燃料電池システム及び方法
【課題】燃料電池自動車において、燃料電池の通常の冷却水温調整のための消費電力を抑制しつつ、燃料電池の高温高負荷継続状態での燃料電池スタックの出力電力減少に対処する。
【解決手段】モータ３７が現時点の要求出力を出すのに必要なモータ３７への供給電力と、現時点で燃料電池スタック１１及び高圧バッテリ１２がモータ３７へ回すことが可能な供給電力との差からモータ３７の出力余裕度を判断する（ＲＯＵＴＩＮＥ６０）。燃料電池スタック１１が高温高負荷の継続状態にあるか否かを判断する（ＲＯＵＴＩＮＥ６１）。モータ３７の出力余裕度が無しで、燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であると判断したときは、燃料電池スタック１１の冷却能力を、燃料電池の通常の冷却水温調整範囲の最大能力より高めて、燃料電池スタック１１の温度を下げる（ＲＯＵＴＩＮＥ６４）。
【解決手段】モータ３７が現時点の要求出力を出すのに必要なモータ３７への供給電力と、現時点で燃料電池スタック１１及び高圧バッテリ１２がモータ３７へ回すことが可能な供給電力との差からモータ３７の出力余裕度を判断する（ＲＯＵＴＩＮＥ６０）。燃料電池スタック１１が高温高負荷の継続状態にあるか否かを判断する（ＲＯＵＴＩＮＥ６１）。モータ３７の出力余裕度が無しで、燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であると判断したときは、燃料電池スタック１１の冷却能力を、燃料電池の通常の冷却水温調整範囲の最大能力より高めて、燃料電池スタック１１の温度を下げる（ＲＯＵＴＩＮＥ６４）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の高温高負荷時に対処する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車では、燃料電池の電極を所定の湿潤状態に保持するために、燃料電池に供給する反応ガスに対して加湿が行われる。しかしながら、高速走行や登坂走行時等に燃料電池の高温高負荷状態が継続すると、反応ガスへの加湿が不足したり、燃料電池の電極からの水分の揮発が高まるため、燃料電池の出力電力が低下し、その結果、モータの出力が要求量から大幅に低下してしまう。
【０００３】
特許文献１は燃料電池の劣化を防止する燃料電池システムを開示する。該燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電流から燃料電池内の最高温度を推定し、燃料電池内の推定最高温度が、燃料電池の膜電極構造体の耐久上限温度以下になるように、燃料電池の冷却用の冷媒流通量を制御する。
【０００４】
特許文献２は燃料減圧弁の温度低下を防止する燃料電池システムを開示する。該燃料電池システムによれば、燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサを冷却する冷却水を、燃料減圧弁の暖機必要時には、該冷却水の放熱部としてのラジエタでなく、燃料減圧弁へ送って、燃料減圧弁を、コンプレッサにより加熱された冷却水により加熱するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９１７４２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池温度が適正範囲内になるように、冷媒により燃料電池を冷却しており、燃料電池温度が上限設定温度になった時に、燃料が最大になるように、燃料電池の冷却制御を行っている。したがって、燃料電池の高負荷状態が継続して、冷却能力の不足により燃料電池温度が上限設定温度を超えたときには、燃料電池温度を上限設定温度以下に戻すことができず、燃料電池の出力電力が低下する。そのため、燃料電池自動車のように、燃料電池の出力電力によってモータを駆動するシステムに適用したときには、燃料電池が高温になったときにモータの出力が低下してしまう。
【０００７】
そこで、特許文献１の燃料電池システムにおいて、もし、燃料電池の高負荷状態が継続しても、燃料電池温度が上限設定温度以下になるように、燃料電池の冷却手段の冷却能力を十分に増大させようとすると、今度は、燃料電池とバッテリとの合計の出力電力増大に余裕がある状況においても、燃料電池温度が上限設定温度近くになりさえすれば、冷却手段が最大冷却力で作動してしまい、これは、冷却手段が最大冷却力で作動する時間の大幅な増大につながり、消費電力増大の原因になる。
【０００８】
特許文献２の燃料電池システムは、暖機中の燃料減圧弁の加熱に関し、燃料電池が上限設定温度を超えた時の燃料電池の冷却制御については一切言及していない。
【０００９】
本発明の目的は、燃料電池の冷却に使用する電力を抑えつつ、燃料電池の高温高負荷継続状態時のモータ出力を改善する燃料電池システム及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明の燃料電池システムは、モータと、蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出手段と、前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出手段と、前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第１発明によれば、モータ出力が非余裕状態となっている、燃料電池の高温高負荷継続状態時では、燃料電池の冷却能力を増大して、燃料電池の電極における湿潤状態を改善して、燃料電池の出力増大を図り、モータ出力を改善することができる。また、燃料電池の高温高負荷継続状態では、冷却手段による最大冷却能力での冷却作動が行われるものの、燃料電池の通常の高温状態では、最大冷却能力より低い冷却作動に留まるため、燃料電池の運転期間全体における電力消費量を節約することができる。
【００１２】
第２発明の燃料電池システムでは、第１発明の燃料電池システムにおいて、前記冷却促進手段は、前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力との合計が前記合計上限出力電力を上回っているときはモータ出力が非余裕状態であると判断することを特徴とする。
【００１３】
第２発明によれば、モータ要求電力とその他の電装品への現時点の供給電力との合計が合計上限出力電力を上回っているときはモータ出力が非余裕状態であると判断することにより、上記電力消費量の節約とモータ出力の改善に加え、燃料電池の冷却による燃料電池の出力増加時を的確に把握して、モータのドライバビリティを向上させることができる。
【００１４】
第３発明の燃料電池システムでは、第１又は第２発明において、前記冷却促進手段は、燃料電池温度が前記第１所定値以上の第２所定値以上でありかつ燃料電池負荷が所定値以上である状態が所定時間以上継続したとき、前記燃料電池が高温高負荷継続状態であると判断することを特徴とする。
【００１５】
第３発明によれば、燃料電池温度が第１所定値以上でありかつ燃料電池負荷が所定値以上である状態が所定時間以上継続したとき、燃料電池が高温高負荷継続状態であると判断することにより、燃料電池の冷却による燃料電池の出力増加時を的確に把握して、上記電力消費量の節約とモータ出力の改善に加え、モータのドライバビリティを向上させることができる。
【００１６】
第４発明の燃料電池システムでは、第１〜３のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を冷却する冷媒用のラジエタは、エアコンの冷媒用のコンデンサに隣接し、該コンデンサを通過した後の冷却風により冷却されるように配設されており、前記冷却促進手段は、前記冷却手段の冷却能力の増大を、前記エアコンによる温度調整量の減少により実施することを特徴とする。
【００１７】
第４発明によれば、燃料電池の冷却促進は、エアコンによる温度調整量の減少により、冷却風がコンデンサを通過する際に温度上昇するのを抑制して、低温を保持した冷却風によるラジエタの冷却に達成される。すなわち、冷却ファンや冷却ポンプの性能上昇に依らず、燃料電池の冷却を促進することができ、上記電力消費量の節約とモータ出力の改善に加え、コスト上昇を抑えることができる。
【００１８】
第５発明の制御方法は、モータと、蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出ステップと、前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出ステップと、前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出ステップと、前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１９】
第５発明によれば、モータ出力が非余裕状態となっている、燃料電池の高温高負荷継続状態時では、燃料電池の冷却能力を増大して、燃料電池の電極における湿潤状態を改善して、燃料電池の出力増大を図り、モータ出力を改善することができる。また、燃料電池の高温高負荷継続状態時以外では、燃料電池についての最大冷却能力を使用しないので、電力消費量を節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】冷却水温度と燃料電池スタックの出力電圧との関係に関連して燃料電池自動車の走行状態に因る燃料電池スタックの出力電圧の変化について説明する図。
【図３】燃料電池システムにおける燃料電池スタックの冷却制御のフローチャート。
【図４】モータの出力余裕度を判定するルーチンのフローチャート。
【図５】燃料電池スタックの高温高負荷継続状態を判定するルーチンのフローチャート。
【図６】燃料電池スタックの水温と出力とから定義される燃料電池スタックの高温高負荷状態の説明図。
【図７】燃料電池スタックの冷却促進ルーチンのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池自動車に搭載され、燃料電池スタック１１、高圧バッテリ１２、電子駆動装置１３、冷却水循環路１４及び冷却制御装置１５を備える。該燃料電池自動車は、燃料電池スタック１１において発電した電力で電子駆動装置１３のモータ３７を作動させて、モータ３７により駆動輪（図示せず）を駆動して、走行する。
【００２２】
燃料電池スタック１１は、水素と空気中の酸素とを反応ガスに使用して、発電する。燃料電池スタック１１は、電力ケーブル３３を介して電子駆動装置１３の車両制御ユニット２７へ接続され、高圧バッテリ１２は、電力ケーブル３４を介して車両制御ユニット２７へ接続されている。
【００２３】
充電池としての高圧バッテリ１２は、燃料電池スタック１１が発生した電力の一部を、車両制御ユニット２７を経由して供給され、充電される。燃料電池スタック１１及び高圧バッテリ１２は、共同して、燃料電池自動車に搭載されている電装品へ電力を供給する。電装品には、冷却制御装置１５、ＦＣ（ＦＣ：Fuel Cell。燃料電池）用ラジエタファン２２やＦＣ冷却水ポンプ２３の駆動用モータ（図示せず）、車両制御ユニット２７及びモータ３７等の補機の他に、エアコン及びカーナビ等の電気機器も含まれる。
【００２４】
冷却水循環路１４は、燃料電池スタック１１、ＦＣ系ラジエタ２１及びＦＣ冷却水ポンプ２３を周回する循環路を構成し、冷却水を導く。エアコンコンデンサ２０、ＦＣ系ラジエタ２１及びＦＣ用ラジエタファン２２は、燃料電池自動車の前後方向へ前方からこの記載した順番で、ボンネット室内に配設される。エアコンコンデンサ２０とＦＣ用ラジエタファン２２とは隣接している。冷却風Ｗは、燃料電池自動車の走行及び／又はＦＣ用ラジエタファン２２の回転に伴って、自動車前方からボンネット室内へ流入し、エアコンコンデンサ２０及びＦＣ系ラジエタ２１を、この順番に通過して、それらから熱を奪う。
【００２５】
ＦＣ冷却水ポンプ２３は、冷却制御装置１５からの制御信号により回転速度を制御され、冷却水循環路１４に冷却水を循環させる。水温センサ２８は、燃料電池スタック１１における冷却水循環路１４の出口箇所に配設され、該箇所における冷却水温度を検出する。温度センサ２９は、反応ガスの水素の流路が燃料電池スタック１１から出て来る箇所に配設され、該箇所における水素の温度を検出する。温度センサ３０は、反応ガスの酸素を含む空気の流路が燃料電池スタック１１から出て来る箇所に配設され、該箇所における空気の温度を検出する。
【００２６】
電子駆動装置１３は、車両制御ユニット２７及びモータ３７の他に、パワードライブユニット３６を備える。車両制御ユニット２７は、電力ケーブル３５を介してパワードライブユニット３６へ接続され、燃料電池スタック１１からの電力を高圧バッテリ１２とパワードライブユニット３６とへ振り分けるとともに、振り分け比を制御する。パワードライブユニット３６は、車両制御ユニット２７経由で供給される電力によりモータ３７を駆動する。
【００２７】
電圧センサ４１及び電流センサ４２は電力ケーブル３３における電圧及び電流をそれぞれ検出する。電圧センサ４５及び電流センサ４６は電力ケーブル３４における電圧及び電流をそれぞれ検出する。電圧センサ４９及び電流センサ５０は電力ケーブル３５における電圧及び電流をそれぞれ検出する。
【００２８】
冷却制御装置１５は、モータ出力余裕度判断部５５、ＦＣ高温高負荷判断部５６及び冷却促進制御部５７を備える。冷却制御装置１５は、水温センサ２８、温度センサ２９、温度センサ３０、電圧センサ４１，４５，４９、及び電流センサ４２，４６，５０等からの検出信号を入力される。冷却制御装置１５は、また、エアコンコンデンサ２０、ＦＣ系ラジエタ２１、ＦＣ用ラジエタファン２２、ＦＣ冷却水ポンプ２３及び車両制御ユニット２７へ制御信号を送って、それらを制御する。
【００２９】
モータ出力余裕度判断部５５は、モータ３７の出力余裕度を判断する。ＦＣ高温高負荷判断部５６は、燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であるか否かを判断する。冷却促進制御部５７は、モータ出力余裕度判断部５５及びＦＣ高温高負荷判断部５６の判断に基づきエアコンコンデンサ２０、ＦＣ用ラジエタファン２２及び／又はＦＣ冷却水ポンプ２３を制御して、燃料電池スタック１１の冷却を制御する。
【００３０】
冷却制御装置１５についての具体的な作用の説明に入る前に、図２を参照して、冷却制御装置１５の制御を概略的に説明する。
【００３１】
図２のグラフにおいて、横軸は水温センサ２８により検出した燃料電池スタック１１の冷却水の温度（ＦＣ水温Ｔ）、縦軸は電圧センサ４１により検出された燃料電池スタック１１の出力電圧（ＦＣ電圧Ｖ）を示している。実線は、燃料電池スタック１１の上限の出力電圧を示している。実線から下に離れて図示されている破線は、燃料電池スタック１１の下限の出力電圧を示している。燃料電池スタック１１の上限及び下限の出力電圧ＶはＦＣ水温Ｔに応じて変化する。なお、Ｖ１，Ｖ２は例えば３２０Ｖ、３３０Ｖである。
【００３２】
燃料電池スタック１１が、各ＦＣ水温Ｔでの上限又は下限の出力電圧を出力しているときのＩＦＣ（出力電流）は一定となっており、上限時のＩＦＣ（例：３００Ａ）は下限時のＩＦＣより大きい。燃料電池スタック１１の出力電力は燃料電池スタック１１の出力電圧Ｖに比例する。
【００３３】
図２では、通常走行範囲と、高速走行又は登板走行範囲とが定義されている。通常走行範囲は、Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２である。高速走行又は登板走行範囲は、Ｔ２＜Ｔの範囲である。Ｔ１，Ｔ２は例えばそれぞれ７５°Ｃ，８５°Ｃである。燃料電池スタック１１の下限又は上限のＦＣ電圧Ｖは、通常走行範囲ではＦＣ水温Ｔの変化に対してフラットを維持し、通常走行範囲より下側では、ＦＣ水温Ｔの上昇に連れて上昇し、通常走行範囲より上側では、ＦＣ水温Ｔの上昇に連れて下降する。
【００３４】
該燃料電池自動車が、高速走行又は登板走行の状態になると、モータ３７に対する要求出力が増大し、これに伴い、ＦＣ電圧Ｖはその上限まで上昇し、燃料電池スタック１１は図２における通常走行範囲内のＰ１になる。
【００３５】
燃料電池自動車が、高速走行又は登板走行をさらに続けると、ＦＣ水温Ｔが上昇し、燃料電池スタック１１は、図２における通常走行範囲のＰ１から高速走行又は登板走行範囲のＰ２へ移る。
【００３６】
燃料電池スタック１１が高速走行又は登板走行範囲のＰ２へ移ってから、なおも、高速走行又は登板走行状態が継続すると、ＦＣ水温Ｔは、上昇を続けて、Ｔ３を超えて、燃料電池の状態は、実線のフラット部分の右端から右へ水平に延び出している波線におけるＰ３へ移る。Ｐ３の状態で、何も対策を採らないと、Ｐ３の状態へ移行してから数分が経つと、上限ＦＣ電圧は、ＦＣ水温ＴがＴ３を上回る範囲では、Ｔ３における上限ＦＣ電圧の値を起点に右肩下がりになり、燃料電池の状態はＰ４へ移ってしまう。この結果、モータ３７の出力は下降してしまい、高速走行又は登板走行の継続が困難になってしまう。
【００３７】
冷却制御装置１５は、これに対処した制御を実施することにより、Ｐ４のような燃料電池スタック１１の出力電力の低下は回避する。図３〜図７を参照して、冷却制御装置１５の具体的な制御について説明する。
【００３８】
なお、本発明における燃料電池は燃料電池スタック１１に相当する。本発明における蓄電池は高圧バッテリ１２に相当する。本発明における冷却手段は、ＦＣ系ラジエタ２１、ＦＣ用ラジエタファン２２又はＦＣ冷却水ポンプ２３に相当する。本発明における温度検出手段は水温センサ２８に相当する。本発明における負荷状態検出手段はＦＣ高温高負荷判断部５６に相当する。本発明における上限出力電力算出手段及びモータ要求電力算出手段はモータ出力余裕度判断部５５に相当する。本発明における冷却促進手段は冷却促進制御部５７に相当する。
【００３９】
本発明における燃料電池温度についての第１所定値は図２のＴ２又はＴ３に設定することができる。本発明における燃料電池温度についての第２所定値も図２のＴ２又はＴ３に設定することができる。第１及び第２所定値をそれぞれＴ２及びＴ３に設定することもできる。
【００４０】
図３において、冷却制御装置１５は、燃料電池システム１０が搭載される燃料電池自動車のイグニッションスイッチ（図示せず）がオンになるのに伴い、すなわち、燃料電池自動車の運転が開始される時に起動する。ＲＯＵＴＩＮＥ６０，６１の処理はそれぞれ冷却制御装置１５のモータ出力余裕度判断部５５及びＦＣ高温高負荷判断部５６の機能を実現するものとなっている。
【００４１】
ＳＴＥＰ６２では、ＲＯＵＴＩＮＥ６０での判断結果が、モータ３７の出力について余裕度無しか余裕度有りかのどちらであるかを調べ、余裕度無しであれば、ＳＴＥＰ６３へ進み、余裕度有りであれば、ＳＴＥＰ６５へ進む。
【００４２】
ＳＴＥＰ６３では、ＲＯＵＴＩＮＥ６１での判断結果が、燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であるか否かのどちらであるかを調べ、高温高負荷継続状態であるの判断結果であれば、ＲＯＵＴＩＮＥ６４へ進み、高温高負荷継続状態でないの判断結果であれば、ＳＴＥＰ６５へ進む。
【００４３】
ＲＯＵＴＩＮＥ６４の処理は冷却制御装置１５の冷却促進制御部５７の機能を実現するものになっている。ＲＯＵＴＩＮＥ６４は、モータ３７の出力について余裕度無しでかつ燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であるときに実行され、それ以外のときにはスキップされる。ＲＯＵＴＩＮＥ６４の詳細については、図７を参照して、後述する。
【００４４】
ＳＴＥＰ６５では、イグニッションスイッチがオフであるかオンであるかを判定し、オンであれば、ＲＯＵＴＩＮＥ６０へ戻り、オフであれば、すなわち、燃料電池自動車の運転が終了すると、冷却制御装置１５の作動を停止する。
【００４５】
図４は、モータ３７の出力余裕度を判断するＲＯＵＴＩＮＥ６０のフローチャートであり、ＳＴＥＰ６０１では、燃料電池スタック１１と高圧バッテリ１２とが現時点で共同してモータ３７へ供給することができる出力電力（モータ出力上限）をＡ、現時点での燃料電池スタック１１の出力電力の上限（ＦＣ出力上限）をＡ１、現時点での高圧バッテリ１２の出力電力の上限（バッテリ出力上限）をＡ２、モータ３７を除くすべての電装品の現在の消費電力をＡ３と定義し、式：Ａ＝Ａ１＋Ａ２−Ａ３からＡを算出する。現時点でのＡ１は、図２における実線上の各位置における燃料電池スタック１１の出力電力（ＦＣ電圧×出力電流）に相当する。現時点でのＡ２は、高圧バッテリ１２の放電終了までほぼ一定を維持するが、放電終了間近になると、低下する。Ａは、モータ３７が、現時点で燃料電池スタック１１及び高圧バッテリ１２から供給を受けることができる電力となる。
【００４６】
ＳＴＥＰ６０２では、Ａと、モータ３７がその要求出力を出力するために、モータ３７へ供給する必要のある供給電力（モータ要求電力）とを対比し、Ａ≦モータ要求電力であれば、ＳＴＥＰ６０３へ進み、Ａ＞モータ要求電力であれば、ＳＴＥＰ６０４へ進む。なお、モータ３７に対する要求出力は、例えば運転室の加速ペダルの踏込み量に対応する。運手者は、モータ３７に対して大きな出力を要求するときほど、加速ペダル大きく踏込む。
【００４７】
モータ３７の出力について、ＳＴＥＰ６０３では、余裕度無しと判定し、ＳＴＥＰ６０４では、余裕度有りと判定する。
【００４８】
図５は、燃料電池スタック１１の高温高負荷継続状態を判断するＲＯＵＴＩＮＥ６１のフローチャートであり、ＳＴＥＰ６１１では、タイマをリセットし、該タイマにより時間経過の計測を開始する。
【００４９】
ＳＴＥＰ６１２では、ＦＣ水温Ｔと所定値Ｂ（例：Ｂ≦図２のＴ３でかつＴ３の近傍の値。例えばＢ＝９０°Ｃ。）とを対比し、ＦＣ水温Ｔ＞Ｂであれば、ＳＴＥＰ６１３へ進み、ＦＣ水温Ｔ≦Ｂであれば、ＳＴＥＰ６１６へ進む。
【００５０】
ＳＴＥＰ６１３では、燃料電池スタック１１の出力電力（又は出力電流ＩＦＣ）と所定値Ｃとを対比し、出力電力（又は出力電流ＩＦＣ）＞Ｃであれば、ＳＴＥＰ６１４へ進み、出力電力（又は出力電流ＩＦＣ）≦Ｃであれば、ＳＴＥＰ６１６へ進む。なお、ＳＴＥＰ６１３において、燃料電池スタック１１の出力電力に代えて、出力電圧Ｖではなく、出力電流ＩＦＣにより判断するのは、燃料電池の出力電力は、出力電圧Ｖよりも出力電流ＩＦＣに大きく依存するからである。出力電流ＩＦＣにより燃料電池スタック１１の負荷を判断するときは、Ｃは、例えば、図２の実線のＩＦＣが例えば３００Ａであれば、２００Ａ以上である。
【００５１】
ＳＴＥＰ６１４では、ＳＴＥＰ６１１で経過時間の計測を開始したタイマにおける計測時間が所定時間以上になっているか否かを判定し、所定時間以上であれば、ＳＴＥＰ６１５へ進み、所定時間以内であれば、ＳＴＥＰ６１２へ戻る。
【００５２】
燃料電池スタック１１の温度、負荷及び継続状態に関して、ＳＴＥＰ６１５では、燃料電池スタック１１は高温高負荷継続状態にあると判断し、ＳＴＥＰ６１６では、燃料電池スタック１１は通常状態にあると判断する。
【００５３】
図６において、（ａ）及び（ｂ）は２種類の高温高負荷状態の領域を定義している。（ａ）は図５のＲＯＵＴＩＮＥ６１で採用している高温高負荷状態の領域である。実際のＲＯＵＴＩＮＥ６１では、高温高負荷継続状態として、ＳＴＥＰ６１４の継続（時間因子）判断も加えているが、図６は、ＳＴＥＰ６１２，６１３で絞り込まれる高温高負荷状態の領域のみを示している。図６において横軸はＦＣ水温Ｔを、縦軸は燃料電池スタック１１の出力電力（ＦＣ出力）又は出力電流（ＦＣ電流）をそれぞれ示している。
【００５４】
図６（ａ）では、ＦＣ水温Ｔ＞ＢでかつＦＣ出力＞Ｃである領域が高温高負荷状態の領域となり、それ以外の領域は燃料電池スタック１１の通常状態の領域となる。
【００５５】
図６（ｂ）では、高温高負荷状態の領域と燃料電池スタック１１の通常状態とを分ける境界線Ｌが、傾斜角の異なる２つの傾斜線部分により定義される。すなわち、Ｌを定義する２つの傾斜線部分は、燃料電池スタック１１の出力電力＝Ｃの箇所において結合しており、結合点におけるＦＣ水温ＴはＢより少し小さい値Ｂ’（Ｂ’＜Ｂ）となっている。また、ＦＣ水温Ｔの単位増加量に対するＦＣ出力の減少量は結合点より右側では左側より小さくなっている。
【００５６】
図７は、燃料電池スタック１１の冷却促進制御に係るＲＯＵＴＩＮＥ６４のフローチャートである。ＳＴＥＰ６４１では、（ａ）ＦＣ用ラジエタファン２２の増速、（ｂ）ＦＣ冷却水ポンプ２３の増速、及び／又は（ｃ）車室の気温を調整するエアコンの温度調整量を減少させる。（ａ）及び（ｂ）では、燃料電池スタック１１の冷却水の流量が増大し、その結果、燃料電池スタック１１の冷却が促進される。
【００５７】
（ｃ）では、エアコンの温度調整温度量の減少により、エアコンコンデンサ２０における冷却風Ｗの気温とエアコンコンデンサ２０の温度との差が減少し、冷却風Ｗは、エアコンコンデンサ２０を通過する際の温度上昇を抑制されて、低温を維持して、ＦＣ系ラジエタ２１を通過する。その結果として、ＦＣ系ラジエタ２１における冷却水温度の低下量が増大し、燃料電池スタック１１の冷却が促進される。
【００５８】
ＲＯＵＴＩＮＥ６４による燃料電池スタック１１の冷却促進によりＦＣ水温ＴはＢ以下、したがってＴ３（図２）以下となり、燃料電池スタック１１の出力電力は増大する。なお、ＲＯＵＴＩＮＥ６４の実施による下降後のＦＣ水温Ｔは、Ｔ３より小さい、例えばＴ２（図２）とすることもできる。このようなＦＣ水温Ｔの下降により、燃料電池スタック１１の電極における湿潤状態が改善され、燃料電池スタック１１の出力電力は増大する。
【００５９】
なお、図３でＲＯＵＴＩＮＥ６４がスキップされたときには、燃料電池スタック１１の冷却能力は、ＲＯＵＴＩＮＥ６４の実行時よりも所定分低いものとなる。
したがつて、モータ３７が出力余裕度無しの状態でかつ燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態になっていない通常の期間である、例えば燃料電池スタック１１が高温であっても、モータ３７の出力に余裕があるか、あるいは燃料電池スタックの負荷が大きくないために、燃料電池スタック１１の出力電力の低下が問題にならない期間では、適当に低い冷却力で燃料電池スタック１１が冷却され、消費電力が抑制される。
【００６０】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池自動車以外の車両や船舶等の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。
【００６１】
モータに対する要求出力は、本発明の実施形態では、アクセルペダルの踏込み量に基づき算出されるが、その他として、アクセルペダルの踏込み量が所定値以上にもかかわらず、走行速度が低下していく場合のその低下量や低下速度に基づき算出してもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・・燃料電池システム、１１・・・燃料電池スタック、１２・・・高圧バッテリ、１４・・・冷却水循環路、１５・・・冷却制御装置、２０・・・エアコンコンデンサ、２１・・・ＦＣ系ラジエタ、２２・・・ＦＣ用ラジエタファン、２３・・・ＦＣ冷却水ポンプ、２８・・・水温センサ、３７・・・モータ、５５・・・モータ出力余裕度判断部、５６・・・ＦＣ高温高負荷判断部、５７・・・冷却促進部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の高温高負荷時に対処する燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池自動車では、燃料電池の電極を所定の湿潤状態に保持するために、燃料電池に供給する反応ガスに対して加湿が行われる。しかしながら、高速走行や登坂走行時等に燃料電池の高温高負荷状態が継続すると、反応ガスへの加湿が不足したり、燃料電池の電極からの水分の揮発が高まるため、燃料電池の出力電力が低下し、その結果、モータの出力が要求量から大幅に低下してしまう。
【０００３】
特許文献１は燃料電池の劣化を防止する燃料電池システムを開示する。該燃料電池システムによれば、燃料電池の出力電流から燃料電池内の最高温度を推定し、燃料電池内の推定最高温度が、燃料電池の膜電極構造体の耐久上限温度以下になるように、燃料電池の冷却用の冷媒流通量を制御する。
【０００４】
特許文献２は燃料減圧弁の温度低下を防止する燃料電池システムを開示する。該燃料電池システムによれば、燃料電池に酸化剤ガスを供給するコンプレッサを冷却する冷却水を、燃料減圧弁の暖機必要時には、該冷却水の放熱部としてのラジエタでなく、燃料減圧弁へ送って、燃料減圧弁を、コンプレッサにより加熱された冷却水により加熱するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１９１７４２号公報
【特許文献２】特開２００４−１５８３７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の燃料電池システムは、燃料電池温度が適正範囲内になるように、冷媒により燃料電池を冷却しており、燃料電池温度が上限設定温度になった時に、燃料が最大になるように、燃料電池の冷却制御を行っている。したがって、燃料電池の高負荷状態が継続して、冷却能力の不足により燃料電池温度が上限設定温度を超えたときには、燃料電池温度を上限設定温度以下に戻すことができず、燃料電池の出力電力が低下する。そのため、燃料電池自動車のように、燃料電池の出力電力によってモータを駆動するシステムに適用したときには、燃料電池が高温になったときにモータの出力が低下してしまう。
【０００７】
そこで、特許文献１の燃料電池システムにおいて、もし、燃料電池の高負荷状態が継続しても、燃料電池温度が上限設定温度以下になるように、燃料電池の冷却手段の冷却能力を十分に増大させようとすると、今度は、燃料電池とバッテリとの合計の出力電力増大に余裕がある状況においても、燃料電池温度が上限設定温度近くになりさえすれば、冷却手段が最大冷却力で作動してしまい、これは、冷却手段が最大冷却力で作動する時間の大幅な増大につながり、消費電力増大の原因になる。
【０００８】
特許文献２の燃料電池システムは、暖機中の燃料減圧弁の加熱に関し、燃料電池が上限設定温度を超えた時の燃料電池の冷却制御については一切言及していない。
【０００９】
本発明の目的は、燃料電池の冷却に使用する電力を抑えつつ、燃料電池の高温高負荷継続状態時のモータ出力を改善する燃料電池システム及びその制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明の燃料電池システムは、モータと、蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出手段と、前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出手段と、前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進手段と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
第１発明によれば、モータ出力が非余裕状態となっている、燃料電池の高温高負荷継続状態時では、燃料電池の冷却能力を増大して、燃料電池の電極における湿潤状態を改善して、燃料電池の出力増大を図り、モータ出力を改善することができる。また、燃料電池の高温高負荷継続状態では、冷却手段による最大冷却能力での冷却作動が行われるものの、燃料電池の通常の高温状態では、最大冷却能力より低い冷却作動に留まるため、燃料電池の運転期間全体における電力消費量を節約することができる。
【００１２】
第２発明の燃料電池システムでは、第１発明の燃料電池システムにおいて、前記冷却促進手段は、前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力との合計が前記合計上限出力電力を上回っているときはモータ出力が非余裕状態であると判断することを特徴とする。
【００１３】
第２発明によれば、モータ要求電力とその他の電装品への現時点の供給電力との合計が合計上限出力電力を上回っているときはモータ出力が非余裕状態であると判断することにより、上記電力消費量の節約とモータ出力の改善に加え、燃料電池の冷却による燃料電池の出力増加時を的確に把握して、モータのドライバビリティを向上させることができる。
【００１４】
第３発明の燃料電池システムでは、第１又は第２発明において、前記冷却促進手段は、燃料電池温度が前記第１所定値以上の第２所定値以上でありかつ燃料電池負荷が所定値以上である状態が所定時間以上継続したとき、前記燃料電池が高温高負荷継続状態であると判断することを特徴とする。
【００１５】
第３発明によれば、燃料電池温度が第１所定値以上でありかつ燃料電池負荷が所定値以上である状態が所定時間以上継続したとき、燃料電池が高温高負荷継続状態であると判断することにより、燃料電池の冷却による燃料電池の出力増加時を的確に把握して、上記電力消費量の節約とモータ出力の改善に加え、モータのドライバビリティを向上させることができる。
【００１６】
第４発明の燃料電池システムでは、第１〜３のいずれか１つの発明の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池を冷却する冷媒用のラジエタは、エアコンの冷媒用のコンデンサに隣接し、該コンデンサを通過した後の冷却風により冷却されるように配設されており、前記冷却促進手段は、前記冷却手段の冷却能力の増大を、前記エアコンによる温度調整量の減少により実施することを特徴とする。
【００１７】
第４発明によれば、燃料電池の冷却促進は、エアコンによる温度調整量の減少により、冷却風がコンデンサを通過する際に温度上昇するのを抑制して、低温を保持した冷却風によるラジエタの冷却に達成される。すなわち、冷却ファンや冷却ポンプの性能上昇に依らず、燃料電池の冷却を促進することができ、上記電力消費量の節約とモータ出力の改善に加え、コスト上昇を抑えることができる。
【００１８】
第５発明の制御方法は、モータと、蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却手段と、を備える燃料電池システムの制御方法であって、前記燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出ステップと、前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出ステップと、前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出ステップと、前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進ステップと、を含むことを特徴とする。
【００１９】
第５発明によれば、モータ出力が非余裕状態となっている、燃料電池の高温高負荷継続状態時では、燃料電池の冷却能力を増大して、燃料電池の電極における湿潤状態を改善して、燃料電池の出力増大を図り、モータ出力を改善することができる。また、燃料電池の高温高負荷継続状態時以外では、燃料電池についての最大冷却能力を使用しないので、電力消費量を節約することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】燃料電池システムの構成図。
【図２】冷却水温度と燃料電池スタックの出力電圧との関係に関連して燃料電池自動車の走行状態に因る燃料電池スタックの出力電圧の変化について説明する図。
【図３】燃料電池システムにおける燃料電池スタックの冷却制御のフローチャート。
【図４】モータの出力余裕度を判定するルーチンのフローチャート。
【図５】燃料電池スタックの高温高負荷継続状態を判定するルーチンのフローチャート。
【図６】燃料電池スタックの水温と出力とから定義される燃料電池スタックの高温高負荷状態の説明図。
【図７】燃料電池スタックの冷却促進ルーチンのフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池自動車に搭載され、燃料電池スタック１１、高圧バッテリ１２、電子駆動装置１３、冷却水循環路１４及び冷却制御装置１５を備える。該燃料電池自動車は、燃料電池スタック１１において発電した電力で電子駆動装置１３のモータ３７を作動させて、モータ３７により駆動輪（図示せず）を駆動して、走行する。
【００２２】
燃料電池スタック１１は、水素と空気中の酸素とを反応ガスに使用して、発電する。燃料電池スタック１１は、電力ケーブル３３を介して電子駆動装置１３の車両制御ユニット２７へ接続され、高圧バッテリ１２は、電力ケーブル３４を介して車両制御ユニット２７へ接続されている。
【００２３】
充電池としての高圧バッテリ１２は、燃料電池スタック１１が発生した電力の一部を、車両制御ユニット２７を経由して供給され、充電される。燃料電池スタック１１及び高圧バッテリ１２は、共同して、燃料電池自動車に搭載されている電装品へ電力を供給する。電装品には、冷却制御装置１５、ＦＣ（ＦＣ：Fuel Cell。燃料電池）用ラジエタファン２２やＦＣ冷却水ポンプ２３の駆動用モータ（図示せず）、車両制御ユニット２７及びモータ３７等の補機の他に、エアコン及びカーナビ等の電気機器も含まれる。
【００２４】
冷却水循環路１４は、燃料電池スタック１１、ＦＣ系ラジエタ２１及びＦＣ冷却水ポンプ２３を周回する循環路を構成し、冷却水を導く。エアコンコンデンサ２０、ＦＣ系ラジエタ２１及びＦＣ用ラジエタファン２２は、燃料電池自動車の前後方向へ前方からこの記載した順番で、ボンネット室内に配設される。エアコンコンデンサ２０とＦＣ用ラジエタファン２２とは隣接している。冷却風Ｗは、燃料電池自動車の走行及び／又はＦＣ用ラジエタファン２２の回転に伴って、自動車前方からボンネット室内へ流入し、エアコンコンデンサ２０及びＦＣ系ラジエタ２１を、この順番に通過して、それらから熱を奪う。
【００２５】
ＦＣ冷却水ポンプ２３は、冷却制御装置１５からの制御信号により回転速度を制御され、冷却水循環路１４に冷却水を循環させる。水温センサ２８は、燃料電池スタック１１における冷却水循環路１４の出口箇所に配設され、該箇所における冷却水温度を検出する。温度センサ２９は、反応ガスの水素の流路が燃料電池スタック１１から出て来る箇所に配設され、該箇所における水素の温度を検出する。温度センサ３０は、反応ガスの酸素を含む空気の流路が燃料電池スタック１１から出て来る箇所に配設され、該箇所における空気の温度を検出する。
【００２６】
電子駆動装置１３は、車両制御ユニット２７及びモータ３７の他に、パワードライブユニット３６を備える。車両制御ユニット２７は、電力ケーブル３５を介してパワードライブユニット３６へ接続され、燃料電池スタック１１からの電力を高圧バッテリ１２とパワードライブユニット３６とへ振り分けるとともに、振り分け比を制御する。パワードライブユニット３６は、車両制御ユニット２７経由で供給される電力によりモータ３７を駆動する。
【００２７】
電圧センサ４１及び電流センサ４２は電力ケーブル３３における電圧及び電流をそれぞれ検出する。電圧センサ４５及び電流センサ４６は電力ケーブル３４における電圧及び電流をそれぞれ検出する。電圧センサ４９及び電流センサ５０は電力ケーブル３５における電圧及び電流をそれぞれ検出する。
【００２８】
冷却制御装置１５は、モータ出力余裕度判断部５５、ＦＣ高温高負荷判断部５６及び冷却促進制御部５７を備える。冷却制御装置１５は、水温センサ２８、温度センサ２９、温度センサ３０、電圧センサ４１，４５，４９、及び電流センサ４２，４６，５０等からの検出信号を入力される。冷却制御装置１５は、また、エアコンコンデンサ２０、ＦＣ系ラジエタ２１、ＦＣ用ラジエタファン２２、ＦＣ冷却水ポンプ２３及び車両制御ユニット２７へ制御信号を送って、それらを制御する。
【００２９】
モータ出力余裕度判断部５５は、モータ３７の出力余裕度を判断する。ＦＣ高温高負荷判断部５６は、燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であるか否かを判断する。冷却促進制御部５７は、モータ出力余裕度判断部５５及びＦＣ高温高負荷判断部５６の判断に基づきエアコンコンデンサ２０、ＦＣ用ラジエタファン２２及び／又はＦＣ冷却水ポンプ２３を制御して、燃料電池スタック１１の冷却を制御する。
【００３０】
冷却制御装置１５についての具体的な作用の説明に入る前に、図２を参照して、冷却制御装置１５の制御を概略的に説明する。
【００３１】
図２のグラフにおいて、横軸は水温センサ２８により検出した燃料電池スタック１１の冷却水の温度（ＦＣ水温Ｔ）、縦軸は電圧センサ４１により検出された燃料電池スタック１１の出力電圧（ＦＣ電圧Ｖ）を示している。実線は、燃料電池スタック１１の上限の出力電圧を示している。実線から下に離れて図示されている破線は、燃料電池スタック１１の下限の出力電圧を示している。燃料電池スタック１１の上限及び下限の出力電圧ＶはＦＣ水温Ｔに応じて変化する。なお、Ｖ１，Ｖ２は例えば３２０Ｖ、３３０Ｖである。
【００３２】
燃料電池スタック１１が、各ＦＣ水温Ｔでの上限又は下限の出力電圧を出力しているときのＩＦＣ（出力電流）は一定となっており、上限時のＩＦＣ（例：３００Ａ）は下限時のＩＦＣより大きい。燃料電池スタック１１の出力電力は燃料電池スタック１１の出力電圧Ｖに比例する。
【００３３】
図２では、通常走行範囲と、高速走行又は登板走行範囲とが定義されている。通常走行範囲は、Ｔ１≦Ｔ≦Ｔ２である。高速走行又は登板走行範囲は、Ｔ２＜Ｔの範囲である。Ｔ１，Ｔ２は例えばそれぞれ７５°Ｃ，８５°Ｃである。燃料電池スタック１１の下限又は上限のＦＣ電圧Ｖは、通常走行範囲ではＦＣ水温Ｔの変化に対してフラットを維持し、通常走行範囲より下側では、ＦＣ水温Ｔの上昇に連れて上昇し、通常走行範囲より上側では、ＦＣ水温Ｔの上昇に連れて下降する。
【００３４】
該燃料電池自動車が、高速走行又は登板走行の状態になると、モータ３７に対する要求出力が増大し、これに伴い、ＦＣ電圧Ｖはその上限まで上昇し、燃料電池スタック１１は図２における通常走行範囲内のＰ１になる。
【００３５】
燃料電池自動車が、高速走行又は登板走行をさらに続けると、ＦＣ水温Ｔが上昇し、燃料電池スタック１１は、図２における通常走行範囲のＰ１から高速走行又は登板走行範囲のＰ２へ移る。
【００３６】
燃料電池スタック１１が高速走行又は登板走行範囲のＰ２へ移ってから、なおも、高速走行又は登板走行状態が継続すると、ＦＣ水温Ｔは、上昇を続けて、Ｔ３を超えて、燃料電池の状態は、実線のフラット部分の右端から右へ水平に延び出している波線におけるＰ３へ移る。Ｐ３の状態で、何も対策を採らないと、Ｐ３の状態へ移行してから数分が経つと、上限ＦＣ電圧は、ＦＣ水温ＴがＴ３を上回る範囲では、Ｔ３における上限ＦＣ電圧の値を起点に右肩下がりになり、燃料電池の状態はＰ４へ移ってしまう。この結果、モータ３７の出力は下降してしまい、高速走行又は登板走行の継続が困難になってしまう。
【００３７】
冷却制御装置１５は、これに対処した制御を実施することにより、Ｐ４のような燃料電池スタック１１の出力電力の低下は回避する。図３〜図７を参照して、冷却制御装置１５の具体的な制御について説明する。
【００３８】
なお、本発明における燃料電池は燃料電池スタック１１に相当する。本発明における蓄電池は高圧バッテリ１２に相当する。本発明における冷却手段は、ＦＣ系ラジエタ２１、ＦＣ用ラジエタファン２２又はＦＣ冷却水ポンプ２３に相当する。本発明における温度検出手段は水温センサ２８に相当する。本発明における負荷状態検出手段はＦＣ高温高負荷判断部５６に相当する。本発明における上限出力電力算出手段及びモータ要求電力算出手段はモータ出力余裕度判断部５５に相当する。本発明における冷却促進手段は冷却促進制御部５７に相当する。
【００３９】
本発明における燃料電池温度についての第１所定値は図２のＴ２又はＴ３に設定することができる。本発明における燃料電池温度についての第２所定値も図２のＴ２又はＴ３に設定することができる。第１及び第２所定値をそれぞれＴ２及びＴ３に設定することもできる。
【００４０】
図３において、冷却制御装置１５は、燃料電池システム１０が搭載される燃料電池自動車のイグニッションスイッチ（図示せず）がオンになるのに伴い、すなわち、燃料電池自動車の運転が開始される時に起動する。ＲＯＵＴＩＮＥ６０，６１の処理はそれぞれ冷却制御装置１５のモータ出力余裕度判断部５５及びＦＣ高温高負荷判断部５６の機能を実現するものとなっている。
【００４１】
ＳＴＥＰ６２では、ＲＯＵＴＩＮＥ６０での判断結果が、モータ３７の出力について余裕度無しか余裕度有りかのどちらであるかを調べ、余裕度無しであれば、ＳＴＥＰ６３へ進み、余裕度有りであれば、ＳＴＥＰ６５へ進む。
【００４２】
ＳＴＥＰ６３では、ＲＯＵＴＩＮＥ６１での判断結果が、燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であるか否かのどちらであるかを調べ、高温高負荷継続状態であるの判断結果であれば、ＲＯＵＴＩＮＥ６４へ進み、高温高負荷継続状態でないの判断結果であれば、ＳＴＥＰ６５へ進む。
【００４３】
ＲＯＵＴＩＮＥ６４の処理は冷却制御装置１５の冷却促進制御部５７の機能を実現するものになっている。ＲＯＵＴＩＮＥ６４は、モータ３７の出力について余裕度無しでかつ燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態であるときに実行され、それ以外のときにはスキップされる。ＲＯＵＴＩＮＥ６４の詳細については、図７を参照して、後述する。
【００４４】
ＳＴＥＰ６５では、イグニッションスイッチがオフであるかオンであるかを判定し、オンであれば、ＲＯＵＴＩＮＥ６０へ戻り、オフであれば、すなわち、燃料電池自動車の運転が終了すると、冷却制御装置１５の作動を停止する。
【００４５】
図４は、モータ３７の出力余裕度を判断するＲＯＵＴＩＮＥ６０のフローチャートであり、ＳＴＥＰ６０１では、燃料電池スタック１１と高圧バッテリ１２とが現時点で共同してモータ３７へ供給することができる出力電力（モータ出力上限）をＡ、現時点での燃料電池スタック１１の出力電力の上限（ＦＣ出力上限）をＡ１、現時点での高圧バッテリ１２の出力電力の上限（バッテリ出力上限）をＡ２、モータ３７を除くすべての電装品の現在の消費電力をＡ３と定義し、式：Ａ＝Ａ１＋Ａ２−Ａ３からＡを算出する。現時点でのＡ１は、図２における実線上の各位置における燃料電池スタック１１の出力電力（ＦＣ電圧×出力電流）に相当する。現時点でのＡ２は、高圧バッテリ１２の放電終了までほぼ一定を維持するが、放電終了間近になると、低下する。Ａは、モータ３７が、現時点で燃料電池スタック１１及び高圧バッテリ１２から供給を受けることができる電力となる。
【００４６】
ＳＴＥＰ６０２では、Ａと、モータ３７がその要求出力を出力するために、モータ３７へ供給する必要のある供給電力（モータ要求電力）とを対比し、Ａ≦モータ要求電力であれば、ＳＴＥＰ６０３へ進み、Ａ＞モータ要求電力であれば、ＳＴＥＰ６０４へ進む。なお、モータ３７に対する要求出力は、例えば運転室の加速ペダルの踏込み量に対応する。運手者は、モータ３７に対して大きな出力を要求するときほど、加速ペダル大きく踏込む。
【００４７】
モータ３７の出力について、ＳＴＥＰ６０３では、余裕度無しと判定し、ＳＴＥＰ６０４では、余裕度有りと判定する。
【００４８】
図５は、燃料電池スタック１１の高温高負荷継続状態を判断するＲＯＵＴＩＮＥ６１のフローチャートであり、ＳＴＥＰ６１１では、タイマをリセットし、該タイマにより時間経過の計測を開始する。
【００４９】
ＳＴＥＰ６１２では、ＦＣ水温Ｔと所定値Ｂ（例：Ｂ≦図２のＴ３でかつＴ３の近傍の値。例えばＢ＝９０°Ｃ。）とを対比し、ＦＣ水温Ｔ＞Ｂであれば、ＳＴＥＰ６１３へ進み、ＦＣ水温Ｔ≦Ｂであれば、ＳＴＥＰ６１６へ進む。
【００５０】
ＳＴＥＰ６１３では、燃料電池スタック１１の出力電力（又は出力電流ＩＦＣ）と所定値Ｃとを対比し、出力電力（又は出力電流ＩＦＣ）＞Ｃであれば、ＳＴＥＰ６１４へ進み、出力電力（又は出力電流ＩＦＣ）≦Ｃであれば、ＳＴＥＰ６１６へ進む。なお、ＳＴＥＰ６１３において、燃料電池スタック１１の出力電力に代えて、出力電圧Ｖではなく、出力電流ＩＦＣにより判断するのは、燃料電池の出力電力は、出力電圧Ｖよりも出力電流ＩＦＣに大きく依存するからである。出力電流ＩＦＣにより燃料電池スタック１１の負荷を判断するときは、Ｃは、例えば、図２の実線のＩＦＣが例えば３００Ａであれば、２００Ａ以上である。
【００５１】
ＳＴＥＰ６１４では、ＳＴＥＰ６１１で経過時間の計測を開始したタイマにおける計測時間が所定時間以上になっているか否かを判定し、所定時間以上であれば、ＳＴＥＰ６１５へ進み、所定時間以内であれば、ＳＴＥＰ６１２へ戻る。
【００５２】
燃料電池スタック１１の温度、負荷及び継続状態に関して、ＳＴＥＰ６１５では、燃料電池スタック１１は高温高負荷継続状態にあると判断し、ＳＴＥＰ６１６では、燃料電池スタック１１は通常状態にあると判断する。
【００５３】
図６において、（ａ）及び（ｂ）は２種類の高温高負荷状態の領域を定義している。（ａ）は図５のＲＯＵＴＩＮＥ６１で採用している高温高負荷状態の領域である。実際のＲＯＵＴＩＮＥ６１では、高温高負荷継続状態として、ＳＴＥＰ６１４の継続（時間因子）判断も加えているが、図６は、ＳＴＥＰ６１２，６１３で絞り込まれる高温高負荷状態の領域のみを示している。図６において横軸はＦＣ水温Ｔを、縦軸は燃料電池スタック１１の出力電力（ＦＣ出力）又は出力電流（ＦＣ電流）をそれぞれ示している。
【００５４】
図６（ａ）では、ＦＣ水温Ｔ＞ＢでかつＦＣ出力＞Ｃである領域が高温高負荷状態の領域となり、それ以外の領域は燃料電池スタック１１の通常状態の領域となる。
【００５５】
図６（ｂ）では、高温高負荷状態の領域と燃料電池スタック１１の通常状態とを分ける境界線Ｌが、傾斜角の異なる２つの傾斜線部分により定義される。すなわち、Ｌを定義する２つの傾斜線部分は、燃料電池スタック１１の出力電力＝Ｃの箇所において結合しており、結合点におけるＦＣ水温ＴはＢより少し小さい値Ｂ’（Ｂ’＜Ｂ）となっている。また、ＦＣ水温Ｔの単位増加量に対するＦＣ出力の減少量は結合点より右側では左側より小さくなっている。
【００５６】
図７は、燃料電池スタック１１の冷却促進制御に係るＲＯＵＴＩＮＥ６４のフローチャートである。ＳＴＥＰ６４１では、（ａ）ＦＣ用ラジエタファン２２の増速、（ｂ）ＦＣ冷却水ポンプ２３の増速、及び／又は（ｃ）車室の気温を調整するエアコンの温度調整量を減少させる。（ａ）及び（ｂ）では、燃料電池スタック１１の冷却水の流量が増大し、その結果、燃料電池スタック１１の冷却が促進される。
【００５７】
（ｃ）では、エアコンの温度調整温度量の減少により、エアコンコンデンサ２０における冷却風Ｗの気温とエアコンコンデンサ２０の温度との差が減少し、冷却風Ｗは、エアコンコンデンサ２０を通過する際の温度上昇を抑制されて、低温を維持して、ＦＣ系ラジエタ２１を通過する。その結果として、ＦＣ系ラジエタ２１における冷却水温度の低下量が増大し、燃料電池スタック１１の冷却が促進される。
【００５８】
ＲＯＵＴＩＮＥ６４による燃料電池スタック１１の冷却促進によりＦＣ水温ＴはＢ以下、したがってＴ３（図２）以下となり、燃料電池スタック１１の出力電力は増大する。なお、ＲＯＵＴＩＮＥ６４の実施による下降後のＦＣ水温Ｔは、Ｔ３より小さい、例えばＴ２（図２）とすることもできる。このようなＦＣ水温Ｔの下降により、燃料電池スタック１１の電極における湿潤状態が改善され、燃料電池スタック１１の出力電力は増大する。
【００５９】
なお、図３でＲＯＵＴＩＮＥ６４がスキップされたときには、燃料電池スタック１１の冷却能力は、ＲＯＵＴＩＮＥ６４の実行時よりも所定分低いものとなる。
したがつて、モータ３７が出力余裕度無しの状態でかつ燃料電池スタック１１が高温高負荷継続状態になっていない通常の期間である、例えば燃料電池スタック１１が高温であっても、モータ３７の出力に余裕があるか、あるいは燃料電池スタックの負荷が大きくないために、燃料電池スタック１１の出力電力の低下が問題にならない期間では、適当に低い冷却力で燃料電池スタック１１が冷却され、消費電力が抑制される。
【００６０】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池自動車以外の車両や船舶等の移動体に搭載される燃料電池システムにも適用可能である。
【００６１】
モータに対する要求出力は、本発明の実施形態では、アクセルペダルの踏込み量に基づき算出されるが、その他として、アクセルペダルの踏込み量が所定値以上にもかかわらず、走行速度が低下していく場合のその低下量や低下速度に基づき算出してもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・・燃料電池システム、１１・・・燃料電池スタック、１２・・・高圧バッテリ、１４・・・冷却水循環路、１５・・・冷却制御装置、２０・・・エアコンコンデンサ、２１・・・ＦＣ系ラジエタ、２２・・・ＦＣ用ラジエタファン、２３・・・ＦＣ冷却水ポンプ、２８・・・水温センサ、３７・・・モータ、５５・・・モータ出力余裕度判断部、５６・・・ＦＣ高温高負荷判断部、５７・・・冷却促進部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータと、
蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、
前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出手段と、
前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出手段と、
前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却促進手段は、前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力との合計が前記合計上限出力電力を上回っているときはモータ出力が非余裕状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却促進手段は、燃料電池温度が前記第１所定値以上の第２所定値以上でありかつ燃料電池負荷が所定値以上である状態が所定時間以上継続したとき、前記燃料電池が高温高負荷継続状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を冷却する冷媒用のラジエタは、エアコンの冷媒用のコンデンサに隣接して、該コンデンサを通過した後の冷却風により冷却されるように配設され、
前記冷却促進手段は、前記冷却手段の冷却能力の増大を、前記エアコンによる温度調整量の減少により実施することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
モータと、
蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、
前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出ステップと、
前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出ステップと、
前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出ステップと、
前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進ステップと、
を含むことを特徴とする制御方法。
【請求項１】
モータと、
蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出手段と、
前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、
前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出手段と、
前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出手段と、
前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却促進手段は、前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力との合計が前記合計上限出力電力を上回っているときはモータ出力が非余裕状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、
前記冷却促進手段は、燃料電池温度が前記第１所定値以上の第２所定値以上でありかつ燃料電池負荷が所定値以上である状態が所定時間以上継続したとき、前記燃料電池が高温高負荷継続状態であると判断することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池を冷却する冷媒用のラジエタは、エアコンの冷媒用のコンデンサに隣接して、該コンデンサを通過した後の冷却風により冷却されるように配設され、
前記冷却促進手段は、前記冷却手段の冷却能力の増大を、前記エアコンによる温度調整量の減少により実施することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
モータと、
蓄電池を充電するとともに該蓄電池と共同して前記モータとその他の電装品とへ電力を供給する燃料電池と、
前記燃料電池を冷却する冷却手段と、
を備える燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料電池の温度を検出する温度検出ステップと、
前記燃料電池の負荷状態を検出する負荷状態検出ステップと、
前記燃料電池の現時点の上限出力電力と前記蓄電池の現時点の上限出力電力とを合計した現時点の合計上限出力電力を算出する上限出力電力算出ステップと、
前記モータが要求された出力を出すために必要とするモータ要求電力を算出するモータ要求電力算出ステップと、
前記合計上限出力電力と前記モータ要求電力と前記その他の電装品への現時点の供給電力とに基づきモータ出力が非余裕状態であるか否かを判断するとともに、燃料電池温度と燃料電池負荷と燃料電池温度及び燃料電池負荷についての所定状態の継続時間とに基づき前記燃料電池が高温高負荷継続状態であるか否かを判断し、その判断結果が、モータ出力が非余裕状態でかつ燃料電池が高温高負荷継続状態であれば、前記冷却手段の冷却能力を増大させて、前記燃料電池温度を第１所定値以下まで下降させる冷却促進ステップと、
を含むことを特徴とする制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２０９１０９（Ｐ２０１２−２０９１０９Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７３３８８（Ｐ２０１１−７３３８８）
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２９日（２０１１．３．２９）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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