JP7272321B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は燃料電池システムに関する。
特許文献１には、従来の燃料電池システムとして、例えばシステム起動時などの所定のタイミングにおいて、常発電と比べて発電損失が大きくなる低効率発電を実施することで、燃料電池の自己発熱量を増大させて燃料電池を急速に暖機させる急速暖機運転を実施するものが開示されている。
特開２００９－０９９３４１号公報
低効率発電時は、濃度過電圧を大きくして発電損失を増大させるために、発電電力が同じであれば通常発電時よりも燃料電池に供給される酸化剤ガスの供給流量が少なくなる。すなわち、低効率発電時に設定されるエアストイキ比（目標発電電力を発電するために最低限必要な酸化剤ガスの供給流量に対する、実際に供給される酸化剤ガスの供給流量の比）の目標値は、通常発電時に設定されるエアストイキ比の目標値よりも小さくなる。そして、通常発電時よりもエアストイキ比を小さくした状態で行われる低効率発電時は、エアストイキ比がその目標値からずれたときに、通常発電時よりも燃料電池の電圧の変動幅が大きくなる傾向にある。
ここで、目標発電電力が変化する過渡時には、酸化剤ガスの供給流量が過渡後の目標流量に制御されるまでの間、エアストイキ比が過渡後の目標値からずれることになる。そのため、低効率発電時は、過渡時において、燃料電池の実電圧が目標電圧に対して大きくずれる傾向にあり、その結果、実発電電力が目標発電電力に対して大きくずれる傾向にある。
実発電電力が目標発電電力よりも大きくなると、そのときの余剰電力はバッテリに充電されることになる。一方で実発電電力が目標発電電力よりも小さくなると、そのときの不足電力はバッテリから放電されることになる。そのため、目標発電電力に対する実発電電力のずれが大きくなると、バッテリが過充電状態又は過放電状態となってバッテリが劣化するおそれがある。バッテリの許容充電電力及び許容放電電力は、バッテリ温度に応じて変化し、バッテリ温度が低くなるほど、小さくなる傾向にある。
したがって、低温環境下において低効率発電が実施されると、特にバッテリが過充電状態又は過放電状態になりやすく、バッテリが劣化しやすいという問題点がある。
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、低効率発電時に、バッテリが過充電状態又は過放電状態となってバッテリが劣化するのを抑制することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明のある態様による燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、燃料電池の発電時における余剰電力を充電すると共に不足電力を放電する二次電池と、制御装置と、を備える。制御装置は、通常発電と比べて発電損失が大きくなる低効率発電を実施する低効率発電実施部を備える。低効率発電実施部は、低効率発電時の前記燃料電池の動作点となる目標電流及び目標電圧を設定する動作点設定部と、低効率発電時に、燃料電池の電流を目標電流に制御しつつ、二次電池の充放電電力が二次電池の許容充放電電力よりも大きくならない範囲内で、燃料電池の電圧が目標電圧を跨いで増減するように燃料電池に供給する酸化剤ガスの供給流量を変動させることで、燃料電池の発電電力を増減させる発電電力制御部と、を備える。
本発明のこの態様によれば、燃料電池の電流を目標電流に制御しつつ、目標電圧を跨ぐように燃料電池の電圧を増減させることで、目標発電電力を跨ぐように発電電力を増減させることができる。そのため、バッテリ（二次電池）の充放電を繰り返すことができるので、バッテリの温度を速やかに高めることができる。その結果、バッテリの許容充放電電力を速やかに大きくすることができるので、低効率発電が実施されて発電電力と目標発電電力との間にずれが生じたときに、バッテリが過充電状態又は過放電状態になるのを抑制することができる。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２は、ＦＣ温度が或る温度のときの燃料電池スタックの基準となる電流電圧特性を示した図である。 図３は、エアストイキ比と、発電損失の一要因となる酸素濃度過電圧と、の関係について説明する図である。 図４は、ＦＣ電流を一定に維持した状態で、エアストイキ比を変化させたときのＦＣ電圧の変化を示す図である。 図５は、本発明の一実施形態によるバッテリ昇温処理を伴う燃料電池システムの急速暖機制御について説明するフローチャートである。 図６は、本発明の一実施形態による低効率発電の詳細な処理について説明するフローチャートである。 図７は、急速暖機動作点Ｘ２を算出するための、等電力線と等発熱量線とが描かれたＩＶ特性マップである。 図８は、急速暖機動作点Ｘ２の算出方法について説明する図である。 図９は、基準ＦＣ電圧を算出するための、基準ＩＶ特性マップである。 図１０は、基準エアストイキ比を算出するための、エアストイキ比と酸素濃度過電圧との関係を表すマップである。 図１１は、本発明の一実施形態によるバッテリ昇温処理の詳細について説明するフローチャートである。 図１２は、本発明の一実施形態によるバッテリ昇温処理中の動作について説明するタイムチャートである。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。
図１は、車両に搭載される本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０にアノードガス（燃料ガス）としての水素を供給するための水素供給装置２０と、燃料電池スタック１０にカソードガス（酸化剤ガス）としての空気を供給するための空気供給装置３０と、燃料電池スタック１０の出力端子に電気的に接続される電気負荷部５０と、燃料電池システム１００の各種の制御部品を統括的に制御するための電子制御ユニット２００と、を備える。
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池単セル（以下「単セル」という。）を積層方向に沿って互いに積層し、各単セルを電気的に直列に接続したものである。各単セルは、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を備える。
ＭＥＡは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜（以下「電解質膜」という。）の一方の表面にアノード電極を形成し、他方の表面にカソード電極を形成してそれらを一体化したものである。燃料電池スタック１０で発電が行われているときは、アノード電極及びカソード電極で以下の電気化学反応が起こる。
アノード電極 ： ２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ－ …（１）
カソード電極 ： ４Ｈ＋＋４ｅ－＋Ｏ２ →２Ｈ２Ｏ …（２）
アノード電極及びカソード電極は、多孔質のカーボン素材に触媒を担持させた触媒層をそれぞれ備えており、各触媒層には水素と酸素との電気化学反応（（１）式の水素酸化反応と（２）式の酸素還元反応）を促進させるための触媒として白金が含まれている。なお、ＭＥＡの両外側に、さらにアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層を備えていてもよい。
水素供給装置２０は、水素供給管２１と、水素源としての高圧水素タンク２２と、水素供給制御部２３と、アノードオフガス管２４と、気液分離器２５と、水素戻し管２６と、水素循環ポンプ２７と、パージ管２８と、パージ制御弁２９と、を備える。
水素供給管２１は、燃料電池スタック１０に供給する水素が流れる配管であって、一端が高圧水素タンク２２に連結され、他端が燃料電池スタック１０に連結される。
高圧水素タンク２２は、水素供給管２１を介して燃料電池スタック１０、ひいては各単セルのアノード電極に供給するための水素を貯蔵する。
水素供給制御部２３は、主止弁２３１と、レギュレータ２３２と、インジェクタ２３３と、を備える。
主止弁２３１は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、水素供給管２１に設けられる。主止弁２３１が開かれると、高圧水素タンク２２から水素供給管２１に水素が流出する。主止弁２３１が閉じられると、高圧水素タンク２２からの水素の流出が停止される。
レギュレータ２３２は、主止弁２３１よりも下流の水素供給管２１に設けられる。レギュレータ２３２は、連続的又は段階的に開度を調整することができる圧力制御弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。レギュレータ２３２の開度を制御することで、レギュレータ２３２よりも下流側の水素の圧力、すなわちインジェクタ２３３から噴射される水素の圧力が制御される。
インジェクタ２３３は、レギュレータ２３２よりも下流の水素供給管２１に設けられる。インジェクタ２３３は、例えばニードル弁であり、電子制御ユニット２００によって開閉制御される。インジェクタ２３３の開弁時間を制御することで、インジェクタ２３３から噴射される水素の流量が制御される。
このように、水素供給制御部２３によって、高圧水素タンク２２から燃料電池スタック１０への水素の供給が制御される。すなわち、水素供給制御部２３によって、所望の圧力及び流量に制御された水素が燃料電池スタック１０に供給される。
アノードオフガス管２４は、燃料電池スタック１０から流出してきたアノードオフガスが流れる配管であって、一端が燃料電池スタック１０に連結され、他端が気液分離器２５のガス流入口２５ａに連結される。アノードオフガスは、各単セル内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素や、カソード電極側からＭＥＡを介してアノード電極側に透過してきた窒素等の不活性ガス及び水分（液水や水蒸気）を含むガスである。
気液分離器２５は、ガス流入口２５ａと、ガス流出口２５ｂと、液水流出口２５ｃと、を備える。気液分離器２５は、ガス流入口２５ａから内部に流入してきたアノードオフガス中の水を分離する。そして気液分離器２５は、分離した水を液水流出口２５ｃからパージ管２８に排出すると共に、水が分離された水素を含むアノードオフガスをガス流出口２５ｂから水素戻し管２６に排出する。
水素戻し管２６は、一端が気液分離器２５のガス流出口２５ｂに連結され、他端が水素供給制御部２３よりも下流の水素供給管２１に連結される配管である。水素戻し管２６には、気液分離器２５のガス流出口２５ｂから排出されたアノードオフガスが流れる。
水素循環ポンプ２７は、水素戻し管２６に設けられる。水素循環ポンプ２７は、アノードオフガス中に含まれる水素、すなわち各単セル内で電気化学反応に使用されなかった余剰の水素を水素供給管２１に戻して循環させるためのポンプである。水素循環ポンプ２７は、気液分離器２５のガス流出口２５ｂから排出されたアノードオフガスを加圧して水素供給管２１に圧送する。
パージ管２８は、一端が気液分離器２５の液水流出口２５ｃに連結され、他端が後述するカソードオフガス管３８に連結される配管である。
パージ制御弁２９は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、パージ管２８に設けられる。パージ制御弁２９は、通常は閉弁されており、周期的に短時間にわたり開弁される。パージ制御弁２９が開弁されると、気液分離器２５内で分離された水が、パージ管２８を介してカソードオフガス管３８から外部に排出される。
このように本実施形態による燃料電池システム１００は、水素通路２から流出したアノードオフガスを水素供給管２１に戻して循環させる水素循環式の燃料電池システムであるが、水素通路２から流出したアノードオフガスを水素供給管２１に戻さない水素非循環式の燃料電池システムとしても良い。
空気供給装置３０は、空気供給管３１と、エアクリーナ３２と、コンプレッサ３３と、インタークーラ３４と、カソード入口弁３５と、バイパス管３６と、分流弁３７と、カソードオフガス管３８と、カソード圧力制御弁３９と、を備える。
空気供給管３１は、燃料電池スタック１０、ひいては各単セルのカソード電極に供給するための空気が流れる配管であって、一端がエアクリーナ３２に連結され、他端が燃料電池スタック１０に連結される。
エアクリーナ３２は、空気供給管３１に吸入される空気中の異物を取り除く。エアクリーナ３２は、酸素源３２ａとなる大気中に配置される。すなわち、酸素源３２ａはエアクリーナ３２を介して空気供給管３１と連通している。
コンプレッサ３３は、例えば遠心式又は軸流式のターボコンプレッサであり、空気供給管３１に設けられる。コンプレッサ３３は、エアクリーナ３２を介して空気供給管３１に吸入した空気を圧縮して吐出する。なお、コンプレッサ３３よりも上流の空気供給管３１には、コンプレッサ３３によって吸入されて吐出される空気の流量（以下「総エア供給量」という）Ｑａｃｐ［ＮＬ／ｍｉｎ］を検出するためのカソード流量センサ２１１が設けられる。
インタークーラ３４は、コンプレッサ３３よりも下流の空気供給管３１に設けられ、コンプレッサ３３から吐出された空気を例えば走行風や冷却水などで冷却する。
カソード入口弁３５は、電子制御ユニット２００によって開閉される電磁弁であり、インタークーラ３４よりも下流の空気供給管３１に設けられる。カソード入口弁３５は、燃料電池スタック１０に空気を供給する必要があるときに開弁される。
バイパス管３６は、コンプレッサ３３から吐出された空気の一部又は全部を、必要に応じて燃料電池スタック１０を経由させずに後述するカソードオフガス管３８に直接流入させるための配管である。バイパス管３６は、一端がインタークーラ３４とカソード入口弁３５との間の空気供給管３１に連結され、他端が後述するカソード圧力制御弁３９よりも下流のカソードオフガス管３８に連結される。
分流弁３７は、バイパス管３６に設けられる。分流弁３７は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。
カソードオフガス管３８は、燃料電池スタック１０から流出したカソードオフガスが流れる配管であって、一端が燃料電池スタック１０に連結され、他端が大気に開口している。カソードオフガスは、各単セル内で電気化学反応に使用されなかった余剰の酸素や、窒素等の不活性ガス、電気化学反応によって生じた水分（液水や水蒸気）を含むガスである。
カソード圧力制御弁３９は、カソードオフガス管３８に設けられる。カソード圧力制御弁３９は、連続的又は段階的に開度を調整することができる電磁弁であり、その開度は電子制御ユニット２００によって制御される。カソード圧力制御弁３９の開度を制御することで、燃料電池スタック１０内の圧力であるカソード圧力が制御される。
コンプレッサ３３、ひいては総エア供給量Ｑａｆｃと、カソード入口弁３５、分流弁３７及びカソード圧力制御弁３９のそれぞれの開度とを制御することで、コンプレッサ３３から吐出される空気のうち、燃料電池スタック１０に供給される空気の流量（以下「ＦＣエア供給量」という）Ｑｆｃ［ＮＬ／ｍｉｎ］が制御される。
電気負荷部５０は、第１コンバータ５１と、回路遮断器５２と、バッテリ５３と、第２コンバータ５４と、モータジェネレータ５５と、インバータ５６と、を備える。
電気負荷部５０と燃料電池スタック１０の出力端子との接続ライン５７には、燃料電池スタック１０から取り出される電流（以下「ＦＣ電流」という。）Ｉｆｃ［Ａ］を検出するための電流センサ２１２と、燃料電池スタック１０の出力端子の端子間電圧（以下「ＦＣ電圧」という。）Ｖｆｃ［Ｖ］を検出するための電圧センサ２１３と、が設けられる。
第１コンバータ５１は、一次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子が燃料電池スタック１０の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第１コンバータ５１は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて一次側の端子間電圧となるＦＣ出力電圧Ｖｆｃを昇降圧させ、これによりＦＣ電流Ｉｆｃを燃料電池システム１００の運転状態に応じて設定される目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御する。
回路遮断器５２は、電子制御ユニット２００によって開閉され、燃料電池スタック１０と電気負荷部５０とを電気的、物理的に接続又は遮断する。
バッテリ５３は、例えばニッケル・カドミウム蓄電池やニッケル・水素蓄電池、リチウムイオン電池などの充放電可能な二次電池である。バッテリ５３には、燃料電池スタック１０の余剰電力及びモータジェネレータ５５の回生電力が充電される。バッテリ５３に充電された電力は、必要に応じてモータジェネレータ５５やコンプレッサ３３等の燃料電池システム１００が備える各種の制御部品を駆動するために使用される。
第２コンバータ５４は、例えば二次側端子の端子間電圧を昇降圧させることが可能な電気回路を備えた双方向性のＤＣ／ＤＣコンバータであり、一次側端子がバッテリ５３の出力端子に接続され、二次側端子がインバータ５６の直流側端子に接続される。第２コンバータ５４は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて二次側の端子間電圧となるインバータ５６の入力電圧を昇降圧させる。
モータジェネレータ５５は、例えば三相の永久磁石型同期モータであり、燃料電池システム１００が搭載される車両の動力を発生させるモータとしての機能と、車両の減速時に発電するジェネレータとしての機能と、を備える。モータジェネレータ５５は、インバータ５６の交流側端子に接続され、燃料電池スタック１０の発電電力及びバッテリ５３の電力によって駆動される。
インバータ５６は、電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて直流側端子から入力された直流電流を交流電流に変換して交流側端子から出力し、逆に電子制御ユニット２００からの制御信号に基づいて交流側端子から入力された交流電流を直流電流に変換して直流側端子から出力することが可能な電気回路を備える。インバータ５６の直流側端子は第１コンバータ５１及び第２コンバータ５４の二次側端子に接続され、インバータ５６の交流側端子はモータジェネレータ５５の入出力端子に接続される。インバータ５６は、モータジェネレータ５５をモータとして機能させるときは、燃料電池スタック１０及びバッテリ５３からの直流電流を交流電流（本実施形態では三相交流電流）に変換してモータジェネレータ５５に供給する。一方でインバータ５６は、モータジェネレータ５５をジェネレータとして機能させるときは、モータジェネレータ５５からの交流電流を直流電流に変換してバッテリ５３等に供給する。
電子制御ユニット２００は、デジタルコンピュータから構成され、双方性バス２０１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）２０２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）２０３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）２０４、入力ポート２０５及び出力ポート２０６を備える。
入力ポート２０５には、前述したカソード流量センサ２１１や電流センサ２１２、電圧センサ２１３の他にも、燃料電池スタック１０の温度（以下「ＦＣ温度」という。）Ｔｆｃ［℃］を検出するためのＦＣ温度センサ２１４や、アクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセル踏込量」という。）を検出するための負荷センサ２１５などの出力信号が、対応する各ＡＤ変換器２０７を介して入力される。
出力ポート２０６には、対応する駆動回路２０８を介して、水素供給制御部２３（主止弁２３１、レギュレータ２３２及びインジェクタ２３３）や水素循環ポンプ２７、パージ制御弁２９、コンプレッサ３３、カソード入口弁３５、分流弁３７、カソード圧力制御弁３９、第１コンバータ５１、回路遮断器５２、第２コンバータ５４、インバータ５６などの各制御部品が電気的に接続される。
電子制御ユニット２００は、入力ポート２０５に入力された各種センサの出力信号に基づいて、各制御部品を制御するための制御信号を出力ポート２０６から出力して燃料電池システム１００を制御する。以下、電子制御ユニット２００が実施する燃料電池システム１００の制御、特に燃料電池システム１００の氷点下始動時における急速暖機制御について説明する。
図２は、スタック温度Ｔｆｃが或る温度のときの燃料電池スタック１０の基準となる電流電圧特性（以下「基準ＩＶ特性」という。）を示した図である。基準ＩＶ特性は、発電時に生じる各種の発電損失を抑えた高効率発電（通常発電）を実施したときのＩＶ特性である。
電子制御ユニット２００は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１０の目標発電電力Ｐｔｇ［ｋＷ］を算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、アクセル踏込量などに基づいて算出されるモータジェネレータ５５の要求電力と、コンプレッサ３３等の各種の補機類の要求電力と、の合計値を目標発電電力Ｐｔｇとして算出する。
そして図２に示すように、電子制御ユニット２００は、燃料電池スタック１０の暖機が完了した後の高効率発電を実施する通常運転時には、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電圧Ｖｆｃによって規定される動作点Ｘが、基準ＩＶ特性上で目標発電電力Ｐｔｇを発電可能な通常動作点Ｘ１となるように、エアストイキ比、ひいてはＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御する。
エアストイキ比とは、目標発電電力Ｐｔｇを発電するために最低限必要なＦＣエア供給量（以下「理論ＦＣエア供給量」という。）Ｑｓｔに対する、実際のＦＣエア供給量Ｑｆｃの比である。したがって、エアストイキ比（＝Ｑｆｃ／Ｑｓｔ）が１．０よりも大きくなるにつれて、実際のＦＣエア供給量Ｑｆｃが理論ＦＣエア供給量Ｑｓｔよりも多くなる。
図３は、エアストイキ比と、発電損失の一要因となる酸素濃度過電圧（発電時に酸素不足によって生じる発電損失）と、の関係について説明する図である。
図３に示すように、酸素濃度過電圧は、エアストイキ比が大きいときに比べて、小さいときのほうが、大きくなる傾向にある。換言すれば、酸素濃度過電圧を要因とする発電損失（電圧降下量）は、エアストイキ比が大きいときに比べて、小さいときのほうが、大きくなる傾向にある。
したがって電子制御ユニット２００は、通常運転時には、発電損失を抑えた高効率発電を実施するために、エアストイキ比が、酸素濃度過電圧をほぼ無視できる通常領域内のエアストイキ比（図３に示す例では、例えば１．５近傍のエアストイキ比）となるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御する。
一方で電子制御ユニット２００は、氷点下の環境で燃料電池システム１００を始動して運転するときは、発電に伴って生じる生成水の凍結を抑制しつつ、低温時ほど悪化するＩＶ特性を早期に回復させるため、急速暖機運転を実施する。急速暖機運転は、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御して通常運転時よりも酸素濃度過電圧を増大させることで意図的に発電損失を増大させ、これにより燃料電池スタック１０の自己発熱量を増大させて暖機の促進を図る運転方法である。
電子制御ユニット２００は、急速暖機運転時には、目標発電電力Ｐｔｇを発電しつつ、通常運転時よりも発電損失（自己発熱量）を増大させた低効率発電を実施するために、エアストイキ比が、酸素濃度過電圧を無視できなくなる急速暖機領域内のエアストイキ比（図３に示す例では、例えば１．０近傍のエアストイキ比）となるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃを制御する。
これにより、図２において基準ＩＶ特性上の通常動作点Ｘ１で高効率発電（通常発電）を行った場合と比較して、エアストイキ比に応じた酸素濃度過電圧分だけＦＣ電圧Ｖｆｃを降下させることできる。すなわち、ＦＣ電流Ｉｆｃを制御しつつ、エアストイキ比、ひいてはＦＣエア供給量Ｑｆｃを適切に制御することで、図２に示すように、通常動作点Ｘ１と等電力線（破線参照）上にある、通常動作点Ｘ１よりも発電損失を増大させた、所望の自己発熱量が得られる急速暖機動作点Ｘ２で発電を行うことができるので、燃料電池スタック１０の暖機の促進を図ることができる。
ここで、発明者らの鋭意研究の結果、この急速暖機運転中は、目標発電電力Ｐｔｇと実発電電力Ｐｆｃとの間に差が生じやすくなる傾向にあり、その結果、バッテリ充放電電力が大きくなってバッテリを劣化させるおそれがあることがわかった。以下、この問題点について、図３に加えて図４を参照して説明する。なお、図４は、ＦＣ電流Ｉｆｃを一定に維持した状態で、エアストイキ比を変化させたとき（すなわちＦＣエア供給量Ｑｆｃを変化させたとき）のＦＣ電圧Ｖｆｃの変化を示す図である。
図３に示すように、エアストイキ比が所定量だけ変化した場合の酸素濃度過電圧の変化量を比較すると、エアストイキ比が大きいときに比べて、小さいときのほうが、大きくなる傾向にある。換言すれば、エアストイキ比が大きいときに比べて、小さいときのほうが、エアストイキ比が変化したときに電圧降下量、ひいてはＦＣ電圧Ｖｆｃが変動しやすくなる傾向にある。
そのため、図４に示すように、例えばエアストイキ比が前述した酸素濃度過電圧をほぼ無視できる通常領域内の或る目標エアストイキ比ＳＲｔｇ１となるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃが制御されている通常運転時は、ＦＣエア供給量Ｑｆｃが変動してエアストイキ比が目標エアストイキ比ＳＲｔｇ１からずれたとしても、ＦＣ電圧Ｖｆｃの変動量は少ない。
これに対して、例えばエアストイキ比が前述した酸素濃度過電圧を無視できなくなる急速暖機領域内の或る目標エアストイキ比ＳＲｔｇ２となるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃが制御されている急速暖機運転時は、ＦＣエア供給量Ｑｆｃが変動してエアストイキ比が目標エアストイキ比ＳＲｔｇ２からずれると、通常運転時とずれ幅が同じであったとしても、ＦＣ電圧Ｖｆｃが大きく変動することになる。
このように急速暖機運転中は、エアストイキ比が目標エアストイキ比からずれたときに、通常発電時よりもＦＣ電圧Ｖｆｃの変動量が大きくなる傾向にある。
そして、目標発電電力Ｐｔｇがステップ的に変化する過渡時には、ＦＣエア供給量Ｑｆｃが過渡後の目標エア供給量Ｑｔｇに制御されるまでの間、エアストイキ比が過渡後の目標エアストイキ比からずれることになる。そのため、急速暖機運転中は、特に過渡時において、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇに対して大きくずれる傾向があり、その結果、実発電電力Ｐｆｃが目標発電電力Ｐｔｇに対して大きくずれる傾向がある。
実発電電力Ｐｆｃが目標発電電力Ｐｔｇよりも大きくなると、そのときの余剰電力はバッテリ５３に充電されることになる。そのため、余剰電力が大きくなると、バッテリ５３の充電電力が、バッテリ５３の劣化を抑制するためにバッテリ状態に応じて設定される許容充電電力Ｗｉｎ［ｋＷ］以上となって、バッテリ５３を劣化させるおそれがある。特にバッテリ５３としてリチウムイオン電池を使用していた場合には、余剰電力が大きくなると、バッテリ５３の負極表面にリチウムが析出するいわゆるリチウム析出が生じるおそれがある。
また、実発電電力Ｐｆｃが目標発電電力Ｐｔｇよりも小さくなると、そのときの不足電力はバッテリ５３から出力されることになる。そのため、不足電力が大きくなると、バッテリ５３の放電電力が、許容充電電力Ｗｉｎと同様にバッテリ５３の劣化を抑制するためにバッテリ状態に応じて設定される許容放電電力Ｗｏｕｔ［ｋＷ］以上となって、バッテリ５３を劣化させるおそれがある。
なお本実施形態において、バッテリ５３の充電電力は、バッテリ５３に対する充電電力が大きくなるほどその値が大きくなる正の値である。またバッテリ５３の放電電力も同湯に、バッテリ５３から放電電力が大きくなるほどその値が大きくなる正の値である。
そして、この許容充電電力Ｗｉｎ及び許容放電電力Ｗｏｕｔは、バッテリ状態に応じて変化し、例えばバッテリ５３の温度が高いときに比べて、低いときの方が、小さくなる傾向にある。そのため、基本的に氷点下の環境で行われる急速暖機運転中は、バッテリ５３の温度も低温であるため、許容充電電力Ｗｉｎ及び許容放電電力Ｗｏｕｔも通常運転時よりも小さくなる傾向にある。したがって、急速暖機運転中は、実発電電力Ｐｆｃと目標発電電力Ｐｔｇとの間にずれが生じると、特にバッテリ５３が過充電状態又は過放電状態になりやすく、バッテリ５３が劣化しやすい。
そこで本実施形態では、急速暖機運転中に、バッテリ５３の充電電力及び放電電力がそれぞれ許容充電電力Ｗｉｎ及び許容放電電力Ｗｏｕｔを超えない範囲で、目標発電電力Ｐｔｇを中心として発電電力Ｐｆｃを目標発電電力Ｐｔｇに対して意図的に増減させることとした。すなわち、急速暖機運転中に、バッテリ５３の充電及び放電を繰り返し実施することとした。
バッテリ５３は、充放電時に発熱するため、このように急速暖機運転中にバッテリ５３の充電及び放電を繰り返すことで、バッテリ５３の温度を速やかに高めることができる。その結果、許容充電電力Ｗｉｎ及び許容放電電力Ｗｏｕｔをそれぞれ速やかに大きくすることができるので、実発電電力Ｐｆｃと目標発電電力Ｐｔｇとの間にずれが生じたときに、バッテリ５３が過充電状態又は過放電状態になるのを抑制することができる。以下、このように発電電力Ｐｆｃを意図的に増減させることでバッテリ５３の昇温を行う本実施形態によるバッテリ昇温制御を伴う燃料電池システム１００の急速暖機制御について、図５から図１２を参照して説明する。
図５は、本実施形態によるバッテリ昇温制御を伴う燃料電池システム１００の急速暖機制御について説明するフローチャートである。電子制御ユニット２００は、本ルーチンを所定の演算周期（例えば１０［ｍｓ］）で繰り返し実行する。
ステップＳ１において、電子制御ユニット２００は、急速暖機フラグＦ１が０に設定されているか否かを判定する。急速暖機フラグＦ１は、初期値が０に設定されているフラグであって、急速暖機運転の開始時に１に設定され、急速暖機運転の終了時に０に戻されるフラグである。電子制御ユニット２００は、急速暖機フラグＦ１が０であれば、ステップＳ２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、急速暖機フラグＦ１が１であれば、ステップＳ４の処理に進む。
ステップＳ２において、電子制御ユニット２００は、急速暖機運転の実施要求があるか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、燃料電池システム１００の起動時であり、かつ、ＦＣ温度が所定の急速暖機要求温度（例えば０［℃］）以下であれば急速暖機運転の実施要求があると判定する。電子制御ユニット２００は、急速暖機運転の実施要求があると判定したときは、ステップＳ３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、急速暖機運転の実施要求がないと判定したときは、今回の処理を終了する。
ステップＳ３において、電子制御ユニット２００は、急速暖機フラグＦ１を１に設定する。
ステップＳ４において、電子制御ユニット２００は、モータジェネレータ５５による回生制御を禁止する。回生制御とは、モータジェネレータ５５をジェネレータとして機能させることで、車両減速時などに生じる余剰エネルギを回生電力として回収する制御のことである。なお、急速暖機運転中に回生制御を禁止する理由は、以下の通りである。
すなわち、許容充電電力Ｗｉｎは、バッテリ温度に加えて、バッテリ充電率によっても変化し、具体的にはバッテリ充電率が低いときと比べて、高いときの方が小さくなる傾向にある。そのため、急速暖機運転中に回生制御が実施されてバッテリ充電率が高くなると、許容充電電力Ｗｉｎが小さくなる。その結果、余剰電力が大きくなったときに、バッテリの充電電力が許容充電電力Ｗｉｎ以上となる可能性が高くなるためである。
ステップＳ５において、電子制御ユニット２００は、低効率発電を実施する。本実施形態による低効率発電の詳細な処理については、図６を参照して後述する。
ステップＳ６において、電子制御ユニット２００は、燃料電池スタック１０の暖機が完了したか否かを判定する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、ＦＣ温度Ｔｆｃが、所定の急速暖機完了温度（例えば７０［℃］）以上になったか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ＦＣ温度Ｔｆｃが急速暖機完了温度以上であれば、ステップＳ７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＦＣ温度Ｔｆｃが急速暖機完了温度未満であれば、今回の処理を終了する。
ステップＳ７において、電子制御ユニット２００は、急速暖機運転を終了し、急速暖機フラグＦ１を０に戻すと共に、回生制御の禁止を解除する。
図６は、本実施形態による低効率発電の詳細な処理について説明するフローチャートである。
ステップＳ５１において、電子制御ユニット２００は、燃料電池システム１００の運転状態に基づいて、燃料電池スタック１０の目標発電電力Ｐｔｇを算出する。本実施形態では電子制御ユニット２００は、前述した通り、モータジェネレータ５５の要求電力と、コンプレッサ３３等の各種の補機類の要求電力と、の合計値を目標発電電力Ｐｔｇとして算出する。
ステップＳ５２において、電子制御ユニット２００は、図７に示す等電力線（細実線参照）と等発熱量線（太実線参照）とが描かれたＩＶ特性マップを参照し、目標発電電力Ｐｔｇと、目標発熱量ＰＬｔｇ［ｋＷ］と、基づいて、急速暖機動作点Ｘ２、すなわち目標ＦＣ電流Ｉｔｇ及び目標ＦＣ電圧Ｖｔｇを算出する。低効率発電時の目標発熱量ＰＬｔｇは、本実施形態では予め定めた固定値とされるが、可変値としてもよい。
具体的には電子制御ユニット２００は、図８に示すように、等電力線の中から目標発電電力Ｐｔｇを発電することが可能な等電力線を選択し、選択した等電力線と、ＩＶ特性マップ上で発熱量を目標発熱量ＰＬｔｇにすることが可能な等発熱量線と、が交わる点を急速暖機動作点Ｘ２として算出する。
ステップＳ５３において、電子制御ユニット２００は、過渡時であるか、又は定常時であるかを判定する。具体的には電子制御ユニット２００は、目標発電電力Ｐｔｇがその前回値Ｐｔｇｚと異なっていれば過渡時であると判定し、目標発電電力Ｐｔｇがその前回値Ｐｔｇｚと同じであれば定常時であると判定する。そして電子制御ユニット２００は、過渡時であると判定したときは、動作点ＸをステップＳ５２で算出された新たな急速暖機動作点Ｘ２に制御するべくステップＳ５４の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、定常時であれば、ステップＳ５９の処理に進む。
ステップＳ５４において、電子制御ユニット２００は、図９に示す基準ＩＶ特性マップを参照し、基準ＩＶ特性上でＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御したときのＦＣ電圧（以下「基準ＦＣ電圧」という。）Ｖｓｔｄを算出する。基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄは、換言すれば、高効率発電（通常発電）を実施してＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御したときのＦＣ電圧である。
なお基準ＩＶ特性は、ＦＣ温度Ｔｆｃに応じて変化するため、基準ＩＶ特性マップはＦＣ温度毎に複数用意されている。したがって電子制御ユニット２００は、複数の基準ＩＶ特性マップの中から、現在のＦＣ温度Ｔｆｃに応じた最適な基準ＩＶ特性マップを参照して基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄを算出している。
ステップＳ５５において、電子制御ユニット２００は、図３と同様の図１０に示すエアストイキ比と酸素濃度過電圧との関係を表すマップを参照し、基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄと目標ＦＣ電圧Ｖｔｇとの差分（すなわち、基準ＦＣ電圧Ｖｓｔｄを目標ＦＣ電圧Ｖｔｇまで低下させるために発生させる必要のある酸素濃度過電圧）ΔＶ１（＝Ｖｓｔｄ－Ｖｔｇ）に基づいて、基準エアストイキ比ＳＲｓｔｄを算出する。
ステップＳ５６において、電子制御ユニット２００は、目標ＦＣ電圧Ｖｔｇと、ＦＣ電圧Ｖｆｃと、の偏差（以下「ＦＣ電圧偏差」という。）ΔＶ２（＝Ｖｔｇ－Ｖｆｃ）に基づいて、基準エアストイキ比ＳＲｓｔｄに対するフィードバック補正値を算出し、基準エアストイキ比ＳＲｓｔｄに当該フィードバック補正値を加算することで、目標エアストイキ比ＳＲｔｇを算出する。
ステップＳ５７において、電子制御ユニット２００は、目標発電電力Ｐｔｇを発電するために必要な理論ＦＣエア供給量Ｑｔｈに目標エアストイキ比ＳＲｔｇを掛け合わせることで、目標ＦＣエア供給量Ｑｔｇを算出する。
ステップＳ５８において、電子制御ユニット２００は、ＦＣ電流Ｉｆｃ及びＦＣ電圧Ｖｆｃによって規定される動作点Ｘが、急速暖機動作点Ｘ２となるように、各制御部品を制御する。
具体的には電子制御ユニット２００は、第１コンバータ５１を制御してＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御すると共に、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを目標エア供給量Ｑｔｇに制御する。このとき電子制御ユニット２００は、総エア供給量Ｑａｆｃが一定になるようにコンプレッサ３３を制御しつつ、カソード入口弁３５、分流弁３７及びカソード圧力制御弁３９の各開度を制御することで、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを目標エア供給量Ｑｔｇに制御する。
ステップＳ５９において、電子制御ユニット２００は、発電電力Ｐｆｃを意図的に増減させることでバッテリ温度を昇温させるバッテリ昇温制御を実施する。バッテリ昇温制御の詳細については、図１１を参照して説明する。
図１１は、バッテリ昇温制御の詳細について説明するフローチャートである。
ステップＳ５９１において、電子制御ユニット２００は、エア増量フラグＦ２が０に設定されているか否かを判定する。エア増量フラグＦ２は、ＦＣ電圧Ｖｆｃを目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも高くするために（発電電力Ｐｆｃを目標発電電力Ｐｔｇよりも大きくするために）、エアストイキ比、ひいてはＦＣエア供給量Ｑｆｃを増量させているときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。電子制御ユニット２００は、エア増量フラグＦ２が０に設定されていれば、ステップＳ５９２の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、エア増量フラグＦ２が１に設定されていれば、ステップＳ５９３の処理に進む。
ステップＳ５９２において、電子制御ユニット２００は、エア減量フラグＦ３が０に設定されているか否かを判定する。エア減量フラグＦ３は、ＦＣ電圧Ｖｆｃを目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも低くするために（発電電力Ｐｆｃを目標発電電力Ｐｔｇよりも小さくするために）、エアストイキ比、ひいてはＦＣエア供給量Ｑｆｃを減量させているときに１に設定されるフラグであって、初期値は０に設定される。電子制御ユニット２００は、エア減量フラグＦ３が０に設定されていれば、ステップＳ５９３の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、エア減量フラグＦ３が１に設定されていれば、ステップＳ５９５の処理に進む。
ステップＳ５９３において、電子制御ユニット２００は、ＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｆｃに維持したまま、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも大きくなるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃを増量させる。
具体的には電子制御ユニット２００は、目標エアストイキ比ＳＲｔｇを、ＦＣ電圧Ｖｆｃを目標ＦＣ電圧Ｖｔｇにすることが可能な当初の目標エアストイキ比ＳＲｔｇに、所定値αを加えたものに更新する。本実施形態では、所定値αを、概ね０．１程度の値に設定しているが、これに限らず、バッテリ５３の過充電やリチウム析出を防止できる範囲内で適宜変更してもよい。そして、目標発電電力Ｐｔｇを発電するために必要な理論ＦＣエア供給量Ｑｔｈに、更新した目標エアストイキ比ＳＲｔｇを掛け合わせることで目標ＦＣエア供給量Ｑｔｇを更新し、ＦＣエア供給量Ｑｆｃをその更新した目標ＦＣエア供給量Ｑｔｇに制御することで、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを増量させる。
ステップＳ５９４において、電子制御ユニット２００は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも大きいか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも大きければ、ステップＳ５９５の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇ以下であれば、ステップＳ５９９の処理に進む。
ステップＳ５９５において、電子制御ユニット２００は、ＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｆｃに維持したまま、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも小さくなるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃを減量させる。
具体的には電子制御ユニット２００は、目標エアストイキ比ＳＲｔｇを、ＦＣ電圧Ｖｆｃを目標ＦＣ電圧Ｖｔｇにすることが可能な当初の目標エアストイキ比ＳＲｔｇから所定値βを引いたものに更新する。本実施形態では、所定値βを、所定値αと同じく概ね０．１程度の値に設定しているが、これに限らず、バッテリ５３の過放電を防止できる範囲内で適宜変更してもよい。そして、目標発電電力Ｐｔｇを発電するために必要な理論ＦＣエア供給量Ｑｔｈに、更新した目標エアストイキ比ＳＲｔｇを掛け合わせることで目標ＦＣエア供給量Ｑｔｇを更新し、ＦＣエア供給量Ｑｆｃをその更新した目標ＦＣエア供給量Ｑｔｇに制御することで、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを減量させる。
ステップＳ５９６において、電子制御ユニット２００は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが、目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも小さいか否かを判定する。電子制御ユニット２００は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも小さければ、ステップＳ５９７の処理に進む。一方で電子制御ユニット２００は、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇ以上であれば、ステップＳ５９８の処理に進む。
ステップＳ５９７において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２及びフラグＦ３をそれぞれ０に戻す。
ステップＳ５９８において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ３を０に戻す。
ステップＳ５９９において、電子制御ユニット２００は、フラグＦ２を０に戻す。
このように本実施形態では、ＦＣ電圧Ｖｆｃを目標ＦＣ電圧Ｖｔｇにすることが可能な当初の目標エアストイキ比ＳＲｔｇに対して、エアストイキ比を概ね０．１程度増減させることで、ＦＣエア供給量Ｑｆｃを増減させている。
図１２は、バッテリ昇温処理中のＦＣ電流などの動作について説明するタイムチャートである。
図１２に示すように、時刻ｔ０で、バッテリ昇温処理が開始されると、ＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｆｃに維持したまま、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも高くなるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃが増量させられる。これにより、時刻ｔ０以降は、酸素濃度過電圧が減少してＦＣ電圧Ｖｆｃが徐々に上昇する。その結果、発電電力Ｐｆｃが増加して目標発電電力Ｐｔｇよりも大きくなるので、バッテリ５３に余剰電力が充電される。
時刻ｔ１で、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも高くなったと判定されると、ＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｆｃに維持したまま、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも低くなるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃが減量させられる。これにより、時刻ｔ１以降は、酸素濃度過電圧が増大してＦＣ電圧Ｖｆｃが徐々に低下し、その結果、発電電力Ｐｆｃも減少していく。そして時刻ｔ２以降は、発電電力Ｐｆｃが目標発電電力Ｐｔｇよりも小さくなるので、不足電力がバッテリ５３から出力される。
時刻ｔ３で、電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも低くなったと判定されると、ＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｆｃに維持したまま、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも高くようにＦＣエア供給量Ｑｆｃが再び増量させられる。そして時刻ｔ４で、電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも高くなったと判定されると、ＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｆｃに維持したまま、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇよりも低くなるようにＦＣエア供給量Ｑｆｃが再び減量させられる。
このように、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇを跨いで増減するようにエアトイキ比、ひいてはＦＣエア供給量Ｑｆｃを変動させることで、目標発電電力Ｐｔｇを跨ぐように発電電力Ｐｆｃを繰り返し増減させることができる。そのため、バッテリ５３の充放電を繰り返すことができるので、バッテリ５３の温度を速やかに高めることができる。その結果、許容充電電力Ｗｉｎ及び許容放電電力Ｗｏｕｔをそれぞれ速やかに大きくすることができるので、実発電電力Ｐｆｃと目標発電電力Ｐｔｇとの間にずれが生じたときに、バッテリ５３が過充電状態又は過放電状態になるのを抑制することができる。
なお図１２に示す例では、バッテリ５３の充放電を繰り返す際の周期（時刻ｔ１から時刻ｔ４までの時間）は、０．５秒程度であるが、適宜変更してもよい。ただし、１周期を長くしすぎると、バッテリ５３に余剰電力が充電される時間が長くなる。そうすると、仮に余剰電力が小さい場合であっても、リチウム析出が生じるおそれがある。したがって、バッテリ５３の充放電を繰り返す際の周期を長くする場合には、リチウム析出が生じない範囲で長くすることが望ましい。
以上説明した本実施形態による燃料電池システム１００は、燃料ガスとしての水素と酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタック１０（燃料電池）と、燃料電池スタック１０の発電時における余剰電力を充電すると共に不足電力を放電するバッテリ５３（二次電池）と、電子制御ユニット２００（制御装置）と、を備える。電子制御ユニット２００は、通常発電と比べて発電損失が大きくなる低効率発電を実施する低効率発電実施部を備える。
そして低効率発電実施部は、低効率発電時の燃料電池スタック１０の動作点となる目標ＦＣ電流Ｉｔｇ及び目標ＦＣ電圧Ｖｔｇを設定する動作点設定部と、低効率発電時に、ＦＣ電流Ｉｆｃを目標ＦＣ電流Ｉｔｇに制御しつつ、バッテリ５３の充放電電力がバッテリ５３の許容充放電電力Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔよりも大きくならない範囲内で、ＦＣ電圧Ｖｆｃが目標ＦＣ電圧Ｖｔｇを跨いで増減するようにＦＣエア供給量Ｑｆｃを変動させることで、発電電力Ｐｆｃを増減させる発電電力制御部と、を備えるように構成される。
これにより、目標発電電力Ｐｔｇを跨ぐように発電電力Ｐｆｃを繰り返し増減させることができるので、バッテリ５３の充放電を繰り返すことができる。そのため、バッテリ５３の温度を速やかに高めることができる。その結果、許容充電電力Ｗｉｎ及び許容放電電力Ｗｏｕｔをそれぞれ速やかに大きくすることができるので、実発電電力Ｐｆｃと目標発電電力Ｐｔｇとの間にずれが生じたときに、バッテリ５３が過充電状態又は過放電状態になるのを抑制することができる。
また本実施形態による電子制御ユニット２００は、低効率発電時に、燃料電池システム１００の余剰エネルギをモータジェネレータ５５によってバッテリ５３に回生電力として回収する回生制御を禁止する回生制御禁止部をさらに備える。
バッテリ５３の許容充電電力Ｗｉｎは、バッテリ温度に加えて、バッテリ充電率によっても変化し、具体的にはバッテリ充電率が低いときと比べて、高いときの方が小さくなる傾向にある。そのため、低効率発電時が実施される急速暖機運転中に回生制御が実施されてバッテリ充電率が高くなると、許容充電電力Ｗｉｎが小さくなってバッテリ５３が過充電状態になるおそれがある。
したがって、本実施形態のように、低効率発電時が実施される急速暖機運転中に回生制御を禁止することで、急速暖機運転中に回生制御が実施されて許容充電電力Ｗｉｎが小さくなってしまうのを抑制することができる。その結果、余剰電力が生じたときにバッテリ５３が過充電状態になるのを抑制することができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
例えば上記の実施形態では、燃料電池システム１００を車両に搭載した場合を例にとって説明したが、車両に限らず各種の移動体に搭載してもよいし、また定置式のシステムとしてもよい。
１０ 燃料電池スタック（燃料電池）
５３ バッテリ（二次電池）
１００ 燃料電池システム
２００ 電子制御ユニット（制御装置）

Claims (2)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により電力を発生する燃料電池と、
    前記燃料電池の発電時における余剰電力を充電すると共に不足電力を放電する二次電池と、
    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、
    通常発電と比べて発電損失が大きくなる低効率発電を実施する低効率発電実施部を備え、
    前記低効率発電実施部は、
    前記低効率発電時の前記燃料電池の動作点となる目標電流及び目標電圧を設定する動作点設定部と、
    前記低効率発電時に、前記燃料電池の電流を前記目標電流に制御しつつ、前記二次電池の充放電電力が前記二次電池の許容充放電電力よりも大きくならない範囲内で、前記燃料電池の電圧が前記目標電圧を跨いで増減するように前記燃料電池に供給する前記酸化剤ガスの供給流量を変動させることで、前記燃料電池の発電電力を増減させる発電電力制御部と、
    を備える燃料電池システム。
  2. モータジェネレータをさらに備え、
    前記制御装置は、
    前記低効率発電時に、前記燃料電池システムの余剰エネルギを前記モータジェネレータによって前記二次電池に回生電力として回収する回生制御を禁止する回生制御禁止部をさらに備える、
    請求項１に記載の燃料電池システム。
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