JP2011015580A - 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Ｐｔｈｒ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、発電休止モード中に高電位回避制御を実行しつつＦＣ電流Ｉ_FCの変化に応じて上記閾値Ｐｔｈｒを変更する制御を実行する。
【選択図】図４

Description

本発明は、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。

特許文献１の燃料電池システムでは、要求パワーを閾値と比較して、要求パワーが前記閾値未満のときであって二次電池から前記要求パワーを出力可能であるときは発電休止モードが選択され、一方、要求パワーが前記閾値以上であるときは通常発電モードが選択されることが記載されている。そして、燃料電池の開放端電圧（ＯＣＶ）に応じて、前記閾値を調整することが述べられている。

また、特許文献２には、モータ、インバータ、燃料電池およびバッテリを備え、燃料電池の間欠運転を行う燃料電池システムが開示されている。この燃料電池システムでは、発電休止モード中に、燃料電池のアノード側の燃料オフガス中の不純物濃度が所定値以上になったときに、発電休止モードから通常発電モードに切り替えることが記載されている。ここでは、燃料オフガス中の不純物濃度を不純物濃度センサから得られる水素濃度および水蒸気濃度の検出値に基づいて算出することが述べられている。

さらに、特許文献３に開示される間欠運転する燃料電池システムでは、燃料電池の発電休止モードを継続すると燃料電池の性能低下が起きると判定されると、燃料電池を発電休止モードから通常発電モードに移行することが記載されている。この燃料電池システムでは、燃料オフガス中の窒素濃度等に基づいて燃料電池の性能低下が起きるか否かが判定されることが述べられている。

特開２００５−７１７９７号公報 特開２００６−３１８７６４号公報 特開２００５−２６０５４号公報

上記特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池を開放端電圧の状態で使用することが条件となるが、燃料電池では開放端電圧に上昇すると燃料電池内に用いられる触媒が溶出等して劣化し、燃料電池の性能が低下するという問題がある。

また、特許文献２，３の燃料電池システムでは、燃料電池の燃料オフガス中の不純物濃度を検出するために特別な検出手段を設ける必要があり、コスト高を招くことになる。

本発明は、燃料電池を間欠運転させる燃料電池システムにおいて、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ことを目的とする。

本発明に係る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し、燃料電池への燃料ガスおよび酸化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中に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、かつ、前記高電位回避制御されている発電休止モード中に燃料電池から流れ出る電流値の変化に応じて前記閾値を変更する制御を実行する、制御構成を有する。

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。

本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記発電休止モード中に燃料電池から流れ出る電流値が低下するに従って前記閾値を小さくするのが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記制御装置は、前記発電休止モード中に燃料ガスまたは酸化ガスの補給があったことにより前記電流値が増加したときには、それに合わせて前記閾値を大きくするのが好ましい。

本発明に係る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、燃料電池への燃料ガスおよび酸化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中に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行い、前記高電位回避制御されている発電休止モード中に、燃料電池から流れ出る電流値の変化に応じて前記閾値を変更する。

本発明に係る燃料電池システムの制御方法において、前記発電休止モード中に燃料電池から流れ出る電流値が低下するに従って前記閾値を小さくするのが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池システムの制御方法において、前記発電休止モード中に燃料ガスまたは酸化ガスの補給があったことにより前記電流値が増加したときには、それに合わせて前記閾値を大きくするのが好ましい。

本発明に係る燃料電池システムおよびその制御方法では、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中に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行い、かつ、前記高電位回避制御されている発電休止モード中に燃料電池から流れ出る電流値の変化に応じて前記閾値を変更する制御を行っている。

発電休止モード中の燃料電池内では、残存する燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電が継続されて端子間電圧が開放端電圧に上昇する傾向にあるが、上記のように高電位回避制御を行うことにより端子間電圧が開放端電圧に到達しないようにすることで、触媒劣化を抑制することができる。

また、高電位回避制御されている発電休止モード中の燃料電池では、燃料電池への燃料ガス供給が基本的に停止されているため上記のように微弱発電が継続されて燃料が消費されることによって燃料電池内の燃料ガスに含まれる燃料濃度が次第に低下する一方で、カソード側から電解質膜を介して透過してくる窒素や水蒸気等の不純物濃度が高くなってくる。これに伴って、燃料電池から流れ出る電流値が次第に低下する傾向にある。このように不純物濃度が高くなってガス品質が相当低下した状態で燃料ガス等の供給を再開して発電休止モードから通常発電モードに移行すると、燃料電池内の燃料ガスのガス品質が改善されて所定の出力が出せる状態に復帰するまでに時間がかかり、この時間はガス品質が悪化するほど長くなって応答性が悪くなる。これに対し、本発明では、前記電流値に応じて前記閾値を変更する、例えば電流値が低下するに従って前記閾値を小さくすることで、発電休止モードから通常発電モードへの移行基準を下げて燃料ガスのガス品質が相当程度悪化する前に通常発電モードに移行させることにより、間欠運転する燃料電池の応答性を向上させることができる。

一方、前記閾値が一定である場合には、燃料電池内の燃料ガスのガス品質がそれほど悪化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事態が頻繁に起こり得、そう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。これに対し、本発明では、前記電流値に応じて前記閾値を変更する、例えば発電休止モード中の燃料ガスの補給によって電流値が増加した場合等には前記閾値を大きくすることで、上記のように燃料ガスのガス品質がそれほど悪化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事態を抑制して、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。

さらには、本発明では、高電位回避制御されている発電休止モード中の燃料電池から流れ出る電流を検出し、それに応じて燃料電池の運転状態切り替えの参照基準である閾値の変更を行っている。燃料電池の出力状態を監視するために電流センサや電圧センサを設けるのは一般的であるから、発電休止モード中の燃料電池内の燃料ガスに含まれる不純物濃度を検出するための窒素濃度センサや水蒸気濃度センサ等の特別なセンサを必要とせずに、燃料ガスのガス品質低下に適切に対応して上記閾値を変更することができる。

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、発電休止モード中に高電位回避制御下にある燃料電池から流れ出る電流と、発電休止モードから通常発電モードに移行した際に所定の発電パワーを出力できる状態になるまでに要する時間との関係を示すグラフである。 図４は、発電休止モード中に、燃料電池から流れ出る電流が低下するのに応じて、通常発電モードへの移行を判定するための閾値を小さくする様子を示す図である。 図５は、発電休止モード中に、燃料電池から流れ出る電流が上昇に転じたときに、通常発電モードへの移行を判定するための閾値も大きく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。

図１は、本願の一実施形態である燃料電池システム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４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、発電休止モード中に高電位回避制御下にある燃料電池１２から流れ出る電流Ｉ_FCと、発電休止モードから通常発電モードに移行した際に所定の発電パワーを出力できる状態になるまでに要する時間との関係を示すグラフ、図４は、発電休止モード中に、燃料電池１２から流れ出る電流Ｉ_FCが低下するのに応じて、通常発電モードへの移行を判定するための閾値Ｐｔｈｒを小さく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に対する発電要求パワーＰ＊（ｋＷ）が所定の閾値Ｐｔｈｒ（ｋＷ）よりも小さいか否かが判定される（ステップＳ１０）。ここでの閾値Ｐｔｈｒ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るものである。

上記判定において発電要求パワーＰ＊が閾値Ｐｔｈｒよりも小さいと判定されると（ステップＳ１０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移行するか、または、発電休止モードが継続される（ステップＳ１２）。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停止される（図１参照）。

一方、上記判定において発電要求パワーＰ＊が閾値Ｐｔｈｒ以上であると判定されると（ステップＳ１０でＮＯ）、燃料電池１２は空気および水素の供給を受けて通常発電モードで運転される（ステップＳ１４）。

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Ｓ１２)。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。

このように運転状態が発電休止モードにある燃料電池１２について高電位回避制御を実行することにより、燃料電池１２の触媒劣化を抑制することができる。ただし、このような高電位回避制御は、発電休止モード中に限らず、燃料電池１２が通常発電モードで運転されるときにも行ってもよい。

燃料電池１２が発電休止モードにあるとき、燃料電池１２への空気および水素の供給が完全に停止されるが、燃料電池１２内のマニホールドや燃料電池セルの流路に残存する酸素と水素との電気化学反応により微弱な発電が継続され、燃料電池１２の端子間電圧Ｖ_FCが上昇する傾向にあるが、上記のように高電位回避制御を行うことにより端子間電圧Ｖ_FCが開放端電圧よりも低い上限電圧を超えないように一定に維持される。この様子が図４に示されている。図４において、横軸は時間であり、縦軸には上段から順に、ＦＣ電圧Ｖ_FC、ＦＣ電流Ｉ_FC、通常発電モードへの移行を判定する閾値Ｐｔｈｒ、燃料電池１２への発電要求パワー、および、ＦＣ運転状態が示されている。

図４に示すように、燃料電池１２の運転状態が発電休止モードにあるとき、高電位回避制御によってＦＣ電圧Ｖ_FCがＯＣＶよりも低電位の上限電圧で一定に維持されるが、このとき燃料電池１２内では微弱な発電が継続されていることにより燃料電池１２からＦＣ電流Ｉ_FCが流れ出ることになる。このＦＣ電流Ｉ_FCは、電流センサ１８によって検出される。

上記のように高電位回避制御されている発電休止モード中の燃料電池１２では、上記のように微弱発電が継続されて水素が消費されることによって燃料電池１２内の水素濃度が次第に低下する一方で、各燃料電池セルのカソード（空気極）側から電解質膜を介してアノード（燃料極）側に透過してくる窒素や水蒸気等の不純物濃度が高くなってくる。これに伴って、燃料電池１２から流れ出るＦＣ電流Ｉ_FCの電流値が次第に低下する傾向にある。このように燃料電池１２のアノード側の不純物濃度が高くなってガス品質が相当低下した状態で水素および空気の供給を再開して発電休止モードから通常発電モードに移行すると、燃料電池１２内のアノード側のガス品質が改善されて所定の発電パワーが出力できる状態に復帰するまでに時間がかかり、この時間はガス品質が悪化するほど長くなって応答性が悪くなる。その様子が図３のグラフに示される。図示されるように、発電休止モード中のＦＣ電流Ｉ_FCが小さくなるほど、燃料電池１２が所定の発電パワーを出力できるまでに要する時間Ｔｒが長くなる、すなわち燃料電池１２の応答性が悪化することが分かっている。

そこで、図２，４を再び参照すると、ＥＣＵ９０は、検出されるＦＣ電流Ｉ_FCに応じて、発電休止モードから通常発電モードへの移行基準となる上記閾値Ｐｔｈｒを変更する処理を実行する（ステップＳ１６）。具体的には、ＦＣ電流Ｉ_FCが低下するに従って、閾値Ｐｔｈｒを小さく設定する処理を行う。この処理での閾値Ｐｔｈｒは、ＲＯＭにマップまたはテーブルの形式で予め記憶されたＦＣ電流Ｉ_FCおよび閾値Ｐｔｈｒの関係から導かれる。

このようにＦＣ電流Ｉ_FCが低下するに従って閾値Ｐｔｈｒが小さく変更される様子が、図４中の上から２段目および３段目に示されている。ここでは、ＦＣ電流Ｉ_FCが時間の経過に伴って直線的に低下し、これに伴って閾値Ｐｔｈｒも直線的に小さくなるように例示されているが、勿論、閾値Ｐｔｈｒの変更の仕方はこれに限定されるものでなない。例えば、ＦＣ電流Ｉ_FCが曲線的に低下するに従って閾値Ｐｔｈｒも曲線的に小さくなるように設定されてもよいし、あるいは、ＦＣ電流Ｉ_FCが曲線的に低下する場合でも閾値Ｐｔｈｒが直線的に小さくなるように設定されてもよいし、この逆であってもよい。

そして、燃料電池１２に対する発電要求パワーＰ＊が上記のようにＦＣ電流Ｉ_FCに伴って小さく設定される閾値Ｐｔｈｒ以上であるか否かが判定される（ステップＳ１８）。この判定で肯定されるまで、上記ステップＳ１６およびＳ１８が繰り返し処理され、発電要求パワーＰ＊がＦＣ電流Ｉ_FC以上になったとき、燃料電池１２への空気および水素の供給が再開されることにより燃料電池１２の運転状態が発電休止モードから通常発電モードに移行し、これと同時に閾値Ｐｔｈｒが初期設定値に戻される（ステップＳ２０）。

このように本実施形態の燃料電池システム１０によれば、ＦＣ電流Ｉ_FCが低下するのに従って閾値Ｐｔｈｒを小さく設定することで、発電休止モードから通常発電モードへの移行基準を下げて燃料電池１２のアノード側のガス品質が相当程度悪化する前に通常発電モードに移行させることが可能になり、その結果、間欠運転する燃料電池１２の応答性を向上させることができる。

その一方、間欠運転する燃料電池１２における発電休止モードから通常発電モードへの移行時の応答性を確保するために閾値Ｐｔｈｒを比較的低い値で一定とした場合には、燃料電池１２内の水素ガスのガス品質がそれほど悪化していない状態で燃料電池１２が発電休止モードから通常発電モードへと移行する事態が頻繁に起こり得、そうなると水素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。これに対し、本実施形態の燃料電池システム１０では、閾値Ｐｔｈｒの初期値をある程度高く設定しておいてＦＣ電流Ｉ_FCの低下に応じて閾値Ｐｔｈｒを小さくすることで、間欠運転する燃料電池１２の応答性向上を図りながら、上記のような水素ガスの無駄を抑制してエネルギー効率を向上させることができる。

次に、図５を参照して上記実施形態の変形例を示す。図５は、発電休止モード中に、ＦＣ電流Ｉ_FCが上昇に転じたときに、通常発電モードへの移行を判定するための閾値Ｐｔｈｒも大きくする様子を示す、図４の２段目および３段目と同様の図である。

燃料電池１２が発電休止モードにあるとき、ＥＣＵ９０は、燃料電池１２内のアノード側のガス圧低下を抑制するために、圧力センサ６５から入力される検出信号に基づいて遮断弁６１，６４を一時的に開弁して水素ガスを補給することがある。このような場合、燃料電池１２内の水素濃度が少し高くなってガス品質が若干改善され、これに伴って発電性能が上がってＦＣ電流Ｉ_FCが一旦増加に転じる。このとき、ＦＣ電流Ｉ_FCの一時的増加に合わせて上記閾値Ｐｔｈｒも大きくするように変更することが好ましい。このようにすることで、燃料電池１２のアノード側のガス品質により適切に対応して閾値Ｐｔｈｒを変更することができ、上述した水素ガスの無駄抑制によるエネルギー効率向上をより効果的なものにできる。ここで、発電休止モード中に燃料電池１２のカソード側に空気が補給されることもあり、このとき燃料電池１２内の酸素濃度が少し高くなることによりＦＣ電流Ｉ_FCが増加する場合がある。このような場合にも上記と同様に対応するのが好ましい。

なお、上記実施形態では、燃料電池システムが車両の電源システムとして適用された例について説明したが、本発明に係る燃料電池システムは、例えば船舶、飛行機、ロボット等の車両以外に移動体の電源システムとして適用されてもよい。

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 (6)

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、燃料電池からの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し、燃料電池への燃料ガスおよび酸化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中に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、かつ、前記高電位回避制御されている発電休止モード中に燃料電池から流れ出る電流値の変化に応じて前記閾値を変更する制御を実行する、制御構成を有することを特徴とす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、
   前記制御装置は、前記発電休止モード中に燃料電池から流れ出る電流値が低下するに従って前記閾値を小さくすることを特徴する燃料電池システム。
3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、前記発電休止モード中に燃料ガスまたは酸化ガスの補給があったことにより前記電流値が増加したときには、それに合わせて前記閾値を大きくすることを特徴とする燃料電池システム。
4. 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、
   燃料電池への燃料ガスおよび酸化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中に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行い、
   前記高電位回避制御されている発電休止モード中に、燃料電池から流れ出る電流値の変化に応じて前記閾値を変更する、
   ことを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池システムの制御方法において、
   前記発電休止モード中に燃料電池から流れ出る電流値が低下するに従って前記閾値を小さくすることを特徴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において、
   前記発電休止モード中に燃料ガスまたは酸化ガスの補給があったことにより前記電流値が増加したときには、それに合わせて前記閾値を大きくすることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。

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