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JP2006185907A - 燃料電池システム - Google Patents

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JP2006185907A JP2005338488A JP2005338488A JP2006185907A JP 2006185907 A JP2006185907 A JP 2006185907A JP 2005338488 A JP2005338488 A JP 2005338488A JP 2005338488 A JP2005338488 A JP 2005338488A JP 2006185907 A JP2006185907 A JP 2006185907A
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Masaru Okamoto
勝 岡本
Kotaro Akashi
耕太郎 明石
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

【課題】低温環境下でもシステムを円滑に起動することを課題とする。
【解決手段】空気供給装置６と空気調圧弁７とで構成される昇温手段で昇温される空気の目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、燃料電池システムの起動時に、昇温手段で消費される電力、補機で消費される電力、バッテリ１１から供給可能な電力、ならびに燃料電池１の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて、昇温手段の空気圧力ならびに空気流量の運転条件を設定し、燃料電池１に供給される空気の昇温を制御して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、低温環境下でのシステムの起動性を改善した燃料電池システムに関する。
従来、この種の技術としては、例えば以下に示す文献に記載されたものが知られている（特許文献１参照）。この文献に記載された技術では、低温起動時に燃料電池に供給する水素ガスの供給圧力を定常運転時よりも低下させることで低温起動時の発電効率を低下させ、燃料電池の自己発熱量を増大させて、燃料電池の暖機時間を短縮するようにしている。
特開２００２−３１３３８８
上記従来の燃料電池システムにおいては、低温起動時には効率の悪い発電により自己発熱量を増大させて燃料電池自体を昇温させていたが、低温環境下では、燃料電池に供給される水素ガスや空気ガスの反応ガスも低温になっている。特に氷点下の低温環境下での起動時に、燃料電池の発電が十分でない起動当初に例えば氷点下の空気ガスが燃料電池のカソード極に導入されると、発電によりカソード極側で生成された水分が凍結し、発電ができなくなるおそれがあった。
このような不具合を回避するために、氷点下でのシステムの起動時には、空気ガスを昇温した後燃料電池に供給する手法が採用されていた。空気ガスを昇温するためには、そのための電力が必要となるが、発電開始当初の発電が十分でない状態では、燃料電池からの電力の供給が十分に期待できないため、システムに備えられたバッテリ（二次電池）からの給電に多くを頼っていた。しかし、バッテリの蓄電量が十分でない場合には、空気ガスを昇温するのに十分な電力を供給することが困難となり、空気ガスが十分に昇温できず、発電ができなくなるといった不具合を招くおそれがあった。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低温環境下でもシステムを円滑に起動できる燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の課題を解決する手段は、燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池とを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池システムの起動時に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力、前記補機で消費される電力、前記二次電池から供給可能な電力、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、システムの電力収支に基づいて、燃料電池に供給される空気を昇温制御することで、消費可能な電力に応じて空気の昇温処理を適切に行うことができる。これにより、供給される空気によって燃料電池が冷やされて燃料電池内で生成水が氷結するのを防止することが可能となり、低温環境下でもシステムを円滑に起動することができる。
以下、図面を用いて本発明を実施するための最良の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。図１に示す実施例１のシステムは、燃料電池１と、燃料ガス系の構成として水素供給タンク２、水素圧力レギュレータ３、パージ調整弁４ならびに水素循環ポンプ５を備え、酸化剤ガス系の構成として空気供給装置６ならびに空気調圧弁７を備え、さらに冷却水ポンプ８を備えている。
燃料電池１は、供給される燃料ガスの水素と酸化剤ガスの空気とを化学反応させて発電を行い、発電で発生した熱は冷却水ポンプ８で燃料電池１を循環される冷却水で除去される。燃料電池１に供給される水素は水素供給タンク２に貯蔵され、水素供給タンク２に貯蔵された水素は、水素圧力レギュレータ３で圧力調整されて燃料電池１に供給される。燃料電池１から排出された未使用の水素は、その一部が循環水素系に蓄積した窒素をパージするパージ調整弁４を介して排気される一方、残りの水素は水素循環ポンプ５を介して燃料電池１の水素入口側に戻されて循環される。循環された循環水素は、水素供給タンク２から導出された水素と混合されて混合水素として燃料電池１に供給される。循環水素系を循環する循環水素は、水蒸気を多く含んでおり、水素供給タンク２から導出される乾燥した水素と混合することで、燃料電池１のアノード極に供給する水素を加湿するようにしている。
一方、燃料電池１には、空気供給装置６から酸化剤ガスの空気が供給され、燃料電池１から排出された未使用の空気は、燃料電池１のカソード極に導入される空気の圧力を調整する空気調圧弁７を介して圧力調整されて排気される。空気供給装置６は、空気を圧縮するコンプレッサで構成され、このコンプレッサで圧縮された空気が燃料電池１に供給される。したがって、燃料電池１に供給される空気は、その圧力と流量がコンプレッサの回転数ならびに空気調圧弁７の弁開度に基づいて設定調整される。また、燃料電池１に供給される空気は、空気供給装置６のコンプレッサによって圧縮されるため、圧縮により発熱する。したがって、空気供給装置６と空気調圧弁７によって燃料電池１に供給される空気は昇温されるので、空気供給装置６と空気調圧弁７は、空気を昇温する昇温手段として機能する。空気の発熱量は、空気の圧力と流量により変化するので、空気の昇温は圧力と流量とに基づいて制御される。
燃料電池システムは、さらに電力変換装置９、負荷装置１０、バッテリ１１、バッテリコントローラ１２ならびに各種センサ類を備えている。
燃料電池１の発電で得られた電力は、電力変換装置９により負荷装置１０又はバッテリ１１の仕様に対応した電力に変換されて、負荷装置１０及び／又はバッテリ１１に与えられる。負荷装置１０は、例えばインバータや発電で得られた電力を消費する駆動モータからなり、インバータで構成された場合には、発電で得られた電力を消費する駆動モータ等の負荷がインバータに接続される。負荷装置１０では発電値を設定して、設定した発電値に応じて燃料電池１から負荷電流を取り出すようにしている。
電力変換装置９で電力変換されてバッテリ１１に与えられた電力は、バッテリ１１に蓄電され、蓄電された電力は例えばシステムの起動時に補機となる空気供給装置６に供給されて、コンプレッサを駆動する電力の一部を担う。バッテリコントローラ１２は、バッテリ１１に接続され、バッテリ１１のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：充電状態）を測定し、バッテリコントローラ１２で測定されたＳＯＣはバッテリ１１から供給可能な電力を見積もる等に使用される。
各種センサ類として、燃料電池１の水素入口には、燃料電池１に導入される水素の圧力を計測する圧力センサ１３ならびに温度を計測する温度センサ１４が設けられている。燃料電池１の冷却水流路出口には、燃料電池１から排出された冷却水の温度を計測する温度センサ１５が設けられている。燃料電池１には、燃料電池１を構成する燃料電池セルの電圧を計測する電圧センサ１６が設けられている。空気供給装置６の上流側には、空気供給装置６に吸入される空気の温度を計測する温度センサ１７が設けられている。燃料電池１の空気入口には、燃料電池１に導入される空気の圧力を計測する圧力センサ１８ならびに温度を計測する温度センサ１９が設けられている。
燃料電池１と電力変換装置９との間には、燃料電池１から電力変換装置９に流れる負荷電流を計測する電流センサ２０と、燃料電池１から電力変換装置９に与えられる電圧を計測する電圧センサ２１が設けられている。燃料電池１とバッテリ１１との間には、電力変換装置９からバッテリ１１に与えられる電圧を計測する電圧センサ２２ならびに電流を計測する電流センサ２３が設けられている。バッテリ１１の近傍には、バッテリ１１の温度を近似するバッテリ１１の近傍温度を計測する温度センサ２４が設けられている。
燃料電池システムは、図示しないがコントロールユニットを備えている。このコントロールユニットは、本システムの運転を制御する制御中枢として機能し、プログラムに基づいて各種動作処理を制御するコンピュータに必要な、ＣＰＵ、記憶装置、入出力装置等の資源を備えた例えばマイクロコンピュータ等により実現される。コントロールユニットは、図１に示す各種センサ類を含む本システムにおけるすべてのセンサ類（図示せず）からの信号を読み込み、読み込んだ各種信号ならびに予め内部に保有する制御ロジック（プログラム）に基づいて、空気供給装置６ならびに空気調圧弁７を含む本システムの各構成要素に指令を送り、以下に説明する起動時の昇温処理ならびに電力の収支計算を含む本システムの運転／停止に必要なすべての動作を統括管理して制御する。
次に、図２に示すフローチャートを参照して、実施例１に係る低温起動時の起動手順を説明する。
図２において、先ずシステムを低温モードで起動するか否かを判断する（ステップＳ２００）。実施例１では、温度センサ１７で計測された空気供給装置６の吸入空気温度と、温度センサ１５で計測された燃料電池出口冷却水温度に基づいて、低温モードで起動するか、もしくは通常モードで起動するかを判断する。この判断処理は、図３に示すフローチャートにしたがって実行される。
図３において、吸入空気温度＜閾値Ｔｈ１、あるいは燃料電池出口冷却水温度＜閾値Ｔｈ２であるか否かを判別し（ステップＳ３００）、これらの要件が満たされればシステムを低温モードで起動するための処理を実行する一方、満たされない場合には、通常の起動が可能であると判断して、通常起動の処理に移行する（ステップＳ２０１）。ここで、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２は、実験や机上検討等により予め設定される変数であり、本実施例１では例えばＴｈ１＝２℃、Ｔｈ２＝２℃とした。
図２に戻って、低温モードでシステムを起動する場合には、空気供給装置６のコンプレッサと空気調圧弁７からなる昇温手段で燃料電池入口空気温度を昇温して起動する。昇温手段では、燃料電池１に供給される空気の流量と圧力を調整することで空気を昇温する。そこで、燃料電池入口空気の目標温度を設定する（ステップＳ２０２）。目標温度は、実験や机上検討等により予め設定される変数であり、本実施例１では燃料電池１内で氷結のおそれがないと分かっている例えば２℃とした。
次に、温度センサ１７で計測された現在の空気の吸入温度から目標温度まで昇温する目標昇温時間（初期値）を設定する（ステップＳ２０３）。ここでは、目標昇温時間の初期値を設定するが、後述する電力収支に応じて目標昇温時間は変更される。本実施例１では初期値を例えば１０秒程度に設定した。
続いて、バッテリ１１が供給可能な電力を推定する（ステップＳ２０４）。バッテリ１１の供給可能な電力を推定するにあたって、先ずバッテリ１１の温度をパラメータとして前述したバッテリ１１のＳＯＣと供給可能な電力との関係を表す、例えば図４に示すようなマップ関数を予め実験等を行って作成し、それをコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。なお、バッテリ１１の温度は、直接計測することは困難であるため、本実施例１ではバッテリ１１の近傍に温度センサ２４を取り付けて計測するようにした。したがって、温度センサ２４で計測されたバッテリ温度とバッテリコントローラ１２で測定されたバッテリ１１のＳＯＣとに基づいて、図４に示すマップ関数から供給可能なバッテリ電力を推定する。
図２に戻って、次に、目標昇温時間を選択し、選択した目標昇温時間内に空気を目標温度以上に昇温するための昇温手段の運転条件となる空気の目標流量と目標圧力を求める（ステップＳ２０５）。目標流量ならびに目標圧力を求めるにあたって、先ず目標昇温時間ならびに空気流量をパラメータとして空気圧力と昇温手段の消費電力との関係を表す、例えば図５に示すようなマップ関数を予め実験等を行って作成し、それをコントロールユニットの記憶装置に記憶させておく。このマップ関数では、目標昇温温度を実現する空気圧力と空気流量の組み合わせは複数存在するが、ここではその組み合わせの中から消費電力が最も少なくなる組み合わせを選択して、目標空気流量と目標空気圧力を求めている。目標空気流量と目標空気圧力が求められると、求めた目標空気流量と目標空気圧力を実現するための、コンプレッサの回転数ならびに空気調圧弁７の弁開度をコントロールユニットで算出する。この算出は、予め実験等により回転数と弁開度に対する空気圧力と空気流量との関係を示すデータを取得し、このデータに基づいて行われる。
図２に戻って、次に、図５に示すＭＡＰ関数を用いて、昇温手段で消費する電力を推定する（ステップＳ２０６）。続いて、昇温手段以外の、水素循環ポンプ５や冷却水ポンプ８、各種弁等の補機で消費される電力を推定する（ステップＳ２０７）。本実施例１では、予め実験等を行って得た電力データに基づいて推定するようにしている。
次に、システムの起動時に得られる電力と昇温で消費される電力との電力収支がゼロ以上となる燃料電池最低目標発電値を計算する（ステップＳ２０８）。ここで、
Ｐ１１：ステップＳ２０４で求めたバッテリ１１から供給可能な電力
Ｐ１２：燃料電池最低目標発電値
Ｐ１３：ステップＳ２０６で求めた昇温手段で消費される電力
Ｐ１４：ステップＳ２０７で求めた昇温手段以外の補機で消費される電力
とすると、
（数１）
Ｐ１１＋Ｐ１２−Ｐ１３−Ｐ１４＞第１の所定閾値（ＰＴＨ１）
となるように燃料電池最低目標発電値を算出する。
計算上では、（Ｐ１１＋Ｐ１２−Ｐ１３−Ｐ１４）の収支が０未満即ち負値である場合を想定している。しかし、実際には、誤差が含まれるので、収支が＋１程度の正値でも真値は収支マイナスという場合も考えられる。このような理由から、閾値ＰＴＨ１は＋１（ｋＷ）程度の正値を用いてもよい。
ここで、本実施例１では、上記関係を満たすようにするために、図６に示すように燃料電池最低目標発電値Ｐ１２を決めている。すなわち、ここで、Ｐ１３＋Ｐ１４＋ＴＨ１−Ｐ１１＝Ｇとすると、
（数２）
Ｐ１２＝Ｇ×係数 （係数：１以上の任意の値）
として算出する。Ｇ＞０の場合は電力不足を表す一方、Ｇ≦０の場合は電力が足りることを表しているので、電力が足りる場合には本実施例１では目標昇温時間を短くする短縮モードに進むが、この判断は後述する。
なお、目標発電電力Ｐ１２の設定では、電力収支が０以上になるように決定する。しかし、実際には、誤差が含まれるので、収支が＋１程度の正でも真値は収支マイナスという場合が考えられる。従って、上記係数は例えば＋１．５程度を用いてもよい。
このようにして燃料電池最低目標発電値を算出すると、算出した燃料電池最低目標発電値と燃料電池発電値の上限値とを比較し、比較結果に基づいて低温モードで起動するか否かを再度判断する（ステップＳ２０９）。この判断手順は図７（ａ）に示すフローチャートにしたがって実行される。
図７（ａ）において、先ず燃料電池温度と発電可能な上限値との関係を表す温度感度の実験を予め行い、同図（ｂ）に示すような、実験で得られたデータに基づいて上限値ＰＴＨ３を設定する（ステップＳ７００）。その後、燃料電池最低目標発電値と上限値（ＰＴＨ３）とを比較し（ステップＳ７０１）、燃料電池最低目標発電値が設定した上限値より小さい場合には、システムを起動する一方（ステップＳ７０２）、燃料電池最低目標発電値が上限値より大きい場合には、システムが起動不可能と判断してシステムは起動しない（ステップＳ７０３，ステップＳ２１０）。
次に、図２に戻って、システムが起動された場合には、システム起動中の現在の電力収支を計算する（ステップＳ２１１）。この計算は、図８（ａ）のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。
図８（ａ）において、先ず電流センサ２０の計測値と電圧センサ２１の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいて燃料電池１の発電値を計算する。また、電圧センサ２２の計測値と電流センサ２３の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいてバッテリ１１の供給電力を計算する（ステップＳ８００）。ここで、
Ｐ１５：バッテリ１１の供給電力
Ｐ１６：燃料電池１の発電値
Ｐ１３：ステップＳ２０６で求めた昇温手段で消費される電力
Ｐ１４：ステップＳ２０７で求めた昇温手段以外の補機で消費される電力
とし、図８（ｂ）に示すように、第２の所定閾値（ＰＴＨ２）＞第１の所定閾値（ＰＴＨ１）とすると、
（数３）
Ｐ１５＋Ｐ１６−Ｐ１３−Ｐ１４＞第２の所定閾値（ＰＴＨ２）＞第１の所定閾値（ＰＴＨ１）
であるか否かを判断する（ステップＳ８０１）。ここで、ＰＴＨ２の設定は電力収支に余裕がある場合で、もっと補機で電力を消費できるような場合を想定している。従って、ＰＴＨ２は、例えば（電力収支＋５）（ｋＷ）以上に設定してもよい。
判断の結果、上式を満足する場合には、電力収支は極めて良好で電力に余裕があるものと判断し、昇温手段の運転条件を変更するか否かを表す運転条件変更フラグに１を代入し（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝１）（ステップＳ８０２）、目標昇温時間を短縮する短縮モードの処理に進む。ステップＳ８０１の判断の結果、上式を満足しない場合には、
（数４）
Ｐ１５＋Ｐ１６−Ｐ１３−Ｐ１４＜第１の所定閾値（ＰＴＨ１）
であるか否かを判断する（ステップＳ８０３）。判断の結果、満足する場合には、電力に余裕がないと判断し、運転条件変更フラグに２を代入し（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝２）（ステップＳ８０４）、目標昇温時間を延長して電力を節約する電力節約モードの処理に進む。一方、満足しない場合には、現状維持として運転条件変更フラグに３を代入する（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝３）（ステップＳ８０５）。
このように、電力収支を計算するステップＳ２１１では、燃料電池１での発電が先のステップＳ２０８で設定した燃料電池最低目標発電値以上の発電が起動中に実際にできているか否かを検証していることと同じである。
次に、図２に戻って、ステップＳ２１１で計算された電力収支に基づいて設定された運転条件変更フラグ（ＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ）に応じて昇温手段の運転条件を変更する（ステップＳ２１２）。この変更処理は、図９のフローチャートに示す手順にしたがって実行される。
図９において、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝１で、バッテリ１１のＳＯＣが閾値ＰＴＨ４より大きい場合には（ステップＳ９００，９０１）、目標昇温時間を現在の値よりも短い値に変更して、短縮モードとする（ステップＳ９０２）。ここで、閾値ＰＴＨ４の設定は電力収支に余裕がある場合で、もっと補機で電力を消費できるような場合を想定している。従って、閾値ＰＴＨ４はバッテリ１１のＳＯＣの例えば５０％程度以上に設定してもよい。
なお、上記条件で目標昇温時間を現在の値よりも短い値に変更する代わりに、燃料電池１から負荷を取り出す負荷装置１０へ指令する目標発電値が先のステップＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電値を境界として振動するように設定してもよい。すなわち、燃料電池最低目標発電値を境に負荷装置１０への指令が目標発電値を上回る、下回るを繰り返すようにしてもよい。
目標昇温時間を短く変更する変更方法としては、例えば図５に示すマップ関数を参照して、現在のバッテリ１１のＳＯＣと温度に基づいて使用できる電力を算出し、算出した電力で実現できる空気流量と空気圧力との組み合わせの中から昇温時間が最小となる組み合わせを選択し、選択した昇温時間を目標昇温時間とする。
また、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝１で、バッテリ１１のＳＯＣが閾値ＰＴＨ４より小さい場合には、目標昇温時間は変更せず、次の処理に進む。
一方、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝２の場合には、目標昇温時間を現在の値よりも長い値に変更して延長モードとし（ステップＳ９０３，９０４）、運転条件変更フラグＦＬＡＧ＿ＣＨＡＮＧＥ＝３の場合には、目標昇温時間は変更せず、次の処理に進む。
目標昇温時間を長く変更する変更方法としては、例えば図５に示すマップ関数を参照して、現在のバッテリ１１のＳＯＣと温度に基づいて使用できる電力を算出し、算出した電力で実現できる空気流量と空気圧力との組み合わせの中から昇温時間が最大となる組み合わせを選択し、選択した昇温時間を目標昇温時間とする。
目標昇温時間が変更されると、電流センサ２０の計測値と電圧センサ２１の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいて燃料電池１の発電電力を計算し、電圧センサ２２の計測値と電流センサ２３の計測値をコントロールユニットに読み込み、読み込んだ値に基づいてバッテリ１１の供給電力を計算する（ステップＳ９０５）。続いて、バッテリ１１の供給電力と燃料電池１の発電電力の和から補機で消費される電力を差し引いた電力で、変更された目標昇温時間を実現できる昇温手段の運転条件の空気流量と空気圧力を、先の図５に示すマップ関数を用いて求め（ステップＳ９０６，ステップＳ２０５）、以降続いてステップＳ２０６〜Ｓ２１２を実行する。
次に、図２に戻って、冷却水ポンプ８を駆動して燃料電池１に冷却水を少量流し、温度センサ１５で燃料電池１の出口側の冷却水温度を計測する（ステップＳ２１３）。計測後、計測結果に基づいて燃料電池１が暖まった否かを判断する。冷却水が燃料電池１内を滞留したままだと正確な温度を把握することが困難となるので、ここでは冷却水を少量流す。この時の冷却水ポンプ８の回転数と流量は、実験データ等に基づいて設定する。
次に、このようにして昇温されて起動されたシステムの昇温を終了して低温状態での起動を完了するか否かを判断する（ステップＳ２１４）。この判断は、図１０に示すフローチャートにしたがって実行される。
図１０において、先ず現在のバッテリ１１のＳＯＣ＜閾値ＰＴＨ８、かつ現在の燃料電池１の発電電力＜燃料電池最低目標発電値Ｐ１２であるか否かを判別し（ステップＳ１０００）、この要件を満たす場合は、システム起動のために最低必要な空気を供給するために必要なコンプレッサの電力がないと判断し、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に１を代入し（ステップＳ１００１）、起動を停止する（ステップＳ１００２）。ここで、上記閾値ＰＴＨ８は実験データ等から消費電力を見積もって設定することが好ましく、起動を継続できるだけのバッテリ１１のＳＯＣがない状態を想定しているので、例えばＳＯＣの３５％程度を設定するようにしてもよい。
一方、ステップＳ１０００の要件を満足しない場合には、ステップＳ２１３で計測した燃料電池出口冷却水温度＞閾値Ｔｈ５、または現在の燃料電池入口空気温度＞閾値Ｔｈ６、もしくは現在の燃料電池１の発電電力＞閾値ＰＴＨ９であるか否かを判別する（ステップＳ１００３）。この要件を満たす場合は、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に２を代入し（ステップＳ１００４）、現在行われている発電に伴う発熱で発電維持に十分と判断して昇温を停止する。しかし、ステップＳ１００３の判別要件を満たしていない場合には、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に３を代入し（ステップＳ１００５）、現状維持として、昇温を継続する。
ここで、上記閾値Ｔｈ５、閾値Ｔｈ６、閾値ＰＴＨ９は実験データ等から見積もって設定してもよい。閾値ＰＴＨ９としては、（最低目標発電電力の最大値＋マージン）程度を発電できる状態を継続できれば、暖機発電を行えると想定できる。最低目標発電電力は電力収支がプラスになるように決定される。起動時の最初のバッテリ１１を使ってバッテリ１１から供給可能な電力が低下すれば、その分燃料電池１への発電要求、即ち最低目標発電電力が増えていくようになる。このような理由から最低目標発電電力には最大値が存在する。ここで、最低目標発電電力の最大値は例えば１２ｋＷ程度を用いてもよく、マージンは３ｋＷ程度を用いてもよく、その場合には、閾値ＰＴＨ９は１５ｋＷ程度に設定される。
次に、図２に戻って、このシステムが車両に搭載されている場合には、先の昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）に基づいて、走行可否を判別する（ステップＳ２１５）。すなわち、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）＝１の場合は、上記したようにシステムの起動を停止し、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）＝２の場合には、起動制御の処理を終了して走行許可に移行し、昇温終了識別フラグ（ＦＬＡＧ＿ＨＥＡＴ＿ＥＮＤ）＝３の場合には、ステップＳ２１１へ戻ってシステムの起動制御を継続する。
以上説明したように、この実施例１においては、昇温手段で消費する電力とバッテリ１１が供給可能な電力と燃料電池発電電力の電力収支に基づいて、燃料電池１に供給される空気を昇温制御することで、消費可能な電力に応じて空気の昇温処理を適切に行うことができる。これにより、供給される空気によって燃料電池１が冷やされて燃料電池１内で生成水が氷結するのを防止することができる。
電力収支がマイナスの場合は、目標昇温時間を延長して、現在の利用可能な電力で実現可能な昇温手段の運転条件を設定するようにしたので、消費電力を低減することが可能となり、システムの起動時に電力不足を起こさないようにしてシステムを起動することができる。一方、電力収支がプラスの場合には、現在の利用可能な電力で昇温手段が実現可能な目標昇温時間（現状より短い値）にするようにしたので、最短で電力不足を招くことなくシステムを起動させることができる。
空気の昇温時の電力収支が所定値以上の場合には、システムの起動中にバッテリ１１に充電することで、システムの起動終了後のバッテリアシスト量を多くでき、車両の加速時の電力不足を防止することができる。
システムの起動前に、システムの起動時に電力不足を起こさないようにする燃料電池最低目標発電値を設定するようにしたので、起動する前に燃料電池１の発電値が最低目標発電値以上で発電できるか否かを事前に判別することができ、システムを起動できるか否かを推定することができる。システムを起動できる見込みがない場合には、システムを起動させないようにして無駄にバッテリ電力を使わないようにすることができる。
燃料電池１の冷却水を少量循環させて燃料電池出口の冷却水温度を測定するようにしたので、現在の燃料電池１の温度を正確に把握することができる。これにより、燃料電池出口の冷却水温度が高い場合には、燃料電池１が自己発熱で発電維持可能と判断することが可能となり、この場合には空気の昇温を停止して、無駄な電力を消費しないようにすることができる。
システムの起動中に、バッテリ１１のＳＯＣが所定下限値に達して、燃料電池１の発電値が燃料電池最低目標発電値を下回る場合には、発電維持に必要な空気を供給するための電力が不足していると判断することで、電力が不足していると判断した場合には空気の昇温を停止してシステムの起動を停止し、余分な電力を消費しないようにすることができる。これにより、システムの停止要求があった場合でも、空気供給装置６を用いて燃料電池１から導出された水素を希釈した後システムを停止できるるだけの電力を確保することができる。
燃料電池１の発電値が予め設定された所定値以上で、かつその状態を予め設定された所定時間以上継続した状態である場合には、燃料電池１が自己発熱で発電維持可能と判断することで、空気の昇温を停止して余計な電力を消費しないようにすることができる。これにより、システム起動終了後のバッテリアシスト量を多くでき、車両の加速時の電力不足を防止することができる。
燃料電池１へ指令する目標発電値を燃料電池最低目標発電値を境界として振動するように制御することで、バッテリ１１への充放電が繰り返えされてバッテリ温度を上昇させ、バッテリ１１から供給可能な電力を増加させることが可能となる。これにより、システム起動終了後のバッテリアシスト量を多くでき、車両の加速時の電力不足を防止することができる。
次に、本発明の実施例２について説明する。
先に説明した実施例１は、燃料電池１，バッテリ１１ならびに補機の電力に基づいて空気の昇温を制御するようにしているのに対して、この実施例２では、電力量（電力×時間）に基づいて同様の制御を行うようにしたことを特徴とする。実施例２の構成ならびに実施の手順は実施例１と概ね同じであるので、ここでは実施例１と異なる部分のみ説明する。
先ず、実施例１の図２のステップＳ２０４では、図４のマップ関数を用いてバッテリ１１で供給可能な電力を推定したが、実施例２では、図４のマップ関数に代えて電力量（Ｗｈ）との関係を表す図１１に示すマップ関数を用いて、目標昇温時間内にバッテリ１１から供給可能な電力量を推定する（ステップＳＳ２０４）。なお、電力量はＷｈの単位で取り扱うことにする。
次に、実施例１の図２のステップＳ２０６では、昇温手段が消費する電力を求めたが、実施例２では、図５と同様の図１２に示すマップ関数を用いて目標昇温時間内で昇温手段が消費する電力量（Ｗｈ）を求める（ステップＳＳ２０６）。この電力量は消費電力と目標昇温時間との積に基づいて求める。
続いて、実施例１の図２のステップＳ２０７では、補機が消費する電力を求めたが、実施例２では、目標昇温時間内で補機が消費する電力量（Ｗｈ）を求める（ステップＳＳ２０７）。この電力量は消費電力と目標昇温時間の積に基づいて求める。
次に、実施例１の図２のステップＳ２０８では、電力収支をゼロ以上にする燃料電池最低目標発電値を計算したが、実施例２では、電力量収支をゼロ以上にする燃料電池最低目標発電電力量を計算する（ステップＳＳ２０８）。ここで、
Ｐ２１：ステップＳＳ２０４で求めた目標昇温時間内にバッテリ１１から供給可能な電力Ｐ２２：目標昇温時間内の燃料電池最低目標発電電力
Ｐ２３：ステップＳＳ２０６で求めた目標昇温時間内で昇温手段が消費する電力
Ｐ２４：ステップＳＳ２０７で求めた目標昇温時間内で昇温手段以外の補機が消費する電 力
とすると、
（数５）
Ｐ２１＋Ｐ２２−Ｐ２３−Ｐ２４＞第３の所定閾値（ＰＴＨ３）
各時刻において上記を満たすように燃料電池最低目標発電電力プロファイルを算出する。本実施例２では、上記関係を満たすようにするために、図１３に示すように燃料電池最低目標発電電力量Ｐ２２を決めている。すなわち、
（数６）
Ｐ２２＝（発電量の傾きＡ×現在からの目標昇温時間＋現在の発電量）
＝｛∫（Ｐ１３＋Ｐ１４−Ｐ１１）＋第３の所定閾値（ＰＴＨ３）｝×係数
（係数：１以上の任意の値）
を満足させるように発電量の傾きＡを調整する。ここで、積分時間は、現在から目標昇温時間までの期間となるが、実際にはコントロールユニットにおいて離散値を用いて計算するので積分はΣｉとなる。
本実施例２では、燃料電池最低目標発電電力量は、上記（数６）に示すように表すようにしたので、燃料電池最低目標発電値は図１３に示すように時系列のプロファイルとなる。
次に、実施例１の図２のステップＳ２０９では、発電上限値とステップＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電値を比較しているが、実施例２では、発電上限値のプロファイル（発電上限値の電力量）とステップＳＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電電力値のプロファイル（燃料電池最低目標発電電力値の電力量）とを比較して、比較結果に基づいて低温モードで起動するか否かを再度判断する（ステップＳＳ２０９）。この判断手順は図１４（ａ）に示すフローチャートにしたがって実行される。
図１４（ａ）において、予め行われた実験で取得された昇温プロファイルのデータに基づいて、昇温手段の運転条件（空気流量、空気圧力）、ならびに外気温度と燃料電池入口温度との差から、図１４（ｂ）に示すように燃料電池入口空気の昇温プロファイルを推定する（ステップＳＳ１４００）。続いて、予め行われた実験で取得された発電上限値プロファイルのデータ（燃料電池入口空気温度と取り出し可能電力上限値との関係）に基づいて、推定された昇温プロファイルから、図１４（ｂ）に示すように発電上限値プロファイル（ＰＴＨ３）を設定する（ステップＳＳ１４０１）。
次に、発電上限値プロファイルとＳＳ２０８で求めた燃料電池最低目標発電値プロファイルを比較して（ステップＳＳ１４０２）、燃料電池最低目標発電値プロファイルが発電上限値プロファイルより小さい場合は、システムを起動する一方（ステップＳＳ１４０３）、燃料電池最低目標発電値プロファイルが発電上限値プロファイルより大きい場合には、システムの起動を停止する（ステップＳＳ１４０４）。
このように、上記実施例２では、先の実施例１と同様の効果を得られるとともに、電力量という時間のファクターを導入することで、将来を予測して昇温処理を制御することが可能となり、昇温処理のためにバッテリ１１の電力を使い切ってしまう前にシステムの起動を停止し、バッテリ１１の蓄電量を確保することができる。また、電力収支を計算する際に、バッテリ１１の情報は、電力量として与えられることが多いため、電力量を使用することで計算を容易に実行することが可能となる。
本発明の実施例１に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 実施例１に係るシステムの起動手順を示すフローチャートである。 低温モードでシステムを起動するか否かの判断手順を示すフローチャートである。 バッテリ１１で供給可能な電力を推定するマップ関数を示す図である。 目標昇温時間と目標空気流量、目標空気圧力ならびに消費電力との関係を表すマップ関数を示す図である。 燃料電池の最低目標発電値の算出手順を示す図である。 燃料電池の最低目標発電値と燃料電池の発電上限値とに基づいてシステムの起動を判断する手順を示すフローチャートである。 電力収支に基づいて昇温手段の運転条件を設定する手順を示すフローチャートである。 昇温手段の運転条件を変更する手順を示すフローチャートである。 昇温手段による昇温の終了判断する手順を示すフローチャートである。 バッテリ１１で供給可能な電力量を推定するマップ関数を示す図である。 目標昇温時間と目標空気流量、目標空気圧力ならびに消費電力量との関係を表すマップ関数を示す図である。 燃料電池の最低目標発電量の算出手順を示す図である。 燃料電池の最低目標発電量と燃料電池の発電上限プロファイルとに基づいてシステムの起動を判断する手順を示すフローチャートである。
符号の説明
１…燃料電池
２…水素供給タンク
３…水素圧力レギュレータ
４…パージ調整弁
５…水素循環ポンプ
６…空気供給装置
７…空気調圧弁
８…冷却水ポンプ
９…電力変換装置
１０…負荷装置
１１…バッテリ
１２…バッテリコントローラ
１３…圧力センサ
１４，１５，１７，１９，２４…温度センサ
１６，２１，２２…電圧センサ
１８…圧力センサ
２０，２３…電流センサ

Claims (17)

  1. 燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池と
    を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、
    前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力、前記補機で消費される電力、前記二次電池から供給可能な電力、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  2. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動後、前記電力収支が予め設定された第１の所定値以下になった場合には、現在設定されている目標昇温時間を延長し、現在の電力収支に応じて、延長設定された目標昇温時間内に酸化剤ガスが目標温度に到達できる前記昇温手段の運転条件を再設定する
    ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
  3. 前記第１の所定値は、１ｋＷ以下である
    ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
  4. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動後、前記電力収支が予め設定された第２の所定値以上で、かつ前記二次電池の蓄電状態が予め設定された第３の所定値以上である場合には、現在設定されている目標昇温時間を短縮し、現在の電力収支に応じて、短縮設定された目標昇温時間内に酸化剤ガスが目標温度に到達できる前記昇温手段の運転条件を再設定する
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記第２の所定値は、５ｋＷ以上である
    ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
  6. 前記第３の所定値は、前記バッテリの蓄電状態が５０％以上の値である
    ことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池システム。
  7. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動後、前記電力収支が予め設定された第４の所定値以上で、かつ前記二次電池の蓄電状態が予め設定された第５の所定値以下である場合には、前記昇温手段の運転条件を継続し、前記燃料電池の発電で得られた電力を前記二次電池に蓄電する
    ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動前に、前記二次電池から供給可能と推定される推定電力と燃料電池の最低目標発電電力との和から、目標時間内に酸化剤ガスが目標温度に到達するように前記昇温手段が運転した際に前記昇温手段で消費されると推定される推定電力と前記補機で消費されると推定される電力との和を減じた電力収支が前記第１の所定値以上となるように最低目標発電電力を設定し、設定した最低目標発電電力が前記燃料電池の発電量の発電上限値よりも大きな場合には、前記燃料電池システムを起動しない
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動後、前記燃料電池を循環する冷却水の温度が予め設定された第７の所定値以上である場合には、前記昇温手段の運転を停止して、酸化剤ガスの昇温を終了する
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池の出口における前記冷却水が１５℃以上である場合には、前記昇温手段の運転を停止して、酸化剤ガスの昇温を停止する
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池システム。
  11. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動後、前記二次電池の蓄電状態が予め設定された第８の所定値以下となり、かつ前記燃料電池の発電値が前記最低目標発電電力以下になった場合には、前記燃料電池システムの起動を停止する
    ことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  12. 前記第８の所定値は、前記バッテリの蓄電状態が３５％以下の値である
    ことを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池システム。
  13. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動後、前記燃料電池の発電値が予め設定された第１０の所定値以上を予め設定した閾値以上継続状態になった場合には、前記昇温手段の運転を停止して、酸化剤ガスの昇温を終了する
    ことを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  14. 前記制御手段は、前記燃料電池システムの起動後、前記電力収支がプラスの場合には、前記燃料電池から負荷電流を取り出す負荷装置に設定される目標発電値が、周期的に前記燃料電池の最低目標発電電力値以上あるいは以下となるように前記負荷装置の目標発電値を設定する
    ことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  15. 前記昇温手段は、酸化剤ガスを圧縮するコンプレッサと、前記燃料電池を流通する酸化剤ガスの圧力を調整する圧力調整弁とで構成され、酸化剤ガスの圧力と流量に基づいて酸化剤ガスを昇温制御し、
    前記制御手段は、前記コンプレッサの回転数と前記圧力調整弁の開度を調整して酸化剤ガスの圧力と流量を制御し、酸化剤ガスを目標温度に昇温させる
    ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  16. 燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池と
    を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池システムの起動する際に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、
    前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力量（電力×時間）、前記補機で消費される電力量、前記二次電池から供給可能な電力量、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力量の電力収支に基づいて、前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池システムの起動時に前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
  17. 燃料ガスと酸化剤ガスを化学反応させて発電を行う燃料電池と、
    前記燃料電池が発電する際に必要となる補機に、蓄電した電力を供給する二次電池と
    を備えた燃料電池システムにおいて、
    前記燃料電池システムを起動する際に、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスを昇温する昇温手段と、
    前記昇温手段で昇温される酸化剤ガスの目標温度ならびに目標昇温時間を設定し、前記燃料電池システムの起動時に、前記昇温手段で消費される電力、前記補機で消費される電力、前記二次電池から供給可能な電力、ならびに前記燃料電池の発電によって得られる発電電力の電力収支に基づいて前記昇温手段の運転条件を設定し、前記燃料電池に供給される酸化剤ガスの昇温を制御する制御手段と
    を有することを特徴とする燃料電池システム。
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