスの経路を含む系である。水素タンク２０２から供給される水素ガスは、水素ガスを所定圧力に減圧する減圧弁２０４、水素ガスの圧力を測定する圧力センサ２０６、水素供給路２０８を順番に通過した後に、燃料電池１００のアノード側の水素ガス流路に供給される。検出された水素ガスの圧力値は制御部６００に入力され、制御部６００が水素ガスの圧力値が所定値になるように減圧弁２０４を制御する。

この水素ガスは、燃料電池１００の発電に用いられるが、供給される全量が消費されるわけではなく、未反応の水素ガスは、燃料電池１００から排出される。なお、排出水素ガスは通常燃料電池内での反応生成物である水の含有量が増加している。排出された水素ガスは、水素ガスを駆動する水素ポンプ２１０、水素供給経路２０８と合流する水素ガス循環路２１２を通過して、水素供給路２０８を流れる水素ガスと合流する。水素ガスの循環の駆動力として、本実施形態では水素ポンプ２１０を示しているがエゼクタであってもよい。すなわち、水素タンクからの水素ガスが十分の圧力があるので、エゼクタを利用することで、水素タンクからの水素ガスの流れによって、循環水素ガスを随伴することができる。

燃料電池に酸化剤ガスを供給するエア系３００は、空気（特に、空気中に存在する酸素）を燃料電池に供給、及び、排出するための酸化剤ガスの経路である。吸入口３０２から吸入される空気は、空気の温度を検出する温度センサ３０４、空気を加圧するエアポンプ３０６、加圧された空気の圧力を検出する圧力センサ３０８を通過した後に、燃料電池１００のカソード側のガス流路に供給される。検出された空気温度と空気圧力は制御部６００に入力される。空気は、燃料電池１００の発電に用いられた後、調圧弁３１０を介して外部に放出される。なお、燃料電池１００へ空気を供給するエア系には空気を加湿するための加湿器を備えていてもよい。

燃料電池を冷却するための冷却系４００は、燃料電池１００の発電に伴う発熱を冷却するための冷却媒体の経路である。本実施形態では、冷却媒体として冷却液を用いている。燃料電池１００から排出される冷却媒体は、冷却媒体の温度を検出する温度センサ４０２、暖房用熱交換路４１６への冷却媒体の流量を制御する三方弁４０４、ラジエータバイパス路４２０への冷却媒体の流量を制御する三方弁４０６、冷却媒体を冷却するラジエータ４０８、冷却媒体の循環を駆動する冷却媒体ポンプ４１０、冷却媒体の温度を検出する温度センサ４１２を順に備える冷却媒体循環路４１４を流れて、再び燃料電池１００に供給される。暖房用熱交換路４１６は、ラジエータ４０８をバイパスするように冷却媒体循環路から分岐し、燃料電池１００により温められた冷却媒体の熱源を暖房の熱源とする熱交換器４１８を通過した後に、再び冷却媒体循環路４１４と合流する。ラジエータバイパス路４２０は、ラジエータ４０８をバイパスするように冷却媒体循環路４１４から分岐して、再び冷却媒体循環路４１４と合流する。暖房用熱交換路の三方弁４０４とラジエータバイパス路の三方弁４０６はそれぞれ制御部６００により制御され、冷却媒体の流量を制御する。検出された冷却媒体の温度は、制御部６００に入力される。

熱交換器４１８は暖房装置４２２の熱源として機能する。暖房装置４２２は、暖房温度を任意に、又は自動で設定することができる暖房温度操作部を備えている。また、暖房装置４２２は暖房対象の車室内の温度を検出する温度センサを備えていることが好適である。検出された車室内の温度は制御部６００に入力される。

燃料電池の電気的エネルギを利用する負荷系５００は、燃料電池１００に、直流電流を交流電流に変換する駆動モータのインバータ５０２と、自動車を駆動する駆動モータ５０４とが接続されている。インバータ５０２は、例えば６個のトランジスタから構成される３相ブリッジ回路を備えており、トランジスタのスイッチング作用により直流電流を交流電流に変換している。インバータ５０２は制御部６００の要求に応じて、交流電流を制御して、駆動モータ５０４の出力トルク及び回転数を制御する。燃料電池からの余剰出力を吸収するためにコンデンサ５１４を備えている。

更に、燃料電池の負荷系５００は、駆動モータのインバータ５０２と駆動モータ５０４と並列するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６と二次電池５０８と補機類５１０を備えている。二次電池５０８は、二次電池５０８の電圧を測定する電圧センサ５１２を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６は燃料電池１００の発電における電圧値を制御する機能と、燃料電池１００の電圧を二次電池５０８の電圧に制御して充電する機能を有する。二次電池５０８は、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン電池などが挙げられる。

補機類５１０は、二次電池５０８と接続されており、二次電池５０８から供給される電力を消費して機能する。本実施形態のシステムにおける補機類５１０として、水素ポンプ２１０、エアポンプ３０６、冷却媒体ポンプ４１０、加湿器などがあり、これら補機類に二次電池５０８から電力が供給される。

燃料電池システムを制御する制御部６００は、燃料電池システム１０の必要とする必要熱量、及び、要求する要求出力に応じて燃料電池システム１０を制御するものである。必要とされる必要熱量として、暖房装置４２２が熱源として要求する暖房必要熱量や、燃料電池１００を最適な発電温度まで暖機するために必要な熱量（以下、暖機必要熱量）などがある。要求される要求出力として、負荷系の駆動モータ５０４の要求出力や、補機類５１０での要求出力等がある。

必要熱量は制御部６００によって算出される。暖房必要熱量は、外気の空気温度により予め求められた暖房必要熱量マップを参照して、算出される。暖房必要熱量マップは、車室内の容積、断熱材の有無等によって決まる車室断熱係数を考慮して作成される。また、暖房装置４２２の設定温度や車室内の温度も考慮して作成される。図２に所定条件化における外気の空気温度に基づく暖房必要熱量６０２と熱交換器の交換する熱量６０４のマップを示す。図２のマップでは、例えば温度が−１６℃以下の領域では、必要暖房熱量６０２が熱交換器の交換する熱量６０４に対して大きくなる。この領域では、暖房装置４２２に供給される熱量が熱交換器４１８の交換する熱量により制限される。そのため、温度が−１６℃以下の領域では十分な熱量を暖房装置に供給することが出来ないこととなる。そこで、−１６℃以下の領域では、燃料電池１００を後述する低効率発電させて発熱量を増加させ、不足分の熱量を定常的に供給できるようにすることが好適である。

暖機必要熱量は、外気の温度に基づいて予め求められた暖機必要熱量マップを参照して、算出される。図３に所定条件下における外気温度に基づく暖機必要熱量６０６のマップを示す。なお、暖機必要熱量は、外気温度に加えて燃料電池１００の温度や冷却媒体の温度を考慮して作成することが好適である。

暖機運転後、燃料電池１００は所定温度（８０度付近）となる。暖機後の燃料電池１００の温度（８０度付近）は外気温度に対して高い温度となるため、燃料電池自体の有する熱量を放熱してしまう。特に、氷点下の条件では燃料電池１００からの放熱量が、通常発電における発熱量に対して大きくなり、燃料電池を所定温度に維持できない場合が生じる。そのため、暖気後の燃料電池の必要熱量には燃料電池を含めた燃料電池システム１０を所定温度に維持するために必要な維持必要熱量を含むことが必要であり、図４に所定温度の燃料電池における維持必要熱量６０７のマップを示す。図４の維持必要熱量マップは、燃料電池システムの所定温度における放熱係数と燃料電池１００の温度と外気温の差の積として作成される。維持必要熱量６０７を考慮して燃料電池を発熱させることにより、燃料電池温度が所定温度に対して低下する場合や、燃料電池システム１０が凍結する場合を防止することが出来る。

制御部６００は、冷却媒体循環路４１４の三方弁４０４，４０６を制御する。暖房が必要な場合には暖房用熱交換路４１６に冷却媒体が循環するように三方弁４０４を制御する。また、暖房が不要な場合は暖房用熱交換路に冷却媒体が循環しないように、暖房用熱交換路に通じる三方弁４０４を閉じる。冷却媒体が暖まってない場合は冷却媒体を冷却しないようにラジエータ４０８をバイパスするように三方弁４０６が制御され、また、冷却媒体の温度が高温になった場合は冷却媒体がラジエータ４０８を通過するように三方弁４０６は制御される。

要求出力は、制御部６００により算出される。駆動モータ５０４の出力要求は、例えば、アクセルペダルからの要求と、車速センサが検出した車速度などから算出される。補機類５１０における出力要求は、水素ポンプ２１０・エアポンプ３０６・冷却媒体ポンプ４１０を駆動するのに必要な出力をそれぞれ合計して算出される。

また、制御部６００はＤＣ／ＤＣコンバータ５０６により燃料電池１００の電圧値を制御する。本実施形態では、燃料電池１００の電圧値を制御するために、電圧センサ１０４で検出される燃料電池１００の電圧値と電圧センサ５１２で検出される二次電池５０８の電圧値の比に基づきＤＣ／ＤＣコンバータ５０６のデューティー制御をしている。

図５を用いて燃料電池１００の高効率発電に伴う発熱と出力について説明する。図５には実験的に求めた高効率発電における燃料電池の電流−電圧曲線（以下、Ｉ−Ｖ曲線）６０８と、Ｉ−Ｖ曲線上に動作点Ａを示してある。燃料電池の高効率発電とは、燃料電池１００・補機類５１０などを含めた燃料電池システム１０全体の最適な発電効率を示すＩ−Ｖ曲線６０８上に燃料電池の動作点がある状態である。最適な発電効率とは、発電効率の最大値ないし極大値又はその近傍の発電効率のことをいう。動作点Ａにおいて電流値はＩ１、電圧値はＶ１である。燃料電池の発電効率とは、燃料電池に投入される水素エネルギに対する燃料電池の出力の比である。投入される水素エネルギとは、電流値Ｉ１と燃料電池の起電圧Ｖｍａｘの積である。燃料電池の起電圧Ｖｍａｘは、次のように計算される。例えば、燃料電池が単位電池を４００枚積層されている場合は、単位電池の起電圧が１．２３Ｖであるので、燃料電池の起電圧は両者を掛け合わせて４９２Ｖと求められる。燃料電池の出力は、電流値Ｉ１と電圧値Ｖ１の積（Ｉ１×Ｖ１）である。燃料電池の発熱量は、投入される水素エネルギから燃料電池の出力を引いたエネルギ（Ｉ１×Ｖｍａｘ−Ｉ１×Ｖ１）となる。なお、高効率発電の電圧値は、燃料電池の起電圧の５０％〜７０％の範囲で制御されている。

燃料電池１００の発熱量を増加させるために、高効率発電のＩ−Ｖ曲線６０８上の動作点Ａに対して低電圧であり電圧値Ｖ２・高電流である電流値Ｉ２である動作点Ｂに動作点制御する。これにより、高効率発電より発電効率が低下した低効率発電の状態となり、動作点Ｂの発熱量はＩ２×Ｖｍａｘ−Ｉ２×Ｖ２と動作点Ａの発熱量に対して増加する。

燃料電池を動作点Ｂで制御するために、ＤＣ／ＤＣコンバータにより電圧値をＶ２に制御し、高効率発電のＩ−Ｖ曲線６０８上の動作点Ｃとする。次に、エアポンプ３０６により燃料電池への空気供給量を低下させ、電流値をＩ２に制御する。ここで、燃料電池１００への空気の供給量が減少すると、高効率発電のＩ−Ｖ曲線６０８に対して発電効率が低下したＩ−Ｖ曲線６１０ができる。空気の供給量の低下に伴い、カソードにおける酸素の供給量、及び、生成された水の排出量が低下する。そのため、カソードにおける反応が阻害され、所定の電圧値において電流値が低下するからである。なお、実施形態では先にＤＣ／ＤＣコンバータにより電圧を制御したが、エアポンプ３０６による空気供給量を制御してＩ−Ｖ曲線を先に変化させてもよい。

走行中において燃料電池１００の発熱量を増加させる場合は、駆動モータ５０４等の出力要求を満たすために、燃料電池をある程度高い電圧値Ｖ２にして出力を確保するのが望ましい。電圧値は、駆動モータの出力トルク要求から決まる電圧値（例えば、１２０Ｖ）から燃料電池の起電圧の５０％の範囲に制御するのが好適である。ここで、駆動モータの出力トルク要求から決まる電圧値を第一電圧下限値とし、第一電圧下限値を電圧の下限値とする低効率発電を第一低効率発電モードとする。第一低効率発電では要求出力と必要熱量に応じて、燃料電池の電圧を第一電圧下限値以上とするようにＤＣ／ＤＣコンバータにより制御し、燃料電池への空気の供給量を変化させ電流値を制御する。

氷点下始動時などの車の停止時に燃料電池１００の発熱量を大きく増加させる場合は、駆動モータ５０４の要求出力はなく、補機類５１０を駆動する出力のみを供給できればよい。そのため、所定値に固定された電圧値Ｖ２よりも電圧目標値を低く設定する低電圧低効率発電により、より大きな発熱量を供給可能である。燃料電池１００の電圧値は、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御限界から決まる電圧値（例えば、１５Ｖ）から駆動モータ５０４の出力トルク要求から決まる電圧値（例えば、１２０Ｖ）の範囲に制御するのが望ましい。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータの制御限界から決まる電圧値を第二電圧下限値とする。なお、走行中においても駆動モータの出力トルク要求がない場合には、電圧の下限値を第二電圧下限値として、発熱量を大きくすることができる。第二電圧下限値を電圧の下限値とする低効率発電を第二低効率発電モードとする。

次に、図６を用いて、本実施形態の低効率発電による燃料電池１００の出力と発熱量の関係について説明する。制御部６００により求められた必要熱量Ｑ［Ｗ］と要求出力Ｐ［Ｗ］に基づき、動作点Ｄの電流値Ｉ３と電圧値Ｖ３が求められる。すなわち、燃料電池で消費される水素エネルギーはＩ３×Ｖmax＝Ｑ＋Ｐである。これにより、Ｉ３＝（Ｑ＋Ｐ）／Ｖmaxと、Ｖ３＝（Ｖmax×Ｐ）／（Ｑ＋Ｐ）と求まる。求められた動作点（電流値Ｉ３と電流値Ｖ３）に燃料電池を制御することにより、要求熱量Ｐと要求出力Ｑを同時に満足することが出来る。なお、上記計算に基づく動作点制御において、必要熱量ＱはＱ＝（Ｖmax−Ｖ）×Ｉとして、要求出力ＰはＰ＝Ｉ×Ｖという関係式をそれぞれ満たす。

次に、第１の実施形態における燃料電池の運転制御の一例を図７により説明する。なお、図７に示す制御は、一定時間毎に逐次演算される。

燃料電池システム１０の暖房装置が作動していて、燃料電池１００の発熱量を暖房装置の熱源として用いている（ステップＳ１０１）。このとき、暖房温度操作部により暖房の設定温度が入力されている。暖房必要熱量はマップを用いて算出される(ステップＳ１０３)。燃料電池の暖気必要熱量が算出される（ステップＳ１０５）。ここで、暖房必要熱量と暖機必要熱量の合計値が必要熱量（Ｑａ）となる。なお、システムが所定温度に達している場合は、ステップＳ１０５に代えて維持必要熱量の計算をする。

次に、駆動モータの出力要求と燃料電池システム１０の補機類の出力要求の合計値の要求出力が、制御部６００で算出される（ステップＳ１０７）。

算出された要求出力の出力を供給でき、かつ、高効率発電におけるＩ−Ｖ曲線上にある燃料電池の動作点が求められる。この動作点における燃料電池の発熱量（通常発熱量、Ｑｂ）を算出する（ステップＳ１０９）。

算出された必要熱量(Ｑａ)が、通常発熱量(Ｑｂ)より大きいか判定する(ステップＳ１１１)。判定の結果、必要熱量(Ｑａ)が通常発熱量(Ｑｂ)より大きい場合（ステップＳ１１１：ＹＥＳ）は、燃料電池１００は低効率発電の状態となる（ステップＳ１１３）。次に、駆動モータの出力トルク要求があるかを判定する(ステップＳ１１５)。駆動モータの出力トルク要求があると判定された場合(ステップＳ１１５：ＹＥＳ)は、電圧の下限値は第一電圧下限値まで許容される第一低効率発電モードとなる(ステップＳ１１７)。許容される電圧の範囲内で、かつ、必要熱量と要求出力を満たす、電圧目標値を電流目標値が決定する(ステップＳ１１９)。燃料電池１００の電圧が電圧目標値となるようにＤＣ／ＤＣコンバータのデューティー比が制御される(ステップＳ１２１)。また、燃料電池１００の電流が電流目標値となるように空気の供給量がエアポンプにより制御される(ステップＳ１２１)。

駆動モータの出力トルク要求がないと判定された場合(ステップＳ１１５：ＮＯ)は、電圧の下限値は第二電圧下限値まで許容される第二低効率発電モードとなる(ステップＳ１２３)。許容される電圧の範囲内で、かつ、必要熱量と要求出力を満たす、電圧目標値を電流目標値が決定する(ステップＳ１２５)。燃料電池１００の電圧が電圧目標値となるようにＤＣ／ＤＣコンバータのデューティー比が制御される(ステップＳ１２７)。また、燃料電池１００の電流が電流目標値となるように空気の供給量がエアポンプにより制御される(ステップＳ１２７)。

ステップ１２１又はステップ１２７が一定時間経過した後、再びステップＳ１０３に戻る。なお、ステップＳ１１１の判定では、Ｑａ＞Ｑｂの判定基準が一定時間満たされた場合に判定をすることが好ましい。

ステップＳ１１１において必要熱量(Ｑａ)が通常発熱量(Ｑｂ)より小さいと判定された場合（ステップＳ１１１：ＮＯ）は、燃料電池１００は高効率発電モードの状態となる（ステップＳ１２９）。この状態では、燃料電池の動作点が要求出力の出力を供給できる高効率発電時のＩ−Ｖ曲線上の電圧目標値・電流目標値が計算される（ステップＳ１３１）。高効率発電におけるＩ−Ｖ曲線上では、電圧値を決めれば電流値も同時に決まるので、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティー制御をすることにより電圧値の制御のみを行えばよい（ステップＳ１３３)。高効率発電により、必要熱量の発熱量を供給しながら、燃料電池システム１０を高効率で発電することができる。

一方、燃料電池１００の低効率発電時は、空気の供給量が少なく、燃料電池内から発電に伴い生成した水を効果的に排出することが出来ず、水が溜まるという問題がある。そこで、本実施形態では、低効率発電モードから高効率発電モードに発電状態が変更された後に、セル内の残水量が所定値より大きいか判定する（ステップＳ１３５）。セル内残水量は、燃料電池の電流値及び供給した空気量から推定してもよいし、燃料電池を構成する固体高分子膜の抵抗値より推定してもよい。ここで、セル内残水量が所定値より多いと判断された場合(ステップＳ１３５：ＹＥＳ)は、反応ガス流量を増加させることによりセル内のガス流路に溜まった水分を排出する(ステップＳ１３７)。燃料電池のカソード側のガス流路では、空気の供給量をエアポンプにより増加させる。これにより、水の排出が行える。なお、燃料電池のアノード側のガス流路に溜まった水の排出は、水素循環路の水素ポンプを駆動してガスの供給量を増加させて行ってもよい。所定時間、ガス流量を増加した後に本実施形態の制御は終了する。ここで、高効率発電のＩ−Ｖ曲線は最も効率のよい曲線を示しており、空気供給量に対して発電効率が飽和した状態である。そのため、高効率発電時に空気の供給量を増加させてもそのＩ−Ｖ曲線の特性は変化しない。ＤＣ／ＤＣコンバータにより電圧値が一定に制御されていれば、燃料電池の動作点は変化しない。そのため、燃料電池の出力は一定であり、余剰の出力が供給されるという問題は生じない。

一方、セル内残水量が所定値より少ないと判断された場合(ステップＳ１３５：ＮＯ)は、本実施形態の制御はそのまま終了する。

次に、第２の実施形態について図８と図９を用いて説明する。図８に第２の実施形態のシステム構成図を示す。第２の実施形態のシステム構成は、第１の実施形態と燃料電池負荷系５００において、燃料電池１００の出力端にもＤＣ／ＤＣコンバータ５０７が更に備えられる構成である。すなわち、燃料電池システムの負荷系５００は、燃料電池１００がＤＣ／ＤＣコンバータ５０７と駆動モータのインバータ５０２と駆動モータ５０４と直列に接続され、駆動モータのインバータ５０２と駆動モータ５０４と並列に、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０６と２次電池５０８と補機類５１０を備えている。燃料電池１００の出力端にＤＣ／ＤＣコンバータ５０６を備える構成により、燃料電池の電圧が第一電圧下限値より低い場合であっても昇圧させることにより、駆動モータ５０４を動作させることが出来る。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０７の制御限界から決まる第二電圧下限値まで燃料電池１００の電圧を低下させることが出来る。

次に、第２の実施形態の燃料電池システムの運転制御の一例を図９により説明する。第２の実施形態の運転制御では、燃料電池システム１０が所定温度である場合であって、燃料電池システムの温度維持に必要な維持必要熱量６０７を燃料電池システム１０の必要熱量に含む制御について説明する。

作動している暖房装置（ステップＳ２０１）が必要とする暖房必要熱量が、マップを用いて算出される(ステップＳ２０３)。燃料電池システムの温度維持に必要な維持必要熱量がマップを用いて算出される（ステップＳ２０５）。ここで、暖房必要熱量と維持必要熱量の合計値が必要熱量（Ｑａ）となる。

次に、駆動モータ５０４の出力要求と燃料電池システム１０の補機類の出力要求の合計値の要求出力が、制御部６００で算出される（ステップＳ２０７）。高効率発電状態において要求出力を満たす動作点における燃料電池の発熱量（通常発熱量、Ｑｂ）を算出する（ステップＳ２０９）。

算出された必要熱量(Ｑａ)が、通常発熱量(Ｑｂ)より大きいか判定する(ステップＳ２１１)。判定の結果、必要熱量(Ｑａ)が通常発熱量(Ｑｂ)より大きい場合（ステップＳ２１１：ＹＥＳ）は、燃料電池１００は低効率発電の状態となる（ステップＳ２１３）。本実施形態で低効率発電（ステップＳ２１３）となると、駆動モータの出力トルク要求の有無に係らず、電圧の下限値が第二電圧下限値まで許容される第二低効率発電モードとなる（ステップＳ２２３）。許容される電圧の範囲内で、かつ、発熱要求と出力要求を満たす、電圧目標値と電流目標値が決定される（ステップＳ２２５）。燃料電池の電圧が電圧目標値となるようにＤＣ／ＤＣコンバータのデューティー比が制御され、電流が電流目標値となるように空気の供給量がエアポンプにより制御される（ステップＳ２２７）。

判定の結果、必要熱量（Ｑａ）が通常発熱量（Ｑｂ）より小さい場合（ステップＳ２１１：ＮＯ）は、高効率発電となる（ステップＳ２２９）。ステップＳ２３１以降の制御は、第１の実施形態のステップＳ１３１以降と同じである。

本実施形態では、燃料電池システムの必要熱量を燃料電池の発熱により供給したが、燃料電池システムに付属的に加熱手段を設け必要熱量から加熱手段による加熱量を除いた熱量を燃料電池により過不足なく供給するのも好適である。

また、本実施形態では低効率発電モードで溜まった水の排水を高効率発電モードへ移行後に行っていたが、低効率発電モードから高効率発電モードに移行する際に排水をすることも好適である。この場合、低効率発電モードからの高効率発電モードの移行時に強制的に反応ガス流量を増加させればよい。また、セル内残推量の推定は、低効率発電モードの継続時間から推定してもよい。さらに排水のための反応ガス増加量はセル内残推量が多いほど増量するように設定しても良い。

第１の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 暖房必要熱量と熱交換器の交換する熱量のマップを示す図である。 暖機必要熱量マップを示す図である。 燃料電池を所定温度に維持するための維持必要熱量マップを示す図である。 燃料電池のＩ−Ｖ特性を示す図である。 必要熱量と要求出力に基づき燃料電池の動作点を求める図である。 第１の実施形態に係るフローチャートである。 第２の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 第２の実施形態に係るフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、１００ 燃料電池、１０２ 電流センサ、１０４ 電圧センサ、１０６ 温度センサ、２００ 水素系、２０２ 水素タンク、２０４ 減圧弁、２０６ 圧力センサ、２０８ 水素供給路、２１０ 水素ポンプ、２１２ 水素ガス循環路、３００ エア系、３０２ 吸入口、３０４ 空気温度センサ、３０６ エアポンプ、３０８ 圧力センサ、３１０ 調圧弁、４００ 冷却系、４０２，４１２ 温度センサ、４０４，４０６ 三方弁、４０８ ラジエータ、４１０ 冷却媒体ポンプ、４１４ 冷却媒体循環路、４１６ 暖房用熱交換路、４１８ 熱交換器、４２０ ラジエータバイパス路、４２２ 暖房装置、５００ 負荷系、５０２ インバータ、５０４ 駆動モータ、５０６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５０８ 二次電池、５１０ 補機類、５１２ 電圧センサ、５１４ コンデンサ、６００ 制御部、６０２ 暖房必要熱量、６０４ 熱交換器の交換する熱量、６０６ 暖機必要熱量、６０７ 維持必要熱量、６０８ 高効率発電のＩ−Ｖ曲線、６１０ 低効率発電のＩ−Ｖ曲線。

Claims (16)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の電流を制御する電流制御手段と、
   前記燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、
   燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力を算出し、算出された必要熱量と要求出力に基づいて、前記電流制御手段の電流目標値と前記電圧制御手段の電圧目標値を決定して前記燃料電池の電流および電圧を制御することで、燃料電池における発熱量および出力を必要熱量および要求出力に応じたものに制御する制御手段と、
   を備える燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発熱を熱源として用いる暖房装置を備え、
   前記必要熱量は作動している前記暖房装置が必要とする暖房必要熱量を含む燃料電池システム。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記必要熱量は、燃料電池の暖機に必要な暖機必要熱量を含む燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記必要熱量は、燃料電池システムの温度を所定温度に維持するために必要な維持必要熱量を含む燃料電池システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれかの一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、燃料電池の高効率発電より発電効率を低下させた低効率発電で制御する燃料電池システム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
   前記電圧制御手段はＤＣ／ＤＣコンバータで、前記電流制御手段は反応ガスの供給手段である燃料電池システム。
7. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の出力を充電し又は充電した電力を放電する二次電池と、
   前記二次電池の電圧を制御する電圧制御手段と、
   を有する燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力を算出し、算出された必要熱量と要求出力に基づいて、燃料電池を高効率で発電させる高効率発電モードと、電圧の下限値を第一電圧下限値とする高効率発電より発電効率が低下した第一低効率発電モードと、電圧の下限値が第一電圧下限値よりも小さい第二電圧下限値である第二低効率発電モードとのいずれかのモードで動作するように燃料電池を制御する制御手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。
8. 燃料ガスと酸化剤ガスを反応ガスとして発電する燃料電池と、
   前記燃料電池の電圧を制御する電圧制御手段と、
   を有する燃料電池システムにおいて、
   燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力に基づいて、燃料電池を高効率で発電させる高効率発電モードと、電圧の下限値を第二電圧下限値とする高効率発電より発電効率が低下した第二低効率発電モードとのいずれかのモードで動作するように燃料電池を制御する制御手段を備える燃料電池システム。
9. 請求項７又は請求項８に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池の発熱を熱源として用いる暖房装置を備え、
   前記必要熱量は作動している前記暖房装置が必要とする暖房必要熱量を含む燃料電池システム。
10. 請求項７から請求項９のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記必要熱量は燃料電池の暖機に必要な暖機必要熱量を含む燃料電池システム。
11. 請求項７から請求項９のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記必要発熱量は燃料電池の温度を所定温度に維持するために必要な維持必要熱量を含む燃料電池システム。
12. 請求項５から請求項９のいずれか一つに記載の燃料電池システムにおいて、
    前記制御手段は、前記第一低効率発電モード又は前記第二低効率発電モードから高効率発電モードに移行した場合に、燃料電池に供給される前記反応ガス量を増加させる燃料電池システム。
13. 燃料電池システムが必要とする必要熱量と要求される要求出力とを求める第１ステップと、
    反応ガスの供給状態により決まる燃料電池の電流―電圧曲線において前記必要熱量と前記要求出力とを満たす電流値と電圧値で定められる動作点を求める第２ステップと、
    前記動作点で燃料電池の発電が行われるように燃料電池の電流値と電圧値を制御する第３ステップと、
    を有する燃料電池システムの制御方法。
14. 請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料電池システムは燃料電池の発熱を熱源として用いる暖房装置を備え、
    前記必要熱量は作動している暖房装置が必要とする暖房必要熱量と燃料電池の暖機に必要な暖気必要熱量とを含む燃料電池システムの制御方法。
15. 請求項１３又は請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記要求出力は前記燃料電池システムが搭載された車両が要求する駆動力と前記燃料電池システムの補機が要求する出力とを含む燃料電池システムの制御方法。
16. 請求項１３から請求項１５の何れか一つに記載の燃料電池システムの制御方法において、
    前記燃料電池システムは動作点を設定するためのコンバータを備える燃料電池システムの制御方法。

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