(57)【要約】【課題】車両運転停止中に冷却水ポンプが駆動されても、弱電バッテリーがバッテリー上がり状態に陥ったり、弱電バッテリーが劣化することを防止できる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池１１と、燃料電池１１が発電した強電電力を蓄電するとともに、外部電源ポート２１から供給された電力を蓄電する強電バッテリー１２と、強電電力を弱電電力に変換する電圧変換器１３と、電圧変換器１３で変換された弱電電力を蓄電する弱電バッテリー１４と、冷却水循環流路１５と、電圧変換器１３で変換された弱電電力又は弱電バッテリー１４に蓄電された弱電電力で駆動されて、冷却水を供給する冷却水ポンプ１６と、冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する導電率低減器１７と、外部電源ポート２１に外部電源７０が接続されているときに冷却水ポンプ１６を駆動するポンプ制御部(ステップＳ１６)と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、
前記燃料電池が発電した強電電力を蓄電するとともに、外部電源ポートから供給された電力を蓄電する強電バッテリーと、
前記強電電力を弱電電力に変換する電圧変換器と、
前記電圧変換器で変換された弱電電力を蓄電する弱電バッテリーと、
前記燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水循環流路と、
前記冷却水循環流路に設けられ、前記電圧変換器で変換された弱電電力又は前記弱電バッテリーに蓄電された弱電電力で駆動されて、前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプと、
前記冷却水循環流路に設けられ、通過する冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する導電率低減器と、
前記外部電源ポートに外部電源が接続されているときに前記冷却水ポンプを駆動するポンプ制御部と、
を含む燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
前記ポンプ制御部は、前記外部電源の電力によって前記強電バッテリーが充電されているときに前記冷却水ポンプを駆動する、
燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却水循環流路に設けられ、前記冷却水ポンプが駆動されるときに前記冷却水を加温する冷却水加温器をさらに含む、
燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記強電バッテリーの充電の完了時刻を予測する充電完了時刻予測部と、
前記冷却水からイオンを除去するのに要する時間を予測する除去時間予測部と、
をさらに含み、
前記ポンプ制御部は、イオン除去の完了時期が、前記強電バッテリーの充電の完了時刻に一致するように、前記冷却水ポンプの駆動を開始する、
燃料電池システム。
【請求項５】
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
車室内の温度を調整する空調装置をさらに含み、
前記ポンプ制御部は、前記空調装置が車室内の温度を調整するときに前記冷却水ポンプを駆動する、
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電反応時に発熱する。これを冷却するために、冷却水が循環供給される。この冷却水に、燃料電池や冷却水配管から溶出したイオンが溶け込む可能性がある。冷却水にイオンが溶け込んで、冷却水の導電率が高くなると、燃料電池の内部で短絡が生じるおそれがある。
【０００３】
そこで特許文献１では、車両運転停止中は、所定時間経過するごとに冷却水ポンプを駆動して、イオン交換フィルターに冷却水を循環させることで、冷却水の導電率を低減させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１２８８１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、車両運転停止中に冷却水ポンプを駆動すると、弱電バッテリーの電力を消費するので、弱電バッテリーの電圧が著しく低下して、弱電バッテリーがバッテリー上がり状態に陥ったり、弱電バッテリーが劣化する可能性があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされた。本発明の目的は、車両運転停止中に冷却水ポンプが駆動されても、弱電バッテリーがバッテリー上がり状態に陥ったり、弱電バッテリーが劣化することを防止できる燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。
【０００８】
本発明による燃料電池システムのひとつの態様は、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されて発電する燃料電池と、前記燃料電池が発電した強電電力を蓄電するとともに、外部電源ポートから供給された電力を蓄電する強電バッテリーと、前記強電電力を弱電電力に変換する電圧変換器と、前記電圧変換器で変換された弱電電力を蓄電する弱電バッテリーと、前記燃料電池を冷却する冷却水が流れる冷却水循環流路と、前記冷却水循環流路に設けられ、前記電圧変換器で変換された弱電電力又は前記弱電バッテリーに蓄電された弱電電力で駆動されて、前記燃料電池に冷却水を供給する冷却水ポンプと、前記冷却水循環流路に設けられ、通過する冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する導電率低減器と、を含む。そして前記外部電源ポートに外部電源が接続されているときに前記冷却水ポンプを駆動するポンプ制御部をさらに含む。
【発明の効果】
【０００９】
この態様によれば、外部電源ポートに外部電源が接続されているときに冷却水ポンプが駆動されるので、弱電バッテリーがバッテリー上がり状態に陥ったり、弱電バッテリーが劣化することが防止される。
【００１０】
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。
【図２】図２は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。
【図３】図３は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す制御フローチャートである。
【図４】図４は、第３実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。
【図５】図５は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。
【図６】図６は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態の制御フローチャートである。
【図７】図７は、第４実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態を示す図である。
【００１３】
燃料電池システム１は、燃料電池１１と、強電バッテリー１２と、電圧変換器１３と、弱電バッテリー１４と、冷却水循環流路１５と、冷却水ポンプ１６と、導電率低減器１７と、ラジエーター１８と、外部電源ポート２１と、充電器２２と、を含む。
【００１４】
燃料電池１１は、電解質膜の両面にカソード電極触媒層及びアノード電極触媒層が形成された膜電極接合体(Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ)が数百枚積層されて構成される。酸化剤ガス(カソードガスＯ2)及び燃料ガス(アノードガスＨ2)が供給されると、各膜電極接合体(ＭＥＡ)は、カソード電極触媒層及びアノード電極触媒層において次式(1-1)(1-2)の反応が生じて発電する。
【００１５】
【数１】
2013196808.tif 000003
【００１６】
強電バッテリー１２は、燃料電池１１が発電した強電電力を蓄電する。また強電バッテリー１２は、外部電源ポート２１から充電器２２を介して供給された強電電力を蓄電する。強電バッテリー１２の電力は、強電回路(たとえば車両駆動モーターやエアーコンディショナーコンプレッサー)に供給される。また強電バッテリー１２は、車両から回生した電力を蓄電する。
【００１７】
電圧変換器１３は、強電電力を弱電電力に変換する。電圧変換器１３は、たとえばＤＣ／ＤＣコンバーターである。
【００１８】
弱電バッテリー１４は、電圧変換器１３で変換された弱電電力を蓄電する。弱電バッテリー１４の電力は、弱電回路(たとえば冷却水ポンプ)に供給される。
【００１９】
冷却水循環流路１５は、燃料電池１１を冷却する冷却水が流れる。なお冷却水循環流路１５には、導電率計が取り付けれている。この導電率計は、冷却水の導電率を検出する。
【００２０】
冷却水ポンプ１６は、冷却水循環流路１５に設けられる。冷却水ポンプ１６は、燃料電池１１に冷却水を循環供給する。冷却水ポンプ１６は、電圧変換器１３で変換された弱電電力や弱電バッテリー１４に蓄電された弱電電力で駆動される。なお燃料電池１１及び冷却水ポンプ１６は、燃料電池システムコントローラー２１で制御される。
【００２１】
導電率低減器１７は、冷却水循環流路１５に設けられる。導電率低減器１７は、通過する冷却水からイオンを除去して冷却水の導電率を低減する。導電率低減器１７は、燃料電池や冷却水配管から溶出したイオンを捕捉して冷却水の導電率を下げる。導電率低減器１７は、たとえばイオン交換フィルターである。
【００２２】
ラジエーター１８は、冷却水の熱を放熱する。
【００２３】
外部電源ポート２１は、系統電源などの外部電源７０の充電ガン７１が接続される。
【００２４】
充電器２２は、外部電源ポート２１から供給された電力を、強電バッテリー１２の充電電力(強電電力)に変換する。充電器２２は、たとえばＤＣ／ＤＣコンバーターである。
【００２５】
ここで本実施形態の理解を容易にするために、解決課題について説明する。
【００２６】
燃料電池は、発電反応時に発熱する。これを冷却するために、冷却水が循環供給される。この冷却水に、燃料電池や冷却水配管から溶出したイオンが溶け込む可能性がある。冷却水にイオンが溶け込んで、冷却水の導電率が高くなると、燃料電池の内部で短絡が生じるおそれがある。そこで車両の運転停止中に冷却水ポンプを駆動して、イオン交換フィルターに冷却水を循環させることで、冷却水の導電率を低減させることが考えられる。
【００２７】
しかしながら、何らの工夫なくそのような手法を適用しては、冷却水ポンプを駆動する弱電バッテリーの電圧が著しく低下して、弱電バッテリーがバッテリー上がり状態に陥ったり、弱電バッテリーが劣化する可能性があった。
【００２８】
そこで、発明者は、外部電源ポート２１に外部電源７０が接続されているときに冷却水ポンプ１６を駆動することで、弱電バッテリーの電圧低下を防止するようにした。なお強電バッテリー１２の充電タイミングに合わせて冷却水ポンプ１６を駆動することが特に望ましい。冷却水ポンプ１６が作動するときの音(作動音)が、車両ユーザーに違和感を与える可能性がある。強電バッテリーが充電されるときには、充電器(ＤＣ／ＤＣコンバーター)の作動音が発生するので、この音によって冷却水ポンプ１６の作動音が聞こえにくくなる。したがって、車両ユーザーは、冷却水ポンプ１６の作動音による違和感を感じにくくなるからである。
【００２９】
また本実施形態によれば、車両が車庫などに駐車している状態で、イオン除去処理がなされる。仮にイオン処理がなされていなければ、ユーザーによるシステム起動指令がなされてから、イオン処理を実行する必要があり、すぐには走行できない。しかしながら、本実施形態によれば、車両が車庫などに駐車している状態で、イオン除去処理がなされるので、ユーザーによるシステム起動指令の直後に、走行可能な状態になる。
【００３０】
（第２実施形態）
図２は、本発明による燃料電池システムの第２実施形態を示す図である。
【００３１】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００３２】
本実施形態は、第１実施形態の構成に対して、冷却水加温器４０が追加されている。冷却水加温器４０は、冷却水循環流路１５に設けられる。そして冷却水加温器４０は、冷却水ポンプ１６が駆動されるときに、冷却水を加温する。
【００３３】
このようになっているので、この第２実施形態によれば、冷却水の循環に合わせて冷却水加温器４０が作動するので、冷却水加温器４０による過加熱を防止できるとともに、燃料電池を昇温できるので、特に冬季の起動時間を短くできる。
【００３４】
（第３実施形態）
図３は、本発明による燃料電池システムの第３実施形態を示す制御フローチャートである。
【００３５】
この第３実施形態では、強電バッテリー１２の充電完了時刻に合わせて、イオン除去処理も完了するようにした。具体的な内容は、図３の制御フローチャートに沿って説明する。なおコントローラーは、微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。
【００３６】
ステップＳ１１においてコントローラーは、イオン除去処理の開始時刻を演算済みが否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ１５へ処理を移行する。
【００３７】
ステップＳ１２においてコントローラーは、強電バッテリー１２の充電完了時刻を予測する。具体的には、コントローラーは、強電バッテリー１２の充電率ＳＯＣや外気温などを予め設定されているマップに適用したり、演算式に基づいて、充電完了時刻を予測する。
【００３８】
ステップＳ１３においてコントローラーは、イオン除去に要する時間を予測する。具体的には、コントローラーは、導電率計で検出された冷却水の導電率などに基づいて、イオン除去に要する時間を予測する。なお冷却水の導電率が基準値よりも下回った状態が、イオン除去の完了状態であり、イオンを完全除去できていなくてもよい。基準値は、適宜設定される。
【００３９】
ステップＳ１４においてコントローラーは、イオン除去処理の開始時刻を演算する。具体的には、コントローラーは、強電バッテリー１２の充電完了時刻に、イオン除去処理も完了するようにする。すなわちコントローラーは、強電バッテリー１２の充電完了時刻から、イオン除去に要する時間を差し引いた時刻を、イオン除去処理の開始時刻として求める。
【００４０】
ステップＳ１５においてコントローラーは、イオン除去処理の開始時刻であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であれば処理を抜け、判定結果が肯になったらステップＳ１６へ処理を移行する。
【００４１】
ステップＳ１６においてコントローラーは、イオン除去処理を開始する。具体的には、冷却水ポンプ１６の作動を開始する。
【００４２】
図４は、第３実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。
【００４３】
以上の制御フローチャートが実行されて以下のように作動する。
【００４４】
時刻ｔ１１で、強電バッテリーの充電が開始されてバッテリーＳＯＣが大きくなる。そして、強電バッテリーの充電完了時刻が予測されるとともに(ステップＳ１２)、イオン除去に必要な時間が予測され(ステップＳ１３)、イオン除去処理の開始時刻が演算される(ステップＳ１４)。
【００４５】
そして、イオン除去処理の開始時刻になるまでは、ステップＳ１１→Ｓ１５が繰り返し実行される。
【００４６】
本実施形態におけるイオン除去処理の開始時刻である時刻ｔ１３になったら、ステップＳ１１→Ｓ１５→Ｓ１６が処理されてイオン除去処理が開始される。具体的には、冷却水ポンプ１６に電力が供給されて(図４(Ｂ))、冷却水ポンプ１６の作動が開始する。これによって冷却水が循環し(図４(Ｃ))、導電率低減器１７に冷却水が通過してイオンが除去されて冷却水の導電率が低減する(図４(Ｄ))。
【００４７】
次に本実施形態の作用効果について説明する。
【００４８】
比較形態では、時刻ｔ１３よりも早期の時刻ｔ１２でイオン除去処理を開始している。このようにすると、強電バッテリー１２の充電完了時刻ｔ１５よりも早期の時刻ｔ１４でイオン除去処理が終了する。このようになっては、時刻ｔ１４以降に、燃料電池や冷却水配管から溶出したイオンが溶け込む可能性がある。これに対して本実施形態によれば、強電バッテリー１２の充電完了時刻に、イオン除去処理も完了するように、イオン除去処理の開始を時刻ｔ１３まで遅らせている。したがって、走行するまでに極力イオンの溶け出しを抑制して、できるだけイオンが少ない状態で走行を開始できる。またイオン除去処理の開始を時刻ｔ１３よりもさらに遅らせては、強電バッテリー１２の充電完了後も、冷却水ポンプ１６が作動してしまう。このようになっては、車両ユーザーが、冷却水ポンプ１６の作動音による違和感を感じる可能性がある。これに対して、本実施形態によれば、強電バッテリーを充電中、すなわち充電器(ＤＣ／ＤＣコンバーター)の作動音が発生しているときに冷却水ポンプ１６を作動させるので、この音によって冷却水ポンプ１６の作動音が聞こえにくくなる。したがって、車両ユーザーは、冷却水ポンプ１６の作動音による違和感を感じにくくなる。
【００４９】
なお図４では、強電バッテリーの充電が完了するのに合わせてイオン除去処理も完了しているが(時刻ｔ１５)、必ずしも厳密に同時に停止する必要はない。
【００５０】
（第４実施形態）
図５は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態を示す図である。
【００５１】
本実施形態は、第２実施形態の構成に対して、冷却水循環流路１５から分岐する分岐流路５０が追加される。そして、分岐流路５０には、空調装置を構成する部品であるＨＶＡＣ(Heating Ventilation and Air Conditioning)５１が設けられている。空調装置の構成部品としては、他にもエアーコンディショナーコンプレッサー５２がある。
【００５２】
図６は、本発明による燃料電池システムの第４実施形態の制御フローチャートである。
【００５３】
この第４実施形態では、走行開始予定時刻の前に車内の空調を作動させて車室内の温度を適温にする、いわゆるプリ空調に合わせてイオン除去処理を実行するようにした。具体的な内容は、図６の制御フローチャートに沿って説明する。なおコントローラーは、微小時間(たとえば１０ミリ秒)ごとにこのフローチャートを繰り返し実行する。またステップＳ１３〜ステップＳ１６は、第３実施形態と同様であるので、重複する説明を適宜省略する。
【００５４】
ステップＳ２１においてコントローラーは、各処理の開始時刻を演算済みが否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ２２へ処理を移行し、判定結果が肯であればステップＳ２５へ処理を移行する。
【００５５】
ステップＳ２２においてコントローラーは、走行開始予定時刻を取得する。なお走行開始予定時刻は、予めユーザーによって設定されている。
【００５６】
ステップＳ２３においてコントローラーは、強電バッテリー１２の充電に要する時間を予測する。具体的には、コントローラーは、強電バッテリー１２の充電率ＳＯＣや外気温などを予め設定されているマップに適用したり、演算式に基づいて、充電に要する時間を予測する。
【００５７】
ステップＳ２４においてコントローラーは、強電バッテリー１２の充電開始時刻を演算する。具体的には、コントローラーは、走行開始予定時刻に、強電バッテリー１２の充電も完了するようにする。すなわちコントローラーは、走行開始予定時刻から、強電バッテリー１２の充電に要する時間を差し引いた時刻を、強電バッテリー１２の充電開始時刻として求める。
【００５８】
ステップＳ２５においてコントローラーは、強電バッテリー１２の充電開始時刻であるか否かを判定する。コントローラーは、判定結果が否であればステップＳ１５へ処理を移行し、判定結果が肯になったらステップＳ２６へ処理を移行する。
【００５９】
ステップＳ２６においてコントローラーは、強電バッテリー１２の充電を開始する。
【００６０】
ステップＳ２７においてコントローラーは、車内空調の開始時刻であるか否かを判定する。なお車内空調の開始時刻は、走行開始予定時刻に基づいて設定されている。コントローラーは、判定結果が否であれば処理を抜け、判定結果が肯になったらステップＳ２８へ処理を移行する。
【００６１】
ステップＳ２８においてコントローラーは、車内空調(プリ空調)を開始する。
【００６２】
図７は、第４実施形態の制御フローチャートが実行されたときの作動を説明するタイミングチャートである。
【００６３】
以上の制御フローチャートが実行されて以下のように作動する。
【００６４】
時刻ｔ２１で、強電バッテリーの充電が開始されてバッテリーＳＯＣが大きくなる。そして、各処理の開始時刻が予測される(ステップＳ２２→Ｓ２３→Ｓ２４→Ｓ１３→Ｓ１４)。
【００６５】
そして、各処理の開始時刻になるまでは、ステップＳ２１→Ｓ２５→Ｓ１５→Ｓ２７が繰り返し実行される。
【００６６】
そして、各処理の開示時刻になったら、ステップＳ２５→Ｓ２６，ステップＳ１５→Ｓ１６，ステップＳ２７→Ｓ２８が処理されて各処理が開始される。
【００６７】
なお、図７では、簡易的にすべての処理が時刻ｔ２２で開始するものとして示されている。また図７では、各処理が同時に完了しているが(時刻ｔ２３)、必ずしも厳密に同時に完了しなくてもよい。
【００６８】
本実施形態によれば、走行開始予定時刻の直前に、車室内の温度が適温に保たれるとともに、強電バッテリーの充電及びイオン除去処理も完了する。エアーコンディショナーコンプレッサー５２は作動音を発生するが、これはユーザーの意思によって作動が予定されたものであるので、エアーコンディショナーコンプレッサー５２は作動音はユーザーに違和感を与えない。そして、この音によって冷却水ポンプ１６の作動音が聞こえにくくなる。したがって、車両ユーザーは、冷却水ポンプ１６の作動音による違和感を感じにくくなる。
【００６９】
また走行開始予定時刻の直前に、車室内の温度が適温に保たれるとともに、強電バッテリーの充電及びイオン除去処理も完了するので、できるだけイオンが少ない最良の状態で走行を開始できる。
【００７０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００７１】
たとえば上記実施形態は、適宜組み合わせ可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１  燃料電池システム
１１  燃料電池
１２  強電バッテリー
１３  電圧変換器
１４  弱電バッテリー
１５  冷却水循環流路
１６  冷却水ポンプ
１７  導電率低減器
１８  ラジエーター
２１  外部電源ポート
２２  充電器
７０  外部電源
７１  充電ガン
ステップＳ１６  ポンプ制御部
【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】
2013196808.tif 000009
【図７】
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