(57)【要約】【課題】停止時の消費エネルギーの少ない燃料電池システムを提供する。【解決手段】発電源としての燃料電池１と、この燃料電池の運転を制御するコントローラ１２とを備え、コントローラ１２は、燃料電池システムの停止時から再起動時までに消費する消費エネルギーを、停止期間中に燃料電池を所定温度に維持する場合に必要な保温エネルギーと、再起動時に燃料電池を所定温度まで加熱するために必要な起動エネルギーとに分けて演算し、それぞれのエネルギーの小さい方となるように制御する燃料電池システムにおいて、前記コントローラ１２は、起動時以前の外気温に基づいて起動エネルギーの演算を行う。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電源としての燃料電池と、
この燃料電池の運転を制御するコントローラとを備え、
コントローラは、燃料電池システムの停止時から再起動時までに消費する消費エネルギーを、停止期間中に燃料電池を所定温度に維持する場合に必要な保温エネルギーと、再起動時に燃料電池を所定温度まで加熱するために必要な起動エネルギーとに分けて演算し、それぞれのエネルギーの小さい方となるように制御する燃料電池システムにおいて、
前記コントローラは、起動時以前の外気温に基づいて起動エネルギーの演算を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記コントローラは、前記消費エネルギーの演算を外気温が氷点下となる場合に行う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】
前記燃料電池を維持する所定温度は、燃料電池システム内の水分が凍結しない温度であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
外気温を検出する温度検出手段を備え、
前記コントローラは、温度検出手段が検出した起動時前日の外気温に基づき起動エネルギーを演算することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記コントローラは、起動日時と同日の過去の外気温のうち少なくとも前年の外気温を記憶し、この過去の外気温に基づき起動エネルギーを演算することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記コントローラは、過去の起動エネルギーとその時の外気温に基づき起動エネルギーを演算することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
外気温を検出する温度検出手段を備え、
前記コントローラは、温度検出手段が所定時間毎に検出した外気温に基づき保温エネルギーを演算することを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
燃料電池に供給される燃料量を検出する燃料量検出手段を備え、
前記コントローラは、燃料電池システム停止中の所定時期までに消費した燃料量に基づき、実際の保温エネルギーを演算するとともに、所定時期から起動時までに消費される保温エネルギーを推定し、この推定保温エネルギーと前記実保温エネルギーとを加算して保温エネルギーとす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９】
前記コントローラは、所定の起動時前日に起動エネルギーを燃料電池に供給して解凍し、解凍後、所定の起動時まで燃料電池システム内の水分が凍結しないように保温するために必要なエネルギーを演算し、この演算されたエネルギーと前記保温エネルギーと起動エネルギーと比較して、最も小さいエネルギーとなるように制御す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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、特に外気温が氷点下時からの起動に特徴を有する燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
外気温が氷点下時における燃料電池システムの保護を目的とする技術として、特開平０１‐１４３７３６号公報に記載の技術がある。これは、燃料電池の温度を監視し、所定温度に達するとそれ以下に温度が低下しないように燃料電池を保温し、システム起動時まで燃料電池の温度を維持する技術である。この制御を便宜上、保温モードと呼ぶこととする。
【０００３】
また、特開平０８−２７３６８９号公報に記載の技術は、燃料電池システムを搭載した移動体の停止時にシステム内の純水をタンクに貯蔵し、システム起動時にタンク内の純水を解凍するようにした技術である。このように起動時に凍結した水を解凍する技術を保温モードに対して解凍起動モードと呼ぶ。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平０１‐１４３７３６号公報に記載の技術では、この技術を移動体用の燃料電池システムに適用した場合に移動体が、長期間停車する場合にも燃料電池の保温状態を維持することになり、保温に必要なエネルギーが増大することになる。
【０００５】
また、特開平０８−２７３６８９号公報に記載の技術では、氷点下後の起動時にタンク内の氷を解凍する必要が生じて起動に時間が掛かり、また、停止時間が短時間の場合には、起動時に必要なエネルギーが保温モードで必要とするエネルギーに対して大きくなるという問題がある。
【０００６】
このような問題点を鑑み、本発明の目的は、燃料電池システムの停止時から氷点下からの起動時までに消費するエネルギーを低減する燃料電池システムを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池の運転を制御するコントローラは、燃料電池システムの停止時から再起動時までに消費する消費エネルギーを、停止期間中に燃料電池を所定温度に維持する場合に必要な保温エネルギーと、再起動時に燃料電池を所定温度まで加熱するために必要な起動エネルギーとに分けて演算し、それぞれのエネルギーの小さい方となるように燃料電池システム停止時を制御する。
【０００８】
消費エネルギーを演算する時にコントローラは、起動時以前の外気温に基づいて起動エネルギーの演算を行う。
【０００９】
【発明の効果】
本発明によれば、起動時以前の外気温データに基づいて起動エネルギーの演算を行い、保温エネルギーと比較するのでエネルギー消費の少ない制御とすることができ、燃料電池システムの実用燃費を向上することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明を適用する燃料電池システムの構成を示す一例である。燃料電池１は、いわゆる固体高分子型燃料電池であり、アノード１ａに燃料供給装置２ａから燃料が供給される一方、カソード１ｂにコンプレッサー２ｂから空気が供給され、電気化学反応により発電する。発電により昇温した燃料電池１を冷却するために燃料電池１に冷却層１ｃが設けられる。冷却層１ｃには純水タンク３に貯蔵された冷媒としての純水がポンプ４の作用により供給され、純水は、燃料電池１の熱を奪い、昇温し、熱交換器６に送られる。熱交換器６には、ラジエータ７により放熱されるＬＬＣがポンプ８の作用により循環し、昇温した純水とＬＬＣが熱交換する。このため、純水は冷却されて純水タンク３に貯蔵される。一方、純水の熱を奪ったＬＬＣは、ラジエータ７で放熱される。
【００１１】
さらに本燃料電池システムでは、燃料電池１と熱交換器６及び純水タンク３を覆う断熱材９と断熱材９内に第１ヒータ１０を設けることで燃料電池内の純水の凍結を防止する。さらに純水タンク３内の純水が凍結した時に解氷するための第２ヒータ１１が純水タンク３に接して設置される。
【００１２】
燃料電池システムの運転を制御するコントローラが設けられており、コントローラの一部を構成する停止モード制御部１００は、外気温を検出する温度センサ１２の検出値に基づいて第１、第２ヒータ１０、１１の運転を制御する。
【００１３】
停止モード制御部１００は、燃料電池システム停止中の停止モードを判定するもので、具体的には停止中のエネルギー量に応じて解凍起動モードと保温モードとのいずれかを選択する。停止モード制御部１００は、起動日時入力部１０１と、外気温データ記憶部１０２と、解凍起動エネルギー部１０３と、保温エネルギー演算部１０４と、停止モード判断部１０５とから構成され、停止モードの選択の詳細については後述する。
【００１４】
このように構成されて、燃料電池システムの通常運転時には、燃料電池１に燃料と空気とが供給されて発電し、その電力によって、例えば、モータを駆動して移動体が移動する。発電によって昇温した燃料電池１は、純水によって冷却され所定温度に制御される。燃料電池１の熱を奪って加熱した純水は、ＬＬＣによって冷却され、純水タンク３に戻る。
【００１５】
次に本発明の特徴的な制御が適用される燃料電池システムの停止時に停止モード制御部１００が実施する制御について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。なお、停止モード制御部は燃料電池システムの運転を制御するコントローラの一部を構成するものである。
【００１６】
まずステップ１０で、運転者等が、起動日時入力部１０１に次の燃料電池システム起動の日時を入力する。ステップ２０では、外気温データ記憶部１０２が温度センサ１２の検出値に基づき外気温を、例えば前日の外気温を１時間ごとに検出、記憶する。これらステップ１０と２０のデータが、解凍起動エネルギー演算部１０３と保温エネルギー演算部１０４に入力されて、ステップ３０では、解凍起動エネルギー（起動エネルギー）が演算される。ここで解凍起動エネルギーは、システム停止中に凍結した水分を起動時に解凍するために必要となる消費エネルギーであり、停止中及び起動時の外気温データとに基づき算出される。なお、停止から再起動までに時間が短い場合、例えば２４時間以内の場合には、起動予定日時の前日の外気温データに基づき解凍起動エネルギーを算出することで、解凍起動エネルギーを算出することもできる。
【００１７】
一方、ステップ４０では保温エネルギーが演算される。保温エネルギーは、システムの停止中においても燃料電池システム内の水分が凍結しない温度に維持する場合に必要な消費エネルギーであり、所定時間毎、例えば、１時間ごとの外気温データの基づき保温に必要なエネルギーを算出し、この１時間ごとのエネルギーから起動日時までの保温に必要な総保温エネルギーを算出する。このように外気温を所定時間毎に検出し、保温エネルギーを算出することでより精度よく、保温エネルギーを算出することができる。
【００１８】
ステップＳ３０、Ｓ４０にて演算された解凍起動エネルギーと保温エネルギーはステップ５０で、大小関係を比較されて、解凍起動エネルギーが小さい場合にはステップＳ６０に進み、解凍起動モードを選択し、保温エネルギーが小さい場合にステップＳ７０に進み、保温モードを選択する。
【００１９】
したがって、本実施形態においては、燃料電池システムの停止中及び起動日時の外気温データに基づいて、保温エネルギーと解凍起動エネルギーとを算出し、エネルギー消費の小さい停止モードをより精度よく選択することができる。結果として、燃料電池システムとしての消費エネルギーを低減し、実用燃費を向上することができる。
【００２０】
図３は第２の実施形態の構成を示しており、第１の実施形態に対して、機械的構成は温度センサ１２がない点が異なり、また外気温データ記憶部１０２に記憶された外気温データが異なる。つまり、外気温データ記憶部１０２に記憶された外気温データとして、過去の起動時と同日の外気温を用い、これら外気温の平均外気温のデータを用いる。
【００２１】
次に第２の実施形態に対応する停止モード制御部１００が実施する制御について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。
【００２２】
第１の実施形態の制御内容を示す図２のフローチャートとの差異は、ステップ２０に代わるステップ８０である。ステップ８０では、温度センサ１２の検出値と予め記憶された過去の外気温データを読み込む。この過去の外気温データは、工場出荷時に既に記憶され、外気温データとして少なくとも１年分の外気温データが記憶される。なお、複数年分の外気温データが記憶される場合には、起動時と同じ日時の外気温データが複数存在するが、これらの平均外気温をデータとして採用する。そして、この過去の外気温データから得られる起動日時と同日時の過去の外気温データに基づいて解凍起動エネルギーが算出されるとともに、燃料電池システム停止時から次回起動日時までと同日時の過去の外気温データに基づいて保温エネルギーが算出される。
【００２３】
燃料電池システムの停止期間が長い、例えば、１週間以上に及ぶ場合には、過去の外気温データに基づいて、正確に解凍起動エネルギーと保温エネルギーを算出でき、エネルギー消費の小さい停止モードを選択することができるとともに、外気温を検出するための温度センサを設ける必要がなく、システムのコストを低減できる。
【００２４】
図５は第３の実施形態の構成を示しており、第１、２の実施形態に対して、機械的構成は同一でよく、停止モード制御部１１０の構成が異なる。
【００２５】
第１または第２の実施形態と異なるのは、解凍起動エネルギー演算部１０３と保温エネルギー演算部１０４に代えて、解凍起動エネルギーと保温エネルギーをマップ化して予め記憶しておく解凍起動エネルギーマップ部１０７と保温エネルギーマップ部１０８を備えた点である。
【００２６】
次に第３の実施形態に対応する停止モード制御部１００が、実施する制御について、図６に示すフローチャートを用いて説明する。
【００２７】
第１の実施形態の制御内容を示す図２のフローチャートとの差異は、ステップ３０、４０に代わるステップ９０、１００である。なお、ステップ２０での外気温データの読み込みは、第１または第２実施形態のいずれの方法のデータでもよい。
【００２８】
ステップ９０では、外気温度データと図７に示すマップからの基づいて解凍起動エネルギーを算出し、ステップ１００では、外気温度データと図８に示すマップからの基づいて保温エネルギーを算出して、ステップ５０で比較し、停止モードを選択する。
【００２９】
図７、８のマップは、過去の燃料電池システム停止中の外気温と停止時間及びその際の解凍起動エネルギーと保温エネルギーとの関係をマップ化したものである。図７に示すように解凍起動エネルギーは、システム停止から所定の経過時間を過ぎると一定となることがわかる。また、図８に示す保温エネルギーは、外気温が高いほど必要なエネルギーが少なくてよいことがわかる。
【００３０】
したがって、第３の実施形態においては、解凍起動エネルギーと保温エネルギーを予め記憶したマップから算出するようにしたので、正確な解凍起動エネルギーと保温エネルギーを算出でき、エネルギー消費の小さい停止モードを選択することができるとともに、マップを用いることで停止モード制御部の演算負荷を低減できる。
【００３１】
図９と図１０は第４の実施形態を説明する図であり、図９に示す機械的構成は、第１または第２実施形態と同様であるが、制御部は停止モード制御部１００から停止状態制御部１２０に変更される。停止状態制御部１２０の構成は、停止モード制御部１００の構成に、燃料電池１の保温に消費された燃料供給装置２ａの燃料噴射量を検出し、保温エネルギーを算出する実保温エネルギー記憶部１０９を追加した構成である。
【００３２】
また、第４の実施形態は、燃料電池システムが保温モードの場合に適用される制御内容を示している。第４の実施形態は、システムが保温モードで制御されているときに、次の停止モードを選択する方法である。
【００３３】
図１０のフローチャートを用いて、本実施形態の停止状態制御部１１０が行う制御内容を説明する。他の実施形態と同じ符号で示されたものは、他の実施形態で既に説明済みであるので、この実施形態での説明は省略する。
【００３４】
この実施形態は、燃料電池システムが、保温モードで停止された状態で、保温モード開始時から所定時間毎にそれまで保温のために消費された燃料量から実保温エネルギーを算出し、所定時間以降の推定保温エネルギーと加算して解凍起動エネルギーと比較し、停止モードを選択するようにしたものである。
【００３５】
停止モードとして保温モードで燃料電池システムが制御されている状態下で、まずステップ１１０では、一定時間毎、例えば１時間毎に第１または第２の実施形態の方法で温度を検出し、読み込むこの温度データに基づいて、ステップ１２０では、解凍起動エネルギー演算部１０３が解凍起動エネルギーを再計算する。
【００３６】
ステップ１３０では、システム停止後から保温エネルギー再計算時までに消費した燃料消費量から実保温エネルギー記憶部１０９で実保温エネルギーを算出する。続くステップ１４０では、保温エネルギー再計算時からシステム起動時までの保温エネルギーを推定し、実保温エネルギに加算して総保温エネルギーとする。
【００３７】
ステップ５０で、解凍起動エネルギーと総保温エネルギーとを比較して、解凍起動モードか保温モードかを選択する。
【００３８】
したがって、第４の実施形態では、システム停止後から保温エネルギー再計算時までに消費した燃料消費量から実保温エネルギーを算出することで、保温エネルギーをより精度よく演算することができ、停止モード選択の精度を向上し、燃料電池システムの効率を高めることができる。
【００３９】
図１１は、第５の実施形態として停止状態制御部１１０が行う制御内容を説明するフローチャートである。機械的構成は第４の実施形態と同様である。
【００４０】
この実施形態は、第４の実施形態に類似するが、燃料電池システムが、予定の起動日時に起動されることがなかった場合を想定した、停止モードの選択方法である。
【００４１】
まずステップ２１０で、運転者等が起動の日時を再入力する。入力されない時には、解凍起動モードを選択するようにしてもよい。
【００４２】
続くステップ２０で外気温データを読み込み、この温度データに基づいてステップＳ３０で新たに入力された日時での解凍起動エネルギーを計算する。
【００４３】
一方、ステップ２２０では、当初の起動日時までに消費された燃料量に基づいて実保温エネルギーを算出する。続くステップ４０では、当初の起動日時から新たに設定された起動日時までの保温エネルギーを推定し、この推定エネルギーにステップ２２０で算出された実保温エネルギーを加算し、総保温エネルギーとして設定する。そしてステップ５０で、解凍起動エネルギーと総保温エネルギーとを比較して、停止モードを選択する。
【００４４】
第５の実施形態では、停止時に入力された起動時に起動しなかった場合または事前に予定の起動時に起動が行われないことがわかっている場合に改めて起動時を入力する時に、当初の起動日時までに消費された燃料量に基づく実保温エネルギーと、当初の起動日時から新たに設定された起動日時までの保温エネルギーとを加算してより精度のよい保温エネルギーとして総保温エネルギーを算出する。この総保温エネルギーと解凍起動エネルギーと比較し、停止モードを選択するのでより精度よく停止モードを選択できる。
【００４５】
次に、図１２と図１３を用いて第６の実施形態を説明する。
【００４６】
まず、図１２を用いて本実施形態の技術的思想を説明する。この実施形態は、起動日時によって解凍起動エネルギーが著しく異なる、一日の気温差が大きい地域を想定した停止モードの選択方法である。
【００４７】
図において、経過時間が０で燃料電池システムが停止し、燃料電池システムの停止モードが保温モードの場合には、所定温度に達する時刻ｔ１で、燃料電池が所定温度を維持するように加熱を始める。その積算エネルギーはほぼ一定に増加していく。
【００４８】
一方、停止モードが解凍起動モードの場合には、起動時点での外気温（図中破線部）に応じて解凍起動エネルギーは図中Ｅｂのように変化する。
【００４９】
第２の解凍起動モードとして、起動時前日の最高外気温時（時刻ｔ２）に解凍するまでは前述の解凍起動モードと同じ制御を実施し、解凍した後は、燃料電池の温度を所定温度に維持するように保温し、起動時に備える。つまり、解凍起動モードと保温モードとを組み合わせた停止モードである。
【００５０】
第２解凍起動モードによって制御することにより、一日の気温差が大きい地域では、起動時まで解凍起動モードを実施する場合より消費するエネルギーを削減することができる場合がある。したがって、燃料電池システムの停止モードをより精度よく選択し、消費エネルギーを低減することができる。
【００５１】
この制御内容を図１３のフローチャートを用いて説明する。この制御は、停止状態制御部１１０によって行われる。
【００５２】
まず、ステップ１０で、運転者等により、次の起動日時（Ａ点）が入力され、ステップ１１０で外気温データを読み込む。この外気温データに基づき、ステップ３０で起動時に解凍必要な解凍起動エネルギーが、ステップ４０でシステム停止から起動時までの燃料電池を所定温度に保温するために必要な保温エネルギーが演算される。
【００５３】
さらにステップ３１０で、外気温データに基づきシステム起動前日の最高外気温とその時間の予測値を読み込み、ステップ３２０で、システム停止時から起動前日の最高外気温時までの解凍起動エネルギーを算出するとともに、前日の最高外気温時から起動時まで燃料電池を保温するのに必要な保温エネルギーを算出し、これらを加算し、第２解凍起動エネルギーとして設定する。
【００５４】
ステップ３３０で、ステップ３０で演算した解凍起動エネルギーと第２解凍起動エネルギーとを比較し、小さい方をステップ３４０で保温エネルギーと比較して、停止モードを決定する。
【００５５】
本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内でさまざまな変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される燃料電池システムの一構成例を示す図である。
【図２】第１の実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図３】第２の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図４】第２の実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図５】第３の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図６】第３の実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図７】移動体停止からの経過時間に対するエネルギー消費量の関係を示す図である。
【図８】外気温に対する時間当たりの保温エネルギーの関係を示す図である。
【図９】第４の実施形態の燃料電池システムの構成図である。
【図１０】第４の実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１１】第５の実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【図１２】第６の実施形態の移動体停止からの経過時間に対するエネルギー消費量の関係を示す図である。
【図１３】第６の実施形態の制御内容を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１　燃料電池
３　純水タンク
６　熱交換器
７　ラジエータ
９　断熱材
１０　第１ヒータ
１１　第２ヒータ
１００　停止モード制御部
１０１　起動日時入力部
１０２　外気温データ記憶部
１０３　解凍起動エネルギー演算部
１０４　保温エネルギー演算部
１０５　停止モード判断部
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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