(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池システムであって、
燃料電池と、
入力側に前記燃料電池が接続され、出力側に主配線が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣコンバータと、
二次電池と、
前記二次電池と前記主配線との間に接続され、前記主配線の側に昇圧用の平滑コンデンサを有するＤＣ−ＤＣコンバータであるバッテリコンバータと、
前記二次電池の温度を測定するバッテリセンサと、
前記平滑コンデンサの電圧を測定する電圧センサと、
前記主配線から電力の供給を受けて動作するコンプレッサを有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給系と、
前記二次電池から電力の供給を受けて動作する主止弁を有し、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系と、
制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記燃料電池システムの発電開始の指示を受けると、
（ｉ）前記二次電池の温度を用い、前記二次電池の温度と出力制限値との予め定められた関係に従って前記二次電池の出力制限値を取得し、
（ｉｉ）前記二次電池からの出力電力が前記出力制限値を超えないように前記平滑コンデンサの電圧を上昇させて前記燃料電池の開回路電圧よりも高い起動時目標電圧に到達させるように、前記バッテリコンバータを制御し、
（ｉｉｉ）前記平滑コンデンサの電圧が前記起動時目標電圧以上となった後、前記コンプレッサを駆動して前記カソードガス供給系によるカソードガスの供給を開始するとともに、前記主止弁を開けて前記アノードガス供給系によるアノードガスの供給を開始する、
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、
前記起動時目標電圧は、前記燃料電池システムの通常運転時における前記平滑コンデンサの目標電圧の下限値である、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ＦＣコンバータは、出力側に昇圧用の平滑コンデンサを有しており、
前記制御部は、Ｗｏｕｔを前記二次電池の出力制限値、Ｃ１を前記ＦＣコンバータの平滑コンデンサの容量、Ｃ２を前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの容量、Ｖ１を前記バッテリコンバータを起動する前の前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧、αを０より大きく１以下の係数、ｔを前記バッテリコンバータが起動してからの経過時間、としたときに、前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が、以下の式
ＶＣ（ｔ）＝α×｛（２×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
または
ＶＣ（ｔ）＝｛（２×α×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
を満たすように、前記バッテリコンバータを制御する、燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記起動時目標電圧は、前記燃料電池システムの通常運転時における前記平滑コンデンサの目標電圧の下限値よりも低い予め定められた電圧である、燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ＦＣコンバータは、出力側に昇圧用の平滑コンデンサを有しており、
前記制御部は、Ｗｏｕｔを前記二次電池の出力制限値、Ｃ１を前記ＦＣコンバータの平滑コンデンサの容量、Ｃ２を前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの容量、Ｖ１を前記バッテリコンバータを起動する前の前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧、α、βを０より大きく１以下の係数、Ｖｔａｒ２を前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの起動時目標電圧、ｔを前記バッテリコンバータが起動してからの経過時間、ｔｘを前記バッテリコンバータの起動後、前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧が前記起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に到達するまでの経過時間、Ｐａｕｘを前記コンプレッサ及び前記主止弁の動作時の消費電力としたときに、
前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が、前記起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に達するまでは、以下の式
ＶＣ（ｔ）＝α×｛（２×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
または
ＶＣ（ｔ）＝｛（２×α×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
を満たし、
前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が、前記起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に達したあとは、以下の３つの式
ＶＣ（ｔ）＝β×｛２×（Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２
ＶＣ（ｔ）＝｛２×β×（Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２
ＶＣ（ｔ）＝｛２×（β×Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２
のいずれかを満たすように、前記バッテリコンバータを制御する、燃料電池システム。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記バッテリセンサは、前記二次電池の温度を測定する機能に加えて、さらに、前記二次電池の電圧と電流とを測定して前記二次電池のＳＯＣを算出する機能を有し、
前記制御部は、前記二次電池の温度及びＳＯＣを用い、前記二次電池の温度及びＳＯＣと前記二次電池の出力制限値との予め定められた関係に従って、前記二次電池の出力制限値を取得する、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、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、燃料電池と、燃料電池に接続されるＦＣ昇圧コンバータ及び二次電池と、二次電池に接続されるバッテリコンバータと、ＦＣ昇圧コンバータ及びバッテリコンバータに接続されるインバータと、インバータに接続されるモータと、を備える燃料電池システムが記載されている。通常、バッテリコンバータは、昇圧側（インバータ側）に平滑コンデンサを有している。また、インバータには、燃料電池にカソードガスを供給するためのエアコンプレッサが接続される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−２２０９６１号広報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、燃料電池システムを起動するときには、二次電池の電力を用いて、バッテリコンバータの平滑コンデンサを充電するとともに、インバータ及びエアコンプレッサを駆動して燃料電池にカソードガスを供給して発電を開始させる。すなわち、起動時に燃料電池から電力を取り出すためには、コンプレッサの駆動が必要であり、また、二次電池の電力を用いてコンデンサを充電する必要がある。しかし、二次電池の電力を用いて平滑コンデンサを充電する場合、二次電池からの電力が二次電池の出力制限値を超える場合には、二次電池を劣化させるおそれがある。しかしながら、従来は、燃料電池システムの起動時において、燃料電池や二次電池の劣化を抑制することに関して十分な工夫がなされていないのが実情であった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
【０００６】
（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、燃料電池と、入力側に前記燃料電池が接続され、出力側主配線が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータであるＦＣコンバータと、二次電池と、前記二次電池と前記主配線との間に接続され、前記主配線の側に昇圧用の平滑コンデンサを有するＤＣ−ＤＣコンバータであるバッテリコンバータと、前記二次電池の温度を測定するバッテリセンサと、前記平滑コンデンサの電圧を測定する電圧センサと、前記主配線から電力の供給を受けて動作するコンプレッサを有し、前記燃料電池にカソードガスを供給するカソードガス供給系と、前記燃料電池にアノードガスを供給するアノードガス供給系と、制御部と、を備える。前記制御部は、前記燃料電池システムの発電開始の指示を受けると、（ｉ）前記二次電池の温度を用い、前記二次電池の温度と出力制限値との予め定められた関係に従って前記二次電池の出力制限値を取得し、（ｉｉ）前記二次電池からの出力電力が前記出力制限値を超えないように前記平滑コンデンサの電圧を上昇させて前記燃料電池の開回路電圧よりも高い起動時目標電圧に到達させるように、前記バッテリコンバータを制御し、（ｉｉｉ）前記平滑コンデンサの電圧が前記起動時目標電圧以上となった後、前記コンプレッサを駆動して前記カソードガス供給系によるカソードガスの供給を開始するとともに、前記アノードガス供給系によるアノードガスの供給を開始する。
この形態によれば、制御部は、二次電池からの出力電力が出力制限値を超えないように平滑コンデンサの電圧を燃料電池の開回路電圧よりも高い起動時目標電圧に上昇させるようにバッテリコンバータを制御し、平滑コンデンサの電圧が起動時目標電圧以上となった後、カソードガスの供給とアノードガスの供給を開始するので、二次電池から出力制限値を超える電力が出力されることはなく、二次電池の劣化を抑制できる。また、平滑コンデンサの電圧が燃料電池の開回路電圧よりも高い起動時目標電圧以上となった後に燃料電池が発電可能な状態となるので、燃料電池の触媒の劣化を抑制できる。
【０００７】
（２）上記形態において、前記起動時目標電圧は、前記燃料電池システムの通常運転時における前記平滑コンデンサの目標電圧の下限値であってもよい。
この形態によれば、起動時目標電圧が、燃料電池システムの通常運転時における平滑コンデンサの目標電圧の下限値であるので、平滑コンデンサが十分に充電されてから、燃料電池にカソードガスやアノードガスの供給を開始できる。
【０００８】
（３）上記形態において、前記ＦＣコンバータは、出力側に昇圧用の平滑コンデンサを有しており、前記制御部は、Ｗｏｕｔを前記二次電池の出力制限値、Ｃ１を前記ＦＣコンバータの平滑コンデンサの容量、Ｃ２を前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの容量、Ｖ１を前記バッテリコンバータを起動する前の前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧、αを０より大きく１以下の係数、ｔを前記バッテリコンバータが起動してからの経過時間、としたときに、前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が、以下の式
ＶＣ（ｔ）＝α×｛（２×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
または
ＶＣ（ｔ）＝｛（２×α×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
を満たすように、前記バッテリコンバータを制御してもよい。
この形態によれば、バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が上述した式を満たすようにバッテリコンバータを制御するので、二次電池からの出力が、出力制限値Ｗｏｕｔを超えることは無い。
【０００９】
（４）上記形態において、前記起動時目標電圧は、前記燃料電池システムの通常運転時における前記平滑コンデンサの目標電圧の下限値よりも低い予め定められた電圧である。
この形態によれば、形態（２）よりも、燃料電池の発電開始を早めることができる。
【００１０】
（５）上記形態において、前記ＦＣコンバータは、出力側に昇圧用の平滑コンデンサを有しており、前記制御部は、Ｗｏｕｔを前記二次電池の出力制限値、Ｃ１を前記ＦＣコンバータの平滑コンデンサの容量、Ｃ２を前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの容量、Ｖ１を前記バッテリコンバータを起動する前の前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧、α、βを０より大きく１以下の係数、Ｖｔａｒ２を前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの起動時目標電圧、ｔを前記バッテリコンバータが起動してからの経過時間、ｔｘを前記バッテリコンバータの起動後、前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧が前記起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に到達するまでの経過時間、Ｐａｕｘを前記コンプレッサ及び前記主止弁の動作時の消費電力としたときに、
前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が、前記起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に達するまでは、以下の式
ＶＣ（ｔ）＝α×｛（２×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
または
ＶＣ（ｔ）＝｛（２×α×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２
を満たし、
前記バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が、前記起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に達したあとは、以下の３つの式
ＶＣ（ｔ）＝β×｛２×（Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２
ＶＣ（ｔ）＝｛２×β×（Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２
ＶＣ（ｔ）＝｛２×（β×Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２
のいずれかを満たすように、前記バッテリコンバータを制御してもよい。
この形態によれば、バッテリコンバータの昇圧用の平滑コンデンサの電圧ＶＣ（ｔ）が上述した式を満たすようにバッテリコンバータを制御するので、二次電池からの出力が、出力制限値Ｗｏｕｔを超えることは無い。
【００１１】
（６）上記形態において、前記バッテリセンサは、前記二次電池のＳＯＣを算出する機能を有し、前記制御部は、前記二次電池の温度及びＳＯＣを用い、前記二次電池の温度及びＳＯＣと前記二次電池の出力制限値との予め定められた関係に従って、前記二次電池の出力制限値を取得してもよい。
この形態によれば、二次電池の出力制限値をより正確に取得できる。
【００１２】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池システムの他、燃料電池システムの制御方法、燃料電池システムを備えた車両、移動体等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の燃料電池システムの概略構成を示す説明図。
【図２】第１の実施形態の燃料電池システムの起動時の制御フローチャート。
【図３】第１の実施形態における第２平滑コンデンサの電圧と二次電池からの出力電力とコンプレッサの回転数の変化を示すグラフ。
【図４】第２の実施形態の燃料電池システムの起動時の制御フローチャート。
【図５】第２の実施形態における第２平滑コンデンサの電圧と二次電池からの出力電力とコンプレッサの回転数の変化を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
・第１の実施形態：
図１は、第１の実施形態の燃料電池システム１０の概略構成を示す説明図である。この燃料電池システム１０は、車両等の移動体に搭載される。燃料電池システム１０は、燃料電池１００（図では「ＦＣ」と記載）と、第１高電圧配線１１０と、ＦＣコンバータ１２０と、バッテリコンバータ２２０と、第２高電圧配線２１０と、二次電池２００と、インバータ３００と、駆動モータ３１０と、補機３３０と、制御部４００と、スタートスイッチ４１０（図では「スタートＳＷ」と記載）と、コンプレッサ５１０を含むカソードガス供給系５００と、燃料タンク６１０を含むアノードガス供給系６００と、を備える。第１高電圧配線１１０を「主配線」とも呼ぶ。
【００１５】
燃料電池１００は、アノードガスとカソードガスとを反応させて電力を発生させる発電装置である。ＦＣコンバータ１２０の入力側は、燃料電池１００と接続されている。ＦＣコンバータ１２０の出力側と、バッテリコンバータ２２０の高電圧側とは、第１高電圧配線１１０により接続されている。バッテリコンバータ２２０の低電圧側と二次電池２００とは、第２高電圧配線２１０により接続されている。
【００１６】
ＦＣコンバータ１２０は、リアクトル１２２（「コイル１２２」とも呼ぶ。）と、スイッチ１２４と、ダイオード１２６と、昇圧用の第１平滑コンデンサ１２８と、を備えるＤＣ−ＤＣコンバータである。ダイオード１２６と、スイッチ１２４とは、プラス側の第１高電圧配線１１０ｐとマイナス側の第１高電圧配線１１０ｎとの間に、直列に接続されている。リアクトル１２２の一方の端子は、燃料電池１００のプラス極と接続され、他方の端子は、ダイオード１２６とスイッチ１２４との間に接続されている。第１平滑コンデンサ１２８は、ダイオード１２６及びスイッチ１２４と並列に、プラス側の第１高電圧配線１１０ｐとマイナス側の第１高電圧配線１１０ｎとの間に配置されている。すなわち、第１平滑コンデンサ１２８は、ＦＣコンバータ１２０の出力側（燃料電池１００と反対側）に接続されている。
【００１７】
バッテリコンバータ２２０は、リアクトル２２２（「コイル２２２」とも呼ぶ。）と、２つのスイッチ２２４、２２６と、２つのダイオード２２８、２３０と、２つの平滑コンデンサ２３２、２３４を備える双方向のＤＣ−ＤＣコンバータである。２つのスイッチ２２４、２２６は、プラス側の第１高電圧配線１１０ｐと、マイナス側の第１高電圧配線１１０ｎとの間に直列に接続されている。ダイオード２２８はスイッチ２２４と並列に接続され、ダイオード２３０は、スイッチ２２６と並列に接続されている。第２平滑コンデンサ２３２は、プラス側の第１高電圧配線１１０ｐとマイナス側の第１高電圧配線１１０ｎに接続されている。第１高電圧配線１１０（主配線）は、バッテリコンバータ２２０の高電圧側の配線である。第２平滑コンデンサ２３２は、バッテリコンバータ２２０の高電圧側に接続される昇圧用の平滑コンデンサである。リアクトル２２２の一方の端子は、２つのスイッチ２２４、２２６の間に接続され、リアクトル２２２の他方の端子は、プラス側の第２高電圧配線２１０ｐに接続されている。第３平滑コンデンサ２３４は、プラス側のマイナス側の第２高電圧配線２１０ｐ及びマイナス側の第２高電圧配線２１０ｎに接続されている。第３平滑コンデンサ２３４は、バッテリコンバータ２２０の低電圧側に接続される降圧用の平滑コンデンサである。バッテリコンバータ２２０の高電圧側には、第２平滑コンデンサ２３２の電圧を測定する電圧センサ２４０が設けられている。
【００１８】
二次電池２００は、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などで構成されている。二次電池２００には、二次電池２００の電圧を測定する電圧センサ２０２と、電流を測定する電流センサ２０４と、温度を測定する温度センサ２０６を含むバッテリセンサ２０８が設けられている。バッテリセンサ２０８は、更に、二次電池２００のＳＯＣを算出する機能を有することが好ましい。二次電池２００の電圧は、２００Ｖ〜４００Ｖであり、好ましくは２４０Ｖ〜３５０Ｖであり、さらに好ましくは２６０Ｖ〜３００Ｖである。燃料電池システム１０の通常運転時の第２高電圧配線２１０の電圧（マイナス側の第２高電圧配線２１０ｎに対するプラス側の第２高電圧配線２１０ｐの電圧）は、二次電池２００の電圧とほぼ等しい。なお、通常運転時の第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣ（目標電圧）は、第１高電圧配線１１０の電圧（マイナス側の第１高電圧配線１１０ｎに対するプラス側の第１高電圧配線１１０ｐの電圧）とほぼ等しく、４００Ｖ〜７００Ｖであり、好ましくは５００Ｖ〜６８０Ｖであり、より好ましくは６００Ｖ〜６５０Ｖである。例えば、通常運転時の第２平滑コンデンサ２３２の目標電圧が６００Ｖ〜６５０Ｖの範囲の場合には、目標電圧の下限値は、６００Ｖである。
【００１９】
インバータ３００は、第１高電圧配線１１０に接続されている。インバータ３００は直流の電力を、例えば３相交流の電力に変換し、駆動モータ３１０やコンプレッサ５１０（正確には、コンプレッサ５１０を駆動するモータ）に供給する。駆動モータ３１０は、移動体の車輪（図示せず）を駆動するモータである。コンプレッサ５１０は、燃料電池１００にカソードガスを供給する装置である。なお、駆動モータ３１０とコンプレッサ５１０を直流駆動として、インバータ３００を省略してもよい。この場合にも、駆動モータ３１０とコンプレッサ５１０は、第１高電圧配線１１０から電力の供給を受けて動作する点で図１の構成と共通している。
【００２０】
補機３３０には、コンプレッサ５１０以外の燃料電池１００を動作させるための装置、例えば、水素ポンプ、冷却液ポンプや、降圧用のＤＣ−ＤＣコンバータ等（個別には図示せず）が含まれる。補機３３０のうち、ＤＣ−ＤＣコンバータ以外の補機は、ＤＣ−ＤＣコンバータの降圧側の低電圧配線（図示せず）に接続されていてもよい。この低電圧配線の電圧は、例えば１２Ｖ〜１４Ｖに設定される。
【００２１】
カソードガス供給系５００は、コンプレッサ５１０と、カソードガス配管５２０とを有し、燃料電池１００にカソードガスとしての空気を供給する。アノードガス供給系６００は、燃料タンク６１０と、主止弁６２０と、アノードガス配管６３０と、を有している。燃料タンク６１０は、燃料電池１００に用いられるアノードガスを貯蔵する。主止弁６２０は、二次電池２００又はより低電圧の二次電池（図示せず）から電力の供給を受けて動作する電磁弁であり、燃料タンク６１０からのアノードガスの供給のオン、オフを行う。なお、図示していないが、主止弁６２０と燃料電池１００との間には、燃料電池１００へのアノードガスの供給量を調整する調圧弁や燃料電池１００にアノードガスを噴射するインジェクタが設けられている。
【００２２】
制御部４００は、燃料電池システム１０の動作を制御する。制御部４００は、二次電池２００の出力制限値やバッテリコンバータ２２０の昇圧制御用の電圧指令値を算出あるいは取得する演算部４０５を備えている。なお、制御部４００と演算部４０５は、一体の構成であってもよく、別体の構成であってもよい。また、制御部４００は、独立して設けられているものであってもよく、他の制御装置、例えば移動体の制御装置の一部として組み込まれていてもよい。また、本実施形態では、各種の制御を制御部４００が行っているが、バッテリコンバータ２２０やインバータ３００を制御する制御部と、補機３３０を制御する制御部とは、それぞれ別体の制御部であってもよい。スタートスイッチ４１０は、燃料電池システム１０を起動し、または終了させるためのスイッチである。
【００２３】
図２は、第１の実施形態の燃料電池システム１０の起動時の制御フローチャートである。ステップＳ１００では、制御部４００は、スタートスイッチ４１０がオンにされ、燃料電池システムの発電開始の指示を受けたことを検知すると、ステップＳ１１０に移行し、二次電池２００の出力制限値Ｗｏｕｔを取得する。二次電池２００の出力制限値Ｗｏｕｔは、二次電池２００の劣化を抑制しつつ二次電池２００から電力を供給する場合における最大の電力であり、二次電池２００のＳＯＣと温度に依存する。ＳＯＣとは、二次電池２００が全く充電されていない時を０％、二次電池２００の満充電時を１００％として、二次電池２００がどの程度充電されているかを示す指標である。一般に、二次電池２００のＳＯＣが高ければ、出力制限値Ｗｏｕｔは大きく、二次電池２００のＳＯＣが低ければ、出力制限値Ｗｏｕｔは小さくなる。但し、二次電池２００のＳＯＣが二次電池２００の通常動作の範囲内の値であれば、出力制限値ＷｏｕｔへのＳＯＣの影響は少なく、出力制限値Ｗｏｕｔは、ほぼ温度のみに依存する。また、二次電池２００の温度が低いほど出力制限値Ｗｏｕｔは小さくなる傾向にある。ここで、二次電池２００にリチウムイオン電池を用いた場合には、他の二次電池、例えばニッケル水素電池に比べて、温度の低下による出力制限値Ｗｏｕｔの低下率が大きい。そのため、二次電池２００にリチウムイオン電池を用いた場合には、低温時の燃料電池システム１０の起動において、二次電池２００から大きな電力が出力されないようにするという要求が特に高い。但し、リチウムイオン電池以外の二次電池２００を用いる場合にも、出力制限値Ｗｏｕｔを守ることによって、その劣化を抑制することが可能である。前述したように、二次電池２００の出力制限値Ｗｏｕｔは、ほぼ温度のみに依存するので、二次電池２００の温度のみを用いて出力制限値Ｗｏｕｔを決定しても良い。なお、二次電池２００の温度とＳＯＣを用いた場合には、より正確な出力制限値Ｗｏｕｔを得ることができる。また、演算部４０５は、予め実験等により求められた二次電池２００の温度（及びＳＯＣ）と、出力制限値Ｗｏｕｔとの関係をマップやルックアップテーブルの形式で格納しておき、その関係を用いて、出力制限値Ｗｏｕｔを取得することが可能である。
【００２４】
ステップＳ１２０では、制御部４００は、バッテリコンバータ２２０を動作させて第２平滑コンデンサ２３２（及び第１平滑コンデンサ１２８）を起動目標電圧Ｖｔａｒ１まで充電する。この際、制御部４００は、演算部４０５に、二次電池２００の出力制限値Ｗｏｕｔを超えないようにするための、第２平滑コンデンサ２３２の電圧の時間的変化を算出させ、バッテリコンバータ２２０の動作を制御する。
【００２５】
演算部４０５は、第２平滑コンデンサ２３２の電圧の時間的変化を、以下のように算出する。ここで、バッテリコンバータ２２０の動作を開始する直前の第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣをＶ１、第２平滑コンデンサ２３２の起動時目標電圧をＶｔａｒ１、第２平滑コンデンサ２３２の容量をＣ２、第１平滑コンデンサ１２８の容量をＣ１、二次電池２００の出力制限値をＷｏｕｔとする。第２平滑コンデンサ２３２の起動時目標電圧Ｖｔａｒ１は、燃料電池１００の開回路電圧（ＯＣＶ）よりも高い予め定められた電圧である。なお、「燃料電池１００の開回路電圧」は、燃料電池１００の通常運転時の開回路電圧を意味しており、燃料電池１００に十分な量のカソードガスとアノードガスが供給されている時の開回路電圧を意味している。第１実施形態では、起動時目標電圧Ｖｔａｒ１は、通常運転時の第２平滑コンデンサ２３２の目標電圧の下限値に設定される。このとき、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣをバッテリコンバータ２２０の動作を開始する直前の電圧Ｖ１から起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に上げるのに必要なエネルギーＥｕｐは、以下の式（１）で示される。
Ｅｕｐ＝（Ｃ１＋Ｃ２）（Ｖｔａｒ１２−Ｖ１２）／２  …（１）
式（１）に第１平滑コンデンサ１２８の容量Ｃ１が入っているのは、第１実施形態では、ＦＣコンバータ１２０と、バッテリコンバータ２２０とが接続されており、第１平滑コンデンサ１２８と第２平滑コンデンサ２３２とが並列に接続されているからである。
【００２６】
第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣを現在の電圧Ｖ１から起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に上昇させるまでの時間をＴｕｐとすると、二次電池２００からの電力が出力制限値Ｗｏｕｔに等しいと仮定すると、以下の式（２）が成立する。
Ｅｕｐ＝Ｗｏｕｔ×Ｔｕｐ…（２）
式（１）と式（２）から式（３）が得られる。
Ｗｏｕｔ×Ｔｕｐ＝（Ｃ１＋Ｃ２）（Ｖｔａｒ１２−Ｖ１２）／２…（３）
【００２７】
式（３）において、バッテリコンバータ２２０の起動からの経過時間ｔにおける第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣ（ｔ）とすると、式（４）が得られ、式（４）を第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣ（ｔ）で解くと、式（５）が得られる。
Ｗｏｕｔ×ｔ＝（Ｃ１＋Ｃ２）（ＶＣ（ｔ）２−Ｖ１２）／２…（４）
ＶＣ（ｔ）＝｛（２×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２…（５）
【００２８】
制御部４００は、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣの変化が次の式（６）または式（７）を満たすように、バッテリコンバータ２２０の出力側（高電圧側）の電圧をフィードバック制御すればよい。
ＶＣ（ｔ）＝α×｛（２×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２…（６）
ＶＣ（ｔ）＝｛（２×α×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２…（７）
式（６）、（７）において、係数αの値は、０より大きく１以下の値であり、例えば、０．８〜０．９５の範囲内の値が選択される。
【００２９】
ステップＳ１３０では、制御部４００は、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ１以上となったか否かを判断する。ＶＣ≧Ｖｔａｒ１を満たさない場合には、制御部４００は、処理をステップＳ１２０に戻る。一方、ＶＣ≧ｔａｒ１を満たす場合には、ステップＳ１４０に移行し、インバータ３００を用いてコンプレッサ５１０を駆動して燃料電池１００にカソードガスの供給を開始するとともに、主止弁６２０を開けて、燃料電池１００にアノードガスの供給を開始して、燃料電池１００を発電可能な状態にする。但し、ＦＣコンバータ１２０は、しばらくの間は、非動作状態に維持することが好ましい。この時点では、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣの方が燃料電池１００の開回路電圧よりも高いため、燃料電池１００が発電可能な状態となっても、ＦＣコンバータ１２０を動作させなければ、燃料電池１００から第２平滑コンデンサ２３２に電流が流れない。そのため、燃料電池１００がアノードガスの少ない状態で電力を出力することはなく、燃料電池１００の触媒の劣化が起こり難い。制御部４００は、その後、予め定められた条件（例えば、アノードガスとカソードガスの流量が予め定められた十分な量に達すること等）が成立すると、燃料電池システム１０の通常運転の制御に移行する。
【００３０】
図３は、第１の実施形態における第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣと二次電池２００からの出力電力とコンプレッサ５１０の回転数の変化を示すグラフである。比較例は、バッテリコンバータ２２０の昇圧制御用の電圧指令値を起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に固定して、二次電池２００からの出力制限を行わない例である。
【００３１】
比較例、第１の実施形態のいずれも、制御部４００は、時刻ｔ０でバッテリコンバータ２２０の動作を開始する。比較例では、時刻ｔ１０で、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に達するので、制御部４００は、燃料電池１００に発電を開始させる。しかし、時刻ｔ０から時刻ｔ１０までの二次電池２００からの出力電力Ｐｏｕｔは、出力制限値Ｗｏｕｔを超えているため、二次電池２００が劣化するおそれがある。
【００３２】
一方、第１の実施形態では、二次電池２００からの出力電力Ｐｏｕｔを出力制限値Ｗｏｕｔ以下としており、時刻ｔ２０で、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に達した後に、制御部４００が、燃料電池１００に発電を開始させる。第１の実施形態では、時刻ｔ０から時刻ｔ２０までの間、二次電池２００からの出力電力Ｐｏｕｔは、出力制限値Ｗｏｕｔ以下であるため、二次電池２００の劣化を抑制できる。また、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に達してから燃料電池１００に発電を開始させるので、燃料電池１００の触媒の劣化を抑制できる。
【００３３】
以上、第１の実施形態によれば、制御部４００は、二次電池２００からの出力電力Ｐｏｕｔが出力制限値Ｗｏｕｔを超えないように第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣを上昇させて起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に上昇させるようにバッテリコンバータ２２０を制御し、起動時目標電圧Ｖｔａｒ１に到達した後にアノードガスとカソードガスの供給を開始するので、燃料電池１００の触媒や、二次電池２００の劣化を抑制できる。
【００３４】
・第２実施形態：
図４は、第２の実施形態の燃料電池システム１０の起動時の制御フローチャートである。第２の実施形態の概略構成は、図１に示した第１の実施形態の燃料電池システム１０と同じである。図４に示す第２の実施形態の燃料電池システム１０の起動時の制御フローチャートは、図２のステップＳ１２０、Ｓ１３０をステップＳ１２５、Ｓ１３５に置き換え、また、ステップＳ１４０の後にステップＳ１５０、１６０を追加したものに相当する。以下、異なる点について説明する。
【００３５】
ステップＳ１２５では、制御部４００は、バッテリコンバータ２２０を動作させて、第２平滑コンデンサ２３２（及び第１平滑コンデンサ１２８）を起動時目標電圧Ｖｔａｒ２まで充電する。この起動時目標電圧Ｖｔａｒ２は、燃料電池１００の開回路電圧（ＯＣＶ）より高く、第１の実施形態で用いた起動時目標電圧Ｖｔａｒ１（燃料電池システム１０の通常運転時の第２平滑コンデンサの目標電圧の下限値）よりも低い電圧である。このとき制御部４００は、起動時目標電圧Ｖｔａｒ２までは、式（６）または式（７）を満たすように、フィードバック制御をすることが好ましい。
ＶＣ（ｔ）＝α×｛（２×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２…（６）
ＶＣ（ｔ）＝｛（２×α×Ｗｏｕｔ×ｔ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖ１２｝１／２…（７）
である。
【００３６】
ステップＳ１３５では、制御部４００は、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２以上になったか否かを判断する。第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣがこの起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に到達した以降であれば、燃料電池１００が発電可能な状態となったとしても、ＦＣコンバータ１２０を動作させなければ、燃料電池１００から第２平滑コンデンサ２３２に電流が流れることがなく、燃料電池１００の触媒の劣化を抑制できる。ステップＳ１３５において第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２以上になっている場合には、ステップＳ１４０に移行し、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２以上になっていない場合には、ステップＳ１２５に戻り、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２以上になるまでステップＳ１２５、Ｓ１３５を繰り返す。
【００３７】
ステップＳ１４０では、制御部４００は、第１の実施形態と同様に、インバータ３００を用いてコンプレッサ５１０を駆動して燃料電池１００にカソードガスの供給を開始するとともに、主止弁６２０を開けて燃料電池１００にアノードガスの供給を開始して、燃料電池１００に発電を開始させる。このとき、第１の実施形態と同様に、しばらくの間は、ＦＣコンバータ１２０を非動作状態に維持し、アノードガスとカソードガスの流量が予め定められた十分な量に達した後に、ＦＣコンバータ１２０の動作を開始することが好ましい。
【００３８】
ステップＳ１５０では、制御部４００は、バッテリコンバータ２２０を制御して、第２平滑コンデンサ２３２（及び第１平滑コンデンサ１２８）を目標電圧Ｖｔａｒ１（通常運転時の目標電圧の下限値）まで充電する。このとき、二次電池２００の出力電力の一部の電力がインバータ３００を用いたコンプレッサ５１０の動作や主止弁６２０の開動作によって消費される。したがって、Ｐａｕｘをコンプレッサ５１０及び主止弁６２０の動作時の消費電力としたとき、ステップＳ１５０における制御部４００は、以下の式（８）〜式（１０）のいずれかを満たすように、バッテリコンバータ２２０の出力側（高電圧側）の電圧をフィードバック制御すればよい。
ＶＣ（ｔ）＝β×｛２×（Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２…（８）
ＶＣ（ｔ）＝｛２×β×（Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２…（９）
ＶＣ（ｔ）＝｛２×（β×Ｗｏｕｔ−Ｐａｕｘ）（ｔ−ｔｘ）／（Ｃ１＋Ｃ２）＋Ｖｔａｒ２２｝１／２…（１０）
ここで、ｔｘは、バッテリコンバータ２２０の起動後、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２になるまでの経過時間、βは、０よりも大きく１以下の係数であり、例えば、０．８〜０．９５の範囲内の値が選択される。係数αとβは、同じ値であってもよい。なお、主止弁６２０の開動作は一瞬であり、電力Ｐａｕｘは、ほぼインバータ３００の消費電力とコンプレッサ５１０の消費電力の和に等しい。
【００３９】
ステップＳ１６０では、制御部４００は、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが目標電圧Ｖｔａｒ１以上となったか否かを判断し、ＶＣ≧Ｖｔａｒ１を満たす場合には、その後、通常の制御に移行する。
【００４０】
図５は、第２の実施形態における第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣと二次電池２００からの出力電力とコンプレッサ５１０の回転数の変化を示すグラフである。第２の実施形態では、第１の実施形態において第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが目標電圧Ｖｔａｒ１に達する時刻ｔ２０よりも早い時刻ｔ１５で、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に達する。第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に達すれば、燃料電池１００が発電可能な状態となってもＦＣコンバータ１２０を動作させなければ、燃料電池１００から第２平滑コンデンサ２３２に電流が流れることがない。制御部４００は、時刻ｔ１５で燃料電池１００に、カソードガスやアノードガスの供給を開始する。その後は、二次電池２００の出力電力の一部は、インバータ３００やコンプレッサ５１０の駆動に用いられ、残りが第２平滑コンデンサ２３２の充電に用いられる。したがって、第１の実施形態よりも早く燃料電池１００にカソードガスやアノードガスの供給を開始して燃料電池１００を発電可能な状態とすることができる。すなわち、燃料電池１００の発電開始までの時間を短縮できる。
【００４１】
第２の実施形態によれば、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣが起動時目標電圧Ｖｔａｒ２に達した後、燃料電池１００に、カソードガスやアノードガスの供給を開始するので、第１の実施形態よりも燃料電池１００の発電開始までの時間を短縮できる。このとき、第２平滑コンデンサ２３２の電圧ＶＣは、燃料電池１００の開回路電圧（ＯＣＶ）よりも高いので、燃料電池１００の触媒の劣化を抑制できる。
【００４２】
・変形例１：
上記形態において、ＦＣコンバータ１２０と、バッテリコンバータ２２０と、インバータ３００は、第１高電圧配線１１０により直接接続されているが、第１高電圧配線１１０のＦＣコンバータ１２０と、バッテリコンバータ２２０及びインバータ３００と、の間にリレー（「ＦＣリレー」とも呼ぶ。）を備えても良い。このＦＣリレーは、燃料電池システム１０の停止時には、開状態であり、制御部４００は、図２あるいは図４のステップＳ１００において燃料電池システム１０の起動の指示を受けると、ＦＣリレーを閉状態として、その後にステップＳ１１０に移行することが好ましい。第２平滑コンデンサ２３２に電力が充電されてからＦＣリレーを接続すると、第２平滑コンデンサ２３２の充電状態によっては、第２平滑コンデンサ２３２からＦＣリレーを介して第１平滑コンデンサ１２８に大電流が流れるおそれがある。この電流を避ける為、ＦＣリレーを閉状態にしてからステップＳ１１０に移行することが好ましい。
【００４３】
以上、いくつかの実施例に基づいて本発明の実施の形態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、改良され得るとともに、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。
【符号の説明】
【００４４】
１０…燃料電池システム
１００…燃料電池
１１０…第１高電圧配線（主配線）
１１０ｎ…マイナス側の第１高電圧配線
１１０ｐ…プラス側の第１高電圧配線
１２０…ＦＣコンバータ
１２２…リアクトル（コイル）
１２４…スイッチ
１２６…ダイオード
１２８…第１平滑コンデンサ
２００…二次電池
２０２…電圧センサ
２０４…電流センサ
２０６…温度センサ
２０８…バッテリセンサ
２１０…第２高電圧配線
２１０ｎ…マイナス側の第２高電圧配線
２１０ｐ…プラス側の第２高電圧配線
２２０…バッテリコンバータ
２２２…リアクトル（コイル）
２２４…スイッチ
２２６…スイッチ
２２８…ダイオード
２３０…ダイオード
２３２…第２平滑コンデンサ
２３４…第３平滑コンデンサ
２４０…電圧センサ
３００…インバータ
３１０…駆動モータ
３３０…補機
４００…制御部
４０５…演算部
４１０…スタートスイッチ
５００…カソードガス供給系
５１０…コンプレッサ
５２０…カソードガス配管
６００…アノードガス供給系
６１０…燃料タンク
６２０…主止弁
６３０…アノードガス配管
【図１】
0006354794.tif 000002
【図２】
0006354794.tif 000003
【図３】
0006354794.tif 000004
【図４】
0006354794.tif 000005
【図５】
0006354794.tif 000006