JP4649730B2

JP4649730B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4649730B2
Application number: JP2000355932A
Authority: JP
Inventors: 友宏齋藤; 利幸河合; 邦夫岡本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: JP2002164068A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素と酸素との化学反応により電気エネルギー発生させる燃料電池からなる燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電器等の移動体に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素と酸素（空気）との電気化学反応を利用して発電を行い、負荷に電力を供給する燃料電池システムが知られている。例えば、電気自動車に搭載される燃料電池システムでは、車両走行に必要な電力を発電するために必要な水素量および酸素量を算出し、燃料電池にガス供給を行っている。このような燃料電池は、構成単位であるセルが複数積層されたスタック構造となっており、各セルは電気的に直列接続され各セルには同じ電流が流れる。
【０００３】
図１０は、燃料電池を構成するセルの出力電圧、出力電流、出力電力の関係を示したセル特性マップである。燃料電池の必要水素量および必要酸素量は、所定の水素利用率（燃料電池１０に必要とされる理論水素量に対する燃料電池１０に実際に供給される水素量の比）λにおけるセル特性マップ上で目標電流Ｉｂｒを求めた上で算出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、電気化学反応で発生した水分の凝縮による有効電極面積の減少等により各セルに均等に水素が供給されなくなり、セル間で電圧分布が生ずる場合がある。このような場合、図１０の破線で示すように、最も電圧が低いセルが０Ｖ以下まで到達して過放電することがある。過放電の状態で大きな電流を流し続けると、セルを構成している電解質膜が破損するという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑み、燃料電池を構成する各セルの電圧特性がばらついた場合でも、電圧低下による過放電を防止できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、水素と酸素の供給により電力を発生する燃料電池（１０）を備え、負荷（２０）に電力を供給するとともに負荷（２０）の要求電力量に応じて燃料電池（１０）に対する水素供給量を変更する燃料電池システムであって、燃料電池（１０）を構成しているすべてのセル（１０ａ）あるいは燃料電池（１０）を構成しているセル（１０ａ）のうち選択された複数個のセルの出力電圧を検出するセル電圧検出手段（１７）と、セル（１０ａ）の出力電流と、出力電圧と、燃料電池（１０）が所定電力を発電するのに必要な理論水素量に対する燃料電池（１０）に実際に供給される水素量の比である水素利用率とが予め関係付けられたマップに基づいて、所定水素利用率（λ）における水素供給量を算出する制御部（３０）とを備え、セル電圧検出手段（１７）により検出した複数のセル出力電圧のうち最も低い最低セル電圧（Ｖｂｍ）が所定下限電圧（Ｖｍｉｎ）以下の場合に、最低セル電圧（Ｖｂｍ）が所定下限電圧（Ｖｍｉｎ）より大きくなるように燃料電池（１０）への水素供給量を所定量増加させ、制御部（３０）は、最低セル電圧（Ｖｂｍ）および所定下限電圧（Ｖｍｉｎ）に基づいて所定水素利用率（λ）を算出することを特徴としている。
【０００７】
これにより、燃料電池（１０）の各セル（１０ａ）の特性がばらついて、最低セル電圧（Ｖｂｍ）が所定下限電圧（Ｖｍｉｎ）以下となった場合であっても、燃料電池（１０）への水素供給量を増加させることで最低セル電圧（Ｖｂｍ）を上昇させることができ、セルの過放電を防止することができる。
【０００９】
また、請求項１に記載の発明のように、最低セル電圧（Ｖｂｍ）および下限電圧（Ｖｍｉｎ）に基づいて水素利用率（λ）を再設定することで、最低セル電圧（Ｖｂｍ）が下限電圧（Ｖｍｉｎ）以下とならない範囲で、水素利用率（λ）を常に効率のよい値に設定することができる。また、水素利用率（λ）を最低セル電圧（Ｖｂｍ）と下限電圧（Ｖｍｉｎ）との関係に基づいて水素利用率（λ）を常に変動させることで、最低セル電圧（Ｖｂｍ）が下限電圧（Ｖｍｉｎ）以下とならないように常に余裕を持たせて水素利用率λを固定値にする場合に比較して、水素利用効率のよい運転が可能となる。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明では、目標電流（Ｉｂｒ）および水素利用率（λ）の所定時間当たりの変化量に制限を設けたことを特徴としている。これにより、目標電流値（Ｉｂｒ）と水素利用率λが急激に変動するのを避けることができ、システムの安全性を向上させることができる。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明のように、燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（２２）を備え、負荷（２０）の要求電力量が燃料電池（１０）の最大発電量を超える場合には、負荷（２０）の要求電力量に対して最大発電量で不足する電力量を、２次電池（２２）から負荷（２０）に供給するように構成することができる。
【００１２】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、本発明を適用した第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを電気自動車に適用したものである。
【００１４】
図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムには、燃料電池（ＦＣスタック）１０、２次電池２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）２３、制御部（ＥＣＵ）３０等が設けられ、車両走行用モータ（負荷）２０に電力供給するように構成されている。
【００１５】
ＦＣスタック１０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、電解質膜が一対の電極で挟まれたセルが多数積層されたスタック構造となっている。ＦＣスタック１０の負極側には水素供給部１１より水素供給通路１２を介して水素が供給され、正極側にはエア供給部１４より空気供給通路１５を介して空気（酸素）が供給されるように構成されている。ＦＣスタック１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギが発生する。
（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
水素供給通路１２にはＦＣスタック１０に供給される水素量を検出する水素流量検出装置１３が設けられており、空気供給通路１５にはＦＣスタック１０に供給される空気量を検出する空気流量検出装置１６が設けられている。水素流量検出装置１５および空気流量検出装置１６は、それぞれのセンサ信号を制御部３０に出力する。
【００１６】
図２はＦＣスタック１０の拡大概略図を示している。図２に示すようにＦＣスタック１０を構成する各セル１０ａは電気的に直列接続されている。ＦＣスタック１０には、ＦＣスタック１０を構成するセル１０ａの出力電圧値Ｖｂを検出する電圧センサ（セル電圧検出手段）１７と出力電流値Ｉｂを検出する電流センサ（電流検出手段）１８が設けられている。電圧センサ１７は、ＦＣスタック１０を構成する各セル１０ａの電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎを検出できるように構成されている。電圧センサ１７および電流センサ１８は、それぞれのセンサ信号を制御部３０に出力する。
【００１７】
図３は、ＦＣスタック１０に供給される水素流量を固定した場合の、セル１０ａの電流−電圧特性を示している。図３に示すように水素流量が一定の場合には、セル１０ａの電流−電圧特性ＩＶ１〜ＩＶ４は直線状となる。ＩＶ１→ＩＶ４に向けて水素流量は増加している。これらの電流−電圧特性ＩＶ１〜ＩＶ４を延長した見かけ上の開放電圧を理論開放電圧Ｖｏとする。本第１実施形態では、理論開放電圧Ｖｏを１．３Ｖとする。なお、図３中の曲線はセル１０ａの出力電力が等しくなる等電力曲線である。
【００１８】
図４は、ＦＣスタック１０を構成するセル１０ａの出力電力Ｐと出力電流Ｉとの関係を示している。図４に示すように、出力電力−出力電流特性は水素利用率λに依存している。水素利用率λは、ＦＣスタック１０が所定電力を発電するのに必要な理論水素量に対してＦＣスタック１０に実際に供給される水素量の比であり、水素利用率λ＝（理論上ＦＣスタック１０に必要な水素量）／（実際にＦＣスタック１０に供給される水素量）＝（１／水素過剰率）で得られる。図４に示すように、水素利用率λが高いほど出力電力Ｐに対する出力電流Ｉは小さくなり、水素利用率λが低いほど出力電力Ｐに対する出力電流Ｉは大きくなる。
【００１９】
図５は、ＦＣスタック１０を構成するセル１０ａの出力電圧Ｖ、出力電流Ｉ、出力電力Ｐの関係を示したマップである。所定の水素利用率λ（例えば８０％）におけるマップ上でＦＣスタック１０の出力制御が行われる。図５のマップに基づいて、車両走行に必要となる要求出力電力Ｐｔおよび水素利用率λから目標電流値を算出することができる。
【００２０】
また、図５に示すように、ＦＣスタック１０には、セル電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎの所定下限電圧Ｖｍｉｎが予め設定されている。所定下限電圧Ｖｍｉｎは、セル電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎが０Ｖ以下まで低下して、過放電によりセルを構成する電解質膜が破壊されるのを防止するために設定された値である。下限電圧Ｖｍｉｎは０Ｖより大きい値で任意に設定できるが、本実施形態の制御を行ってから実際にセル電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎが変動するまでに若干のタイムラグがあることから、下限電圧Ｖｍｉｎは余裕を持たせて設定することが望ましい。本第１実施形態では下限電圧Ｖｍｉｎを０．５Ｖと設定している。
【００２１】
ＦＣスタックにて発生した直流電力は、インバータ２１で交流電流に変換され走行用モータ２０に供給される。これにより、モータ２０は車輪駆動力を発生させ車両を走行させる。また、本実施形態の燃料電池システムでは、２次電池（バッテリ）２２がＦＣスタック１０と電気的に並列接続されており、ＦＣスタック１０とともに２次電池２２からもモータ２０に電力を供給するように構成されている。２次電池２２としては、例えば一般的な鉛蓄電池を用いることができる。２次電池２２には、２次電池２２の充電量（ＳＯＣ）を検出するＳＯＣセンサ（図示せず）が設けられており、制御部３０にＳＯＣ信号を出力する。
【００２２】
ＦＣスタック１０と２次電池２２とを並列に接続してモータ２０に電力供給する場合、両者の電位を等しくする必要がある。そこで、本実施形態ではＦＣスタック１０側に電圧変換を行うＤＣ／ＤＣコンバータ２３を設け、ＦＣスタック１０の電圧が２次電池２２と同じ電圧になるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３にて電圧変換を行っている。このような構成により、ＦＣスタック１０と２次電池２２とで、モータ２０への電力供給分担を行うことができる。
【００２３】
本実施形態の燃料電池システムでは、車両走行に必要となる走行要求電力Ｐｔに対してＦＣスタック１０からの電力で不足する場合には、２次電池２２より不足分の電力が供給（放電）される。また、走行要求電力Ｐｔに対してＦＣスタック１０からの電力が余剰する場合には、２次電池２２に余剰分の電力が蓄積（充電）される。
【００２４】
本実施形態の燃料電池システムには、各種制御を行う制御部３０が設けられている。制御部３０には、ＦＣスタック１０への水素供給量および空気供給量、ＦＣスタック１０の出力電圧Ｖｂおよび出力電流Ｉｂ、ＳＯＣ信号、アクセル開度、車速等が入力され、水素供給部１１、エア供給部１４、インバータ２１、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に制御信号を出力するように構成されている。また制御部３０は、上記図５で示したＦＣスタック１０を構成するセル１０ａの出力電力Ｐ、出力電流Ｉ、出力電圧Ｖ、水素利用率λとが予め関係付けられたセル特性マップを備えている。
【００２５】
以下、本第１実施形態の燃料電池システムの作動を図５、図６に基づいて説明する。図６は制御部３０が行う制御手順を示すフローチャートである。図６に示すように下限電圧Ｖｍｉｎ＝０．５Ｖ、理論開放電圧Ｖｏ＝１．３Ｖとする。
【００２６】
まず、水素利用率λを初期値λ１（例えば８０％）に設定する（ステップＳ１００）。この水素利用率λの初期値λ１は任意に設定できるが、システムの安全性を考慮し、ＦＣスタック１０に対して常に過剰な水素を供給できるように、水素利用率１００％に対して若干の余裕を持たせることが望ましい。
【００２７】
次に、アクセル開度、車速等の信号と車重等の車両諸元に基づいて走行に必要となる走行要求電力Ｐｔを算出する（ステップＳ１１０）。次に、図５で示したセル特性マップにより、水素利用率λにおける走行要求電力Ｐｔを発電するために必要な電流値Ｉｂｒを算出する（ステップＳ１２０）。
【００２８】
次に、目標電流値Ｉｂｒを発電するために必要となる水素量ｎ_H2および空気量（酸素量）ｎ_O2を算出する（ステップＳ１３０）。ここで、目標電流値Ｉｂｒを出力するために必要な水素量ｎ_H2（モル／秒）および酸素量ｎ_O2（モル／秒）の算出について説明する。ＦＣスタック１０を構成する各セル１０ａでは、以下の電気化学反応が起こり電流が発生する。
（負極側）Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
（正極側）２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂ ＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
そして、ＦＣスタック１０の各セルでは、水素１モル／秒および酸素０．５モル／秒から取り出せる電流は２×９６５００Ａであり、これにセルの積層数を乗じた値がＦＣスタック１０全体から取り出せる電流である。従って、目標電流値Ｉｂｒを出力するために必要な水素量ｎ_H2（モル／秒）および酸素量ｎ_O2（モル／秒）は、以下の数式から求めることができる。
【００２９】
必要水素量ｎ_H2は、２×９６５００×ｎ_H2＝Ｉｂｒとなり、従ってｎ_H2＝Ｉｂｒ／（２×９６５００）となる。また、必要酸素量ｎ_O2は、２×９６５００×２×ｎ_O2＝Ｉｂｒとなり、従ってｎ_O2＝Ｉｂｒ／（４×９６５００）となる。
【００３０】
次に、上記ステップＳ１３０で算出した必要水素量ｎ_H2および必要酸素量ｎ_O2をＦＣスタック１０に供給するように、水素供給部１１および空気供給部１４に制御信号を出力する（ステップＳ１４０）。
【００３１】
次に、電圧センサ１７および電流センサ１８により、現在の各セル１０ａの電圧Ｖｂ₁〜ＶｂｎおよびＦＣスタック１０の電流Ｉｂを検出する（ステップＳ１５０）。検出したセル電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎのいずれかが下限電圧Ｖｍｉｎ以下であるか否か、すなわち検出したセル電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎのうち最も電圧の低い最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下であるか否かを判定する（ステップＳ１６０）。
【００３２】
図６中▲１▼のように最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下である場合には、図６中▲２▼のように最低セル電圧Ｖｂｍを下限電圧Ｖｍｉｎまで上げるように目標電流値Ｉｂｒおよび水素利用率λを再設定する（ステップＳ１７０、Ｓ１８０）。目標電流値Ｉｂｒは、セル電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎを上げるために小さくなるように再設定される。また、再設定後の水素利用率λ′も再設定前（前回の制御時）の水素利用率λより低く設定される。
【００３３】
上記ステップＳ１７０、Ｓ１８０における目標電流値Ｉｂｒおよび水素利用率λの再設定を図６に基づいて具体的に説明する。図６中▲１▼で示すように、現在の出力電圧Ｉｂ＝２３５Ａ、最低セル電圧Ｖｂｍ＝０．１Ｖ、水素利用率λ＝８０％であるとする。
【００３４】
再設定後の目標電流値Ｉｂｒ′は、Ｉｂｒ′＝Ｉｂ×（理論開放電圧Ｖｏ−下限電圧Ｖｍｉｎ）／（理論開放電圧Ｖｏ−最低セル電圧Ｖｂｍ）で求めることができ、Ｉｂｒ＝２３０Ａ×（１．３Ｖ−０．５Ｖ）／（１．３Ｖ−０．１Ｖ）＝１５３Ａとなる（ステップＳ１７０）。
【００３５】
また、再設定後の水素利用率λ′は、再設定後の目標電流値Ｉｂｒ′のときの必要水素量ｎ_H2と現在電流値Ｉｂのときの必要水素量ｎ_H2の比から求めることができる（ステップＳ１８０）。従って、λ′＝λ×（ｎ_H2（Ｉｂｒ′）／ｎ_H2（Ｉｂ））＝０．８×（１５３／２３０）＝０．５３となる。
【００３６】
以上により、図６中▲２▼で示すように、再設定後の目標電流値Ｉｂｒ′＝１５３Ａ、再設定後の水素利用率λ′＝５３％となる。
【００３７】
一方、セル電圧Ｖｂ₁〜Ｖｂｎのすべてが下限電圧Ｖｍｉｎを上回っている場合であっても、水素利用率λが初期値λ１を下回っていれば、上記ステップＳ１７０、Ｓ１８０の目標電流値Ｉｂｒおよび水素利用率λの再設定を行う（ステップＳ１９０）。システムの効率上、水素利用利率λは高い方が望ましいため、前回の制御時での水素利用率λの再設定により、水素利用率λが初期値λ１を下回っている場合には、水素利用効率向上のために水素利用率λが再設定される。
【００３８】
次に、ＦＣスタック１０に現在供給されている水素量および空気量を検出する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００で検出した水素量および空気量に基づいて発電可能な電流値Ｉｂａを算出し（ステップＳ２１０）、ＦＣスタック１０の出力電流が発電可能電流値ＩｂａとなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ２２により電力分配制御を行う（ステップＳ２２０）。
【００３９】
走行用モータ２０の要求電力量がＦＣスタック１０の発電可能な最大発電量を超える場合には、走行用モータ２０の要求電力量に対して最大発電量で不足する電力量が２次電池２２から供給される。一方、ＦＣスタック１０の発電可能な最大発電量が走行用モータ２０の要求電力量を超える場合には、走行用モータ２０の要求電力量に対する余剰電力量は２次電池２２の充電に用いられる。
【００４０】
以降、ステップＳ１１０〜ステップＳ２２０の制御を繰り返し行う。上記ステップ１８０で再設定された水素利用率λを用い、ステップＳ１２０では図５のマップを用い、再設定された水素利用率λにおけるマップ上で走行要求電力Ｐｔから目標電流Ｉｂｒが求められ、ステップＳ１３０で必要水素量ｎ_H2が算出される。上記ステップＳ１６０でセル最低電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下となった場合には、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎを下回らないように水素利用率λが低く再設定される。これにより、必要水素量ｎ_H2が増加することとなる。
【００４１】
以上、本第１実施形態によれば、ＦＣスタック１０の各セル１０ａの特性がばらついて、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下となった場合であっても、水素利用率λを再設定して水素供給量を増加させることで、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎを下回らないようにすることができ、セルの過放電を防止することができる。
【００４２】
また、最低セル電圧Ｖｂｍおよび下限電圧Ｖｍｉｎに基づいて水素利用率λを再設定することで、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下とならない範囲で、水素利用率λを常に効率のよい値に設定することができる。
【００４３】
このように、水素利用率λを最低セル電圧Ｖｂｍと下限電圧Ｖｍｉｎとの関係に基づいて水素利用率λを常に変動させることで、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下とならないように常に余裕を持たせて水素利用率λを固定値にする場合に比較して、水素利用効率のよい運転が可能となる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図７のフローチャートに基づいて説明する。本第２実施形態は、上記第１実施形態に比較して、ステップＳ１７０で算出する目標電流値Ｉｂｒの変化量に時間的制限を設けている点が異なる。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４５】
図７に示すように、上記第１実施形態と同様にステップＳ１７０で目標電流値Ｉｂｒを修正した後、前回制御時の目標電流値Ｉｂｒ′から今回の目標電流値Ｉｂｒへの変化量が、予め設定された変化量制限値ｌｉｍｉｔを超えているか否か判定する（ステップＳ１７１）。具体的には、ΔＩｂｒが前回の目標電流値Ｉｂｒ′と今回の目標電流値Ｉｂｒとの差であり、Δｔが制御周期であるとした場合に、｜ΔＩｂｒ／Δｔ｜＞変化量制限値ｌｉｍｉｔであるか否かを判定する。
【００４６】
この結果、目標電流値Ｉｂｒの変化量が変化量制限値ｌｉｍｉｔを超えていれば、目標電流値Ｉｂｒの変化量を変化制限値ｌｉｍｉｔに抑える（ステップＳ１７２）。具体的には、ΔＩｂｒ＞０であればＩｂｒ＝Ｉｂｒ′＋ｌｉｍｉｔとなり、ΔＩｂｒ＜０であればＩｂｒ＝Ｉｂｒ′−ｌｉｍｉｔとなる。
【００４７】
以下、上記第１実施形態と同様にステップＳ１８０で水素利用率λの再設定を行う。これにより、目標電流値Ｉｂｒと水素利用率λの時間的な変化量に制限を設け、目標電流値Ｉｂｒと水素利用率λが急激に変動するのを避けることができ、システムの安全性を向上させることができる。
【００４８】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を図８のフローチャートに基づいて説明する。本第３実施形態は、上記第１実施形態に比較して、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎをまたぐ場合に、本発明の制御を遅らせる点が異なる。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００４９】
図８に示すように、上記第１実施形態と同様にステップＳ１６０でセル電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎのいずれかが下限電圧Ｖｍｉｎ以下か否か判定し、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下である場合には、さらに、前回制御時のセル電圧Ｖｂ１〜Ｖｂｎのいずれかが下限電圧Ｖｍｉｎ以下であったか否かを判定する（ステップＳ１６０）。すなわち、連続してＶｂｍ≦Ｖｍｉｎとなったか否かを判定する。
【００５０】
この結果、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下であって、前回制御時にも最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下であった場合には、目標電流値Ｉｂｒおよび水素利用率λの再設定が行われる。一方、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下であっても、前回制御時にも最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎ以下でなかった場合には、目標電流値Ｉｂｒおよび水素利用率λの再設定が行われない。
【００５１】
これにより、最低セル電圧Ｖｂｍが下限電圧Ｖｍｉｎをまたいで変動する場合であっても、目標電流値Ｉｂｒと水素利用率λが頻繁に変動するのを避けることができ、システムの安定性を向上させることができる。
【００５２】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、図１に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ２３をＦＣスタック１０側に設けたが、これに限らず、図９に示すようにＤＣ／ＤＣコンバータ２３は２次電池２２側に設けても上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
また、上記各実施形態では、図２に示す電圧センサ（セル電圧検出手段）１７によりＦＣスタック１０を構成するすべてのセル１０ａの電圧を検出したが、これに限らず、ＦＣスタック１０を構成するセル１０ａのうち複数個のセル１０ａを選択し、選択したセル１０ａの電圧のみを検出するように構成してもよい。このとき、ＦＣスタック１０の構成上、電圧の低くなりやすいセル１０ａを選択することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】上記第１実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。
【図２】図１の燃料電池システムのＦＣスタック１０の拡大概念図である。
【図３】ＦＣスタックを構成するセルの出力電圧と出力電流の関係を示す特性図である。
【図４】ＦＣスタックを構成するセルの出力電力と出力電流との関係を示す特性図である。
【図５】ＦＣスタックを構成するセルの出力電力、出力電流、出力電力、水素利用率の関係を示す特性図である。
【図６】上記第１実施形態の燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【図７】上記第２実施形態の燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【図８】上記第３実施形態の燃料電池システムの制御手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の燃料電池システムの変形例を示す概念図である。
【図１０】従来技術におけるＦＣスタックを構成するセルの出力電圧、出力電流の関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…ＦＣスタック（燃料電池）、１７…電圧センサ（セル電圧検出手段）、２０…走行用モータ（負荷）、２１…インバータ、２２…２次電池、２３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（電圧調整手段）、３０…制御装置。

Claims

水素と酸素の供給により電力を発生する燃料電池（１０）を備え、負荷（２０）に電力を供給するとともに前記負荷（２０）の要求電力量に応じて前記燃料電池（１０）に対する水素供給量を変更する燃料電池システムであって、
前記燃料電池（１０）を構成しているすべてのセル（１０ａ）あるいは前記燃料電池（１０）を構成しているセル（１０ａ）のうち選択された複数個のセルの出力電圧を検出するセル電圧検出手段（１７）と、
前記セル（１０ａ）の出力電流と、出力電圧と、前記燃料電池（１０）が所定電力を発電するのに必要な理論水素量に対する前記燃料電池（１０）に実際に供給される水素量の比である水素利用率とが予め関係付けられたマップに基づいて、所定水素利用率（λ）における前記水素供給量を算出する制御部（３０）とを備え、
前記セル電圧検出手段（１７）により検出した前記複数のセル出力電圧のうち最も低い最低セル電圧（Ｖｂｍ）が所定下限電圧（Ｖｍｉｎ）以下の場合に、前記最低セル電圧（Ｖｂｍ）が所定下限電圧（Ｖｍｉｎ）より大きくなるように前記燃料電池（１０）への水素供給量を所定量増加させ、
前記制御部（３０）は、前記最低セル電圧（Ｖｂｍ）および前記所定下限電圧（Ｖｍｉｎ）に基づいて前記所定水素利用率（λ）を算出することを特徴とする燃料電池システム。
前記目標電流（Ｉｂｒ）および前記水素利用率（λ）の所定時間当たりの変化量に制限を設けたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃料電池（１０）と並列に接続された２次電池（２２）を備え、
前記負荷（２０）の要求電力量が前記燃料電池（１０）の最大発電量を超える場合には、前記負荷（２０）の要求電力量に対して前記最大発電量で不足する電力量を、前記２次電池（２２）から前記負荷（２０）に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。