(57)【要約】【課題】システム始動時が燃料電池が発電不可となるような低温時であっても、燃料電池を加熱しつつ電力消費装置を運転することができる燃料電池システムの提供。【解決手段】燃料電池と、燃料電池で発電された電力を蓄電する蓄電装置と、燃料電池と蓄電装置の少なくとも一方から電力が供給される電力消費装置と、蓄電装置に蓄電された電力で燃料電池を加熱する加熱装置とを有し、システム始動要求時（Ｓ７，Ｓ８）に、燃料電池を発電可能となるまで加熱装置で加熱するのに要する必要電力量を割り出し、該必要電力量と蓄電装置の充電残量とに基づいて、蓄電装置から加熱装置及び電力消費装置への電力供給を分配制御する（Ｓ１０）。【選択図】図２
2007220552.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を蓄電する蓄電装置と、前記燃料電池と前記蓄電装置の少なくとも一方から電力が供給される電力消費装置と、前記蓄電装置に蓄電された電力で前記燃料電池を加熱する加熱装置と、少なくとも前記蓄電装置から前記加熱装置及び前記電力消費装置への電力供給を制御する電力供給制御部と、を有する燃料電池システムであって、
前記電力供給制御部は、システム始動要求時に、前記燃料電池を発電可能となるまで前記加熱装置で加熱するのに要する必要電力量を求め、該必要電力量と前記蓄電装置の充電残量とに基づいて、前記蓄電装置から前記加熱装置及び前記電力消費装置への電力供給を分配制御する燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、外気温を検出する外気温検出部と、を更に有し、
前記充電制御部は、システム停止要求時に前記外気温検出部で検出された外気温が所定の低温判定閾値よりも低い場合に、前記燃料電池の発電で前記蓄電装置を充電する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、外気温を検出する外気温検出部と、を更に有し、
前記充電制御部は、前記燃料電池の運転停止後に前記外気温検出部で検出された外気温が前記低温判定閾値よりも低くなった場合に、前記燃料電池の運転を再開して前記蓄電装置を充電する請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記充電制御部は、前記場合に前記蓄電装置を満充電にする請求項２又は３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記充電制御部は、前記蓄電装置の充電残量に基づいて単位時間あたりの充電量を制御する請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池と蓄電装置とを搭載した燃料電池システムに関し、特に、低温時の制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）との電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムには、電解質膜の両面を一対の電極（アノード極、カソード極）で挟持して成る単セルを所定数積層したものがあるが、このような燃料電池においては、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）に含まれていた加湿用の水分や電池反応で生じた生成水が電池運転停止時に燃料電池内部で凍結し、電池運転を阻害する虞がある。
【０００３】
また、外気温度が低温である程、飽和水蒸気量が低下するため、スタック内部を低湿度に保持しておかないとガスチャンネル等に水分が凝縮し、凍結する虞がある。このため、例えば、セパレータにヒータを設置しておき、フラッディング発生時にヒータを発熱させ、ガスチャンネル等に凝集した水分を強制的に蒸発させて水分除去する技術がある。
【０００４】
そして、バッテリに蓄電された電力で燃料電池を加熱して水分を強制的に蒸発させるには、外気温度又はスタック温度が低温である程、多くの電力を必要とするため、バッテリの充電残量（ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ））を考慮しないでヒータを通電すると、充電残量が過度に低下してしまう虞がある。このため、バッテリの充電残量に応じて、ヒータへの電力供給を制御する技術がある（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３０２４９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池は、内部の凍結水分が融解すれば、凍結水分を蒸発させなくても直ちに運転を開始できることから、消費電力を抑えるために、システム始動開始要求後にヒータで燃料電池を加熱する場合がある。この場合、システム始動開始要求後に燃料電池が運転可能な状態となるまで電力消費装置への電力供給を待たなければならない。
【０００６】
つまり、例えば車両に搭載される場合には、燃料電池が運転可能な状態となるまで電力消費装置である走行用駆動モータへの電力供給ができず、走行不可となってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、システム始動時が燃料電池が発電不可となるような低温時であっても、燃料電池を加熱しつつ電力消費装置を運転することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、前記燃料電池で発電された電力を蓄電する蓄電装置と、前記燃料電池と前記蓄電装置の少なくとも一方から電力が供給される電力消費装置と、前記蓄電装置に蓄電された電力で前記燃料電池を加熱する加熱装置と、少なくとも前記蓄電装置から前記加熱装置及び前記電力消費装置への電力供給を制御する電力供給制御部と、を有する燃料電池システムであって、前記電力供給制御部は、システム始動要求時に、前記燃料電池を発電可能となるまで前記加熱装置で加熱するのに要する必要電力量を求め、該必要電力量と前記蓄電装置の充電残量とに基づいて、前記蓄電装置から前記加熱装置及び前記電力消費装置への電力供給を分配制御する。
【０００９】
この構成によれば、システム始動時が燃料電池が発電不可となるような低温時であっても、システム停止時やシステム停止中に充電された蓄電装置から加熱装置へ電力を供給することにより、燃料電池を加熱することが可能となる。また、この燃料電池を加熱している間に、蓄電装置から電力消費装置へ電力を供給することにより、電力消費装置をも運転することも可能となる。さらに、燃料電池を発電可能とするまでに電力が不足してしまうといった状況を回避できる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池から前記蓄電装置への充電を制御する充電制御部と、外気温を検出する外気温検出部と、を更に有する場合には、前記充電制御部は、システム停止要求時に前記外気温検出部で検出された外気温が所定の低温判定閾値よりも低い場合に、前記燃料電池の発電で前記蓄電装置を充電するようにしてもよいし、前記燃料電池の運転停止後に前記外気温検出部で検出された外気温が前記低温判定閾値よりも低くなった場合に、前記燃料電池の運転を再開して前記蓄電装置を充電するようにしてもよい。
【００１１】
また、前記充電制御部は、これらの場合に、前記蓄電装置を満充電してもよい。
【００１２】
さらに、前記充電制御部は、前記蓄電装置の充電残量に基づいて単位時間あたりの充電量を制御してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、システム始動時が燃料電池が発電不可となるような低温時であっても、燃料電池を加熱しつつ電力消費装置を運転することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に、本発明を実施するための好適な一実施の形態を、図面を参照しながら説明する。本実施形態は、電気自動車等の移動体に搭載する燃料電池システムであるが、本発明の一形態に過ぎず、その他の燃料電池システムにも適用可能である。
【００１５】
図１に本実施形態の燃料電池システムのシステム構成図を示す。この燃料電池システム１は、燃料電池車両の電力供給装置として機能するハイブリッドシステムとして構成されている。
【００１６】
この燃料電池システム１は、主に、システム全体を制御するマイコン、ＩＣ等のコントローラ（充電制御部、電力供給制御部）１０と、外気温を検出する温度センサ（外気温検出部）１１と、反応ガスの供給を受けて電力を発電する燃料電池１２と、この燃料電池１２にインバータ（電力供給制御部）１３を介して接続されるとともに燃料電池１２で発電された電力が供給されて駆動される走行用の駆動モータ（電力消費装置）１４と、燃料電池１２にコンバータ（充電制御部）１５を介して接続されるとともに燃料電池１２で発電された電力が供給されて蓄電を行う蓄電装置１６と、蓄電装置１６に蓄電された電気エネルギーを熱エネルギーに変換して燃料電池１２を加熱する図示略の加熱ヒータ（加熱装置）と、を備えて構成されている。
【００１７】
燃料電池１２はコントローラ１０から出力される燃料電池制御指令に基づいて制御される図示略のガス供給装置から反応ガスが供給されることになり、インバータ１３はコントローラ１０から出力されるＰＷＭ指令に基づいて駆動モータ１４を制御し、コンバータ１５はコントローラ１０から出力されるＰＷＭ指令に基づいて蓄電装置１６の充放電を制御する。
【００１８】
燃料電池１２は、図示は略すが、フッ素系樹脂等により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜等から成る高分子電解質膜の両面にアノード極とカソード極をスクリーン印刷等で形成した膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えている。膜電極接合体の両面はリブ付セパレータによってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極及びカソード極との間にそれぞれ溝状のアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルを形成している。このような単セルが複数、セパレータを介して直列に接続されて燃料電池１２が構成されている。
【００１９】
燃料電池１２の内部には図示略の上記した加熱ヒータが取り付けられており、加熱ヒータは蓄電装置１６から供給される電気エネルギーを熱エネルギーに変換して燃料電池１２を加熱する。蓄電装置１６から加熱ヒータへの電力の供給及び遮断はコントローラ１０により制御される。
【００２０】
蓄電装置１６は、ブレーキ回生時の回生エネルギー貯蔵源、車両の加速又は減速に伴う負荷変動時のエネルギーバッファとしての役割を担うものであり、燃料電池１２からの電力の供給及び遮断も含めてコントローラ１０によって充放電が制御される。なお、蓄電装置１６としては、電気エネルギーを充放電できる手段であれば特に限定されるものではなく、例えば、ニッケル・カドミウム蓄電池、ニッケル・水素蓄電池、リチウム二次電池などの二次電池や、電気二重層コンデンサなどが好適である。
【００２１】
通常運転時に、コントローラ１０は、燃料電池１２の出力電力が目標電力に一致するようにガス供給装置を駆動制御し、アノードガスチャンネルとカソードガスチャンネルの各々に燃料ガス（水素ガス）と酸化ガス（加圧エア）を供給する。燃料電池１２の目標電力は車速やアクセル操作量などの負荷要求に基づいて算出される。燃料電池１２が発電した電力は車両走行用の駆動モータ１４や補機類などの電力負荷（図示せず）で消費される他、余剰電力は蓄電装置１６に充電される。
【００２２】
一方、システム停止時に、コントローラ１０は、図２に示すフローチャートのルーチンを実行する。同ルーチンにおいてイグニッションスイッチオフ等のシステム停止要求が検出されると（ステップＳ１；ＹＥＳ）、燃料電池システム１を停止する前にコントローラ１０は温度センサ１１が検出した外気温度を取得し、この外気温度が所定の低温判定閾値よりも低いか否かを判定する（ステップＳ２）。
【００２３】
外気温度が低温判定閾値よりも低ければ（ステップＳ２；ＹＥＳ）、システム停止前に燃料電池１２の発電で蓄電装置１６を満充電の充電残量（ＳＯＣ）となるまで充電した後にガス供給装置を停止させて燃料電池１２の運転を停止させる（ステップＳ３）。
【００２４】
なお、この蓄電装置１６の充電時には、充電残量（ＳＯＣ）に従って単位時間当たりの充電量を切り替えて蓄電装置１６への負担を軽減し寿命を延長する。具体的には、充電前の充電残量（ＳＯＣ）から満充電の充電残量（ＳＯＣ）となるまでの電力量を算出し、充電残量（ＳＯＣ）の上昇に伴って単位時間当たりの充電量を緩やかにするように燃料電池１２の発電電力を制御する。そして、満充電の充電残量（ＳＯＣ）となると制御を終了する。
【００２５】
他方、システム停止要求時の外気温度が所定の低温判定閾値以上であれば（ステップＳ２；ＮＯ）、ガス供給装置をそのまま停止させて燃料電池１２の運転を停止させる通常終了処理を行う（ステップＳ４）。このように通常終了処理を行った後、コントローラ１０は、温度センサ１１が検出した外気温度を取得し、この外気温度が低温判定閾値よりも低いか否かを判定する（ステップＳ５）。
【００２６】
外気温度が低温判定閾値よりも低ければ（ステップＳ５；ＹＥＳ）、自動でガス供給装置を駆動して燃料電池１２の運転を再開し、燃料電池１２の発電で蓄電装置１６を満充電の充電量（ＳＯＣ）となるまで充電した後にガス供給装置を停止させて燃料電池１２の運転を停止させる（ステップＳ６）。
【００２７】
なお、この蓄電装置１６の充電時にも、充電残量（ＳＯＣ）に従って単位時間当たりの充電量を切り替えて蓄電装置１６への負担を軽減し寿命を延長する。具体的には、充電前の充電残量（ＳＯＣ）から満充電の充電残量（ＳＯＣ）となるまでの電力量を算出し、充電残量（ＳＯＣ）の上昇に伴って単位時間当たりの充電量を緩やかにするように燃料電池１２の発電電力を制御する。そして、満充電の充電残量（ＳＯＣ）となると制御を終了する。
【００２８】
ここで、コントローラ１０は、燃料電池１２の運転停止後（ステップＳ４）、再びイグニッションスイッチオン等のシステム始動要求が検出されるまで、外気温度を監視する（ステップＳ５，Ｓ７）。
【００２９】
ステップＳ３，Ｓ５，Ｓ６の後に、イグニッションスイッチオン等のシステム始動要求が検出されると（ステップＳ７；ＹＥＳ、ステップＳ８；ＹＥＳ）、コントローラ１０は、温度センサ１１が検出した外気温度を取得し、この外気温度が所定の燃料電池加熱閾値よりも低いか否かを判定する（ステップＳ９）。
【００３０】
システム始動要求時に、外気温度が燃料電池加熱閾値よりも低ければ（ステップＳ９；ＹＥＳ）、コントローラ１０は、外気温度の低温積算時間及び適合等により、燃料電池１２を発電可能となるまで図示略の加熱ヒータで加熱するのに要する必要電力量及び必要時間を割り出し、これらの必要電力量及び必要時間と蓄電装置１６の充電残量（ＳＯＣ）とに基づいて、蓄電装置１６から加熱ヒータ及び駆動モータ１４への電力供給を分配制御する（ステップＳ１０）。
【００３１】
勿論、このとき、燃料電池１２は発電不可であるため、蓄電装置１６の電力のみを加熱ヒータ及び駆動モータ１４へ供給する。
【００３２】
具体的に、コントローラ１０は、蓄電装置１６の充電残量（ＳＯＣ）から、燃料電池１２が確実に発電可能となるまで加熱ヒータで加熱するのに要する必要電力量を減算し、さらに所定のマージンを減算した残りの電力量を、走行用の駆動モータ１４への供給可能電力量とする。
【００３３】
システム始動要求後の初動時、つまり燃料電池１２を発電可能に加熱するまでの間は、この供給可能電力量の範囲で、車速やアクセル操作量などの負荷要求に応じた電力を駆動モータ１４に供給して車両の走行を行う。このとき、コントローラ１０は、燃料電池１２を発電可能となるまでの必要時間の間に蓄電装置１６の充電残量（ＳＯＣ）が全て消費されることがないように、負荷要求に対する駆動モータ１４への電力供給を必要により抑制制御する。
【００３４】
なお、ステップＳ２，Ｓ５で外気温が低温判定閾値よりも低い場合、つまり次のシステム始動要求時に燃料電池１２の加熱が必要となる可能性が高い場合に、ステップＳ３，Ｓ６で蓄電装置１６を満充電まで追加充電しているため、ステップＳ１０における蓄電装置１６の電力のみによる加熱ヒータ及び駆動モータ１４の同時駆動に良好に対応できる。
【００３５】
そして、燃料電池１２を発電可能となるまで加熱ヒータで加熱した後（ステップＳ１１；ＹＥＳ）、燃料電池１２で発電された電力を主体として駆動モータ１４へ電力を供給する通常制御に移行する（ステップＳ１２）。なお、上記したシステム始動要求時に、外気温度が燃料電池加熱閾値以上であれば（ステップＳ９；ＮＯ）、コントローラ１０は、そのままステップＳ１２で通常制御に移行する。
【００３６】
以上に述べた本実施形態の燃料電池システムによれば、システム始動要求時に、蓄電装置１６から加熱ヒータ及び駆動モータ１４への電力供給を分配制御するため、低温でシステム始動要求直後に燃料電池１２が発電不可であっても加熱ヒータへ電力を供給しつつ駆動モータ１４へも電力を供給して駆動モータ１４を運転でき車両を走行させることができる。
【００３７】
しかも、燃料電池１２を発電可能となるまで加熱ヒータで加熱するのに要する必要電力量と蓄電装置１６の充電残量（ＳＯＣ）とに基づいて駆動モータ１４へ電力を供給するため、燃料電池１２を発電可能とするまでの電力が不足してしまうといった状況を回避できる。したがって、低温時でも駆動モータ１４への電力供給を良好に行うことができて車両の走行が可能となる。
【００３８】
また、システム停止要求時に外気温が低温判定閾値よりも低い場合、つまり次回始動時に燃料電池１２の加熱を要する可能性が高い場合に、燃料電池１２の発電で蓄電装置１６を追加充電した後に燃料電池１２の運転を停止するため、次回始動時に燃料電池１２の加熱が必要であっても十分な充電残量を蓄電装置１６に確保していることになる。したがって、燃料電池１２の加熱及び駆動モータ１４の駆動を十分に行うことができる。
【００３９】
さらに、システム停止要求があったときには外気温が低温判定閾値よりも低くなかったとしても、燃料電池１２の運転停止後も外気温を監視し、外気温が低温判定閾値よりも低くなった場合、つまり次回始動時に燃料電池１２の加熱を要する可能性が高い場合に、燃料電池１２の運転を再開して蓄電装置１６を充電するため、次回始動時に燃料電池１２の加熱が必要であっても十分な充電残量を蓄電装置１６に確保していることになる。したがって、燃料電池１２の加熱及び駆動モータ１４の駆動を十分に行うことができる。
【００４０】
なお、以上においては、ステップＳ３，Ｓ６で蓄電装置１６を満充電まで追加充電する場合を例にとり説明したが、燃料電池１２の加熱及びその間の駆動モータ１４の駆動に十分な充電量が得られる所定の充電残量（ＳＯＣ）となれば良く、必ずしも満充電まで追加充電しなくても良い。
【００４１】
また、以上においては、燃料電池１２の加熱ヒータとして特にその加熱方式を規定していないが、電熱線等によって燃料電池１２へ供給するガスを加熱したり、燃料電池１２の冷却システムを流れる冷却水を加熱したり、燃料電池１２を直接加熱したりすること等が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態の燃料電池システムを示す概略構成図である。
【図２】同燃料電池システムの要部の制御内容を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００４３】
１…燃料電池システム，１０…コントローラ（充電制御部、電力供給制御部），１２…燃料電池，１４…駆動モータ（電力消費装置），１６…蓄電装置。
【図１】
2007220552.tif 000003
【図２】
2007220552.tif 000004