JP2020102329A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】外気温が高い環境下で燃料電池を高出力で運転した場合に発生する燃料電池の急な出力制限による運転性の悪化を抑制する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、外気温を取得する外気温取得部と、前記燃料電池を冷却する冷媒の冷媒温を取得する冷媒温度取得部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、外気温と前記外気温に応じて制限される燃料電池の可能出力との関係から、取得した外気温に対応する第１燃料電池出力を算出し、冷媒温と前記冷媒温に応じて制限される燃料電池の許可出力との関係から、取得した冷媒温に対応する第２燃料電池出力を算出し、前記第１燃料電池出力と前記第２燃料電池出力のうち小さいほうを、前記燃料電池の出力上限値として設定する。【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下、単に「燃料電池」とも呼ぶ）では、用いられている高分子電解質膜（以下、単に「電解質膜」とも呼ぶ）の含水量が減少すると、電解質膜のプロトン伝導性が低下し、出力電圧が低下し、発電性能が低下することになる。このため、燃料電池による発電動作においては、電解質膜の含水量が不十分になること（「ドライアップ」と呼ばれる）を抑制することが望ましい。特許文献１の燃料電池システムでは、燃料電池における水収支が所定値以下となった場合に、燃料電池の発熱量を抑制するように燃料電池の出力制限を行なって、水収支を回復させる制御が行なわれている。

特開２０１０−２５０１９６号公報

しかし、上記燃料電池システムにおいて、外気温が高い環境下で燃料電池を高出力で運転して、ラジエータの冷却性能が不足した場合に、ドライアップが生じて、上記制御によって、燃料電池の出力が制限される可能性がある。燃料電池システムにおいて、燃料電池の高出力運転中に急に燃料電池の出力制限が発生した場合、例えば、これを搭載した車両の運転性が悪化してしまう。なお、この問題は、燃料電池システムを搭載した車両に限らず、燃料電池システムを搭載した種々の装置に共通する。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、外気温を取得する外気温取得部と、前記燃料電池を冷却する冷媒の冷媒温を取得する冷媒温度取得部と、前記燃料電池の出力を制御する制御部と、を備える。前記制御部は、外気温と前記外気温に応じて制限される燃料電池の可能出力との関係から、取得した外気温に対応する第１燃料電池出力を算出し、冷媒温と前記冷媒温に応じて制限される燃料電池の許可出力との関係から、取得した冷媒温に対応する第２燃料電池出力を算出し、前記第１燃料電池出力と前記第２燃料電池出力のうち小さいほうを、前記燃料電池の出力上限値として設定する。
この形態の燃料電池システムによれば、燃料電池の出力を、冷媒温に応じた制限に加えて、あらかじめ外気温に応じて制限することが可能となるので、外気温が高い環境下で燃料電池を高出力で運転することによってドライアップが生じ、燃料電池の出力が急に制限されて運転性が悪化することを抑制することができる。
本開示は、種々の形態で実現することも可能である。例えば、燃料電池システムを搭載した燃料電池車両、燃料電池システムの制御方法等の形態で実現することができる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の概略構成を示す説明図である。 燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。 燃料電池スタックの出力制御処理の手順を示すフローチャートである。 外気温に応じた出力制御処理の手順を示すフローチャートである。 外気温と最高巡航速度との関係の一例を示すグラフである。 車速と駆動力との関係の一例を示すグラフである。 ＦＣ冷媒温とＦＣ許可出力との関係の一例を示すグラフである。 パワーメータの表示の一例を示す説明図である。

図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した燃料電池車両９００の概略構成を示す説明図である。燃料電池車両９００は、トラクションモータ２０を駆動源とする。トラクションモータ２０は、三相交流モータであり、電動機または発電機として機能し得る。トラクションモータ２０は、電源回路５００を介して燃料電池１００から供給される電力により燃料電池車両９００を駆動する。燃料電池車両９００には、燃料電池１００を含む後述の燃料電池システム１０を制御する制御部７００を備える。制御部７００は、各種センサの測定結果を取得し、取得した測定結果に応じて、燃料電池システム１０を制御する。図１には、各種センサの例として、外気温センサ４１、車速センサ４２、加速度センサ４３、重力センサ４４、およびアクセル開度センサ４５が示されている。なお、トラクションモータ２０の近傍には、トラクションモータ２０の回転数を測定する図示しない回転センサが配置されている。

外気温センサ４１は、燃料電池車両９００の外部の温度を測定する。車速センサ４２は、車輪５１の回転速度を燃料電池車両９００の走行速度として測定する。加速度センサ４３は、燃料電池車両９００の進行方向の加速度の大きさと向きとを測定する。重力センサ４４は、重力の向きを測定する。加速度センサ４３および重力センサ４４の測定値は、燃料電池車両９００が走行する道の勾配を求める際に用いられる。アクセル開度センサ４５は、アクセル開度を測定する。

図２は、燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。燃料電池システム１０は、トラクションモータ２０や後述のエアコンプレッサ３２０等の補機に電力を供給する。

燃料電池システム１０は、燃料電池１００と、アノード側ガス供給排出機構２００と、カソード側ガス供給排出機構３００と、燃料電池循環冷却機構４００と、電源回路５００と、二次電池５５０と、制御部７００と、を備える。

燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池である複数のセル１１０（以下、「単セル１１０」とも呼ぶ）が積層されたセルスタックを有する。各単セル１１０は固体高分子電解質膜を挟んで設けられるアノード側触媒電極層に供給される燃料ガスと、カソード側触媒電極層に供給される酸化剤ガスとを用いた電気化学反応により電力を発生する。本実施形態において、燃料ガスは水素ガスであり、酸化剤ガスは空気である。触媒電極層は、触媒、例えば、白金（Ｐｔ）を担持したカーボン粒子や電解質を含んで構成される。単セル１１０において両電極側の触媒電極層の外側には、多孔質体により形成されたガス拡散層が配置されている。多孔質体としては、例えば、カーボンペーパーおよびカーボンクロス等のカーボン多孔質体や、金属メッシュおよび発泡金属等の金属多孔質体が用いられる。燃料電池１００の内部には、燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却媒体を流通させるためのマニホールド（図示省略）が積層方向に沿って形成されている。燃料電池１００は、セルスタックの両端を挟む一対の電極板１１１を供えている。一対の電極板１１１は、燃料電池１００における総合電極として機能する。

アノード側ガス供給排出機構２００は、燃料電池１００への燃料ガスの供給および燃料電池１００からのアノードオフガスの排出を行なう。アノード側ガス供給排出機構２００は、タンク２１０と、遮断弁２２０と、調圧弁２２１と、インジェクタ２２２と、気液分離器２５０と、循環用ポンプ２４０と、パージ弁２６０と、燃料ガス供給流路２３１と、第１アノードオフガス排出流路２３２と、ガス循環路２３３と、第２アノードオフガス排出流路２６２と、第１圧力センサ２７１と、第２圧力センサ２７２と、第３圧力センサ２７３と、を備える。

タンク２１０は、高圧水素ガスを貯蔵しており、燃料ガス供給流路２３１を介して燃料電池１００に供給する。遮断弁２２０は、タンク２１０における燃料ガスの供給口近傍に配置され、タンク２１０からの水素ガスの供給の実行と停止とを切り替える。調圧弁２２１は、燃料ガス供給流路２３１において遮断弁２２０の下流側且つインジェクタ２２２の上流側に配置されている。調圧弁２２１は、自身の上流側圧力（「一次圧」とも呼ぶ）を、予め設定されている自身の下流側圧力（「二次圧」とも呼ぶ）に調整する。インジェクタ２２２は、燃料ガス供給流路２３１において調圧弁２２１の下流側に配置され、燃料電池１００に燃料ガスを噴射する。このとき、インジェクタ２２２における燃料ガスの噴射周期および噴射デューティ（噴射周期の一周期あたりに水素ガスを噴射する時間の割合）が調整されることにより、燃料電池１００への燃料ガスの供給量及び圧力が調整される。なお、第１圧力センサ２７１は上記一次圧を測定し、第２圧力センサ２７２は二次圧を測定し、第３圧力センサ２７３はインジェクタ２２２の下流側圧力を測定する。

気液分離器２５０は、第１アノードオフガス排出流路２３２に配置され、燃料電池１００から排出されたアノードオフガスに含まれる液体を分離して第２アノードオフガス排出流路２６２に排出すると共に、液体が分離された後のアノードオフガスをガス循環路２３３に排出する。また、気液分離器２５０は、アノードオフガスから分離された液体を貯留し、パージ弁２６０が開いた場合には、貯留された液体を第２アノードオフガス排出流路２６２に排出する。アノードオフガスに含まれる液体とは、例えば、各単セル１１０における電気化学反応によりカソード側にて生じた生成水であって電解質膜を介してアノード側に透過した生成水が該当する。液体が分離された後のアノードオフガスには、各単セル１１０における電気化学反応で用いられなかった燃料ガスとしての水素ガス、および、各単セル１１０において固体高分子膜を介してカソード側からアノード側へと透過した窒素ガスが含まれ得る。

循環用ポンプ２４０は、ガス循環路２３３に配置され、気液分離器２５０から排出されたアノードオフガスを燃料ガス供給流路２３１に送出する。パージ弁２６０は、第２アノードオフガス排出流路２６２に配置され、開弁されることにより、気液分離器２５０によって分離された液体を第２アノードオフガス排出流路２６２へと排出する。このとき、一部のアノードオフガスもパージ弁２６０を介して第２アノードオフガス排出流路２６２へと排出される。

燃料ガス供給流路２３１は、燃料電池１００内に設けられた図示しない燃料ガス供給用のマニホールドと連通している。燃料ガス供給流路２３１には、インジェクタ２２２から燃料ガスが供給され、また、循環用ポンプ２４０からアノードオフガスが供給される。循環用ポンプ２４０から供給されるアノードオフガスは主として各単セル１１０で用いられずに排出された水素ガスから成り、かかる水素ガスを燃料ガス供給流路２３１に戻すことにより、燃費の向上が図られる。第１アノードオフガス排出流路２３２は、燃料電池１００内に設けられた図示しないアノードオフガス排出用のマニホールドと連通しており、かかるマニホールドから燃料電池１００の外部へと排出されるアノードオフガスを、気液分離器２５０へと送出する。第２アノードオフガス排出流路２６２の一端は、パージ弁２６０に接続され、他端は、後述のカソードオフガス排出流路３３１に接続されている。第２アノードオフガス排出流路２６２は、パージ弁２６０が開いたときに気液分離器２５０から排出される液水およびアノードオフガスを、カソードオフガス排出流路３３１に供給する。後述するように、カソードオフガス排出流路３３１は、主として空気からなるカソードオフガスを排出するため、第２アノードオフガス排出流路２６２から排出され、水素ガスを含んだアノードオフガスは、カソードオフガスにより希釈されて外部へと排出される。

カソード側ガス供給排出機構３００は、燃料電池１００への酸化剤ガスの供給および燃料電池１００からのカソードオフガスの排出を行なう。カソード側ガス供給排出機構３００は、酸化剤ガス供給部３９１と、カソードオフガス排出部３９２とを備える。

酸化剤ガス供給部３９１は、燃料電池１００に酸化剤ガスとしての空気を供給する。酸化剤ガス供給部３９１は、酸化剤ガス供給流路３３０と、温度センサ３０５と、エアクリーナ３１０と、エアコンプレッサ３２０と、カソードバイパス流路３３３と、エア分流弁３４０とを備える。

酸化剤ガス供給流路３３０は、大気から取り込まれる酸化剤ガスとしての空気を燃料電池１００内に設けられた図示しない酸化剤ガス供給マニホールドへと導く。温度センサ３０５は、酸化剤ガス供給部３９１へと取り込まれる空気の温度を測定する、すなわち、外気温を測定する。エアクリーナ３１０は、酸化剤ガス供給流路３３０に配置され、自身の内部に備えるフィルタにより空気中の塵等の異物を除去し、異物除去後の空気をエアコンプレッサ３２０に供給する。エアコンプレッサ３２０は、酸化剤ガス供給流路３３０に配置され、エアクリーナ３１０から供給される空気を圧縮して下流側へと供給する。カソードバイパス流路３３３は、酸化剤ガス供給流路３３０におけるエアコンプレッサ３２０の下流かつ燃料電池１００の上流において、酸化剤ガス供給流路３３０と接続されている。カソードバイパス流路３３３は、エア分流弁３４０の開度に応じてエアコンプレッサ３２０から供給される圧縮空気の少なくとも一部を、後述のカソードオフガス排出流路３３１へと導く。エア分流弁３４０は、酸化剤ガス供給流路３３０とカソードバイパス流路３３３との接続箇所に配置されている。エア分流弁３４０は、エアコンプレッサ３２０から供給されるエア流量のうち、燃料電池１００へと供給される流量と、カソードバイパス流路３３３へと供給される流量とを調整する。

カソードオフガス排出部３９２は、カソードオフガス排出流路３３１と、カソード背圧弁３５０と、マフラ３６０とを備える。

カソードオフガス排出流路３３１は、燃料電池１００内に設けられた図示しないカソードオフガス排出マニホールドと接続され、かかるマニホールドから排出されるカソードオフガスおよび液水を、外部へと導く。カソード背圧弁３５０は、カソードオフガス排出流路３３１と上述のカソードバイパス流路３３３との接続箇所に配置されている。カソード背圧弁３５０は、開度を調整することにより、燃料電池１００のカソード側の背圧を調整する。マフラ３６０は、カソードオフガス排出流路３３１における第２アノードオフガス排出流路２６２との接続箇所の下流側に配置されている。マフラ３６０は、混合ガスの排出音を低減させる。

燃料電池循環冷却機構４００は、燃料電池１００を介して冷却媒体を循環させることにより燃料電池１００の温度を調整する。本実施形態では、冷却媒体（「冷媒」とも呼ばれる）として不凍液を用いるものとするが、不凍液に代えて、純水等の任意の媒体を利用することもできる。燃料電池循環冷却機構４００は、ラジエータ４１０と、温度センサ４２０と、冷却媒体排出流路４４２と、冷却媒体供給流路４４１と、冷却媒体バイパス流路４４３と、冷却媒体分流弁４４４と、循環用ポンプ４３０とを備える。

ラジエータ４１０は、冷却媒体排出流路４４２と冷却媒体供給流路４４１とに接続されており、冷却媒体排出流路４４２から流入する冷却媒体を、図示しない電動ファンからの送風等により冷却してから冷却媒体供給流路４４１へと排出する。温度センサ４２０は、冷却媒体排出流路４４２における燃料電池１００との接続箇所の近傍に配置され、冷却媒体排出流路４４２を流れる冷却媒体の温度（「冷媒温」とも呼ばれる）を測定する。温度センサ４２０により測定された温度は、燃料電池１００の温度として扱われてもよい。冷却媒体排出流路４４２は、燃料電池１００内に設けられた図示しない冷却媒体排出用のマニホールドと接続されている。また、冷却媒体排出流路４４２は、冷却媒体分流弁４４４を介して冷却媒体バイパス流路４４３に接続されている。冷却媒体排出流路４４２は、燃料電池１００から排出された冷却媒体を、ラジエータ４１０または冷却媒体バイパス流路４４３へと導く。冷却媒体供給流路４４１の一端は、ラジエータ４１０に接続されている。冷却媒体供給流路４４１の他端は、燃料電池１００内に設けられた図示しない冷却媒体供給用のマニホールドに接続されている。冷却媒体バイパス流路４４３の一端は、冷却媒体分流弁４４４に接続され、他端は冷却媒体供給流路４４１に接続されている。燃料電池１００から排出された冷却媒体の少なくとも一部は、冷却媒体分流弁４４４の開度に応じて冷却媒体バイパス流路４４３へと導かれる。冷却媒体分流弁４４４は、燃料電池１００から排出された冷却媒体のうち、ラジエータ４１０へと供給される流量と、冷却媒体バイパス流路４４３へと供給される流量とを調整する。循環用ポンプ４３０は、冷却媒体供給流路４４１における冷却媒体分流弁４４４との接続箇所の下流に設置されている。循環用ポンプ４３０は、ラジエータ４１０、冷却媒体供給流路４４１、燃料電池１００内部の冷却媒体流路、および冷却媒体排出流路４４２により形成される冷却媒体循環流路における冷却媒体の流量を調整する。

電源回路５００は、燃料電池１００と二次電池５５０とのうちの少なくとも一方からトラクションモータ２０やエアコンプレッサ３２０等の補機類に電力を供給する。また、電源回路５００は、燃料電池１００の電流（以下、「ＦＣ電流」と呼ぶ）を調整する。また、電源回路５００は、二次電池５５０への充電を制御する。電源回路５００は、燃料電池制御用コンバータ５３０と、インバータ５２０と、二次電池制御用コンバータ５６０と、電流測定部５７０と、セルモニタ５８０とを備える。

燃料電池制御用コンバータ５３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、燃料電池１００の出力電圧を昇圧する。また、燃料電池制御用コンバータ５３０は、内蔵されているスイッチング素子のスイッチング周波数を制御部７００からの指示に従って調整することにより、ＦＣ電流を調整する。二次電池制御用コンバータ５６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次電池５５０の出力電圧を昇圧する。また、二次電池制御用コンバータ５６０は、トラクションモータ２０の回生電力と燃料電池１００の出力電力とのうちの少なくとも一方を降圧して二次電池５５０に供給する。インバータ５２０は、燃料電池１００および二次電池５５０にそれぞれ電気的に接続されており、燃料電池１００および二次電池５５０から出力される直流電圧を交流電圧に変換する。変換された交流電圧は、トラクションモータ２０に供給される。また、インバータ５２０は、トラクションモータ２０から出力される回生電力の交流電圧を直流電圧に変換して二次電池制御用コンバータ５６０に出力する。電流測定部５７０は、燃料電池１００の電極板１１１と燃料電池制御用コンバータ５３０とを接続する配線に電気的に接続されており、ＦＣ電流を測定する。セルモニタ５８０は、各単セル１１０の電圧および燃料電池１００の電圧を測定する。

二次電池５５０は、リチウムイオン電池により構成され、燃料電池１００と共に燃料電池システム１０における電力供給源として機能する。なお、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池などの他の任意の種類の電池により構成されてもよい。

制御部７００は、マイクロプロセッサ、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、およびＲＡＭ（Ｒａｍｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えるコンピュータとして構成されている。マイクロプロセッサは、予めＲＯＭに記憶されている制御用プログラムを、ＲＡＭを利用しながら実行することにより、燃料電池１００全体を制御する機能部として機能する。制御部７００は、上述の遮断弁２２０、圧力センサ２７１〜２７３、循環用ポンプ２４０、パージ弁２６０、エアコンプレッサ３２０、エア分流弁３４０、カソード背圧弁３５０、モータ冷却分流弁３７０、循環用ポンプ４３０、冷却媒体分流弁４４４、インバータ５２０、燃料電池制御用コンバータ５３０、二次電池制御用コンバータ５６０にそれぞれ電気的に接続され、これらを制御する。また、制御部７００は、図１および図２に示すセンサ４１〜４４に加えて、上述の圧力センサ２７１〜２７３、温度センサ３０５、温度センサ４２０、電流測定部５７０にそれぞれ電気的に接続され、これらセンサの測定値を取得する。外気温センサ４１および制御部７００が「外気温取得部」に相当する。また、温度センサ４２０および制御部７００が「冷媒温度取得部」に相当する。

制御部７００は、後述するＦＣ出力制御処理を実行することにより、運転者が感じる車両の運転性の悪化を抑制する。

図３は、燃料電池スタックの出力制限処理（以下、「ＦＣ出力制限処理」とも呼ぶ）の手順を示すフローチャートである。ＦＣ出力制御処理は、燃料電池１００の発電による出力（以下、「ＦＣ出力」とも呼ぶ）を制御するための処理であり、燃料電池車両９００のスタートボタンが押下されたことを契機として、実行される。

制御部７００は、ＦＣ出力の制御に要する各センサの測定値を取得する（ステップＳ１０２）。例えば、車速センサ４２が測定した車速の値、アクセル開度センサ４５が測定したアクセル開度、トラクションモータ２０の回転数、各部の温度、圧力センサ２７１〜２７３により測定された圧力値、電流測定部５７０が測定した電流値、加速度センサ４３が測定した加速度、重力センサ４４が測定した重力、およびエアコンプレッサ３２０や循環用ポンプ２４０の作動状態などを示す補機作動情報などが、ステップＳ１０２において取得される。

制御部７００は、ステップＳ１０２において取得された各センサの測定値を利用して、燃料電池システム１０に要求される出力電力、すなわち、車両必要パワー（Ｐｗ＿ｖ＿ｒｅｑ）を演算する（ステップＳ１０４）。また、制御部７００は、二次電池５５０の出力可能量（Ｐｗ＿ｂａｔ＿ａｌｌｏｗ）を演算する（ステップＳ１０６）。なお、車両必要パワーの演算および二次電池５５０の出力可能量の演算は、いずれも周知の方法を採用することができる。

制御部７００は、アクセル開度Ｇｐが１００％の状態の時間（以下、１００％継続時間」と及ぶ）があらかじめ定めた時間ｔ１（以下、「閾値時間ｔ１」とも呼ぶ）以上継続しているか否か判断する（ステップＳ１０８）。制御部７００は、１００％継続時間が閾値時間ｔ１以上の場合には、ステップＳ１１０の外気温に応じた出力制限処理（以下、「外気温出力制限処理」とも呼ぶ）を行なった後、ステップＳ１１２の処理を行う。一方、１００％継続時間が閾値時間ｔ１未満の場合には、そのままステップＳ１１２の処理を行う。

図４は、外気温に応じた出力制限処理の手順を示すフローチャートである。外気温出力制限処理は、燃料電池１００のＦＣ出力を外気温に応じて制限するための処理である。

制御部７００は、外気温Ｔｏに基づき最高巡航速度Ｓｃを決定する（ステップＳ２０２）。図５は、外気温と勾配０％の平地での最高巡航速度との関係の一例を示す説明図である。図５に示す関係の情報は、あらかじめ、テーブルや関係式として不図示の記憶装置に格納されている。最高巡航速度Ｓｃは、記憶装置に格納されている情報に基づいて求められる。

なお、最高巡航速度は、予め定めた高ＦＣ出力で燃料が有る限り維持できる速度を意味する。通常、最高巡航速度は、車両全体として、車両を構成する各ユニットの熱バランス（放熱＝排熱＋冷却の関係）を維持できる車速に相当する。なお、仮に、トラクションモータ２０が熱設計の制約となる場合には、燃料電池１００の熱設計においては、トラクションモータ２０により発生する熱定格点を維持できるように設計することで熱バランスは最適化される。

図５に示したような外気温と最高巡航速度との関係は、予め、外気温に依存して変化する熱バランスを維持できる車速に基づいて求められる。なお、図５では、外気温Ｔｏが値Ｔ１以下で最高巡航速度Ｓｃは値Ｓ１、外気温Ｔｏが値Ｔ１よりも高い値Ｔ２以上で最高巡航速度Ｓｃは値Ｓ１よりも低い値Ｓ２、外気温Ｔｏが値Ｔ１〜値Ｔ２の間では、値Ｓ１から値Ｓ２まで直線的に変化する値となっている。これは、以下の理由による。最高巡航速度Ｓｃが高いほど燃料電池に要求される出力は大きくなる。また、外気温が高いほど、ラジエータの冷却能力が不足する可能性が高くなり、ドライアップの可能性が高くなる。そこで、外気温が高いほど最高巡航速度Ｓｃを低く制限して、燃料電池が出力可能な出力（「可能出力」とも呼ぶ）を制限するものである。但し、値Ｓ１から値Ｓ２までの変化は直線的な変化に限定されるものではなく、曲線的な変化であってもよい。言い換えると、外気温Ｔｏの上昇に応じて最高巡航速度Ｓｃが制限されることは、燃料電池の可能出力が制限されることに対応する。

制御部７００は、ステップＳ２０４（図４参照）において、ステップＳ２０２で決定された最高巡航速度Ｓｃから必要ＦＣ出力（ＰＷ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）を演算する。この演算は、以下のように実行される。図６は、車速と駆動力との関係の一例を示すグラフである。図６には、破線で示すように、車速と駆動力との関係の一例が勾配をパラメータとして示されている。車速と駆動力との関係（「駆動力特性」とも呼ぶ）を示す情報は、あらかじめ、テーブルや関係式として不図示の記憶装置に格納されている。最高巡航速度Ｓｃを維持するために必要な車両の駆動力［Ｎ］は、勾配に応じた駆動力特性の情報に基づいて求められる。なお、図６には、勾配が０％、１０％、２０％、３０％、４０％の特性が例示されている。例示されていない勾配については、用意されている勾配の特性のうち、その勾配よりも大きい側で最も小さい勾配の特性を用いて求めるようにしてもよい。また、その勾配を挟む上側の勾配の特性と下側の勾配の特性とを用いた補間演算によって求めるようにしてもよい。なお、勾配は、例えば、上述したように、加速度センサ４３および重力センサ４４の測定値から求められる。また、車速の変化および車両出力の変化から推定することもできる。そして、求めた駆動力に対応する車両出力［Ｗ］を算出し、予め設定したＦＣ出力と二次電池出力との分配条件に従って、必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）を求めるとともに、必要二次電池出力を求める。但し、二次電池５５０の制約、例えば、充電状態（ＳＯＣ）による制限や温度による制限によって、二次電池５５０の出力可能量（ステップＳ１０６で求められる）が必要二次電池出力に対して不足する場合がある。この場合には、この不足分をＦＣ出力で補正可能である場合には、必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）の値が補正される。補正できない場合には、車両出力が制限される。

また、最大モータ軸出力特性（太い実線で示す）は、トラクションモータ２０が出力できる最大駆動力の特性を示す。但し、実際の最大モータ軸出力特性としては、マージンを考慮して、モータ軸出力の出力制限１００％の曲線(一点鎖線で示す）が利用される。また、トラクションモータ２０の制約、例えば、過電流保護や温度制限の大きさに応じて、このモータ軸出力特性における出力可能な駆動力は制限される。図６には、これらの制約がない状態である出力制限１００％のほか、出力制限８５％、７０％、５０％、４０％の場合のモータ軸出力特性が示されている。例えば、図６に示すように、出力制限１００％で勾配１０％の場合、駆動力の値Ｐｐまで出力可能である。最高巡航速度Ｓｃが設定された値Ｓａにおいて必要とする駆動力は値Ｐｂ（＜Ｐａ）であるので、制限なく走行可能である。しかし、出力制限５０％で勾配１０％の場合、可能な駆動力は値Ｐｃ（＜Ｐｂ＜Ｐａ）に制限され、この制限から決まる値Ｓｂ（＜Ｓａ）の車速での走行に制限される。この際には、必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）は、この駆動力の制限に対応するＦＣ出力に制限される。

制御部７００は、ステップＳ２０６（図４参照）において、ＦＣ冷媒温ＴｆにおけるＦＣ許可出力（Ｐｗ＿ｆｃ−ｔｅｍｐ＿ａｌｌｏｗ）を演算する。この演算は、以下のように実行される。

図７は、ＦＣ冷媒温とＦＣ許可出力との関係の一例を示すグラフである。図７に示す関係の情報は、あらかじめ、テーブルや関係式として不図示の記憶装置に格納されている。
図７には、燃料電池１００のインピーダンスが異なる複数のＦＣ許可出力の特性が示されている。ＦＣ冷媒温は、燃料電池１００から排出された冷媒の温度であり、燃料電池１００の温度として扱われる。燃料電池１００のインピーダンスは、例えば、交流インピーダンス測定等の種々の周知の方法によって測定されるものであり、燃料電池１００の乾燥度合いに応じて変化する。ＦＣ許可出力は、燃料電池１００のインピーダンスに対応する乾燥度合いの状態で燃料電池１００を動作させても各単セル１１０が劣化してしまわない範囲で動作させるために許容できるＦＣ出力を示す。インピーダンスは、小さいほど乾燥度合いが小さく、大きいほど乾燥度合いが大きくなる。このため、インピーダンスが大きいほど、ＦＣ冷媒温が高くなるとＦＣ許可出力は小さく制限される。以上の理由から、ＦＣ冷媒温とＦＣ許可出力との関係は、図７に示すように、インピーダンスの大きさによって異なった特性を示す。なお、図７には、インピーダンスが小、中（例えば、小の２倍程度の大きさ）、大（例えば、小の３倍程度の大きさ）、極大（例えば、小の４倍程度の大きさ）の特性を示している。例示されていないインピーダンスについては、用意されているインピーダンスの特性のうち、そのインピーダンスよりも大きい側で最も小さいインピーダンスの特性を用いて求めるようにしてもよい。また、そのインピーダンスを挟む上側のインピーダンスの特性と下側のインピーダンスの特性とを用いた補間演算によって求めるようにしてもよい。

図４のステップＳ２０６の演算では、制御部７００は、図７に示した特性の情報に基づいて、ＦＣ冷媒温Ｔｆと、インピーダンスＺｆと、に対応するＦＣ許可出力（Ｐｗ＿ｆｃ−ｔｅｍｐ＿ａｌｌｏｗ）を求める。なお、ＦＣ冷媒温Ｔｆは、冷却媒体排出流路４４２に設けられた温度センサ４２０によって測定される。インピーダンスＺｆは、電流測定部５７０により測定された電流値と、セルモニタ５８０により測定される各単セル１１０の電圧値とを利用して周知の方法により求められる。

ここで、ステップＳ２０４で求められる必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）は、上述したように、外気温Ｔｏによって制限される最高巡航速度Ｓｃに応じて制限される値であり（図５，図６参照）、ＦＣ出力を制限し、車両の出力を制限することが可能な値である。なお、外気温はラジエータ４１０によるＦＣ冷媒温の冷却性能に影響する。このため、外気温によって制限されるＦＣ出力の制限は、外気温の上昇および最高巡航速度での運転の継続によって予測される燃料電池１００の乾燥によって発生する燃料電池の出力低下を抑制するために、予め行なわれる制限に対応する。すなわち、外気温および最高巡航速度に応じて要求される必要ＦＣ出力によるＦＣ出力の制限は、高出力での燃料電池１００の運転により予測される燃料電池１００の乾燥度合いに応じた制限とも言える。また、ステップＳ２０６で求められたＦＣ許可出力（Ｐｗ＿ｆｃ−ｔｅｍｐ＿ａｌｌｏｗ）も、上述したように、ＦＣ冷媒温および燃料電池１００のインピーダンスから求まる燃料電池１００の乾燥度合いに応じて制限され、車両の出力を制限する値である。このため、これら２つの値のうちの小さい値の方が、燃料電池１００の運転にとって厳しい制限となる、と言える。

そこで、ステップＳ２０８では、制御部７００は、必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）＞ＦＣ許可出力（Ｐｗ＿ｆｃ−ｔｅｍｐ＿ａｌｌｏｗ）か否か判断する。この際、制御部７００は、必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）＞ＦＣ許可出力（Ｐｗ＿ｆｃ−ｔｅｍｐ＿ａｌｌｏｗ）の場合には、ステップＳ２１０においてＦＣ出力上限値（Ｐｗ＿ｕ＿ｌｉｍｉｔ）をＦＣ許可出力（Ｐｗ＿ｆｃ−ｔｅｍｐ＿ａｌｌｏｗ）に設定し、ＦＣ出力制御処理へ戻り（図３参照）、ステップＳ１１２の処理へ移行する。一方、制御部７００は、必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）≦ＦＣ許可出力（Ｐｗ＿ｆｃ−ｔｅｍｐ＿ａｌｌｏｗ）の場合には、ステップＳ２１２においてＦＣ出力上限値（Ｐｗ＿ｕ＿ｌｉｍｉｔ）を必要ＦＣ出力（Ｐｗ＿ａｍｂ−ｔｅｍｐ＿ｒｅｑ）に設定し、ＦＣ出力制限処理（図３参照）へ戻り、ステップＳ１１２の処理へ移行する。

ステップＳ１１２では、制御部７００は、ＦＣ冷媒温ＴｆおよびインピーダンスＺｆに基づいてＦＣ出力可能量（Ｐｗ＿ｆｃ＿ａｌｌｏｗ）を演算する。この演算は、以下のように実行される。

ステップＳ１１０を経ずにステップＳ１１２が実行される場合には、ステップＳ２０６（図４参照）と同様に図７に示したＦＣ冷媒温とＦＣ許可出力との関係からＦＣ冷媒温ＴｆおよびインピーダンスＺｆに対応するＦＣ許可出力がＦＣ出力可能量（Ｐｗ＿ｆｃ＿ａｌｌｏｗ）として求められる。これに対して、ステップＳ１１０を経てステップＳ１１０が実行される場合には、ステップＳ２１０，Ｓ２１２で設定されたＦＣ出力上限値（Ｐｗ＿ｕ＿ｌｉｍｉｔ）がＦＣ出力可能量（Ｐｗ＿ｆｃ＿ａｌｌｏｗ）として求められる。

制御部７００は、ステップＳ１１４において、車両必要パワー（Ｐｗ＿ｖ＿ｒｅｑ）、二次電池出力可能量（Ｐｗ＿ｂａｔ＿ａｌｌｏｗ）、ＦＣ出力可能量（（Ｐｗ＿ｆｃ＿ａｌｌｏｗ））に基づいて、ＦＣ出力と二次電池出力の出力割合を決定する。そして、制御部７００は、ステップＳ１１６において、ステップＳ１１４で決定した出力割合に基づいて燃料電池１００及び二次電池５５０の作動電圧および昇圧電圧を決定し、ステップＳ１１８において、燃料電池制御用コンバータ５３０および二次電池制御用コンバータ５６０の作動を指示する。

制御部７００は、ステップＳ１２０において燃料電池１００の発電による電流値を決定し、ステップＳ１２２において循環用ポンプ２４０やインジェクタ２２２、エアコンプレッサ３２０、エア分流弁３４０、カソード背圧弁３５０、モータ冷却分流弁３７０等の各種ＦＣ補機の動作点を演算する。そして、制御部７００は、ステップＳ１２４において演算結果に従って各種ＦＣ補機の作動を指示する。以上のようにして、燃料電池１００からのＦＣ出力および二次電池５５０からの二次電池出力が、電源回路５００を介してトラクションモータ２０に供給される。

そして、制御部７００は、ステップＳ１２６において、ステップＳ１１２で求められたＦＣ出力可能量（Ｐｗ＿ｆｃ＿ａｌｌｏｗ）をＦＣ可能出力として、現在のＦＣ出力とともに常時表示する。図８は、パワーメータの表示の一例を示す説明図である。図８に示すように、現在のＦＣ出力とともにＦＣ可能出力を比較表示することで、どの程度追加して出力を増加させることができるかを運転者が視覚的に判断できる。これにより、例えば、運転者が、アクセルを無駄に踏み込みすぎて出力不足が発生した場合に感じる予測不能な出力不足感の発生を抑制することができる。

以上説明したように、実施形態の燃料電池システム１０では、外気温の上昇に応じて制限される最高巡航速度に応じて求められる必要ＦＣ出力に応じて燃料電池１００の出力を制限することができる。上述したように、外気温の上昇は、ラジエータ４１０によるＦＣ冷媒温の冷却性能の低下に影響する。このため、外気温の上昇に応じて制限される最高巡航速度に応じて必要ＦＣ出力を求めてＦＣ出力の上限を制限した場合に、その外気温でＦＣ出力の上限以上のＦＣ出力で運転を継続した際に燃料電池１００に発生することが予測される乾燥度合いに応じた燃料電池の出力低下の発生を、予め抑制することができる。これにより、車両の走行中に急に燃料電池の出力制限が発生し、車両の運転性が悪化してしまうことを抑制することができる。また、実施形態の燃料電池システム１０では、ＦＣ冷媒温および燃料電池１００のインピーダンスから推定される燃料電池１００の乾燥度合いに応じて求められるＦＣ許可出力を用いてＦＣ出力を制限することが可能であり、この場合にも、燃料電池１００に予想される乾燥度合いに応じた燃料電池の出力低下の発生を抑制することができる。これにより、車両の走行中に急に燃料電池の出力制限が発生し、車両の運転性が悪化してしまうことを抑制することができる。

なお、必要ＦＣ出力が「第１燃料電池出力」に相当し、ＦＣ許可出力が「第２燃料電池出力」に相当する。

上記実施形態では、車両に搭載された燃料電池システム１０を例とし、外気温によって制限される最高巡航速度を用いて必要ＦＣ出力を求めて、必要ＦＣ出力がＦＣ許可出力よりも小さい場合に、必要ＦＣ出力でＦＣ出力の上限を制限するものとして説明した。しかしながら、上記実施形態で説明した燃料電池システムは、車両だけでなく種々の装置に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。上述したように、外気温の上昇に応じて最高巡航速度が制限されることは、燃料電池の可能出力が制限されることに対応する。車両のような移動体ではない装置に搭載される燃料電池システムの場合には、「外気温に応じて制限される最高巡航速度」を「外気温に応じて制限される燃料電池の可能出力」として扱い、あらかじめ用意される、外気温と外気温に応じて制限される燃料電池の可能出力との関係から、必要ＦＣ出力を求めるようにすればよい。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…燃料電池システム、２０…トラクションモータ、４１…外気温センサ、４２…車速センサ、４３…加速度センサ、４４…重力センサ、４５…アクセル開度センサ、５１…車輪、１００…燃料電池、１１０…単セル、１１１…電極板、２００…アノード側ガス供給排出機構、２１０…タンク、２２０…遮断弁、２２１…調圧弁、２２２…インジェクタ、２３１…燃料ガス供給流路、２３２…第１アノードオフガス排出流路、２３３…ガス循環路、２４０…循環用ポンプ、２５０…気液分離器、２６０…パージ弁、２６２…第２アノードオフガス排出流路、２７１…圧力センサ、３００…カソード側ガス供給排出機構、３０５…温度センサ、３１０…エアクリーナ、３２０…エアコンプレッサ、３３０…酸化剤ガス供給流路、３３１…カソードオフガス排出流路、３３３…カソードバイパス流路、３４０…エア分流弁、３５０…カソード背圧弁、３６０…マフラ、３７０…モータ冷却分流弁、３９１…酸化剤ガス供給部、３９２…カソードオフガス排出部、４００…燃料電池循環冷却機構、４１０…ラジエータ、４２０…温度センサ、４３０…循環用ポンプ、４４１…冷却媒体供給流路、４４２…冷却媒体排出流路、４４３…冷却媒体バイパス流路、４４４…冷却媒体分流弁、５００…電源回路、５２０…インバータ、５３０…燃料電池制御用コンバータ、５５０…二次電池、５６０…二次電池制御用コンバータ、５７０…電流測定部、５８０…セルモニタ、７００…制御部、９００…燃料電池車両

Claims (1)

1. 燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   外気温を取得する外気温取得部と、
   前記燃料電池を冷却する冷媒の冷媒温を取得する冷媒温度取得部と、
   前記燃料電池の出力を制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   外気温と前記外気温に応じて制限される燃料電池の可能出力との関係から、取得した外気温に対応する第１燃料電池出力を算出し、
   冷媒温と前記冷媒温に応じて制限される燃料電池の許可出力との関係から、取得した冷媒温に対応する第２燃料電池出力を算出し、
   前記第１燃料電池出力と前記第２燃料電池出力のうち小さいほうを、前記燃料電池の出力上限値として設定する、
   ことを特徴とする燃料電池システム。

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