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JP4893745B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、酸化ガス供給部と、二次電池と、電力分配部とを備える燃料電池システムに関する。
燃料電池システムは、燃料ガス、例えば水素を含むガスと、酸化ガス、例えば空気との電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給するエアコンプレッサ等の酸化ガス供給部と、充放電可能な二次電池とを備える。ただし、低温環境下において燃料電池システムを起動させる場合には、燃料電池の発電性能や二次電池の出力特性が低下している可能性がある。
このような事情から、日本国特開２００４−２８１２１９号公報に記載された燃料電池システムの場合には、燃料電池で発電した発電電力を燃料電池の発電に必要な補機に供給するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機に供給する電力分配部と、システムの起動時に、燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第１処理と、燃料電池の発電電力および二次電池の放電電力を補機に供給するように電力分配部を制御する第２処理とを交互に行うことにより、燃料電池および二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備えることが考えられている。
日本国特開２００４−２８１２１９号公報に記載された燃料電池システムの場合、第１処理と第２処理とを交互に行うことにより、燃料電池および二次電池を早期に暖機できる可能性はあるが、二次電池に過充電や過放電が生じる可能性がないとはいえない。例えば、燃料電池を発電させるためにエアコンプレッサ等の酸化ガス供給部の駆動状態を制御する必要があるが、第１処理と第２処理との間の移行時に、酸化ガス供給部の回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができない可能性がある。この理由は、制御部からの酸化ガス供給部の回転数の変化に関する指令信号に対して、実際の酸化ガス供給部の回転数の変化に時間的遅れが生じて、すなわち誤差が生じて変化するためである。また、酸化ガス供給部の回転数の変化は、燃料電池の発電電力の変化に対応する。このため、燃料電池の発電電力を低下させる場合に発電電力の目標値に対して実際の発電電力が低下し過ぎるアンダーシュートが生じたり、逆に燃料電池の発電電力を上昇させる場合に発電電力の目標値に対して実際の発電電力が上昇しすぎるオーバーシュートが生じる可能性がある。
燃料電池の発電電力に関してアンダーシュートが生じると、燃料電池の発電電力の低下を補う二次電池の放電電力の上昇時に、放電電力の上限基準を超える過放電が生じやすくなる。逆に、燃料電池の発電電力に関してオーバーシュートが生じると、発電電力が供給され、充電される二次電池の充電電力の上昇時に、充電電力の上限基準を超える過充電が生じやすくなる。このように二次電池に過放電や過充電が生じるのは、二次電池が早期に劣化する原因となるため、好ましくない。特に、二次電池の放電を放電電力の上限基準近くまで行い、二次電池の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合に、過放電や過充電が生じやすい。
また、システムの起動時だけでなく、燃料電池の発電継続中等においても、低温環境下にあると、二次電池の性能が低下する可能性があるため、この場合も暖機制御処理を行い、二次電池を暖機することが好ましい。
本発明は、燃料電池システムにおいて、燃料電池から二次電池への発電電力の供給と、二次電池からの放電とを交互に行うことにより二次電池を暖機する場合において、二次電池に過充電および過放電を生じにくくすることを目的とする。
本発明に係る燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、電力の充放電を行う二次電池と、燃料電池で発電した発電電力を燃料電池の発電に必要な補機に供給するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給する電力分配部と、燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第１処理と、少なくとも二次電池の放電により生じた電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給するように電力分配部を制御する第２処理とを交互に行うことにより、二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備える燃料電池システムであって、制御部は、暖機制御処理を行う場合において、二次電池の充電率及び二次電池の温度の検出値に応じて二次電池の充放電可能電力を演算し、演算された充放電可能電力から燃料電池の発電電力を演算する発電電力演算手段と、発電電力演算手段からの出力指令が表す燃料電池の発電電力の演算値に基づいて、酸化ガス供給部の駆動状態を制御する酸化ガス供給部駆動制御手段とを備え、発電電力演算手段は、酸化ガス供給部駆動制御手段に入力する出力指令が表す、第１処理と第２処理との間の移行時での燃料電池の発電電力の大きさを徐々に変化させることを特徴とする燃料電池システムである。
また、好ましくは、酸化ガス供給部はエアコンプレッサとし、酸化ガス供給部駆動制御手段は、発電電力演算手段の出力指令が表す燃料電池の発電電力の演算値に基づいて、エアコンプレッサの回転数を制御する。
本発明に係る燃料電池システムによれば、発電電力演算手段は、酸化ガス供給部駆動制御手段に入力する出力指令が表す、第１処理と第２処理との間の移行時での、燃料電池の発電電力の大きさを徐々に変化させるので、第１処理と第２処理との間の移行時に、酸化ガス供給部の駆動状態の目標値の変化に対して、実際の駆動状態の変化を精度よく追従させることができる。このため、燃料電池の発電電力を低下させる場合に発電電力が目標値に対して低下し過ぎることと、燃料電池の発電電力を上昇させる場合に発電電力の目標値に対して上昇しすぎることとを生じにくくできる。この結果、二次電池の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合でも、二次電池に過放電および過充電を生じにくくできる。
図１は、本発明の実施の形態の燃料電池システムの基本構成を示すブロック図である。
図２は、本発明の実施の形態の構成をより詳しく示す構成図である。
図３は、本発明の実施の形態の燃料電池システムで行う暖機制御処理を示すフローチャートである。
図４は、図３の暖機制御処理を行っている場合の、（ａ）が発電電力演算手段の出力指令が表す、燃料電池スタックからの取り出し電力の演算値の時間的変化を示す図であり、（ｂ）が二次電池の充放電電力の時間的変化を示す図である。
図５は、従来の燃料電池システムにおいて暖機制御処理を行っている場合の、（ａ）が発電電力演算手段の出力指令が表す、燃料電池スタックからの取り出し電力の演算値の時間的変化を示す図であり、（ｂ）が二次電池の充放電電力の時間的変化を示す図である。
図６は、（ａ）が、図５（ｂ）において二次電池を充電状態から放電状態に移行させる場合の、二次電池の充放電電力の時間的変化を目標値（一点鎖線）と実際の測定値（実線）とで示す図であり、（ｂ）が、（ａ）に対応するエアコンプレッサの回転数の時間的変化を目標値（一点鎖線）と実際の測定値（実線）とで示す図である。
図７は、（ａ）が、本発明の実施の形態において二次電池を充電状態から放電状態に移行させる場合の、二次電池の充放電電力の時間的変化を目標値（一点鎖線）と実際の測定値（実線）とで示す図であり、（ｂ）が、（ａ）に対応するエアコンプレッサの回転数の時間的変化を目標値（一点鎖線）と実際の測定値（実線）とで示す図である。
図８は、本発明の第２の実施の形態の燃料電池システムで行う暖機制御処理を示すフローチャートである。
[第１の発明の実施の形態]
以下において、図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。図１から図４、図７は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の燃料電池システム１０の基本構成を示すブロック図であり、図２は同じく具体的な構成を示す構成図である。
本実施の形態の燃料電池システム１０は、燃料電池車に搭載して使用するもので、燃料電池スタック１２を有する。この燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池セルを積層した燃料電池セル積層体とすると共に、燃料電池セル積層体の積層方向両端部に、集電板と、エンドプレートとを設けている。そして、燃料電池セル積層体と集電板とエンドプレートとをタイロッド、ナット等で締め付けている。なお、集電板とエンドプレートとの間に絶縁板を設けることもできる。
各燃料電池セルの詳細図は省略するが、例えば、電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とにより狭持して成る膜−アセンブリと、その両側のセパレータとを備えたものとする。また、アノード側電極には燃料ガスである水素ガスを供給可能とし、カソード側電極には酸化ガスである空気を供給可能としている。そして、アノード側電極で発生した水素イオンを、電解質膜を介してカソード側電極まで移動させ、カソード側電極で酸素と電気化学反応を起こさせることにより、水を生成する。また、アノード側電極からカソード側電極へ外部回路を通じて電子を移動させることにより起電力を発生する。
また、燃料電池スタック１２の内部で、セパレータの近くには、図示しない内部冷媒流路を設けている。この内部冷媒流路に冷媒である冷却水を流すことにより、燃料電池スタック１２の発電に伴う発熱により温度が上昇しても、その温度が過度に上昇しないようにしている。
また、酸化ガスである空気を燃料電池スタック１２に供給するために、酸化ガス供給流路１４を設けるとともに、酸化ガス供給流路１４のガスの上流部に、酸化ガス供給部であるエアコンプレッサ１６を設けている。外気からエアコンプレッサ１６に取り入れた空気は、エアコンプレッサ１６で加圧した後、図示しない加湿器で加湿するようにしている。エアコンプレッサ１６は図示しない駆動用モータにより駆動させる。駆動用モータの回転数は、電子制御装置（ＥＣＵ）等の制御部１８のエアコンプレッサ駆動制御手段２０（図２）により制御される。そして、加湿した空気を、燃料電池スタック１２のカソード側電極側の流路に供給するようにしている。
また、燃料電池スタック１２に供給され、各燃料電池セルで電気化学反応に供された後の空気オフガスは、燃料電池スタック１２から酸化ガス系排出ガス流路２２を通じて排出される。酸化ガス系排出ガス流路２２の途中に図示しない圧力調整弁を設けており、燃料電池スタック１２に送られる空気の供給圧力が、燃料電池スタック１２の運転状態に応じた適切な圧力値になるように制御される。このために圧力調整弁による圧力の検出値を、制御部１８に入力している。
一方、燃料ガスである水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するために、燃料ガス供給流路２４を設けている。また、燃料ガス供給流路２４のガスの上流側に、燃料ガス供給装置である高圧水素タンクや、改質反応により水素を生成する改質装置等の、水素ガス供給装置２６を設けている。水素ガス供給装置２６から燃料ガス供給流路２４に供給された水素ガスは、圧力調整弁である減圧弁２８を介して燃料電池スタック１２のアノード側電極側の流路に供給するようにしている。減圧弁２８の開度は、制御部１８によりアクチュエータ３０を制御することで調整される。
燃料電池スタック１２のアノード側電極側の流路に供給され、電気化学反応に供された後の水素ガス系の排出ガスは、燃料電池スタック１２から燃料ガス系循環経路３２を通じて、再度燃料電池スタック１２に戻される。燃料ガス系循環経路３２に、図示しない水素ガス系循環ポンプを設けており、水素ガス系循環ポンプで水素ガス系排出ガスを昇圧した後、水素ガス供給装置２６から送られた水素ガスと合流させてから、燃料電池スタック１２に再度送り込む。
また、燃料ガス系循環経路３２に図示しない気液分離器を設けており、気液分離器に燃料ガス系排出流路３４の上流端を接続している。すなわち、燃料ガス系循環経路３２から燃料ガス系排出流路３４を分岐させている。気液分離器に送られた水素ガス系排出ガスの一部は、気液分離器で分離された水分とともに、パージ弁３５を設けた燃料ガス系排出流路３４を通じて図示しない希釈器に送り込み、酸化ガス系排出ガス流路２２を通じて送られた空気オフガスと合流させ、水素濃度を低下させてから排出する。
なお、燃料ガス系循環経路３２の途中で、燃料電池スタック１２と気液分離器との間等、気液分離器とは別の部分から燃料ガス系排出流路３４を分岐させ、燃料ガス系排出流路３４に送られた水素ガス系排出ガスを希釈器に送り込むこともできる。
さらに、燃料電池スタック１２の状態検出のために、燃料電池スタック１２の出力電流を検出する電流センサ３６と、燃料電池スタック１２の出力電圧を検出する電圧センサ３８と、燃料電池スタック１２の温度を検出する温度センサ４０とを設けている。燃料電池スタック１２を発電させる際には、制御部１８により各センサ３６，３８，４０からの検出信号を読み込む。そして、制御部１８により、この検出信号に基づいて目標となる発電量に対応する水素ガスの圧力と流量、および、空気の圧力と流量を得られるように、補機であるエアコンプレッサ１６の駆動状態であるエアコンプレッサ１６の回転軸の回転数、酸化ガス系排出ガス流路２２の途中に設けた圧力調整弁、減圧弁２８等を制御する。
また、燃料電池スタック１２で発電した発電電力は、電力分配部４２に供給される。電力分配部４２は制御部１８により制御されて、燃料電池スタック１２からの発電電力を負荷４４や補機に供給して消費させるとともに、電力の充放電を行う二次電池４６から必要に応じて放電電力を放電させて、負荷４４や補機に電力を供給して消費させる。また、電力分配部４２は、制御部１８により制御されて、燃料電池スタック１２の発電電力を二次電池４６に供給して充電させる。二次電池４６のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ：バッテリ充電率）と温度とは、二次電池センサ４８により検出する。
図１，２に示した負荷４４としては、車両走行用の走行用モータがある。また、燃料電池システム１０の実際の負荷としては、燃料電池スタック１２および二次電池４６を昇温可能な加熱装置５０（図１）もある。また、補機としては、エアコンプレッサ１６の他、燃料電池スタック１２冷却用の冷却水を冷却水経路に循環させるための冷却水ポンプ、冷却水経路に設けたラジエータ冷却ファン、電力分配部４２に設けたインバータ、制御部１８等の燃料電池スタック１２を発電させるために必要な機器がある。
制御部１８は、燃料電池スタック１２の発電状態を制御するために、図示しないメモリに記憶させた制御プログラムを実行する。また、制御部１８は、負荷４４や補機に供給する電力を制御するように電力分配部４２を制御する。また、制御部１８は、燃料電池システム１０の起動時に、暖機制御処理を実行する。暖機制御処理は、制御部１８が制御プログラムを実行することで、燃料電池スタック１２を発電させて自己発熱をさせるとともに、二次電池４６の充放電を複数回繰り返して二次電池４６を自己発熱させて、燃料電池スタック１２および二次電池４６を暖機する。これにより、燃料電池スタック１２および二次電池４６から負荷４４に安定した電力が供給可能となる。
すなわち、暖機制御処理では、燃料電池システム１０の起動時に、制御部１８により、燃料電池スタック１２の発電電力を補機および二次電池４６に供給するように電力分配部４２を制御する第１処理と、燃料電池スタック１２の発電電力および二次電池４６の放電電力を補機に供給するように電力分配部４２を制御する第２処理とを交互に行うことにより、燃料電池スタック１２および二次電池４６を暖機する。このような暖機制御処理を行うために、制御部１８は、二次電池４６の充放電可能電力である、充電可能電力と放電可能電力とから燃料電池スタック１２の発電電力を演算する発電電力演算手段５２と、発電電力演算手段５２からの出力指令が表す燃料電池スタック１２の発電電力の演算値に基づいて、エアコンプレッサ１６の駆動状態を制御するエアコンプレッサ駆動制御手段２０とを備える。次に、上記の暖機制御処理を、図３を用いてより詳しく説明する。
図３は、燃料電池システム１０の起動時に、燃料電池スタック１２を発電させるとともに、二次電池４６の充電と放電とを繰り返すことにより、燃料電池スタック１２と二次電池４６とを暖機するための暖機制御処理を示すフローチャートである。先ず、燃料電池システム１０の起動時に、ステップＳ１において、所定時間経過毎に燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上か否かを判定する。すなわち、ステップＳ１では、制御部１８（図１、図２）が、温度センサ４０（図２）からの検出信号を読み込んで燃料電池スタック１２の温度を検出し、燃料電池スタック１２の温度が予め決定された所定温度以上か否かを判定する。また、ステップＳ１では、燃料電池スタック１２の発電停止から十分時間が経過している場合に、温度センサ４０からの検出信号の代わりに、図示しない外気温センサからの検出信号を読み込んで外気温を検出し、外気温が予め決定された所定温度以上か否かを判定することもできる。また、燃料電池スタック１２冷却用の冷却水の温度を検出して、燃料電池スタック１２の温度が所定温度以上か否かを判定することもできる。
図３のステップＳ１において、燃料電池スタック１２の温度または外気温が所定温度以上であると判定された場合には、燃料電池スタック１２および二次電池４６を暖機する必要がないので、ステップＳ２の通常運転モードに移行して暖機制御処理を終了する。これに対して、燃料電池スタック１２の温度または外気温が所定温度未満であると判定された場合には、ステップＳ３に移る。
ステップＳ３では、制御部１８が、二次電池センサ４８（図２）からの検出信号を読み込んで、二次電池４６の状態である、二次電池４６の温度およびＳＯＣを検出する。次いで、図３のステップＳ４で、制御部１８の発電電力演算手段５２（図２）が、二次電池４６の温度およびＳＯＣの検出値から、二次電池４６の充放電可能電力である、充電可能電力および放電可能電力を演算する。このように二次電池４６の温度およびＳＯＣの検出値を使用するのは、二次電池４６の充放電可能電力が温度およびＳＯＣにより影響されるためである。
次いで、図３のステップＳ５で、発電電力演算手段５２（図２）が起動用補機消費電力Ａ１（図４参照）を演算する。起動用補機消費電力Ａ１は、ステップＳ４で求めた二次電池４６の充電可能電力に相当する電力を、燃料電池スタック１２で発電させるために必要となる補機の消費電力であり、例えば、充電可能電力相当電力と補機の消費電力との関係を表すマップのデータを使用して起動用補機消費電力Ａ１を演算する。
次に、図３のステップＳ６で、発電電力演算手段５２が、ステップＳ５で演算した起動用補機消費電力Ａ１と、ステップＳ４で演算した二次電池４６の充電可能電力とから、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２（図４参照）と、当該取り出し電力の最大値Ａ２を継続して取り出す継続時間ｔ1（図４参照）と、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の、起動用補機消費電力Ａ１以下の最小値Ａ３（図４参照）と、当該取り出し電力の最小値Ａ３を継続して取り出す継続時間ｔ2（図４参照）とを演算する。すなわち、図３のステップＳ５で演算された起動用補機消費電力Ａ１と、ステップＳ４で演算された二次電池４６の充電可能電力との和が、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２となる。
特に、発電電力演算手段５２（図２）は、図４（ａ）に示すような、燃料電池スタック１２から電力を最大値Ａ２で継続時間ｔ1だけ取り出した後、燃料電池スタック１２から電力を最小値Ａ３で取り出しを開始するまでの移行時間ｔ3と、燃料電池スタック１２から電力を最小値Ａ３で継続時間ｔ2だけ取り出した後、燃料電池スタック１２から電力を最大値Ａ２で取り出しを開始するまでの移行時間ｔ4（図４参照）とを演算する。すなわち、発電電力演算手段５２は、図４（ａ）に示すように、燃料電池スタック１２から電力を最大値Ａ２で取り出した後、取り出し電力を移行時間ｔ3で最小値Ａ３まで一定の割合で徐々に低下させる指令を出す。また、発電電力演算手段５２は、燃料電池スタック１２から電力を最小値Ａ３で取り出した後、取り出し電力を移行時間ｔ4で最大値Ａ２まで一定の割合で徐々に上昇させる指令を出す。発電電力演算手段５２で演算した、燃料電池スタック１２から取り出す電力値Ａ２、Ａ３、および、継続時間ｔ1、ｔ2、移行時間ｔ3、ｔ4の演算値を表す出力指令は、制御部１８のエアコンプレッサ駆動制御手段２０（図２）に入力する。
エアコンプレッサ駆動制御手段２０は、先ず、出力指令に基づいて取り出し電力の最大電力値Ａ２を得るために必要な、エアコンプレッサ１６の回転数を演算し、エアコンプレッサ１６が演算した回転数で継続時間ｔ1だけ回転するようにエアコンプレッサ１６を制御する。すなわち、図３のステップＳ７で、暖機制御処理初期時点であると判定されたならば、ステップＳ８で、燃料電池スタック１２から取り出し電力最大値Ａ２で電力を取り出すように、エアコンプレッサ駆動制御手段２０によりエアコンプレッサ１６の回転数を制御する。また、これとともに、この回転数で得られる空気の流量、圧力に対応する、水素ガスの流量および圧力を、制御部１８の減圧弁制御手段により演算して、減圧弁２８（図２）の開度を所定の一定の開度になるように制御する。また、これに伴って、燃料電池スタック１２（図１）から二次電池４６に、発電電力のうち、ステップＳ４で求めた二次電池４６の充電可能電力分を供給し、二次電池４６に充電させるとともに、補機に発電電力の一部を供給するように、制御部１８により電力分配部４２を制御する第１処理を行う。
次に、図３のステップＳ９で、制御部１８により、燃料電池スタック１２から電力を最大値で取り出す時間が継続時間ｔ1（図４）を経過したか否かを判定する。継続時間ｔ1を経過したと判定されたならば、次に、図３のステップＳ１０で、エアコンプレッサ駆動制御手段２０により、燃料電池スタック１２の取り出し電力を、図４（ａ）に示すように、移行時間ｔ3で最大値Ａ２から最小値Ａ３まで一定の割合で低下させるようにエアコンプレッサの回転数を低下させる制御を行う。また、これに対応して、減圧弁制御手段により、減圧弁２８の開度を移行時間ｔ3で小さくする制御を行う。これに伴って、図４（ｂ）に示すように、二次電池４６の充電量が徐々に減少し０になった後、二次電池４６からの放電量が徐々に上昇し、燃料電池スタック１２の発電電力とともに、二次電池４６で放電した電力をエアコンプレッサ１６等の補機に供給するように、制御部１８により電力分配部４２を制御する第２処理を行う。
次に、図３のステップＳ１１で、燃料電池スタック１２から取り出し電力最小値Ａ３で電力を取り出すように、エアコンプレッサ駆動制御手段２０でエアコンプレッサ１６の回転数を制御する。また、これとともに、制御部１８の減圧弁制御手段により、減圧弁２８の開度を、エアコンプレッサ１６の回転数に対応する所定の一定の開度になるように制御する。また、これに伴って、二次電池４６をステップＳ４で求めた放電可能電力で放電させ、放電した電力を補機に供給するように、制御部１８により電力分配部４２を制御する。
次に、図３のステップＳ１２で、制御部１８により、燃料電池スタック１２から電力を最小値Ａ３で取り出す時間が継続時間ｔ2を経過したか否かを判定する。継続時間ｔ2を経過したと判定されたならば、ステップＳ１に戻り、燃料電池スタック１２の温度または外気温が所定温度以上か否かを判定し、所定温度以上であると判定され、ステップＳ２の通常運転モードに移行するまで、ステップＳ３からＳ１２の処理を繰り返す。この際、継続時間ｔ1、ｔ2、移行時間ｔ3を経過しているので、ステップＳ７ではステップＳ７ａに移行する。そして、ステップＳ７ａで、エアコンプレッサ駆動制御手段２０により、燃料電池スタック１２の取り出し電力を、図４（ａ）に示すように、移行時間ｔ4で最小値Ａ３から最大値Ａ２まで一定の割合で上昇させるようにエアコンプレッサ１６の回転数を上昇させる制御を行う。また、これに対応して、減圧弁制御手段により、減圧弁２８の開度を移行時間ｔ4で大きくする制御を行う。これに伴って、図４（ｂ）に示すように、二次電池４６の放電量が徐々に減少し０になった後、二次電池４６の充電量が徐々に上昇するように、制御部１８により電力分配部４２を制御する。
このような暖機制御処理において、燃料電池スタック１２を発電させ、二次電池４６の充電と放電とを繰り返すことにより、燃料電池スタック１２と二次電池４６との温度が徐々に上昇し、燃料電池スタック１２および二次電池４６が暖機される。二次電池４６の温度上昇に伴って図４（ｂ）に示すように、二次電池４６の充電可能電力と放電可能電力とが大きくなるため、図４（ａ）に示すように、発電電力演算手段５２からの出力指令が表す、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２が上昇する。
このような本実施の形態の燃料電池システム１０の暖機制御処理の場合と異なり、従来は、図５、図６に示すようにして暖機制御処理を行うことが考えられていた。すなわち、従来は、図５（ａ）に示すように、発電電力演算手段５２（図２参照）からエアコンプレッサ駆動制御手段２０に入力する出力指令が表す発電電力を最大値Ａ２と最小値Ａ３との間で、時間経過に関してステップ状に変化させている。より具体的には、図３に示す本実施の形態のステップＳ６で、移行時間ｔ３、ｔ４の演算を省略するとともに、ステップＳ７、Ｓ７ａ、Ｓ１０を省略している。このように出力指令が表す燃料電池スタック１２（図１，２参照）の発電電力を時間の経過に関してステップ状に変化させると、図５（ｂ）に示すように、二次電池４６の充放電電力も時間の経過に関してステップ状に近い状態に変化する。
ただし、このように出力指令が表す燃料電池スタック１２の発電電力をステップ状に変化させた場合には、出力指令の変化にエアコンプレッサの回転数を精度よく追従させて変化させることができなくなる。すなわち、図６（ｂ）は、発電電力演算手段５２（図２参照）の出力指令が表す電力値を、最大値Ａ２から最小値Ａ３に急激にステップ状に低下させた場合の、エアコンプレッサ１６（図１，２参照）の回転数の時間的変化を示している。図６（ｂ）では、一点鎖線がエアコンプレッサ１６の回転数の目標値を、実線がエアコンプレッサ１６の回転数の実際の測定値を示している。図６（ｂ）に示すように、出力指令が表す発電電力をステップ状に変化させた場合でも、エアコンプレッサ１６の回転数の変化には時間的な遅れが生じて、回転数は徐々に低下する。ただし、回転数が低下する割合である回転数の低下速度は大きく、図６（ｂ）のｘ部分で示すように、エアコンプレッサ１６の回転数の実際の測定値（実線）が目標値（一点鎖線）に対して大幅に下回るアンダーシュートが生じやすい。
一方、図６（ａ）は、図６（ｂ）に対応する、二次電池４６（図１，２参照）が充電状態から放電状態に変化する場合の充放電電力の時間的変化を示している。図６（ａ）では、一点鎖線が二次電池４６の充放電電力の目標値を、実線が充放電電力の実際の測定値を示している。図６（ａ）に示すように、二次電池４６が充電状態から放電状態に変化する場合には、エアコンプレッサ１６の回転数にアンダーシュートが生じることに伴って、二次電池４６の放電電力の実際の測定値（実線）が目標値（一点鎖線）から大きくずれて、放電電力上限基準よりも上回るオーバーシュート（図６（ａ）のＹ部分）が生じる可能性がある。すなわち、二次電池４６に過放電が生じる可能性がある。
また、図示は省略するが、エアコンプレッサ１６の回転数を低い所定値から高い所定値に上昇させる場合には、エアコンプレッサ１６の回転数の実際の測定値が目標値に対して大幅に上回るオーバーシュートが生じるとともに、二次電池４６の充電電力の実際の測定値が目標値から大きくずれて、充電電力上限基準よりも上回り、二次電池４６に過充電が生じる可能性がある。特に、二次電池４６の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池４６の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合に、二次電池４６に過放電や過充電が生じやすい。
また、発電電力演算手段５２からの出力指令が表す燃料電池スタック１２の発電電力の変化量が小さい場合であれば、従来の燃料電池システムにおいて暖機制御処理を行う場合に、エアコンプレッサ１６の回転数を変化させる場合においても、アンダーシュートやオーバーシュートを生じにくくできる可能性はある。ただし、出力指令が表す燃料電池スタック１２の発電電力の変化量が大きくなると、従来の燃料電池システムの暖機制御処理を行う場合には、エアコンプレッサ１６の回転数を変化させる場合において、アンダーシュートやオーバーシュートが生じやすくなる。
本実施の形態は、このような従来の燃料電池システムにおいて暖機制御処理を行う場合に生じる不都合を解消すべく発明したものであり、上記のように、発電電力演算手段５２は、出力指令が表す第１処理と第２処理との間の移行時、すなわち、上記の図４（ａ）に示したように、燃料電池スタック１２から最大電力Ａ２を取り出す場合と最小電力Ａ３を取り出す場合との間の移行時での、燃料電池スタック１２の発電電力の演算値の大きさを徐々に変化させる、すなわち演算値の大きさを一定の割合で徐々に低下させるか、または一定の割合で徐々に上昇させる。このため、例えば、第１処理と第２処理との間の移行時である、エアコンプレッサ１６の回転数を高い所定値から低い所定値に低下させる場合でも、エアコンプレッサ１６の駆動状態である回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができる。
図７（ａ）（ｂ）は本実施の形態の効果をより詳しく説明するため、二次電池４６の充放電電力とエアコンプレッサ１６の回転数との時間的変化を、目標値と実際の測定値とで示す図である。先ず、図７（ａ）では、一点鎖線が二次電池４６の充放電電力の目標値を、実線が二次電池４６の充放電電力の実際の測定値を示している。また、図７（ｂ）では、一点鎖線がエアコンプレッサ１６の回転数の目標値を、実線がエアコンプレッサ１６の回転数の実際の測定値を示している。図７（ｂ）と図６（ｂ）との測定結果を比較すれば明らかなように、図７（ｂ）の本実施の形態の場合には、エアコンプレッサ１６の回転数を変化させる際の時間的変化率が小さくなる、すなわち回転数の変化を緩やかにすることができる。また、図７（ｂ）に示す本実施の形態によれば、エアコンプレッサ１６の回転数の目標値（一点鎖線）の変化に対して、実際の回転数（実線）の変化を精度よく追従させることができる。このため、図６（ｂ）の場合と異なり、エアコンプレッサ１６の回転数の実際の測定値（図７（ｂ）の実線）が目標値（図７（ｂ）の一点鎖線）に対して大幅に下回るアンダーシュートが生じることを防止できる。このため、燃料電池スタック１２の発電電力を低下させて、二次電池４６により放電させる場合でも、燃料電池スタック１２の実際の発電電力が目標値よりも低下し過ぎるアンダーシュートを生じにくくできることが分かる。
この結果、図７（ａ）に示すように、二次電池４６が充電状態から放電状態に変化する場合でも、二次電池４６の放電電力の実際の値（図７（ａ）の実線）が目標値（図７（ａ）の一点鎖線）から大きくずれて、放電電力上限基準よりも上回ることを防止でき、二次電池４６に過放電が生じるのを防止できる。
また、図示は省略するが、本実施の形態によれば、エアコンプレッサ１６の回転数を低い所定値から高い所定値に上昇させる場合に、エアコンプレッサ１６の実際の回転数が目標値に対して大幅に上回るオーバーシュートが生じることも防止でき、二次電池４６の充電電力の実際の値が目標値から大きくずれて、充電電力上限基準よりも上回り、二次電池４６に過充電が生じることも防止できる。この結果、二次電池４６の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池４６の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合でも、二次電池４６に過放電および過充電を生じにくくできる。
また、本実施の形態によれば、発電電力演算手段５２（図２）の出力指令が表す燃料電池スタック１２の発電電力の変化量が大きい場合でも、エアコンプレッサ１６の回転数を変化させる場合において、アンダーシュートやオーバーシュートを生じにくくできる。このため、二次電池４６に過放電および過充電を生じにくくできる。
なお、上記の図３に示した本実施の形態において、ステップＳ５で起動用補機消費電力Ａ１を演算したものを起動用補機消費電力基本値として、起動用補機消費電力基本値よりも補機の消費電力を増加させたものを、起動用補機消費電力補正値として演算することもできる。そして、ステップＳ６において、ステップＳ４で演算された二次電池４６の充電可能電力と、ステップＳ５で演算された起動用補機消費電力補正値との和を、燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２として演算することができる。
このように起動用補機消費電力補正値を使用して燃料電池スタック１２から取り出す取り出し電力の最大値Ａ２を求めた場合には、起動用補機消費電力補正値が燃料電池スタック１２を発電させるのに最低限必要となる消費電力よりも高くなるので、燃料電池スタック１２の出力電力の最大値を通常運転モードよりも高く設定して、燃料電池スタック１２の発電量を増大させることにより、燃料電池スタック１２の発熱量を増加させることができる。
また、制御部１８において、二次電池４６への充電と二次電池４６からの放電とを繰り返す制御の他に、燃料電池スタック１２の発電電力や二次電池４６の放電電力の一方または両方を加熱装置５０（図１）に供給し、加熱装置５０による発熱により燃料電池スタック１２および二次電池４６の暖機を促進する制御を併用することもできる。
[第２の発明の実施の形態]
図８は、本発明の第２の実施の形態において、燃料電池システムの起動時に、二次電池を暖機するための暖機制御処理を示す、図３に対応するフローチャートである。上記の第１の実施の形態の場合には、図３のステップＳ１において、制御部１８（図１、図２）が、燃料電池スタック１２（図１、図２）の温度が所定温度以上か否かを判定することにより、その判定結果に応じて、ステップＳ２（図３）の通常運転に移行するか、または、ステップＳ３（図３）からステップＳ１２（図３）の暖機制御処理に移行するようにしている。これに対して、本実施の形態の場合には、通常運転に移行するか、または暖機制御処理に移行するかを、検出した二次電池４６（図１、図２）の温度が所定温度以上か否かに応じて選択されるようにしている。これについて、以下に詳しく説明する。なお、以下の説明において、上記の図１から図２に符号を付した要素と同等部分の要素には、同一の符号を付して説明する。
図８に示すように、本実施の形態では、燃料電池システム１０の起動時に、ステップＳ１ａにおいて、制御部１８は、所定時間経過毎に二次電池センサ４８からの検出信号を読み込んで、二次電池４６の温度を検出する。次いで、ステップＳ１ｂにおいて、二次電池４６の温度が予め任意に決定された所定温度以上か否かを判定する。なお、ステップＳ１ａでは、燃料電池システム１０の運転を停止後に、十分時間が経過している場合に、二次電池センサ４８からの検出信号の代わりに、図示しない外気温センサからの検出信号を読み込んで外気温を検出し、外気温が予め決定された所定温度以上か否かを判定することもできる。
図８のステップＳ１ｂにおいて、二次電池４６の温度または外気温が所定温度以上であると判定された場合には、二次電池４６を暖機する必要がないとして、ステップＳ２の通常運転モードに移行して暖機制御処理を終了する。これに対して、二次電池４６の温度または外気温が所定温度未満であると判定された場合には、ステップＳ３´に移る。
ステップＳ３´では、制御部１８が、二次電池センサ４８からの検出信号を読み込んで、二次電池４６の温度だけでなく、二次電池４６のＳＯＣも検出する。次いで、図３のステップＳ４からステップＳ１２において、上記の第１の実施の形態と同様に、暖機制御処理を行い、再びステップＳ１ａに戻るようにしている。
このような本実施の形態も、上記の第１の実施の形態と同様に、発電電力演算手段５２は、出力指令が表す第１処理と第２処理との間の移行時、すなわち、上記の図４（ａ）に示したように、燃料電池スタック１２から最大電力Ａ２を取り出す場合と最小電力Ａ３を取り出す場合との間の移行時での、燃料電池スタック１２の発電電力の演算値の大きさを徐々に変化させる、すなわち演算値の大きさを一定の割合で徐々に低下させるか、または一定の割合で徐々に上昇させる。このため、例えば、燃料電池スタック１２の発電電力を補機および二次電池４６に供給するように電力分配部４２を制御する第１処理と、燃料電池スタック１２の発電電力および二次電池４６の放電電力を補機に供給するように電力分配部４２を制御する第２処理との間の移行時である、エアコンプレッサ１６の回転数を高い所定値から低い所定値に低下させる場合でも、エアコンプレッサ１６の駆動状態である回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができる。また、逆に、エアコンプレッサ１６の回転数を低い所定値から高い所定値に上昇させる場合でも、エアコンプレッサ１６の駆動状態である回転数の目標値の変化に対して、実際の回転数の変化を精度よく追従させることができる。この結果、二次電池４６の放電を放電電力の上限基準近くまで行ったり、二次電池４６の充電を充電電力の上限基準近くまで行う場合でも、二次電池４６に過放電および過充電を生じにくくできる。その他の構成および作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する図示および説明を省略する。
なお、上記の実施の形態においては、燃料電池システム１０の起動時に暖機制御処理を行う場合について説明したが、本発明はこのような場合に限定するものではない。例えば、燃料電池システム１０を搭載した燃料電池車の走行時、アイドリング時等において、燃料電池スタック１２の温度または二次電池４６の温度が所定温度以下になる等、燃料電池システム１０の起動時以外で燃料電池システム１０が低温環境下にある場合も、二次電池４６の性能が低下する可能性があるため、この場合に暖機制御処理を行い、二次電池４６を暖機する構成において、本発明を適用することもできる。また、暖機制御処理時の第２処理を行う際に、燃料電池スタック１２を発電させずに、二次電池４６の放電により生じた電力のみを補機と負荷４４（図１，２参照）との少なくともいずれかに供給するようにすることにより、二次電池４６を暖機する構成において、本発明を適用することもできる。
本発明は、燃料電池システムに利用される。例えば、燃料電池車に搭載して使用する燃料電池システムに利用される。

Claims (6)

  1. 燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池と、
    燃料電池に酸化ガスを供給する酸化ガス供給部と、
    電力の充放電を行う二次電池と、
    燃料電池で発電した発電電力を燃料電池の発電に必要な補機に供給するとともに二次電池に供給して充電させるか、二次電池で放電した電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給する電力分配部と、
    燃料電池の発電電力を補機および二次電池に供給するように電力分配部を制御する第１処理と、少なくとも二次電池の放電により生じた電力を補機と負荷との少なくともいずれかに供給するように電力分配部を制御する第２処理とを交互に行うことにより、二次電池を暖機する暖機制御処理を行う制御部とを備える燃料電池システムであって、
    制御部は、暖機制御処理を行う場合において、二次電池の充電率及び二次電池の温度の検出値に応じて二次電池の充放電可能電力を演算し、演算された充放電可能電力から燃料電池の発電電力を演算する発電電力演算手段と、発電電力演算手段からの出力指令が表す燃料電池の発電電力の演算値に基づいて、酸化ガス供給部の駆動状態を制御する酸化ガス供給部駆動制御手段とを備え、
    発電電力演算手段は、酸化ガス供給部駆動制御手段に入力する出力指令が表す、第１処理と第２処理との間の移行時での燃料電池の発電電力の大きさを徐々に変化させ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、
    酸化ガス供給部はエアコンプレッサであり、
    酸化ガス供給部駆動制御手段は、発電電力演算手段の出力指令が表す燃料電池の発電電力の演算値に基づいて、エアコンプレッサの回転数を制御することを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    制御部は、第１処理と第２処理との間の移行時での、発電電力演算手段の出力指令が表す、燃料電池の発電電力の低下に伴って、二次電池の充電量を徐々に減少させた後、二次電池の放電量を徐々に上昇させ、発電電力演算手段の出力指令が表す、燃料電池の発電電力の上昇に伴って、二次電池の放電量を徐々に減少させた後、二次電池の充電量を徐々に上昇させることを特徴とする燃料電池システム。
  4. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    制御部は、燃料電池の温度が所定温度以上であるか否かを判定し、燃料電池の温度が所定温度未満と判定したときには暖機制御処理を行い、燃料電池の温度が所定温度以上であると判定したときには通常運転モードに移行することを特徴とする燃料電池システム。
  5. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    制御部は、二次電池の温度が所定温度以上であるか否かを判定し、二次電池の温度が所定温度未満と判定したときには暖機制御処理を行い、二次電池の温度が所定温度以上であると判定したときには通常運転モードに移行することを特徴とする燃料電池システム。
  6. 請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、
    制御部は、第１処理と第２処理との間の移行時での、発電電力演算手段の出力指令が表す、燃料電池の発電電力を低下させるか上昇させるかに応じて、二次電池を充電から放電に移行させるか、二次電池を放電から充電に移行させるかを切り替えることを特徴とする燃料電池システム。
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