(57)【要約】【課題】低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、電流制限などの様々な制限を回避しつつ、要求発電量を満たすことを優先させて燃料電池の動作点を決定することを可能とする。【解決手段】コントローラ７０は、ステップＳ３で求めた電圧指令値Ｖｃｏｍを、ステップＳ１で求めた電流指令値Ｉｃｏｍで乗じた後、これをステップ３で求めた最終電圧指令値Ｖｆｃｏｍで除することにより、最終電流指令値Ｉｆｃｏｍを求め、暖機運転時における動作点（Ｉｆｃｏｍ，Ｖｆｃｏｍ）を決定し（ステップＳ５）、処理を終了する。【選択図】図２
2016096041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転制御方法であって、
要求発電量と要求発熱量から電流目標値を決定する第１ステップと、
前記電流目標値が上限電流及び下限電流の範囲から外れた場合、前記上限電流及び前記下限電流の範囲内に入るように前記電流目標値を電流指令値として設定する第２ステップと、
前記要求発電量を、前記電流指令値で除することにより、前記電流指令値に対応する目標電圧値を求め、前記目標電圧値が上限電圧を超えた場合、前記上限電圧の範囲内に入るように前記目標電圧値を電圧指令値として設定する第３ステップと、
前記電圧指令値が、前記燃料電池の電圧測定値に設定される所定範囲から外れている場合、前記所定範囲に入るように前記電圧指令値を最終電圧指令値として設定する第４ステップと、
前記電圧指令値と前記電流指令値とを乗じた値を、前記最終電圧指令値で除し、最終電流指令値を得る第５ステップと、
前記最終電流指令値および前記最終電圧指令値で前記燃料電池を動作させる第６ステップと
を含む、燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項２】
前記上限電流として、以下に示す（Ａ）〜（Ｅ）のうち少なくとも１つの最小値が設定される、請求項１に記載の燃料電池システムの運転制御方法。
（Ａ）前記燃料電池のセル電圧低下によって制限される電流値
（Ｂ）前記燃料電池と補機類によって制限される電流値
（Ｃ）前記燃料電池の電圧を制御する電圧変換器の最大昇圧比によって制限される電流値
（Ｄ）前記燃料電池のポンピング水素による排気水素濃度の上昇を抑制するために制限される電流値
（Ｅ）システム全体の電力許容量によって制限される電流値
【請求項３】
前記下限電流として、以下に示す（Ｆ）〜（Ｈ）のうち少なくとも１つの最大値が設定される、請求項２に記載の燃料電池システムの運転制御方法。
（Ｆ）前記要求発電量を、高電位回避電圧で除して得られる電流値
（Ｇ）前記要求発電量を、前記燃料電池の性能曲線に照らして得られる電流値
（Ｈ）前記要求発電量を、発熱効率維持電圧で除して得られる電流値
【請求項４】
前記上限電圧として、前記電流指令値を前記燃料電池の性能曲線に照らして得られる電圧値と、前記発熱効率維持電圧の、小さい方が設定される、請求項３に記載の燃料電池システムの運転制御方法。
【請求項５】
低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、
要求発電量と要求発熱量から電流目標値を決定する決定部と、
前記電流目標値が上限電流及び下限電流の範囲から外れた場合、前記上限電流及び前記下限電流の範囲内に入るように前記電流目標値を電流指令値として設定する第１設定部と、
前記要求発電量を、前記電流指令値で除することにより、前記電流指令値に対応する目標電圧値を求め、前記目標電圧値が上限電圧を超えた場合、前記上限電圧の範囲内に入るように前記目標電圧値を電圧指令値として設定する第２設定部と、
前記電圧指令値が、前記燃料電池の電圧測定値に設定される所定範囲から外れている場合、前記所定範囲に入るように前記電圧指令値を最終電圧指令値として設定する第３設定部と、
前記電圧指令値と前記電流指令値とを乗じた値を、前記最終電圧指令値で除し、最終電流指令値を得る導出部と、
前記最終電流指令値および前記最終電圧指令値で前記燃料電池を動作させる制御部と
を具備する、燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システム及び燃料電池システムの運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより酸化反応に伴って放出されるエネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電システムであり、水素イオンを選択的に輸送するための電解質膜の両側面を多孔質材料から成る一対の電極によって挟持して成る複数の膜−電極接合体（セル）を積層して成るスタック構造を有している。
【０００３】
燃料電池は、一般に７０〜８０℃が発電に最適な温度域とされているが、寒冷地などの環境では、起動してから最適温度域に達するまでに長時間を要する場合があるので、各種の暖機システムが検討されている。例えば、下記特許文献１には、通常運転に比して発電効率の低い低効率運転を実施することにより車両に搭載された燃料電池の自己発熱量を制御し、車両走行しながら燃料電池を暖機する手法について開示されている。かかる手法は、燃料電池の出力電圧をその電流・電圧特性（以下、ＩＶ特性）に基づく電圧値よりも低い電圧値に設定し、燃料電池の熱損失を増大させて自己発熱による暖機運転を実施するものであるため、暖機用の装置を搭載する必要がなく、利便性に優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１３３８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図９は、従来の燃料電池システムにおける暖機運転時の動作点の変化を示す概念図であり、燃料電池のＩＶ特性ラインＬａ１、燃料電池の動作電圧ラインＬａ２、燃料電池の等電力ライン（以下、等パワーライン）Ｌａ３、燃料電池の等発熱ライン（以下、等Ｑライン）Ｌａ４が示されている。
図９に示すように、要求発電量Ｐｒｅｑ及び要求発熱量Ｑｒｅｑに基づき、燃料電池の等パワーラインＬａ３と等ＱラインＬａ４が交わる交点、すなわち動作点Ａ（Ｉ１，Ｖ１）にて暖機運転している状態で、何らかの理由により電流制限（例えば、燃料電池を構成するセルの電圧低下による電流制限など；図９において破線で示す電流制限ラインＬａ５参照）がかかると、燃料電池の動作点は、動作電圧ラインＬａ２上を移動して動作点Ａ（Ｉ１，Ｖ１）から動作点Ｂ（Ｉ２，Ｖ２）へとシフトする。このように、従来は、燃料電池を暖機運転している状態で電流制限がかかると、設定されている動作電圧ラインＬ２上で燃料電池の動作点をシフト（別言すれば、動作電圧が特定の値をとるように運転動作点をシフト）させることで電流制限を回避していたため、最終的には、燃料電池の要求発電量Ｐｒｅｑを満たすことができず（すなわち、等パワーラインＬ３上に燃料電池の動作点がない状態）、要求発電量Ｐｒｅｑよりも小さな発電量Ｐｍｅｓしか発電できないために、燃料電池システムの電力応答性が低下し、動力性能の低下を引き起こすという問題が指摘されていた。
【０００６】
本発明は以上説明した事情を鑑みてなされたものであり、低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、電流制限などの様々な制限を回避しつつ、要求発電量を満たすことを優先させて燃料電池を動作させることが可能な技術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】
【０００７】
上述した問題を解決するため、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの運転制御方法は、低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムの運転制御方法であって、要求発電量と要求発熱量から電流目標値を決定する第０ステップと、電流目標値が上限電流及び下限電流の範囲から外れた場合、上限電流及び下限電流の範囲内に入るように電流目標値を電流指令値として設定する第１ステップと、要求発電量を、電流指令値で除することにより、電流指令値に対応する目標電圧値を求め、目標電圧値が上限電圧を超えた場合、上限電圧の範囲内に入るように目標電圧値を電圧指令値として設定する第２ステップと、電圧指令値が、燃料電池の電圧測定値に設定される所定範囲から外れている場合、所定範囲に入るように電圧指令値を最終電圧指令値として設定する第３ステップと、電圧指令値と電流指令値とを乗じた値を、最終電圧指令値で除し、最終電流指令値を得る第４ステップと、最終電流指令値および最終電圧指令値で前記燃料電池を動作させる第５ステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
ここで、上記構成にあっては、上限電流として、以下に示す（Ａ）〜（Ｅ）のうち少なくとも１つの最小値が設定される態様が好ましい。
（Ａ）燃料電池のセル電圧低下によって制限される電流値
（Ｂ）燃料電池と補機類によって制限される電流値
（Ｃ）燃料電池の電圧を制御する電圧変換器の最大昇圧比によって制限される電流値
（Ｄ）燃料電池のポンピング水素による排気水素濃度の上昇を抑制するために制限される電流値
（Ｅ）システム全体の電力許容量によって制限される電流値
【０００９】
また、上記構成にあっては、下限電流として、以下に示す（Ｆ）〜（Ｈ）のうち少なくとも１つの最大値が設定される態様も好ましい。
（Ｆ）要求発電量を、高電位回避電圧で除して得られる電流値
（Ｇ）要求発電量を、前記燃料電池の性能曲線に照らして得られる電流値
（Ｈ）要求発電量を、発熱効率維持電圧で除して得られる電流値
【００１０】
さらに、上記構成にあっては、上限電圧として、電流指令値を燃料電池の性能曲線に照らして得られる電圧値と、発熱効率維持電圧の、小さい方が設定されても良い。
【００１１】
また、本発明の他の実施形態に係る燃料電池システムは、低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムであって、要求発電量と要求発熱量から電流目標値を決定する決定部と、電流目標値が上限電流及び下限電流の範囲から外れた場合、上限電流及び下限電流の範囲内に入るように電流目標値を電流指令値として設定する第１設定部と、要求発電量を、電流指令値で除することにより、電流指令値に対応する目標電圧値を求め、目標電圧値が上限電圧を超えた場合、上限電圧の範囲内に入るように目標電圧値を電圧指令値として設定する第２設定部と、電圧指令値が、燃料電池の電圧測定値に設定される所定範囲から外れている場合、所定範囲に入るように電圧指令値を最終電圧指令値として設定する第３設定部と、電圧指令値と電流指令値とを乗じた値を、最終電圧指令値で除し、最終電流指令値を得る導出部と、最終電流指令値および最終電圧指令値で燃料電池を動作させる制御部とを具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明によれば、低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムにおいて、電流制限などの様々な制限を回避しつつ、要求発電量を満たすことを優先させて燃料電池を動作させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。
【図２】暖機運転時の動作点の決定プロセスを示すフローチャートである。
【図３】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図４Ａ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図４Ｂ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図４Ｃ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図５Ａ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図５Ｂ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図５Ｃ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図６Ａ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図６Ｂ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図６Ｃ】燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。
【図７】電流上限閾値Ｉｕｐｌ、電流下限閾値Ｉｌｏｌ、及び電圧上限閾値Ｖｕｐｌの決定方法を説明するための概念図である。
【図８】電圧上限閾値Ｖｕｐｌの決定方法を説明するための概念図である。
【図９】従来の燃料電池システムにおける暖機運転時の動作点の変化を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
Ａ．本実施形態
Ａ−１．構成
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１０を搭載した車両の概略構成である。なお、以下の説明では車両の一例として燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）を想定するが、車両のみならず各種移動体（例えば、船舶や飛行機、ロボットなど）や定置型電源、さらには携帯型の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１６】
燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源システムとして機能するものであり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）の供給を受けて発電する燃料電池スタック２０と、酸化ガスとしての空気を燃料電池スタック２０に供給するための酸化ガス供給系３０と、燃料ガスとしての水素ガスを燃料電池スタック２０に供給するための燃料ガス供給系４０と、電力の充放電を制御するための電力系５０と、燃料電池スタック２０を冷却するための冷却系６０と、システム全体を制御するコントローラ（ＥＣＵ）７０とを備えている。
【００１７】
燃料電池スタック２０は、複数のセルを直列に積層してなる固体高分子電解質型セルスタックである。燃料電池スタック２０では、アノード極において（１）式の酸化反応が生じ、カソード極において（２）式の還元反応が生じる。燃料電池スタック２０全体としては（３）式の起電反応が生じる。
【００１８】
Ｈ2 → ２Ｈ+＋２ｅ-                     …（１）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ     …（２）
Ｈ2＋（１／２）Ｏ2 → Ｈ2Ｏ             …（３）
【００１９】
燃料電池スタック２０には、燃料電池スタック２０の出力電圧を検出するための電圧センサ７１、発電電流を検出するための電流センサ７２、さらにはセル電圧を検知するためのセル電圧センサ７３が取り付けられている。
【００２０】
酸化ガス供給系３０は、燃料電池スタック２０のカソード極に供給される酸化ガスが流れる酸化ガス通路３４と、燃料電池スタック２０から排出される酸化オフガスが流れる酸化オフガス通路３６とを有している。酸化ガス通路３４には、フィルタ３１を介して大気中から酸化ガスを取り込むエアコンプレッサ３２と、燃料電池スタック２０のカソード極へ供給される酸化ガスを加湿するための加湿器３３と、酸化ガス供給量を調整するための絞り弁３５とが設けられている。酸化オフガス通路３６には、酸化ガス供給圧を調整するための背圧調整弁３７と、酸化ガス（ドライガス）と酸化オフガス（ウェットガス）との間で水分交換するための加湿器３３とが設けられている。
【００２１】
燃料ガス供給系４０は、燃料ガス供給源４１と、燃料ガス供給源４１から燃料電池スタック２０のアノード極に供給される燃料ガスが流れる燃料ガス通路４５と、燃料電池スタック２０から排出される燃料オフガスを燃料ガス通路４５に帰還させるための循環通路４６と、循環通路４６内の燃料オフガスを燃料ガス通路４５に圧送する循環ポンプ４７と、循環通路４６に分岐接続される排気排水通路４８とを有している。
【００２２】
燃料ガス供給源４１は、例えば、高圧水素タンクや水素吸蔵合金などで構成され、高圧（例えば、３５ＭＰａ乃至７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留する。遮断弁４２を開くと、燃料ガス供給源４１から燃料ガス通路４５に燃料ガスが流出する。燃料ガスは、レギュレータ４３やインジェクタ４４により、例えば、２００ｋＰａ程度まで減圧されて、燃料電池スタック２０に供給される。
【００２３】
尚、燃料ガス供給源４１は、炭化水素系の燃料から水素リッチな改質ガスを生成する改質器と、この改質器で生成した改質ガスを高圧状態にして蓄圧する高圧ガスタンクとから構成してもよい。
【００２４】
レギュレータ４３は、その上流側圧力（一次圧）を、予め設定した二次圧に調圧する装置であり、例えば、一次圧を減圧する機械式の減圧弁などで構成される。機械式の減圧弁は、背圧室と調圧室とがダイアフラムを隔てて形成された筺体を有し、背圧室内の背圧により調圧室内で一次圧を所定の圧力に減圧して二次圧とする構成を有する。
【００２５】
インジェクタ４４は、弁体を電磁駆動力で直接的に所定の駆動周期で駆動して弁座から離隔させることによりガス流量やガス圧を調整することが可能な電磁駆動式の開閉弁である。インジェクタ４４は、燃料ガス等の気体燃料を噴射する噴射孔を有する弁座を備えるとともに、その気体燃料を噴射孔まで供給案内するノズルボディと、このノズルボディに対して軸線方向（気体流れ方向）に移動可能に収容保持され噴射孔を開閉する弁体とを備えている。
【００２６】
排気排水通路４８には、排気排水弁４９が配設されている。排気排水弁４９は、コントローラ７０からの指令によって作動することにより、循環通路４６内の不純物を含む燃料オフガスと水分とを外部に排出する。排気排水弁４９の開弁により、循環通路４６内の燃料オフガス中の不純物の濃度が下がり、循環系内を循環する燃料オフガス中の水素濃度を上げることができる。
【００２７】
排気排水弁４９を介して排出される燃料オフガスは、酸化オフガス通路３６を流れる酸化オフガスと混合され、希釈器（図示せず）によって希釈される。循環ポンプ４７は、循環系内の燃料オフガスをモータ駆動により燃料電池スタック２０に循環供給する。
【００２８】
電力系５０は、燃料電池スタック用のコンバータ（ＦＤＣ）５１ａ、バッテリ用のコンバータ（ＢＤＣ）５１ｂ、バッテリ５２、トラクションインバータ５３、トラクションモータ５４、及び補機類５５を備えている。ＦＤＣ５１ａは、燃料電池スタック２０の出力電圧を制御する役割を担っており、一次側（入力側：燃料電池スタック２０側）に入力された出力電圧を、一次側と異なる電圧値に変換（昇圧または降圧）して二次側（出力側：インバータ５３側）に出力し、また逆に、二次側に入力された電圧を、二次側と異なる電圧に変換して一次側に出力する双方向の電圧変換装置である。このＦＤＣ５１ａによる電圧変換制御により、燃料電池スタック２０の動作点（Ｉ，Ｖ）が制御される。
【００２９】
ＢＤＣ５１ｂは、インバータ５３の入力電圧を制御する役割を担っており、例えばＦＤＣ５１ａと同様の回路構成を有している。なお、ＢＤＣ５１ｂの回路構成は、上記に限る趣旨ではなく、インバータ５３の入力電圧の制御が可能なあらゆる構成を採用することができる。
【００３０】
バッテリ５２は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する。バッテリ５２としては、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池等の二次電池が好適である。
【００３１】
トラクションインバータ５３は、例えば、パルス幅変調方式で駆動されるＰＷＭインバータであり、コントローラ７０からの制御指令に従って、燃料電池スタック２０又はバッテリ５２から出力される直流電圧を三相交流電圧に変換して、トラクションモータ５４の回転トルクを制御する。トラクションモータ５４は、車輪５６Ｌ、５６Ｒを駆動するためのモータ（例えば三相交流モータ）であり、燃料電池車両の動力源を構成する。
【００３２】
補機類５５は、燃料電池システム１０内の各部に配置されている各モータ（例えば、ポンプ類などの動力源）や、これらのモータを駆動するためのインバータ類、更には各種の車載補機類（例えば、エアコンプレッサ、インジェクタ、冷却水循環ポンプ、ラジエータなど）を総称するものである。
【００３３】
冷却系６０は、燃料電池スタック２０内部を循環する冷媒を流すための冷媒通路６１、６２、６３、６４、冷媒を圧送するための循環ポンプ６５、冷媒と外気との間で熱交換するためのラジエータ６６、冷媒の循環経路を切り替えるための三方弁６７、及び燃料電池スタック２０の温度を検出するための温度センサ７４を備えている。暖機運転が完了した後の通常運転時には燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１、６４を流れてラジエータ６６にて冷却された後、冷媒通路６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。一方、システム起動直後における暖機運転時には、燃料電池スタック２０から流出する冷媒が冷媒通路６１、６２、６３を流れて再び燃料電池スタック２０に流れ込むように三方弁６７が開閉制御される。
【００３４】
コントローラ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェース等を備えるコンピュータシステムであり、燃料電池システム１０の各部（酸化ガス供給系３０、燃料ガス供給系４０、電力系５０、及び冷却系６０）を制御するための制御手段として機能する。例えば、コントローラ７０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池システム１０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基にシステム全体の要求電力を求める。
【００３５】
システム全体の要求電力は、車両走行電力と補機電力との合計値である。補機電力には車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００３６】
そして、コントローラ７０は、燃料電池スタック２０とバッテリ５２とのそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池スタック２０の発電量が要求発電量Ｐｒｅｑを満たすように、酸化ガス供給系３０及び燃料ガス供給系４０を制御する。更にコントローラ７０は、ＦＤＣ５１ａなどを制御して燃料電池スタック２０の動作点を制御する。コントローラ７０は、アクセル開度に応じた目標車速が得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ５３に出力し、トラクションモータ５４の出力トルク、及び回転数を制御する。以下、本実施形態の特徴の１つである、暖機運転時における燃料電池スタック２０の動作点の決定プロセスの概要について説明する。
【００３７】
Ａ−２．動作
＜暖機運転時における動作点の決定プロセスの概要＞
図２は、コントローラ７０によって実行される暖機運転時の動作点の決定プロセスを示すフローチャートであり、図３〜図６は、燃料電池システムにおける暖機運転時の運転動作点の変化を示す概念図である。図３において、Ｌ１は燃料電池の等パワーライン、Ｌ２は燃料電池の等Ｑラインを示す。
【００３８】
コントローラ（決定部）７０は、図３に示す要求発電量Ｐｒｅｑ（等パワーラインＬ１）と要求発熱量Ｑｒｅｑ（等ＱラインＬ２）を決定した後、決定した要求発電量Ｐｒｅｑと要求発熱量Ｑｒｅｑに基づき、燃料電池スタック２０の電流目標値Ｉｔｇｔを決定する（ステップＳ１）。ここで、要求発熱量Ｑｒｅｑ及び要求発電量Ｐｒｅｑの決定方法について詳述すると、コントローラ７０は、温度センサ７４から出力される燃料電池スタック２０の温度をあらわすセンサ信号及びアクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣに基づき、要求発熱量Ｑｒｅｑを決定する。もっとも、燃料電池システム１０を搭載した車両が停止しているときの暖機運転においては、メモリ等に格納されている停止用の要求発熱量Ｑｒｅｑが利用されることとなる。
【００３９】
一方、要求発電量Ｐｒｅｑについては、コントローラ７０は、車速に応じて決定される最低発電量Ｐｍｉｎ（例えば、１０ｋＷなど）によって、要求発電量Ｐｒｅｑに下限閾値（下限ガード）を設定する。なお、コントローラ７０は、車速センサから出力される車速信号ＶＣに基づき車速を算出し、最低発電量Ｐｍｉｎを決定する。また、コントローラ７０は、始動時における暖機運転の際には、燃料電池システム１０の全体の電力許容量（すなわちシステム全体で受けきれる電力）または氷点下用最大電力（すなわちコンプレッサなどの動力抑制に応じて決定される電力）のいずれか小さい方を発電許容量Ｐｐｅｒとし、要求発電量Ｐｒｅｑに上限閾値（上限ガード）を設定する。なお、氷点下用最大電力は、コントローラ７０により、温度センサ７４によって検知される始動直後の燃料電池スタック２０の温度と現時点での燃料電池スタック２０の温度から決定される。
【００４０】
コントローラ（第１設定部）７０は、ステップＳ２に進むと、電流目標値Ｉｔｇｔを、電流上限閾値Ｉｕｐｌと電流下限閾値Ｉｌｏｌで制限し、電流指令値Ｉｃｏｍを得る（図４Ａ〜図４Ｃ参照）。なお、電流上限閾値Ｉｕｐｌ及び電流下限閾値Ｉｌｏｌの決定方法は後に詳述するため、ここでは割愛する。例えば図４Ａに示すように、電流目標値Ｉｔｇｔが、電流上限閾値Ｉｕｐｌ及び電流下限閾値Ｉｌｏｌの範囲内にある場合（すなわち、電流上限閾値Ｉｕｐｌ及び電流下限閾値Ｉｌｏｌのいずれの制限にもかからない場合）、コントローラ７０は、電流目標値Ｉｔｇｔを、そのまま電流指令値Ｉｃｏｍとして設定する。一方、電流目標値Ｉｔｇｔが電流下限閾値Ｉｌｏｌを下回ると、コントローラ７０は、電流下限閾値Ｉｌｏｌを電流指令値Ｉｃｏｍとして設定する（図４Ｂ参照）。同様に、電流目標値Ｉｔｇｔが電流上限閾値Ｉｕｐｌを上回ると、コントローラ７０は、電流上限閾値Ｉｕｐｌを電流指令値Ｉｃｏｍとして設定する（図４Ｃ参照）。
【００４１】
次に、コントローラ（第２設定部）７０は、ステップＳ１で求めた要求発電量Ｐｒｅｑを、ステップＳ２で決定した電流指令値Ｉｃｏｍで除することにより、目標電圧値Ｖｔｇｔを得る。そして、コントローラ（第２設定部）７０は、目標電圧値Ｖｔｇｔを、電圧上限閾値Ｖｕｐｌで制限し、電圧指令値Ｖｃｏｍを得る（ステップＳ３；図５Ａ〜図５Ｃ参照）。なお、電圧上限閾値Ｖｕｐｌの決定方法は後に詳述するため、ここでは割愛する。例えば図５Ｂに示すように、電圧目標値Ｖｔｇｔが、電圧上限閾値Ｖｕｐｌを上回っていない場合（すなわち、電圧上限閾値Ｖｕｐｌの制限にかからない場合）、コントローラ７０は、電圧目標値Ｖｔｇｔを、そのまま電圧指令値Ｖｃｏｍとして設定する（図５Ｂ参照）。一方、電圧目標値Ｖｔｇｔが、電圧上限閾値Ｖｕｐｌを上回ると、コントローラ７０は、電圧上限閾値Ｖｕｐｌを電圧指令値Ｖｃｏｍとして設定する（図５Ｃ参照）。
【００４２】
そして、コントローラ（第３設定部）７０は、ステップＳ３で設定した電圧指令値Ｖｃｏｍを、電圧センサ７１による燃料電池スタック２０の電圧測定値Ｖｍｅｓに基づき、特定範囲内に制限し、最終電圧指令値Ｖｆｃｏｍを得る（ステップＳ４）。例えば、図６Ａに示すように、電圧指令値Ｖｃｏｍが、電圧測定値Ｖｍｅｓの特定範囲内（Ｖｍｅｓ−ａ１＜Ｖｃｏｍ＜Ｖｍｅｓ＋ａ２）にある場合、コントローラ７０は、電圧指令値Ｖｃｏｍを、そのまま最終電圧指令値Ｖｆｃｏｍとして設定する。一方、電圧指令値Ｖｃｏｍが、電圧測定値Ｖｍｅｓの特定範囲から外れている場合、最終電圧指令値Ｖｆｃｏｍが電圧測定値Ｖｍｅｓの特定範囲に収まるように、電圧指令値Ｖｃｏｍを制限する。具体的には、図６Ｂに示すように、電圧指令値Ｖｃｏｍが電圧測定値ｖｍｅｓの下限値を下回る場合（Ｖｃｏｍ＜Ｖｍｅｓ−ａ１）、コントローラ７０は、最終電圧指令値Ｖｆｃｏｍとして電圧測定値Ｖｍｅｓの下限値（Ｖｍｅｓ−ａ１）を設定する。一方、図６Ｃに示すように、電圧指令値Ｖｃｏｍが電圧測定値ｖｍｅｓの上限値を上回る場合（Ｖｍｅｓ＋ａ２＜Ｖｃｏｍ）、コントローラ７０は、最終電圧指令値Ｖｆｃｏｍとして電圧測定値Ｖｍｅｓの上限値（Ｖｍｅｓ＋ａ２）を設定する。このように、電圧指令値Ｖｃｏｍを、電圧測定値Ｖｍｅｓ（すなわち実測値）の特定範囲内に制限するのは、電圧指令値が実体から乖離するのを未然に防止するためである。
【００４３】
さらに、コントローラ（導出部）７０は、ステップＳ３で求めた電圧指令値Ｖｃｏｍを、ステップＳ２で求めた電流指令値Ｉｃｏｍで乗じた後、これをステップ３で求めた最終電圧指令値Ｖｆｃｏｍで除することにより（下記式（４）参照）、最終電流指令値Ｉｆｃｏｍを求め、暖機運転時における動作点（Ｉｆｃｏｍ，Ｖｆｃｏｍ）を決定し（ステップＳ５）、処理を終了する。かかる処理の後、コントローラ（制御部）７０は、決定された動作点にて燃料電池スタック２０を動作させることとなる。
Ｖｃｏｍ＊Ｉｃｏｍ／Ｖｆｃｏｍ＝Ｉｆｃｏｍ        …（４）
【００４４】
上記式（４）から明らかなように、動作点（Ｉｃｏｍ，Ｖｃｏｍ）のみならず、決定される最終的な動作点（Ｉｆｃｏｍ，Ｖｆｃｏｍ）も等パワーラインＬ３に存在することとなる。別言すると、電流制限などの様々な制限が存在する場合であっても、これらの制限を回避しつつ、要求発電量を満たすことを優先させて燃料電池を動作させる（すなわち、燃料電池の動作点を決定する）ことができるため、燃料電池システムの電力応答性の低下を抑制することが可能となる。
【００４５】
次に、電流上限閾値Ｉｕｐｌ、電流下限閾値Ｉｌｏｌ、及び電圧上限閾値Ｖｕｐｌの決定方法について図７等を参照しながら説明する。なお、図７では、あるタイミングにおいて要求発電量Ｐｒｅｑと要求発熱量Ｑｒｅｑから求まる燃料電池スタック２０の動作点（Ｉ，Ｖ）と、電流上限閾値Ｉｕｐｌ、電流下限閾値Ｉｌｏｌ、及び電圧上限閾値Ｖｕｐｌとの関係が図示されている。
【００４６】
＜電流上限閾値Ｉｕｐｌの決定方法＞
電流上限閾値Ｉｕｐｌについては、以下に示す（Ａ）〜（Ｅ）に示す電流制限のうち少なくとも１つの最小値（本実施形態では１つ）、すなわち最小となる電流制限値を、電流上限閾値Ｉｕｐｌとして設定する。
（Ａ）セル電圧低下によって制限される電流値（図７に示す第１電流制限Ａ）
（Ｂ）燃料電池スタック２０と補機類５５などによって制限される電流値（図７に示す第２電流制限Ｂ）
（Ｃ）ＦＤＣ５１ａの最大昇圧比によって制限される電流値（図７に示す第３電流制限Ｃ）
（Ｄ）ポンピング水素による排気水素濃度の上昇を抑制するために制限される電流値（図７に示す第４電流制限Ｄ）
（Ｅ）燃料電池システム１０の全体の電力許容量によって制限される電流値（図７に示す第５電流制限Ｅ）
【００４７】
第１電流制限Ａは、燃料電池スタック２０を構成する部品を保護するための電流制限であり、第２電流制限Ｂは、燃料電池スタック２０のユニット全体を保護するための電流制限である。また、第３電流制限Ｃは、ＦＤＣ５１ａの昇圧倍率にも限界があるため、この限界を超えないように設定される電流制限である。さらに、第４電流制限Ｄは、排気水素濃度に関する法規制を遵守するために設定される電流制限であり、具体的にはポンピング水素による排気水素濃度の上昇を考慮して設定される。ここで、ポンピング水素とは、燃料電池スタック２０を暖機運転している際にカソードにおいて生じる水素を意味する。具体的には、暖機運転においてカソードへの酸化ガスの供給が不足している状態では（例えばエアストイキ比＜１．０）、不足する酸化ガス量に応じて下記式（５）が進行し、水素イオンと電子が再結合して水素が生成される。生成された水素は、酸素オフガスとともにカソードから排出されることになる。このように、乖離した水素イオンと電子が再結合することによってカソードで生成される水素、すなわちカソードにおいて生成されるアノードガスをポンピング水素と呼ぶ。なお、第５電流制限Ｅは、システム全体で受けきれる電力を考慮して設定される電流制限である。
カソード：  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-  →  Ｈ2        …（５）
【００４８】
ここで、図７に黒丸で示すように、要求発電量Ｐｒｅｑ（等パワーラインＬｐ１）と要求発熱量Ｑｒｅｑ（等ＱラインＬｑ１）から求まる燃料電池スタック２０の動作点Ｐ１（Ｉｔｇｔ１，Ｖｔｇｔ１）が、第１電流制限Ａ〜第５電流制限Ｅにかからない（すなわち、動作点が第１電流制限Ａ〜第５電流制限Ｅの内側の領域内（図７のハッチング部分参照）に入っている）場合には、すでに説明したように（図２のステップＳ２参照）、特に制限を受けることなく、電流目標値Ｉｔｇｔ１が、そのまま電流指令値Ｉｃｏｍとして設定される。
【００４９】
一方、図７に白丸で示すように、要求発電量Ｐｒｅｑ（等パワーラインＬｐ２）と要求発熱量Ｑｒｅｑ（等ＱラインＬｑ２）から求まる燃料電池スタック２０の動作点Ｐ２（Ｉｔｇｔ２，Ｖｔｇｔ２）が、第１電流制限Ａ〜第５電流制限Ｅのいずれかの電流制限（ここでは、第４電流制限Ｄ）にかかると、すでに説明したように（図２のステップＳ１参照）、電流目標値Ｉｔｇｔ２は、第４電流制限Ｄによる電流上限閾値Ｉｕｐｌ（図７では、第４電流制限Ｄのラインと等パワーラインＬｐ２との交点の電流値）によって制限され、電流上限閾値Ｉｕｐｌが、電流指令値Ｉｃｏｍとして設定される。
【００５０】
＜電流下限閾値Ｉｌｏｌの決定方法＞
電流下限閾値Ｉｌｏｌについては、以下に示す（Ｆ）〜（Ｈ）に示す電流制限のうち少なくとも１つの最大値（本実施形態では１つ）、すなわち最大となる電流制限値を、電流下限閾値Ｉｌｏｌとして設定する。
（Ｆ）要求発電量を、高電位回避電圧で除して得られる電流値（図７に示す第６電流制限Ｆ）
（Ｇ）要求発電量を、燃料電池スタック２０の性能曲線（ＩＶ特性ライン）に照らして得られる電流値（図７に示す第７電流制限Ｇ）
（Ｈ）要求発電量を、発熱効率維持電圧で除して得られる電流値（図７に示す第８電流制限Ｈ）
【００５１】
第６電流制限Ｆは、燃料電池スタック２０（触媒金属など）の劣化を抑制するための下限の電流制限であり、第７電流制限Ｇは、燃料電池スタック２０のＩＶ特性ラインから得られる下限の電流制限、さらに、第８電流制限Ｈは、発熱効率を維持するための下限の電流制限である。ここで、発熱効率維持電圧は、温度センサ７４によって検知される始動直後の燃料電池スタック２０の温度と現時点での燃料電池スタック２０の温度から決定される電圧である。なお、発熱効率維持電圧を決定するためのマップや各電流制限を設定するマップは、コントローラ７０のメモリなどに格納されている。もちろん、これらの電流制限は、マップを利用する代わりに（あるいはこれに加えて）各種関数などを利用して逐次導出しても良い。
【００５２】
ここで、図７に黒丸で示すように、要求発電量Ｐｒｅｑ（等パワーラインＬｐ１）と要求発熱量Ｑｒｅｑ（等ＱラインＬｑ１）から求まる燃料電池スタック２０の動作点Ｐ１（Ｉｔｇｔ１，Ｖｔｇｔ１）が、第６電流制限Ｆ〜第８電流制限Ｈにかからない（すなわち、動作点が第６電流制限Ｆ〜第８電流制限Ｈの内側の領域内（図７のハッチング部分参照）に入っている）場合には、すでに説明したように（図２のステップＳ１参照）、特に制限を受けることなく、電流目標値Ｉｔｇｔ１が、そのまま電流指令値Ｉｃｏｍとして設定される。
【００５３】
一方、図７に白二重丸で示すように、要求発電量Ｐｒｅｑ（等パワーラインＬｐ３）と要求発熱量Ｑｒｅｑ（等ＱラインＬｑ３）から求まる燃料電池スタック２０の動作点Ｐ２（Ｉｔｇｔ３，Ｖｔｇｔ３）が、第６電流制限Ｆ〜第８電流制限Ｈのいずれかの電流制限（ここでは、第６電流制限Ｆ〜第８電流制限Ｈのすべて）にかかると、すでに説明したように（図２のステップＳ１参照）、電流目標値Ｉｔｇｔ２は、第８電流制限Ｈによる電流下限閾値Ｉｌｏｌ（図７では、第８電流制限Ｈのラインと等パワーラインＬｐ３との交点の電流値）によって制限され、電流下限閾値Ｉｌｏｌが、電流指令値Ｉｃｏｍとして設定される。なお、上述したように、電流下限閾値Ｉｌｏｌについては、第６電流制限Ｆ〜第８電流制限Ｈのうち最大となる電流制限値が、電流下限閾値Ｉｌｏｌとして設定されることから、図７に示す例では、第８電流制限Ｈによる電流下限閾値Ｉｌｏｌが、電流指令値Ｉｃｏｍとして設定される。
【００５４】
ここで、場合によっては、第１電流制限Ａ〜第５電流制限Ｅによる電流上限閾値Ｉｕｐｌと、第６電流制限Ｆ〜第８電流制限Ｈによる電流下限閾値Ｉｌｏｌの両方の制限が同時にかかることも想定される。このような場合には、燃料電池システム１０に与える影響の大きさを考慮し、電流上限閾値Ｉｕｐｌによる制限を優先することが望ましい。すなわち、電流上限閾値Ｉｕｐｌを規定する第１電流制限Ａなどは、燃料電池スタック２０を構成する部品（電解質膜など）を保護するために設けられていることから、かりに、このような電流制限が遵守されないとなると、燃料電池スタック２０に甚大な欠陥が生じてしまう。よって、本実施形態では、電流下限閾値Ｉｌｏｌよりも電流上限閾値Ｉｕｐｌによる制限を優先している。もっとも、第１電流制限Ａ〜第８電流制限Ｈの優先度については、システム設計者等が任意に設定・変更可能としても良い。
【００５５】
＜電圧上限閾値Ｖｕｐｌの決定方法＞
電圧上限閾値Ｖｕｐｌについては、第７電流制限Ｇの電圧値（すなわち、電流指令値Ｉｃｏｍを、燃料電池スタック２０の性能曲線（ＩＶ特性ライン）に照らして得られる電圧値）と、第８電流制限Ｈの電圧値（すなわち、発熱効率維持電圧の電圧値）のうち、小さい方を電圧上限閾値Ｖｕｐｌとして設定する。
【００５６】
もっとも、例えば図８に示すように、上述した第１電流制限Ａまたは第２電流制限Ｂのいずれか小さい方の電流値が、第７電流制限Ｇの電流値（すなわち、燃料電池スタック２０の性能曲線（ＩＶ特性ライン）に照らして得られる電流値）よりも、小さくなるときは、電圧上限閾値Ｖｕｐｌの算出に用いる第８電流制限Ｈの電圧値Ｖ’（すなわち、発熱効率維持電圧の電圧値）を、燃料電池スタック２０の開放端電圧Ｖ０とする。このように設定するのは、第１電流制限Ａまたは第２電流制限Ｂのいずれか小さい方の電流値が、第７電流制限Ｇの電流値よりも小さくなった状態において、第８電流制限Ｈの電圧値Ｖ’（すなわち、発電効率維持電圧の電圧値）をそのまま設定していたのでは、動作点の逃げ場がなくなってしまうからである（図８参照）。このように、電圧上限閾値Ｖｕｐｌの算出に用いられる発熱効率維持電圧の電圧値については、特定の条件を満たすことを条件に、第８電流制限Ｈの電圧値Ｖ’をそのまま用いるのではなく、燃料電池スタック２０の開放端電圧Ｖ０に置き換えることで、システム全体として望ましい動作点で燃料電池システム１０を暖機運転することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明は、低効率運転によって燃料電池を暖機する燃料電池システムに適用して好適である。
【符号の説明】
【００５８】
１０・・・燃料電池システム、２０・・・燃料電池スタック、３０・・・酸化ガス供給系、４０・・・燃料ガス供給系、５０・・・電力系、６０・・・冷却系、７０・・・コントローラ。
【図１】
2016096041.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
2016096041.tif 000009
【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
2016096041.tif 000013
【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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