JP4114525B2 - 燃料電池システム、それを搭載した車両及び燃料電池システムの制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、それを搭載した車両及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数備えた燃料電池を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、充電を必要とする複数の２次電池が直流開閉装置を介して燃料電池に接続されており、燃料電池ユニットの使用数を調整することにより２次電池の充電特性に従った充電電圧の調整が行われている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５７−１１１９６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、充電電圧の調整により燃料電池に要求される電気エネルギが減少すると、燃料電池ユニットの使用数が減少するため、燃料電池の出力電圧が大きく低下してしまうという問題があった。また、燃料電池で発電した電力を電力変換器を介して電動機に供給する場合には、燃料電池の出力電圧が変動してしまうと、電力変換器の動作が不安定になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても、燃料電池で発電した電力を受給する電力受給手段が安定して動作することができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的の一つとする。また、燃料電池の温度を速やかに適温にすることができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の目的の少なくとも一つを達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１は、反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数直列接続した燃料電池で発電した電力を電力受給手段へ出力する燃料電池システムであって、
前記燃料電池と前記電力受給手段との間に設けられ、前記燃料電池から入力された電力を電圧変換して前記電力受給手段へ出力する電圧変換手段と、
前記単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段と、
前記燃料電池に要求された電力に応じて前記単電池ブロックの使用数を決定する使用数決定手段と、
前記使用数決定手段により決定された前記単電池ブロックの使用数に基づいて前記運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに前記燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が前記電力受給手段へ出力されるよう前記電圧変換手段を制御する制御手段と
を備えたものである。
【０００８】
この燃料電池システムでは、燃料電池は反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数備え、燃料電池が発電した電力を電圧変換手段を介して電力受給手段へ出力する。また、制御手段は使用数決定手段により決定された単電池ブロックの使用数に基づいて単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が電力受給手段へ出力されるよう電圧変換手段を制御する。したがって、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても電力受給手段に入力される電圧が所定電圧範囲となるため、電力受給手段は安定して動作することができる。特に、電力受給手段がインバータである場合には、安定して動作させることが好ましい。ここで、「単電池ブロック」は、単電池一つで構成してもよいし、複数の単電池を積層して構成してもよい。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記運転停止切替手段は、前記単電池ブロックごとに設けられ、前記単電池ブロックごとへの反応ガスの供給と供給停止とを切り替える手段であってもよい。こうすれば、単電池ブロックごとに運転状態又は停止状態に切り替えることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池と電力のやり取りが可能で前記電力受給手段へ電力を出力可能な蓄電手段と、前記電力受給手段へ出力すべき電力を前記燃料電池と前記蓄電手段とに分配する分配手段とを備え、前記使用数決定手段は、前記燃料電池に要求された電力として前記分配手段により前記燃料電池に分配された電力分を用いて前記単電池ブロックの使用数を決定し、前記制御手段は、前記燃料電池に分配された電力分が前記燃料電池から前記電圧変換手段を介して前記電力受給手段へ出力されるよう制御してもよい。こうすれば、例えば、電力受給手段に出力する電力として、分配手段は、燃料電池でその電力を賄うことができる場合には優先的に燃料電池で発電するように分配し、燃料電池でその電力を賄うことができない場合には燃料電池で賄えない電力分を蓄電手段に分配することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池を起動するとき、前記単電池ブロックが順次起動するよう前記運転停止切替手段の切替制御を行う起動制御手段を備えていてもよい。こうすれば、同時にすべての単電池ブロックを起動する場合と比べて、各単電池ブロックを速やかに適温にすることができる。この態様を採用した本発明の燃料電池システムは、前記単電池ブロックの各々に冷却水を循環させる冷却水循環手段を備え、前記起動制御手段は、前記単電池ブロックのうち起動したものには冷却水を循環させ、起動前のものには冷却水を循環させないよう前記冷却水循環手段を制御してもよい。こうすれば、単電池ブロックに流れる冷却水の温度を短時間で適温にすることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、前記単電池ブロックの故障を検出する故障検出手段を備え、前記制御手段は、前記故障検出手段により故障が検出された前記単電池ブロックが停止状態になるよう前記運転停止切替手段を制御してもよい。こうすれば、故障が検出された単電池ブロックに反応ガスの供給を自動的に止めるため、不必要な反応ガスを流す必要がなくなる。
【００１３】
本発明の第２は、上述した燃料電池システムを搭載した車両である。上述した燃料電池システムは、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても電力受給手段に入力される電圧が所定電圧範囲となるため、電力受給手段は安定して動作することができるから、これを搭載した車両も同様な効果を奏する。
【００１４】
本発明の第３は、反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数直列接続した燃料電池で発電した電力を電力受給手段へ出力し、前記燃料電池と前記電力受給手段との間に設けられ、前記燃料電池から入力された電力を電圧変換して前記電力受給手段へ出力する電圧変換手段と、前記単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段とを備えた燃料電池システムをコンピュータが制御する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池に要求された電力に応じて、前記コンピュータが前記単電池ブロックの使用数を決定する使用数決定ステップと、
（ｂ）使用数決定ステップで決定された前記単電池ブロックの使用数に基づいて、前記コンピュータが、前記運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに前記燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が前記電力受給手段へ出力されるよう前記電圧変換手段を制御する制御ステップと
を含むものである。
【００１５】
この燃料電池システムの制御方法では、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても電力受給手段に入力される電圧が所定電圧範囲となるため、電力受給手段は安定して動作することができる。なお、本発明の第３における燃料電池システムは、本発明の第１の説明において述べたような具体的な構成を備えていてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の燃料電池システム２０を搭載した車両１０の概略構成を表すブロック図である。また、図２は単電池ブロック３１〜３４の外部配線を表す説明図である。
【００１７】
車両１０は、燃料電池３０で発電を行う燃料電池システム２０と、燃料電池３０で発生した電力を駆動力に変換してディファレンシャルギヤ１４を介して駆動輪１６，１６を回転させるモータ１２とを備えている。また、燃料電池システム２０は、カソードに供給されるエア中の酸素とアノードに供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を直列接続した燃料電池３０と、燃料電池３０からの直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２で変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ４６と、インバータ４６と並列に接続されたバッテリ４４と、システム全体の制御を司るコントローラ７０とを備えている。
【００１８】
燃料電池３０（ＦＣと略すこともある）は、図２に示すように、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４が第１〜第４スイッチ３１ｓ〜３４ｓを介して両出力端子３０ａ，３０ｂに直列に接続されている。第１〜第４単電池ブロック３１〜３４は、湿潤状態でプロトン伝導性を有する固体電解質膜をカソードとアノードとで挟み込み更にその両側を一対の緻密質カーボン製のセパレータで挟み込んで形成された単電池を複数積層したもので構成されている。各単電池は低出力から高出力まで対応可能なように高出力側に合わせた構造になっている。また、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４には、各単電池ブロックを迂回するバイパスライン３１ｂ〜３４ｂが接続されており、第１〜第４スイッチ３１ｓ〜３４ｓのオンオフを切り替えることにより燃料電池３０の出力端子３０ａ，３０ｂに第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を種々組合せて直列に接続することが可能となっている。なお、燃料電池３０には、燃料電池全体の温度を検出するＦＣ温度センサ６０が取り付けられている。
【００１９】
第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のカソード側に設けられた各酸化ガス通路の入口側には、エアバルブ３１ａ〜３４ａを介してエア供給管５１が接続され、各酸化ガス通路の出口側には、それぞれエア排出管５２が接続されている。また、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のアノード側に設けられた各燃料ガス通路の入口側には、燃料ガスバルブ３１ｈ〜３４ｈを介して燃料供給管５３が接続され、各燃料ガス通路の出口側には、それぞれ燃料排出管５４が接続されている。ここで、各酸化ガス通路の出口側には、図示しないエア調圧バルブを介してエア排出管５２が接続されており、このエア調圧バルブで圧力を調整することによりカソード側で水滴が発生する現象（フラッディング現象）を防ぐように構成されている。また、各燃料ガス通路の出口側には、図示しない燃料調圧バルブを介して燃料排出管５４が接続されており、この燃料調圧バルブで圧力を調整することによりアノード側に燃料ガスを均一に行き届かせるように構成されている。このとき、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のアノード側の燃料ガス通路から排出されるオフガスは、未反応の水素を含むため、単電池ブロック３１〜３４に循環させて再び燃料ガスとして使用してもよい。
【００２０】
更に、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の各冷却水通路の入口側には、冷却水バルブ３１ｗ〜３４ｗを介して冷却水供給管５５が接続され、各冷却水通路の出口側には、それぞれ冷却水排出管５６が接続されている。これにより、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４内の温度が適温（例えば、６５℃〜８５℃）に保持される。また、冷却水は、冷却水排出管５６から図示しないラジエータを通って放熱されたあと冷却水供給管５５に戻される。この冷却水供給管５５には、冷却水温を検出する冷却水温センサ６２が取り付けられている。なお、本実施形態で用いられる各バルブは、ソレノイドへの通電及び遮電を制御することによって開閉が切り替わるソレノイドバルブである。また、燃料電池３０の起動前は、各バルブは閉鎖状態である。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、燃料電池３０から供給された直流電圧を昇圧又は降圧して所定範囲の直流電圧に調整し、インバータ４６とバッテリ４４とに並列に印加する。このＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、このように機能するために、燃料電池３０から供給される直流電流から交流電流を生成するスイッチング部４２ａと、スイッチング部４２ａで生成された交流電流を変圧する変圧部４２ｂと、変圧部４２ｂで変圧された交流電流を整流して直流電流にする整流部４２ｃとを備えている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２には、図示しない別のＤＣ／ＤＣコンバータが並列接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２からその別のＤＣ／ＤＣコンバータを介して図示しないエアコンプレッサ等の補機に電力が供給される。
【００２２】
インバータ４６は、燃料電池３０やバッテリ４４から供給された直流電圧を交流電圧に変換してモータ１２を駆動する。インバータ４６には、スイッチング素子が内蔵されており、このスイッチング素子のスイッチングを制御することにより直流電圧を交流電圧に変換する。また、スイッチングに伴い直流電圧の低下を防ぐために電解コンデンサも内蔵されいるが、供給される直流電圧が大きく低下すると電解コンデンサで補償できず、インバータ４６の動作が不安定になる。
【００２３】
モータ１２は、例えば、電動機として機能すると共に発電機として機能する周知の同期発電電動機として構成されている。モータ１２から出力された動力はディファレンシャルギヤ１４を介して駆動輪１６，１６に伝達され、車両１０の推進力が得られる。
【００２４】
コントローラ７０は、ＣＰＵ７２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、各種処理プログラム等を記憶するＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートとを備えている。このコントローラ７０には、ＦＣ温度センサ６０からのＦＣ温度Ｔｆｃ、冷却水温度センサ６２からの冷却水温度Ｔｗ、燃料電池３０の端子間電圧を検出する電圧センサ５８からの燃料電池３０の出力電圧Ｖｐ、シフトレバー８１のポジションを検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジション、アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダル開度ＡＰ、ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキ開度ＢＰ、車両の走行速度を検出する車速センサ８７からの車速Ｖ等の各種信号が入力ポートを介して入力される。また、コントローラ７０からは、各バルブ３１ａ〜３４ａ，３１ｈ〜３４ｈ，３１ｗ〜３４ｗへの開閉信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２へのスイッチング信号、インバータ４６へのスイッチング信号、各スイッチ３１ｓ〜３４ｓへの切替信号等の各種信号が出力ポートを介して出力される。
【００２５】
ＲＯＭ７４は、各種処理プログラムの他に、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダル開度ＡＰとブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキ開度ＢＰと車速センサ８７からの車速Ｖと要求動力Ｐｏとの関係を求めたマップ、燃料電池３０に要求される電力つまり燃料電池出力電力Ｐｆｃと単電池ブロック使用数との関係を求めたテーブル（図５参照）等を記憶している。
【００２６】
次に、本実施形態の燃料電池システム２０の動作について説明する。図３はコントローラ７０のＣＰＵ７２により実行されるＦＣ順次起動ルーチンのフローチャート、図４は同じくＣＰＵ７２により実行される出力制御ルーチンのフローチャートであり、これらルーチンは、ＲＯＭ７４に記憶されており、いずれも所定時間ごと（例えば数ｍｓｅｃごと）に読み出され繰り返し実行される。以下には、まず、ＦＣ順次起動ルーチンについて説明し、続いて、出力制御ルーチン特に第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の使用数を要求動力Ｐｏに応じて変化させた場合の動作について説明する。また、以下では始動時フラグ及び通常時フラグを用いて説明するが、始動時フラグは、車両を運転可能な状態にあるときに燃料電池３０の温度が所定温度未満の場合にオンにセットされるフラグであり、通常時フラグは、燃料電池３０の温度が所定温度以上のときにオンにセットされるフラグである。車両を運転可能な状態にした直後には初期設定が行われるが、この初期設定において、始動時フラグ及び通常時フラグは共にオフにリセットされ、また、各エアバルブ３１ａ〜３４ａ、各燃料ガスバルブ３１ｈ〜３４ｈ及び各冷却水バルブ３１ｗ〜３４ｗはすべて閉鎖される。
【００２７】
さて、図３のＦＣ順次起動ルーチンが開始されると、コントローラ７０のＣＰＵ７２は、まず、始動時フラグのオンオフを判定する（ステップＳ１００）。そして、始動時フラグがオフのときには、続いて通常時フラグのオンオフを判定し（ステップＳ１０２）、通常時フラグがオフのときには、ＦＣ温度センサ６０からのＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ未満か否かを判定することにより燃料電池３０が低温か否かを判定する（ステップＳ１０４）。一般に、燃料電池３０の適温は６５〜８５℃であるため、所定温度ＴＡはこの温度範囲の下限以下の値に設定されている。ステップＳ１０４でＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ以上のときには、暖機する必要がなく単電池ブロックを順次起動する必要がないため、通常時フラグをオンにセットし（ステップＳ１０６）、このルーチンを終了する。一方、ステップＳ１０４でＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ未満のときには、暖機する必要があるため始動時フラグをオンにセットすると共に（ステップＳ１０８）、ＲＡＭ７６の所定領域に設けられたカウンタの値ｎに１をセットし（ステップＳ１１０）、第ｎ単電池ブロックを起動する（ステップＳ１１２）。具体的には、第ｎ単電池ブロックに接続されているエアバルブ、燃料ガスバルブ及び冷却水バルブを開放すると共に第ｎ単電池ブロックを燃料電池３０の両出力端子３０ａ，３０ｂに接続されるようスイッチの切り替えを行い、第ｎ単電池ブロックを発電可能な状態にし、その後、単電池ブロック起動フラグをオフにする（ステップＳ１１４）。ここで、単電池ブロック起動フラグは、未起動の単電池ブロックを起動するときにオンにセットされ、それ以外のときにオフにセットされるフラグである。冷却水供給管５５に取り付けられた冷却水温度センサ６２からの冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢを超えているか否かを判定する（ステップＳ１１６）。このとき、所定温度ＴＢは、冷却水が循環されている起動中の単電池ブロックが適温（６５〜８５℃）に達したときの冷却水温度を経験的に求めその経験値に基づいて設定されている。ここでは、冷却水は起動中の単電池ブロックにのみ循環され未起動の単電池ブロックには循環されないため、比較的早く昇温する。そして、冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢ以下のときには、現在起動中の単電池ブロックでしばらく運転すべく、そのままこのルーチンを終了する。一方、冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢを超えたときには、未起動の単電池ブロックを起動すべく、単電池ブロック起動フラグをオンにセットし（ステップＳ１１８）、このルーチンを終了する。
【００２８】
また、ステップＳ１００で始動時フラグがオンのとき、つまり暖機が必要で単電池ブロックを順次起動する必要があるときには、単電池ブロック起動フラグのオンオフを判定し（ステップＳ１２０）、単電池ブロック起動フラグがオフのときには、ステップＳ１１６に進み、現在起動中の単電池ブロックに循環されている冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢを超えたか否かを判定するステップＳ１１６へと進む。一方、単電池ブロック起動フラグがオンのときには、カウンタの値ｎを１インクリメントし（ステップＳ１２２）、続いてそのｎが上限値を超えたか否か、ここでは単電池ブロックが４つであるためｎが４を超えたか否かを判定し（ステップＳ１２４）、ｎが上限値以下のときには第ｎ単電池ブロックを起動すべくステップＳ１１２以降の処理を実行し、一方、ｎが上限値を超えたときには、すでに全単電池ブロックが起動しているため始動時フラグをオフにセットすると共に（ステップＳ１２６）、通常時フラグをオンにセットし（ステップＳ１２８）、このルーチンを終了する。
【００２９】
以上のＦＣ順次起動ルーチンでは、車両を運転可能な状態にした直後には、始動時フラグと通常時フラグともオフのためステップＳ１０４に進み、このステップＳ１０４でＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ未満か否かつまり暖機が必要か否かを判定することになる。そして、暖機が必要でなければ通常時フラグがオンにセットされるため、次回このルーチンを実行したときにはステップＳ１００で始動時フラグがオフと判定されたあとステップＳ１１０で通常時フラグがオンと判定されてそのままこのルーチンを抜ける。一方、暖機が必要ならば、ステップＳ１０８で始動時フラグがオンにセットされ、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４が順次起動されていく。このとき冷却水は起動された単電池ブロックのみにしか循環されないため比較的早く昇温し、ひいては燃料電池３０の暖機を比較的早く行うことができる。そして、全単電池ブロック３１〜３４が起動されたあとステップＳ１２６，Ｓ１２８で始動時フラグがオフ、通常時フラグがオンにセットされる。このため、次回このルーチンを実行したときにはステップＳ１００で始動時フラグがオフと判定されたあとステップＳ１１０で通常時フラグがオンと判定されてそのままこのルーチンを抜けることになる。
【００３０】
また、図４の出力制御ルーチンの処理が開始されると、コントローラ７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４から検出されるアクセルペダル開度ＡＰとブレーキペダルポジションセンサ８６から検出されるブレーキ開度ＢＰと車速センサ８７から検出される車速Ｖとを読み込む（ステップＳ２００）。続いて、読み込んだアクセルペダル開度ＡＰとブレーキ開度ＢＰと車速Ｖとに基づいて、モータ１２の出力軸に出力する動力、即ち、要求動力Ｐｏを導出する（ステップＳ２１０）。この要求動力Ｐｏの導出方法としては、アクセルペダル開度ＡＰとブレーキ開度ＢＰと車速Ｖとに基づいて、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダル開度ＡＰとブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキ開度ＢＰと車速センサ８７からの車速Ｖと要求動力Ｐｏとの関係を求めたＲＯＭ７４内のマップから導出するものとした。続いて、始動時フラグか通常時フラグのいずれがオンかを判定する（ステップＳ２２０）。すでに述べたＦＣ順次起動ルーチンが実行されたあとは、始動時フラグか通常時フラグのいずれかがオンになっている。このステップＳ２２０で、始動時フラグがオンのときには、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４が順次起動されるため、現在起動中の単電池ブロックの数に応じて要求動力Ｐｏを燃料電池３０から供給する燃料電池出力電力Ｐｆｃとバッテリ４４から供給するバッテリ出力電力Ｐｂとに分配し（ステップＳ２３０）、後述するステップＳ２８０へと進む。
【００３１】
一方、通常時フラグがオンのときには、ステップＳ２２０で導出された要求動力Ｐｏを、燃料電池３０から供給する燃料電池出力電力Ｐｆｃとバッテリ４４から供給するバッテリ出力電力Ｐｂとに分配する（ステップＳ２５０）。具体的には、要求動力Ｐｏは、優先的に燃料電池３０で賄うように分配されるが、燃料電池３０の発電能力だけでは不足するような場合には不足した電力をバッテリ４４で賄うように分配される。要求動力Ｐｏが分配されると、燃料電池出力電力Ｐｆｃに基づいて単電池ブロックの使用数を決定する（ステップＳ２６０）。図５は燃料電池出力電力Ｐｆｃと単電池ブロック使用数との関係を求めたテーブルである。図５に示すように、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ１未満である場合には単電池ブロック使用数が１個に設定されている。この使用数は、単電池ブロックに反応ガスの流量が十分とれるよう、また、発電効率の良い状態で運転できるよう考慮して設定されている。換言すれば、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ１未満にもかかわらず、単電池ブロック使用数を２個以上にすると、発電効率が低下し、単電池ブロックの性能を十分に発揮できなくなる。同様な理由により、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ１以上ｐ２未満である場合には単電池ブロック使用数が２個、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ２以上ｐ３未満である場合には単電池ブロック使用数が３個、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ３以上である場合には単電池ブロック使用数が４個に設定されている。また、このテーブルはＲＯＭ７４に記憶されている。このように、ステップＳ２３０では単電池ブロックの使用数を図５に示すテーブルに基づいて決定するため、単電池ブロックを発電効率の良い状態で運転することができる。
【００３２】
続いて、このテーブルに従って使用数が決定された単電池ブロックに対応する各バルブの開閉の切替制御を行うと共に各スイッチの接続の切替制御を行う（ステップＳ２７０）。例えば、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ２以上ｐ３未満である場合では、図５に示すように、単電池ブロック使用数が３個となるため、コントローラ７０のＣＰＵ７２は、第１〜第３単電池ブロック３１〜３３で燃料電池出力電力Ｐｆｃを賄うようエアバルブ３１ａ〜３３ａと燃料ガスバルブ３１ｈ〜３３ｈとを開状態とし、エアバルブ３４ａと燃料バルブ３４ｈとは閉状態にする。また、第１〜第３単電池ブロック３１〜３３が直列となるようスイッチ３１ｓ〜３３ｓの接続を切り替え、単電池ブロック３４を迂回するようスイッチ３４ｓの接続をバイパスライン３４ｂに切り替える（図２参照）。なお、既に暖機は完了しているため冷却水バルブ３１ｗ〜３４ｗはすべて開状態とするが、起動中の単電池ブロックの冷却水バルブのみ開状態としてもよい。続いて、電圧センサ５８から燃料電池３０の出力電圧ＶｐつまりＤＣ／ＤＣコンバータ４２の入力電圧を検出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電圧を所定電圧範囲になるように制御する（ステップＳ２８０）。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２では、スイッチング部４２ａで燃料電池３０から供給される直流電流から交流電流を生成する際のスイッチングタイミングを制御することにより、燃料電池３０から供給された直流電圧を昇圧又は降圧して所定範囲の直流電圧に調整する。これにより、燃料電池３０の出力する電圧が変化してもインバータ４６に供給する電圧が所定電圧範囲になるため、インバータ４６では、直流電力から交流電力に変換するときのスイッチングによる電圧低下が生じた場合でも内蔵の電解コンデンサで補償することができ、動作が安定する。そして、ステップＳ２８０のあと、要求動力Ｐｏがモータ１２の出力軸に出力されるようにインバータ４６を制御して（ステップＳ２９０）、本ルーチンを終了する。なお、インバータ４６の制御については、本発明の特徴でないため、説明を省略する。
【００３３】
以上詳述した本実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２において燃料電池３０からの出力電圧Ｖｐを昇圧又は降圧して所定電圧範囲に調整しているため、第１〜第３単電池ブロック３１〜３４の使用数が変化して燃料電池３０の出力電圧Ｖｐが大きく変化してもＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電圧は所定電圧範囲となり、インバータ４６は安定して動作することができる。
【００３４】
また、燃料電池３０を構成する各単電池は、発電性能が低出力から高出力まで対応可能なように高出力側に合わせた構造になっている（例えば燃料ガス通路や酸化ガス通路の断面積が高出力側に合わせた大きさになっている）が、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４は絶えず高出力側になるよう使用数が決められて運転されるため、運転状態にある単電池への反応ガス供給量を減らすことなくそれらの単電池を発電効率の良い状態に保つことができる。このように反応ガス供給量を減らさないことにより、電気化学反応によりカソード側に生成する水が酸化ガス通路内で滞留するのを防いだり、各ガス通路をガスが均一に流れやすく安定に発電したりする効果も得られる。
【００３５】
更に、燃料電池３０から供給する燃料電池出力電力Ｐｆｃとバッテリ４４から供給するバッテリ出力電力Ｐｂとに要求動力Ｐｏを分配するため、燃料電池３０で不足する電力をバッテリ４４で賄うことができる。
【００３６】
更にまた、車両の始動直後で暖機の必要があるときには、まず第１単電池ブロック３１のみを起動しその後ＦＣ温度Ｔｆｃに応じて第２〜第４単電池ブロック３２〜３４を順次起動するため、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を同時に起動する場合に比べて、各単電池ブロック３１〜３４を速やかに適温にすることができる。なお、車両の始動直後は燃料電池３０に大きな電力が要求されることが少ないので、このように順次起動しても影響は少ない。
【００３７】
そしてまた、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を順次起動する際には、起動中の単電池ブロックにのみ冷却水を循環させ未起動の単電池ブロックには冷却水を循環させないため、冷却水温度を短時間で適温にすることができる。特に、車両の始動直後などのように第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の温度が低下している場合には、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のカソードにフラッディングが起こりやすいが、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を順次起動させることにより起動した単電池ブロックの発熱量は大きくなるので、その単電池ブロックに冷却水を循環させることにより各単電池ブロック３１〜３４の温度管理が容易となり、フラッディングを抑制することもできる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３９】
例えば、上述した実施形態では、要求動力Ｐｏを燃料電池３０とバッテリ４４に分配するときに、燃料電池３０で賄う電力は、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の故障していない単電池ブロックを選んで行うようにしてもよい。こうすれば、故障した単電池ブロックへの反応ガスの供給を自動的に止めることができるので不必要な反応ガスを流す必要がなくなるし、故障した単電池ブロックの代わりに正常な単電池ブロックを利用することにより燃料電池３０で賄うべき電力を出力することができる。図６は故障時における単電池ブロックの配線例を表す説明図である。単電池ブロックの故障検出は、以下のようにして行う。即ち、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４ごとに第１〜第４電圧センサ３１ｖ〜３４ｖを設けると共に、単電池ブロック出力電力と反応ガス供給量との関係を求めたマップをＲＯＭ７４に予め記憶しておき、このマップから反応ガス供給量に見合った電圧を導出し、その電圧に比べて第１〜第４電圧センサ３１ｖ〜３４ｖの電圧値が許容範囲を超えて下がっているか否かを判定する。そして、いずれかの電圧センサの電圧値が許容範囲を超えて下がっていたとき、その電圧センサに対応する単電池ブロックが故障しているとみなす。例えば、図６（ａ）は、正常時における第１〜第３単電池ブロック３１〜３３で発電を行っているときの説明図である。ここで、第３単電池ブロック３３の故障が検出されると、図６（ｂ）に示すように、エアバルブ３３ａと燃料バルブ３３ｈとを開状態から閉状態に切り替えると共にスイッチ３３ｓを第３単電池ブロック３３との接続からバイパスライン３３ｂとの接続に切り替えることにより、第３単電池ブロック３３を燃料電池３０の両出力端子３０ａ，３０ｂから切り離す。これと同時に、エアバルブ３４ａと燃料バルブ３４ｈとを閉状態から開状態に切り替えると共にスイッチ３４ｓをバイパスライン３４ｂとの接続から第４単電池ブロック３４との接続に切り替えることにより、第３単電池ブロック３３の代わりに第４単電池ブロック３４を燃料電池３０の両出力端子３０ａ，３０ｂに接続する。なお、このとき、故障した第３単電池ブロック３３には冷却水バルブ３３ｗを開状態から閉状態に切り替えて、冷却水を供給しないようにしてもよい。
【００４０】
また、上述した実施形態では、始動時フラグがオンのときには起動中の単電池ブロックにのみ冷却水を循環させ未起動の単電池ブロックには冷却水を循環させなかったが、起動中の単電池ブロックを循環させることにより暖まった冷却水を、未起動の単電池ブロックに循環させてもよい。こうすれば、未起動の単電池ブロックも早期に適温に昇温されるため、早期に暖機が完了する。
【００４１】
更に、上述した実施形態では、燃料電池３０で賄いきれない電力をバッテリ４４で賄っているが、バッテリ４４の代わりにキャパシタ（電気２重層コンデンサ）を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料電池システム２０を搭載した車両１０の概略構成を表すブロック図。
【図２】 単電池ブロック３１〜３４の外部配線を表す説明図。
【図３】 ＦＣ順次起動ルーチンのフローチャート。
【図４】 出力制御ルーチンのフローチャート。
【図５】 燃料電池出力電力Ｐｆｃと単電池ブロック使用数との関係を求めたテーブル。
【図６】 故障時における単電池ブロックの接続例を表す説明図。
【符号の説明】
１０ 車両、１２ モータ、１４ ディファレンシャルギヤ、１６ 駆動輪、２０ 燃料電池システム、３０ 燃料電池、３０ａ，３０ｂ 出力端子、３１〜３４ 第１〜第４単電池ブロック、３１ａ〜３４ａ エアバルブ、３１ｂ〜３４ｂバイパスライン、３１ｈ〜３４ｈ 燃料ガスバルブ、３１ｓ〜３４ｓ スイッチ、３１ｗ〜３４ｗ 冷却水バルブ、４２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４２ａ スイッチング部、４２ｂ 変圧部、４２ｃ 整流部、４４ バッテリ、４６ インバータ、５１ エア供給管、５２ エア排出管、５３ 燃料供給管、５４ 燃料排出管、５５ 冷却水供給管、５６ 冷却水排出管、５８ 電圧センサ、６０ ＦＣ温度センサ、６２ 冷却水温度センサ、７０ コントローラ、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８７ 車速センサ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池システム、それを搭載した車両及び燃料電池システムの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池システムとしては、反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数備えた燃料電池を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このシステムでは、充電を必要とする複数の２次電池が直流開閉装置を介して燃料電池に接続されており、燃料電池ユニットの使用数を調整することにより２次電池の充電特性に従った充電電圧の調整が行われている。
【０００３】
【特許文献１】
特開昭５７−１１１９６３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうした燃料電池システムでは、充電電圧の調整により燃料電池に要求される電気エネルギが減少すると、燃料電池ユニットの使用数が減少するため、燃料電池の出力電圧が大きく低下してしまうという問題があった。また、燃料電池で発電した電力を電力変換器を介して電動機に供給する場合には、燃料電池の出力電圧が変動してしまうと、電力変換器の動作が不安定になるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても、燃料電池で発電した電力を受給する電力受給手段が安定して動作することができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的の一つとする。また、燃料電池の温度を速やかに適温にすることができる燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的の一つとする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の目的の少なくとも一つを達成するために以下の手段を採った。
【０００７】
本発明の第１は、反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数直列接続した燃料電池で発電した電力を電力受給手段へ出力する燃料電池システムであって、
前記燃料電池と前記電力受給手段との間に設けられ、前記燃料電池から入力された電力を電圧変換して前記電力受給手段へ出力する電圧変換手段と、
前記単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段と、
前記燃料電池に要求された電力に応じて前記単電池ブロックの使用数を決定する使用数決定手段と、
前記使用数決定手段により決定された前記単電池ブロックの使用数に基づいて前記運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに前記燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が前記電力受給手段へ出力されるよう前記電圧変換手段を制御する制御手段と
を備えたものである。
【０００８】
この燃料電池システムでは、燃料電池は反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数備え、燃料電池が発電した電力を電圧変換手段を介して電力受給手段へ出力する。また、制御手段は使用数決定手段により決定された単電池ブロックの使用数に基づいて単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が電力受給手段へ出力されるよう電圧変換手段を制御する。したがって、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても電力受給手段に入力される電圧が所定電圧範囲となるため、電力受給手段は安定して動作することができる。特に、電力受給手段がインバータである場合には、安定して動作させることが好ましい。ここで、「単電池ブロック」は、単電池一つで構成してもよいし、複数の単電池を積層して構成してもよい。
【０００９】
本発明の燃料電池システムにおいて、前記運転停止切替手段は、前記単電池ブロックごとに設けられ、前記単電池ブロックごとへの反応ガスの供給と供給停止とを切り替える手段であってもよい。こうすれば、単電池ブロックごとに運転状態又は停止状態に切り替えることができる。
【００１０】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池と電力のやり取りが可能で前記電力受給手段へ電力を出力可能な蓄電手段と、前記電力受給手段へ出力すべき電力を前記燃料電池と前記蓄電手段とに分配する分配手段とを備え、前記使用数決定手段は、前記燃料電池に要求された電力として前記分配手段により前記燃料電池に分配された電力分を用いて前記単電池ブロックの使用数を決定し、前記制御手段は、前記燃料電池に分配された電力分が前記燃料電池から前記電圧変換手段を介して前記電力受給手段へ出力されるよう制御してもよい。こうすれば、例えば、電力受給手段に出力する電力として、分配手段は、燃料電池でその電力を賄うことができる場合には優先的に燃料電池で発電するように分配し、燃料電池でその電力を賄うことができない場合には燃料電池で賄えない電力分を蓄電手段に分配することができる。
【００１１】
本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池を起動するとき、前記単電池ブロックが順次起動するよう前記運転停止切替手段の切替制御を行う起動制御手段を備えていてもよい。こうすれば、同時にすべての単電池ブロックを起動する場合と比べて、各単電池ブロックを速やかに適温にすることができる。この態様を採用した本発明の燃料電池システムは、前記単電池ブロックの各々に冷却水を循環させる冷却水循環手段を備え、前記起動制御手段は、前記単電池ブロックのうち起動したものには冷却水を循環させ、起動前のものには冷却水を循環させないよう前記冷却水循環手段を制御してもよい。こうすれば、単電池ブロックに流れる冷却水の温度を短時間で適温にすることができる。
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、前記単電池ブロックの故障を検出する故障検出手段を備え、前記制御手段は、前記故障検出手段により故障が検出された前記単電池ブロックが停止状態になるよう前記運転停止切替手段を制御してもよい。こうすれば、故障が検出された単電池ブロックに反応ガスの供給を自動的に止めるため、不必要な反応ガスを流す必要がなくなる。
【００１３】
本発明の第２は、上述した燃料電池システムを搭載した車両である。上述した燃料電池システムは、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても電力受給手段に入力される電圧が所定電圧範囲となるため、電力受給手段は安定して動作することができるから、これを搭載した車両も同様な効果を奏する。
【００１４】
本発明の第３は、反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数直列接続した燃料電池で発電した電力を電力受給手段へ出力し、前記燃料電池と前記電力受給手段との間に設けられ、前記燃料電池から入力された電力を電圧変換して前記電力受給手段へ出力する電圧変換手段と、前記単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段とを備えた燃料電池システムをコンピュータが制御する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池に要求された電力に応じて、前記コンピュータが前記単電池ブロックの使用数を決定する使用数決定ステップと、
（ｂ）使用数決定ステップで決定された前記単電池ブロックの使用数に基づいて、前記コンピュータが、前記運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに前記燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が前記電力受給手段へ出力されるよう前記電圧変換手段を制御する制御ステップと
を含むものである。
【００１５】
この燃料電池システムの制御方法では、単電池ブロックの使用数が変化して燃料電池の出力電圧が変動したとしても電力受給手段に入力される電圧が所定電圧範囲となるため、電力受給手段は安定して動作することができる。なお、本発明の第３における燃料電池システムは、本発明の第１の説明において述べたような具体的な構成を備えていてもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の燃料電池システム２０を搭載した車両１０の概略構成を表すブロック図である。また、図２は単電池ブロック３１〜３４の外部配線を表す説明図である。
【００１７】
車両１０は、燃料電池３０で発電を行う燃料電池システム２０と、燃料電池３０で発生した電力を駆動力に変換してディファレンシャルギヤ１４を介して駆動輪１６，１６を回転させるモータ１２とを備えている。また、燃料電池システム２０は、カソードに供給されるエア中の酸素とアノードに供給される燃料ガス中の水素との電気化学反応により発電する第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を直列接続した燃料電池３０と、燃料電池３０からの直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２で変換された直流電力を交流電力に変換するインバータ４６と、インバータ４６と並列に接続されたバッテリ４４と、システム全体の制御を司るコントローラ７０とを備えている。
【００１８】
燃料電池３０（ＦＣと略すこともある）は、図２に示すように、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４が第１〜第４スイッチ３１ｓ〜３４ｓを介して両出力端子３０ａ，３０ｂに直列に接続されている。第１〜第４単電池ブロック３１〜３４は、湿潤状態でプロトン伝導性を有する固体電解質膜をカソードとアノードとで挟み込み更にその両側を一対の緻密質カーボン製のセパレータで挟み込んで形成された単電池を複数積層したもので構成されている。各単電池は低出力から高出力まで対応可能なように高出力側に合わせた構造になっている。また、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４には、各単電池ブロックを迂回するバイパスライン３１ｂ〜３４ｂが接続されており、第１〜第４スイッチ３１ｓ〜３４ｓのオンオフを切り替えることにより燃料電池３０の出力端子３０ａ，３０ｂに第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を種々組合せて直列に接続することが可能となっている。なお、燃料電池３０には、燃料電池全体の温度を検出するＦＣ温度センサ６０が取り付けられている。
【００１９】
第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のカソード側に設けられた各酸化ガス通路の入口側には、エアバルブ３１ａ〜３４ａを介してエア供給管５１が接続され、各酸化ガス通路の出口側には、それぞれエア排出管５２が接続されている。また、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のアノード側に設けられた各燃料ガス通路の入口側には、燃料ガスバルブ３１ｈ〜３４ｈを介して燃料供給管５３が接続され、各燃料ガス通路の出口側には、それぞれ燃料排出管５４が接続されている。ここで、各酸化ガス通路の出口側には、図示しないエア調圧バルブを介してエア排出管５２が接続されており、このエア調圧バルブで圧力を調整することによりカソード側で水滴が発生する現象（フラッディング現象）を防ぐように構成されている。また、各燃料ガス通路の出口側には、図示しない燃料調圧バルブを介して燃料排出管５４が接続されており、この燃料調圧バルブで圧力を調整することによりアノード側に燃料ガスを均一に行き届かせるように構成されている。このとき、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のアノード側の燃料ガス通路から排出されるオフガスは、未反応の水素を含むため、単電池ブロック３１〜３４に循環させて再び燃料ガスとして使用してもよい。
【００２０】
更に、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の各冷却水通路の入口側には、冷却水バルブ３１ｗ〜３４ｗを介して冷却水供給管５５が接続され、各冷却水通路の出口側には、それぞれ冷却水排出管５６が接続されている。これにより、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４内の温度が適温（例えば、６５℃〜８５℃）に保持される。また、冷却水は、冷却水排出管５６から図示しないラジエータを通って放熱されたあと冷却水供給管５５に戻される。この冷却水供給管５５には、冷却水温を検出する冷却水温センサ６２が取り付けられている。なお、本実施形態で用いられる各バルブは、ソレノイドへの通電及び遮電を制御することによって開閉が切り替わるソレノイドバルブである。また、燃料電池３０の起動前は、各バルブは閉鎖状態である。
【００２１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、燃料電池３０から供給された直流電圧を昇圧又は降圧して所定範囲の直流電圧に調整し、インバータ４６とバッテリ４４とに並列に印加する。このＤＣ／ＤＣコンバータ４２は、このように機能するために、燃料電池３０から供給される直流電流から交流電流を生成するスイッチング部４２ａと、スイッチング部４２ａで生成された交流電流を変圧する変圧部４２ｂと、変圧部４２ｂで変圧された交流電流を整流して直流電流にする整流部４２ｃとを備えている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２には、図示しない別のＤＣ／ＤＣコンバータが並列接続されており、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２からその別のＤＣ／ＤＣコンバータを介して図示しないエアコンプレッサ等の補機に電力が供給される。
【００２２】
インバータ４６は、燃料電池３０やバッテリ４４から供給された直流電圧を交流電圧に変換してモータ１２を駆動する。インバータ４６には、スイッチング素子が内蔵されており、このスイッチング素子のスイッチングを制御することにより直流電圧を交流電圧に変換する。また、スイッチングに伴い直流電圧の低下を防ぐために電解コンデンサも内蔵されいるが、供給される直流電圧が大きく低下すると電解コンデンサで補償できず、インバータ４６の動作が不安定になる。
【００２３】
モータ１２は、例えば、電動機として機能すると共に発電機として機能する周知の同期発電電動機として構成されている。モータ１２から出力された動力はディファレンシャルギヤ１４を介して駆動輪１６，１６に伝達され、車両１０の推進力が得られる。
【００２４】
コントローラ７０は、ＣＰＵ７２を中心として構成されたワンチップマイクロプロセッサとして構成されており、各種処理プログラム等を記憶するＲＯＭ７４と、一時的にデータを記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートとを備えている。このコントローラ７０には、ＦＣ温度センサ６０からのＦＣ温度Ｔｆｃ、冷却水温度センサ６２からの冷却水温度Ｔｗ、燃料電池３０の端子間電圧を検出する電圧センサ５８からの燃料電池３０の出力電圧Ｖｐ、シフトレバー８１のポジションを検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジション、アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダル開度ＡＰ、ブレーキペダル８５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキ開度ＢＰ、車両の走行速度を検出する車速センサ８７からの車速Ｖ等の各種信号が入力ポートを介して入力される。また、コントローラ７０からは、各バルブ３１ａ〜３４ａ，３１ｈ〜３４ｈ，３１ｗ〜３４ｗへの開閉信号、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２へのスイッチング信号、インバータ４６へのスイッチング信号、各スイッチ３１ｓ〜３４ｓへの切替信号等の各種信号が出力ポートを介して出力される。
【００２５】
ＲＯＭ７４は、各種処理プログラムの他に、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダル開度ＡＰとブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキ開度ＢＰと車速センサ８７からの車速Ｖと要求動力Ｐｏとの関係を求めたマップ、燃料電池３０に要求される電力つまり燃料電池出力電力Ｐｆｃと単電池ブロック使用数との関係を求めたテーブル（図５参照）等を記憶している。
【００２６】
次に、本実施形態の燃料電池システム２０の動作について説明する。図３はコントローラ７０のＣＰＵ７２により実行されるＦＣ順次起動ルーチンのフローチャート、図４は同じくＣＰＵ７２により実行される出力制御ルーチンのフローチャートであり、これらルーチンは、ＲＯＭ７４に記憶されており、いずれも所定時間ごと（例えば数ｍｓｅｃごと）に読み出され繰り返し実行される。以下には、まず、ＦＣ順次起動ルーチンについて説明し、続いて、出力制御ルーチン特に第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の使用数を要求動力Ｐｏに応じて変化させた場合の動作について説明する。また、以下では始動時フラグ及び通常時フラグを用いて説明するが、始動時フラグは、車両を運転可能な状態にあるときに燃料電池３０の温度が所定温度未満の場合にオンにセットされるフラグであり、通常時フラグは、燃料電池３０の温度が所定温度以上のときにオンにセットされるフラグである。車両を運転可能な状態にした直後には初期設定が行われるが、この初期設定において、始動時フラグ及び通常時フラグは共にオフにリセットされ、また、各エアバルブ３１ａ〜３４ａ、各燃料ガスバルブ３１ｈ〜３４ｈ及び各冷却水バルブ３１ｗ〜３４ｗはすべて閉鎖される。
【００２７】
さて、図３のＦＣ順次起動ルーチンが開始されると、コントローラ７０のＣＰＵ７２は、まず、始動時フラグのオンオフを判定する（ステップＳ１００）。そして、始動時フラグがオフのときには、続いて通常時フラグのオンオフを判定し（ステップＳ１０２）、通常時フラグがオフのときには、ＦＣ温度センサ６０からのＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ未満か否かを判定することにより燃料電池３０が低温か否かを判定する（ステップＳ１０４）。一般に、燃料電池３０の適温は６５〜８５℃であるため、所定温度ＴＡはこの温度範囲の下限以下の値に設定されている。ステップＳ１０４でＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ以上のときには、暖機する必要がなく単電池ブロックを順次起動する必要がないため、通常時フラグをオンにセットし（ステップＳ１０６）、このルーチンを終了する。一方、ステップＳ１０４でＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ未満のときには、暖機する必要があるため始動時フラグをオンにセットすると共に（ステップＳ１０８）、ＲＡＭ７６の所定領域に設けられたカウンタの値ｎに１をセットし（ステップＳ１１０）、第ｎ単電池ブロックを起動する（ステップＳ１１２）。具体的には、第ｎ単電池ブロックに接続されているエアバルブ、燃料ガスバルブ及び冷却水バルブを開放すると共に第ｎ単電池ブロックを燃料電池３０の両出力端子３０ａ，３０ｂに接続されるようスイッチの切り替えを行い、第ｎ単電池ブロックを発電可能な状態にし、その後、単電池ブロック起動フラグをオフにする（ステップＳ１１４）。ここで、単電池ブロック起動フラグは、未起動の単電池ブロックを起動するときにオンにセットされ、それ以外のときにオフにセットされるフラグである。冷却水供給管５５に取り付けられた冷却水温度センサ６２からの冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢを超えているか否かを判定する（ステップＳ１１６）。このとき、所定温度ＴＢは、冷却水が循環されている起動中の単電池ブロックが適温（６５〜８５℃）に達したときの冷却水温度を経験的に求めその経験値に基づいて設定されている。ここでは、冷却水は起動中の単電池ブロックにのみ循環され未起動の単電池ブロックには循環されないため、比較的早く昇温する。そして、冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢ以下のときには、現在起動中の単電池ブロックでしばらく運転すべく、そのままこのルーチンを終了する。一方、冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢを超えたときには、未起動の単電池ブロックを起動すべく、単電池ブロック起動フラグをオンにセットし（ステップＳ１１８）、このルーチンを終了する。
【００２８】
また、ステップＳ１００で始動時フラグがオンのとき、つまり暖機が必要で単電池ブロックを順次起動する必要があるときには、単電池ブロック起動フラグのオンオフを判定し（ステップＳ１２０）、単電池ブロック起動フラグがオフのときには、ステップＳ１１６に進み、現在起動中の単電池ブロックに循環されている冷却水温度Ｔｗが所定温度ＴＢを超えたか否かを判定するステップＳ１１６へと進む。一方、単電池ブロック起動フラグがオンのときには、カウンタの値ｎを１インクリメントし（ステップＳ１２２）、続いてそのｎが上限値を超えたか否か、ここでは単電池ブロックが４つであるためｎが４を超えたか否かを判定し（ステップＳ１２４）、ｎが上限値以下のときには第ｎ単電池ブロックを起動すべくステップＳ１１２以降の処理を実行し、一方、ｎが上限値を超えたときには、すでに全単電池ブロックが起動しているため始動時フラグをオフにセットすると共に（ステップＳ１２６）、通常時フラグをオンにセットし（ステップＳ１２８）、このルーチンを終了する。
【００２９】
以上のＦＣ順次起動ルーチンでは、車両を運転可能な状態にした直後には、始動時フラグと通常時フラグともオフのためステップＳ１０４に進み、このステップＳ１０４でＦＣ温度Ｔｆｃが所定温度ＴＡ未満か否かつまり暖機が必要か否かを判定することになる。そして、暖機が必要でなければ通常時フラグがオンにセットされるため、次回このルーチンを実行したときにはステップＳ１００で始動時フラグがオフと判定されたあとステップＳ１１０で通常時フラグがオンと判定されてそのままこのルーチンを抜ける。一方、暖機が必要ならば、ステップＳ１０８で始動時フラグがオンにセットされ、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４が順次起動されていく。このとき冷却水は起動された単電池ブロックのみにしか循環されないため比較的早く昇温し、ひいては燃料電池３０の暖機を比較的早く行うことができる。そして、全単電池ブロック３１〜３４が起動されたあとステップＳ１２６，Ｓ１２８で始動時フラグがオフ、通常時フラグがオンにセットされる。このため、次回このルーチンを実行したときにはステップＳ１００で始動時フラグがオフと判定されたあとステップＳ１１０で通常時フラグがオンと判定されてそのままこのルーチンを抜けることになる。
【００３０】
また、図４の出力制御ルーチンの処理が開始されると、コントローラ７０のＣＰＵ７２は、まず、アクセルペダルポジションセンサ８４から検出されるアクセルペダル開度ＡＰとブレーキペダルポジションセンサ８６から検出されるブレーキ開度ＢＰと車速センサ８７から検出される車速Ｖとを読み込む（ステップＳ２００）。続いて、読み込んだアクセルペダル開度ＡＰとブレーキ開度ＢＰと車速Ｖとに基づいて、モータ１２の出力軸に出力する動力、即ち、要求動力Ｐｏを導出する（ステップＳ２１０）。この要求動力Ｐｏの導出方法としては、アクセルペダル開度ＡＰとブレーキ開度ＢＰと車速Ｖとに基づいて、アクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセルペダル開度ＡＰとブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキ開度ＢＰと車速センサ８７からの車速Ｖと要求動力Ｐｏとの関係を求めたＲＯＭ７４内のマップから導出するものとした。続いて、始動時フラグか通常時フラグのいずれがオンかを判定する（ステップＳ２２０）。すでに述べたＦＣ順次起動ルーチンが実行されたあとは、始動時フラグか通常時フラグのいずれかがオンになっている。このステップＳ２２０で、始動時フラグがオンのときには、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４が順次起動されるため、現在起動中の単電池ブロックの数に応じて要求動力Ｐｏを燃料電池３０から供給する燃料電池出力電力Ｐｆｃとバッテリ４４から供給するバッテリ出力電力Ｐｂとに分配し（ステップＳ２３０）、後述するステップＳ２８０へと進む。
【００３１】
一方、通常時フラグがオンのときには、ステップＳ２２０で導出された要求動力Ｐｏを、燃料電池３０から供給する燃料電池出力電力Ｐｆｃとバッテリ４４から供給するバッテリ出力電力Ｐｂとに分配する（ステップＳ２５０）。具体的には、要求動力Ｐｏは、優先的に燃料電池３０で賄うように分配されるが、燃料電池３０の発電能力だけでは不足するような場合には不足した電力をバッテリ４４で賄うように分配される。要求動力Ｐｏが分配されると、燃料電池出力電力Ｐｆｃに基づいて単電池ブロックの使用数を決定する（ステップＳ２６０）。図５は燃料電池出力電力Ｐｆｃと単電池ブロック使用数との関係を求めたテーブルである。図５に示すように、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ１未満である場合には単電池ブロック使用数が１個に設定されている。この使用数は、単電池ブロックに反応ガスの流量が十分とれるよう、また、発電効率の良い状態で運転できるよう考慮して設定されている。換言すれば、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ１未満にもかかわらず、単電池ブロック使用数を２個以上にすると、発電効率が低下し、単電池ブロックの性能を十分に発揮できなくなる。同様な理由により、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ１以上ｐ２未満である場合には単電池ブロック使用数が２個、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ２以上ｐ３未満である場合には単電池ブロック使用数が３個、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ３以上である場合には単電池ブロック使用数が４個に設定されている。また、このテーブルはＲＯＭ７４に記憶されている。このように、ステップＳ２３０では単電池ブロックの使用数を図５に示すテーブルに基づいて決定するため、単電池ブロックを発電効率の良い状態で運転することができる。
【００３２】
続いて、このテーブルに従って使用数が決定された単電池ブロックに対応する各バルブの開閉の切替制御を行うと共に各スイッチの接続の切替制御を行う（ステップＳ２７０）。例えば、燃料電池出力電力Ｐｆｃがｐ２以上ｐ３未満である場合では、図５に示すように、単電池ブロック使用数が３個となるため、コントローラ７０のＣＰＵ７２は、第１〜第３単電池ブロック３１〜３３で燃料電池出力電力Ｐｆｃを賄うようエアバルブ３１ａ〜３３ａと燃料ガスバルブ３１ｈ〜３３ｈとを開状態とし、エアバルブ３４ａと燃料バルブ３４ｈとは閉状態にする。また、第１〜第３単電池ブロック３１〜３３が直列となるようスイッチ３１ｓ〜３３ｓの接続を切り替え、単電池ブロック３４を迂回するようスイッチ３４ｓの接続をバイパスライン３４ｂに切り替える（図２参照）。なお、既に暖機は完了しているため冷却水バルブ３１ｗ〜３４ｗはすべて開状態とするが、起動中の単電池ブロックの冷却水バルブのみ開状態としてもよい。続いて、電圧センサ５８から燃料電池３０の出力電圧ＶｐつまりＤＣ／ＤＣコンバータ４２の入力電圧を検出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電圧を所定電圧範囲になるように制御する（ステップＳ２８０）。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２では、スイッチング部４２ａで燃料電池３０から供給される直流電流から交流電流を生成する際のスイッチングタイミングを制御することにより、燃料電池３０から供給された直流電圧を昇圧又は降圧して所定範囲の直流電圧に調整する。これにより、燃料電池３０の出力する電圧が変化してもインバータ４６に供給する電圧が所定電圧範囲になるため、インバータ４６では、直流電力から交流電力に変換するときのスイッチングによる電圧低下が生じた場合でも内蔵の電解コンデンサで補償することができ、動作が安定する。そして、ステップＳ２８０のあと、要求動力Ｐｏがモータ１２の出力軸に出力されるようにインバータ４６を制御して（ステップＳ２９０）、本ルーチンを終了する。なお、インバータ４６の制御については、本発明の特徴でないため、説明を省略する。
【００３３】
以上詳述した本実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４２において燃料電池３０からの出力電圧Ｖｐを昇圧又は降圧して所定電圧範囲に調整しているため、第１〜第３単電池ブロック３１〜３４の使用数が変化して燃料電池３０の出力電圧Ｖｐが大きく変化してもＤＣ／ＤＣコンバータ４２の出力電圧は所定電圧範囲となり、インバータ４６は安定して動作することができる。
【００３４】
また、燃料電池３０を構成する各単電池は、発電性能が低出力から高出力まで対応可能なように高出力側に合わせた構造になっている（例えば燃料ガス通路や酸化ガス通路の断面積が高出力側に合わせた大きさになっている）が、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４は絶えず高出力側になるよう使用数が決められて運転されるため、運転状態にある単電池への反応ガス供給量を減らすことなくそれらの単電池を発電効率の良い状態に保つことができる。このように反応ガス供給量を減らさないことにより、電気化学反応によりカソード側に生成する水が酸化ガス通路内で滞留するのを防いだり、各ガス通路をガスが均一に流れやすく安定に発電したりする効果も得られる。
【００３５】
更に、燃料電池３０から供給する燃料電池出力電力Ｐｆｃとバッテリ４４から供給するバッテリ出力電力Ｐｂとに要求動力Ｐｏを分配するため、燃料電池３０で不足する電力をバッテリ４４で賄うことができる。
【００３６】
更にまた、車両の始動直後で暖機の必要があるときには、まず第１単電池ブロック３１のみを起動しその後ＦＣ温度Ｔｆｃに応じて第２〜第４単電池ブロック３２〜３４を順次起動するため、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を同時に起動する場合に比べて、各単電池ブロック３１〜３４を速やかに適温にすることができる。なお、車両の始動直後は燃料電池３０に大きな電力が要求されることが少ないので、このように順次起動しても影響は少ない。
【００３７】
そしてまた、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を順次起動する際には、起動中の単電池ブロックにのみ冷却水を循環させ未起動の単電池ブロックには冷却水を循環させないため、冷却水温度を短時間で適温にすることができる。特に、車両の始動直後などのように第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の温度が低下している場合には、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４のカソードにフラッディングが起こりやすいが、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４を順次起動させることにより起動した単電池ブロックの発熱量は大きくなるので、その単電池ブロックに冷却水を循環させることにより各単電池ブロック３１〜３４の温度管理が容易となり、フラッディングを抑制することもできる。
【００３８】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３９】
例えば、上述した実施形態では、要求動力Ｐｏを燃料電池３０とバッテリ４４に分配するときに、燃料電池３０で賄う電力は、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４の故障していない単電池ブロックを選んで行うようにしてもよい。こうすれば、故障した単電池ブロックへの反応ガスの供給を自動的に止めることができるので不必要な反応ガスを流す必要がなくなるし、故障した単電池ブロックの代わりに正常な単電池ブロックを利用することにより燃料電池３０で賄うべき電力を出力することができる。図６は故障時における単電池ブロックの配線例を表す説明図である。単電池ブロックの故障検出は、以下のようにして行う。即ち、第１〜第４単電池ブロック３１〜３４ごとに第１〜第４電圧センサ３１ｖ〜３４ｖを設けると共に、単電池ブロック出力電力と反応ガス供給量との関係を求めたマップをＲＯＭ７４に予め記憶しておき、このマップから反応ガス供給量に見合った電圧を導出し、その電圧に比べて第１〜第４電圧センサ３１ｖ〜３４ｖの電圧値が許容範囲を超えて下がっているか否かを判定する。そして、いずれかの電圧センサの電圧値が許容範囲を超えて下がっていたとき、その電圧センサに対応する単電池ブロックが故障しているとみなす。例えば、図６（ａ）は、正常時における第１〜第３単電池ブロック３１〜３３で発電を行っているときの説明図である。ここで、第３単電池ブロック３３の故障が検出されると、図６（ｂ）に示すように、エアバルブ３３ａと燃料バルブ３３ｈとを開状態から閉状態に切り替えると共にスイッチ３３ｓを第３単電池ブロック３３との接続からバイパスライン３３ｂとの接続に切り替えることにより、第３単電池ブロック３３を燃料電池３０の両出力端子３０ａ，３０ｂから切り離す。これと同時に、エアバルブ３４ａと燃料バルブ３４ｈとを閉状態から開状態に切り替えると共にスイッチ３４ｓをバイパスライン３４ｂとの接続から第４単電池ブロック３４との接続に切り替えることにより、第３単電池ブロック３３の代わりに第４単電池ブロック３４を燃料電池３０の両出力端子３０ａ，３０ｂに接続する。なお、このとき、故障した第３単電池ブロック３３には冷却水バルブ３３ｗを開状態から閉状態に切り替えて、冷却水を供給しないようにしてもよい。
【００４０】
また、上述した実施形態では、始動時フラグがオンのときには起動中の単電池ブロックにのみ冷却水を循環させ未起動の単電池ブロックには冷却水を循環させなかったが、起動中の単電池ブロックを循環させることにより暖まった冷却水を、未起動の単電池ブロックに循環させてもよい。こうすれば、未起動の単電池ブロックも早期に適温に昇温されるため、早期に暖機が完了する。
【００４１】
更に、上述した実施形態では、燃料電池３０で賄いきれない電力をバッテリ４４で賄っているが、バッテリ４４の代わりにキャパシタ（電気２重層コンデンサ）を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の燃料電池システム２０を搭載した車両１０の概略構成を表すブロック図。
【図２】 単電池ブロック３１〜３４の外部配線を表す説明図。
【図３】 ＦＣ順次起動ルーチンのフローチャート。
【図４】 出力制御ルーチンのフローチャート。
【図５】 燃料電池出力電力Ｐｆｃと単電池ブロック使用数との関係を求めたテーブル。
【図６】 故障時における単電池ブロックの接続例を表す説明図。
【符号の説明】
１０ 車両、１２ モータ、１４ ディファレンシャルギヤ、１６ 駆動輪、２０ 燃料電池システム、３０ 燃料電池、３０ａ，３０ｂ 出力端子、３１〜３４ 第１〜第４単電池ブロック、３１ａ〜３４ａ エアバルブ、３１ｂ〜３４ｂバイパスライン、３１ｈ〜３４ｈ 燃料ガスバルブ、３１ｓ〜３４ｓ スイッチ、３１ｗ〜３４ｗ 冷却水バルブ、４２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、４２ａ スイッチング部、４２ｂ 変圧部、４２ｃ 整流部、４４ バッテリ、４６ インバータ、５１ エア供給管、５２ エア排出管、５３ 燃料供給管、５４ 燃料排出管、５５ 冷却水供給管、５６ 冷却水排出管、５８ 電圧センサ、６０ ＦＣ温度センサ、６２ 冷却水温度センサ、７０ コントローラ、７２ ＣＰＵ、７４ ＲＯＭ、７６ ＲＡＭ、８１ シフトレバー、８２ シフトポジションセンサ、８３ アクセルペダル、８４ アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ ブレーキペダルポジションセンサ、８７ 車速センサ。
Claims (8)
- 反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数直列接続した燃料電池で発電した電力を電力受給手段へ出力する燃料電池システムであって、
前記燃料電池と前記電力受給手段との間に設けられ、前記燃料電池から入力された電力を電圧変換して前記電力受給手段へ出力する電圧変換手段と、
前記単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段と、
前記燃料電池に要求された電力に応じて前記単電池ブロックの使用数を決定する使用数決定手段と、
前記使用数決定手段により決定された前記単電池ブロックの使用数に基づいて前記運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに前記燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が前記電力受給手段へ出力されるよう前記電圧変換手段を制御する制御手段と
を備えた燃料電池システム。 - 前記運転停止切替手段は、前記単電池ブロックごとに設けられ、前記単電池ブロックごとへの反応ガスの供給と供給停止とを切り替える
請求項１に記載の燃料電池システム。 - 請求項１又は２に記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池と電力のやり取りが可能で前記電力受給手段へ電力を出力可能な蓄電手段と、
前記電力受給手段へ出力すべき電力を前記燃料電池と前記蓄電手段とに分配する分配手段と
を備え、
前記使用数決定手段は、前記燃料電池に要求された電力として前記分配手段により前記燃料電池に分配された電力分を用いて前記単電池ブロックの使用数を決定し、
前記制御手段は、前記燃料電池に分配された電力分が前記燃料電池から前記電圧変換手段を介して前記電力受給手段へ出力されるよう制御する
燃料電池システム。 - 請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記燃料電池を起動するとき、前記単電池ブロックが順次起動するよう前記運転停止切替手段の切替制御を行う起動制御手段
を備えた燃料電池システム。 - 請求項４に記載の燃料電池システムであって、
前記単電池ブロックの各々に冷却水を循環させる冷却水循環手段
を備え、
前記起動制御手段は、前記単電池ブロックのうち起動したものには冷却水を循環させ、起動前のものには冷却水を循環させないよう前記冷却水循環手段を制御する
燃料電池システム。 - 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システムであって、
前記単電池ブロックの故障を検出する故障検出手段
を備え、
前記制御手段は、前記故障検出手段により故障が検出された前記単電池ブロックが停止状態になるよう前記運転停止切替手段を制御する
燃料電池システム。 - 請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システムを搭載した車両。
- 反応ガスの電気化学反応により発電する単電池ブロックを複数直列接続した燃料電池で発電した電力を電力受給手段へ出力し、前記燃料電池と前記電力受給手段との間に設けられ、前記燃料電池から入力された電力を電圧変換して前記電力受給手段へ出力する電圧変換手段と、前記単電池ブロックの各々を運転状態又は停止状態に切り替える運転停止切替手段とを備えた燃料電池システムをコンピュータが制御する燃料電池システムの制御方法であって、
（ａ）前記燃料電池に要求された電力に応じて、前記コンピュータが前記単電池ブロックの使用数を決定する使用数決定ステップと、
（ｂ）使用数決定ステップで決定された前記単電池ブロックの使用数に基づいて、前記コンピュータが、前記運転停止切替手段の切替制御を行うと共に、該切替制御を行ったときに前記燃料電池からの出力電圧が変動したとしても予め定められた所定電圧範囲の電力が前記電力受給手段へ出力されるよう前記電圧変換手段を制御する制御ステップと
を含む燃料電池システムの制御方法。
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