JP2009200005A - 燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 - Google Patents

燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】低温環境下の起動時における燃料電池の暖機を促進させる手法を提供する。
【解決手段】制御部５は、低温環境下におきる起動時の暖機運転において、電力消費制御として、コンプレッサ２０による反応ガスの流量を増加させる第１の電力消費制御を一次的に行い、この第１の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、ヒータ３１による冷却水の温度を増加させる第２の電力消費制御をさらに行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムおよびその制御方法に関する。
従来より、燃料極に燃料ガス（例えば、水素）が供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されることにより、これらのガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムが知られている。この類の燃料電池システムでは、低温環境下における起動性の向上を図る観点から、暖機運転を行う場合がある。
例えば、特許文献１には、低温環境下の起動時に、燃料電池への反応ガスの供給流量を定常運転時よりも低下させることにより、発電効率を低下させる手法が開示されている。かかる手法によれば、燃料電池の自己発熱量を増大させることができるので、燃料電池の暖機時間を短縮することができる。
特開２００２−３１３３８８号公報
ところで、低温環境下の起動は、通常運転可能な状況と比較して、燃料電池の電圧が低下しやすいため、燃料電池の発電特性が不安定となる。そのため、特許文献１に開示された手法のように、反応ガスの供給流量を定常運転時より低下させた場合、不安定な発電状態を増長させる結果となりかねない。そのため、暖機運転が長期化したり、暖機が促進されないという不都合がある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、低温環境下の起動時における燃料電池の暖機を促進させる手法を提案することにある。
かかる課題を解決するために、本発明は、システム起動時の暖機運転において、燃料電池の目標発電電力を増加させる。そして、燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と燃料電池を冷却する冷却液を加熱する加熱手段とを含む電力消費手段を動作させることにより、燃料電池による発電電力を目標発電電力と対応させて消費する電力消費制御を行う。この場合、電力消費制御では、反応ガス供給手段による反応ガスの流量を増加させる第１の電力消費制御を一次的に行い、この第１の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、冷却液の温度を増加させる第２の電力消費制御をさらに行う。
本発明によれば、不安定な発電状態から脱し易くなるので、燃料電池の発電電力を増加させることができる。また、燃料電池の自己発熱量を増大させることができるので、燃料電池の暖機を促進することができる。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図である。燃料電池システムは、例えば、移動体である車両に搭載されており、この車両は燃料電池システムから供給される電力によって駆動する。
燃料電池システムは、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極とを対設した燃料電池構造体をセパレータで挟持して、これを複数積層して構成される燃料電池スタック（燃料電池）１を備える。この燃料電池スタック１は、燃料極に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤極に酸化剤ガスが供給されることにより、これらの反応ガスを電気化学的に反応させて電力を発生する。本実施形態では、燃料ガスとして水素を、酸化剤ガスとして空気を用いるケースについて説明する。
燃料電池システムには、燃料電池スタック１に水素を供給するための水素系と、燃料電池スタック１に空気を供給するための空気系と、燃料電池スタック１を冷却するための冷却系とが備えられている。
水素系において、燃料ガスである水素は、例えば、高圧水素ボンベといった燃料タンク１０に貯蔵されており、この燃料タンク１０から水素供給流路Ｌ１を介して燃料電池スタック１に供給される。具体的には、燃料タンク１０の下流にはタンク元バルブ（図示せず）が設けられており、このタンク元バルブが開状態となると、燃料タンク１０からの高圧水素ガスは、その下流に設けられた減圧バルブ（図示せず）によって機械的に所定の圧力まで減圧される。減圧された水素ガスは、減圧バルブよりも下流に設けられた水素調圧バルブ１１によって所望の圧力に調圧され、燃料電池スタック１に供給される。
燃料電池スタック１における個々の燃料極から排出されるガス（未使用の水素を含むガス）は、燃料電池スタック１から水素循環流路Ｌ２に排出される。この水素循環流路Ｌ２は、他方の端部が水素調圧バルブ１１よりも下流側の水素供給流路Ｌ１に接続されている。この水素循環流路Ｌ２には、例えば、水素循環ポンプ１２といった循環手段が設けられている。この水素循環ポンプ１２を駆動することにより、水素循環流路Ｌ２を介して、燃料電池スタック１から排出される排出ガスを、燃料タンク１０からの水素に合流させて燃料電池スタック１の燃料極へと循環させることができる。
空気系において、酸化剤ガスである空気は、例えば、大気がコンプレッサ２０によって取り込まれるとともに加圧されることにより、空気供給流路Ｌ３を介して燃料電池スタック１に供給される。空気供給流路Ｌ３には、コンプレッサ２０よりも下流に加湿装置２１が設けられており、この加湿装置２１により、供給される空気が燃料電池スタック１の反応に必要な湿度に加湿される。
燃料電池スタック１における個々の酸化剤極から排出される排出ガス（酸素が消費された空気）は、空気排出流路Ｌ４を介して外部に排出される。この排出流路Ｌ４には、上述した加湿装置２１が接続されており、排出ガス中に含まれる水分（発電生成水に起因する水分）の除湿が行われる。すなわち、加湿装置２１では、燃料電池スタック１へ供給される空気と、燃料電池スタック１からの排出ガスとの間で水分交換を行うことにより、供給空気の加湿が行われる。また、空気排出流路Ｌ４には、燃料電池スタック１へ供給される空気の圧力を調整する空気調圧バルブ２３が設けられている。
冷却系は、燃料電池スタック１を冷却する冷却液（冷却水）が循環する閉ループ状のスタック冷却流路Ｌ５を有しており、このスタック冷却流路Ｌ５には、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ３０が設けられている。この冷却水循環ポンプ３０を動作させることにより、スタック冷却流路Ｌ５内の冷却水が循環する。スタック冷却流路Ｌ５において、冷却水の循環方向において燃料電池スタック１から冷却水循環ポンプ３０までの間には、ラジエータ（図示せず）等の冷却装置が設けられている。燃料電池スタック１の冷却によって温度が上昇した冷却水は、スタック冷却流路Ｌ６を循環することにより、冷却装置に流れ、これにより冷却される。冷却された冷却水は、再度燃料電池スタック１に供給される。スタック冷却流路Ｌ５は、燃料電池スタック１内においてその流路が細かく分岐しており、これにより、燃料電池スタック１は、その内部が全体に亘って冷却されるようになっている。また、スタック冷却流路Ｌ５において、冷却水の循環方向において冷却水循環ポンプ３０から燃料電池スタック１までの間には、冷却水を加熱するためのヒータ３１が設けられている。
燃料電池スタック１には、燃料電池スタック１から取り出す出力（本実施形態では、電流）を制御する出力取出装置２が接続されている。燃料電池スタック１からの出力は、車両を駆動する駆動モータ３へ直接的に供給されたり、この出力取出装置２を介して、バッテリ４、または、燃料電池スタック１による発電を行うための種々の補機（例えば、コンプレッサ２０、ヒータ３１、冷却水循環ポンプ３０、水素循環ポンプ１２など）および車両用の種々の補機（空調装置など）に供給されたりする。バッテリ４は、第１に、システムに要求される電力（要求電力）に対し、燃料電池スタック１における発電電力が不足する場合、不足分の電力を駆動モータ３および補機に供給する。また、バッテリ４は、燃料電池スタック１の発電電力が要求電力に対して余剰となった場合、余剰分の電力を蓄電し、また、駆動モータ３の回生電力を蓄電する。
制御部５は、システム全体を統合的に制御する機能を担っており、制御プログラムに従って動作することにより、システムの運転状態を制御する。制御部５としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。この制御部５は、システムの状態に基づいて、各種の演算を行い、この演算結果を制御信号として各種のアクチュエータ（図示せず）に出力し、水素調圧バルブ１１、水素循環ポンプ１２、コンプレッサ２０、空気調圧バルブ２３、冷却水循環ポンプ３０、ヒータ３１、出力取出装置２といった種々の要素を制御する。
制御部５には、システムの状態を検出するために、各種センサ等からのセンサ信号が入力されている。この類のセンサとしては、燃料電池スタック１の個々のセルの電圧を検出する電圧計、燃料電池スタック１から取り出される電流を検出する電流計、燃料極または酸化剤極に供給される反応ガスの圧力をそれぞれ検出する圧力センサなどが挙げられる。また、制御部５は、バッテリ４の充電状態（ＳＯＣ：state of charge）をモニタリングすることができる。
本実施形態との関係において、制御部（制御手段）５は、システム起動時の暖機運転において、燃料電池スタック１の目標発電電力を増加させるとともに、電力消費手段を動作させることにより、燃料電池スタック１による発電電力を目標発電電力と対応させて消費する電力消費制御を行う。ここで、電力消費手段は、それぞれが電力を消費して動作する複数の負荷手段を含むものであり、本実施形態では、燃料電池スタック１の酸化剤極に空気を供給するコンプレッサ２０と、燃料電池スタック１を冷却する冷却液を加熱するヒータ３１とを含む。制御部５は、電力消費制御として、コンプレッサ２０による反応ガスの流量を増加させてこのコンプレッサ２０による消費電力を増加させる第１の電力消費制御を一次的に行い、この第１の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、ヒータ３１による冷却水の加熱量を増加させてこのヒータ３１による消費電力を増加させる第２の電力消費制御をさらに行う。
図２は、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図である。本実施形態の制御手法は、低温環境下において燃料電池システムの起動時に実行される暖機運転（処理）に適用される。ここで、図２において、Ｌａは下限発電電力を示し、Ｌｂは上限発電電力を示す。下限発電電力は、燃料電池スタック１による発電電力の下限値を規定するパラメータであり、補機類を動作させるために必要な最低限度の電力に相当する。なお、本実施形態において、燃料電池スタック１の発電に必要な水素および空気といった反応ガスの供給では、燃料電池スタック１の電解質膜における水分除去を効果的に行うとの観点から、通常運転時の燃料電池スタック１の運転圧力よりも低い圧力（以下「暖機圧力」という）にて、これを行うものとする。
タイミングＴ０において燃料電池スタック１の起動が開始されると、制御部５は、バッテリ４からの放電可能な電力を考慮して、下限発電電力Ｌａを演算し、この下限発電電力Ｌａを目標発電電力Ｌｃとして燃料電池スタック１の発電を行う。そして、制御部５は、補機類に対する電力供給を行い、この目標発電電力Ｌｃ、すなわち、下限発電電力Ｌｃに相当する電力を補機類に消費させる。
つぎに、タイミングＴ１において、制御部５は、下限発電電力Ｌａに対応して燃料電池スタック１に供給されている空気の流量をベースとして、そこから空気の供給流量を増加させていく第１の電力消費制御を行う。空気の流量は、コンプレッサ２０の回転数を増加させることにより、増加させることができる。制御部５は、回転数の増加に対応してコンプレッサ２０によって消費される電力を考慮して、これを下限発電電力Ｌａに加算したものを目標発電電力Ｌｃとして経時的に演算する。換言すれば、目標発電力Ｌｃは下限発電電力Ｌｃから増加する傾向となる。そして、制御部５は、目標発電電力Ｌｃに基づいて燃料電池スタック１の発電を行うとともに、コンプレッサ２０の回転数を現在の回転数よりも増加させていき、下限発電電力Ｌａに対して増加した分の電力を、コンプレッサ２０の流量増加動作によって消費させる。なお、目標発電電力Ｌｃの増加に伴い、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素の流量も、空気の流量と同様に増加されている。
タイミングＴ１から所定時間経過したタイミングＴ２において、制御部５は、コンプレッサ２０の回転数を一定として維持させる。そして、制御部５は、冷却水の温度を増加させていく第２の電力消費制御を行う。冷却水の温度は、ヒータ３１に通電を行うとともに、この通電量を増加させることにより、増加させることができる。制御部５は、ヒータ３１によって消費される電力を考慮して、これを流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力と下限発電電力Ｌａとの和に加算したものを目標発電電力Ｌｃとして経時的に演算する。換言すれば、目標発電力Ｌｃは下限発電電力Ｌｃから増加する傾向となる。そして、制御部５は、目標発電電力Ｌｃに基づいて燃料電池スタック１の発電を行うとともに、ヒータ３１に通電してその通電量を増加させていく。これにより、下限発電電力Ｌａおよび流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））に対して増加した分の電力を、ヒータ３１の動作によって消費させる。
そして、タイミングＴ３において、制御部５は、ヒータ３１への通電量を一定に維持する。これにより、燃料電池スタック１による目標発電電力Ｌｃは、下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））、および、ヒータ３１による消費電力（図中の領域（ｂ））の総和となる。このうち、下限発電電力Ｌａよりも増加した電力、すなわち、領域（ａ），（ｂ）に対応する電力がコンプレッサ２０およびヒータ３１によって消費される。
このように本実施形態において、燃料電池システムの制御部５は、燃料電池スタック１の目標発電電力Ｌｃを増加させるとともに、電力消費手段を動作させることにより、燃料電池スタック１による発電電力を目標発電電力Ｌｃと対応させて消費する電力消費制御を行う。ここで、電力消費手段は、コンプレッサ２０と、ヒータ３１とを含む。この場合、制御部５は、電力消費制御として、コンプレッサ２０による反応ガスの流量を増加させる第１の電力消費制御を一次的に行い、この第１の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、ヒータ３１による冷却水の温度を増加させる第２の電力消費制御をさらに行う。
かかる構成によれば、目標発電電力Ｌｃが、下限発電電力Ｌａから増加させられて、これが補機によって消費される。これにより、燃料電池スタック１の自己発熱量を増大させることができるので、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
また、本実施形態によれば、まず、第１の電力消費制御を行うことにより、下限発電電力Ｌａに対応する空気流量よりも、空気流量が増加させられる。低温環境下の起動時には、発電にともなう生成水が電解質膜を覆い、反応ガスの拡散を阻害することにより、反応面の一部しか発電に寄与しないといった可能性がある。しかしながら、本実施形態によれば、空気流量の増加により、燃料電池スタック１内においてその反応を阻害する要因となる水分を除去することができるので、先に述べたような不都合を抑制することができる。そのため、セルの電圧が低下するような不安定な発電状態から脱し易くなる。また、空気流量の増加に応じて、燃料電池スタック１の発電電力を下限発電電力Ｌａより増加させることとなり、自己発熱量を増大させることができる。これにより、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
また、第１の電力消費制御の後に、第２の電力消費制御が行われる。第１の電力消費制御によって燃料電池スタック１の発電が安定した後に、第２の電力消費制御、すなわち、ヒータ３１への通電が行われるので、ヒータ３１への通電を安定して行うことができる。また、ヒータ３１への通電により、冷却水が加熱されることにより、燃料電池スタック１の昇温を促進することができる。また、ヒータ３１の消費電力に応じて燃料電池スタック１の発電電力が増加するので、自己発熱量を増大させることができる。これにより、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
また、通常、冷却水を加熱するヒータ３１は、燃料電池スタック１から離れた場所に設置されている。そのため、冷却水の循環流量が極端に少ない低温の場合は、ヒータ３１で加熱された冷却水が燃料電池スタック１へ到達し、それを昇温するのにある程度の時間を要する。そこで、暖気運転において、第２の電力消費制御よりも、コンプレッサ２０の応答性程度しかロスが生じない第１の電力消費制御を優先的に行うことで、安定した発電状態を早期に得られる効果が高く、これにより、暖機の促進を図ることができる。
なお、ヒータ３１への通電を行うタイミングＴ２は、燃料電池スタック１が安定して発電を行うことができるタイミング、例えば、燃料電池スタック１を構成する個々のセルに関する電圧のバラツキの幅が、予め設定した範囲内に到達したタイミングとして決定することができる。
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池システムの起動時に実行される暖機処理の手順が変更（追加）されていることである。なお、第２の実施形態にかかる燃料電池システムのシステム構成については第１の実施形態と同様であり、重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
図３は、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図であり、第１の実施形態における図２と対応する説明図である。本実施形態の制御手法は、低温環境下において燃料電池システムの起動時に実行される暖機運転（処理）に適用される。ここで、タイミングＴ０からタイミングＴ３までの手順は、第１の実施形態と同様である。
タイミングＴ３において、制御部５は、ヒータ３１の通電量を一定に維持する。そして、制御部５は、燃料電池スタック１に対する空気の供給圧力を暖機圧力から増加させていく第３の電力消費制御を行う。空気の圧力は、コンプレッサ２０の回転数を増加させるとともに、空気調圧バルブ２３の開度を小さくすることにより、増加させることができる。この際、制御部５は、回転数の増加に対応してコンプレッサ２０によって消費される電力を考慮して、これを流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力、ヒータ３１の消費電力および下限発電電力Ｌｃの和に加算したものを目標発電電力Ｌｃとして経時的に演算する。換言すれば、目標発電力Ｌｃは下限発電電力Ｌｃから増加する傾向となる。そして、制御部５は、目標発電電力Ｌｃに基づいて燃料電池スタック１の発電を行うとともに、そして、制御部５は、コンプレッサ２０の回転数を現在の回転数よりも増加させていき、下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））およびヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））に対して増加した分の電力を、コンプレッサ２０の圧力増加動作によって消費させる。なお、燃料電池スタック１の燃料極へ供給される水素の圧力も、燃料極と酸化剤極との間で許容することができる差圧の範囲において、空気の圧力と同様に増加させる。この場合、許容差圧に到達するまでは（タイミングＴ４）は、水素側の圧力の増加スピードよりも空気側の圧力の増加スピードを大きく設定することができる。
これにより、燃料電池スタック１による目標発電電力Ｌｃは、下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））、ヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））、および、圧力増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ｃ））の総和となる。このうち、下限発電電力Ｌａよりも増加した電力、すなわち、領域（ａ）〜（ｃ）に対応する電力がコンプレッサ２０およびヒータ３１によって消費される。
このように本実施形態において、制御部５は、第２の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、コンプレッサ２０による反応ガスの圧力を増加させる第３の電力消費制御をさらに行う。
第１の実施形態に示したように、電解質膜において反応を阻害する水分の除去効果を効率的に得るシーンでは、空気流量を増加させるとともに、空気圧力を通常運転時より低く設定しておくことが好ましい。
しかしながら、本実施形態では、コンプレッサ２０により空気流量を増加させて水分の除去を行うとともに、ヒータ３１への通電を行って、不安定な発電状態から脱しであろう状況の後に、空気圧力を増加させる。これにより、水分の除去効果を妨げることがない。また、空気圧力を増加させることにより、燃料電池スタック１の発電電力を更に増加させることができる。そのため、燃料電池スタック１における発熱量を増大させることができ、燃料電池スタック１の暖機を促進することができる。
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池システムの起動時に実行される暖機処理が変更されていることである。なお、第３の実施形態にかかる燃料電池システムのシステム構成については第１の実施形態と同様であり、重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
図４は、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図であり、第１の実施形態における図２と対応する説明図である。本実施形態の制御手法は、低温環境下において燃料電池システムの起動時に実行される暖機運転（処理）に適用される。ここで、タイミングＴ０からタイミングＴ３までの手順は、第１の実施形態と同様である。
タイミングＴ３において、制御部５は、ヒータ３１の通電量を一定に維持する。そして、制御部５は、燃料電池スタック１に対する空気の供給圧力を増加させていく第３の電力消費制御を行う。なお、第３の電力消費制御については、第２の実施形態と同様の処理であり、ここでの詳細な説明は省略する。
そして、タイミングＴ４において、制御部５は、コンプレッサ２０の回転数を一定として維持させる。これにより、燃料電池スタック１による目標発電電力Ｌｃは、下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））、ヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））、および、圧力増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ｃ））の総和となる。このうち、下限発電電力Ｌａよりも増加した電力、すなわち、領域（ａ）〜（ｃ）に対応する電力がコンプレッサ２０およびヒータ３１によって消費される。
一方、タイミングＴ５において、制御部５は、燃料電池スタック１の発電電力の低下を判定した場合、これに対応させて、目標発電電力Ｌｃを低下させる。また、制御部５は、補機による電力消費量も減少させる。具体的には、制御部５は、目標発電電力Ｌｃを増加させた時に行った電力消費制御の動作パターンとは逆のパターンで電力消費制御の動作を終了させる。具体的には、タイミングＴ５において、制御部５は、最も最後に実施された電力消費制御である第３の電力消費制御に基づいて、これと逆パターンの制御、すなわち、燃料電池スタック１への空気の供給圧力を暖機圧力へと減少させていく。また、燃料電池スタック１の発電電力がまだ低下している場合には、制御部５は、目標発電電力Ｌｃをさらに減少させ、これに対応させてヒータ３１の通電量を減少させていくとともに、ヒータ３１の通電を終了する。さらに、燃料電池スタック１の発電電力がまだ低下している場合には、制御部５は、目標発電電力Ｌｃをさらに減少させ、これに併せて空気流量を減少させていく。
一方、タイミングＴ６において、制御部５は、燃料電池スタック１の発電電力の低下がないことを判定した場合、目標発電電力Ｌｃをその状態の値で維持する。そして、所定時間が経過したタイミングＴ７において、制御部５は、目標発電電力Ｌｃを増加させ、これに対応して、上述したように、第１から第３までの電力消費制御を順次実行する。
このように本実施形態において、制御部５は、増加させた目標発電電力Ｌｃを減少させる場合、目標発電電力Ｌｃを増加させた際の電力消費制御の実行パターンとは逆のパターンにしたがって電力消費制御を終了する。
例えば、タイミングＴ２において、燃料電池スタック１の発電電力を増加できる場合であっても、水分除去効果が十分に期待できる程度まで空気流量が増加していない可能性がある。このケースでは、冷却水の加熱、空気圧力の増加を行った場合には、上述したように、燃料電池スタック１の発電電力を低下させてしまう虞がある。この場合、目標発電電力Ｌｃの減少に対応させて、補機の消費電力を減少させるシーンにおいて、空気流量を減少させる制御と空気圧力を減少させる制御とを同時に、または、空気流量を減少させる制御を空気圧力を減少させる制御よりも先行して行った場合には、圧力状態が高すぎたり、空気流量が足りないといったように、水分除去には不利な状態となるため、不安定な発電状態を脱することができなくなる可能性がある。
しかしながら、本実施形態によれば、目標発電電力Ｌｃの増加時と逆のパターンで消費電力の減少動作が実行されるので、このような不都合を解決することができる。
（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第１の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池システムの起動時に実行される暖機処理が変更されていることである。なお、第４の実施形態にかかる燃料電池システムのシステム構成については第１の実施形態と同様であり、重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
図５は、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図であり、第１の実施形態における図２と対応する説明図である。本実施形態の制御手法は、燃料電池システムの起動時に実行される暖機処理に適用される。ここで、タイミングＴ０からタイミングＴ３までの手順は、第１の実施形態と同様である。
タイミングＴ３において、制御部５は、ヒータ３１の通電量を一定に維持する。そして、制御部５は、燃料電池スタック１に対する空気の供給圧力を増加させていく第３の電力消費制御を行う。なお、第３の電力消費制御については、第２の実施形態と同様の処理であり、ここでの詳細な説明は省略する。
タイミングＴ３から経過したタイミングＴ７において、制御部５は、コンプレッサ２０の回転数を一定として維持させる。そして、制御部５は、その他の補機（以下「代用補機」という）によって燃料電池スタック１による発電電力を消費させる第４の電力消費制御を行う。このような補機としては、燃料電池システムにおいて凍結抑制用に設けられた他のヒータ（図示せず）や車両側のエアコンである。この際、制御部５は、他の補機によって消費される電力を考慮して、これを下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力、ヒータ３１の消費電力および圧力増加によるコンプレッサ２０の消費電力の和に加算したものを目標発電電力Ｌｃとして経時的に演算する。換言すれば、目標発電力Ｌｃは下限発電電力Ｌｃから増加する傾向となる。そして、制御部５は、代用補機に対する電力供給をバッテリ４から燃料電池スタック１側へとシフトさせていき、下限発電電力Ｌａ、コンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ），（ｃ））およびヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））に対して増加した分の電力を、代用補機の動作によって消費させる。
つぎに、タイミングＴ９において、制御部５は、目標発電電力Ｌｃが上限発電電力Ｌｂに到達すると、それ以後は、目標発電電力Ｌｃを上限発電電力Ｌに制限する。これにより、燃料電池スタック１による目標発電電力Ｌｃは、下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））、ヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））、圧力増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ｃ））、および、代用補機の消費電力（図中の領域（ｄ））の総和となる。このうち、下限発電電力Ｌａよりも増加した電力、すなわち、領域（ａ）〜（ｄ）に対応する電力がコンプレッサ２０、ヒータ３１、例えば、エアコンといった代用補機によって消費される。
このように本実施形態において、制御部５は、下限発電電力Ｌａから上限発電電力Ｌｂにかけて、燃料電池スタック１の目標発電電力Ｌｃを増加させている。かかる構成によれば、燃料電池スタック１の発電電力をさらに増加させることで、自己発熱量をより増加させることができる。これにより、燃料電池スタック１の暖機をより促進することができる。
（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態にかかる燃料電池システムについて説明する。本実施形態にかかる燃料電池システムが、第２の実施形態のそれと相違する点は、燃料電池システムの起動時に実行される暖機処理が変更されていることである。なお、第２の実施形態にかかる燃料電池システムのシステム構成については第１の実施形態と同様であり、重複する説明は省略することとし、以下、相違点を中心に説明を行う。
図６は、本実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図であり、第２の実施形態における図３と対応する説明図である。本実施形態の制御手法は、燃料電池システムの起動時に実行される暖機処理に適用される。ここで、タイミングＴ０からタイミングＴ３までの手順は、第２の実施形態と同様である。
タイミングＴ３において、制御部５は、ヒータ３１の通電量を一定に維持する。つぎに、制御部５は、第３の電力消費制御を行う前提として、燃料電池スタック１の発電電力をバッテリ４に充電させるとともに、その充電量を増加させる電力消費制御を行う。この際、制御部５は、バッテリ４への充電にともなって消費される電力を考慮して、これを下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力およびバッテリ４への充電電力の和に加算したものを目標発電電力Ｌｃとして経時的に演算する。換言すれば、目標発電力Ｌｃは下限発電電力Ｌｃから増加する傾向となる。そして、制御部５は、バッテリ４への充電量を増加させていき、下限発電電力Ｌａ、コンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））およびヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））に対して増加した分の電力を、バッテリ４への充電によって消費させる。
そして、タイミングＴ１１において、バッテリ４への充電が完了すると、制御部５は、第３の電力消費制御を行う。この際、制御部５は、目標発電電力Ｌｃが上限発電電力Ｌｂに到達すると、それ以後は、目標発電電力Ｌｃを上限発電電力Ｌに制限する。
これにより、タイミングＴ３からＴ１１までの間は、燃料電池スタック１による目標発電電力Ｌｃは、下限発電電力Ｌａ、流量増加によるコンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ））、ヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））、および、バッテリ４への充電電力（図中の領域（ｅ））の総和となる。このうち、下限発電電力Ｌａよりも増加した電力、すなわち、領域（ａ），（ｂ），（ｅ）に対応する電力がコンプレッサ２０、ヒータ３１およびバッテリ４によって消費される。また、タイミングＴ１１以降は、燃料電池スタック１による目標発電電力Ｌｃは、下限発電電力Ｌａ、コンプレッサ２０の消費電力（図中の領域（ａ），（ｃ））およびヒータ３１の消費電力（図中の領域（ｂ））の総和となる。このうち、下限発電電力Ｌａよりも増加した電力、すなわち、領域（ａ）〜（ｃ）に対応する電力がコンプレッサ２０およびヒータ３１によって消費される。
このように本実施形態において、制御部５は、第２の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、バッテリ４への充電を行い、その後に、第３の電力消費制御を行う。
車両発進時の出力は、バッテリ４が放電できる電力と燃料電池スタック１が発電できる電力との総和から、補機において必要な消費電力を減算したものとなる。車両発進時の出力をある所定値以上確保するまでの時間を、狭義の暖機運転とした場合、バッテリ４への充電を暖機運転中に実施することで、これを行わない場合と比較して、燃料電池スタック１の出力が低い場合でも、車両発進可能な出力を確保できる。そのため、暖機時間を短縮することができる。
第３の電力消費制御を行う前に、バッテリ４への充電を行うことで、空気圧力の増加を開始させるタイミングを遅らせることができる。そのため、燃料電池スタック１における水分除去を行う時間が確保される。これにより、燃料電池スタック１の発電を安定させ、かつ、車両発進時の出力を早期に得ることができる。このため、暖機運転の効率化を図ることができる。
図７は、上限発電電圧を説明する説明図である。なお、上述した各実施形態において、上限発電電力を説明したが、制御部５は、電力消費手段における最大の消費電力を上限発電電力に設定することが好ましい。同図に示すように、電力消費手段で吸収できる最大電力に上限発電電力Ｌｂ１を設定した場合、発電開始のタイミングＴ０から、暖機運転が終了するタイミングＴａまでが暖機運転の期間となる。一方、最大電力より低い電力に上限発電電力Ｌｂ１を設定した場合、発電開始のタイミングＴ０から、暖機運転が終了するタイミングＴｂまでが暖機運転の期間となる。この場合、タイミングＴｂよりもタイミングＴｂの方が短くなるので、暖機運転の長期化を抑制することができる。
また、バッテリ４を有する燃料電池システムでは、上限発電電力を補機（負荷手段）で消費できる最大電力に、バッテリ４へ充電可能な電力を加えたものとする。
以上、本発明の実施形態にかかる燃料電池システムおよびその制御方法について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能である。
第１の実施形態にかかる燃料電池システムの全体構成を示すブロック図 第１の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図 第２の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図 第３の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図 第４の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図 第５の実施形態にかかる燃料電池システムの制御方法の概念を示す説明図 上限発電電圧を説明する説明図
符号の説明
１ 燃料電池スタック
２ 出力取出装置
３ 駆動モータ
４ バッテリ
５ 制御部
１０ 燃料タンク
１１ 水素調圧バルブ
１２ 水素循環ポンプ
２０ コンプレッサ
２１ 加湿装置
２３ 空気調圧バルブ
３０ 冷却水循環ポンプ
３１ ヒータ

Claims (7)

  1. 燃料電池システムにおいて、
    反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池と、
    それぞれが電力を消費して動作する複数の負荷手段を含む電力消費手段と、
    システム起動時の暖機運転において、前記燃料電池の目標発電電力を増加させるとともに、前記電力消費手段を動作させることにより、前記燃料電池による発電電力を前記目標発電電力と対応させて消費する電力消費制御を行う制御手段とを有し、
    前記電力消費手段は、前記負荷手段として、前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と、前記燃料電池を冷却する冷却液を加熱する加熱手段とを含み、
    前記制御手段は、前記電力消費制御として、前記反応ガス供給手段による反応ガスの流量を増加させる第１の電力消費制御を一次的に行い、当該第１の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、前記加熱手段による冷却水の温度を増加させる第２の電力消費制御をさらに行うことを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、前記第２の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、前記反応ガス供給手段による反応ガスの圧力を増加させる第３の電力消費制御をさらに行うことを特徴とする請求項１に記載された燃料電池システム。
  3. 前記制御手段は、増加させた前記目標発電電力を減少させる場合、当該目標発電電力を増加させた際の電力消費制御の実行パターンとは逆のパターンにしたがって電力消費制御を終了することを特徴とする請求項１または２に記載された燃料電池システム。
  4. 前記制御手段は、発電電力の下限値である下限発電電力から発電電力の上限値である上限発電電力にかけて、前記燃料電池の目標発電電力を増加させることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載された燃料電池システム。
  5. 前記電力消費手段は、前記燃料電池による発電電力を充電可能な蓄電手段をさらに含み、
    前記制御手段は、前記第２の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、前記二次電池への充電を行い、その後に、前記第３の電力消費制御を行うことを特徴とする請求項２に記載された燃料電池システム。
  6. 前記制御手段は、前記電力消費手段における最大の消費電力を前記上限発電電力に設定することを特徴とする請求項４に記載された燃料電池システム。
  7. 反応ガスが供給されることにより、当該反応ガスを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池を備える燃料電池システムの制御方法において、
    システム起動時の暖機運転において、前記燃料電池の目標発電電力を増加させる第１のステップと、
    前記燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給手段と前記燃料電池を冷却する冷却液を加熱する加熱手段とを含む電力消費手段を動作させることにより、前記燃料電池による発電電力を前記目標発電電力と対応させて消費する電力消費制御を行う第２のステップとを有し、
    前記第２のステップは、前記反応ガス供給手段による反応ガスの流量を増加させる第１の電力消費制御を一次的に行い、当該第１の電力消費制御よりも開始タイミングを後にオフセットさせて、前記冷却液の温度を増加させる第２の電力消費制御をさらに行うステップであることを特徴とする燃料電池システムの制御方法。
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