JP4811626B2 - 車両用の燃料電池システム及び電気自動車 - Google Patents

Description

本発明は車両用の燃料電池システム及び電気自動車に関し、特に、燃料電池と蓄電手段とを備えた車両用の燃料電池システムと、この燃料電池システムを搭載した電気自動車に関する。

燃料電池システムを搭載する電気自動車においても、エネルギ効率の改善が求められている。例えば、特開２００１−３０７７５８号に開示された燃料電池システムの発明では、負荷の大きさが基準値を越える場合には燃料電池と二次電池とから所要電力を供給し、負荷の大きさが基準値以下の場合には燃料電池を停止して二次電池から所要電力を供給する構成を提案している。燃料電池システムの効率が低下する低負荷領域では燃料電池の運転を一時停止する間欠的な運転を行い、燃料電池をエネルギ変換効率の良い範囲内で動作させて燃料電池システム全体の効率を改善せんとしている。
特開２００１−３０７７５８号

しかしながら、燃料電池を間欠的に運転することによって燃料電池システムの効率の改善が図られるものの、電気自動車では負荷の変動が激しい。燃料電池の間欠的運転によって燃料電池を停止して燃料電池からの電力供給を停止しても、短時間で再起動出来るようにする必要がある。このため、燃料電池からの電力供給の停止状態においても燃料電池の出力端に開回路電圧（ＯＣＶ）を維持するためにエアコンプレッサと水素ポンプ（補機類）を作動させることも考えられるが、開回路電圧を維持するために燃料電池で水素（燃料）が消費されるので、その分燃費が悪くなる。

よって、本発明は間欠的な運転を行う燃料電池システムにおけるシステム全体の効率向上と、間欠運転する燃料電池のレスポンス（停止した燃料電池システムの再起動時間）の両立を図ることを可能とする燃料電池システムを提供することを目的とする。

また、本発明は燃料電池と二次電池を搭載した電気自動車における燃料電池システム全体の効率と車両のレスポンスとの両立を図ることを可能とした電気自動車を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明の車両用の燃料電池システムは、燃料電池及び蓄電手段と、上記燃料電池及び上記蓄電手段から負荷へ電力を供給する電力供給手段と、を含む車両用の燃料電池システムにおいて、上記電力供給手段は、上記負荷の要求電力が低負荷領域の境界値である第１の基準値に満たないときに上記燃料電池を停止させて上記蓄電手段から上記負荷に電力を供給し、上記負荷の要求電力が第２の基準値以上であるときに停止した上記燃料電池を起動させて上記燃料電池及び上記蓄電手段から上記負荷へ電力を供給する間欠運転手段と、停止した上記燃料電池の内部起電力の低下に応じて上記第２の基準値が低くなるように設定する閾値調整手段と、を備える。ここで、蓄電手段は電気エネルギを蓄積するものであり、例えば、二次電池（蓄電池）やいわゆるウルトラキャパシタ（大容量コンデンサ）等が該当する。

かかる構成とすることによって、上記閾値調整手段は、燃料電池内部に残留する燃料ガスによって生ずる内部起電力（開回路電圧）に対応して燃料電池起動の上記第２の基準値（閾値）を調整するので、すなわち、上記燃料電池の内部起電力の低下に応じて上記第２の基準値を低下させ、上記燃料電池の起動時期を相対的に早めるので、短時間で燃料電池を再起動することが可能となる。よって、燃料電池の間欠運転において、燃料電池への燃料（水素）の供給を全く停止した場合であっても、燃料電池の再起動を素早く行うことが可能となり、間欠運転による燃料電池システムの効率改善と運転性（起動応答時間）の両立を図ることが可能となる。また、燃料電池の運転の起動／停止を判断する基準値（閾値）を異ならせることによってハンチングの発生を回避することが可能となる。

また、上記閾値調整手段は、上記燃料電池の内部起電力の低下に応じて設定すべき上記第２の基準値のデータを予め記憶している。データはテーブルや関数として記憶することも出来る。

また、上記蓄電手段は、燃料電池によって充電される二次電池（あるいは蓄電池）及びキャパシタ等を含む。

また、本発明の電気自動車は、車両の動力を発生するモータと、燃料電池及び蓄電手段から上記モータに電力を供給する電力供給手段を含む燃料電池システムと、を搭載する電気自動車において、上記電力供給手段は、上記モータを含む負荷の要求電力が低負荷領域の境界値である第１の基準値に満たないときに上記燃料電池を停止させて上記蓄電手段から上記負荷に電力を供給し、上記負荷の要求電力が第２の基準値以上であるときに停止した上記燃料電池を起動させて上記燃料電池及び上記蓄電手段から上記負荷へ電力を供給する間欠運転手段と、停止した上記燃料電池の内部起電力の低下に応じて上記第２の基準値が低くなるように設定する閾値調整手段と、を備える。

かかる構成とすることによって、燃料電池の間欠的運転において燃料電池への燃料供給を全く停止したとしても、燃料電池の再起動の応答性低下を回避することが可能となる。それにより、電気自動車の燃費改善と応答性（例えば、アクセルレスポンス）を両立可能となる。

本発明によれば燃料電池の間欠運転において燃料電池の運転停止時には燃料電池への燃料供給を完全に停止することができるので燃費が改善される。また、燃料電池への燃料供給を完全停止としても、燃料電池起動の閾値を燃料電池の残留内部起電力（出力端開放電圧）に応じて設定するので燃料電池の再起動（レスポンス）の遅れを回避可能となる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。

まず、燃料電池システムの効率について説明する。図４は燃料電池としての効率を説明するための説明図であり、同図（ａ）は電流密度と燃料電池のセル単体の効率、燃料電池（ＦＣ）出力との関係を表す説明図、同図（ｂ）は補機動力と燃料電池出力との関係を表す説明図、同図（ｃ）は燃料電池出力とＦＣシステム効率との関係を表す説明図である。

一方、燃料電池に燃料ガス（酸素、水素ガス）を供給するエアコンプレッサ、ポンプ等の補機類は、供給ガス量の増加(燃料電池出力)に応じてほぼ増加する動力を必要とし、燃料電池出力（ＦＣ出力）が低い場合であっても所定の動力を必要とする(図４ (ｂ)参照)。これらの結果、燃料電池としてのシステム効率(例えば、発電量から補機駆動に要する電力を差し引いた電力をガス供給量で除算した値)は、図４(ｃ)に示すように、燃料電池出力（ＦＣ出力）が小さいほど低下する。

そこで、燃料電池に対する要求負荷が基準値Ｐｓ未満の低負荷領域（相対的に燃料電池システム効率が悪い領域）では、燃料電池２０からの電力供給を停止し、二次電池（蓄電手段）から電力を供給する。基準値Ｐｓ以上の高負荷領域（相対的に燃料電池システム効率が良い領域）では、燃料電池及び二次電池から負荷に電力を供給することで燃料電池のシステム効率を改善することが可能となる。これが、燃料電池を間欠的に運転することの理由の１つである。

ところで、電気自動車ではアクセル操作や起動操作に対して動力発生源（モータ、電源）の即応性が求められる。このため、図５に示すように、燃料電池からモータへの電力供給停止状態においても、補機類を間欠的に動作させて燃料電池に燃料ガスを断続的に供給し、燃料電池が所定の開回路電圧（ＯＣＶ）、例えば、４００ボルトを維持するようにしている。

図６は、アクセルを最大に踏み込んで車両を発車させたとき（アクセル開度１００％）の燃料電池の起動応答特性を示している。同図中、実線で示される燃料電池出力（ＦＣ出力）特性は所定の開放電圧（ＯＣＶ）に維持された状態から起動した場合を示している。また、図中、点線で示される燃料電池出力（ＦＣ出力）特性は開放電圧が降下した状態（図５中の二点差線参照）から起動した場合を示している。燃料電池が所定の開放電圧に維持された状態では応答の遅れがｄであるのに対し、燃料電池の開放電圧が維持されない状態では下降開放電圧に応じたより大きな応答の遅れＤとなっている。また、燃料電池の開放端電圧が低下した場合には、モータ起動時に二次電池の出力（負担）が増大している。従って、燃料電池の起動応答特性を確保しようとすると開放電圧を保持するための無駄な燃料ガスを消費し、燃料電池からの電力供給をシステム効率の良い範囲でのみ行う燃料電池の間欠運転を行うこととしても結果的に燃費が良くならない。

そこで、以下に述べる実施例では、燃料電池の間欠運転において燃料電池から負荷への電力供給停止状態においては燃料電池への燃料ガスの供給を完全に停止する。また、これにより低下する燃料電池の開回路電圧に応じて燃料電池の間欠運転おける燃料電池を起動する要求負荷の基準値Ｐｓを調整して起動時期が早まるようにして燃料電池の起動遅延を可及的に防止する。当該間欠運転おける燃料電池の起動／停止の基準値はハウリング防止のために起動の場合と停止の場合とで異なる値に設定することも出来る。

図１は、本発明の好適な一実施例である燃料電池システム１０を搭載した電気自動車の構成の概略を表すブロック図である。本実施例の燃料電池システム１０は、車両に搭載されて車両駆動用の電源として働く。燃料電池システム１０は、燃料電池２０、２次電池３０、車駆動用のモータ３２、補機類３４、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６、残存容量モニタ４６、制御部５０、インバータ８０、電流センサ９０を主な構成要素とする。以下、燃料電池システム１０の各構成要素について説明する。

燃料電池２０は、固体高分子電解質型の燃料電池であり、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。単セルは、図示しないセパレータ、アノード（陽極）、電解質膜、カソード（陰極）、セパレータ等によって構成される。燃料電池２０は、陰極側に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、陽極側には酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて以下に示す電気化学反応によって起電力を得る。
Ｈ₂ → ２Ｈ⁺＋２ｅ^- …（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ …（２）
Ｈ₂ ＋（１／２）Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ …（３）
（１）式は陰極側における反応、（２）式は陽極側における反応を示し、（３）式は電池全体で起こる反応を表わす。

このような燃料電池２０は、接続される負荷の大きさに応じて燃料ガス量及び酸化ガス量を調節することによって出力を制御することができる。この出力の制御は制御部５０によって行なわれる。すなわち、後述のエアコンプレッサや燃料供給路に設けた電磁バルブに対して制御部５０からの駆動信号を出力し、その駆動量や開閉状態を調節することで供給ガス量を制御して燃料電池２０の出力を調節している。

燃料電池２０は、２次電池３０、モータ３２及び補機類３４と接続している。この燃料電池２０は、モータ３２及び補機類３４に対して電力の供給を行なうと共に、これら負荷の状態に応じて２次電池３０の充電を行なう。この場合、燃料電池２０は、モータ３２及び補機類３４とスイッチ２０ａを介して接続されており、制御部５０によるこのスイッチ２０ａや２次電池側のスイッチ３０ａの開閉制御を経て、モータ３２や補機類３４への電力供給、２次電池３０の充電が実行される。また、燃料電池２０の出力端には電圧計２０ｂが接続されており、検出電圧が制御部５０に供給されている。

２次電池３０は、上記燃料電池２０と共にモータ３２及び補機類３４に電力を供給する電源装置（蓄電手段）である。本実施例では鉛蓄電池を用いたが、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２次電池など他種の２次電池を用いることもできる。この２次電池３０の容量は、燃料電池システム１０を搭載する車両の大きさやこの車両の想定される走行条件、あるいは要求される車両の性能（最高速度や走行距離など）などによって決定される。なお、２次電池３０に代えて大容量のウルトラキャパシタを使用することとしても良い。

モータ３２は、三相同期モータである。燃料電池２０や２次電池３０が出力する直流電流は、後述するインバータ８０によって三相交流に変換されてモータ３２に供給される。このような電力の供給を受けてモータ３２は回転駆動力を発生し、この回転駆動力は、燃料電池システム１０を搭載する車両における車軸を介して、車両の前輪及び／または後輪に伝えられ、車両を走行させる動力となる。このモータ３２は、制御装置３３の制御を受ける。制御装置３３は、アクセルペダル３３ａの操作量を検出するアクセルペダルポジションセンサ３３ｂ等とも接続されている。また、制御装置３３は、制御部５０とも接続されており、この制御部５０との間でモータ３２の駆動などに関する種々の情報をやり取りしている。例えば、アクセルペダル３３ａの操作量は駆動要求パワー量として制御部５０に伝えられる。

補機類３４は、燃料電池２０に燃料ガスなどを供給して稼働させる役割を担っている。

図２は、高圧水素を燃料として用いた場合の補機類の構成例を概略的に示すブロック図である。高圧水素タンク３４ａに貯留された水素は、開閉弁３４ｂ、圧力を調整する減圧弁３４ｃ、開閉弁３４ｄを経て燃料電池２０の陰極群に供給される。これ等の弁の「開閉」、「開閉量」は後述の制御部５０によって電磁的に制御される。燃料電池２０で使用されなかった排水素ガスは気水分離器３４ｅを経て回収され、ポンプ３４ｆによって燃料電池２０に戻され、再利用される。一方、陽極群に供給される空気（酸素）は、エアフィルタ３４ｇで異物が除去され、コンプレッサ３４ｈで圧縮され、加湿器３４ｉで加湿されて燃料電池２０に供給される。コンプレッサ３４ｈで燃料電池２０に供給する酸化ガス圧を調節することができる。

図３は、改質器を水素ガス供給源とした場合の補機類の構成例を概略的に示すブロック図である。燃料電池システム１０は、上記燃料電池２０と、メタノールタンク３４ｊ及び水タンク３４ｋと、改質器３４ｌと、エアコンプレッサ３４ｍとを主な構成要素とするほか、メタノールと水をタンクから改質器３４ｌに供給するポンプ３４ｎ、３４ｏ、改質器３４ｌから燃料電池７０への供給水素量を調整する電磁弁３４ｐを有する。エアコンプレッサ３４ｍは、燃料電池２０に供給する酸化ガス圧を調節することができる。

補機類３４には、上述した、電磁弁、エアコンプレッサや、各ポンプ類のほか、マスフロコントローラや図示しないウオータポンプ等も該当する。ウオータポンプは、冷却水を加圧して燃料電池２０内を循環させるものであり、このように冷却水を循環させて燃料電池２０内で熱交換を行なわせることによって、燃料電池２０の内部温度を所定の温度以下に制御する。マスフロコントローラは、既述したように燃料電池２０に供給する燃料ガスの圧力と流量を調節する。図１では燃料電池２０と補機類３４とは独立して表わされているが、これら燃料電池２０の運転状態の制御に関わる機器については燃料電池２０の周辺機器ということもできる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３６は、燃料電池２０及び２次電池３０が出力する電気エネルギの電圧を変換して補機類３４に供給する。モータ３２を駆動するのに必要な電圧は、通常２００Ｖ〜３００Ｖ程度であり、燃料電池２０及び２次電池３０からはこれに見合った電圧が出力されている。しかしながら、ポンプ、コンプレッサ、電磁弁などの補機類３４を駆動するときの電圧は１２Ｖ程度であり、燃料電池２０及び２次電池３０から出力される電圧をそのままの状態で供給することはできない。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ３６によって電圧を降下させている。

上記した燃料電池側のスイッチ２０ａや２次電池側のスイッチ３０ａを切り替えることによって、燃料電池２０及び２次電池３０とモータ３２とを接続したり切り離したりすることができる。上記各スイッチの接続状態は、制御部５０によって制御されている。

残存容量モニタ４６は、２次電池３０の残存容量を検出するものであり、ここではＳＯＣメータによって構成されている。ＳＯＣメータは２次電池３０における充電・放電の電流値と時間とを積算するものであり、この値を基に制御部５０は２次電池３０の残存容量を演算する。ここで残存容量モニタ４６は、ＳＯＣメータの代わりに電圧センサによって構成することとしてもよい。２次電池３０は、その残存容量が少なくなるにつれて電圧値が低下するため、この性質を利用して電圧を測定することによって２次電池３０の残存容量を検出することができる。このような電圧センサは制御部５０に接続されるものであり、制御部５０に予め電圧センサにおける電圧値と残存容量との関係を記憶しておくことによって、電圧センサから入力される測定値を基に制御部５０は２次電池３０の残存容量を求めることができる。あるいは、残存容量モニタ４６は、２次電池３０の電解液の比重を測定して残存容量を検出する構成としてもよい。

制御部５０は、マイクロコンピュータを中心とした論理回路として構成され、ＣＰＵ５２、ＲＯＭ５４、ＲＡＭ５６及び入出力ポート５８からなる。ＣＰＵ５２は、予め設定された制御プログラムに従って所定の演算などを実行する。ＲＯＭ５４には、ＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な制御プログラムや制御データなどが予め格納されており、ＲＡＭ５６には、同じくＣＰＵ５２で各種演算処理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書きされる。入出力ポート５８は、出力電圧計２０ｂ、残存容量モニタ４６など各種センサからの検出信号などを入力すると共に、ＣＰＵ５２での演算結果に応じて、インバータ８０などに駆動信号を出力して燃料電池システムの各部の駆動状態を制御する。

図１では、制御部５０に関しては、出力電圧計２０ｂ、残存容量モニタ４６及び電流センサ９０からの信号の入力と、インバータ８０の駆動信号の出力と、制御装置３３との間の信号のやり取りのみを示したが、制御部５０はこの他にも燃料電池システムにおける種々の制御を行なっている。制御部５０による図示しない制御の中で主要なものとしては、燃料電池２０の運転状態の制御を挙げることができる。既述したように、エアコンプレッサやマスフロコントローラに駆動信号を出力して酸化ガス量や燃料ガス量を制御したり、改質器を使用する場兄は、改質器６４に供給するメタノール及び水の量を制御したり、燃料電池２０の温度管理や改質器６４の温度管理も制御部５０が行なっている。

インバータ８０は、燃料電池２０や２次電池３０から供給される直流電流を、３相交流電流に変換してモータ３２に供給する。ここでは、制御部５０からの指示に基づいて、モータ３２に供給する３相交流の振幅（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３２で発生する駆動力を制御可能となっている。このインバータ８０は、６個のスイッチング素子（例えば、バイポーラ形ＭＯＳＦＥＴ（ＩＧＢＴ））を主回路素子として構成されており、これらのスイッチング素子のスイッチング動作により燃料電池２０及び２次電池３０から供給される直流電流を任意の振幅及び周波数の三相交流に変換する。インバータ８０が備える各スイッチング素子は、導電ラインにより制御部５０に接続されており、制御部５０からの駆動信号によりそのスイッチングのタイミングの制御を受ける。

このインバータ８０と燃料電池２０或いは２次電池３０との接続状態は上記のスイッチ２０ａ、３０ａの制御により決定される。つまり、インバータ８０と燃料電池２０との接続のほか、インバータ８０と２次電池３０の接続や、インバータ８０への燃料電池２０と２次電池３０の同時接続が可能である。そして、これらの接続状態を採る間において、燃料電池２０の出力制御（発電運転制御）を任意に実行でき、また、２次電池３０の出力制御（出力ＯＮ・出力ＯＦＦの制御）も任意に実行できる。

電流センサ９０は、２次電池３０からの出力電流を検出する。２次電池３０の出力状態は放電の場合も充電の場合もあるが、以後、充放電両方の場合について出力電流という。この電流センサ９０は制御部５０と接続しており、電流センサ９０によって検出された電流値は制御部５０に入力される。入力された電流値は、２次電池３０における充放電状態を判断する際に用いられる。

次に、上述した構成を有する燃料電池システム１０が実行する燃料電池制御について説明する。図７はこの燃料電池制御の処理の内容を表すフローチャートである。この燃料電池制御は、燃料電池システム１０を搭載する車両において、この燃料電池システムを始動させる所定のスタートスイッチがオン状態になったときから、ＣＰＵ５２によって所定時間ごと、例えば、１０μｓｅｃごとに実行される（Ｓ１００）。

本ルーチンが実行されると、まず、制御部５０は本システムを搭載した電気自動車の運転者がアクセル操作を介して要求する駆動要求パワーの読み込みと、２次電池３０の残存容量Ｑの読み込みを実行する（ステップＳ１１０）。この駆動要求パワーは、運転者の要求に応じて車両のモータ３２を回転させるためのパワー(負荷電力)であり、燃料電池２０の発電電力と２次電池３０の放電電力とで賄われる。この場合、駆動要求パワーは、アクセルペダル３３ａの操作量（アクセルペダルポジションセンサ３３ｂの出力）を、制御装置３３を経て制御部５０に入力することで判別される。また、２次電池３０の残存容量Ｑは残存容量モニタ４６の出力値から読み込み演算される。

これら読み込み演算に続いて、燃料電池２０を間欠的に運転する間欠運転モードである旨を示す間欠フラグのセット状態を判定する(ステップＳ１２０)。この間欠フラグは、後述の処理にてセット・リセットされ、セット（フラグオン）状態であれば燃料電池２０を間欠運転させることを、リセット（フラグオフ）状態であれば燃料電池２０を連続運転させることを表す。

間欠フラグがリセット状態(連続運転)であると判定した場合は（Ｓ１２０；Ｙｅｓ）、駆動要求パワーが判別基準値である閾値パワーＰｓより小さいか否かの判定を行う(ステップＳ１２０)。閾値パワーＰｓは、図４ (ｃ)に示すように、燃料電池２０の出力が低いためにシステム効率が低くなる低負荷領域の燃料電池出力の境界値であり、燃料電池２０からの電力供給を停止して間欠運転モードを行うかどうかの判別基準となる。例えば、燃料電池２０の発電能力（電力供給能力）の約１０％に設定されている。なお、この閾値パワーＰｓは、２次電池３０の充放電能力やステップＳ１１０で読み込んだ残存容量Ｑ等に応じて種々設定することが可能であり、上記したものに限られるわけではない。

このステップＳ１３０で肯定判定した場合は（Ｓ１３０；Ｙｅｓ）、ステップＳ１２０での判定（間欠フラグオフ）を受けて燃料電池２０を連続運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーが閾値パワーＰｓより小さいことになる。よって、この場合は、燃料電池２０の運転モードを連続運転モードから間欠運転モードに移行する旨を示すよう、間欠フラグをオンにセットする（ステップＳ１４０）。次に、ステップＳ１００で読み取った残存容量Ｑと駆動要求パワーとを対比し、２次電池３０の残存容量Ｑだけの電力でモータ３２を駆動要求パワー通りに回転させることができるか否かを判定する（ステップＳ１５０）。つまり、残存容量Ｑで駆動要求パワーを充足できるかを判定する。

このステップＳ１５０で、残存容量Ｑで駆動要求パワーを充足できると判定した場合は（Ｓ１５０；Ｙｅｓ）、低い発電領域での燃料電池２０と上記したポンプ、エアコンプレッサ等の燃料電池の補機類（周辺装置）を含む燃料電池機器群の運転を停止し、燃料ガスの燃料電池への供給を停止する。スイッチ２０ａは開放され、燃料電池からモータ３２への電力供給は停止する。燃料電池２０の開回路電圧は電圧計２０ｂによって検出され、制御部５０に送られる（ステップＳ１６０）。続いて、スイッチ３０ａを閉じて２次電池３０から残存容量Ｑの電力をモータ３２に供給して（ステップＳ１７０）、一旦本ルーチンを終了する（Ｓ２３０）。これにより、モータ３２は２次電池３０のみからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。

一方、ステップＳ１５０で、二次電池の残存容量Ｑだけでは駆動要求パワーを充足できないと判定した場合は（Ｓ１５０；Ｎｏ）、２次電池３０と燃料電池２０とを併用すべく、上記の燃料電池機器群を発電運転させると共に、燃料電池２０の連続運転モードに移行するべき旨を示すよう、間欠フラグをオフにセットする（ステップＳ２１０）。これにより、２次電池３０の残存容量Ｑの電力と燃料電池２０が発電した電力とで、モータ３２の回転並びに駆動要求パワーでの車両駆動が可能となる。

このステップＳ２１０に続いて、駆動要求パワーが２次電池３０の残存容量Ｑの電力と燃料電池２０が発電した電力とで賄えるよう、スイッチ２０ａ及び３０ａを閉成して２次電池３０と燃料電池２０とからモータ３２に電力を供給して（ステップＳ２２０）、一旦本ルーチンを終了する（Ｓ２３０）。より詳しく説明すると、駆動要求パワーと残存容量ＱはステップＳ１１０での読み込みにより既知であることから、この両者から、燃料電池２０で発電すべき電力は定まる。よって、この定まった電力を発電するための既述した燃料ガス供給量を演算し、その結果に応じて上述した補機類（周辺装置）を運転し、上記定まった電力を燃料電池２０で発電する。これにより、モータ３２は２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。

また、ステップＳ１３０で駆動要求パワーが閾値パワーＰｓ以上であると判定した場合は、駆動要求パワーを得るには燃料電池２０をシステム効率が高い状況で発電運転をすればよいと言える。よって、駆動要求パワーを２次電池３０の電力と燃料電池２０の発電電力で賄うべくステップＳ２１０に移行する。これにより、モータ３２は２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する（Ｓ２２０）。

一方、制御部５０は、既述したステップＳ１２０で、間欠フラグがオンにセットされた状態（間欠運転状態)であると判定した場合は（Ｓ１２０；Ｎｏ）、停止している燃料電池２０の現在の開回路電圧（ＯＣＶ）に応じた燃料電池起動判別の閾値設定Ｐonを行うべく、電圧計２０ｂから制御部５０に供給されている燃料電池の出力電圧Ｖocvを読取る（Ｓ１８０）。

制御部５０は、燃料電池２０の出力電圧Ｖocvからオン閾値Ｐonを計算する。図８は、燃料電池の開回路電圧Ｖocvと設定すべきオン閾値Ｐonの例を説明するグラフである。制御部５０はこのグラフをマップデータとしてあるいは関数Ｐon＝ｆ（Ｖocv）としてＲＯＭ５４に予め記憶している。関数Ｐon＝ｆ（Ｖocv）は、開回路電圧の低下に伴ってオン閾値Ｐonを下げるような特性を有している。それにより、停止している燃料電池の開回路電圧が降下すると燃料電池を起動するオン閾値Ｐonが低くなるように設定される。オン閾値Ｐonが低くなって起動タイミングが相対的に早まることによって、後述のように燃料電池２０の出力の立ち上がりの遅延を減少することが可能となる。この関数ｆ（Ｖocv）の最適な特性は装置設計においてあるいは実験的に同定することが出来る。図示の例では、燃料電池２０の開回路電圧Ｖocvが４００ボルトのときオン閾値Ｐonは７キロワット、開回路電圧Ｖocvが２００ボルトのときオン閾値Ｐonは３キロワットに設定している。このようにして、制御部５０はオン閾値Ｐonを設定する（Ｓ１９０）。

図９は、オン閾値Ｐonが燃料電池２０の開回路電圧の現在値によって調整される例を説明する説明図である。開回路電圧の現在値Ｖocvが低下すると、閾値Ｐonの値は相対的に低く設定され、開回路電圧の現在値Ｖocvが高い状態（例えば、定格出力電圧）では閾値Ｐonの値は相対的に高く設定される。

次に、制御部５０は、駆動要求パワーがオン閾値パワーＰonより大きいか否かの判定を行う(ステップＳ２００)。ここで、肯定判定した場合（Ｓ２００；Ｙｅｓ）は、ステップＳ１２０での判定（間欠フラグオン）を受けて燃料電池２０を間欠運転させる状況ではあるものの、駆動要求パワーがオン閾値パワーＰonより大きいことになる。よって、この大きな駆動要求パワーを２次電池３０の電力と燃料電池２０の発電電力で賄うべく、ステップＳ２１０に移行する。

上述したように、制御部５０は２次電池３０と燃料電池２０とを併用すべく、上記の燃料電池機器群を発電運転させると共に、燃料電池２０の連続運転モードに移行するべき旨を示すよう、間欠フラグをオフにセットする（ステップＳ２１０）。これにより、２次電池３０の残存容量Ｑの電力と燃料電池２０が発電した電力とで、モータ３２の回転並びに駆動要求パワーでの車両駆動が可能となる。

このステップＳ２１０に続いて、駆動要求パワーが２次電池３０の残存容量Ｑの電力と燃料電池２０が発電した電力とで賄えるよう、スイッチ２０ａ及び３０ａを閉成して２次電池３０と燃料電池２０とからモータ３２に電力を供給して（ステップＳ２２０）、一旦本ルーチンを終了する（Ｓ２３０）。

より詳しく説明すると、駆動要求パワーと残存容量ＱはステップＳ１１０での読み込みにより既知であることから、この両者から、燃料電池２０で発電すべき電力は定まる。よって、この定まった電力を発電するための既述した燃料ガス供給量を演算し、その結果に応じて上述した補機類（周辺装置）を運転し、上記定まった電力を燃料電池２０で発電する。これにより、モータ３２は２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給により回転し、車両は駆動要求パワーで駆動する。

ステップＳ２００で否定判定した場合は（Ｓ２００；Ｎｏ）、駆動要求パワーはまだ小さいままである。よって、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群を停止したままこの駆動要求パワーを２次電池３０の残存容量Ｑで賄うべく、ステップＳ１５０に移行して、既述したそれ以降の処理を実行する。これにより、燃料電池システム１０は、燃料電池機器群の停止状況下で（ステップＳ１６０）、２次電池３０の残存容量Ｑによりモータ３２を回転させて（ステップＳ１７０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。また、残存容量Ｑでは不足の場合は（ステップＳ１５０；Ｎｏ）、２次電池３０と燃料電池２０とからの電力供給によりモータ３２を回転させて（ステップＳ２１０、２２０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。

以上説明したように、本実施例の燃料電池システム１０は、アクセルペダル３３ａの踏込操作を介して運転者が要求する車両の駆動要求パワーの大きさにより、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群の運転・停止を定める。即ち、この駆動要求パワーが燃料電池２０にとって高負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップＳ１３０；Ｎｏ）、燃料電池機器群を運転して燃料電池２０で発電を起こし（ステップＳ２１０）、この電力と２次電池３０の電力でモータ３２を回転させて車両を駆動する（ステップＳ２２０）。よって、この場合は、燃料電池２０を高負荷領域で効率よく発電運転でき、燃料電池システム１０、延いてはこれを搭載した電気自動車としてシステム効率を向上することができる。

一方、駆動要求パワーが燃料電池２０にとって低負荷領域の発電運転で得られるものである場合には（ステップＳ１３０；Ｙｅｓ）、２次電池３０の残存容量Ｑでモータ回転を賄うことができれば（ステップＳ１５０；Ｙｅｓ）、燃料電池２０とその周辺装置を含む燃料電池機器群を停止させ（ステップＳ１６０）、２次電池３０単独でその残存容量Ｑによりモータ３２を回転させて（ステップＳ１７０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。よって、燃料電池２０を低負荷領域で発電運転しないようにできるので、燃料電池２０の無駄な発電を起こすことが無くなり燃料電池システム１０、延いてはこれを搭載した電気自動車としてシステム効率を向上することができる。しかも、燃料電池２０の運転停止と併せてエアコンプレッサ６６等の周辺装置の運転も停止するので、これら装置の運転に要するエネルギも使わないようにしてシステム効率をより向上することができる。

また、駆動要求パワーが低負荷領域のものであっても、２次電池３０の残存容量Ｑがモータ回転に不足する場合は（ステップＳ１５０；Ｎｏ）、燃料電池機器群を運転させて、２次電池３０と燃料電池２０との電力でモータ３２を回転させて（ステップＳ２１０、２２０）、車両を駆動要求パワーで駆動する。このため、運転者が意図する駆動状態で車両を駆動できるので、運転者に違和感を与えない。

また、本実施例では、駆動要求パワーがオフ閾値パワーＰｓ以下であるために燃料電池２０を停止させた状況から、駆動要求パワーが増加したために燃料電池２０の運転を行う際には、この駆動要求パワーがオン閾値パワーＰonより大きくなるまで燃料電池２０を停止させたままとした（ステップＳ２００）。よって、駆動要求パワーが閾値パワーＰｓの周辺で増減しても、燃料電池２０の運転・停止を繰り返すようなハンチングを回避できる。このため、ハンチングによる不具合、例えば、燃料電池２０の周辺装置であるポンプ等の異音発生等を回避できる。

また、本実施例では、駆動要求パワーがオフ閾値パワーＰｓ以下であるために燃料電池２０への燃料ガス供給を完全に停止させた状態から、駆動要求パワーが増加したために燃料電池２０を再起動する際に、燃料電池２０の起動を決定するオン閾値パワーＰonを燃料電池２０の現在の開回路電圧（ＯＣＶ）に応じて調整するようにした（Ｓ１８０、Ｓ１９０）。それにより、燃料電池２０の開回路電圧ＯＣＶの低下による燃料電池の起動の遅れ（図６参照）を可及的に回避することが可能となっている。燃料電池の起動特性（応答性）を確保しつつ燃料電池の燃費を改善することが可能となって好ましい。

また、上述したオフ閾値Ｐｓを固定値とするのではなく、可変値としても良い。例えば、燃料電池の残留起電力に応じて調整されるオン閾値Ｐonから所定値αだけ低い値（Ｐon−α）に設定することとしても良い。この場合にはオン閾値Ｐonの値が変化してもハンチング防止の余裕αが常に確保される。また、上記ハンチングの不具合が生じなければ、オフ閾値Ｐｓをオン閾値Ｐonと同じ値に設定しても良い。

燃料電池システムを搭載する電気自動車を説明するブロック図である。 補機類（水素ガス使用例）を説明するためのブロック図である。 補機類（改質ガス使用例）を説明するためのブロック図である。 図４（ａ）乃至同図（ｃ）は燃料電池システムの効率を説明するグラフである。 燃料電池の開回路電圧（ＯＣＶ）を所定値に維持するために水素ガスを断続的に供給する例を説明するグラフである。 燃料電池の開回路電圧の低下による燃料電池起動（出力立上がり）の遅れ特性を説明するグラフである。 制御部による燃料電池の間欠運転と開回路電圧の低下に対応した早期起動の制御動作を説明するフローチャートである。 燃料電池の開回路電圧に応じた燃料電池オンの基準値（閾値）設定例を説明するグラフである。 燃料電池システムの間欠運転における燃料電池オンの基準値を開回路電圧に応じて変化させる例を説明する説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム
２０…燃料電池
３０…２次電池
３２…モータ
３３…制御装置
３３ａ…アクセルペダル
３３ｂ…アクセルペダルポジションセンサ
３４…補機類
３６…ＤＣ／ＤＣコンバータ
４６…残存容量モニタ
５０…制御部
８０…インバータ
９０…電流センサ

Claims (4)

1. 燃料電池及び蓄電手段と、
   前記燃料電池及び前記蓄電手段から負荷へ電力を供給する電力供給手段と、を含む車両用の燃料電池システムであって、
   前記電力供給手段は、
   前記負荷の要求電力が低負荷領域の境界値である第１の基準値に満たないときに前記燃料電池を停止させて前記蓄電手段から前記負荷に電力を供給し、前記負荷の要求電力が第２の基準値以上であるときに停止した前記燃料電池を起動させて前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記負荷へ電力を供給する間欠運転手段と、
   停止した前記燃料電池の内部起電力の低下に応じて前記第２の基準値が低くなるように設定する閾値調整手段と、
   を備える車両用の燃料電池システム。
2. 前記閾値調整手段は、前記燃料電池の内部起電力の低下に応じて設定すべき前記第２の基準値のデータを予め記憶している請求項１に記載の車両用の燃料電池システム。
3. 前記蓄電手段は、二次電池及びキャパシタを含む請求項１に記載の車両用の燃料電池システム。
4. 車両の動力を発生するモータと、
   燃料電池及び蓄電手段から前記モータに電力を供給する電力供給手段を含む燃料電池システムと、を搭載する電気自動車であって、
   前記電力供給手段は、
   前記モータを含む負荷の要求電力が低負荷領域の境界値である第１の基準値に満たないときに前記燃料電池を停止させて前記蓄電手段から前記負荷に電力を供給し、前記負荷の要求電力が第２の基準値以上であるときに停止した前記燃料電池を起動させて前記燃料電池及び前記蓄電手段から前記負荷へ電力を供給する間欠運転手段と、
   停止した前記燃料電池の内部起電力の低下に応じて前記第２の基準値が低くなるように設定する閾値調整手段と、
   を備える電気自動車。