(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させ、発電電力を車両の駆動モータに供給する燃料電池システムであって、
前記燃料電池の暖機時に、前記駆動モータに発電電力を供給して暖機を促進させる暖機制御手段を備え、
前記暖機制御手段は、前記燃料電池の出力電流を増大させるように前記駆動モータに発電電力を供給することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記駆動モータを制御する駆動モータ制御装置を備え、
前記暖機制御手段は、
前記燃料電池の暖機時に前記駆動モータに供給する電力を算出する暖機時駆動モータ供給電力算出手段と、
前記燃料電池の暖機時に前記駆動モータに電力を供給するときは、前記駆動モータが回転しないように前記駆動モータ制御装置を制御する駆動モータ制御手段と、
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】
前記駆動モータ又は前記駆動モータ制御装置の温度を検出する温度検出手段を備え、
前記暖機時駆動モータ供給電力算出手段は、
前記燃料電池の発電電力に応じてその燃料電池の暖機完了予測時間を算出し、
前記燃料電池の暖機完了予測時間と、前記駆動モータ又は前記駆動モータ制御装置の温度と、に基づいて、前記燃料電池の暖機完了予測時間内に前記駆動モータ又は前記駆動モータ制御装置の温度が所定の許容温度を超えないように、前記駆動モータに供給する電力を算出する、
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】
前記温度検出手段は、
前記駆動モータに供給した電力の積算値に基づいて前記駆動モータ又は前記駆動モータ制御装置の温度を推定することで、前記駆動モータ又は前記駆動モータ制御装置の温度を検出する、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記暖機時駆動モータ供給電力算出手段は、
前記燃料電池の暖機完了予測時間が長いときほど、前記駆動モータに供給する電力を大きくする、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記暖機時駆動モータ供給電力算出手段は、
前記駆動モータ又は前記駆動モータ制御装置の温度が低いときほど、前記駆動モータに供給する電力を大きくする、
ことを特徴とする請求項３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。
【請求項７】
前記暖機時駆動モータ供給電力算出手段は、
前記燃料電池の温度に応じてその燃料電池の上限発電電力を算出する上限発電電力算出手段と、
前記駆動モータに、算出された供給電力を供給したときに、前記燃料電池の発電電力が前記上限発電電力を超えるか否かを判定する判定手段と、
を備え、
前記燃料電池の発電電力が前記上限発電電力を超えると判定したときは、前記燃料電池の発電電力が前記上限発電電力となるように、前記駆動モータに供給する電力を制限する、
ことを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記駆動モータの出力軸を固定する固定装置を備え、
前記暖機時駆動モータ供給電力算出手段は
前記駆動モータに、算出された供給電力を供給してその駆動モータを回転駆動させたときに得られるトルクが、前記固定装置による前記駆動モータの出力軸の固定力に応じて定まる所定の上限トルクよりも大きいときは、前記駆動モータを回転駆動させたときに得られるトルクが前記上限トルクより小さくなるように、前記駆動モータに供給する電力を制限する、
ことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記駆動モータの出力軸が固定されているか否かを判定する固定判定手段と、
前記燃料電池の暖機時に前記駆動モータの出力軸が固定されていないと判定したときに、前記駆動モータへの電力供給を禁止する暖機時電力供給禁止手段と、
を備えることを特徴とする請求項８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、補機に電力を供給して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】特表２０００−５１２０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃料電池の暖機時においては、燃料電池の発電電力を増大させるほど熱損失が大きくなって暖機性能が向上する。しかしながら、暖機時に通電可能な補機はカソードコンプレッサや冷却水の温度を上昇させるヒータなどに限られており、それらの補機が消費する電力以上の電力を発電することができなかった。そのため、従来の燃料電池システムのように補機に対してのみ電力を供給していたのでは、十分な暖機性能を得ることができないという問題点があった。
【０００５】
本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであり、暖機時における燃料電池の発電電力を増大させて、暖機性能を向上させ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、本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電させ、発電電力を車両の駆動モータに供給する燃料電池システムである。そして、燃料電池の暖機時に、駆動モータに発電電力を供給して暖機を促進させる暖機制御手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、アノードガス及びカソードガスを燃料電池に供給して発電し、発電電力を車両の駆動モータに供給する燃料電池システムである。そして、燃料電池の暖機時に、駆動モータに発電電力を供給して暖機を促進させる暖機制御手段を備え、暖機制御手段は、燃料電池の出力電流を増大させるように駆動モータに発電電力を供給することを特徴とする。
【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】燃料電池スタックの温度と、燃料電池スタックの電流電圧特性と、の関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態による暖機制御について説明するフローチャートである。
【図４】駆動モータ供給電力算出処理について説明するフローチャートである。
【図５】燃料電池スタックの出力電力と平均セル電圧とに基づいて、単位時間当たりの燃料電池スタックの発熱量を算出するマップである。
【図６】暖機完了予測時間と推定駆動モータ温度とに基づいて、第１最大駆動モータ供給電力を逐次算出するマップである。
【図７】暖機完了予測時間と推定インバータ温度とに基づいて、第２最大駆動モータ供給電力を逐次算出するマップである。
【図８】推定駆動モータ温度算出処理について説明するフローチャートである。
【図９】電力積算値に基づいて駆動モータの上昇温度を算出するテーブルである。
【図１０】推定インバータ温度算出処理について説明するフローチャートである。
【図１１】電力積算値に基づいてインバータの上昇温度を算出するテーブルである。
【発明を実施するための最良の形態】
【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、電力系冷却装置６と、パークロック装置７と、コントローラ８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】
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、を備える。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、減圧弁３３と、アノードガス排出通路３４と、パージ弁３５と、を備える。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
調圧弁３３は、アノードガス供給通路３２に設けられる。調圧弁３３は、コントローラ８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。
【００２６】
アノードガス排出通路３４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３４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。
【００２７】
パージ弁３５は、アノードガス排出通路３４に設けられる。パージ弁３５は、コントローラ８によって開閉制御され、アノードガス排出通路３４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。
【００２８】
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、ＰＴＣヒータ４６と、水温センサ４７と、を備える。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
ＰＴＣヒータ４６は、三方弁４４と循環ポンプ４５との間の冷却水循環通路４１に設けられる。ＰＴＣ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。
【００３５】
水温センサ４７は、ラジエータ４２よりも上流側の冷却水循環通路４１に設けられる。水温センサ４７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「スタック冷却水温」という。）を検出する。本実施形態では、スタック冷却水温を燃料電池スタック１の温度として使用する。
【００３６】
電力系５は、電流センサ５１と、電圧センサ５２と、駆動モータ５３と、インバータ５４と、バッテリ５５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６と、を備える。
【００３７】
電流センサ５１は、燃料電池スタック１から取り出される電流（以下「出力電流」という。）を検出する。
【００３８】
電圧センサ５２は、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「出力電圧」という。）を検出する。
【００３９】
駆動モータ５３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５３は、燃料電池スタック１及びバッテリ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。
【００４０】
インバータ５４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５４の半導体スイッチは、コントローラ８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５４は、駆動モータ５３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５３に供給する。一方で、駆動モータ５３を発電機として機能させるときは、駆動モータ５３の回生電力（三相交流電力）を直流電力に変換してバッテリ５５に供給する。
【００４１】
バッテリ５５は、燃料電池スタック１の発電電力（出力電流×出力電圧）の余剰分及び駆動モータ５３の回生電力を充電する。バッテリ５５に充電された電力は、必要に応じてカソードコンプレッサ２３やＰＴＣヒータ４６などの補機類及び駆動モータ５３に供給される。
【００４２】
ＤＣ／ＤＣコンバータ５６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。ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御することで、燃料電池スタック１の出力電流、ひいては発電電力が制御される。
【００４３】
電力系冷却装置６は、電力系５の各電気部品を冷却する装置であって、電力系冷却水循環通路６１と、電力系ラジエータ６２と、電力系循環ポンプ６３と、を備える。
【００４４】
電力系冷却水循環通路６１は、駆動モータ５３、インバータ５４、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６及びバッテリ５５を冷却するための冷却水が循環する通路である。
【００４５】
電力系ラジエータ６２は、電力系冷却水循環通路６１に設けられる。電力系ラジエータ６２は、電力系冷却水循環通路６１を循環する冷却水を冷却する。
【００４６】
電力系循環ポンプ６３は、電力系冷却水循環通路６１に設けられて、冷却水を循環させる。
【００４７】
パークロック装置７は、駆動モータ５３の出力軸５３１に設けられる。パークロック装置７は、ドライバによって選択されるシフトレバーの位置が駐車レンジ（Ｐレンジ）のときに、駆動モータ５３の出力軸５３１が回転しないように、駆動モータ５３の出力軸５３１を機械的に固定する装置である。パークロック装置７は、駆動モータ５３の出力軸５３１と一体となって回転するパーキングギヤに、爪部材（パーキングポウル）を噛ませることで、駆動モータ５３の出力軸５３１を機械的に固定する。
【００４８】
コントローラ８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。コントローラ８には、前述した水温センサ４７、電流センサ５１及び電圧センサ５２の他にも、外気温を検出する外気温センサ８１や、シフトレバーの位置を検出するシフトレバー位置検出センサ８２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルストロークセンサ８３、バッテリ５５の充電量を検出するＳＯＣセンサ８４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。
【００４９】
コントローラ８は、これらの入力信号に基づいて、燃料電池スタック１の暖機制御を実施する。
【００５０】
図２は、燃料電池スタック１の温度と、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。）と、の関係を示す図である。
【００５１】
図２に示すように、燃料電池スタック１のＩ−Ｖ特性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、燃料電池の温度が低いときほど、燃料電池の発電効率は低下する。
【００５２】
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５３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。
【００５３】
したがって、燃料電池システム１００の起動後は、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５３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。
【００５４】
ここで、燃料電池スタック１の暖機速度を上げるには、暖機時における燃料電池スタック１の出力電流を増やして発電電力を大きくすることが有効である。以下、その理由について説明する。
【００５５】
アノードガスとしての水素が有する化学エネルギを全て電気エネルギに変換できた場合には、燃料電池スタック１の出力電圧は、図２に示す理論電圧となる。
【００５６】
しかしながら、燃料電池の内部では、抵抗分極や活性化分極、拡散分極などの様々な損失が発生するため、化学エネルギを全て電気エネルギに変換することはできず、化学エネルギの一部は熱エネルギとなって外部へ放出される。そのため、図２に示すように、損失として外部へ放出される熱エネルギの分だけ燃料電池スタック１の出力電圧が理論電圧よりも低くなる。
【００５７】
そして、図２に示すように、燃料電池スタック１は、燃料電池スタック１の温度にかかわらず、出力電流が増加するほど出力電圧が低下する特性（Ｉ−Ｖ特性）を有している。
【００５８】
そのため、燃料電池スタック１の出力電流を増やすほど外部へ放出される熱エネルギが大きくなるので、燃料電池スタック１の出力電流を増やすほど燃料電池スタック１の暖機速度が上がるのである。
【００５９】
したがって、燃料電池スタック１の暖機時には、暖機速度を少しでも上げるために、可能な限り出力電流を増加させたい。しかしながら、走行許可の出ていない暖機時に通電可能な電気部品は、カソードコンプレッサ２３やＰＴＣヒータ４６などの補機に限られるため、補機に通電する電流以上の出力電流を燃料電池スタック１から取り出すことができなかった。また、燃料電池の電解質膜の劣化を抑制するためには、燃料電池スタック１の出力電圧が予め定められた最低電圧を下回らないようにする必要もある。
【００６０】
そこで本実施形態では、燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回らないように、暖機時にこれまで通電していなかった駆動モータ５３に対しても通電することにした。これにより、燃料電池スタック１の出力電流を増加させて、暖機速度を上げることができる。以下、この本実施形態による暖機制御について説明する。
【００６１】
図３は、本実施形態による暖機制御について説明するフローチャートである。コントローラ８は、本ルーチンを所定時間（例えば１０ｍｓ）ごとに繰り返し実行する。
【００６２】
ステップＳ１において、コントローラ８は、燃料電池スタック１の暖機が必要か否かを判定する。具体的には、水温センサ４７によって検出されたスタック冷却水温が所定の暖機完了温度より低いか否かを判定する。この暖機完了温度は、走行許可を出すことのできる温度であって、燃料電池システム１００の特性に応じて適時設定されるものである。コントローラ８は、スタック冷却水温が暖機完了温度よりも低ければステップＳ２の処理を行う。一方で、スタック冷却水温が暖機完了温度以上であれば今回の処理を終了する。
【００６３】
ステップＳ２において、コントローラ８は、ドライバによって選択されるシフトレバーの位置が駐車レンジか否かを判定する。コントローラ８は、シフトレバー位置検出センサ７２によって検出されたシフトレバーの位置が駐車レンジであればステップＳ３の処理を行う。一方で、シフトレバーの位置が駐車レンジ以外の走行レンジ（Ｄレンジ）や後退走行レンジ（Ｒレンジ）、中立レンジ（Ｎレンジ）であれば、ステップＳ７の処理を行う。
【００６４】
ステップＳ３において、コントローラ８は、暖機時に駆動モータ５３に供給する電力（以下「駆動モータ供給電力」という。）の算出処理を実施する。駆動モータ供給電力算出処理については、図４を参照して後述する。
【００６５】
ステップＳ４において、コントローラ８は、駆動モータ５３に駆動モータ供給電力を供給する。具体的には、燃料電池スタック１の発電電力が、補機（カソードコンプレッサ２３及びＰＴＣヒータ４６）の消費電力と駆動モータ供給電力との総和となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ５６によって燃料電池スタック１の出力電圧を制御し、駆動モータ５３に駆動モータ供給電力を供給する。
【００６６】
このときコントローラ８は同時に、駆動モータ５３が回転しないようにインバータ５４の動作を制御する。具体的には、レゾルバ等のセンサによって駆動モータ５３のロータの位置を検出し、磁界が駆動モータ５３内で交番しないようにステータコイルに電流を流す。
【００６７】
ステップＳ５において、コントローラ８は、駆動モータ５３の温度を推定する推定駆動モータ温度算出処理を実施する。推定駆動モータ温度算出処理については、図８を参照して後述する。
【００６８】
ステップＳ６において、コントローラ８は、インバータ５４の温度を推定する推定インバータ温度算出処理を実施する。推定インバータ温度算出処理については、図１０を参照して後述する。
【００６９】
ステップＳ７において、コントローラ８は、駆動モータ５３への電力供給を禁止する。
【００７０】
図４は、駆動モータ供給電力算出処理について説明するフローチャートである。
【００７１】
ステップＳ３１において、コントローラ８は、電流センサ５１で検出した出力電流と電圧センサ５２で検出した出力電圧とを乗算して、燃料電池スタック１の発電電力を算出する。
【００７２】
ステップＳ３２において、コントローラ８は、電圧センサ５２で検出した出力電圧を燃料電池スタック１の燃料電池の枚数で割ることで、各燃料電池の電圧の平均値（以下「平均セル電圧」という。）を算出する。
【００７３】
ステップＳ３３において、コントローラ８は、後述する図５のマップを参照して、燃料電池スタック１の発電電力と平均セル電圧とに基づいて、単位時間（演算周期）当たりの燃料電池スタック１の発熱量を算出する。
【００７４】
ステップＳ３４において、コントローラ８は、算出した燃料電池スタック１の発熱量を、予め定められた燃料電池スタック１の熱容量で割ることで、燃料電池スタック１の昇温速度を算出する。
【００７５】
ステップＳ３５において、コントローラ８は、所定の暖機完了温度とスタック冷却水温との温度差を算出する。
【００７６】
ステップＳ３６において、コントローラ８は、暖機完了温度とスタック冷却水温との温度差を昇温速度で割ることで、暖機が完了するまでに必要な時間（以下「暖機完了予測時間」）、すなわち、ステック冷却水温が暖機完了温度まで上昇するのに必要な時間を算出する。
【００７７】
ステップＳ３７において、コントローラ８は、後述する図６のマップを参照し、暖機完了予測時間と推定駆動モータ温度とに基づいて、暖機完了予測時間内に駆動モータ５３の温度が所定の許容駆動モータ温度を超えない範囲で駆動モータ５３に供給可能な最大電力（以下「第１最大駆動モータ供給電力」という。）を算出する。この第１最大駆動モータ供給電力は、換言すれば、暖機完了予測時間が経過したときに、駆動モータ５３の温度を所定の許容駆動モータ温度まで上昇させるために駆動モータ５３に供給しなければならない電力である。
【００７８】
なお、許容駆動モータ温度は、駆動モータ５３のステータコイルが劣化するおそれのある温度よりもやや低い温度であり、駆動モータ５３の特性に応じて適宜設定される温度である。また、推定駆動モータ温度の初期値は、外気温センサ７１によって検出された外気温に設定される。
【００７９】
ステップＳ３８において、コントローラ８は、後述する図７のマップを参照し、暖機完了予測時間と推定インバータ温度とに基づいて、暖機完了予測時間内にインバータ５４の温度が所定の許容インバータ温度を超えない範囲で駆動モータ５３に供給可能な最大電力（以下「第２最大駆動モータ供給電力」という。）を算出する。この第２最大駆動モータ供給電力は、換言すれば、暖機完了予測時間が経過したときに、インバータ５４の温度を所定の許容インバータ温度まで上昇させるために駆動モータ５３に供給しなければならない電力である。
【００８０】
なお、許容インバータ温度は、インバータ５４の構成部品である半導体スイッチが劣化するおそれのある温度よりもやや低い温度であり、インバータ５４の特性に応じて適宜設定される温度である。また、推定インバータ温度の初期値は、外気温センサ７１によって検出された外気温に設定される。
【００８１】
ステップＳ３９において、コントローラ８は、第１最大駆動モータ供給電力と第２最大駆動モータ供給電力との大小を比較し、小さいほうを、駆動モータ５３及びインバータ５４を劣化させることなく駆動モータ５３に供給することができる最大電力（以下「最大駆動モータ供給電力」）として設定する。
【００８２】
ステップＳ４０において、コントローラ８は、最大駆動モータ供給電力で仮に駆動モータ５３を回転駆動させたときに得られるトルク（以下「想定駆動トルク」という。）が、所定の上限トルク以上か否かを判定する。所定の上限トルクは、パークロック装置７によって駆動モータ５３の出力軸５３１を機械的に固定した状態でそれ以上のトルクが駆動モータ５３の出力軸５３１に作用すると、固定状態が解除されたり、又は、パークロック装置７を劣化させてしまうおそれのあるトルクである。コントローラ８は、想定駆動トルクが上限トルク以上であれば、ステップＳ４１の処理を行う。一方で、想定駆動トルクが上限トルクよりも小さければ、ステップＳ４２の処理を行う。
【００８３】
ステップＳ４１において、コントローラ８は、駆動モータ５３を回転駆動させたときに得られるトルクが上限トルクとなる予め定められた所定の制限電力を、基本駆動モータ供給電力として設定する。これは、想定駆動トルクが上限トルク以上の場合に、最大駆動モータ供給電力を駆動モータ５３に供給してしまうと、誤作動によって駆動モータ５３が回転駆動したときに、車両が誤発進してしまうおそれがあるからである。
【００８４】
ステップＳ４２において、コントローラ８は、最大駆動モータ供給電力を基本駆動モータ供給電力として設定する。
【００８５】
ステップＳ４３において、コントローラ８は、スタック冷却水温に基づいて燃料電池スタック１の現在のＩ−Ｖ特性を呼び出し、呼び出したＩ−Ｖ特性に基づいて燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回らない発電電力の上限（以下「上限発電電力」という。）を算出する。
【００８６】
ステップＳ４４において、コントローラ８は、基本駆動モータ供給電力と補機の消費電力との総和、すなわち燃料電池スタック１の発電電力の要求値（以下「要求発電電力」という。）を算出する。
【００８７】
ステップＳ４５において、コントローラ８は、要求発電電力が上限発電電力以下か否かを判定する。コントローラ８は、要求発電電力が上限出力以下であればステップＳ４２の処理を行う。一方で、要求発電電力が上限発電電力よりも大きければステップＳ４３の処理を行う。
【００８８】
ステップＳ４６において、コントローラ８は、駆動モータ供給電力を、基本駆動モータ供給電力に設定する。これは、要求発電電力が上限出力以下であれば、駆動モータ５３に基本駆動モータ供給電力を供給しても、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がないからである。
【００８９】
ステップＳ４７において、コントローラ８は、駆動モータ供給電力を、上限発電電力から補機の消費電力を引いた電力に設定する。これは、要求発電電力が上限出力よりも大きければ、駆動モータ５３に基本駆動モータ供給電力を供給してしまうと、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からである。
【００９０】
図５は、燃料電池スタック１の発電電力と平均セル電圧とに基づいて、単位時間（演算周期）当たりの燃料電池スタック１の発熱量を算出するマップである。
【００９１】
図５に示すように、燃料電池スタック１の発熱量は、燃料電池スタックの発電電力が大きくなるほど、また、平均セル電圧が低くなるほど、大きくなる。
【００９２】
図６は、暖機完了予測時間と推定駆動モータ温度とに基づいて、第１最大駆動モータ供給電力を逐次算出するマップである。
【００９３】
図６のマップに示すように、第１最大駆動モータ供給電力は、暖機完了予測時間が長くなるほど大きくなるように設定される。このように、暖機完了予測時間が長くなるほど第１最大駆動モータ供給電力が大きくなるように逐次修正することで、燃料電池スタック１の発電電力を大きくして暖機速度が速くなる（暖機完了予測時間が短くなる）ようにしている。
【００９４】
また、第１最大駆動モータ供給電力は、推定駆動モータ温度が低くなるほど大きくなるように設定される。このように、推定駆動モータ５３の温度が許容駆動モータ温度に到達すまでに余裕があるとき、すなわち推定駆動モータ５３の温度が低いときほど第１最大駆動モータ供給電力が大きくなるように逐次修正することで、燃料電池スタック１の発電電力を大きくして暖機速度が速くなるようにしている。
【００９５】
図７は、暖機完了予測時間と推定インバータ温度とに基づいて、第２最大駆動モータ供給電力を逐次算出するマップである。
【００９６】
図７のマップに示すように、第２最大駆動モータ供給電力も、第１最大駆動モータ供給電力と同様に、暖機完了予測時間が長くなるほど、また、推定インバータ温度が低くなるほど大きくなるように設定される。このように設定した理由も同様である。
【００９７】
図８は、推定駆動モータ温度算出処理について説明するフローチャートである。
【００９８】
ステップＳ５１において、コントローラ８は、駆動モータ５３の初期温度を読み込む。本実施形態では、燃料電池システム１００を起動したときの外気温を、駆動モータ５３の初期温度として読み込む。
【００９９】
ステップＳ５２において、コントローラ８は、駆動モータ供給電力の積算値（以下「電力積算値」という。）を算出する。
【０１００】
ステップＳ５３において、コントローラ８は、図９のテーブルを参照し、電力積算値に基づいて駆動モータ５３の上昇温度を算出する。
【０１０１】
ステップＳ５４において、コントローラ８は、駆動モータ５３の初期温度に駆動モータ５３の上昇温度を足して、推定駆動モータ温度を算出する。
【０１０２】
図１０は、推定インバータ温度算出処理について説明するフローチャートである。
【０１０３】
ステップＳ６１において、コントローラ８は、インバータ５４の初期温度を読み込む。本実施形態では、燃料電池システム１００を起動したときの外気温を、インバータ５４の初期温度として読み込む。
【０１０４】
ステップＳ６２において、コントローラ８は、電力積算値を算出する。
【０１０５】
ステップＳ６３において、コントローラ８は、図１１のテーブルを参照し、電力積算値に基づいて、インバータ５４の上昇温度を算出する。
【０１０６】
ステップＳ６４において、コントローラ８は、インバータ５４の初期温度にインバータ５４の上昇温度を足して、推定インバータ温度を算出する。
【０１０７】
以上説明した本実施形態によれば、燃料電池スタック１の暖機時にこれまで燃料電池スタック１の発電電力を供給していなかった駆動モータ５３に対しても、駆動モータ５３が回転しないように燃料電池スタック１の発電電力を供給することとした。
【０１０８】
これにより、燃料電池スタック１の暖機時に通電可能な電気部品として、補機のほかに駆動モータ５３が追加されることになるので、燃料電池スタック１の出力電流を増大させることができ、暖機速度を上げることができる。
【０１０９】
また、本実施形態によれば、燃料電池スタック１の発電電力に応じて暖機完了予測時間を逐次算出し、暖機完了予測時間と推定駆動モータ温度とに基づいて、暖機完了予測時間内に駆動モータ５３の温度が所定の許容駆動モータ温度を超えない範囲で駆動モータ５３に供給可能な最大電力（第１最大駆動モータ供給電力）を算出することとした。また、暖機完了予測時間と推定インバータ温度とに基づいて、暖機完了予測時間内にインバータ５４の温度が所定の許容インバータ温度を超えない範囲で駆動モータ５３に供給可能な最大電力（第２最大駆動モータ供給電力）を算出することとした。
【０１１０】
そして、第１最大駆動モータ供給電力と第２駆動モータ供給電力との大小を比較し、小さい方を、暖機時に駆動モータ５３に供給する最大電力（最大駆動モータ供給電力）として設定することとした。
【０１１１】
これにより、暖機時に駆動モータ５３に供給される電力値を、駆動モータ５３及びインバータ５４を劣化させることのない最大の電力値とすることができる。そのため、駆動モータ５３及びインバータ５４の劣化を抑制しつつ、燃料電池スタック１の暖機を可能な限り早く終了させることができる。
【０１１２】
また、本実施形態によれば、最大駆動モータ供給電力で仮に駆動モータ５３を回転駆動させたときに得られるトルク（想定駆動トルク）が、パークロック装置７による駆動モータ５３の出力軸５３１の固定力に応じて定まる所定の上限トルクよりも大きいときは、駆動モータ５３に供給する電力を制限することとした。具体的には、駆動モータ５３に供給する電力の最大値を、駆動モータ５３を回転駆動させたときに得られるトルクが上限トルクとなる予め定められた所定の制限電力にすることとした。
【０１１３】
これにより、誤って駆動モータ５３が回転駆動された場合であっても、パークロック装置７の固定力によって、車両の誤発進を防ぐことができる。
【０１１４】
また、本実施形態によれば、スタック冷却水温から現在のＩ−Ｖ特性を呼び出し、そのＩ−Ｖ特性から燃料電池スタック１の上限発電電力を算出することとした。そして、基本駆動モータ供給電力（最大駆動モータ供給電力又は制限電力）と、暖機時に駆動される補機（カソードコンプレッサ２３及びＰＴＣヒータ４６）の消費電力と、の総和である要求発電電力が、上限発電電力よりも大きいときは、駆動モータ５３に供給する電力をさらに制限することとした。具体的には、駆動モータ５３に供給する電力の最大値を、上限発電電力から補機の消費電力から引いた電力値に制限することとした。
【０１１５】
これにより、燃料電池スタック１の出力電圧が最低電圧を下回るのを抑制できるので、電解質膜の劣化を抑制することができる。
【０１１６】
また、本実施形態によれば、パークロック装置７によって駆動モータ５３の出力軸５３１が固定されていないとき、すなわち、シフトレバーの位置が駐車レンジ以外のレンジであるときは、駆動モータ５３への電力供給を禁止することとした。
【０１１７】
これにより、車両の誤発進を確実に防ぐことができる。
【０１１８】
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。
【０１１９】
例えば、上記実施形態では、駆動モータ５３として同期モータを使用したが、誘導モータであっても良い。この場合、駆動モータ５３が回転しないようにするには、モータ内で磁界が交番しないように巻線に電流が流れるようにインバータ５４を制御すれば良い。
【０１２０】
また、上記実施形態では、駆動モータ５３及びインバータ５４の温度をそれぞれ推定したが、実際にセンサ等によって検出しても良い。
【０１２１】
また、上記実施形態では、上限トルクをパークロック装置７による出力軸５３１の固定力に応じて設定していたが、フットブレーキ等のその他の制動装置による固定力を考慮して設定しても良い。
【符号の説明】
【０１２２】
１      燃料電池スタック（燃料電池）
７      パークロック装置（固定装置）
５３      駆動モータ
５４      インバータ（駆動モータ制御装置）
１００      燃料電池システム
Ｓ２      固定判定手段
Ｓ３      暖機時駆動モータ供給電力算出手段
Ｓ４      暖機制御手段、駆動モータ制御手段
Ｓ５      温度検出手段
Ｓ６      温度検出手段
Ｓ７      暖機時電力供給禁止手段
Ｓ４３      上限発電電力算出手段
Ｓ４５      判定手段
【図１】
0005776406.tif 000002
【図２】
0005776406.tif 000003
【図３】
0005776406.tif 000004
【図４】
0005776406.tif 000005
【図５】
0005776406.tif 000006
【図６】
0005776406.tif 000007
【図７】
0005776406.tif 000008
【図８】
0005776406.tif 000009
【図９】
0005776406.tif 000010
【図１０】
0005776406.tif 000011
【図１１】
0005776406.tif 000012