JP2010238530A - 燃料電池システム及びこれを備えた車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の始動時における二次電池の過充電を回避する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池と、二次電池と、二次電池と負荷との間に設けられた電圧変換器と、燃料電池の始動時の発電量を制御する制御部とを備え、制御部は、始動時に二次電池に余剰電力を充電させるとともに燃料電池の出力電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる際に、電圧変換器を通過する通過電力が二次電池充電用通過許可電力を超える場合、二次電池への入力電力制限値Ｗ_inを超える場合、および、充電される発動機の回生量が制限されていない場合の少なくとも１つの二次電池が過充電になる場合（Ｓ１１０からＳ１２８）に、開回路電圧と高電位回避電圧との間で燃料電池の運転電圧を調整する（Ｓ１３０）。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池システム及びこれを備えた車両に関する。

燃料極に燃料ガスとしての水素を供給し、酸化剤極に酸化剤ガスとして空気を供給し、水素と空気中の酸素の電気化学反応によって発電すると共に酸化剤極に水を生成する燃料電池の実用化が検討されつつある。

このような燃料電池においては、始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とがそれぞれ通常運転の際の各圧力と同程度の場合には、水素ガスと空気がそれぞれ燃料極と酸化剤極の中で偏在し、このガスの偏在によって発生する電気化学反応で電極が劣化してしまう場合があった。そこで、燃料電池の始動の際に燃料極に供給する水素の圧力と酸化剤極に供給する空気の圧力とを通常の各供給圧力よりも高くすることによって電極の劣化を防止する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、燃料電池の始動の際に水素ガスと空気とを高圧で燃料電池に供給した場合、燃料電池の電圧の上昇速度が高くなって燃料電池の電圧が上限電圧をオーバーシュートしてしまうという問題があった。このため、特許文献１には、燃料電池の始動の際に通常発電の際の圧力よりも高い圧力で水素ガスと空気とを供給する場合、燃料電池の電圧が上限電圧よりも低い所定の電圧に達したら、燃料電池から出力を取り出して車両駆動用モータや抵抗器などに出力する方法が提案されている。

特開２００７−２６８９１号公報

ところで、燃料電池が搭載された電動車両では、燃料電池の出力電力指令値は負荷からの要求電力と燃料電池の出力電流電圧特性とに基づいて計算される。しかし、燃料電池を始動する際、燃料電池の電圧が始動電圧から上昇している間は、逆流防止ダイオードでブロックされているため、燃料電池から電流が流れない。一方、例えば、始動の際に燃料電池の電圧を一旦、開回路電圧（以下「ＯＣＶ」という）まで上昇させた後、燃料電池の制御電圧を下げて電力を取り出す方法において、燃料電池の発電許可までの間は、燃料電池の電圧をＯＣＶにしておき、燃料電池から電流が流出しないように制御されるが、かかる場合、燃料電池の耐久性が損なわれる場合がある。

そこで、燃料電池の発電許可前であっても、燃料電池の出力電圧をＯＣＶより下げることが望ましい。しかしながら、始動直後の燃料電池の触媒状態は様々であることから、始動直後の燃料電池の発電量は著しく変動する。そして、始動時に、負荷からの要求電力以上に燃料電池から発電された場合には、電動車両に設けられた二次電池にその余剰電力が充電されることになる。

しかし、二次電池に対して、ハイレートで充電、高ＳＯＣ（state of charge）からの充電、低温（例えば０℃）での充電（抵抗が高い状態での充電）などの使用態様で充電される際に、二次電池が過充電状態になり、二次電池の耐久性が損なわれる場合がある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、二次電池への過充電を抑制するために始動時の燃料電池の電力管理を行う燃料電池システム及びこれを備えた車両を提供する。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システム及びこれを備えた車両は以下の特徴を有する。

（１）燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、前記燃料電池から出力される電力を充電するとともに充放電可能な二次電池と、 前記燃料電池の始動時の発電量を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、前記制御部は、始動時に前記二次電池に余剰電力を充電させるとともに前記燃料電池の出力電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる際に、二次電池が過充電になる場合、前記開回路電圧と高電位回避電圧との間で燃料電池の電圧を調整する電圧調整手段を有する燃料電池システムである。

始動時において、二次電池への充電可能量を考慮しつつ、始動時の燃料電池の出力電圧を調整し、燃料電池からの発電量を管理するので、二次電池の過充電状態が回避され、その結果、二次電池の耐久性が担保される。

（２）上記（１）に記載の燃料電池システムにおいて、さらに、前記二次電池と負荷との間に設けられた電圧変換器と、発動機と、を有し、前記電圧調整手段における二次電池の過充電となる場合は、前記電圧変換器を通過する通過電力が少なくとも電圧変換器の効率と入力電力制限値Ｗ_inとに基づき求められた二次電池充電用通過許可電力を超える場合、前記二次電池への入力電力制限値Ｗ_inを超える場合、および、発動機の回生量が制限されていない場合の少なくとも１つである燃料電池システムである。

発動機からの回生エネルギーも二次電池に充電されるので、始動時に、電圧変換器を通過する通過電力が少なくとも電圧変換器の効率と入力電力制限値Ｗ_inとに基づき求められた二次電池充電用通過許可電力を超える場合、二次電池への入力電力制限値Ｗ_inを超える場合、および、充電される発動機の回生量が制限されていない場合には、始動時の燃料電池の出力電圧を調整して、燃料電池からの発電量を管理することにより、回生エネルギーは二次電池に充電され、かつ二次電池の過充電状態が回避され、その結果、燃費も向上し、また二次電池の耐久性も担保される。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記制御手段は、さらに、燃料電池の電圧を測定して燃料電池の発電量を算出する発電量算出手段と、二次電池の充電容量を推定するＳＯＣ推定手段と、発動機の回生量を算出する回生量算出手段と、推定された二次電池の充電量と発電機の回生量とに基づき、二次電池への入力電力制限値Ｗ_inを算出する入力電力制限値手段と、少なくとも電圧変換器の効率と入力電力制限値Ｗ_inとに基づき二次電池充電用通過許可電力を求める充電用許可電力算出手段と、算出された二次電池側充電用許可電力と燃料電池の発電量との差分ｄ１を求め、推定された二次電池の充電容量と算出された入力電力制限値Ｗ_inとの差分ｄ２を求め、差分ｄ１，ｄ２のうちより小さい差分を基に二次電池へ入力可能な電力量を算出する入力可能電力量算出手段と、を有し、前記出力調整手段は、入力可能な電力量を基に燃料電池の発電可能な発電量を算出し、前記開回路電圧と目標電圧との間で燃料電池の出力電圧を調整する燃料電池システムである。

二次電池側充電用許可電力と燃料電池の発電量との差分ｄ１（すなわち、燃料電池から二次電池へ充電される電力量）と、推定された二次電池の充電容量（ＳＯＣ量）と算出された入力電力制限値Ｗ_inとの差分ｄ２（すなわち、二次電池への充電可能量）とに基づき、差分ｄ１，ｄ２のうちより小さい差分を基に二次電池へ入力可能な電力量を算出して、燃料電池の出力電圧を調整して、燃料電池からの発電量を管理することにより、二次電池の過充電状態が回避され、その結果、二次電池の耐久性が担保される。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料電池システムを有する車両である。

電動車両において、始動時の燃料電池の発明により二次電池が過充電になることを抑制し、二次電池の性能低下が防止される。

本発明によれば、始動時において、二次電池への充電可能量を考慮しつつ、始動時の燃料電池の出力電圧を調整し、燃料電池からの発電量を管理するので、二次電池の過充電状態が回避される。

本発明の実施形態における燃料電池システムの系統図である。 二次電池過充電回避のための始動時の燃料電池の電圧制御を説明する図である。 始動時の燃料電池スタック中の初期セル電圧と燃料電池出力電力の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態における燃料電池システムの始動時燃料電池の電力制御を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載されている燃料電池システム１００は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２の電圧を昇降圧する昇降圧コンバータ１３と、昇降圧コンバータ１３の直流電力を交流電力に変換して走行用モータ１５に供給するインバータ１４と、燃料電池１１と、を備えている。

二次電池１２は充放電可能なリチウムイオン電池などによって構成され、本実施の形態において、その電圧は走行用モータ１５の駆動電圧よりも低い電圧であるが、同等又は高い電圧であってもよい。昇降圧コンバータ１３は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって二次電池１２から供給された低圧の電圧を走行用モータ駆動用の高圧に昇降圧するものであり、基準電路３２が二次電池１２のマイナス側電路３４とインバータ１４のマイナス側電路３９とに共通に接続され、１次側電路３１が二次電池１２のプラス側電路３３に接続され、２次側電路３５がインバータ１４のプラス側電路３８に接続された非絶縁型の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。また、二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４には二次電池１２と負荷系統との接続を入り切りするシステムリレー２５が設けられている。

燃料電池１１は、燃料ガスである水素ガスと酸化剤ガスである空気が供給され、水素ガスと空気中の酸素との電気化学反応により発電する燃料電池セルを複数有するもので、水素ガスは高圧の水素タンク１７から水素供給弁１８を介して燃料極（アノード）に供給され、空気は空気圧縮機１９によって酸化剤極（カソード）に供給される。燃料電池１１のプラス側電路３６は昇降圧コンバータ１３の２次側電路３５にＦＣリレー２４と逆流防止ダイオード２３を介して接続され、燃料電池１１のマイナス側電路３７はＦＣリレー２４を介して昇降圧コンバータ１３の基準電路３２に接続される。昇降圧コンバータ１３の２次側電路３５はインバータ１４のプラス側電路３８に接続され、昇降圧コンバータ１３の基準電路３２はインバータ１４のマイナス側電路３９に接続されているので、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７はそれぞれインバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９にＦＣリレー２４を介して接続されている。ＦＣリレー２４は負荷系統と燃料電池１１との接続を入り切りするもので、ＦＣリレー２４が閉となると燃料電池１１は昇降圧コンバータ１３の２次側と接続され、燃料電池１１の発電電力は二次電池１２の１次側電力を昇圧した２次側電力と共にインバータ１４に供給されて車輪６０を回転させる走行用モータ１５を駆動する。この際、燃料電池１１の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧、インバータ１４の入力電圧と同一電圧となる。また、空気圧縮機１９や冷却水ポンプ、水素ポンプなど燃料電池１１の補機１６の駆動電力は、基本的に燃料電池１１が発電した電圧でまかない、燃料電池１１が発電できないときは二次電池１２で補完する。

二次電池１２のプラス側電路３３とマイナス側電路３４との間には低圧側の電圧を平滑化する１次側コンデンサ２０が接続され、１次側コンデンサ２０には両端の電圧を検出する電圧センサ４１が設けられている。また、インバータ１４のプラス側電路３８とマイナス側電路３９との間には２次側の電圧を平滑にする２次側コンデンサ２１が設けられ、２次側コンデンサ２１にも両端の電圧を検出する電圧センサ４２が設けられている。１次側コンデンサ２０両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の入力電圧である１次側電圧Ｖ_Lであり、２次側コンデンサ２１の両端の電圧は昇降圧コンバータ１３の出力電圧である２次側電圧Ｖ_Hである。また、燃料電池１１のプラス側電路３６とマイナス側電路３７との間には燃料電池１１の電圧を検出する電圧センサ４３が設けられている。該電圧センサ４３は、燃料電池１１を構成する複数の燃料電池セル個々のセル電圧も検出する。また、燃料電池１１のプラス側電路３６には燃料電池１１からの出力電流を検出する電流センサ４４が設けられている。

制御部５０は、内部に信号処理を行うＣＰＵとプログラムや制御データを格納する記憶部とを備えるコンピュータである。燃料電池１１、空気圧縮機１９、水素供給弁１８、昇降圧コンバータ１３、インバータ１４、走行用モータ１５、補機１６、ＦＣリレー２４、システムリレー２５は制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、二次電池１２と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４はそれぞれ制御部５０に接続され、二次電池１２の状態と各電圧センサ４１〜４３、電流センサ４４の検出信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。電動車両２００には燃料電池システム１００を始動停止させるスイッチであるイグニッションキー３０が設けられている。イグニッションキー３０は制御部５０に接続され、イグニッションキー３０のオンオフ信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。

以上のように構成された燃料電池システム１００の動作について、図２から図４を用いて以下に説明する。

図２には、二次電池過充電回避のための始動時の燃料電池の電圧制御の一例が示されている。図２の上段には燃料電池（以下「ＦＣ」ともいう）の電圧変化が、また図の下段には、二次電池の電力変化が示されている。さらに、図２の電流変化のグラフにおいて、実線は燃料電池への指令電圧を示し、点線は燃料電池スタックのセル総電圧を示した。なお、図２では、説明の関係上、指令電圧とセル総電圧とがかなり遅れて追従しているように記載されているが、実際の指令電圧と実際のセル総電圧とは、図２に示すほど差はなく、セル総電圧は指令電圧に沿って変化している。また、図２の二次電池の電力のグラフにおける実線は、昇降圧コンバータ１３を通過する電力量の変化を示している。

図２により、始動時の燃料電池の電圧制御を説明する前に、図３を用いて、始動直後の燃料電池の初期電圧と出力について説明する。図３に示すように、始動時の燃料で電池スタック各セル総電圧は、燃料電池の運転停止時間に応じて異なり、運転停止時間が長いほどセル総電圧は０Ｖに近く、運転停止時間が短いほどセル総電圧は高電圧となる。また、燃料電池の運転停止時間が長いほど、燃料電池内の触媒が活性化するため、燃料電池始動時の発電量が大きくなり、運転停止時間が短い場合には、長い場合に比べ触媒のリフレッシュが少ないため、燃料電池始動時の発電量は大きくない。すなわち、始動直後の燃料電池の触媒状態によって、始動直後の燃料電池の発電量は著しく変動する。

一方、図１に示すように、始動時に、負荷からの要求電力以上に燃料電池１１から発電された場合には、電動車両２００に設けられた二次電池１２にその余剰電力が充電される。通常、二次電池１２は、始動時の燃料電池の出力を充電可能な容量を有するが、例えば、低温での充電（抵抗が高い状態での充電）では二次電池１２が過充電状態になりやすいため、二次電池１２の最大充電容量より低い制限容量で充電制御されるため、仮に燃料電池１１のセル総電圧が０Ｖに近い場合には、この制限容量を超えて燃料電池１１の発電電力が充電されてしまい、二次電池１２が過充電状態になるおそれがある。

また、例えば、始動時に空気圧力機１９を通常運転時より高圧で運転し、燃料電池１１に酸化剤ガスである空気を供給する場合、始動直後の燃料電池１１からの発電量は大きくなる。かかる場合も、二次電池１２にハイレートで充電されるため、二次電池１２が過充電状態になるおそれがある。

また、二次電池１２に高ＳＯＣ（state of charge）からの充電の場合も、二次電池１２が過充電状態になるおそれがある。

そこで、燃料電池の発電許可前における始動時の燃料電池の出力による二次電池の過充電状態を回避する必要がある。そこで、本実施の形態では、図１に示す制御部５０内に、始動時に二次電池１１に余剰電力を充電するとともに燃料電池１１の出力電圧を開回路電圧（ＯＣＶ）から高電位回避電圧まで降下させる際に、二次電池１２が過充電になる場合、開回路電圧と高電位回避電圧との間で燃料電池の電圧を調整するための電圧調整手段（図示せず）が設けられている。ここで「高電位回避電圧」は、ＯＣＶより小さく、燃料電池の耐久性を担保するために、燃料電池からの発電が可能な予め定められた燃料電池の目標運転電圧を意味する。

さらに、上記電圧調整手段は、電圧変換器である昇降圧コンバータ１３を通過する通過電力が少なくとも昇降圧コンバータ１３の効率と入力電力制限値Ｗ_inとに基づき求められた二次電池充電用通過許可電力を超える場合、二次電池１２への入力電力制限値Ｗ_inを超える場合、および、充電される発動機（走行用モータ１５）の回生量が制限されていない場合の少なくとも１つの場合に、燃料電池１１の運転電圧を開回路電圧と高電位回避電圧との間で調整する。

制御部５０には、二次電池の充電容量を推定するＳＯＣ推定手段（図示せず）が設けられ、ＳＯＣ推定手段には、二次電池１２を管理するのに必要な信号、例えば、二次電池１２の端子間に設置された電圧センサ４１からの端子間電圧、二次電池１２の出力端子に接続された電力ラインに取り付けられた電流センサ（図示せず）からの充放電電流（以下「バッテリ電流」ともいう）、二次電池１２に取り付けられた温度センサ（図示せず）からの電池温度などが入力され、記憶される。また、ＳＯＣ推定手段では、入力された電流センサから実測される二次電池電流値ＩＢ（ｔ）を積算し、又は実測された二次電池温度値ＴＢ（ｔ）により補正された推定電流値を積算して充電状態（ＳＯＣ、残容量）も推定している。

上記「入力電力制限値Ｗ_in」は、図１に示す制御部５０に設けられた入力電力制限値算出手段（図示せず）において、上記ＳＯＣ推定手段により求められた設定された時間ｔにおける充電容量値ＳＯＣ（ｔ）とを用い、充電時における単位時間当たりの許容入力電流値を求めるとともに、単位時間当たりの二次電池への許容入力電流値Ｉ_lim（ｔ）が算出され、さらにＰＩＤ制御によって、以下に示す式（Ｉ）を用いて算出される。
［数１］
Ｗ_in（ｔ）＝ＳＷ_in（ｔ）−Ｋ_p×｛ＩＢ（ｔ）−Ｉ_tag1（ｔ）｝−Ｋ_i×∫｛ＩＢ（ｔ）−Ｉ_tag2（ｔ）｝ｄｔ ・・・（ＩＶ）
（式中、Ｗ_in（ｔ）：時刻ｔにおける二次電池入力電力制限値（Ｗ）、ＳＷ_in（ｔ）：予め設定された二次電池入力電力制限規定値、Ｋ_p：ｐ項フィードバックゲイン、Ｋ_i：ｉ項フィードバックゲイン、Ｉ_tag1（ｔ）：ｐ項フィードバック制御による電流制限目標値、Ｉ_tag2（ｔ）：ｉ項フィードバック制御による電流制限目標値、ＩＢ（ｔ）：時間ｔにおけるバッテリ電流値を示す。）

また、上記Ｉ_tag1（ｔ）及びＩ_tag2（ｔ）は以下の式（ＩＩ）により得られる。
［数２］
Ｉ_tag1（ｔ）＝Ｆ_p（Ｉ_lim’（ｔ））、及び、Ｉ_tag2（ｔ）＝Ｆ_i（Ｉ_lim’（ｔ））・・・（ＩＩ）
（式中Ｉ_lim’（ｔ）は、前回算出した前回算出許容入力電流値Ｉ_lim（ｔ−１）または初回のみ設定許容入力電流値Ｉ_lim（０）を基に算出される。）

また、図１に示す制御部５０は、燃料電池１１の電圧を電圧センサ４３により測定して燃料電池の発電量を算出する発電量算出手段（図示せず）が設けられている。

さらに、図１に示す制御部５０は、発動機である走行用モータ１５の回生量を算出する回生量算出手段が設けられており、回生量は、式（ＩＩ）により求めることができる。したがって、上記入力電力制限値算出手段は、始動時の回生量を考慮する場合、上述した二次電池のＳＯＣのみならず発電機の回生量にも基づき、二次電池１２への入力電力制限値Ｗ_inが算出される。

また、図１に示す制御部５０は、少なくとも昇降圧コンバータ１３の効率と入力電力制限値Ｗ_inとに基づき二次電池充電用通過許可電力を求める充電用許可電力算出手段（図示せず）が設けられている。例えば、充電用許可電力算出手段は、入力電力制限値Ｗ_inと補機１６の要求電力との和に昇降圧コンバータ１３の効率を乗じて、二次電池充電用通過許可電力を求める。

また、図１に示す制御部５０は、算出された二次電池側充電用許可電力と燃料電池の発電量との差分ｄ１（すなわち、燃料電池から二次電池へ充電される電力量）と、推定された二次電池の充電容量（ＳＯＣ量）と算出された入力電力制限値Ｗ_inとの差分ｄ２（すなわち、二次電池への充電可能量）を求め、差分ｄ１，ｄ２のうちより小さい差分を基に二次電池へ入力可能な電力量を算出する入力可能電力量算出手段（図示せず）が設けられている。

次に、本実施の形態の燃料電池システムの動作の一例を、図１、図２、図４を用いて以下に説明する。まず、イグニッションキー３０がオンになったら、ＳＯＣ推定手段では、入力された時間ｔにおける二次電池の電圧Ｖ（ｔ）から推定電流値Ｉ（ｔ）を算出し、時間ｔにおける充電容量ＳＯＣ（ｔ）を推定する（Ｓ１１２）。次に、ブレーキがオンされた場合（Ｓ１１４）には、回生量算出手段により時間ｔにおける回生エネルギーが算出される（Ｓ１１６）。さらに、時間ｔにおける推定された充電容量ＳＯＣ（ｔ）又は推定された充電容量ＳＯＣ（ｔ）と回生エネルギーとに基づき、入力電力制限値算出手段において、上記式（Ｉ）及び式（ＩＩ）を用いて入力電力制限値Ｗ_in（ｔ）を算出する（Ｓ１１８）。次いで、充電用許可電力算出手段は、入力電力制限値Ｗ_inと補機１６の要求電力との和に昇降圧コンバータ１３の効率を乗じて、二次電池充電用通過許可電力を求める（Ｓ１２０）。

次いで、入力可能電力量算出手段は、算出された二次電池側充電用許可電力と燃料電池の発電量との差分ｄ１（すなわち、燃料電池から二次電池へ充電される電力量）を求め（Ｓ１２２）、また推定された二次電池の充電容量（ＳＯＣ量）と算出された入力電力制限値Ｗ_inとの差分ｄ２（すなわち、二次電池への充電可能量）を求め（Ｓ１２４）、求めた差分ｄ１，ｄ２のうちより小さい差分を選択する（Ｓ１２６）。さらに、入力可能電力量算出手段は、選択したより小さい差分を基に二次電池へ入力可能な燃料電池１１の電力量を算出する（Ｓ１２８）。

電圧調整手段は、図４に示すように、得られた二次電池へ入力可能な燃料電池１１の電力量を基に、少なくとも燃料電池のＦＣリレー２４接続から燃料電池の発電許可前において、昇降圧コンバータ１３を通過する通過電力が二次電池充電用通過許可電力を超える場合、二次電池１２への入力電力制限値Ｗ_inを超える場合、および、走行用モータ１５の回生量が制限されていない場合の少なくとも１つの場合に、燃料電池１１の運転電圧を開回路電圧と高電位回避電圧との間で調整して、燃料電池１１の発電量を制御する（Ｓ１３０）。すなわち、図２に示すように、始動時に、一旦燃料電池１１の運転電圧をＯＣＶまで上げ、次いで燃料電池１１の耐久性を担保するために、燃料電池発電許可前に、燃料電池１１の運転電圧（すなわち、セル総電圧）をＯＣＶから高電位回避電圧まで降下させる際に、まず、通常の降下速度で燃料電池１１の運転電圧を降下させ、入力電力制限値Ｗ_inを超える場合、燃料電池１１の運転電圧の降下速度を調整し（図２の二点鎖線で囲ったＩ領域）、燃料電池１１の運転電圧をモニタしながら、さらに昇降圧コンバータ１３を通過する電力が二次電池側充電用許可電力を超える場合、すなわち図２下段の二次電池側充電許可電力量を超えた場合、燃料電池１１の運転電圧の上昇させて、昇降圧コンバータ１３を通過する電力が二次電池側充電用許可電力より小さくなるように、燃料電池１１の運転電圧を調整する。そして、昇降圧コンバータ１３を通過する電力が二次電池側充電用許可電力より小さくなった場合には、入力電力制限値Ｗ_inを超えないように燃料電池１１の運転電圧の降下速度を調整し、燃料電池１１の運転電圧を高電位回避電圧まで降下させる。ここで、「二次電池側充電許可電力量」は、二次電池最大充電電力よりマージン電力量分低い値で予め電力調整手段に記憶されている。なお、マージン電力量は、本実施の形態では例えば２ｋＷに設定されるが、燃料電池の運転電圧の制御速度に応じて適宜設定される。

また、少なくとも燃料電池のＦＣリレー２４接続から燃料電池の発電許可前にブレーキがオンされた場合には、回生トルクを確保するために、上述した回生量算出手段において走行用モータ１５の回生量を算出し、充電される回生量が制限されていない場合であって、図２下段に示すように昇降圧コンバータ１３を通過する電力が二次電池側充電用許可電力を超える場合、燃料電池１１の運転電圧の上昇させて、昇降圧コンバータ１３を通過する電力が二次電池側充電用許可電力より小さくなるように、燃料電池１１の運転電圧を調整する（図２の二点波線で囲んだＩＩ領域）。そして、昇降圧コンバータ１３を通過する電力が二次電池側充電用許可電力より小さくなった場合には、入力電力制限値Ｗ_inを超えないように燃料電池１１の運転電圧の降下速度を調整し、燃料電池１１の運転電圧を高電位回避電圧まで降下させる。

電圧調整手段によって、燃料電池１１の運転電圧が高電位回避電圧まで降下して安定した時点で、燃料電池の始動が完了する（Ｓ１３２）。これにより、始動時において、二次電池１２の充電容量及び必要に応じて走行用モータ１５の回生量を監視しながら、燃料電池１１の発電量を調整するため、二次電池１１が過充電状態になることが回避され、かつ走行用モータ１５の回生トルクも確保される。

本発明は、燃料電池システムを用いる分野に利用可能であるが、例えば車両の製造産業、などに利用可能である。

１１ 燃料電池、１２ 二次電池、１３ 昇降圧コンバータ、１４ インバータ、１５ 走行用モータ、１６ 補機、１７ 水素タンク、１８ 水素供給弁、１９ 空気圧縮機、２０ １次側コンデンサ、２１ ２次側コンデンサ、２３ 逆流防止ダイオード、２４ ＦＣリレー、２５ システムリレー、３０ イグニッションキー、３１ １次側電路、３２ 基準電路、３３，３６，３８ プラス側電路、３４，３７，３９ マイナス側電路、３５ ２次側電路、４１，４２，４３ 電圧センサ、４４ 電流センサ、５０ 制御部、６０ 車輪、１００ 燃料電池システム、２００ 電動車両。

Claims (4)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
   前記燃料電池から出力される電力を充電するとともに充放電可能な二次電池と、
   前記燃料電池の始動時の発電量を制御する制御部と、を備える燃料電池システムであって、
   前記制御部は、始動時に前記二次電池に余剰電力を充電させるとともに前記燃料電池の出力電圧を開回路電圧から高電位回避電圧まで降下させる際に、二次電池が過充電になる場合、前記開回路電圧と高電位回避電圧との間で燃料電池の電圧を調整する電圧調整手段を有することを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
   さらに、前記二次電池と負荷との間に設けられた電圧変換器と、
   発動機と、を有し、
   前記電圧調整手段における二次電池の過充電となる場合は、前記電圧変換器を通過する通過電力が少なくとも電圧変換器の効率と入力電力制限値Ｗ_inとに基づき求められた二次電池充電用通過許可電力を超える場合、前記二次電池への入力電力制限値Ｗ_inを超える場合、および、充電される発動機の回生量が制限されていない場合の少なくとも１つであることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記制御手段は、さらに、燃料電池の電圧を測定して燃料電池の発電量を算出する発電量算出手段と、
   二次電池の充電容量を推定するＳＯＣ推定手段と、
   発動機の回生量を算出する回生量算出手段と、
   推定された二次電池の充電容量と発電機の回生量とに基づき、二次電池への入力電力制限値Ｗ_inを算出する入力電力制限値算出手段と、
   少なくとも電圧変換器の効率と入力電力制限値Ｗ_inとに基づき二次電池充電用通過許可電力を求める充電用許可電力算出手段と、
   算出された二次電池側充電用許可電力と燃料電池の発電量との差分ｄ１を求め、推定された二次電池の充電容量と算出された入力電力制限値Ｗ_inとの差分ｄ２を求め、差分ｄ１，ｄ２のうちより小さい差分を基に二次電池へ入力可能な電力量を算出する入力可能電力量算出手段と、を有し、
   前記出力調整手段は、入力可能な電力量を基に燃料電池の発電可能な発電量を算出し、前記開回路電圧と目標電圧との間で燃料電池の出力電圧を調整することを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池システムを有する車両。

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