(57)【要約】【課題】燃料電池と二次電池とから負荷に電力を供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池の耐久性を損なわずに燃料電池の停止過程でもモータに十分な出力を供給する。【解決手段】燃料電池システムの制御部は、負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配する電力分配手段と、運転中の燃料電池を停止させる際、燃料電池の停止動作開始後、電力検出手段によって取得する燃料電池の出力電力が所定の電力まで低下する間は、電力分配手段によって負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配し、電力検出手段によって取得する燃料電池の出力電力が所定の電力以下となった場合は、電力分配手段を停止し、二次電池からの出力電力を負荷への出力電力とする燃料電池停止手段と、を備える。【選択図】図３
2010244980.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
充放電可能な二次電池と、
二次電池と負荷との間に設けられた電圧変換器と、
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電し、電圧変換器と共通の電路を介して負荷に電力を供給する燃料電池と、
燃料電池の出力電力を検出する電力検出手段と、
燃料電池の運転停止を行う制御部と、を備える燃料電池システムであって、
制御部は、
負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配する電力分配手段と、
運転中の燃料電池を停止させる際、燃料電池の停止動作開始後、電力検出手段によって取得する燃料電池の出力電力が所定の電力まで低下する間は、電力分配手段によって負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配し、電力検出手段によって取得する燃料電池の出力電力が所定の電力以下となった場合は、電力分配手段を停止し、二次電池からの出力電力を負荷への出力電力とする燃料電池停止手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
電力分配手段は、燃料電池の出力電流電圧特性と、二次電池の出力電流電圧特性とに基づいて、負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配すること、
を特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池システムを搭載する電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよび燃料電池システムを搭載した電動車両における燃料電池の停止過程の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する固体高分子型燃料電池の実用化が検討されつつある。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、プロトン導電性の固体高分子膜とその両側にそれぞれ配置される燃料極（アノード）および酸化剤極（カソード）とからなる発電セルをセパレータによって挟持したものである。燃料極（アノード）および酸化剤極（カソード）は、白金系の金属触媒を炭素粉末に担持して得られる触媒体とプロトン導電性高分子電解質との混合物で構成される触媒層を有する。通常、単一の発電セルの発電電力は１．０Ｖであり、車両などに搭載される数百Ｖの高出力の燃料電池は発電セルとセパレータを数百個積層した燃料電池スタックが用いられている。
【０００４】
燃料電池は、発電停止中のように開回路に近い状態では、各発電セルの電圧が高電状態となる場合がある。このように燃料極（カソード）が高電位状態となっている場合、カソードの白金触媒の溶出やシンタリングの問題が発生し、膜電極接合体の劣化が進行することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
そこで、特許文献１には、固体高分子型燃料電池において、負荷を切り離した発電停止状態で燃料極（アノード）に燃料ガスを存在させた状態下にて、発電セルの電位が目標電位となるように、酸化剤極（カソード）の酸素分圧を制御し、発電停止後の膜電極接合体の劣化の進行を抑制することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２６８０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年、燃料電池システムと充放電可能な二次電池の二種類の電池を搭載した電動車両の検討が進められている。このような電動車両では、車両の駆動に必要な出力を燃料電池と二次電池から供給し、車両の停止の際の回生電力を二次電池に充電する方法が用いられる。そして、二次電池の残存容量（ＳＯＣ）が大きくなった場合には、燃料電池の運転を停止して二次電池によってモータを駆動し、二次電池の残存容量（ＳＯＣ）が少なくなると燃料電池を再起動して燃料電池と二次電池によって電力を供給する、燃料電池の間欠停止運転が検討されている。
【０００８】
しかし、燃料電池は燃料の供給を停止しても直に出力がゼロとならないため、特許文献１に記載された従来技術のように燃料電池を停止させる場合に、負荷を切り離すと共に燃料ガスの供給を停止した後、燃料電池の温度が十分に低下するまでの間、酸化剤ガスの供給を制御してセル電圧を目標電位に維持するようにしても負荷を切り離した後、燃料電池の電圧が目標電位に制御され始めるまでの間は、燃料電池内に残存している燃料ガスと酸化剤ガスとの反応による発電で燃料電池の電圧が一旦上昇することとなる。この場合、燃料電池の電圧の上昇は燃料電池を負荷から切り離した後に発生することから、燃料電池の内部に残存している燃料ガスと酸化剤ガスの量によって変化することと、その電圧を制御できないことから、燃料電池の電圧は開回路電圧近くまで上昇する場合がある。
【０００９】
燃料電池と二次電池を搭載した電動車両では、燃料電池の起動、停止を煩雑に行う燃料電池の間欠停止を行うことから、停止の都度、燃料電池の電圧が開回路電圧近くまで上昇すると燃料電池の劣化が進行してしまう場合がある。また、燃料電池から電気出力が取り出せる状態で燃料電池と負荷とを遮断してしまうと、負荷にまだ供給できる出力を供給しないこととなってしまいモータに十分な負荷を供給できない場合がある。
【００１０】
そこで、本発明は、燃料電池と二次電池とから負荷に電力を供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池の耐久性を損なわずに燃料電池の停止過程でもモータに十分な出力を供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、充放電可能な二次電池と、二次電池と負荷との間に設けられた電圧変換器と、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電し、電圧変換器と共通の電路を介して負荷に電力を供給する燃料電池と、燃料電池の出力電力を検出する電力検出手段と、燃料電池の運転停止を行う制御部と、を備える燃料電池システムであって、制御部は、負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配する電力分配手段と、運転中の燃料電池を停止させる際、燃料電池の停止動作開始後、電力検出手段によって取得する燃料電池の出力電力が所定の電力まで低下する間は、電力分配手段によって負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配し、電力検出手段によって取得する燃料電池の出力電力が所定の電力以下となった場合は、電力分配手段を停止し、二次電池からの出力電力を負荷への出力電力とする燃料電池停止手段と、を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【００１２】
本発明の燃料電池システムにおいて、電力分配手段は、燃料電池の出力電流電圧特性と、二次電池の出力電流電圧特性とに基づいて、負荷からの要求電力を燃料電池からの出力電力と二次電池からの出力電力とに分配すること、としても好適である。
【００１３】
本発明の電動車両は、上記の燃料電池システムを搭載したものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、燃料電池と二次電池とから負荷に電力を供給する燃料電池システムにおいて、燃料電池の耐久性を損なわずに燃料電池の停止過程でもモータに十分な出力を供給できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態における燃料電池システムの系統図である。
【図２】従来技術による燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止の際の電圧、発電電力、補機の回転数の変化を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態における燃料電池システムにおいて、燃料電池の停止の際の電圧、発電電力、補機の回転数の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載されている燃料電池システム１００は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２の電圧を昇圧または降圧する昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１５に供給するインバータ１４と、燃料電池１１と、を備えている。
【００１７】
二次電池１２は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、その電圧は走行用モータ１５の駆動電圧よりも低い電圧であるが、走行用モータの駆動電圧と同等あるいは高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ１３は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１２から供給された一次側の電圧を走行用モータ駆動用の高圧に昇圧するものであり、基準電路３２が二次電池１２のマイナス側電路３４とインバータ１４のマイナス側電路３９とに共通に接続され、一次側電路３１が二次電池１２のプラス側電路３３に接続され、二次側電路３５がインバータ１４のプラス側電路３８に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。また、二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４には二次電池１２と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー２５が設けられている。
【００１８】
燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電するもので、水素ガスは高圧の水素タンク１７から水素供給弁１８を介して燃料極（アノード）に供給され、空気は空気圧縮機１９によって酸化剤極（カソード）に供給される。燃料電池１１のプラス側電路３６は昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５にＦＣリレー２４と逆流防止ダイオード２３を介して接続され、燃料電池１１のマイナス側電路３７はＦＣリレー２４を介して昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に接続される。昇降圧コンバータ１３の二次側電路３５はインバータ１４のプラス側電路３８に接続され、昇降圧コンバータ１３の基準電路３２はインバータ１４のマイナス側電路３９に接続されているので、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７はそれぞれインバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９にＦＣリレー２４を介して接続されている。ＦＣリレー２４は負荷系統と燃料電池１１との接続を入り切りするもので、ＦＣリレー２４が閉となると燃料電池１１は昇降圧コンバータ１３の二次側と接続され、燃料電池１１の発電電力は二次電池１２の一次側電力を電圧変換した二次側電力と共にインバータ１４に供給されて車輪６０を回転させる走行用モータ１５を駆動する。この際、燃料電池１１の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧、インバータ１４の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機１９や冷却水ポンプ、水素ポンプなど燃料電池１１の補機１６の駆動電力は燃料電池１１または二次電池１２から供給される。
【００１９】
二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４との間には一次側の電圧を平滑化する一次側コンデンサ２０が接続され、一次側コンデンサ２０には両端の電圧を検出する電圧センサ４１が設けられている。また、インバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９との間には二次側の電圧を平滑にする二次側コンデンサ２１が設けられ、二次側コンデンサ２１にも両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。一次側コンデンサ２０両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の入力電圧である一次側電圧ＶLであり、二次側コンデンサ２１の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である二次側電圧ＶHである。また、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７との間には燃料電池１１のＦＣ電圧を検出する電圧センサ４３が設けられ、燃料電池１１のプラス側電路３６には燃料電池１１からのＦＣ出力電流を検出する電流センサ４４が設けられている。
【００２０】
制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータであり、燃料電池１１、空気圧縮機１９、水素供給弁１８、昇降圧コンバータ１３、インバータ１４、走行用モータ１５、補機１６、ＦＣリレー２４、システムリレー２５は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池１２と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４はそれぞれ制御部５０に接続され、二次電池１２の状態と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４の検出信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。電動車両２００には燃料電池システム１００を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー３０が設けられている。イグニッションキー３０は制御部５０に接続され、イグニッションキー３０のオンオフ信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。
【００２１】
このように二種類の電源を備える燃料電池システム１００では、通常運転の際には走行用モータ１５の駆動に必要な電力を二次電池１２からの出力電力と燃料電池１１からのＦＣ出力電力とに分配する分配演算に基づいて各電池１１，１２からの各出力電力を制御している。電力分配演算は燃料電池１１の出力電流電圧特性と、二次電池１２の出力電流電圧特性とに基づいて計算される。
【００２２】
本発明の実施形態の動作について説明する前に、図２を参照して燃料電池システム１００の従来技術による燃料電池１１の間欠停止の際の動作について説明する。図２に示す時間ｔ0に、制御部５０は、燃料電池１１の間欠停止指令を出力する。この間欠運転出力指令が出力されると制御部５０は二次側電圧ＶHをＯＣＶに上昇させるとともに、空気圧縮機１９及び図示しない水素循環ポンプなどの補機を停止させると補機の回転数はゼロとなる。そして、電圧センサ４３によって検出される燃料電池１１のＦＣ電圧が開回路電圧ＯＣＶに達すると、燃料電池１１からは電流が流れ出さなくなるので、電流センサ４４によって検出される燃料電池１１のＦＣ出力電流がゼロとなり燃料電池１１から出力されるＦＣ出力電力もゼロとなる。燃料電池１１のＦＣ出力電力がゼロとなったら制御部５０は、二次電池１２からの出力によって走行用モータ１５を駆動して電動車両２００を走行させる。ここで、電圧センサ４３、電流センサ４４とは電力検出手段を構成する。
【００２３】
このように、従来技術による燃料電池１１の停止過程においては、燃料電池１１のＦＣ電圧を開回路電圧ＯＣＶに到達させて、燃料電池１１からのＦＣ出力電流の流出を停止させるので、燃料電池１１の内部に残留している水素ガスや空気の量にかかわらず燃料電池１１の停止指令の直後に燃料電池１１からのＦＣ出力電力をゼロとすることができるが、燃料電池１１のＦＣ電圧が開回路電圧ＯＣＶに到達するので、間欠停止動作を繰り返すほど燃料電池１１の劣化が進行してしまうことが問題となった。
【００２４】
次に、図３を参照しながら燃料電池システム１００の本発明の実施形態による燃料電池１１の停止の際の動作について説明する。図３に示す時間ｔ1において、制御部５０は燃料電池１１の間欠停止指令を出力する。この間欠運転出力指令が出力されると制御部５０は二次側電圧ＶHを停止直前の運転電圧Ｖ0よりも高く、開回路電圧ＯＣＶよりも低い電圧Ｖ1に上昇させるとともに、空気圧縮機１９及び図示しない水素循環ポンプなどのＦＣ補機を停止させる。これによってＦＣ補機の回転数はゼロとなる。燃料電池１１のＦＣ電圧は二次側電圧ＶHと同一なので、二次側電圧ＶHが上昇すると燃料電池１１のＦＣ電圧も上昇し、そのＦＣ出力電力は低下する。また、時間ｔ1の後においては、水素ガスと空気との供給が停止されることから燃料電池１１からのＦＣ出力電力は燃料電池１１の内部に残存している水素ガスと空気との反応によるものとなるので、そのＦＣ出力電力は時間と共に次第に低下してくる。
【００２５】
制御部５０は、燃料電池１１から流出するＦＣ出力電流を電流センサ４４によって取得し、燃料電池１１のＦＣ電圧を電圧センサ４３から取得して燃料電池１１からのＦＣ出力電力を計算する。そして、制御部５０は燃料電池１１からのＦＣ出力電力が所定の閾値Ｐ1に到達するまでの間は、燃料電池１１は走行用モータ１５に出力する電力を供給することが出来ると判断し、燃料電池１１が運転されている状態と同様にモータ１５の駆動に必要な電力を二次電池１２からの出力電力と燃料電池１１からのＦＣ出力電力とに分配する分配演算を行う。この際、制御部５０は、電圧センサ４３から取得した燃料電池１１のＦＣ電圧と電圧センサ４１によって取得した一次側電圧ＶL及び燃料電池１１の出力電流電圧特性と二次電池１２の出力電流電圧特性とに基づいて燃料電池１１からのＦＣ出力電力と二次電池１２からの出力電力とを計算する。そして、制御部５０は、分配演算によって分配された各出力電力をそれぞれ燃料電池１１、二次電池１２とから取り出して走行用モータ１５に供給する。
【００２６】
燃料電池１１には水素ガスと空気とが供給されないので、そのＦＣ出力電力はさらに低下してくる。そして、制御部５０は、燃料電池１１からのＦＣ出力電力が所定の閾値Ｐ1に到達すると、それ以上燃料電池１１から電力を出力させることは出来ないと判断して、燃料電池１１が間欠停止状態となった信号を出力する。そして、制御部５０は、走行用モータ１５の駆動に必要な電力を二次電池１２からの出力電力と燃料電池１１からのＦＣ出力電力とに分配する分配演算を停止し、二次電池１２からの出力によって走行用モータ１５を駆動する。この際、ＦＣリレー２４を開として燃料電池１１を負荷系統から切り離してもよい。この場合、燃料電池１１からのＦＣ出力電流はほとんどゼロとなっていることから、ＦＣリレー２４をスムースに開とすることができる。
【００２７】
以上説明したように、本実施形態では、燃料電池１１を間欠停止させる過程において、燃料電池１１に残存している水素ガスと空気との反応による電気出力、つまり図３の斜線部ａに示す領域の電気出力を、走行用モータ１５に供給する電力として取り出すことが出来ることから、燃料電池１１の間欠停止過程においても走行用モータ１５に十分なパワーを供給することができ、電動車両２００のドライバビリティを向上させることができる。また、燃料電池１１の間欠停止過程において燃料電池１１のＦＣ電圧を開回路電圧ＯＣＶ以下にすることができ、燃料電池１１の耐久性を損なうことを抑制することができる。
【００２８】
図３で示す領域ａにおいては、燃料電池１１からの出力は制御部５０の分配演算の結果に基づいて決定されていることから、例えば、電動車両２００が減速しており、二次電池１２の残存容量（ＳＯＣ）が所定の残存容量よりも大きい場合のように、燃料電池１１からの出力を取り出して二次電池１２に充電できないような場合には、二次側電圧ＶHを高くして燃料電池１１からのＦＣ出力電力を抑えることができ、二次電池１２の過充電を抑制することが出来る。
【００２９】
以上説明した実施形態では、燃料電池１１の間欠停止の際に二次側電圧ＶHを停止直前の運転電圧Ｖ0よりも高く開回路電圧ＯＣＶよりも低い電圧Ｖ1に上昇させることとして説明したが、電圧Ｖ1が開回路電圧ＯＣＶよりも低ければ二次側電圧ＶHを上昇させないようにしても良いし、逆に二次側電圧ＶHを停止直前の運転電圧Ｖ0よりも低くしても良い。
【符号の説明】
【００３０】
１１  燃料電池、１２  二次電池、１３  昇降圧コンバータ、１４  インバータ、１５  走行用モータ、１６  補機、１７  水素タンク、１８  水素供給弁、１９  空気圧縮機、２０  一次側コンデンサ、２１  二次側コンデンサ、２３  逆流防止ダイオード、２４  ＦＣリレー、２５  システムリレー、３０  イグニッションキー、３１  一次側電路、３２  基準電路、３３，３６，３８  プラス側電路、３４，３７，３９  マイナス側電路、３５  二次側電路、４１〜４３  電圧センサ、４４  電流センサ、５０  制御部、６０  車輪、１００  燃料電池システム、２００  電動車両。
【図１】
2010244980.tif 000003
【図２】
2010244980.tif 000004
【図３】
2010244980.tif 000005