JP2006344498A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システムを複雑化することなく、燃料電池の発電電流を調整することで燃料電池の自己発熱量を増大させ、燃料電池を早期に昇温させる事ができる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池１０と、燃料電池から電力供給されるとともに、直列接続された複数のスイッチング素子を有する電力消費機器１４と、複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行う制御手段５０とを備える燃料電池システムにおいて、複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行うことで、燃料電池の出力電流を制御する。電力消費機器として、インバータ１４を用いることができ、インバータ１４のスイッチング素子をオンオフ制御してモータ１１の電流経路を変更することで、インバータ１４とモータ１１を可変抵抗として用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギーを発生させる燃料電池を備える燃料電池システムに関するもので、車両、船舶及びポータブル発電機等の移動体用発電機に適用して有効である。

低温時に燃料電池を発電させようとした場合、自己の反応によって生じた生成水が凍結し、発電が停止する問題がある。このような問題を解決するために、燃料電池の外部に可変抵抗を備える燃料電池システムが提案されている（特許文献１参照）。この燃料電池システムでは、可変抵抗値を小さくすることで燃料電池の電流量を増加させ、燃料電池の発電反応に伴う反応熱を増加させ、燃料電池を昇温させることを可能にしている。
特表２０００−５１２０６８号公報

しかしながら、特許文献１の構成では、可変抵抗装置のような電気部品が別途必要になり、構成が複雑になる。このため、コストアップにつながるとともに、燃料電池システムを搭載スペースに制限のある車両に搭載する場合には、搭載性が悪化するという問題があった。

本発明は、上記点に鑑み、システムを複雑化することなく、燃料電池の発電電流を調整することで燃料電池の自己発熱量を増大させ、燃料電池を早期に昇温させ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。

上記目的を達成するため、本発明は以下の各手段を採用している。

本発明の第１の特徴は、酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池（１０）と、燃料電池から電力供給されるとともに、直列接続された複数のスイッチング素子（１３ａ〜１３ｆ、１４ａ〜１４ｆ）を有する電力消費機器（１３、１４）と、複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行う制御手段（５０）とを備え、制御手段により複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行うことで、燃料電池の出力電流を制御することである。

このような構成により、電力消費機器のスイッチング素子をオンオフ制御することで、燃料電池の外部抵抗を変化させ、燃料電池の出力電流を制御することができる。そして、燃料電池の出力電流ができるだけ大きくなるようにスイッチング素子のオンオフ制御を行うことで、システムを複雑化することなく、燃料電池の自己発熱量を増大させることができる。

本発明の第２の特徴は、電力消費機器が燃料電池が出力する直流電流を交流電流に変換するインバータ（１４）であることであり、本発明の第３の特徴は電力消費機器が燃料電池が出力した電圧を変圧するＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）であることである。

本発明の第４の特徴は、電力消費機器としてインバータを用いる場合には、インバータ（１４）から交流電流が供給されるモータ（１１）を備えることである。インバータのスイッチング素子のオンオフ制御によりモータ内部での電流の流れかたを変化させることで、燃料電池の外部抵抗を変化させることができ、インバータとモータとを可変抵抗とすることができる。

本発明の第５の特徴は、燃料電池が発電した電力を２次電池に充電する場合に、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子（１３ａ、１３ｄ）のスイッチング周波数を調整することで、燃料電池の出力電流を制御することである。

スイッチング周波数を低くすることで、燃料電池の外部抵抗を小さくしたのと同様の効果が得られ、燃料電池から極力大きな電流を取り出すことができる。これにより、燃料電池の自己発熱量をできるだけ大きくすることができる。また、スイッチング周波数を高くすることで、燃料電池の外部抵抗を大きくしたのと同様の効果が得られ、燃料電池の電流が過大になることを防ぐことができる。

本発明の第６の特徴は、直列接続された複数のスイッチング素子を同時にオンすることを許可あるいは不許可を切り替える切替手段を備えることである。これにより、通常運転時は、直列接続された複数のスイッチング素子を同時にオンすることを不許可とすることで燃料電池の短絡を防ぐことができ、暖機運転時には、直列接続された複数のスイッチング素子を同時にオンすることを許可することで燃料電池を短絡させ、燃料電池の自己発熱量を増大させることができる。

本発明の第７の特徴は、燃料電池から出力される電流値を検出する電流センサの出力値を用いて、スイッチング素子のオンオフ制御を行うことである。これにより、燃料電池の発電状態を把握でき、燃料電池の発電状態が暖機運転に最適になるように制御することができる。

本発明の第８の特徴は、燃料電池から出力される電圧値を検出する電圧センサの出力値を用いて、スイッチング素子のオンオフ制御を行うことである。これによっても、燃料電池の発電状態を把握でき、燃料電池の発電状態が暖機運転に最適になるように制御する
本発明の第９の特徴は、電流センサの出力値と電圧センサの出力値の両方を用いて、スイッチング素子のオンオフ制御を行うことである。

本発明の第１０の特徴は、燃料電池と電力消費機器には、共通の熱媒体が循環するように構成されていることである。これにより、電力消費機器の発熱を利用して燃料電池を昇温させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。本実施形態は、本発明の燃料電池システムを燃料電池を電源として走行する電気自動車（燃料電池車両）に適用した例である。

図１は、本実施形態の燃料電池システムの全体構成を示している。図１に示すように、本実施形態の燃料電池システムは、水素と酸素との電気化学反応を利用して電力を発生する燃料電池（ＦＣスタック）１０を備えている。燃料電池１０は、走行用モータ１１、二次電池１２、補機２２等の電気機器に電力を供給するように構成されている。補機２２は、燃料電池１０の運転に必要となる機器である。

燃料電池１０では、以下の水素と酸素の電気化学反応が起こり電気エネルギーが発生する。

（水素極側） Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻
（酸素極側） ２Ｈ^＋＋１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ
本実施形態では燃料電池１０として固体高分子電解質型燃料電池を用いており、基本単位となる燃料電池セルが複数積層されて構成されている。各燃料電池セルは、電解質膜が一対のセパレータで挟まれた構成となっている。

燃料電池システムには、燃料電池１０の酸素極側に空気（酸化剤ガス）を供給するための空気供給経路２０ａと、燃料電池１０からの空気を排出するための空気排出経路２０ｂと、燃料電池１０の水素極側に水素（燃料ガス）を供給するための水素供給経路３０ａと、燃料電池１０からの未反応水素ガス等を排出するための水素排出経路３０ｂとが設けられている。

空気供給経路２０ａには、空気圧送用の送風機２１が設けられている。この送風機２１は補機としての電動モータ２２によって駆動される。空気排出経路２０ｂには、空気排出経路２０ｂを開閉する空気排出経路開閉弁２４が設けられている。燃料電池１０に空気を供給する際には、空気排出経路開閉弁２４を開弁するとともに、電動モータ２２によって送風機２１を駆動する。電動モータ２２は、インバータ２３を介して二次電池１２と接続されている。

空気供給経路２０ａと空気排出経路２０ｂには、加湿器２５が設けられている。この加湿器２５は、燃料電池１０から排出される湿った排気空気に含まれる水分を用いて送風機２１の吐出後の空気を加湿するものであり、これにより、燃料電池１０内の固体高分子電解質膜を水分を含んだ湿潤状態にして、発電運転時における電気化学反応が良好に行われるようにしている。

水素供給経路３０ａには、水素ガスが充填された水素ボンベ３１、燃料電池１０に供給される水素の圧力を調整する水素調圧弁３２、および水素供給経路３０ａを開閉する水素供給経路開閉弁３３が設けられている。水素排出経路３０ｂには、水素排出経路３０ｂを開閉する水素排出経路開閉弁３４が設けられている。

燃料電池１０に水素を供給する際には、水素供給経路開閉弁３３を開弁するとともに、水素調圧弁３２によって所望の水素圧力に調整する。水素排出経路３０ｂは、運転条件に応じて水素排出経路開閉弁３４によって開閉される。水素排出経路３０ｂは、未反応水素ガス、蒸気（あるいは水）、および酸素極から固体高分子電解質膜を通過して混入した窒素、酸素などを排出する。

燃料電池１０は発電に伴い熱を生じる。このため、燃料電池システムには、燃料電池１０を冷却して作動温度が電気化学反応に適した温度（例えば８０℃程度）となるようにする冷却システムが設けられている。

冷却システムには、燃料電池１０に冷却水（熱媒体）を循環させる冷却水経路４０、冷却水を循環させるウォータポンプ４１、ウォータポンプ４１を駆動する電動モータ４２、ファン４４を備えたラジエータ４３が設けられている。燃料電池１０で発生した熱は、冷却水を介してラジエータ４３で系外に排出される。このような冷却系によって、ウォータポンプ４１による流量制御、およびファン４４による風量制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。電動モータ４２は、図示を省略しているが、送風機用電動モータ２２と同様、インバータを介して二次電池１２と接続されている。

また、冷却水経路４０における燃料電池１０の出口側近傍には、燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出する温度検出手段としての温度センサ４５が設けられている。この温度センサ４５により冷却水温度を検出することで、燃料電池１０の温度Ｔ_ＦＣを間接的に検出することができる。

燃料電池１０と二次電池１２との間は、双方向に電力を伝達可能なＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して電気的に接続されている。このＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、燃料電池１０から二次電池１２、あるいは二次電池１２から燃料電池１０への、電力の流れをコントロールするものである。

燃料電池１０およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３と、走行用モータ１１との間にインバータ１４が配置されている。このインバータ１４により、走行用モータ１１の機能、すなわち、電動機としての機能と発電機としての機能が切り換えられるようになっている。

そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３とインバータ１４の作動により、例えば、急加速時などに急激に大きな電力が必要になった場合には、燃料電池１０からだけでなく二次電池１２からも走行用モータ１１に電力を供給することができる。また、燃料電池１０の発電時に余った電力や、走行用モータ１１によって回生された電力を、二次電池１２に蓄えることができる。

燃料電池システムには、燃料電池１０の電圧を検出する電圧センサ１５と、燃料電池１０の発電電流を検出する電流センサ１６が設けられている。燃料電池１０とインバータ１３とを結ぶ電流経路上には、燃料電池１０とインバータ１３との間を電気的に開閉可能な第１スイッチ１７が設けられている。燃料電池１０とＤＣ−ＤＣコンバータ１３とを結ぶ電流経路上には、燃料電池１０、インバータ１４および走行用モータ１１からなる走行モータ系統と、２次電池１２、補機２２からなる補機系統とを電気的に分離可能な第２スイッチ１８が設けられている。これらのスイッチ１７、１８は電気回路を電気的に開閉するリレーとして構成されている。

図１に示す例では、各スイッチ１７、１８ともに２個のリレーから構成されているが、それぞれ１個のリレーから構成してもよい。通常運転時は、スイッチ１７、１８をともに閉状態にする。車両運転停止時等は、安全性確保の為にスイッチ１７、１８をともに開状態とし、燃料電池１０を電気的に絶縁状態とする。

燃料電池システムには、各種制御を行う制御部（ＥＣＵ）５０が設けられている。制御部５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏなどを備えた周知のマイクロコンピュータによって構成され、ＲＯＭなどに記憶されたプログラムに従って各種演算などの処理を実行する。

制御部５０には、各種負荷からの要求電力信号、電圧センサ１５からの電圧信号、電流センサ１６からの電流信号、温度センサ４５からの温度信号が入力される。また、制御部５０は、二次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４、２３、電動モータ２２、空気排出経路開閉弁２３、水素調圧弁３２、水素供給経路開閉弁３３、水素排出経路開閉弁３４、電動モータ４２、ファン４４等に制御信号を出力するように構成されている。

図２は、燃料電池１０、走行用モータ１１、２次電池１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３、インバータ１４の詳細を示す回路図である。なお、図２に示す例では、補機２２を燃料電池１０とＤＣ−ＤＣコンバータ１３との間に配置しているが、補機２２はＤＣ−ＤＣコンバータ１３と２次電池１２の回路側に接続してもよい。

インバータ１４は３相の交流電圧を発生するインバータであり、走行用モータ１１に回転磁界を発生させることで走行用モータ１１の回転子を回転させ、その回転力を車輪に伝え車両を走行させるものである。本実施形態では、走行用モータ１１として３相交流モータを用いている。走行用モータ１１は、３個のモータコイル１１ａ〜１１ｃを有している。コイル１１ａ〜１１ｃは、各相のインピーダンスであり、抵抗成分とインダクタンス成分で構成される。

インバータ１４は、スイッチング素子１４ａ〜１４ｆとコンデンサ１４ｇを有している。スイッチング素子１４ａ〜１４ｆは、例えばＩＧＢＴを用いることができる。各スイッチング素子１４ａ〜１４ｆの近傍には、素子破壊防止用のダイオードが設けられている。各スイッチング素子１４ａ〜１４ｆのオンオフ制御は制御部５０によって行われる。

スイッチング素子１４ａ〜１４ｆは、第１スイッチング素子１４ａと第２スイッチング素子１４ｂとが直列接続され、第３スイッチング素子１４ｃと第４スイッチング素子１４ｄとが直列接続され、第５スイッチング素子１４ｅと第６スイッチング素子１４ｆとが直列接続されている。以下、直列接続された一対のスイッチング素子を「直列接続スイッチング素子」ともいう。

インバータ１４には、直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが３組設けられ、これらが燃料電池１０に対して並列に配置されている。走行用モータ１１の出力線（出力端子）は、それぞれ一対のスイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆの間に接続されている。

燃料電池システムには、直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが同時にオンすることの許可および不許可を制御する保護回路切替装置１４０が設けられている。保護回路切替装置１４０は電子回路中に構成してもよく、スイッチ等の機械的な切替装置として構成してもよい。なお、保護回路切替装置１４０が本発明の切替手段に相当している。

燃料電池１０の通常運転時は、短絡防止のために直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが同時にオンすることを不許可とする。また、暖機運転を行う際には、直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが同時にオンすることを許可する。直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆを同時にオンさせることで、燃料電池１０を短絡させ、燃料電池１０の自己発熱量を増大させることができる。

本実施形態では、スイッチング素子１４ａ〜１４ｆのオンオフ制御により電流経路を変更することで、インバータ１４および走行用モータ１１を可変抵抗として用い、燃料電池１０の外部抵抗を変化させることで燃料電池１０の出力電流値を調整している。

具体的には、（１）直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆをオンにして燃料電池１０を短絡させ、走行用モータ１１には電流が流れない状態、（２）走行用モータ１１のコイル１１ａ〜１１ｃのうち、１つのコイルに電流が流れた後、残りの並列接続された２つのコイルに電流が流れる状態と、（３）走行用モータ１１のコイル１１ａ〜１１ｃのうち、直列接続された２つのコイルに電流が流れる状態とを切り替えることで、インバータ１４および走行用モータ１１を可変抵抗として用いることができる。さらに、スイッチング素子１４ａ〜１４ｆのうち、燃料電池１０からの電流が流れるスイッチング素子でチョッパ制御を行うことによって、燃料電池１０の出力電流値を調整することができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は昇降圧チョッパ回路であり、燃料電池１０および２次電池１２が出力した電圧を調整する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３による変圧を行うことで、燃料電池１０で発生した電力を２次電池１２に充電したり、２次電池１２に蓄えられた電力を走行用モータ１１や補機２２に供給することができる。燃料電池１０および２次電池１２の電圧の大きさに関わらず双方向に電力のやり取りが可能である。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１３は、スイッチング素子１３ａ〜１３ｄとコイル１３ｆを有している。スイッチング素子１３ａ〜１３ｄは、例えばＩＧＢＴを用いることができる。各スイッチング素子１３ａ〜１３ｄの近傍には、素子破壊防止用のダイオードが設けられている。スイッチング素子１３ａ〜１３ｄは、直列接続された一対のスイッチング素子が２組（１３ａ、１３ｂと１３ｃ、１３ｄ）設けられている。

燃料電池１０から２次電池１２に電力を供給する場合には、スイッチング素子１３ａとスイッチング素子１３ｄを同時にオンオフ制御する。スイッチング素子１３ａとスイッチング素子１３ｄを同時にオンすると、コイル１３ｆに図２における右方向に向かって電流が流れる。次に、スイッチング素子１３ａとスイッチング素子１３ｄを同時にオフすると、コイル１３ｆに蓄えられた電流はスイッチング素子１３ｂ、１３ｄのダイオードを通って２次電池１２に供給される。このように、スイッチング素子１３ｂ、１３ｄのオンオフ制御を行うことで、燃料電池１０が発電した電力を２次電池１２に充電することができる。各スイッチング素子１３ａ〜１３ｄのオンオフ制御は、制御部５０によって行われる。

燃料電池システムには、保護回路切替装置１３０が設けられている。保護回路切替装置１３０により、直列接続スイッチング素子１３ａ、１３ｂが同時にオンすることの許可あるいは不許可が制御される。保護回路切替装置１３０は電子回路中に構成してもよく、スイッチ等の機械的な切替装置として構成してもよい。

図３は、燃料電池１０の発電時における電流Ｉと電圧Ｖとの関係を示している。図３に示すように、燃料電池１０を構成するセルは、抵抗過電圧、アノード過電圧、カソード過電圧があるので、電流密度が大きくなるほど、セル端子電圧が低下する。そして、セル端子電圧が低下した分だけ熱エネルギーに変換され、燃料電池１０の自己発熱となる。

通常運転時は、燃料電池１０は図３のａ点付近で運転される。ａ点ではセル端子電圧が０．６V以上であり、発電効率が良い。燃料電池１０を低電圧で運転する低電圧運転時には、燃料電池１０は図３のｂ点付近で運転される。ｂ点ではセル端子電圧が０Ｖに近づき、抵抗過電圧、アノード過電圧、カソード過電圧が増大し、燃料電池１０の発熱量が増加する。

図４は、燃料電池１０のセル温度が変化した場合のＩ−Ｖ特性の変化を示している。セル温度が上昇すると燃料電池１０の膜抵抗が小さくなり、カソード極およびアノード極の触媒活性が向上するため、各過電圧が小さくなる。このため、セル温度上昇に伴い、図４に示すようにセル端子電圧および電流密度が向上する。燃料電池１０の発電面積は一定であるため、燃料電池１０の出力電流は電流密度に比例している。

低電圧運転時に燃料電池１０が図４のｃ点で作動していたとすると、セル温度の上昇により燃料電池１０の作動点がｃ’点に移動し、燃料電池１０のセル端子電圧と電流値（電流密度）が増加する。このように、低電圧運転時にはセル温度が高くなるにしたがって、燃料電池１０の電流値が大きくなる。

燃料電池１０の出力電流値が過大になると燃料電池１０の発熱量も増加し、燃料電池１０が破損に至ることがある。このため、本実施形態では、上述のようにインバータ１４と走行用モータ１１を用いて外部抵抗値を調整することで、燃料電池１０の電流値を調整している。

次に、本実施形態の燃料電池システムの起動制御を図５に基づいて説明する。図５は、燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートであり、制御部５０のＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがって行う処理を示している。図５に示す燃料電池の起動制御は、運転者によるキースイッチオンで開始される。

まず、温度センサ４５により燃料電池１０の温度Ｔ_ＦＣを検出し（Ｓ１００）、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第１の所定温度Ｔ１より低いか否かを判定する（Ｓ１０１）。第１の所定温度Ｔ１は、燃料電池１０の暖機運転の必要性を判断するための温度であり、任意に設定できる値である。この結果、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第１の所定温度Ｔ１より低くない場合は、暖機運転制御が不要であると判断できるため、本制御を終了する。

一方、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第１の所定温度Ｔ１より低い場合は、暖機運転制御が必要であると判断できるので、第２スイッチ１８を開いて第１スイッチ１７を閉じる（Ｓ１０２）。第２スイッチ１８を開くことで、燃料電池１０、インバータ１４および走行用モータ１１からなる走行モータ系統と、２次電池１２、補機２２からなる補機系統とが電気的に分離される。第１スイッチ１７を閉じることで、燃料電池１０とインバータ１４および走行用モータ１１とが電気的に接続される。このとき、補機２２にはＤＣ−ＤＣコンバータ１３を通じて２次電池１２から電力供給される。なお、ここでは第２スイッチ１８を開くように構成したが、第２スイッチ１８を閉じるように構成してもよい。

次に、燃料電池１０に空気と水素の供給を開始する（Ｓ１０３）。これにより、燃料電池１０での発電が開始される。

次に、保護回路切替装置１４０により、インバータ１４の直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆそれぞれが同時にオンすることを許可し（Ｓ１０４）、直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆのすべてを同時にオンする（Ｓ１０５）。これにより、燃料電池１０とインバータ１４とで電気回路が形成され、燃料電池１０に対し、スイッチング素子１４ａ、１４ｂで短絡する回路と、スイッチング素子１４ｃ、１４ｄで短絡する回路と、スイッチング素子１４ｅ、１４ｆで短絡する回路とが並列に形成される。

それぞれの短絡回路に燃料電池１０からの電流が分かれて流れるので、いずれかの短絡回路のみを形成した場合よりも、それぞれのスイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆに流れる電流を低減でき、燃料電池１０の出力電流を大きくすることができる。

このように燃料電池１０を短絡させることで、セル端子電圧が０Ｖに近づき、発電効率が低下して燃料電池１０の自己発熱量が増加する。また、燃料電池１０の温度上昇に伴って、アノード極、カソード極の触媒活性が上がり、燃料電池１０の出力電流が増加する。

次に、電流センサ１６で燃料電池１０が出力している電流値Ｉ_ＦＣを検出し（Ｓ１０６）、電流値Ｉ_ＦＣが第１の所定電流値Ｉ１を上回っているか否かを判定し（Ｓ１０７）、電流値Ｉ_ＦＣが第１の所定電流値Ｉ１を上回ったと判定されるまでＳ１０６とＳ１０７を繰り返す。なお、第１の所定電流値Ｉ１は、燃料電池１０の発電状態を判断するためのものであり、任意に設定できる値である。

Ｓ１０７で電流値Ｉ_ＦＣが第１の所定電流値Ｉ１を上回っていると判定された場合には、燃料電池１０のある程度温度が上昇し、冷却水を循環させても燃料電池１０の発電に影響がないと判断できるので、ウォータポンプ４１を作動開始させる（Ｓ１０８）。これにより、燃料電池１０に冷却水が循環し、燃料電池１０が過熱状態となることを防ぐことができるとともに、燃料電池１０に温度分布が生じることを防止できる。

次に、第２スイッチング素子１４ｂ、第３スイッチング素子１４ｃ、第５スイッチング素子１４ｅをオフにする（Ｓ１０９）。これにより、燃料電池１０の電流は、第１スイッチング素子１４ａから走行用モータ１１の第１コイル１１ａに流れ、第１コイル１１ａから第２コイル１１ｂおよび第３コイル１１ｃに分岐し、第２コイル１１ｂから第４スイッチング素子１４ｄに流れ、第３コイル１１ｃから第６スイッチング素子１４ｆに流れる。

上述のように、コイル１１ａ〜１１ｃは各相のインピーダンスであり、抵抗成分とインダクタンス成分で構成されている。このようにコイル１１ａ〜１１ｃには抵抗成分があるので、燃料電池１０の起電力が同一である場合、燃料電池１０の電流を走行用モータ１１のコイル１１ａ〜１１ｃを通過させることで、燃料電池１０の電流値を小さくすることができる。また、コイル１１ａ〜１１ｃにはインダクタンス成分があるので、燃料電池１０が短絡したときの突入電流を抑制できる効果がある。このため、起動時における燃料電池１０の温度がある程度高い場合は、上記Ｓ１０５の処理を行わず、最初からこのＳ１０９の処理を行うようにしてもよい。

次に、電流センサ１６で燃料電池１０が出力している電流値Ｉ_ＦＣを検出し（Ｓ１１０）、電流値Ｉ_ＦＣが第２の所定電流値Ｉ２を上回っているか否かを判定し（Ｓ１１１）、電流値Ｉ_ＦＣが第２の所定電流値Ｉ２を上回ったと判定されるまでＳ１１０とＳ１１１を繰り返す。なお、第２の所定電流値Ｉ２は、燃料電池１０の発電状態を判断するためのものであり、任意に設定できる値である。第２の所定電流値Ｉ２は、第１の所定電流値Ｔ１より高くなるように設定される。

Ｓ１１１で電流値Ｉ_ＦＣが第２の所定電流値Ｉ２を上回ったと判定された場合には、第４スイッチング素子１４ｄをオフする（Ｓ１１２）。これにより、第１コイル１１ａからの電流は第２コイル１１ｂには流れず、第３コイル１１ｃのみを通って燃料電池１０に戻ることになる。これにより、第１コイル１１ａからの電流が第２コイル１１ｂと第３コイル１１ｃとに流れる場合に比較して、合成抵抗が増加するので、燃料電池１０の出力電流値を小さくすることができる。

次に、電流センサ１６で燃料電池１０が出力している電流値Ｉ_ＦＣを検出し（Ｓ１１３）、電流値Ｉ_ＦＣが第３の所定電流値Ｉ３を上回っているか否かを判定し（Ｓ１１４）、電流値Ｉ_ＦＣが第３の所定電流値Ｉ３を上回ったと判定されるまでＳ１１３とＳ１１４を繰り返す。なお、第３の所定電流値Ｉ３は、燃料電池１０の発電状態を判断するためのものであり、任意に設定できる値である。第３の所定電流値Ｉ３は、第２の所定電流値Ｔ２より高くなるように設定される。

Ｓ１１４で電流値Ｉ_ＦＣが第３の所定電流値Ｉ３を上回ったと判定された場合には、第１スイッチング素子１４ａのチョッパ制御を行う（Ｓ１１５）。そして、電流センサ１６で燃料電池１０が出力している電流値Ｉ_ＦＣを検出し（Ｓ１１６）、電流値Ｉ_ＦＣが第４の所定電流値Ｉ４を上回っているか否かを判定する（Ｓ１１７）。なお、第４の所定電流値Ｉ４は、燃料電池１０の発電状態を判断するためのものであり、任意に設定できる値である。第４の所定電流値Ｉ４は、燃料電池１０の出力電流の上限値として設定されるものであり、第３の所定電流値Ｔ３より高くなるように設定される。

Ｓ１１７の判定で、電流値Ｉ_ＦＣが第４の所定電流値Ｉ４を上回っていないと判定された場合にはＳ１１５に戻る。そして、電流値Ｉ_ＦＣが第４の所定電流値Ｉ４を上回ったと判定されるまで第１スイッチング素子１４ａのチョッパ制御を行い、燃料電池１０の出力電流が第４の所定電流値Ｉ４を上回らないようにしている。

電流値Ｉ_ＦＣが第４の所定電流値Ｉ４を上回ったと判定された場合には、温度センサ４５にて燃料電池１０の温度Ｔ_ＦＣを検出し（Ｓ１１８）、燃料電池１０の温度Ｔ_ＦＣが第２の所定温度Ｔ２を上回っているか否かを判定する（Ｓ１１９）。第２の所定温度Ｔ２は、燃料電池１０の暖機運転終了を判断するための温度であり、任意に設定できる値である。第２の所定温度Ｔ２は、第１の所定温度Ｔ１より高く設定されている。

燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第２の所定温度Ｔ２を上回っていないと判定された場合には、Ｓ１１８に戻り、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第２の所定温度Ｔ２を上回ったと判定されるまで、Ｓ１１８およびＳ１１９を繰り返し行う。

Ｓ１１９で燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第２の所定温度Ｔ２を上回ったと判定された場合は、第１スイッチング素子１４ａと第６スイッチング素子１４ｆをオフし、燃料電池１０への空気および水素の供給を停止し、燃料電池１０の発電を停止する（Ｓ１２０）。さらに、保護回路切替装置１４０により、インバータ１４の直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが同時にオンすることを不許可とし（Ｓ１２１）、ウォータポンプ４１や補機２２等を停止し、システム全体を停止する（Ｓ１２２）。

以上のように、燃料電池１０の起動時に燃料電池１０のセル端子電圧を低下させ、燃料電池１０の電流をできるだけ高くすることで、燃料電池１０の発電効率を低下させることができる。この結果、燃料電池１０の自己発熱量を大きくすることができ、燃料電池１０を早期に昇温することができる。

また、インバータ１４のスイッチング素子１４ａ〜１４ｆのオンオフ制御を行うことで、インバータ１４および走行用モータ１１を可変抵抗として用いることができ、燃料電池１０の電流値をコントロールすることができる。つまり、低温時で燃料電池１０の出力電流が小さいときには、燃料電池１０の外部抵抗が小さくなるように制御することで、燃料電池１０が出力する電流をできるだけ大きくすることができ、燃料電池１０の自己発熱量を大きくすることができる。そして、燃料電池１０の温度が上昇し、燃料電池１０の出力電流が大きくなるにしたがって、燃料電池１０の外部抵抗を大きくし、燃料電池１０の電流が過大にならないようにすることができる。

通常、低温時に燃料電池１０を始動する場合には、走行用等に用いられるモータ１１およびインバータ１４は使用されていないので、モータ１１およびインバータ１４を適切に制御することで可変抵抗として機能させることができる。このように本実施形態では、燃料電池システムの既存機器を用いて、燃料電池１０の低温始動性を向上させることができる。このため、可変抵抗装置のような別部品を設ける必要がなく、構成が複雑化することを回避でき、車両への搭載性が悪化することを防ぐことができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。

運転終了時に燃料電池１０の内部に水分が残存している場合、低温環境下で燃料電池１０の内部で水分が凍結することがある。このような低温環境下で燃料電池１０を再起動する際、凍結による反応ガス経路の目詰まりあるいは電解質膜への反応ガス（水素および空気）の進行・到達の阻害により、燃料ガスを供給しても電気化学反応が進行せず、燃料電池１０を起動できない可能性がある。このため本実施形態では、以下で説明するように、燃料電池１０を停止する際に暖機運転を行って燃料電池１０を昇温させるように構成されている。

図６は、車両停止時に行う燃料電池システムの停止制御を示すフローチャートであり、制御部５０のＣＰＵがＲＯＭに格納された制御プログラムにしたがって行う処理を示している。図６に示す燃料電池の停止制御は、運転者によるキースイッチオフで開始される。燃料電池１０が発電中の場合は、燃料電池１０による発電を継続し、ウォータポンプ４１の作動も継続させる。

まず、２次電池１２の残存容量Ｑ_ＦＣを検出し（Ｓ２００）、残存容量Ｑ_ＦＣが所定容量Ｑ１を上回っているか否かを判定する（Ｓ２０１）。所定容量Ｑ１は、２次電池１２の充電の必要性を判断するためのものであり、任意に設定することができる値である。残存容量Ｑ_ＦＣが所定容量Ｑ１を上回っていない場合はＳ２００に戻り、残存容量Ｑ_ＦＣが所定容量Ｑ１を上回るまで燃料電池１０の運転を継続して２次電池１２を充電する。

残存容量Ｑ_ＦＣが所定容量Ｑ１を上回っている場合には、温度センサ４５で燃料電池１０の温度Ｔ_ＦＣを検出し（Ｓ２０２）、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第３の所定温度Ｔ３より低いか否かを判定する（Ｓ２０３）。第３の所定温度Ｔ３は、燃料電池１０の暖機運転の必要性を判断するための温度であり、任意に設定できる値である。

この結果、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第３の所定温度Ｔ３より低くない場合は、暖機運転制御が不要であると判断できるため、後述のＳ２１４に移動する。一方、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第３の所定温度Ｔ３より低い場合は、暖機運転制御が必要であると判断できるので、燃料電池１０に供給する空気量と水素量を所定量に制御する（Ｓ２０４）。

次に、保護回路切替装置１４０により、インバータ１４の直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが同時にオンすることを許可し（Ｓ２０５）、直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆを同時にオンする（Ｓ２０６）。これにより、燃料電池１０とインバータ１４とで電気回路が形成され、燃料電池１０に対し、スイッチング素子１４ａ、１４ｂで短絡する回路と、スイッチング素子１４ｃ、１４ｄで短絡する回路と、スイッチング素子１４ｅ、１４ｆで短絡する回路とが並列に形成される。

それぞれの短絡回路に燃料電池１０からの電流が分かれて流れるので、いずれかの短絡回路のみを形成した場合よりも、それぞれのスイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆに流れる電流を低減でき、燃料電池１０の出力電流を大きくすることができる。

このように燃料電池１０を短絡させることで、セル端子電圧が０Ｖに近づき、発電効率が低下して燃料電池１０の自己発熱量が増加する。また、燃料電池１０の温度上昇に伴って、アノード極、カソード極の触媒活性が上がり、燃料電池１０の出力電流が増加する。

次に、電流センサ１６で燃料電池１０が出力している電流値Ｉ_ＦＣを検出し（Ｓ２０７）、電流値Ｉ_ＦＣが第５の所定電流値Ｉ５を上回っているか否かを判定し（Ｓ２０８）、電流値Ｉ_ＦＣが第５の所定電流値Ｉ５を上回ったと判定されるまでＳ２０７とＳ２０８を繰り返す。なお、所定電流値Ｉ５は、燃料電池１０の発電状態を判断するためのものであり、任意に設定できる値である。

電流値Ｉ_ＦＣが第５の所定電流値Ｉ５を上回ったと判定された場合には、第１スイッチング素子１４ａのチョッパ制御を行う（Ｓ２０９）。そして、電流センサ１６で燃料電池１０が出力している電流値Ｉ_ＦＣを検出し（Ｓ２１０）、電流値Ｉ_ＦＣが第６の所定電流値Ｉ６を上回っているか否かを判定する（Ｓ２１１）。なお、所定電流値Ｉ６は、燃料電池１０の発電状態を判断するためのものであり、任意に設定できる値である。第６の所定電流値Ｉ６は、燃料電池１０の出力電流の上限値として設定されるものであり、第５の所定電流値Ｔ５より高くなるように設定される。

Ｓ２１１で、電流値Ｉ_ＦＣが第６の所定電流値Ｉ６を上回っていないと判定された場合にはＳ１１５に戻り、電流値Ｉ_ＦＣが第６の所定電流値Ｉ６を上回ったと判定されるまで第１スイッチング素子１４ａのチョッパ制御を行い、燃料電池１０の出力電流が第６の所定電流値Ｉ６を上回らないようにしている。

電流値Ｉ_ＦＣが第６の所定電流値Ｉ６を上回ったと判定された場合には、温度センサ４５にて燃料電池１０の温度Ｔ_ＦＣを検出し（Ｓ２１２）、燃料電池１０の温度Ｔ_ＦＣが第４の所定温度Ｔ４を上回っているか否かを判定する（Ｓ２１３）。第４の所定温度Ｔ４は、燃料電池１０の暖機運転終了を判断するための温度であり、任意に設定できる値である。第４の所定温度Ｔ４は、第３の所定温度Ｔ３より高く設定されている。

燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第４の所定温度Ｔ４を上回っていないと判定された場合には、Ｓ２１２に戻り、燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第４の所定温度Ｔ４を上回ったと判定されるまで、Ｓ２１２およびＳ２１３を繰り返し行う。

燃料電池温度Ｔ_ＦＣが第４の所定温度Ｔ４を上回ったと判定された場合は、第１スイッチング素子１４ａと第６スイッチング素子１４ｆをオフし、燃料電池１０への空気および水素の供給を停止し、燃料電池１０の発電を停止する（Ｓ２１４）。さらに、保護回路切替装置１４０により、インバータ１４の直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆが同時にオンすることを不許可とし（Ｓ２１５）、ウォータポンプ４１や補機２２等を停止し、システム全体を停止する（Ｓ２１６）。

以上のように、低温環境下で燃料電池１０を停止させる場合に、燃料電池１０を高温にすることで燃料電池１０の内部水分量を低減させることができる。その後、燃料電池１０を停止させることで、低温環境下で燃料電池１０の内部で水分が凍結することを防ぐことができ、燃料電池１０の再始動性を向上させることができる。

本実施形態によれば、電熱ヒータ等の外部加熱手段が不要であるので、特に燃料電池システムを車両に適用する場合においては、搭載性を向上させることができる。さらには、燃料電池１０本体の反応による発熱を用いるので、熱量としても大きく、短時間での昇温が可能となる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。

上述のように、燃料電池１０から２次電池１２に電力を供給する場合には、スイッチング素子１３ａとスイッチング素子１３ｄを同時にオンオフ制御する。本第３実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子１３ａ、１３ｄをオンオフ制御する際のスイッチング周波数を調整することで、燃料電池１０の出力電流を変化させている。

通常運転時には、燃料電池１０はたくさんの電流を流すことが可能であるので、制御部５０はスイッチング素子１３ａ、１３ｄのスイッチング周波数を高周波数（例えば１０ｋＨｚ以上）で制御している。このスイッチング周波数が低いとスイッチング素子１３ａ、１３ｄが同時にオンとなる時間が長くなり、燃料電池１０に対して短絡回路が形成され、燃料電池１０から大電流が流れることになり、好ましくない。しかし、低温時には燃料電池１０の出力は低下しており、燃料電池１０からは大電流が取り出せないので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング周波数を低くすることが好ましい。

このため、低温時にはＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子１３ａ、１３ｄのスイッチング周波数を低くすることで、燃料電池１０の外部抵抗を小さくしたのと同様の効果が得られ、燃料電池１０から極力大きな電流を取り出すことができる。これにより、燃料電池１０の自己発熱量をできるだけ大きくすることができる。また、燃料電池１０の温度が上昇するにしたがって、スイッチング周波数を高くすることで、燃料電池１０の外部抵抗を大きくしたのと同様の効果が得られ、燃料電池１０の電流が過大になることを防ぐことができる。

なお、本第３実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１３の制御は、上記第１実施形態および上記第２実施形態におけるインバータ１４のオンオフ制御と同時に行ってもよい。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態を図７に基づいて説明する。

図７は、燃料電池システムの冷却システムを示している。

本実施形態の冷却システムには、冷却水をラジエータ４３をバイパスさせるバイパス経路４６、ラジエータ４３またはバイパス経路４６に冷却水流路を切り替える流路切替弁４７が設けられ、流路切替弁４７によるバイパス制御で、燃料電池１０の冷却量制御を行うことができる。

さらに、本実施形態では、燃料電池１０の冷却系と、インバータ１４およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３の冷却系が共通になっている。すなわち、インバータ１４およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３に冷却水を循環させる冷却水経路４８が燃料電池１０に冷却水を循環させる冷却水経路４０に接続されており、冷却水経路４０を流れる冷却水の一部がインバータ１４およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３にも循環する。

このような構成により、インバータ１４およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３で発生した熱で冷却水経路４０を流れる冷却水の温度が上昇する。このため、インバータ１４およびＤＣ−ＤＣコンバータ１３で発生した熱を利用して燃料電池１０を昇温させることができる。

（他の実施形態）
なお、上記第１実施形態では、Ｓ１０５で３組の直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆのすべてを同時にオンして短絡回路を形成するようにしたが、１組または２組の直列接続スイッチング素子を同時にオンして短絡回路を形成するようにしてもよい。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子１３ａ、１３ｂを用いて短絡回路を形成してもよい。インバータ１４のスイッチング素子とＤＣ−ＤＣコンバータ１３のスイッチング素子を組み合わせて短絡回路を形成してもよい。

また、上記実施形態では、インバータ１４のスイッチング素子のオンオフ制御を行うことで、走行用モータ１１における電流の流れ方を変化させて、燃料電池１０の外部抵抗を変化させるように構成したが、インバータ１４のみで燃料電池１０の外部抵抗を変化させるように構成してもよい。具体的には、同時にオンする直列接続スイッチング素子１４ａ、１４ｂ；１４ｃ、１４ｄ；１４ｅ、１４ｆの数を異ならせることで、燃料電池１０の外部抵抗を変化させることができる。直列接続スイッチング素子を３組で短絡させる場合、直列接続スイッチング素子を２組で短絡させる場合、直列接続スイッチング素子を１組で短絡させる場合の順に、燃料電池１０の外部抵抗を大きくすることができる。

また、上記第１実施形態および第２実施形態では、電流センサ１６の出力値に基づいてインバータ１４のオンオフ制御を行ったが、これに限らず、電圧センサ１２の出力値に基づいてインバータ１４のオンオフ制御を行うようにしてもよい。

また、上記各実施形態では、温度センサ４５で燃料電池１０から流出した冷却水の温度を検出することで燃料電池１０の温度を検出したが、他の手段により燃料電池温度を検出するように構成してもよい。

各実施形態の燃料電池システムの全体構成を示す概念図である。 燃料電池、走行用モータ、２次電池、ＤＣ−ＤＣコンバータ、インバータの詳細を示す回路図である。 燃料電池の発電時におけるＩ−Ｖ特性を示す特性図である。 燃料電池のセル温度が変化した場合のＩ−Ｖ特性の変化を示す特性図である。 第１実施形態の燃料電池システムの起動制御を示すフローチャートである。 第２実施形態の燃料電池システムの停止制御を示すフローチャートである。 第４実施形態の燃料電池システムの冷却システムを示す概念図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…走行用モータ、１２…２次電池、１３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１４…インバータ、１５…電圧センサ、１６…電流センサ、２２…電動モータ（補機）、４５…温度センサ、５０…制御部、１３０、１４０…保護回路切替装置。

Claims (10)

1. 酸化剤ガスと燃料ガスを電気化学反応させて発電する燃料電池（１０）と、
   前記燃料電池から電力供給されるとともに、直列接続された複数のスイッチング素子（１３ａ〜１３ｆ、１４ａ〜１４ｆ）を有する電力消費機器（１３、１４）と、
   前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行う制御手段（５０）とを備え、
   前記制御手段により前記複数のスイッチング素子のオンオフ制御を行うことで、前記燃料電池の出力電流を制御することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記電力消費機器が、前記燃料電池が出力する直流電流を交流電流に変換するインバータ（１４）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記インバータ（１４）から交流電流が供給されるモータ（１１）を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記電力消費機器が前記燃料電池が出力した電圧を変圧するＤＣ−ＤＣコンバータ（１３）であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
5. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータを介して前記燃料電池と接続された２次電池（１２）を備え、
   前記制御手段は、前記燃料電池が発電した電力を前記２次電池に充電する場合に、前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子（１３ａ、１３ｄ）のスイッチング周波数を調整することで、前記燃料電池の出力電流を制御することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池システム。
6. 前記直列接続された複数のスイッチング素子を同時にオンすることを許可あるいは不許可を切り替える切替手段を備えることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
7. 前記燃料電池から出力される電流値を検出する電流センサ（１６）を備え、
   前記制御手段は、前記電流センサの出力値を用いて、前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
8. 前記燃料電池から出力される電圧値を検出する電圧センサ（１５）を備え、
   前記制御手段は、前記電圧センサの出力値を用いて、前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池から出力される電流値を検出する電流センサ（１６）と、前記燃料電池から出力される電圧値を検出する電流センサ（１５）とを備え、
   前記制御手段は、前記電流センサの出力値と前記電圧センサの出力値とを用いて、前記スイッチング素子のオンオフ制御を行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池と前記電力消費機器には、共通の熱媒体が循環するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１つに記載の燃料電池システム。

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