JP5215583B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池システムに関する。詳しくは、氷点下起動が可能な燃料電池システムに関する。
近年、自動車の新たな動力源として燃料電池システムが注目されている。燃料電池システムは、例えば、反応ガスを化学反応させて発電する燃料電池と、反応ガス流路を介して燃料電池に反応ガスを供給する反応ガス供給装置と、この反応ガス供給装置を制御する制御装置と、を備える。
燃料電池は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。ここで、各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成され、膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。
この燃料電池のアノード電極に反応ガスとしての水素ガスを供給し、カソード電極に反応ガスとしての酸素を含む空気を供給すると、電気化学反応により発電する。この発電時に生成されるのは、基本的に無害な水だけであるため、環境への影響や利用効率の観点から、燃料電池が注目されている。
ところで、このような燃料電池システムにおいて、水素ガス及び空気の供給を止めて発電を停止させた状態では、両電極間で差圧が生じ、カソード電極側に供給された空気に含まれる窒素等の不純物がアノード電極側へ流入し、アノード流路内の水素濃度が低下する。このため、燃料電池システムを起動させる際には、アノード流路内の水素濃度を高めるために、アノード流路内に滞留したガスを新規に供給された水素ガスで置換する所謂ＯＣＶチェックが行われる（特許文献１参照）。具体的には、このＯＣＶチェックは、燃料電池の開放電圧が所定の閾値を上回るまで、水素ガスを供給しながらアノード流路のパージ弁の開度を調整することにより行われる。
このように、燃料電池により発電を開始する準備として、ＯＣＶチェックを行うことにより、例えば、この燃料電池システムを長時間起動せずに放置した後であっても、確実に起動させることができる。
特開２００３−３３１８８８号公報
ところで、上述のようなＯＣＶチェックを行う際に、燃料電池の開放電圧を検出したり、パージ弁や水素ガスを供給するための補機を駆動したりするために必要な電力は、前回に燃料電池システムを起動させた際に燃料電池により蓄電されたバッテリにより供給される。
図１１は、このバッテリの温度特性を示す図である。図１１に示すように、バッテリの内部抵抗は、温度が下がるに従い大きくなる。特に、バッテリの温度が氷点下である場合には、この内部抵抗は極度に大きくなる。
図１２は、バッテリにより補機を駆動した際におけるバッテリ電圧の変化を示す図である。図１２中の実線９１は常温（例えば、３０℃）におけるバッテリ電圧の変化を示し、破線９２は氷点下（例えば、−１０℃）におけるバッテリ電圧の変化を示す。
図１２に示すように、補機を、例えば１０ｋＷで駆動し始めると、内部抵抗によりＩＲドロップが発生しバッテリ電圧が低下する。上述のように、バッテリの内部抵抗は氷点下の温度では極度に大きくなるため、氷点下駆動時におけるバッテリ電圧の低下は、常温駆動時と比較して極度に大きくなる。このため、バッテリの温度が氷点下である場合には、バッテリ電圧がシステムを起動するために最低限必要な下限値を下回ってしまい、燃料電池システムを起動できなくなるおそれがあった。
本発明は、氷点下であっても確実に起動できる燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の燃料電池システムは、反応ガス（例えば、後述の水素ガス及び空気）の反応により発電する燃料電池（例えば、後述の燃料電池１０）と、前記燃料電池を駆動する補機（例えば、後述の補機５０）と、前記燃料電池で発電した電力の少なくとも一部を蓄電する蓄電装置（例えば、後述の高圧バッテリ２２）と、前記燃料電池を起動する場合に、前記蓄電装置の電力を前記補機に供給して、前記燃料電池を起動させる制御手段（例えば、後述の制御装置７０）と、を備える燃料電池システムであって、前記蓄電装置の温度を検出または推定する蓄電装置温度検出手段（例えば、後述のバッテリ温度センサ２２３）をさらに備え、前記制御手段は、前記補機が前記燃料電池を起動するのに必要な電力量を起動電力量とし、該起動電力量を算出する起動電力量算出手段（例えば、後述の起動電力量算出部７１）と、前記燃料電池から取出し可能な電力量を使用可能電力量とし、該使用可能電力量を算出する使用可能電力算出手段（例えば、後述の使用可能電力量算出部７２）と、前記使用可能電力量が前記起動電力量を超えるか否かを判定し、前記使用可能電力量が前記起動電力量を超える場合には、前記補機に電力を供給して前記燃料電池を起動し、前記使用可能電力量が前記起動電力量以下である場合には、前記燃料電池の起動を中止する補機電力制御手段（例えば、後述の補機電力制御部７３）と、を備え、前記補機電力制御手段は、前記燃料電池を起動する場合には、前記蓄電装置温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記補機に供給する電力を制限することを特徴とする。
上述のように、蓄電装置の温度が低くなるに従い蓄電装置の内部抵抗は大きくなる。このため、例えば氷点下の温度において蓄電装置を電力源とした場合、消費電力が大きくなると、これに伴い内部抵抗による消費も大きくなるため、蓄電装置により使用可能な電力量は小さくなる。
そこで、この発明によれば、蓄電装置の温度に基づいて、燃料電池を起動させるための補機において消費される電力を制限する補機電力制御手段を設けた。ここで例えば、蓄電装置の温度が氷点下である場合に、補機電力制御手段により補機で消費される電力を制限することで、蓄電装置により使用可能な電力量の範囲内で補機を駆動し、燃料電池システムを確実に起動させることができる。
この場合、前記蓄電装置から出力される電力を検出する電力検出手段（例えば、後述のバッテリ電力センサ２２４）をさらに備え、前記補機電力制御手段は、前記蓄電装置温度検出手段により検出された温度に基づいて電力上限値を設定し、前記電力検出手段により検出される電力が前記電力上限値より小さくなるように、前記補機に供給する電力を制御することが好ましい。
この発明によれば、補機において消費される電力は、蓄電装置の温度に基づいて設定された電力上限値より小さくなるように、補機電力制御手段により制御される。ここで例えば、蓄電装置の温度が氷点下である場合には、蓄電装置の電圧が燃料電池システムを起動させる際に最低限必要な下限値を下回らないように電力上限値を設定することにより、燃料電池システムを確実に起動することができる。
この場合、前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段（例えば、後述のバッテリ電圧センサ２２１）をさらに備え、前記補機電力制御手段は、前記電圧検出手段により検出される電圧が所定の電圧下限値よりも大きくなるように、前記補機に供給する電力を制御することが好ましい。
この発明によれば、補機において消費される電力は、蓄電装置の電圧が予め定められた下限値よりも大きくなるように、補機電力制御手段により制御される。ここで例えば、蓄電装置の電圧の下限値を、燃料電池システムを起動させる際に最低限必要な下限にすることにより、燃料電池システムを確実に起動することができる。また、蓄電装置の電圧の下限値に基づいて補機において消費される電力を制御することにより、燃料電池システムを起動可能な範囲内で、最大の電力を供給することができるので、起動時間を短縮できる。
この場合、前記補機は、反応ガスを供給する反応ガス供給手段を含むことが好ましい。
この発明によれば、蓄電装置またはこの蓄電装置の近傍の温度に基づいて、補機電力制御手段により、反応ガスを供給する反応ガス供給手段において消費される電力が制限される。これにより、燃料電池システムの氷点下起動時に反応ガスを供給する場合には、電力を制限しない場合と比較して、燃料電池システムを起動させるまでの時間が長くなるものの、蓄電装置により使用可能な電力量の範囲内で補機を駆動し、燃料電池システムを確実に起動させることができる。また、反応ガス供給手段において消費される電力を制限することにより、この反応ガス供給手段を駆動する際に生じるおそれのある騒音を低減できる。
この場合、前記蓄電装置温度検出手段は、前記燃料電池の温度または前記補機の温度を検出し、該検出された温度に基づいて前記蓄電装置の温度を推定することが好ましい。
この発明によれば、蓄電装置の温度を直接検出するセンサを設けることなく、蓄電装置の温度を求めることができる。
本発明によれば、蓄電装置またはこの蓄電装置の近傍の温度に基づいて、燃料電池を起動させるための補機において消費される電力を制限する補機電力制御手段を設けた。ここで例えば、蓄電装置の温度が氷点下である場合に、補機電力制御手段により補機で消費される電力を制限することで、蓄電装置により使用可能な電力量の範囲内で補機を駆動し、燃料電池システムを確実に起動させることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池システム１のブロック図である。
燃料電池システム１は、燃料電池１０と、この燃料電池１０に反応ガスとしての水素ガス及び空気を供給する供給装置３０と、これら燃料電池１０及び供給装置３０と、燃料電池１０を駆動する補機５０と、これら燃料電池１０、供給装置３０、及び補機５０を制御する制御手段としての制御装置７０と、を備える。
燃料電池１０は、例えば、数十個から数百個のセルが積層されたスタック構造である。各セルは、膜電極構造体（ＭＥＡ）を一対のセパレータで挟持して構成される。膜電極構造体は、アノード電極（陽極）及びカソード電極（陰極）の２つの電極と、これら電極に挟持された固体高分子電解質膜とで構成される。通常、両電極は、固体高分子電解質膜に接して酸化・還元反応を行う触媒層と、この触媒層に接するガス拡散層とから形成される。
このような燃料電池１０は、アノード電極（陽極）側に水素ガスが供給され、カソード電極（陰極）側に空気が供給されると、これらの電気化学反応により発電する。燃料電池１０には、燃料電池１０の出力電圧Ｖ１及び電流Ｉ１を検出する燃料電池電圧センサ１０１及び燃料電池電流センサ１０２が接続されている。
供給装置３０は、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給する反応ガス供給手段としてのエアコンプレッサ３１と、アノード電極側に水素ガスを供給する水素タンク３２及びエゼクタ３３と、水素タンク３２から供給される水素ガスの圧力調整を行うレギュレータ３４と、を含んで構成される。
エアコンプレッサ３１は、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に接続されている。燃料電池１０のカソード電極側には、エア排出路４２が接続され、このエア排出路４２の先端は、背圧弁４２１を介して図示しない排ガス処理装置に接続されている。エア供給路４１には、エア供給路４１内の圧力Ｐ３を検出するエア供給路圧力センサ４１２と、エア供給路４１内の空気の流量Ｆ３を検出するエア供給路流量センサ４１３とが設けられている。また、エア排出路４２のうち、燃料電池１０と背圧弁４２１との間には、エア排出路４２内の空気の温度Ｔ２を検出するエア排出路温度センサ４２２が設けられている。
エア供給路４１には、エア供給路４１が分岐したエア連結路４３が設けられており、このエア連結路４３の先端はレギュレータ３４に接続されている。また、エア連結路４３には、エア連結路４３内の空気を放出するエア放出弁４３１が設けられている。エア放出弁４３１は、流量調整弁であり、この開度を調整することにより、エア連結路４３内の空気の圧力を調整可能となっている。
水素タンク３２は、水素供給路４５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に接続されている。この水素供給路４５には、レギュレータ３４及びエゼクタ３３が設けられている。また、この水素供給路４５のうち、水素タンク３２とレギュレータ３４との間には、この水素供給路４５を開閉する遮断弁４５１が設けられる。
燃料電池１０のアノード電極側には、水素排出路４６が接続され、この水素排出路４６の先端は、上述の排ガス処理装置に接続されている。この排ガス処理装置は、水素排出路４６から排出された水素ガスを、エア排出路４２から排出された空気で希釈する。
水素排出路４６には、水素排出路４６が分岐した再循環流路４７が設けられており、この再循環流路４７の先端はエゼクタ３３に接続されている。これにより、再循環流路４７は、燃料電池１０から水素排出路４６に排出される水素ガスを、エゼクタ３３を介して燃料電池１０に再度供給する。この水素排出路４６のうち、先端と再循環流路４７との分岐点との間には、再循環流路４７を流れるガスを排出するパージ弁４６１が設けられている。また、水素排出路４６のうち再循環流路４７の分岐点と燃料電池１０との間には、水素排出路４６内のガスの温度Ｔ３を検出する水素排出路温度センサ４６２が設けられている。
エゼクタ３３は、水素排出路４６に排出された水素ガスを、再循環流路４７を通して回収し、燃料電池１０に再度供給することにより、水素ガスを循環させている。
レギュレータ３４は、所謂比例圧力制御弁であり、エア連結路４３内の空気の圧力を信号圧として、その開度を制御できるようになっている。ここで、レギュレータ３４は、エア連結路４３内の圧力が大きくなるに従い、その開度が大きくなるようになっている。つまり、エアコンプレッサ３１を駆動しエア連結路４３内の空気の圧力を調整することにより、水素供給路４５内のガスの圧力を調整することが可能となる。
補機５０は、上述のエアコンプレッサ３１と、ダウンバータ５２と、燃料電池１０を冷却する冷媒を圧送するウォータポンプ５３と、空調設備５４と、を含んで構成される。また、補機５０には、補機５０において消費される電力Ｗ４を検出する補機消費電力センサ５０１が接続されている。
ウォータポンプ５３は、燃料電池１０を流通する循環路内に冷媒を圧送することにより、冷媒を循環路内で循環させる。このウォータポンプ５３の回転数を制御して冷媒の流量を調整することにより、燃料電池１０の冷却温度を調整することができる。
燃料電池１０は、電流制限器（ＶＣＵ）２１を介して、蓄電装置としての高圧バッテリ２２、駆動モータ２３、及び補機５０に接続されている。燃料電池１０で発電された電力は、高圧バッテリ２２、駆動モータ２３及び補機５０に供給される。電流制限器２１は、制御装置７０からの制御指令に基づいて、燃料電池１０からの出力を制限して高圧バッテリ２２、駆動モータ２３及び補機５０に供給する。
高圧バッテリ２２は、リチウムイオン電池等の二次電池により構成され、その電圧が燃料電池１０の電圧よりも低い場合には、燃料電池１０の出力により蓄電する。また、高圧バッテリ２２は、電流制限器２１を介して駆動モータ２３及び補機５０と接続することにより、必要に応じて駆動モータ２３及び補機５０に電力を供給し、燃料電池１０の発電を補助する。
高圧バッテリ２２には、高圧バッテリ２２から出力される電力Ｗ５を検出する電力検出手段としてのバッテリ電力センサ２２４が接続されている。具体的には、このバッテリ電力センサ２２４は、高圧バッテリ２２の出力電圧Ｖ５を検出する電圧検出手段としてのバッテリ電圧センサ２２１と、高圧バッテリ２２の出力電流Ｉ５を検出するバッテリ電流センサ２２２と、を含んで構成される。また、高圧バッテリ２２には、さらに、高圧バッテリ２２の温度Ｔ５を検出する蓄電装置温度検出手段としてのバッテリ温度センサ２２３が設けられている。
制御装置７０には、上述の電流制限器２１、高圧バッテリ２２、駆動モータ２３、エゼクタ３３、補機５０、背圧弁４２１、エア放出弁４３１、遮断弁４５１、及びパージ弁４６１等が接続されている。また、図示を省略したが、燃料電池電圧センサ１０１、燃料電池電流センサ１０２、バッテリ電力センサ２２４、バッテリ温度センサ２２３、エア排出路温度センサ４２２、エア供給路圧力センサ４１２、エア供給路流量センサ４１３、水素排出路温度センサ４６２、及び補機消費電力センサ５０１等のセンサも、制御装置７０に接続されている。
制御装置７０は、供給装置３０や補機５０を制御して、燃料電池１０を起動し発電することが可能となっている。ここで、制御装置７０により供給装置３０を制御して、燃料電池１０で発電する手順は、次のようになる。
すなわち、パージ弁４６１を閉じておき、水素タンク３２から、水素供給路４５を介して、燃料電池１０のアノード電極側に水素ガスを供給する。また、エアコンプレッサ３１を駆動させることにより、エア供給路４１を介して、燃料電池１０のカソード電極側に空気を供給する。
燃料電池１０に供給された水素ガス及び空気は、発電に供された後、燃料電池１０からアノード電極側の生成水等の残留水と共に、水素排出路４６及びエア排出路４２に流入する。このとき、パージ弁４６１は閉じているので、燃料電池１０から排出される水素ガスは、再循環流路４７に流入し、エゼクタ３３に還流されて、燃料電池１０に再度供給される。
その後、パージ弁４６１及び背圧弁４２１を、適当な頻度及び開度で開閉制御することにより、水素ガス及び空気が、水素排出路４６及びエア排出路４２から、排ガス処理装置を介して排出される。
図２は、制御装置７０のブロック図であり、制御装置７０のうち燃料電池１０の起動に係る制御ブロックのみを示す図である。より具体的には、図２に示す制御ブロックは、燃料電池１０を起動する際のＯＣＶチェックを行う制御ブロックを示す。
制御装置７０は、燃料電池１０を起動するのに必要な起動電力量を算出する起動電力量算出部７１と、高圧バッテリ２２の使用可能電力量を算出する使用可能電力量算出部７２と、燃料電池１０を起動する際に補機５０で消費される電力を制御する補機電力制御部７３と、を備える。
起動電力量算出部７１は、燃料電池１０を起動する場合に、ＯＣＶチェックを行うために補機５０に供給する必要のある電力量を起動電力量として、この起動電力量を算出する。
使用可能電力量算出部７２は、バッテリ電圧センサ２２１及びバッテリ電流センサ２２２等からの入力に基づいて高圧バッテリ２２の残電力量（ＳＯＣ）を算出し、この残電力量に基づいて高圧バッテリ２２の使用可能電力量を算出する。具体的には、使用可能電力量算出部７２は、高圧バッテリ２２の残電力量とバッテリ温度とを入力値として、使用可能電力量を算出する制御マップを備えており、この制御マップにより高圧バッテリ２２の使用可能電力量を算出する。ここで、使用可能電力量とは、高圧バッテリ２２から取出し可能な電力量を示す。
図３は、高圧バッテリ２２の残電力量と使用可能電力量との関係を示す図であり、使用可能電力量算出部７２の制御マップを示す図である。図３において、実線８３及び破線８４は、高圧バッテリ２２の異なる温度における残電力量と使用可能電力量との関係を示す。破線８４は、実線８３よりも高圧バッテリ２２のバッテリ温度が低い場合における残電力量と使用可能電力量との関係を示す。
これら実線８３及び破線８４に示すように、高圧バッテリ２２の残電力量が小さくなるに従い、使用可能電力量は小さな値に設定される。また、高圧バッテリ２２のバッテリ温度が低くなるに従い、使用可能電力量は小さな値に設定される。
また、使用可能電力量算出部７２は、残電力量及びバッテリ温度に加えて、高圧バッテリ２２の目標出力、すなわち補機５０における目標消費電力をも入力値として、使用可能電力量を算出することが可能となっている。つまり、補機５０における消費電力が大きくなると、これに伴い、高圧バッテリ２２の内部抵抗による消費も大きくなるため、高圧バッテリ２２から取り出すことができる電力量も小さくなる。そこで、使用可能電力量算出部７２は、高圧バッテリ２２の目標出力が大きくなるに従い、使用可能電力量を小さな値に設定するようになっている。
補機電力制御部７３は、起動判定部７３１と、コンプレッサ制御部７３２と、ＯＣＶ条件設定部７３３と、電力上限設定部７３４とを備え、燃料電池１０を起動する際に、高圧バッテリ２２の電力を補機５０に供給すると共に、遮断弁４５１及びパージ弁４６１を制御して、燃料電池１０のＯＣＶチェックを行う。
起動判定部７３１は、起動電力量算出部７１により算出された起動電力量と、使用可能電力量算出部７２により算出された使用可能電力量とに基づいて、燃料電池１０の起動が可能であるか否かを判断する。具体的には、起動判定部７３１は、使用可能電力量が起動電力量を超える場合には、補機５０に電力を供給して燃料電池１０を起動可能であると判断し、使用可能電力量が起動電力量以下である場合には、燃料電池１０を起動不可能であると判断する。
コンプレッサ制御部７３２は、後述のＯＣＶ条件設定部７３３及び電力上限設定部７３４により設定された制御条件に基づいて、高圧バッテリ２２の電力を補機５０のエアコンプレッサ３１に供給すると共に、遮断弁４５１及びパージ弁４６１の開度を調整し、ＯＣＶチェックを行う。具体的には、コンプレッサ制御部７３２は、エア供給路４１内の圧力がＯＣＶ条件設定部７３３により設定された目標圧力となるように、エアコンプレッサ３１に供給する電力を調整する。またここで、コンプレッサ制御部７３２は、バッテリ電力センサ２２４により検出された電力Ｗ５が電力上限設定部７３４により設定された電力上限値よりも小さくなるように、エアコンプレッサ３１に供給する電力を制御する。
ＯＣＶ条件設定部７３３は、バッテリ温度センサ２２３により検出された高圧バッテリ２２の温度Ｔ５に基づいて、ＯＣＶチェック時におけるエア供給路４１内の目標圧力を設定する。具体的には、ＯＣＶ条件設定部７３３は、制御マップを備えており、この制御マップに基づいて、高圧バッテリ２２の温度に応じたエア供給路４１内の目標圧力を設定する。以下では、ＯＣＶ条件設定部７３３はエア供給路４１内の目標圧力を設定するものとするが、これに限らず、エア供給路４１内の空気の目標流量を設定するものとしてもよい。また以下では、目標圧力を設定するための入力値を、高圧バッテリ２２のバッテリ温度とするが、これに限らず、燃料電池システム１の温度であってもよい。
図４は、高圧バッテリ２２の温度とエア供給路４１内の目標圧力との関係を示す図であり、ＯＣＶ条件設定部７３３の制御マップを示す図である。図４中の実線８１に示すように、高圧バッテリ２２の温度が低くなるに従い、エア供給路４１内の目標圧力、つまりカソード目標圧力は小さく設定される。具体的には、この制御マップによれば、高圧バッテリ２２の温度が０℃を超える場合には、カソード目標圧力は、高圧バッテリ２２の温度によらず略一定の値に設定される。また、高圧バッテリ２２の温度が０℃以下の氷点下である場合には、高圧バッテリ２２の温度が低くなるに従い、カソード目標圧力は小さく設定される。換言すると、この制御マップによれば、高圧バッテリ２２の温度が低くなるに従い、エアコンプレッサ３１に供給される電力は小さな値に設定される。つまり、高圧バッテリ２２の温度が低くなるに従い、高圧バッテリ２２によりエアコンプレッサ３１に供給される電力は制限されることとなる。
また、上述のように、エア供給路４１と水素供給路４５とは、エア連結路４３及びレギュレータ３４を介して接続されている。従って、水素供給路４５内のガスの圧力、すなわちアノード圧力は、カソード圧力と連動する。なお、ＯＣＶ条件設定部７３３が設定する条件は、カソード目標圧力に限らず、エア供給路４１内の空気の目標流量、すなわちカソード目標流量であってもよい。
なお、図４中の破線８２は、従来の燃料電池システムにおける高圧バッテリの温度とカソード目標圧力との関係を示す図である、この従来の燃料電池システムによれば、高圧バッテリの温度が０℃以下の氷点下である場合には、目標圧力は、０℃以上の常温における目標圧力よりも大きな値に設定される。本実施形態の燃料電池システム１と、この従来の燃料電池システムとの比較は、後に図８を参照して説明する。
図２に戻って、電力上限設定部７３４は、バッテリ温度センサ２２３により検出された高圧バッテリ２２の温度Ｔ５に基づいて、ＯＣＶチェック時において補機５０に供給する電力の上限値を設定する。具体的には、電力上限設定部７３４は、制御マップを備えており、この制御マップに基づいて、高圧バッテリ２２の温度に応じた補機５０に供給する電力の上限値を設定する。
図５は、高圧バッテリ２２の温度と補機５０に供給する電力の上限値との関係を示す図であり、電力上限設定部７３４の制御マップを示す図である。図５に示すように、高圧バッテリ２２の温度が低くなるに従い、補機５０に供給する電力の上限値は小さく設定される、具体的には、この制御マップによれば、高圧バッテリ２２の温度が０℃を超える場合には、補機５０に供給される電力の上限値は、高圧バッテリ２２の温度によらず略一定の値に設定される。
また、高圧バッテリ２２の温度が０℃以下の氷点下である場合には、高圧バッテリ２２の温度が低くなるに従い、補機５０に供給される電力の上限値が小さな値に設定される。ここで、電力の上限値は、上述の図１２に示すようなＩＲドロップにより高圧バッテリ２２の電圧が最低限必要な下限値以下にならないような値に設定される。
また、この制御装置７０には、図示しないイグニッションスイッチが接続される。このイグニッションスイッチは、燃料電池車の運転席に設けられており、運転者の操作に従って、オン／オフ信号を制御装置７０に送信する。制御装置７０は、イグニッションスイッチがオンにされたことに応じて燃料電池１０の起動を開始し、イグニッションスイッチがオフにされたことに応じて燃料電池１０による発電を停止する。
以上の燃料電池システム１の動作について、図６及び図７のフローチャートを参照しながら説明する。
図６は、燃料電池１０を起動してから、燃料電池１０の発電を終了するまでの手順を示すフローチャートである。
まず、燃料電池１０の起動は、イグニッションがオンにされたことに基づいて開始する。ＳＴ１では、使用可能電力量算出部７２により高圧バッテリ２２の使用可能電力量を算出し、ＳＴ２に移る。具体的には、このステップでは、残電力量と、バッテリ温度センサ２２３により検出された高圧バッテリ２２の温度Ｔ５とに基づいて使用可能電力量を算出する。ＳＴ２では、起動電力量算出部７１によりＯＣＶチェックを行うために補機５０に供給する必要のある起動電力量を算出し、ＳＴ３に移る。
ＳＴ３では、起動判定部７３１により、使用可能電力量が起動電力量以上であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”のときはＳＴ４に移る。また、この判別が“ＮＯ”のときは燃料電池１０による発電を禁止し（ＳＴ８）し、燃料電池１０の起動を終了する。ＳＴ４では、ＯＣＶ条件の設定を行い、ＳＴ５に移る。具体的には、このステップでは、ＯＣＶ条件設定部７３３により、高圧バッテリ２２の温度に応じたカソード目標圧力を設定する（図４参照）。
ＳＴ５では、補機電力制御部７３は、バッテリ温度センサ２２３により検出された高圧バッテリ２２の温度Ｔ５が０℃以下であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”のときはＳＴ６に移り、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ７に移る。ＳＴ６では、後に図７を参照して詳述する低温用ＯＣＶチェック処理を行い、ＳＴ９に移る。
ＳＴ７では、ＯＣＶチェック処理を行い、ＳＴ９に移る。具体的には、このステップでは、コンプレッサ制御部７３２により、エア供給路圧力センサ４１２により検出されたエア供給路４１内の圧力Ｐ３が設定された目標圧力となるようにエアコンプレッサ３１に電力を供給すると共に、遮断弁４５１及びパージ弁４６１を開弁する。ここで、このＯＣＶチェック処理は、燃料電池電圧センサ１０１により検出される燃料電池１０の電圧Ｖ１が所定の値に達するまで行われる。
ＳＴ９では、燃料電池１０による発電を行い、ＳＴ１０に移る。具体的には、このステップでは、補機５０に供給する電力源を高圧バッテリ２２から燃料電池１０に切り替えると共に、燃料電池１０の電力を駆動モータ２３に供給する。また、上述の発電手順により供給装置３０を制御して燃料電池１０による発電を行う。ＳＴ１０では、イグニッションがオフにされたか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”のときは燃料電池１０の発電を終了し、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ９に移る。
図７は、低温用ＯＣＶチェック処理の手順を示すフローチャートである。
まず、ＳＴ１１では、高圧バッテリ２２の電力上限の設定を行い、ＳＴ１２に移る。具体的には、このステップでは、電力上限設定部７３４により、高圧バッテリ２２の温度Ｔ５に応じた、補機５０に供給する電力の上限値を設定する。
ＳＴ１２では、ＯＣＶチェック処理を行い、ステップＳＴ１３に移る。具体的には、このステップでは、コンプレッサ制御部７３２により、エア供給路圧力センサ４１２により検出されたエア供給路４１内の圧力Ｐ３が設定された目標圧力となるようにエアコンプレッサ３１に電力を供給すると共に、遮断弁４５１及びパージ弁４６１を開弁する。ＳＴ１３では、補機５０に供給される電力が設定された上限値以下であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”のときはＳＴ１５に移り、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ１４に移る。
ＳＴ１４では、補機消費低減処理を行い、ＳＴ１５に移る。この補機消費低減処理では、補機５０における消費電力を低減させるようにＯＣＶ条件の再設定を行う。具体的には、上述のＳＴ４において設定されたエア供給路４１内の目標圧力を、より小さな値に再設定する。ＳＴ１５では、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”のときは図６のＳＴ９に移り、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ１２に移る。具体的には、このステップでは、燃料電池１０のセル電圧が所定の値に達したか否かを判別する。
本実施形態の燃料電池システム１と従来の燃料電池システムとの動作を、図８のタイミングチャートを用いて比較する。ここで、図８は、これら燃料電池システムを氷点下において起動した例を示す。また、従来の燃料電池システムとは、図４中の破線８２に示す目標圧力で燃料電池を起動するものを示す。
時刻ｔ１において、イグニッションスイッチがオンにされると、これに伴い、エアコンプレッサ３１への電力の供給が開始される。また、エアコンプレッサ３１により空気の供給を開始することにより、エア供給路４１内の圧力（カソード圧力）が上昇し始める。また、カソード圧力の上昇に伴い、エア供給路４１内の空気の流量（カソード流量）も上昇し始める。
時刻ｔ２において、パージ弁４６１が開弁されると、アノード流路内に滞留したガスが水素排出路４６から排出され始める。また、このガスの排出に伴い燃料電池１０のセル電圧が上昇し始める。
時刻ｔ３において、破線で示す従来の燃料電池システムにおいては、燃料電池のセル電圧が所定の閾値に達し、これによりＯＣＶチェックが完了し、パージ弁が閉じられ、発電が開始される。
時刻ｔ４において、実線で示す本実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池１０のセル電圧が所定の閾値に達し、これによりＯＣＶチェックが完了し、パージ弁４６１が閉じられ、発電が開始される。
ここで、上述のように、本実施形態の燃料電池システム１では、高圧バッテリ２２の温度が低くなるに従い、エア供給路４１内のカソード目標圧力は小さく設定される。これにより、図８に示すように、本実施形態の燃料電池システムにおけるカソード圧力は、従来の燃料電池システムにおけるカソード圧力よりも低くなる。このため、ＯＣＶチェックが完了するまでの時間が長くなるものの、エアコンプレッサ３１の消費電力を減少させることが可能となる。
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
（１）本実施形態の燃料電池システム１によれば、高圧バッテリ２２またはこの高圧バッテリ２２の近傍の温度に基づいて、燃料電池１０を起動させるための補機５０において消費される電力を制限する補機電力制御部７３を設けた。ここで例えば、高圧バッテリ２２の温度が氷点下である場合に、補機電力制御部７３により補機５０で消費される電力を制限することで、高圧バッテリ２２により使用可能な電力量の範囲内で補機５０を駆動し、燃料電池システム１を確実に起動させることができる。
（２）本実施形態の燃料電池システム１によれば、補機５０において消費される電力は、高圧バッテリ２２の温度に基づいて設定された電力上限値より小さくなるように、補機電力制御部７３により制御される。ここで例えば、高圧バッテリ２２の温度が氷点下である場合には、高圧バッテリの電圧が燃料電池システム１を起動させる際に最低限必要な下限値を下回らないように電力上限値を設定することにより、燃料電池システム１を確実に起動することができる。
（３）本実施形態の燃料電池システム１によれば、高圧バッテリ２２またはこの高圧バッテリ２２の近傍の温度に基づいて、補機電力制御部７３により、水素ガスを供給するエアコンプレッサ３１において消費される電力が制限される。これにより、燃料電池システム１の氷点下起動時に水素ガスを供給する場合には、電力を制限しない場合と比較して、燃料電池システム１を起動させるまでの時間が長くなるものの、高圧バッテリ２２により使用可能な電力量の範囲内で補機を駆動し、燃料電池システム１を確実に起動させることができる。また、エアコンプレッサ３１において消費される電力を制限することにより、このエアコンプレッサ３１を駆動する際に生じるおそれのある騒音を低減できる。
＜第２実施形態＞
以下の第２実施形態の説明にあたって、第１実施形態と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図９は、本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの制御装置７０Ａのブロック図である。
図９に示すように、第２実施形態の燃料電池システムは、第１実施形態の燃料電池システム１と、制御装置７０Ａの補機電力制御部７３Ａの構成が異なる。具体的には、補機電力制御部７３Ａは、起動判定部７３１と、コンプレッサ制御部７３２Ａと、ＯＣＶ条件設定部７３３と、電圧下限設定部７３４Ａと、を備える。
第１実施形態の燃料電池システム１では、高圧バッテリ２２から取り出される電力が電力上限設定部７３４により設定された電力上限値を超えないように、補機５０に電力を供給する。一方、第２実施形態の燃料電池システムでは、高圧バッテリ２２の電圧が電圧下限設定部７３４Ａにより設定された電圧下限値を下回らないように、補機５０に電力を供給する。第１実施形態の燃料電池システム１と第２実施形態の燃料電池システムとは、この点において異なる。
具体的には、電圧下限設定部７３４Ａは、バッテリ温度センサ２２３により検出された高圧バッテリ２２の温度Ｔ５に基づいて、ＯＣＶチェック時における高圧バッテリ２２の電圧の下限値を設定する。具体的には、電圧下限設定部７３４Ａは、制御マップを備えており、この制御マップに基づいて、高圧バッテリ２２の温度に応じた補機５０の電圧の下限値を設定する。
コンプレッサ制御部７３２Ａは、ＯＣＶ条件設定部７３３及び電圧下限設定部７３４Ａにより設定された制御条件に基づいて、高圧バッテリ２２の電力を補機５０のエアコンプレッサ３１に供給し、ＯＣＶチェックを行う。具体的には、コンプレッサ制御部７３２Ａは、エア供給路圧力センサ４１２により検出されたエア供給路４１内の圧力Ｐ３がＯＣＶ条件設定部７３３により設定された目標圧力となるように、エアコンプレッサ３１に供給する電力を調整する。またここで、コンプレッサ制御部７３２は、バッテリ電圧センサ２２１により検出される電圧Ｖ５が、電圧下限設定部７３４Ａにより設定された電圧下限値よりも大きくなるように、エアコンプレッサ３１に供給する電力を制御する。
図１０は、第２実施形態における低温用ＯＣＶチェック処理の手順を示すフローチャートである。
まず、ＳＴ２１では、高圧バッテリ２２の電圧下限の設定を行い、ＳＴ２２に移る。具体的には、このステップでは、電圧下限設定部７３４Ａにより、高圧バッテリ２２の温度に応じた、高圧バッテリ２２の電圧の下限値を設定する。
ＳＴ２２では、ＯＣＶチェック処理を行い、ステップＳＴ２３に移る。具体的には、このステップでは、コンプレッサ制御部７３２Ａにより、エア供給路圧力センサ４１２により検出されたエア供給路４１内の圧力Ｐ３設定された目標圧力となるようにエアコンプレッサ３１に電力を供給する。ＳＴ２３では、高圧バッテリ２２の電圧が設定された下限値以上であるか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”のときはＳＴ２５に移り、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ２４に移る。
ＳＴ２４では、補機消費低減処理を行い、ＳＴ２５に移る。この補機消費低減処理では、補機５０における消費電力を低減させるようにＯＣＶ条件の再設定を行う。具体的には、上述のＳＴ４において設定されたエア供給路４１内の目標圧力を、より小さな値に再設定する。ＳＴ２５では、ＯＣＶチェックが完了したか否かを判別し、この判別が“ＹＥＳ”のときは低温用ＯＣＶチェック処理を終了し、この判別が“ＮＯ”のときはＳＴ２２に移る。具体的には、このステップでは、燃料電池１０のセル電圧が所定の値に達したか否かを判別する。
本実施形態によれば、上述の第１実施形態の効果に加えて、以下の効果がある。
（４）本実施形態の燃料電池システムによれば、補機５０において消費される電力は、高圧バッテリ２２の温度に基づいて設定された電力上限値より小さくなるように、補機電力制御部７３により制御される。ここで例えば、高圧バッテリ２２の温度が氷点下である場合には、高圧バッテリ２２の電圧が燃料電池システム１を起動させる際に最低限必要な下限値を下回らないように電力上限値を設定することにより、燃料電池システム１を確実に起動することができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
第１、第２実施形態の燃料電池システムでは、蓄電装置温度検出手段としてバッテリ温度センサ２２３を設けることにより、高圧バッテリ２２の温度を直接検出したが、これに限らない。高圧バッテリの温度は、例えば、燃料電池の温度、補機の温度、または、燃料電池システムの温度等を検出し、この検出された温度に基づいて推定してもよい。
また、第１、第２実施形態の燃料電池システムでは、ＯＣＶチェック時におけるエア供給路４１内の目標圧力を、バッテリ温度センサ２２３により検出された高圧バッテリ２２の温度に基づいて設定したが、これに限らない。例えば、高圧バッテリの周囲の温度、または、燃料電池システムの温度等に基づいて、目標圧力を設定してもよい。
また、第１、第２実施形態の燃料電池システムでは、使用可能電力量を、高圧バッテリ２２の残電力量及び温度に基づいて算出したが、これに限らない。使用可能電力量は、高圧バッテリの残電力量及び温度に加えて、高圧バッテリの目標出力、すなわち、補機の消費電力に応じて算出してもよい。
また、第１、第２実施形態の燃料電池システムでは、ＯＣＶ条件設定部７３３は、エア供給路４１内の目標圧力を設定したが、これに限らない。例えば、エア供給路内の空気の目標流量を設定してもよい。
本発明の第１実施形態に係る燃料電池システムのブロック図である。 前記実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る高圧バッテリの残電力量と高圧バッテリの使用可能電力量との関係を示す図である。 前記実施形態に係る燃料電池の温度とエア供給路内の目標圧力との関係を示す図である。 前記実施形態に係る高圧バッテリの温度と補機に供給する電力の上限値との関係を示す図である。 前記実施形態に係る燃料電池を起動してから、燃料電池の発電を終了するまでの手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る低温用ＯＣＶチェック処理の手順を示すフローチャートである。 前記実施形態に係る燃料電池システムの動作を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池システムの制御装置のブロック図である。 前記実施形態に係る低温用ＯＣＶチェック処理の手順を示すフローチャートである。 バッテリの温度特性を示す図である。 バッテリ電圧の変化を示す図である。
符号の説明
１ 燃料電池システム
１０ 燃料電池
２２ 高圧バッテリ（蓄電装置）
２２４ バッテリ電力センサ（電力検出手段）
２２１ バッテリ電圧センサ（電圧検出手段）
２２２ バッテリ電流センサ
２２３ バッテリ温度センサ（蓄電装置温度検出手段）
３０ 供給装置
３１ エアコンプレッサ（反応ガス供給手段）
５０ 補機（補機）
７０，７０Ａ 制御装置（制御手段）
７１ 起動電力量算出部（起動電力量算出手段）
７２ 使用可能電力量算出部（使用可能電力量算出手段）
７３，７３Ａ 補機電力制御部（補機電力制御手段）
７３４ 電力上限設定部
７３４Ａ 電圧下限設定部

Claims (5)

  1. 反応ガスの反応により発電する燃料電池と、
    前記燃料電池を駆動する補機と、
    前記燃料電池で発電した電力の少なくとも一部を蓄電する蓄電装置と、
    前記燃料電池を起動する場合に、前記蓄電装置の電力を前記補機に供給して、前記燃料電池を起動させる制御手段と、を備える燃料電池システムであって、
    前記蓄電装置の温度を検出または推定する蓄電装置温度検出手段をさらに備え、
    前記制御手段は、
    前記補機が前記燃料電池を起動するのに必要な電力量を起動電力量とし、該起動電力量を算出する起動電力量算出手段と、
    前記蓄電装置から取出し可能な電力量を使用可能電力量とし、該使用可能電力量を算出する使用可能電力算出手段と、
    前記使用可能電力量が前記起動電力量を超えるか否かを判定し、前記使用可能電力量が前記起動電力量を超える場合には、前記補機に電力を供給して前記燃料電池を起動し、前記使用可能電力量が前記起動電力量以下である場合には、前記燃料電池の起動を中止する補機電力制御手段と、を備え、
    前記使用可能電力算出手段は、前記蓄電装置の残電力量及び温度並びに前記燃料電池を起動する場合の前記補機における目標消費電力を入力値として前記使用可能電力量を算出し、
    前記補機電力制御手段は、前記燃料電池を起動する場合には、前記蓄電装置温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記補機に供給する電力を制限することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記蓄電装置から出力される電力を検出する電力検出手段をさらに備え、
    前記補機電力制御手段は、前記蓄電装置温度検出手段により検出された温度に基づいて電力上限値を設定し、前記電力検出手段により検出される電力が前記電力上限値より小さくなるように、前記補機に供給する電力を制御す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. 前記蓄電装置の電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
    前記補機電力制御手段は、前記電圧検出手段により検出される電圧が所定の電圧下限値よりも大きくなるように、前記補機に供給する電力を制御す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. 前記補機は、反応ガスを供給する反応ガス供給手段を含むことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池システム。
  5. 前記蓄電装置温度検出手段は、前記燃料電池の温度または前記補機の温度を検出し、該検出された温度に基づいて前記蓄電装置の温度を推定することを特徴とする請求項１から４の何れかに記載の燃料電池システム。
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