JP2024029944A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムの効率を改善する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、バッテリと、燃料電池およびバッテリを制御する制御部と、を備える。制御部は、バッテリに蓄積された電力量のうち、燃料電池の発電による電力量である第１蓄積電力量を累積的に算出する。制御部は、第１蓄積電力量の蓄積時における燃料電池の発電効率平均値を累積的に算出する。制御部は、負荷装置の電力要求を満足する電力を燃料電池で発電する場合における要求電力発電効率を算出する。制御部は、発電効率平均値が要求電力発電効率よりも低くなる第１条件下では、電力要求を満足する電力を燃料電池に発電させる。制御部は、発電効率平均値が要求電力発電効率よりも高くなる第２条件下では、発電効率が最大となる特定動作点で燃料電池に発電させるとともに、電力要求に対して不足する電力をバッテリから放電させる。【選択図】図１

Description

本明細書は、燃料電池システムを開示する。

特許文献１には、発電効率が低くなる低負荷領域（電力要求が比較的少ない領域）において燃料電池を停止するとともに、充電されたバッテリから電力供給を行う、燃料電池システムが開示されている。当該技術では、燃料電池の間欠運転を実施することで、低負荷領域での発電効率を高めることを目的としている。

特開２００５－７１７９７号公報

燃料電池から出力される電流および電圧によって定まる動作点には、発電効率が最大となる特定動作点が存在する。そして、動作点が特定動作点から乖離するほど（すなわち低負荷領域へ行くほど、または、高負荷領域へ行くほど）、燃料電池の発電効率が低下してしまう。特許文献１の技術では、電力要求が大きくなる高負荷領域については考慮していないため、高負荷領域での発電効率が低下してしまう。

本明細書が開示する燃料電池システムは、負荷装置に電力を供給する燃料電池システムである。燃料電池システムは、燃料電池と、バッテリと、燃料電池およびバッテリを制御する制御部と、を備える。燃料電池は、発生した電力を負荷装置およびバッテリに供給可能に構成されている。バッテリは、燃料電池が発生した電力を蓄積するとともに、蓄積されている電力を負荷装置に放電可能に構成されている。制御部は、バッテリに蓄積された電力量のうち、燃料電池の発電による電力量である第１蓄積電力量を累積的に算出する処理を実行可能である。制御部は、第１蓄積電力量の蓄積時における燃料電池の発電効率平均値を累積的に算出する処理を実行可能である。制御部は、負荷装置の電力要求を満足する電力を燃料電池で発電する場合における要求電力発電効率を算出する処理を実行可能である。制御部は、発電効率平均値が要求電力発電効率よりも低くなる第１条件下では、電力要求を満足する電力を燃料電池に発電させる処理を実行可能である。制御部は、発電効率平均値が要求電力発電効率よりも高くなる第２条件下では、発電効率が最大となる特定動作点で燃料電池に発電させるとともに、電力要求に対して不足する電力をバッテリから放電させる処理を実行可能である。

燃料電池の動作点が、特定動作点に対して高負荷側へ移動するほど、要求電力発電効率は低下していく。そのため、負荷装置の電力要求がある程度大きくなると、発電効率平均値が要求電力発電効率よりも高くなる第２条件が成立する場合がある。この第２条件下において、燃料電池を特定動作点で動作させることにより、燃料電池の発電効率を最大化することができる。また、電力要求に対して不足する電力は、燃料電池の発電効率平均値よりも高い発電効率での発電により充電した電力によって補うことができる。高い発電効率で充電された電力を補助電力に用いることができるため、充電電力まで含めた燃料電池システム全体として、高い発電効率を実現できる。高負荷領域においても、燃料電池システムの効率を高めることが可能となる。

制御部は、第２条件下において、電力要求に対して不足する電力がバッテリの放電許容電力を超えるときは、特定動作点にかかわらず、放電許容電力に対する超過分を燃料電池に発電させてもよい。この構成によると、電力要求に対して不足する電力をバッテリから供給しきれない場合には、特定動作点で燃料電池に発電させる状態を解除することができる。不足電力を燃料電池の発電によって供給することができるため、要求電力を確実に供給することが可能となる。

制御部は、バッテリに蓄積された電力量のうち、燃料電池以外から供給された第２蓄積電力量を累積的に算出する処理をさらに実行可能であってもよい。制御部は、第２蓄積電力量がゼロでないときは、発電効率平均値と要求電力発電効率との大小関係にかかわらず、特定動作点で燃料電池に発電させるとともに、電力要求に対して不足する電力をバッテリから放電させる処理をさらに実行可能であってもよい。第２蓄積電力量は、燃料電池を使用せずに蓄積された電力量である。そしてこの構成では、第２蓄積電力量が残存している場合には、第２蓄積電力量を積極的に使用することができる。第２蓄積電力量の使用割合を高くすることができるため、時間平均当たりの燃料電池システムの効率を高めることが可能となる。

負荷装置はモータを備えていてもよい。バッテリは、モータで発生した回生電力を蓄積することが可能に構成されていてもよい。制御部は、燃料電池からの充電電流を累積することに基づいて第１蓄積電力量を算出してもよい。制御部は、モータからの充電電流を累積することに基づいて第２蓄積電力量を算出してもよい。この構成によると、バッテリに蓄積されている電力量を、燃料電池によって蓄積された第１蓄積電力量と、モータによって蓄積された第２蓄積電力量とに、仮想的に分類することができる。第２蓄積電力量は、第１蓄積電力量よりも燃料電池システムの効率上昇への寄与率が高い電力量である。この第２蓄積電力量を認識できるため、第２蓄積電力量を積極的に使用することが可能となる。

現在時刻における発電効率平均値をＰＡ（ｔ）とし、経過時間ｄｔだけ前の時刻における発電効率平均値をＰＡ（ｔ－１）とし、現在時刻における第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ）とし、経過時間ｄｔだけ前の時刻における第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ－１）とし、経過時間ｄｔの間の第１蓄積電力量の変化量をＳＰ１（ｄｔ）とし、経過時間ｄｔの間の燃料電池の発電効率をＧＥ（ｄｔ）としてもよい。現在時刻における発電効率平均値は、「ＰＡ（ｔ）＝（ＰＡ（ｔ－１）×ＳＰ１（ｔ－１）＋ＧＥ（ｄｔ）×ＳＰ１（ｄｔ））／ＳＰ１（ｔ）」の式によって求められてもよい。この構成によると、発電効率平均値を逐次更新することができる。発電効率平均値を最新の状態に維持することが可能となる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

電動車両１の一部の概略構成図である。 燃料電池１４の特性について説明するグラフである。 燃料電池システム１０の動作を説明するフローチャートである。 燃料電池システム１０の動作を説明するフローチャートである。 要求電力発電効率ＲＰの求め方を説明するグラフである。 燃料電池システム１０の具体動作例を説明するタイムチャートである。

（電動車両１の構成）
図１に、電動車両１の一部の概略構成図を示す。電動車両１は、燃料電池システム１０、車両モータ２０、電力変換装置３０、アクセル開度センサ４０、を備えている。燃料電池システム１０は、車両モータ２０や各種補機（不図示）に電力を供給するシステムである。燃料電池システム１０は、ＥＣＵ１１、燃料電池１４、バッテリ１５、電流センサ１６を備えている。

燃料電池１４は、電力変換装置３０を介して車両モータ２０に接続されている。また燃料電池１４は、バッテリ１５に接続されている。燃料電池１４は、水素とエアとを電気化学的に反応させて電力を取り出す発電装置である。燃料電池１４は、不図示の様々な補機類（例：水素ポンプ、コンプレッサ、バルブ類）を備えている。燃料電池１４は、発生した電力を車両モータ２０およびバッテリ１５に供給可能に構成されている。

バッテリ１５は、リチウムイオン電池である。バッテリ１５は、燃料電池１４が発生した電力を蓄積するとともに、車両モータ２０で発生した回生電力を蓄積することが可能に構成されている。またバッテリ１５は、蓄積されている電力を車両モータ２０に放電可能に構成されている。電流センサ１６は、バッテリ１５の充放電電流値ＣＤＩを検出して、ＥＣＵ１１へ送信する。アクセル開度センサ４０は、不図示のアクセルのアクセル開度ＡＯを検出し、検出結果をＥＣＵ１１へ送信する。

車両モータ２０は、車両を動かすための電動機である。電力変換装置３０は、燃料電池１４やバッテリ１５から供給された直流電圧を、３相交流電圧に変換して車両モータ２０に供給する。また車両モータ２０から回生発電により供給された３相交流電圧を、直流電圧に変換してバッテリ１５に供給する。

ＥＣＵ１１は、電動車両１を構成する様々な要素を統括して制御するコンピュータである。ＥＣＵ１１は、ＣＰＵ１１ｃや、メモリ１１ｍを備えている。メモリ１１ｍは、各種の制御プログラムや、後述するＶ特性マップＩＭ、効率マップＥＭ等を記憶する。ＣＰＵ１１ｃは、制御プログラムに従って、後述する図３および図４の動作を制御する。

（燃料電池１４の特性）
図２を用いて、燃料電池１４の特性について説明する。Ｉ－Ｖ特性マップＩＭは、燃料電池１４から出力される電流および電圧の関係を示すマップである。横軸は電流であり、縦軸は電圧である。横軸の電流値は、車両パワー要求（すなわち車両モータ２０からの電力要求）に対応している。効率マップＥＭは、燃料電池１４の効率を示すマップである。効率は、電気出力と投入した燃料のエンタルピとの比である。なお燃料電池１４の効率は、各種の補機類（例：水素ポンプ、コンプレッサ）を含んだシステムとしての効率である。

効率マップＥＭから分かるように、燃料電池１４は、発電効率が最大となる特定動作点ＯＰｓを有している。特定動作点ＯＰｓよりも低負荷側の領域ＬＬで効率が低下する理由を説明する。燃料電池１４の補機類（例：エアコンプレッサ、水素ポンプ）は、発電量に関わらず一定以上の電力を消費する。従って、領域ＬＬでは、補機類の消費電力が占める割合が大きくなるため、効率が低下する。また、特定動作点ＯＰｓよりも高負荷側の領域ＨＬで効率が低下する理由を説明する。Ｉ－Ｖ特性マップＩＭから分かるように、電流値の増加に従って、電圧値は低下する。これは、電流値が高くなるにつれて、内部抵抗が増加し、電圧降下するためである。なお、一般に燃料電池においては、発電効率は出力電圧に比例することが知られている。よって、電流値が増加するほど（すなわち負荷が高くなるほど）、燃料電池１４の効率は低下する。

（燃料電池システム１０の動作内容）
図３および図４のフローチャートを用いて、燃料電池システム１０の動作を説明する。以下では、「ステップ１０」を「Ｓ１０」のように略記する。図３および図４のフローは、電動車両１のイグニションがオンされることに応じて開始され、イグニションがオフされるまで実行される。図３および図４のフローは、所定周期（例：１００ｍｓ）でループ処理されてもよい。図３および図４のフローは、大きく分けて、Ｓ１０、Ｓ２０、Ｓ３０の３つのステップを備えている。以下に説明する。

Ｓ１０の内容を、図３を用いて説明する。Ｓ１０は、第１蓄積電力量ＳＰ１および第２蓄積電力量ＳＰ２を累積的に算出するステップである。第１蓄積電力量ＳＰ１は、バッテリ１５に蓄積された電力量のうち、燃料電池１４の発電により蓄積された電力量である。第２蓄積電力量ＳＰ２は、バッテリ１５に蓄積された電力量のうち、燃料電池１４以外から供給された電力により蓄積された電力量である。本実施例では、第２蓄積電力量ＳＰ２は、車両モータ２０の回生発電により蓄積される。

Ｓ１０は、Ｓ１１～Ｓ１６を備えている。Ｓ１１においてＥＣＵ１１は、バッテリ１５に充電中であるか否かを判断する。肯定判断される場合（Ｓ１１：Ｙｅｓ）にはＳ１２へ進む。Ｓ１２においてＥＣＵ１１は、ＦＣ発電電流Ｉ１およびモータ回生電流Ｉ２を算出する。ＦＣ発電電流Ｉ１およびモータ回生電流Ｉ２は、バッテリ１５の充電電流および放電電流を仮想的に分類したものである。モータ回生電流Ｉ２は、車両モータ２０の回生発電により発生した電流である。モータ回生電流Ｉ２は、回生発電電流から、各種の補機類での消費電流を差し引いて求めてもよい。ＦＣ発電電流Ｉ１は、燃料電池１４の発電により発生した電流である。ＦＣ発電電流Ｉ１は、電流センサ１６で測定される充放電電流値ＣＤＩからモータ回生電流Ｉ２を差し引くことによって求めてもよい。

一方、Ｓ１１においてバッテリ１５に充電中ではないと判断される場合（Ｓ１１：Ｎｏ）には、Ｓ１３へ進む。Ｓ１３においてＥＣＵ１１は、第１蓄積電力量ＳＰ１の残容量があるか否かを判断する。第１蓄積電力量ＳＰ１の残容量は、後述するＳ１６で算出可能である。肯定判断される場合（Ｓ１３：Ｙｅｓ）にはＳ１４へ進み、バッテリ１５から出力される電流がＦＣ発電電流Ｉ１に分類される。具体的には、電流センサ１６で検出される充放電電流値ＣＤＩが、ＦＣ発電電流Ｉ１とされる。

一方、第１蓄積電力量ＳＰ１の残容量がないと判断される場合（Ｓ１３：Ｎｏ）には、Ｓ１５へ進む。そして、バッテリ１５から出力される電流がモータ回生電流Ｉ２に分類される。具体的には、電流センサ１６で検出される充放電電流値ＣＤＩが、モータ回生電流Ｉ２とされる。

Ｓ１６においてＥＣＵ１１は、第１蓄積電力量ＳＰ１および第２蓄積電力量ＳＰ２を算出する。具体的に説明する。現在時刻における第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ）とする。経過時間ｄｔだけ前の時刻における第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ－１）とする。経過時間ｄｔの間のＦＣ発電電流をＩ１とする。なおＦＣ発電電流Ｉ１の符号は、負が充電を示し、正が放電を示している。また経過時間ｄｔは、例えば、図３および図４で示すループ処理を１回実行する時間である。すると、現在時刻における第１蓄積電力量ＳＰ１（ｔ）は、下式（１）によって求めることができる。
ＳＰ１（ｔ）＝ＳＰ１（ｔ－１）＋（－Ｉ１×ｄｔ）・・・式（１）
すなわち、燃料電池１４からの充電電流を経過時間ｄｔごとに累積することに基づいて、第１蓄積電力量ＳＰ１を算出することができる。なお第１蓄積電力量ＳＰ１の単位は、［Ｃ（＝Ａ・ｓ）］である。

同様にして、現在時刻における第２蓄積電力量ＳＰ２（ｔ）は、下式（２）によって求めることができる。
ＳＰ２（ｔ）＝ＳＰ２（ｔ－１）＋（－Ｉ２×ｄｔ）・・・式（２）
すなわち、車両モータ２０からの充電電流を経過時間ｄｔごとに累積することに基づいて、第２蓄積電力量ＳＰ２を算出することができる。

Ｓ２０の内容を、図３を用いて説明する。Ｓ２０は、発電効率平均値ＰＡを累積的に算出するステップである。発電効率平均値ＰＡは、第１蓄積電力量ＳＰ１の蓄積時における燃料電池１４の発電効率を、平均した値である。

Ｓ２０は、Ｓ２１～Ｓ２３を備えている。Ｓ２１においてＥＣＵ１１は、第１蓄積電力量ＳＰ１がゼロより大きいか否かを判断する。第１蓄積電力量ＳＰ１がゼロ以下であると判断される場合（Ｓ２１：Ｎｏ）にはＳ２３へ進み、ＥＣＵ１１は、発電効率平均値ＰＡをゼロに設定する。

一方、第１蓄積電力量ＳＰ１が残っていると判断される場合（Ｓ２１：Ｙｅｓ）には、Ｓ２２へ進む。Ｓ２２においてＥＣＵ１１は、発電効率平均値ＰＡを算出する。具体的に説明する。現在時刻における発電効率平均値をＰＡ（ｔ）とする。経過時間ｄｔだけ前の時刻における発電効率平均値をＰＡ（ｔ－１）とする。現在時刻における第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ）とする。経過時間ｄｔだけ前の時刻における第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ－１）とする。経過時間ｄｔの間の第１蓄積電力量の変化量をＳＰ１（ｄｔ）とする。経過時間ｄｔの間の燃料電池１４の発電効率をＧＥ（ｄｔ）とする。経過時間ｄｔの間のバッテリ１５の充電効率をＣＥ（ｄｔ）とする。すると、現在時刻における発電効率平均値ＰＡ（ｔ）は、下式（３）によって求めることができる。
ＰＡ（ｔ）＝（ＰＡ（ｔ－１）×ＳＰ１（ｔ－１）＋ＧＥ（ｄｔ）×ＣＥ（ｄｔ）×ＳＰ１（ｄｔ））／ＳＰ１（ｔ）・・・式（３）

この算出方法により、発電効率平均値ＰＡを逐次更新することができる。発電効率平均値ＰＡを最新の状態に維持することが可能となる。なお、充電効率ＣＥ（ｄｔ）は省略してもよい。また発電効率ＧＥ（ｄｔ）および充電効率ＣＥ（ｄｔ）は、計算値を用いてもよいし、実測値であってもよい。

Ｓ３０の内容を、図４を用いて説明する。Ｓ３０は、燃料電池１４に発電量を指示するための情報である、ＦＣパワー指令を生成するステップである。

Ｓ３０は、Ｓ３１～Ｓ４３を備えている。Ｓ３１においてＥＣＵ１１は、第２蓄積電力量ＳＰ２がゼロより大きいか否かを判断する。第２蓄積電力量ＳＰ２が残っていると判断される場合（Ｓ３１：Ｙｅｓ）には、Ｓ３２へ進む。Ｓ３２においてＥＣＵ１１は、ＦＣパワー指令を第１モードＭ１に設定する。そしてＳ４０へ進む。第１モードＭ１は、固定発電量ＯＰａで燃料電池１４に発電させるモードである。また第１モードＭ１では、固定発電量ＯＰａが車両モータ２０からの電力要求量に対して不足する場合には不足電力をバッテリ１５から放電し、固定発電量ＯＰａが電力要求量よりも大きい場合には超過電力をバッテリ１５に充電する。すなわち第１モードＭ１では、固定発電量ＯＰａよりも小さな発電指令は行われない。固定発電量ＯＰａは、特定動作点ＯＰｓにおける発電量よりも、システムの平均負荷を考慮した上乗せ電力分だけ大きい発電量である。固定発電量ＯＰａを発電する動作点は特定動作点ＯＰｓに近いため、発電効率を最大に近づけながら、システム全体で電力が不足してしまう事態を防止することができる。なお、上乗せ電力は、システムの特性に応じて適宜定めればよい。また、第１モードＭ１の設定において、発電効率平均値ＰＡと要求電力発電効率ＲＰとの大小関係が比較されることはない。

一方、Ｓ３１において第２蓄積電力量ＳＰ２が残っていないと判断される場合（Ｓ３１：Ｎｏ）には、Ｓ３３へ進む。Ｓ３３においてＥＣＵ１１は、第１蓄積電力量ＳＰ１がしきい値電力量ＳＰｔよりも大きいか否かを判断する。しきい値電力量ＳＰｔは、バッテリ１５のＳＯＣの最低値などに基づいて、予め定めてもよい。肯定判断される場合（Ｓ３３：Ｙｅｓ）には、第１蓄積電力量ＳＰ１が十分に残っていると判断され、Ｓ３４へ進む。

Ｓ３４においてＥＣＵ１１は、要求電力発電効率ＲＰを算出する。要求電力発電効率ＲＰは、車両モータ２０からの電力要求を満足する電力を、燃料電池１４で発電する場合における、燃料電池１４の発電効率である。すなわち、バッテリ１５からの電力供給がなく、燃料電池１４のみで電力要求を満たす場合の発電効率である。

図５を用いて、要求電力発電効率ＲＰの求め方を具体的に説明する。図５の効率マップＥＭは、図２で前述した効率マップＥＭと同一である。アクセル開度センサ４０によって、運転者のアクセルペダル操作量（アクセル開度）が検出される。ＥＣＵ１１は、検出したアクセル開度に基づき、車両モータ２０からの電力要求を算出する。またＥＣＵ１１は、電力要求に対応する出力電流ＯＣを算出する。そしてＥＣＵ１１は、効率マップＥＭを参照して、出力電流ＯＣに対応する要求電力発電効率ＲＰを求める。例えば、出力電流ＯＣａが算出された場合には、効率マップＥＭによって要求電力発電効率ＲＰａが求められる（矢印Ａ１参照）。また、出力電流ＯＣｂが算出された場合には、効率マップＥＭによって要求電力発電効率ＲＰｂが求められる（矢印Ａ２参照）。

Ｓ３５においてＥＣＵ１１は、第１条件と第２条件の何れが成立するかを判断する。第１条件は、「発電効率平均値ＰＡ（Ｓ２２）が要求電力発電効率ＲＰ（Ｓ３４）よりも低い」という条件である。一方、第２条件は、「発電効率平均値ＰＡ（Ｓ２２）が要求電力発電効率ＲＰ（Ｓ３４）よりも高い」という条件である。

当該判断は、図５に示す効率マップＥＭを用いて行うことができる。具体的に説明する。効率マップＥＭ上で、発電効率平均値ＰＡをプロットする。そして、発電効率平均値ＰＡと要求電力発電効率ＲＰとを比較する。例えば、要求電力発電効率がＲＰａである場合には、発電効率平均値ＰＡが要求電力発電効率ＲＰａよりも低いため、第１条件が成立すると判断される。一方、要求電力発電効率がＲＰｂである場合には、発電効率平均値ＰＡが要求電力発電効率ＲＰｂよりも高いため、第２条件が成立すると判断される。

図５に、第１条件が成立する電流範囲Ｃ１、および、第２条件が成立する電流範囲Ｃ２を示す。第１条件が成立する電流範囲Ｃ１では、負荷が比較的小さく、燃料電池１４の効率の低下量が少ない。よって第１条件下では、燃料電池１４のみで要求電力の全てを賄う方が、バッテリ１５に蓄積された電力を供給するよりも、燃料電池システム１０全体の効率が高くなる。一方、第２条件が成立する電流範囲Ｃ２では、負荷が比較的大きいため、燃料電池１４の効率の低下量が大きい。よって第２条件下では、燃料電池１４に固定発電量ＯＰａを発電させるとともに不足電力をバッテリ１５に蓄積された電力で賄う方が、燃料電池１４のみで要求電力の全てを賄うよりも、燃料電池システム１０全体の効率が高くなる。

Ｓ３５において第２条件が成立すると判断された場合（Ｓ３５：第２条件）には、Ｓ３６へ進む。Ｓ３６においてＥＣＵ１１は、ＦＣパワー指令を第２モードＭ２に設定する。そしてＳ４０へ進む。第２モードＭ２は、固定発電量ＯＰａで燃料電池１４に発電させるモードである。また第２モードＭ２では、固定発電量ＯＰａが車両モータ２０からの電力要求量に対して不足する場合には不足電力をバッテリ１５から放電し、固定発電量ＯＰａが電力要求量よりも大きい場合には超過電力をバッテリ１５に充電する。すなわち第２モードＭ２では、固定発電量ＯＰａよりも小さな発電指令は行われない。

一方、第１条件が成立すると判断された場合（Ｓ３５：第１条件）には、Ｓ３７へ進む。Ｓ３７においてＥＣＵ１１は、ＦＣパワー指令を第３モードＭ３に設定する。そしてＳ４０へ進む。第３モードＭ３は、車両モータ２０からの電力要求を満足する電力を、燃料電池１４に発電させるモードである。

またＳ３３において、第１蓄積電力量ＳＰ１がしきい値電力量ＳＰｔよりも小さいと判断された場合（Ｓ３３：Ｎｏ）には、Ｓ３８へ進む。Ｓ３８においてＥＣＵ１１は、ＦＣパワー指令を第４モードＭ４に設定する。そしてＳ４０へ進む。第４モードＭ４は、バッテリ１５のＳＯＣ残量に応じた出力で、燃料電池１４を一定負荷で発電させるモードである。これにより第４モードＭ４では、第１蓄積電力量ＳＰ１を増加させることができる。

Ｓ４０においてＥＣＵ１１は、車両モータ２０からの電力要求からバッテリ１５の放電許容電力を減算することで、不足電力を算出する。Ｓ４１においてＥＣＵ１１は、第１モードＭ１～第４モードＭ４の何れかに設定されているＦＣパワー指令と、Ｓ４０で算出した不足電力と、のどちらが大きいかを判断する。ＦＣパワー指令の方が大きい場合（Ｓ４０：ＦＣパワー指令）には、不足電力を燃料電池１４発電量で賄うことができる場合であると判断され、Ｓ４２へ進む。Ｓ４２においてＥＣＵ１１は、第１モードＭ１～第４モードＭ４の何れかのＦＣパワー指令に基づき、燃料電池１４を制御する。

一方、不足電力の方が大きい場合（Ｓ４０：不足電力）には、Ｓ４３へ進む。Ｓ４３においてＥＣＵ１１は、ＦＣパワー指令を大出力モードＭＨに変更する。大出力モードＭＨは、車両モータ２０からの電力要求に基づき燃料電池１４を制御するモードである。これにより、第２条件下においても、電力要求に対して不足する電力がバッテリ１５の放電許容電力を超えるときは、固定発電量ＯＰａを燃料電池１４に発電させる状態を解除することができる。よって、放電許容電力に対する超過分を燃料電池１４に発電させることができるため、要求電力を確実に供給することが可能となる。そしてＳ１０へ戻ることにより、ループ処理が継続される。

（具体動作例）
図６のタイムチャートを用いて、燃料電池システム１０の具体動作例を説明する。横軸は時間である。時刻ｔ１において、第２蓄積電力量ＳＰ２がゼロより大きい場合（Ｓ３１：Ｙｅｓ）を説明する。この場合、第１モードＭ１で動作するため、ＦＣパワー指令は、固定発電量ＯＰａを燃料電池１４に発電させる指令となる（領域Ｒ１参照）。

時刻ｔ２において第２蓄積電力量ＳＰ２が０になると（Ｓ３１：Ｎｏ）、第１蓄積電力量ＳＰ１がしきい値電力量ＳＰｔよりも大きい（Ｓ３３：Ｙｅｓ）とともに、発電効率平均値ＰＡが要求電力発電効率ＲＰよりも低い（Ｓ３５：第１条件）ため、第３モードＭ３に切り替わる（矢印Ａ１１）。よって燃料電池１４で発電された電力が車両モータ２０に供給される（領域Ｒ２参照）。

時刻ｔ３において、発電効率平均値ＰＡが要求電力発電効率ＲＰよりも高いという第２条件が成立すると（Ｓ３５：第２条件）、第２モードＭ２に切り替わる（矢印Ａ１２）。よってＦＣパワー指令は、固定発電量ＯＰａを燃料電池１４に発電させる指令となる（領域Ｒ３参照）。

時刻ｔ４において、発電効率平均値ＰＡが要求電力発電効率ＲＰよりも低いという第１条件が成立すると（Ｓ３５：第１条件）、再び第３モードＭ３に切り替わる（矢印Ａ１３）。よって燃料電池１４で発電された電力が車両モータ２０に供給される（領域Ｒ４参照）。

また時刻ｔ６において、不足電力が第２モードＭ２での発電電力よりも大きくなると（Ｓ４１：不足電力）、第２モードＭ２から大出力モードＭＨに変更される（Ｓ４３、領域Ｒ５参照）。よって、不足電力が燃料電池１４の発電電力で賄われる（領域Ｒ６参照）。時刻ｔ７において、不足電力が第２モードＭ２での発電電力よりも小さくなると、第２モードＭ２に戻る（領域Ｒ７参照）。

時刻ｔ９において、第２蓄積電力量ＳＰ２がしきい値電力量ＳＰｔよりも小さくなると（Ｓ３３：Ｎｏ）、第４モードＭ４に切り替わる（矢印Ａ１４）。ＦＣパワー指令は、バッテリ１５のＳＯＣに応じた一定パワーとなる（領域Ｒ８参照）。よって第１蓄積電力量ＳＰ１は増加する（領域Ｒ９参照）

（効果）
従来の燃料電池システムでは、車両が必要とする電力（例：車両モータ２０の要求電力、補機類の要求電力）に基づいて燃料電池の発電量を決定していた。燃料電池の動作点が成り行きで決定されるため、効率の高い特定動作点で動作する期間を制御することができず、効率改善が困難であった。そこで本明細書の技術では、発電効率平均値ＰＡと要求電力発電効率ＲＰとを比較することで、バッテリ１５の蓄積電力を使用する場合の効率と、燃料電池１４で発電した電力を直接使う場合の効率とを比較する（Ｓ３５）。そして、バッテリ１５の蓄積電力を使用する場合の方が効率が良いと判断される場合（Ｓ３５：第２条件）には、燃料電池１４に固定発電量ＯＰａを発電させることで、燃料電池１４が特定動作点ＯＰｓ近傍の動作点で動作する期間を最大化することができる。また、高い発電効率でバッテリ１５に充電されている電力を補助電力に用いることができるため、充電電力まで含めた燃料電池システム１０の全体として、高い発電効率を実現することが可能となる。

本明細書の技術では、要求電力発電効率ＲＰとの比較対象となる発電効率平均値ＰＡを、累積的に算出することができる（Ｓ２２）。よって、バッテリ１５の蓄積電力を使用する場合の方が効率が良いか否かの判断を、燃料電池システム１０の状態の変化に追従して行うことが可能となる。これにより、大きな応答時間を有するフィードバック制御を行うことができるため、燃料電池システム１０全体の効率をさらに高めることが可能となる。

本明細書の技術では、バッテリ１５に蓄積されている電力量を、第１蓄積電力量ＳＰ１と第２蓄積電力量ＳＰ２とに仮想的に分類することができる（Ｓ１０）。車両モータ２０によって蓄積された第２蓄積電力量ＳＰ２は、燃料電池１４によって蓄積された第１蓄積電力量ＳＰ１よりも、燃料電池システム１０の効率上昇への寄与率が高い電力量である。この第２蓄積電力量ＳＰ２を認識することで、第２蓄積電力量ＳＰ２が残存している場合（Ｓ３１：Ｙｅｓ）には、第２蓄積電力量ＳＰ２を積極的に使用することができる。第２蓄積電力量ＳＰ２の使用割合を高くすることができるため、燃料電池システム１０の時間平均当たりの効率を高めることが可能となる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
本技術の燃料電池システム１０の適用対象は、電動車両１に限られず、様々な分野に拡大可能である。例えば、燃料電池システム１０は、定置用電源に適用可能である。この場合、第２蓄積電力量ＳＰ２は、太陽光発電や電力系統によって蓄積された電力であってよい。また例えば、燃料電池システム１０は、電車や船舶などの各種の移動体に適用可能である。

メモリ１１ｍに記憶されているＩ－Ｖ特性マップＩＭおよび効率マップＥＭは、適宜更新してもよい。これにより、燃料電池１４の劣化を学習することができる。要求電力発電効率ＲＰを正確に算出することが可能となる。

１：電動車両 １０：燃料電池システム １１：ＥＣＵ １４：燃料電池 １５：バッテリ ２０：車両モータ ３０：電力変換装置
ＳＰ１：第１蓄積電力量 ＳＰ２：第２蓄積電力量 ＰＡ：発電効率平均値 ＲＰ：要求電力発電効率

Claims (5)

1. 負荷装置に電力を供給する燃料電池システムであって、
   燃料電池と、
   バッテリと、
   前記燃料電池および前記バッテリを制御する制御部と、
   を備え、
   前記燃料電池は、発生した電力を前記負荷装置および前記バッテリに供給可能に構成されており、
   前記バッテリは、前記燃料電池が発生した電力を蓄積するとともに、蓄積されている電力を前記負荷装置に放電可能に構成されており、
   前記制御部は、
   前記バッテリに蓄積された電力量のうち、前記燃料電池の発電による電力量である第１蓄積電力量を累積的に算出する処理と、
   前記第１蓄積電力量の蓄積時における前記燃料電池の発電効率平均値を累積的に算出する処理と、
   前記負荷装置の電力要求を満足する電力を前記燃料電池で発電する場合における要求電力発電効率を算出する処理と、
   前記発電効率平均値が前記要求電力発電効率よりも低くなる第１条件下では、前記電力要求を満足する電力を前記燃料電池に発電させる処理と、
   前記発電効率平均値が前記要求電力発電効率よりも高くなる第２条件下では、発電効率が最大となる特定動作点で前記燃料電池に発電させるとともに、前記電力要求に対して不足する電力を前記バッテリから放電させる処理と、
   を実行可能である、燃料電池システム。
2. 前記制御部は、前記第２条件下において、前記電力要求に対して不足する電力が前記バッテリの放電許容電力を超えるときは、前記特定動作点にかかわらず、前記放電許容電力に対する超過分を前記燃料電池に発電させる、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御部は、
   前記バッテリに蓄積された電力量のうち、前記燃料電池以外から供給された第２蓄積電力量を累積的に算出する処理と、
   前記第２蓄積電力量がゼロでないときは、前記発電効率平均値と前記要求電力発電効率との大小関係にかかわらず、前記特定動作点で前記燃料電池に発電させるとともに、前記電力要求に対して不足する電力を前記バッテリから放電させる処理と、
   をさらに実行可能である、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記負荷装置はモータを備えており、
   前記バッテリは、前記モータで発生した回生電力を蓄積することが可能に構成されており、
   前記制御部は、
   前記燃料電池からの充電電流を累積することに基づいて前記第１蓄積電力量を算出し、
   前記モータからの充電電流を累積することに基づいて前記第２蓄積電力量を算出する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 現在時刻における前記発電効率平均値をＰＡ（ｔ）とし、
   経過時間ｄｔだけ前の時刻における前記発電効率平均値をＰＡ（ｔ－１）とし、
   現在時刻における前記第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ）とし、
   経過時間ｄｔだけ前の時刻における前記第１蓄積電力量をＳＰ１（ｔ－１）とし、
   経過時間ｄｔの間の前記第１蓄積電力量の変化量をＳＰ１（ｄｔ）とし、
   経過時間ｄｔの間の前記燃料電池の発電効率をＧＥ（ｄｔ）としたときに、
   現在時刻における前記発電効率平均値は、「ＰＡ（ｔ）＝（ＰＡ（ｔ－１）×ＳＰ１（ｔ－１）＋ＧＥ（ｄｔ）×ＳＰ１（ｄｔ））／ＳＰ１（ｔ）」の式によって求められる、請求項３に記載の燃料電池システム。
   
   

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