JP2011014465A - 移動体用燃料電池システムおよびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の触媒劣化を抑制しつつ、間欠運転する燃料電池の応答性およびエネルギー効率を向上させる。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、燃料電池１２からの発電電力が供給される交流モータ７８に対して燃料電池１２と並列にコンバータ７２を介して接続されるバッテリ７４と、燃料電池１２へのガス供給を制御するとともにコンバータ７２を作動制御するＥＣＵ９０とを備える。ＥＣＵ９０は、燃料電池１２に対する発電要求パワーＰ＊と閾値Ｐｔｈｒ１，Ｐｔｈｒ２との比較に基づいて燃料電池１２を通常発電モードおよび発電休止モードの間で切り替える間欠運転制御を実行し、燃料電池１２が発電休止モードにあるとき車速Ｓｖｃが高速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１を小さく設定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、移動体用燃料電池システムおよびその制御方法に係り、特に、燃料電池について間欠運転を行う移動体用燃料電池システムおよびその制御方法に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されるように、負荷であるモータに接続されるインバータに対し、燃料電池と二次電池とが並列に接続されて構成される燃料電池システムが知られている。このような燃料電池システムでは、モータを駆動するために必要となる要求パワーを、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給して発電運転させてその発電電力で賄うか、あるいは、燃料ガス等の供給を停止して燃料電池を発電休止状態として二次電池から出力させるかを、適宜に選択して、燃料電池の運転を制御している。以後、このような燃料電池の運転制御を「間欠運転」といい、発電休止状態にある運転状態を「発電休止モード」、通常の発電状態にある運転状態を「通常発電モード」ということとする。

また、特許文献２には、移動体に搭載される燃料電池システムであって、移動体は、燃料電池スタックに対する発電要求が所定値未満のときに燃料電池スタックの運転状態を発電休止モードとし、この発電休止モード中に燃料電池スタックのセル電圧回復処理実行条件が満たされるときにはセル電圧回復処理を実施することが記載されている。そして、移動体が移動中のときに設定されるセル電圧回復処理実行条件としての閾値電圧Ｖｔｈ１を、移動体が停止中のときに設定されるセル電圧回復処理実行条件としての閾値電圧Ｖｔｈ２よりも大きく設定することで、移動体が停止中のときにはセル電圧回復処理を制限することが可能になる、と述べられている。

さらに、特許文献３には、間欠運転される燃料電池を含む燃料電池システムにおいて、発電休止モードから通常発電モードに移行したとき、燃料電池システムが搭載された車両の速度に基づいて、バッテリへの充電開始を遅延させる、バッテリへの充電電流の増加率を通常発電モード時よりも小さく設定する、または、バッテリへの充電電流を通常発電モード時よりも小さく設定することが記載されている。

特開２００５−７１７９７号公報 特開２００８−５２９３７号公報 特開２００７−２６５６５３号公報

上記各特許文献に記載されるような間欠運転を行う燃料電池では、発電休止モード中には燃料電池への燃料ガスおよび酸化ガスの供給が停止されるのが一般的である。この場合、発電休止モード中にも微弱な発電が継続されて燃料電池内に残存する燃料が消費されることにより燃料電池のアノード極（燃料極）側の燃料濃度が低下する一方、酸化ガスとして酸素を含む空気が燃料電池のカソード極（酸化極または空気極）に供給される場合にはカソード極側からイオン導電性電解質膜を透過してくる窒素や水分が燃料ガスに混じってくる。そのため、発電休止モードにある燃料電池内の燃料ガスのガス品質が次第に低下することとなる。

このようにガス品質が低下した状態から通常の発電状態に復帰するのに要する時間は、ガス品質の低下度合いが大きいほどに長くなることから、発電休止モードから通常発電モードに移行した直後の燃料電池の応答性が悪くなり、ドライバビリティの悪化につながる可能性がある。

一方、発電休止モード中に燃料電池内の燃料ガスのガス品質がそれほど低下していない状態で、燃料電池が発電休止モードから通常発電モードへと移行する頻度が高くなると、燃料ガスの無駄が大きくなりエネルギー効率（または燃費）が悪くなる。

本発明の目的は、間欠運転する燃料電池について応答性悪化を抑制しつつエネルギー効率の向上を図れる移動用燃料電池システムとその制御方法を提供することにある。

本発明に係る移動体用燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池から発電電力が供給される負荷装置に対して前記燃料電池と並列に電圧変換装置を介して接続される蓄電装置と、前記燃料電池へのガス供給を制御するとともに前記電圧変換装置を作動制御する制御装置と、を備える移動体用燃料電池システムであって、前記制御装置は、燃料電池に対する発電要求パワーと閾値との比較に基づいて燃料電池へのガス供給を制御することにより燃料電池の運転状態を通常発電モードおよび発電休止モードの間で切り替える間欠運転制御を実行するとともに、燃料電池が発電休止モードにあるとき移動体の速度が高速になるほど前記閾値を小さく設定する、制御構成を有するものである。

ここで「発電休止」の文言は、通常発電状態ではないことを意味するものであって、発電を全く行っていない状態を指すものではない。

本発明に係る移動体用燃料電池システムにおいて、前記閾値は、燃料電池の運転状態が発電休止モードから通常発電モードに移行するときの比較対象となる第１の閾値と、燃料電池の運転状態が通常発電モードから発電休止モードに移行するときの比較対象となる、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値とを含み、前記制御装置は、移動体の速度が高速になるほど前記第１の閾値を小さく設定してもよい。

また、本発明に係る移動体用燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転状態が通常発電モードから発電休止モードに移行したときの移動体速度を基準速度として、この基準速度から移動体の速度が高速になるにしたがって前記第１の閾値を小さくしてもよい。

さらに、本発明に係る移動体用燃料電池システムにおいて、燃料電池の運転状態が、燃料電池への燃料ガスの供給が完全に又はほぼ停止される発電休止モードにあるとき、前記制御装置は、燃料電池の端子間電圧が開放端電圧よりも低い上限電圧を超えないようにする高電位回避制御を実行してもよい。

本発明に係る移動体用燃料電池システムの制御方法は、燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池から発電電力が供給される負荷装置に対して前記燃料電池と並列に電圧変換装置を介して接続される蓄電装置と、前記燃料電池へのガス供給を制御するとともに前記電圧変換装置を作動制御する制御装置と、を備える移動体用燃料電池システムの制御方法であって、燃料電池に対する発電要求パワーと閾値との比較に基づいて燃料電池へのガス供給を制御することにより燃料電池の運転状態を通常発電モードおよび発電休止モードの間で切り替える間欠運転を行い、燃料電池が発電休止モードにあるとき移動体の速度が高速になるほど前記閾値を小さく設定するものである。

本発明に係る移動体用燃料電池システムおよびその制御方法では、燃料電池が発電休止モードにあるとき移動体の速度が高速になるほど、発電休止モードから通常発電モードへの移行時の比較対象となる閾値を小さく設定する。移動体速度が高速になるほど、通常発電モードに移行したときの燃料電池に対する発電要求パワーは大きくなる傾向にある。したがって、移動体速度が高速になるほど前記閾値を小さく設定することにより、前記閾値を変更しない場合に比べて早いタイミングで通常発電モードに移行させることができる。これにより、燃料ガスのガス品質が相当程度低下する前に通常発電モードに移行させることができ、その結果、間欠運転する燃料電池の応答性およびドライバビリティの悪化を抑制できる。

一方、移動体の速度に関係なく前記閾値を一定とした場合には、移動体速度がそれほど高速ではないもかかわらず小さい発電要求パワーで燃料電池が発電休止モードから通常発電モードへと移行する頻繁が高くなることが起こり得、そうなると必要以上に早いタイミングで通常発電モードへの移行が生じて燃料ガスの無駄が大きくなり、エネルギー効率（または燃費）が悪くなるが、本発明では移動体の速度が高速になるほど前記閾値を小さく設定することで、より適切なタイミングで発電休止モードから通常発電モードに移行させることができ、間欠運転する燃料電池のエネルギー効率を向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態である燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、燃料電池の間欠運転制御の処理手順を示すフローチャートである。 図３は、横軸に発電要求パワー、縦軸に燃料電池の運転状態をそれぞれ表し、第１の閾値で発電休止モードから通常発電モードに移行し、第２の閾値で通常発電モードから発電休止モードに移行し、高車速になるほど第１の閾値が小さく設定される様子を示す図である。 図４は、モータ回転数（又は車速）とモータ出力との一般的な関係を示すグラフである。 図５は、発電休止モード中に、車速に応じて通常発電モードへの移行を判定するための第１の閾値を小さくする設定する様子を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。なお、下記の実施形態では、燃料電池システムが搭載される移動体が車両であるものとして説明するが、本発明に係る移動体用燃料電池システムは車両以外の移動体、例えば船舶、飛行機、ロボット等に搭載されてもよい。

図１は、本願の一実施形態である移動体用燃料電池システム（以下、適宜に「燃料電池システム」または「システム」とだけいうことがある。）１０が燃料電池車両の車載電源システムとして用いられている例を示すシステム概略構成図である。燃料電池システム１０は、燃料および酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池１２と、酸化ガスとしての空気中の酸素を燃料電池１２に供給するための空気供給系３０と、燃料としての水素を燃料電池１２に供給するための水素供給系５０と、燃料電池１２と負荷装置であるモータ７８とを電気的に接続する電力系７０と、システム全体を統括制御する制御装置であるＥＣＵ（Electronic Control Unit）９０とを備える。

燃料電池１２は、多数の燃料電池セルを電気的に直列接続した状態で積層してなる固体高分子電解質膜型セルスタックである。燃料電池１２では、燃料極（アノード極）においてＨ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-で表される酸化反応が生じ、空気極（カソード極）において（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏで表される還元反応が生じる。そして、燃料電池１２全体としては、Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏで表される電気化学反応が生じることになる。

燃料電池１２は、正極母線１３および負極母線１４を介して電力系７０に電気的に接続されている。正極母線１３には、燃料電池１２から出力される電流（以下、適宜に「ＦＣ電流」という。）Ｉ_FCを検出する電流センサ１８が設けられている。また、正極母線１３および負極母線１４間には、燃料電池１２の端子間電圧（以下、適宜に「ＦＣ電圧」という。）Ｖ_FCを検出する電圧センサ１６が設けられている。これらのセンサ１６，１８の検出信号は、ＥＣＵ９０へ送信されて、燃料電池システム１０の制御に利用される。

空気供給系３０は、燃料電池１２の空気極に供給される空気が流れる空気供給通路３２と、燃料電池１２から排出される空気が流れる空気排出通路３４とを有している。空気供給通路３２には、エアフィルタ３６を介して大気中から空気を取り込むエアコンプレッサ３８と、エアコンプレッサ３８により圧縮加圧される空気を適度に加湿するための加湿器４０と、燃料電池１２への空気供給を遮断するための遮断弁４２とが設けられている。一方、空気排出通路３４には、燃料電池１２からの空気の排出を遮断するための遮断弁４４と、空気供給圧を調整するための調圧弁４６とが設けられている。上記加湿器４０は、空気排出通路３４に燃料電池１２から空気と一緒に排出された生成水が加湿器４０内を通過する際に回収されて、空気供給通路３２を介して供給される空気の加湿に利用されるように構成されている。

水素供給系５０は、例えば高圧水素タンクなどからなる水素供給源５２と、水素供給源５２から燃料電池１２の燃料極に供給される水素ガスが流れる水素供給通路５４と、燃料電池１２から排出される水素オフガスが流れる水素排出通路５６と、水素排出通路５６から分岐して水素供給通路５４に接続される循環通路５８と、燃料電池１２から排出された水素オフガスを水素排出通路５６から循環通路５８を介して水素供給通路５４へ循環供給するための循環ポンプ６０と、を含んで構成されている。

水素供給源５２から燃料電池１２に接続する水素供給通路５４には、水素ガス供給方向の上流側から順に、水素供給源５２からの水素ガスの流出を遮断する遮断弁６１、水素供給源５２から噴出する水素ガスを適度に減圧する調圧弁６２、燃料電池１２への水素供給量を制御するインジェクタ６３、燃料電池１２への水素ガス供給を遮断するための遮断弁６４、および、燃料電池１２に供給される水素ガスの圧力を検出する圧力センサ６５が設置されている。一方、水素排出通路５６には、水素オフガス排出方向の上流側から順に、燃料電池１２からの水素オフガス排出を遮断するための遮断弁６６と、水素オフガスをシステム外に排出する際に開弁される水素オフガス排出用遮断弁６７とが設置されている。

なお、本実施形態の水素供給系５０では、水素供給源５２に貯蔵された水素が燃料電池１２に供給されるものとして説明するが、これに限定されず、天然ガス等の炭化水素系燃料を水蒸気により改質して生成される水素リッチガスを燃料電池１２に供給するようにしてもよい。

上記空気供給系３０および水素供給系５０に含まれる遮断弁４２，４４，６１，６４，６６，６７には、ＥＣＵ９０からの指令を受けて開弁または閉弁する電磁弁などが好適に用いられる。また、調圧弁４６，６２は、その上流側の一次圧力を予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば一次圧を減圧する機械式の減圧弁などが好適に用いられる。さらに、インジェクタ６３は、電磁駆動力により開閉可能な弁体を有する電磁式の開閉弁などにより好適に構成され、弁体の開度または開弁時間が制御されることによって通過する水素ガス流量および水素ガス圧を調整できるようになっている。

電力系７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧変換装置）７２、バッテリ（蓄電装置）７４、インバータ７６および交流モータ（負荷装置）７８を含む。インバータ７６は、正極母線１３および負極母線１４を介して燃料電池１２に電気的に接続されており、燃料電池１２から供給される直流電力を交流電力に変換して交流モータ７８に印加する機能と、逆に、回生制動時に交流モータ７８が発電機として機能するときには交流モータ７８から出力される交流電力を直流電圧に変換する機能とを有する。インバータ７６は、例えばそれぞれ複数のＩＧＢＴなどの電力用スイッチング素子およびダイオードによって構成されることができる既知の構成のものであり、上記電力用スイッチング素子がＥＣＵ９０によってオン・オフ制御されることによって、直流電圧を三相交流電圧に又はこの逆に変換することができる。

交流モータ７８には、三相同期型交流モータを好適に用いることができる。交流モータ７８は、インバータ７６によって変換された三相交流電圧が印加されることによって駆動される。交流モータ７８の駆動力は、車軸を介して車輪（いずれも図示せず。）に伝達され、これにより車両の走行力が得られる。

また、正極母線１３および負極母線１４には、交流モータ７８に接続されるインバータ７６に対して燃料電池１２と並列に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２を介してバッテリ７４が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ７２は、バッテリ７４から供給される直流電力を昇圧してインバータ７６に供給する昇圧機能と、交流モータ７８からの回生電力および燃料電池１２からの発電電力をバッテリ充電用に降圧する降圧機能とを有する双方向コンバータであり、例えばＩＧＢＴなどの電力用スイッチング素子、ダイオード、リアクトル等から構成されることができる既知の構成のものである。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２は、ＥＣＵ９０からの制御信号を受けて電力用スイッチング素子がオフ・オフ制御されることにより、上記のような昇圧および降圧機能を果たすことができる。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２は、燃料電池１２の発電休止モード中に、正極母線１３および負極母線１４との接続点を所定電位に保持することにより燃料電池１２の電位がＯＣＶ（開放端電圧）へと上昇するのを抑制する高電位回避制御に用いられることができる。この高電位回避制御については、後に改めて説明する。

バッテリ７４は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ７４としては、例えばニッケル水素電池やリチウム二次電池等の二次電池が好適に用いられる。ただし、バッテリに代えて、内部での化学反応を伴わずに蓄電可能なキャパシタが蓄電装置として用いられてもよい。バッテリ７４には、ＳＯＣ（State of charge）を検出するためのＳＯＣセンサ（図示せず）が取り付けられている。具体的には、ＳＯＣセンサは、バッテリ電流を検出する電流センサで構成されることができ、ＥＣＵ９０はその電流センサの検出値を積算することによってバッテリ７４の残容量を監視することで、必要に応じてバッテリ７４に対して充放電制限をかけることができる。また、バッテリ７４の温度および電圧を検出する温度センサおよび電圧センサが設けられてよく、これらのセンサの検出信号をＥＣＵ９０に入力してバッテリ７４の状態管理に用いてもよい。

ＥＣＵ９０は、各種プログラムを実行するＣＰＵ、各種プログラム等を予め記憶するＲＯＭ、検出データ等を一時記憶するＲＡＭ、及び、各種信号の入出力部である入出力インターフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部を制御する。例えば、ＥＣＵ９０は、ユーザ操作によりイグニッションスイッチ（図示せず）から出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや車速センサから出力される車速信号Ｓｖｃなどを基に、システム１０全体の要求電力を算出する。

そして、ＥＣＵ９０は、燃料電池１２とバッテリ７４とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、燃料電池１２の発電パワーが目標電力に一致するように、空気供給系３０及び水素供給系５０を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７２を制御して、燃料電池１２の出力電圧を調整することにより、燃料電池１２の運転ポイント（ＦＣ電圧、ＦＣ電流）を制御する。更に、ＥＣＵ９０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をインバータ７６に出力し、交流モータ７８の出力トルク及び回転数を制御する。

続いて、上記構成からなる燃料電池システム１０における燃料電池１２の間欠運転と高電位制御について図２ないし５を参照して説明する。図２は燃料電池１２の間欠運転制御の処理手順を示すフローチャート、図３は、横軸に発電要求パワーＰ＊、縦軸に燃料電池１２の運転状態をそれぞれ表し、第１の閾値Ｐｔｈｒ１で発電休止モードから通常発電モードに移行し、第２の閾値Ｐｔｈｒ２で通常発電モードから発電休止モードに移行し、高車速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１が小さく設定される様子を示す図、図４は、モータ回転数（又は車速）とモータ出力との一般的な関係を示すグラフ、図５は、発電休止モード中に、車速に応じて通常発電モードへの移行を判定するための第１の閾値Ｐｔｈｒ１を小さく設定する様子を示す図である。

燃料電池システム１０では、運転負荷に応じて、燃料電池１２の運転状態を通常発電モードと発電休止モードとの間で間欠的に切り替える間欠運転を行うことによりシステム１０のエネルギー効率向上が図られている。燃料電池システム１０は、発電効率の低い低負荷領域では、燃料電池１２の発電要求パワーＰ＊をゼロに設定して発電休止モードでの運転状態に制御され、車両走行に要する電力やシステム運用上必要な電力をバッテリ７４からの電力によって賄う。一方、発電効率の高い高負荷領域では、アクセル開度ＡＣＣや車速Ｓｖｃなどを基に燃料電池１２の発電要求パワーＰ＊を算出して通常発電モードでの運転状態とし、車両走行に要する電力やシステム運用上必要な電力を燃料電池１２による発電電力のみによって賄う。ただし、燃料電池１２が通常発電モードにあるときに、燃料電池１２による発電電力とバッテリ７４からの電力とを合わせて車両要求パワーを満たすようにしてもよい。

図２に示すフローチャートにしたがって、燃料電池１２の間欠運転制御の処理手順について説明する。この制御フローは、燃料電池システム１０が運転されている間、所定時間（例えば数ｍｓ）ごとにＥＣＵ９０において実行される。

まず、燃料電池１２が通常発電モードにあるか発電休止モードにあるかが判定される（ステップＳ１０）。ユーザ操作により起動信号ＩＧが入力されると、燃料電池１２の運転状態が通常運転モードに設定され、燃料電池１２への水素および空気の供給が開始される。ただし、車両停車時の発電要求パワーＰ＊は小さいことから、バッテリ７４からの出力で対応可能な場合には、燃料電池１２の運転状態は発電休止モードに設定されてもよい。

上記において燃料電池１２の運転状態が通常発電モードであると判定されると、続いて、燃料電池１２に対する発電要求パワーＰ＊（ｋＷ）が所定の第２の閾値Ｐｔｈｒ２（ｋＷ）以下である否かが判定される（ステップＳ１２）。ここでの第２の閾値Ｐｔｈｒ２は、燃料電池１２の運転状態を通常発電モードから発電休止モードに切り替える際の比較対象となる閾値であり、燃料電池１２の発電効率やシステム全体としてのエネルギー効率等を考慮して設定されるものである。

この判定において燃料電池１２に対する発電要求パワーＰ＊が第２の閾値Ｐｔｈｒ２以下である場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、燃料電池１２の運転状態が通常発電モードから発電休止モードに切り替えられる（ステップＳ１４）。発電休止モードでは、遮断弁４２，４４，６１，６４，６６が閉弁されるとともにエアコンプレッサ３８および循環ポンプ６０が作動停止され、燃料電池１２への空気および水素の供給が基本的に停止される（図１参照）。なお、発電休止モード中においても、燃料電池１２のアノード極側のガス圧を保持するために水素供給系５０から燃料電池１２に水素が補給される場合があり得る。

一方、上記において発電要求パワーＰ＊が第２の閾値Ｐｔｈｒ２よりも大きいと判定されると（ステップＳ１２でＮＯ）、燃料電池１２の運転状態が通常発電モードに維持されて、処理を終了する。

燃料電池１２が発電休止モードにあるとき、高電位回避制御が合わせて実行される(ステップＳ１４)。この高電位回避制御では、ＥＣＵ９０から制御信号によってＤＣ／ＤＣコンバータ７２を作動制御することにより、燃料電池１２の端子間電圧Ｖ_FCが開放端電圧ＯＣＶよりも低く設定される上限電圧を超えないように維持される。この上限電圧は、燃料電池１２の各燃料電池セルに含まれる触媒、例えば白金触媒が溶出しない程度の電位であることが好ましく、１つの燃料電池セルあたりの電圧が最大出力電圧の９０％程度になるように設定するのが好適である。

上記高電位回避制御の様子が図５に示されている。図５において、横軸は時間を表し、縦軸には上段から順に、ＦＣ電圧Ｖ_FC、車速Ｓｖｃ、通常発電モードへの移行を判定するときの比較対象となる第１の閾値Ｐｔｈｒ１、燃料電池１２への発電要求パワーＰ＊、および、ＦＣ運転状態が示されている。図５中の最上段に示されるように、発電休止モード中の燃料電池１２の端子間電圧Ｖ_FCは、開放端電圧ＯＣＶよりも低く設定される上限電圧で一定に維持されている。

図２を再び参照すると、上記ステップＳ１０において燃料電池１２の運転状態が発電休止モードであると判定されると、車速Ｓｖｃに応じて第１の閾値Ｐｔｈｒ１を変更する（ステップＳ１６）。ここでの第１の閾値Ｐｔｈｒ１は、燃料電池１２の運転状態を発電休止モードから通常発電モードに切り替えるか否かを判定する際における発電要求パワーＰ＊との比較対象となる閾値であり、下記のように発電要求パワーＰ＊が第１の閾値Ｐｔｈｒ１以上になったときに通常発電モードへの移行が許容されることになる。

ここで、上記第１の閾値Ｐｔｈｒ１と上記第２の閾値Ｐｔｈｒ２とは異なる値に設定されており、具体的には上記第２の閾値Ｐｔｈｒ２は上記第１の閾値Ｐｔｈｒ１よりも小さい値に設定されている。このように第１の閾値Ｐｔｈｒ１と第２の閾値Ｐｔｈｒ２とを異ならせることで、燃料電池１２の運転状態が通常発電モードと発電休止モードとの間で頻繁に切り替わるハンチングを抑制することができる。ただし、本発明における閾値は、１つの値（すなわち、第１の閾値Ｐｔｈｒ１と第２の閾値Ｐｔｈｒ２とが同一値）であることを除外しない。

上記ステップＳ１６について具体的に説明すると、上記第１の閾値Ｐｔｈｒ１は、燃料電池１２の発電効率やシステム全体としてのエネルギー効率等を考慮して設定された初期値が決められており、ＥＣＵ９０に含まれるＲＯＭに上記第２の閾値Ｐｔｈｒ２と共に予め記憶されている。また、車両走行中に通常発電モードから現在の発電休止モードに移行したときの車速Ｓｖｃが基準速度としてＲＡＭに記憶されている。そして、この基準速度から車速Ｓｖｃが高速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１を小さく設定する処理を実行する。この様子が図３及び図５に示されている。図３では、点線で示されるＰｔｈｒ１が初期値Ａを表しており、この初期値Ａに対応する位置において発電休止モードから通常発電モードへの移行を表す実線の矢印Ｂが、上記基準速度から車速Ｓｖｃが高速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１が初期値Ａから小さくなるように設定される。このことが、図３において、矢印Ｂが図中左側にシフトして一点鎖線の矢印Ｃに示す位置、すなわち初期値Ａよりも小さい発電要求パワーＰ＊で、燃料電池１２の運転状態が発電休止モードから通常発電モードに切り替わることになる。

また、同様のことが図５に示されている。燃料電池１２が発電休止モードにある時間帯において、上から２段目に示される車速Ｓｖｃが上記基準速度から高速になるに従って、上から３段目に示される上記第１の閾値が初期値Ａから次第に小さくなるように設定される。このような車速Ｓｖｃと第１の閾値Ｐｔｈｒ１との関係は、ＲＯＭにマップまたはテーブルの形式で予め記憶されており、その時々でＥＣＵ９０に入力される実車速Ｓｖｃに基づいて導かれる。

図２を再び参照すると、上記のように車速Ｓｖｃが高速になるほど小さく設定される第１の閾値Ｐｔｈｒ１に対し、発電要求パワーＰ＊がそれ以上であるか否かが判定される（ステップＳ１８）。この判定において発電要求パワーＰ＊が第１の閾値Ｐｔｈｒ１未満であるときには、上記ステップＳ１６およびＳ１８が繰り返し処理されことになる。そして、発電要求パワーＰ＊が第１の閾値Ｐｔｈｒ１以上になったとき、燃料電池１２への水素および空気の供給が再開されて運転状態が発電休止モードから通常発電モードに切り替えられる（ステップＳ２０）。このことが、図３中の矢印Ｃで示されるとともに、図５中において第１の閾値Ｐｔｈｒ１を発電要求パワーＰ＊が超えることとなる交点Ｅのタイミングで燃料電池１２の運転状態が発電休止モードから通常発電モードに切り替わっていることが示されている。

上記ステップＳ２０において通常発電モードに移行すると、上記車速Ｓｖｃの基準速度がクリアされるとともに、第１の閾値Ｐｔｈｒ１は初期値Ａに復帰設定されて、処理を終了する。

上述したように本実施形態の移動体用燃料電池システム１０では、燃料電池１２が発電休止モードにあるとき車速Ｓｖｃが高速になるほど、発電休止モードから通常発電モードへの移行時の比較対象となる第１の閾値ｔｈｒ１を小さく設定する。図４に示すように、走行用動力源である交流モータ７６の出力はモータ回転数または車速Ｓｖが高くなるほど大きくなり、これに伴って通常発電モードに移行したときの燃料電池１２に対する発電要求パワーＰ＊も大きくなる傾向にある。したがって、車速Ｓｖｃが高速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１を小さく設定することにより、第１の閾値Ｐｔｈｒ１を変更しない場合に比べてより早いタイミングで通常発電モードに移行させることができる。これにより、発電休止モード中の燃料電池１２内に残っている燃料ガスである水素ガスのガス品質が相当程度低下する前に通常発電モードに移行させることができ、その結果、間欠運転する燃料電池１２の応答性およびドライバビリティの悪化を抑制できる。

一方、車速Ｓｖｃに関係なく第１の閾値Ｐｔｈｒ１を一定とした場合には、車速Ｓｖｃがそれほど高速ではないもかかわらず小さい発電要求パワーで燃料電池１２が発電休止モードから通常発電モードへと移行する頻繁が高くなることが起こり得、そうなると必要以上に早いタイミングで通常発電モードへの移行が生じて燃料ガスである水素の無駄が大きくなり、エネルギー効率または燃費が悪くなるが、本実施形態では車速Ｓｖｃが高速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１を小さく設定することで、より適切なタイミングで発電休止モードから通常発電モードに移行させることができ、間欠運転する燃料電池１２のエネルギー効率を向上させることができる。

なお、上記においては、車速Ｓｖｃが基準速度から高速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１を初期値Ａから小さくすることについて詳細に説明したが、図３中の矢印Ｄで示すように、車速Ｓｖｃが基準速度から低速になるほど第１の閾値Ｐｔｈｒ１を初期値Ａから大きくしていく制御を併せて行ってもよい。

１０ 燃料電池システム、１２ 燃料電池、１３ 正極母線、１４ 負極母線、１６ 電圧センサ、１８ 電流センサ、３０ 空気供給系、３２ 空気供給通路、３４ 空気排出通路、３６ エアフィルタ、３８ エアコンプレッサ、４０ 加湿器、４２，４４，６１，６４，６６，６７ 遮断弁、４６，６２ 調圧弁、５０ 水素供給系、５２ 水素供給源、５４ 水素供給通路、５６ 水素排出通路、５８ 循環通路、６０ 循環ポンプ、６３ インジェクタ、６５ 圧力センサ、７０ 電力系、７２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、７４ バッテリ、７６ インバータ、７８ 交流モータ、９０ ＥＣＵ。

Claims (8)

1. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池から発電電力が供給される負荷装置に対して前記燃料電池と並列に電圧変換装置を介して接続される蓄電装置と、前記燃料電池へのガス供給を制御するとともに前記電圧変換装置を作動制御する制御装置と、を備える移動体用燃料電池システムであって、
   前記制御装置は、燃料電池に対する発電要求パワーと閾値との比較に基づいて燃料電池へのガス供給を制御することにより燃料電池の運転状態を通常発電モードおよび発電休止モードの間で切り替える間欠運転制御を実行するとともに、燃料電池が発電休止モードにあるとき移動体の速度が高速になるほど前記閾値を小さく設定する、制御構成を有することを特徴とする移動体用燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の移動体用燃料電池システムにおいて、
   前記閾値は、燃料電池の運転状態が発電休止モードから通常発電モードに移行するときの比較対象となる第１の閾値と、燃料電池の運転状態が通常発電モードから発電休止モードに移行するときの比較対象となる、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値とを含み、前記制御装置は、移動体の速度が高速になるほど前記第１の閾値を小さくすることを特徴とする移動体用燃料電池システム。
3. 請求項２に記載の移動体用燃料電池システムにおいて、
   燃料電池の運転状態が通常発電モードから発電休止モードに移行したときの移動体速度を基準速度として、この基準速度から移動体の速度が高速になるにしたがって前記第１の閾値を小さくすることを特徴とする移動体用燃料電池システム。
4. 請求項１に記載の移動体用燃料電池システムにおいて、
   燃料電池の運転状態が、燃料電池への燃料ガスの供給が完全に又はほぼ停止される発電休止モードにあるとき、前記制御装置は、燃料電池の端子間電圧が開放端電圧よりも低い上限電圧を超えないようにする高電位回避制御を実行することを特徴とする移動体用燃料電池システム。
5. 燃料ガスおよび酸化ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池と、燃料電池から発電電力が供給される負荷装置に対して前記燃料電池と並列に電圧変換装置を介して接続される蓄電装置と、前記燃料電池へのガス供給を制御するとともに前記電圧変換装置を作動制御する制御装置と、を備える移動体用燃料電池システムの制御方法であって、
   燃料電池に対する発電要求パワーと閾値との比較に基づいて燃料電池へのガス供給を制御することにより燃料電池の運転状態を通常発電モードおよび発電休止モードの間で切り替える間欠運転を行い、
   燃料電池が発電休止モードにあるとき移動体が高速になるほど前記閾値を小さく設定することを特徴とする移動体用燃料電池システムの制御方法。
6. 請求項５に記載の移動体用燃料電池システムの制御方法において、
   前記閾値は、燃料電池の運転状態が発電休止モードから通常発電モードに移行するときの比較対象となる第１の閾値と、燃料電池の運転状態が通常発電モードから発電休止モードに移行するときの比較対象となる、前記第１の閾値よりも小さい第２の閾値とを含み、移動体の速度が高速になるほど前記第１の閾値を小さく設定することを特徴とする移動体用燃料電池システムの制御方法。
7. 請求項６に記載の移動体用燃料電池システムの制御方法において、
   燃料電池の運転状態が通常発電モードから発電休止モードに移行したときの移動体速度を基準速度として、この基準速度から移動体の速度が高速になるにしたがって前記第１の閾値を小さくすることを特徴とする移動体用燃料電池システムの制御方法。
8. 請求項５に記載の移動体用燃料電池システムの制御方法において、
   燃料電池の運転状態が、燃料電池への燃料ガスの供給が完全に又はほぼ停止される発電休止モードにあるとき、燃料電池の端子間電圧が開放端電圧よりも低い上限電圧を超えないようにする高電位回避制御を実行することを特徴とする移動体用燃料電池システムの制御方法。

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