(57)【要約】【課題】負荷の要求電力が変動する場合であっても燃料電池の制御性を向上する燃料電池システムを提供することを課題とする。【解決手段】燃料電池システム１であって、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行い、負荷３へ電力を供給する燃料電池本体５と、予め定められた互いに異なる複数の発電電力の制御目標値の中から負荷３の要求する要求電力に応じた何れかの制御目標値を選択し、燃料電池本体５の発電電力が選択した制御目標値になるように燃料電池本体５の発電を制御する発電制御手段１１と、燃料電池本体５の発電電力が何れかの制御目標値になるように制御されることで生ずる、要求電力に対する発電電力の過不足を調整する供給電力調整手段１０と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行い、負荷へ電力を供給する燃料電池本体と、
予め定められた互いに異なる複数の発電電力の制御目標値の中から前記負荷の要求する要求電力に応じた何れかの制御目標値を選択し、該燃料電池本体の発電電力が選択した制御目標値になるように該燃料電池本体の発電を制御する発電制御手段と、
前記燃料電池本体の発電電力が前記何れかの制御目標値になるように制御されることで生ずる、前記要求電力に対する該発電電力の過不足を調整する供給電力調整手段と、を備える、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池本体に計測電流を流すことで該燃料電池本体の電気的な内部抵抗を計測する計測手段と、
前記燃料電池本体の出力電圧と出力電流との関係を既定するマップと、を備え、
前記発電制御手段は、前記マップが既定する前記燃料電池本体の出力電圧、出力電流、及び前記計測手段が計測する前記内部抵抗に基づいて該燃料電池本体の発電を制御する、
請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記複数の制御目標値は、互いに離散する非連続な値である、
請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
電力を蓄える蓄電手段を備え、
前記供給電力調整手段は、前記燃料電池本体の発電電力が前記要求電力を上回る場合、前記負荷へ供給される電力が該要求電力になるように余剰の発電電力を前記蓄電手段に充電する、
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】
前記発電制御手段は、前記蓄電手段の残量が充電を要する既定の第一残量以下の場合、前記要求電力を上回る何れかの制御目標値を選択する、
請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
電力を蓄える蓄電手段を備え、
前記供給電力調整手段は、前記燃料電池本体の発電電力が前記要求電力を下回る場合、前記負荷へ供給される電力が該要求電力になるように前記蓄電手段に蓄電されている電力を該負荷へ放電する、
請求項１から５の何れか一項に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記発電制御手段は、前記蓄電手段の残量が放電を要する既定の第二残量以上の場合、前記要求電力を下回る何れかの制御目標値を選択する、
請求項６に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、運転効率および環境性に優れる電源として燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応によって発電する。燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応は、触媒を担持した燃料電池セルで行われる。
【０００３】
燃料電池システムは、システムを適切に制御するため、制御パラメータの演算処理等が行われる。例えば、特許文献１には、電流及び電圧の実測値から電流−電圧特性を更新する技術が記載されている。
【特許文献１】特開２００７−４８６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行っているため、反応状態に応じて変化する様々なパラメータに基づいて発電の制御が行われる。これらのパラメータは、電気化学反応により生成される生成物の影響を受けやすい。よって、燃料電池の制御に際しては制御状態を一定に保つことが望まれるが、通常、負荷の要求する電力は一定でないため、負荷の要求する電力の変動に応じて燃料電池の制御を追従させる必要がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、負荷の要求電力が変動する場合であっても燃料電池の制御性を向上する燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、燃料電池を既定の制御目標値で制御すると共に、負荷の要求電力に対する供給電力の過不足を他の手段で調整する。
【０００７】
詳細には、燃料電池システムであって、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行い、負荷へ電力を供給する燃料電池本体と、予め定められた互いに異なる複数の発電電力の制御目標値の中から前記負荷の要求する要求電力に応じた何れかの制御目標値を選択し、該燃料電池本体の発電電力が選択した制御目標値になるように該燃料電池本体の発電を制御する発電制御手段と、前記燃料電池本体の発電電力が前記何れかの制御目標値になるように制御されることで生ずる、前記要求電力に対する該発電電力の過不足を調整する供給電力調整手段と、を備える。
【０００８】
上記燃料電池本体は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うものであるため、入力（例えば、燃料ガスや酸化ガス等）或いは出力（例えば、出力電圧や出力電流等）を調整することにより、発電を制御し得る。ここで、上記発電制御手段が行う発電の制御とは、燃料電池本体の発電電力を調整する制御であり、例えば、燃料電池本体の出力電圧、出力電流、単位時間当たりの電力量等のパラメータに基づいて燃料ガスの供給量等を調整し、燃料電池の発電量を調整することである。
【０００９】
ここで、上記発電制御手段は、負荷の要求する要求電力に応じて燃料電池本体の発電の制御を行うが、発電の制御に際しては、連続的に変化する負荷の要求電力に対して発電電力を連続的に変化させるのではなく、離散的に変化させる。発電制御手段が発電を制御す
る際の制御目標値は、予め定められたものに基づくものであり、既定された複数の制御目標値の中から適宜選択される。制御目標値を選択する際は、要求電力に応じたもの（例えば、現在の要求電力に最も近い値のものや、要求電力の変化の傾向から推定される一定時間経過後の要求電力の予測値に近い値のもの）を選択する。このように、予め設定された制御目標値に基づいて燃料電池本体の発電電力を選択的に制御することにより、制御パラメータを連続的に処理することがなくなるため、発電電力を連続的に変更する場合に比べて燃料電池本体の制御を簡略化することが可能となる。
【００１０】
ところで、電力を消費する負荷と電力を発電する機器との間では、電力の需給バランスが均衡している必要がある。電力の需給バランスが均衡していないと負荷側、発電側ともに電気機器が正常に動作できないためである。ここで、上記発電制御手段によって燃料電池本体の発電電力が選択的に制御される場合、負荷側の要求電力が連続的に変化し得るのに対し、燃料電池本体の発電電力が離散的に変化するため、要求電力と発電電力との需給バランスが不均衡になる場合が生ずる。そこで、上記燃料電池システムは、要求電力と発電電力との需給バランスが均衡しない場合に、この電力の過不足を調整する供給電力調整手段を備える。供給電力調整手段は、要求電力と発電電力との需給バランスが不均衡の場合に、これを是正する受電能力および給電能力を有していることが好ましく、例えば、電力を蓄える手段によって需給バランスを調整したり、或いは電力システムの送電網から受電あるいは送電網へ送電等することにより需給バランスを調整したりすることにより、要求電力に対する発電電力の過不足を調整する。以上、上記燃料電池システムによれば、発電制御手段の制御によって生じる要求電力と発電電力との需給バランスの不均衡を供給電力調整手段が是正するため、負荷の要求電力が変動する場合であっても燃料電池本体の制御を簡略化し、制御性の向上を実現することが可能となる。
【００１１】
また、上記燃料電池システムは、前記燃料電池本体に計測電流を流すことで該燃料電池本体の電気的な内部抵抗を計測する計測手段と、前記燃料電池本体の出力電圧と出力電流との関係を既定するマップと、を備え、前記発電制御手段は、前記マップが既定する前記燃料電池本体の出力電圧、出力電流、及び前記計測手段が計測する前記内部抵抗に基づいて該燃料電池本体の発電を制御するようにしてもよい。
【００１２】
一般的に、燃料電池は、構成部材が多岐に渡るため電気的な内部抵抗が大きく、燃料電池の出力を制御する上で無視できない。ここで、内部抵抗は、燃料電池の出力電力を制限する抵抗成分そのものであるため、燃料電池の発電電力を増加させると出力電流の増大により内部抵抗に起因する電圧降下量が増大し、燃料電池の出力電圧が下がる。換言すると、所望の電力を得るには内部抵抗による電力損を加味した上で発電を制御する必要がある。そこで、上記燃料電池システムは、燃料電池本体の出力電圧と出力電流との関係を既定するマップを備えており、係るマップに基づいて燃料電池本体の発電を制御する。すなわち、マップを参照することにより、任意の発電電力における燃料電池本体の出力電圧、及び出力電流の関係を特定することが可能である。なお、出力電圧や出力電流、内部抵抗に基づく発電の制御とは、これらの制御パラメータを利用して燃料電池本体の発電を制御し、燃料電池本体の出力を所望の発電電力（選択した制御目標値）にする制御をいい、例えば、出力電圧、出力電流、及び内部抵抗から定まる電力量と、発電電力との関係を基に燃料電池本体の制御に用いるパラメータを決定し、発電を制御することをいう。
【００１３】
ここで、上記燃料電池本体は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行っているため、発電を行うと反応物が生成される。例えば、燃料ガスとして水素を、酸化ガスとして酸素（空気）を用いる場合であれば、燃料電池内には水素と酸素の化合物である水が生成される。内部抵抗は、燃料電池本体の内部を構成する構成部材間に作用する電気的な抵抗成分に由来するため、反応物が生成されると内部抵抗が変化する。
【００１４】
ところで、上記マップは、燃料電池本体の出力電圧と出力電流との関係を規定しているため、燃料電池本体の内部抵抗が変化しても、変化した内部抵抗が判れば、これを加味した燃料電池本体の出力電圧、及び出力電流の関係を特定することが可能である。換言すると、内部抵抗に起因する電力損を加味した発電電力が特定可能であれば、負荷の要求電力により精度よく対応した燃料電池本体の発電の制御を行うことが可能となる。そこで、上記燃料電池システムは、燃料電池本体の電気的な内部抵抗を計測する計測手段を備える。係る計測手段は、計測電流を流すことで内部抵抗を計測するものであり、例えば、低周波の交流電流を計測し、計測電流の実部と虚部との関係から内部抵抗を特定する方法等が例示できる。ところで、発電中の燃料電池本体に計測電流を流して内部抵抗を計測する場合、発電に伴う出力電流が大きく変動しないことが望まれる。計測結果に影響を与えるからである。ここで、上記燃料電池システムによれば、発電制御手段が燃料電池の発電を選択的に制御しているため、燃料電池本体の出力電流が連続的に変化することがない。よって、負荷の要求電力が変動する場合であっても内部抵抗を精密に計測することが可能であり、燃料電池本体の制御性の向上を図ることが可能となる。
【００１５】
また、前記複数の制御目標値は、互いに離散する非連続な値であってもよい。複数の制御目標値が互いに離散するように設定されていることにより、発電電力が非連続的になるように燃料電池本体の発電を制御することが可能となる。
【００１６】
また、上記燃料電池システムは、電力を蓄える蓄電手段を備え、前記供給電力調整手段は、前記燃料電池本体の発電電力が前記要求電力を上回る場合、前記負荷へ供給される電力が該要求電力になるように余剰の発電電力を前記蓄電手段に充電するようにしてもよい。また、前記供給電力調整手段は、前記燃料電池本体の発電電力が前記要求電力を下回る場合、前記負荷へ供給される電力が該要求電力になるように前記蓄電手段に蓄電されている電力を該負荷へ放電するようにしてもよい。
【００１７】
要求電力と発電電力との需給バランスが均衡しない場合、燃料電池本体と負荷との間に生ずる余剰電力を処理、或いは不足電力を供給する必要することにより、需給バランスを確保することが可能である。ここで、電力を蓄えることが可能な蓄電手段であれば、係る余剰電力を蓄え、或いは不足電力を給電することが可能である。そこで、供給電力調整手段は、上記蓄電手段を用いることにより、燃料電池本体と負荷との間に生ずる電力の過不足を調整する。なお、上記燃料電池システムが備える蓄電手段は、供給電力調整手段における需給バランスの調整にのみ利用されるものに限定されず、例えば、燃料電池システムの補機等を動作させるために設けられるバッテリ等を適用することが可能である。
【００１８】
また、前記発電制御手段は、前記蓄電手段の残量が充電を要する既定の第一残量以下の場合、前記要求電力を上回る何れかの制御目標値を選択するようにしてもよい。また、前記発電制御手段は、前記蓄電手段の残量が放電を要する既定の第二残量以上の場合、前記要求電力を下回る何れかの制御目標値を選択するようにしてもよい。
【００１９】
これによれば、蓄電手段の残量に応じた発電の制御を行うことが可能であり、蓄電手段の残量を適切な状態にすることが可能である。なお、ここで、第一残量とは、蓄電手段が充電を必要とする時の蓄電手段に蓄えられた電力の残量であって、例えば、燃料電池本体における発電が停止している際に燃料電池システムの補機の動作に必要な電力の量である。また、第二残量とは、蓄電手段が放電を必要とする時の蓄電手段に蓄えられた電力の残量であって、例えば、発電制御手段による発電制御の際の制御余裕を確保する観点で決定される電力の残量である。
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る燃料電池システムによれば、負荷の要求電力が変動する場合であっても燃
料電池の制御性を向上することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本願発明の一実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
【００２２】
＜実施形態の構成＞
図１は、本願発明の一実施形態に係る燃料電池システム１の全体構成図である。この燃料電池システム１は、電動モータを駆動源とする車両２に搭載され、この車両２の駆動モータ（以下、単に「モータ３」という）に電力を供給することを前提とする。車両２は、駆動輪がモータ３によって駆動されることで自走し、移動可能となる。このモータ３は、いわゆる三相交流モータであり、インバータ４から交流電力の供給を受けて動作する。このインバータ４は、燃料電池システム１のメイン電力源である燃料電池５と二次電池であるバッテリ６とから供給される直流電力を交流電力へ変換し、モータ３へ供給する。
【００２３】
なお、燃料電池システム１は、移動体である車両２に搭載され、この車両２のモータ３へ電力を供給するものであるが、船舶やロボット等の移動体、或いは移動しない電力消費機器に対しても適用可能である。
【００２４】
ここで、燃料電池５は、水素タンク７に貯蔵されている水素ガスとコンプレッサ８によって圧送されてくる空気中の酸素との電気化学反応にて発電を行う。燃料電池５とインバータ４との間には、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣ昇圧コンバータ９が電気的に接続されている。これにより、燃料電池５から出力された電力の電圧は、ＦＣ昇圧コンバータ９によって任意の電圧に昇圧され、インバータ４に印加される。ＦＣ昇圧コンバータ９の詳細な構成については、後述する。また、バッテリ６は、充放電が可能な蓄電装置であって、該バッテリ６とインバータ４との間に該インバータ４に対して上記ＦＣ昇圧コンバータ９と並列になるように、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１０が電気的に接続されている。これにより、バッテリ６から出力された電力の電圧は、バッテリ昇圧コンバータ１０によって任意の電圧に昇圧され、インバータ４に印加される。尚、燃料電池システム１においては、昇圧型のバッテリ昇圧コンバータ１０に代えて、昇圧動作および降圧動作が可能な昇降圧型のコンバータも採用可能である。以下の実施例では、主にバッテリ昇圧コンバータ１０を昇圧型のコンバータとして説明を進めていくが、これには昇降圧型のコンバータの採用を制限する意図は無く、その採用に際しては適宜調整が行われる。
【００２５】
車両２には、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ１１」という。）が備えられる。ＥＣＵ１１は、上述した各制御対象と電気的に接続されており、システムを構成する各機器を制御する。例えば、車両２には、ユーザからの加速要求を受けるアクセルペダルが設けられ、その開度がアクセルペダルセンサ１２によって検出され、その検出信号がＥＣＵ１１に電気的に伝えられる。また、ＥＣＵ１１は、モータ３の回転数を検出するエンコーダにも電気的に接続され、これによりＥＣＵ１１でモータ３の回転数が検出される。ＥＣＵ１１は、これらの検出値等に基づいて、各種の制御が可能である。
【００２６】
このように構成される燃料電池システム１では、車両２のユーザが踏んだアクセルペダルの開度がアクセルペダルセンサ１２によって検出され、ＥＣＵ１１がそのアクセル開度とモータ３の回転数等に基づいて、燃料電池５の発電量やバッテリ６からの充放電量が適宜制御される。ここで、移動体である車両２の燃費を向上させるために、モータ３が高電圧低電流仕様のＰＭモータとなっている。従って、モータ３は、低電流で高トルクを発揮することが可能となるため、モータ内部の巻線やその他の配線での発熱を軽減することが可能となり、またインバータ４の定格出力を小さくすることが可能となる。具体的には、モータ３では低電流で比較的大きなトルク出力を可能とするためにその逆起電圧が比較的高く設定される一方で、その高逆起電圧に抗して高回転数での駆動が可能となるように、
燃料電池システム１からの供給電圧が高く設定される。このとき、燃料電池５とインバータ４の間にＦＣ昇圧コンバータ９を設け、バッテリ６とインバータ４との間にもバッテリ昇圧コンバータ１０を設けることで、インバータ４への供給電圧の高電圧化が図られる。
【００２７】
このように燃料電池システム１を、ＦＣ昇圧コンバータ９を含む構成とすることで、燃料電池５自体の出力電圧（端子間電圧）が低くても、ＦＣ昇圧コンバータ９の昇圧動作によりモータ３を駆動することが可能となる。これにより、燃料電池５のセル積層枚数を低減する等してその小型化を図ることも可能となる。その結果、車両２の重量を低減でき、その燃費向上を更に促進することができる。
【００２８】
＜実施形態の制御フロー＞
次に、燃料電池システム１の制御について説明する。図２は、燃料電池システム１の制御フロー図である。以下、図２の制御フロー図を参照しつつ、燃料電池システム１の制御フローについて説明する。
【００２９】
（ステップＳ１０１：燃料電池起動）車両２の乗員がキースイッチをオンにすると、ＥＣＵ１１は、水素タンク７から燃料電池５へ水素の供給を開始すると共にコンプレッサ８から燃料電池５へ酸素（空気）の供給を開始する。これにより、燃料電池５において水素と酸素の電気化学反応が始まり、モータ３や図示しない補機類への電力の供給が開始される。なお、ＥＣＵ１１は、燃料電池５の出力制御を行うにあたり、自身に予め記憶された図３に示すＩ−Ｖ特性マップを参照し、このマップが示す既定の動作点（Ｓ１〜Ｓ８）の何れかを任意に選択し、燃料電池５の出力が何れかの動作点が示す出力電圧（Ｖｓ）および出力電流（Ｉｓ）になるように燃料電池５の出力制御を行う。動作点の選択については下記のステップＳ１０２〜Ｓ１０６において詳述する。ＥＣＵ１１は、燃料電池５への水素と酸素の供給を開始すると共に図３に示すＩ−Ｖ特性マップを参照し、任意の動作点（例えば、動作点Ｓ２）を選択する。そして、ＥＣＵ１１は、動作点Ｓ２が既定する電力量（電力量は、動作点Ｓ２が既定する電圧および電流を乗算することにより算出される）に対する消費水素量および消費酸素量を既定の運転モデルから決定し、決定した量の水素および酸素が燃料電池５へ供給されるように水素タンク７の出口弁の開度やコンプレッサ８の回転数を制御する。また、ＥＣＵ１１は、燃料電池５の出力電圧および出力電流が、動作点Ｓ２が既定する電圧および電流になるようにＦＣ昇圧コンバータ９やバッテリ昇圧コンバータ１０の昇圧比を制御する。なお、既定の運転モデルとは、ＥＣＵ１１に予め記憶される、水素および酸素の供給量と出力電力との関係を定義したマップであり、例えば、水素と酸素の反応量から定まる電力量や実験的に求めた電力量を示したマップである。
【００３０】
ここで、ＥＣＵ１１が行うＦＣ昇圧コンバータ９およびバッテリ昇圧コンバータ１０の制御について詳述する。ＥＣＵ１１は、燃料電池５とＦＣ昇圧コンバータ９とを繋ぐ電路（Ｘ）の電圧および電流（以下、ＦＣ出力電圧およびＦＣ出力電流という）を検知する図示しない電圧センサおよび電流センサ、及びインバータ４とバッテリ昇圧コンバータ１０とを繋ぐ電路（Ｙ）の電圧（以下、バス電圧という）を検知する電圧センサと接続されている。そして、ＥＣＵ１１は、ＦＣ出力電圧が動作点Ｓ１の電圧値になるようにＦＣ昇圧コンバータ９の昇圧比を制御すると共に、ＦＣ出力電流が動作点Ｓ１の電流値になるようにバッテリ昇圧コンバータ１０の昇圧比を制御する。これにより、モータ３へ電力が供給され、車両２が自走する。
【００３１】
（ステップＳ１０２：要求電力量算出）ＥＣＵ１１は、燃料電池５への水素と酸素の送気を開始したら、要求電力量の算出を行う。ここで、要求電力量とは、モータ３や図示しない補機類（例えば、エアーコンディショナやラジエータファン等、車両２に装備される電気機器類）の駆動に必要な電力の合計電力量であり、例えば、ＥＣＵ１１に入力される補機類の動作状態の信号および既定の電力消費量のマップ等から算出される値である。な
お、要求電力量は、走行状態等に応じて大きく変化するが、アクセルペダルセンサ１２によって検知される要求トルクやバッテリ６の入出力電流、モータ３の消費電流等に基づいて算出される。
【００３２】
（ステップＳ１０３：条件判定１）ＥＣＵ１１は、以下の処理を行うことにより動作点の変更が必要であるか否かを判定する。すなわち、ＥＣＵ１１は、現在選択中の動作点が既定の条件を満たしているか否かを判定する。
ここで、既定の条件とは、動作点Ｓ１〜Ｓ８にそれぞれ設定される、該動作点が燃料電池５の出力制御に適用される際の条件であり、例えば、該動作点が燃料電池５の制御に適用される際のＦＣ出力電流の上限値および下限値を示すものである。例えば、図４に示すように、各動作点が適用される際のＦＣ出力電流の上限値および下限値をＢ１〜Ｂ４のように設定しておき、燃料電池５のＩ−Ｖ特性と要求電力量（等電力曲線）とが交差する点（Ｃ）から決定される電流値Ｉｃを算出する。そして、算出される電流値Ｉｃが、０≦Ｉｃ＜Ｂ１であれば動作点Ｓ１を、Ｂ１≦Ｉｃ＜Ｂ２であれば動作点Ｓ２を、Ｂ２≦Ｉｃ＜Ｂ３であれば動作点Ｓ３を、Ｂ３≦Ｉｃ＜Ｂ４であれば動作点Ｓ４を選択する、という具合に、要求電力量に応じて動作点を選択する。この閾値Ｂ１〜Ｂ４は、動作点Ｓ１〜Ｓ５が定義する電流値の中間値を取るように決定する。例えば、Ｂ１であれば、動作点Ｓ２が定義する電流値Ｉ２に動作点Ｓ１が定義する電流値Ｉ１を加算し、２で除算した値にする。
本ステップＳ１０３がステップＳ１０１、Ｓ１０２と続いて実行されている場合、ＥＣＵ１１は、ＦＣ電圧およびＦＣ電流が、動作点Ｓ２が既定する電圧（Ｉｓ）および電流（Ｖｓ）になるように水素タンク７の出口弁の開度やコンプレッサ８の回転数、ＦＣ昇圧コンバータ９やバッテリ昇圧コンバータ１０の昇圧比を制御している。よって、上記ステップＳ１０２で算出した要求電力量から決定される電流値Ｉｃが、現在選択中の動作点Ｓ２の既定の条件（すなわち、Ｂ１≦Ｉｃ＜Ｂ２）を満たしているため、ＥＣＵ１１は、動作点の変更は不要と判断し、下記のステップＳ１０６以降の処理を実行する。
他方、例えば、ユーザがアクセルペダル等を踏み込んでおり、ステップＳ１０２で算出される要求電力量が図５に示すように増加しているような場合、Ｉ−Ｖ特性の曲線と要求電力量（等電力曲線）とが交差する点（Ｃ’）から決定される電流値ＩｃはＢ２≦Ｉｃ＜Ｂ３であるため、動作点Ｓ２の既定の条件（Ｂ１≦Ｉｃ＜Ｂ２）を満たさない。よって、ＥＣＵ１１は、動作点の変更が必要と判断し、下記のステップＳ１０４以降の処理を実行する。
【００３３】
（ステップＳ１０４：動作点決定）上記ステップＳ１０３の処理で動作点の変更が必要と判断したＥＣＵ１１は、次のような処理を実行することにより動作点の決定を行う。すなわち、ＥＣＵ１１は、上記ステップＳ１０３の処理によって決定された電流値Ｉｃを満たす条件の動作点を検索する。例えば、電流値Ｉｃが上述したようにＢ２≦Ｉｃ＜Ｂ３である場合であれば、係る条件を満たす動作点Ｓ３を索出する。
【００３４】
（ステップＳ１０５：ＦＣ出力変更）上記ステップＳ１０５の処理によって新たな動作点を索出したＥＣＵ１１は、燃料電池５の出力電圧および出力電流が、ステップＳ１０４で索出した動作点が示す出力電圧（Ｖｓ）および出力電流（Ｉｓ）になるように燃料電池５の出力制御を行う。例えば、上記ステップＳ１０４で動作点Ｓ３を索出した場合であれば、動作点Ｓ３が既定する電力量に対する消費水素量および消費酸素量を既定の運転モデルから決定し、決定した量の水素および酸素が燃料電池５へ供給されるように水素タンク７の出口弁の開度やコンプレッサ８の回転数を制御すると共に、燃料電池５の出力電圧および出力電流が、動作点Ｓ３が既定する電圧および電流になるようにＦＣ昇圧コンバータ９やバッテリ昇圧コンバータ１０の昇圧比を制御する。図６は、燃料電池システム１の電気的な状態を示す図である。図６に示すように、燃料電池５からは（Ｖｓ＊Ｉｓ）の電力量（ＦＣ出力電力量）が出力され、負荷（インバータ等）側では（Ｖｃ＊Ｉｃ）の電力量
（要求電力量）が消費され、バッテリへは（Ｖｓ＊Ｉｓ−Ｖｃ＊Ｉｃ）の電力量（充電電力量）が充電される。すなわち、燃料電池５の出力が既定の動作点になるように制御することにより生ずる、要求電力量に対するＦＣ出力電力量の過不足分がバッテリにより補われる。すなわち、（Ｖｓ＊Ｉｓ−Ｖｃ＊Ｉｃ）が正の値をとる場合であれば要求電力量に対するＦＣ出力電力量の過剰分の電力がバッテリに充電され、（Ｖｓ＊Ｉｓ−Ｖｃ＊Ｉｃ）が負の値をとる場合であれば要求電力量に対するＦＣ出力電力量の不足分の電力がバッテリから負荷へ給電される。
【００３５】
（ステップＳ１０６：条件判定２）次に、ＥＣＵ１１は、キースイッチがオンであるか否かに基づいて発電継続の要否を判定する。すなわち、ＥＣＵ１１は、キースイッチがオンの状態であれば、発電を継続する必要があると判定し、上記ステップＳ１０２以降の処理を繰り返す。一方、ＥＣＵ１１は、キースイッチがオフの状態であれば、発電を継続する必要なしと判定し、下記ステップＳ１０７の処理を実行する。発電が継続され、上記ステップＳ１０２から本ステップＳ１０６までの処理が繰り返し実行されることにより、図７に示すように、燃料電池５の出力電流がステップ状に変化する。
【００３６】
（ステップＳ１０７：燃料電池停止）上記ステップＳ１０６の処理によって発電停止を決定したＥＣＵ１１は、ＦＣ昇圧コンバータ９やバッテリ昇圧コンバータ１０を停止すると共に水素タンク７の出口弁を閉弁し、コンプレッサ８を停止する。これにより、燃料電池５の電気化学反応が止まり、発電が停止する。
【００３７】
＜実施形態の効果＞
以上、本実施形態によれば、燃料電池の出力を段階的に既定した非連続な離散する動作点で一定電圧、一定電流になるように制御しているため、燃料電池の制御を精密に行うことが可能となる。すなわち、燃料電池の出力が離散した既定の動作点になるように燃料電池の出力を制御しているため、絶えず変化する車両の走行状態の連続的な変化に追従するように燃料電池の出力を制御する場合に比べ、燃料電池内の物理的な挙動を安定させることが可能となり、より精密に燃料電池の物理状態を制御することが可能となる。燃料電池の出力制御が限定的な動作点に限られるため、例えば、燃料電池の出力を連続的に制御する際に必要な膨大な量の演算処理や膨大な量の制御データ（マップ）が不要となり、燃料電池の出力制御を簡略化することが可能であり、燃料電池や各補機類の動作状態の適合性を向上させることが可能である。また、燃料電池の出力制御が一つの動作点で制御されている間は燃料電池の電気出力が一定であるため、燃料電池の電気出力に基づいて算出される燃料電池内の物理状態を示すパラメータに影響を与える因子が少ない。よって、例えば、燃料電池の電気出力端子の陽極と陰極との間に交流波の計測電力を印加することによって検知する燃料電池の電気的なインピーダンス（内部抵抗）等の計測を精密に行うことが可能となる。燃料電池の電気的なインピーダンスの計測精度をより精密に測定することが可能となることにより、例えば、燃料電池内における電気化学反応により発生する生成水の量の変化を精密に検知することが可能となる。生成水量の変化を精密に検知することが可能となることにより、例えば、加湿量を精密に制御することが可能であり、燃料電池の膜電極接合体がドライアップしない範囲で最大限の発電量を確保する等の制御を行うことが可能となる。
【００３８】
なお、上記実施形態においては、Ｓ１〜Ｓ８に既定される８つの動作点により燃料電池の出力制御を行っていたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、任意に決定される如何なる個数の動作点により燃料電池の出力制御を行っても良い。また、上記実施形態においては、要求電力量を要求トルクやモータ３の消費電流等に基づいて算出していたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、燃料電池の電気出力が一定になるように制御しているため、バッテリの入出力電力量を参照し、該入出力電力量が既定の量を超えた場合に動作点を一段上げ下げするように燃料電池
の出力制御を変更してもよい。
【００３９】
＜変形例１＞
なお、上述した実施形態においては、各動作点にそれぞれ設定される、該動作点が燃料電池の出力制御に適用される際の条件を一定に定めていたが、係る条件設定は能動的に変更しても良い。図８は、本変形例に係る燃料電池システム１の制御フロー図である。燃料電池システム１の機器構成は上述した実施形態と同様であるため、その詳細な説明を省略する。また、説明の便宜上、上記実施形態に係る燃料電池システム１と同様の処理内容については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。以下、図８の制御フロー図を参照しつつ、本変形例に係る燃料電池システム１の制御フローについて説明する。
【００４０】
（ステップＳ２０１：残量算出）上記ステップＳ１０２の処理が終了すると、ＥＣＵ１１は、バッテリ６の残量を算出する。バッテリ６の残量は、例えば、バッテリ昇圧コンバータ１０とバッテリ６との間を繋ぐ電路上に設けた図示しない電流計等によりバッテリ６の充放電量を積算することにより算出する。
【００４１】
（ステップＳ２０２：条件判定３）次に、ＥＣＵ１１は、各動作点に設定されている条件の変更が必要であるか否かを判定する。すなわち、ＥＣＵ１１は、例えば、バッテリ６の充放電の要否とバッテリ６の残量との関係を示す所定のマップを備えており、このマップを基にバッテリ６の充放電の要否を判定する。このマップには、バッテリ６の充電が必要となる残量（以下、Ｂｍｉｎという）、及びバッテリ６の放電が必要となる残量（以下、Ｂｍａｘという）が定義されており、ＥＣＵ１１は、上記ステップＳ２０１の処理で算出したバッテリ６の残量がＢｍｉｎ以下またはＢｍａｘ以上であれば下記ステップＳ２０３の処理を実行する。また、ＥＣＵ１１は、上記ステップＳ２０１の処理で算出したバッテリ６の残量がＢｍｉｎを上回り、Ｂｍａｘ未満であれば上記ステップＳ１０３以降の処理を実行する。
ここで、上記ＢｍｉｎやＢｍａｘは次のような観点で決定される。すなわち、本発明によれば、要求電力量とＦＣ出力電力量とが完全に一致し続ける場合を除き、燃料電池システム１の動作中、バッテリ６が常に充電状態あるいは放電状態となる。よって、本変形例を適用することで本燃料電池システム１はバッテリ６の残量に応じた燃料電池５の出力制御を実行することとなるが、ＢｍｉｎとＢｍａｘとの差が小さすぎると出力制御の変更が頻繁に繰り返されることとなる。一方、Ｂｍｉｎがあまりに小さすぎると燃料電池５の発電を停止した後に燃料電池システム１の補機類を動作させるための電力が不足する。また、Ｂｍａｘがあまりに大きいと余剰の電力を吸収する容量が無くなり、燃料電池５への逆電流の発生等により燃料電池システム１が過渡的に不安定な動作状態になり得る。そこで、Ｂｍｉｎの値は、燃料電池５の発電が停止している際の補機類の電力を確保する観点から決定するものとし、Ｂｍａｘの値は、バッテリ６が充電状態から放電状態に切り替わるまでの間の燃料電池の出力制御の過渡的な変化時の余裕を確保する観点からするものとする。
【００４２】
（ステップＳ２０３：閾値変更処理）ＥＣＵ１１は、上記ステップＳ２０２の処理によって各動作点に設定されている条件の変更が必要であると判定したら、次のような処理を実行することにより、各動作点に設定されている規定の条件を変更する。すなわち、バッテリ６の残量がＢｍｉｎ以下であればバッテリ６の充電が必要であるため、ＥＣＵ１１は、各動作点に設定されている閾値（Ｂ１〜Ｂ４の各値）を減算する。図９は、閾値に減算処理を施した場合のグラフである。図９に示すように、各動作点Ｓ１〜Ｓ４に設定されている閾値Ｂ１〜Ｂ４がそれぞれ減算処理されることにより、上記ステップＳ１０４において、要求電力量に対する発電電力量が高い動作点が選択されるようになる。要求電力量に対する発電電力量の高い動作点が選択されるようになることで、バッテリ６が充電されやすくなる。また、バッテリ６の残量がＢｍａｘを上回っていればバッテリ６の放電が必要
であるため、ＥＣＵ１１は、各動作点に設定されている閾値（Ｂ１〜Ｂ４の各値）を加算する。図１０は、閾値に加算処理を施した場合のグラフである。図１０に示すように、各動作点Ｓ１〜Ｓ４に設定されている閾値Ｂ１〜Ｂ４がそれぞれ加算処理されることにより、上記ステップＳ１０４において、要求電力量に対する発電電力量が低い動作点が選択されるようになる。要求電力量に対する発電電力量の低い動作点が選択されるようになることで、バッテリ６が放電されやすくなる。ＥＣＵ１１は、本ステップによって閾値を変更したのち、上記ステップＳ１０３以降の処理を実行する。
なお、閾値（Ｂ１〜Ｂ４）に加算または減算処理する際の演算値は、バッテリ６の充放電速度に応じて決定する。すなわち、演算値の大小に比例してバッテリ６の充放電時間が変化するため、例えば、バッテリ６を急速充電或いは放電させたい場合は演算値を大きく設定する。また、バッテリ６をゆっくりと充電或いは放電させたい場合は演算値を小さく設定する。この演算値は、バッテリ６の充放電性能や燃料電池システム１の制御性等に応じて適宜決定する。
【００４３】
以上、本変形例によれば、バッテリの残量に応じた燃料電池の出力制御を行うことが可能となるため、上記実施形態と同様の効果の他、燃料電池システムの安定的な動作を実現することが可能となる。なお、上記変形例は、バッテリの残量に応じて充放電時間が変化するように燃料電池の出力を制御していたが、本発明はこれに限定されるものでなく、例えば、燃料電池システムの起動停止の頻度に応じてバッテリの残量が高め或いは低めになるように閾値を調整してもよいし、閾値の変更処理が頻繁に行われないようにするため加速操作や減速操作の頻度に応じて動作点の個数を増減させたり演算値を増減させたりしてもよい。
【００４４】
＜変形例２＞
上記実施形態および変形例１は、次のように変形してもよい。図１１は、本変形例に係る燃料電池システム１の構成図である。また、図１２は、本変形例に係る燃料電池システム１の制御フロー図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態および変形例１と同様の構成及び処理内容について同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４５】
本変形例では、図１１に示すように、燃料電池５にはセンサ１３が接続される。このセンサ１３は、燃料電池５の陽極および陰極に電気的に接続されており、燃料電池５の電気的な内部抵抗を計測する。センサ１３は、交流の計測電流を燃料電池５の両極間に流し、このときの計測電流の電圧値および電流値を計測し、計測した電圧値および電流値から燃料電池５の交流インピーダンスを算出する。この時に印加する交流電流は低周波であり、算出される交流インピーダンスは燃料電池５の内部抵抗とみなすことができる。センサ１３は、計測した交流インピーダンスを燃料電池５の内部抵抗としてＥＣＵ１１に通知するため、ＥＣＵ１１と電気的に接続されている。
【００４６】
次に、図１２の制御フロー図を基に、本変形例の制御フローについて説明する。
（Ｓ３０１：内部抵抗計測）ＥＣＵ１１は、上記ステップＳ１０３の処理により、現在選択中の動作点が既定の条件を満たしており、ステップＳ１０４以降の処理が不要と判断したら、センサ１３に燃料電池５の内部抵抗（交流インピーダンス）を計測される。ＥＣＵ１１から計測開始の指令を受けたセンサ１３は、燃料電池５に計測電流を流して内部抵抗を計測し、ＥＣＵ１１に通知する。なお、このとき、上記ステップＳ１０５のようなＦＣ出力変更は行われておらず、燃料電池５は現在選択中の動作点で動作するように制御されているため、センサ１３が内部抵抗を計測している間、燃料電池５の出力電流の変動による計測結果への影響は無い。
【００４７】
（Ｓ３０２：Ｉ−Ｖ特性マップ更新）ＥＣＵ１１は、センサ１３から燃料電池５の内部抵抗を取得したら、次の処理を行うことにより、自身に記憶されているＩ−Ｖ特性マップ
を更新する。図１２は、更新前後のＩ−Ｖ特性マップである。出力電圧（Ｖ）は、出力電流（Ｉ）と内部抵抗（Ｒ）との積であるため、各動作点Ｓ１〜Ｓ８が定義する出力電流（Ｉ）に対し、新たに取得した内部抵抗（Ｒ）をそれぞれ積算し、算出した新たな出力電圧（Ｖ）の値をマッピングする。図１２において、更新後の動作点をＳ１’〜Ｓ８’で示す。図１２の動作点（Ｓ１’〜Ｓ８’）が示すように、内部抵抗の変化に伴い動作点が適宜更新される。ＥＣＵ１１は、Ｉ−Ｖ特性マップを更新したら、ステップＳ１０６以降の処理を実行する。
【００４８】
以上、本変形例によれば、負荷の要求電力が変動する場合であっても内部抵抗を精密に計測することが可能であり、精密なＩ−Ｖ特性マップに基づいて燃料電池の発電を制御することにより、燃料電池本体の制御性の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】燃料電池システムの概略構成図。
【図２】燃料電池システムの制御フロー図。
【図３】Ｉ−Ｖ特性マップ。
【図４】動作点決定方法を説明する図。
【図５】動作点決定方法を説明する図。
【図６】電流値のグラフ。
【図７】電気的な状態を示す図。
【図８】燃料電池システムの制御フロー図。
【図９】閾値変更方法を説明する図（充電時）。
【図１０】閾値変更方法を説明する図（放電）。
【図１１】燃料電池システムの概略構成図。
【図１２】燃料電池システムの制御フロー図。
【図１３】Ｉ−Ｖ特性マップ。
【符号の説明】
【００５０】
１・・・燃料電池システム
２・・・車両
３・・・モータ
４・・・インバータ
５・・・燃料電池
６・・・バッテリ
７・・・水素タンク
８・・・コンプレッサ
９・・・ＦＣ昇圧コンバータ
１０・・・バッテリ昇圧コンバータ
１１・・・ＥＣＵ
１２・・・アクセルペダルセンサ
１３・・・センサ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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