JP4831063B2

JP4831063B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP4831063B2
Application number: JP2007336417A
Authority: JP
Inventors: 憲二加藤
Original assignee: Equos Research Co Ltd
Current assignee: Equos Research Co Ltd
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2022-02-05
Also published as: JP2008091351A

Description

本発明は、負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムに関するものである。

負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムとして、例えば下記特許文献１に開示される「燃料電池給電システム」がある。このような蓄電手段を備える燃料電池システムにおいては、燃料電池だけでは賄いきれない電力要求が負荷からあった場合に、その不足分を当該蓄電手段から供給する補助電力により補うことで、当該電力要求に応え得るようにしている。

即ち、下記特許文献１に開示される「燃料電池給電システム」では、第２電力変換器の出力電流、第１の電力変換器の入力電流（燃料電池から出力される直流電力）およびバッテリの出力電圧を入力としてこれらに基づき第２の電力変換器を制御することにより、バッテリを充放電させ、第１の電力変換器の入力電流を燃料電池の出力電流と第２の電力変換器の出力電流とによって分担させている。
特開平７−１２３６０９号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される「燃料電池給電システム」のように構成される燃料電池システムによると、燃料電池から出力される直流電力を第１の電力変換器の入力電流（燃料電池の出力電流）としてこれに基づいて制御を行っている。そのため、次に挙げるような問題点がある。

(1) 例えば、燃料電池温度が低い、イオン交換膜が乾いている、あるいは電池反応触媒が劣化している等の燃料電池の電極性能に悪影響を与え得るような条件下においては、良好な電極状態時に比べて発電能力が低下するため、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは十分ではないという問題点がある。

即ち、燃料電池の電極状態が良好な場合においては、燃料電池はその出力電流を十分に取り出せる特性、つまり図６に示すような特性曲線α（電流電圧特性）および特性曲線β（電流電力特性）を呈するような出力特性を持つが、一方、燃料電池の電極性能に悪影響を与え得るような条件下においては、燃料電池はその出力電流が十分に取り出すことのできない出力特性、図６に示す特性曲線α’（電流電圧特性）および特性曲線β’（電流電力特性）を呈するような出力特性を有するに至る。したがって、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは、発電中の燃料電池が、現在、発電効率の高い領域（図６において出力電力（特性曲線β、β’）の最大値よりも出力電流の低い側）にあるのか、あるいは発電効率の低い領域（同最大値よりも出力電流の高い側）にあるのか、を検出することができないという問題がある。

例えば図６に示す出力特性の例を参照して説明すると、出力監視電流を２００Ａに設定した場合には（同図中に示す一点鎖線）、比較的良好な燃料電池においては、特性曲線βから、その出力電力の最大値よりも出力電流の低い側、つまり発電効率の高い領域で、燃料電池による供給電力の不足分を蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替えることできる（同図中に示す点Ｘ）。ところが、出力監視電流の設定を変更することなく２００Ａのままでは劣化した燃料電池においては、特性曲線β’から、その出力電力の最大値よりも出力電流の高い側、つまり発電効率の低い領域内に移った後に、蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替えることになる（同図中に示す点Ｘ’）。

(2) また(1) で説明したように、燃料電池の出力電流を監視しているだけでは劣化した燃料電池においては、発電効率の低い領域内に移った後に、蓄電手段による補助電力で補う制御に切り替える。そのため、発電効率の低い領域においても燃料電池から出力電流を過剰に取り出す場合があり得るので、その場合には、燃料電池の発電能力を超えた電力供給を要求することになり、燃料電池内の熱バランスが崩れて発電の停止に至るおそれがあるという問題をも招く。またこのような状態が継続すると、燃料電池の電極損傷に至るという問題にも発展する。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る燃料電池システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の燃料電池システムでは、負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムであって、前記負荷に対し電力供給する燃料電池と、前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、前記燃料電池の電流密度に対する電力密度の特性を示す曲線において電力密度が最大となるときの電圧を、前記燃料電池の電流密度に対する電圧効率の特性を示す曲線から求め、この電圧が下限値として設定され、前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値を下回らないように、前記負荷に対し前記蓄電手段から、前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する補助電力供給手段と、を備えることを技術的特徴とする。

また、請求項２の燃料電池システムでは、請求項１において、前記補助電力供給手段は、前記負荷からの要求電力が、前記燃料電池の出力電圧が下限値では不足する電力分を補助電力として供給することを技術的特徴とする。

請求項１の発明では、電圧検出手段により、負荷に対し電力供給する燃料電池の出力電圧を検出し、補助電力供給手段により、燃料電池の電流密度に対する電力密度の特性を示す曲線において電力密度が最大となるときの電圧を、燃料電池の電流密度に対する電圧効率の特性を示す曲線から求め、この電圧が下限値として設定され、電圧検出手段により検出された燃料電池の出力電圧が電圧値を下回らないように、負荷に対し蓄電手段から、燃料電池の出力電圧が電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する。つまり、電圧検出手段により検出した燃料電池の出力電圧に基づいて、燃料電池の出力電圧が所定の電圧値以上を保持し得るように負荷に対して蓄電手段から補助電力を供給するので、燃料電池の出力電流に基づいた判断により負荷に補助電力を供給するものではない。これにより、燃料電池の発電効率の低い領域では、負荷に対して燃料電池による電力供給に加え、蓄電手段からも補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。したがって、燃料電池を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池の発電を抑制し得る効果がある。

請求項２の発明では、補助電力供給手段は、負荷からの要求電力が、燃料電池の出力電圧が下限値では不足する電力分を補助電力として供給する。これにより、燃料電池から過剰に電力を取り出すことなく、負荷の要求に応えられる電力を供給することができる。

以下、本発明の燃料電池システムを、乗用車、バス、トラック等の車両用の動力源に適用した一実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。
まず、図１を参照して燃料電池システム２０の構成を説明する。なお、図１中に示す破線は、各機能ブロックあるいは機能部品間で授受される情報信号の流れを示している。

図１に示すように、燃料電池システム２０は、主に、燃料電池２１、バッテリ３１、スイッチング素子３６、３７、モータ駆動回路４５、ハイブリッド回路コントローラ（以下「ＨＢＣコントローラ」という）５１、燃料電池コントローラ（以下「ＦＣコントローラ」という）５３等により構成されており、モータ駆動回路４５（負荷の一部）に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池２１およびバッテリ３１（蓄電手段）を備えるもので、燃料電池２１の出力電圧（以下「ＦＣ電圧」という）Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回ると、モータ駆動回路４５等に対しバッテリ３１から、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ以上を保持し得る補助電力を供給するものである。

燃料電池２１は、モータ駆動回路４５（負荷の一部）に対し電力供給し得るもので、水素と酸素を反応させることにより電気エネルギを取り出し、モータで車輪を駆動する電気自動車のエネルギ源のひとつである。このため、燃料電池２１には、水素および酸素（または空気）が供給されており、それらの供給量は、後述するＦＣコントローラ５３により制御され、出力電力の制御が行われている。

なお、燃料電池２１は、一般に、水素貯蔵や改質触媒等の方式によって種々の水素供給タイプに分類されるが、水素と酸素とを反応させて発電するものであれば、本発明に係る燃料電池システムを適用することができる。例えば、固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ）を用いることが望ましいが、その他、アルカリ水溶液型（ＡＦＣ）、リン酸型（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型（ＳＯＦＣ）、直接型メタノール型（ＤＭＦＣ）等のものがある。

燃料電池２１の端子間には、そのＦＣ電圧Ｖfcを検出し得る電圧センサ２３が接続されている。即ち、燃料電池２１の出力端子間に接続された電圧センサ２３により燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが検出され、検出されたＦＣ電圧ＶfcはＦＣコントローラ５３に出力されている。これにより、ＦＣコントローラ５３によって燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcを適宜監視することができるので、これに基づいた燃料電池２１の出力制御を可能にしている。なお、この電圧センサ２３は、特許請求の範囲に記載の「電圧検出手段」に相当する。

また、燃料電池２１の出力端子の一方（例えば陽極側）には、燃料電池２１の入出力電流を測定し得る電流センサ２５が設けられている。そして、この電流センサ２５により検出された燃料電池電流（以下「ＦＣ電流」という）Ｉfcは、ＦＣコントローラ５３に出力され、これにより燃料電池２１の出力をＦＣ電流Ｉfcの面から適宜監視することができる。そのため、ＦＣ電流Ｉfcに基づいた燃料電池２１の出力制御を可能にしている。

さらに、燃料電池２１の出力端子の一方（例えば陽極側）には、燃料電池２１から電流が流れ出る方向を順方向とするようにダイオード２７が直列に接続されている。即ち、燃料電池２１に対してアノード側、モータ駆動回路４５に対してカソード側、がそれぞれ位置するようにダイオード２７が接続されている。このダイオード２７は、逆電流防止を目的とするもので、バッテリ３１やモータ駆動回路４５から燃料電池２１に向けて駆動電流や回生電流が流れ込むことを抑制し、逆電流による燃料電池２１の劣化を防止している。

バッテリ３１は、充放電を繰り返すことができるいわゆる二次電池で、特許請求の範囲に記載の「蓄電手段」に相当するものである。即ち、バッテリ３１は、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが後述するように予め設定された所定の下限電圧値ＶＬを下回ると、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該下限電圧値ＶＬ以上を保持し得るように、モータ駆動回路４５等に対し補助電力を供給するものである。

具体的には、例えば、電気自動車等に使用される高性能鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等が用いられるが、このほか通常仕様の鉛電池や、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等を用いても良い。

このバッテリ３１は、その端子間電圧（以下「ＢＴ電圧」という）Ｖbtを電圧センサ３３によって検出されている。即ち、バッテリ３１の出力端子間には、電圧センサ３３が接続されており、この電圧センサ３３により検出されたＢＴ電圧ＶbtはＨＢＣコントローラ５１に出力されている。これにより、ＨＢＣコントローラ５１によってバッテリ３１の出力電圧（ＢＴ電圧Ｖbt）を適宜監視することができるので、これに基づいて後述する昇圧制御や充電制御を可能にしている。

なお、本実施形態では、蓄電手段としてバッテリ３１を用いたが、本発明ではこれに限られることはなく、電荷を蓄えてそれを放出できる機能を有するものであれば、例えばコンデンサ（例えば電気二重層コンデンサ）、フライホイール、超伝導コイル、蓄圧器等、あるいはこれらを組み合わせたもの等であっても良い。

バッテリ３１の出力端子の一方（例えば陽極側）には、２００Ａ程度の電流を許容するリアクトル３５が直列に接続されている。このリアクトル３５は、次に説明するスイッチング素子３６とともに昇圧回路を構成するもので、所定の電気エネルギを蓄え得るものである。

スイッチング素子３６は、電力用の半導体スイッチング素子であり、直列接続されたバッテリ３１およびリアクトル３５に対して、入出力端子が並列に接続されている。本実施形態では、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor ；絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ)にフライホイールダイオードを組み合わせたものが用いられており、そのベース端子あるいはゲート端子は、ＨＢＣコントローラ５１に接続されている。これにより、ＨＢＣコントローラ５１からスイッチング素子３６に対し、所定周期（例えば２０ｋHz）のスイッチング信号が出力されると、当該周期でスイッチング素子３６をDUTY制御できる。

即ち、スイッチング素子３６がオン状態のときにはその入出力端子間が導通するので、バッテリ３１から出力された直流電流がリアクトル３５に流れ込んで電気エネルギが蓄積される。一方、スイッチング素子３６がオフ状態のときにはその入出力端子間が遮断されるので、それまで流れていた電流とは逆方向に電流が流れ、つまりリアクトル３５から電気エネルギが放出され、バッテリ３１の出力電圧に加算されて昇圧される。なお、昇圧されたバッテリ３１のＢＴ電圧Ｖbtは、前述のスイッチング信号によって適宜調節することができるが、おおよそ燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcよりわずかに高い程度の電圧に調節される。なおこのスイッチング素子３６は、特許請求の範囲に記載の「補助電力供給手段」に相当するものである。

また、リアクトル３５とスイッチング素子３６とからなる昇圧回路の出力側には、スイッチング素子３７が直列に接続されている。このスイッチング素子３７は、前述した前記スイッチング素子３６と同様、電力用の半導体スイッチング素子で、モータ駆動回路４５による回生電力や燃料電池２１による余剰電力をバッテリ３１に供給し充電する場合にオン状態に制御される充電制御回路を構成するものである。即ち、スイッチング素子３７のベース端子あるいはゲート端子に接続されたＨＢＣコントローラ５１によって、電圧センサ３３により検出されたＢＴ電圧Ｖbtに基づいてバッテリ３１の残存容量を監視しているので、バッテリ３１の残存容量が所定の充電容量まで低下すると、スイッチング素子３７をオン状態に制御することで、モータ駆動回路４５や燃料電池２１から供給される電力によりバッテリ３１を充電するようにしている。

なお、このスイッチング素子３７の入出力端子間には、当該昇圧回路の出力方向を順方向とするようにダイオードが接続されている。これにより、スイッチング素子３７のオンオフ状態にかかわらず、当該昇圧回路からモータ駆動回路４５に電力供給することができるように構成されている。また、このスイッチング素子３７の出力側（コレクタ側）には、電流センサ３９が接続されているので、バッテリ３１等による昇圧回路からモータ駆動回路４５に供給される出力電流Ｉbtを検出し、ＨＢＣコントローラ５１に出力することもできる。

このように、昇圧回路を構成するスイッチング素子３６と充電制御回路を構成するスイッチング素子３７とにより、ＨＢＣコントローラ５１は、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcに基づいて、両スイッチング素子を次のように制御している。

(1) 燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが後述する所定の下限電圧値ＶＬ以上である場合（Ｖfc≧ＶＬ）には、スイッチング素子３６をオフ状態に制御することにより昇圧回路による補助電力の発生を停止させる。またスイッチング素子３７は、モータ駆動回路４５による回生電力や燃料電池２１による余剰電力によってバッテリ３１を充電する必要がある場合にはオン状態に制御し、そのような充電の必要がない場合にはオフ状態に制御する。

(2) 燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが、所定の下限電圧値ＶＬを下回る場合には（Ｖfc＜ＶＬ）、後述する理由により、モータ駆動回路４５等に対し補助電力を供給する必要があるので、スイッチング素子３６をオン状態に制御することにより昇圧回路を動作させ、バッテリ３１等による昇圧回路により補助電力の供給を開始、継続する。なお、このときスイッチング素子３７はオフ状態に制御されているので、補助電力の供給は、スイッチング素子３７の入出力端子間に接続されているダイオードを介して行われる。

モータ駆動回路４５は、燃料電池２１やバッテリ３１に対して並列に接続される負荷の一部を構成するもので、例えば車両用の交流モータＭを駆動するインバータ回路が挙げられる。なお、負荷としては、モータ駆動回路４５に駆動される車両用の交流モータＭ（例えば６０kW相当）のほかに、燃料電池２１に水素や酸素（空気）を供給する図示しないポンプやファン、その他、照明装置、ラジオ、パワーウィンドウ等の車両の停車中にも使用され電気を消費する補機類も含まれ得る。なおこのモータ駆動回路４５と並列に電圧センサ４１が接続されているため、この電圧センサ４１によって検出された電圧は、ＨＢＣコントローラ５１に出力される。

ＨＢＣコントローラ５１は、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等から構成される制御装置で、ＦＣコントローラ５３に接続されているとともに、前述した電圧センサ３３、電流センサ３９、電圧センサ４１等の各センサやスイッチング素子３６、３７等にも接続されている。そして、このうちのメモリには、後述する補助電力供給処理（図２参照）を実行可能な補助電力供給プログラムや一連の基本処理を実行可能なシステムプログラム等が格納されている。これにより、ＦＣコントローラ５３に対し所定情報の受け渡しをすることができるほか、電圧センサ３３から入力されるバッテリ３１のＢＴ電圧Ｖbtの情報や電圧センサ４１から入力されるモータ駆動回路４５に対する印加電圧ＶRLの情報あるいは電流センサ３９から入力されるバッテリ３１の出力電流Ｉbtの情報等に基づいて、後述する補助電力供給処理を実行することができる。

ＦＣ／Ｍコントローラ５３も、ＨＢＣコントローラ５１と同様に、図示しないマイクロプロセッサ、メモリ、入出力インタフェイス等からなる制御装置で、ＨＢＣコントローラ５１や、燃料電池２１、電圧センサ２３、電流センサ２５等にそれぞれ接続されている。そしてこのメモリには、燃料電池制御処理を実行可能な燃料電池制御プログラムが格納されている。これにより、ＨＢＣコントローラ５１に対し所定情報の受け渡しや、ＦＣ電圧Ｖfcの情報やＦＣ電流Ｉfcの情報に基づいて燃料電池２１に供給される水素等の供給量の制御をすることができる。

次に、上述した燃料電池システム２０を制御するＨＢＣコントローラ５１による補助電力供給処理の流れを図２に基づいて説明する。なお、この補助電力供給処理は、図示しないメインプログラムによるタイマ割り込み処理等によって所定周期ごとに起動されるもので、ＨＢＣコントローラ５１のメモリに格納される補助電力供給プログラムにより実行されるものである。

図２に示すように、補助電力供給処理は、所定の初期化処理の後、まずステップＳ１０１により、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcを電圧センサ２３から読み込む処理を行う。これにより、ＨＢＣコントローラ５１では、取得したＦＣ電圧Ｖfcから、燃料電池２１の現在の発電状態を把握する。

続くステップＳ１０３では、ステップＳ１０１で取得したＦＣ電圧Ｖfcが、後述するように予め設定された所定の下限電圧値ＶＬ以上であるか否か、換言すればＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らないか否か、を判断する処理を行う。そして、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ以上である場合（ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らない場合）には（ステップＳ１０３でＹｅｓ）、後述する理由から、バッテリ３１による補助電力をモータ駆動回路４５に補う必要がないので、次ステップＳ１０５に処理を移行してスイッチング素子３６のDUTY制御を停止する処理を行う。

一方、ステップＳ１０３の判断により、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬよりも高いことを判断できない場合（ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回る場合）には（ステップＳ１０３でＮｏ）、後述する理由から、バッテリ３１による補助電力をモータ駆動回路４５に補う必要があるので、次ステップＳ１０７に処理を移行してスイッチング素子３６のDUTY制御を開始する処理を行う。

ステップＳ１０５では、昇圧回路を構成するスイッチング素子３６のベース端子あるいはゲート端子に印加する所定周期のスイッチング信号を中止する処理を行うことにより、スイッチング素子３６による所定のDUTY制御が停止され、バッテリ３１等による昇圧回路から補助電力の供給が行われないように制御される。これにより、燃料電池２１が発電効率の高い領域にある場合には、バッテリ３１等から過剰なエネルギ供給を防ぐことができる。

一方、ステップＳ１０７では、スイッチング素子３６のベース端子あるいはゲート端子に所定周期のスイッチング信号を印加する処理を行うことにより、昇圧回路を構成するスイッチング素子３６のオンオフ制御が当該スイッチング信号による所定のDUTY制御によって行われるので、昇圧回路から所定の補助電力がモータ駆動回路４５に供給されるように制御する。これにより、燃料電池２１の発電効率の低い領域では、モータ駆動回路４５に対しバッテリ３１等から補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池２１から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。

ここで、図３および図４を参照して、上述した所定の下限電圧値ＶＬがどのように決定され設定されているかについて説明する。なお、図３は、単セル当たりの燃料電池２１の出力特性を示す特性図で、横軸に燃料電池２１の出力電流密度［Ａ／cm^２］、左縦軸に燃料電池２１のＦＣ電圧［Ｖ］、右縦軸に燃料電池２１の出力電力密度［Ｗ／cm^２］をとったもので、電流密度に対する電圧の特性（以下「I-V 特性」という）を示す曲線Ａおよび電流密度に対する電力密度の特性（以下「I-P 特性」という）を示す曲線Ｂがそれぞれ表されている。

また、図４は、単セル当たりの燃料電池２１の出力特性を示す特性図で、横軸に燃料電池２１の出力電流密度［Ａ／cm^２］、左縦軸に燃料電池２１のＦＣ電圧［Ｖ］および出力電力密度［Ｗ／cm^２］、右縦軸に燃料電池２１の電圧効率［％］をとったもので、図３と同様のI-V 特性を示す曲線Ａ、図３と同様のI-P 特性を示す曲線Ｂおよび電流密度に対する電圧効率の特性（以下「Ｖef特性」という）を示す曲線Ｃがそれぞれ表されている。この特性図は、燃料電池２１の開放電圧値に対するＦＣ電圧Ｖfcの比率を示す曲線ＣをＶef特性として表すことにより、同特性図上に表されている曲線Ａ（I-V 特性）と曲線Ｂ（I-P 特性）との関係を明確にしたものである。なお曲線Ａおよび曲線は、両者の特性上、互いに重複して描かれているため、図４では１本の曲線に見えることに留意されたい。

なお、図３および図４に示す各特性曲線は、燃料電池２１には必要な量の燃料としての水素ガスおよび酸化剤としての空気が十分に供給され、燃料電池２１の水素極および空気極のイオン交換膜には十分な水分が含まれており、燃料電池２１の温度は十分に高く作動温度範囲内にあり、燃料電池２１を構成する部材の経時劣化はほとんどないものとする。

(1) 図３に示すように、上述した所定の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１によって供給可能な最大電力Ｗ_Ｐを発電するときの電圧値Ｖ_Ｐに設定される。
即ち、図３に示す単セルのI-P 特性を示す曲線Ｂのピーク点（最大電力点）Ｐ、つまり燃料電池２１の最も大きい電力（最大電力）Ｗ_Ｐ（０．５７５Ｗ／cm^２）を発電するときの電圧値Ｖ_Ｐを、同図に示す単セルのI-V 特性を示す曲線Ａから求め（電圧値Ｖ_Ｐ＝０．５０Ｖ）、これを所定の下限電圧値ＶＬに設定している。

これにより、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該電圧値Ｖ_Ｐ（所定の下限電圧値ＶＬ）を下回るときには、燃料電池２１は曲線Ｂのピーク点Ｐを超えて同点Ｐ右側の出力電力の低下した領域（発電効率の低い領域）で発電していることになる。このような理由から、図２を参照して説明した補助電力供給処理では、ステップＳ１０３において、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ（電圧値Ｖ_Ｐ）を下回らないか否かを判断し、スイッチング素子３６のDUTY制御を開始または停止させている。

(2) また、図３に示すように、当該所定の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１によって供給可能な最大電力Ｗ_Ｐを発電するときの電圧値Ｖ_Ｐ以上であって、当該最大電力Ｗ_Ｐの９５％を発電するときの電圧値Ｖ_Ｑ以下に設定されても良い。
即ち、図３に示す単セルのI-P 特性を示す曲線Ｂのピーク点（最大電力点）Ｐ、つまり燃料電池２１の最も大きい電力（最大電力）Ｗ_Ｐ（０．５７５Ｗ／cm^２）を発電するときの電圧値Ｖ_Ｐを同図に示す単セルのI-V 特性を示す曲線Ａから求め（電圧値Ｖ_Ｐ＝０．５０Ｖ）、この電圧値Ｖ_Ｐ以上で、その９５％の点Ｑにおける電力Ｗ_Ｑ（０．５７５×０．９５＝０．５４６Ｗ／cm^２）を発電するときの曲線Ａから求めた電圧値Ｖ_Ｑ（０．５６Ｖ）以下に所定の下限電圧値ＶＬが設定されている。

これにより、所定の下限電圧値ＶＬにこのような設定幅（Ｖ_Ｐ≦ＶＬ≦Ｖ_Ｑ）を設けているので、モータ駆動回路４５（負荷の一部）の電力要求に即して所定の下限電圧値ＶＬを設定することができる。また、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該設定幅（Ｖ_Ｐ≦ＶＬ≦Ｖ_Ｑ）の中で予め設定された下限電圧値ＶＬを超えて下回るときには、燃料電池２１は曲線Ｂの点Ｑから点Ｐの範囲を超えて点Ｐ右側の出力電力の低下した領域（発電効率の低い領域）で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップＳ１０３において、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ（Ｖ_Ｐ≦ＶＬ≦Ｖ_Ｑ）を下回らないか否かを判断し、スイッチング素子３６のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。

(3) さらに、図３に示すように、当該所定の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１のI-V 特性曲線の傾きが−０．４［Ｖ／Ａ・cm^２］の点のＦＣ電圧値Ｖfc以上、燃料電池２１によって供給可能な最大電力Ｗ_Ｐを発電するときの電圧値Ｖ_Ｐ以下の範囲内で設定されても良い。
例えば、図３に示すI-P 特性を示す曲線Ｂのピーク点Ｐの前後における所定範囲（例えば電流密度０．１Ａ／cm^２；図３に示すＶ１（１．１５〜１．２５）、Ｖ２（１．０５〜１．１５）の範囲）の曲線Ｂの傾き（図３に示すΔＶ１（−０．０４７Ｖ／０．１Ａ・cm^２）、ΔＶ２（−０．０３２Ｖ／０．１Ａ・cm^２））を得ることにより、その傾きの平均値（（ΔＶ１＋ΔＶ２）／２；（（−０．０４７−０．０３２）／２＝−０．０３９５≒−０．４［Ｖ／Ａ・cm^２］））を求めたものを「燃料電池２１のI-V 特性曲線の傾き」として定め、その傾きのときの燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfc以上、最大電力Ｗ_Ｐ（０．５７５Ｗ／cm^２）の出力電圧値Ｖ_Ｐ（０．５０Ｖ）以下の範囲内で設定するようにしても良い。

これにより、所定の下限電圧値ＶＬにこのような、より具体的な設定幅を設けているので、燃料電池２１の特性およびモータ駆動回路４５（負荷の一部）の電力要求に即して所定の下限電圧値ＶＬをより具体的に設定することができる。また、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該範囲を超えて下回るときには、燃料電池２１は点Ｐ右側の出力電力の低下した領域（発電効率の低い領域）で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップＳ１０３において、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らないか否かを判断し、スイッチング素子３６のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。

(4) また、図４に示すように、上述した所定の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１の開放電圧値を１００％としたときの、その３５％以上５０％以下の電圧値（図４に示す白抜き矢印の範囲内）に設定されていても良い。なお、図４に示す曲線Ｃ上の点Ｒは、曲線Ｂのピーク点Ｐに対応するもので、電圧効率３５％以上５０％以下の範囲にある。
即ち、図４に示すように、当該所定の下限電圧値ＶＬは、燃料電池２１の開放電圧値の観点から、単セルのI-P 特性を示す燃料電池２１の発電効率の高い領域（ピーク点Ｐ）からＶef特性を示す曲線Ｃにより、発電効率の高い領域を電圧効率の範囲として定めても良い。

これにより、所定の下限電圧値ＶＬを容易に設定することができる。また、開放電圧値の３５％以上５０％以下の電圧値といった設定幅を設けているので、モータ駆動回路４５（負荷の一部）の電力要求に即して所定の下限電圧値ＶＬを設定することができる。さらに、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが当該所定の下限電圧値ＶＬの範囲を超えて下回るときには、燃料電池２１はその発電効率の高い所定範囲を超えて発電効率の低い領域で発電していることになる。このような理由から、補助電力供給処理のステップＳ１０３において、ＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回らないか否かを判断し、スイッチング素子３６のDUTY制御を開始または停止するようにしても良い。

なお、以上説明した(1) 〜(4) による所定の下限電圧値ＶＬの設定は、単セルの場合を例示して説明したものである。そのため、実際の燃料電池システム２０においては上述した各値にセル数を乗じて得られた値に所定の下限電圧値ＶＬを設定する必要のあることに留意されたい。

例えば、図５に示すように、燃料電池２１の出力特性が５０kWにおいてピーク（同図に示す点Ｐ）を示し、そのときの燃料電池２１の出力電流／電圧が２５０Ａ／２００Ｖである場合には、所定の下限電圧値ＶＬを２００Ｖに設定する。これにより、電圧センサ２３により検出した燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcに基づいて、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが２００Ｖ以上を保持し得るようにモータ駆動回路４５等に対してバッテリ３１から補助電力を供給する。

例えばモータ駆動回路４５等からの要求電力が６０kWのときには、燃料電池２１から５０kWの発電電力を供給し、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが２００Ｖ以上を保持し得るようにバッテリ３１から１０kWの補助電力を供給するので、燃料電池２１の発電効率の低い領域（図５に示す曲線βの点Ｐ右側）では、モータ駆動回路４５等に対して燃料電池２１による５０kWの電力供給に加え、バッテリ３１からも１０kWの補助電力が供給され、全６０kWの電力を供給する様子が、図５において直線γに示す部分に表されている。このように燃料電池システム２０では、燃料電池２１の発電効率の高い領域（図５に示す曲線βの点Ｐ左側）から発電効率の低い領域（図５に示す曲線βの点Ｐ右側）に移行するとき、あるいはその手前で、バッテリ３１による補助電力を加えるので、曲線βに示す破線部分のような減少傾向の特性に移行する前に負荷の要求に応えられる電力を供給することができる（直線γ部分）。

以上説明したように本実施形態に係る燃料電池システム２０によると、電圧センサ２３により、モータ駆動回路４５等の負荷に対し電力供給する燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcを検出し、バッテリ３１により、検出された燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬを下回ると、モータ駆動回路４５等に対しバッテリ３１から、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ以上を保持し得る補助電力を供給する。つまり、電圧センサ２３により検出した燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcに基づいて、燃料電池２１のＦＣ電圧Ｖfcが所定の下限電圧値ＶＬ以上を保持し得るようにモータ駆動回路４５等に対してバッテリ３１から補助電力を供給するので、燃料電池２１の出力電流に基づいた判断によりモータ駆動回路４５等に補助電力を供給するものではない。これにより、燃料電池２１の発電効率の低い領域では、モータ駆動回路４５等に対して燃料電池２１による電力供給に加え、バッテリ３１からも補助電力が供給されるので、発電効率の低い領域にある燃料電池２１から過剰に電力を取り出すことを防止することができる。したがって、燃料電池２１を発電効率の高い領域で発電させ、発電効率の低い領域では燃料電池２１の発電を抑制し得る効果がある。

本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの電気的構成を示す回路図である。本実施形態の燃料電池システムの補助電力供給処理の流れを示すフローチャートである。燃料電池（単セル当たり）の出力特性を示す特性図で、電流密度［Ａ／cm^２］に対する電圧［Ｖ］の特性を示す曲線Ａおよび電流密度［Ａ／cm^２］に対する電力密度［Ｗ／cm^２］の特性を示す曲線Ｂを示すものである。燃料電池（単セル当たり）の出力特性を示す特性図で、電流密度［Ａ／cm^２］に対する電圧［Ｖ］の特性を示す曲線Ａ、電力密度［Ｗ／cm^２］の特性を示す曲線Ｂおよび電流密度［Ａ／cm^２］に対する電圧効率［％］の特性を示す曲線Ｃを示すものである。本実施形態の燃料電池システムにより負荷に供給される電力の電流電圧特性曲線αおよび電流電力特性曲線β、γを示すものである。燃料電池の出力特性を示す特性図で、電流電圧特性曲線（良好時α、劣化時α’）および電流電力特性曲線（良好時β、劣化時β’）を示すものである。

符号の説明

２０燃料電池システム
２１燃料電池
２３電圧センサ（電圧検出手段）
３１バッテリ（蓄電手段）
３５リアクトル（補助電力供給手段）
３６スイッチング素子（補助電力供給手段）
４５モータ駆動回路（負荷）
５１ＨＢＣコントローラ（補助電力供給手段）
Ｖfc 燃料電池のＦＣ電圧
ＶＬ所定の下限電圧値（所定の電圧値）
Ｖ_Ｐ下限電圧（所定の電圧値、最大電力を発電するときの電圧値）
Ｖ_Ｑ下限電圧（所定の電圧値、最大電力の９５％以上を発電するときの電圧値）

Claims

負荷に対しそれぞれ並列に接続された燃料電池および蓄電手段を備える燃料電池システムであって、
前記負荷に対し電力供給する燃料電池と、
前記燃料電池の出力電圧を検出する電圧検出手段と、
前記燃料電池の電流密度に対する電力密度の特性を示す曲線において電力密度が最大となるときの電圧を、前記燃料電池の電流密度に対する電圧効率の特性を示す曲線から求め、この電圧が下限値として設定され、前記電圧検出手段により検出された前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値を下回らないように、前記負荷に対し前記蓄電手段から、前記燃料電池の出力電圧が前記電圧値以上を保持し得る補助電力を供給する補助電力供給手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
前記補助電力供給手段は、前記負荷からの要求電力が、前記燃料電池の出力電圧が下限値では不足する電力分を補助電力として供給することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。