ホーム > 特許ランキング > トヨタ自動車株式会社
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-08-05
(45)【発行日】2024-08-14
(54)【発明の名称】燃料電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/04537 20160101AFI20240806BHJP
H01M 8/00 20160101ALI20240806BHJP
H01M 8/04858 20160101ALI20240806BHJP
H01M 8/249 20160101ALI20240806BHJP
【ＦＩ】
H01M8/04537
H01M8/00 Z
H01M8/04858
H01M8/249
【請求項の数】
2
(21)【出願番号】P 2021154675
(22)【出願日】2021-09-22
(65)【公開番号】P2023046011
(43)【公開日】2023-04-03
【審査請求日】2023-05-26
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000110
【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】長沼 良明
【審査官】大内 俊彦
(56)【参考文献】
【文献】特開２００４－１８６１３７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１７４５１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１０９５６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－２１８３９８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／００－８／２４９５
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
出力端に接続されている燃料電池ユニットと、前記燃料電池ユニットに並列に接続されているバッテリユニットと、
目標出力電力が前記燃料電池ユニットに対して設定されている出力電力下限値を下回っている場合、前記燃料電池ユニットの出力電圧がゼロよりも大きく前記バッテリユニットの出力電圧よりも低い所定のアイドリング電圧を保持するように前記燃料電池ユニットを制御する制御器と、
を備えており、
前記燃料電池ユニットは、並列に接続されている第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックであって、第１出力電力下限値が設定されている第１燃料電池スタックと、第２出力電力下限値が設定されている第２燃料電池スタックを含んでおり、
前記制御器は、
（１）前記目標出力電力が前記第１出力電力下限値を上回っており、かつ、前記第１出力電力下限値と前記第２出力電力下限値の合計を下回っている場合、前記第１燃料電池スタックの出力電力が前記目標出力電力以上となるように前記第１燃料電池スタックを制御し、前記第２燃料電池スタックの出力電圧がゼロより大きく前記バッテリユニットの出力電圧よりも低い第２アイドリング電圧を保持するように前記第２燃料電池スタックを制御し、
（２）前記目標出力電力が前記第１出力電力下限値と前記第２出力電力下限値の合計を上回っている場合、前記第１燃料電池スタックの出力電力が前記第１出力電力下限値を上回り、前記第２燃料電池スタックの出力電力が前記第２出力電力下限値を上回り、かつ、前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックの合計出力が前記目標出力電力以上となるように前記第１燃料電池スタックと前記第２燃料電池スタックを制御し、
（３）前記目標出力電力が前記第１出力電力下限値と前記第２出力電力下限値のそれぞれを下回っている場合、前記第１燃料電池スタックの出力電圧がゼロより大きく前記バッテリユニットの出力電圧よりも低い第１アイドリング電圧を保持するように前記第１燃料電池スタックを制御し、前記第２燃料電池スタックの出力電圧が前記第２アイドリング電圧を保持するように前記第２燃料電池スタックを制御する、
燃料電池システム。
【請求項2】
前記第１出力電力下限値は前記第２出力電力下限値以下である、請求項１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】
本明細書が開示する技術は、電源として用いることができる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【0002】
出力端に複数の燃料電池スタックが並列に接続されている燃料電池システムが特許文献１に開示されている。燃料電池システムの制御器は、目標出力電力を得るために必要最小限の個数の燃料電池スタックを運転する。幾つかの燃料電池スタックを運転しないでよい場合は、累積発電時間の長い燃料電池スタックを止める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特許国際公開ＷＯ２０１７／０１００６９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
燃料電池スタックは、停止（出力電圧ゼロの状態）と起動を数多く繰り返すと劣化が進む。本明細書は、劣化を抑制することのできる燃料電池システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本明細書が開示する燃料電池システムは、出力端に接続されている燃料電池ユニットと、燃料電池ユニットに並列に接続されているバッテリユニットと、制御器を備える。燃料電池ユニットは燃料電池スタックを含む。燃料電池ユニットは、燃料電池スタックの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータを含んでいてもよい。制御器は、燃料電池システムの目標出力電力が燃料電池ユニットに対して設定されている出力電力下限値を下回っている場合、燃料電池ユニットの出力電圧がゼロよりも大きくバッテリユニットの出力電圧よりも低い所定のアイドリング電圧を保持するように燃料電池ユニットを制御する。例えば、燃料電池スタックへ供給する酸素（空気）の量を調整することで、燃料電池ユニットの出力電圧をアイドリング電圧まで下げることができる。
【0006】
本明細書が開示する燃料電池システムでは、目標出力電力が小さい場合には、燃料電池ユニットの出力電圧をバッテリユニットの出力電圧よりも低くする。燃料電池ユニット（燃料電池スタック）からは電流が出力されず、バッテリユニットの電力だけが出力端から出力される。そして、制御器は、燃料電池ユニットの出力電圧をアイドリング電圧に保持する。燃料電池ユニット（燃料電池スタック）は、停止してはいないが電力を出力しない状態に保持される。電力を出力しない間も燃料電池ユニット（燃料電池スタック）を停止しないので、劣化が抑制される。
【0007】
アイドリング電圧の一例は、燃料電池スタックの単セルの保全電圧に燃料電池スタックのセル数を乗じた値以上の値である。保全電圧は、劣化が進み難い出力電圧であり、単セルの物理的特性に基づいて予め定められている。
目標出力電力が小さい場合、燃料電池ユニットは電力を出力せず、しかし、燃料電池ユニットの出力電圧をアイドリング電圧に保持する。燃料電池ユニットの出力電圧をバッテリユニットの出力電圧よりも低いアイドリング電圧に保持することにより、燃料電池スタックの劣化が抑えられる。
目標出力電力が小さい場合、燃料電池ユニットは電力を出力せず、しかし、燃料電池ユニットの出力電圧をアイドリング電圧に保持する。燃料電池ユニットの出力電圧をバッテリユニットの出力電圧よりも低いアイドリング電圧に保持することにより、燃料電池スタックの劣化が抑えられる。
【0008】
燃料電池ユニットは、燃料電池スタックの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータを備えていてもよい。その場合、制御器は、目標出力電力が出力電力下限値を上回っている場合、燃料電池ユニットの出力電力が目標出力電力以上となるように燃料電池スタックを制御するとともに、燃料電池ユニットの出力電圧がバッテリユニットの出力電圧を上回るように昇圧コンバータを制御する。バッテリユニットからは電力が出力されず、燃料電池ユニットの出力電力が出力端から出力されるようになる。
【0009】
燃料電池ユニットは、並列に接続される複数の燃料電池スタック（第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタック）を含んでいてもよい。第１燃料電池スタックには第１出力電力下限値が設定されており、第２燃料電池スタックには第２出力電力下限値が設定されている。その場合、制御器は、次の３通りの処理のいずれかを実行する。（１）目標出力電力が第１出力電力下限値を上回っており、かつ、第１出力電力下限値と第２出力電力下限値の合計を下回っている場合、制御器は、第１燃料電池スタックの出力電力が目標出力電力以上となるように第１燃料電池スタックを制御する。制御器は、第２燃料電池スタックの出力電圧がゼロより大きくバッテリユニットの出力電圧よりも低い第２アイドリング電圧を保持するように第２燃料電池スタックを制御する。（２）目標出力電力が第１出力電力下限値と第２出力電力下限値の合計を上回っている場合、制御器は、第１燃料電池スタックの出力電力が第１出力電力下限値を上回り、第２燃料電池スタックの出力電力が第２出力電力下限値を上回り、かつ、第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックの合計出力が目標出力電力以上となるように第１燃料電池スタックと第２燃料電池スタックを制御する。（３）目標出力電力が第１出力電力下限値と第２出力電力下限値のそれぞれを下回っている場合、制御器は、第１燃料電池スタックの出力電圧がゼロより大きくバッテリユニットの出力電圧よりも低い第１アイドリング電圧を保持するように第１燃料電池スタックを制御する。制御器は、第２燃料電池スタックの出力電圧が第２アイドリング電圧を保持するように第２燃料電池スタックを制御する。いずれの場合も、第１／第２燃料電池スタックの電圧をバッテリ電圧よりも低い所定の値（第１／第２アイドリング電圧）に保つことで、燃料電池スタックの劣化が抑えられる。
【0010】
第１／第２燃料電池スタックの出力電圧が第１／第２アイドリング電圧に保持されている間は、バッテリユニットの電力が出力端から出力される。
【0011】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】第１実施例の燃料電池システムのブロック図である。
【図2】燃料電池ユニットの出力電流と出力電圧の関係を示したグラフである。
【図3】燃料電池ユニット制御のフローチャートである（第１実施例）。
【図4】第２実施例の燃料電池システムのブロック図である。
【図5】燃料電池ユニット制御のフローチャートである（第２実施例）。
【図6】第３実施例の燃料電池システムのブロック図である。
【図7】燃料電池ユニット制御のフローチャートである（第３実施例）。
【発明を実施するための形態】
【0013】
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の燃料電池システム２を説明する。図１に、燃料電池システム２のブロック図を示す。燃料電池システム２は、燃料電池ユニット１０、バッテリユニット３、出力端４、制御器５を備えている。燃料電池システム２は、出力端４から電力を出力することができる。図１の構成では、出力端４に電気デバイス９０が接続されており、燃料電池システム２は、電気デバイス９０に電力を供給する。図１の破線矢印線は、通信線を表している。以下では、説明の便宜上、「燃料電池」を「ＦＣ」と略記する。燃料電池ユニット１０はＦＣユニット１０と表記し、燃料電池スタック１１はＦＣスタック１１と表記する。
【0014】
制御器５には操作盤５ａが接続されている。操作盤５ａには、出力端４から出力すべき電力（目標出力電力）を設定するスイッチ類が備えられている。燃料電池システム２のユーザは、操作盤５ａのスイッチを操作し、制御器５に目標出力電力を入力する。出力端４にはＦＣユニット１０とバッテリユニット３が並列に接続されており、制御器５は、出力端４から出力される電力が目標出力電力に一致するようにＦＣユニット１０を制御する。
【0015】
バッテリユニット３は、バッテリ３ａと電圧コンバータ３ｂを含んでいる。電圧コンバータ３ｂは、バッテリ３ａの出力電圧を昇圧して出力端４へ供給する昇圧機能と、ＦＣユニット１０の出力電圧を降圧してバッテリ３ａに供給する降圧機能を有する。そのような電圧コンバータ３ｂは、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータと呼ばれる。制御器５が電圧コンバータ３ｂを制御し、バッテリユニット３の出力電圧を調整する。バッテリ３ａの残電力量が少ないとき、制御器５は、ＦＣユニット１０と電圧コンバータ３ｂを制御し、ＦＣユニット１０の出力電力でバッテリ３ａをチャージする。
【0016】
ＦＣユニット１０は、複数の単セルが直列に接続されているＦＣスタック１１と、ＦＣスタック１１の出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２を含む。良く知られているように、ＦＣスタック１１（複数の単セル）は、水素と酸素を反応させて電気を得る。
【0017】
ＦＣユニット１０には、燃料タンク３０、および、ＦＣユニット１０を運転するための様々な電気デバイスが接続されている。ＦＣユニット１０を運転するための電気デバイスは補機と呼ばれることがある。補機には、例えば、燃料（水素）をＦＣスタック１１に送るためのインジェクタ３２、ＦＣスタック１１を通過した残ガスを残水素ガスと水に分離する気液分離器３３、残水素ガスを再びＦＣスタック１１に戻すポンプ３４、酸素（空気）をＦＣスタック１１に供給するエアコンプレッサ３５、ＦＣスタック１１を冷却する冷却器３６などが含まれる。ＦＣユニット１０には他にも複数の圧力センサやバルブが付随するが、それらの説明は省略する。制御器５は、補機を制御し、ＦＣスタック１１に供給される水素ガスと酸素（空気）の量を調整することで、ＦＣスタック１１の出力電力を調整することができる。また、制御器５は、昇圧コンバータ１２を制御し、ＦＣユニット１０の出力電圧を調整することができる。
【0018】
ＦＣユニット１０の出力電圧と出力電流はそれぞれ電圧センサ１３と電流センサ１４により計測される。電圧センサ１３と電流センサ１４の計測値は制御器５に送られる。制御器５は、電圧センサ１３と電流センサ１４の計測値からＦＣユニット１０の出力電圧と出力電流を得る。出力電圧に出力電流を乗じることで、ＦＣユニット１０の出力電力が得られる。
【0019】
実施例のＦＣシステム２は、バッテリユニット３を備えている。要求電力をバッテリユニット３で賄える場合は、ＦＣユニット１０（ＦＣスタック１１）を使わずに済ませたい。しかし、ＦＣスタック１１は、停止と起動を頻繁に繰り返すと劣化が進むことが知られている。そこで、制御器５は、要求電力（目標出力電力）が小さい場合は、次の通りにＦＣユニット１０を制御する。すなわち、目標出力電力が小さい場合、制御器５は、ＦＣユニット１０が出力端４へ電力を出力することなく、かつ、出力電圧がアイドリング電圧を保持するように、ＦＣユニット１０を制御する。なお、先に述べたように、「ＦＣユニット１０を制御する」とは、（１）ＦＣスタック１１に供給される酸素または水素の量（または、酸素と水素の両方）を調整すること、（２）昇圧コンバータ１２の昇圧比を制御すること、の一方または両方を意味する。
【0020】
アイドリング電圧とは、ＦＣスタック１１の単セルの保全電圧にＦＣスタック１１が有する単セル数を乗じた値に設定されている。ここで、単セルの保全電圧とは、単セルが劣化の進行を抑えつつ安定して出せる電圧を意味する。保全電圧は、単セルの物理特性に応じて予め定められている。ＦＣユニット１０（ＦＣスタック１１）の出力電圧がアイドリング電圧のとき、ＦＣユニット１０に含まれるそれぞれの単セルの劣化が抑えられる。
【0021】
ここで、図２を参照して、ＦＣスタック１１の電流／電圧特性とアイドリング電圧との関係を説明する。図２は、ＦＣスタック１１の出力電流と出力電圧をそれぞれ横軸と縦軸に表したグラフである。なお、理解を助けるために、昇圧コンバータ１２の昇圧比は１とした。すなわち、ＦＣスタック１１の出力電圧はＦＣユニット１０の出力電圧に等しい。
【0022】
良く知られているように、ＦＣスタックは、供給する酸素と水素の量が多いほど、グラフが上へ移動する。図２の例では、グラフＧ１が、酸素と水素の供給量が最も多い状態を示している。また、ＦＣスタックは、出力電流が大きいほど出力電圧が下がる傾向がある。ＦＣスタックに接続される負荷の内部抵抗が小さいと、ＦＣスタックから負荷に流れる電流が大きくなり、電圧は下がる。負荷の内部抵抗が大きいと、あるいは、ＦＣスタックの出力端が開放されると、ＦＣスタックから電流が出力されなくなるが、ＦＣスタックの出力端の電圧は最大となる。出力電流がゼロのとき、ＦＣスタックの内部では、水素と酸素の反応が進まなくなり、ＦＣスタックの内部に電荷がチャージされた状態が保持される。
【0023】
ＦＣスタック１１（ＦＣユニット１０）とバッテリユニット３が出力端４に並列に接続されている。従って、ＦＣスタック１１の出力電圧はバッテリユニット３の電圧Ｖ＿ＢＴを上回っているときにはＦＣスタック１１から電力が出力される。一方、ＦＣスタック１１の出力電圧が電圧Ｖ＿ＢＴを下回るとＦＣスタック１１から電力は出力されなくなる。ＦＣスタック１１の特性がグラフＧ１のとき、ＦＣスタック１１の動作点はポイントＰ１で維持される。ここで、ＦＣスタック１１への酸素供給を停止すると、グラフは徐々に下方に移動する。ＦＣスタック１１は、出力電流＝ゼロ、および、出力電圧＝Ｖ＿ＢＴとなる特性（グラフＧ２）で反応が止まる。すなわち、ＦＣスタック１１は、電力（電流）を出力しないが出力電圧がバッテリユニット３の電圧（バッテリ電圧Ｖ＿ＢＴ）と等しくなる動作点（図２のポイントＰ２）で維持される。
【0024】
後述するアイドリング電圧Ｖ＿Ｉｄｌｅは、バッテリ電圧Ｖ＿ＢＴよりも低い値に設定されている。ＦＣスタック１１の出力電圧がアイドリング電圧Ｖ＿ＩｄｌｅとなるようにＦＣスタック１１（ＦＣユニット１０）を制御すると、ＦＣスタック１１の特性はグラフＧ３となり、ポイントＰ３で反応が止まる。ポイントＰ３では、ＦＣスタック１１の電圧Ｖ＿Ｉｄｌｅはバッテリ電圧Ｖ＿ＢＴよりも小さいので、ＦＣスタック１１（ＦＣユニット１０）から電力（電流）は出力されないが、電圧Ｖ＿Ｉｄｌｅは保持される。
【0025】
実施例では、燃料電池システム２の出力目標は電力の単位（目標出力電力）で表すが、燃料電池システム２の出力目標は、電流の単位（目標出力電流）で表してもよい。目標出力電流は、ＦＣユニット１０の出力電圧がバッテリ電圧Ｖ＿ＢＴに等しくなったときの電流（グラフＧ１の場合は電流Ｉ１）で表される。目標電力出力は、ＦＣユニット１０の出力電圧がバッテリ電圧Ｖ＿ＢＴに等しくなったときの電流Ｉ１と、バッテリ電圧Ｖ＿ＢＴの積（Ｉ１×Ｖ＿ＢＴ）で表される。
【0026】
【0027】
先に述べたように、目標出力電力は、ユーザによって設定される。制御器５は、目標出力電力を出力電力下限値と比較する（ステップＳ２）。出力電力下限値は、ＦＣユニット１０に対して予め設定されている。
【0028】
目標出力電力が出力下限値を超えている場合（ステップＳ２：ＮＯ）、制御器５は、ＦＣユニット１０の出力電力が目標出力電力以上になるように、ＦＣユニット１０を制御する（ステップＳ４）。同時に制御器５は、ＦＣ電圧（昇圧コンバータ１２の出力電圧）がバッテリ電圧よりも高くなるように、昇圧コンバータ１２を制御する。ＦＣ電圧がバッテリ電圧よりも高くなることで、ＦＣユニット１０の出力電力が出力端４から出力される。バッテリユニット３のバッテリ３ａは再充電が可能な二次バッテリであり、バッテリ３ａが満充電状態ではない場合、ＦＣユニット１０の出力電力の一部でバッテリ３ａが充電される。
【0029】
バッテリ３ａが満充電の場合、制御器５は、ＦＣユニット１０の出力電力が目標出力電力に一致するようにＦＣユニット１０を制御する。この場合、ＦＣユニット１０の出力電力の全てが出力端４から出力され、電気デバイス９０に供給される。
【0030】
ステップＳ２において、目標出力電力が出力電力下限値を下回っている場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、制御器５は、ＦＣ電圧がアイドリング電圧となるように、ＦＣユニット１０を制御する。このとき、制御器５は、昇圧比が１となるように昇圧コンバータ１２を制御する。ＦＣ電圧（ＦＣユニット１０の出力電圧）はＦＣスタック１１の電圧に等しくなる。すなわち、ＦＣスタック１１の電圧がアイドリング電圧に保持される。
【0031】
先に述べたように、アイドリング電圧は、ＦＣスタック１１の単セルの保全電圧にＦＣスタック１１が有する単セル数を乗じた値に設定されている。また、アイドリング電圧は、バッテリ電圧よりも低い。それゆえ、ＦＣ電圧がアイドリング電圧に保持されているとき、ＦＣユニット１０からは電力が出力されず、バッテリユニット３の出力電力が出力端４から出力される。すなわち、電気デバイス９０には、ＦＣユニット１０からは電力が供給されず、バッテリユニット３の電力が供給される。
【0032】
先に述べたように、ＦＣ電圧（ＦＣスタック１１の出力電圧）をアイドリング電圧に保持することで複数の単セルの電圧を低く抑えることができ（ただし、単セルの電圧はゼロではない）、ＦＣスタック１１の劣化が抑えられる。
【0033】
（第２実施例）図４に、第２実施例の燃料電池システム１０２のブロック図を示す。燃料電池システム１０２は、ＦＣユニット１０と出力端４の間にＦＣリレー１５が配置されていることのみが、第１実施例の燃料電池システム２と相違する。ＦＣリレー１５以外の燃料電池システム１０２の構成については説明を割愛する。ＦＣリレー１５が開くと、ＦＣユニット１０が出力端４から電気的に遮断される。なお、ＦＣリレー１５が開いても、バッテリユニット３と出力端４の電気的な接続は保持される。
【0034】
図５に、燃料電池システム１０２の制御器１０５が実行する処理のフローチャートを示す。ステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４は、図３のフローチャートと同じである。図５では、ステップＳ３の次にステップＳ５が加わっている。すなわち、目標出力電力が出力電力下限値を下回っている場合、制御器１０５は、ＦＣ電圧をアイドリング電圧に保持したら、ＦＣリレー１５を開く（ステップＳ３、Ｓ５）。ステップＳ３にて、制御器１０５は、昇圧コンバータ１２を運転し（昇圧コンバータ１２の出力電圧＞バッテリ電圧）、ＦＣスタック１１の出力電圧がアイドリング電圧に下がるまで、ＦＣスタック１１の電力をバッテリユニット３へ出力する。別言すれば、制御器１０５は、ＦＣスタック１１の電力をくみ出してバッテリユニット３へ送る。制御器は、ＦＣスタック１１の出力電圧がアイドリング電圧に下がったら昇圧コンバータ１２を停止し、ＦＣリレー１５を開く（ステップＳ５）。昇圧コンバータ１２を停止すると、昇圧コンバータ１２の昇圧比は１になる。このとき、ＦＣユニット１０の出力電圧はＦＣスタック１１の出力電圧に等しくなる。すなわち、ＦＣ電圧（ＦＣユニット１０の出力電圧）がアイドリング電圧に等しくなる。ＦＣリレー１５を開いてＦＣユニット１０を出力端４から電気的に遮断することで、ＦＣユニット１０から電力が確実に出力されなくなる。ＦＣユニット１０から電力が出力されなくなるので、ＦＣユニット１０の出力電圧が安定する。
【0035】
（第３実施例）図６に、第３実施例の燃料電池システム２０２のブロック図を示す。燃料電池システム２０２のＦＣユニット２１０は、２個のＦＣスタック（第１ＦＣスタック１１ａと第２ＦＣスタック１１ｂ）を備える。２個のＦＣスタック１１ａ、１１ｂは、バッテリユニット３とともに、出力端４に並列に接続されている。第１ＦＣスタック１１ａの出力端には昇圧コンバータ１２ａが接続されており、第２ＦＣスタック１１ｂには昇圧コンバータ１２ｂが接続されている。ＦＣスタック１１ａ、１１ｂ、昇圧コンバータ１２ａ、１２ｂは、それぞれ、第１実施例のＦＣスタック１１、昇圧コンバータ１２と同じである。２個のＦＣスタック１１ａ、１１ｂには、共通の燃料タンク３０から燃料ガス（水素ガス）が供給される。図６では、インジェクタ、気液分離器、ポンプ、エアコンプレッサなど、ＦＣスタックに付随する補機の図示は省略した。
【0036】
ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）の出力電圧と出力電流は、電圧センサ１３ａ（１３ｂ）と電流センサ１４ａ（１４ｂ）により計測される。電圧センサ１３ａ（１３ｂ）と電流センサ１４ａ（１４ｂ）の計測値は制御器２０５に送られる。図６では、通信線の図示は省略してある。電圧センサ１３ａ（１３ｂ）と電流センサ１４ａ（１４ｂ）の計測値から、制御器２０５は、ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）の出力電圧、出力電流、出力電力を得ることができる。
【0037】
制御器２０５には操作盤５ａが接続されており、ユーザが操作盤５ａを用いて、出力端４から出力すべき電力（目標出力電力）を制御器２０５に入力する。制御器２０５は、出力端４から出力される電力が目標出力電力に一致するように、ＦＣユニット２１０（ＦＣスタック１１ａ、１１ｂ）を制御する。
【0038】
ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）は、ＦＣリレー１５ａ（１５ｂ）を介して出力端４に接続されている。制御器２０５がＦＣリレー１５ａ（１５ｂ）を開くと、ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）が出力端４から電気的に遮断される。以下では、ＦＣリレー１５ａを第１ＦＣリレー１５ａと称し、ＦＣリレー１５ｂを第２ＦＣリレー１５ｂと称する場合がある。
【0039】
ＦＣスタック１１ａ、１１ｂのそれぞれにも出力電力下限値が設定されている。第１ＦＣスタック１１ａの出力電力下限値を第１出力電力下限値と称し、第２ＦＣスタック１１ｂの出力電力下限値を第２出力電力下限値と称する。第１出力電力下限値と第２出力電力下限値は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。説明の便宜上、第１出力電力下限値は第２出力電力下限値以下であると仮定する。
【0040】
ＦＣスタック１１ａ、１１ｂのそれぞれにもアイドリング電圧が設定されている。ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）の出力電圧をアイドリング電圧に保つと、ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）に含まれている複数の単セルの劣化が抑えられる。第１ＦＣスタック１１ａのアイドリング電圧を第１アイドリング電圧と称し、第２ＦＣスタック１１ｂのアイドリング電圧を第２アイドリング電圧と称する。第１アイドリング電圧と第２アイドリング電圧は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。第１／第２アイドリング電圧は、いずれも、ゼロよりも大きく、バッテリユニット３の電圧よりも低い。
【0041】
制御器２０５は、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂの劣化が進まないように、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂを制御する。図７－図９に、制御器２０５が実行する処理のフローチャートを示す。なお、以下の説明、および、図７－９では、第１ＦＣスタック１１ａの出力電圧を第１ＦＣ電圧と称し、第２ＦＣスタック１１ｂの出力電圧を第２ＦＣ電圧と称する。
【0042】
制御器２０５は、ユーザによって入力された目標出力電力を第１出力電力下限値と比較する（ステップＳ１２）。先に述べたように、第１出力電力下限値は第２出力電力下限値以下であると仮定しているので、目標出力電力が第１出力下限値よりも小さい場合は、当然に目標出力電力は第２出力電力下限値よりも小さい。
【0043】
目標出力電力が第１出力電力下限値と第２出力電力下限値のそれぞれを下回っている場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、制御器２０５は、第１ＦＣ電圧が第１アイドリング電圧となるように第１ＦＣスタック１１ａを制御し、第２ＦＣ電圧が第２アイドリング電圧となるように第２ＦＣスタック１１ｂを制御する（ステップＳ１３）。第１、第２実施例で説明したように、ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）の出力電圧がバッテリ電圧（バッテリユニット３の出力電圧）よりも低いアイドリング電圧に下がるまで、制御器２０５は昇圧コンバータ１２ａ（１２ｂ）を駆動する。ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）の電力がバッテリ３ａに供給され、第１ＦＣ電圧と第２ＦＣ電圧が下がっていく。ＦＣスタック１１ａ、１１ｂの出力電圧がそれぞれのアイドリング電圧まで下がったら、制御器２０５は昇圧コンバータ１２ａ、１２ｂを停止し、第１ＦＣリレー１５ａと第２ＦＣリレー１５ｂを開く（ステップＳ１４）。
【0044】
ＦＣリレー１５ａ、１５ｂを開いているので、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂの出力は出力端４には流れない。出力端４からは、バッテリユニット３の電力が出力される。なお、ＦＣリレー１５ａ（１５ｂ）が閉じていてもＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）から出力端４へは電力は流れない。なぜならば、ＦＣスタック１１ａ（１１ｂ）の出力電圧は第１アイドリング電圧（第２アイドリング電圧）に設定されており、第１アイドリング電圧（第２アイドリング電圧）はバッテリユニット３の電圧よりも低いからである。ＦＣリレー１５ａ、１５ｂを開くのは、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂの出力を確実に止めるためである。
【0045】
ステップＳ１２において、目標出力電力が第１出力電力下限値を上回っている場合は、制御器２０５は、図８のステップＳ２１の処理に移る。
【0046】
ステップＳ２１では、制御器２０５は、目標出力電力を、第１出力電力下限値と第２出力下限値の合計（下限値合計）と比較する。目標出力電力が下限値合計を上回っている場合、制御器２０５は、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂの出力電力の合計が目標出力電力以上となるようにＦＣスタック１１ａ、１１ｂを制御する。さらにこのとき、制御器２０５は、第１ＦＣスタック１１ａの出力電力が第１出力電力下限値よりも大きくなるように、かつ、第２ＦＣスタック１１ｂの出力電力が第２出力電力下限値よりも大きくなるように、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂを制御する。さらに制御器２０５は、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂのそれぞれの出力電圧（昇圧コンバータ１２ａ、１２ｂのそれぞれの出力電圧）がバッテリユニット３の電圧よりも大きくなるようにＦＣスタック１１ａ、１１ｂを制御する（ステップＳ２２）。
【0047】
昇圧コンバータ１２ａ、１２ｂの出力電圧がバッテリユニット３の電圧よりも高いので、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂから出力端４へ電力が流れる。
【0048】
ステップＳ２１の処理において、目標出力電力が下限値合計を下回っている場合は、制御器２０５は、図９のステップＳ３１の処理に移る。
【0049】
目標出力電力が第１出力電力下限値よりも大きく（ステップＳ１２：ＮＯ）、かつ、下限値合計を下回っている場合（ステップＳ２１：ＮＯ）、制御器２０５は、第１ＦＣスタック１１ａからは電力が出力されるが第２ＦＣスタック１１ｂからは電力が出力されないように、ＦＣスタック１１ａ、１１ｂを制御する。具体的には、制御器２０５は、まず、第２ＦＣスタック１１ｂの出力電圧が第２アイドリング電圧を保持するように第２ＦＣスタック１１ｂを制御する（ステップＳ３１）。先に述べたように、制御器２０５は、第２ＦＣスタック１１ｂの出力電圧が第２アイドリング電圧に下がるまで、昇圧コンバータ１２ｂを駆動する（昇圧コンバータ１２ｂの出力電圧＞バッテリ電圧）。第２ＦＣスタック１１ｂの電力がバッテリユニット３のバッテリ３ａに流れ、第２ＦＣスタック１１ｂの電圧が下がっていく。第２ＦＣスタック１１ｂの出力電圧が第２アイドリング電圧まで下がったら、制御器１０５は、昇圧コンバータ１２ｂを停止し、第２ＦＣリレー１５ｂを開く（ステップＳ３２）。
【0050】
続いて制御器２０５は、第１ＦＣリレー１５ａを閉じる（ステップＳ３３）。制御器２０５は、第１ＦＣスタック１１ａの出力電力が目標出力電力以上となり、第１ＦＣスタック１１ｂの出力電圧（昇圧コンバータ１２ａの出力電圧）がバッテリユニット３の電圧を上回るように、第１ＦＣスタック１１ａを制御する（ステップＳ３４）。
【0051】
第２ＦＣスタック１１ｂの出力電圧は第２アイドリング電圧に保持されており、第２アイドリング電圧はバッテリユニット３の電圧よりも低いので、第２ＦＣスタック１１ｂから出力端４へは電力が流れない。第２ＦＣスタック１１ｂの出力電圧は第２アイドリング電圧に保持されているため、第２ＦＣスタック１１ｂの複数の単セルの劣化が抑えられる。
【0052】
一方、第１ＦＣスタック１１ａの出力電圧（昇圧コンバータ１２ａの出力電圧）はバッテリユニット３の電圧を超えているので、第１ＦＣスタック１１ａの出力電力が出力端４から出力される。第１ＦＣスタック１１ａにより、出力端４から目標出力電力が出力される。
【0053】
以上説明したように、実施例の燃料電池システムは、ＦＣユニット（ＦＣスタック）の出力電圧がアイドリング電圧以上となるように制御されるので、複数の単セルの劣化が抑えられる。
【0054】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第３実施例では２個のＦＣスタック１１ａ、１１ｂが出力端４に接続されている。３個以上のＦＣスタックが出力端に並列に接続されていてもよい。
【0055】
実施例のＦＣシステムは、目標出力電力が小さい場合でもＦＣユニット（ＦＣスタック）を停止せず、ＦＣスタックの出力電圧をアイドリング電圧に保持する。実施例のＦＣシステムは、起動と停止の繰り返し数を抑えることができ、その結果、劣化を抑えることができる。ＦＣスタックの出力電圧を下げるには、ＦＣスタックに供給する酸素（空気）の量を減らす処理が好適である。
【0056】
ＦＣスタックの出力電圧をアイドリング電圧に保持することで劣化を抑制できるが、大電流を出力しているＦＣスタックと比較すると、相対的に劣化が進む。複数のＦＣスタックが並列に接続されている場合であって、少なくとも１個のＦＣスタックの出力電圧をアイドリング電圧に保持する場合、出力特性が低いＦＣスタックを選択するとよい。複数のＦＣスタックの劣化の進み具合を平準化することができる。ここで、「出力特性が低い」とは、同一の電流を出力しているときに最も出力電圧が低くなったＦＣスタックを意味する。
【0057】
先に述べたように、実施例の説明における「目標出力電力」、「ＦＣユニットの出力電力」、「出力電力下限値」は、それぞれ、「目標出力電流」、「ＦＣユニットの出力電流」、「出力電流下限値」と呼び変えても技術的には等価である。
【0058】
ＦＣリレー１５、１５ａ、１５ｂは必須ではないが、出力電圧がアイドリング電圧に保持されたＦＣユニットの出力を確実に止めるには有効である。昇圧コンバータがトランス式の場合、昇圧コンバータを停止すると昇圧コンバータの両端が電気的に遮断されるので、ＦＣリレーは不要となる。
【0059】
実施例のＦＣシステムのＦＣユニットは、ＦＣスタックと昇圧コンバータを備えている。昇圧コンバータは無くてもよい。ただし、ＦＣユニットが昇圧コンバータを備えていると次の利点が得られる。昇圧コンバータを使ってＦＣユニットの出力電圧をバッテリユニットの電圧よりも高くすることで、ＦＣスタックの電力をバッテリユニットに移すことができる。この電力移送を活用して、ＦＣスタックの出力電圧をアイドリング電圧まで素早く下げることができる。
【0060】
実施例のＦＣシステムのバッテリユニットは、バッテリと電圧コンバータを備えている。電圧コンバータは無くてもよい。
【0061】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【0062】
２、１０２、２０２：燃料電池システム ３：バッテリ ４：出力端 ５、１０５、２０５：制御器 ５ａ：操作盤 １０、２１０：燃料電池ユニット １１、１１ａ、１１ｂ：燃料電池スタック １２、１２ａ、１２ｂ：昇圧コンバータ １３、１３ａ、１３ｂ：電圧センサ １４、１４ａ、１４ｂ：電流センサ １５、１５ａ、１５ｂ：ＦＣリレー ３０：燃料タンク ３２：インジェクタ ３３：気液分離器 ３４：ポンプ ３５：エアコンプレッサ ３６：冷却器 ９０：電気デバイス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】