JP4936126B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、燃料電池の低効率発電を行う燃料電池システムに関する。

燃料電池自動車などに搭載される固体高分子型の燃料電池は、水素を含む燃料ガス及び酸化ガス（以下、「反応ガス」と総称する。）の化学反応によって、電力を発生する。この燃料電池は、一般に７０〜８０℃が発電に最適な温度域とされているが、この温度域に達するまでは燃料電池の発電が目標電力に追従できず、機器（モータなど）を要求に応じた駆動をできない場合がある。また、氷点下などの使用環境によっては、燃料電池を起動してから最適な温度域に達するために長い時間を要する場合がある。

このような事情に鑑み、特許文献１に記載の燃料電池システムは、低温時に燃料電池の低効率発電を行うことで、燃料電池を迅速に昇温しようとしている。この低効率発電とは、通常発電に比して電力損失が大きな発電をいい、換言すれば、燃料電池を通常発電時に比べて発電効率を下げることで、通常発電時に比べて自己発熱量を増大させる発電をいう。この燃料電池システムでは、低効率発電を行うために、燃料電池への水素ガスの供給圧力や供給流量を不足状態とする方法がとられている。
特開２００２−３１３３８８号

ところで、低効率発電中に燃料電池の運転動作点（電流、電圧）を変更する際に、電流の変化量が大きいと、燃料電池への反応ガスの供給状態を調整する補機（例えば、エアコンプレッサやエア調圧弁など）の制御値が不安定になり、補機損変動が発生してしまう。同様に、電圧の変化量が大きいと、燃料電池の容量成分の充放電が発生してしまう。これらが発生すると、燃料電池の出力精度が悪化し、燃料電池の要求出力の指令値にハンチングが起きてしまう。ところが、従来の特許文献１では、このような点について何ら考慮されていなかった。

本発明は、低効率発電時に燃料電池の運転動作点を変更するのに適した燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するべく、本発明の燃料電池システムは、反応ガスの供給により発電する燃料電池と、燃料電池に供給される反応ガスの状態を調整するガス調整手段と、ガス調整手段を制御することで燃料電池の出力電流を制御し、燃料電池の運転動作点を変更する制御装置と、を備える。そして、制御装置は、通常発電に比して電力損失が大きな低効率発電の領域で燃料電池の運転動作点を変更する際に、単位時間当たりの電流変化量及び電圧変化量に制限を設定し、この設定した制限値から前記燃料電池の出力変化許容値を算出し、当該出力変化許容値外への運転動作点の変更を制限する。

例えば、電流変化量を制限すれば、ガス調整手段の制御値が不安定になって補機損変動が発生することを抑制できる。また、電圧変化量を制限すれば、燃料電池の容量成分の充放電を抑制できる。このように、電流又は電圧にレート処理を行うことで、低効率発電の領域での運転動作点の変更の際に燃料電池の出力精度を確保できる。

好ましくは、制御装置は、燃料電池の要求出力値及び要求自己発熱値に基づいて燃料電池の目標の運転動作点を算出し、その算出された目標の運転動作点をオーバーシュート又はアンダーシュートしないように、現在の運転動作点から目標の運転動作点に変更する際に経由する次回の運転動作点を決定するとよい。

かかる構成によれば、現在の運転動作点から目標の運転動作点までの一連の変更過程において、燃料電池の出力電流又は出力電圧を上下に上げたり下げたりしなくて済む。

より好ましくは、制御装置は、次回の運転動作点として、燃料電池の要求出力値を満たす運転動作点を選択するとよい。

より好ましくは、制御装置は、燃料電池の要求出力値を満たした後、その要求出力値を維持しながら次回の運転動作点から目標の運転動作点に変更するとよい。

かかる構成によれば、燃料電池の要求出力を管理しながら、燃料電池の運転動作点を変更できる。

他の好ましい態様によれば、制御装置は、次回の運転動作点として、燃料電池の要求出力値を満たす運転動作点を選択できない場合、要求出力値に最も近い出力値を満たす運転動作点を選択するとよい。

かかる構成によれば、一旦経由する次回の運転動作点において、燃料電池の要求出力をできるだけ満たすことができる。

好ましくは、ガス調整手段は、燃料電池に酸化ガスを供給する供給機、及び燃料電池から排出される酸化剤オフガスを調圧する調圧弁の少なくとも一つを含むとよい。

より好ましくは、制御装置は、低効率発電の際に、通常発電時よりも燃料電池への酸化ガスの供給流量及び供給圧力の少なくとも一つが低下するようにガス調整手段を制御するとよい。

以上説明したように、本発明の燃料電池システムによれば、低効率発電の領域で燃料電池の運転動作点を好適に変更できる。

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。

Ａ．本実施形態
図１は本実施形態に係る燃料電池システム１００の要部構成を示す図である。本実施形態では、燃料電池自動車（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hyblid Vehicle）、電気自動車、及びハイブリッド自動車などの車両に搭載される燃料電池システムを想定するが、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）や定置型電源にも適用可能である。

燃料電池４０は、供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化ガス）から電力を発生する手段であり、固体高分子型、リン酸型、及び熔融炭酸塩型など種々のタイプを利用できる。燃料電池４０は、ＭＥＡなどを備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有する。燃料電池４０の出力電圧（以下、「ＦＣ電圧」という。）及び出力電流（以下、「ＦＣ電流」という。）は、それぞれ電圧センサ１４０及び電流センサ１５０によって検出される。燃料電池４０の出力電力（以下、「ＦＣ出力」という。）は、ＦＣ電圧にＦＣ電流を乗じたものである。

燃料ガス供給系１０は、水素ガスなどの燃料ガスを燃料電池４０の燃料極に供給する。燃料ガス供給系１０は、例えば、水素タンク１２、弁１３、循環ポンプ１４及びパージ弁１５を備える。燃料ガス供給系１０は、制御装置８０からの指令に応じて、弁１３の開度やＯＮ／ＯＦＦ時間などを調整され、燃料電池４０に供給する燃料ガス量や燃料ガス圧を制御する。燃料ガスは、循環ポンプ１４によって燃料電池４０に循環供給されるが、パージ弁１５の開弁により外部に排出される。

酸化ガス供給系７０は、空気などの酸化ガスを燃料電池４０の空気極に供給する。酸化ガス供給系７０は、例えば、酸化ガス用のガス調整手段として、エアコンプレッサ７２及び調圧弁７３を備える。エアコンプレッサ７２は、制御装置８０からの指令に応じて、駆動源であるモータの回転数等が調整され、燃料電池４０に供給する酸化ガス量を制御する。また、調圧弁７３は、制御装置８０からの指令に応じて開度を調整され、燃料電池４０に供給する酸化ガス圧を制御する。

バッテリ（蓄電装置）６０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリなどにより構成される。バッテリ６０の代わりに、二次電池以外の充放電可能な蓄電器（例えばキャパシタ）を設けても良い。バッテリ６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を介して燃料電池４０と並列に接続される。

インバータ１１０は、例えばパルス幅変調方式のＰＷＭインバータである。インバータ１１０は、制御装置８０からの制御指令に応じて燃料電池４０又はバッテリ６０から出力される直流電流を三相交流に変換し、トラクションモータ１１５へ供給する。トラクションモータ１１５は、車輪１１６Ｌ、１１６Ｒを駆動するためのものであり、その回転数はインバータ１１０によって制御される。トラクションモータ１１５及びインバータ１１０は、燃料電池４０側に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、バッテリ６０から入力された直流電圧を昇圧または降圧してインバータ１１０側に出力する機能と、燃料電池４０などから入力された直流電圧を昇圧または降圧してバッテリ６０に出力する機能とを備える。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０の機能により、バッテリ６０の充放電が実現されると共に燃料電池２のＦＣ電圧が制御される。なお、ＦＣ電圧の下限値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０による制御限界値まで許容される。

バッテリ６０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０との間には、車両補機やＦＣ補機などの補機類１２０がインバータ（図示省略）を介して接続されている。バッテリ６０は、これら補機類１２０の電源となる。なお、車両補機とは、車両の運転時などに使用される種々の電力機器（照明機器、空調機器、油圧ポンプなど）をいい、ＦＣ補機とは、燃料電池４０の運転に使用される種々の電力機器、例えば、上記した弁１３、循環ポンプ１４、エアコンプレッサ７２及び調圧弁７３などをいう。ただし、他の実施態様では、バッテリ６０側にトラクションモータ１１５及びインバータ１１０を接続してもよい。

制御装置８０は、内部にＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを備えたマイクロコンピュータとして構成される。ＣＰＵは、制御プラグラムに従って所望の演算を実行して、後述する燃料電池４０の運転動作点の変更など、種々の処理や制御を行う。ＲＯＭは、ＣＰＵで処理する制御プログラムや制御データを記憶する。ＲＡＭは、主として制御処理のための各種作業領域として使用される。

制御装置８０は、電圧センサ１４０、電流センサ１５０、燃料電池４０の温度を検出する温度センサ５０、バッテリ６０の充電状態を検出するＳＯＣセンサ、燃料電池システム１がおかれる環境温度を検出する外気温センサ、及び、燃料電池車両のアクセルペダルの開度を検出するアクセルペダルセンサなどからセンサ信号を入力する。そして、制御装置８０は、各センサ信号に基づき当該システム各部を中枢的に制御する。特に、制御装置８０は、低温始動時など燃料電池４０を急速暖機する必要がある場合には、燃料電池４０の運転動作点をシフトし、ＲＯＭに格納されている各種マップを利用して発電効率の低い運転を行う。

図２を参照して、燃料電池４０の運転動作点（電流、電圧）について詳細に説明する。なお、以下の説明では、運転動作点を単に「動作点」と略記する。

図２（ａ）、（ｂ）は、異なる動作点で燃料電池４０を運転したときのＦＣ出力Ｐ_fcと電力損失Ｐ_lossとの関係を示す図であり、横軸にＦＣ電流Ｉ_fc、縦軸にＦＣ電圧Ｖ_fcをあらわしている。また、図２に示すＯＣＶ（Open Circuit Voltage；開回路電圧）は、燃料電池４０に電流を流していない状態での電圧をあらわし、Ｖ_thは、燃料電池４０の理論起電圧をあらわす。一例を示すと、燃料電池４０の単セルが４００枚では、ＯＣＶが４００Ｖとなり、セル理論起電圧１．２３ＶのもとではＶ_thが４９２Ｖとなる。

図２に示す電流・電圧特性（以下、「ＩＶ特性」という。）が得られる燃料電池４０においては、ＦＣ出力Ｐ_fcに対して電力損失Ｐ_lossの小さな動作点Ｑ₁（Ｉ_fc1、Ｖ_fc1）にて運転されるのが一般的である（図２（ａ）参照）。しかしながら、燃料電池４０を急速暖機する場合には、燃料電池４０の内部温度を上昇させる必要がある。本実施形態では、必要なＦＣ出力Ｐ_fcを確保しつつ電力損失Ｐ_lossの大きな動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）にシフトして運転する（図２（ｂ）参照）。電力損失Ｐ_lossは熱エネルギーとして、燃料電池４０を自己発熱させてその内部温度を上昇させるのに積極的に活用される。

ここで、図２（ａ）、（ｂ）に示す各動作点でのＦＣ出力Ｐ_fc及び電力損失Ｐ_lossの関係を示せば次の通りである。
＜動作点Ｑ₁（Ｉ_fc1、Ｖ_fc1）について＞
Ｉ_fc1 ×Ｖ_fc1＝Ｐ_fc1 ・・・（３）
Ｉ_fc1 ×Ｖ_th−Ｐ_fc1＝Ｐ_loss1 ・・・（４）
＜動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）について＞
Ｉ_fc2 ×Ｖ_fc2＝Ｐ_fc2 ・・・（５）
Ｉ_fc2 ×Ｖ_th−Ｐ_fc2＝Ｐ_loss2 ・・・（６）
＜ＦＣ出力Ｐ_fcと電力損失Ｐｌｏｓｓの関係＞
Ｐ_fc1＝Ｐ_fc2 ・・・（７）
Ｐ_loss1＜Ｐ_loss2 ・・・（８）

図３は、動作点をシフトしながら燃料電池４０を運転したときのＦＣ出力Ｐ_fcの変化をあらわす図であり、横軸にＦＣ電流、縦軸にＦＣ電圧及びＦＣ出力をあらわしている。なお、図３では、説明の便宜上、燃料電池４０のＩＶ特性を示す線（以下、「ＩＶライン」という。）を直線であらわす。また、ＩＶライン上の動作点Ｑ₁（Ｉ_fc1、Ｖ_fc1）及びＱ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）は、図２に示す動作点Ｑ₁（Ｉ_fc1、Ｖ_fc1）及びＱ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）に対応するものとする。

図３に示すように、最大ＦＣ出力Ｐ_fcmaxが得られる最大出力動作点（Ｉ_fcmax、Ｖ_fcmax）を中心に、図示左側に示すＩＶライン上の動作点ではＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴ってＦＣ出力Ｐ_fcは増大する一方、図示右側に示すＩＶライン上の動作点ではＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴ってＦＣ出力Ｐ_fcは減少する。

前述したように、電力損失Ｐ_lossは、ＦＣ電圧Ｖ_fcが低下するにつれて増大する。このため、燃料電池４０を運転して同一の電力を出力する場合であっても、最大出力動作点の右側に示すＩＶライン上の動作点（例えば、動作点Ｑ₂）で運転する方が、最大出力動作点の左側に示すＩＶライン上の動作点（例えば、動作点Ｑ₁）で運転するよりも電力損失Ｐ_lossは大きい。よって、以下の説明では、ＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴ってＦＣ出力Ｐ_fcが増大するＩＶライン上の動作点を含む領域を、通常発電の領域と定義する。また、ＦＣ電圧Ｖ_fcの低下に伴ってＦＣ出力Ｐ_fcが減少するＩＶライン上の動作点を含む領域を、低効率発電の領域と定義する。

通常発電及び低効率発電の各動作点を表せば次の通りである。
＜通常発電の動作点（Ｉ_fc、Ｖ_fc）について＞
Ｉ_fc≦Ｉ_fcmax ・・・（９）
Ｖ_fcmax≦Ｖ_fc ・・・（１０）
＜低効率発電の動作点（Ｉ_fc、Ｖ_fc）について＞
Ｉ_fcmax＜Ｉ_fc ・・・（１１）
Ｖ_fc＜Ｖ_fcmax ・・・（１２）

通常発電の場合、エアストイキ比は１．０以上に設定される。エアストイキ比とは酸素余剰率をいい、水素と過不足なく反応するのに必要な酸素に対して供給される酸素がどれだけ余剰であるかを示す。一方、低効率発電の場合、エアストイキ比は１．０未満に設定され、燃料電池４０への酸化ガスの供給は不足した状態となる。燃料電池４０のＦＣ電流Ｉ_fcは、酸化ガス量（エアストイキ比）で制御される。なお、酸化ガス量（エアストイキ比）は上記のとおりエアコンプレッサ７２のモータの回転数によって制御される。

低効率発電の動作点の目標値（ＦＣ電流目標値Ｉ_req、ＦＣ電圧目標値Ｖ_req）は、ＦＣ出力指令値Ｐ_ref（つまり、要求出力値）及びＦＣ自己発熱指令値Ｌ_ref（つまり、要求自己発熱値）に基づいて、以下のとおり求められる。
Ｉ_req＝（Ｐ_ref＋Ｌ_ref）／Ｖ_th・・・（１３）
Ｖ_req＝Ｐ_ref／Ｉ_req＝Ｐ_ref／｛（Ｐ_ref＋Ｌ_ref）／Ｖ_th｝・・・（１４）

ここで、ＦＣ出力指令値Ｐ_refは、燃料電池システム１００の要求パワーである。ＦＣ自己発熱指令値Ｌ_refは、燃料電池４０を急速暖機するのに必要な発熱量であり、例えば外気温センサや温度センサ５０の検出結果を加味して設定される。ユーザの要求等により、ＦＣ出力指令値Ｐ_ref又はＦＣ自己発熱指令値Ｌ_refが低効率発電時に変化すると、燃料電池４０の動作点の目標値が変更する。動作点の目標値の変更は、通常発電の領域から低効率発電領域、及びその逆、並びに各領域内で行われる。

図４は、動作点のシフト処理を示すフローチャートであり、図５は、動作点をシフトする手法を示す図である。以下の説明では、燃料電池４０の動作点を低効率発電の領域内で変更する場合を想定する。一例として、図３及び図５に示す現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から目標の動作点Ｑ₃（Ｉ_fc3、Ｖ_fc3）への変更処理を説明する。なお、図５に示す動作点Ｑ₃を通る曲線は、動作点Ｑ₃と同じパワー（ＦＣ出力）を示す等パワーラインであり、ＦＣ出力指令値Ｐ_refとの関係は以下のとおりである。
Ｐ_ref＝Ｉ_fc3 × Ｖ_fc3 ・・・（１５）

制御装置８０は、まず、燃料電池４０の急速暖機が必要か否かを判断する（ステップＳ１）。具体的には、外気温センサや温度センサ５０によって検出される温度が低温（例えば０℃以下）でない場合には、急速暖機は必要ないと判断される（ステップＳ１：Ｎｏ）。一方で、検出温度が低温（例えば０℃以下）である場合には、急速暖機が必要であると判断され（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、現時点の動作点（ここでは、Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2））が確認される（ステップＳ２）。

次に、制御装置８０は、ＦＣ出力指令値Ｐ_ref及びＦＣ自己発熱指令値Ｌ_refから目標の動作点を導出する（ステップＳ３）。ここでは、目標の動作点として、動作点Ｑ₃（Ｉ_fc3、Ｖ_fc3）を導出する。

次いで、制御装置８０は、現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）からの単位時間当たりの電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶに制限を設定する（ステップＳ４）。電流変化量Δ
Ｉ及び電圧変化量ΔＶは、燃料電池システム１００の能力を超えない値に設定される。具
体的には、電流変化量ΔＩは、エアコンプレッサ７２の応答性が満足できる電流レートに
設定される。電圧変化量ΔＶは、燃料電池４０の容量成分による充放電を抑制可能な電圧
レートに設定される。このような制限を設けることで、エアコンプレッサ７２の制御値が不安定になってエアコンプレッサ７２のモータの回転数変動による動作点の変化が発生することを抑制できると共に、燃料電池４０の容量成分の充放電を抑制できる。

そして、制御装置８０は、電流変化量ΔＩ及び電圧変化量ΔＶから出力変化の最大値Ｐ
_max及び最小値Ｐ_minを次のとおり算出する。また、制御装置８０は、最大値を出力変化最大値Ｐ_maxとする上限処理と、最小値を出力変化最小値Ｐ_minとする下限処理とを行い、変更できる動作可能領域Ｓｓ１（つまり、ＦＣ出力変化許可値）を算出する。動作可能領域Ｓｓ１は、図５に示す四角形の枠内の領域である。したがって、ステップＳ４によれば、制御装置８０は、動作可能領域Ｓｓ１外への動作点の変更を制限することになる。
Ｐ_max＝（Ｉ_fc2 ＋ ΔＩ）×（Ｖ_fc2 ＋ ΔＶ） ・・・（１５）
Ｐ_min＝（Ｉ_fc2 ＋ ΔＩ）×（Ｖ_fc2 ＋ ΔＶ） ・・・（１６）

次に、制御装置８０は、現在動作点と目標動作点から動作可能領域を更に限定する（ステップＳ５）。具体的には、制御装置８０は、現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）及び目標の動作点Ｑ₃（Ｉ_fc3、Ｖ_fc3）から電流及び電圧の変化方向を限定し、さらにその限定範囲を動作点Ｑ₃の電流Ｉ_fc3及び電圧Ｖ_fc3をオーバーシュート及びアンダーシュートしない範囲に限定することで、変更可能な動作可能領域Ｓｓ２を求める。以上のステップＳ４及びＳ５によれば、現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から変更できる動作点は、動作可能領域Ｓｓ１及びＳｓ２の重複する斜線で示す領域Ｓｓ３となる。

ところが、目標の動作点Ｑ₃（Ｉ_fc3、Ｖ_fc3）は領域Ｓｓ３外に位置する。そこで、制御装置８０は、動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から動作点Ｑ₃（Ｉ_fc3、Ｖ_fc3）に変更する際に経由する次回の動作点Ｑ_a（Ｉ_fca、Ｖ_fca）を、斜線領域Ｓｓ３内で決定する（ステップＳ６）。ここで、次回の動作点Ｑ_aは、領域Ｓｓ３内であれば限定されるものではないが、好ましくはＦＣ出力指令値Ｐ_refを達成する等パワーライン上の動作点に決定されるとよい。こうすることで、次回の動作点Ｑ_aでも最終的なＦＣ出力指令値Ｐ_refを満たすことができる。この場合には、以下の関係式が成り立つこととなる。
Ｉ_fca × Ｖ_fca＝Ｉ_fc3 × Ｖ_fc3＝Ｐ_ref ・・・（１７）

次いで、制御装置８０は、動作点のシフトを開始し、現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から次回の動作点Ｑ_a（Ｉ_fca、Ｖ_fca）に変更する（ステップＳ７）。この際、制御装置８０は、動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から動作点Ｑ_a（Ｉ_fca、Ｖ_fca）に最短で移動できる動作点遷移ルートをたどるよう、ＦＣ電圧Ｖ_fc及びＦＣ電流Ｉ_fcを制御する。具体的には、制御装置８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０を用いてＦＣ電圧Ｖ_fcを制御し次回の電圧Ｖ_fcaまで上昇させると共に、エアコンプレッサ７２を制御して燃料電池４０への酸化ガス量を調整することで（ここでは酸化ガス量を絞ることで）、ＦＣ電流Ｉ_fcを次回の電流Ｉ_fcaまで低下させる。

次回の動作点Ｑ_a（Ｉ_fca、Ｖ_fca）への変更後、制御装置８０は、さらに動作点のシフトを開始し、動作点Ｑ_a（Ｉ_fca、Ｖ_fca）から目標の動作点Ｑ₃（Ｉ_fc3、Ｖ_fc3）に変更する（ステップＳ８）。この場合、制御装置８０は、等パワーライン上の移動にて動作点Ｑ₃（Ｉ_fc3、Ｖ_fc3）に到達するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０及びアコンプレッサ７２を制御することでＦＣ電圧Ｖ_fc及びＦＣ電流Ｉ_fcを制御する。かかる制御により、燃料電池４０のＦＣ出力Ｐ_fcは一定に保たれながら、目標の動作点Ｑ₃への変更が完了する。

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１００によれば、低効率発電の領域で燃料電池４０の動作点を変更する場合に、電流及び電圧にレート処理を行うことで、補機損変動（エアコンプレッサ７２の変動）を抑制できると共に燃料電池４０の容量成分の充放電を抑制できる。よって、燃料電池４０の出力精度を向上できる。特に、動作点の一連の変更過程において、ＦＣ電流Ｉ_fc及びＦＣ電圧Ｖ_fcを上下に上げたり下げたりしなくて済むと共に、ＦＣ出力Ｐ_fcをなりゆきでなく管理できるので、燃料電池４０の動作点を好適に変更できる。また、エアの補機（エアコンプレッサ７２）の追従性を電力制御系で適切に確保できる。

Ｂ．変形例
次に、燃料電池システム１００の変形例について説明する。

変形例１
図６は、変形例１に係る動作点をシフトする手法を示す図であり、図７は、変形例１に係る動作点のシフト処理を示すフローチャートである。以下の説明では、燃料電池４０の動作点を低効率発電の領域内で変更する場合を想定し、図６に示す現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から目標の動作点Ｑ₄（Ｉ_fc4、Ｖ_fc4）への変更処理を例に説明する。

制御装置８０は、図７に示すように、上記実施形態と同様のステップＳ１〜Ｓ５を実行する。例えば、制御装置８０は、ステップＳ４によって、電流変化量ΔＩ及び電圧変化量
ΔＶに制限を設定し、動作可能領域Ｓｓ１を設定する。また、制御装置８０は、ステップ
Ｓ５によって、現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）及び目標の動作点Ｑ₄（Ｉ_fc4、Ｖ_fc4）から電流及び電圧の変化方向を限定し、さらにその限定範囲を動作点Ｑ₄の電流Ｉ_fc4及び電圧Ｖ_fc4をオーバーシュート及びアンダーシュートしない範囲に限定することで、変更可能な動作可能領域Ｓｓ２を求める。その結果、現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から変更できる動作点は、動作可能領域Ｓｓ１及びＳｓ２の重複する斜線で示す領域Ｓｓ３となる。

次いで、制御装置８０は、領域Ｓｓ３内で次回動作点Ｑ_b（Ｉ_fcb、Ｖ_fcb）を選択するが、上記実施形態と異なり、領域Ｓｓ３内には、ＦＣ出力指令値Ｐ_refを達成する等パワーライン上の動作点が存在しない。このため、制御装置８０は、ＦＣ出力指令値Ｐ_refを満たす動作点を選択できない。この場合には、制御装置８０は、領域Ｓｓ３内でＦＣ出力指令値Ｐ_refに最も近いＦＣ出力Ｐ_fcを満たす動作点を、次回動作点Ｑ_b（Ｉ_fcb、Ｖ_fcb）として決定するとよい（ステップＳ６´）。こうすることで、一旦経由する次回の動作点Ｑ_bにおいて、ＦＣ出力指令値Ｐ_refをできるだけ満たすことができる。

現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）、次回の動作点Ｑ_b（Ｉ_fcb、Ｖ_fcb）、及び目標の動作点Ｑ₄（Ｉ_fc4、Ｖ_fc4）の関係は以下のとおりである。
Ｉ_fc2＜Ｉ_fcb＜Ｉ_fc4 ・・・（１８）
Ｖ_fc2＜Ｖ_fcb＝Ｖ_fc4 ・・・（１９）

次いで、制御装置８０は、現在の動作点Ｑ₂（Ｉ_fc2、Ｖ_fc2）から次回の動作点Ｑ_b（Ｉ_fcb、Ｖ_fcb）に変更する（ステップＳ７）。その後、制御装置８０は、さらに動作点のシフトを開始し、動作点Ｑ_b（Ｉ_fcb、Ｖ_fcb）から目標の動作点Ｑ₄（Ｉ_fc4、Ｖ_fc4）に変更する（ステップＳ８）。いずれのシフト処理の場合も、制御装置８０は、最初の動作点から変更後の動作点に最短で移動できる動作点遷移ルートをたどるよう、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０及びエアコンプレッサ７２を制御することでＦＣ電圧Ｖ_fc及びＦＣ電流Ｉ_fcを制御する。

このように、変形例１によれば、次回動作点を目標の動作点Ｑ₄（Ｉ_fc4、Ｖ_fc4）の等パワーライン上に設定できない場合であっても、上記実施形態と同様に、燃料電池４０の動作点を好適に変更できる。

変形例２
上述した実施形態では、酸化ガス量を調整することでＦＣ電流Ｉ_fcを制御したが、酸化ガス圧を調整することでＦＣ電流Ｉ_fcを制御してもよい。具体的には、制御装置８０は、低効率発電の際には、燃料電池４０に供給される酸化ガスの圧力が通常発電時よりも低下するように調圧弁７３を制御することで、ＦＣ電流Ｉ_fcを制御してもよい。

また、ＦＣ電流Ｉ_fcの制御は、燃料電池４０への酸化ガスの状態を調整することで行うのではなく、燃料ガスの状態を調整することで行ってもよい。例えば、制御装置８０は、低効率発電の際には、燃料電池４０に供給される燃料ガスの量が通常発電時よりも低下するように弁１３やポンプ１４を制御することで、ＦＣ電流Ｉ_fcを制御してもよい。あるいは、制御装置８０は、低効率発電の際には、燃料電池４０に供給される燃料ガスの圧力が通常発電時よりも低下するように弁１３を制御することで、ＦＣ電流Ｉ_fcを制御してもよい。

実施形態に係る燃料電池システムの要部を示す構成図である。 実施形態に係る燃料電池の出力電力と電力損失との関係を示す図であり、（ａ）は通常発電の場合、（ｂ）は低効率発電の場合を示す図である。 実施形態に係る燃料電池の動作点をシフトしながら運転したときのＦＣ出力の変化をあらわす図である。 実施形態に係る燃料電池の動作点のシフト処理を示すフローチャートである。 実施形態に係る燃料電池の動作点をシフトする手法を示す図である。 変形例１に係る燃料電池の動作点をシフトする手法を示す図である。 変形例１に係る燃料電池の動作点のシフト処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１３・・・弁（ガス調整手段）、１４・・・ポンプ（ガス調整手段）、４０・・・燃料電池、７２・・・エアコンプレッサ（ガス調整手段）、７３・・・調圧弁（ガス調整手段）、８０・・・制御装置、１００・・・燃料電池システム

Claims (7)

1. 反応ガスの供給により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池に供給される反応ガスの状態を調整するガス調整手段と、
   前記ガス調整手段を制御することで前記燃料電池の出力電流を制御し、当該燃料電池の運転動作点を変更する制御装置と、を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記制御装置は、通常発電に比して電力損失が大きな低効率発電の領域で前記燃料電池の運転動作点を変更する際に、単位時間当たりの電流変化量及び電圧変化量に制限を設定し、この設定した制限値から前記燃料電池の出力変化許容値を算出し、当該出力変化許容値外への運転動作点の変更を制限する、燃料電池システム。
2. 前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力値及び前記燃料電池の要求自己発熱値に基づいて前記燃料電池の目標の運転動作点を算出し、その算出された目標の運転動作点をオーバーシュート又はアンダーシュートしないように、現在の運転動作点から当該目標の運転動作点に変更する際に経由する次回の運転動作点を決定する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御装置は、前記次回の運転動作点として、前記燃料電池の要求出力値を満たす運転動作点を選択する、請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記制御装置は、前記燃料電池の要求出力値を満たした後、その要求出力値を維持しながら前記次回の運転動作点から前記目標の運転動作点に変更する、請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記制御装置は、前記次回の運転動作点として、前記燃料電池の要求出力値を満たす運転動作点を選択できない場合、当該要求出力値に最も近い出力値を満たす運転動作点を選択する、請求項２に記載の燃料電池システム。
6. 前記ガス調整手段は、前記燃料電池に酸化ガスを供給する供給機、及び前記燃料電池から排出される酸化剤オフガスを調圧する調圧弁の少なくとも一つを含む、請求項１ないし５のいずれか一項に記載の燃料電池システム。
7. 前記制御装置は、前記低効率発電の際に、前記通常発電時よりも前記燃料電池への酸化ガスの供給流量及び供給圧力の少なくとも一つが低下するように前記ガス調整手段を制御する、請求項６に記載の燃料電池システム。

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