(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、二次電池を暖機する場合において、燃料電池スタックの発電性能と耐久性とを確保しつつ、二次電池を所定の温度に早く昇温させることである。【解決手段】制御部１８により、燃料電池スタック１２の発電電力を補機および二次電池４６に供給するように電力分配部４２を制御する第１処理と、燃料電池スタック１２の発電電力および二次電池４６の放電電力を補機に供給するように電力分配部４２を制御する第２処理とを繰り返す。制御部１８は、第２処理を行う際に、酸化ガス供給流路１４から分岐させたバイパス流路２３に設けた流量制御弁２５を制御することにより、エアコンプレッサ１６から吐出された空気の一部を、燃料電池スタック１２の内部を通過させることなくバイパス流路２３を介して外部に排出する。【選択図】図２
2008103228.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、
酸化ガス供給流路に設けられた酸化ガス供給手段と、
電力の充放電を行う二次電池と、
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するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給する電力分配部と、
燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第１処理と、少なくとも二次電池の放電により生じた電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給するように電力分配部を制御する第２処理とを交互に行うことにより、二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備える燃料電池システムであって、
酸化ガス供給流路から分岐され、酸化ガス供給手段から吐出された酸化ガスの少なくとも一部を燃料電池の内部に通過させることなく外部に排出するための酸化ガス分岐排出流路を備え、
制御部は、二次電池を放電させる第２処理を行う際に、酸化ガス分岐排出流路または酸化ガス供給流路に設けた調整弁を制御することにより、酸化ガス供給手段から吐出された酸化ガスの少なくとも一部を、酸化ガス分岐排出流路を介して外部に排出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、
燃料電池から排出された酸化ガス系ガスを排出するための酸化ガス系排出流路を備え、
酸化ガス分岐排出流路のガスの下流側を酸化ガス系排出流路に接続している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、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給手段と、二次電池と、電力分配部とを備える燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料ガス、例えば水素を含むガスと、酸化ガス、例えば空気との電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路に設けたエアコンプレッサ等の酸化ガス供給手段と、充放電可能な二次電池とを備える。ただし、低温環境下において燃料電池システムを使用する場合には、燃料電池の発電性能や二次電池の出力特性が低下している可能性がある。
【０００３】
このような事情から、特許文献１に記載された燃料電池システムの場合には、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するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機に供給する電力分配部と、燃料電池システムの起動時に、燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第１処理と、燃料電池の発電電力およ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部を制御する第２処理とを交互に行うことにより、燃料電池および二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備えることが考えられている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８１２１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された燃料電池システムの場合、第１処理と第２処理とを交互に行うことにより、燃料電池および二次電池を早期に暖機できる可能性はあるが、二次電池を放電させる第２処理を行う際に、二次電池の放電先の要求電力が低いと、二次電池を必要な温度に早く昇温させることができない可能性がある。図８は、燃料電池システムを搭載した燃料電池車で暖機制御処理を行う場合の、二次電池の放電量と放電先の消費電力との関係の１例を、（ａ）はアクセルペダルを踏み込んだ、すなわちアクセルをオンしている場合で、（ｂ）はアクセルペダルを踏み込まない、すなわちアクセルをオフしている場合で、それぞれ示している。なお、補機としては、エアコンプレッサや制御部である電子制御装置等がある。
【０００６】
先ず、図８（ａ）に示すようにアクセルをオンしている場合には、二次電池の放電先の消費電力として、補機の消費電力に加えて、負荷である走行用モータで消費される電力が大きくなる。このため、放電先の消費電力が二次電池の放電量よりも大きくなり、二次電池を十分に放電させるとともに、二次電池の放電では足りない電力を燃料電池により発電することができる。この場合には、二次電池の放電量を十分に確保できるため、二次電池の放電と充電との繰り返しにより、二次電池を必要な所定温度に早く昇温させることができる可能性はある。
【０００７】
これに対して、図８（ｂ）に示すようにアクセルをオフしている場合、例えば、燃料電池車のアイドリング時、下り坂等でのアクセルペダルを踏み込まない走行時等には、走行用モータの消費電力が０か、またはあっても少なくなる。この場合には、二次電池を放電させようとしても、放電先の消費電力が二次電池の放電可能電力（図８（ｂ）の二点鎖線）よりも小さくなって、図８（ｂ）で示すように、二次電池の放電量が図８（ｂ）の矢印イまたは矢印ロで示すように小さくなる。この場合には、二次電池で放電と充電とを繰り返しても、二次電池の放電量が小さいために二次電池を必要な所定温度に早く昇温させることができない可能性がある。
【０００８】
一方、従来から、補機であるエアコンプレッサの回転数をアクセル開度等のアクセル状態から決まる回転数よりも高くし、二次電池の放電先であるエアコンプレッサの消費電力を大きくすることにより、二次電池の放電量を大きくすることも考えられている。ただし、このようにエアコンプレッサの回転数を高くする場合には、燃料電池の内部に過度の空気が供給され、燃料電池が乾燥しすぎて、燃料電池の発電性能が低下する可能性があるだけでなく、燃料電池の早期劣化が生じる可能性がないとはいえない。
【０００９】
なお、燃料電池システムの起動時だけでなく、燃料電池の発電継続中等においても、低温環境下にあると、二次電池の性能が低下する可能性があるため、この場合も上記のような暖機制御処理を行い、二次電池を暖機することが好ましい。
【００１０】
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池から二次電池への発電電力の供給と、二次電池からの放電とを交互に行うことにより二次電池を暖機する場合において、燃料電池の発電性能と耐久性とを確保しつつ、二次電池を所定の温度に早く昇温させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給流路と、酸化ガス供給流路に設けられた酸化ガス供給手段と、電力の充放電を行う二次電池と、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するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給する電力分配部と、燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第１処理と、少なくとも二次電池の放電により生じた電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給するように電力分配部を制御する第２処理とを交互に行うことにより、二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備える燃料電池システムであって、酸化ガス供給流路から分岐され、酸化ガス供給手段から吐出された酸化ガスの少なくとも一部を燃料電池の内部に通過させることなく外部に排出するための酸化ガス分岐排出流路を備え、制御部は、二次電池を放電させる第２処理を行う際に、酸化ガス分岐排出流路または酸化ガス供給流路に設けた調整弁を制御することにより、酸化ガス供給手段から吐出された酸化ガスの少なくとも一部を、酸化ガス分岐排出流路を介して外部に排出することを特徴とする燃料電池システムである。
【００１２】
また、好ましくは、燃料電池から排出された酸化ガス系ガスを排出するための酸化ガス系排出流路を備え、酸化ガス分岐排出流路のガスの下流側を酸化ガス系排出流路に接続する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池システムによれば、制御部は、第１処理と第２処理とを繰り返す暖機制御処理の、二次電池を放電させる第２処理を行う際に、酸化ガス供給流路から分岐された酸化ガス分岐排出流路または酸化ガス供給流路に設けた調整弁を制御することにより、酸化ガス供給手段から吐出された酸化ガスの少なくとも一部を、酸化ガス分岐排出流路を介して外部に排出するようにするので、燃料電池の内部を乾燥し過ぎることなく、酸化ガス供給手段の回転数を十分に高くすることができる。燃料電池の内部には過度の量の酸化ガスが供給されることを防止できる。このため、燃料電池の発電性能及び耐久性を確保できる。また、酸化ガス供給手段の回転数を高くできるため、第２処理を行う場合の二次電池の放電先の消費電力を大きくして、二次電池の放電量を大きくできる。このため、第１処理と第２処理との繰り返しにより、二次電池を所定の温度に早く昇温させることができる。
【００１４】
また、燃料電池から排出された酸化ガス系ガスを排出するための酸化ガス系排出流路を備え、酸化ガス分岐排出流路のガスの下流側を酸化ガス系排出流路に接続する構成によれば、酸化ガス分岐排出流路の長さを短くするとともに、酸化ガスおよび酸化ガス系ガスを外部に排出する排出流路の端を１個に集中させることができ、コストの低減を図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［第１の発明の実施の形態］
以下において、図面を用いて本発明に係る第１の実施の形態につき詳細に説明する。図１から図５は、本発明の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の燃料電池システム１０の基本構成を示すブロック図であり、図２は同じく具体的な構成を示す構成図である。
【００１６】
本実施の形態の燃料電池システム１０は、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１２を有する。この燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
【００１７】
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノード側電極からカソード側電極へ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。
【００１８】
また、燃料電池スタック１２の内部で、セパレータの近くには、図示しない内部冷媒流路を設けている。この内部冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック１２の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。
【００１９】
また、酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために、酸化ガス供給流路１４を設けるとともに、酸化ガス供給流路１４のガスの上流部に、酸化ガス供給手段であるエアコンプレッサ１６を設けている。外気からエアコンプレッサ１６に取り入れた空気は、エアコンプレッサ１６で加圧した後、図示しない加湿器で加湿するようにしている。エアコンプレッサ１６は図示しない駆動用モータにより駆動させる。駆動用モータの回転数は、電子制御装置（ＥＣＵ）等の制御部１８のエアコンプレッサ駆動制御手段２０（図２）により制御される。そして、加湿した空気を、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路に供給するようにしている。
【００２０】
また、燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の酸化ガス系ガスである、空気オフガスは、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出流路２２を通じて排出される。酸化ガス系排出流路２２の途中に図示しない圧力調整弁を設けており、燃料電池スタック１２に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック１２の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。このために圧力調整弁による圧力の検出値を、制御部１８に入力している。
【００２１】
特に、本実施の形態の場合、酸化ガス供給流路１４の途中から、酸化ガス分岐排出流路であるバイパス流路２３を分岐させている。そして、このバイパス流路２３のガスの下流側を酸化ガス系排出流路２２に接続している。また、バイパス流路２３の途中に電磁弁である、流量制御弁２５を設けている。このように構成するため、流量制御弁２５を開いている場合に、エアコンプレッサ１６から吐出された空気の少なくとも一部を燃料電池スタック１２を通過させることなく、バイパス流路２３を通過させて、外部に排出できる。流量制御弁２５の開度は制御部１８により制御する。
【００２２】
一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するために、燃料ガス供給流路２４を設けている。また、燃料ガス供給流路２４のガスの上流側に、燃料ガス供給装置である高圧水素タンクや、改質反応により水素を生成する改質装置等の、水素ガス供給装置２６を設けている。水素ガス供給装置２６から燃料ガス供給流路２４に供給された水素ガスは、圧力調整弁である減圧弁２８を介して燃料電池スタック１２のアノード側電極側の流路に供給するようにしている。減圧弁２８の開度は、制御部１８によりアクチュエータ３０を制御することで調整される。
【００２３】
燃料電池スタック１２のアノード側電極側の流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素ガス系の排出ガスは、燃料電池スタック１２から燃料ガス系循環経路３２を通じて、再度燃料電池スタック１２に戻される。燃料ガス系循環経路３２に、図示しない水素ガス系循環ポンプを設けており、水素ガス系循環ポンプで水素ガス系排出ガスを昇圧した後、水素ガス供給装置２６から送られた水素ガスと合流させてから、燃料電池スタック１２に再度送り込む。
【００２４】
また、燃料ガス系循環経路３２に図示しない気液分離器を設けており、気液分離器に燃料ガス系排出流路３４の上流端を接続している。すなわち、燃料ガス系循環経路３２から燃料ガス系排出流路３４を分岐させている。気液分離器に送られた水素ガス系排出ガスの一部は、気液分離器で分離された水分とともに、パージ弁３５を設けた燃料ガス系排出流路３４を通じて図示しない希釈器に送り込み、酸化ガス系排出流路２２を通じて送られた空気オフガスと合流させ、水素濃度を低下させてから排出する。
【００２５】
なお、燃料ガス系循環経路３２の途中で、燃料電池スタック１２と気液分離器との間等、気液分離器とは別の部分から燃料ガス系排出流路３４を分岐させ、燃料ガス系排出流路３４に送られた水素ガス系排出ガスを希釈器に送り込むこともできる。
【００２６】
さらに、燃料電池スタック１２の状態検出のために、燃料電池スタック１２の出力電流を検出する電流センサ３６と、燃料電池スタック１２の出力電圧を検出する電圧センサ３８と、燃料電池スタック１２の温度を検出する温度センサ４０とを設けている。燃料電池スタック１２を発電させる際には、制御部１８により各センサ３６，３８，４０からの検出信号を読み込む。そして、制御部１８により、この検出信号に基づいて目標となる発電量に対応する水素ガスの圧力と流量、および、空気の圧力と流量を得られるように、補機であるエアコンプレッサ１６の駆動状態であるエアコンプレッサ１６の回転軸の回転数、酸化ガス系排出流路２２の途中に設けた圧力調整弁、流量制御弁２５、減圧弁２８等を制御する。
【００２７】
また、燃料電池スタック１２で発電した発電電力は、電力分配部４２に供給される。電力分配部４２は制御部１８により制御されて、燃料電池スタック１２からの発電電力を負荷４４や補機に供給して消費させるとともに、電力の充放電を行う二次電池４６から必要に応じて放電電力を放電させて、負荷４４や補機に電力を供給して消費させる。また、電力分配部４２は、制御部１８により制御されて、燃料電池スタック１２の発電電力を二次電池４６に供給して充電させる。二次電池４６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：バッテリ充電率）と温度とは、二次電池センサ４８により検出する。
【００２８】
図１，２に示した負荷４４としては、車両走行用の走行用モータがある。また、燃料電池システム１０の実際の負荷としては、燃料電池スタック１２および二次電池４６を昇温可能な加熱装置５０（図１）もある。また、補機としては、エアコンプレッサ１６の他、燃料電池スタック１２冷却用の冷却水を冷却水経路に循環させるための冷却水ポンプ、冷却水経路に設けたラジエータ冷却ファン、電力分配部４２に設けたインバータ、制御部１８等の燃料電池スタック１２を発電させるために必要な機器がある。
【００２９】
制御部１８は、燃料電池スタック１２の発電状態を制御するために、図示しないメモリに記憶させた制御プログラムを実行する。また、制御部１８は、負荷４４や補機に供給する電力を制御するように電力分配部４２を制御する。また、後述する暖機制御処理を行わない通常運転時には、バイパス流路２３に設けた流量制御弁２５を完全に閉じた状態とする。
【００３０】
また、制御部１８は、燃料電池システム１０の起動時等において、燃料電池システム１０を低温環境下で使用する場合に、暖機制御処理を実行する。暖機制御処理は、制御部１８が制御プログラムを実行することで、燃料電池スタック１２を発電させて自己発熱をさせるとともに、二次電池４６の充放電を複数回繰り返して二次電池４６を自己発熱させて、燃料電池スタック１２および二次電池４６を暖機する。これにより、燃料電池スタック１２および二次電池４６から負荷４４に安定した電力が供給可能となる。
【００３１】
すなわち、暖機制御処理では、制御部１８により、燃料電池スタック１２の発電電力を補機および二次電池４６に供給するように電力分配部４２を制御する第１処理と、燃料電池スタック１２の発電電力および二次電池４６の放電電力を補機に供給するように電力分配部４２を制御する第２処理とを交互に行うことにより、燃料電池スタック１２および二次電池４６を暖機する。このような暖機制御処理を行うために、制御部１８は、二次電池４６の充放電可能電力である、充電可能電力と放電可能電力とから燃料電池スタック１２の発電電力を演算する発電電力演算手段５２と、発電電力演算手段５２からの出力指令が表す燃料電池スタック１２の発電電力の演算値に基づいて、エアコンプレッサ１６の駆動状態を制御するエアコンプレッサ駆動制御手段２０とを備える。次に、上記の暖機制御処理を、図３を用いてより詳しく説明する。
【００３２】
図３は、燃料電池システム１０の起動時等において、燃料電池スタック１２と二次電池４６とを暖機する必要が生じた場合に、燃料電池スタック１２を発電させるとともに、二次電池４６の充電と放電とを繰り返す暖機制御処理を示すフローチャートである。なお、本実施の形態の特徴は、二次電池４６の充電と放電とを繰り返す際の、二次電池４６の放電時に、エアコンプレッサ１６から吐出された空気の排出経路を工夫した点にある。
【００３３】
先ず、図３のステップＳ１において、燃料電池スタック１２の発電可能電力を演算するとともに、ステップＳ２において、二次電池４６の放電可能量を演算する。この場合、制御部１８では、実験等により予め求めておいた燃料電池スタック１２の温度と発電可能電力との関係を表すマップのデータを記憶させておき、燃料電池スタック１２の検出温度から発電可能電力を求めることができる。また、燃料電池スタック１２の温度に対する電流と電圧との関係から、発電可能電力を演算することもできる。燃料電池スタック１２の温度は、直接検出する場合だけでなく、発電停止から長時間経過後は、検出した外気温を燃料電池スタック１２の温度として使用することもできる。
【００３４】
また、ステップＳ２で二次電池４６の放電可能量を演算する場合には、二次電池センサ４８により検出した二次電池４６の温度とＳＯＣとを使用して、二次電池４６の放電可能量を演算する。この場合、制御部１８では、実験等により予め求めておいた二次電池４６の温度およびＳＯＣと二次電池４６の放電可能量との関係を表すマップのデータを記憶させておき、二次電池４６の温度およびＳＯＣの検出値から放電可能量を求めることができる。また、二次電池４６の温度およびＳＯＣに対する電流と電圧との関係から、二次電池４６の放電可能量を演算することもできる。
【００３５】
次のステップＳ３では、制御部１８により、ステップＳ１で演算した燃料電池スタック１２の発電可能電力と所定値を比較し、ステップＳ２で演算した二次電池４６の放電可能量と別の所定値とを比較し、燃料電池スタック１２の発電可能電力が所定値よりも低く、かつ、二次電池４６の放電可能量が別の所定値よりも低い場合に、暖機モードが必要であると判定して、ステップＳ５以降の暖機モードである充電モードまたは放電モードに移行する。これに対して、ステップＳ３で暖機モードが必要でないと判定された場合には、ステップＳ４の通常運転モードに移行する。すなわち、走行用モータ等の負荷４４や加熱装置５０（図１）、アクチュエータ、各種センサ、制御部１８、エアコンプレッサ１６等の補機が要求する最大電力を、燃料電池スタック１２および二次電池４６が供給可能でないと判定された場合には、ステップＳ５以降の暖機モードに移行し、負荷４４や加熱装置５０および補機が要求する最大電力を燃料電池スタック１２および二次電池４６が供給可能であると判定された場合には、ステップＳ４の通常運転モードに移行する。
【００３６】
ステップＳ５では、制御部１８により、二次電池４６を充電させるかまたは放電させるかを決定する。このために、ステップＳ２で検出した二次電池４６のＳＯＣと予め設定しておいた基準値とを比較し、ＳＯＣが基準値よりも低い場合に、ステップＳ７からＳ１１の二次電池４６を充電させるモードである、充電モードに移行し、ＳＯＣが基準値以上である場合に、ステップＳ１２からＳ１６の二次電池４６を放電させるモードである、放電モードに移行する決定をする。そして、ステップＳ６ではこの決定に従って、充電モードまたは放電モードに移行する。
【００３７】
先ず、ステップＳ７からＳ１１の二次電池４６の充電モードに移行する場合について説明する。ステップＳ７では、制御部１８により、二次電池センサ４８からの検出信号に応じた温度およびＳＯＣに基づいて、二次電池４６が受け入れ可能な充電可能量を演算する。そして、ステップＳ８では、冷却水ポンプ等の補機の消費電力を、例えば冷却水ポンプの流量指令等から算出する。
【００３８】
次に、ステップＳ９では、制御部１８の発電電力演算手段５２により、燃料電池スタック１２の発電電力を演算する。すなわち、図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック１２の発電電力を、二次電池４６の充電可能電力と補機の消費電力との和として演算する。このためにステップＳ９では、ステップＳ７で演算した二次電池４６の充電可能電力である充電可能量を発電するのに必要な補機の消費電力を求め、二次電池４６の充電可能量と補機の消費電力の和を、燃料電池スタック１２の発電電力として演算する。また、燃料電池スタック１２の発電電力の演算値に応じて、燃料電池スタック１２に供給する空気の圧力および流量を求め、ステップＳ１０として空気の圧力および流量に対応するエアコンプレッサ１６の回転数を演算する。
【００３９】
なお、ステップＳ９では、ステップＳ１で求めた燃料電池スタック１２の発電可能電力を上回らないように、燃料電池スタック１２の発電電力の上限を設定する。また、燃料電池スタック１２の発電電力の演算値として、二次電池４６の充電可能量と補機の消費電力との和に、負荷４４に供給する電力を加えるようにすることもできる。また、エアコンプレッサ１６の消費電力は、制御部１８の制御プログラムの実行により、前回の暖機制御処理時に算出された値を使用してもよく、さらにはエアコンプレッサ１６の消費電力を測定する検出部を設けて、その検出値を使用することもできる。
【００４０】
そして、図３のステップＳ１１で、制御部１８により、ステップＳ７で求めた二次電池４６の充電可能量に相当する電力を二次電池４６に充電させるように電力分配部４２を制御して、二次電池４６に充電する第１処理を行う。この際、バイパス流路２３に設けた流量制御弁２５（図２）は完全に閉じた状態とする。このような充電モードが終了すると、再びステップＳ１に戻るが、ステップＳ５では充電完了により二次電池４６のＳＯＣが基準値以上となるため、ステップＳ１２以降の二次電池４６の放電モードに移行する。
【００４１】
次に、ステップＳ１２以降の二次電池４６の放電モードについて説明する。先ず、ステップＳ１２では、二次電池センサ４８の検出信号から二次電池４６の放電可能量を演算し、ステップＳ１３において、冷却水ポンプ等の補機の消費電力を、例えば冷却水ポンプの流量指令等から算出する。
【００４２】
次に、ステップＳ１４では、制御部１８の発電電力演算手段５２により、燃料電池スタック１２の発電電力を演算する。すなわち、図４（ｂ）に示すように、二次電池４６の放電可能量を上回る補機消費電力を設定し、補機消費電力から二次電池４６の放電可能量を引いた分を、燃料電池スタック１２の発電電力として演算する。また、燃料電池スタック１２の発電電力の演算値を得るために必要な、燃料電池スタック１２に供給する空気の圧力および流量を求め、図３のステップＳ１５として空気の圧力および流量に対応するエアコンプレッサ１６の回転数を演算する。
【００４３】
なお、ステップＳ１４では、燃料電池スタック１２の発電電力の演算値として、二次電池４６の充電可能量と補機の消費電力との和に、負荷４４に供給する電力を加えるようにすることもできる。また、燃料電池スタック１２の発電電力を演算する場合において、燃料電池スタック１２の発電量の下限値が設定されている場合に、制御部１８によりこの下限値を下回らないように発電量を決定することもできる。
【００４４】
そして、ステップＳ１６で、制御部１８により、ステップＳ１２で求めた二次電池４６の放電可能量に相当する電力を二次電池から放電させるように電力分配部４２を制御して、二次電池４６を放電させる第２処理を行う。この際、制御部１８のエアコンプレッサ駆動制御手段２０が、発電電力演算手段５２からの燃料電池スタック１２の発電電力の演算値を表す出力指令に基づいて、エアコンプレッサ１６の回転数を制御する。また、これに対応して、制御部１８は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給するための減圧弁２８を制御する。さらに、バイパス流路２３に設けた流量制御弁２５を開放して、エアコンプレッサ１６から吐出された空気の一部が燃料電池スタック１２の内部を通過せずに、バイパス流路２３を介して酸化ガス系排出流路２２から排出されるように、制御部１８により流量制御弁２５を制御する。なお、二次電池４６の放電電力と燃料電池スタック１２の発電電力とを、加熱装置５０、負荷４４に供給するように電力分配部４２を制御することもできる。
【００４５】
このような二次電池４６の放電モードが終了したならば、再びステップＳ１に戻り、ステップＳ５以降で、二次電池４６の暖機モードのうち充電モードに移行する。このようにして二次電池４６の充電と放電とを繰り返すことにより、二次電池４６と燃料電池スタック１２とが自己発熱により温度上昇する。温度上昇に伴って、二次電池４６の放電可能量および充電可能電力と燃料電池スタック１２の発電可能電力とが大きくなる。
【００４６】
また、制御部１８は、第１処理と第２処理とを繰り返す暖機制御処理の、二次電池４６を放電させる第２処理を行う際に、酸化ガス供給流路１４から分岐されたバイパス流路２３に設けた流量制御弁２５を制御することにより、エアコンプレッサ１６から吐出された空気の一部を、バイパス流路２３を介して外部に排出するようにするので、燃料電池スタック１２の内部を乾燥し過ぎることなく、エアコンプレッサ１６の回転数を十分に高くすることができる。エアコンプレッサ１６からは燃料電池スタック１２の発電電力に対応する空気量よりも多くの空気量を吐出するように、エアコンプレッサ１６の回転数を高くする。
【００４７】
すなわち、図５に示すように、従来の燃料電池システム１０において暖機制御処理を行う場合には、燃料電池車のアクセルオフ時等において、二次電池４６の放電先である補機の消費電力が二次電池４６の放電可能量を下回る可能性がある（図５の（イ））。これに対して、本発明の実施の形態の場合には、エアコンプレッサ１６の回転数を十分に高くできるため、燃料電池車のアクセルオフ時等においても、補機の消費電力を二次電池４６の放電可能量よりも大きくすることができる（図５の（ロ））。この場合、補機の消費電力が二次電池４６の放電可能量を上回った分の電力は、燃料電池スタック１２の発電量により補うことができる。このようにエアコンプレッサ１６の回転数を高くできるため、二次電池４６を放電させる第２処理を行う場合の二次電池４６の放電先の消費電力を大きくして、二次電池４６の放電量を大きくできる。このため、第１処理と第２処理との繰り返しにより、二次電池４６を所定の温度に早く昇温させることができる。
【００４８】
例えば、燃料電池車でアクセルをオフしている場合、例えば、燃料電池車のアイドリング時、下り坂等でのアクセルペダルを踏み込まない走行時等の場合で、走行用モータの消費電力が０か、または少ない場合でも、放電先の消費電力を十分に大きくして、二次電池４６を早く昇温させることができる。
【００４９】
また、燃料電池スタック１２の内部には過度の量の空気が供給されることを防止できる。すなわち、燃料電池スタック１２のアノード側に送る水素量に対して、電池反応を起こさせるのに最適な酸素の量を１として、最適な酸素量に対する実際の酸素量の比である、カソードストイキを目標値に維持することができる。このため、燃料電池スタック１２の発電性能及び耐久性を確保できる。
【００５０】
また、燃料電池スタック１２から排出された空気オフガスを排出するための酸化ガス系排出流路２２を備え、バイパス流路２３のガスの下流側を酸化ガス系排出流路２２に接続しているため、バイパス流路２３の長さを短くするとともに、空気および空気オフガスを外部に排出する排出流路の端を１個に集中させることができ、コストの低減を図れる。なお、バイパス流路２３に流量制御弁２５を設けることなく、または流量制御弁２５を設けたままで、酸化ガス供給流路１４のバイパス流路２３の接続部よりもガスの下流側である、図２の点Ａ位置に図示しない流量制御弁を設け、第２処理を行う際に、この流量制御弁を制御部１８により制御することにより、エアコンプレッサ１６から吐出された空気の一部を、燃料電池スタック１２を通過させることなく、バイパス流路２３を介して排出することもできる。
【００５１】
また、図３のステップＳ３の後で、ステップＳ５の前に、二次電池４６のＳＯＣが予め定めた所定値よりも低いか否かを判定し、低いと判定された場合にステップＳ７からステップＳ１１と同様の二次電池４６を充電させる充電モードに移行することもできる。
【００５２】
［第２の発明の実施の形態］
次に、図６は、本発明に係る第２の実施の形態において、暖機制御処理を行う場合のフローチャートを示している。なお、本実施の形態において燃料電池システムの基本構成は上記の第１の実施の形態と同様であるため、図１，２と同等部分に関するものには同一符号を付して説明する。本実施の形態の場合、所定時間経過毎に燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上か否かを判定する。すなわち、ステップＳ１では、制御部１８（図１、図２）が、温度センサ４０（図２）からの検出信号を読み込んで燃料電池スタック１２の温度を検出し、燃料電池スタック１２の温度が予め決定された所定温度以上か否かを判定する。
【００５３】
ステップＳ１において、燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上であると判定された場合には、燃料電池スタック１２および二次電池４６を暖機する必要がないので、ステップＳ２の通常運転モードに移行して暖機制御処理を終了する。これに対して、燃料電池スタック１２の温度が所定温度未満であると判定された場合には、ステップＳ３に移る。
【００５４】
ステップＳ３では、制御部１８が、二次電池センサ４８（図２）からの検出信号を読み込んで、二次電池４６の状態である、二次電池４６の温度およびＳＯＣを検出する。次いで、図３のステップＳ４で、制御部１８の発電電力演算手段５２（図２）が、二次電池４６の温度およびＳＯＣの検出値から、二次電池４６の充放電電力である、充電可能量および放電可能量を演算する。
【００５５】
次いで、図６のステップＳ５で、制御部１８が起動用補機消費電力基本値Ａ１（図７参照）を演算する。起動用補機消費電力基本値Ａ１は、ステップＳ４で求めた二次電池４６の充電可能量に相当する電力を、燃料電池スタック１２で発電させるために必要となる補機の消費電力であり、例えば、充電可能電力相当電力と補機の消費電力との関係を表すマップのデータを使用して起動用補機消費電力Ａ１を演算する。
【００５６】
次に、ステップＳ６において、制御部１８が、ステップＳ５で演算した起動用補機消費電力基本値Ａ１よりも補機であるエアコンプレッサ１６の消費電力を増加させた起動用補機消費電力補正値Ａ１’（図７参照）を演算する。
【００５７】
次に、図６のステップＳ７で、制御部が、ステップＳ５で演算した起動用補機消費電力基本値Ａ１と、ステップＳ４で演算した二次電池４６の充放電可能量である充電可能電力とから、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２（図７参照）と、当該取り出し電力の最大値Ａ２を継続して取り出す継続時間ｔ１（図７参照）と、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の、起動用補機消費電力補正値Ａ１´以下の最小値Ａ３（図７参照）と、取り出し電力の最大値Ａ２を取り出す時間間隔ｔ２（図７参照）とを演算する。すなわち、図６のステップＳ５で演算された起動用補機消費電力基本値Ａ１と、ステップＳ４で演算された二次電池４６の充電可能電力との和が、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２となる。
【００５８】
そして、ステップＳ８で、燃料電池スタック１２から取り出し電力最大値Ａ２で電力を取り出してからの経過時間が継続時間ｔ１未満である場合には、ステップＳ９で、燃料電池スタック１２から最大値Ａ２で電力を取り出し続けて、燃料電池スタック１２の発電電力を二次電池４６に供給し、二次電池４６を充電する第１の処理を行うように、制御部１８により電力分配部４２を制御する。また、ステップＳ８において、燃料電池スタック１２から取り出し電力最大値Ａ２で電力を取り出してからの経過時間が継続時間ｔ１に達すると、ステップＳ１０に移る。
【００５９】
ステップＳ１０では、燃料電池スタック１２から最小値Ａ３で電力を取り出してからの経過時間が時間間隔ｔ２未満であることを条件に、ステップＳ１１で、燃料電池スタック１２から最小値Ａ３で電力を取り出し続けるとともに、二次電池４６を放電させる第２の処理を行うように、制御部１８により電力分配部４２を制御する。特に、この第２の処理を行う際には、二次電池４６の放電可能量を放電できるように、燃料電池スタック１２の発電電力Ａ３と二次電池４６の放電量との和である起動用補機消費電力補正値Ａ１’を大きくしている。
【００６０】
また、ステップＳ１０で、燃料電池スタック１２から最小値Ａ３で電力を取り出してからの経過時間が時間間隔ｔ２に達したと判定されると、ステップＳ１２で、燃料電池スタック１２から最大値Ａ２で電力を取り出し続ける第１の処理を行うように、制御部１８により電力分配部４２を制御する。
【００６１】
このような暖機制御処理において、燃料電池スタック１２を発電させ、二次電池４６の充電と放電とを繰り返すことにより、燃料電池スタック１２と二次電池４６との温度が徐々に上昇し、燃料電池スタック１２および二次電池４６が暖機される。二次電池４６の温度上昇に伴って図７（ｂ）に示すように、二次電池４６の充電可能電力と放電可能電力とが大きくなるため、図７（ａ）に示すように、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２が上昇する。
【００６２】
このような本実施の形態の場合も、制御部１８は、第２処理を行う際に、バイパス流路２３に設けた流量制御弁２５（図２参照）を制御することにより、エアコンプレッサ１６から吐出された空気の一部を、バイパス流路２３を介して外部に排出するようにするので、燃料電池スタック１２の発電性能と耐久性とを確保しつつ、二次電池４６を所定の温度に早く昇温させることができる。
その他の構成および作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する説明は省略する。
【００６３】
また、上記の各実施の形態において、制御部１８により、二次電池４６への充電と二次電池４６からの放電とを繰り返す制御の他に、燃料電池スタック１２の発電電力や二次電池４６の放電電力の一方または両方を加熱装置５０（図１）に供給し、加熱装置５０による発熱により燃料電池スタック１２および二次電池４６の暖機を促進する制御を行うようにすることもできる。
【００６４】
また、上記の各実施の形態においては、燃料電池システム１０の起動時に暖機制御処理を行う場合だけでなく、例えば、燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車の走行時、アイドリング時等において、燃料電池スタック１２の温度が所定温度以下になる等、燃料電池システム１０の起動時以外で燃料電池システム１０が低温環境下にある場合にも暖機制御処理を行うことができる。本発明は、このような暖機制御処理を行う場合にも適用できる。また、暖機制御処理時の第２処理を行う際に、燃料電池スタック１２を発電させずに、二次電池４６の放電により生じた電力のみを補機と負荷４４（図１，２参照）との少なくともいずれかに供給するようにすることにより、二次電池４６を暖機する構成において、本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の構成をより詳しく示す構成図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態の燃料電池システムで行う暖機制御処理を示すフローチャートである。
【図４】二次電池を充電する場合と放電させる場合とで、燃料電池スタックの発電電力と二次電池の充放電可能電力と補機消費電力との関係を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の効果として、従来の場合よりも二次電池の放電先の消費電力を大きくして、二次電池の放電可能量以上とできることを説明するための図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態の燃料電池システムで行う暖機制御処理を示すフローチャートである。
【図７】第２の実施の形態において、燃料電池スタックの発電電力と二次電池の充放電電力との時間的変化を示す図である。
【図８】従来から考えられている燃料電池システムを搭載した燃料電池車で、暖機制御処理を行う場合の、二次電池の放電量と放電先の消費電力との関係の１例を、（ａ）はアクセルをオンしている場合で、（ｂ）はアクセルをオフしている場合で、それぞれ示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１０  燃料電池システム、１２  燃料電池スタック、１４  酸化ガス供給流路、１６  エアコンプレッサ、１８  制御部、２０  エアコンプレッサ駆動制御手段、２２  酸化ガス系排出流路、２３  バイパス流路、２４  燃料ガス供給流路、２５  流量制御弁、２６  水素ガス供給装置、２８  減圧弁、３０  アクチュエータ、３２  燃料ガス系循環経路、３４  燃料ガス系排出流路、３５  パージ弁、３６  電流センサ、３８  電圧センサ、４０  温度センサ、４２  電力分配部、４４  負荷、４６  二次電池、４８  二次電池センサ、５０  加熱装置、５２  発電電力演算手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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