(57)【要約】【課題】  低温時において燃料電池が発電した電力のうち余剰電力を有効活用できる燃料電池システムを提案する。【解決手段】  燃料電池システム１０は、燃料電池４０と、燃料電池４０が発電した電力を蓄電する二次電池１１０と、二次電池１１０を昇温するヒータ１２０と、ヒータ１２０を制御する制御装置１６０と、を有する。制御装置１６０は、燃料電池４０に要求される発電要求電力が燃料電池４０の実際の発電電力より少なく且つ二次電池１１０の温度が閾値温度より低いときに燃料電池４０の実際の発電電力から発電要求電力を差し引いた余剰電力でヒータ１２０を駆動する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
前記燃料電池が発電した電力を蓄電する二次電池と、
前記二次電池を昇温するヒータと、
前記ヒータを制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記燃料電池に要求される発電要求電力が前記燃料電池の実際の発電電力より少なく且つ前記二次電池の温度が閾値温度より低いときに前記燃料電池の実際の発電電力から前記発電要求電力を差し引いた余剰電力で前記ヒータを駆動する、
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】
燃料電池は、燃料を電気化学プロセスによって酸化させることにより、酸化反応に伴って放出される化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する発電装置である。燃料電池を車載電源として搭載する燃料電池車両においては、例えば、特開２０１５−６９９０７号公報に提案されているように、燃料電池が発電した電力のうち余剰電力を二次電池に蓄電するものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−６９９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、二次電池は、低温になる程、内部抵抗が増加し、充放電許容量が低下する特性を有している。特開２０１５−６９９０７号公報に記載の技術では、二次電池の充放電許容量が制限される低温時において、余剰電力を二次電池に十分に蓄電できずに廃棄しており、余剰電力を有効活用できていないという問題が生じる。
【０００５】
そこで、本発明は、このような問題を解消し、低温時において燃料電池が発電した電力のうち余剰電力を有効活用できる燃料電池システムを提案することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明に関わる燃料電池システムは、（i）燃料電池と、（ii）燃料電池が発電した電力を蓄電する二次電池と、（iii）二次電池を昇温するヒータと、(iV) ヒータを制御する制御部と、を有し、(v)制御部は、燃料電池に要求される発電要求電力が燃料電池の実際の発電電力より少なく且つ二次電池の温度が閾値温度より低いときに燃料電池の実際の発電電力から発電要求電力を差し引いた余剰電力でヒータを駆動する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に関わる燃料電池システムによれば、低温時において燃料電池が発電した電力のうち余剰電力の一部は、二次電池を昇温するために消費されるため、余剰電力を有効活用できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態１に関わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態１に関わる燃料電池システムによる二次電池の充電処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態２に関わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態３に関わる燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の実施形態３に関わる燃料電池システムによる二次電池の充電処理の流れを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、各図を参照しながら本発明の実施形態について説明する。ここで、同一符号は同一の要素を示すものとし、重複する説明は省略する。
図１は、本発明の実施形態１に関わる燃料電池システム１０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム１０は、燃料電池車両に搭載される車載電源として機能するものであり、主に、酸化ガスと燃料ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池４０と、燃料電池４０の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ５０と、燃料電池４０が発電した電力を蓄電する二次電池１１０と、二次電池１１０の出力電圧を昇降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ８０と、二次電池１１０を昇温させるヒータ１２０と、燃料電池システム１０の各部を制御する制御装置（制御部）１６０とを備えている。
【００１０】
燃料電池４０は、例えば、高分子電解質型燃料電池であり、複数の単セルを積層してなるスタック構造を有している。単セルは、イオン交換膜からなる電解質膜の一方の面に形成された空気極と、電解質膜の他方の面に形成された燃料極と、空気極及び燃料極を両側から挟み込む一対のセパレータとを有する。
【００１１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、燃料電池４０の出力電圧を所望の直流電圧に昇降圧して、トラクションインバータ６０に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０による電圧変換制御により、燃料電池４０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）が制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、複数相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の４相）を有しており、通過電力に応じて所定の相数で駆動する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、例えば、スイッチング素子としてのトランジスタと、リアクトルと、平滑用コンデンサと、整流素子としてのダイオードからなる一般的なコンバータ回路である。
【００１２】
二次電池１１０は、余剰電力の貯蔵源、回生制動時の回生エネルギー貯蔵源、燃料電池車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとして機能する蓄電装置であり、例えば、二次電池（ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池など）が好適である。
【００１３】
ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、燃料電池４０が発電した直流電力、又は回生制動によりトラクションモータ７０が回収した回生電力を降圧して二次電池１１０に充電する機能と、二次電池１１０から供給される直流電圧を昇圧してトラクションインバータ６０に出力する機能とを有する。ＤＣ／ＤＣコンバータ８０のこれらの機能を通じて二次電池１１０の充放電が制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ８０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０と同様の回路構成を備えている。
【００１４】
トラクションインバータ６０は、燃料電池４０と二次電池１１０との両方又は何れか一方から供給される直流電力を交流電力（例えば、三相交流）に変換し、これをトラクションモータ７０に供給することにより、その回転トルクを制御する。トラクションモータ７０は、例えば、三相交流モータであり、車両走行時には走行推進力を生成する一方、車両制動時には、モータジェネレータとして機能し、運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回生電力を回収する。
【００１５】
インバータ９０は、二次電池１１０と並列に接続されており、燃料電池４０が発電した電力、トラクションモータ７０が回収した回生電力、又は二次電池１１０の出力電力の何れかを交流電力に変換し、これを補機類１００に供給する。補機類１００は、例えば、燃料電池４０内部に冷却水を循環させるポンプである。
【００１６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、二次電池１１０と並列に接続されており、燃料電池４０が発電した電力、トラクションモータ７０が回収した回生電力、又は二次電池１１０の出力電力の何れかを降圧して二次電池１４０に充電する。二次電池１４０は、補機類１５０に直流電源を供給する。補機類１５０は、例えば、１２Ｖの直流電源で動作する各種補機類である。二次電池１４０は、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などである。
【００１７】
ヒータ１２０は、補機類１５０用の二次電池１４０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０との接続点に接続されており、燃料電池４０が発電した電力を消費し、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して二次電池１１０を昇温させることができる。二次電池１１０の温度は、温度センサ１７０により検出され、制御装置１６０に出力される。
【００１８】
制御装置１６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力インタフェースを備える電子制御ユニットであり、燃料電池４０の運転制御及び車載電力変換器（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０，８０，１３０及びトラクションインバータ６０）のスイッチング制御等を行う。
【００１９】
制御装置１６０は、イグニッションスイッチから出力される起動信号ＩＧを受信すると、燃料電池４０の運転を開始し、アクセルセンサから出力されるアクセル開度信号ＡＣＣや、車速センサから出力される車速信号ＶＣなどを基に、燃料電池４０に要求される発電要求電力を求める。発電要求電力は、車両走行に必要な電力と、二次電池１１０に充電可能な電力と、補機類１００，１５０で消費される電力との合計値である。車両走行に必要な電力は、例えば、アクセル開度信号ＡＣＣや車速信号ＶＣなどの情報を基に算出される。二次電池１１０に充電可能な電力は、例えば、二次電池１１０のＳＯＣ（State of Charge）や温度などの情報を基に算出される。補機類１００，１５０で消費される電力には、車載補機類（加湿器、エアコンプレッサ、水素ポンプ、及び冷却水循環ポンプ等）で消費される電力、車両走行に必要な装置（変速機、車輪制御装置、操舵装置、及び懸架装置等）で消費される電力、及び乗員空間内に配設される装置（空調装置、照明器具、及びオーディオ等）で消費される電力などが含まれる。
【００２０】
制御装置１６０は、燃料電池４０及び二次電池１１０のそれぞれの出力電力の配分を決定し、発電指令値を演算するとともに、燃料電池４０の発電量が目標電力に一致するように、燃料電池４０に供給される燃料ガス及び酸化ガスを制御する。更に、制御装置１６０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０を制御して、燃料電池４０の出力電圧を調整することにより、燃料電池４０の運転ポイント（出力電圧、出力電流）を制御する。制御装置１６０は、アクセル開度に応じた目標トルクが得られるように、例えば、スイッチング指令として、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の各交流電圧指令値をトラクションインバータ６０に出力し、トラクションモータ７０の出力トルク、及び回転数を制御する。
【００２１】
次に、図２を参照しながら、燃料電池システム１０による二次電池１１０の充電処理について説明する。まず、制御装置１６０は、燃料電池４０に要求される発電要求電力と、燃料電池４０の実際の発電電力とを比較し、発電要求電力が実際の発電電力より少ないか否かを判定する（ステップ２０１）。発電要求電力が実際の発電電力より少ない場合には（ステップ２０１；ＹＥＳ）、制御装置１６０は、温度センサ１７０が検出する二次電池１１０の温度が閾値温度より低いか否かを判定する（ステップ２０２）。ここで、閾値温度は、その閾値温度以下では、二次電池１１０の充放電許容量が低下するものとして予め定められた温度を意味する。二次電池１１０がリチウム・イオン電池の場合、極低温環境下では、充放電許容量が低下することが知られている。二次電池１１０の温度が閾値温度より低い場合には（ステップ２０２；ＹＥＳ）、制御装置１６０は、燃料電池４０の実際の発電電力から発電要求電力を差し引いた余剰電力の少なくとも一部でヒータ１２０を駆動させることによって当該余剰電力の少なくとも一部をヒータ１２０で消費して二次電池１１０を昇温させる（ステップ２０３）。一方、発電要求電力が実際の発電電力と同等若しくはそれ以上の場合（ステップ２０１；ＮＯ）、或いは二次電池１１０の温度が閾値温度と同等若しくはそれ以上の場合には（ステップ２０２；ＮＯ）、制御装置１６０は、ヒータ１２０をオフにする（ステップ２０４）。
【００２２】
このように、燃料電池４０に要求される発電要求電力が燃料電池４０の実際の発電電力より少なく、且つ二次電池１１０の温度が閾値温度より低いときに、燃料電池４０の実際の発電電力から発電要求電力を差し引いた余剰電力の一部をヒータ１２０で消費して二次電池１１０を低温から適温に昇温させることにより、二次電池１１０の充放電許容量を向上させることができる。これにより、燃料電池４０の余剰電力を無駄に廃棄することなく有効活用できる。特に、燃料電池車両では、低効率発電と呼ばれる運転や、高電位回避運転と呼ばれる運転により、燃料電池４０の実際の発電電力が、燃料電池４０に要求される発電要求電力を超えて、余剰電力が発生することがある。このような余剰電力のうち二次電池１１０に充電し切れない電力は、従来、補機類１００，１５０で無駄に消費されていたが、本実施形態によれば、そのような余剰電力を無駄に廃棄することなく有効活用できる。
【００２３】
なお、低効率発電とは、燃料電池４０に供給される酸化ガスが通常発電時に比して少なく、かつ通常発電に比して電力損失が大きい発電をいい、例えば、エアストイキ比を１．０付近（理論値）に絞った状態で燃料電池４０を運転する発電をいう。高電位回避運転とは、燃料電池４０の触媒として用いられている白金の溶出を回避するために、燃料電池４０の出力電圧を引き下げて発電することをいう。
【００２４】
図３は、本発明の実施形態２に関わる燃料電池システム２０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム２０は、ヒータ１２０が二次電池１１０と並列に接続されている点において、燃料電池システム１０と異なり、その余の点で共通している。ヒータ１２０は、燃料電池４０の余剰電力を消費できるように、車載電力変換器（ＤＣ／ＤＣコンバータ５０，８０，１３０の何れか）を通じて燃料電池４０に接続されていればよい。
【００２５】
図４は、本発明の実施形態３に関わる燃料電池システム３０の概略構成を示すブロック図である。燃料電池システム３０は、ヒータ１２０が、補機類１５０用の二次電池１４０とＤＣ／ＤＣコンバータ１３０との接続点に接続されるとともに、外部電源１８０にも接続している点において、燃料電池システム１０と異なり、その余の点で共通している。
【００２６】
次に、図５を参照しながら、燃料電池システム３０による二次電池１１０の充電処理について説明する。まず、制御装置１６０は、燃料電池４０に要求される発電要求電力と、燃料電池４０の実際の発電電力とを比較し、発電要求電力が実際の発電電力より少ないか否かを判定する（ステップ５０１）。発電要求電力が実際の発電電力より少ない場合には（ステップ５０１；ＹＥＳ）、制御装置１６０は、温度センサ１７０が検出する二次電池１１０の温度が閾値温度より低いか否かを判定する（ステップ５０２）。二次電池１１０の温度が閾値温度より低い場合には（ステップ５０２；ＹＥＳ）、制御装置１６０は、燃料電池４０の実際の発電電力から発電要求電力を差し引いた余剰電力がヒータ１２０の消費電力より多いか否かを判定する（ステップ５０３）。余剰電力がヒータ１２０の消費電力より多い場合には（ステップ５０３；ＹＥＳ）、制御装置１６０は、外部電源１８０からヒータ１２０への電力供給を遮断し、余剰電力の一部をヒータ１２０で消費して二次電池１１０を昇温させる（ステップ５０４）。
【００２７】
一方、発電要求電力が実際の発電電力と同等若しくはそれ以上の場合（ステップ５０１；ＮＯ）、或いは二次電池１１０の温度が閾値温度と同等若しくはそれ以上の場合には（ステップ５０２；ＮＯ）、制御装置１６０は、ヒータ１２０をオフにする（ステップ５０５）。また、余剰電力がヒータ１２０の消費電力より少ない場合には（ステップ５０３；ＮＯ）、制御装置１６０は、ヒータ１２０の消費電力のうち余剰電力で賄えない不足電力を外部電源１８０からヒータ１２０に供給し、余剰電力の少なくとも一部をヒータ１２０で消費して二次電池１１０を昇温させる（ステップ５０６）。
【００２８】
このように、ヒータ１２０の消費電力のうち余剰電力で賄えない不足電力を外部電源１８０からヒータ１２０に供給して二次電池１１０を昇温させることにより、少ない余剰電力を有効に活用できる。
【００２９】
なお、以上説明した実施形態では、燃料電池４０の発電電力から発電要求電力を差し引いた余剰電力を利用して二次電池１１０を昇温する制御例について説明したが、これは、二次電池１１０を昇温させるための電力を燃料電池４０に発電させて二次電池１１０を意図的に昇温させるという制御の実施を排除するものではない。
【００３０】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、実施形態が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図示の比率に限定されるものではない。また、実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３１】
１０，２０，３０…燃料電池システム  ４０…燃料電池  ５０…ＤＣ／ＤＣコンバータ  ６０…トラクションインバータ  ７０…トラクションモータ  ８０…ＤＣ／ＤＣコンバータ    ９０…インバータ  １００…補機類  １１０…二次電池  １２０…ヒータ  １３０…ＤＣ／ＤＣコンバータ  １４０…二次電池  １５０…補機類  １６０…制御装置  １７０…温度センサ  １８０…外部電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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