(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、より簡単な構成で二次電池の温度を上昇させることである。【解決手段】燃料電池システム１０において、内部抵抗を有する二次電池１１と、二次電池１１と負荷回路との間に接続される昇降圧コンバータ１２と、負荷回路に並列に接続される燃料電池１３と、昇降圧コンバータ１２の作動を制御する制御部１６と、を備え、制御部１６は、昇降圧コンバータ１２の出力電圧を上下させて、燃料電池１３と二次電池１１との間で充放電を繰り返させる充放電手段を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部抵抗を有する二次電池と、
二次電池と負荷回路との間に接続される昇降圧コンバータと、
負荷回路に並列に接続される燃料電池と、
昇降圧コンバータの作動を制御する制御部と、
を備え、
制御部は、昇降圧コンバータの出力電圧を上下させて、燃料電池と二次電池との間で充放電を繰り返させる充放電手段を有す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において、
充放電手段は、
昇降圧コンバータの出力電圧を上げることで二次電池から放電された電荷を燃料電池のキャパシタ成分に充電させ、
昇降圧コンバータの出力電圧を下げることで燃料電池のキャパシタ成分から放電された電荷を二次電池に充電させる工程を繰り返すことを特徴と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係り、特に、内部抵抗を有する二次電池を備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ハイブリッド車両等に燃料電池システムが搭載されている。燃料電池システムを作動させていると燃料電池システムを構成する二次電池の温度が下がることがあるため、必要に応じて、二次電池の温度を上昇させることが望まれる。
【０００３】
本発明に関連する技術として、特許文献１には、燃料電池システムとして、燃料電池と、燃料電池により充電される蓄電手段と、常時は一定出力となるように燃料電池の発電を制御する発電制御手段と、蓄電手段の温度を検知する温度検知手段とを備える構成が開示されている。そして、温度検知手段が検知した蓄電手段の温度が所定温度を上回った場合に、負荷に応じた発電量を発電するように発電制御手段が制御を行うことが述べられている。
【０００４】
また、特許文献２には、燃料電池システムとして、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、電力の充放電をする二次電池と、燃料電池で発電した発電電力を負荷に供給して消費させると共に二次電池に供給して充電させ、二次電池を放電させて負荷に供給する電力分配手段とを備える構成が開示されている。そして、システムの起動時に、燃料電池の発電電力を、負荷及び二次電池に供給するように電力分配手段を制御する処理と、燃料電池の発電電力及び二次電池の放電電力を、負荷に供給するように電力分配手段を制御する処理とを繰り返して、燃料電池及び二次電池を暖機させる制御手段とを有する構成が開示されている。さらに、制御手段は、システム起動完了後の運転状態に基づいて、燃料電池の暖機が完了したことを判定するための燃料電池の発電可能電力の判定値を変更することが述べられている。
【０００５】
そして、特許文献３には、燃料電池システムとして、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、燃料電池に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段と、燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、電力の充放電をする二次電池と、燃料電池で発電した発電電力を燃料電池の発電に必要な補機に供給して消費させると共に二次電池に供給して充電させ、二次電池を放電させて補機に供給する電力分配手段とを備える構成が開示されている。そして、システムの起動時に、燃料電池の発電電力を、補機及び二次電池に供給するように電力分配手段を制御する処理と、燃料電池の発電電力及び二次電池の放電電力を、補機に供給するように電力分配手段を制御する処理とを繰り返して、燃料電池及び二次電池を暖機させる制御手段とを備える構成が開示されている。
【０００６】
さらに、特許文献４には、昇温制御装置として、２次電池と当該２次電池に対して充電可能な動力源が搭載されるハイブリット型車両において、２次電池の温度が低いときに、該２次電池を放電させ、温度を上昇させる構成が開示されている。そして、放電の時間経過に対する２次電池の放電可能出力の増加率を演算する増加率演算手段と、モード切り替え手段とを有し、モード切り替え手段は、演算された放電可能出力の増加率に応じて、２次電池を放電から充電に切り替える構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０１９０３３号公報
【特許文献２】特開２００４−２８８５３０号公報
【特許文献３】特開２００４−２８１２１９号公報
【特許文献４】特開２００３−０３２８０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１の構成は、燃料電池と蓄電手段とを組み合わせ、燃料電池は一定出力で発電を間欠的に行い、電力の過不足を蓄電手段からの充放電で補うことが開示されているのみで、二次電池の昇温を行うための具体的な構成は開示されていない。
【０００９】
上記特許文献２の構成は、燃料電池スタックの発電電力を負荷及び二次電池に供給するように電力分配部を制御する処理と、燃料電池スタックの発電電力及び二次電池の放電電力を負荷に供給するように電力分配部を制御する処理とを繰り返して、燃料電池スタック及び二次電池を暖機させることができる。しかし、上記特許文献２の構成では、燃料電池スタックの発電電力を常に利用する必要がある。
【００１０】
上記特許文献３も上記特許文献２の構成と同様の処理を繰り返して、燃料電池スタック及び二次電池を暖機させることができる。しかし、上記特許文献３の構成を用いても、燃料電池スタックの発電電力を常に利用する必要がある。
【００１１】
上記特許文献４の構成は、車両を駆動するときに、２次電池の放電可能出力をチェックし、所定値Ａより小さい場合は、２次電池を最大放電可能出力で放電させ、電池温度を上昇させることができる。しかし、上記特許文献４の構成では、電池温度の上昇に伴って上昇する放電可能出力の増加率をチェックし、増加率がゼロとなった場合には、エンジンによる充電を行う必要がある。
【００１２】
本発明の目的は、より簡単な構成で二次電池の温度を上昇させることが可能な燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムは、内部抵抗を有する二次電池と、二次電池と負荷回路との間に接続される昇降圧コンバータと、負荷回路に並列に接続される燃料電池と、昇降圧コンバータの作動を制御する制御部と、を備え、制御部は、昇降圧コンバータの出力電圧を上下させて、燃料電池と二次電池との間で充放電を繰り返させる充放電手段を有することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池システムにおいて、充放電手段は、昇降圧コンバータの出力電圧を上げることで二次電池から放電された電荷を燃料電池のキャパシタ成分に充電させ、昇降圧コンバータの出力電圧を下げることで燃料電池のキャパシタ成分から放電された電荷を二次電池に充電させる工程を繰り返すことが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成の燃料電池システムによれば、昇降圧コンバータの出力電圧を上下させて、燃料電池と二次電池との間で充放電を繰り返させることができる。これにより、二次電池の内部抵抗を用いて昇温させることができる。したがって、より簡単な構成で二次電池の温度を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態において、燃料電池システムを示す図である。
【図２】本発明の実施の形態において、制御部の各要素を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態において、燃料電池システムの二次電池を昇温させるための手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態において、二次電池の昇温を行う際の昇降圧コンバータの出力電圧の変化と二次電池に流れる電流値の変化とを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１８】
図１は、燃料電池システム１０を示す図である。燃料電池システム１０は、二次電池１１と、昇降圧コンバータ１２と、燃料電池１３と、インバータ１４と、モータ１５と、制御部１６とを含んで構成される。なお、燃料電池システム１０は、内燃機関（図示しないエンジン）と回転電機（モータ１５）を用いて走行するハイブリッド車両に搭載されている。
【００１９】
二次電池１１は、インバータ１４やモータ１５といった負荷回路に電力を供給するためのバッテリである。また、二次電池１１は、充放電可能な直流電源であって、例えば、炭素物質で構成された負極と、リチウムイオンが移動するための電解液と、リチウムイオンを可逆的に出し入れできる正極活物質とを有するリチウムイオン二次電池を用いることができる。また、二次電池１１は、図示しない内部抵抗を有し、さらに、二次電池１１には図示しない温度センサが取り付けられている。
【００２０】
昇降圧コンバータ１２は、図示しないコイル、トランジスタ、コンデンサを用いて構成される。また、昇降圧コンバータ１２は、二次電池１１から受け取る直流電圧についてコイル等を用いて昇圧する機能を有する。具体的には、昇降圧コンバータ１２は、トランジスタのスイッチング動作に応じて流れる電流をコイルに電磁エネルギとして蓄積し、さらに、その電磁エネルギをコンデンサに電荷を蓄積することで昇圧を行う。
【００２１】
また、昇降圧コンバータ１２は、モータ１５から受ける直流電圧、あるいは燃料電池１３から受ける直流電圧を降圧し、二次電池１１を充電する。
【００２２】
燃料電池１３は、インバータ１４とモータ１５を含む負荷回路に並列に接続され、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生させる燃料電池である。また、燃料電池１３は、図示しない空気供給装置及び水素供給装置のそれぞれから空気及び水素の供給を受けて電力を発生し、発生した電力をインバータ１４とモータ１５とを含んだ負荷回路に供給する。そして、燃料電池１３の電解質の両端には、白金触媒を介して、それぞれ水素側電極と酸素側電極が設けられている。ここで、燃料電池１３としては、固体高分子電解質型の燃料電池が望ましい。固体高分子電解質型の燃料電池は、常温で起動できるために起動時間が短く、常温で高い電流密度が得られるといったメリットがある。また、固体高分子電解質型の燃料電池は、低負荷運転が可能で、さらに小型軽量化が可能といったメリットがあり、ハイブリッド車両搭載用の燃料電池として優れた特性を備えている。なお、燃料電池１３は、固定高分子電解質型燃料電池に限らず、アルカリ性電解質型燃料電池、酸性電解質型燃料電池、溶融塩電解質型燃料電池、固体電解質型燃料電池、リン酸型燃料電池なども利用することができる。
【００２３】
ここで、燃料電池１３は、二次電池１１から放電された電荷を蓄積する静電容量成分を有している。燃料電池１３は、例えば、水素側電極と電解質との間により形成される静電容量成分（換言すれば、キャパシタ成分）、あるいは、電解質と酸素側電極との間により形成される静電容量成分（換言すれば、キャパシタ成分）、あるいは、白金触媒が酸化あるいは還元する際に電荷を取り入れたり放出したりする静電容量成分（換言すれば、キャパシタ成分）を有している。
【００２４】
インバータ１４は、ハイブリッド車両の力行時には昇降圧コンバータ１２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータ１５に供給し、これによりモータ１５が回転駆動される。また、インバータ１４は、ハイブリッド車両の回生時にはモータ１５で発電された交流電圧を直流電圧に変換して二次電池１１に供給し、これにより二次電池１１が充電される。
【００２５】
モータ１５は、ハイブリッド車両の力行時には、回転駆動して駆動力を出力する電動機として機能し、ハイブリッド車両の回生時には、回転駆動されて発電される発電機として機能する回転電機である。
【００２６】
図２は、制御部１６の各要素を示す図である。制御部１６は、燃料電池システム１０全体を制御する制御装置である。制御部１６は、記憶部１０８と、温度判断処理部Ｉ／Ｆ１１０と、スイッチング制御処理部Ｉ／Ｆ１１２と、ＣＰＵ１００とを含んで構成される。各要素は、内部バスを通じて相互に接続される。かかる制御部１６は、燃料電池システム１０に適したコンピュータを用いることができる。
【００２７】
温度判断処理部Ｉ／Ｆ１１０は、二次電池１１の温度センサと接続されるインターフェース回路である。スイッチング制御処理部Ｉ／Ｆ１１２は、昇降圧コンバータ１２およびインバータ１４と接続されるインターフェース回路である。
【００２８】
ＣＰＵ１００は、温度判断処理部１０２と、デューティー比決定処理部１０４と、スイッチング制御処理部１０６とを含んで構成される。これらの各機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には記憶部１０８に記憶された二次電池昇温プログラムを実行することにより実現できる。また、これらの各機能の一部をハードウェアとして実現するものとしてもよい。
【００２９】
温度判断処理部１０２は、二次電池１１の温度センサによって検出された二次電池１１の温度情報を温度判断処理部Ｉ／Ｆ１１０を介して取得し、二次電池１１の温度が閾値温度以下であるか否かを判断する機能を有する。
【００３０】
デューティー比決定処理部１０４は、温度判断処理部１０２によって二次電池１１の温度が閾値温度以下であると判断された場合には、二次電池１１の温度に応じて、昇降圧コンバータ１２のトランジスタのスイッチング動作をさせる際のデューティー比を決定する機能を有する。
【００３１】
スイッチング制御処理部１０６は、デューティー比決定処理部１０４によって決定されたデューティー比に基づいて、昇降圧コンバータ１２のトランジスタをスイッチングさせる機能を有する。また、スイッチング制御処理部１０６は、温度判断処理部１０２によって二次電池１１の温度が閾値温度以下であると判断された場合に、インバータ１４のスイッチング動作を停止するための制御を行う機能を有する。
【００３２】
続いて、上記構成の燃料電池システム１０の動作について図１〜図４を参照して説明する。図３は、燃料電池システム１０において、二次電池１１を昇温させるための手順を示すフローチャートである。図４は、燃料電池システム１０において、二次電池１１を昇温させる場合の燃料電池１３の出力電圧と二次電池１１に流れる電流値との関係を示す図である。まず、制御部１６において記憶部１０８に記憶された二次電池昇温プログラムを実行する。
【００３３】
二次電池１１の温度が閾値より小さいか否かを判断する（Ｓ１０）。具体的には、制御部１６は、二次電池１１の温度センサによって検出された二次電池１１の温度を温度判断処理部Ｉ／Ｆ１１０を介して取得し、二次電池１１の温度が予め定められた閾値温度よりも小さいか否かを判断する。この工程は、ＣＰＵ１００の温度判断処理部１０２の機能によって実行される。二次電池１１の温度が閾値温度よりも大きいと判断されたときは、リターン処理へと進む。
【００３４】
二次電池１１の温度が閾値温度よりも小さいと判断されたときは、昇降圧コンバータ１２のデューティー比を決定する（Ｓ１２）。具体的には、二次電池１１の温度に応じ、昇降圧コンバータ１２のトランジスタをスイッチング動作させる際のデューティー比を算出して決定する。この工程は、ＣＰＵ１００のデューティー比決定処理部１０４の機能によって実行される。
【００３５】
Ｓ１２の後は、予め定められた回数分だけスイッチング制御を行う（Ｓ１４）。具体的には、Ｓ１２の工程において決定されたデューティー比で昇降圧コンバータ１２のトランジスタをスイッチング動作させる。これにより図４（ａ）に示されるように昇降圧コンバータ１２の出力電圧（換言すれば、燃料電池１３の出力電圧）を予め定められた回数分だけ上下させることができる。この工程は、ＣＰＵ１００のスイッチング制御処理部１０６の機能によって実行される。Ｓ１４の後は、再びＳ１０へと戻る。
【００３６】
このように、燃料電池システム１０の構成によれば、二次電池１１の温度が閾値温度よりも小さくなった場合には、図４（ａ）に示されるように昇降圧コンバータ１２の出力電圧を上下させることができる。このとき、二次電池１１に流れる電流値は、図４（ｂ）に示されるように、時間ｔ0から時間ｔ1の間は、マイナス値となり、時間ｔ1から時間ｔ2の間は、プラス値となり、時間ｔ2から時間ｔ3の間は、マイナス値となり、時間ｔ3から時間ｔ4の間は、プラス値と繰り返される。ここで、二次電池１１の電流値がマイナス値を示すときは、二次電池１１から放電された電荷が燃料電池１３の静電容量成分に充電され、二次電池１１の電流値がプラス値を示すときは、燃料電池１３の静電容量成分から放電された電荷が二次電池１１に充電され、つまり二次電池１１と燃料電池１３との間で充放電が繰り返される。これにより、二次電池１１の内部抵抗によって放熱されるため、二次電池１１の温度を上昇させることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１０  燃料電池システム、１１  二次電池、１２  昇降圧コンバータ、１３  燃料電池、１４  インバータ、１５  モータ、１６  制御部、１００  ＣＰＵ、１０２  温度判断処理部、１０４  デューティー比決定処理部、１０６  スイッチング制御処理部、１０８  記憶部、１１０  温度判断処理部Ｉ／Ｆ、１１２  スイッチング制御処理部Ｉ／Ｆ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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