WO1999067846A1

WO1999067846A1 - Systeme de pile a combustible et procede de commande de pile

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Publication number: WO1999067846A1
Application number: PCT/JP1999/002909
Authority: WO
Inventors: Masayoshi Iwase
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 1998-06-25
Filing date: 1999-05-31
Publication date: 1999-12-29
Also published as: EP1091437A4; US20010018138A1; BR9912195A; CZ299893B6; CZ20004840A3; BR9912195B1; CA2333122A1; JP2000012059A; RU2226018C2; PL192917B1; US20040048119A1; ES2318894T3; PL344400A1; EP1091437A1; US6656618B2; EP1091437B1; CN1307735A; DE69940431D1; US7476457B2; KR20010052874A

Description

明細書燃料電池システム及び電池制御方法技術分野

本発明は、エネルギ変換効率の高い状態で燃料電池を動作させることが可能な燃料電池システム及び電池制御方法に関するものである。背景技術

例えば、電気自動車に搭載され得る従来の燃料電池システムは、図 5に示すように、メタノール及び水などの燃料 1 2 4をポンプ 1 2 6を介して改質器 1 2 8 に投入し、改質器 1 2 8において、燃料 1 2 4からメタノールの水蒸気改質反応によって水素などの燃料ガスを生成し、その生成した燃料ガスと空気 1 3 0とを燃料電池 1 3 6に流入し、燃料電池 1 3 6において、燃料ガスと空気 1 3 0を用いて電気化学反応により起電力を発生する。そして、燃料電池 1 3 6で発生した電力と燃料電池 1 3 6に並列に接続されたバッテリ 1 4 0から出力される電力とをインバー夕 1 4 4に供給し、モータ 1 4 6を駆動して、電気自動車の推進力を得ている。

制御部 1 2 0は、アクセルペダルポジションセンサ 1 2 2によって検出される電気自動車のアクセル開度から、インバータ 1 4 4の要求出力（要求電力）を算出すると共に、算出した要求出力に基づいてインバータ 1 4 4を制御して、要求出力に相当する電力がインバータ 1 4 4を介してモータ 1 4 6に供給されるようにしている。

即ち、インバータ 1 4 4の要求出力に対し、燃料電池 1 3 6からは、これを賄うように電力が出力され、そして、燃料電池 1 3 6からの電力だけで賄いきれない場合には、バッテリ 1 4 0から、その不足分の電力が出力されて、インバータ 1 4 4に供給される。従って、燃料電池 1 3 6の出力電力は、インバータ 1 4 4 の要求出力に依存している。

また、燃料電池 1 3 6は、インバータ 1 4 4からいくら電力の出力要求が出されていても、その電力を出力するのに十分な燃料ガスが改質器 1 2 8から燃料電池 1 3 6に供給されていなければ、要求通りの電力を出力することはできない。従って、燃料電池 1 3 6の出力電力は、燃料電池 1 3 6に供給される燃料ガスの量（ガス流量）にも依存している。

また、インバー夕 1 4 4の要求出力に応じて燃料電池 1 3 6に供給される燃料ガスの量を調整するために、制御部 1 2 0は、インバー夕 1 4 4の要求出力に基づいてポンプ 1 2 6を駆動し、改質器 1 2 8に投入される燃料 1 2 4の量を制御している。

しかし、改質器 1 2 8では、投入される燃料 1 2 4の量が増加（または減少）しても、生成される燃料ガスの量はすぐには増加（または減少）せず、 2〜2 0 秒ほどのタイムラグを生じて増加（または減少）する。従って、燃料電池 1 3 6 において必要とされる燃料ガスの量と燃料電池 1 3 6に実際に供給される燃料ガスの量（ガス流量）とは必ずしも一致するわけではない。

上記したように、従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池の出力電力はインバー夕の要求出力や燃料電池に供給される燃料ガスの量（ガス流量）に依存しており、従って、燃料電池 1 3 6の動作ポイントは、インバー夕の要求出力やガス流量などによって成り行きで決まっていた。

図 6は一般的な燃料電池における出力電力と発電効率との関係を燃料電池に供給される燃料ガスの量（ガス流量）をパラメータとして示した特性図、図 7は一般的な燃料電池における出力電力とその電力を発生させるのに必要な燃料ガスの量との関係を示した特性図である。

従って、上記した従来の燃料電池システムにおいては、図 6に示すように、燃料電池は、発電効率の高い動作ボイン卜 aで動作することが可能であるにも関わらず、ガス流量などによって動作ポイントが成り行きで決定されるため、例えば、発電効率の低い動作ポイント bで動作している場合があった。

また、上記した従来の燃料電池システムにおいては、図 7に示すように、改質器から燃料電池に、出力電力 W cを発生させるだけの量 Q cの燃料ガスが供給されている場合でも、インバー夕の要求出力などによって動作ポイントが成り行きで決定されるため、燃料電池は、例えば、出力電力が W dしか発生しないような動作ポイント dで動作している場合があった。このような場合、出力電力 W dを発生させるのに必要な燃料ガスの量は本来 Q dで良いため、 Q c— Q dの量の燃料ガスが無駄になっており、燃料ガスの利用率が低かった。

このように、従来の燃料電池システムにおいて、燃料電池の動作ポイントは、インバー夕の要求出力やガス流量などによって成り行きで決定されているため、燃料電池は、必ずしも、発電効率の高い動作ポイントやガス利用率の高い動作ポイン卜で動作していなかった。

なお、発電効率とガス利用率とはトレードオフの関係にあるため、両者を共に高くすることは困難であるが、両者の積を最大にすることによって、発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることは可能である。この場合、発電効率とガス利用率の積は、燃料電池のエネルギ変換効率として表すことができる。

従って、本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、燃料電池のェネルギ変換効率を高くすることが可能な燃料電池システムを提供することにある。発明の開示

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第 1の燃料電池システ厶は、ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池を備え、発生された電力を負荷に与える燃料電池システムであって、

前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出するガス流量関連量検出手段と、検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流— 出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ボイン卜で前記燃料電池を動作させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制御する制御手段と、

を備えることを要旨とする。

また、本発明の第 1の電池制御方法は、ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池を制御するための電池制御方法であって、

( a ) 前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出する工程と、

( b ) 検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出す工程と、

( c ) 導き出した前記動作ポイントで前記燃料電池を動作させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制御する工程と、

を備えることを要旨としている。

このように、本発明の第 1の燃料電池システム及び電池制御方法では、燃料電池に供給されるガスの流量に関連したガス流量関連量を検出し、そのガス流量関連量に対応して、燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ボイン卜を導き出す。そして、その動作ポイントで燃料電池を動作させるように、燃料電池から取り出すべき電力を制御する。

従って、本発明の第 1の燃料電池システム及び電池制御方法によれば、ガス流量関連量に対応して出力電流一出力電圧特性に関連した動作ボイン卜を導き出す際、その出力電流—出力電圧特性の中で最もエネルギ変換効率の高い動作ポイン卜を導き出すようにすれば、燃料電池をエネルギ変換効率の最も高い動作ポイン卜で動作させることが可能となり、延いては、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることができる。

本発明の第 2の燃料電池システムは、ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力または前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料電池システムであって、

前記燃料電池に供給される前記ガスの流量に関連したガス流量関連量を検出するガス流量関連量検出手段と、

検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ボイン卜を導き出し、該動作ボイン卜で前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求め、求めた 2つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する制御手段と、を備えることを要旨とする。

また、本発明の第 2の電池制御方法は、ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力または前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料電池システムにおける、前記二次電池を制御するための電池制御方法であつて、

( c )導き出した前記動作ボイン卜で前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求める工程と、

( d ) 求めた前記 2つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する工程と、

を備えることを要旨とする。このように、本発明の第 2の燃料電池システム及び電池制御方法では、燃料電池に供給されるガスの流量に関連したガス流量関連量を検出し、そのガス流量関連量に対応して、燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ボイン卜を導き出す。そして、その動作ポイントで燃料電池を動作させるために必要な、燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、負荷に与えるべき電力を求め、求めた 2つの電力に基づいて二次電池から出力すべき電力または二次電池に蓄積すべき電力を制御する。このように二次電池の電力を制御することによって、燃料電池からは上記のように求めた電力を取り出すことができ、燃料電池を上記動作ポイントで動作させることができる。

従って、本発明の第 2の燃料電池システム及び電池制御方法によれば、ガス流量関連量に対応して出力電流—出力電圧特性に関連した動作ボイン卜を導き出す際に、最もエネルギ変換効率の高い動作ポイントを導き出すようにすれば、上記したような制御を行なうことによって、燃料電池をそのような動作ポイントで動作させることが可能となり、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることが可能となる。

本発明の第 2の燃料電池システムにおいて、

前記二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサをさらに備えると共に、前記制御手段は、求めた前記 2つの電力の他、前記二次電池の充電量にも基づいて、前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御することが望ましい。

また、本発明の第 2の電池制御方法において、

( e ) 前記二次電池の充電量を検出する工程をさらに備えると共に

前記工程（d ) は、求めた前記 2つの電力の他、検出された前記充電量にも基づいて、前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する工程を含むことが望ましい。

一般に、二次電池の出力電力の特性は、二次電池の充電量に依存するからである。また、二次電池の充電量が満充電に近い場合には、二次電池に電力を蓄積することは不可能であるので、そのような場合には電力を蓄積しないように制御する必要があるからである。

本発明の第 1または第 2の燃料電池システムにおいて、

前記制御手段は、前記出力電流 -出力電圧特性において、エネルギ変換効率が最も高いポイントを前記動作ポイントとして導き出すことが望ましい。

本発明の第 1または第 2の電池制御方法において、

前記工程（b ) では、前記出力電流一出力電圧特性において、エネルギ変換効率が最も高いボイン卜を前記動作ボイン卜として導き出すことが望ましい。このような動作ポイントを導き出すことによって、燃料電池をエネルギ変換効率が最も高い動作ポイントで動作させることが可能となる。

本発明の第 3の燃料電池システムは、

燃料ガスと酸化ガスの供給を受け、該燃料ガスと酸化ガスを用いて電気化学反応を生じさせることにより、電力を発生する燃料電池と、

該燃料電池に供給される前記燃料ガスまたは酸化ガスの流量を検出する流量センサと、

電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力する二次電池と、

該二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサと、

前記燃料電池または前記二次電池からの電力の供給を受けて、モータを駆動するインバー夕と、

前記燃料電池から出力された電圧を昇圧または減圧して、前記二次電池及びィンバ一夕に並列に印加するコンバー夕と、

検出された前記流量に対応して、前記燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、外部からの情報に基づいて前記ィンバー夕に供給すべき電力を求め、求めた 2つの電力と検出された前記充電量に基づいて、前記コンバータから出力される電圧を調整する制御部と、

を備えることを要旨とする。

本発明の第 3の燃料電池システムでは、流量センサが、燃料電池に供給される燃料ガスまたは酸化ガスの流量を検出する。二次電池充電量センサは、二次電池の充電量を検出する。インバータは、燃料電池または二次電池からの電力の供給を受けて、モータを駆動する。コンバータは、燃料電池から出力された電圧を昇圧または減圧して、二次電池及びインバー夕に並列に印加する。制御部は、流量センサによって検出された流量に対応して、燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、その動作ポイントで燃料電池を動作させるために必要な、燃料電池から取り出すべき電力を求める。また、別に、外部からの情報に基づいてインバー夕に供給すべき電力を求める。そして、求めた 2つの電力と二次電池充電量センサによつて検出された充電量とに基づいて、コンバ一夕から出力される電圧を調整する。この結果、この電圧が印加される二次電池の電力（出力される電力または蓄積される電力）が所望の値に調整されて、燃料電池からは上記のように求めた電力を取り出すことができ、燃料電池を上記動作ボイン卜で動作させることができる。

従って、本発明の第 3の燃料電池システムによれば、流量に対応して出力電流 -出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出す際に、最もエネルギ変換効率の高い動作ポイントを導き出すようにすれば、上記したような制御を行なうことによつて、燃料電池をそのような動作ボイン卜で動作させることが可能となり、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることが可能となる。本発明は、以下のような他の態様を採ることも可能である。即ち、その態様は、上記した第 1ないし第 3の燃料電池システムを搭載した電気自動車である。この電気自動車では、燃料電池から電力の供給を受ける負荷としてモータを用い、そのモータの駆動によって、電気自動車の推進力等を得るようにする。このように第 1ないし第 3の燃料電池システムを電気自動車に搭載することによって、エネルギ変換効率の高い電気自動車を実現することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。

図 2は、図 1の燃料電池システムにおける処理動作の流れを示すフローチヤ一卜である。

図 3は、図 1の燃料電池 3 6における、ガス流量をパラメータとした出力電流 —出力電圧特性の一例を示す特性図である。

図 4は、図 1のバッテリ 4 0における、 S O Cをパラメータとした出力電流一出力電圧特性の一例を示す特性図である。

図 5は、従来の燃料電池システムの構成を示す構成図である。

図 6は、一般的な燃料電池における出力電力と発電効率との関係を燃料電池に供給される燃料ガスの量（ガス流量）をパラメータとして示した特性図である。図 7は、一般的な燃料電池における出力電力とその電力を発生させるのに必要な燃料ガスの量との関係を示した特性図である。発明の実施するための最良の形態

以下、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明する。図 1は本発明の一実施例としての燃料電池システムの構成を示す構成図である。なお、本実施例の燃料電池システムは電気自動車に搭載されているものとする。

それでは、図 1に示す燃料電池システムの構成及び概略的な動作について説明する。図 1に示す燃料電池システムは、制御部 2 0と、アクセルペダルポジションセンサ 2 2と、ポンプ 2 6と、改質器 2 8と、流量センサ 3 2， 3 4と、燃料電池 3 6と、 D C Z D Cコンバータ 3 8と、ノ\ 'ッテリ 4 0と、 S O Cセンサ 4 2 と、インバータ 44と、モータ 46と、を主として備えている。

ポンプ 26は、制御部 20からの制御信号によって制御されることより、メタノール及び水などの燃料 2 を改質器 28に供給する。

改質器 28は、燃料 24として供給された水及びメタノールから、式（1 ) に示すメタノールの水蒸気改質反応によって、水素を含有する水素リッチガス（改質ガス）を生成する。

CH₃OH + H₂0→3 H₂+C0₂ - ( 1 )

燃料電池 36は、改質器 28にて生成された水素リッチガスを燃料ガスとして導入すると共に、空気 30を、酸素を含有する酸化ガスとして導入して、式（2) ~ (4) に示すような電気化学反応を行ない、電力を発生する。

H ₂ → 2 H + + 2 e- … （2)

2 H ⁺ + 2 e - + (1 /2) 0₂ → H₂0 … (3)

H₂+ (1 /2) 0₂ → H₂0 … （4)

本実施例においては、燃料電池 36は固体高分子型燃料電池で構成されており、電解質膜，アノード，力ソード，セパレー夕などから成る単セル（図示せず）を複数積層したスタック構造を成している。導入された水素リツチガスは燃料ガス流路（図示せず）を介して各単セルのアノードに供給され、式（2) に示す反応に供され、空気は酸化ガス流路（図示せず）を介して各単セルの力ソードに供給され、式（3) に示す反応に供される。なお、式（4) は燃料電池全体で起きる反応である。

流量センサ 32は、燃料電池 36への水素リツチガス供給路を流れる水素リッチガスの流量を検出し、また、流量センサ 34は、燃料電池 36への空気供給路を流れる空気の流量を検出して、それぞれ、その検出結果を制御部 20に送る。なお、流量センサ 32， 34は、必ずしも、水素リッチガスや空気の流量を直接的に検出するセンサである必要はなく、水素リッチガスや空気の流量に関連した量を検出することが可能なセンサであれば良い。燃料電池 36には、 DCZDCコンバータ 38を介してバッテリ 40とインバ一夕 44が並列に接続されており、燃料電池 36で発生された電力は、 DCZD Cコンバータ 38を介してインバータ 44に供給されると共に、場合によってはバッテリ 40にも供給される。

DCZDCコンバータ 38は、燃料電池 36から出力された電圧を昇圧または降圧して、ダイオード 39を介してインバータ 44及びバッテリ 40に並列に印加する。このとき、 DCZDCコンバータ 38は、制御部 20からの制御信号に従って、昇圧または降圧した電圧を調整する。

ダイ才ード 39は、 DCZDCコンバータ 38からインバータ 44ゃバッテリ 40に対し一方向にのみ電流が流れるようにしている。

バッテリ 40は、燃料電池 36から供給された電力や、場合によってはモータ 46からインバータ 44を介して回生された電力を蓄積したり、蓄積された電力をインバータ 44に供給したりする。本実施例では、二次電池として鉛蓄電池等のバッテリ 40を用いているが、ニッケル—カドミウム蓄電池、ニッケル一水素蓄電池、リチウム二次電池など他種の二次電池を用いることもできる。このバッテリ 40の電源容量は、電気自動車の予想される走行状態、即ち、予想される負荷の大きさや、併設される燃料電池 36の電源容量などによって決定される。

30〇センサ42は、バッテリ 40の充電量（SOC) を検出して、その検出結果を制御部 20に送る。具体的には、 30じセンサ42は、バッテリ 40における充電 ·放電の電流値と時間とを積算する SOCメータで構成されており、制御部 20は、この積算値を基にしてバッテリ 40の充電量を演算により求めている。また、このような SOCメータの代わりに、バッテリ 40の出力電圧を測定する電圧センサや、バッテリ 40の電解液の比重を測定する比重センサによって、 SOCセンサ 42を構成するようにしても良い。この場合、制御部 20は、それら測定値からバッテリ 40の充電量を求めるようにする。

インバータ 44は、燃料電池 36ゃバッテリ 40から供給された電力によってモータ 46を駆動する。具体的には、インバータ 44は、 DCZDCコンバータ

38ゃバッテリ 40から印加された直流電圧を、 3相交流電圧に変換してモータ

46に供給すると共に、このとき、制御部 20からの制御信号に従って、モータ 46に供給する 3相交流電圧の振幅（実際にはパルス幅）及び周波数を調節することによって、モータ 46で発生するトルクを制御している。

実際には、インバータ 44は、 6個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形 MOS F ET ( I G BT)) を主回路素子として構成されており、これらスィツチング素子のスイッチング動作を制御部 20からの制御信号によって制御されることにより、印加された直流電圧を所望の振幅及び周波数の三相交流電圧に変換している。

モータ 46は、例えば、三相同期モータで構成されており、燃料電池 36ゃモ一夕 46からインバータ 44を介して供給された電力によって駆動されて、駆動軸（図示せず）に卜ルクを発生させる。発生されたトルクはギヤ（図示せず）を介して電気自動車の車軸（図示せず）に伝達され、車輪に回転駆動力を与える。これにより、電気自動車に推進力が与えられて、電気自動車を走行させる。

また、アクセルペダルポジションセンサ 22は、電気自動車のアクセル開度を検出して、その検出結果を制御部 20に送る。

一方、制御部 20は、 C PU 20 aや、 ROM 20 bや、 RAM20 Cや、入出力ポー卜 20 dを備えている。このうち、 C PU 20 aは、制御プログラムに従って所望の演算を実行して、種々の処理や制御を行なう。また、 ROM 20 b は、上記した制御プログラムや、上記演算を実行する際に用いる制御データや、後述する燃料電池 36のガス流量をパラメータとした出力電流一出力電圧特性のデータや、バッテリ 40の充電量（SOC) をパラメータとした出力電流—出力電力特性のデータなどを予め格納している。 RAM 20 Cは、上記演算を実行したことによって得られる各種データを一時的に格納する。入出力ポー卜 20 dは、各種センサから送られてきた検出結果を入力して C PU 20 aに伝える共に、 C P U 2 0 aからの指示に従って、各構成要素に制御信号を出力する。

それでは、本実施例の燃料電池システムにおける処理動作について、図 2のフローチャー卜を用いながら詳しく説明する。

図 2は図 1の燃料電池システムにおける処理動作の流れを示すフローチヤ一卜である。図 2に示すように、まず、制御部 2 0がアクセルペダルポジションセンサ 2 2によって検出されたアクセル開度を取り込む（ステップ S 1 0 )。これによって、インバータ 4 4を介してモータ 4 6にどの程度の電力を送って電気自動車を走行させたいかという運転者の希望を、制御部 2 0が検知することができる。そこで、制御部 2 0は、その取り込んだアクセル開度から、インバータ 4 4に供給すべき電力（インバータ 4 4の要求出力）を算出する（ステップ S 1 2 )。また、制御部 2 0は、流量センサ 3 2によって検出された燃料ガスである水素リッチガスの流量をガス流量として取り込む（ステップ S 1 4 )。なお、式（4 ) で示したように電気化学反応で用いられる水素と酸素の量には一定の関係があるため、燃料ガスである水素リッチガスの流量を取り込む代わりに、流量センサ 3 4によって検出された酸化ガスである空気の流量をガス流量として取り込んでも良い。また、水素リッチガス及び空気の流量を共に取り込むようにしても良い。ところで、前述したように、制御部 2 0内の R O M 2 0 bには、燃料電池 3 6 における、ガス流量をパラメータとした出力電流一出力電圧特性のデータが格納されている。

図 3は図 1の燃料電池 3 6における、ガス流量をパラメータとした出力電流— 出力電圧特性の一例を示す特性図である。図 3において、縦軸は燃料電池 3 6の出力電圧を表し、横軸は出力電流を表している。

図 3に示すように、燃料電池 3 6の出力電流一出力電圧特性は、燃料電池 3 6 に流入される燃料ガスの流量（ガス流量）によって変化しており、ガス流量が或る値に決まれば、そのガス流量での出力電流一出力電圧特性が一意的に決まる。図 3では、ガス流量が小さい順に、特性 F 1， F 2 , F 3 , F 4となっている。従って、 R O M 2 0 bには、各ガス流量毎に、そのガス流量での出力電流一出力電圧特性が格納されている。そこで、制御部 2 0は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応した出力電流 -出力電圧特性を制御部 2 0内の R O M 2 O bから読み出す。そして、制御部 2 0は、その読み出した出力電流一出力電圧特性から、燃料電池 3 6におけるエネルギ変換効率の最も高いポイン卜を算出する（ステップ S 1 6 )。

ここで、燃料電池 3 6におけるエネルギ変換効率は、燃料電池 3 6における発電効率とガス利用率の積（発電効率 Xガス利用率）として得ることができる。一方、一般に燃料電池においては、その発電効率はその出力電圧に比例し、必要な燃料ガスの量はその出力電流に比例するという関係が知られている。従って、燃料電池における発電効率とガス利用率との積は、出力電圧と出力電流との積に置き換えることができる。即ち、言い換えれば、燃料電池におけるエネルギ変換効率は燃料電池における出力電圧と出力電流との積（出力電圧 X出力電流）として表すことができる。

よって、例えば、検出されたガス流量に対応した出力電流—出力電圧特性として図 3における特性 F 2が読み出された場合、制御部 2 0は、その読み出した出力電流一出力電圧特性 F 2において、出力電圧と出力電流との積が最も大きくなるボイン卜 P mを算出し、そのボイン卜 P mをエネルギ変換効率の最も高いボイン卜とする。

なお、燃料電池における出力電圧と出力電流との積は、燃料電池の出力電力に相当するため、燃料電池の出力電力の最も大きなボイン卜がエネルギ変換効率の最も高いポイントとなる。

こうしてエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出したら、制御部 2 0は、その算出したボイン卜を燃料電池 3 6の動作ボイン卜として決定し（ステップ S 1 8 )、その動作ポイントで燃料電池 3 6を動作させた場合の燃料電池 3 6の出力電力を算出する（ステップ S 2 0 )。なお、制御部 20は、ステップ S 1 0， S 1 2の処理とステップ S 1 4〜S 2 0の処理をほぼ同時進行で行なっても良いし、一方の処理が終了した後、他方の処理を開始するようにしても良い。

次に、制御部 20は、ステップ S 1 2で算出されたインバー夕 44の要求出力から、ステップ S 20で算出された燃料電池 36の出力電力を減算して、その差を求め（ステップ S 22)、その差が 0以上であれば、ステップ S 24の処理に進み、 0未満であれば、ステップ S 32の処理に移行する。ここで、差が 0以上であるということは、インバータ 44の要求出力が燃料電池 36の出力電力だけでは賄いきれない状態を表しており、差が 0未満であるということは、燃料電池 36の出力電力をインバー夕 44に供給しても、電力がなお余ってしまうという状態を表している。

そこで、差が 0以上の場合、制御部 20は、まず、 SOCセンサ 42によって検出されたバッテリ 40の充電量（SOC) を取り込む（ステップ S 24)。ところで、前述したように、制御部 20内の ROM 20 bには、ノッテリ 40 における、 SOCをパラメータとした出力電流一出力電力特性のデータが格納されている。

図 4は図 1のバッテリ 40における、 SOCをパラメータとした出力電流一出力電圧特性の一例を示す特性図である。図 4において、縦軸はバッテリ 40の出力電圧を表し、横軸は出力電流を表している。

図 4に示すように、バッテリ 40の出力電流—出力電圧特性は SO Cによって変化しており、 SOCが決まれば、そのときの出力電流一出力電圧特性が一意的に決まる。図 4では、 30〇の小さな順に。 1， G 2, ·'·, G 5となっている。従って、 ROM 2 O bには、各 SO C毎に、その S OCでの出力電流—出力電圧特性が格納されている。

そこで、制御部 20は、取り込んだ SOCに基づいて、その SOCに対応した出力電流一出力電圧特性を制御部 20内の ROM 20 bから読み出す。そして、制御部 20は、その読み出した出力電流一出力電圧特性に基づいて、ステップ S 22で得られたインバータ 44の要求出力と燃料電池 36の出力電力との差から、バッテリ 40に要求される出力電圧を決定する（ステップ S 26)。

具体的には、例えば、検出された SOCに対応した出力電流一出力電圧特性として、図 4における特性 G 3が読み出された場合、制御部 20は、その読み出された出力電流一出力電圧特性 G 3において、出力電圧と出力電流との積（即ち、バッテリ 40の出力電力）が、インバータ 44の要求出力と燃料電池 36の出力電力との差にほぼ等しくなるポイントを算出する。今、そのポイントが図 4において P nであるとすると、そのポイント P nでのバッテリ 40の出力電圧 V nを、バッテリ 40に要求される出力電圧として決定する。

次に、制御部 20は、 DCZDCコンバータ 38を制御して、 DCZDCコンバー夕 38の出力電圧が、ステップ S 26で決定した出力電圧になるように調整する（ステップ S 28)。 DCZDCコンバータ 38の出力電圧はバッテリ 40 及びインバータ 44にそれぞれ印加されているため、 DCZDCコンバータ 38 の出力電圧をこのように調整することよって、バッテリ 40の出力電圧は、ステップ S 26で決定した出力電圧になる。従って、バッテリ 40からは、出力電力として、ステップ S 22で得られたインバータ 44の要求出力と燃料電池 36の出力電力との差に相当する電力が、出力されることになる。

そこで、制御部 20は、ステップ S 1 2で算出したインバータ 44の要求出力に相当する電力を、インバータ 44を介してモータ 46で消費するように、インバータ 44を制御する。この結果、バッテリ 40から出力された電力はインバータ 44に供給されると共に、残りの分の電力（即ち、インバー夕 44の要求出力とバッテリ 40の出力電力との差）は、燃料電池 36から引き出されて、インバ一夕 44に供給される（ステップ S 30)。

即ち、制御部 20が、 DCZDCコンバータ 38及びインバータ 44に対し、上記のような制御を行なうことによって、燃料電池 36からは、ステップ S 20 で算出した出力電力が取り出されることになリ、燃料電池 3 6は、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで動作することになる。

一方、ステップ S 2 2で得られたインバータ 4 4の要求出力と燃料電池 3 6の出力電力との差が 0未満の場合は、制御部 2 0が、ステップ S 2 4の場合と同様に、 S O Cセンサ 4 2によって検出されたバッテリ 4 0の S O Cを取り込み（ステツプ S 3 2 )、その後、その取り込んだ S O Cが 1 0 0 %未満であるかどうかを判定する（ステップ S 3 4 )。判定の結果、 5 0じが1 0 0 %未満である場合には、バッテリ 4 0に未だ電力が蓄積できるものとしてステップ S 3 6の処理に進み、 5 0〇が1 0 0 %である場合には、バッテリ 4 0にはもう電力を蓄積することができないものとしてステップ S 4 2の処理に移行する。

3 0じが1 0 0 %未満の場合、制御部 2 0は、ステップ S 2 6の場合と同様に、取リ込んだ S O Cに基づいて、その S O Cに対応した出力電流一出力電圧特性を読み出し、その出力電流—出力電圧特性に基づいて、ステップ S 2 2で得られたインバータ 4 4の要求出力と燃料電池 3 6の出力電力との差から、バッテリ 4 0 に要求される出力電圧を決定する（ステップ S 3 6 )。

具体的には、例えば、前述したのと同様に、検出された S O Cに対応した出力電流一出力電圧特性として特性 G 3が読み出された場合、制御部 2 0は、その読み出された出力電流 -出力電圧特性 G 3において、出力電圧と出力電流との積が、インバータ 4 4の要求出力と燃料電池 3 6の出力電力との差にほぼ等しくなるポイン卜を算出する。この際、ステップ S 2 6の場合と異なり、インバータ 4 4の要求出力と燃料電池 3 6の出力電力との差は 0未満（即ち、負）であるので、出力電圧と出力電流との積（即ち、バッテリ 4 0の出力電力）が負となるポイントを算出することになる。ここで、バッテリ 4 0から出力される電力が負となるということは、バッテリ 4 0に電力が蓄積されるということ意味している。また、図 4に示すように、バッテリ 4 0の出力電圧は負となることがないので、出力電流が負となるボイン卜を算出することになる。そこで、今、そのポイントが図 4に P rであるとすると、そのポイン卜 P rでのバッテリ 40の出力電圧 V「を、バッテリ 40に要求される出力電圧として決定する。

次に、制御部 20は、 DCZDCコンバータ 38を制御して、 DCZDCコンバー夕 38の出力電圧が、ステップ S 36で決定した出力電圧になるように調整する（ステップ S 38)。この結果、バッテリ 40の出力電圧は、ステップ S 2 6で決定した出力電圧になり、バッテリ 40には電力が蓄積されることになる。即ち、燃料電池 36からは電力が引き出されて、その出力電力のうち、ステップ S 22で得られたインバータ 44の要求出力と燃料電池 36の出力電力との差の絶対値に相当する電力が、バッテリ 40に蓄積されることになる。

また、制御部 20は、ステップ S 1 2で算出したインバータ 44の要求出力に相当する電力を、インバー夕 44を介してモータ 46で消費するように、インバ一夕 44を制御する。この結果、燃料電池 36から取り出された電力のうち、ィンバータ 44の要求出力に相当する電力（即ち、バッテリ 40に蓄積されなかつた残リの分の電力）がィンバータ 44に供給されて、モータ 46で消費される（ステツプ S 40)。

従って、制御部 20が、 DCZDCコンバータ 38及びインバータ 44に対し、上記のような制御を行なうことによって、燃料電池 36からは、ステップ S 20 で算出した出力電力が取り出されることになり、燃料電池 36は、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで動作することになる。

一方、 30〇が1 00%の場合は、制御部 20が、 SOC= 1 00%に対応した出力電流一出力電圧特性を読み出し、その出力電流一出力電圧特性に基づいて、バッテリ 40の出力電力が 0となる場合の、バッテリ 40に要求される出力電圧を決定する（ステップ S 42)。

即ち、例えば、図 4の場合は、 SOC= 1 00%に対応した出力電流一出力電圧特性は特性 G 5であるので、この特性 G 5が読み出される。制御部 20は、その読み出された出力電流—出力電圧特性 G 5において、バッテリ 4 0の出力電力 (即ち、出力電圧と出力電流との積）が 0となるポイントを算出する。図 4に示すように、バッテリ 4 0の出力電圧は負となることはないので、出力電流が 0となるポイントを算出することになる。

図 4に示すように、バッテリ 4 0の出力電力が 0となるポイントは P sであるで、そのポイント P sでのバッテリ 4 0の出力電圧 V sを、ノッテリ 4 0に要求される出力電圧として決定する。

次に、制御部 2 0は、 D C / D Cコンバータ 3 8を制御して、 D C Z D Cコンバータ 3 8の出力電圧が、ステップ S 4 2で決定した出力電圧になるように調整する（ステップ S 4 4 )。この結果、バッテリ 4 0の出力電圧はステップ S 4 2 で決定した出力電圧になるため、バッテリ 4 0の出力電力は 0となり、バッテリ 4 0から電力が出力されることも、バッテリ 4 0に電力が蓄積されることもなくなる。

さらに、制御部 2 0は、ステップ S 1 2で算出したインバータ 4 4の要求出力に相当する電力を、インバータ 4 4を介してモータ 4 6で消費するように、インバー夕 4 4を制御する。この結果、燃料電池 3 6からは、インバータ 4 4の要求出力に相当する電力が取り出されて、バッテリ 4 0に蓄積されることなく、インバー夕 4 4に供給されて、モータ 4 6で消費される（ステップ S 4 6 )。

なお、この場合、燃料電池 3 6から取り出される電力は、あくまで、インバータ 4 4の要求出力に相当する電力であり、ステップ S 2 0で算出した出力電力と必ずしも一致していない。そのため、燃料電池 3 6は、ステップ S 1 8で決定した動作ボイン卜以外の動作ボイン卜で動作する可能性がある。

ところで、以上の説明においては、制御部 2 0のポンプ 2 6に対する制御について特に触れなかったが、制御部 2 0は、例えば、次のようにポンプ 2 6を制御して、改質器 2 8に供給する燃料の量を調整する。即ち、制御部 2 0は、インバ一夕 4 4からモータ 4 6への実際の出力電力の過去数秒間の平均値に応じて、改質器 2 8に供給する燃料の量を調整する。或いは、アクセル開度（即ち、インバ一夕 4 4の要求出力）に応じて燃料の量を調整するようにしても良いし、バッテリ 4 0の S O Cに応じて燃料の量を調整するようにしても良い。または、これらを組み合わせて、燃料の量を調整するようにしても良い。また、単純に、一定量の燃料を改質器 2 8に供給するように、ポンプ 2 6を制御しても良い。

さて、以上説明したように、本実施例によれば、ステップ S 4 6での動作以外では、燃料電池 3 6をエネルギ変換効率が最も高い動作ポイントで動作させることができるので、燃料電池 3 6のエネルギ変換効率を高くすることができ、延ぃては、燃料電池の発電効率とガス利用率を共にできる限り高くすることができる。なお、本発明は上記した実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。

上記した実施例においては、制御部 2 0内の R O M 2 0 bに、燃料電池 3 6におけるガス流量をパラメータとした出力電流一出力電圧特性のデータを予め格納し、制御部 2 0は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応した出力電流一出力電圧特性を読み出し、読み出した出力電流一出力電圧特性から、燃料電池 3 6におけるエネルギ変換効率の最も高いポイントを算出し、さらに、算出したボイン卜を燃料電池 3 6の動作ボイン卜として決定し、その動作ボイン卜で燃料電池 3 6を動作させた場合の燃料電池 3 6の出力電力を算出していた。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、制御部 2 0内の R O M 2 0 bに、各ガス流量毎に、そのガス流量に対応した出力電流一出力電圧特性におけるエネルギ変換効率の最も高いポイントのデータを予め格納しておき、制御部 2 0は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応したェネルギ変換効率の最も高いポイントを、制御部 2 0内の R O M 2 0 bから読み出して用いるようにしても良い。また、制御部 2 0内の R O M 2 0 bに、各ガス流量毎に、そのガス流量に対応して、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで燃料電池 3 6を動作させた場合の燃料電池 3 6の出力電力のデータを予め格納しておき、制御部 2 0は、取り込んだガス流量に基づいて、そのガス流量に対応した燃料電池 3 6の出力電力を、制御部 2 0内の R O M 2 0 bから読み出して用いるようにしても良い。

このように、制御部 2 0内の R O M 2 0 bに格納するデータを、エネルギ変換効率の最も高いポイントのデータや、エネルギ変換効率の最も高い動作ポイントで燃料電池を動作させた場合の出力電力のデータとすることによって、制御部 2 0での処理内容を軽減することができる。

また、上記した実施例においては、改質器 2 8に燃料 2 4としてメタノール及び水を供給していたが、本発明はこれに限定されるものではなく、メタノールに代えて、メタン，エタノール，天然ガス，ガソリン，軽油などであっても良い。産業上の利用可能性

本発明の産業上の利用分野としては、燃料電池システムを搭載した電気自動車のみならず、燃料電池システムを搭載可能なその他車両、船舶、航空機などの交通手段や、燃料電池システムを適用可能な事業用または家庭用電気設備などがある。

Claims

請求の範囲

1 . ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池を備え、発生された電力を負荷に与える燃料電池システムであって、

検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制御する制御手段を備える燃料電池システム。

2 . ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力または前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料電池システムであって、

検出された前記ガス流量関連量に対応して、前記燃料電池における出力電流一出力電圧特性に関連した動作ポイントを導き出し、該動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求め、求めた 2つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する制御手段と、を備える燃料電池システム。

3 . 請求の範囲第 2項に記載の燃料電池システムにおいて、前記二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサをさらに備えると共に、前記制御手段は、求めた前記 2つの電力の他、検出された前記充電量にも基づいて、前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御することを特徴とする燃料電池システム。

4 . 請求の範囲第 1項ないし第 3項のうちの任意の一つに記載の燃料電池システ厶において、

前記制御手段は、前記出力電流-出力電圧特性において、エネルギ変換効率が最も高いポイントを前記動作ポイントとして導き出すことを特徴とする燃料電池システム。

5 . 燃料電池システムであって、

該二次電池の充電量を検出する二次電池充電量センサと、

前記燃料電池から出力された電圧を昇圧または減圧して、前記二次電池及びィンバ一夕に並列に印加するコンバータと、

検出された前記流量に対応して、前記燃料電池における出力電流—出力電圧特性に関連した動作ボイン卜を導き出し、該動作ボイン卜で前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、外部からの情報に基づいて前記ィンバー夕に供給すべき電力を求め、求めた 2つの電力と検出された前記充電量に基づいて、前記コンバータから出力される電圧を調整する制御部と、

を備える燃料電池システム。

6 . ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池を制御するための電池制御方法であって、

( c ) 導き出した前記動作ポイン卜で前記燃料電池を動作させるように、前記燃料電池から取り出すべき電力を制御する工程と、

を備える電池制御方法。

7 . ガスの供給を受けて電力を発生する燃料電池と、電力を蓄積すると共に、蓄積された電力を出力することが可能な二次電池と、を備え、前記燃料電池で発生された電力または前記二次電池から出力された電力を負荷に与える燃料電池システ厶における、前記二次電池を制御するための電池制御方法であって、

( c )導き出した前記動作ポイントで前記燃料電池を動作させるために必要な、前記燃料電池から取り出すべき電力を求めると共に、前記負荷に与えるべき電力を求める工程と、

- ( d ) 求めた前記 2つの電力に基づいて前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する工程と、

を備える電池制御方法。

8 . 請求の範囲第 7項に記載の電池制御方法において、

前記工程（d ) は、求めた前記 2つの電力の他、検出された前記充電量にも基づいて、前記二次電池から出力すべき電力または該二次電池に蓄積すべき電力を制御する工程を含むことを特徴とする電池制御方法。

9 . 請求の範囲第 6項ないし第 8項のうちの任意の一つに記載の電池制御方法において、

前記工程（b ) では、前記出力電流一出力電圧特性において、エネルギ変換効率が最も高いポイントを前記動作ポイントとして導き出すことを特徴とする電池制御方法。