(57)【要約】【課題】燃料電池システムの低温からの起動性を改善する。【解決手段】燃料電池１と、蓄電池１５と、燃料電池１を加熱昇温させるために電力を消費し、かつ加熱量が供給電力量特性によって変動する加熱手段８、９、１０を備え、システムの低温からの起動時に加熱手段によって少なくとも燃料電池１を加熱するようにした燃料電池システムである。そして、蓄電池１５の放電可能量を検出する蓄電池残量検出手段１７と、前記システムの起動時に加熱手段８、９、１０に供給する電力量を蓄電池残量の検出値に応じて変更する制御手段１８を備える。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、
燃料電池で発電した電力を一時的に蓄える蓄電池と、
燃料電池を加熱昇温させるために電力を消費し、かつ加熱量が供給電力量特性によって変動する加熱手段と、を備え、
システムの低温からの起動時に前記加熱手段によって少なくとも燃料電池を加熱するようにした燃料電池システムにおいて、
前記蓄電池の放電可能量を検出する蓄電池残量検出手段と、
前記システムの起動時に加熱手段に供給する電力量を蓄電池残量の検出値に応じて変更する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池と、
燃料電池で発電した電力を一時的に蓄える蓄電池と、
燃料電池を加熱昇温させるために電力を消費し、かつ加熱量が供給電力量特性によって変動する加熱手段と、を備え、
システムの低温からの起動時に前記加熱手段によって少なくとも燃料電池を加熱するようにした燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を含むシステム内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
前記システムの起動時に加熱手段に供給する電力量を燃料電池温度の検出値に応じて変更する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
燃料電池と、
燃料電池で発電した電力を一時的に蓄える蓄電池と、
燃料電池を加熱昇温させるために電力を消費し、かつ加熱量が供給電力量特性によって変動する加熱手段と、を備え、
システムの低温からの起動時に前記加熱手段によって少なくとも燃料電池を加熱するようにした燃料電池システムにおいて、
前記蓄電池の放電可能量を検出する蓄電池残量検出手段と、
前記燃料電池を含むシステム内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、
前記システムの起動
時に加熱手段に供給する電力量を蓄電池残量の検出値と燃料電池温度の検出値とに応じて変更する制御手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記システムの起動時に前記加熱手段以外の消費電力量を検出する手段と、
加熱手段の作動終了までの前記消費電力の総量を予測する手段と、をさらに備え、
前記制御手段は、前記加熱手段に供給する電力の変更量を、前記消費電力の予測総量に基づいて再変更する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記制御手段は、前記検出された蓄電池残量から前記予測総量を減じた結果に基づいて前記加熱手段に供給する電力変更量を再変更する請求項４に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記制御手段は、前記検出された蓄電池残量が少ない場合は、加熱手段に供給する電力量を少なくなるように補正する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記制御手段は、前記検出された燃料電池温度が低い場合は、加熱手段に供給する電力量を少なくなるように補正する請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記制御手段は、前記検出された蓄電池残量が少ない場合、加熱手段に供給する電力量を少なくなるように補正し、燃料電池温度が低い場合は、前記加熱手段に供給する電力量をさらに少なくなるように補正する請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記制御手段は、加熱手段へ供給する電力量が所定の設定値を下回る場合、前記供給電力の補正を中止する請求項６〜８のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記蓄電池の温度を検出する手段を備え、
前記制御手段は、検出された蓄電池の温度が低温の場合、蓄電池残量検出値を残量が少ない側へ補正することを特徴とする請求項１、３、６、または８に記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記加熱手段は電力の供給により作動する空気供給装置を含んでいる請求項１〜１０のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記請求項１〜３のいずれか一つの燃料電池システムを駆動源として備えた車両において、
前記加熱手段は、前記燃料電池に加熱した低沸点流体を循環させるように構成され、かつこの低沸点流体を熱媒体とする車室暖房手段を備え、
前記制御手段は、システムの起動時に加熱手段に供給する電力の変更量を前記車室暖房手段の作動に基づいて再変更することを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は低温からの起動時に燃料電池の加熱を行う燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、低温からの燃料電池システムを起動させる方法として、特開平１０−５５８１２号や特開平１０−７４５３２号に開示されたものがある。
【０００３】
固体高分子電解質膜を用いた燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、その膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。そのため、空気あるいは燃料ガスを加湿し、燃料電池に供給している。
【０００４】
しかしながら、燃料電池システムを極低温下で使用する場合、燃料電池システムを停止している間に、加湿用の水が凍結してしまう場合がある。この凍結を解除するために、特開平１０−５５８１２号では、燃焼電池に沸点の融点の低い流体を流通させ、水の凍結が判断されるときには、融点の低い流体を熱交換器などで加熱して燃料電池へ供給することで、燃料電池の内部を解凍している。
【０００５】
また、特開平１０−７４５３２号では、外部の加湿装置に加熱した融点の低い流体を流通させ、加湿装置を暖めて凍結した水を解凍している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで前記加熱のためのエネルギとしては、電気ヒータの場合には大量の電力の供給が必要となり、あるいは燃料電池に供給する水素を利用するにしても、これを燃焼させるのに必要な空気を圧送するコンプレッサを蓄電池からの電力を供給して駆動する必要があり、いずれにしても電力の供給が要求される。
【０００７】
しかし、燃料電池が発電を行えない温度以下の低温状態では、加熱に必要な電力は全て蓄電池でまかなうこととなる。また、蓄電池は低温となるとその放電可能電力が低下する。従って、極低温条件でも常時迅速な起動性を確保しようとすると蓄電池は大きくなり、コスト的にもレイアウト的にも重量的にも不利な方向となる。さらに、蓄電池が満充電状態で燃料電池システムを停止していればよいが、そうでないときは、次回の起動に備えて所定の充電量となるまでシステムを停止させることができず、運転性や燃費の悪化をもたらす。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、燃料電池システムの低温からの起動性を改善することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池と、燃料電池で発電した電力を一時的に蓄える蓄電池と、燃料電池を加熱昇温させるために電力を消費し、かつ加熱量が供給電力量特性によって変動する加熱手段とを備え、システムの低温からの起動時に前記加熱手段によって少なくとも燃料電池を加熱するようにした燃料電池システムであり、さらに前記蓄電池の放電可能量を検出する蓄電池残量検出手段と、前記システムの起動時に加熱手段に供給する電力量を蓄電池残量の検出値に応じて変更する制御手段とを備えている。
【００１０】
また、前記燃料電池を含むシステム内の温度を検出する燃料電池温度検出手段と、前記システムの起動時に加熱手段に供給する電力量を燃料電池温度の検出値に応じて変更する制御手段と、を備えている。
【００１１】
【作用効果】
蓄電池の放電可能量が充分であれば効率よりも燃料電池システムの起動性を優先して早期加熱運転したり、蓄電池の放電可能量が低ければ低電力で加熱が可能な効率的に最適な運転状態を取ることができる。
【００１２】
また、燃料電池の温度に応じて最適な速度で加熱手段を運転できるため、最適な起動を行うことができる。
【００１３】
【実施形態】
図１に本発明の一実施形態を示す。
【００１４】
本実施形態は、カソードに水素ガスを供給するダイレクト水素型の燃料電池を用いたシステムを例示してある。
【００１５】
図中、１は燃料電池（以下、燃料電池本体ともいう）であり、例えば内部に固体高分子電解質膜を挟んで空気を流通させるカソード極と、水素を供給するアノード極が備えられる。５は水素タンクであり、水素は流量制御弁６、流路切替弁７を介してアノード極に導かれる。また、９は空気供給装置であり、空気が燃料電池本体１のカソード極に導かれる。燃料電池本体１は水素と空気（酸素）との供給に基づいて電気化学反応により発電する。
【００１６】
固体高分子電解質膜の加湿および凝縮水のトラップのため、燃料電池本体１の内部には、カソード極、アノード極と純水のやり取りが可能な構造の純水の循環系が備えられ、純水ポンプ３により、バッファタンク４からの純水を配管２を介して内部に循環させる。なお、発電反応に伴い生成された純水がバッファタンク４に還流され、これにより供給分を自動的に補うようになっている。もちろん、加湿は供給する空気や水素を、外部の加湿器により加湿するタイプのものであってもよい。
【００１７】
また、燃料電池本体１には燃料電池本体１の温度をコントロールする低融点の熱媒体（以下ＬＬＣと略す）を循環させる循環系を備えている。燃料電池本体１の温度が発電可能な温度よりも低いときなど、この暖めたＬＬＣを循環させることにより、燃料電池本体１の暖機を行う。なお、このＬＬＣは燃料電池本体１の通常の発電時には、発電に伴って発生する熱を排除するため、燃料電池本体１の冷却を行う。
【００１８】
１２はＬＬＣ配管であり、燃料電池本体１内のＬＬＣ流路と接続している。ＬＬＣ配管１２の途中にはポンプ２１と放熱用のラジエータ１４が介装され、ＬＬＣを循環させて、燃料電池本体１の発電時には、ＬＬＣが燃料電池本体１から回収した熱を外部に放出する。
【００１９】
また、ＬＬＣ流路切替弁１３が前記配管１２の途中に設けられ、このＬＬＣ流路切替弁１３から分岐する配管には、車室内ヒータ１９を経由して熱交換器１０が配置され、ＬＬＣ流路切替弁１３が切り替えられると、ラジエータ１４の上流から分岐して熱交換器１０を通過したＬＬＣはラジエータ１４をバイパスして、その下流側に導かれるように配管接続される。
【００２０】
なお、車室内ヒータ１９は、ファンを作動させるとＬＬＣの熱が空気へ伝達されて、その空気が車室内へ導かれて車室内を加温する構成となっている。
【００２１】
前記熱交換器１０に付設して燃焼器８が設けられる。この燃焼器８には、前記水素流路切替弁７によって、燃料電池本体１の温度が発電可能温度よりも低い場合には水素が導かれる。また、前記空気供給装置９から送られた空気は燃料電池本体１のカソード極へ導入された後、燃料電池本体１をでてから燃焼器８へ流入する。したがって燃料電池本体１の温度が発電可能温度よりも低い場合は、燃焼器８で水素と空気中の酸素が反応して熱が発生する。その熱を下流の熱交換器１０で燃焼ガスからＬＬＣへ伝達させた後、燃焼ガスは排出される。
【００２２】
１５は蓄電池であり、燃料電池本体１で発電したものの車両の運転に余剰となった電力や、減速時にエネルギ回生で得られた電力を一時的に蓄えておくために備えられる。
【００２３】
燃料電池本体１が発電可能な温度状態のときと、発電できない温度状態のときとで、ＬＬＣによる燃料電池本体１の冷却と加熱とを制御するためにコントローラ１８が備えられる。
【００２４】
コントローラ１８はマイクロプロセッサ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力インターフェースなどで構成され、このコントローラ１８には、燃料電池本体１の温度を検出する温度センサ１１、蓄電池１５の温度をモニタする蓄電池温度センサ１６、蓄電池１５の放電可能電力量を演算するためのＳＯＣ演算器１７、車室内ヒータ１９の作動を検出するスイッチ２２からの各検出信号が入力し、これらに基づいて、コントローラ１８は空気供給装置９、流量制御弁６，水素流路切替弁７、流路切替弁１３、ポンプ２１などの動作を制御するようになっている。
【００２５】
ここで、まず、コントローラ１８の機能を表すブロック図（図２）に基づいて説明する。
【００２６】
加熱運転実行手段１０１は、燃焼器８、熱交換器１０によるＬＬＣ加熱運転をするかしないかを判定する。通電量変更許可手段１０２は、加熱運転する場合に、空気供給装置９の通電量を変更するかしないかを判定する。なお、この空気供給装置９は、燃料電池を加熱昇温させるために電力を消費し、かつ加熱量が供給電力量特性によって変動する加熱手段を、燃焼器８、熱交換器１０などとともに構成している。
【００２７】
通電量を変更する場合は、通電量決定手段１０３が、蓄電池１５の放電可能量と燃料電池本体１の温度および車室内ヒータ１９の作動状態に基づいて空気供給装置１０へ供給する電力量を決定する。１０４は蓄電池１５の放電可能量の温度補正手段であり、前記電力量を決定するにあたり、そのときの蓄電池１５の温度によって蓄電池１５の前記放電可能量を補正する。したがって、空気供給装置９はこの補正された電力量に基づいて通電が制御される。
【００２８】
以下、図３から図６に示すフローチャートにしたがってコントローラ１８の実行する制御内容についてさらに詳しく説明する。
【００２９】
まず、図３は加熱運転の実行判断機能を表すフローチャートで、このルーチンは、所定の周期（１秒間隔）で繰り返される。
【００３０】
ステップＳ１では、燃料電池本体１の温度ＴＳＴＫを温度センサ１１から読み込む。ステップＳ２で読み込んだＴＳＴＫが、燃料電池本体１が発電可能な最低温度に相当する所定温度（ＳＬＴＳＴＫ）未満であるか否かを判定する。所定温度未満であれば燃焼器８に水素と空気を供給して、ＬＬＣを加熱する加熱運転を実行することを決定し、フラグＦＴＥＭＰ＝１とする。しかし、所定温度以上であれば加熱運転を実行しないと判定し、フラグＦＴＥＭＰ＝０とし、燃焼器８への水素の供給を停止して本フローを終了する。
【００３１】
したがって、本フローを定期的に実行していることで、加熱運転により温度が上昇して所定温度以上となった時には自動的に加熱運転を中止する制御が可能となる。なお、この場合、燃料電池本体１の温度に基づいて判定を行っているが、たとえばＬＬＣの温度や、また、ＬＬＣで燃料電池本体１の外部、例えば純水のバッファタンク４を加熱する構成となっていれば、バッファタンク内の純水の温度を用いて制御を行うことも可能であり、要は実際の構成に応じて、最適な温度を選べばよい。
【００３２】
次に、図４は蓄電池１５の放電可能量の温度補正手段としての機能を表すフローチャートである。
【００３３】
ステップＳ１１で、ＳＯＣ演算器１７からの蓄電池放電可能量の計測値ＳＯＣおよび温度センサ１６からの蓄電池１５の温度ＴＢＡＴを読み込む。
【００３４】
ステップＳ１２で蓄電池温度と放電可能量低下率の関係を表すテーブルより、蓄電池温度ＴＢＡＴに応じた修正係数ＣＴＥＭＰを設定する。これは０以上１以下の係数で、蓄電池温度ＴＢＡＴが高くなるほど増大する。その後ステップＳ１３で、蓄電池１５の放電可能量修正値ＣＳＯＣを、
ＣＳＯＣ＝ＳＯＣ×ＣＴＥＭＰ
として算出する。
【００３５】
したがって、放電可能量の修正値ＣＳＯＣは温度に応じて変化し、低温時には放電可能量が小さくなる。このフローにより、低温時にも正確な蓄電池放電可能量を検知することが可能となる。
【００３６】
図５は通電量変更許可手段としての機能を表すフローチャートである。
【００３７】
ステップＳ２１で車室内ヒータ１９が使用されている（ＦＨＥＡＴ＝１）か未使用（ＦＨＥＡＴ＝０）かを示すヒータスイッチフラグＦＨＥＡＴと、加熱運転フラグＦＴＥＭＰを読み込む。
【００３８】
ステップＳ２２とＳ２３では、ＦＨＥＡＴがＦＨＯＬＤと異なるかどうかを判定している。なお、後述するように、ＦＨＯＬＤの初期値を１としておくと、システムの運転開始直後に車室内ヒータ１９がＯＮされてもＦＨＥＡＴ＝ＦＨＯＬＤ＝１となり、通電量変更が許可されない誤動作が起こる可能性があるのでＦＨＯＬＤの初期値は０としておく。
【００３９】
ステップＳ２２およびＳ２３で、ＦＨＥＡＴが反転したか、すなわち車室内ヒータ１９のスイッチがＯＮからＯＦＦ、もしくはＯＦＦからＯＮへ変更されたか否かを、ＦＨＥＡＴとＦＨＯＬＤの値が互いに異なっているかどうかにより、判定している。
【００４０】
ステップＳ２２とＳ２３で、車室内ヒータ１９のスイッチがＯＮからＯＦＦもしくはＯＦＦからＯＮへ変更された場合は、ステップＳ２４で、空気供給装置９への通電量変更許可フラグＦＰＷＲを、ＦＰＷＲ＝１として空気供給装置９への通電量変更を許可する。また、ＦＨＯＬＤ＝ＦＨＥＡＴとする。
【００４１】
すなわち、加熱運転中に車室内ヒータ１９のスイッチがＯＮ／ＯＦＦされた場合は、燃料電池本体１へ与える熱量が車室内の加熱に使用されるため燃料電池本体１へ供給される熱量が少なくなること、および、車室内ヒータ用のブロアを運転するために蓄電池１５の電力が使用されるため空気供給装置９への通電量を最適化する必要が生じたと判断するのである。
【００４２】
ステップＳ２５では加熱運転フラグＦＴＥＭＰが１（加熱運転許可）で、かつ、ステップＳ２７で設定される、前回に本フロー実行時の加熱運転フラグＦＴＯＬＤが０か否かを判定する。すなわち加熱運転不許可状態から許可状態へと変わった場合のみ、ステップＳ２６に進んで、通電量変更許可フラグＦＰＷＲを１として空気供給装置９への通電量変更を許可する。
【００４３】
ここでＦＴＯＬＤの初期値もＦＨＯＬＤと同様０としておくと、誤動作なく本システム運転開始後、燃料電池本体１の加熱が必要と判断された場合および本システム運転中に燃料電池温度が所定値以下となり加熱運転が必要と判断された場合にのみ通電量の変更が許可される。
【００４４】
ステップ２７でＦＴＯＬＤ＝ＦＴＥＭＰとする。
【００４５】
図６は通電量決定手段の機能を表すフローチャートである。
【００４６】
ステップＳ３１で通電量変更が許可されているか（ＦＰＷＲ＝１）否か（ＦＰＷＲ＝０）を判定し、不許可であればただちに本フローを終了し、許可されていればステップＳ３２で、蓄電池放電可能量修正値ＣＳＯＣ，燃料電池本体温度ＴＳＴＫおよびヒータスイッチフラグＦＨＥＡＴを読み込む。
【００４７】
ステップＳ３３で、車室内ヒータ１９がＯＮ状態（ＦＨＥＡＴ＝１）であればステップＳ３５で、ＯＦＦ状態（ＦＨＥＡＴ＝０）であればステップＳ３４で、それぞれ蓄電池放電可能量修正値ＣＳＯＣに応じた空気供給装置９への通電量ＰＷＲをテーブル値に基づいて設定する。
【００４８】
前記蓄電池放電可能量修正値ＣＳＯＣに対する通電量ＰＷＲは、車室内ヒータ１９がＯＦＦのときほど余裕があるため、相対的に大きな値となる。
【００４９】
なお、ステップＳ３４，Ｓ３５では、それぞれのテーブルの横軸は蓄電池放電可能量修正値ＣＳＯＣを所定値ＳＲ（１よりも大きい値）で除したものとしている。蓄電池１５の放電可能量の全てを費やして起動していると、例えば完全起動せずに蓄電池１５の放電可能量が回復しないまま停止させられた場合などは次回の起動のための電力がなくなってしまう。また、蓄電池放電可能量修正値ＣＳＯＣはいくら補正されているといっても誤差を含んでいる場合もあり、ＣＳＯＣをすべて使用できるとしないほうが安全である。
【００５０】
このような観点より横軸はＣＳＯＣを所定値ＳＲで除した値とした。例えばＳＲ＝２とすると、ＣＳＯＣの約半分の電力で起動することになる。また、各テーブルの３本のラインは、燃料電池温度ＴＳＴＫに応じたラインとなっており、低温の場合は傾きの小さいラインで、高温となるに従って傾きが大きくなるラインとなる。温度が高ければ燃料電池を加熱する熱量は少なくてすむので同じ蓄電池放電可能量修正値ＣＳＯＣであれば空気供給装置９へ供給する電力を大きくして早く起動する。また、車室内ヒータＯＮの場合はＯＦＦの場合と比べて各ラインの傾きが小さくなる。車室内ヒータＯＮの場合は燃料電池本体１の昇温のための熱を車室内ヒータ１９に奪われるために加熱効率が悪化するのと、車室内ヒータ１９のブロアが運転されるため蓄電池１５の電力がそちらへ奪われ使用できる電力が低下するため、同じＣＳＯＣの場合は長い時間をかけて配管圧損の少ない高効率運転を実施するのである。
【００５１】
そしてステップＳ３６で、通電量ＰＷＲが所定値ＳＬＰＷＲ以上であるかを判定し、ＳＬＰＷＲ未満であればステップＳ３７に進んで、ＰＷＲ＝ＳＬＰＷＲとしてＰＷＲが所定値ＳＬＰＷＲ未満となることを防止する。
【００５２】
これは、ブロアなどの空気供給装置９は極低回転では効率が非常に悪くなり、いくら圧力損失が低くても単位供給電力あたりの送風量が低下するため、供給電力量は最高効率点以下とならないようにリミッタをかけた。すなわち所定値ＳＬＰＷＲは最大効率点に相当する値である。
【００５３】
この後、ステップＳ３８で通電量変更許可フラグＦＰＷＲ＝０（不許可）として本フローを終了する。以上のフローを実施することで、加熱運転が必要となった場合や車室内ヒータが作動もしくは停止された場合に、蓄電池残量とそのときの燃料電池温度に応じた始動が可能となるため、蓄電池を必要以上に大型化する必要もなく、最速かつ確実な起動性が確保できる。
【００５４】
以上のことから明らかなように、本実施形態によれば次の効果を生じる。
【００５５】
一つは、燃料電池システムの温度を昇温させる加熱手段（燃焼器、熱交換器、空気供給装置などで構成される）を有し、加熱手段は少なくともその一部に電力を用いておりかつ、単位消費電力あたりの加熱量が供給する電力量に比例しない特性を有しているものにおいて、燃料電池の運転可能温度以下から燃料電池を起動する場合、加熱手段に供給する電力量を、蓄電池残量検出手段の検出結果に応じて変更する構成としている。例えば、空気を燃焼器へ供給する空気供給装置は空気の圧力、流量等で効率が異なるのが一般的であり、当然効率の良い条件では消費電力に対する空気供給量の割合が大きくなり、結果として消費電力を低く抑えた状態で燃焼器の発熱量を大きくすることができる。一方急速な起動という観点からは単位電力消費に対する加熱量は小さくなるが、大量の空気と燃料を燃焼器に送り込むことが有利である。したがって効率的な加熱のための空気流量と迅速な昇温のための空気流量は異なることとなる。以上より本構成をとれば蓄電池の放電可能量が充分であれば効率よりも起動性を優先して早期加熱運転でき、蓄電池の放電可能量が低ければ低電力で加熱が可能な効率的に最適な運転状態を取ることができるため、言い換えれば、蓄電池の放電可能量に最適な速度で加熱手段を運転できるため、大きな蓄電池を搭載しなくても確実に起動ができ、コスト、重量と良好なレイアウト性、起動性が両立できる。
【００５６】
次には、燃料電池の運転可能温度以下から燃料電池を起動する場合、加熱手段に供給する電力量を、燃料電池温度検出手段の検出結果に応じて変更する構成としている。燃料電池本体の温度が低ければ燃料電池が発電可能となる温度となるまでに必要な加熱量は大きく、すなわち電力がたくさん必要である一方、燃料電池の温度が比較的高ければ必要な電力量は少なくてすむ。どのような燃料電池温度でも同じような加熱量で燃料電池を暖機していると、燃料電池温度が比較的低い場合は、燃料電池が発電可能温度となる前に蓄電池の放電可能量がなくなってしまう場合や、燃料電池温度が比較的高い場合は蓄電池放電可能量は充分であるのに、必要以上に時間をかけてしまう場合がある。しかし、上記の構成によれば、燃料電池温度に応じて最適な速度で加熱手段を運転できるため、常に最適な起動を行うことができる。
【００５７】
さらには、燃料電池の運転可能温度以下から燃料電池を起動する場合、加熱手段に供給する電力量を、蓄電池残量検出手段の検出結果に応じてかつ、燃料電池温度検出手段の検出結果に応じて変更する構成としている。この場合には、上記した２つの構成による効果を併せ持つことが可能となる。燃料電池温度が低く、かつ蓄電池放電可能量が少ない場合は、加熱手段の作動を効率最重視運転とし、燃料電池温度が比較的高くかつ蓄電池放電可能量が充分である場合は、加熱手段の作動を加熱速度最重視運転とすることが可能となる。すなわち蓄電池放電可能量と燃料電池の温度に応じて最適な速度で加熱手段を作動できるため、常に最良な起動性が確保できる。
【００５８】
さらには、加熱手段の作動中に、蓄電池から加熱手段以外にも電力を供給する必要が生じた場合、加熱運転終了までに加熱手段以外に供給する総電力量を予測し、蓄電池残量検出手段の検出結果から前記総電力量を減じた結果および燃料電池温度検出手段の検出結果に基づいて加熱手段に供給する電力量を再変更する構成としている。実際の車両の運転を考えると、燃料電池が運転不可能な低温状態で加熱手段を運転している途中で、運転者が暖房のためのファンを作動させたりガラスの曇りを除去する熱線に通電させたりする場合がある。そのような場合蓄電池の放電可能量が減少するにもかかわらず加熱手段へ通電する電力量は加熱手段運転前に決定していると、修正が入らずに使用されるため、最悪の場合燃料電池を運転可能な温度まで上昇させる前に蓄電池の電力を使いきってしまう場合もある。しかし、加熱手段以外に電力が使用された場合は、燃料電池が運転可能な温度となるまでに加熱手段以外に使用される総電力量を予測し、その予測された電力量をあらかじめ蓄電池放電可能量から差し引いた値を蓄電池放電可能量として再度加熱手段へ供給する電力量を決定するため、このような問題を回避することが可能となる。
【００５９】
さらには、燃料電池に低融点流体を流通させ、加熱手段は低沸点流体を加熱することで燃料電池本体を間接的に加熱するものにおいて、低沸点流体で空気を加熱して車室内を加温する車室暖房手段を備え、加熱手段運転中に車室内暖房手段が使用された場合、燃料電池システムの加熱効率低下分と蓄電池残量検出手段の検出結果と、燃料電池温度検出手段の検出結果に基づいて加熱手段に供給する電力量を再変更する構成としている。燃料電池が運転不可能な低温状態で加熱手段を運転している途中で、運転者が車室暖房手段を作動させる場合がある。この場合、燃料電池の加熱効率が低下する場合があるにもかかわらず、加熱手段へ通電する電力量は加熱手段運転前に決定したままだと、効率下分の修正が入らずに使用されるため、最悪の場合燃料電池を運転可能な温度まで上昇させる前に蓄電池の電力を使いきってしまうこともあるが、本構成をとれば、加熱手段の発生熱を燃料電池の加熱以外にも使用する場合は、加熱効率低下分を考慮して再度加熱手段へ供給する電力量を決定するため、このような問題を回避することが可能となる。
【００６０】
さらには、蓄電池の残量が少ない場合、もしくは、燃料電池温度が低い場合は、加熱手段に供給する電力量を少なく設定する構成としている。単位電力使用量あたりの燃料電池加熱量は前述した通りモータを含めた空気供給装置の効率や熱交換器の効率など各部の効率によって左右され、空気供給配管や燃焼器、熱交換器などの圧力損失は大きく影響する要因の一つとして挙げられる。燃焼器専用の空気供給装置を設ければ圧力損失の影響度合いを少なくすることも可能だが、コスト低減やレイアウト性向上、重量低減の観点から燃料電池に空気を供給するための装置を流用しようとすると配管が長くなったり、多数のバルブ類が介在したり、燃料電池を通ったりと、圧力損失を生む要素が増加し、もっとも大きく影響する要因となる。圧力損失は基本的に流量の略自乗で増大する。従って燃焼器へ送る単位時間あたりの空気量を半分として起動にかける時間を倍とすると、圧力損失は約１／４となり、時間は２倍のため空気供給装置の効率など他の効率を便宜上無視して考えると、燃料電池の温度を所定温度まで昇温するのに必要な仕事量すなわち電力消費量を約半分とすることが可能となる。従って上述した効果を大きく得ることが可能となる。
【００６１】
さらには、加熱手段へ供給する電力量が所定量を下回る場合、加熱手段へ供給する電力量を前記所定量へ再設定する構成とした。コンプレッサなどの電力で作動する空気供給装置では、極低回転では効率が非常に悪くなる。従って、本構成により所定回転以下では運転しないような対策を行うと効率悪化を招くことのない良好な加熱運転が可能となる。
【００６２】
さらには、蓄電池の温度が低温の場合、蓄電池残量検出手段の検出結果を残量が少ない側へ補正する構成としている。たとえば電池の放電可能量を電流の積算値として検知する場合、温度の低下や劣化に応じた放電可能量の変化は検知できない。しかし、本構成をとれば少なくとも低温起動時に重要となる低温での放電可能量を正確に把握できるため、上述した効果をさらに的確に得られることとなる。
【００６３】
本発明は以上の実施形態に限定されるわけではなく、その技術的思想の範囲内でなしうるさまざまな変更、改良が含まれることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のシステム構成図である。
【図２】同じくその制御ブロック図である。
【図３】加熱運転実行判断機能を示すフローチャートである。
【図４】放電可能量の温度補正機能を示すフローチャートである。
【図５】通電量変更許可機能を示すフローチャートである。
【図６】通電量決定機能を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１　燃料電池本体（燃料電池）
８　燃焼器（加熱手段）
９　空気供給装置（加熱手段）
１０　熱交換器（加熱手段）
１１　温度センサ（燃料電池温度検出手段）
１４　ラジエータ
１５　蓄電池
１６　蓄電池温度センサ（蓄電池温度検出手段）
１７　ＳＯＣ演算器（蓄電池残量検出手段）
１８　コントローラ（制御手段）
１９　車室内ヒータ（車室暖房手段）
【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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