(57)【要約】【課題】負荷動力源の駆動と、低効率運転による暖機と、の双方を実現させることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】発電を行う燃料電池２と、燃料電池２の低効率運転を実現させながら燃料電池２からの出力電力を所定の負荷動力源（トラクションモータＭ３）に供給してこの負荷動力源を駆動制御する制御手段６と、を備える燃料電池システム１である。制御手段６は、低効率運転時における燃料電池２の出力電圧を、負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定する。【選択図】図１
2008103250.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電を行う燃料電池と、前記燃料電池の低効率運転を実現させながら前記燃料電池からの出力電力を所定の負荷動力源に供給してこの負荷動力源を駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
前記制御手段は、前記低効率運転時における前記燃料電池の出力電圧を前記負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定するものである、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記低効率運転時における前記燃料電池の出力電圧を前記負荷動力源の最低駆動電圧に設定するものである、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記負荷動力源からの出力要求に応じて前記燃料電池の出力電力を制御するとともに、前記負荷動力源からの出力要求が変化した場合に、前記燃料電池の出力電圧を一定に維持した状態で出力電力を変化させるものである、
請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記負荷動力源からの出力要求が無いものと判定した場合に、前記燃料電池の出力電圧を前記負荷動力源の最低駆動電圧未満に設定して前記低効率運転を実現させるものである、
請求項１から３の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記負荷動力源は、車両駆動用モータであり、
前記車両駆動用モータの運転モードを選択するための選択手段を備え、
前記制御手段は、前記選択手段により選択された前記車両駆動用モータの運転モードがニュートラルモード又はパーキングモードである場合に、前記車両駆動用モータからの出力要求が無いものと判定するものである、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記選択手段により選択された前記車両駆動用モータの運転モードがニュートラルモード又はパーキングモードである場合において、前記車両駆動用モータの逆起電圧が所定の基準電圧より大きい場合に、前記車両駆動用モータの駆動制御を続行するものである、
請求項５に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、
前記燃料電池の低効率運転を実現させながら前記燃料電池からの出力電力を所定の負荷動力源に供給してこの負荷動力源を駆動制御する工程を備え、
前記工程において、前記低効率運転時における前記燃料電池の出力電圧を前記負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定する、
燃料電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システム及びその運転方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）の供給を受けて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが提案され、実用化されている。現在においては、燃料電池の低効率運転（通常運転時よりも発電効率が低い状態での運転）を実施することにより、供給した反応ガスのエネルギをより多く熱エネルギに変換して、燃料電池を昇温させる技術が提案されている。
【０００３】
燃料電池の低効率運転は、低温環境下における燃料電池の暖機を目的として、燃料電池の「起動時」や「停止時」に実施されることが多い。また、近年においては、「通常運転時」において燃料電池の温度が所定温度を下回った場合にも低効率運転を実施する旨の技術的思想が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００６−７３５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、燃料電池の「通常運転時」においては、燃料電池から所定の負荷動力源（例えば車両駆動用モータ）へと電力の供給がなされているため、燃料電池の昇温を優先して従来と同様の低効率運転を実施してしまうと、負荷動力源に充分な電力が供給されなくなり、負荷動力源の駆動が困難となるおそれがある。
【０００５】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、負荷動力源の駆動と、低効率運転による暖機と、の双方を実現させることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、発電を行う燃料電池と、この燃料電池の低効率運転を実現させながら燃料電池からの出力電力を所定の負荷動力源に供給してこの負荷動力源を駆動制御する制御手段と、を備える燃料電池システムであって、制御手段は、低効率運転時における燃料電池の出力電圧を負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定するものである。
【０００７】
また、本発明に係る運転方法は、発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの運転方法であって、燃料電池の低効率運転を実現させながら燃料電池からの出力電力を所定の負荷動力源に供給してこの負荷動力源を駆動制御する工程を備え、この工程において、低効率運転時における燃料電池の出力電圧を負荷動力源の最低駆動電圧以上に設定するものである。
【０００８】
かかる構成及び方法を採用すると、燃料電池の出力電圧を所定の負荷動力源（例えば車両駆動用モータ）の最低駆動電圧以上に設定した状態で、燃料電池の低効率運転を実現させることができる。従って、負荷動力源の駆動と、低効率運転による暖機と、の双方を実現させることが可能となる。
【０００９】
前記燃料電池システムにおいて、低効率運転時における燃料電池の出力電圧を負荷動力源の最低駆動電圧に設定する制御手段を採用することが好ましい。
【００１０】
このようにすると、負荷動力源を駆動するための最低駆動電圧を確保しながら、低効率運転による最大の昇温効果を得ることが可能となる。
【００１１】
また、前記燃料電池システムにおいて、負荷動力源からの出力要求に応じて燃料電池の出力電力を制御するとともに、負荷動力源からの出力要求が変化した場合に、燃料電池の出力電圧を一定に維持した状態で出力電力を変化させる制御手段を採用することが好ましい。
【００１２】
かかる構成を採用すると、負荷動力源からの出力要求の変化に応じて燃料電池の出力電力を変化させる場合においても、燃料電池の出力電圧を一定に維持することができる。従って、燃料電池の出力電圧の変化に起因した充放電の発生を抑制することができるので、燃料電池の出力電力制御の精度を向上させることができる。また、負荷動力源からの出力要求が変化した場合においても、燃料電池の出力電圧を最低駆動電圧のまま維持することができるので、低効率運転による最大の昇温効果を常時得ることが可能となる。
【００１３】
また、前記燃料電池システムにおいて、負荷動力源からの出力要求が無いものと判定した場合に、燃料電池の出力電圧を負荷動力源の最低駆動電圧未満に設定して低効率運転を実現させる制御手段を採用することができる。
【００１４】
かかる構成を採用すると、負荷動力源からの出力要求が無い場合に、燃料電池の出力電圧を負荷動力源の最低駆動電圧未満に設定して低効率運転を実現させることができる。従って、負荷動力源駆動のために用いていた電力エネルギを熱エネルギとして有効利用して効率良く暖機を行うことができ、昇温時間を短縮することが可能となる。
【００１５】
また、前記燃料電池システムにおいて、負荷動力源として車両駆動用モータを採用するとともに、車両駆動用モータの運転モードを選択するための選択手段を設けることができる。かかる場合において、選択手段により選択された車両駆動用モータの運転モードがニュートラルモード又はパーキングモードである場合に、車両駆動用モータからの出力要求が無いものと判定する制御手段を採用することができる。
【００１６】
また、前記燃料電池システムにおいて、選択手段により選択された車両駆動用モータの運転モードがニュートラルモード又はパーキングモードである場合において、車両駆動用モータの逆起電圧が所定の基準電圧より大きい場合に、車両駆動用モータの駆動制御を続行する制御手段を採用することが好ましい。
【００１７】
かかる構成を採用すると、車両駆動用モータの運転モードがニュートラルモード又はパーキングモードであっても、車両駆動用モータの逆起電圧が所定の基準電圧（例えば低効率運転時のシステム電圧）より大きい場合には、車両駆動用モータの駆動制御を続行することができる。この結果、車両駆動用モータの逆起電圧に起因したインバータの破損等を抑制することが可能となる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、負荷動力源の駆動と、低効率運転による暖機と、の双方を実現させることができる燃料電池システムを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。本実施形態においては、本発明を燃料電池車両の車載発電システムに適用した例について説明することとする。
【００２０】
まず、図１〜図３を用いて、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１の構成について説明する。
【００２１】
本実施形態に係る燃料電池システム１は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池２、酸化ガスとしての空気を燃料電池２に供給する酸化ガス配管系３、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池２に供給する燃料ガス配管系４、システムの電力を充放電する電力系５、システム全体を統括制御する制御装置６等を備えている。
【００２２】
燃料電池２は、例えば固体高分子電解質型で構成され、多数の単電池を積層したスタック構造を備えている。燃料電池２の単電池は、イオン交換膜からなる電解質の一方の面にカソード極（空気極）を有し、他方の面にアノード極（燃料極）を有し、さらにカソード極及びアノード極を両側から挟みこむように一対のセパレータを有している。一方のセパレータの燃料ガス流路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス流路に酸化ガスが供給され、このガス供給により燃料電池２は電力を発生する。燃料電池２には、発電中の電流及び電圧（出力電流及び出力電圧）を検出する電流センサ２ａ及び電圧センサ２ｂと、燃料電池２の温度を検出する温度センサ２ｃと、が取り付けられている。なお、燃料電池２としては、固体高分子電解質型のほか、燐酸型や熔融炭酸塩型等種々のタイプのものを採用することができる。
【００２３】
酸化ガス配管系３は、エアコンプレッサ３１、酸化ガス供給路３２、加湿モジュール３３、カソードオフガス流路３４、希釈器３５、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１等を有している。
【００２４】
エアコンプレッサ３１は、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ１の駆動力により駆動されて、図示していないエアフィルタを介して外気から取り込んだ酸素（酸化ガス）を燃料電池２のカソード極に供給する。酸化ガス供給路３２は、エアコンプレッサ３１から供給される酸素を燃料電池２のカソード極に導くためのガス流路である。燃料電池２のカソード極からはカソードオフガスが排出される。カソードオフガスには、燃料電池２の電池反応に供した後の酸素オフガスのほか、カソード極側で生成されるポンピング水素等が含まれる。このカソードオフガスは、燃料電池２の電池反応により生成された水分を含むため高湿潤状態となっている。
【００２５】
加湿モジュール３３は、酸化ガス供給路３２を流れる低湿潤状態の酸化ガスと、カソードオフガス流路３４を流れる高湿潤状態のカソードオフガスと、の間で水分交換を行い、燃料電池２に供給される酸化ガスを適度に加湿する。カソードオフガス流路３４は、カソードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路のカソード極出口付近にはエア調圧弁Ａ１が配設されている。燃料電池２に供給される酸化ガスの背圧は、エア調圧弁Ａ１によって調圧される。希釈器３５は、水素ガスの排出濃度を予め設定された濃度範囲(環境基準に基づいて定められた範囲等）に収まるように希釈する。希釈器３５には、カソードオフガス流路３４の下流及び後述するアノードオフガス流路４４の下流が連通しており、水素オフガス及び酸素オフガスは混合希釈されてシステム外に排気されることとなる。
【００２６】
燃料ガス配管系４は、燃料ガス供給源４１、燃料ガス供給路４２、燃料ガス循環路４３、アノードオフガス流路４４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６、水素循環ポンプ４５を駆動するためのモータＭ２等を有している。
【００２７】
燃料ガス供給源４１は、燃料電池２へ水素ガス等の燃料ガスを供給する手段であり、例えば高圧水素タンクや水素貯蔵タンク等によって構成される。燃料ガス供給路４２は、燃料ガス供給源４１から放出される燃料ガスを燃料電池２のアノード極に導くためのガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてタンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２、ＦＣ入口バルブＨ３等の弁が配設されている。タンクバルブＨ１、水素供給バルブＨ２及びＦＣ入口バルブＨ３は、燃料電池２へと燃料ガスを供給（又は遮断）するためのシャットバルブであり、例えば電磁弁によって構成されている。
【００２８】
燃料ガス循環路４３は、未反応燃料ガスを燃料電池２へ還流させるための帰還ガス流路であり、そのガス流路には上流から下流にかけてＦＣ出口バルブＨ４、水素循環ポンプ４５、逆止弁４６が各々配設されている。燃料電池２から排出された低圧の未反応燃料ガスは、制御装置６の制御指令で作動するモータＭ２の駆動力により駆動される水素循環ポンプ４５によって適度に加圧され、燃料ガス供給路４２へ導かれる。燃料ガス供給路４２から燃料ガス循環路４３への燃料ガスの逆流は、逆止弁４６によって抑制される。アノードオフガス流路４４は、燃料電池２から排出された水素オフガスを含むアノードオフガスをシステム外に排気するためのガス流路であり、そのガス流路にはパージバルブＨ５が配設されている。
【００２９】
電力系５は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、補機インバータ５４、トラクションモータＭ３、補機モータＭ４等を備えている。
【００３０】
高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１は、直流の電圧変換器であり、バッテリ５２から入力された直流電圧を調整してトラクションインバータ５３側に出力する機能と、燃料電池２又はトラクションモータＭ３から入力された直流電圧を調整してバッテリ５２に出力する機能と、を有する。高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１のこれらの機能により、バッテリ５２の充放電が実現される。また、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１により、燃料電池２の出力電圧が制御される。
【００３１】
バッテリ５２は、充放電可能な二次電池であり、種々のタイプの二次電池（例えばニッケル水素バッテリ等）により構成されている。バッテリ５２は、図示していないバッテリコンピュータの制御によって余剰電力を充電したり補助的に電力を供給したりすることが可能になっている。燃料電池２で発電された直流電力の一部は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１によって昇降圧され、バッテリ５２に充電される。バッテリ５２には、バッテリ５２の充電状態（ＳＯＣ：State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ５ａが取付けられている。なお、バッテリ５２に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を採用することもできる。
【００３２】
トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、与えられる制御指令に応じて燃料電池２又はバッテリ５２から出力される直流電力を三相交流電力に変換してトラクションモータＭ３及び補機モータＭ４へ供給する。トラクションモータＭ３は、車輪７Ｌ、７Ｒを駆動するためのモータ（車両駆動用モータ）であり、本発明における及び負荷動力源の一実施形態である。トラクションモータＭ３には、その回転数を検知する回転数検知センサ５ｂが取付けられている。補機モータＭ４は、各種補機類を駆動するためのモータであり、エアコンプレッサ３１を駆動するモータＭ１や水素循環ポンプ４５を駆動するモータＭ２等を総称したものである。
【００３３】
制御装置６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により構成され、入力される各センサ信号に基づき、当該システムの各部を統合的に制御する。具体的には、制御装置６は、アクセルペダル開度を検出するアクセルペダルセンサ６ａ、ＳＯＣセンサ５ａ、回転数検知センサ５ｂ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する。そして、制御装置６は、この出力要求電力に対応する出力電力を発生させるように燃料電池２の出力電圧及び出力電流を制御する。また、制御装置６は、トラクションインバータ５３及び補機インバータ５４の出力パルス幅等を制御して、トラクションモータＭ３及び補機モータＭ４を制御する。
【００３４】
また、制御装置６は、燃料電池２に設けられた温度センサ２ｃから出力されるセンサ信号に基づき燃料電池２の温度を検出し、検出した温度と所定の基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判定する。そして、制御装置６は、燃料電池２の温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判定した場合に、通常運転処理を行う。ここで、通常運転処理とは、暖機することなく効率の高い運転動作点（すなわち電力損失の小さな運転動作点）で運転する処理をいう。一方、制御装置６は、燃料電池２の温度が基準温度以下であり、暖機が必要であると判定した場合に、低効率運転処理（発電効率の低い運転動作点で運転する処理）を行う。
【００３５】
ここで、図２を用いて、通常運転と低効率運転との関係について説明する。
【００３６】
図２において、横軸は出力電流を、縦軸は出力電圧を、各々表しており、ＯＣＶ（Open Circuit Voltage；開回路電圧）は、燃料電池２に電流を流していない状態における電圧を表す。一般に、図２に示すような電流・電圧特性（ＩＶ特性）が得られる燃料電池２においては、制御装置６は、出力電力に対して電力損失の小さな通常運転動作点（Ｉ0、Ｖ0）にて運転を行う（図２（Ａ）参照）。これに対し、暖機運転を行う場合には、制御装置６は、電力損失の大きな低効率運転動作点（ＩL、ＶL）にて運転を行い、燃料電池２の内部温度を上昇させる（図２（Ｂ）参照）。かかる低効率運転が行われる過程では、水素と酸素との反応によって取り出せるエネルギのうち、電力損失分（熱エネルギ）を積極的に増大させることができるため、迅速な暖機を実現させることができる。
【００３７】
なお、図３は、通常運転時におけるＩＶ特性マップ（実線）と、低効率運転時におけるＩＶ特性マップ（破線）と、を示すものであり、通常運転時及び低効率運転時においてはこれらＩＶ特性マップを用いて運転動作点を決定することができる。低効率運転時におけるＩＶ特性マップ（破線）は、トラクションモータＭ３からの出力要求に応じて適宜設定することができ、図３に示したものはその一例である。
【００３８】
また、制御装置６は、２種類の低効率運転を実現させる。具体的には、制御装置６は、トラクションモータＭ３からの出力要求が無いものと判定した場合に、トラクションモータＭ３の積極的な駆動制御を伴わない低効率運転（第１の低効率運転）を実現させる。一方、制御装置６は、トラクションモータＭ３からの出力要求が有るものと判定した場合に、トラクションモータＭ３の積極的な駆動制御を伴った低効率運転（第２の低効率運転）を実現させる。すなわち、制御装置６は、本発明における制御手段の一実施形態である。
【００３９】
また、制御装置６は、トラクションモータＭ３の逆起電圧定数、回転数及び最大出力等に基づいて、トラクションモータＭ３を駆動するために最低限必要な燃料電池２の出力電圧（最低駆動電圧：例えば図３に示したＶlim）を算出する。そして、制御装置６は、例えば図３の運転動作点Ｐ1に示すように、第１の低効率運転における燃料電池２の出力電圧（ＶL1）を、最低駆動電圧（Ｖlim）未満に設定する。一方、制御装置６は、例えば図３の運転動作点Ｐ2に示すように、第２の低効率運転における燃料電池２の出力電圧（ＶL2）を、最低駆動電圧（Ｖlim）以上に設定する。第２の低効率運転においては、例えば図３の運転動作点Ｐlim（Ｉ、Ｖlim）に示すように、燃料電池２の出力電圧を最低駆動電圧と同一の値に設定することが好ましい。
【００４０】
また、制御装置６は、第２の低効率運転中にトラクションモータＭ３からの出力要求が変化した場合に、燃料電池２の出力電圧を一定値（最低駆動電圧）に維持した状態で出力電力を変化させる。例えば、制御装置６は、トラクションモータＭ３からの出力要求がＰlimからＰlim´に変化した場合に、図３に示すように燃料電池２の出力電圧を最低駆動電圧Ｖlimに維持したまま出力電流をＩからＩ´に変化させる。
【００４１】
また、制御装置６は、トラクションモータＭ３の運転モード（Ｐ：パーキングモード、Ｒ：リバースモード、Ｎ：ニュートラルモード、Ｄ：ドライブモード、Ｂ：回生ブレーキモード）を選択するためのシフトレバー等からなる操作部８（選択手段）から送出される信号に基づいて、トラクションモータＭ３からの出力要求の有無を判定する。具体的には、制御装置６は、操作部８により選択されたトラクションモータＭ３の運転モードがＰ（パーキングモード）又はＮ（ニュートラルモード）である旨の信号を受けた場合に、トラクションモータＭ３からの出力要求が無いものと判定して、第１の低効率運転を実現させる。一方、制御装置６は、操作部８により選択されたトラクションモータＭ３の運転モードがＲ（リバースモード）、Ｄ（ドライブモード）又はＢ（回生ブレーキモード）である旨の信号を受けた場合に、トラクションモータＭ３からの出力要求が有るものと判定して、第２の低効率運転を実現させる。
【００４２】
なお、トラクションモータＭ３の逆起電圧が所定の基準電圧（例えば第２の低効率運転時のシステム電圧）より大きい場合において、制御装置６がトラクションインバータ５３の制御を停止させると、トラクションモータＭ３の逆起電力がトラクションインバータ５３に作用してしまう。このため、制御装置６は、操作部８により選択されたトラクションモータＭ３の運転モードがＰ（パーキングモード）又はＮ（ニュートラルモード）である旨の信号を受けた場合であっても、トラクションモータＭ３の逆起電圧が所定の基準電圧より大きい場合には、トラクションモータＭ３の駆動制御（トラクションインバータ５３の制御）を続行する。本実施形態において、制御装置６は、回転数検知センサ５ｂから送出されるトラクションモータＭ３の回転数に係る情報等に基づいて、トラクションモータＭ３の逆起電力を算出するようにしている。
【００４３】
次に、図４及び図５のフローチャートを用いて、本実施形態に係る燃料電池システム１の運転方法について説明する。
【００４４】
まず、制御装置６は、温度センサ２ｃから出力されるセンサ信号に基づき燃料電池２の温度を検出し（温度検出工程：Ｓ１）、検出した温度と所定の基準温度とを比較することにより、暖機が必要であるか否かを判定する（暖機判定工程：Ｓ２）。制御装置６は、暖機判定工程Ｓ２において、燃料電池２の温度が基準温度を超え、暖機が不要であると判定した場合に、通常運転を実現させる（通常運転工程：Ｓ６）。一方、制御装置６は、暖機判定工程Ｓ２において、燃料電池２の温度が基準温度以下であり、暖機が必要であると判定した場合に、トラクションモータＭ３からの出力要求の有無を判定する（出力要求判定工程：Ｓ３）。
【００４５】
制御装置６は、出力要求判定工程Ｓ３において、トラクションモータＭ３からの出力要求が無いものと判定した場合に、第１の低効率運転を実現させる（第１低効率運転工程：Ｓ４）。第１低効率運転工程Ｓ４において、制御装置６は、目標運転動作点、すなわち、目標とする出力電流指令値及び出力電圧指令値（例えば、図３に示した運転動作点Ｐ1（ＩL1、ＶL1））を設定する。この際、制御装置６は、燃料電池２の出力電圧指令値を、トラクションモータＭ３の最低駆動電圧（例えば図３におけるＶlim）未満に設定する。そして、制御装置６は、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を用いることにより、電圧センサ２ｂで検出した燃料電池２の出力電圧を出力電圧指令値に近付ける制御を行うとともに、エアコンプレッサ３１やエア調圧弁Ａ１を用いて燃料電池２へのエア供給量を絞ることにより、電流センサ２ａで検出した燃料電池２の出力電流を出力電流指令値に近付ける制御を行う。制御装置６は、燃料電池２の温度が所定の基準温度を超えた場合に第１低効率運転を終了する。
【００４６】
一方、制御装置６は、出力要求判定工程Ｓ３において、トラクションモータＭ３からの出力要求が有るものと判定した場合に、第２の低効率運転を実現させる（第２低効率運転工程：Ｓ５）。ここで、図５のフローチャートを用いて、第２低効率運転工程Ｓ５について説明する。
【００４７】
まず、制御装置６は、ＳＯＣセンサ５ａや回転数検知センサ５ｂ等から送出される各センサ信号に基づいて、燃料電池２の出力要求電力を算出する（出力要求算出工程：Ｓ１０）。次いで、制御装置６は、トラクションモータＭ３の逆起電圧定数、回転数及び最大出力等に基づいて、トラクションモータＭ３の最低駆動電圧（例えば、図３におけるＶlim）を出力電圧指令値として算出する（電圧指令値算出工程：Ｓ１１）。
【００４８】
次いで、制御装置６は、出力要求算出工程Ｓ１０において算出した出力要求電力に対応するＩＶ特性マップと、電圧指令値算出工程Ｓ１１において算出した最低駆動電圧（出力電圧指令値）と、に基づいて、出力電流指令値を算出する（電流指令値算出工程：Ｓ１２）。例えば、制御装置６は、図３に示した破線のＩＶ特性マップと、算出した最低駆動電圧Ｖlimと、に基づいて、出力電流指令値Ｉを算出する。これにより、第２の低効率運転時の運転動作点Ｐlim（Ｉ、Ｖlim）が決定されることとなる。
【００４９】
なお、電圧指令値算出工程Ｓ１１において算出された最低駆動電圧の値が過剰に小さいような場合には、電流指令値算出工程Ｓ１２において算出される出力電流指令値が過剰に大きくなることが想定される。このため、制御装置６は、出力電流指令値に上限値（Ｉlim）を設けておき、算出される出力電流指令値がこの上限値（Ｉlim）を超える場合には、第２の低効率運転時の運転動作点を、自動的に、出力電流指令値の上限値（Ｉlim）を含む運転動作点にシフトさせる。シフト後の運転動作点の出力電圧指令値（Ｖ）は、出力要求算出工程Ｓ１０において算出した出力要求電力に対応するＩＶ特性マップと、出力電流指令値の上限値（Ｉlim）と、に基づいて算出される値（最低駆動電圧よりも大きい値）となる。
【００５０】
このような電流指令値算出工程Ｓ１２を経て出力電流指令値を決定した後、制御装置６は、決定した出力電流指令値に基づいて、エアストイキ比を決定する（ストイキ比決定工程：Ｓ１３）。ここで、エアストイキ比とは、出力電流を発生させるのに必要な理論エア供給量に対する実際のエア供給量の過剰率をいう。本実施形態においては、出力電流指令値と、エアストイキ比と、の関係を表す特定のマップに基づいて、エアストイキ比を決定している。
【００５１】
次いで、制御装置６は、ストイキ比決定工程Ｓ１３で決定したエアストイキ比に基づいて、燃料電池２に供給すべき酸化ガスの流量（必要エア流量）を算出する（エア流量算出工程：Ｓ１４）。本実施形態においては、エアストイキ比を特定の数式に代入することにより、必要エア流量を算出している。次いで、制御装置６は、電流指令値算出工程Ｓ１２で算出した出力電流指令値と、電流センサ２ａによって検出される出力電流値（実測値）と、を比較して差分を算出し、算出した差分に基づいて、必要エア流量を補正する（エア流量補正工程：Ｓ１５）。
【００５２】
続いて、制御装置６は、エア流量補正工程Ｓ１６で補正された必要エア流量に基づいて、エアコンプレッサ３１の回転数を算出し、これを指令回転数として、エアコンプレッサ３１のモータＭ２を駆動制御することにより、燃料電池２の電流制御を行うとともに、高圧ＤＣ／ＤＣコンバータ５１を用いることにより、電圧センサ２ｂで検出した燃料電池２の出力電圧を出力電圧指令値に近付ける電圧制御を行う（電流電圧制御工程：Ｓ１６）。
【００５３】
その後、制御装置６は、温度センサ２ｃから供給されるセンサ信号に基づき、検出される燃料電池２の温度が基準温度を超えたか否か、すなわち暖機を終了しても良いか否かを判定する（暖機終了判定工程：Ｓ１７）。制御装置６は、燃料電池２の温度が基準温度を超えていないものと判定した場合には、システムの暖機を続行すべく、出力要求算出工程Ｓ１０に戻り、前記した一連の処理を繰り返し実行する。一方、制御装置６は、燃料電池２の温度が基準温度を超えたものと判定した場合には、これ以上の暖機は不要であると判断し、以上説明した処理を終了する。
【００５４】
以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料電池２の出力電圧をトラクションモータＭ３（負荷動力源）の最低駆動電圧（Ｖlim）以上に設定する低効率運転（第２の低効率運転）を実現させることができる。従って、低効率運転による暖機時においても確実にトラクションモータＭ３を駆動することができる。この結果、暖機と車両の走行との両立が可能となる。
【００５５】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、第２の低効率運転時における燃料電池２の出力電圧を、トラクションモータＭ３の最低駆動電圧（Ｖlim）に設定することができるので、トラクションモータＭ３を駆動するための電力を確保しながら、第２の低効率運転における最大の昇温効果を得ることが可能となる。
【００５６】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、第２の低効率運転中にトラクションモータＭ３からの出力要求の変化に応じて燃料電池２の出力電力を変化させる場合においても、燃料電池２の出力電圧を一定に維持することができる。従って、燃料電池２の出力電圧の変化に起因した充放電の発生を抑制することができるので、燃料電池２の出力電力制御の精度を向上させることができる。また、トラクションモータＭ３からの出力要求が変化した場合においても、燃料電池２の出力電圧を最低駆動電圧（Ｖlim）のまま維持することができるので、第２の低効率運転による最大の昇温効果を常時得ることが可能となる。
【００５７】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、トラクションモータＭ３からの出力要求が無い場合に、燃料電池２の出力電圧をトラクションモータＭ３の最低駆動電圧（Ｖlim）未満に設定する低効率運転（第１の低効率運転）を実現させることができる。従って、モータの駆動に用いられる電力エネルギを熱エネルギとして有効利用して効率良く暖機を行うことができ、昇温時間を短縮することが可能となる。
【００５８】
また、以上説明した実施形態に係る燃料電池システム１においては、トラクションモータＭ３の運転モードがＰ（パーキングモード）又はＮ（ニュートラルモード）であっても、トラクションモータＭ３の逆起電圧が所定の基準電圧（例えば第２の低効率運転時のシステム電圧）より大きい場合には、トラクションモータＭ３の駆動制御を続行することができる。この結果、トラクションモータＭ３の逆起電圧に起因したトラクションインバータ５３の破損等を抑制することが可能となる。
【００５９】
なお、以上の実施形態においては、カソードに供給する酸化ガスを絞った状態で燃料電池２を発電させる低効率運転について説明したが、これに代えて（又はこれに加えて）、アノードに供給する燃料ガスを絞った状態で燃料電池２を発電させる低効率運転を採用することもできる。
【００６０】
また、以上の実施形態においては、燃料電池２の温度が低下した場合に、暖機を目的として低効率運転を実施した例を示したが、燃料電池２の触媒活性を回復させる場合や、燃料電池２の電極触媒が被毒状態にあることを検知した場合に、低効率運転を実施することもできる。
【００６１】
また、以上の実施形態においては、燃料電池２に取り付けた温度センサ２ｃを用いて燃料電池２の温度を検出して暖機が必要か否か等の判定を行ったが、燃料電池２の温度の代わりに、外気温度や燃料電池周辺の部品温度を検出して暖気が必要か否か等の判定を行うこともできる。
【００６２】
また、以上の実施形態においては、車両駆動用モータ（トラクションモータＭ３）を負荷動力源として採用した例を示したが、負荷動力源はこれに限られるものではなく、燃料電池からの電力の供給を受けて作動することにより動力を発生させる各種動力源を採用することができる。
【００６３】
また、以上の実施形態においては、シフトレバー等からなる操作部８を選択手段として採用した例を示したが、選択手段はこれに限られるものではない。また、以上の実施形態においては、操作部８により選択された運転モードがＰ又はＮの場合に、モータからの出力要求が無いものと判定して第１の低効率運転を実現させる一方、操作部８により選択された運転モードがＲ、Ｄ又はＢの場合にモータからの出力要求が有るものと判定して第２の低効率運転を実現させた例を示したが、モータからの出力要求の判定方法はこれに限られるものではない。
【００６４】
また、以上の実施形態においては、本発明に係る燃料電池システムを燃料電池車両に搭載した例を示したが、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に本発明に係る燃料電池システムを搭載することもできる。また、本発明に係る燃料電池システムを、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。
【図２】（Ａ）は図１に示した燃料電池システムの通常運転時の出力電力と電力損失との関係を示す説明図であり、（Ｂ）は図１に示した燃料電池システムの低効率運転時の出力電力と電力損失との関係を示す説明図である。
【図３】図１に示した燃料電池システムの通常運転時及び低効率運転時におけるＩＶ特性マップである。
【図４】図１に示した燃料電池システムの運転方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】図１に示した燃料電池システムの第２の低効率運転を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００６６】
１…燃料電池システム、２…燃料電池、６…制御装置（制御手段）、８…操作部（選択手段）、Ｍ３…トラクションモータ（負荷動力源、車両駆動用モータ）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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