(57)【要約】【課題】保温運転を実行する燃料電池システムにおいて、使用者に要求された処理を実行するために必要な電力を直ちに供給すること。【解決手段】制御ユニット５０は、燃料電池システム２０の始動要求（通常運転要求）が発生したか否かを、例えば、使用者（運転者）がスイッチ４３をオンしたか否か、シフトポジションＳＰをＰまたはＮからＤレンジに変更したか否か、およびパーキングブレーキ４２が解除された（オフされた）か否かの少なくともいずれか１つを判定要素として用いることによって判定する。制御ユニット５０は、燃料電池システム２０の運転開始要求が発生したと判定した場合には、燃料電池システム２０の保温運転を停止し、通常運転処理を開始する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池を含む燃料電池システムであって、
前記燃料電池システムの停止時に、前記燃料電池を少なくとも第１の所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させる保温運転制御手段と、
要求された出力に応じて前記燃料電池を運転させる通常運転制御手段と、
前記燃料電池システムの始動要求を検出する始動要求検出手段と、
前記燃料電池システムの始動要求が検出された場合には、前記保温運転制御手段による保温運転制御を終了し、前記通常運転手段による通常運転制御を開始させる運転制御切り替え手段とを備え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はさらに、
前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度検出器を備え、
前記保温運転制御手段は、前記検出された温度が第１の判定温度以下の場合に前記燃料電池を運転させる燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記保温運転制御手段は、前記燃料電池の温度が第２の所定温度以上になると前記燃料電池の運転を停止させる燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池システムは移動体に搭載されている燃料電池システム。
【請求項５】
燃料電池を備える燃料電池システムにおける保温制御方法であって、
前記燃料電池システムの停止時に、前記燃料電池を少なくとも第１の所定温度以上に維持するために前記燃料電池システムを保温運転し、
前記燃料電池システムの保温運転中に、前記燃料電池システムの始動要求を検出した場合には、前記保温運転を終了し、通常運転を開始させることを備える燃料電池システムにおける保温制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、間欠運転が実行される燃料電池システムにおける燃料電池システムの保温技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池システムでは、水素と酸素との化学反応により発電されるため、発電時には水が生成される。燃料電池システム中に残留している水分は、燃料電池システムの運転が停止され、燃料電池システムの温度が水の凍結温度を下回ると凍結し、この結果、水素供給路、空気供給路が閉塞され、さらには燃料電池の電解膜が凍結してしまうおそれがある。
【０００３】
ここで、燃料電池が間欠的に運転される燃料電池システムでは、使用環境温度が零度以下の場合、運転停止時に燃料電池システム内の残留水分が凍結してしまうおそれがある。そこで、間欠運転される燃料電池システムでは、運転停止時に、燃料電池システムの温度を水の凍結温度より高い温度に維持するために保温運転が実行される（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２３１１０８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、保温運転は、燃料電池システムの運転停止時、使用者の意思によらず実行される運転処理であると共に、燃料電池の凍結を防止するために実行される運転処理である。したがって、保温運転時には、発電される電力量は少なく、使用者が要求する電力量を供給することができないという問題があった。この結果、使用者が要求した処理、例えば、車両搭載時には車両の走行を直ちに実行することができず、保温運転中であることを意識していない使用者に対して、違和感を与えるという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、保温運転を実行する燃料電池システムにおいて、使用者に要求された処理を実行するために必要な電力を直ちに供給することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用・効果】
上記課題を解決するために本発明の第１の態様は、燃料電池を含む燃料電池システムを提供する。本発明の第１の態様に係る燃料電池システムは、前記燃料電池システムの停止時に、前記燃料電池を少なくとも第１の所定温度以上に維持するために前記燃料電池を運転させる保温運転制御手段と、要求された出力に応じて前記燃料電池を運転させる通常運転制御手段と、前記燃料電池システムの始動要求を検出する始動要求検出手段と、前記燃料電池システムの始動要求が検出された場合には、前記保温運転制御手段による保温運転制御を終了し、前記通常運転手段による通常運転制御を開始させる運転制御切り替え手段とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムの始動要求が検出された場合には、保温運転制御手段による保温運転制御を終了し、通常運転手段による通常運転制御を開始させるので、保温運転を実行する燃料電池システムにおいて、使用者に要求された処理を実行するために必要な電力を直ちに供給することができる。すなわち、燃料電池システムの始動が要求される場合に、燃料電池システムの保温運転から通常運転への移行を円滑に行うことができる。この結果、保温運転中であっても、通常運転を開始することによって使用者が必要とする電力量を直ちに供給することができるため、使用者に対して保温運転の継続による供給電力量不足に起因する違和感を与えることはない。
【０００９】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムはさらに、前記燃料電池の温度に関連する温度を検出する温度検出器を備え、前記保温運転制御手段は、前記検出された温度が第１の判定温度以下の場合に前記燃料電池を運転させても良い。かかる場合には、燃料電池の温度を第１の判定温度よりも高い温度に維持することができると共に、第１の判定温度を適切に設定することによって、燃料電池の凍結を防止することができる。
【００１０】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記保温運転制御手段は、前記燃料電池の温度が第２の所定温度以上になると前記燃料電池の運転を停止させても良い。かかる場合には、保温運転に伴う燃料消費を抑制することができる。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムは移動体に搭載されていても良い。かかる場合には、間欠運転を避けることができない移動体において、燃料電池の凍結を防止することができると共に、使用者が要求する場合に、直ちに、移動体を移動または走行させることができる。
【００１２】
本発明の第２の態様は、燃料電池を備える燃料電池システムにおける保温制御方法を提供する。本発明の第２の態様に係る燃料電池システムにおける保温制御方法は、前記燃料電池システムの停止時に、前記燃料電池を少なくとも第１の所定温度以上に維持するために前記燃料電池システムを保温運転し、前記燃料電池システムの保温運転中に、前記燃料電池システムの始動要求を検出した場合には、前記保温運転を終了し、通常運転を開始させることを特徴として備える。
【００１３】
本発明の第２の態様に係る燃料電池システムにおける保温制御方法によれば、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムと同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の第２の態様に係る燃料電池システムにおける保温制御方法は、本発明の第１の態様に係る燃料電池システムと同様にして種々の態様にて実現され得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しつつ実施例に基づいて、本発明に係る燃料電池を搭載した移動体および燃料電池システムを搭載した移動体における燃料電池システムの保温制御方法について説明する。
【００１５】
図１を参照して実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体（車両）の概略構成について説明する。図１は実施例に係る燃料電池システムを搭載した車両の概略構成を示す説明図である。
【００１６】
燃料電池搭載車両１０は、電源システムとしての燃料電池システム２０、燃料電池システムから得た電力を駆動力に変換して出力する駆動用モータ（電動機）３０、駆動用モータ３０によって駆動される車輪４０、車両１０の動作を制御する制御ユニット５０を備えている。
【００１７】
燃料電池システム２０は、水素ガス（水素含有ガス）を燃料として消費し、電力を発生する燃料電池２１、運転時に燃料電池２１を冷却する熱交換器２２、燃料電池２１に供給する水素を蓄える高圧水素ボンベ２３、燃料電池２１に対して空気を供給する空気ポンプ２４を備えている。なお、図示しないが蓄放電可能な二次電池が備えられていても良い。
【００１８】
燃料電池２１と高圧水素ボンベ２３とは水素供給管２３１によって接続されており、水素供給管２３１には水素圧力を燃料電池２１への供給圧力へと減圧する減圧弁２３２が配置されている。燃料電池２１と空気ポンプ２４とは空気供給管２４１を介して接続されている。また、燃料電池２１に供給された空気は排気管２４２を介して大気中へと排出される。
【００１９】
熱交換器２２は、燃料電池２１を冷却するために燃料電池２１に備えられており、内部を冷却液が循環する。熱交換器２２の冷却液入り口と冷却液出口のいずれか一方または双方における冷却液外部循環管２２１には冷却液温度を検出する冷却液温度センサ５１、５２が備えられている。
【００２０】
駆動用モータ３０は、例えば、三相の同期モータであり、外周面に複数個の永久磁石を有するロータと、回転磁界を形成するための三相コイルが巻回されたステータとを備える。駆動用モータ３０の動作は、制御ユニット５０からの制御信号を受けたインバータ３１によって制御される。インバータ３１と燃料電池２１とは電力供給線３１１によって接続されている。
【００２１】
駆動用モータ３０のロータは、クラッチ機構３５１を備えるギヤ機構３５を介して車輪４０と接続されている。ギヤ機構３５は、ギヤ位置（シフトポジションＳＰ）を選択するためのシフトセレクタ３６と電気的または機械的に接続されている。クラッチ機構３５１は、シフトセレクタ３６のシフトポジションＳＰとしてＰ（パーキング）またはＮ（ニュートラル）が選択された場合に、駆動用モータ３０と車輪４０との機械的な接続を遮断（切断）する。
【００２２】
駆動用モータ３０は、ロータに備えられた永久磁石による磁界とステータの三相コイルによって形成される磁界との相互作用によって回転して必要な駆動力を車輪４０に出力する。車速の減速要求（制動要求）が発生した場合には、ロータを外力によって駆動させることにより、駆動用モータ３０は、これら磁界の相互作用により三相コイルの両端に起電力を生成させる発電ブレーキとして機能させられる。
【００２３】
車両１０には、この他に、車両駐車時に、ブレーキ４１を制動状態として車両１０の移動を防止するパーキングブレーキ４２、使用者による車両１０（の運転）の始動・停止要求を検出するスイッチ（イグニションスイッチ）４３、使用者の要求出力を検出するアクセルポジションセンサ４４を備える。
【００２４】
制御ユニット５０は、図示しない中央処理装置（ＣＰＵ）、記憶装置（ＲＡＭ、ＲＯＭ）等を備え、車両１０の運転状態に応じて車両１０の動作を制御する。制御ユニット５０には、シフトセレクタ３６において選択されたシフトポジションＳＰを示すシフトポジション信号、パーキングブレーキ４２の状態を示すパーキングブレーキのオン・オフ信号、スイッチ４３におけるイグニッションポジションを示すイグニションポジション信号、アクセルポジションセンサ４４を介した要求出力信号、冷却液温度センサ５１、５２からの検出温度信号が信号線を介して入力される。
【００２５】
制御ユニット５０は、アクセルポジションセンサ４４からの入力信号に応じて、要求された駆動力を出力するために、インバータ３１に対して駆動用モータ３０を制御するための制御信号を送出する。
【００２６】
燃料電池システム２０の保温運転処理について図２を参照して簡単に説明する。図２は保温運転と燃料電池（ＦＣ）２１の温度との関係を示す保温運転制御を説明する説明図である。
【００２７】
保温運転処理では、燃料電池システム２０、より具体的には、冷却液温度センサ５１、５２によって直接または間接的に検出された燃料電池２１の温度を所定の温度範囲に維持するように保温運転処理が実行される。図３に示すように、燃料電池２１の温度であるＦＣ温度が０℃近傍温度になると、制御ユニット５０は燃料電池システム２０を起動し、燃料電池２１による発電を開始する。燃料電池２１が発電を開始すると、燃料電池２１は発熱し、燃料電池システム２０の温度は上昇し、燃料電池システム２０（燃料電池２１）における水分の凍結を防止することができる。
【００２８】
燃料電池システム２０の凍結防止の観点からは、燃料電池システム２０の温度は０℃以上であればよいが、保温運転処理における燃料消費を抑制するために、燃料電池システム２０の温度が、例えば、１０℃といった上限温度に到達すると燃料電池システム２０の運転が停止される。この後、燃料電池システム２０の温度をパラメータとして、使用者の意思とは無関係に燃料電池システム２０の起動・停止が繰り返し実行される。
【００２９】
保温運転時に発電された電力は、空気ポンプ２４を始めとする補機を駆動するための電力として消費され、あるいは、燃料電池システム２０を加熱するための電気ヒータが備えられている場合には、電気ヒータによって燃料電池システム２０を加熱（保温）するために用いられても良い。
【００３０】
図３を参照して本実施例に係る車両１０において実行される燃料電池システムの保温運転終了処理について説明する。図３は本実施例に係る車両１０において実行される燃料電池システムの保温運転終了処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【００３１】
本処理ルーチンは、保温運転制御実行中に所定時間間隔にて繰り返し実行される。制御ユニット５０は、燃料電池システム２０の始動要求（通常運転要求）が発生したか否かを判定する（ステップＳ１００）。本実施例における、通常運転要求とは、使用者が要求する駆動力を出力するための燃料電池システム２０の運転状態を意味し、使用者の意思によらない保温運転とは区別される。
【００３２】
燃料電池システム２０の始動要求（通常運転要求）は、例えば、使用者（運転者）がスイッチ４３をオンしたか否か、シフトポジションＳＰをＰまたはＮからＤレンジに変更したか否か、およびパーキングブレーキ４２が解除された（オフされた）か否かの少なくともいずれか１つを判定要素として用いることによって判定される。これら一連の使用者の動作は、通常、車両１０を走行させる前に実行される手順であり、使用者が燃料電池システム２０の通常運転を望んでいるか否かを適切に判定することができる。
【００３３】
制御ユニット５０は、スイッチ４３がオンされた、シフトポジションＳＰがＰまたはＮからＤレンジに変更された、パーキングブレーキ４２が解除されたのうち少なくとも１つを検出した場合、すなわち燃料電池システム２０の運転開始要求が発生したと判定した場合には（ステップＳ１００：Ｙｅｓ）、燃料電池システム２０の保温運転を停止する（ステップＳ１１０）。
【００３４】
制御ユニット５０は、燃料電池システム２０の通常運転処理を開始して（ステップＳ１２０）、本処理ルーチンを終了する。通常運転処理では、アクセルポジションセンサ４４から入力される要求出力値に応じて、空気ポンプ２４による空気供給量を調整して燃料電池２１の発電量を調整すると共に、インバータ３１を介して駆動用モータ３０の出力を制御する。
【００３５】
制御ユニット５０は、燃料電池システム２０の運転開始要求が発生していないと判定した場合には（ステップＳ１００：Ｎｏ）、本処理ルーチンを終了する。すなわち、燃料電池システム２０の保温運転制御を継続し、通常運転へ移行しない。
【００３６】
以上説明したように、本実施例に係る燃料電池システムを搭載した車両１０および燃料電池システム２０の保温運転制御方法によれば、燃料電池システム２０が保温運転中であっても、使用者が燃料電池システム２０の始動を要求する場合には、保温運転を直ちに終了して通常運転を開始することができる。したがって、燃料電池システム２０は、使用者が要求する電力を直ちに供給することができる。また、燃料電池システム２０が搭載されている車両１０では、駆動用モータ３０を介して使用者が要求する駆動力を出力することができる。
【００３７】
・その他の実施例：
上記実施例では、使用者の運転開始に伴う動作に基づいて燃料電池システム２０の始動を判定しているが、その他に、エアコンがオンされた場合、ヘッドライトがオンされた場合といったように、必要な電力量が保温運転中の燃料電池システム２０において得られる電力量では不足する場合に、燃料電池システム２０の運転状態を保温運転から通常運転へと切り替えても良い。かかる場合には、補機に要求される動作を速やかに実行することができる。
【００３８】
さらに、運転席に着座センサを備えておき、使用者の着座を検出した場合には、燃料電池システム２０の始動要求が発生したと判定しても良い。かかる場合には、より迅速に燃料電池システム２０の運転状態を保温運転から通常運転へと切り換えることができる。
【００３９】
上記実施例では、冷却液温度センサ５１、５２によって燃料電池２１の温度を検出しているが、燃料電池２１に対して直接温度センサを配置しても良い。また、燃料電池２１の温度を検出する複数の温度センサを備え、いずれか１つの温度センサの検出値が判定温度以下となった場合に、保温運転処理を開始してもよい。かかる場合には、より適切に燃料電池システム２０の凍結を防止することができる。さらに、外気温と燃料電池２１の温度とを予め対応付けておき、外気温センサによって得られた外気温度に基づいて燃料電池２１の温度を検出しても良い。
【００４０】
上記実施例では燃料電池２１の燃料として高圧水素タンク２３に充填されている水素を用いたが、改質器によって得られる水素含有ガス（改質ガス）を用いても良い。
【００４１】
また、上記実施例に係る装置、方法は、コンピュータプログラムまたはコンピュータプログラムを記録した記録媒体（電気的、磁気的、光学的記録媒体）としても実現され得る。
【００４２】
以上、いくつかの実施例に基づき本発明に係る燃料電池システム、燃料電池システムの保温運転制御方法について説明してきたが、上記した発明の実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明は、その趣旨並びに特許請求の範囲を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例に係る燃料電池システムを搭載した移動体の概略構成を示す説明図である。
【図２】保温運転と燃料電池（ＦＣ）２１の温度との関係を示す保温運転制御を説明する説明図である。
【図３】本実施例に係る車両１０において実行される燃料電池システムの保温運転停止処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…車両
２０…燃料電池システム
２１…燃料電池
２２…熱交換器
２２１…冷却液外部循環管
２３…高圧水素タンク
２３１…水素供給管
２３２…減圧弁
２４…空気ポンプ
２４１…空気供給管
２４２…排気管
３０…駆動用モータ
３１…インバータ
３１１…電力供給線
３５…ギヤ機構
３５１…クラッチ機構
４０…車輪
４１…ブレーキ
４２…パーキングブレーキ
４３…スイッチ（イグニションスイッチ）
４４…アクセルポジションセンサ
５０…制御ユニット
５１、５２…冷却液温度センサ
【図１】
2004327099.tif 000003
【図２】
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【図３】
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