(57)【要約】【課題】リフレッシュ処理を実行することにより発生する昇圧損失を低減する。【解決手段】燃料電池１１の出力電圧を昇圧するコンバータ３１と、二次電池２１の出力電圧を昇圧するコンバータ３２と、コンバータ３１、３２の出力電力を負荷装置５１に供給するインバータ４１と、燃料電池の発電電圧を低下させて燃料電池の触媒層を活性化するリフレッシュ処理を実行するリフレッシュ処理実行部と、少なくとも、二次電池の温度が所定温度を超えること、二次電池のＳＯＣが所定ＳＯＣ値未満であること、及び二次電池の負荷が所定値を超えることのいずれかに該当する場合に、リフレッシュ処理の実行を許可する一方、二次電池の温度が所定温度以下であり、かつ二次電池のＳＯＣが所定ＳＯＣ値以上であり、かつ二次電池の負荷が所定値以下である場合に、リフレッシュ処理の実行を禁止するリフレッシュ処理制御部と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の出力電圧を昇圧する第一コンバータと、
二次電池の出力電圧を昇圧する第二コンバータと、
第一コンバータ及び第二コンバータの出力電力を負荷装置に供給するインバータと、
前記燃料電池の発電電圧を低下させて前記燃料電池の触媒層を活性化するリフレッシュ処理を実行するリフレッシュ処理実行部と、
少なくとも、前記二次電池の温度が所定温度を超えること、前記二次電池のＳＯＣ（State of Charge）が所定ＳＯＣ値未満であること、及び前記二次電池の負荷が所定値を超えることのいずれかに該当する場合に、前記リフレッシュ処理実行部により実行される前記リフレッシュ処理の実行を許可する一方、前記二次電池の温度が所定温度以下であり、かつ、前記二次電池のＳＯＣが所定ＳＯＣ値以上であり、かつ、前記二次電池の負荷が所定値以下である場合に、前記リフレッシュ処理実行部により実行される前記リフレッシュ処理の実行を禁止するリフレッシュ処理制御部と、
を備える燃料電池システム。
【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】
下記特許文献１には、燃料電池の発電電圧を低下させて燃料電池の触媒層を活性化するリフレッシュ処理を実行する燃料電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２１８３４０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、リフレッシュ処理を実行すると、燃料電池の発電電圧が低下するため、燃料電池の出力電圧を昇圧するコンバータの昇圧比を大きくする必要があり、昇圧損失が増大してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、リフレッシュ処理を実行することにより発生する昇圧損失を低減することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池の出力電圧を昇圧する第一コンバータと、二次電池の出力電圧を昇圧する第二コンバータと、第一コンバータ及び第二コンバータの出力電力を負荷装置に供給するインバータと、前記燃料電池の発電電圧を低下させて前記燃料電池の触媒層を活性化するリフレッシュ処理を実行するリフレッシュ処理実行部と、少なくとも、前記二次電池の温度が所定温度を超えること、前記二次電池のＳＯＣ（State of Charge）が所定ＳＯＣ値未満であること、及び前記二次電池の負荷が所定値を超えることのいずれかに該当する場合に、前記リフレッシュ処理実行部により実行される前記リフレッシュ処理の実行を許可する一方、前記二次電池の温度が所定温度以下であり、かつ、前記二次電池のＳＯＣが所定ＳＯＣ値以上であり、かつ、前記二次電池の負荷が所定値以下である場合に、前記リフレッシュ処理実行部により実行される前記リフレッシュ処理の実行を禁止するリフレッシュ処理制御部と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、リフレッシュ処理を実行することにより発生する昇圧損失を低減することができる燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を例示する図である。
【図２】図１に示す二次電池の電圧特性を説明するための図である。
【図３】図１に示す燃料電池システムの動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは同一又は同様の構成を有する。
【００１０】
図１を参照し、実施形態に係る燃料電池システムの構成について説明する。燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１１と、二次電池２１と、コンバータ３１、３２と、インバータ４１、４２、４３と、負荷装置である駆動モータ５１、ＡＣＰモータ５２及び補機５３と、制御部であるＦＣ−ＥＣＵ６１、ＨＶ−ＥＣＵ６２、ＦＤＣ−ＥＣＵ６３及びＭＧ−ＥＣＵ６４と、を備える。
【００１１】
燃料電池１１は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルを積層したスタック構造を備える。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に空気極（カソード極）を有し、他方の面に燃料極（アノード極）を有し、空気極及び燃料極を含む電極には、例えば、多孔質のカーボン素材をベースに、白金Ｐｔが触媒（電極触媒）に用いられている。
【００１２】
さらに、空気極及び燃料極を両側から挟み込むように一対のセパレータを有する構造となっている。この場合、一方のセパレータの燃料ガス通路に燃料ガスが供給され、他方のセパレータの酸化ガス通路に酸化ガスが供給され、これらの反応ガスが化学反応することで電力が発生する。
【００１３】
二次電池２１は、バッテリセルが積層されて一定の高電圧を端子電圧とする。二次電池２１は、燃料電池１１の余剰電力を充電することや、負荷装置に対して補助的に電力を供給することが可能となっている。二次電池２１には、二次電池２１の温度を検出する温度センサ（不図示）や、二次電池２１の充電状態（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ；以下「ＳＯＣ」という。）を検出するＳＯＣセンサ（不図示）、二次電池２１の出力電流を検出する電流センサ（不図示）、二次電池２１の出力電圧を検出する電圧センサ（不図示）が取り付けられている。
【００１４】
コンバータ（第一コンバータ）３１は、燃料電池１１用の直流電圧変換器である。コンバータ３１は、二次側の端子電圧を維持することができるとともに、燃料電池１１の出力電圧を任意に制御することが可能に構成されている。また、コンバータ３１は、一次側から二次側への通過電力、又は二次側から一次側への通過電力を任意に制御することも可能に構成されている。
【００１５】
コンバータ（第二コンバータ）３２は、二次電池２１用の直流電圧変換器である。コンバータ３２は、一次側に接続された二次電池２１から入力された直流電圧を調整して、二次側に接続された駆動モータ５１側に出力する機能と、二次側に接続された燃料電池１１又は駆動モータ５１から入力された直流電圧を調整して、一次側に接続された二次電池２１に出力する機能と、を有する。コンバータ３２のこれらの機能により、二次電池２１の充放電が実現される。
【００１６】
インバータ４１、４２、４３は、パルス幅変調方式のＰＷＭインバータであり、一次側の燃料電池１１又は二次電池２１から出力される直流電力を三相交流電力に変換して二次側の負荷装置である駆動モータ５１、ＡＣＰモータ５２及び補機５３へ供給する。
【００１７】
駆動モータ５１は、例えば三相交流モータであり、燃料電池システム１を搭載する燃料電池車両の主動力源を構成する。
【００１８】
ＡＣＰモータ５２は、燃料電池１１に空気（酸化ガス）を供給するエアコンプレッサ（不図示）を駆動するモータである。
【００１９】
補機５３は、例えば水素ポンプや冷却水ポンプ等の補機装置を駆動するモータである。
【００２０】
制御部であるＦＣ−ＥＣＵ６１、ＨＶ−ＥＣＵ６２、ＦＤＣ−ＥＣＵ６３及びＭＧ−ＥＣＵ６４は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）及びメモリを含む制御ユニットによりそれぞれが構成される。
【００２１】
ＦＣ−ＥＣＵ６１は、燃料電池１１を制御し、ＨＶ−ＥＣＵ６２は、二次電池２１を制御し、ＦＤＣ−ＥＣＵ６３は、コンバータ３１を制御し、ＭＧ−ＥＣＵ６４は、コンバータ３２、インバータ４１、４２、駆動モータ５１及びＡＣＰモータ５２を制御する。
【００２２】
なお、本実施形態では、ＦＣ−ＥＣＵ６１、ＨＶ−ＥＣＵ６２、ＦＤＣ−ＥＣＵ６３及びＭＧ−ＥＣＵ６４を、別々の制御ユニットとして構成しているが、単一の制御ユニットとしてまとめて構成することとしてもよい。
【００２３】
各制御部は、例えば、ＣＰＵがメモリに格納された所定のプログラムを実行することにより、燃料電池システム１の各種機能を実現する。燃料電池システム１で実現される各種機能のうち、本実施形態に特有の機能を以下に説明する。
【００２４】
（１）リフレッシュ処理実行機能
制御部は、燃料電池１１の発電電圧を低下させて燃料電池１１の触媒層を活性化するリフレッシュ処理を実行する。具体的に、制御部は、燃料電池１１への酸素の供給を一旦停止し、燃料電池１１の発電電圧を触媒層の還元領域（電極触媒に還元反応が生じる電圧）まで下げ、触媒層を活性化する（触媒層に生じた酸化被膜を除去する）リフレッシュ処理を実行する。
【００２５】
（２）リフレッシュ処理禁止機能
制御部は、二次電池２１の温度が所定温度以下であり、かつ、二次電池２１のＳＯＣが所定ＳＯＣ値以上であり、かつ、二次電池２１の負荷電力が所定値以下である場合に、リフレッシュ処理実行機能により実行されるリフレッシュ処理の実行を禁止する。
【００２６】
ここで、リフレッシュ処理禁止機能において設けた各条件を設定した理由について、以下に説明する。
【００２７】
まず、図２（Ａ）に示すように、燃料電池１１の出力電圧Ｖ１は、負荷が増大すると低下する関係にある。また、燃料電池１１の出力電圧は、リフレッシュ処理を実行すると、本来出力されるべき電圧（図２（Ａ）の実線部Ｖ１）よりも低下する（点線部Ｖ１’）。
【００２８】
一般に、燃料電池システム１で負荷装置に電力を供給する場合、燃料電池１１の出力電圧Ｖ１は、二次電池２１の出力電圧Ｖ２と同等になるまでコンバータ３１により昇圧される。したがって、リフレッシュ処理を実行して燃料電池１１の出力電圧が低下する（Ｖ１→Ｖ１’）と、その低下した分、コンバータ３１による昇圧比が大きくなり、昇圧損失が増大する。
【００２９】
一方、二次電池２１の出力電圧Ｖ２の範囲は、図２（Ａ）に示すように、二次電池２１の状態に応じて上下に変動する。したがって、二次電池２１の出力電圧Ｖ２を低下させることで、その低下させた分、コンバータ３１による昇圧比を小さくすることができ、昇圧損失を低減することができる。
【００３０】
つまり、二次電池２１の出力電圧Ｖ２が低いときに、リフレッシュ処理を実行し、二次電池２１の出力電圧Ｖ２が高いときには、リフレッシュ処理を禁止することで、昇圧損失を低減することが可能となる。
【００３１】
二次電池２１の状態と二次電池２１の出力電圧Ｖ２との関係について、二次電池２１の状態ごとに以下に説明する。
【００３２】
（ａ）二次電池２１の温度
図２（Ｂ）に示すように、二次電池２１の出力電圧Ｖ２は、二次電池２１の温度が上昇すると低下する関係にある。したがって、図２（Ｂ）に示すように、燃料電池システム１の稼働時に二次電池２１の温度として取り得る範囲の中心値付近（例えば２５℃）に閾値（所定温度）を設定することで、二次電池２１の温度が閾値を超えるときには、二次電池２１の出力電圧Ｖ２を比較的低く抑えることが可能となる。
【００３３】
そこで、二次電池２１の温度が閾値を超えるときには、リフレッシュ処理の実行を許可することとした。
【００３４】
（ｂ）二次電池２１のＳＯＣ
図２（Ｃ）に示すように、二次電池２１の出力電圧Ｖ２は、二次電池２１のＳＯＣが上昇すると上昇する関係にある。したがって、図２（Ｃ）に示すように、燃料電池システム１の稼働時に二次電池２１のＳＯＣとして取り得る範囲の中心値付近（例えば６０％）に閾値（所定ＳＯＣ値）を設定することで、二次電池２１のＳＯＣが閾値未満であるときには、二次電池２１の出力電圧Ｖ２を比較的低く抑えることが可能となる。
【００３５】
そこで、二次電池２１のＳＯＣが閾値未満であるときには、リフレッシュ処理の実行を許可することとした。
【００３６】
（ｃ）二次電池２１の負荷（電力）
図２（Ｄ）に示すように、二次電池２１の出力電圧Ｖ２は、二次電池２１の負荷が上昇すると低下する関係にある。したがって、図２（Ｄ）に示すように、燃料電池システム１の稼働時に二次電池２１の負荷として取り得る範囲の中心値付近（例えば１０ｋｗ）に閾値（所定値）を設定することで、二次電池２１の負荷が閾値を超えるときには、二次電池２１の出力電圧Ｖ２を比較的低く抑えることが可能となる。
【００３７】
そこで、二次電池２１の負荷が閾値を超えるときには、リフレッシュ処理の実行を許可することとした。
【００３８】
これらを考慮すると、二次電池２１の温度が閾値以下であり、かつ、二次電池２１のＳＯＣが閾値以上であり、かつ、二次電池２１の負荷が閾値以下であるときには、二次電池２１の出力電圧Ｖ２が比較的高くなっていることが想定できるため、リフレッシュ処理の実行を禁止することとした。
【００３９】
次に、図３を参照し、実施形態における燃料電池システム１の動作の一例について説明する。
【００４０】
最初に、制御部は、二次電池２１の温度が所定温度以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０１；ＮＯ）に、制御部は、リフレッシュ処理の実行を許可する（ステップＳ１０４）。そして、本動作を終了する。
【００４１】
上記ステップＳ１０１において二次電池２１の温度が所定温度以下であると判定された場合（ステップＳ１０１；ＹＥＳ）に、制御部は、二次電池２１のＳＯＣが所定ＳＯＣ値以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０２；ＮＯ）に、制御部は、リフレッシュ処理の実行を許可する（ステップＳ１０４）。そして、本動作を終了する。
【００４２】
上記ステップＳ１０２において二次電池２１のＳＯＣが所定ＳＯＣ値以上であると判定された場合（ステップＳ１０２；ＹＥＳ）に、制御部は、二次電池２１の負荷電力が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０３；ＮＯ）に、制御部は、リフレッシュ処理の実行を許可する（ステップＳ１０４）。そして、本動作を終了する。
【００４３】
上記ステップＳ１０３において二次電池２１の負荷が所定値以下であると判定された場合（ステップＳ１０３；ＹＥＳ）に、制御部は、リフレッシュ処理の実行を禁止する（ステップＳ１０５）。そして、本動作を終了する。
【００４４】
上述したように、実施形態における燃料電池システム１によれば、燃料電池１１の発電電圧を低下させて燃料電池１１の触媒層を活性化するリフレッシュ処理を実行することができ、少なくとも、二次電池２１の温度が所定温度を超えること、二次電池２１のＳＯＣが所定ＳＯＣ値未満であること、及び二次電池２１の負荷が所定値を超えることのいずれかに該当する場合に、リフレッシュ処理の実行を許可する一方、二次電池２１の温度が所定温度以下であり、かつ、二次電池２１のＳＯＣが所定ＳＯＣ値以上であり、かつ、二次電池２１の負荷が所定値以下である場合には、リフレッシュ処理の実行を禁止することができる。
【００４５】
これにより、二次電池２１の出力電圧Ｖ２が高いときに、リフレッシュ処理の実行を禁止し、二次電池２１の出力電圧Ｖ２が低いときに、リフレッシュ処理を実行することができる。したがって、実施形態における燃料電池システム１によれば、リフレッシュ処理を実行することにより発生する昇圧損失を低減することが可能となる。
【００４６】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、他の様々な形で実施することができる。このため、上記実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈されるものではない。例えば、上述した各処理ステップは処理内容に矛盾を生じない範囲で任意に順番を変更し、または並列に実行することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池システム、１１…燃料電池、２１…二次電池、３１…コンバータ、３２…コンバータ、４１…インバータ、４２…インバータ、４３…インバータ、５１…駆動モータ、５２…ＡＣＰモータ、５３…補機、６１…ＦＣ−ＥＣＵ、６２…ＨＶ−ＥＣＵ、６３…ＦＤＣ−ＥＣＵ、６４…ＭＧ−ＥＣＵ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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