JP2001229950A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、燃料電池スタックの起動時におけ
る二次電池の過放電を防止できる燃料電池システムを提
供することにある。 【解決手段】 燃料電池スタック１を２つに分割して、
第１燃料電池スタック部１ａのみを選択的に起動可能な
構成（バイパス管７と流路切替装置９）と、第１燃料電
池スタック部１ａと二次電池１７を接続するスイッチ１
９とを設ける。そして、燃料電池スタック１の起動時、
まず第１燃料電池スタック部１ａのみを起動させ、起動
後の第１燃料電池スタック部１ａの電力を二次電池１７
に供給する。

Description

【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
に関し、特に、燃料電池スタックを主電源とし、この燃
料電池スタックの起動時、別電源を用いて空気の供給等
を行うことによって燃料電池スタックの起動を行う燃料
電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の燃料電池システムとしては、例え
ば、図７に示すシステムが知られている。この燃料電池
システムにおいては、燃料電池スタック１０１を発電さ
せるために、燃料ガス供給装置３及び空気供給装置（例
えば、エアコンプレッサ）１３から、それぞれ、水素を
多量に含む燃料ガスと酸素を含む空気とを燃料電池スタ
ック１０１に供給する。このとき、例えば、空気につい
ては、エアコンプレッサ１３を駆動することによって燃
料電池スタック１０１に圧送される。エアコンプレッサ
１３の駆動電力は、システムによって異なるが、数ｋＷ
程度以上になる場合には、一般に車両補機に電力を供給
するために使用される１２Ｖ程度の低電圧の二次電池を
電源とするよりも、車両駆動用モータ（負荷２７）に電
力を供給するための例えば３５０Ｖ程度の高電圧の電源
を用いて供給するほうが、電流値を低くすることができ
る。これは、エアコンプレッサ１３に電力を供給するハ
ーネスの直径や、その他付随する装置のサイズを小さく
することができる点で好ましい。

【０００３】そこで、燃料電池スタック１０１が高電圧
の電力を発生できる状態になる前の燃料電池スタック１
０１起動時においては、車両補機用の二次電池１７の出
力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ２３によって昇圧して得
られる高電圧の電力をエアコンプレッサ１３駆動用モー
タ（負荷２７）に供給し、燃料電池スタック１０１の起
動完了後に、電力供給系統を切り替え、燃料電池スタッ
ク１０１からの電力によってエアコンプレッサ１３を駆
動するようにしている。なお、電力供給系統の切替え
は、制御装置１０３によってＤＣ／ＤＣコンバータ２３
の動作を切り替えることによって行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の燃料電池システムにあっては、容量が比較的
小さい車両補機用二次電池１７に充電されている電力を
用いて燃料電池スタック１０１の起動に必要な補機類
（エアコンプレッサ１３等）を駆動するため、燃料電池
スタック１０１の起動時に二次電池１７の残存容量が少
ない場合や起動に時間を要する場合等において、二次電
池１７の過放電のおそれがあった。

【０００５】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的としては、燃料電池スタックの起動時における
二次電池の過放電を防止することができる燃料電池シス
テムを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
上記課題を解決するため、燃料ガスと空気とを用いて電
力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタッ
クに燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料
電池スタックに空気を供給する空気供給手段と、前記燃
料電池スタックよりも低い電圧を発生する二次電池と、
前記燃料電池スタックの電力供給先に電力を供給するた
めに前記二次電池が発生する電圧を前記燃料電池スタッ
クが発生する電圧に昇圧し、又は、前記二次電池を充電
するために前記燃料電池スタックが発生する電圧を前記
二次電池が発生する電圧に降圧する電圧変換手段とを備
え、前記燃料電池スタックの起動時、前記電圧変換手段
を昇圧動作に切り替え、前記二次電池を用いて前記燃料
電池スタックの起動に必要な電力を供給する燃料電池シ
ステムであって、前記燃料電池スタックを燃料ガス及び
空気の供給経路と交差する方向に分割して得られる複数
の燃料電池スタック部と、少なくとも燃料ガスの供給に
関して、前記複数の燃料電池スタック部のうち、燃料ガ
ス及び空気の供給経路の最上流側に配置されかつ前記二
次電池を充電し得る１つ以上の燃料電池スタック部に対
してのみ選択的に供給を行わせるためのバイパス手段
と、前記１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電池
とを選択的に電気的に接続する接続手段と、前記燃料電
池スタックの起動開始時、前記１つ以上の燃料電池スタ
ック部のみを起動させ、起動後の前記１つ以上の燃料電
池スタック部が発生する電力を前記二次電池に供給する
ように、前記バイパス手段及び前記接続手段を制御する
制御手段とを有することを要旨とする。

【０００７】請求項２記載の発明は、上記課題を解決す
るため、前記１つ以上の燃料電池スタック部の起動状態
を検出する第１検出手段と、前記複数の燃料電池スタッ
ク部から成る前記燃料電池スタック全体の起動状態を検
出する第２検出手段とを有し、前記制御手段は、前記１
つ以上の燃料電池スタック部の起動が完了した後に初め
て、前記燃料電池スタック全体の起動が完了するまで、
前記１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電池とを
電気的に接続することを要旨とする。

【０００８】

【発明の効果】請求項１記載の本発明によれば、燃料電
池スタックを燃料ガス及び空気の供給経路と交差する方
向に分割して得られる複数の燃料電池スタック部と、少
なくとも燃料ガスの供給に関して、複数の燃料電池スタ
ック部のうち、燃料ガス及び空気の供給経路の最上流側
に位置しかつ二次電池を充電し得るだけの１つ以上の燃
料電池スタック部に対してのみ選択的に供給を行わせる
ためのバイパス手段と、前記１つ以上の燃料電池スタッ
ク部と二次電池とを選択的に電気的に接続する接続手段
とを設けておき、燃料電池スタックの起動開始時、前記
１つ以上の燃料電池スタック部のみを起動させ、起動後
の前記１つ以上の燃料電池スタック部が発生する電力を
二次電池に供給するように、バイパス手段及び接続手段
を制御することで、燃料電池スタックの起動時における
二次電池の過放電を防止することができる。

【０００９】請求項２記載の本発明によれば、前記１つ
以上の燃料電池スタック部の起動が完了した後に初め
て、燃料電池スタック全体の起動が完了するまで、前記
１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電池とを電気
的に接続することで、前記１つ以上の燃料電池スタック
部の起動を早期に完了させることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。 （第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。な
お、ここでは、燃料電池自動車に搭載される燃料電池シ
ステムを例にとって説明する。

【００１１】図１において、燃料電池スタック１は、当
該燃料電池システムの主電源であって、水素を多量に含
む燃料ガスと酸素を含む空気とを用いて高電圧の電力を
発生する。燃料電池スタック１は、２つの燃料電池スタ
ック部に分割されており、熱容量の小さい第１の燃料電
池スタック部１ａと、熱容量の大きい第２の燃料電池ス
タック部１ｂとから構成されている。

【００１２】ここで、燃料ガスは、燃料ガス供給装置３
（燃料ガス供給手段）から燃料ガス供給管５によって燃
料電池スタック１に供給される。燃料ガス供給装置３
は、水素を多量に含む燃料ガスを貯蔵し、燃料ガスの温
度と圧力を調整することができる。この燃料ガス供給装
置３によって、燃料電池スタック１に最適な温度と圧力
の燃料ガスが供給される。

【００１３】燃料ガス供給管５には、第２燃料電池スタ
ック部１ｂをバイパスするバイパス管７（バイパス手
段）が設けられている。すなわち、燃料ガス供給管５
は、第１燃料電池スタック部１ａの燃料ガス出口と第２
燃料電池スタック部１ｂの燃料ガス入口との間で分岐さ
れ、分岐された供給管（バイパス管７）は第２燃料電池
スタック部１ｂの燃料ガス出口に接続されている。分岐
点には、例えば、三方弁などで構成される流路切替装置
９（バイパス手段）が設けられている。この流路切替装
置９の動作を制御することで、燃料ガスが第２燃料電池
スタック部１ｂを通過するかバイパス管７を通過するか
が選択され、流路の切替えが行われる。換言すれば、燃
料ガス供給装置３の作動時、第１燃料電池スタック部１
ａには常に燃料ガスが供給されるが、第２燃料電池スタ
ック部１ｂへの燃料ガスの供給は選択的にオンオフ可能
である。

【００１４】また、燃料ガス供給管５は、例えば、逆止
弁などで構成される逆流防止装置１１を介して、第２燃
料電池スタック部１ｂの燃料ガス出口と第１燃料電池ス
タック部１ａの燃料ガス入口とを接続している（循環経
路）。これにより、第２燃料電池スタック部１ｂを通過
又はバイパスした燃料ガスは、逆流防止装置１１を通っ
て、再び燃料電池スタック１に供給される。

【００１５】また、空気は、空気供給装置１３（空気供
給手段）から空気供給管１５によって燃料電池スタック
１（第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタッ
ク部１ｂの両方）に供給される。空気供給装置１３は、
例えば、空気を圧送するエアコンプレッサで構成されて
いる。なお、空気供給管１５については、燃料ガス供給
管５と異なり、後述する理由により、バイパス管も循環
経路もない。

【００１６】二次電池１７は、充放電可能で、放電時は
燃料電池スタック１が発生する電力の電圧よりも低い電
圧の電力を発生する。二次電池１７は、燃料電池スタッ
ク１によって発電された余剰電力や燃料電池自動車が減
速する際の車両駆動用モータによる回生電力を貯蔵する
とともに、高電圧で駆動される高電圧系のユニット、例
えば、車両駆動用モータや空気供給装置駆動用モータな
どで消費される電力を賄うのに十分な発電が燃料電池ス
タック１によって行われなかったときは放電して不足電
力を補う。また、二次電池１７は、低電圧で駆動される
低電圧系のユニット、例えば、各種制御装置や、車両電
装品などの車両補機にも電力を供給する。

【００１７】燃料電池スタック１のうち、第１燃料電池
スタック部１ａは、接続用スイッチ１９（接続手段）及
び逆流防止用ダイオード２１を介して直接二次電池１７
と接続されている。これにより、後で詳述するように、
特に燃料電池スタック１の起動時において、接続用スイ
ッチ１９をオンして起動完了後の第１燃料電池スタック
部１ａと二次電池１７とを接続することで、第１燃料電
池スタック部１ａで発生した電力を直接二次電池１７に
供給して二次電池１７を充電することができる。

【００１８】燃料電池スタック１と二次電池１７は、と
もに、ある電圧の直流電力を選択に応じてより高い又は
より低い電圧の直流電力に変換する電圧変換装置２３に
接続されている。この電圧変換装置２３は、例えば、変
換が双方向であるＤＣ／ＤＣコンバータで構成されてい
る。

【００１９】この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、
二次電池１７が発生する電力の電圧（二次電池の出力電
圧）を起動完了後の燃料電池スタック１が発生する電力
の電圧（燃料電池スタックの出力電圧）のレベルに昇圧
して（昇圧動作）、燃料電池スタック１の電力供給先へ
の電力供給を可能にするとともに、燃料電池スタック１
の出力電圧を二次電池１７の出力電圧のレベルに降圧し
て（降圧動作）、二次電池１７を充電することができ
る。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３における昇圧動作と降圧
動作は、制御信号によって任意に切り替えることができ
る。

【００２０】燃料電池スタック１には、逆流防止用ダイ
オード２５を介して、燃料電池スタック１の電力供給先
である負荷２７が接続されている。負荷２７の具体例と
しては、例えば、燃料電池自動車の場合、上記した車両
駆動用モータや空気供給装置駆動用モータなどが代表的
である。従って、負荷２７には、燃料電池スタック１
（第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタック
部１ｂの両方）で発生した電力が供給されるほか、ＤＣ
／ＤＣコンバータ２３によって二次電池１７からの電力
も供給可能になっている。

【００２１】上記した流路切替装置９、接続用スイッチ
１９及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、当該燃料電池シ
ステムの状態を管理しその動作を制御する制御装置２９
（制御手段）に接続されており、この制御装置２９から
の指令信号によってそれぞれ制御される。

【００２２】また、第１燃料電池スタック部１ａと第２
燃料電池スタック部１ｂの各起動状態を検出するため、
第１燃料電池スタック部１ａの温度を計測する温度計３
１（第１検出手段）が第１燃料電池スタック部１ａに取
り付けられ、また、第２燃料電池スタック部１ｂの温度
を計測する温度計３３（第２検出手段）が第２燃料電池
スタック部１ｂに取り付けられている。これらの温度計
３１，３３は、制御装置２９にそれぞれ接続されてお
り、それぞれの測定信号を制御装置２９へ出力する。

【００２３】制御装置２９は、内部に制御プログラムを
記憶した制御ＲＯＭと、制御時のワークエリアとなるＲ
ＡＭとを有しており、温度計３１，３３からの測定信号
に基づいて、流路切替装置９、接続用スイッチ１９及び
ＤＣ／ＤＣコンバータ２３にそれぞれ制御信号を出力し
て、二次電池２３の過放電を防止するように、燃料電池
スタック１の起動制御を行う。

【００２４】次に、図２に示す制御フローチャートに従
って燃料電池システムの起動時の制御動作を説明する。
なお、図２に示す制御フローチャートは、制御装置２９
の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
また、この制御フローチャートに示される起動時の制御
動作は、所定の短い時間間隔を置いて繰り返し実行され
る。さらに、図２では、便宜上、燃料ガス供給装置３に
近い側の熱容量が小さい第１燃料電池スタック部１ａを
「第１スタック」、第１燃料電池スタック部１ａを通過
した燃料ガスの供給を受ける第２燃料電池スタック部１
ｂを「第２スタック」とそれぞれ略記してある。

【００２５】まず、ステップＳ１００では、制御装置２
９は、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了してい
ることを示すフラグ（以下「起動完了フラグ」という）
の値を調べ、この起動完了フラグがセットされているか
否かを判断する。第２燃料電池スタック部１ｂの起動が
完了している場合（後述するように、この場合は燃料電
池スタック１全体の起動が完了していることになる）、
起動完了フラグは「１」の値にセットされており、第２
燃料電池スタック部１ｂの起動が完了していない場合、
起動完了フラグは「０」の値にクリアされている。な
お、この起動完了フラグは、初期設定では「０」であ
り、その後、ステップＳ２３０でセットされる。よっ
て、起動完了フラグのセット条件については、後で説明
する。

【００２６】この判断の結果、起動完了フラグがセット
されている場合は（Ｓ１００：ＹＥＳ）、第２燃料電池
スタック部１ｂ（ひいては、第１燃料電池スタック部１
ａも含めた燃料電池スタック１全体）の起動が完了して
いるものと判断して、図２に示す起動時の制御動作を実
行することなく直ちに終了する。これに対し、起動完了
フラグがセットされていない場合は（Ｓ１００：Ｎ
Ｏ）、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了してい
ないものと判断して、ステップＳ１１０に進む。

【００２７】このステップＳ１１０では、第１燃料電池
スタック部１ａの起動状態を検出する。ここでは、起動
状態の検出方法として、第１燃料電池スタック部１ａに
取り付けられた温度計３１から第１燃料電池スタック部
１ａの温度を読み込み、読み込まれた温度が所定値以上
の場合に、第１燃料電池スタック部１ａの起動が完了し
ているものと判断する。

【００２８】なお、起動状態の検出方法は、これに限定
されるわけではない。例えば、接続用スイッチ１９をオ
ンして第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７とを
電気的に接続した後、第１燃料電池スタック部１ａから
二次電池１７に流れる電流と電圧を計測し、この測定結
果を起動完了後の電流／電圧特性と比較することによっ
て、判断を行うこともできる。

【００２９】そして、ステップＳ１２０では、ステップ
Ｓ１１０の検出結果を受けて、第１燃料電池スタック部
１ａの起動が完了しているか否かを判断する。この判断
の結果、第１燃料電池スタック部１ａの起動が完了して
いない場合は（Ｓ１２０：ＮＯ）、ステップＳ１３０に
進む。

【００３０】このステップＳ１３０では、ともに起動が
完了していない第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料
電池スタック部１ｂのうち、まず第１燃料電池スタック
部１ａのほうを優先して起動させるために、燃料ガス供
給管５に設けられた流路切替装置９にバイパス管９を開
く旨の制御信号を送る。これを受けた流路切替装置９で
は、制御信号に応じてバイパス管７を開いて、第１燃料
電池スタック部１ａを通過した燃料ガスがバイパス管７
を通るように、すなわち、第２燃料電池スタック部１ｂ
をバイパスするように燃料ガスの流路を切り替える。こ
れにより、燃料ガスは第１燃料電池スタック部１ａのみ
を循環することになり、燃料ガスの熱量を第２燃料電池
スタック部１ｂに奪われることなく有効に利用すること
が可能となるので、第１燃料電池スタック部１ａの温度
上昇を早めることができ、第１燃料電池スタック部１ａ
の起動を早期に完了することが可能となる。

【００３１】なお、この場合、空気についてはバイパス
させたり循環させたりしていないが、これは、空気供給
装置１３がエアコンプレッサの場合、燃料ガス供給装置
３の吐出温度よりもエアコンプレッサの吐出温度のほう
が比較的高温となるので、空気の熱量の一部が第２燃料
電池スタック部１ｂに奪われるとしても第１燃料電池ス
タック部１ａにおいて十分な温度を維持することができ
るからである。従って、空気供給装置１３の吐出温度が
低い場合には、燃料ガスの配管と同様な構成、すなわ
ち、第２燃料電池スタック部１ｂをバイパスして第１燃
料電池スタック部１ａを循環することができる構成を採
用してもよく、これによって、第１燃料電池スタック部
１ａの起動を早期に完了することが可能となる。

【００３２】そして、ステップＳ１４０では、接続用ス
イッチ１９をオフして、第１燃料電池スタック部１ａの
電気負荷（二次電池１７など）を開放する。ここで、第
１燃料電池スタック部１ａの電気負荷を開放する理由
は、第１燃料電池スタック部１ａの起動を早期に完了さ
せて、二次電池１７を充電し得るだけの発電可能状態を
早期に作り出すためである。

【００３３】そして、ステップＳ１５０では、ＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ２３に制御信号を送って、ＤＣ／ＤＣコン
バータ２３を昇圧動作させる。すなわち、二次電池１７
の出力電圧を昇圧して、第１燃料電池スタック部１ａの
起動に必要な電力（例えば、空気供給装置駆動用モータ
の消費電力等）を二次電池１７によって供給する。

【００３４】これに対し、第１燃料電池スタック１ａの
起動が完了している場合は（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、引き
続き第２燃料電池スタック１ｂの起動を行うべく、ステ
ップＳ１６０に進む。

【００３５】このステップＳ１６０では、燃料ガス供給
管５に設けられた流路切替装置９にバイパス管７を閉じ
る旨の制御信号を送る。これを受けた流路切替装置９で
は、制御信号に応じてバイパス管７を閉じて、第１燃料
電池スタック部１ａを通過した燃料ガスがバイパス管７
に流入することなく第２燃料電池スタック部１ｂに流入
するように燃料ガスの流路を切り替える。これにより、
燃料ガスは第１燃料電池スタック部１ａのみならず第２
燃料電池スタック部１ｂをも循環することになり、第２
燃料電池スタック部１ｂの起動が行われることになる。

【００３６】そして、ステップＳ１７０では、第１燃料
電池スタック部１ａの起動完了によって第１燃料電池ス
タック部１ａが二次電池１７を充電し得るだけの発電可
能状態になっているため、接続用スイッチ１９をオンし
て、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７とを接
続し、起動完了後の第１燃料電池スタック部１ａで発生
した電力を二次電池１７に供給できるようにする。

【００３７】そして、ステップＳ１８０では、ステップ
Ｓ１７０で第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７
間の接続用スイッチ１９がオンされた状態で、引き続
き、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に制御信号を送って、Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ２３の昇圧動作を継続させる。すな
わち、二次電池１７の出力電圧を昇圧して、燃料電池ス
タック１の電力供給先（負荷２７）に二次電池１７の電
力を供給し、燃料電池スタック１（特に未起動状態の第
２燃料電池スタック部１ｂ）を起動するするための動作
を行う。この結果、二次電池１７は、起動完了後の第１
燃料電池スタック部１ａからの電力の供給を受けつつ、
燃料電池スタック１の起動に必要な高電圧系のユニット
（空気供給装置駆動用モータなど）に電力を供給するこ
とができるので、二次電池１７の過放電を防止しなが
ら、燃料電池スタック１の起動を継続することが可能と
なる。また、その際、第１燃料電池スタック部１ａでは
発電が行われているため、第１燃料電池スタック部１ａ
から排出される空気には発電時の副反応物として水が生
成され、この水を含む空気が第２燃料電池スタック部１
ｂに供給されるので、第２燃料電池スタック部１ｂの加
湿を加速させることができ、第２燃料電池スタック１ａ
の起動を早期に完了させることが可能となる。

【００３８】そして、ステップＳ１９０では、第２燃料
電池スタック部１ｂの起動状態を検出する。ここでは、
起動状態の検出方法として、ステップＳ１１０における
第１燃料電池スタック部１ａの起動状態の検出方法と同
様に、第２燃料電池スタック部１ｂに取り付けられた温
度計３３から第２燃料電池スタック部１ｂの温度を読み
込み、読み込まれた温度が所定値以上の場合に、第２燃
料電池スタック部１ｂの起動が完了しているものと判断
する。

【００３９】そして、ステップＳ２００では、ステップ
Ｓ１９０の検出結果を受けて、第２燃料電池スタック部
１ｂの起動が完了しているか否かを判断する。この判断
の結果、第２燃料電池スタック部１ｂの起動が完了して
いない場合は（Ｓ２００：ＮＯ）、図２に示す起動時の
制御動作を一旦終了して、第２燃料電池スタック部１ｂ
の起動が完了するのを改めて待つ。

【００４０】これに対し、第２燃料電池スタック部１ｂ
の起動が完了している場合は（Ｓ２００：ＹＥＳ）、ス
テップＳ２１０に進む。このステップＳ２１０では、接
続用スイッチ１９をオフして、第１燃料電池スタック部
１ａと二次電池１７との接続を切り、第１燃料電池スタ
ック部１ａのみによる二次電池１７の充電を禁止する。

【００４１】そして、ステップＳ２２０では、ＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ２３に制御信号を送って、ＤＣ／ＤＣコン
バータ２３を降圧動作させる。すなわち、燃料電池スタ
ック１と負荷２７（特に車両駆動用モータ）を入力側
に、二次電池１７を出力側に切り替えて、燃料電池スタ
ック１の出力電圧や車両駆動用モータの回生電圧を降圧
して、二次電池１７への電力供給（充電）を可能にす
る。従って、燃料電池スタック１から二次電池１７への
電力供給は、第２燃料電池スタック部１ｂの起動完了前
における第１燃料電池スタック部１ａのみからの状態か
ら、第１燃料電池スタック部１ａと第２燃料電池スタッ
ク部１ｂとを合わせた燃料電池スタック１全体からの状
態に切り替わることになる。

【００４２】そして、ステップＳ２３０では、第１燃料
電池スタック部１ａに加えて第２燃料電池スタック部１
ｂの起動も完了し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が降圧動
作に切り替わり、負荷２７や二次電池１７などへの電力
供給が燃料電池スタック１全体から行われる状態になっ
ているため、燃料電池スタック１全体の起動が完了した
ものと判断して、起動完了フラグをセットし、図示しな
い他の制御動作にその旨を通知可能な状態にする。

【００４３】図３は、図２に示す制御フローチャートの
実行に伴う各部の動作の一例を示す図である。ここで、
横軸はいずれも起動開始後の経過時間であり、図３
（Ａ）中の曲線ａは、第１燃料電池スタック部１ａの起
動状態、図３（Ａ）中の曲線ｂは、第２燃料電池スタッ
ク部１ｂの起動状態、図３（Ｂ）中の曲線ｃは、二次電
池１７の残量容量、図３（Ｃ）中の曲線ｄは、ＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ２３の動作状態をそれぞれ示している。

【００４４】燃料電池スタック１の起動を開始した時点
ｔ1 で、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を昇圧動作に切り替
え、接続用スイッチ１９をオフした状態で、二次電池１
７の出力電圧を昇圧して、二次電池１７からの電力によ
ってまず熱容量の小さい第１燃料電池スタック部１ａの
みの起動を行う。このとき、バイパス管７を開いて第１
燃料電池スタック部１ａに対する起動のみが可能な状態
となっている。

【００４５】その後、第１燃料電池スタック部１ａの起
動が完了した時点ｔ2 で、バイパス管７を閉じかつ接続
用スイッチ１９をオンした状態で、起動完了後の第１燃
料電池スタック部１ａからの電力を二次電池１７に供給
しつつ、第２燃料電池スタック部１ｂの起動を行う。こ
のとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は昇圧動作のままで
あり、二次電池１７によって燃料電池スタック１の起動
に必要な電力が供給されている。

【００４６】その後、第２燃料電池スタック部１ｂの起
動が完了した時点ｔ3 で、燃料電池スタック１全体の起
動が完了したことになるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２
３を降圧動作に切り替え、接続用スイッチ２１をオフし
た状態で、燃料電池スタック１全体の電力を使って、負
荷２７を駆動しつつ、二次電池１７を充電する。

【００４７】従って、特に図３（Ｂ）に示されるよう
に、図２に示す制御フローチャートを実行することで、
燃料電池スタック１の起動時において二次電池１７の過
放電が防止されていることがわかる。

【００４８】次に、図４に示す特性図を参照して、第１
燃料電池スタック部１ａの電気特性の設定方法を説明す
る。図４は、燃料電池スタック一般及び二次電池一般の
電気特性（電流―電圧特性）の一例を示す図である。こ
こで、横軸は電流Ｉ、縦軸は電圧Ｖである。

【００４９】本実施の形態では、第１燃料電池スタック
部１ａの電気特性を、二次電池１７の電気特性を考慮し
て設定する。すなわち、一般に、二次電池は、充電電流
が大きくなればなるほど、また、残存容量が高くなれば
なるほど、その電圧値が大きくなる。例えば、ある二次
電池の電流―電圧特性を曲線ｆで示した場合、曲線ｇ
は、二次電池の残存容量が曲線ｆの場合よりも下がった
場合の電流―電圧特性であり、同じ充電電流でも電圧が
より低いことを示しており、また、曲線ｅは、二次電池
の残存容量が曲線ｆの場合よりも上がった場合の電流―
電圧特性であり、同じ充電電流でも電圧がより高いこと
を示している。一方、曲線ｈは、ある燃料電池スタック
の電流―電圧特性を示している。

【００５０】従って、一般に、二次電池について残存容
量が低い状態から燃料電池スタックの電力で充電して残
存容量を高めていく場合、その動作点は、Ｐ3 →Ｐ2 →
Ｐ1と移動することになるので、燃料電池スタック（こ
こでは第１燃料電池スタック部１ａ）の出力電圧は、二
次電池（ここでは二次電池１７）が放電し切った状態
（動作点Ｐ3 ）における電圧Ｖ3 が下限値で、上限値
は、二次電池の許容最高電圧値Ｖ1 がフル充電時の平衡
動作点Ｐ1 となるように設定すればよい。なお、二次電
池１７の電力容量を第２燃料電池スタック部１ｂの起動
に必要な電力量以上とすることで、第２燃料電池スタッ
ク部１ｂ起動中の二次電池１７の過放電を防止すること
ができる。

【００５１】この結果、第１の実施の形態に関する効果
としては、燃料電池スタック１を２つに分割して、第１
燃料電池スタック部１ａのみを選択的に起動可能な構成
（バイパス管７と流路切替装置９）と、第１燃料電池ス
タック部１ａと二次電池１７を接続するスイッチ１９と
を設けておき、燃料電池スタック１の起動時、まず第１
燃料電池スタック部１ａのみを起動させ、起動後の第１
燃料電池スタック部１ａが発生する電力を二次電池１７
に供給することで、起動後の第１燃料電池スタック部１
ａによって二次電池１７を充電しつつ、燃料電池スタッ
ク１全体の起動に必要な電力を二次電池１７によって供
給することができ、燃料電池スタック１の起動時におけ
る二次電池１７の過放電を防止することができる。

【００５２】また、第１燃料電池スタック部１ａの起動
が完了した後に初めて、燃料電池スタック１全体の起動
が完了するまで、第１燃料電池スタック部１ａと二次電
池１７とを接続することで、第１燃料電池スタック部１
ａの起動を早期に完了させることができる。

【００５３】（第２の実施の形態）図５は、本発明の第
２の実施の形態に係る燃料電池システムの構成を示す図
である。なお、第２の実施の形態は、図１に示す第１の
実施の形態に対応する燃料電池システムと同様の基本的
構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付
し、その説明を省略することとする。

【００５４】第２の実施の形態の特徴は、図１に示す第
１の実施の形態に対して第１燃料電池スタック部１ａと
二次電池１７との接続方法を変更したものであって、図
５に示すように、図１に示す接続用スイッチ１９に代え
て、第１燃料電池スタック部１ａからの電力を二次電池
１７に供給（充電）することができる第２の電圧変換装
置（例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ）４１を設けたこと
にある。このＤＣ／ＤＣコンバータ４１も制御装置２９
に接続されており、制御装置２９からの制御信号によっ
て動作がオンオフされる。

【００５５】次に、図６に示す制御フローチャートに従
って燃料電池システムの起動時の制御動作を説明する。
なお、図６に示す制御フローチャートは、制御装置２９
の内部ＲＯＭに制御プログラムとして記憶されている。
本実施の形態では、図６に示すように、ステップＳ２４
０及びステップＳ２５０を図２に示すフローチャートに
挿入し、ステップＳ１４０及びステップＳ１７０を削除
している。すなわち、第１燃料電池スタック部１ａと二
次電池１７間の接続用スイッチ１９のオンオフ制御に代
えて、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の動作のオンオフ
制御を行うようにしている。

【００５６】ステップＳ１００〜ステップＳ１３０は、
図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるの
で、その説明を省略する。そして、ステップＳ２４０で
は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１の動作を停止（オ
フ）させて、第１燃料電池スタック部１ａの電気負荷
（二次電池１７など）を開放する。

【００５７】ステップＳ１５０及びステップＳ１６０
は、図２に示すフローチャートの各ステップと同様であ
るので、その説明を省略する。

【００５８】そして、ステップＳ２５０では、第１燃料
電池スタック部１ａの起動完了によって第１燃料電池ス
タック部１ａが二次電池１７を充電し得るだけの発電可
能状態になっているため、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４
１を動作させて（オンして）、第１燃料電池スタック部
１ａと二次電池１７とを接続し、起動完了後の第１燃料
電池スタック部１ａで発生した電力を二次電池１７に供
給できるようにする。

【００５９】ステップＳ１８０〜ステップＳ２３０は、
図２に示すフローチャートの各ステップと同様であるの
で、その説明を省略する。この結果、第２の実施の形態
に関する効果は、上述した第１の実施の形態に関する効
果に加えて、第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１
７間に第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１を設けることで、
第１燃料電池スタック部１ａと二次電池１７間の電流・
電圧を第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１によって任意に選
ぶことができるようになり、図４で示すような両者の電
気特性で定まる動作点を考慮する必要がなくなるので、
第１燃料電池スタック部１ａの電気特性の設定における
自由度が増大する。

【００６０】また、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ４１に第
１燃料電池スタック部１ａの電力制御機能を設けた場合
には、第１燃料電池スタック部１ａの起動状態に応じて
第１燃料電池スタック部１ａから電力を引き出すことに
よって、二次電池１７の過放電をさらに防止することが
できる。

【００６１】これは、例えば、第１燃料電池スタック部
１ａの起動中に二次電池１７の残存容量が少なくなり過
放電のおそれが生じた場合に、第１燃料電池スタック部
１ａの起動状態に応じて、第１燃料電池スタック部１ａ
から供給可能な電力を算出し、この結果に応じた電力を
第１燃料電池スタック部１ａから引き出して二次電池１
７に供給することで可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図２】第１の実施の形態の燃料電池システムの起動時
の制御動作を説明するための制御フローチャートであ
る。

【図３】図２に示す制御フローチャートの実行に伴う各
部の動作の一例を示す図である。

【図４】燃料電池スタック一般及び二次電池一般の電気
特性（電流―電圧特性）の一例を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池シス
テムの構成を示す図である。

【図６】第２の実施の形態の燃料電池システムの起動時
の制御動作を説明するための制御フローチャートであ
る。

【図７】従来の燃料電池システムの一例の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１ 燃料電池スタック １ａ 第１燃料電池スタック部 １ｂ 第２燃料電池スタック部 ３ 燃料ガス供給装置 ７ バイパス管 ９ 流路切替装置 １３ 空気供給装置 １７ 二次電池 １９ 接続用スイッチ ２３、４１ ＤＣ／ＤＣコンバータ ２７ 負荷 ２９ 制御装置 ３１，３３ 温度計

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料ガスと空気とを用いて電力を発生す
   る燃料電池スタックと、 前記燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供
   給手段と、 前記燃料電池スタックに空気を供給する空気供給手段
   と、 前記燃料電池スタックよりも低い電圧を発生する二次電
   池と、 前記燃料電池スタックの電力供給先に電力を供給するた
   めに前記二次電池が発生する電圧を前記燃料電池スタッ
   クが発生する電圧に昇圧し、又は、前記二次電池を充電
   するために前記燃料電池スタックが発生する電圧を前記
   二次電池が発生する電圧に降圧する電圧変換手段とを備
   え、 前記燃料電池スタックの起動時、前記電圧変換手段を昇
   圧動作に切り替え、前記二次電池を用いて前記燃料電池
   スタックの起動に必要な電力を供給する燃料電池システ
   ムであって、 前記燃料電池スタックを燃料ガス及び空気の供給経路と
   交差する方向に分割して得られる複数の燃料電池スタッ
   ク部と、 少なくとも燃料ガスの供給に関して、前記複数の燃料電
   池スタック部のうち、燃料ガス及び空気の供給経路の最
   上流側に配置されかつ前記二次電池を充電し得る１つ以
   上の燃料電池スタック部に対してのみ選択的に供給を行
   わせるためのバイパス手段と、 前記１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電池とを
   選択的に電気的に接続する接続手段と、 前記燃料電池スタックの起動開始時、前記１つ以上の燃
   料電池スタック部のみを起動させ、起動後の前記１つ以
   上の燃料電池スタック部が発生する電力を前記二次電池
   に供給するように、前記バイパス手段及び前記接続手段
   を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電
   池システム。
2. 【請求項２】 前記１つ以上の燃料電池スタック部の起
   動状態を検出する第１検出手段と、 前記複数の燃料電池スタック部から成る前記燃料電池ス
   タック全体の起動状態を検出する第２検出手段とを有
   し、 前記制御手段は、 前記１つ以上の燃料電池スタック部の起動が完了した後
   に初めて、前記燃料電池スタック全体の起動が完了する
   まで、前記１つ以上の燃料電池スタック部と前記二次電
   池とを電気的に接続することを特徴とする請求項１記載
   の燃料電池システム。