(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池システムを起動してから暖機が完了するまでの時間を短くすることを可能とする。【解決手段】燃料電池１と、強電遮断器５６を介して燃料電池１に並列に接続され、電力の充放電が可能な強電バッテリ５５と、燃料電池１の発電及び強電バッテリ５５の充放電を制御して、電気負荷に電力を供給する電力制御器５３と、を備える燃料電池システム１００であって、電気負荷として、燃料電池１の温度調節用の冷却水を加熱するヒータ４６を有し、燃料電池システム１００の起動時において、強電遮断器５６を接続後、燃料電池１で発電を行う前に、強電バッテリ５５の電力によってヒータ４６を駆動するヒータ駆動手段１０１〜１０５を備える。【選択図】図１
2014127450.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
強電遮断器を介して前記燃料電池に並列に接続され、電力の充放電が可能な強電バッテリと、
前記燃料電池の発電及び前記強電バッテリの充放電を制御して、電気負荷に電力を供給する電力制御器と、
を備える燃料電池システムであって、
前記電気負荷として、前記燃料電池の温度調節用の冷却水を加熱するヒータを有し、
前記燃料電池システムの起動時において、前記強電遮断器を接続後、前記燃料電池で発電を行う前に、前記強電バッテリの電力によって前記ヒータを駆動するヒータ駆動手段を備える、
ことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記電気負荷として、電圧降圧器を介して電力が供給されて、前記冷却水を前記燃料電池に圧送するポンプを有し、
前記電圧降圧器を介して供給された電力の充電が可能であると共に、弱電遮断器を介して前記ポンプに接続されて、充電電力を前記ポンプに供給可能な弱電バッテリと、
前記燃料電池システムの起動時において、前記弱電遮断器を接続後、前記強電遮断器を接続して前記ヒータを駆動する前に、前記弱電バッテリの電力によって前記ポンプを駆動するポンプ駆動手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ヒータ駆動手段は、
前記ポンプの回転速度が、前記ヒータを駆動することによって冷却水の循環経路内で局所的に高温となる部位が発生しない循環流量を確保できる所定の最低回転速度以上になった後に、前記強電バッテリの電力によって前記ヒータを駆動する、
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記ヒータ駆動手段は、
前記ポンプの回転速度に基づいて、前記ヒータに供給する前記強電バッテリの電力を制限する第１ヒータ供給電力制限手段を有し、
前記第１ヒータ供給電力制限手段は、前記ポンプの回転速度が小さいときほど、前記ヒータに供給する前記強電バッテリの電力を少なくする、
ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記ヒータ駆動手段は、
前記強電バッテリの状態に基づいて、前記ヒータに供給する前記強電バッテリの電力を制限する第２ヒータ供給電力制限手段を有し、
前記第１ヒータ供給電力制限手段による制限値と第２ヒータ供給電力制限手段による制限値とのうち、小さいほうを前記ヒータに供給して前記ヒータを駆動する、
ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記ポンプ駆動手段は、
前記電圧降圧器に前記強電バッテリからの電力が供給されて、前記電圧降圧器の起動準備が完了した後に、前記ポンプの回転速度を前記最低回転速度から上昇させる、
ことを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれか１つ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】
本発明は燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムとして、燃料電池の暖機時に、燃料電池の発電電力によってヒータを駆動して冷却水を加熱し、暖機を促進させるものがある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１３９９９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、燃料電池の発電を待ってヒータを駆動していたのでは、燃料電池システムを起動してから暖機が完了するまでの時間が長くなるという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、燃料電池システムを起動してから暖機が完了するまでの時間を短くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、燃料電池と、強電遮断器を介して前記燃料電池に並列に接続され、電力の充放電が可能な強電バッテリと、燃料電池の発電及び強電バッテリの充放電を制御して、電気負荷に電力を供給する電力制御器と、を備える燃料電池システムである。そして、電気負荷として、前記燃料電池の温度調節用の冷却水を加熱するヒータを有し、燃料電池システムの起動時において、強電遮断器を接続後、燃料電池で発電を行う前に、強電バッテリの電力によってヒータを駆動することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池の発電を開始する前からヒータを駆動するので、燃料電池システムを起動してから暖機が完了するまでの時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態による燃料電池システムの概略図である。
【図２】燃料電池システムの始動時におけるヒータ制御について説明するブロック図である。
【図３】燃料電池システムの始動時における循環ポンプの回転速度制御について説明するブロック図である。
【図４】燃料電池システムの始動時におけるヒータ制御及び循環ポンプ制御の動作について説明するタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
燃料電池は電解質膜をアノード電極（燃料極）とカソード電極（酸化剤極）とによって挟み、アノード電極に水素を含有するアノードガス（燃料ガス）、カソード電極に酸素を含有するカソードガス（酸化剤ガス）を供給することによって発電する。アノード電極及びカソード電極の両電極において進行する電極反応は以下の通りである。
【００１１】
アノード電極  ：    ２Ｈ2 →４Ｈ+ ＋４ｅ-             …(１)
カソード電極  ：    ４Ｈ+ ＋４ｅ- ＋Ｏ2 →２Ｈ2Ｏ     …(２)
【００１２】
この（１）（２）の電極反応によって燃料電池は１ボルト程度の起電力を生じる。
【００１３】
燃料電池を自動車用動力源として使用する場合には、要求される電力が大きいため、数百枚の燃料電池を積層した燃料電池スタックとして使用する。そして、燃料電池スタックにアノードガス及びカソードガスを供給する燃料電池システムを構成して、車両駆動用の電力を取り出す。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システム１００の概略図である。
【００１５】
燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１と、カソードガス給排装置２と、アノードガス給排装置３と、スタック冷却装置４と、電力系５と、コントローラ６と、を備える。
【００１６】
燃料電池スタック１は、数百枚の燃料電池を積層したものであり、アノードガス及びカソードガスの供給を受けて、車両の駆動に必要な電力を発電する。燃料電池スタック１は、電力を取り出す端子として、アノード電極側出力端子１１と、カソード電極側出力端子１２と、を備える。
【００１７】
また、燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「スタック出力電流」という。）を検出する電流センサ１３と、アノード電極側出力端子１１とカソード電極側出力端子１２の間の端子間電圧（以下「スタック出力電圧」という。）を検出する電圧センサ１４と、が設けられる。
【００１８】
カソードガス給排装置２は、燃料電池スタック１にカソードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスを外気に排出する装置である。カソードガス給排装置２は、カソードガス供給通路２１と、フィルタ２２と、カソードコンプレッサ２３と、カソードガス排出通路２４と、カソード調圧弁２５と、を備える。
【００１９】
カソードガス供給通路２１は、燃料電池スタック１に供給するカソードガスが流れる通路である。カソードガス供給通路２１は、一端がフィルタ２２に接続され、他端が燃料電池スタック１のカソードガス入口孔に接続される。
【００２０】
フィルタ２２は、カソードガス供給通路２１に取り込むカソードガス中の異物を取り除く。
【００２１】
カソードコンプレッサ２３は、カソードガス供給通路２１に設けられる。カソードコンプレッサ２３は、フィルタ２２を介してカソードガスとしての空気（外気）をカソードガス供給通路２１に取り込み、燃料電池スタック１に供給する。
【００２２】
カソードガス排出通路２４は、燃料電池スタック１から排出されるカソードオフガスが流れる通路である。カソードガス排出通路２４は、一端が燃料電池スタック１のカソードガス出口孔に接続され、他端が開口端となっている。
【００２３】
カソード調圧弁２５は、カソードガス排出通路に設けられる。カソード調圧弁２５は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１に供給されるカソードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００２４】
アノードガス給排装置３は、燃料電池スタック１にアノードガスを供給するとともに、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスを、カソードガス排出通路２４に排出する装置である。アノードガス給排装置３は、高圧タンク３１と、アノードガス供給通路３２と、遮断弁３３と、減圧弁３４と、アノードガス排出通路３５と、パージ弁３６と、を備える。
【００２５】
高圧タンク３１は、燃料電池スタック１に供給するアノードガスを高圧状態に保って貯蔵する。
【００２６】
アノードガス供給通路３２は、高圧タンク３１から排出されるアノードガスを燃料電池スタック１に供給するための通路である。アノードガス供給通路３２は、一端が高圧タンク３１に接続され、他端が燃料電池スタック１のアノードガス入口孔に接続される。
【００２７】
遮断弁３３は、アノードガス供給通路に設けられる。遮断弁３３は、コントローラ６によって開閉制御される。遮断弁３３を閉弁することで、燃料電池スタック１へのアノードガスの供給が停止される。
【００２８】
アノード調圧弁３４は、遮断弁３３よりも下流のアノードガス供給通路３２に設けられる。アノード調圧弁３４は、コントローラ６によって開閉制御されて、高圧タンク３１からアノードガス供給通路３２に流れ出したアノードガスの圧力を所望の圧力に調節する。
【００２９】
アノードガス排出通路３５は、燃料電池スタック１から排出されるアノードオフガスが流れる通路である。アノードガス排出通路３５は、一端が燃料電池スタック１のアノードガス出口孔に接続され、他端がカソードガス排出通路２４に接続される。
【００３０】
パージ弁３６は、アノードガス排出通路３５に設けられる。パージ弁３６は、コントローラ６によって開閉制御され、アノードガス排出通路３５からカソードガス排出通路２４に排出するアノードオフガスの流量を制御する。
【００３１】
スタック冷却装置４は、燃料電池スタック１を冷却し、燃料電池スタック１を発電に適した温度に保つ装置である。スタック冷却装置４は、冷却水循環通路４１と、ラジエータ４２と、バイパス通路４３と、三方弁４４と、循環ポンプ４５と、ヒータ４６と、入口温度センサ４７と、出口水温センサ４８と、を備える。
【００３２】
冷却水循環通路４１は、燃料電池スタック１を冷却するための冷却水が循環する通路である。
【００３３】
ラジエータ４２は、冷却水循環通路４１に設けられる。ラジエータ４２は、燃料電池スタック１から排出された冷却水を冷却する。
【００３４】
バイパス通路４３は、ラジエータ４２をバイパスさせて冷却水を循環させることができるように、一端が冷却水循環通路４１に接続され、他端が三方弁４４に接続される。
【００３５】
三方弁４４は、ラジエータ４２よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられる。三方弁４４は、冷却水の温度に応じて冷却水の循環経路を切り替える。具体的には、冷却水の温度が相対的に高いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介して再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。逆に、冷却水の温度が相対的に低いときは、燃料電池スタック１から排出された冷却水から排出された冷却水が、ラジエータ４２を介さずにバイパス通路４３を流れて再び燃料電池スタック１に供給されるように冷却水の循環経路を切り替える。
【００３６】
循環ポンプ４５は、三方弁４４よりも下流側の冷却水循環通路４１に設けられて、冷却水を循環させる。循環ポンプ４５には、循環ポンプ４５の回転速度を検出するレゾルバなどの回転速度センサ４５１が設けられる。
【００３７】
ヒータ４６は、バイパス通路４３に設けられる。ヒータ４６は、燃料電池スタック１の暖機時に通電されて、冷却水の温度を上昇させる。
【００３８】
入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１の冷却水入口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。入口水温センサ４７は、燃料電池スタック１に流入する冷却水の温度（以下「スタック入口水温」という。）を検出する。
【００３９】
出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１の冷却水出口孔近傍の冷却水循環通路に設けられる。出口水温センサ４８は、燃料電池スタック１から排出された冷却水の温度（以下「スタック出口水温」という。）を検出する。
【００４０】
以下の説明では、このスタック入口水温とスタック出口水温の平均値を、燃料電池スタック１の温度を代表するものとして、「スタック平均温度」という。
【００４１】
電力系５は、駆動モータ５１と、インバータ５２と、電力分配装置５３と、スタック用電力遮断器５４と、強電バッテリ５５と、強電用電力遮断器５６と、電圧降圧器５７と、弱電バッテリ５８と、弱電用電力遮断器５９と、を備える。
【００４２】
駆動モータ５１は、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルを巻き付けた三相交流同期モータである。駆動モータ５１は、燃料電池スタック１及び強電バッテリ５５から電力の供給を受けて回転駆動する電動機としての機能と、ロータが外力によって回転させられる車両の減速時にステータコイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能と、を有する。
【００４３】
インバータ５２は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの複数の半導体スイッチから構成される。インバータ５２の半導体スイッチは、コントローラ６によって開閉制御され、これにより直流電力が交流電力に、又は、交流電力が直流電力に変換される。インバータ５２は、駆動モータ５１を電動機として機能させるときは、燃料電池スタック１の発電電力と強電バッテリ５５の出力電力との合成直流電力を三相交流電力に変換して駆動モータ５１に供給する。一方で、駆動モータ５１を発電機として機能させるときは、駆動モータ５１の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換して強電バッテリ５５に供給する。
【００４４】
電力分配装置５３は、燃料電池スタック１の出力電圧を昇降圧させる双方向性の電圧変換機である。本実施形態では電力分配装置５３としてＤＣ／ＤＣコンバータを使用している。電力分配装置５３によってスタック出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の発電電力（スタック出力電流×スタック出力電圧）が制御されると共に強電バッテリ５５の充放電が制御され、必要な電力がカソードコンプレッサ２３やヒータ４６、駆動モータ５１などの強電系の各電気部品、及び、カソード調圧弁２５や遮断弁３３、アノード調圧弁３４、パージ弁３６、循環ポンプ４５などの弱電系の各電気部品に適宜分配されて供給される。
【００４５】
スタック用電力遮断器５４は、コントローラ６によって開閉制御されて、燃料電池スタック１と電力分配装置５３とを電気的に接続又は遮断する。
【００４６】
強電バッテリ５５は、充放電可能な二次電池である。強電バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力の余剰分及び駆動モータ５１の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じて強電系の各電気部品に供給されると共に、電圧降圧器５７を介して弱電系の各電気部品に供給される。本実施形態では、出力電圧が３００［Ｖ］程度のリチウムイオン電池を強電バッテリ５５として使用している。
【００４７】
強電バッテリ５５には、強電バッテリ５５の温度を検出する温度センサ５５１と、強電バッテリ５５の充電率（ＳＯＣ；State Of Charge）を検出するＳＯＣセンサ５５２と、が設けられる。
【００４８】
強電用電力遮断器５６は、コントローラ６によって開閉制御されて、強電バッテリ５５と、電力分配装置５３及び電圧降圧器５７と、を電気的に接続又は遮断する。また、強電用電力遮断器５６には、強電バッテリ５５から取り出される電流（以下「バッテリ出力電流」という。）を検出する電流センサ５６１と、強電バッテリ５５の出力電圧（以下「バッテリ出力電圧」という。）を検出する電圧センサ５６２と、が設けられる。
【００４９】
電圧降圧器５７は、印加電圧を降圧して弱電系の各電気部品に電力を供給する。本実施形態では電圧降圧器５７としてＤＣ／ＤＣコンバータを使用している。
【００５０】
弱電バッテリ５８は、充放電可能な二次電池である。弱電バッテリ５８は、燃料電池スタック１で発電が行われていない燃料電池システム１００の始動処理時及び停止処理時に、弱電系の電気部品に供給するための電力を蓄える。本実施形態では、出力電圧が１４［Ｖ］程度の鉛蓄電池を弱電バッテリ５８として使用している。
【００５１】
弱電用電力遮断器５９は、コントローラ６によって開閉制御されて電圧降圧器５７及び弱電バッテリ５８と、弱電気の各電気部品と、を電気的に接続または遮断する。
【００５２】
コントローラ６は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。
【００５３】
コントローラ６には、前述した入口水温センサ４７や出口水温センサ４８、第１電流センサ１３、第２電流センサ５６１、第１電圧センサ１４、第２電圧センサ５６２、回転速度センサ４５１、温度センサ５５１、ＳＯＣセンサ５５２の他にも、燃料電池システムを始動させるときにＯＮとなり、停止させるときにＯＦＦとなる始動スイッチ６１などの燃料電池システム１００を制御するために必要な各種センサからの信号が入力される。
【００５４】
ここで、燃料電池スタック１の電流電圧特性（以下「Ｉ−Ｖ特性」という。）は燃料電池スタック１の温度に応じて変化し、燃料電池スタック１の温度が低い場合ほど、同じ電流値の出力電流を燃料電池スタック１から取り出したときの出力電圧は低くなる。すなわち、燃料電池スタック１の温度が低いときほど、燃料電池スタック１の発電効率は低下する。
【００５５】
燃料電池スタック１の発電効率が低下した状態で車両の走行を許可してしまうと、走行時に駆動モータ５１の要求電力が大きくなって燃料電池スタック１の出力電流が増加したときに、燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回るおそれがある。ここで最低電圧は、予め実験等によって設定される電圧値であって、これ以上燃料電池スタック１の出力電圧が下回ってしまうと、燃料電池の電解質膜の劣化が促進される電圧値である。
【００５６】
したがって、燃料電池システム１００の始動後は、早期に燃料電池スタック１を暖機して、燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性が、駆動モータ５１の要求電力が大きくなっても燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回ることのないＩ−Ｖ特性になるまで、燃料電池スタック１の温度を上昇させる必要がある。
【００５７】
そこで本実施形態では、燃料電池システム１００の始動後は、燃料電池スタック１で発電を開始する前であっても、ヒータ４６の電源が確保できた時点でヒータ４６を駆動し、燃料電池スタック１の暖機を促進させることとした。
【００５８】
図２は、燃料電池システム１００の始動時におけるヒータ制御について説明するブロック図である。
【００５９】
強電準備完了判定部１０１は、強電バッテリ５５の電力によってヒータ４６を駆動できる状態になったか否かを判定し、その判定結果に応じたヒータ供給電力を出力する。
【００６０】
具体的には、強電バッテリ５５の電力によってヒータ４６を駆動できないとき、すなわち強電用電力遮断器５６が遮断されているときは、ヒータ供給電力をゼロとする。一方で、強電バッテリ５５の電力によってヒータ４６を駆動できるとき、すなわち強電用電力遮断器５６が接続されて強電バッテリ５５の出力電圧が強電準備完了電圧以上になっているときは、バッテリ制限電力出力部１０２から出力されたバッテリ制限電力をヒータ供給電力として出力する。
【００６１】
バッテリ制限電力出力部１０２は、強電バッテリ５５の温度及び充電率に基づいて算出したバッテリ制限電力を出力する。
【００６２】
燃料電池スタック１で発電を開始する前は、強電バッテリ５５の電力によってヒータ４６が駆動される。そのため、強電バッテリ５５の温度や充電率が低いときに強電バッテリ５５の電力を消費し過ぎると、強電バッテリ５５が劣化するおそれがある。バッテリ制限電力は、このような強電バッテリ５５の劣化を抑制するために、強電バッテリ５５の状態に応じて設けられるヒータ供給電力の制限値である。
【００６３】
発電準備完了判定部１０３は、燃料電池スタック１の発電電力によってヒータ４６を駆動できる状態になったかを判定し、その判定結果に応じたヒータ供給電力を出力する。
【００６４】
具体的には、燃料電池スタック１の発電電力によってヒータ４６を駆動できないとき、すなわち、スタック用電力遮断器５４が遮断されているとき、又は、スタック用電力遮断器５４が接続されて燃料電池スタック１で発電を開始してから燃料電池スタック１の出力電圧が発電準備完了電圧に達する前は、強電準備完了判定部１０１から出力されたヒータ供給電力を出力する。一方で、燃料電池スタック１の発電電力によってヒータ４６を駆動できるとき、すなわち燃料電池スタック１で発電を開始し、燃料電池スタック１の出力電圧が発電準備完了電圧に達した後は、ヒータ４６に供給可能な最大電力（以下「ヒータ最大供給電力」という。）をヒータ供給電力として出力する。
【００６５】
目標ヒータ供給電力設定部１０４は、発電準備完了判定部１０３から出力されたヒータ供給電力、ヒータ最大供給電力、及び、局部発熱制限電力出力部１０５から出力された局部発熱制限電力のうち、最も小さいものを目標ヒータ供給電力として設定する。この目標ヒータ供給電力設定部１０４で設定された目標ヒータ供給電力が、実際にヒータ４６に供給される電力となる。
【００６６】
局部発熱制限電力出力部１０５は、循環ポンプ４５の回転速度とスタック温度とに基づいて算出した局部発熱制限電力を出力する。
【００６７】
循環ポンプ４５の回転速度が低いとき、すなわち冷却水の循環流量が少ないときに、ヒータ４６への供給電力が大きくなり過ぎると、ヒータ４６の発熱線等が局所的に発熱してヒータ４６が劣化したり、冷却水循環通路内や燃料電池スタック１内で局所的に高温となる部分が生じて冷却水循環通路や燃料電池スタック１が劣化したりするおそれがある。局部発熱制限電力は、このようなヒータ４６や冷却水循環通路、燃料電池スタック１の劣化を抑制するために設けられたヒータ供給電力の制限値である。
【００６８】
図３は、燃料電池システム１００の始動時における循環ポンプ４５の回転速度制御について説明するブロック図である。この制御は、ヒータ制御と並行して行われる。
【００６９】
ＡＮＤ部１１０は、第１スイッチ部１１１に入力するＯＮ・ＯＦＦ信号を出力する。具体的には、ヒータ４６の駆動要求があり、かつ、電圧降圧器起動完了フラグが１のときは、ＯＮ信号を出力する。それ以外のときは、ＯＦＦ信号を出力する。電圧降圧器起動完了フラグは、電圧降圧器５７の起動準備が完了したときに１に設定されるフラグである。
【００７０】
第１スイッチ部１１１は、ＡＮＤ部１１０から出力されたＯＮ・ＯＦＦ信号に応じて、出力する循環ポンプ４５の目標回転速度を切り替える。具体的には、ＡＮＤ部１１０からＯＮ信号が出力されているときは、循環ポンプ４５の目標回転速度として循環ポンプ４５の最大回転速度を出力する。一方で、ＡＮＤ部１１０からＯＦＦ信号が出力されているときは、循環ポンプ４５の目標回転速度としてゼロを出力する。この第１スイッチ部１１１から出力される循環ポンプ４５の目標回転速度は、暖機時において、ヒータ４６を駆動して暖機を促進させるために要求される循環ポンプ４５の回転速度である。
【００７１】
フィードバック制御器１１２は、スタック平均温度と目標スタック平均温度とに基づいて、燃料電池スタック内の電解質膜を適切な湿潤状態にするために要求される循環ポンプ４５の目標回転速度を出力する。
【００７２】
最大値出力部１１３は、第１スイッチ部１１１及びフィードバック制御器１１２から出力された循環ポンプ４５の目標回転速度のうち、大きいほうを出力する。
【００７３】
第２スイッチ部１１４は、電圧降圧器起動完了フラグに応じて、出力する循環ポンプ４５の目標回転速度を切り替える。具体的には、電圧降圧器起動完了フラグが１のときは、最大値出力部１１３から出力された循環ポンプ４５の目標回転速度を出力する。一方で、電圧降圧器起動完了フラグが０のときは、循環ポンプ４５の目標回転速度として最低回転速度を出力する。このように、電圧降圧器５７の起動準備が完了する前、すなわち、電圧降圧器起動完了フラグが０のときに循環ポンプ４５の目標回転速度として最低回転速度を出力するのは、電圧降圧器５７の起動準備が完了する前は、弱電バッテリ５８の電力で循環ポンプ４５を駆動することになるので、循環ポンプ４５の消費電力を抑え、弱電バッテ５８の電力消費量を抑えるためである。
【００７４】
弱電準備完了判定部１１５は、弱電バッテリ５８の電力によって循環ポンプ４５を駆動できる状態になったか否かを判定し、判定結果に応じた循環ポンプ４５の目標回転速度を出力する。
【００７５】
具体的には、弱電バッテリ５８の電力によって循環ポンプ４５を駆動できないとき、すなわち、弱電用電力遮断器５９が遮断されているときは、循環ポンプ４５の目標回転速度としてゼロを出力する。一方で、弱電バッテリ５８の電力によって循環ポンプ４５を駆動できるとき、すなわち、弱電用電力遮断器５９が接続されてコントローラ６の自己診断等が完了したときは、循環ポンプ４５の目標回転速度として、第２スイッチ部１１４から出力された目標回転速度を出力する。
【００７６】
この弱電準備完了判定部１１５から出力された循環ポンプ４５の目標回転速度が、最終的な循環ポンプ４５の目標回転速度となる。
【００７７】
図４は、本実施形態による燃料電池システム１００の始動時におけるヒータ制御及び循環ポンプ制御の動作について説明するタイムチャートである。図４において、実線は実値を示し、破線は目標値を示す。
【００７８】
時刻ｔ１で、燃料電池システム１００の始動スイッチがＯＮになると、弱電リレーが接続される。
【００７９】
時刻ｔ２で、コントローラ６の自己診断などが終了し、弱電系の電気部品への電力供給が可能になると、強電用電力遮断器５６が接続されると共に、循環ポンプ４５に対して弱電バッテリ５８の電力が供給されて循環ポンプ４５が駆動される。この時点では、電圧降圧器５７の起動準備が完了していないので、循環ポンプ４５の回転速度は最低回転速度に制御される。
【００８０】
時刻ｔ３で、強電バッテリ５５の出力電圧が強電準備完了電圧に達し、強電系の電気部品への電力供給が可能になると、ヒータ４６に対して強電バッテリ５５の電力が供給されてヒータ４６が駆動される。この時点では、燃料電池スタック１での発電が行われていないので、バッテリ制限電力及び局部発熱制限電力のうちの小さいほうがヒータ４６に供給される。また、電圧降圧器５７に対しても強電バッテリ５５の電力が供給されて、電圧降圧器５７の起動準備が開始される。
【００８１】
時刻ｔ４で、電圧降圧器５７の起動準備が完了すると、循環ポンプ４５の回転速度が最大回転速度に制御される。また、スタック用電力遮断器５４が接続されると共に、遮断弁３３が開かれる。
【００８２】
時刻ｔ５で、スタック用電力遮断器５４の接続や遮断弁３３が開かれたことが確認されると、カソードコンプレッサ２３を駆動すると共に調圧弁を開いて、燃料電池スタック１にカソードガス及びアノードガスを供給し、燃料電池スタック１で発電を開始する。
【００８３】
時刻ｔ６で、燃料電池スタック１の発電電力が発電準備完了電圧に達すると、燃料電池スタック１の発電電力によってヒータ４６を駆動することができるので、ヒータ４６への供給電力をバッテリ制限電力からヒータ最大供給電力まで上昇させる。
【００８４】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池システム１００の起動後において、燃料電池スタック１で発電を開始する前であっても、強電バッテリ５５の電力を供給可能になった時点で、ヒータ４６に強電バッテリ５５の電力を供給してヒータ４６を駆動することとした。
【００８５】
これにより、燃料電池システム１００を起動した後、燃料電池スタック１の暖機を早期に完了することができるので、早期に走行許可を出すことができる。
【００８６】
また本実施形態によれば、弱電バッテリ５８の電力によって弱電系の電気部品への電力供給が可能となった時点で、弱電系の電気部品である循環ポンプ４５に弱電バッテリ５８の電力を供給して循環ポンプ４５を駆動することとした。
【００８７】
前述したように、冷却水の循環流量が少ない段階でヒータ４６を駆動すると、局部発熱によってヒータ４６などが劣化するおそれがある。したがって、弱電系の準備が完了した時点で循環ポンプ４５を駆動しておくことで、ヒータ駆動時における冷却水の循環流量を確保することができる。よって、局部発熱によるヒータ４６などの劣化を抑制することができる。
【００８８】
また本実施形態によれば、循環ポンプ４５の回転速度が最低回転速度以上、すなわち冷却水の循環流量が、ヒータ４６を駆動することによって冷却水の循環経路内で局所的に高温となる部位が発生しない所定流量以上になったときに、ヒータ４６を駆動することとした。
【００８９】
これにより、局部発熱の発生を確実に抑制することができる。
【００９０】
また本実施形態によれば、強電バッテリ５５の劣化防止の観点から強電バッテリ５５の状態に応じてヒータ４６に供給する電力量を制限すると共に、局部発熱によるヒータ４６などの劣化防止の観点から、冷却水の循環流量と温度とに基づいてヒータ４６に供給する電力量を制限することとした。
【００９１】
これにより、強電バッテリ５５の劣化を防止できると共に、局部発熱によるヒータ４６などの劣化を防止することができる。
【００９２】
また本実施形態によれば、電圧降圧器５７の起動準備が完了するまでは、循環ポンプ４５の回転速度を最低回転速度に制御し、電圧降圧器５７の起動準備が完了したら循環ポンプ４５の回転速度を増大させることとした。
【００９３】
前述したように、電圧降圧器５７の起動準備が完了する前は、弱電バッテリ５８の電力で循環ポンプ４５を駆動することになる。したがって、電圧降圧器５７の起動準備が完了するまでは循環ポンプ４５の回転速度を最低回転速度に制御することで、循環ポンプ４５の消費電力を抑え、蓄電量の少ない弱電バッテリ５８の電力消費量を抑えることができる。
【００９４】
なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【符号の説明】
【００９５】
１      燃料電池スタック（燃料電池）
４５    ポンプ（循環ポンプ）
４６    ヒータ
５５    強電バッテリ
５６    強電用電力遮断器（強電遮断器）
５８    弱電バッテリ
５９    弱電用電力遮断器（弱電遮断器）
１００      燃料電池システム
１０１〜１０５    ヒータ駆動手段
１１０〜１１５    ポンプ駆動手段 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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