JP2021057127A - 燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラム - Google Patents

燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラム Download PDF

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良次 酒井
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Abstract

【課題】バッテリを保護しつつ車両外部の機器に給電することができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムを提供すること。【解決手段】燃料電池と、燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電装置と、少なくとも燃料電池の発電制御を行う制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、制御装置は、蓄電装置の充電率を取得し、蓄電装置に蓄電された電力が外部の機器に給電される場合、燃料電池を発電させて蓄電装置の充電率を上昇させる第１制御と、燃料電池の発電量を第１制御よりも制限して蓄電装置の充電率を低下させる第２制御とを実行し、温度センサにより検出された温度が所定温度未満である場合には、温度センサにより検出された温度が所定温度以上である場合に比して、第１制御における燃料電池の時間当たりの発電量を小さくする。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムに関する。
従来、燃料電池車両から外部給電装置への給電時において、バッテリのＳＯＣに基づいて、燃料電池スタックの状態を効率優先運転と出力抑制運転または発電停止との間で間欠的に切り替える場合に、燃料電池スタックの状態に関わらず、燃料電池スタックに供給される空気の流量を所定流量以上に維持することにより、燃料電池スタックの動作効率を確保する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１４−５６７７１号公報
しかしながら、従来の技術では、外部環境の変化などに起因してバッテリの蓄電容量が変化することについて検討されていなかった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、バッテリを保護しつつ車両外部の機器に給電することができる燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムを提供することを目的の一つとする。
この発明に係る燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムは、以下の構成を採用した。
（１）：この発明の一態様に係る燃料電池システムは、燃料電池と、温度センサを内蔵しまたは温度センサが付設され、前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電装置と、少なくとも前記燃料電池の発電制御を行う制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、前記制御装置は、前記蓄電装置の充電率を取得し、前記蓄電装置に蓄電された電力が外部の機器に給電される場合、前記燃料電池を発電させて前記蓄電装置の充電率を上昇させる第１制御と、前記燃料電池の発電量を前記第１制御よりも制限して前記蓄電装置の充電率を低下させる第２制御とを実行し、前記温度センサにより検出された温度が所定温度よりも低い場合には、前記温度センサにより検出された温度が前記所定温度以上である場合に比して、前記第１制御における前記燃料電池の時間当たりの発電量を小さくするものである。
（２）：上記（１）の態様において、前記制御装置は、前記第１制御を行っている場合、前記蓄電装置の充電率が上昇して第１閾値以上となったときに前記第１制御から前記第２制御に切り替え、前記第２制御を行っている場合、前記蓄電装置の充電率が低下して第２閾値未満となったときに前記第２制御から前記第１制御に切り替えるものである。
（３）：上記（１）または（２）の態様において、前記制御装置は、前記第１制御を行っている場合、前記燃料電池の発電効率が高い発電量で前記燃料電池に発電させるものである。
（４）：上記（１）〜（３）の態様において、前記燃料電池システムは、車両に搭載され、前記蓄電装置に蓄電された電力を前記車両の外部の機器に給電可能な給電装置をさらに備えるものである。
（５）：上記（４）の態様において、前記給電装置は、前記車両の外部に設けられた外部蓄電装置と接続可能であり、前記制御装置により前記第１制御が行われる場合、前記燃料電池により発電された電力を前記外部蓄電装置に供給すると共に、前記車両の外部の機器にも供給し、前記制御装置により前記第２制御が行われる場合、前記蓄電装置が放電する電力および前記外部蓄電装置が放電する電力を前記機器に供給するものである。
（６）：上記（５）の態様において、前記給電装置は、前記制御装置により前記第２制御が行われる場合、最初に前記外部蓄電装置が放電する電力を前記機器に供給するものである。
（７）：上記（１）〜（６）の態様において、前記蓄電装置に熱が伝わる位置に設けられ、前記蓄電装置から供給される電力を用いて発熱する加熱部をさらに備え、前記制御装置は、前記蓄電装置の温度が前記所定温度未満である場合、前記蓄電装置に蓄電された電力を前記加熱部に供給して発熱させるものである。
（８）：本発明の他の態様に係る燃料電池システムの制御方法は、燃料電池と、温度センサを内蔵しまたは温度センサが付設され、前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電装置と、を備える燃料電池システムの制御装置が、少なくとも前記燃料電池の発電制御を行い、前記蓄電装置の充電率を取得し、前記蓄電装置に蓄電された電力が外部の機器に給電される場合、前記燃料電池を発電させて前記蓄電装置の充電率を上昇させる第１制御と、前記燃料電池の発電量を前記第１制御よりも制限して前記蓄電装置の充電率を低下させる第２制御とを実行し、前記温度センサにより検出された温度が所定温度未満である場合には、前記温度センサにより検出された温度が前記所定温度以上である場合に比して、前記第１制御における前記燃料電池の時間当たりの発電量を小さくするものである。
（９）：本発明の他の態様に係るプログラムは、燃料電池と、温度センサを内蔵しまたは温度センサが付設され、前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電装置と、を備える燃料電池システムの制御コンピュータに、少なくとも前記燃料電池の発電制御を行う処理と、前記蓄電装置の充電率を取得する処理と、前記蓄電装置に蓄電された電力が外部の機器に給電される場合、前記燃料電池を発電させて前記蓄電装置の充電率を上昇させる第１制御と、前記燃料電池の発電量を前記第１制御よりも制限して前記蓄電装置の充電率を低下させる第２制御とを実行する処理と、前記温度センサにより検出された温度が所定温度未満である場合には、前記温度センサにより検出された温度が前記所定温度以上である場合に比して、前記第１制御における前記燃料電池の時間当たりの発電量を小さくする処理と、を実行させるものである。
（１）〜（９）によれば、バッテリを保護しつつ車両外部の機器に給電することができる。
第１実施形態に係る電動車両１の構成の一例を示す図である。 第１実施形態に係るＦＣユニット１００の構成の一例を示す図である。 ＦＣ要求電力が比較的小さい場合での車両走行時におけるバッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣ出力の一例を示すグラフである。 ＦＣ要求電力が比較的大きい場合での車両走行時におけるバッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣ出力の一例を示すグラフである。 通常環境下での外部給電時におけるバッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣ出力の一例を示すグラフである。 低温環境下での外部給電時におけるバッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣ出力の一例を示すグラフである。 第１実施形態に係る燃料電池システム１０における一連の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第１実施形態に係る燃料電池システム１０の動作を説明するための図である。 第２実施形態に係る給電装置２１０Ａの構成の一例を示す図である。 第２実施形態に係る燃料電池システム１０の動作を説明するための図である。
＜第１実施形態＞
以下、図面を参照し、本発明の燃料電池システム、燃料電池システムの制御方法、およびプログラムの第１実施形態について説明する。以下の説明において、電動車両１は、燃料電池において発電された電力を走行用の電力として用いる燃料電池車両であるものとする。
[電動車両]
図１は、燃料電池システム１０の構成の一例を示す図である。燃料電池システム１０は、例えば、電動車両１に搭載されるシステムである。燃料電池システム１０は、定置型のシステムであってもよい。電動車両１は、燃料電池において発電された電力を走行用の電力として用いる燃料電池車両である。燃料電池システム１０は、少なくとも、モータ１２と、駆動輪１４と、ブレーキ装置１６と、車両センサ２０と、変換器３２と、ＢＴＶＣＵ（Battery Voltage Control Unit）３４と、バッテリシステム（蓄電装置）４０と、制御装置５０と、充電口６０と、ＦＣ（Fuel Cell：燃料電池）ユニット１００とを備える。燃料電池システム１０は、給電装置２１０を含んでもよい。
モータ１２は、例えば、三相交流電動機である。モータ１２のロータは、駆動輪１４に連結される。モータ１２は、ＦＣユニット１００により発電された電力とバッテリシステム４０により蓄電された電力とのうち少なくとも一方を用いて、電動車両１の走行に用いられる駆動力を駆動輪１４に出力する。また、モータ１２は、車両の減速時に車両の運動エネルギーを用いて発電する。
ブレーキ装置１６は、例えば、ブレーキキャリパーと、ブレーキキャリパーに油圧を伝達するシリンダと、シリンダに油圧を発生させる電動モータと、を備える。ブレーキ装置１６は、ブレーキペダルの操作によって発生した油圧を、マスターシリンダを介してシリンダに伝達する機構をバックアップとして備えてよい。なお、ブレーキ装置１６は、上記説明した構成に限らず、マスターシリンダの油圧をシリンダに伝達する電子制御式油圧ブレーキ装置であってもよい。
車両センサ２０は、アクセル開度センサと、車速センサと、ブレーキ踏量センサと、を備える。アクセル開度センサは、運転者による加速指示を受け付ける操作子の一例であるアクセルペダルに取り付けられ、アクセルペダルの操作量を検出し、アクセル開度として制御装置５０に出力する。車速センサは、例えば、各車輪に取り付けられた車輪速センサと速度計算機と、を備え、車輪速センサにより検出された車輪速を統合して車両の速度（車速）を導出し、制御装置５０に出力する。ブレーキ踏量センサは、ブレーキペダルに取り付けられ、ブレーキペダルの操作量を検出し、ブレーキ踏量として制御装置５０に出力する。
変換器３２は、例えば、ＡＣ−ＤＣ変換器である。変換器３２の直流側端子は、直流リンクＤＬに接続されている。直流リンクＤＬには、ＢＴＶＣＵ３４を介してバッテリシステム４０が接続されている。変換器３２は、モータ１２により発電された交流電圧を直流電圧に変換して直流リンクＤＬに出力する。
ＢＴＶＣＵ３４は、例えば、昇圧型のＤＣ―ＤＣコンバータである。ＢＴＶＣＵ３４は、バッテリシステム４０から供給される直流電圧を昇圧して直流リンクＤＬに出力する。また、ＢＴＶＣＵ３４は、モータ１２から供給される回生電圧、または、ＦＣユニット１００から供給されるＦＣ電圧をバッテリシステム４０に出力する。
バッテリシステム４０は、例えば、バッテリ４２と、バッテリセンサ４４と、ヒータ４６と、ＳＯＣ計算部４８を備える。
バッテリ４２は、例えば、リチウムイオン電池などの二次電池である。バッテリ４２は、例えば、モータ１２またはＦＣユニット１００において発電された電力を蓄え、電動車両１の走行のための放電を行う。
バッテリセンサ４４は、例えば、電流センサ、電圧センサ、温度センサを備える。バッテリセンサ４４は、バッテリシステム４０に内蔵され、または、バッテリシステム４０に付設されている。バッテリセンサ４４は、例えば、バッテリ４２の電流値、電圧値、温度を検出する。バッテリセンサ４４は、検出した電流値、電圧値、温度等を制御装置５０に出力する。
ヒータ４６は、バッテリ４２に熱が伝わる位置に設けられ、バッテリ４２に蓄電された電力を用いてバッテリ４２を加熱する。ヒータ４６は、例えば、バッテリセンサ４４により検出されたバッテリ４２の温度が所定温度未満である場合に作動するように図示しないバッテリＥＣＵによって制御され、バッテリ４２を加熱する。ヒータ４６は、「加熱部」の一例である。
ＳＯＣ計算部４８は、バッテリセンサ４４の出力に基づいて、バッテリ４２のＳＯＣ（State Of Charge；以下「バッテリ充電率」ともいう）を算出する。
ＦＣユニット１００は、燃料電池を含む。燃料電池は、燃料ガスに燃料として含まれる水素と、空気に酸化剤として含まれる酸素とが反応することによって発電する。ＦＣユニット１００は、発電した電力を、例えば、変換器３２とＢＴＶＣＵ３４との間の直流リンクに出力する。これによって、ＦＣユニット１００の供給する電力は、変換器３２を介してモータ１２に供給されたり、ＢＴＶＣＵ３４を介してバッテリシステム４０に供給され、バッテリ４２に蓄電されたりする。
制御装置５０は、例えば、モータ制御部５２と、ブレーキ制御部５４と、電力制御部５６とを備える。モータ制御部５２、ブレーキ制御部５４、及び電力制御部５６は、それぞれ別体の制御装置、例えば、モータＥＣＵ、ブレーキＥＣＵ、バッテリＥＣＵといった制御装置に置き換えられてもよい。
モータ制御部５２は、車両センサ２０の出力に基づいて、モータ１２に要求される駆動力を算出し、算出した駆動力を出力させるようにモータ１２を制御する。
ブレーキ制御部５４は、車両センサ２０の出力に基づいて、ブレーキ装置１６に要求される制動力を算出し、算出した制動力を出力させるようにブレーキ装置１６を制御する。
電力制御部５６は、車両センサ２０の出力に基づいて、バッテリシステム４０とＦＣユニット１００に要求される総要求電力を算出する。例えば、電力制御部５６は、アクセル開度と車速に基づいてモータ１２が出力すべきトルクを算出し、トルクとモータ１２の回転数から求められる駆動軸要求電力と、補機などが要求する電力とを合計して総要求電力を算出する。
電力制御部５６は、バッテリ４２のＳＯＣからバッテリ４２の充放電要求電力を算出する。そして、電力制御部５６は、総要求電力からバッテリ４２の充放電要求電力を減算（放電側を正とする）し、ＦＣユニット１００に要求されるＦＣ要求電力を算出し、算出したＦＣ要求電力に相当する電力をＦＣユニット１００に発電させる。
充電口６０は、電動車両１の車体外部に向けて設けられている。充電口６０は、充電装置２００または給電装置２１０に接続される。充電装置２００は、商用電源を使用してバッテリシステム４０に電力供給（或いはＶ２Ｇを行う場合は電力を取得）する装置である。充電装置２００に接続された充電コネクタが充電口６０に差し込まれることにより、充電口６０と充電装置２００とが接続される。
給電装置２１０は、電動機器２２０に接続可能であり、バッテリシステム４０から供給された電力を電動機器２２０に給電する。給電装置２１０は、例えば、電力変換器を内蔵しており、充電口６０を介してバッテリシステム４０から供給される電流、例えば直流電流を交流電流に変換し、電動機器２２０に給電する。電動機器２２０は、例えばキャンプ場など、屋外で使用可能な電動機器であり、炊飯器、大型暖房、エアコンなどを含む。
電力制御部５６は、バッテリシステム４０に蓄電された電力が給電装置２１０を介して電動機器２２０に給電される場合、ＦＣユニット１００の発電制御を行う。この場合、電力制御部５６は、ＦＣユニット１００を発電させてバッテリ４２のＳＯＣを上昇させる第１制御と、ＦＣユニット１００の発電量を第１制御よりも制限してバッテリ４２のＳＯＣを低下させる第２制御とを交互に実行する。電力制御部５６は、例えば、第１制御においてＦＣユニット１００に発電させ、且つ、第２制御においてＦＣユニット１００の時間あたりの発電量を第１制御よりも小さくする。ここで、ＦＣユニット１００の時間あたりの発電量を「小さくする」ことは、ＦＣユニット１００の発電を停止させることを含む。したがって、電力制御部５６は、第２制御において、ＦＣユニット１００の発電を停止させてもよい。
電力制御部５６は、第１制御において、ＦＣユニット１００の発電効率を優先して発電を行わせる。電力制御部５６は、例えば、第１制御において、ＦＣユニット１００の発電効率が高い発電量で、ＦＣユニット１００に発電させる。電力制御部５６は、例えば、（後述する第２発電量でない）第１制御において、ＦＣユニット１００の発電効率が最大となる発電量で、ＦＣユニット１００に発電させてもよい。
電力制御部５６は、第１制御において、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値以上となった場合に第２制御に切り替え、第２制御において、バッテリ４２のＳＯＣが低下して第２閾値未満となった場合に第１制御に切り替える。
＜ＦＣユニット１００＞
図２は、第１実施形態に係るＦＣユニット１００の構成の一例を示す図である。
図２に示すように、ＦＣユニット１００は、例えば、ＦＣスタック１１０と、インテイク１１２と、エアポンプ１１４と、封止入口弁１１６と、加湿器１１８と、気液分離器１２０と、排気再循環ポンプ１２２と、排水バルブ１２４と、水素タンク１２６と、水素供給弁１２８と、水素循環部１３０と、気液分離器１３２と、温度センサ１４０と、コンタクタ１４２と、ＦＣＶＣＵ（Fuel Cell Voltage Control Unit）１４４と、ＦＣ制御装置１４６とを備える。
ＦＣスタック１１０は、複数の燃料電池セルが積層された積層体（図示略）と、この積層体を積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレート（図示略）と、を備える。
燃料電池セルは、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、この膜電極接合体を接合方向の両側から挟み込む一対のセパレータと、を備える。
膜電極接合体は、アノード触媒およびガス拡散層からなるアノード１１０Ａと、カソード触媒およびガス拡散層からなるカソード１１０Ｂと、アノード１１０Ａおよびカソード１１０Ｂによって厚さ方向の両側から挟み込まれた陽イオン交換膜などからなる固体高分子電解質膜１１０Ｃと、を備える。
アノード１１０Ａには、燃料として水素を含む燃料ガスが水素タンク１２６から供給され、カソード１１０Ｂには、酸化剤として酸素を含む酸化剤ガス（反応ガス）である空気がエアポンプ１１４から供給される。
アノード１１０Ａに供給された水素は、アノード触媒上で触媒反応によりイオン化され、水素イオンは、適度に加湿された固体高分子電解質膜１１０Ｃを介してカソード１１０Ｂへと移動する。水素イオンの移動に伴って発生する電子は直流電流として外部回路（ＦＣＶＣＵ１４４など）に取り出し可能である。
アノード１１０Ａからカソード１１０Ｂのカソード触媒上へと移動した水素イオンは、カソード１１０Ｂに供給された酸素と、カソード触媒上の電子と反応して、水を生成する。
エアポンプ１１４は、ＦＣ制御装置１４６により駆動制御されるモータなどを備え、このモータの駆動力によってインテイク１１２を介して外部から空気を取り込んで圧縮し、圧縮後の空気をカソード１１０Ｂに接続された酸化剤ガス供給路１５０に送り込む。
封止入口弁１１６は、エアポンプ１１４と、ＦＣスタック１１０のカソード１１０Ｂに空気を供給可能なカソード供給口１１０ａとを接続する酸化剤ガス供給路１５０に設けられ、ＦＣ制御装置１４６の制御によって開閉される。
加湿器１１８は、エアポンプ１１４から酸化剤ガス供給路１５０に送り込まれた空気を加湿する。より詳細には、加湿器１１８は、例えば中空糸膜などの水透過膜を備え、エアポンプ１１４からの空気を、水透過膜を介して接触させることで水分を空気に添加する。
気液分離器１２０は、カソード１１０Ｂで消費されることなく、酸化剤ガス排出路１５２に排出されたカソード排ガスと液水とを分離する。気液分離器１２０により液水から分離されたカソード排ガスは、排気再循環路１５４に流入する。
排気再循環ポンプ１２２は、排気再循環路１５４に設けられ、気液分離器１２０から排気再循環路１５４に流入したカソード排ガスを、封止入口弁１１６からカソード供給口１１０ａに向かい酸化剤ガス供給路１５０を流通する空気と混合し、カソード１１０Ｂに再び供給する。
気液分離器１２０によりカソード排ガスから分離された液水は、接続路１６２を介して、燃料ガス供給路１５６に設けられた気液分離器１３２に排出される。気液分離器１３２に排出された液水はドレイン管１６４を介して大気中に排出される。
水素タンク１２６は、水素を圧縮した状態で貯留する。
水素供給弁１２８は、水素タンク１２６と、ＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａに水素を供給可能なアノード供給口１１０ｃとを接続する燃料ガス供給路１５６に設けられている。水素供給弁１２８は、ＦＣ制御装置１４６の制御によって開弁した場合に、水素タンク１２６に貯留された水素を燃料ガス供給路１５６に供給する。
水素循環部１３０は、アノード１１０Ａで消費されることなく燃料ガス排出路１５８に排出されたアノード排ガスを、燃料ガス供給路１５６に循環させる。
気液分離器１３２は、水素循環部１３０の作用により燃料ガス排出路１５８から燃料ガス供給路１５６に循環するアノード排ガスと液水とを分離する。気液分離器１３２は、液水から分離されたアノード排ガスを、ＦＣスタック１１０のアノード供給口１１０ｃに供給する。
温度センサ１４０は、ＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａおよびカソード１１０Ｂの温度を検出し、検出信号をＦＣ制御装置１４６に出力する。
コンタクタ１４２は、ＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａおよびカソード１１０Ｂと、ＦＣＶＣＵ１４４との間に設けられている。コンタクタ１４２は、ＦＣ制御装置１４６からの制御に基づいて、ＦＣスタック１１０とＦＣＶＣＵ１４４との間を電気的に接続させ、または遮断する。
ＦＣＶＣＵ１４４は、例えば、昇圧型のＤＣ―ＤＣコンバータである。ＦＣＶＣＵ１４４は、コンタクタ１４２を介したＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａおよびカソード１１０Ｂと電気負荷との間に配置されている。ＦＣＶＣＵ１４４は、電気負荷側に接続された出力端子１４８の電圧を、ＦＣ制御装置１４６によって決定された目標電圧に昇圧する。ＦＣＶＣＵ１４４は、例えば、ＦＣスタック１１０から出力された電圧を目標電圧に昇圧して出力端子１４８に出力する。
ＦＣ制御装置１４６は、ＦＣユニット１００の暖機が必要であり、且つ、ＦＣユニット１００に要求されるＦＣ要求電力が所定以上であると電力制御部５６により判定された場合、ＦＣユニット１００の暖機制御を行う。電力制御部５６は、例えば、温度センサ１４０による検出信号をＦＣ制御装置１４６から取得し、温度センサ１４０により検出されたＦＣスタック１１０の温度が温度閾値未満である場合に、ＦＣユニット１００の暖機が必要であると判定する。また、電力制御部５６は、ＦＣユニット１００の暖機制御を行っている間、温度センサ１４０による検出信号をＦＣ制御装置１４６から取得し、温度センサ１４０により検出されたＦＣスタック１１０の温度が温度閾値以上となった場合に、ＦＣユニット１００の暖機制御が完了したと判定する。
［ＦＣユニットの暖機制御］
ＦＣユニット１００は、暖機制御を行う際にはまず、排水バルブ１２４を開弁する。次に、ＦＣユニット１００は、封止入口弁１１６および水素供給弁１２８を開弁し、インテイク１１２から酸化剤ガス供給路１５０を介してＦＣスタック１１０のカソード１１０Ｂに酸化剤ガスを供給するとともに、水素タンク１２６から燃料ガス供給路１５６を介してＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａに水素ガスを供給する。これにより、ＦＣスタック１１０において発電が行われる。
この場合、排水バルブ１２４が開弁しているため、インテイク１１２を通じて酸化剤ガス供給路１５０に取り込まれた後、カソード１１０Ｂから排出された未反応の酸化剤ガスが、気液分離器１２０から接続路１６２を介して気液分離器１３２に供給される。そして、ＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａには、気液分離器１３２により液水から分離された酸化剤ガスが、水素タンク１２６から供給された水素ガスとともに供給される。その結果、酸化剤ガスと燃料ガスとにより、ＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａにおいて発熱反応（触媒燃焼）が生じる。この発熱反応に伴って、ＦＣスタック１１０が迅速に加熱される。
その後、ＦＣユニット１００は、電力制御部５６によりＦＣユニット１００の暖機制御が完了したと判定された場合には、排水バルブ１２４を閉弁する。これにより、ＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａに酸化剤ガスが供給されなくなり、ＦＣスタック１１０のアノード１１０Ａにおける発熱反応が停止する。
［ＦＣユニットの出力制御］
図３は、車両走行時において、ＦＣユニット１００に要求されるＦＣ要求電力が比較的小さい場合のバッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣユニット１００から出力される電力（「ＦＣ出力」）の一例を示すグラフである。図３に示す例では、ＦＣユニット１００は、バッテリ４２のＳＯＣの初期値が第１閾値Ｘ１未満である場合には、バッテリ４２のＳＯＣを上昇させるように、ＦＣユニット１００からバッテリ４２に電力を出力する。この場合、ＦＣユニット１００は、例えば、発電効率が最大となる発電量で発電を行い、発電された電力をバッテリ４２に出力する。
次に、ＦＣユニット１００は、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１に達した場合、ＦＣユニット１００からバッテリ４２に出力される電力を制限し、バッテリ４２のＳＯＣを減少させる。次に、ＦＣユニット１００は、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２に達した場合、ＦＣユニット１００からバッテリ４２に出力される電力を制限前の状態に戻し、バッテリ４２のＳＯＣを上昇させる。この結果、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２から第１閾値Ｘ１まで上昇する制御と、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１から第２閾値Ｘ２まで減少する制御とが繰り返される。
図４は、車両走行時において、ＦＣユニット１００に要求されるＦＣ要求電力が比較的大きい場合のバッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣユニット１００から出力される電力の一例を示すグラフである。図４に示す例では、ＦＣユニット１００は、バッテリ４２に蓄電された電力を用いることなく、ＦＣユニット１００において発電された電力を用いて、電動車両１の走行に用いられる駆動力をモータ１２から駆動輪１４に出力する。この結果、バッテリ４２のＳＯＣが維持され、ＦＣユニット１００に要求されるＦＣ要求電力に応じてＦＣユニット１００において発電が行われ、発電された電力がモータ１２に出力される。
図５は、通常環境下での外部給電時における、バッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣユニット１００から出力される電力の一例を示すグラフである。図５に示す例では、ＦＣユニット１００は、第１発電量で第１制御を行うことでバッテリ４２のＳＯＣを第２閾値Ｘ２Ａから第１閾値Ｘ１まで上昇させることと、第２制御を行うことでバッテリ４２のＳＯＣを第１閾値Ｘ１から第２閾値Ｘ２Ａまで低下させることとを繰り返す。外部給電時における第２閾値Ｘ２Ａは、例えば、車両走行時における第２閾値Ｘ２よりも小さく設定されている。
図６は、低温環境下での外部給電時における、バッテリ４２のＳＯＣおよびＦＣユニット１００から出力される電力の一例を示すグラフである。図６に示す例では、ＦＣユニット１００は、第２発電量で第１制御を行うことでバッテリ４２のＳＯＣを第２閾値Ｘ２Ａから第１閾値Ｘ１まで上昇させることと、第２制御を行うことでバッテリ４２のＳＯＣを第１閾値Ｘ１から第２閾値Ｘ２Ａまで低下させることとを繰り返す。第２発電量は、第１発電量よりも小さい。
［燃料電池システムの処理フロー］
以下、第１実施形態に係る燃料電池システム１０の制御コンピュータである制御装置５０における一連の処理の流れについてフローチャートを用いて説明する。図７は、制御装置５０により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。図７に示すフローチャートは、例えば、バッテリシステム４０が充電口６０を介して給電装置２１０に接続された場合に実行される。
電力制御部５６はまず、給電装置２１０に対して外部給電を開始させる（ステップＳ１０）。給電装置２１０は、外部給電を開始した場合、バッテリ４２に蓄電された電力を、充電口６０を介して電動機器２２０に供給する。
電力制御部５６は、温度センサ１４０により検出されたＦＣスタック１１０の温度に基づいて、ＦＣユニット１００の暖機が必要であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。電力制御部５６は、ＦＣユニット１００の暖機が必要であると判定した場合、ＦＣユニット１００の暖機制御を行わせる（ステップＳ１４）。
次に、電力制御部５６は、バッテリセンサ４４により検出されたバッテリ４２の温度が所定温度未満であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。電力制御部５６は、バッテリ４２の温度が所定温度以上であると判定した場合、第１発電量でＦＣユニット１００に発電させる第１制御を行う（ステップＳ１８）。ＦＣユニット１００が第１発電量を発電する場合、バッテリ４２のＳＯＣが上昇する。次に、電力制御部５６は、ＳＯＣ計算部４８により算出されたバッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。電力制御部５６は、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１未満であると判定した場合、その処理をステップＳ１６に戻す。電力制御部５６は、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１以上であると判定した場合、その処理をステップＳ２６に移行する。
電力制御部５６は、バッテリセンサ４４により検出されたバッテリ４２の温度が所定温度未満であると判定した場合、第２発電量でＦＣユニット１００に発電させる第１制御を行う（ステップＳ２２）。第２発電量は、第１発電量よりも小さい。ＦＣユニット１００が第２発電量を発電する場合、ＦＣユニット１００が第１発電量を発電する場合に比して、バッテリ４２のＳＯＣが上昇する速度が相対的に遅くなる。次に、電力制御部５６は、ＳＯＣ計算部４８により算出されたバッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。電力制御部５６は、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１未満であると判定した場合、その処理をステップS１６に戻す。電力制御部５６は、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１以上であると判定した場合、その処理をステップＳ２６に移行する。
次に、電力制御部５６は、第２制御を行う（ステップＳ２６）。次に、電力制御部５６は、ＳＯＣ計算部４８により算出されたバッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ２８）。電力制御部５６は、バッテリ４２のＳＯＣが低下して第２閾値Ｘ２未満となるまでの間、第２制御を継続する。
電力制御部５６は、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２未満であると判定した場合、外部給電が完了したか否かを判定する（ステップＳ３０）。電力制御部５６は、例えば、バッテリシステム４０と給電装置２１０との接続が解除された、或いは所定の操作が受け付けられた場合に外部給電が完了したと判定する。電力制御部５６は、外部給電が完了していないと判定した場合、その処理をステップＳ１６に戻す。そして以降、電力制御部５６は、外部給電が完了したと判定するまでの間、第１制御と第２制御とを繰り返す。一方、電力制御部５６は、外部給電が完了したと判定した場合、本フローチャートの処理が終了する。
図８は、第１実施形態に係る燃料電池システム１０の動作を説明するための図である。同図に示す例では、外部給電を開始した時点でバッテリ４２の温度の初期値が所定温度未満である場合を例に挙げて説明する。
図８に示すように、電力制御部５６が外部給電を開始した場合、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２Ａから第１閾値Ｘ１まで上昇する制御と、バッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１から第２閾値Ｘ２Ａまで減少する制御とが繰り返される。この場合、電力制御部５６が外部給電を開始した直後においては、電力制御部５６は、バッテリ４２の温度が所定温度未満であるため、第１制御における発電量が第２発電量に制御されている。このとき、バッテリ４２に蓄電された電力がヒータ４６に供給され、バッテリ４２の充放電による発熱と共にバッテリ４２の温度が上昇する。図示の例では、時刻ｔ２においてバッテリ４２の温度が所定温度以上となるため、第１制御における発電量が第１発電量に切り替えられる。この結果、ＦＣユニット１００からバッテリ４２に出力される電力が制限される。
また、電力制御部５６は、バッテリ４２の温度が所定温度未満である場合、バッテリ４２に蓄電された電力をヒータ４６に供給してヒータ４６を発熱させる。この結果、バッテリ４２がヒータ４６により加熱され、バッテリ４２の温度が上昇する。図示の例では、時刻ｔ２においてバッテリ４２のＳＯＣが第１閾値Ｘ１から減少している間に、バッテリ４２の温度が所定温度となるため、第１制御における発電量が第２発電量に切り替えられる。電力制御部５６は、時刻ｔ３において、バッテリ４２のＳＯＣが減少して第２閾値Ｘ２Ａとなった後には、第１発電量でＦＣユニット１００に発電させる第１制御を行う。
この場合、第１制御における発電量が第１発電量に制御されている間に、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２Ａから第１閾値Ｘ１に上昇するまでの所要時間Ｔ２は、第１制御における発電量が第２発電量に制御されている間に、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２Ａから第１閾値Ｘ１に上昇するまでの所要時間Ｔ１よりも短くなる。
また、第１制御における発電量が第１発電量に制御されている間に、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２Ａから第１閾値Ｘ１に上昇するまでのＦＣユニット１００による水素消費量Ａ２は、第１制御における発電量が第２発電量に制御されている間に、バッテリ４２のＳＯＣが第２閾値Ｘ２Ａから第１閾値Ｘ１に上昇するまでのＦＣユニット１００による水素消費量Ａ１よりも少なくなる。
上記説明した第１実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、バッテリ４２を保護しつつ車両外部の電動機器２２０に給電することができる。例えば、バッテリ４２の温度が低い場合には、バッテリ４２の充電容量が低下するため、高速に多くの電力を充放電することができない。ＦＣユニット１００がある発電電力で発電している場合、ＦＣユニット１００の発電電力と車両外部の電動機器２２０に給電している電力との差分の電力がバッテリ４２に充電されることとなるが、第１実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、バッテリ４２の温度が所定温度よりも低い場合には、バッテリ４２の温度が所定温度以上である場合に比して、ＦＣユニット１００の時間当たりの発電量を小さくする。これにより、バッテリ４２への充電電力が大きくなるのを抑制してバッテリ４２を保護しつつ車両外部の電動機器２２０に給電することができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、ＦＣユニット１００の構成部品の長寿命化を図ることができる。例えば、ＦＣユニット１００が継続的に発電を行う場合には、ＦＣユニット１００の構成部品が劣化する場合があるが、ＦＣユニット１００に間欠的に発電させることにより、ＦＣユニット１００の構成部品の長寿命化を図ることができる。
また、第１実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、外部給電時に、バッテリ４２の温度が所定温度以上である場合に、最大効率となる発電量でＦＣユニット１００に発電させるため、燃費を向上させることができる。
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態は、第１実施形態と比較すると、給電装置の機能によって、バッテリ４２だけでなく、車両の外部に設けられた外部バッテリを用いて、電動機器への給電を行う点で処理内容が異なる。以下、この相違点を中心に説明する。
図９は、第２実施形態に係る給電装置２１０Ａの構成の一例を示す図である。図９に示す例では、給電装置２１０Ａは、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２と、ＤＣ／ＡＣコンバータ２１４と、自動切換スイッチ２１６とを備える。給電装置２１０Ａは、充電口６０、外部バッテリ（外部蓄電装置）３００、および電動機器２２０に接続可能である。
外部バッテリ３００は、例えば、リチウムイオン電池などの二次電池である。外部バッテリ３００には、バッテリシステム４０に蓄電された電力、または、ＦＣユニット１００により発電された電力が給電装置２１０Ａを介して供給される。外部バッテリ３００に蓄電された電力は、給電装置２１０Ａを介して電動機器２２０に供給される。
ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２は、外部バッテリ３００から供給される直流電圧を変圧してＤＣ／ＡＣコンバータ２１４に出力する。
ＤＣ／ＡＣコンバータ２１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２により変圧された直流電圧を交流電圧に変換して電動機器２２０に出力する。また、ＤＣ／ＡＣコンバータ２１４は、バッテリシステム４０またはＦＣユニット１００から充電口６０を経由して供給された直流電圧を、電動機器２２０により用いられる定格の交流電圧（例えば、１００［Ｖ］）に変圧して電動機器２２０に出力する。
自動切換スイッチ２１６は、給電装置２１０ＡにおけるＤＣ／ＤＣコンバータ２１２とＤＣ／ＡＣコンバータ２１４との間に設けられており、充電口６０に接続されている。自動切換スイッチ２１６は、電力制御部５６からの制御に基づいて、充電口６０とＤＣ／ＤＣコンバータ２１２とＤＣ／ＡＣコンバータ２１４との間の接続の有無を切り換える。例えば、自動切換スイッチ２１６は、（１）バッテリシステム４０またはＦＣユニット１００から出力された電力を外部バッテリ３００に供給するとともに電動機器２２０にも供給する状態と、（２）バッテリシステム４０と外部バッテリ３００との少なくとも一方から出力された電力を電動機器２２０に供給する状態とを実現する。
自動切換スイッチ２１６は、（１）の状態を実現する場合、充電口６０とＤＣ／ＤＣコンバータ２１２、および、充電口６０とＤＣ／ＡＣコンバータ２１４とを接続する。自動切換スイッチ２１６は、（２）の状態を実現する場合、充電口６０とＤＣ／ＡＣコンバータ２１４、または、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１２とＤＣ／ＡＣコンバータ２１４とを接続する。
図１０は、第２実施形態に係る燃料電池システム１０の動作を説明するための図である。同図に示す例では、外部給電を開始した時点で外部バッテリ３００のＳＯＣが所定値以上である場合を例に挙げて説明する。
図１０に示すように、給電装置２１０Ａは、外部給電を開始した場合、外部バッテリ３００のＳＯＣが所定値Ｘ３となるまでの間、外部バッテリ３００に蓄電された電力を電動機器２２０に給電する。
給電装置２１０Ａは、時刻ｔ１１において、外部バッテリ３００のＳＯＣが閾値Ｘ３となった場合、バッテリ４２に蓄電された電力を電動機器２２０に給電する。この場合、バッテリ４２から電動機器２２０への電力の供給に伴って、バッテリ４２のＳＯＣが低下する。
給電装置２１０Ａは、時刻ｔ１２において、ＦＣユニット１００において発電が行われた場合、ＦＣユニット１００において発電された電力を、バッテリ４２および外部バッテリ３００の双方に給電する。この結果、バッテリ４２のＳＯＣおよび外部バッテリ３００のＳＯＣの双方が上昇する。
給電装置２１０Ａは、時刻ｔ１３において、ＦＣユニット１００における発電が停止した場合、再び、外部バッテリ３００のＳＯＣが第３閾値Ｘ３となるまでの間、外部バッテリ３００に蓄電された電力を電動機器２２０に給電する。
上記説明した第２実施形態に係る燃料電池システム１０によれば、第１実施形態に係る燃料電池システム１０と同様の効果を奏する他、外部給電時に第１制御と第２制御とを繰り返す周期を長くすることができるため、バッテリ４２などの劣化を抑制することができる。
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
１…電動車両、１０…燃料電池システム、１２…モータ、１４…駆動輪、１６…ブレーキ装置、２０…車両センサ、３２…変換器、３４…ＢＴＶＣＵ、４０…バッテリシステム、４２…バッテリ、４４…バッテリセンサ、４６…ヒータ、４８…ＳＯＣ計算部、５０…制御装置、５２…モータ制御部、５４…ブレーキ制御部、５６…電力制御部、６０…充電口、１００…ＦＣユニット、２００…充電装置、２１０…給電装置、２２０…電動機器。

Claims (9)

  1. 燃料電池と、
    温度センサを内蔵しまたは温度センサが付設され、前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電装置と、
    少なくとも前記燃料電池の発電制御を行う制御装置と、を備えた燃料電池システムであって、
    前記制御装置は、前記蓄電装置の充電率を取得し、
    前記蓄電装置に蓄電された電力が外部の機器に給電される場合、前記燃料電池を発電させて前記蓄電装置の充電率を上昇させる第１制御と、前記燃料電池の発電量を前記第１制御よりも制限して前記蓄電装置の充電率を低下させる第２制御とを実行し、
    前記温度センサにより検出された温度が所定温度よりも低い場合には、前記温度センサにより検出された温度が前記所定温度以上である場合に比して、前記第１制御における前記燃料電池の時間当たりの発電量を小さくする、
    燃料電池システム。
  2. 前記制御装置は、
    前記第１制御を行っている場合、前記蓄電装置の充電率が上昇して第１閾値以上となったときに前記第１制御から前記第２制御に切り替え、
    前記第２制御を行っている場合、前記蓄電装置の充電率が低下して第２閾値未満となったときに前記第２制御から前記第１制御に切り替える、
    請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記制御装置は、前記第１制御を行っている場合、前記燃料電池の発電効率が高い発電量で前記燃料電池に発電させる、
    請求項１または２記載の燃料電池システム。
  4. 前記燃料電池システムは、車両に搭載され、
    前記蓄電装置に蓄電された電力を前記車両の外部の機器に給電可能な給電装置をさらに備える、
    請求項１から３のうちいずれか１項記載の燃料電池システム。
  5. 前記給電装置は、前記車両の外部に設けられた外部蓄電装置と接続可能であり、
    前記制御装置により前記第１制御が行われる場合、前記燃料電池により発電された電力を前記外部蓄電装置に供給すると共に、前記車両の外部の機器にも供給し、
    前記制御装置により前記第２制御が行われる場合、前記蓄電装置が放電する電力および前記外部蓄電装置が放電する電力を前記機器に供給する、
    請求項４記載の燃料電池システム。
  6. 前記給電装置は、前記制御装置により前記第２制御が行われる場合、最初に前記外部蓄電装置が放電する電力を前記機器に供給する、
    請求項５記載の燃料電池システム。
  7. 前記蓄電装置に熱が伝わる位置に設けられ、前記蓄電装置から供給される電力を用いて発熱する加熱部をさらに備え、
    前記制御装置は、前記蓄電装置の温度が前記所定温度未満である場合、前記蓄電装置に蓄電された電力を前記加熱部に供給して発熱させる、
    請求項１から６のうちいずれか１項記載の燃料電池システム。
  8. 燃料電池と、
    温度センサを内蔵しまたは温度センサが付設され、前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電装置と、
    を備える燃料電池システムの制御装置が、
    少なくとも前記燃料電池の発電制御を行い、
    前記蓄電装置の充電率を取得し、
    前記蓄電装置に蓄電された電力が外部の機器に給電される場合、前記燃料電池を発電させて前記蓄電装置の充電率を上昇させる第１制御と、前記燃料電池の発電量を前記第１制御よりも制限して前記蓄電装置の充電率を低下させる第２制御とを実行し、
    前記温度センサにより検出された温度が所定温度未満である場合には、前記温度センサにより検出された温度が前記所定温度以上である場合に比して、前記第１制御における前記燃料電池の時間当たりの発電量を小さくする、
    燃料電池システムの制御方法。
  9. 燃料電池と、
    温度センサを内蔵しまたは温度センサが付設され、前記燃料電池により発電された電力を蓄電する蓄電装置と、
    を備える燃料電池システムの制御コンピュータに、
    少なくとも前記燃料電池の発電制御を行う処理と、
    前記蓄電装置の充電率を取得する処理と、
    前記蓄電装置に蓄電された電力が外部の機器に給電される場合、前記燃料電池を発電させて前記蓄電装置の充電率を上昇させる第１制御と、前記燃料電池の発電量を前記第１制御よりも制限して前記蓄電装置の充電率を低下させる第２制御とを実行する処理と、
    前記温度センサにより検出された温度が所定温度未満である場合には、前記温度センサにより検出された温度が前記所定温度以上である場合に比して、前記第１制御における前記燃料電池の時間当たりの発電量を小さくする処理と、
    を実行させるプログラム。
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